給吸附存儲(chǔ)器充填氣體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于存儲(chǔ)氣態(tài)物質(zhì)的吸附存儲(chǔ)器，該吸附存儲(chