гидриды сплавов для сорбции и десорбции водорода

Формула изобретения

Гидриды сплавов для сорбции и десорбции водорода общей формулы , где М¹ - Ti, Sc, Y, Dy, Gd; M² - Fe, Co; M³ - Al, Si, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Mo, 0<=x<=0,8, 0<=y<=0,4, 1,8<=a<=2,2, 2,3<=b<=3,9, обладающие величиной гистерезиса ln(Pa/Pd) менее 2,2 и давлением диссоциации выше 100 атм, где P_a - давление сорбции, P_d - давление десорбции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области водородпоглощающих сплавов, гидриды которых обладают высоким давлением диссоциации и могут использоваться в качестве не требующих внешнего подогрева источников водорода для запуска двигателей в условиях низких окружающих температур или в качестве рабочего вещества металлогидридных компрессоров.

Известен сплав CeNi₅ (С.Н.Клямкин, А.А.Карих, В.А.Демидов, В.Н.Вербецкий. Неорганические материалы, т.29, 1993, стр.1233-1237), образующий гидрид, содержащий до 1.4 масс.% водорода. Недостатком является не высокое содержание водорода в сплаве и большой гистерезис давления абсорбции-десорбции (ln(P_a/P_d)=1.23).

Известен сплав YNi₅ (T.Takeshita, R.A.Gschneider, J.F.Lakner, J. Less-Common metals, v.78, 1981, p.43-47). Давление образования гидрида при комнатной температуре составляет 674 атм, а давление диссоциации - 174 атм. Недостатком является малое количество поглощаемого водорода (1.3 масс.%) и значительный гистерезис (ln(Р_а/P_d)=1.35).

Наиболее близким к предлагаемым сплавам по достигаемым результатам является сплав TiMn₂ (S.N.Klyamkin, V.N.Verbetsky, V.A.Demidov, J. Alloys and Compounds, v.205, 1994, p.L1-L2). Гидрид сплава содержит 1.8 масс.% водорода. Давление абсорбции водорода составляет 380 атм при комнатной температуре, а давление десорбции - 34 атм. Недостатком сплава является большой гистерезис абсорбции-десорбции водорода (ln(Р_а/P_d)=2.4).

Задачей настоящего изобретения является уменьшение величины гистерезиса абсорбции-десорбции водорода при сохранении давления абсорбции-десорбции водорода выше 100 атм.

Поставленная задача решается с помощью сплавов общей формулы

, где М¹ - Ti, Sc, Y, Dy, Gd, M² - Fe, Co, M³ - Al, Si, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Mo, 0<= x <=0.8, 0<= у <=0.4, 1.8<= а <=2.2. При взаимодействии с водородом сплавы образуют гидриды с величиной гистерезиса менее 2.0 и давлением диссоциации выше 100 атм. Сплавы готовятся сплавлением исходных металлов компонентов при высокой температуре, например, в дуговой печи. Поставленная задача решается также с помощью гидридов указанных выше сплавов общей формулы , где М¹ - Ti, Sc, Y, Dy, Gd, M² - Fe, Co, M³ - Al, Si, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Mo, 0<= x <=0.8, 0<= y <=0.4, 1.8<= a <=2.2, 2.3<= b <=3.9. Гидриды готовятся в установках для прямого взаимодействия сплавов с водородом путем подачи газообразного водорода под высоким давлением в автоклав с образцом сплава.

Суть изобретения раскрывается приведенными Примерами.

Пример 1.

0.49 г титана (99.99%), 5.75 г железа (99.9%) и 3.76 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав Zr_0.8Ti_0.2Fe₂ переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°С составило 1161 атм, давление десорбции - 755 атм (ln(Р_а/P_d)=0.43). Полученный гидрид Zr _0.8Ti_0.2Fe₂H_3.55 содержит 1.8 масс.% водорода.

Пример 2.

1.25 г скандия (99.9%), 6.21 г железа (99.9%) и 2.54 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав Zr_0.5 Sc_0.5Fe₂ переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°С составило 107 атм, давление десорбции - 105 атм (ln(Р_а/P_d)=0.02). Полученный гидрид Zr_0.5Sc_0.5Fe₂ H_3.64 содержит 2,0 масс.% водорода.

Пример 3.

5.25 г железа (99.9%) и 4.75 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав ZrFe _1.8 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°С составило 800 атм, давление десорбции - 210 атм (ln(P_a/P_d)=1.4). Полученный гидрид ZrFe_1.8H_3.5 содержит 1,8 масс.% водорода.

Пример 4.

