[논문]대량용해 Ti0.85Zr0.13(Fex-V)0.56Mn1.47Ni0.05 수소저장합금의 용융방사공정을 통한 수소저장특성

김진호; 한규성

doi:10.7316/khnes.2013.24.5.367

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Hydrogen storage as a metal hydride is the most promising alternative because of its relatively large hydrogen storage capacities near room temperature. TiMn2-based C14 Laves phases alloys are one of the promising hydrogen storage materials with easy activation, good hydriding-dehydriding kinetics, ...

Hydrogen storage as a metal hydride is the most promising alternative because of its relatively large hydrogen storage capacities near room temperature. TiMn2-based C14 Laves phases alloys are one of the promising hydrogen storage materials with easy activation, good hydriding-dehydriding kinetics, high hydrogen storage capacity and relatively low cost. In this work, multi-component, hyper-stoichiometric $Ti_{0.85}Zr_{0.13}(Fe_x-V)_{0.56}Mn_{1.47}Ni_{0.05}$ C14 Laves phase alloys were prepared by a vacuum induction melting for a hydrogen storage tank. Since pure vanadium (V) is quite expensive, the substitution of the V element in these alloys has been tried and some interesting results were achieved by replacing V by commercial ferrovanadium (FeV) raw material. In addition, the melt-spinning process, which was applied to the manufacturing of some of these alloys, could make the plateau slopes much flatter, which resulted in the increase of reversible hydrogen storage capacity. The improvement of sloping properties of melt-spun $Ti_{0.85}Zr_{0.13}(Fe_x-V)_{0.56}Mn_{1.47}Ni_{0.05}$ alloys was mainly attributed to the homogeneity of chemical composition.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 VIM 공정으로 대량제조된 hyperstoichiometric TiMn₂계 합금의 수소저장특성을 분석하였다. 또한 용융방사공정이 Ti_0.

제안 방법

Ti0.85Zr0.13(Fex-V)0.56Mn1.47Ni0.05 합금의 수소저장특성은 Sievert's type automatic PCT (Pressure-Composition-Temperature)장치를 이용하여 측정되었다.
VIM 공정은 진공하에서 electromagnetic induction을 통하여 금속을 용해하여 합금을 제조하는 방식으로 (a)Oxygen-free 용해, (b)대량 생산, (c)높은 생산수율, (d)균일한 합금조성 확보, (e)슬래그 방지를 용이하게 할 수 있다고 보고되고 있다^2,14). 또한 pure V 대신에 Fe_x-V를 사용한 VIM-Ti_0.85 Zr_0.13(Fe_x-V)_0.56Mn_1.47Ni_0.05 합금에 용융방사공정을 통한 미세구조 제어 및 수소저장특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
계 합금의 수소저장특성을 분석하였다. 또한 용융방사공정이 Ti_0.85Zr_0.13(Fe_x-V)_0.56Mn_1.47Ni_0.05 합금의 수소저장특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. VIM Ti_0.
5g이다. 수소측정 이전에 합금의 활성화를 위하여 각각 5회의 수소흡방출 및 Ar purging 과정이 수행되었다.
제조된 VIM and MS 합금은 기계적분쇄 후 100 mesh 체거름을 통하여 합금분말을 제조한다. 합금분말의 상분석 및 결정구조분석을 위하여 XRD(Rigaku D/Max 2500) 분석을 수행하였으며, 미세구조 분석을 위하여 접속이온빔(Focused ion beam, FIB) 처리를 통한 HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscopy, Tecnai G2 F30 S-Twin)과 EDS(Energy dispersive spectrometer) 측정을 수행하였다. Ti_0.

대상 데이터

Ti_0.85Zr_0.13(Fe_x-V)_0.56Mn_1.47Ni_0.05 합금은 (주)한국에너지재료에서 제작되었으며, 진공유도용해(VIM, 25 kW) 공정으로 1 batch에서 약 15kg의 합금을 제조하였다 (Fig. 1(a)).
본 연구에서는 진공유도용해(Vacuum Induction Melting, VIM) 공정으로 Ti_0.85Zr_0.13(Fe_x-V)_0.56Mn_1.47Ni_0.05합금을 제작하였다. VIM 공정은 진공하에서 electromagnetic induction을 통하여 금속을 용해하여 합금을 제조하는 방식으로 (a)Oxygen-free 용해, (b)대량 생산, (c)높은 생산수율, (d)균일한 합금조성 확보, (e)슬래그 방지를 용이하게 할 수 있다고 보고되고 있다^2,14).
본 연구의 TiMn2계 합금의 조성은 비화학양론조성(hyper-stoichimetric) 설계된 Ti0.85Zr0.13(Fex-V)0.56Mn1.47 Ni0.05 이며, 사용된 페로바나듐(FexV) 화학조성은 다음과 같다.

