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KR101583297B1 - Hydrogen stroge alloy based on titanium-zirconium and production methods thereof - Google Patents

Hydrogen stroge alloy based on titanium-zirconium and production methods thereof Download PDF

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KR101583297B1
KR101583297B1 KR1020130167400A KR20130167400A KR101583297B1 KR 101583297 B1 KR101583297 B1 KR 101583297B1 KR 1020130167400 A KR1020130167400 A KR 1020130167400A KR 20130167400 A KR20130167400 A KR 20130167400A KR 101583297 B1 KR101583297 B1 KR 101583297B1
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alloy
hydrogen
zirconium
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Inventor
이정빈
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주식회사 원일티엔아이
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Abstract

본 발명은 다량의 수소를 가역적으로 흡수 및 방출할 수 있는 능력을 보유한 티타늄-지르코늄계 수소저장합금에 관한 것으로서, [Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1 .65Aly]의 합금 조성에 비금속 성분으로서 탄소(C)가 포함되는 화학식을 가지며; 상기 합금 조성 원소들의 원자분율을 나타내는 x는 0.12≤x≤0.15인 조건을 만족하고, y는 0.1≤y≤0.2인 조건을 만족하며; 상기 탄소는 전체 합금의 100wt% 대비 0.6~1.5wt% 범위로 포함되는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention have the ability to absorb and release a large amount of hydrogen in a reversible titanium- relates to a zirconium-based hydrogen storage alloy, [Ti (1-x) Zr x] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1 .65 < / RTI > Al < RTI ID = 0.0 > y ] < / RTI > X representing the atomic fraction of the alloying elements is in the range of 0.12? X? 0.15, and y satisfies the condition of 0.1? Y? 0.2; Wherein the carbon is contained in a range of 0.6 to 1.5 wt% based on 100 wt% of the total alloy, and a method for manufacturing the same.

Description

티타늄-지르코늄계 수소저장합금 및 그 제조방법{HYDROGEN STROGE ALLOY BASED ON TITANIUM-ZIRCONIUM AND PRODUCTION METHODS THEREOF}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy and a method for manufacturing the same. BACKGROUND ART < RTI ID =

본 발명은 다량의 수소를 가역적으로 흡수 또는 방출할 수 있는 능력을 보유한 금속수소화물 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 수소저장합금에 비하여 뛰어난 수소 저장 능력과 더불어 흡수 또는 방출 특성을 발휘할 수 있도록 한 티타늄-지르코늄계 수소저장합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a metal hydride alloy capable of reversibly absorbing or releasing a large amount of hydrogen, and more particularly, to a metal hydride alloy capable of exhibiting excellent hydrogen storage ability as well as absorption or release characteristics And more particularly, to a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy and a method of manufacturing the same.

수소는 에너지원으로서 다른 매체에는 없는 몇 가지 장점이 있다.Hydrogen is a source of energy and has several advantages over other media.

즉, 공해가 없다는 점, 중량당 에너지 밀도가 높다는 점, 물을 분해하여 제조할 수 있어 자원이 무한하다는 점, 장기 저장이 가능하다는 점, 연소 및 전기화학적 방법으로 쉽게 변환이 가능하다는 점, 특히 효율이 높고 부산물인 물을 활용할 수 있다는 점 등이다.That is, there is no pollution, the energy density per weight is high, the water can be produced by decomposing the water, the resources are infinite, the long-term storage is possible, the conversion is easy by the combustion and the electrochemical method, And the ability to utilize water as a by-product with high efficiency.

그러나, 수소를 활용하기 위해서는 체적 당 에너지 밀도가 낮고 저장 및 운반이 불편하다는 단점을 극복해야 한다.However, in order to utilize hydrogen, it is necessary to overcome the disadvantage that energy density per volume is low and storage and transportation are inconvenient.

본 발명에서는 이러한 수소의 단점을 극복하여 수소에너지의 실용화를 구현할 수 있는 기술로서, 다량의 수소를 가역적으로 흡수 또는 방출할 수 있는 능력을 보유한 금속수소화물(metal hydride) 합금인 수소저장합금을 제안하고자 한다.The present invention proposes a hydrogen storage alloy which is a metal hydride alloy having a capability of reversibly absorbing or releasing a large amount of hydrogen as a technology capable of overcoming the shortcomings of hydrogen and realizing the practical use of hydrogen energy I want to.

상기 수소저장합금은 수소저장재료, 에너지변환재료, 수소분리 및 정제 재료 그리고 연료전지 등에 이용 및 응용되고 있으며, 이러한 사용 용도에 따라 요구되는 성능에 차이가 있다 할 수 있으나, 일반적으로 활성화가 용이하고 수소저장량이 크며 조작 온도에 적합한 반응열을 나타낼 것이 요구된다.The hydrogen storage alloy is used for a hydrogen storage material, an energy conversion material, a hydrogen separation and purification material, a fuel cell, and the like, and there is a difference in performance required depending on the intended use. However, It is required that the hydrogen storage amount is large and should show a reaction heat suitable for the operating temperature.

