氣體儲存模塊，裝置，系統(tǒng)以及利用吸附材料的方法
【專利說明】氣體儲存模塊，裝置，系統(tǒng)以及利用吸附材料的方法
[0001]相關(guān)申請
本申請主張要求序列號為61/784,893，申請日為2013年3月14日，名稱為“氣體儲存單元，裝置，系統(tǒng)以及利用吸附材料的方法”的美國臨時(shí)專利申請的優(yōu)先權(quán)，所述專利的內(nèi)容作為一個(gè)整體被納入?yún)⒖肌?br>技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一般通過吸附作用的氣體儲藏。
【背景技術(shù)】
[0003]氣體可以以各種形式儲存，以供日后作為能源利用。例如，氣體在罐內(nèi)可被壓縮至高壓或低溫冷凍成凝結(jié)液。上述儲存方法增加了氣體的密度因而增加了其固有體積能量密度(VED)。然而，上述儲存方法存在缺點(diǎn)，壓縮氣體的儲存需要利用重型的，昂貴的罐體和栗送系統(tǒng)，并且高壓氣體儲存在特定的工作環(huán)境中可能會(huì)造成安全問題。在一個(gè)冷凝的液體狀態(tài)下的氣體化合物的存儲要求使用昂貴，笨重和復(fù)雜的設(shè)備。
[0004]氣體也可以通過可逆吸附在多孔材料上而儲存，目前的焦點(diǎn)是發(fā)展在中等的壓力和周圍的環(huán)境溫度下能夠致密化的以吸附劑為基礎(chǔ)的氣體儲存系統(tǒng)，同時(shí)能夠達(dá)到一個(gè)與通過壓縮或液化達(dá)到的VED值相當(dāng)或更好的值。由于相比壓縮的氣體罐而較低的工作壓力，用來吸附氣體的罐體的壁可以制作的薄一些，因而可以減少罐體重量和花費(fèi)。除此之夕卜，相比于壓縮氣體罐和冷凝氣體罐通常限制的圓柱形和球形的幾何形狀，吸附氣體的罐可制作成多種形狀來使其適應(yīng)于可利用的空間。這種靈活性可允許吸附氣體罐安裝在，例如，不影響存儲空間或乘客空間的車輛上，并且可以方便的集成便攜式/移動(dòng)設(shè)備的吸附氣體罐。此外，吸附氣體不需要復(fù)雜和昂貴的壓縮或液化設(shè)備來用于儲存和分配。
[0005]不幸的是，吸附氣體技術(shù)的進(jìn)步受到了當(dāng)前吸附劑低VED值的阻礙，吸附氣體系統(tǒng)的VED受到多種因素的影響，包括吸附劑的氣體重量載荷能力(氣體克數(shù)/吸附劑克數(shù))，吸附劑的體積密度(吸附劑克數(shù)/吸附劑體積)，罐內(nèi)吸附劑的特定填充容積(吸附劑體積/罐體體積)。特定填充體積是對罐中吸附劑量的測量，由于與工藝相關(guān)的一些內(nèi)部構(gòu)件的應(yīng)用(例如傳熱部件，氣體傳輸部件，測量裝置，吸附劑保護(hù)裝置，等等)導(dǎo)致了內(nèi)部可用體積的減少。迄今，對吸附氣體儲存的研究主要是針對具有高氣體重量負(fù)荷能力的開發(fā)材料，并且比較少解決高表面材料的低體積密度問題，通常體積密度范圍在0.25-0.4(吸附劑克數(shù)/吸附劑體積)，或者開發(fā)達(dá)到高的填充容積。雖然提高吸附劑的氣體載荷能力對提高VED值很重要，吸附劑的致密化方法和填充方法的開發(fā)，增加了罐內(nèi)吸附劑的質(zhì)量也需要提高吸附氣系統(tǒng)的VED到一定值，其超過了如壓縮和液化的常規(guī)方法得到的VED值。
[0006]除了提高VED的需求，吸附氣體罐的熱量管理的改進(jìn)也是必要的用以作為冷凝器增壓(吸附)和蒸發(fā)器解壓(解吸)的實(shí)質(zhì)性系統(tǒng)操作為有效和可靠的操作。在罐體吸附過程中，所述氣體壓縮在吸附劑表面釋放吸附的熱量，其大于氣體的汽化熱。在氣體吸收時(shí)罐體溫度上升，最終導(dǎo)致氣體存儲容量的減少，從而減少VED，因?yàn)槲绞且粋€(gè)放熱的，自熄過程。為了達(dá)到理想的氣體負(fù)荷，在減輕罐體負(fù)載的解吸過程中，產(chǎn)生的熱量必須被移除。在一些應(yīng)用中，在吸附過程中不適當(dāng)?shù)臒崃抗芾肀恢赋隹蓽p少大于25%的存儲能力。類似地，在較小程度上，從吸附劑的氣體解吸是吸熱過程，其消耗周圍熱量導(dǎo)致罐體溫度降低，這也能導(dǎo)致解吸率的降低。解吸率的降低對裝置的性能有不利的影響，裝置的操作依賴于氣體的供給率，例如車輛發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，為滿足一個(gè)功率消耗裝置的氣體可用性需求，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，吸附的氣體罐必須適時(shí)加熱。
