用于儲(chǔ)存氣體物質(zhì)的吸著儲(chǔ)存器的制造方法
【專利說明】用于儲(chǔ)存氣體物質(zhì)的吸著儲(chǔ)存器
[0001] 本發(fā)明涉及用于儲(chǔ)存氣體物質(zhì)的吸著儲(chǔ)存器，其包含至少部分填充有吸附介質(zhì)的 密閉罐，并且包含進(jìn)料裝置，所述進(jìn)料裝置包含通過罐壁的通路，氣體可通過所述通路流入 罐。本發(fā)明還涉及填充本發(fā)明吸著儲(chǔ)存器的方法和將氣體從本發(fā)明吸著儲(chǔ)存器中除去的方 法。
[0002] 連同加壓氣罐一起，對于固定和移動(dòng)應(yīng)用，吸著儲(chǔ)存器目前日益用于儲(chǔ)存氣體。吸 著儲(chǔ)存器通常包含具有大內(nèi)表面積的吸附介質(zhì)，氣體吸附于其上并由此存儲(chǔ)。盡管吸著儲(chǔ) 存器填充有氣體，吸附導(dǎo)致熱的釋放，必須將其從儲(chǔ)存器中除去。照此類推，當(dāng)將氣體從儲(chǔ) 存器中除去時(shí)，必須提供熱用于解吸方法。因此，在設(shè)計(jì)吸著儲(chǔ)存器時(shí)，熱管理是很重要的。
[0003] 專利申請US 2008/0168776 Al描述了用于氫氣的吸著儲(chǔ)存器，其包含對環(huán)境熱絕 緣且多個(gè)包含吸附介質(zhì)的壓力容器置于其內(nèi)部的外部罐。壓力容器之間的中間空間用冷卻 流體填充，以容許除去吸附期間出現(xiàn)的熱。
[0004] 專利申請DE 10 2007 058 673 Al描述了用于儲(chǔ)存氣態(tài)烴的設(shè)備，其包含填充有 吸附介質(zhì)的絕緣罐。在罐中提供加熱元件，其以一定方式通過控制系統(tǒng)激活，使得當(dāng)除去氣 體時(shí)，最小壓力保持盡可能長的時(shí)間。
[0005] 已知吸著儲(chǔ)存器的一個(gè)缺點(diǎn)是用氣體填充僅緩慢地進(jìn)行。特別地，在移動(dòng)應(yīng)用的 情況下，例如在機(jī)動(dòng)車輛中，該缺點(diǎn)是特別嚴(yán)重的。
[0006] 本發(fā)明的目的是提供用于儲(chǔ)存氣體物質(zhì)的設(shè)備，其容許用氣體快速填充以及改進(jìn) 的氣體脫除。同時(shí)，該設(shè)備應(yīng)具有簡單的結(jié)構(gòu)并且在操作期間要求很少的電能。本發(fā)明的 目的還有提供快速且有效地填充儲(chǔ)存器以及從儲(chǔ)存器中除去氣體的方法。
[0007] 該目的通過如權(quán)利要求1中再現(xiàn)的本發(fā)明主題實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的其它有利實(shí)施方案 可在從屬權(quán)利要求中找到。本發(fā)明的其它主題描述于方法權(quán)利要求12和14以及從屬于它 們的權(quán)利要求中。
[0008] 用于儲(chǔ)存氣體物質(zhì)的本發(fā)明吸著儲(chǔ)存器包含密閉罐和進(jìn)料裝置，所述進(jìn)料裝置包 含通過罐壁的通路，氣體可通過所述通路流入罐中。罐在其內(nèi)部具有至少一個(gè)分離元件，所 述分離元件以一定方式配置，使得罐的內(nèi)部分成至少一對通道，所述通道包含兩個(gè)平行延 伸的通道型隔室，所述隔室的末端每種情況下通過共用空間相互連接，各個(gè)通道型隔室至 少部分地填充有吸附介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)料裝置以一定方式設(shè)計(jì)，使得流入氣體幾乎僅轉(zhuǎn) 移至每對通道的兩個(gè)隔室中的一個(gè)中。
[0009] 取決于本發(fā)明吸著儲(chǔ)存器的實(shí)際構(gòu)型，不能完全排除少量流入氣體流入不同于意 欲隔室的隔室中的可能性，例如由于湍流或回流的情況。因此，表述"幾乎僅"應(yīng)當(dāng)理解意 指最大10%，優(yōu)選最大5 %流入氣體可能流入另一隔室中。