또한, 넓고 평탄한 플래토(plateau) 영역과 적은 플래토 경사, 그리고 조작 온도에서의 해리압이 응용분야에 적합한 수준일 것, 수소의 저장과 방출 거동의 차이인 히스터리시스(hysteresis)가 적고 수소 저장 및 방출 속도가 클 것, 산소 또는 수분 등 불순물에 강한 내성을 지닐 것, 내구성 및 열전도성이 좋을 것, 그리고 합금이 저렴해야 한다는 것 등이다.In addition, the wide and flat plateau region, low plateau slope, and dissociation pressure at operating temperature are suitable for the application, there is little hysteresis, which is the difference between the storage and release behavior of hydrogen, High storage and release speeds, strong resistance to impurities such as oxygen or moisture, good durability and thermal conductivity, and low cost alloys.

본 발명에서는 수소와 반응하여 수소를 금속수소화물(metal hydride) 형태로 저장하며, 저장된 수소는 온도나 압력의 변화에 따라 수소의 흡수와 방출을 가역적으로 반복할 수 있어 저장에 매우 유리할 뿐만 아니라, 수소가 방출할 때의 압력과 열을 에너지원으로도 이용할 수 있는 특징을 갖는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제안하고자 한다.In the present invention, hydrogen is stored in the form of a metal hydride by reacting with hydrogen, and the stored hydrogen can be reversibly reversed in absorption and release of hydrogen according to changes in temperature or pressure, The present invention proposes a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy having characteristics that the pressure and heat at the time of hydrogen emission can also be used as an energy source.

기존의 수소저장 방식인 고압가스나 액화수소가스에 비교하면, 금속 원자수의 1-2배 정도의 수소를 저장할 수 있으므로 부피의 측면에서는 매우 유리한 충전 밀도를 나타내고 금속의 자체 무게로 인하여 중량 측면에서는 불리하지만 수소의 중량당 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 에너지원의 저장법으로서는 매우 유리하다.Compared with conventional high-pressure gas or liquefied hydrogen gas, which can store conventional hydrogen, it can store about 1-2 times as much hydrogen as metal atoms. Therefore, it has a very favorable filling density in terms of volume and is inferior in terms of weight It is disadvantageous, however, because it has a very high energy density per weight of hydrogen, which is very advantageous as an energy source storage method.

한편, 수소저장합금은 안정한 수소화합물을 형성하는 원소 A와 수소화물이 불안전한 원소 B의 조성으로 이루어진 금속 간 화합물로서, 이 중에서 대표적인 수소저장금속체인 LaNi5를 개선한 AB5형 희토류계 합금과 주로 Ti와 Zr을 성분으로 하는 laves상 합금, 그리고 저가격인 TiFe계 합금, 경량인 Mg계 합금인 Mg2Ni가 1960년대부터 넓게 연구되어 그 응용성이 검토되어 왔다.On the other hand, the hydrogen-storing alloy is an intermetallic compound composed of a composition of a stable hydrogen-forming element A and an unsupported element B, and an AB5-type rare earth-based alloy improved from a representative hydrogen storage metal LaNi 5 Laves phase alloys containing Ti and Zr, low cost TiFe alloys, and light Mg alloy, Mg 2 Ni, have been extensively studied since the 1960s and their applicability has been examined.

최근에는 Ti-V-Mn계와 Ti-V-Cr계 등의 체심입방(bcc) 격자를 갖는 고용체합금이 3wt%의 수소저장 능력으로 인하여 고용량 합금으로서 주목을 받고 있다.Recently, a solid solution alloy having a body-center cubic (bcc) lattice such as a Ti-V-Mn system and a Ti-V-Cr system has attracted attention as a high-capacity alloy due to its hydrogen storage capacity of 3 wt%.

지금까지 연구 개발된 수소저장합금은 합금을 구성하는 금속의 결정구조에 따라서 크게 3가지 그룹으로 분류할 수 있는데, 제1 그룹인 AB5형 합금은 제1 세대 수소저장합금으로 일컬어지고 있으며 수소저장량은 많지 않지만 수소의 저장 및 방출 특성이 매우 우수하며 현재 Ni-MH형 2차 전지로 사용되고 있다.Hydrogen storage alloys that have been researched and developed so far can be classified into three groups according to the crystal structure of the metal constituting the alloy. The first group, AB5 type alloy, is referred to as the first generation hydrogen storage alloy. Although not very much, the storage and release characteristics of hydrogen are excellent, and they are currently being used as a Ni-MH type secondary battery.

