TW200837200A - Method to continuously produce high purity Mg2Ni hydrogen storage alloys and apparatus for the same - Google Patents

Description

200837200 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案所屬之技術領域主要為新能源科技之氫能固態儲存技 術。另就發明所屬之製程技術觀點，亦與儲氫合金之冶煉技術 有關。 【先前技術】 隨著全球石化能源使用量大幅成長，並將逐漸枯竭，以及在大 規模使用石化能源下所產生之S〇2、c〇、NOx等有害人體與環产 物質，與排放大量二氧化礙造成之溫室效應，引^全球^氣^ 變遷等-㈣問題下’世界各國莫不致力於新能源科技之開 f。其中之氫能，因其啦品只有水沒有二氧狀，完全 ¥又不會造成溫室效應’已被國際能源總署規劃為未來主^ 一。但在實際應用上’因為氫氣之分子量太小，以至於儲 存體，太過龐大，雖然可採用超高壓方式儲存，卻又引發安全 上之疑慮0 又 直到1980年代以後，可將氫以固態方式 ^後，終於解決氫的儲存密度與安全性上 ^之储風合金’無論是過渡金屬系AB2儲氫合金 壯 it施儲重量密度仍嫌太低，不到ί 4量 =，因此面谷赠氣合金之研發乃 其中之鎂系儲氫合金，由於具有儲㈡古、展之赵勢。 低廉之優點，因此被視為相#有發原料成本 因活性大，表面易形成阻礙f曰力，虱合金，但純鎂 於合金表面擴散速率，導致化層而影響氫原子 吸放氫溫編，目此力差， 針對純鎂吸放氯動力學^tf差貫的用門If t合 果，相之_叫犯====;; 5 200837200 最快、吸放氫性質最佳之儲氫合金。 但由於鎂（649°C)與鎳（1455°C)兩種金屬的熔點差異报大，易 造成熔解不均勻，導致儲氫合金成分不均勻之問題，且鎂的蒸 氣壓很高，易於熔融過程產生揮發，使初始配比成分產生嚴^ 偏差，造成過多的共晶結構與不會吸氫之々相MgNh生成。為 解決上述熔煉過程中成分產生嚴重偏差問題，新一代之真空& 應爐雖然裝設有線上檢測功能，然而對於Mg—Ni儲氫ϋ二 言，卻因相圖上之天然特性，使得Mg—Ni熔融液，即彳 精密之線上檢測功能，將成分準確控制在鎂與鎳原子比為2 ·

1之情況下，凝固後仍然無法得到100%純的7相Mg2Ni。w · 因為根據鎂與鎳之二元平衡相圖，在此一成份下，早在古於 761°c r相MgWi之熔點溫度以上，熔點114rt不會吸氡:j 相MgNh已先行凝固析出。又因為石相之％^2其組成^比 相之MgWi含有較高之Νι，因此造成其餘尚未凝固之啦―則产 液偏，原本鎂與鎳原子比為2 : 1之7相MgWi組成，成為 畐鎂狀悲。此一富鎂狀態Mg-Ni溶融液，在降溫至低於mi 後，根據鎂與鎳之二元平衡相圖，在此一成份下，不僅會生 r相之MgWi ’在507 C之共晶溫度還會得到包括純鎂相在内 之共晶組織。也就是說，即使在巨觀組成完全符合^相之比 下，其微觀之組織結構卻是在r相之处撕中摻雜有冷相之 與純鎂固溶相。所以傳統熔煉法無法製備活化反應 快、吸放氫性質佳之高純度啦撕儲氫合金。 “ 【發明内容】 有鑑^上述問題，本案發明人特別利用物理冶金之偏析原理， 在二〒廣之成份範圍中’且在低溫低於純鎳之熔點）下， 以間早的裝置來連續製造高純度_i儲氫合金。其具 為先將純鎂金屬塊原料置入一個熔點超過鎂熔點之金屬坩 内，然後在惰性氣氛保護下，利用電阻爐之加熱器將純鎂原料 6 200837200 完全?^接下來再將純錄粉徐徐加入盛有熔融鎂液體 上升至以機械力授拌與加熱升溫，使炼融液體溫度 人成灼勺之罝以使錄粉全部充分炼解’並與溶融鎂液體混 tut她於f知技賴精鮮確地控制溶融 ίϊί ϊί ^ ’本之裝£與綠卻無鮮設精密之線上檢 紐液之紐，只要所添加之鎳，其添加量 ί巧量百分比介於23.5至5°·2就能保證得 组成為Mg-54. 6 wt% Ni(也就是鎮與鎳原子比為2 ^純的T相Μ祕儲氫合金，而無摻雜有任何其他雜相。 是進行降溫’當符合上述寬廣成份範圍之炫融 ^鎳液體 >皿度降至相圖中所對應之液相線溫度以下後，只須約 ，控制加熱器功率’使鎂舰體溫度維持在_線溫度⑽ snt上^夜相線溫度（視實際之組成而定，其範圍在761與 之間）以下之寬廣溫度區間。而高純度之㈠目％2Ni儲 ，'盘依照Mg-Ni相圖物理冶金之偏析原理，自動開始生成析 ，亚且在此溫度範m其純度與析出溫度完全無關。因此 本發明所採狀設備亦無須錢精確昂貴之溫控純。至於

