一种金属/有机物复合中低温相变储能材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能材料技术领域，涉及复合相变储能材料，特别是金属/有机物复 合中低温相变储能材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 相变材料相变过程中，释放/吸收潜热，可用作热能储存，解决能量供求的时间及 空间上不足，与显热储能相比，相变储能具有能量密度高，过程稳定，温度恒定等特点。在太 阳能利用、建筑节能、预热及废热回收、航空航天及特种服饰等领域具有广泛应用的前景。 目前应用最广泛的有机相变储能材料是石蜡和无机相变储能材料为熔融盐，石蜡主要 用于50°C -100°c左右的低温储热领域，熔融盐主要用于100°C -400°c左右的中温储热。虽 然石蜡和熔融盐等相变储能材料具有储热密度高、储热能力强、热稳定性高、价格低廉等优 点，但石蜡极低的导热系数阻碍了热能存储及释放的速率，成为推广应用的最大阻碍，熔融 盐在高温条件下的腐蚀性成为应用过程中的较大难题。
[0003] 国内外学者致力于增强有机相变材料导热性能的研宄。采取的主要方法有： (1) 在相变材料中添加具有较高导热系数材料，例如铜粉、铝粉、碳粉和纳米碳管等以 强化传热功能。Khan等研宄了在相变材料中加入铝、铁、铜、铝硅合金和铅基复合物时相 变材料在固化过程中的传热特性，指出固液界面的移动速率很大程度上取决于加入物的 导热系数与相变材料恪化后的导热系数的比值[Numerical Heat Transfer, 1994，V25: 209-221]。Eman-Bellah等研宄了以石蜡为相变材料的太阳能贮热系统，在其中添加铝粉 末来提高导热系数。研宄结果表明，加入铝粉末后，系统的贮热与放热时间都有所缩短，系 统性能得到了提升[Solar Energy, 2007，V81: 839-845]; (2) 将储能材料与纯导热材料进行复合制备相变材料，复合材料中导热材料只强化 传热，加快储/释能过程。常用的导热材料有多孔石墨和金属、膨胀石墨、泡沫金属等导 热支撑材料，将储能材料熔融浸入或真空注入到支撑材料内部，制备成复合相变储能材 料。Xavier等以石墨为支撑材料，将石蜡吸附在具有多孔结构的石墨基体中，构成石墨 基体/石蜡复合相变材料，导热系数从纯石蜡的〇. 24WAm · K)提高到了 4-70WAm · K) [International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001, V44:2727-2737]〇 Sari 等制备了石蜡/石墨定形复合相变材料，研宄表明复合相变材料的潜热与纯石蜡相当 [Applied Thermal Engineering. 2007, V27: 1271-1277]。
[0004] 以上两种方法均可较大程度提高储能材料的导热性能，但也存在一些不足： (1) 添加或复合的导热材料仅有导热功能，占据一定储能材料比例减少储能密度，储能 容量会随着导热材料添加或复合的增加而减少，导致储能系数的储热容量与导热性能相互 制约，不可兼得； (2) 采用添加金属粉末或纳米导热材料，储能材料与导热材料密度不一，使用过程中必 须添加分散剂使得导热材料充分分散，但随着储能-释能过程循环，分散剂功能会逐步失 效，产生储能材料与导热材料因密度不一而分层，导热性能逐步减弱，添加的分散剂也降低 了储能密度，减少储能材料相变潜热，相比纯相变材料减少约10%-30%左右； (3)采用导热材料与储能材料复合时，通常将相变材料熔融后，采用浸入或真空注入的 方式与起导热功能的支持材料复合，受限于导热支撑材料孔隙率与储能材料的运动粘度， 储能材料对导热材料无法实现100%注入，进一步降低了储能密度，减少储能材料的相变潜 热相比纯相变材料减少约5%-15%左右。
【发明内容】
[0005] 为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种金属/有机物复合中低温相变储 能材料及其制备方法，要解决的技术问题是既提高有机储能材料导热性能又减少复合材料 储能容量降低，实现有机储能材料导热性能增强、储热容量提升的目的。
[0006] 为解决上诉技术问题，本发明的技术方案为：探索储能一导热工质对，使得储能系 统的导热性与储能性能完美匹配，实现储热容量与导热性能兼得，导热-储能工质对必须 具有以下特点： 1. 导热材料在储能过程中既为导热材料，又会发生相变参与储能过程； 2. 导热材料与储能材料应具有相同的相变温度，可实现储能过程相变同步，储能均 匀； 3. 导热材料与储能材料同时还需具有相同的固液密度，可实现任何储能/释能固-液 转变过程材料均匀互混。
