1.本技术涉及相变材料领域，特别涉及一种相变材料及其制备方法、控温箱和控温系统。


背景技术：

2.当前，传统化石能源日趋枯竭，且由于化石能源的大规模消耗造成了严重的环境污染，从而急需一种环境友好的新能源。氢能是一种洁净新能源，质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，能够将氢气中的化学能直接转换为电能，在发电过程中只排出水，是一种利用氢能的零排放发电装置。
3.目前，广泛应用于质子交换膜燃料电池中的关键材料之一是基于全氟磺酸膜的质子交换膜。该膜材料需在水存在的条件下发挥质子传导的特性，其最佳的工作温度是70-90℃，从而对质子交换膜燃料电池需要进行热管理。电池运行过程中产生大量热，当系统温度过高时造成发电效率降低，减少使用寿命，因此需要控制整个系统的温度；而当温度低于过低，系统发电效率也会降低，甚至启动不了，因此需要补充额外的热量去加热系统，快速提高发电效率。相变材料，具有恒定的相变点，相变时能够吸收或放出大量的热量而温度不变，是作为燃料电池最佳的控温材料。
4.中国发明专利cn106654318 a采用相变胶囊为控温材料，巧妙设计系统，能够起到一定的控温作用，但相变胶囊焓值较低且制作麻烦；中国发明专利cn108251063 a以低熔点合金作为燃料电池的控温材料，虽然其导热性能好，但价格昂贵且容易造成金属腐蚀。由此，还需要对燃料电池用相变材料做进一步的改进。


技术实现要素：

5.本技术公开了一种相变材料及其制备方法、控温箱和控温系统，该相变材料具有高焓值、低成本和高导热性的特点，可提高对燃料电池的控温效果。
6.为达到上述目的，本技术提供以下技术方案：
7.第一方面，本技术提供一种相变材料，按重量百分比计包括以下原料：
[0008][0009]
进一步地，按重量百分比计，所述六水硝酸镁的含量为93％～95％。
[0010]
进一步地，按重量百分比计，所述羧甲基纤维素的含量为1.7％～2.2％。
[0011]
进一步地，按重量百分比计，所述二水硫酸钙的含量为2.5％～3.5％。
[0012]
进一步地，按重量百分比计，所述气相二氧化硅的含量为0.7％～1.3％。
[0013]
进一步地，所述相变材料的焓值≥200j/g。
[0014]
第二方面，本技术提供一种相变材料的制备方法，该制备方法包括：将六水硝酸镁加热至液态后，与所述羧甲基纤维素、所述二水硫酸钙和所述气相二氧化硅混合，密封结晶后得到所述相变材料。
[0015]
进一步地，在80～95℃的水浴条件下，将六水硝酸镁加热至液态，并依次加入所述羧甲基纤维素和所述二水硫酸钙混合均匀，得到中间混合物；将所述中间混合物倒入气相二氧化硅中，并在80～95℃的水浴条件下混合均匀后密封，经冷却结晶后得到所述相变材料。
[0016]
第三方面，本技术提供一种控温箱，包括箱体以及置于所述箱体内的第一控温管道和本技术的相变材料或利用上述制备方法得到的相变材料。
[0017]
第四方面，本技术提供一种燃料电池用控温系统，包括燃料电池模组、调节泵和本技术的控温箱，所述控温箱围绕所述燃料电池模组设置，所述调节泵与所述控温箱内的第一控温管道连通。
[0018]
采用本技术的技术方案，产生的有益效果如下：
[0019]
本技术提供的相变材料，利用特定配比的六水硝酸镁、羧甲基纤维素、二水硫酸钙和气相二氧化硅形成，所得相变材料为无机相变材料，其焓值可达200j/g以上，相对于有机相变类材料，焓值可提高25％以上，成本可降低50％以上。
附图说明
[0020]
图1为本技术一种实施例的控温箱的结构示意图；
[0021]
图2为本技术一种实施例的控温系统的结构示意图。
[0022]
附图标记：10-控温箱；101-箱体；102-第一控温管道；20-燃料电池模组；30-调节泵。
具体实施方式
[0023]
下面将结合本技术实施例，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0024]