0.77 г диспрозия (99.99%), 5.32 г железа (99.9%) и 3.91 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав Zr_0.9Dy_0.1 Fe₂ переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°С составило 590 атм, давление десорбции - 335 атм (ln(P_a/P_d)=0.56). Полученный гидрид Zr_0.9Dy_0.1Fe₂ H_3.6 содержит 1.7 масс.% водорода.

Пример 5.

0.62 г меди (99.9%), 4.92 г железа (99.9%) и 4.46 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав ZrFe_1.8Cu_0.2 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°С составило 365 атм, давление десорбции - 250 атм (ln(Р_а /P_d)=0.38). Полученный гидрид ZrFe_1.8Cu _0.2H_3.7 содержит 1.8 масс.% водорода.

Пример 6.

0.59 г никеля (99.9%), 4.80 г железа (99.9%) и 4.61 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав ZrFe_1.7Ni_0.2 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 395 атм, давление десорбции - 175 атм (ln(P_a/P_d)=0.81). Полученный гидрид ZrFe _1.7Ni_0.2H_3.6 содержит 1.8 масс.% водорода.

Пример 7.

2.30 г титана (99.99%), 1.23 г ванадия (99.9%), 5.37 г железа (99.9%) и 1.10 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав Zr_0.2Ti_0.8Fe_1.6V_0.4 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 170 атм, давление десорбции - 163 атм (ln(P_a/P_d)=0.04). Полученный гидрид Zr_0.2Ti_0.8Fe_1.6V _0.4H_3.02 содержит 1.8 масс.% водорода.

Пример 8.

0.15 г алюминия (99.9%), 1.34 г титана (99.99%), 5.95 г железа (99.9%) и 2.56 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав Zr_0.5Ti_0.5 Fe_1.9Al_0.1 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 1225 атм, давление десорбции - 940 атм (ln(P_a /P_d)=0.26). Полученный гидрид Zr_0.5Ti _0.5Fe_1.9Al_0.1H_2.3 содержит 1.3 масс.% водорода.

Пример 9.

0.44 г иттрия (99.99%), 5.51 г железа (99.9%) и 4.05 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 393 атм, давление десорбции - 256 атм (ln(Р_а/P_d)=0.43). Полученный гидрид Zr _0.9Y_0.1Fe₂ H_3.48 содержит 1.7 масс.% водорода.

Пример 10.

0.73 г гадолиния (99.99%), 5.46 г кобальта (99.9%) и 3.81 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав Zr_0.9 Gd_0.1Co₂ переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 970 атм, давление десорбции - 230 атм (ln(P_a/P_d)=1.43). Полученный гидрид Zr_0.9Gd_0.1Co₂ H_2.4 содержит 1.1 масс.% водорода.

Пример 11.

1.01 г хрома (99.9%), 4.57 г кобальта (99.9%) и 4.42 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав ZrCo_1.6Cr_0.4 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 62 атм, давление десорбции - 31 атм (ln(P _a/P_d)=0.69). Полученный гидрид ZrCo_1.6 Cr_0.4H_3.55 содержит 1.7 масс.% водорода.

Пример 12.

0.51 г марганца (99.9%), 5.22 г железа (99.9%) и 4.27 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав ZrFe₂Mn_0.2 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 482 атм, давление десорбции - 273 атм (ln(P_a/P_d)=0.57). Полученный гидрид ZrFe₂Mn_0.2H_3.9 содержит 1.8 масс.% водорода.

Пример 13.

1.34 г молибдена (99.99%), 4.42 г железа (99.9%) и 4.24 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав ZrFe _1.7Mo_0.3 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 164 атм, давление десорбции - 73 атм (ln(Р_а/P_d)=0.81). Полученный гидрид содержит 1.6 масс.% водорода.

Пример 14.

0.14 г кремния (99.99%), 5.30 г железа (99.9%) и 4.56 г циркония (99.99%) сплавляют в дуговой печи в атмосфере аргона и переплавляют 3 раза для достижения гомогенности. Полученный сплав ZrFe_1.9Si_0.1 переносится в установку для определения изотерм абсорбции-десорбции водорода. После 3 циклов поглощения-выделения водорода давление абсорбции при 22°C составило 229 атм, давление десорбции - 124 атм (ln(Р_а/P_d)=0.61). Полученный гидрид ZrFe _1.9Si_0.1H_3.43 содержит 1.7 масс.% водорода.

Таким образом приведенные в Примерах данные показывают, что получаемые из предложенных сплавов гидриды с величиной гистерезиса ln(Р_а/P_d) менее 2.0 и обладающие давлением диссоциации выше 100 атм.