성능/효과

반면에 Fig. 3(b)의 MS 합금(1000rpm)의 XRD 측정 결과에서는 주상인 C14 라베스 상의 회절피크(diffraction peak)가 더욱 sharp해지고 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 VIM 합금에서 관찰되었던 wustite 상은 더 이상 나타나지 않고, α-ZrO₂ 상을 의미하는 회절피크가 매우 약하게 관찰되고 있다.
반면에 제2상으로 관찰된 wustite 상(FeO)은 수소저장 특성은 없으며, pure V 대신 사용된 FexV에서 기인한 것으로 판단된다. VIM 합금의 C14 라베스 상과 Wustite 상의 분율은 각각 91.7 과 8.3at%로 관찰되었으며, 이러한 결과는 JADE 7.0 프로그램의 Simulated pattern으로 측정되었다. 반면에 Fig.
Ms 합금의 Hs 값은 pure V을 사용하는 결과와 후열처리를 진행한 결과와 비슷한 값을 보이고 있다²⁾. 따라서 Melt spinning 공정은 TiMn₂계 합금의 평탄도 특성을 향상시켰으며, MS 합금의 가역수소저장용량이 1.75wt%로 증가하는 효과를 가져오게 되었다.
75wt%의 높은 가역수소저장용량을 보이고 있다. 따라서 Ti_0.85Zr_0.13(Fe_x-V)_0.56Mn_1.47Ni_0.05 합금에 대한 용융방사공정은 급속냉각 공정을 통하여 합금내 작고 균일한 입경 분포와 균일한 조성분포 효과를 가져오기 때문에 수소저장특성을 향상시키는 것으로 확인되었다.
Wustite 상은 고가의 V 대신에 사용하는 페로 바나듐(Fe_xV) 합금에 기인하며, wustite 상은 수소저장특성이 없으며 VIM 합금의 PCT 거동에서 높은 평탄도와 그에 따른 가역수소저장용량의 감소를 가져오는 것으로 판단된다. 반면에 MS 합금은 주상으로 C14 라베스 상이 유지되지만, wustite 상은 더 이상 관찰되지 않으며, PCT 거동에서의 우수한 평탄도 특성으로 1.75wt%의 높은 가역수소저장용량을 보이고 있다. 따라서 Ti_0.
2)에서 용융방사공정은 합금의 평탄도 특성을 향상시켰는데, 일반적으로 평탄도 특성은 합금조성의 균일도 영향을 받는 것으로 알려져 있다^2,3). 이상의 결과에서 MS 합금의 평탄도 특성 향상은 합금 조성의 균일도 향상에 기인한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속간수소화물의 특성은?	다양한 수소저장물질 중에서, 금속간수소화물(metal hydride)은 상온에서 수소저장 및 방출이 가능한 고체저장법으로 안전하고 높은 부피저장밀도(volumetric storage density) 특성을 보인다1). 특히, 라베스 상(Laves phase)을 갖는 TiMn2계 AB2 수소저장합금은 우수한 활성화 특성, 빠른 수소흡방출 속도, 높은 수소저장밀도 및 가격경쟁력을 갖추고 있는 것으로 알려져 있다2-4).
	VIM Ti0.85Zr0.13 (Fex-V)0.56Mn1.47Ni0.05 합금에서 Wustite상은 어떤 역할을 하는가?	05 합금의 경우 고용량 수소저장특성을 갖는 C14 라베스 상을 주상을 갖으며, wustite(FeO) 제 2상이 관찰되었다. Wustite 상은 고가의 V 대신에 사용하는 페로 바나듐(FexV) 합금에 기인하며, wustite 상은 수소저장특성이 없으며 VIM 합금의 PCT 거동에서 높은 평 탄도와 그에 따른 가역수소저장용량의 감소를 가져오는 것으로 판단된다. 반면에 MS 합금은 주상으로 C14 라베스 상이 유지되지만, wustite 상은 더 이상 관찰되지 않으며, PCT 거동에서의 우수한 평탄도 특성으로 1.
	TiMn2계 수소저장합금의 문제점은?	특히, 라베스 상(Laves phase)을 갖는 TiMn2계 AB2 수소저장합금은 우수한 활성화 특성, 빠른 수소흡방출 속도, 높은 수소저장밀도 및 가격경쟁력을 갖추고 있는 것으로 알려져 있다2-4). 그러나 TiMn2계 수소저장합금은 높은 수소화압력(H2 plateau pressure)과 수소 흡방출시 큰 히스테리시스(hysteresis)를 보이기 때문에, 이를 해결하기 위하여 원소 치환을 통한 합금설계가 이루어지고 있다. Gamo 등은 Ti0.

참고문헌 (15)

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