需要说明的是：本技术中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。本技术中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。本技术中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。本技术中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。本技术中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。本技术所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。本技术中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
[0025]
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本技术中。
[0026]
第一方面，本技术提供一种相变材料，按重量百分比计包括以下原料：
[0027][0028]
本技术提供的相变材料，利用特定配比的六水硝酸镁、羧甲基纤维素、二水硫酸钙和气相二氧化硅形成，所得相变材料为无机相变材料，其焓值可达200j/g以上，相对于有机相变类材料，焓值可提高25％以上，成本可降低50％以上。
[0029]
其中，以相变材料的重量为基准计，六水硝酸镁所占的重量百分比例如可以为93％、93.5％、94％、94.5％、95％、95.5％或96％。在本技术一种优选实施方式中，六水硝酸镁的重量百分比可为93％～95％，此含量决定相变材料的吸收和释放热量的能力。
[0030]
以相变材料的重量为基准计，羧甲基纤维素所占的重量百分比例如可以为1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2.0％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、或2.5％。在本技术一种优选实施例中，羧甲基纤维素的重量百分比例如可为1.7％～2.2％，以提高相变材料液态的粘稠度。
[0031]
以相变材料的重量为基准计，二水硫酸钙的重量百分比例如可以为2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.7％、2.8％、3％、3.2％、3.4％、3.6％、3.7％、3.8％或4％。在本技术一种优选实施例中，二水硫酸钙的重量百分比例如可为2.5％～3.5％，此为相变材料的成核剂。
[0032]
以相变材料的重量为基准计，气相二氧化硅的重量百分比例如可以为0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％或1.5％。在本技术一种优选实施例中，气相二氧化硅的重量百分比例如可为0.7％～1.3％，以提高相变材料液态状况和结晶的稳定性。
[0033]
第二方面，本技术提供一种相变材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：将六水硝酸镁加热至液态后，与所述羧甲基纤维素、所述二水硫酸钙和所述气相二氧化硅混合，密封结晶后得到所述相变材料。
[0034]
在本技术一种实施例中，该制备方法包括以下步骤：在80～95℃的水浴条件下，将六水硝酸镁加热至液态，并依次加入所述羧甲基纤维素和所述二水硫酸钙混合均匀，得到中间混合物；将所述中间混合物倒入气相二氧化硅中，并在80～95℃的水浴条件下混合均匀后密封，经冷却结晶后得到所述相变材料。
[0035]
作为示例性说明，本技术一种实施例的相变材料的制备方法包括以下步骤：
[0036]
步骤a)、称量一定量的气相二氧化硅置于烧杯a中，备用；
[0037]
步骤b)、称量一定量的六水硝酸镁、羧甲基纤维素和二水硫酸钙，依次加入烧杯b中，充分搅拌后密封；
[0038]
步骤c)、将密封好的烧杯b置于90℃的水浴锅中加热直至完全熔化，在熔化过程中可晃动烧杯进行搅拌；
[0039]
步骤d)、将熔化且搅拌均匀的溶液倒入装有气相二氧化硅的烧杯a中并充分搅拌，搅拌5分钟后将烧杯置于90℃的水浴锅中并继续搅拌10分钟后冷却至室温，得到相变材料。
[0040]
以上制备顺序进而示例性说明，本技术的制备方法并未对上述过程做出严格的限定，各步骤间可根据实际作用调换操作顺序。
[0041]
