專利名稱：鑭鎳合金-膨脹石墨固體復合吸附劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種復合材料技術(shù)領(lǐng)域的吸附劑及其制備方法，具體涉及一 種鑭鎳合金—膨脹石墨固體復合吸附劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
作為一種以氫化物形態(tài)來儲存氫氣的重要手段，鑭鎳合金由于在儲氫過程中 具有壓力低、吸放氫速度快以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點，成為吸附儲氫領(lǐng)域比較重要的 一種儲氫合金。但是鑭鎳合金也具有在吸放氫過程中易于粉化的缺點，這種粉化 過程會引起傳熱性能的大幅度降低，從而導致其吸放氫速度出現(xiàn)較大的衰減。為 了解決這種問題， 一些研究人員提出了固化復合吸附劑。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Ana Rodrguez Sanchez在International Journal of Hydrogen Energy (2003， 28: 515 - 527)上發(fā)表的"Expanded graphite as heat transfer matrix in metal hydride beds"(膨月長石墨作為 金屬氫化物吸附床中的傳熱強化基質(zhì)的研究，《國際氫源雜志》，2003， 28: 515-527)對金屬氫化物吸附床中的膨脹石墨基質(zhì)進行了研究。但是采用石墨作 為金屬氫化物的基質(zhì)，由于金屬氫化物的密度相對于石墨過大，導致其混合過程 中金屬氫化物易于沉積在石墨的底層，因此其混合極為困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鑭鎳合金一膨脹石墨固體 復合吸附劑及其制備方法，使其解決鑭鎳合金與膨脹石墨混合時，鑭鎳合金易于 沉積于石墨底層，從而難于形成復合吸附劑的問題。本發(fā)明的復合吸附材料具有 較高的導熱系數(shù)和吸附速率以及較短的吸附和解吸時間。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑，由若干個疊加起來的
復合吸附劑單元和固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊組成，其中復合吸附劑單元由固化
膨脹石墨凹形基質(zhì)塊U〉和鑭鎳合金夾層組成；固化膨脹石墨凹形基質(zhì)^:的組成材 料為固化結(jié)構(gòu)的膨脹石墨材料，其形狀為圓柱形，且頂面向內(nèi)部凹陷形成一個圓 柱形內(nèi)部容器；鑭鎳合金夾層的組成材料為散裝的LaN:U合金，均勻鋪放在固化 膨脹石墨凹形基質(zhì)塊的圓柱形內(nèi)部容器中；固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊的組成材料 為固化結(jié)構(gòu)的膨脹石墨材料，其形狀為圓柱形，位于最上層復合吸附劑單元的頂 端;每個復合吸附劑單元中的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊與固化膨脹石墨頂層基質(zhì) 塊中含有的膨脹石墨質(zhì)量均相等;每個復合吸附劑單元中含有的鑭鎳合金夾層的 質(zhì)量均相等。
所述鑭鎳合金夾層的質(zhì)量在鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的總質(zhì)量 中所占比例為40%到70%，余量為膨脹石墨。
所述固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊的密度為5 15kg/m3。
本發(fā)明所涉及的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的制備方法，包括如下 步驟首先制作密度為5 15kg/m3的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊，然后將鑭鎳合 金鋪放在固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊圓環(huán)內(nèi)部，形成鑭鎳合金夾層；從底部開始到 頂部依次按照石墨凹形基質(zhì)塊一鑭鎳合金夾層的順序羅列，最后同樣制作密度為 5 15kg/m3的固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊，將其鋪放在最頂部鑭鎳合金夾層的上 面，壓制成固化復合吸附劑。
本發(fā)明固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊以及固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊相對于鑭鎳 合金夾層形成了一個傳熱傳質(zhì)強化的夾層，并在鑭鎳合金夾層吸附膨脹過程中有 效的限制了體積的增長。相對于普通散裝的鑭鎳合金，本發(fā)明中的固化復合吸附 劑的徑向?qū)嵯禂?shù)提高了 51倍；軸向?qū)嵯禂?shù)提高了 13倍；加熱解吸時間縮短 了約17%;吸氫速率提高了24%。


