一种金属氢化物储热介质及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于金属氢化物储热介质及其制备方法。所述储热介质经优化后，以质量百分比计，包括下述组分：镁50‑90％；M1 0‑40％，所述M1选自铁、镍、钴元素中的至少一种；M2 1‑5％；所述M2选自钛、钒、铌元素中的至少一种；碳3‑20％；其储能密度为1000‑3000MJ/m

A metal hydride heat storage medium and its preparation method

The invention relates to a metal hydride heat storage medium and a preparation method thereof. After optimization, the heat storage medium consists of the following components in mass percentage: magnesium 50 90%; M1 0 40%; M1 selected from at least one element of iron, nickel and cobalt; M2 1 5%; M2 selected from at least one element of titanium, vanadium and niobium; carbon 3 20%; and its energy storage density is 1000 3000MJ/m.

【技术实现步骤摘要】
一种金属氢化物储热介质及其制备方法
本专利技术涉及一种金属氢化物储热介质及其制备方法；特别涉及一种以金属氢化物为储热介质及该储热介质的制备方法。
技术介绍
随着世界化石能源的日趋紧缺，以及对全球气候变化的担忧，对新能源开发利用和节能减排技术已成为能源领域最重要的方向。在能源的使用和转化过程中，大量的能量都以热能的形态被消耗和损失。因此，将热能以合适的手段加以存储、转化和利用，能够产生巨大的效益。近年，蓄热式加热技术受到了广泛关注，已在工业生产中广泛应用，对节能减排起着重要的作用。例如，钢铁生产企业中，高温烟气余热可被陶瓷蓄热材料回收，蓄热后用作预热空气，可大幅降低能源消耗。在工业、民用等许多领域，存在间歇式热能(余热)存储的需要。现有的蓄热技术主要为显热蓄热和相变蓄热。显热是利用介质的温度升高来储存能量，如利用水、砂石等作为储热介质。相变蓄热是利用材料相变热，例如固态熔化为液态的溶解热来储存热量。但是这些储热材料均存在储热能量密度低、导热率低的缺点，进而导致相应的蓄热系统效率不高，体积庞大。目前，虽然专门针对储氢应用的氢化物材料已有研发，同时针对蓄热应用的氢化物材料也有一定的理论研究。实际蓄热应用中，在关注储热介质的质量比储热密度的同时，一般认为体积比储热密度更为关键，即提高单位体积所能储存的能量。关于如何保证储热材料块体具有较高的体积比储热密度时，提高其导热系数并确保材料能高效循环使用的研究，还比较少见。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种既有较高的体积比储热密度又有较高导热系数并具有优良循环使用寿命的金属氢化物储热介质及其制备方法，本专利技术一种金属氢化物储热介质，所述储热介质中含有金属氢化物。本专利技术所述的储热介质为镁基储氢合金，是指镁元素或多组元金属合金与氢气化合形成的氢化物。作为优选方案，本专利技术所述的储热介质采用适用于中高温区储热的镁基氢化物，包括但不限于氢化镁(MgH2)、氢化镁镍合金(Mg2NiH4)、氢化镁铁合金(Mg2FeH6)、氢化镁钴合金(Mg2CoH5)中的至少一种。作为进一步的优选方案，所述储热介质中，还添加了催化剂、导热剂中的至少一种。所述催化剂含有钛、钒、铌元素中的至少一种元素；所述导热剂为碳质材料。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质，所述储热介质脱氢以质量百分比计，包括下述组分：镁50‐90％；M10‐40％，所述M1选自铁、镍、钴元素中的至少一种；M21‐5％；所述M2选自钛、钒、铌元素中的至少一种；碳3‐20％。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质，其储能密度为大于500MJ/m3、优选为1000‐3000MJ/m3；热导率大于3W/m·K、优选为3‐10W/m·K，其致密度为50‐70％。在本专利技术中，当碳含量低于3％时，所述储热介质导热率低于3W/m·K，不能满足储热应用需要；当碳含量高于20％时，所述储热介质由于低密度碳材料添加，能量密度显著下降。本专利技术中，所得产品的导热率为氢化镁粉体(0.09‐0.11W/m·K)的27倍以上；为氢化镁小球(1.12W/m·K)的2.4倍以上。本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，包括下述步骤：步骤一在氢气气氛下，于300‐500℃对按设计组分配取的纯镁粉进行氢化处理至少10小时，得到粉末状氢化镁(MgH2)材料，或将按设计组分配取的纯镁粉、M1‐镁合金粉混合均匀后，在氢气气氛下，于300‐500℃对其进行氢化处理至少10小时，得到由氢化镁和M1‐镁合金的氢化物组成的混合物粉末，所述M1选自铁、镍、钴元素中的至少一种；所述氢气气氛的压力大于等于0.1MPa；步骤二将按设计组分配取的M2置于氢气气氛下，于300‐800℃对其进行氢化处理至少5小时，得到催化物；所述催化物中，氢的质量百分含量大于0.6％；所述M2选自钛、钒、铌元素中的至少一种；步骤三将步骤一所得产物、步骤二所得产物以及导热剂混合均匀后；压制成型，得到致密度为50‐70％的成品；所述导热剂为碳质材料。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤一中，所述纯镁粉的粒径大于100微米，纯度大于99％。所述纯镁粉可为市售的镁金属粉末。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤一中，所述氢气气氛的压力为1‐100bar。所述氢气气氛中，氢气的体积百分数大于等于99.99％(即纯度大于等于99.99％)。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤一中，M1‐镁合金粉的粒径小于1cm。优选为1mm‐1cm。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤一中，M1‐镁合金粉中，M1元素和Mg的摩尔比为1:2。在本专利技术所设计的方案中，经步骤一处理后，所得产品的转移和存储必须在高纯氩气保护气氛中进行。所述高纯氩气保护气氛为其中的水含量<1ppm，氧含量<1ppm。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤一中，M1-镁合金粉通过下述方案制备：使用市售的金属镁、铁、镍、钴作为原料，所述金属原料的纯度大于99.5％。将金属镁与金属铁、镍、钴按摩尔配比2：1，采用电弧熔炼或感应熔炼的方法制得镁镍合金(Mg2Ni)、镁铁合金(Mg2Fe)、镁钴合金(Mg2Co)锭，然后熔炼、制粉，得到所述M1-镁合金粉。为了节约成本，熔炼得到合金块后，采用机械破碎，得到设定粒径的产物。所得产物易氧化失效，因此后续转移和存储必须在高纯氩气保护气氛中进行。所述高纯氩气保护气氛中的水含量<1ppm，氧含量<1ppm。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤二中，所述氢气气氛的压力为1-10MPa。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤二中所得催化物中，氢的质量百分含量大于0.6％、且M2的质量百分含量大于60％。催化物在加入前能够吸收一定含量(>0.6％)的氢，以保证其在高能球磨是能够充分粉碎成为纳米颗粒，并均匀结合于镁基氢化物中。作为优选方案，本专利技术一种金属氢化物储热介质的制备方法，步骤三中，导热剂的制备方法为：采用石墨材料为原料，在300‐500℃温度下，于高纯氢气气氛或高真空(真空度<1×10‐2Pa)环境下，保温6‐24小时，去除其吸附的杂质；得到所述导热剂；所述石墨材料选自石墨粉、膨胀石墨、石墨烯中的至少一种。所述石墨材料中，C的质量百分含量大于等于99％(即纯度大于等于99％)。虽然石墨材料具有良好的导热性能，但由于石墨材料易于吸附杂质气体(如水、氧等)，产生对镁基氢化物的有害效果，需要加以去除。一旦处理不当，会大大缩短成品的性能和寿命。为了进一步提升所得产品的性能，首先将步骤一、步骤二所的产物加入球磨设备中，在经过高能球磨成为粒径小于500nm的纳米粉末。氢化物材料在高能球磨时使用1‐10MPa的高纯氢气作为球磨气氛，以保证球磨效果，所述高纯氢气纯度大于99.99％。球磨后得到纳米级别的、催化剂均匀结合的催化剂‐镁基氢化物复合粉末；然后再将所得催化剂‐镁基氢化物复合粉末与导热剂混合均匀；压制成型，得到致密度为50‐70％的成品。本专利技术中，步骤一中镁基氢化物和步骤二中的催化剂分别进行氢化的目的是使二者充分吸收氢气，形成易于破碎本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属氢化物储热介质，其特征在于：所述镁基储氢合金包括氢化镁、氢化镁镍合金、氢化镁铁合金、氢化镁钴合金中的至少一种；所述储热介质脱氢以质量百分比计，包括下述组分：镁50‑90％；M1 0‑40％，所述M1选自铁、镍、钴元素中的至少一种；M2 1‑5％；所述M2选自钛、钒、铌元素中的至少一种；碳3‑20％；所述储热介质的其致密度为50‑70％，所述储热介质储能密度为1000‑3000MJ/m