[0010] 罐內(nèi)的空間分成成對相互連接的通道型隔室，以及進(jìn)料裝置的本發(fā)明設(shè)計(jì)具有這 一效果：在罐的填充期間出現(xiàn)循環(huán)通過通道的流。這產(chǎn)生向罐壁的改進(jìn)熱傳遞，其通常在填 充期間冷卻和/或在排空期間加熱。由于罐中的氣體在填充期間較快地冷卻，同時(shí)可實(shí)現(xiàn) 較大量的氣體，或者對于相同量的氣體可實(shí)現(xiàn)較短的填充時(shí)間。
[0011] 如果連同罐壁一起，至少一個(gè)分離元件，或者在大量分離元件的情況下，它們中的 一個(gè)或多個(gè)冷卻或加熱，則可實(shí)現(xiàn)熱傳遞的進(jìn)一步改進(jìn)。在本發(fā)明的有利構(gòu)型中，存在的至 少一個(gè)分離元件或者大量分離元件，特別是所有分離元件具有雙壁構(gòu)型，使得它們可使傳 熱介質(zhì)流過。在本發(fā)明的另一優(yōu)選構(gòu)型中，通道型隔室的通道壁具有雙壁構(gòu)型以使傳熱介 質(zhì)流過。取決于至少一個(gè)或者大量分離元件的排列，一部分罐壁還形成通道型隔室或者大 量通道型隔室的通道壁。罐壁在這種情況下也優(yōu)選具有雙壁構(gòu)型。在非常特別優(yōu)選的構(gòu)型 中，設(shè)計(jì)包括端面在內(nèi)的整個(gè)罐壁以使傳熱介質(zhì)流過，特別是具有雙壁構(gòu)型。
[0012] 罐和分離元件的壁厚度的選擇取決于罐中預(yù)期的最大壓力、罐的尺寸，特別是它 的直徑，和所用材料的性能。對于具有IOcm外徑的合金鋼罐和100巴最大壓力，例如最小 壁厚度估計(jì)為2mm(根據(jù)DIN 17458)。選擇雙壁之間的間距，使得它可使足夠大體積流的傳 熱介質(zhì)流過。它優(yōu)選為2-10mm，特別優(yōu)選3-6mm。
[0013] 取決于適于冷卻或加熱吸著儲(chǔ)存器中的氣體的溫度范圍，考慮各種傳熱介質(zhì)，例 如水、二醇、醇或其混合物。相應(yīng)的傳熱介質(zhì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
[0014] 發(fā)現(xiàn)有利的是各個(gè)通道型隔室中通道壁之間的距離為2-8cm。距離在此處應(yīng)當(dāng)理 解意指垂直于通道軸的橫截面中相對壁的兩點(diǎn)之間的最短距離。在具有圓形橫截面的通 道的情況下，例如距離相當(dāng)于直徑；在環(huán)形橫截面的情況下，它相當(dāng)于環(huán)的寬度，在矩形橫 截面的情況下，它相當(dāng)于平行邊之間的較短距離。特別在將所有通道壁冷卻或加熱的情況 下，指定范圍證明是熱傳遞與吸附介質(zhì)的填充體積之間的良好折中。以較大的距離，吸附介 質(zhì)與壁之間的熱傳遞劣化；以較小的距離，對于給定的罐外部尺寸，吸附介質(zhì)的填充體積降 低。此外，吸著儲(chǔ)存器的重量和它的生產(chǎn)成本提高，這在移動(dòng)應(yīng)用的情況下是特別不利的。
[0015] 在一個(gè)優(yōu)選構(gòu)型中，每對通道的通道型隔室中通道壁之間的距離彼此相差不多于 40%，特別優(yōu)選相差不多于20%。所有通道型隔室中通道壁之間的距離優(yōu)選彼此相差不多 于40%，特別優(yōu)選相差不多于20%。該設(shè)計(jì)有益于填充期間熱的均勻脫除或者罐的排空期 間熱的均勻供應(yīng)。
[0016] 在另一優(yōu)選構(gòu)型中，選擇通道型隔室的橫截面面積，使得在將罐用氣體填充期間， 每對通道的通道型隔室中的流速彼此相差不多于20%。特別優(yōu)選，所有通道型隔室中的流 速彼此相差不多于20%。
[0017] 如下文基于實(shí)施例所進(jìn)一步解釋的，關(guān)于盡可能相等的壁之間的距離以及盡可能 相等的通道型隔室的橫截面面積作為優(yōu)選提到的要求取決于罐的實(shí)際幾何設(shè)計(jì)可能相互 沖突。在這種情況下，優(yōu)選具有盡可能相等的壁之間的距離的構(gòu)型，因?yàn)闊岬木鶆蛎摮男?果證明與流動(dòng)效果相比是主要的，在排空罐時(shí)特別如此。
