СПЛАВ, АККУМУЛИРУЮЩИЙ ВОДОРОД Российский патент 2014 года по МПК C22C14/00 C01B3/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе титана, используемых для аккумулирования водорода с целью применения его в различных экологически чистых энергетических устройствах и химических технологиях.

Интерметаллид TiFe является одним из наиболее известных водородаккумулирующих сплавов на основе титана. Однако это соединение характеризуется значительной разницей давлений водорода (гистерезисом) в процессах поглощения и выделения водорода и трудностью в активации.

Известен сплав на основе титана, состав которого описывается формулой TiFe_1-ХAl_Х, где Х=0,04 ÷ 0,2 [1, стр.94]. Там же указывается, что замещение железа алюминием в соединении TiFe понижает давление плато, уменьшает сорбционную емкость и облегчает активацию. Этот сплав принят за прототип, и его химический состав содержит, мас. %: титан 46,7-48,9; алюминий 1,1-5,5; железо - остальное. Активация сплава осуществлялась в течение 5 дней. Для полной (завершенной) активации необходимо провести примерно 25 циклов «абсорбция-десорбция водорода» [2]. Впоследствии были сделаны некоторые уточнения в области стабильности гидридных фаз, а именно: «Плато давлений у гидридных фаз соединений TiFe_0,98Al_0,02 и TiFe_0,96Al_0,04 повсеместно выше, чем у TiFe, тогда как у TiFe_0,94Al_0,06 и TiFe_0,90Al_0,10 они ниже» [3]. Сорбционная емкость при десорбции водорода при 50°С составила: для TiFe_0,96Al_0,04 - 1,072 мас. % Н₂ (121 дм³Н₂/кг сплава); для TiFe_0,9Al_0,1 - 0,991 мас. % Н₂ (112 дм³Н₂/кг сплава); для TiFe_0,8Al_0,2 - 0,666 мас. % Н₂ (75 дм³Н₂/кг сплава) [1, стр.186].

Сплав-прототип имеет очень большое время активации и небольшую сорбционную емкость, особенно при повышенном содержании алюминия.

Техническим результатом на которое направлено изобретение является повышение активности сплава для уменьшения времени активации и увеличение сорбционной емкости сплава на основе титана.

Поставленная задача достигается тем, что сплав, содержащий титан, железо и алюминий, дополнительно содержит кальций и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 46,3-48,8; алюминий 0,14-2,87; кальций 0,06-1,24; магний 0,08-1,61; железо - остальное.

Предварительно была изготовлена лигатура, в которую полностью вошли алюминий, кальций и магний. Предлагаемый сплав может быть выражен формулой TiFe_1-ХА_Х, где А - лигатура, имеющая следующий состав компонентов, мас. %: кальций 21-23, магний 28-30, алюминий - остальное; X=0,01÷0,2.

Для получения сплава были подготовлены три состава компонентов, содержащих титан, железо, а также алюминий, кальций и магний, входящих в лигатуру. Указанные составы и их влияние на сорбционные свойства сплава представлены в таблице.

Каждый состав сплава сплавлялся в дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом на медном водоохлаждаемом поду в атмосфере аргона.

Сплав активировался водородом при давлении 3 МПа и температуре 20°С. Время активации составлял период от начала обработки сплава водородом до разогрева реактора.

Таблица

Компоненты Состав сплава, мас. % 1 2 3 Титан 46,3 47,5 48,8 Алюминий 0,14 1,47 2,87 Кальций 0,06 0,64 1,24 Магний 0,08 0,82 1,61 Железо остальное остальное остальное Сорбционные свойства Время активации, ч 48 43 40 Абсорбционная емкость, дм³Н₂/кг сплава 212 225 230 Десорбционная емкость, дм³Н₂/кг сплава 165 160 152

Определение сорбционной емкости сплава при поглощении водорода осуществлялось при 20°С методом прямой абсорбции водорода, согласно которому количество поглощенного водорода определяется по уравнению состояния газа в зависимости от изменения его давления в системе известного объема [4, стр.14-19]. Время приближения к равновесию составляло 15 ч и более. Для определения давления водорода применялся образцовый манометр типа МО модели 1231. Для определения расхода газа при десорбции водорода при 50°С был применен барабанный газовый счетчик типа ГСБ-400.

Источники информации

1. Сплавы-накопители водорода. Справ. изд.: Б. А. Колачев, Р. Е. Шалин, А. А. Ильин. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.

2. G. Bruzzone, G. Costa, M. Ferretti and G. L. Olcese. Hydrogen storage in aluminium-substituted TiFe compounds // Int. J. Hydrogen Energy, Vol.6. P. 181-184. Pergamon Press Ltd. 1981. Printed in Great Britain. © International Association for Hydrogen Energy.

3. S. H. Lim and Jai-Young Lee. The effects of aluminium substitution in TiFe on its hydrogen absorption properties // Journal of the Less-Common Metals, Vol.97. 1984. P. 65-71.

4. В. И. Михеева. Гидриды переходных металлов. М.: Изд-во АН СССР. - 1960. - 212 с.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе титана, используемых для аккумулирования водорода, и может быть использовано в экологически чистых энергетических устройствах. Сплав содержит, мас. %: титан 46,3-48,8; алюминий 0,14-2,87; кальций 0,06-1,24; магний 0,08-1,61; железо - остальное. Уменьшается время активации и увеличивается сорбционная емкость сплава. 1 табл.

Сплав на основе титана, содержащий алюминий, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 46,3-48,8; алюминий 0,14-2,87; кальций 0,06-1,24; магний 0,08-1,61; железо - остальное.