专利名称：镧镍合金-膨胀石墨固体复合吸附剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种复合材料技术领域的吸附剂及其制备方法，具体涉及一 种镧镍合金—膨胀石墨固体复合吸附剂及其制备方法。
背景技术：
作为一种以氢化物形态来储存氢气的重要手段，镧镍合金由于在储氢过程中 具有压力低、吸放氢速度快以及性能稳定等优点，成为吸附储氢领域比较重要的 一种储氢合金。但是镧镍合金也具有在吸放氢过程中易于粉化的缺点，这种粉化 过程会引起传热性能的大幅度降低，从而导致其吸放氢速度出现较大的衰减。为 了解决这种问题， 一些研究人员提出了固化复合吸附剂。
经对现有技术的文献检索发现，Ana Rodrguez Sanchez在International Journal of Hydrogen Energy (2003， 28: 515 - 527)上发表的"Expanded graphite as heat transfer matrix in metal hydride beds"(膨月长石墨作为 金属氢化物吸附床中的传热强化基质的研究，《国际氢源杂志》，2003， 28: 515-527)对金属氢化物吸附床中的膨胀石墨基质进行了研究。但是采用石墨作 为金属氢化物的基质，由于金属氢化物的密度相对于石墨过大，导致其混合过程 中金属氢化物易于沉积在石墨的底层，因此其混合极为困难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种镧镍合金一膨胀石墨固体 复合吸附剂及其制备方法，使其解决镧镍合金与膨胀石墨混合时，镧镍合金易于 沉积于石墨底层，从而难于形成复合吸附剂的问题。本发明的复合吸附材料具有 较高的导热系数和吸附速率以及较短的吸附和解吸时间。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所涉及的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂，由若干个叠加起来的
复合吸附剂单元和固化膨胀石墨顶层基质块组成，其中复合吸附剂单元由固化
膨胀石墨凹形基质块U〉和镧镍合金夹层组成；固化膨胀石墨凹形基质^:的组成材 料为固化结构的膨胀石墨材料，其形状为圆柱形，且顶面向内部凹陷形成一个圆 柱形内部容器；镧镍合金夹层的组成材料为散装的LaN:U合金，均匀铺放在固化 膨胀石墨凹形基质块的圆柱形内部容器中；固化膨胀石墨顶层基质块的组成材料 为固化结构的膨胀石墨材料，其形状为圆柱形，位于最上层复合吸附剂单元的顶 端;每个复合吸附剂单元中的固化膨胀石墨凹形基质块与固化膨胀石墨顶层基质 块中含有的膨胀石墨质量均相等;每个复合吸附剂单元中含有的镧镍合金夹层的 质量均相等。
所述镧镍合金夹层的质量在镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的总质量 中所占比例为40%到70%，余量为膨胀石墨。
所述固化膨胀石墨凹形基质块的密度为5 15kg/m3。
本发明所涉及的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的制备方法，包括如下 步骤首先制作密度为5 15kg/m3的固化膨胀石墨凹形基质块，然后将镧镍合 金铺放在固化膨胀石墨凹形基质块圆环内部，形成镧镍合金夹层；从底部开始到 顶部依次按照石墨凹形基质块一镧镍合金夹层的顺序罗列，最后同样制作密度为 5 15kg/m3的固化膨胀石墨顶层基质块，将其铺放在最顶部镧镍合金夹层的上 面，压制成固化复合吸附剂。
本发明固化膨胀石墨凹形基质块以及固化膨胀石墨顶层基质块相对于镧镍 合金夹层形成了一个传热传质强化的夹层，并在镧镍合金夹层吸附膨胀过程中有 效的限制了体积的增长。相对于普通散装的镧镍合金，本发明中的固化复合吸附 剂的径向导热系数提高了 51倍；轴向导热系数提高了 13倍；加热解吸时间缩短 了约17%;吸氢速率提高了24%。