제2그룹인 AB2형 laves상 합금의 경우는 수소 저장량이 크고 수소의 저장 및 방출 특성이 비교적 우수하기 때문에 2차 전지용 전극재료로 활발한 연구가 진행되고 있다.The second group, the AB2 type laves-phase alloy, has been actively studied as an electrode material for a secondary battery because of its large hydrogen storage capacity and relatively good storage and release characteristics of hydrogen.

여기서, A는 희토류원소로 Ti, Zr 등을 주성분으로 하고, B는 Mn, Cr, V, Ni 혹은 Fe 등을 주성분으로 하는 제1 천이계열의 원소들로 이루어지며 희토류금속을 포함한 AB5형 합금에 비해 경량이며 수소저장량이 비교적 많다. Here, A is a rare earth element composed mainly of Ti, Zr and the like, and B is a first transition element containing Mn, Cr, V, Ni or Fe as a main component and is composed of an AB5 type alloy containing a rare earth metal It is lightweight and has a relatively large amount of hydrogen storage.

이때, Ti, Zr을 포함한 화합물은 넓은 조성 범위를 가지고 있으며, A와 B의 비율을 변화시켜서 플래토압을 제어하거나 또는 A와 B의 일부를 다른 원소로 치환하여 플래토압을 제어할 수 있는 특징이 있다.At this time, the compound including Ti and Zr has a wide composition range, and it is possible to control the floret pressure by changing the ratio of A and B or to replace the part of A and B with other elements to control the flotato pressure have.

제1 그룹 및 제2 그룹에 비하여 제3 그룹인 bcc합금 및 Mg계 합금은 큰 수소저장량에 비해 수소의 저장 및 방출 특성에 문제점이 많아 연구개발이 적었지만, 최근 수소저장량에 중점을 두고 수소의 저장 및 방출특성을 개선하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Compared with the first group and the second group, the bcc alloy and the Mg-based alloy, which are the third group, have a problem in the storage and release characteristics of hydrogen compared to a large hydrogen storage amount. Studies are underway to improve storage and release characteristics.

하지만, 상기 언급한 기존의 수소저장합금은 수소의 실효 저장량이 작을 뿐만 아니라 근래 관심의 대상이 되고 있는 수소연료전지를 위한 수소저장매체로 사용할 경우 수소 흡수 또는 방출 시의 압력차가 큰 단점이 있었다.However, the above-mentioned conventional hydrogen storage alloys have a disadvantage in that the effective storage amount of hydrogen is small and the pressure difference at the time of hydrogen absorption or discharge is large when the hydrogen storage alloy is used as a hydrogen storage medium for a hydrogen fuel cell, which has recently become a subject of interest.

특히, 수소연료전지의 많은 응용 분야가 차량과 같은 이동수단에 관련되는 점을 고려할 때, 수소저장용량이 증가하더라도 낮은 평탄압력을 확보할 수 있고, 특히 히스터리시스 및 슬로핑 특성이 좋은 수소저장합금의 개발이 요구되고 있다.
Particularly, considering that many application fields of hydrogen fuel cells are related to a moving means such as a vehicle, it is possible to secure a low flat pressure even when the hydrogen storage capacity is increased. Especially, The development of alloys is required.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0098312호
Korean Patent Publication No. 10-2012-0098312

본 발명은 상기한 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 수소저장용량이 증가하더라도 낮은 평탄압력을 확보한 상태에서 수소를 흡수 또는 방출할 수 있고, 히스터리시스 특성 및 슬로핑 특성을 좋게 할 수 있는 티타늄-지르코늄-철-바나듐-망간-알루미늄(Ti-Zr-Fe-V-Mn-Al)을 포함하는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a hydrogen storage device capable of absorbing or releasing hydrogen while maintaining a low flat pressure even when the hydrogen storage capacity is increased and improving hysteresis characteristics and sloping characteristics Zirconium-based hydrogen storage alloy containing titanium-zirconium-iron-vanadium-manganese-aluminum (Ti-Zr-Fe-V-Mn-Al).

특히, 본 발명은 티타늄-지르코늄-철-바나듐-망간-알루미늄(Ti-Zr-Fe-V-Mn-Al)을 포함하는 화학식을 갖되 티타늄과 지르코늄, 철, 알루미늄에 대한 조성 원소들의 원자분율을 개선함으로써 수소저장용량이 증가하더라도 낮은 평탄압력을 확보할 수 있고, 히스터리시스 및 슬로핑 특성을 좋게 할 수 있는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.In particular, the present invention relates to a titanium-zirconium-iron-vanadium-manganese-aluminum (Ti-Zr-Fe-V-Mn-Al) Zirconium-based hydrogen storage alloy capable of securing a low flatness pressure even when the hydrogen storage capacity is increased and improving the hysteresis and sloping property, and a method of manufacturing the same.