[0007]多個(gè)熱量管理和氣體分布策略被評估以減輕氣體吸附和解吸對罐性能的不利的熱影響。之前的很多工作主要關(guān)注在將換熱器設(shè)計(jì)在儲存容器中，在氣體吸附/解吸過程中，以對吸附劑的填充床提供加熱和冷卻。雖然通過控制吸附床的溫度來穩(wěn)定增壓/解壓過程中的溫度可改進(jìn)存儲效率，但儲存容器內(nèi)部的傳熱構(gòu)件的存在顯著降低了吸附劑罐內(nèi)的有效容積。而且，特別是考慮到一種典型的吸附劑是高孔隙度，低導(dǎo)熱率的固體時(shí)，現(xiàn)有的傳熱系統(tǒng)提供的熱源和散熱片之間的距離過遠(yuǎn)。因此，在吸附及解吸過程中溫度控制的最優(yōu)化和進(jìn)一步改進(jìn)是需要的。
[0008]此外，現(xiàn)有的吸附氣系統(tǒng)不能提供有效的氣體分布到或者來自吸附劑，因而不能提供充分的吸附和解吸率。現(xiàn)有的系統(tǒng)需要非常長的距離用來吸附物在從罐中解壓之前的迀移或流動(dòng)，或者用來進(jìn)氣在從罐的入口到最遠(yuǎn)的吸附位置流動(dòng)。同樣地，過多的壓力降在吸附劑床上可能對吸附/解吸率和有用的工作能力帶來不利的影響。
[0009]此外，現(xiàn)有的吸附氣體燃料罐的設(shè)計(jì)沒有充分解決吸附劑顆粒的磨損和沉降的問題。顆粒傾向于振動(dòng)和分裂，導(dǎo)致吸附劑顆粒的分層和床的再分配。而且，從床上解放出來的粒子可能在解吸過程中被夾帶，從而導(dǎo)致流道、管、壓力控制閥、測量裝置等的阻塞。
[0010]上述的挑戰(zhàn)適用于，例如，作為替代燃料的氣體的儲存(或在研究中使用)。一個(gè)具體的例子是天然氣(NG)，它是由傳統(tǒng)的壓縮(壓縮氣體或壓縮天然氣)或冷凝(液化氣或液化天然氣)方式來存儲。VED是在汽車應(yīng)用燃料的車載存儲中特別感興趣的一個(gè)因素，因?yàn)樗c每單位儲罐體積的傳輸距離相關(guān)，并影響在一特定的應(yīng)用程序中所需的儲存罐體的大小。由于在室溫條件下作為氣體的天然氣NG具有低的固有的VED(0.0364 MJ / L)。通過比較，壓縮天然氣的VED為9.2 MJ / L (在250巴下)和液化天然氣的VED為22.2 MJ /L (在-161.5° C下)。而天然氣的壓縮或冷凝可提高VED，壓縮天然氣和液化天然氣的VED各自僅為27%和64%，而汽油的VED為(34.2 MJ / L)。對天然氣提供動(dòng)力的車輛，這意味著需要大量的燃料箱體積和/或減少行駛距離。而且，將天然氣壓縮或凝結(jié)也具有與上述一般的氣體同樣的缺點(diǎn)。
[0011]目前已知的甲烷吸附劑(CH4，天然氣的主要成分)包括活性炭和微孔結(jié)構(gòu)化的材料如金屬有機(jī)框架和多孔聚合物網(wǎng)絡(luò)。吸附天然氣(ANG)系統(tǒng)使用這些吸附劑已經(jīng)取得了稍微改善的VED，例如在35巴下少于7 MJ/L，其低于250巴下壓縮天然氣的VED?，F(xiàn)在需要做些改進(jìn)以增加吸附天然氣系統(tǒng)的VED來達(dá)到超過壓縮天然氣VED和可能比得上汽油罐VED的某一個(gè)值。
[0012]鑒于上述情況，有必要繼續(xù)對通過吸附來儲存氣體的裝置和方法進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]為了解決可能已被本領(lǐng)域技術(shù)人員觀察到的上述全部或部分和/或其他問題，本發(fā)明提供了例如在下面所述的實(shí)施例中所描述的方法、過程、系統(tǒng)、裝置、儀器和/或設(shè)備。