图1镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂结构示意图； 其中1为固化膨胀石墨凹形基质块，2为镧镍合金夹层，3为固化膨胀石 墨顶层基质块，4为复合吸附剂单元。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护
范围不限于下述的实施例。 实施例1
1、 镧镍合金-膨胀石墨固体复合吸附剂的制备
整个固化复合吸附剂的制作过程为首先是制作密度为5kg/m3、质量为8g 的固化膨胀石墨凹形基质块(l)，其形状为圆柱形，且顶面向内部凹陷形成一个圆 柱形内部容器；然后将8g镧镍合金作为镧镍合金夹层(2)均匀铺放在固化膨胀石 墨凹形基质块(l)圆环内部，形成一个复合吸附剂单元(4)。然后依相同的方法再制 备1个复合吸附剂单元，并且从底部开始到顶部依次按照石墨凹形基质块一镧镍 合金夹层的顺序依次将2个复合吸附剂单元罗列起来，最后制备密度为5kg/m3、 质量为8g的固化膨胀石墨顶层基质块(3)，该基质块的形状为圆柱形，将其铺放 在最顶部镧镍合金夹层的上面，最后再压制成固化复合吸附剂。
2、 镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的导热性能检测以及吸附性能的检
a)导热性能检测
采用Hot Disk热物性分析仪，利用各向异性热物性测试传感探头，对吸附 剂的热物性进行测试，具体的步骤为首先制作两块完全相同的固体复合吸附剂 块，厚度均在8 12mm左右，然后将各向异性热物性测试传感探头置于两块固体 复合吸附剂块中间进行检测，并采用Hot disk热物性分析软件对检测数据迸行 分析，得到吸附剂的轴向与径向的导热系数。所测试的径向导热系数最高可以达 到15. 9W/(mK)，轴向导热系数最高可以达到3. 3W/(mK)，而散装镧镍合金的导热 系数仅为0. 35W/(mK)，因此相对于普通散装的镧镍合金，固化复合吸附剂的径向 导热系数提高了 45倍，而轴向导热系数则提高9. 4倍。
(2)吸附性能与吸附速率
利用吸附剂的热物性数据，建立吸附剂在加热过程中的能量守恒方程。方程 中采用加热过程中热量的传递过程与吸附剂的反应热相匹配的原则，计算吸附与 解吸过程所需要的时间。在同样采用轴向换热的条件下，温度同样加热到80°C 时，固化复合吸附剂需要的时间为760s，而散装镧镍合金所需要的时间为860s。 因此，相对于散装镧镍合金吸附剂，固化复合吸附剂的加热解吸时间縮短了约 11%。按照吸附量与温度成线性，计算出吸附量，再根据吸附速率为吸附量与吸 附时间比值的关系，通过仿真计算，得到散装镧镍合金的最大吸附氢速率为 0. 00573kg/kgs,固化复合吸附剂的最大吸附氢速率为0.0065kg/kgs。因此，相 对于散装镧镍合金吸附剂，固化复合吸附剂吸氢速率提高了 13%。 实施例2
1、 镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的制备
整个固化复合吸附剂的制作过程为首先是制作密度为10kg/fl!3、质量为8g
的固化膨胀石墨凹形基质块(l)，其形状为圆柱形，且顶面向内部凹陷形成一个圆
柱形内部容器;然后将14. 6g镧镍合金作为镧镍合金夹层(2)均匀铺放在固化膨胀 石墨凹形基质块(l)圆环内部，形成一个复合吸附剂单元(4)，然后依相同的方法再 制备1个复合吸附剂单元，并且从底部开始到顶部依次按照石墨凹形基质块一镧 镍合金夹层的顺序依次将2个复合吸附剂单元罗列起来，最后制备密度为 10kg/m3、质量为8g的固化膨胀石墨顶层基质块(3)，该基质块的形状为圆柱形， 将其铺放在最顶部镧镍合金夹层的上面，最后再压制成固化复合吸附剂。
2、 镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的导热性能检测以及吸附性能的检
(1) 导热性能检测
采用Hot Disk热物性分析仪，利用各向异性热物性测试传感探头，对吸附 剂的热物性进行测试，具体的歩骤为首先制作两块完全相同的固体复合吸附剂 块，厚度均在8 12mm左右，然后将各向异性热物性测试传感探头置于两块固体 复合吸附剂块中间进行检测，并采用Hot disk热物性分析软件对检测数据进行 分析，得到吸附剂的轴向与径向的导热系数。所测试的径向导热系数最高可以达 到18. 4W/(mK),轴向导热系数最高可以达到5. 1W/(mK)，而散装镧镍合金的导热 系数仅为0. 35W/(mK)，因此相对于普通散装的镧镍合金，固化复合吸附剂的径向 导热系数提高了 51倍，而轴向导热系数则提高13倍。
(2) 吸附性能与吸附速率
利用吸附剂的热物性数据，建立吸附剂在加热过程中的能量守恒方程。方程 中采用加热过程中热量的传递过程与吸附剂的反应热相匹配的原则，计算吸附与 解吸过程所需要的时间。在同样采用轴向换热的条件下，温度同样加热到8CTC 时，固化复合吸附剂需要的时间为710s，而散装镧镍合金所需要的时间为860s。
因此，相对于散装镧镍合金吸附剂，固化复合吸附剂的加热解吸时间缩短了约 17%。按照吸附量与温度成线性，计算出吸附量，再根据吸附速率为吸附量与吸 附时间比值的关系，通过仿真计算，得到散装镧镍合金的最大吸附氢速率为 0.00573kg/kgs，固化复合吸附剂的最大吸附氢速率为0.0071kg/kgs。因此，相 对于散装镧镍合金吸附剂，固化复合吸附剂吸氢速率提高了 24%。 实施例3
1、 镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的制备
整个固化复合吸附剂的制作过程为首先是制作密度为15kg/m3、质量为8g 的固化膨胀石墨凹形基质块(l)，其形状为圆柱形，且顶面向内部凹陷形成一个圆 柱形内部容器;然后将28g镧镍合金作为镧镍合金夹层(2)均匀铺放在固化膨胀石 墨凹形基质块(l)圆环内部，形成一个复合吸附剂单元(4)。然后依相同的方法再制 备1个复合吸附剂单元，并且从底部开始到顶部依次按照石墨凹形基质块一镧镍 合金夹层的顺序依次将2个复合吸附剂单元罗列起来，最后制备密度为15kg/m3、 质量为8g的固化膨胀石墨顶层基质块(3)，该基质块的形状为圆柱形，将其铺放 在最顶部镧镍合金夹层的上面，最后再压制成固化复合吸附剂。
2、 镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的导热性能检测以及吸附性能的检
(1) 导热性能检测
采用Hot Disk热物性分析仪，利用各向异性热物性测试传感探头，对吸附 剂的热物性进行测试，具体的歩骤为首先制作两块完全相同的固体复合吸附剂 块，厚度均在8 12mm左右，然后将各向异性热物性测试传感探头置于两块固体 复合吸附剂块中间进行检测，并采用Hot disk热物性分析软件对检测数据进行 分析，得到吸附剂的轴向与径向的导热系数。所测试的径向导热系数最高可以达 到16. 7W/(mK),轴向导热系数最高可以达到4. 1W/(mK)，而散装镧镍合金的导热 系数仅为0. 35W/(mK)，因此相对于普通散装的镧镍合金，固化复合吸附剂的径向 导热系数提高了 46倍，而轴向导热系数则提高11倍。
(2) 吸附性能与吸附速率
利用吸附剂的热物性数据，建立吸附剂在加热过程中的能量守恒方程。方程 中采用加热过程中热量的传递过程与吸附剂的反应热相匹配的原则，计算吸附与
解吸过程所需要的时间。在同样采用轴向换热的条件下，温度同样加热到80°C 时，固化复合吸附剂需要的时间为740s，而散装镧镍合金所需要的时间为S60s。 因此，相对于散装镧镍合金吸附剂，固化复合吸附剂的加热解吸时间縮短了约 14%。按照吸附量与温度成线性，计算出吸附量，再根据吸附速率为吸附量与吸 附时间比值的关系，通过仿真计算，得到散装镧镍合金的最大吸附氢速率为 0. 00573kg/kgs，固化复合吸附剂的最大吸附氢速率为0.0068kg/kgs。因此，相 对于散装镧镍合金吸附剂，固化复合吸附剂吸氢速率提高了 18.6%。
权利要求