본 발명은 수소와 반응하여 수소를 금속수소화물(metal hydride) 형태로 저장하며, 저장된 수소는 온도나 압력의 변화에 따라 수소의 흡수와 방출을 가역적으로 반복할 수 있어 저장에 매우 유리할 뿐만 아니라, 수소가 방출할 때의 압력과 열을 에너지원으로도 이용할 수 있는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.The present invention resides in that hydrogen is reacted with hydrogen to store hydrogen in the form of a metal hydride. The stored hydrogen can be reversibly reversed in absorption and release of hydrogen according to changes in temperature or pressure, Another object of the present invention is to provide a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy capable of utilizing pressure and heat when hydrogen is released as an energy source, and a method of manufacturing the same.

본 발명은 연료전지 자동차 등의 수소 공급용 수소저장매체의 용도로 사용할 수 있는 AB2형 라베스상(Laves phase) 타입의 티타늄-지르코늄계 수소저장합금 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
Another object of the present invention is to provide a Laves phase type titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy of the AB2 type which can be used for hydrogen storage medium for hydrogen supply of a fuel cell automobile or the like, and a method for producing the same. .

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 티타늄-지르코늄계 수소저장합금은, [Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1.65Aly]의 합금 조성에 비금속 성분으로서 탄소(C)가 포함되는 화학식을 가지며, 상기 합금 조성 원소들의 원자분율을 나타내는 x는 0.12≤x≤0.15인 조건을 만족하고, y는 0.1≤y≤0.2인 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the titanium-zirconium-base hydrogen storage alloy of the present invention is characterized in that the alloy composition of [Ti (1-x) Zr x ] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1.65 Al y ] And carbon (C), x representing the atomic fraction of the alloying elements is in the range of 0.12? X? 0.15, and y is in the range of 0.1? Y? 0.2.

여기에서, 상기 탄소는 전체 합금의 100wt% 대비 0.6~1.5wt% 범위로 포함될 수 있다.Here, the carbon may be included in a range of 0.6 to 1.5 wt% based on 100 wt% of the entire alloy.

한편, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 티타늄-지르코늄계 수소저장합금의 제조방법은, (A) Ti, Zr, V 및 Fe의 금속 재료를 칭량하여 흑연 도가니에 넣고, 상기 4가지 금속 재료가 담긴 흑연 도가니를 고주파용해유도로에 투입한 후, 이들을 용해시켜 예비 합금 조성물을 제조하는 단계; (B) 상기 (A)단계에서 제조한 예비 합금 조성물에 Mn 및 Al의 금속 재료를 용해시켜 혼합함으로써 최종 합금 조성물을 제조하는 단계; (C) 상기 최종 합금 조성물을 몰드에 붓고 냉각 처리함으로써 잉곳(ingot)으로 제조하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a method of manufacturing a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy, comprising: (A) weighing a metal material of Ti, Zr, V and Fe into a graphite crucible; Into a high frequency melting induction furnace, and then dissolving the graphite crucible to prepare a preliminary alloy composition; (B) preparing a final alloy composition by dissolving and mixing metallic materials of Mn and Al in the prealloy composition prepared in the step (A); (C) preparing the final alloy composition as an ingot by pouring it into a mold and subjecting it to a cooling treatment; And a control unit.

여기에서, 상기 (A)단계에서는 Ti 45~50중량부에 대해서 Zr 11~15중량부, V 15~20중량부, Fe 8.5~11중량부로 칭량하여 첨가하고; 상기 (B)단계에서는 Ti 45~50중량부에 대해서 Mn 100~110중량부, Al 3.5~5중량부로 칭량하여 첨가할 수 있다.In the step (A), 11 to 15 parts by weight of Zr, 15 to 20 parts by weight of V, and 8.5 to 11 parts by weight of Fe are weighed and added to 45 to 50 parts by weight of Ti; In the step (B), 100 to 110 parts by weight of Mn and 3.5 to 5 parts by weight of Al may be weighed out to 45 to 50 parts by weight of Ti.

여기에서, 상기 (C)단계에 제조되는 잉곳은, [Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1 .65Aly]의 합금 조성에 비금속 성분으로서 탄소(C)가 포함되는 화학식을 가지며; 상기 합금 조성 원소들의 원자분율을 나타내는 x는 0.12≤x≤0.15인 조건을 만족하고, y는 0.1≤y≤0.2인 조건을 만족하며; 상기 탄소는 전체 합금의 100wt% 대비 0.6~1.5wt% 범위로 포함될 수 있다.
Here, the ingot is produced in the (C) step is, [Ti (1-x) Zr x] Carbon (C as non-metal elements in the alloy composition of the [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1 .65 Al y] ); ≪ / RTI > X representing the atomic fraction of the alloying elements is in the range of 0.12? X? 0.15, and y satisfies the condition of 0.1? Y? 0.2; The carbon may be included in the range of 0.6 to 1.5 wt% based on 100 wt% of the entire alloy.