圖1鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑結(jié)構(gòu)示意圖； 其中1為固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊，2為鑭鎳合金夾層，3為固化膨脹石 墨頂層基質(zhì)塊，4為復合吸附劑單元。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護
范圍不限于下述的實施例。 實施例1
1、 鑭鎳合金-膨脹石墨固體復合吸附劑的制備
整個固化復合吸附劑的制作過程為首先是制作密度為5kg/m3、質(zhì)量為8g 的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(l)，其形狀為圓柱形，且頂面向內(nèi)部凹陷形成一個圓 柱形內(nèi)部容器；然后將8g鑭鎳合金作為鑭鎳合金夾層(2)均勻鋪放在固化膨脹石 墨凹形基質(zhì)塊(l)圓環(huán)內(nèi)部，形成一個復合吸附劑單元(4)。然后依相同的方法再制 備1個復合吸附劑單元，并且從底部開始到頂部依次按照石墨凹形基質(zhì)塊一鑭鎳 合金夾層的順序依次將2個復合吸附劑單元羅列起來，最后制備密度為5kg/m3、 質(zhì)量為8g的固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)，該基質(zhì)塊的形狀為圓柱形，將其鋪放 在最頂部鑭鎳合金夾層的上面，最后再壓制成固化復合吸附劑。
2、 鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的導熱性能檢測以及吸附性能的檢
a)導熱性能檢測
采用Hot Disk熱物性分析儀，利用各向異性熱物性測試傳感探頭，對吸附 劑的熱物性進行測試，具體的步驟為首先制作兩塊完全相同的固體復合吸附劑 塊，厚度均在8 12mm左右，然后將各向異性熱物性測試傳感探頭置于兩塊固體 復合吸附劑塊中間進行檢測，并采用Hot disk熱物性分析軟件對檢測數(shù)據(jù)迸行 分析，得到吸附劑的軸向與徑向的導熱系數(shù)。所測試的徑向?qū)嵯禂?shù)最高可以達 到15. 9W/(mK)，軸向?qū)嵯禂?shù)最高可以達到3. 3W/(mK)，而散裝鑭鎳合金的導熱 系數(shù)僅為0. 35W/(mK)，因此相對于普通散裝的鑭鎳合金，固化復合吸附劑的徑向 導熱系數(shù)提高了 45倍，而軸向?qū)嵯禂?shù)則提高9. 4倍。
(2)吸附性能與吸附速率
利用吸附劑的熱物性數(shù)據(jù)，建立吸附劑在加熱過程中的能量守恒方程。方程 中采用加熱過程中熱量的傳遞過程與吸附劑的反應熱相匹配的原則，計算吸附與 解吸過程所需要的時間。在同樣采用軸向換熱的條件下，溫度同樣加熱到80°C 時，固化復合吸附劑需要的時間為760s，而散裝鑭鎳合金所需要的時間為860s。 因此，相對于散裝鑭鎳合金吸附劑，固化復合吸附劑的加熱解吸時間縮短了約 11%。按照吸附量與溫度成線性，計算出吸附量，再根據(jù)吸附速率為吸附量與吸 附時間比值的關(guān)系，通過仿真計算，得到散裝鑭鎳合金的最大吸附氫速率為 0. 00573kg/kgs,固化復合吸附劑的最大吸附氫速率為0.0065kg/kgs。因此，相 對于散裝鑭鎳合金吸附劑，固化復合吸附劑吸氫速率提高了 13%。 實施例2
1、 鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的制備
整個固化復合吸附劑的制作過程為首先是制作密度為10kg/fl!3、質(zhì)量為8g
的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(l)，其形狀為圓柱形，且頂面向內(nèi)部凹陷形成一個圓
柱形內(nèi)部容器;然后將14. 6g鑭鎳合金作為鑭鎳合金夾層(2)均勻鋪放在固化膨脹 石墨凹形基質(zhì)塊(l)圓環(huán)內(nèi)部，形成一個復合吸附劑單元(4)，然后依相同的方法再 制備1個復合吸附劑單元，并且從底部開始到頂部依次按照石墨凹形基質(zhì)塊一鑭 鎳合金夾層的順序依次將2個復合吸附劑單元羅列起來，最后制備密度為 10kg/m3、質(zhì)量為8g的固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)，該基質(zhì)塊的形狀為圓柱形， 將其鋪放在最頂部鑭鎳合金夾層的上面，最后再壓制成固化復合吸附劑。
2、 鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的導熱性能檢測以及吸附性能的檢
(1) 導熱性能檢測
采用Hot Disk熱物性分析儀，利用各向異性熱物性測試傳感探頭，對吸附 劑的熱物性進行測試，具體的歩驟為首先制作兩塊完全相同的固體復合吸附劑 塊，厚度均在8 12mm左右，然后將各向異性熱物性測試傳感探頭置于兩塊固體 復合吸附劑塊中間進行檢測，并采用Hot disk熱物性分析軟件對檢測數(shù)據(jù)進行 分析，得到吸附劑的軸向與徑向的導熱系數(shù)。所測試的徑向?qū)嵯禂?shù)最高可以達 到18. 4W/(mK),軸向?qū)嵯禂?shù)最高可以達到5. 1W/(mK)，而散裝鑭鎳合金的導熱 系數(shù)僅為0. 35W/(mK)，因此相對于普通散裝的鑭鎳合金，固化復合吸附劑的徑向 導熱系數(shù)提高了 51倍，而軸向?qū)嵯禂?shù)則提高13倍。
