[发明专利]一种用于燃料电池储氢的低成本钒钛锰合金及制备方法

说明书

本发明提出一种用于燃料电池储氢的低成本钒钛锰合金及制备方法，使用工业级五氧化二钒作为原料，与氧化钛、氧化锰混合后溶解于水浴加热的酸液混合溶液，充分反应后将不溶物与浓氨水反应，直至不再产生沉淀，过滤后将滤渣洗涤烘干后与碳粉均匀混合，在高温下进行热处理后骤冷，最后使用物理手段去除表面的积碳，获得钒钛锰合金储氢材料。本发明使用工业级五氧化二钒作为原料，制备的合金储氢材料原料成本低廉，铁杂质和锰杂质的引入改善了合金的放氢平台和提高放氢量，碳杂质的引入提高合金的机械强度，克服了钒钛合金储氢材料制备成本高，储氢能力不足以满足燃料电池需要的缺陷，进一步，本发明制备工序简单，适宜于大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及储氢材料领域，特别是涉及一种用于燃料电池储氢的低成本钒钛锰合金及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。燃料电池主要是由阳极、电解质和阴极所组成。在阳极上的燃料（一般为氢气）被催化剂氧化，使得燃料变成一个正电荷的离子和带负輸电子。燃料电池在工作过程中只产生水和二氧化碳，尤其与内燃机汽车相比，对环境不会造任何污染。

氢能是一种清洁、高效的能源 ,可替代污染环境且不可再生的煤、石油、天然气等化石燃料，作为洁净可再生能源有着广阔的应用前景随着氢能源的不断发展。作为氢能源发展的技术难点之一，氢气的储存也越来越受到人们的重视。燃料电池目前主要的技术难点之一是高性能低成本的储氢材料的制备技术。按氢的储存方法可以分为气体氢储存技术、液态氢储存技术和固体氢储存技术。气体氢储存技术的主要问题在于高压储氢罐成本较高而且技术不成熟，液态氢储存技术对于材料的要求同样非常严格。固体氢储存技术储氢能量密度高且安全性好，通过物理吸附将氢气储存于固态材料中，对于材料和设备的要求较低，是目前商业化最有可能实现的方式。

储氢合金在一定温度和氢气压力下储氢合金能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物，其储氢量大、无污染、安全可靠，并且制备技术和工艺相对成熟，是目前应用最为广泛的储氢材料。合金储氢机理在于氢分子首先吸附在金属表面，再解离成氢原子，然后再进入到金属的晶格中形成氢化物。储氢合金一般是由A和B 两部分组成的金属间化合物，A部分为容易形成稳定氢化物类的元素组成，B部分是不吸氢类元素，A部分决定储氢合金储氢量的大小，B部分影响储氢合金吸放氢反应的可逆性。

以体心立方(bcc)结构固溶体为主相的钛钒基固溶体储氢合金是一种新型高容量储氢合金，是近年来的一个研究热点。Ti-V固溶体本身的储氢量很大，但不具备可逆的电化学吸放氢能力，同时制备钒基合金的原料大多为纯钒，价格昂贵，非纯钛原料如钛铁合金的成本相对较低，但其中的铝、硅杂质会引起储氢能力的下降。因此，开发一种低成本高储氢能力的钛钒合金具有使用重要的实际意义。

中国发明专利申请号201510783896.X公开了一种V-Ti基储氢合金的制备方法，依次采用熔盐电解法和真空熔炼法进行V-Ti基储氢合金的制备：所述的熔盐电解法的阴极采用钒氧化物、钛氧化物、添加剂和粘结剂烧结制成，将烧结制得的阴极与石墨阳极在熔盐电解质中进行熔盐电解反应得到V-Ti中间合金；再将V-Ti中间合金进行真空精炼即得V-Ti基储氢合金。然而熔盐电解法需要进行高温精炼处理，除杂步骤复杂，能耗量大，不利于节能。

中国发明专利申请号200410016461.4公开了一种钛-钒基储氢合金储氢性能的改善方法，首先在真空磁悬浮感应炉内熔炼出铸态的钛-钒基合金，然后将该合金在氩气保护条件下进行快淬处理，快淬速度为10m/s～40m/s。采用本发明所得的钛-钒基BCC相合金具有极好的吸放氢平台特性，同时放氢量增大。从而改善了该合金的综合储氢性能。且在快淬合金中出现100nm左右的微晶颗粒，或由铸态合金的C14 Laves和BCC两相结构变成单一的BCC结构。然而，真空磁悬浮感应炉设备昂贵，不利于产品成本的降低。