一种燃料电池用高容量易活化RE-Ti-Fe-Mn基贮氢合金及制备方法技术

本发明专利技术提供一种适用于车载燃料电池系统的高容量易活化的RE

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用高容量易活化RE
‑
Ti
‑
Fe
‑
Mn基贮氢合金及制备方法


[0001]本专利技术属于贮氢合金
，特别是提供了一种适用于车载燃料电池系统的高容量易活化的RE
‑
Ti
‑
Fe
‑
Mn基贮氢合金。

技术介绍

[0002]由于煤炭，石油等传统化石能源的大量使用导致的环境恶化，以及人们环保意识的增强，开发清洁能源成为全世界人们关注的重点。氢能因能量密度高、环保、可循环利用，成为21世纪最有发展潜力的清洁能源，也是替代化石燃料的最佳选择。氢与贮氢材料的结合，成为新世纪氢能开发与利用的研究热点。随着贮氢材料在燃料电池以及高精尖领域越来越广泛的应用，研究与开发贮氢材料受到世界各国的广泛关注。
[0003]目前成功开发的贮氢合金主要有稀土系AB5型，Laves相AB2型，钛系AB型，镁系A2B型，以及钒系固溶体型。钛系AB型贮氢合金的典型代表是TiFe合金，TiFe合金自1974年Reilly和Wiswall发现以来，因其在室温下能大量可逆的吸放氢，平衡压力适中，循环寿命长，且Fe和Ti两种元素在自然界中储量丰富，是目前公认的最有应用前景的贮氢合金。但是，活化困难（纯TiFe合金需要400℃，6.5MPa氢气压力才能完成活化）、抗杂质气体中毒能力差和合金放氢滞后大等缺点严重限制了TiFe基贮氢合金的实际应用。
[0004]广大科技工作者一直在致力改进TiFe基贮氢合金的贮氢性能。研究表明，TiFe合金Ti与Fe的质量分布系数对TiFe合金贮氢性能有很大影响，TiFe相中Ti的固溶体范围为45.9wt.%～48.2wt.%，如果元素组分偏离分布范围，合金的吸放氢性能发生明显变化。Reilly等研究表明，在研究Ti与Fe的质量分布范围中发现，当Ti与Fe分别为46.7wt.%和53.6wt.%时，TiFe合金吸氢量最大。当Ti含量低于45.7wt.%时，TiFe相与TiFe2相共存，因为TiFe2不吸氢，故合金吸氢量减少。当Ti含量大于48wt.%时，合金为Ti与TiFe的固溶体，由于Ti容易与氢反应形成钛氢化合物TiH和TiH2，钛氢化合物十分稳定，不易分解(分解需高温条件)，导致合金吸氢量降低。其次，合金中氧含量对合金吸氢量也有影响，为避免合金吸氢量下降，应尽可能降低合金中的氧含量。同时，贮氢材料的制备方法也对贮氢材料的贮氢性能具有很大影响。不同类型的贮氢合金有不同的制备方法，主要包括中频感应熔炼法、电弧熔炼法、熔体极冷法、气相反应法、机械合金化法以及还原扩散法。提高贮氢合金性能最基本的手段是元素替代，用过渡族元素、稀土金属等部分替代Ti或Fe,其次是通过采用机械形变技术，如高能球磨、高压扭转、冷轧，机械合金化等方式来达到改善贮氢合金性能的目的；以及通过对TiFe合金表面进行处理，来提升贮氢合金性能。
[0005]在成分设计中，本专利技术通过稀土元素RE（RE=Y，Pr，Gd）取代Ti元素设计了Ti
1.1
‑
x
RE
x
Fe
0.8
Mn
0.2
V
0.05
（x=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08）。本专利技术设计的所有合金在100℃，4MPa氢气压力条件下仅需一次就可安全活化，当RE=Y，x=0.02时，合金在30℃时的吸氢平台压为0.3MPa，20min内可逆吸放氢容量高达1.84wt.%，接近TiFe合金的理论贮氢容量1.86 wt.%。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在提供一种高容量易活化的燃料电池用TiFe基贮氢合金及制备方法，通过本专利技术制备的TiFe基贮氢合金活化性能优异，且贮氢容量在室温下高达1.84wt.%，接近TiFe基贮氢合金的理论贮氢容量（1.86 wt.%）。本专利技术通过以下技术方案实现：首先，本专利技术提供一种燃料电池用TiFe基贮氢合金，其特点在于该合金由钛、铁、锰、钒和稀土元素构成，其化学组成式为：Ti
1.1
‑
x
RE
x
Fe
0.8
Mn
0.2
V
0.05
（x=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08），式中x为原子数，稀土元素RE=Y，Pr，Gd。
[0007]其次，本专利技术提供一种燃料电池用TiFe基贮氢合金的制备方法，该制备方法步骤如下：A 按化学组成式Ti
1.1
‑
x
RE
x
Fe
0.8
Mn
0.2
V
0.05
（x=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, RE=Y，Pr，Gd）进行配料，式中x为原子比。其中，按所述化学组成式配料时稀土元素和锰元素增加5%的烧损量，且原材料纯度均大于99.6%。
[0008]B 将配好的原料按顺序依次置于氧化锆坩埚中，纯铁棒沿坩埚壁竖直摆放，坩埚底部摆放块状稀土，电解锰摆放在稀土上方，海绵钛铺放在块状锰上面，最后添加钒。将配好的原材料按照顺序依次放入感应熔炼炉内，抽真空至1
×
10
‑2‑5×
10
‑5Pa，充入0.01
‑
0.1 MPa压力的纯氩气作为保护气体，熔融温度1400
‑
1600℃，获得熔融的Ti