MgW儲氫合金之析出數（重）量則視鎂鎳液體組成以及析出溫 ^而定…般而言在符合本發明所述寬廣之成份與溫度條件範 ，内:當鎳的成份愈高與析出溫度愈低則高純度0啦撕的 ί出f ί愈多’詳細之析出數(重〉量可依物理冶金之相圖槓桿 疋理计鼻付知。 由於;k本發明所析出之尚純度r才目Μ满其錄的成份⑸6 wt%)高於原本鎂鎳液體成份（i e.鎳的重量百分比介於23 5 至5 0. 2)’因此隨著析$反應的顿崎，根據質量不滅定律， 殘留之液體會越來越偏向富鎮組成。而鎳的密度（8 9 g/cm3)又遠大於鎂的密度（丨.74 g/cm3)，因此在固相τ _%2Μ 之組成密度A大於液相組成比重之情況下，所析出之高純度^ 相MgAi均沉在坩鍋底部。本發明則利用一種可以傾倒式之坩 200837200 鍋基座設計，將上半部富鎂組成之鎂鎳液體排除，而 在坩鍋底部之固相即為高純度單一 r相之％2則儲 召 本發明另-重大技術上突破則是將原本排除之廢液，^二 ^機構與裝置可以重新回收再，並進而開發出 製造高純度鎂鎳儲氫合金之方法與裝置。盆星體7j運、、只 針對廢液重新回收部分，除了前述之一套可'完全=ατ·: 搶，以及在該溶解臉内之一組授拌機構、一貫穿氣二二二二解 =粉末加料管與至少一組可控制溫度之加熱器以:二;： 熱器内之義外，尚包括絲該加熱器内之掛鋼傾力口 二空職’、以及-組可將此兩_位置互調之吊掛方2 鎂組成之鎮鎳廢液被傾倒在另一空掛銷中後 = :先將，留有高純度r相固體_儲氫 該加熱器内，打開氣密閉之炫解艙並立刻加入鎮 二=二;目使錄粉全部充分轉’並絲融鎮液體混 為方便吊掛作業，本發明所用之掛 掛機構尚可設計具備有傾倒功能且體、I ς b外，該吊 的情況下，使條絞繩，而單獨提升其中一條 =液體之物m， 錄的含㈣财第-叙议5至5r2 8 200837200 的r相為2:1的組成），而仍然能獲得完全純 因i =且無推雜有任何其他之雜相。這是 精密準確地;成為良好的成份調整劑，使得在無須 :在錄含使顯錄液之成份保 氣密閉之溶解艙門進行加料或者是將 業日才目r _儲氯合金之原掛銷取出之作 之二-欠純煉技藝人士所熟知之具有二次加料室 本。4力此之真空職爐來解決，惟此做法會增加設備成 二=氣密，中分隔出 氣氛下解齡可健在真技惰性保護 鎂爐2職;加的純 之正下方)並承接鎂鎳廢液於其中。 另—賴吊人該加熱器内加熱至^1 ί ^c,xl ? 均句之單一液相。美液體混合成 率’使_液體溫度維持在固相線溫度皿⑽。熱= 9 200837200 線溫度（視實際之組成而定，其範圍在761與5〇7^之間）以 間。而高純度之❻_儲氫合金依照％-Ni相 圖t理/口孟之偏析原理，自動開始生成析出。 f置在-旁，底部殘留有高純度r相固體Mg2Ni儲見合 ^有·_可在冷卻後，同樣透過職進出之交換室 ΐίΐ搶之真空或惰性保護氣氛下，輕易取出。將底部殘留之 ^i相固體fg2Nl儲氣合金敲除收集後，原掛鋼則可加人 由於Μ、ΐ並？前述方式送人_艙，不斷地依次循環利用。 !儲虱合金活性非常高，在高溫下㈣中 於燃燒，劣化其性能並產生危險，因此必須要t 二Αΐ由真空或惰性保護氣氛下之溶解艙内取出。考慮到 里生產時，例如數百公斤或倾以上 ^ ίΞϊί ’或許冷卻速率有所不足，因而限制生產 明人亦針對此點在溶解搶内待冷區内特別設計一 水之水冷銅座，利關之良好散熱特性使内部盛有 、〒體，純度r相_i儲氫合金之掛鋼能快速冷卻。綜上 Ϊ用在絲的溫度與化學組祕件下，目此也無須 叩禮$之設備絲完全不㈣，且連續 有 ίr ^ %2ni ° 功效，並^項技術者將可暸解本發明之特點及