본 발명에 따르면, 티타늄-지르코늄-철-바나듐-망간-알루미늄(Ti-Zr-Fe-V-Mn-Al)을 포함하는 화학식을 갖되 티타늄과 지르코늄, 철, 알루미늄에 대한 조성 원소들의 원자분율을 개선함으로써 수소저장용량이 증가하더라도 낮은 평탄압력을 확보할 수 있고 히스터리시스 및 슬로핑 특성을 좋게 할 수 있는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제공할 수 있다.According to the present invention, the atomic fraction of titanium, zirconium, iron, and aluminum with respect to the elements including titanium-zirconium-iron-vanadium-manganese-aluminum (Ti-Zr-Fe-V-Mn- It is possible to provide a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy capable of securing a low flat pressure even when the hydrogen storage capacity is increased, and improving hysteresis and sloping characteristics.

본 발명은 수소와 반응하여 수소를 금속수소화물(metal hydride) 형태로 저장할 수 있고, 저장된 수소는 온도나 압력의 변화에 따라 수소의 흡수와 방출을 가역적으로 반복할 수 있어 저장에 매우 유리하며, 수소가 방출할 때의 압력과 열을 에너지원으로도 이용할 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.The present invention can store hydrogen in the form of a metal hydride by reacting with hydrogen, and the stored hydrogen can be reversibly reversed in absorbing and releasing hydrogen according to changes in temperature or pressure, It is possible to achieve the usefulness of utilizing the pressure and heat of hydrogen emission as an energy source.

본 발명은 연료전지 자동차 등의 수소 공급용 수소저장매체의 용도로 유용하게 사용할 수 있는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제공할 수 있다.
The present invention can provide a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy which can be usefully used as a hydrogen storage medium for hydrogen supply in a fuel cell automobile or the like.

도 1은 본 발명에 따른 티타늄-지르코늄계 수소저장합금의 제조공정을 나타낸 블록 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1의 티타늄-지르코늄계 수소저장합금의 압력-조성-온도(PCT)특성 그래프를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 2의 티타늄-지르코늄계 수소저장합금의 압력-조성-온도(PCT)특성 그래프를 나타낸 도면이다.
1 is a block flow diagram illustrating a process for producing a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy according to the present invention.
2 is a graph showing a pressure-composition-temperature (PCT) characteristic of the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy of Example 1 according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a pressure-composition-temperature (PCT) characteristic of the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy of Example 2 according to the present invention.

본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention will become more apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.

하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다 할 것으로, 본 발명에서 설명하는 실시예로 한정되지 않는다 할 것이다.However, it should be understood that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명에 따른 티타늄-지르코늄계 수소저장합금은,In the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy according to the present invention,

[Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1.65Aly]로 표시되는 합금 화학식을 가지며, 비금속 성분으로서 탄소(C)가 포함된다.Has an alloy formula represented by [Ti (1-x) Zr x ] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1.65 Al y ], and contains carbon (C) as a nonmetal component.

이때, Ti는 티타늄, Zr은 지르코늄, Fe는 철, V는 바나듐, Cr은 크롬, Mn은 망간, Al은 알루미늄을 나타낸다.
여기에서, Ti는 45~50중량부가 사용되고 이러한 Ti 금속재료의 사용량을 기준하여 Zr 11~15중량부, V 15~20중량부, Fe 8.5~11중량부, Mn 100~110중량부, Al 3.5~5중량부가 사용된다.
Ti represents titanium, Zr represents zirconium, Fe represents iron, V represents vanadium, Cr represents chromium, Mn represents manganese, and Al represents aluminum.
In this case, 45 to 50 parts by weight of Ti is used, and based on the amount of the Ti metal material used, 11 to 15 parts by weight of Zr, 15 to 20 parts by weight of V, 8.5 to 11 parts by weight of Fe, 100 to 110 parts by weight of Mn, To 5 parts by weight are used.

여기서, x와 y는 각각으로 조성된 원소들의 원자분율로서, x는 0.12≤x≤0.15을 만족하고, y는 0.1≤y≤0.2를 만족하도록 구비된다.Here, x and y are atomic fractions of elements constituted respectively, x satisfies 0.12? X? 0.15, and y satisfies 0.1? Y? 0.2.

또한, 비금속 성분인 탄소(C)는 [Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1 .65Aly]가 갖는 전체 합금의 중량 대비 포함되는 값으로 정의할 수 있다 할 것인데, 전체 합금의 100wt% 대비 0.6 내지 1.5wt% 범위로 포함된다 할 수 있다.In addition, the non-metal component is carbon (C) is [Ti (1-x) Zr x] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1 .65 Al y] can be defined by the value contained in total, based on the weight of the alloy having But may be included in the range of 0.6 to 1.5 wt% based on 100 wt% of the entire alloy.