1、一种镧镍合金-膨胀石墨固体复合吸附剂，其特征在于由若干个叠加起来的复合吸附剂单元(4)和固化膨胀石墨顶层基质块(3)组成，其中复合吸附剂单元(4)由固化膨胀石墨凹形基质块(1)和镧镍合金夹层(2)组成；固化膨胀石墨凹形基质块(1)的组成材料为固化结构的膨胀石墨材料，其形状为圆柱形，且顶面向内部凹陷形成一个圆柱形内部容器；镧镍合金夹层(2)的组成材料为散装的LaNi5合金，均匀铺放在固化膨胀石墨凹形基质块(1)的圆柱形内部容器中；固化膨胀石墨顶层基质块(3)的组成材料为固化结构的膨胀石墨材料，其形状为圆柱形，位于最上层复合吸附剂单元的顶端；每个复合吸附剂单元中的固化膨胀石墨凹形基质块(1)与固化膨胀石墨顶层基质块(3)中含有的膨胀石墨质量均相等；每个复合吸附剂单元中含有的镧镍合金夹层(2)的质量均相等。
2、 根据权利要求1所述的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂，其特征是， 所述镧镍合金夹层(2)的质量在镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的总质量中所占 比例为40%到70%,余量为膨胀石墨。
3、 根据权利要求1所述的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂，其特征是， 所述固化膨胀石墨凹形基质块(l)的密度为5 15kg/m3。
4、 根据权利要求1所述的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂，其特征是， 由2个叠加起来的复合吸附剂单元(4)和固化膨胀石墨顶层基质块(3)组成，其中每个 复合吸附剂单元(4)中的固化膨胀石墨凹形基质块a)与固化膨胀石墨顶层基质块(3)的 密度均为5kg/m3，且质量均为8g;每个复合吸附剂单元中的镧镍合金夹层的质量为 8g。
5、 根据权利要求1所述的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂，其特征是， btl 2个叠加起来的复合吸附剂单元(4)和固化膨胀石墨顶层基质块(3)组成，其中每个 复合吸附剂单元(4)中的固化膨胀石墨凹形基质块(1)与固化膨胀石墨顶层基质块(3)的 密度均为10kg/nf，且质量均为8g;每个复合吸附剂单元中的镧镍合金夹层的质量 为14. 6g。
6、 根据权利要求1所述的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂，其特征是， 山2个叠加起來的复合吸附剂单元(4)和固化膨胀石墨顶层基质块(3)组成，其中每个 复合吸附剂单元(4)中的固化膨胀石墨凹形基质块(1)与固化膨胀石墨顶层基质块(3)的 密度均为15kg/m3，且质量均为8g;每个复合吸附剂单元中的镧镍合金夹层的质量 为28g。
7、 一种根据权利要求1所述的镧镍合金一膨胀石墨固体复合吸附剂的制备方 法，其特征在于，包括如下步骤首先制作密度为5 15kg/m3的固化膨胀石墨凹形 基质块(l)，然后将镧镍合金铺放在固化膨胀石墨凹形基质块圆环内部，形成镧镍合 金夹层(2);从底部开始到顶部依次按照石墨凹形基质块一镧镍合金夹层的顺序罗列， 最后同样制作密度为5 15kg/m3的固化膨胀石墨顶层基质块(3)，将其铺放在最顶部 镧镍合金夹层的上面，压制成固化复合吸附剂。
全文摘要
一种镧镍合金-膨胀石墨复合吸附剂，该吸附剂由叠加的复合吸附剂单元和固化膨胀石墨顶层基质块组成，其中复合吸附剂单元由固化膨胀石墨凹形基质块和镧镍合金夹层组成；固化膨胀石墨凹形基质块的形状为圆柱形，且顶面向内部凹陷形成一个圆柱形内部容器；镧镍合金夹层铺放在圆柱形内部容器中；固化膨胀石墨顶层基质块位于最上层复合吸附剂单元的顶端。本发明中的固化复合吸附剂具有较高的径向导热系数、轴向导热系数和吸氢速率以及较短的加热解吸时间，同时解决了镧镍合金与膨胀石墨的密度差别较大而引起的固化吸附剂难以混合制作的问题。
文档编号B01J20/02GK101337175SQ20081004145
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月7日 优先权日2008年8月7日
发明者超 冯, 曹文学, 王丽伟, 王如竹 申请人:上海交通大学