【技术特征摘要】
1.一种金属氢化物储热介质，其特征在于：所述镁基储氢合金包括氢化镁、氢化镁镍合金、氢化镁铁合金、氢化镁钴合金中的至少一种；所述储热介质脱氢以质量百分比计，包括下述组分：镁50-90％；M10-40％，所述M1选自铁、镍、钴元素中的至少一种；M21-5％；所述M2选自钛、钒、铌元素中的至少一种；碳3-20％；所述储热介质的其致密度为50-70％，所述储热介质储能密度为1000-3000MJ/m3、热导率为3-10W/m·K。2.一种制备权利要求1所述一种金属氢化物储热介质的方法，其特征在于；包括下述步骤：步骤一在氢气气氛下，于300-500℃对那设计组分配取的纯镁粉进行氢化处理至少10小时，得到粉末状氢化镁材料，或将按设计组分配取的纯镁粉、M1-镁合金粉混合均匀后，在氢气气氛下，于300-500℃对其进行氢化处理至少10小时，得到由氢化镁和M1-镁合金的氢化物组成的混合物粉末，所述M1选自铁、镍、钴元素中的至少一种；所述氢气气氛的压力大于等于0.1MPa；步骤二将按设计组分配取的M2置于氢气气氛下，于300-800℃对其进行氢化处理至少5小时，得到催化物；所述催化物中，氢的质量百分含量大于0.6％；所述M2选自钛、钒、铌元素中的至少一种；步骤三将步骤一所得产物、步骤二所得产物以及导热剂混合均匀后；压制成型，得到致密度为50-70％的成品；所述导热剂为碳质材料。3.根据权利要求2所述的一种金属氢化物储热介质的制备方法，其特征在于:步骤一中，所述纯镁粉的粒径大于100微...

【专利技术属性】
技术研发人员：周承商，刘咏，刘彬，吴宏，谭彦妮，张伟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43