[0007] 经过查阅资料，发现金属钾和金属钠导热性能良好，且密度和熔点均较低。其中金 属钾与石蜡具有近似的固液密度、相变温度和相变潜热，适合低温相变储能（50 °C -100 °C ); 金属钠与费托蜡也具有近似的固液密度、相变温度和相变潜热，适合中温相变储能 (IOO0C -2000O〇
[0008] 所述相变储能材料为金属/有机物复合固液相变储能材料。
[0009] 所述固液相变储能材料为钾/石蜡复合低温相变储能材料和钠/费托蜡复合中温 相变储能材料。金属-有机物储能工质对的物性参数如下表所示。
【主权项】
1. 金属/有机物复合中低温相变储能材料及其制备方法，其特征在于将高导热性能低 熔点的金属与低导热性能高相变潜热的无机储能材料复合，金属在储能过程中不仅只起导 热作用，同时还发生相变用于储能，在提高导热性能基础上，同等程度上扩大储热密度，提 升储热容量。
2. 根据权利要求1所述的金属/有机物复合中低温相变储能材料及其制备方法，其特 征在于所采用的金属必须特选，需与有机储能材料具有近似的密度和相变温度；选择金属 钾与石蜡作为低温相变储能材料复合工质对，金属钠与费托蜡作为中温相变储能材料复合 工质对。
3. 根据权利要求1和2所述的金属钾/石蜡复合低温相变储能材料制备方法为： (1) 在惰性氮气氛围的真空手套箱内分别切割0. 05g、0. 1、0. 15、0. 2和0. 25g金属钾 粒，编号分别为1-5 ; (2) 在惰性氮气氛围的真空手套箱内称取4. 75g、4. 8g、4. 85g、4. 9g和4. 95g石蜡，将 不同份量的石蜡放进编号分别为1-5的试管内，在手套箱内对试管加热到并维持在100°C， 确保试管内的石蜡完全融化成液态； (3) 在手套箱内，将步骤（1)制取的1号金属钾粒放入5号试管内，2号金属钾粒放入 4号试管内，3号金属钾粒放入3号试管内，4号金属钾粒放入2号试管内，5号金属钾粒放 入1号试管内，确保所有试管内金属钾粒与石蜡的总质量均为5g，金属钾与石蜡质量比为 1:99、2:98、3:97、4:96 和 5:95 ; (4) 在手套箱内，超声仪器温度升高并保持在KKTC时，将试管放入超声仪器内，设置 超声频率为100kHz，在试管内放入电动搅拌器，采用加热、超声和搅拌的方式分散金属钾； (5) 在手套箱内，将混合均匀的液态钾/石蜡复合材料倒入模具，冷却压制成形。
4. 根据权利要求1和2所述的金属钠/费托蜡复合中温相变储能材料制备方法为： (1) 在惰性氮气氛围的真空手套箱内分别切割0. 05g、0. 1、0. 15、0. 2和0. 25g金属钠 粒，编号分别为6-10; (2) 在惰性氮气氛围的真空手套箱内称取4. 75g、4. 8g、4. 85g、4. 9g和4. 95g费托蜡， 将不同份量的费托蜡放进编号分别为6-10的试管内，在手套箱内将对试管加热到并维持 在200 °C，确保试管内的费托蜡完全融化成液态； (3) 在手套箱内，将步骤（1)制取的6号金属钠粒放入10号试管内，7号金属钾粒放入 9号试管内，8号金属钠粒放入8号试管内，9号金属钠粒放入7号试管内，10号金属钠粒放 入6号试管内，确保所有试管内金属钠粒与费托蜡的总质量均为5g，金属钠与费托蜡质量 比为 1:99、2:98、3:97、4:96 和 5:95 ; (4) 在手套箱内，超声仪器温度升高并保持在200°C时，将试管放入超声仪器内，设置 超声频率为100kHz，在试管内放入电动搅拌器，采用加热、超声和搅拌的方式分散金属钠； (5) 在手套箱内，将混合均匀的液态钠/费托蜡复合材料倒入模具，冷却压制成形。
5. 根据权利要求1、2、3和4所述制备的金属钾/石蜡复合低温相变储能材料适用于 50°C -100°C的低温领域的热能存储，制备的金属钠/费托蜡复合中温相变储能材料适用于 100 °C -200 °C的中温领域的热能存储。
【专利摘要】本发明公开了一种金属/有机物复合中低温相变储能材料及其制备方法。该方法是将金属钾与石蜡和金属钠与费托蜡在真空惰性气体保护氛围的手套箱内采用加热超声搅拌的方法均匀复合，然后冷却压制成型。金属钾和钠具有高导热性、低熔点、潜热大和密度小等特点，将钾和钠分别与石蜡和费托蜡进行复合，不仅可提高无机储能材料的导热性能，与掺杂其他导热材料相比，还可增加储能材料的储热容量，扩大储热密度。制备的金属钾/石蜡复合低温相变储能材料适用于50℃-100℃低温领域的热能存储，金属钠/费托蜡复合中温相变储能材料适用于100℃-200℃中温领域的热能存储。
【IPC分类】C09K5-06
【公开号】CN104531080
【申请号】CN201510007364
【发明人】李明, 徐永锋, 罗熙, 余琼粉, 王云峰
【申请人】云南师范大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月8日