(2) 吸附性能與吸附速率
利用吸附劑的熱物性數(shù)據(jù)，建立吸附劑在加熱過程中的能量守恒方程。方程 中采用加熱過程中熱量的傳遞過程與吸附劑的反應熱相匹配的原則，計算吸附與 解吸過程所需要的時間。在同樣采用軸向換熱的條件下，溫度同樣加熱到8CTC 時，固化復合吸附劑需要的時間為710s，而散裝鑭鎳合金所需要的時間為860s。
因此，相對于散裝鑭鎳合金吸附劑，固化復合吸附劑的加熱解吸時間縮短了約 17%。按照吸附量與溫度成線性，計算出吸附量，再根據(jù)吸附速率為吸附量與吸 附時間比值的關(guān)系，通過仿真計算，得到散裝鑭鎳合金的最大吸附氫速率為 0.00573kg/kgs，固化復合吸附劑的最大吸附氫速率為0.0071kg/kgs。因此，相 對于散裝鑭鎳合金吸附劑，固化復合吸附劑吸氫速率提高了 24%。 實施例3
1、 鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的制備
整個固化復合吸附劑的制作過程為首先是制作密度為15kg/m3、質(zhì)量為8g 的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(l)，其形狀為圓柱形，且頂面向內(nèi)部凹陷形成一個圓 柱形內(nèi)部容器;然后將28g鑭鎳合金作為鑭鎳合金夾層(2)均勻鋪放在固化膨脹石 墨凹形基質(zhì)塊(l)圓環(huán)內(nèi)部，形成一個復合吸附劑單元(4)。然后依相同的方法再制 備1個復合吸附劑單元，并且從底部開始到頂部依次按照石墨凹形基質(zhì)塊一鑭鎳 合金夾層的順序依次將2個復合吸附劑單元羅列起來，最后制備密度為15kg/m3、 質(zhì)量為8g的固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)，該基質(zhì)塊的形狀為圓柱形，將其鋪放 在最頂部鑭鎳合金夾層的上面，最后再壓制成固化復合吸附劑。
2、 鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的導熱性能檢測以及吸附性能的檢
(1) 導熱性能檢測
采用Hot Disk熱物性分析儀，利用各向異性熱物性測試傳感探頭，對吸附 劑的熱物性進行測試，具體的歩驟為首先制作兩塊完全相同的固體復合吸附劑 塊，厚度均在8 12mm左右，然后將各向異性熱物性測試傳感探頭置于兩塊固體 復合吸附劑塊中間進行檢測，并采用Hot disk熱物性分析軟件對檢測數(shù)據(jù)進行 分析，得到吸附劑的軸向與徑向的導熱系數(shù)。所測試的徑向?qū)嵯禂?shù)最高可以達 到16. 7W/(mK),軸向?qū)嵯禂?shù)最高可以達到4. 1W/(mK)，而散裝鑭鎳合金的導熱 系數(shù)僅為0. 35W/(mK)，因此相對于普通散裝的鑭鎳合金，固化復合吸附劑的徑向 導熱系數(shù)提高了 46倍，而軸向?qū)嵯禂?shù)則提高11倍。
(2) 吸附性能與吸附速率
利用吸附劑的熱物性數(shù)據(jù)，建立吸附劑在加熱過程中的能量守恒方程。方程 中采用加熱過程中熱量的傳遞過程與吸附劑的反應熱相匹配的原則，計算吸附與
解吸過程所需要的時間。在同樣采用軸向換熱的條件下，溫度同樣加熱到80°C 時，固化復合吸附劑需要的時間為740s，而散裝鑭鎳合金所需要的時間為S60s。 因此，相對于散裝鑭鎳合金吸附劑，固化復合吸附劑的加熱解吸時間縮短了約 14%。按照吸附量與溫度成線性，計算出吸附量，再根據(jù)吸附速率為吸附量與吸 附時間比值的關(guān)系，通過仿真計算，得到散裝鑭鎳合金的最大吸附氫速率為 0. 00573kg/kgs，固化復合吸附劑的最大吸附氫速率為0.0068kg/kgs。因此，相 對于散裝鑭鎳合金吸附劑，固化復合吸附劑吸氫速率提高了 18.6%。
權(quán)利要求
1、一種鑭鎳合金-膨脹石墨固體復合吸附劑，其特征在于由若干個疊加起來的復合吸附劑單元(4)和固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)組成，其中復合吸附劑單元(4)由固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(1)和鑭鎳合金夾層(2)組成；固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(1)的組成材料為固化結(jié)構(gòu)的膨脹石墨材料，其形狀為圓柱形，且頂面向內(nèi)部凹陷形成一個圓柱形內(nèi)部容器；鑭鎳合金夾層(2)的組成材料為散裝的LaNi5合金，均勻鋪放在固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(1)的圓柱形內(nèi)部容器中；固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)的組成材料為固化結(jié)構(gòu)的膨脹石墨材料，其形狀為圓柱形，位于最上層復合吸附劑單元的頂端；每個復合吸附劑單元中的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(1)與固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)中含有的膨脹石墨質(zhì)量均相等；每個復合吸附劑單元中含有的鑭鎳合金夾層(2)的質(zhì)量均相等。