一种热化学-潜热-显热的复合储热大胶囊及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种热化学

【技术实现步骤摘要】
一种热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊及其制备方法


[0001]本专利技术涉及储热技术的应用领域，具体涉及一种热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着环境污染和能源危机的问题日益突出，可再生能源及余热资源的开发利用作为能源领域的两大主题备受关注，但以太阳能和风能为代表的可再生能源以及工业余热资源，具有明显的波动性、间断性以及时间上的供应与需求不匹配等问题，会导致能源利用效率低下。热能储存是解决上述问题的关键，以太阳能光热发电为例，可再生能源直接转换后得到的热能被储存起来，克服昼夜转换及天气变化等不可控因素，平稳的输出能源；同时储热系统能够最大限度地利用设备能力和工业余热，起到调节耗能峰值负载的作用，即在负载低时将多余的热能吸收到储能装置中，在负载高时释放储存的热能，提高热能利用效率。
[0003]目前的储热技术根据储热方式不同分为热化学储热，潜热储热以及显热储热三种。其中热化学储热技术储热密度最高；潜热储热的储热密度适中且相变过程接近恒温；显热储热技术原理简单，材料来源丰富。
[0004]但是潜热储热存在相变过程易泄露，高温状态下部分金属合金的腐蚀性较强，成本较高，封装后易破裂等问题；近年来胶囊化封装技术被用来对金属基相变材料进行封装，用以克服潜热储热相变过程易泄露，腐蚀性强等问题。如以Al
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25wt％Si(平均直径36.3μm，熔点577℃)微球为芯、Al2O3为壳的核壳型微胶囊
[1]，以Al芯为原料制备出具有良好的核壳结构Al@Al2O3复合材料，核芯质量分数为60～68wt％，潜热(289～312J/g)，过冷性能减弱。
[2]，这两种胶囊为微胶囊，其实现了对金属基相变材料的成功包覆，但复合材料的储热密度在封装后相较于纯相变材料储热密度均有所下降，限制了其应用范围。
[0005]而热化学储热技术由于通过可逆的化学反应进行储热，会存在着材料力学性能差，反应不完全，长时循环材料易烧结等问题，进而降低其储热密度，主要包括以下几个方面问题：(1)由于纯热化学储热材料制备的小球一般都较小，直径在2mm左右，当直径增大时，机械性能会有所下降，导致胶囊内存在裂纹；(2)热化学储热材料是通过化学反应进行储放热，在反应时，最外层的化学材料先发生反应导致气体难以进入小球内部发生反应，因此，以纯热化学储热材料制备的小球在储放热时，随着小球直径的增大，扩散控制起到主导作用，会有相当一部分在小球内部的热化学储热材料无法快速参与化学反应，造成反应不充分；(3)纯热化学储热材料制备的小球多次循环后，其储热性能会随着材料的烧结而显著下降，最后维持在一个较低的定值，这种现象随着小球的直径增大而明显。
[0006]因此开发具有高储热密度的热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊具有广阔的应用前景。
[0007][1]A T N,A N S,A C Z,et al.Microencapsulated phase change materials with high heat capacity and high cyclic durability for high
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temperature thermal energy storage and transportation[J].Applied Energy,2017,188:9
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18.
[0008][2]Li K,Gu Z,Zhu X,et al.Facile Synthesis of Al@Al2O
3 Microcapsule for High
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Temperature Thermal Energy Storage[J].ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2018,6(10).