[0014]通過一個(gè)實(shí)施例，一氣體儲存模塊包括:一二維本體包括第一表面，一相對的第二表面，在第一表面和第二表面之間的一側(cè)壁，與所述側(cè)壁相連并穿過或沿著本體從側(cè)壁伸出的多個(gè)通道；沿著與第一表面和第二表面共平面的一平面伸出的一熱交換結(jié)構(gòu)，其中所述本體包括一吸附劑和粘合劑的填充混合物，所述吸附劑包括具有用于吸附氣體的組成和有效孔隙率的多個(gè)顆粒，以及粘合劑具有一用于將顆粒有效地結(jié)合在一起的組成。
[0015]通過另外的一實(shí)施例，一氣體儲存裝置包括多個(gè)氣體儲存模塊堆積在一起，以便每個(gè)氣體儲存模塊的第一表面或第二表面面對至少一個(gè)其它相鄰的氣體儲存模塊的第一表面或第二表面。
[0016]通過另外的一實(shí)施例，一種制造氣體儲存模塊的方法包括:混合吸附劑和粘合劑，其中所述吸附劑包括具有用于吸附氣體的組成和有效孔隙率的多個(gè)顆粒，以及粘合劑具有一用于將顆粒有效地結(jié)合在一起的組成；從混合物中形成一個(gè)二維的本體，所述本體包括第一表面，相對的第二表面，第一表面與第二表面之間的側(cè)壁，與所述側(cè)壁相連并穿過或沿著本體從側(cè)壁伸出的多個(gè)通道，在其中形成包括將混合物填充至本體中的吸附劑所需的密度；以及相對于本體配置一熱交換結(jié)構(gòu)，使得熱交換結(jié)構(gòu)沿著與第一表面和第二表面共平面的一平面伸出。
[0017]通過另外的一實(shí)施例，一種制造氣體儲存裝置的方法包括:將多個(gè)氣體儲存模塊堆積起來，以便每個(gè)氣體儲存模塊的第一表面或第二表面面對至少一個(gè)其它相鄰的氣體儲存模塊的第一表面或第二表面。
[0018]通過另外的一實(shí)施例，一種儲存氣體的方法包括:穿過或者沿著一個(gè)包括多個(gè)吸附劑顆粒的二維本體延伸的多個(gè)通道中的氣體流動(dòng)，其中氣體從通道擴(kuò)散到本體并吸附在顆?？紫吨?，并且吸附產(chǎn)生了熱量；在氣體流動(dòng)的同時(shí)，將熱量從吸附劑顆粒轉(zhuǎn)移到一個(gè)沿著與第一表面以及相對的第二表面共平面的平面伸出的熱交換結(jié)構(gòu)上。
[0019]本發(fā)明的其他設(shè)備、裝置、系統(tǒng)、方法、功能和優(yōu)點(diǎn)，將出現(xiàn)在下列圖和詳細(xì)的描述中，并對本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見。它的目的是，所有這些包括在說明書中的附加的系統(tǒng)，方法，功能和優(yōu)點(diǎn)都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，并被隨附的權(quán)利要求所保護(hù)。
【附圖說明】
[0020]參考下面的附圖能更好的理解本發(fā)明。圖中的部件并不一定是按規(guī)定比例的，重點(diǎn)在于說明本發(fā)明的原則。在這些圖中，在不同的視圖中同樣的數(shù)字指定同樣的部件。
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例氣體儲存模塊的透視圖。
[0022]圖2為圖1中所示氣體儲存模塊的平面圖。
[0023]圖3為圖1中所示氣體儲存模塊的側(cè)視圖。
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例氣體儲存裝置的透視圖。
[0025]圖5為圖4中所示氣體儲存機(jī)構(gòu)的正視圖。
[0026]圖6為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的氣體儲存裝置的正視圖。
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