[发明专利]可逆式储氢用的改进的非晶态金属合金材料

说明书

本发明涉及可逆式储氢用的、改进了的非晶态金属合金组成和组织。这些组成能够有效地循环储存和释放较大量的氢，而不脆化、钝化或腐蚀。

近期，由于矿物燃料的不足，促使人们更多地考虑另一些能源在经济上的可行性，这类方案之一是燃烧氢的经济性。在所有化学物质中，单位重量氢的能量密度最高。现已制定了很多这种元素经济设计方案，但这种技术还不能左右世界经济这种戏剧性变化。然而，氢是技术上颇有吸引力的燃烧源和储备能源。氢燃烧的主要副产品是水，基本无污染，而且可由容易供应和取之不尽的原料制得。

众所周知，虽然氢能以压缩气体或低温液体储存，但是为了把氢作为一种储存能源而广泛应用，需要另外一种密集度较低的和更方便的方法。人们知道，一些金属和金属合金在它们的晶格中能够可逆地储存氢。通过将金属或金属合金暴露在巨大的氢压力下可以利用它们的这个特性，方法是用氢充满金属或金属合金，其后改变温度或压力，再从充满氢的金属或金属合金中回收储存的氢。

某些合金可逆式储存氢的这个特性也适于电化环境。适于作储氢材料的金属或金属合金，可以产生相对于一个适当的反向电极的阴极偏离，并通过还原溶液中的氢核充氢。所研究的用于电化学储氢的金属合金体系包括LaNi₅基合金、TiMn基合金、FeTi基合金和Mg基合金。尽管一些这类晶态材料能储存大量氢，但当这些晶态材料用过几个储氢的储-放周期后，易于产生相分离、氢脆和表面氧化。相分离发生在经氢循环的晶态合金中，其中合金组份在整个合金中被分隔开并能在其中移位。在LaNi₅型合金中，镧移到合金表面并可能迅速氧化。

随着氢被吸收和解吸，在晶态合金中发生氢脆化，氢的储存从合金表面向内部进行，随着氢原子破裂，进入金属基体原子的间隙，然后使晶格膨胀。由于内应力，可能使金属或金属合金产生缺陷和裂纹，严重地降低其强度，并使之脆化。如果使储氢材料暴露在有氧化剂诸如CO₂，H₂O，KOH，空气或氧存在的氧化条件下，表面就可能发生氧化。表面氧化阻碍了氢气渗透，减少了氢气吸收量和降低了对氢的吸收速度。此外，这些晶态材料一般也不能承受在电化反应中可能存在的腐蚀气氛。

最近，已报道了能够可逆储氢的非晶态金属合金材料。由于非晶态合金材料将机械、化学和电学性能极好地结合在一起，因此越来越引起人们的关注。非晶态合金材料具有各种性能，其中包括高硬度和高强度、韧性、高软磁性和铁电性，极高的耐腐蚀和耐磨性，异常的合金组成，及高度的抗辐射损伤性。非晶态金属合金材料所拥有这种独特的多种性能可能是由于非晶态材料紊乱的原子结构保证了材料的化学成份的均匀，不会使其缺陷扩大，而这些缺陷会限制晶态材料的性能，这是人们所知道的。

Maeland等人在稀有金属杂志74卷279-285页（1980年）上，以《金属玻璃合金的氢化物》为题，对TiCu和ZrCu非晶态金属合金系统进行了研究，并与相应的晶态金属间化合物的吸收性能作了比较。在相似的温度和压力条件下，非晶态金属合金材料能够比它们相应组成的晶态材料吸收更多的氢。Maeland等人的研究仅限于在氢气气氛下吸收气态氢。在申请人的共同未决专利申请案：USSN717，429号中所公开的用于可逆式储氢的新型非晶态金属组成列于此供参考。该公开的申请阐明了包含通式为AaMbM′c的非晶态金属合金的可逆式储氢材料，其中

A是从Ag、Au、Hg、Pd和Pt中选出的一种金属;

M是从Pb、Ru、Cu、Cr、Mo、Si、W、Ni、Al、Sn、Co、Fe、Zn、Cd、Ga和Mn中选出的一种金属;

a的范围是    0.005～0.80;

b的范围是    0.05～0.70;

c的范围是    0.08～0.95;

这些非晶态材料不受相分离或氢脆化影响，而且上述非晶态材料的储氢能力为每个合金分子中储存约0.35～超过1.1的氢原子，而且在重复充氢和放氢周期以后，也不显示任何明显表面钝化或腐蚀的痕迹，然而，这些材料的A组份是这些非晶态合金的必要组份，它在合金中的原子比约为50%～80%，这个百分比为约10%～约50%为好，这个百分比约50%～40%为最好。虽然这些合金的性质对于可逆式储氢是理想的，但是广泛地使用这些组分成本太高，特别是A组份的成本太高。