CN104531077A - 膨胀石墨基水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法 - Google Patents

膨胀石墨基水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法 Download PDF

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季旭
冷从斌
罗熙
李明
余琼粉
李海丽
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Abstract

本发明提供了一种石墨泡沫（GF）或膨胀石墨（EG）/无机水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法。其方法是，在无机水合盐相变材料中添加总质量6%~10%的膨胀石墨（EG）或石墨泡沫（GF），并加入膨胀石墨（EG）或石墨泡沫（GF）2倍质量的蒸馏水，同时添加对应的成核剂，在高于水合盐相变温度5~20℃水浴中真空吸附1~3小时，吸附中进行不断的搅拌和震动，亦可使用超声波震动。所制备的复合固-固相变储能材料彻底解决了无机水合盐的相分离问题，具有过冷度小，导热性能好，相变体积变化小，性能稳定，无泄漏，封装方便的特点。

Description

膨胀石墨基水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合相变储能材料，特别是一种膨胀石墨基无机水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法，属于无机复合材料领域。
背景技术
由于能源价格的上涨，化石能源枯竭的风险，开发可再生资源及加强余热的回收利用势在必行，然而这类资源大多能流密度低而且不稳定，比如太阳能、风能。因此，必需进行能量的存储，把暂时不用的能源存储起来，待需要时在释放出来。
目前储能方式主要有显热储能、化学储能和相变储能，显热储能是利用材料的温度升高进行储能，如热水，砂石等，具有应用历史最久，最经济等优点，但存在储能密度低，质量、体积大，温度变化大等缺点；化学储能依靠可逆化学反应进行储能，具有储能密度大，但技术难度大，投资费用高。相变储能是利用相变储能材料的物相变化进行储能，储能密度较高，经济适用，温度恒定等优点，因此成为近年来储能研究的热点。相变储能材料是相变储能的核心，相变储能材料可分为有机相变储能材料和无机相变储能材料：有机相变储能材料导热率低，储/放热功率小，相变积变化大等问题。无机相变储能材料具有热导率高，相变潜热较大，材料易得，价格低廉等优点，其主要包括熔融盐类﹑无机水合盐类、金属及其合金类。
其中最典型的是无机水合盐类，它具有较大的相变潜热和较高的体储热密度及固定的熔点，代表性物质有：六水氯化钙（CaCl2·6H2O）、十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）、十二水磷酸氢二钠（Na2HPO4·H2O）、五水硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）、三水乙酸钠（CH3COONa·3H2O）、八水氢氧化钡（Ba(OH)2·H2O）等。结晶水合盐类一般为中性，具有价格便宜、相变潜热大、材料易得、导热系数大等优点，是中﹑低温相变材料的重要一类。但它们存在过冷和相分离现象，经过大量的研究，目前这些问题在一定程度上的得到了解决。目前通过增加成核剂可以解决部分过冷现象；增加粘稠剂或晶体结构改变剂，或者采用薄层结构的容器盛装相变材料都可部分解决相分离问题，进一步减少泄露，减少相变材料的流失和污染环境。
多孔碳材料膨胀石墨（Expanded graphite；简写EG，下同）和石墨泡沫（Graphite Foam；简写GF，下同）是的一种疏松多孔状物质，具有大量的网络状微孔结构，它的大比表面积和高表面活性，使其具有良好的吸附性。因其在结构上仍由石墨微晶组成，保留了石墨良好的导热性能，利用膨胀石墨封装无机水合盐，其良好的吸附性能对无机水合盐相变材料进行吸附封装，防止了相分离和泄露的发生，同时膨胀石墨还为水合盐提供外源成核剂的作用，减少分子间自由程，降低其过冷度，同时其良好的导热性可以改善无机水合盐的储热和释热效率，因而膨胀石墨可成为无机水合盐类相变材料的良好封装材料。从而克服单一无机水和的过冷和相分离难题，同时增大其热导率，同时又可以改善相变材料的应用效果及拓展其应用范围。
发明内容
本发明提供了一种石墨泡沫（GF）或膨胀石墨（EG）/无机水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法，既解决无机水合盐的相分离和过冷问题又提高相变储能材料的导热性能，实现无机水合盐相变储能材料无相分离、过冷度小，导热性能增强、稳定性提升的目的。
本发明采用以下技术方案实现：