技术实现思路

[0009]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊及其制备方法，其制备出由热化学储热壳层和无机陶瓷显热储热壳层包覆的金属相变材料核芯大胶囊，在解决了金属相变材料的泄露及腐蚀问题基础上，具有长时循环稳定性和高储热密度，增强了复合材料的机械性能、避免了胶囊的破裂，本专利技术是全新的复合多种形式的储热材料，将能极大地促进其在高温储能领域尤其是在具有热化学储热系统的光热电站中应用。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]基于上述问题，开发具有高储热密度的复合储热材料，将能极大地促进其在高温储热领域的应用。本专利技术制备出由热化学储热壳层和无机陶瓷显热储热壳层包覆的金属相变材料核芯大胶囊，用以解决金属相变材料核芯的泄露及腐蚀问题，随着胶囊直径的增大，核壳质量比不断增加，相较于微胶囊，本专利技术的大胶囊具有更大的核壳质量比，进而会有更高的储热密度；其中，采用牺牲层空腔法可为金属相变材料核芯提供相变所需的体积变化空间。
[0012]同时针对
技术介绍
中纯热化学储热材料小球存在的问题，本专利技术以无机陶瓷显热储热壳层包覆的金属球为基体，通过采用热化学储热材料作为最外一层的壳层，具有一定扩散厚度可以发生热化学反应，内部不能快速反应的热化学储热材料替换成金属相变储热材料。一方面以无机陶瓷材料作为壳层具有抗腐蚀性，导热系数好等优点，保持金属相变材料循环稳定性。以无机陶瓷显热储热壳层包覆的金属球为基体，在最外面复合热化学储热壳层，相较于纯热化学储热材料制备的小球，增强了复合材料的机械性能；另一方面保留了一定反应厚度的热化学储热壳层，由于热化学储热材料在储
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放热过程中，气体只能在一定扩散厚度范围内快速与热化学储热材料进行反应，因此本专利技术厚度设置在反应气体可以扩散的厚度内，通过增大内部直径，进而增大热化学储热材料的载量和反应接触面积，即在相同厚度的扩散路径内，可以负载更多的热化学储热材料，进而提高整体的储热密度，相较于无热化学储热壳层仅用无机陶瓷显热储热壳层包覆的胶囊或相同直径下的纯热化学储热材料小球这两种技术，本专利技术的复合储热大胶囊具有更高的储热密度。
[0013]本专利技术的第一个目的是提供一种热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊，所述胶囊包括金属相变材料核芯、有机牺牲层空腔、无机陶瓷显热储热壳层和热化学储热壳层，其中，金属相变材料核芯的直径在1～40mm，有机牺牲层空腔厚度为0.25～5mm，无机陶瓷显热储热壳层厚度为0.1～10mm，热化学储热壳层厚度为1～40mm。
[0014]本专利技术的第二个目的是提供一种热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊的制备方法，包括以下步骤：
[0015]S1：选取金属相变材料作为金属核芯；
[0016]S2：将步骤S1中选取的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊，其特征在于，所述胶囊包括金属相变材料核芯、有机牺牲层空腔、无机陶瓷显热储热壳层和热化学储热壳层，其中，金属核芯的直径在1～40mm，有机牺牲层空腔厚度为0.25～5mm，无机陶瓷显热储热壳层厚度为0.1～10mm，热化学储热壳层厚度为1～40mm。2.如权利要求1所述的一种热化学
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潜热
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显热的复合储热大胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：选取金属球相变材料作为金属核芯；S2：选取相变温度在30～100℃的有机固
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液相变材料作为有机牺牲层，其在相变温度点以上熔化成液态，将步骤S1中的金属球浸入液态有机相变材料中，随即取出，在室温下金属球表面的有机相变材料凝固成固态，重复此步骤，将金属核芯外部均匀包覆一层厚度为0.25～5mm的有机牺牲层；S3：称取无机陶瓷材料85～98wt％与有机粘结剂2～15wt％。将无机陶瓷材料分散到溶于相应溶剂的有机粘结剂中得到无机陶瓷壳层包覆原料，将其包覆在步骤S2得到的大胶囊胚体外部，得到0.1～10mm厚度的无机陶瓷显热储热壳层，干燥后得到中间层为有机牺牲层材料、以无机陶瓷壳层为外壳的金属相变大胶囊胚体；S4：称取热化学储热材料70～98wt％、无机惰性材料0～15wt％和有机粘结剂2～15wt％。首先将热化学储热材料与无机惰性材料混合均匀，之后将其分散到溶于相应溶剂的有机粘结剂中，搅拌混合均匀后得到热化学储热壳层材料的浆料，将其包覆在步骤S3得到的大胶囊胚体外部，得到厚度为1～40mm的热化学储热壳层，干燥后得到将金属球依次包覆有机牺牲层、无机陶瓷壳层和热化学储热壳层的大胶囊胚体；S5：将步骤S4得到的大胶囊胚体在空气气氛下或氧气气氛中进行预烧，预烧温度为300～500℃，预烧时间为1～4h，去除有机牺牲层，在金属核芯和无机陶瓷壳层之间形成有机牺牲层空腔；S6：将步骤S5预烧后的大胶囊在惰性气氛下进行高温煅烧，煅烧温度为600～1400℃，煅烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱春宇，赵博，惠龙艳，盛楠，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：