상기 조성된 원소에 있어서는 수소저장합금의 우수한 특성 발휘를 위해 가급적 순도가 높은 금속을 재료로 사용함이 바람직한데, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 전해철(Fe), 바나듐(V), 전해망간(Mn), 알루미늄(Al)을 사용하는 것이 좋다.
In order to exhibit excellent properties of the hydrogen-storing alloy, it is preferable to use a metal having a high purity as much as possible for the above-mentioned compositional elements. It is preferable to use titanium, zirconium (Zr), electrolytic iron (Fe), vanadium (Mn), and aluminum (Al).

한편, 상술한 금속원소들에 의해 합금 조성된 화학식을 갖는 본 발명에 따른 티타늄-지르코늄계 수소저장합금은 도 1에 나타낸 바와 같은 제조공정에 의해 제조할 수 있다.On the other hand, the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy according to the present invention having the chemical formula formed by the above-described metal elements can be produced by a manufacturing process as shown in FIG.

Ti, Zr, V 및 Fe의 금속 재료를 각각 칭량하여 흑연 도가니에 넣고, 상기 4가지 금속 재료가 담긴 흑연 도가니를 고주파용해유도로에 투입한 후, 이들을 용해시켜 예비 합금 조성물을 제조한다(S10).Ti, Zr, V and Fe are respectively weighed into a graphite crucible, the graphite crucible containing the four metal materials is put in a high frequency melting induction furnace, and then melted to prepare a preliminary alloy composition (S10) .

이때, 상기 금속 재료는 Ti 45~50중량부에 대해서 Zr 11~15중량부, V 15~20중량부, Fe 8.5~11중량부로 첨가함이 바람직하다.At this time, the metal material is preferably added in an amount of 11 to 15 parts by weight of Zr, 15 to 20 parts by weight of V, and 8.5 to 11 parts by weight of Fe relative to 45 to 50 parts by weight of Ti.

상기 S10단계에서 제조한 예비 합금 조성물에 Mn 및 Al의 금속 재료를 첨가한 후, 용해시켜 최종 합금 조성물을 제조한다(S20).The metal alloy of Mn and Al is added to the preliminary alloy composition prepared in the step S10 and then dissolved to prepare a final alloy composition (S20).

이때, 상기 금속 재료는 Ti 45~50중량부에 대해서 Mn 100~110중량부, Al 3.5~5중량부로 첨가함이 바람직하다.At this time, the metal material is preferably added in an amount of 100 to 110 parts by weight of Mn and 3.5 to 5 parts by weight of Al relative to 45 to 50 parts by weight of Ti.

여기에서, 상기 Mn 및 Al의 금속 재료는 각각 칭량하여 흑연 도가니에 넣고 고주파용해유도로를 이용하여 용해시킨 후 예비 합금 조성물과 혼합함으로써 최종 합금 조성물을 제조할 수 있고, 때로는 예비 합금 조성물을 갖는 흑연 도가니에 칭량된 Mn 및 Al을 넣고 고주파용해유도로를 이용하여 용해시킴으로써 최종 합금 조성물을 제조할 수도 있다.Herein, the metal materials of Mn and Al are respectively weighed, placed in a graphite crucible, dissolved by using a high-frequency melting induction furnace, and then mixed with a preliminary alloy composition to prepare a final alloy composition. In some cases, graphite having a preliminary alloy composition Mn and Al weighed in the crucible may be added and dissolved in a high-frequency dissolution induction furnace to prepare a final alloy composition.

상기 S20단계를 거쳐 제조된 최종 합금 조성물을 몰드에 붓고 냉각 처리함으로써 잉곳(ingot)으로 제조한다(S30).The final alloy composition prepared through the step S20 is poured into a mold and subjected to a cooling treatment to produce an ingot (S30).

이에 따라, [Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1 .65Aly]의 합금 조성에 비금속 성분으로 탄소(C)가 포함되는 화학식으로 이루어지는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제조할 수 있으며, x는 0.12≤x≤0.15을 만족하고, y는 0.1≤y≤0.2를 만족하도록 구성할 수 있다.In this way, the titanium is formed by the chemical formula contains a carbon (C) to non-metallic components in the alloy composition of [Ti (1-x) Zr x] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1 .65 Al y] - zirconium-based Hydrogen storage alloy can be produced, x can satisfy 0.12? X? 0.15, and y can satisfy 0.1? Y? 0.2.

