[发明专利]一种中高温复合结构储热材料、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及用化学化工方法生产储热材料的技术领域和能源材料科学与技术领域，具体地，本发明涉及一种无机盐相变潜热储热材料、显热储热材料、导热强化材料的复合结构储热材料以及复合结构储热材料的制备方法和应用领域。

背景技术

工业余热的分散性和大能级跨度，以及可再生能源的间歇性等需要储热技术。中高温储热技术是指在120～1000℃或者更高温度范围用储热材料将中高温余热或低品位热量储存起来，在需要的时候释放，力图解决由于时间、空间或强度上热能供给和需求间不匹配与不均匀性所带来的问题，以提高整个系统的热效率而发展起来的一种技术。发展中高温储热技术不仅可以提高可再生能源的利用率而且能够有效避免能源浪费，对于太阳能热发电、空间太阳能热动力系统、建筑节能和工业余热回收等应用领域都具有重要意义。

储热技术的核心是高性能储热材料及与之相关的储热换热系统，其中高性能储热材料是目前研究的重点。储热材料按照储热方式不同可以分为显热储热材料、热化学储热材料、潜热储热材料（Phase Change Material，PCM）。显热储热材料是利用物质本身的温度变化来进行热量的存储与释放，储热密度低，设备体积庞大，限制了其在中高温储热领域的发展；热化学储热材料是利用物质的可逆吸放热化学反应进行热量的存储与释放，储热密度大，理论上能够满足中高温储热领域的要求，但是由于目前热化学储热技术只是基于理论分析和前期实验研究，真正实现中高温储热领域的应用仍有很多问题；潜热储热材料是利用材料自身相变来进行热量的存储与释放，储热密度高，装置结构紧凑，且吸/放热过程可近似等温，易运行控制和管理，利用相变材料进行储热是一种高效的储热方式。国内外学者对相变储热材料的研究较多，低温领域主要包括无机水合盐、有机物（石蜡、脂肪酸类）等，中高温相变储热材料主要包括熔盐、金属与合金等体系。尽管中高温储热材料的研究已经取得了很多丰硕成果，但是实现其规模应用仍面临诸多困难：

1）熔盐相变材料储热密度大，温域可调，但是导热性不佳，使得储热材料的储/释热速率受到限制，熔盐液相腐蚀性较强，对储热设备要求高。

2）金属及合金相变材料导热性能好，储热密度大（单位体积），但是成本高，高温时的氧化与腐蚀性较强，对设备要求苛刻。

开发复合结构储热材料有望解决中高温相变储热材料的应用瓶颈。目前已经有专利针对中高温相变材料应用中出现的问题提出了一些解决方案。专利CN1328107A中采用陶瓷基与无机盐相变潜热材料直接混合高温烧结制备复合储热材料，依靠陶瓷基体烧结的多孔或者网状结构所产生的毛细管力维持复合体的定型材料。虽然这种共混复合制备工艺简单，操作方便，适合规模应用，但是难以平衡基体结构与相变材料物性之间的关系，基体多孔或者网状结构的烧结温度与相变材料的熔点相差较大，容易出现高温烧结时相变材料损失严重等现象，此外复合材料的导热性能差。专利CN1803965A，CN1357591A，CN1390911A中均采用预制体熔融浸渗工艺又称为二级制造法制备复合储热材料，该方法是一种利用预制体多孔或者网状结构与相变材料熔融浸渗制备定型储热材料的一种工艺。尽管该方法很好的避免了共混复合制备工艺中无机熔盐相变材料的高温损失，同时采用泡沫金属作为预制体有效提高了复合体的导热性能，但是浸渗工艺对预制体结构要求苛刻，浸渗率低，储热密度低，操作复杂，成本较高，不宜规模生产。专利CN101788239A中用SiC为壳体包覆相变材料制备陶瓷蓄热球，有效缓解了无机盐相变潜热材料的外漏和高温液相腐蚀现象，但是壳体的制备及封装工艺复杂，常需手工操作，壳体内预留空间增加了热阻，产品性能及规模应用仍需做进一步探讨。专利CN102585775A公开一种高温复合相变储热材料，包括无机盐、陶瓷基质和高导热率材料，其中，无机盐与陶瓷基质体积比为1:5～25:1，高导热率材料为0.0001～1g/(g无机盐-陶瓷基质体系)。该高温复合相变储热材料导热率高，大幅度提高储热材料储/释热速率，但是其中高温范围内储热密度不能满足需要。

因此，针对中高温储热应用领域中储热材料的储热密度不高、导热性能差、高温腐蚀等问题，开发一种高性能的中高温复合结构储热材料及其制备方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种中高温复合结构储热材料。所述中高温复合结构储热材料包括无机盐相变潜热材料、显热储热材料和导热强化材料，其中，无机盐相变潜热材料与显热储热材料的质量比为1:0.1～1:10，导热强化材料为0.0001～1kg/(kg储热材料)。