[发明专利]活性铝燃料

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年6月2日提交的美国临时专利申请62/169,734的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中来。

背景

铝具有比其他金属高的能量密度(83.8MJ/L)，并且是汽油能量密度(38MJ/L)的两倍以上。铝还与氧化剂具有高反应性，使其成为可用的氢气来源。例如，当铝与水接触时，通过以下反应产生氢气：

因此，铝有潜力成为安全的氢气来源。然而，在正常的环境条件下，在铝上形成保护性氧化物涂层。该氧化物涂层迅速形成并且稳定，从而产生以免铝暴露于水产生可用量的氢气和热的障碍。

概述

本公开的活性铝燃料是稳定且高收率的氢燃料源，并且因此适合在多种基于氢的应用中使用，在这些应用中尺寸、重量、便携性和氢气利用率是关键任务因素。例如，活性铝燃料可以在低湿度环境中储存，安全地输送到有氢气需求的地点，并且在需求地点与水反应以生成用于发电(例如，在氢动力燃料电池中)的氢气，降低了否则与使用氢气作为燃料相关的风险和复杂性。

一方面，一种制造氢燃料源的方法包括将铝件(aluminium object)(例如，球)暴露于包含铟和镓的共晶合金，使共晶合金从铝件的外表面扩散到铝件的体积中，以及从在铝件的外表面上的氧化铝层回收共晶合金的至少一部分。共晶合金经氧化铝层中的破裂扩散。如本文所用，术语“破裂(disruption)”包括例如微裂缝和成核位点。

在一些实施方案中，所述方法还包括在铝件的外表面上的氧化铝层中产生破裂。例如，在铝件的外表面上的氧化铝层中产生破裂可以包括使铝件热膨胀(例如，产生超过氧化铝层的拉伸屈服应力的机械应力)。使铝件热膨胀可以包括将铝件放置到加热到比铝件的初始温度高约75度的共晶合金浴中。

在某些实施方案中，将铝件暴露于共晶合金包括将铝件暴露于共晶合金包括将铝件浸没在共晶合金浴中。

在一些实施方案中，铝件的外表面暴露于共晶合金历时第一预定时段，并且共晶合金从外表面扩散到铝件的体积中历时第二预定时段。第二预定时间段的至少一部分发生在第一预定时段之外，使得例如第一时间段可以小于第二时间段。

在某些实施方案中，从铝件的表面回收共晶合金包括离心铝件。

在一些实施方案中，使共晶合金从铝件的外表面扩散到铝件的体积中包括使共晶合金沿着铝件的铝合金的晶界扩散。

在某些实施方案中，在使共晶合金扩散之前，铝件是大于约87质量%的铝合金。

在一些实施方案中，铝件包括冷加工的铝合金。例如，冷加工的铝合金可以是挤出和锻造中的一种或多种。

在某些实施方案中，铝件包括具有大于约0.5J/m²的能量的高能晶界。

另一方面，制造氢燃料源的方法包括将镓和铟的共晶合金浴加热到约100℃至200℃，将温度低于100℃的铝件放置到该浴中，使铝件在该浴中历时预定的时间，以及从浴中移出铝件。该预定的时间是足以使共晶渗透氧化铝层并且润湿基本上整个铝件体积的晶界。

在一些实施方案中，所述方法还包括从铝件的外表面回收共晶合金的至少一部分，并使回收的共晶合金返回到加热浴中。另外地或替代地，所述方法还包括在将铝件从浴中移出的情况下，静置铝件。

在某些实施方案中，在使共晶合金扩散之前，铝件为大于约90质量%的铝合金。另外地或替代地，铝件可以是球。

又一方面，制造氢燃料源的方法包括：在室温下将铝球放置到加热到高于室温的液态铟-镓共晶合金浴中，搅拌共晶合金中的铝球，从共晶合金浴中移出铝球，以及通过离心、振动或翻转铝球中的一个或多个从每个相应的铝球的外部表面除去共晶合金的至少一部分。每个铝球可以具有约6mm的直径。

又一方面，制造氢燃料源的方法包括：将铝件暴露于包含镓的共晶合金，使共晶合金从铝件的外表面扩散到铝件的体积中，以及从铝件外表面上的氧化铝层回收共晶合金的至少一部分。共晶合金经铝件的外表面上的氧化铝层扩散。例如，共晶合金经铝件的外表面上的氧化铝层中的破裂扩散。共晶合金可以进一步包含铟和/或锡。

另一方面，氢燃料源包括具有限定铝件的体积的外表面的铝件、布置在铝件的外表面上的氧化铝层以及包含镓和铟的共晶合金，共晶合金在铝件的体积内扩散，并且氧化铝层的至少一部分不含共晶合金并暴露于空气。

在一些实施方案中，当氢燃料处于共晶合金浴中时，不含共晶合金的氧化铝层的那部分的表面积大于暴露于空气的氧化铝层的表面积。