用氣體裝填吸著儲存器的方法
【專利說明】用氣體裝填吸著儲存器的方法
[0001]本發(fā)明涉及用于儲存氣體物質的吸著儲存器，其包含至少部分填充有吸附介質的密閉容器和包含通過容器壁的通路的進料裝置，氣體可通過所述通路流入容器中。本發(fā)明進一步提供用氣體裝填吸著儲存器的方法，其中吸著儲存器包含密閉容器和具有通過容器壁的通路的進料裝置，氣體可通過所述通路流入容器中，且容器具有至少兩個平行的通道型子室，所述子室位于其內部并且各自至少部分地填充有吸附介質，且其通道壁為可冷清的。
[0002]對于固定和移動應用，為儲存氣體，除加壓氣罐外，目前日益使用吸著儲存器。吸著儲存器通常包含具有大內表面積的吸附介質，氣體吸附于其上并由此存儲。在吸著儲存器的填充期間，熱由于吸附而釋放，且必須從儲存器中除去。類似地，當將氣體從儲存器中取出時，必須提供熱用于解吸方法。因此，熱管理在吸著儲存器的設計中是很重要的。
[0003]專利申請US 2008/0168776 Al描述了用于氫氣的吸著儲存器，其包含對環(huán)境熱絕緣且多個包含吸附介質的壓力容器置于其內部的外部容器。壓力容器之間的中間空間用冷卻液填充，以便能夠除去吸附期間發(fā)展的熱。
[0004]專利申請DE 10 2007 058 673 Al描述了用于儲存氣態(tài)烴的設備，其包含填充有吸附介質的絕緣容器。在容器中提供加熱元件，且該加熱元件通過控制系統(tǒng)以一定方式控制，使得當取出氣體時，最小壓力保持理想的長時間。
[0005]已知吸著儲存器的一個缺點是用氣體填充僅緩慢地進行。特別地，在移動應用中，例如在機動車輛中，該缺點是特別嚴重的。
[0006]本發(fā)明的目的是提供用于儲存氣體物質的設備，所述設備容許氣體的快速裝填和改進的氣體取出。該設備應具有簡單的結構并且在操作期間要求很少的電能。本發(fā)明的另一目的是提供快速且有效地裝填儲存器的方法。
[0007]該目的通過如權利要求1中所述的本發(fā)明主題實現(xiàn)。本發(fā)明的其它有利實施方案可在從屬權利要求中找到。本發(fā)明的其它主題描述于權利要求9以及從屬于它的權利要求中。
[0008]本發(fā)明方法使用吸著儲存器進行，所述吸著儲存器包含密閉容器和具有通過容器壁的通路的進料裝置，氣體可通過所述通路流入容器中。容器具有至少兩個平行的通道型子室，所述子室位于其內部并且各自至少部分地填充有吸附介質，且其通道壁為可冷卻的。在本發(fā)明方法的第一步驟中，將氣體以一定量供入，使得盡可能快地達到儲存器中預定最終壓力的至少30%的壓力。在隨后的第二步驟中，供入的氣體的量可以以一定方式變化，使得儲存器中的壓力過程接近吸附介質的吸附動力學直至在預定時間以后達到儲存器中的預定最終壓力。
[0009]如由現(xiàn)有技術已知的吸著儲存器為了裝填，通常與壓力管線連接，待儲存的氣體以恒定壓力從所述壓力管線流入儲存器中，直至達到儲存器中的預定最終壓力。然而，發(fā)現(xiàn)當裝填根據(jù)本發(fā)明方法進行時，裝填所需的時間可明顯降低。
[0010]在吸著儲存器中，氣體通過吸附在吸附介質上以及各吸附介質顆粒之間和顆粒中的空隙中或者吸附在未被吸附介質填充的容器區(qū)域中而儲存。在本發(fā)明方法的第一步驟期間，空隙首先被氣體填充。儲存器中的壓力基本無時間滯后地遵循流入容器中的氣體的壓力。為使裝填操作所需的總時間最小化，該第一步驟應盡可能快地進行，例如通過恰好從裝填操作開始起引入壓力相當于預定最終壓力的至少30 %的氣體而進行。
[0011]在第一步驟期間，一部分氣體被吸附，因此，吸附材料以及因此流過它的氣體的溫度提高。在第二步驟中，儲存器中的壓力過程接近吸附介質的吸附動力學。測定吸附動力學的方法是本領域技術人員已知的，例如借助壓力躍變實驗或吸附平衡(例如“Zhao，Li和 Lin，Industrial&Engineering Chemistry Research，48 (22)，2009，第 10015-10020 頁”中)。