Claims (1)

1. 200837200 十、申請專利範圍： i•一種可連續製造高純度鎂鎳儲氫合金之方法，包括下列步驟： (i) 先將純鎂金屬塊原料置入熔點超過鎂之金屬坩鍋内後，在惰 性氣氛保護下’利用電阻爐之加熱器將純鎂原料加熱至完全 熔解； (ii) 將純鎳物鈿知加入盛有熔融鎂液體之掛銷，並不斷施以 機械力擾拌與加熱升溫； (、 (111)待鎳粉全部充分熔解，並與熔融鎂液體混合均勻，形成 錄之重量百分比介於23.5至50.2之單一液相後，進行降溫； (iv) #祕之鋪液體溫度降至相圖中之液相線溫度以下 後’控制加熱料率’使賴賴溫度轉在_線溫度以 上，液相線溫度以下之溫度區間，此時，_高純度之❻ 儲氫合金開始生成析出，其飽和析歧量可依相圖之 槓桿定理計算得知； ((V)待高純度❻_儲氫合金析紐近完斜，先將_内 剩餘之富鎂組成之液體，傾倒至另一獨立之掛銷中，再將此 坩鍋自加熱器内取出放置一旁冷卻； (V1)、將盛有富鎂組成之剩餘液體之_立即置人加熱器中 升溫，亚依照步驟⑴至步驟(v)之炫煉方式重覆不斷進行. 川）待㈣(仏_完全冷雜，將此_由電阻錄 麵殘⑽_底敎_㈣直舰打下來，不須做 別處理’即可得到完全沒有軸，織鎳合金成份為2 ·· 200837200 1化合比’且吸放氫性能優異之高純度^目啦逝儲氮合金。 2‘ ，频⑴在輸入惰性 3法’其中之步驟⑴在輸入惰性 .一純聽鎳峨合金之裝置，其特徵具備： 構晋解f ’以及在炫解搶内之一組勝機 度之力 5 /申密閉轉艙之絲加料管。 6' 密;^解艙仍保持在加料作業時，氣 Hi_4似4，版加麵安置在可以 8, 鋼内液體傾倒在另—空以Ϊ1可使_麵斜，並騎 9·如申請專利範圍第4 ιη分:”，取出;送二ί換:之乳密閉炫解搶特別 銷取出’其=氣密閉炫解艙與掛 銷之取出與送人交換作’使得進行新舊掛 惰性保護氣氛下。、〃 閉轉搶健持在真空或 11.如申請專利範圍第4項之 馬達與馬達所驅動在末端具有禁狀葉片且 12 200837200 構成。 12. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中之氣密閉熔解艙内尚 包括一具備有冷卻循環水之水冷銅座。 13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中之步驟(v)在將原坩 鍋内剩餘之富鎂組成之液體傾倒至另一獨立之坩鍋中以 先，該獨立之坩鍋内已經預先在大氣中將下一爐次所欲添加 的純鎂原料先行填入該空i#鋼内。 13 200837200 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（ ）圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：