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑，其特征是， 所述鑭鎳合金夾層(2)的質(zhì)量在鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的總質(zhì)量中所占 比例為40%到70%,余量為膨脹石墨。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑，其特征是， 所述固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(l)的密度為5 15kg/m3。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑，其特征是， 由2個疊加起來的復合吸附劑單元(4)和固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)組成，其中每個 復合吸附劑單元(4)中的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊a)與固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)的 密度均為5kg/m3，且質(zhì)量均為8g;每個復合吸附劑單元中的鑭鎳合金夾層的質(zhì)量為 8g。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑，其特征是， btl 2個疊加起來的復合吸附劑單元(4)和固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)組成，其中每個 復合吸附劑單元(4)中的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(1)與固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)的 密度均為10kg/nf，且質(zhì)量均為8g;每個復合吸附劑單元中的鑭鎳合金夾層的質(zhì)量 為14. 6g。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑，其特征是， 山2個疊加起來的復合吸附劑單元(4)和固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)組成，其中每個 復合吸附劑單元(4)中的固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊(1)與固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)的 密度均為15kg/m3，且質(zhì)量均為8g;每個復合吸附劑單元中的鑭鎳合金夾層的質(zhì)量 為28g。
7、 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑭鎳合金一膨脹石墨固體復合吸附劑的制備方 法，其特征在于，包括如下步驟首先制作密度為5 15kg/m3的固化膨脹石墨凹形 基質(zhì)塊(l)，然后將鑭鎳合金鋪放在固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊圓環(huán)內(nèi)部，形成鑭鎳合 金夾層(2);從底部開始到頂部依次按照石墨凹形基質(zhì)塊一鑭鎳合金夾層的順序羅列， 最后同樣制作密度為5 15kg/m3的固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊(3)，將其鋪放在最頂部 鑭鎳合金夾層的上面，壓制成固化復合吸附劑。
全文摘要
一種鑭鎳合金-膨脹石墨復合吸附劑，該吸附劑由疊加的復合吸附劑單元和固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊組成，其中復合吸附劑單元由固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊和鑭鎳合金夾層組成；固化膨脹石墨凹形基質(zhì)塊的形狀為圓柱形，且頂面向內(nèi)部凹陷形成一個圓柱形內(nèi)部容器；鑭鎳合金夾層鋪放在圓柱形內(nèi)部容器中；固化膨脹石墨頂層基質(zhì)塊位于最上層復合吸附劑單元的頂端。本發(fā)明中的固化復合吸附劑具有較高的徑向?qū)嵯禂?shù)、軸向?qū)嵯禂?shù)和吸氫速率以及較短的加熱解吸時間，同時解決了鑭鎳合金與膨脹石墨的密度差別較大而引起的固化吸附劑難以混合制作的問題。
文檔編號B01J20/02GK101337175SQ20081004145
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
發(fā)明者超 馮, 曹文學, 王麗偉, 王如竹 申請人:上海交通大學