利用本技术的制备方法所得相变材料为无机相变材料，相对于焓值为120j/g的有机相变材料，本技术的无机相变材料，其焓值可提高25％以上，可达到150j/g；另外，现有的有机相变材料，其成本大约为10000元/吨，而本技术的无机相变材料，其成本可降低至5000元/吨。
[0042]
下面将结合具体实施例对对本技术的相变材料做进一步详细说明。
[0043]
实施例1
[0044]
步骤s1)、称量95g六水硝酸镁，置于烧杯a中，在90℃水浴加热至液态；
[0045]
步骤s2)、称量2g羧甲基纤维素和2g二水硫酸钙，依次加入到烧杯a中，充分搅拌混合；
[0046]
步骤s3)、称量1g气相二氧化硅置于烧杯b中，将烧杯a中的混合溶液倒入烧杯b中，在90℃水浴中充分混合；
[0047]
步骤s4)、将混合后的烧杯b用保鲜膜密封后置于室温下冷却至混合材料结晶。
[0048]
实施例2-3以及对比例1-3分别为一种相变材料，其具体制备过程可参照实施例1，具体的原料列于表1。
[0049]
表1
[0050]
原料/g实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3六水硝酸镁959394909895羧甲基纤维素222.34.60.55二水硫酸钙242.551.50气相二氧化硅111.20.40.50
[0051]
对比例4-对比例5分别为一种相变材料，其原料组成为列于表2。
[0052]
表2
[0053][0054]
测试各实施例和对比例的焓值，测试结果列于表3。
[0055]
表3
[0056]
序号相变点(℃)焓值j/g
实施例175175实施例269170实施例372172对比例165155对比例280167.1对比例369160对比例4——对比例570130
[0057]
注：“—”表示未出现明显结晶，无具体数值。
[0058]
从表3的测试结果可以看出，本技术实施例的相变材料可具有更高的焓值。
[0059]
第二方面，本技术提供一种控温箱。图1为本技术一种实施例的控温箱的结构示意图，如图1所示，在本技术一种实施例中，该控温箱10包括箱体101以及置于所述箱体101内的第一控温管道102和本技术的相变材料或利用本技术的制备方法得到的相变材料。其中，相变材料填充于该箱体101内。箱体101上设有第一控温管道102的入口和出口，第一控温管道102设于箱体101内，第一控温管道102箱体101之间填充有本技术实施例的相变材料。
[0060]
第三方面，本技术提供一种燃料电池用控温系统。图2为本技术一种实施例的控温系统的结构示意图。如图2所示，在本技术一种实施例中，该控温系统包括燃料电池模组20、调节泵30和本技术的控温箱10，所述控温箱10围绕所述燃料电池模组20设置，优选的，控温箱10可与燃料电池模组20接触，以提高传热效果。其中，所述调节泵30与所述控温箱10内的第一控温管道连通。
[0061]
其中，第一控温管道内的传热介质可为液体，也可为气体，具体的，第一控温管道内通入的传热介质可为水。当控温箱内的温度较高时，可通过通入冷却水对燃料电池模组进行冷却；当控温箱内的温度较低时，可通过通入加热水对燃料电池模组进行加热。由此，可对燃料电池模组进行更好的热量传输，以使燃料电池在最佳的工作温度范围内进行工作，提高工作效率。
[0062]
燃料电池工作过程为发热过程，当温度过高时，燃料电池内部的电堆性能降低甚至烧穿膜电极导致电堆损坏；而燃料电池在初始启动时温度过低也同样影响电池性能。加入本技术的控温系统后，由于其中含有相变储能材料，单位体积的吸热量和散热量均较大，可以很好的解决过热或者过冷的问题。当燃料电池工作时，产生的热量通过传热介质交换给相变材料，相变材料吸收热量而温度会持续保持在相变点，从而控制整个系统温度；吸收的热量保存，当燃料电池再次启动时，通过传热介质将相变材料吸收的热量传递给燃料电池模组，从而快速启动燃料电池。
[0063]
需要说明的是，本技术实施例的控温系统，除了可包括上述燃料电池模组、调节泵和控温箱外，还可包括直接对燃料电池模组进行冷却或加热的第二控温管道，该第二控温管道与燃料电池模组连接。
[0064]
显然，本领域的技术人员可以对本技术实施例进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。