또한, 비금속 성분인 탄소(C)는 흑연 도가니의 사용에 의해 금속 재료를 용해하는 과정에서 필수불가결하게 [Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1 .65Aly]의 합금에 포함된다 할 것이다.In addition, the non-metal component is carbon (C) is essential to the process of melting a metallic material by use of a graphite crucible [Ti (1-x) Zr x] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1 .65 Al y ].

덧붙여, 상기 금속 재료를 용해시키는 S10단계와 S20단계에서는 아르곤이나 헬륨 등의 비활성 가스 분위기 또는 진공 분위기에서 수행함으로써 금속의 산화물이 부산물로 생기고 이로 인해 수소저장합금의 성능을 저하시키는 것을 방지할 수 있도록 함이 바람직하다.
In addition, in steps S10 and S20 for dissolving the metal material, the metal oxide is formed as a by-product by performing the reaction in an inert gas atmosphere such as argon or helium or a vacuum atmosphere, thereby preventing the performance of the hydrogen storage alloy from deteriorating .

< 실시예1 >&Lt; Example 1 >

아래 화학식 1을 가지는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제조하기 위하여 아래 표 1과 같은 양의 금속 재료를 사용하였으며, 상술한 제조공정을 통해 수소저장합금을 제조하였다.In order to prepare a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy having the following chemical formula 1, a metal material as shown in Table 1 below was used, and a hydrogen storage alloy was prepared through the above-described manufacturing process.

Figure 112013120690545-pat00001
Figure 112013120690545-pat00001

화학식 1로 나타낸 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제조하기 위해 사용한 금속 재료들의 사용량The amount of the metal materials used for producing the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy represented by the formula (1) 금속metal 사용량(중량부)Amount used (parts by weight) TiTi 4848 ZrZr 1212 FeFe 9.49.4 VV 17.117.1 MnMn 102102 AlAl 4.54.5

여기서, 상기 표 1에 나타낸 금속 재료들의 조성 성분을 통해 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제조하였으며, 이를 분석한 결과 화학식 1과 같은 수소저장합금을 얻어낼 수 있었다.
The titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy was prepared from the compositional ingredients of the metal materials shown in Table 1, and the hydrogen storage alloy as shown in Chemical Formula 1 was obtained.

< 실시예2 >&Lt; Example 2 >

아래 화학식 2을 가지는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제조하기 위하여 아래 표 2와 같은 양의 금속 재료를 사용하였으며, 상술한 제조공정을 통해 수소저장합금을 제조하였다.To prepare the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy having the following chemical formula 2, a metal material as shown in Table 2 below was used, and the hydrogen storage alloy was prepared through the above-described manufacturing process.

Figure 112013120690545-pat00002
Figure 112013120690545-pat00002

화학식 2로 나타낸 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제조하기 위해 사용한 금속 재료들의 사용량The amount of the metal materials used for producing the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy represented by the formula (2) 금속metal 사용량(중량부)Amount used (parts by weight) TiTi 4646 ZrZr 14.314.3 FeFe 10.610.6 VV 16.916.9 MnMn 100.8100.8 AlAl 44

여기서, 상기 표 1에 나타낸 금속 재료들의 조성 성분을 통해 티타늄-지르코늄계 수소저장합금을 제조하였으며, 이를 분석한 결과 화학식 2와 같은 수소저장합금을 얻어낼 수 있었다.
A titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy was prepared from the compositional ingredients of the metal materials shown in Table 1, and the hydrogen storage alloy as shown in Chemical Formula 2 was obtained.

한편, 상기 실시예 1 및 실시예 2를 통하여 얻어낸 티타늄-지르코늄계 수소저장합금에 대하여 PCT(압력-조성-온도) 측정한 결과, 각각 도 2 및 도 3과 같은 그래프 특성을 얻어낼 수 있었다.On the other hand, PCT (pressure-composition-temperature) measurement of the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy obtained through Examples 1 and 2 showed the graph characteristics as shown in FIG. 2 and FIG. 3, respectively.

도 2 및 도 3을 설명하면, 수소를 저장하고 방출시킬 때의 플래토 영역의 압력 차이가 2 bar 내지 5 bar 정도로 매우 작은 것을 알 수 있는데, 이는 통상적인 수소저장합금의 플래토 영역에서의 저장할 때와 방출할 때의 압력 차이가 3 bar 내지 10 bar 이상의 값을 나타내는 것을 고려하면, 매우 좋은 저장 및 방출 특성을 보여주고 있으며, 히스터리시스 및 슬로핑 특성이 우수함을 나타내는 것이다.2 and 3, it can be seen that the pressure difference in the plateau region when storing and releasing hydrogen is as small as 2 bar to 5 bar, which means that the storage in the plateau region of a conventional hydrogen- Considering that the pressure difference between the time of discharge and the discharge is more than 3 bar to 10 bar, it shows very good storage and discharge characteristics and shows excellent hysteresis and sloping characteristics.