在无机水合盐（如：六水氯化钙（CaCl2·6H2O）、十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）、十二水磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）、五水硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）、三水乙酸钠（CH3COONa·3H2O）、八水氢氧化钡（Ba(OH)2·8H2O）等）相变材料中添加总质量6%~10%的膨胀石墨（EG）或石墨泡沫（GF），并加入膨胀石墨（EG）或石墨泡沫（GF）1.5~2倍质量的蒸馏水，同时添加对应的成核剂，在高于水合盐相变温度5~20℃水浴中真空吸附1~3小时，吸附过程中进行不时的搅拌和摇晃，亦可使用超声波震动。其中加入膨胀石墨质量1.5~2倍的蒸馏水，是用以补充加热真空吸附过程中散失的水分和吸附于膨胀石墨中不能参与无机水合盐重结晶的水分。
其所述膨胀石墨（EG）或泡沫石墨（GF）水合盐复合固-固相变储能材料的组成及热物性如表1所示。
表1. 膨胀石墨（EG）或泡沫石墨（GF）基水合盐复合固固相变储能材料组成及热物性
注：表中各物质的添加量均为总复合固-固相变材料的质量分数。
本发明的储能-防相分离工质对，可使储能系统的长期稳定性与储能性能完美匹配，实现稳定性与储热性能兼得，其技术方案优势为：
1. 膨胀石墨（EG）或泡沫石墨（GF）在复合固-固相变材料中无机水合盐的防相分离材料，又作为成核剂减小过冷度的作用，同时减小相变过程中的体积变化；
2. 膨胀石墨（EG）或泡沫石墨（GF）除了具有防相分离和减小过冷度的作用，还使无机水合盐相变储能材料固化成型，并提高无机水合盐相变材料的导热性能。
3. 膨胀石墨（EG）或泡沫石墨（GF）与无机水合盐相容性好，不与无机水合盐相变材料发生化学反应，而且热稳定性和长期稳定性好。
附图说明：
图1石墨泡沫（GF）或膨胀石墨（EG）/无机水合盐复合固-固相变储能材料的制备流程
图2 膨胀石墨基十水硫酸钠复合固-固相变材料的储/放热性能
具体实施方式：
以下介绍本发明：膨胀石墨（EG）或泡沫石墨（GF）/无机水合盐复合固-固相变储能材料制备方法的具体实施方式，下面分别以六水氯化钙（CaCl2·6H2O）、十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）、十二水磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）、五水硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）、三水乙酸钠（CH3COONa·3H2O）、八水氢氧化钡（Ba(OH)2·8H2O）这六种无机水合盐为例说明膨胀石墨（EG）或泡沫石墨（GF）/无机水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法。
实施例1
膨胀石墨（石墨泡沫）/十水硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法包含以下几个步骤：
(1) 按照表1的配比，以十水硫酸钠:膨胀石墨（石墨泡沫）:硼砂 = 90:8:2的质量配比，称取十水硫酸钠90g，膨胀石墨（石墨泡沫）8g，硼砂2g，放入500 mL抽滤瓶中，同时加入16g蒸馏水；
(2) 抽滤瓶口用硅胶塞塞紧，确保不漏气，抽滤嘴用过滤棉塞住，防止膨胀石墨等杂物进入真空泵，抽滤嘴接真空泵；
(3) 将装有相变储能材料的抽滤瓶置于40℃的超声恒温水浴中加热，并连续抽真空，待十水硫酸钠完全熔化后，激烈摇晃抽滤瓶1分钟，使熔化的硫酸钠溶液被膨胀石墨（石墨泡沫）充分吸附；
(4) 打开并设置超声40 kHz，保持40℃水浴，继续抽真空吸附2小时，期间每隔半小时激烈摇晃抽滤瓶1分钟；
(5) 吸附完成后，倒出冷却，即可得膨胀石墨（石墨泡沫）/十水硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料；
(6) 经测试，前述步骤制得的膨胀石墨（石墨泡沫）/十水硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料的相变温度为29℃，相变潜热和体储能密度为225.77 kJ/kg和 218.09 MJ/m3，过冷度小于1℃，储/放热循环测试结果与中国专利2011年万福新等人公开的一种十水硫酸钠相变蓄能材料组合物（201110088799.0）相比，储热时间缩短52.6%，放热时间缩短55.1%，经200次循环后性能无衰减。
实施例2：
膨胀石墨（石墨泡沫）/六水氯化钙水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法包含以下几个步骤：
(1) 在按照表1的配比，以六水氯化钙:膨胀石墨（石墨泡沫）:硼砂 = 89:8:3的质量配比，称取六水氯化钙89g，膨胀石墨(石墨泡沫)8g，硼砂3g，放入500 mL抽滤瓶中，同时加入16g蒸馏水；
(2) 抽滤瓶口用硅胶塞塞紧，确保不漏气，抽滤嘴用过滤棉塞住，防止膨胀石墨等杂物进入真空泵，抽滤嘴接真空泵；
(3) 将装有相变储能材料的抽滤瓶置于38℃的超声恒温水浴中加热，并连续抽真空，待十水硫酸钠完全熔化后，激烈摇晃抽滤瓶1分钟，使熔化的硫酸钠溶液被膨胀石墨（石墨泡沫）充分吸附；
(4) 打开并设置超声40 kHz，保持38℃水浴，继续抽真空吸附2小时，期间每隔半小时激烈摇晃抽滤瓶1分钟；
(5) 吸附完成后，倒出冷却，即得到膨胀石墨（石墨泡沫）/六水氯化钙水合盐复合固-固相变储能材料；