[0012]就本發(fā)明而言，術語吸附動力學指在等溫和等壓條件下，氣體在吸附介質上隨時間過去的吸附過程。該過程通?？赏ㄟ^指數(shù)衰減函數(shù)約計，其在開始時顯示出急劇提高，然后當它向最終值集中時不斷地變得更平穩(wěn)。該近似法的一個實例為函數(shù)a籲(l-e_bt)，其中a和b為正常數(shù)。吸附動力學也可通過其它函數(shù)約計，例如凹函數(shù)，分段為常數(shù)的函數(shù)，分段為線性的函數(shù)或者連接初始值和最終值的線性函數(shù)。
[0013]儲存器的通道型子室中的實際流動條件取決于通道的構型和氣體向通道中的引入。在本發(fā)明吸著儲存器的一個優(yōu)選變體中，通道型子室在一端封閉。這例如為分離元件在一端與容器的內壁連接的情況。在該變體中，有利地將流入容器中的氣體引入通道型子室的開口端。在通道中，一部分氣體變得吸附在吸附介質上，因此吸附介質和周圍氣體加熱。容器的內壁和任選存在的至少一個分離元件或多個分離元件冷卻，使得在通道型子室的中部與其周邊之間形成徑向溫度梯度。本發(fā)明進料策略的第二步驟特別地將連續(xù)氣流引入容器中。循環(huán)氣流通過與徑向溫度梯度相互作用而在通道型子室中在內部建立，且這些確保明顯更好的熱脫除以及因此吸附介質中較低的最大溫度。
[0014]在本發(fā)明能量儲存器的另一優(yōu)選變體中，通道型子室在兩端開放，并借助共同的空間相互成對地連接。在該變體中，優(yōu)選配置進料裝置，使得流入的氣體基本僅送入每對通道的兩個子室中的一個中。具有儲存器中接近吸附動力學的壓力過程的本發(fā)明裝填策略導致通道型子室中氣體的流速大于氣體吸附的速度。這導致形成通過通道型子室的循環(huán)流，確保吸附期間發(fā)展的熱可更快地除去并在吸附介質中建立較低的最大溫度。
[0015]與其中壓力在整個裝填時間恒定地保持為高的常規(guī)進料策略相比，本發(fā)明方法容許在裝填期間在相同的時間內引入更大量的氣體或者在相同量的氣體下實現(xiàn)較短的裝填時間。
[0016]供入的氣體的量可例如通過將入口壓力適當?shù)仄ヅ浣坪瘮?shù)，例如通過合適的閥連接而變化。
[0017]在本發(fā)明方法的有利實施方案中，儲存器中的壓力過程以壓力波動的形式，特別是由于入口壓力的適當變化而接近吸附動力學。波動的最大值優(yōu)選相當于最終壓力，且波動的最小值優(yōu)選接近吸附動力學的過程。這相當于隨時間過去的波動幅度降低。在預定時間結束時，設置儲存器中的預定最終壓力。波動可例如為正弦曲線、鋸齒形或者作為選擇分段常數(shù)。波動的形狀以及它的幅度和期間優(yōu)選匹配具體的吸附動力學。
[0018]接近吸附動力學的壓力波動的函數(shù)的一個實例為:
[0019]P = ρ0+ ΔP.f (a).(sin(2.π.k.t)-1)，其中:
[0020]pQ為初始壓力，p為初始壓力與最終壓力之間的差，k為頻率，且f (a)為阻尼函數(shù)。阻尼可例如線性降低或者指數(shù)降低。一個實例為函數(shù)f(a) =a/(t+a)，其中a為正數(shù)。頻率k可借助等溫和等壓吸附動力學tkin評估，其為最小裝填時間的度量。優(yōu)選選擇頻率，使得2-10個波動期間位于tkin內。在較大循環(huán)數(shù)目下，每循環(huán)可除去較少的熱，使得提供壓力波動所需的能量消耗變得不經(jīng)濟。
[0021]填充吸著儲存器所需的時間實質性地受吸附介質的材料性能，特別是它的吸附動力學影響。另一影響因素為填充期間預期的最大溫度，其也取決于材料性能，特別是吸附熱焓。選擇初始壓力和壓力提高類型以優(yōu)選匹配各自的吸附動力學、吸附熱焓和向壁的熱傳導。在釋放的吸附熱焓快速熱脫除的情況下，較高的初始壓力是有利的，以使所需總裝填時間