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‑
x
RE
x
Fe
0.8
Mn
0.2
V
0.05
（x=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, RE=Y，Pr，Gd）液态母合金，液态合金在熔融状态下保温3
ꢀ‑ꢀ
6分钟。将融化的合金浇注到铜铸模具中，获得母合金铸锭。
[0009]C 用XRD测试粉末的相结构，用高分辨透射电镜(HRTEM)及扫描电镜(SEM)观察吸氢前后合金颗粒的形貌及微观结构，并用选区电子衍射(SAED)确定合金的晶态。用半自动Sieverts设备测试合金粉末的气态贮氢容量及吸放氢动力学。吸放氢温度为30℃, 吸氢初始氢压为4 MPa, 放氢在1
×
10
‑4MPa压力下进行。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的优点在于采用成本更低，更适合大规模工业化应用的元素替代法显著提高了TiFe基贮氢合金的贮氢容量。通过少量稀土元素替代Ti元素，使合金的晶粒尺寸明显减小，并形成大量的晶体缺陷，增加氢的形核点和扩散通道，进一步降低合金的热稳定性并改善其吸放氢动力学性能，获得具有优良吸放氢动力学性能的复合贮氢材料。通过该方法制备的合金在100℃，4MPa氢气压力条件下仅需一次吸放氢就可以完全活化，且Ti
1.08
Y
0.02
Fe
0.8
Mn
0.2
合金在室温下可逆贮氢容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用高容量易活化RE
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Ti
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Fe
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Mn基贮氢合金，其特征在于合金由钛、铁、锰、钒及稀土元素构成，其化学式组成为：Ti
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x
RE
x
Fe
0.8
Mn
0.2
V
0.05
（x=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08），式中x为原子数，稀土元素RE=Y，Pr，Gd。2.根据权利要求1所述储氢合金，其特征在于，所述化学式组成为：Ti
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x
RE
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Fe
0.8
Mn
0.2
V
0.05
（x=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08），式中x为原子数，稀土元素RE=Y，Pr，Gd。3.根据权利要求1所述的高容量易活化RE
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Ti
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Fe
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Mn基贮氢合金，其特征在于：所述RE
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Ti
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Fe
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Mn储氢合金的活化温度为100℃，储氢容量和动力学吸放氢温度为30℃，吸氢初始氢气压力为4MPa，放氢初始氢压为1
×
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4 MPa。4.根据权利要求1所述的高容量易活化RE
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Ti
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Fe
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Mn基贮氢合金，其特征在于：所述RE
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Ti
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Fe
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Mn储氢合金具有以下储氢性能：在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，张羊换，房成，张薇，张洋，马晓辉，冯旭东，张书凯，
申请(专利权)人：中稀微山稀土新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：