经测试，制得的膨胀石墨(石墨泡沫)/六水氯化钙水合盐复合固-固相变储能材料的相变温度为27.5℃，相变潜热为174 kJ/kg。
实施例3：
膨胀石墨（石墨泡沫）/十二水磷酸氢二钠水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法包含以下几个步骤：
(1) 在按照表1的配比，以十二水磷酸氢二钠:膨胀石墨(石墨泡沫):活性氧化铝 = 88.5:8:3.5的质量配比，称取十二水磷酸氢二钠88.5g，膨胀石墨(石墨泡沫)8g，活性氧化铝3.5g，放入500 mL抽滤瓶中，同时加入16g蒸馏水；
(2) 抽滤瓶口用硅胶塞塞紧，确保不漏气，抽滤嘴用过滤棉塞住，防止膨胀石墨等杂物进入真空泵，抽滤嘴接真空泵；
(3) 将装有相变储能材料的抽滤瓶置于45℃的超声恒温水浴中加热，并连续抽真空，待十水硫酸钠完全熔化后，激烈摇晃抽滤瓶1分钟，使熔化的硫酸钠溶液被膨胀石墨（石墨泡沫）充分吸附；
(4) 打开并设置超声40 kHz，保持45℃水浴，继续抽真空吸附2小时，期间每隔半小时激烈摇晃抽滤瓶1分钟；
(5) 吸附完成后，倒出冷却，即得到膨胀石墨（石墨泡沫）/十二水磷酸氢二钠水合盐复合固-固相变储能储能材料；
经测试，制得的膨胀石墨(石墨泡沫)/十二水磷酸氢二钠水合盐复合固-固相变储能材料的相变温度为34℃，相变潜热为235 kJ/kg。
实施例4：
膨胀石墨（石墨泡沫）/五水硫代硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法包含以下几个步骤：
(1) 在按照表1的配比，以五水硫代硫酸钠:膨胀石墨(石墨泡沫):石膏粉 = 91:8:1的质量配比，称取五水硫代硫酸钠91g，膨胀石墨(石墨泡沫)8g，石膏粉1g，放入500 mL抽滤瓶中，同时加入16g蒸馏水；
(2) 抽滤瓶口用硅胶塞塞紧，确保不漏气，抽滤嘴用过滤棉塞住，防止膨胀石墨等杂物进入真空泵，抽滤嘴接真空泵；
(3) 将装有相变储能材料的抽滤瓶置于60℃的超声恒温水浴中加热，并连续抽真空，待十水硫酸钠完全熔化后，激烈摇晃抽滤瓶1分钟，使熔化的硫酸钠溶液被膨胀石墨（石墨泡沫）充分吸附；
(4) 打开并设置超声40 kHz，保持60℃水浴，继续抽真空吸附2小时，期间每隔半小时激烈摇晃抽滤瓶1分钟；
(5) 吸附完成后，倒出冷却，即得到膨胀石墨（石墨泡沫）/五水硫代硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料；
经测试，制得的膨胀石墨(石墨泡沫)/五水硫代硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料的相变温度为47℃，相变潜热为192 kJ/kg。
实施例5：
膨胀石墨（石墨泡沫）/三水乙酸钠水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法包含以下几个步骤：
(1) 在按照表1的配比，以三水乙酸钠:膨胀石墨(石墨泡沫):十二水磷酸氢二钠= 91:8:1的质量配比，称取三水乙酸钠91g，膨胀石墨(石墨泡沫)8g，十二水磷酸氢二钠1g，放入500 mL抽滤瓶中，同时加入16g蒸馏水；
(2) 抽滤瓶口用硅胶塞塞紧，确保不漏气，抽滤嘴用过滤棉塞住，防止膨胀石墨等杂物进入真空泵，抽滤嘴接真空泵；
(3) 将装有相变储能材料的抽滤瓶置于68℃的超声恒温水浴中加热，并连续抽真空，待十水硫酸钠完全熔化后，激烈摇晃抽滤瓶1分钟，使熔化的硫酸钠溶液被膨胀石墨（石墨泡沫）充分吸附；
(4) 打开并设置超声40 kHz，保持68℃水浴，继续抽真空吸附2小时，期间每隔半小时激烈摇晃抽滤瓶1分钟；
(5) 吸附完成后，倒出冷却，即得到膨胀石墨（石墨泡沫）/三水乙酸钠水合盐复合固-固相变储能材料；
经测试，制得的膨胀石墨(石墨泡沫)/三水乙酸钠水合盐复合固-固相变储能材料的相变温度为57℃，相变潜热为240 kJ/kg。
实施例6：
膨胀石墨（石墨泡沫）/八水氢氧化钡水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法包含以下几个步骤：
(1) 在按照表1的配比，以八水氢氧化钡:膨胀石墨(石墨泡沫):石膏粉 = 91:8:1的质量配比，称取八水氢氧化钡91g，膨胀石墨(石墨泡沫)8g，石膏粉 1g，放入500 mL抽滤瓶中，同时加入16g蒸馏水；
(2) 抽滤瓶口用硅胶塞塞紧，确保不漏气，抽滤嘴用过滤棉塞住，防止膨胀石墨等杂物进入真空泵，抽滤嘴接真空泵；
(3) 将装有相变储能材料的抽滤瓶置于85℃的超声恒温水浴中加热，并连续抽真空，待十水硫酸钠完全熔化后，激烈摇晃抽滤瓶1分钟，使熔化的硫酸钠溶液被膨胀石墨（石墨泡沫）充分吸附；
(4) 打开并设置超声40 kHz，保持85℃水浴，继续抽真空吸附2小时，期间每隔半小时激烈摇晃抽滤瓶1分钟；
(5) 吸附完成后，倒出冷却，即得到膨胀石墨（石墨泡沫）/八水氢氧化钡水合盐复合固-固相变储能材料；
经测试，制得的膨胀石墨(石墨泡沫)/八水氢氧化钡水合盐复合固-固相变储能材料的相变温度为77℃，相变潜热为242 kJ/kg。
以上仅列出无六种膨胀石墨基无机水合盐复合固-固相变材料的制备方法，但用作相变储能材料的无机水合盐远不止上述六种，还包括其他的结晶水合盐及其水合共晶盐亦可采用相同的方法进行制备，膨胀石墨(石墨泡沫)/无机水合盐固-固复合相变材料。