Claims (5)

티타늄-지르코늄계 수소저장합금에 있어서,
[Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1.65Aly]로 표시되는 합금 조성에 비금속 성분으로서 탄소(C)가 포함되는 화학식을 갖되;
상기 합금 조성에 있어, Ti의 사용량은 45~50중량부이고 이를 기준으로 하여 Zr 11~15중량부, V 15~20중량부, Fe 8.5~11중량부, Mn 100~110중량부, Al 3.5~5중량부를 사용한 것으로서;
상기 합금 조성 원소들의 원자분율을 나타내는 x는 0.12≤x≤0.15인 조건을 만족하고, y는 0.1≤y≤0.2인 조건을 만족하며;
상기 탄소는 전체 합금의 100wt% 대비 0.6~1.5wt% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금.
In the titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy,
(C) as a non-metallic component in an alloy composition represented by [Ti (1-x) Zr x ] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1.65 Al y ];
The amount of Ti used is 45 to 50 parts by weight based on the alloy composition. 11 to 15 parts by weight of Zr, 15 to 20 parts by weight of V, 8.5 to 11 parts by weight of Fe, 100 to 110 parts by weight of Mn, To 5 parts by weight;
X representing the atomic fraction of the alloying elements is in the range of 0.12? X? 0.15, and y satisfies the condition of 0.1? Y? 0.2;
Wherein the carbon is contained in a range of 0.6 to 1.5 wt% based on 100 wt% of the total alloy.
삭제delete 티타늄-지르코늄계 수소저장합금의 제조방법에 있어서,
(A) Ti, Zr, V 및 Fe의 금속 재료를 칭량하여 흑연 도가니에 넣고, 상기 4가지 금속 재료가 담긴 흑연 도가니를 고주파용해유도로에 투입한 후, 이들을 용해시켜 예비 합금 조성물을 제조하는 단계;
(B) 상기 (A)단계에서 제조한 예비 합금 조성물에 Mn 및 Al의 금속 재료를 용해시켜 혼합함으로써 최종 합금 조성물을 제조하는 단계;
(C) 상기 최종 합금 조성물을 몰드에 붓고 냉각 처리함으로써 잉곳(ingot)으로 제조하는 단계; 를 포함하며,
상기 (A)단계에서는 Ti 45~50중량부를 기준으로 하여 Zr 11~15중량부, V 15~20중량부, Fe 8.5~11중량부로 칭량하여 첨가하고;
상기 (B)단계에서는 Ti 45~50중량부를 기준으로 하여 Mn 100~110중량부, Al 3.5~5중량부로 칭량하여 첨가하며;
상기 (C)단계에 제조되는 잉곳은,
[Ti(1-x)Zrx][Fe(0.3-y)V0.3Mn1.65Aly]로 표시되는 합금 조성에 비금속 성분으로서 상기 흑연도가니의 사용에 의해 금속 재료를 용해하는 과정에 부가된 탄소(C)가 포함되는 화학식을 가지며;
상기 합금 조성 원소들의 원자분율을 나타내는 x는 0.12≤x≤0.15인 조건을 만족하고, y는 0.1≤y≤0.2인 조건을 만족하며;
상기 탄소는 전체 합금의 100wt% 대비 0.6~1.5wt% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 티타늄-지르코늄계 수소저장합금의 제조방법.
A method for producing a titanium-zirconium-based hydrogen storage alloy,
(A) Weighing a metal material of Ti, Zr, V and Fe into a graphite crucible, injecting the graphite crucible containing the four metal materials into a high frequency dissolution inducing furnace, and dissolving them to prepare a preliminary alloy composition ;
(B) preparing a final alloy composition by dissolving and mixing metallic materials of Mn and Al in the prealloy composition prepared in the step (A);
(C) preparing the final alloy composition as an ingot by pouring it into a mold and subjecting it to a cooling treatment; / RTI &gt;
In the step (A), 11 to 15 parts by weight of Zr, 15 to 20 parts by weight of Vr and 8.5 to 11 parts by weight of Fe are weighed and added based on 45 to 50 parts by weight of Ti;
In the step (B), 100 to 110 parts by weight of Mn and 3.5 to 5 parts by weight of Al are weighed and added based on 45 to 50 parts by weight of Ti;
The ingot produced in the step (C)
The carbon added to the process of dissolving the metal material by the use of the graphite crucible as a non-metal component in the alloy composition represented by [Ti (1-x) Zr x ] [Fe (0.3-y) V 0.3 Mn 1.65 Al y ] (C), &lt; / RTI &gt;
X representing the atomic fraction of the alloying elements is in the range of 0.12? X? 0.15, and y satisfies the condition of 0.1? Y? 0.2;
Wherein the carbon is contained in a range of 0.6 to 1.5 wt% based on 100 wt% of the total alloy.
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