[0018] 當(dāng)以橫截面觀察時(shí)，罐內(nèi)壁和至少一個(gè)分離元件的輪廓是基本共形的。如果存在 大量分離元件，則所有分離元件的輪廓優(yōu)選與罐內(nèi)壁的輪廓共形。就這點(diǎn)而言，共形意指輪 廓在其形式方面是一致的，例如都是圓形、都是橢圓形或者都是矩形。表述"基本共形"應(yīng) 當(dāng)理解意指與基本形式的小偏差仍被認(rèn)為是一致的。實(shí)例為在矩形基本形式的情況下的圓 角或者在生產(chǎn)容許度極限內(nèi)的偏差。
[0019] 在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，吸著儲(chǔ)存器的罐為圓柱形設(shè)計(jì)，且至少一個(gè)分離元件 相對于圓柱軸基本同軸排列。至少一個(gè)分離元件的縱軸相對于圓柱軸傾斜幾度至最大10 度的實(shí)施方案仍被認(rèn)為是"基本"同軸。該構(gòu)型確保通道橫截面沿著圓柱軸僅改變很少，使 得可形成在通道長度上的均勻流。
[0020] 取決于有效的安裝空間和罐中的最大容許壓力，不同的橫截面面積適于圓柱形 罐，例如圓形、橢圓形或矩形。例如如果罐安裝在車體的中空空間中，則還考慮不規(guī)則形狀 的橫截面面積。對于約100巴以上的高壓，圓形和橢圓形橫截面是特別合適的。
[0021] 在該實(shí)施方案中，特別優(yōu)選至少一個(gè)分離元件形成為管，使得管內(nèi)部的空間形成 第一通道型隔室且管外壁與罐內(nèi)壁之間或者可能管外壁與另一分離元件之間的空間形成 第二環(huán)形通道型隔室。罐和管式分離元件的橫截面面積優(yōu)選具有相同的形式，例如都是圓 形或者都是橢圓形。在本發(fā)明該構(gòu)型的一個(gè)發(fā)展中，存在大量分離元件，其都形成為具有不 同的直徑且同軸排列的管。它們的橫截面面積也優(yōu)選具有相同的形式。
[0022] 進(jìn)料裝置包含至少一個(gè)通過罐壁的通路，氣體可通過所述通路流入罐中，并以一 定方式設(shè)計(jì)使得流入氣體幾乎僅轉(zhuǎn)移至每對通道的兩個(gè)隔室中的一個(gè)中。在一個(gè)優(yōu)選的構(gòu) 型中，進(jìn)料裝置包含管式供應(yīng)管線，其一端與至少一個(gè)通路連接且另一端位于通道型隔室 中。作為選擇，另一端也可位于距離隔室的端面通道入口的一定距離處，所述距離以一定方 式定尺寸使得從管線末端發(fā)出的氣體幾乎僅流入該隔室中。
[0023] 在另一有利構(gòu)型中，進(jìn)料裝置包含組件，組件將通過至少一個(gè)通路流入的氣體以 定向方式分布到每對通道的一個(gè)隔室中，例如偏轉(zhuǎn)元件或分配裝置。
[0024] 在本發(fā)明吸著儲(chǔ)存器的一個(gè)優(yōu)選構(gòu)型中，進(jìn)料裝置包含管式供應(yīng)管線，其一端與 至少一個(gè)通路連接。供應(yīng)管線穿過第一隔室，且其另一端開放到連接隔室的共用空間中。在 本發(fā)明的另一設(shè)計(jì)中，管式供應(yīng)管線在其穿過第一隔室的區(qū)域中是多孔的，使得流入氣體 部分地流入該第一隔室中。通過該措施，在完全形成循環(huán)流以前，可實(shí)現(xiàn)更均勻的吸附，以 及因此沿著通道型隔室更均勻的溫度特征，特別是在填充操作開始時(shí)。
[0025] 進(jìn)料裝置還可包含用于影響氣體流動(dòng)的裝置，例如節(jié)流閥或控制閥。這些裝置可 提供于罐的內(nèi)部或外部。大量通路也可提供于罐壁中，例如以便將氣體在大量點(diǎn)供入通道 型隔室中，或者以便提供用于用氣體填充和除去氣體的不同通路。優(yōu)選一個(gè)或多個(gè)相同的 通路用于氣體的脫除以及將罐用氣體填充。
[0026] 各種材料適用作吸附介質(zhì)。吸附介質(zhì)優(yōu)選包含沸石、活性炭或金屬-有機(jī)骨架。
[0027] 吸附介質(zhì)的孔隙率優(yōu)選為至少0. 2。孔隙率定義為空隙體積與罐中的任何子體積 的總體積的比。在較低的孔隙率下，流過吸附介質(zhì)時(shí)的壓降提高，這對填充時(shí)間具有不利影 響。