Claims (2)

1.一种膨胀石墨基水合盐复合固-固相变材料的制备方法，其特征是：在无机水合盐相变材料中添加总质量6%~10%的膨胀石墨（EG）或石墨泡沫（GF），并加入膨胀石墨（EG）或石墨泡沫（GF）1.5~2倍质量的蒸馏水，同时添加对应的成核剂，在高于水合盐相变温度5~20℃水浴中真空吸附1~3小时，吸附过程中进行不断的搅拌和震动，亦可使用超声波震动。
2.根据权利要求1所述的膨胀石墨基水合盐复合固-固相变材料制备方法，其特征在于膨胀石墨（石墨泡沫）/十水硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料的制备方法包含以下几个步骤：
(1) 以十水硫酸钠:膨胀石墨(石墨泡沫):硼砂 = 90:8:2的质量配比，称取十水硫酸钠90g，膨胀石墨（石墨泡沫）8g，硼砂2g，放入500 mL抽滤瓶中，同时加入16g蒸馏水；
(2) 抽滤瓶口用硅胶塞塞紧，确保不漏气，抽滤嘴用过滤棉塞住，防止膨胀石墨等杂物进入真空泵，抽滤嘴接真空泵；
(3) 将装有相变储能材料的抽滤瓶置于40℃的超声恒温水浴中加热，并连续抽真空，待十水硫酸钠完全熔化后，激烈摇晃抽滤瓶1分钟，使熔化的硫酸钠溶液被膨胀石墨（石墨泡沫）充分吸附；
(4) 打开并设置超声40 kHz，保持40℃水浴，继续抽真空吸附2小时，期间每隔半小时激烈摇晃抽滤瓶1分钟；
(5) 吸附完成后，倒出冷却，即得到膨胀石墨（石墨泡沫）/十水硫酸钠水合盐复合固-固相变储能材料。
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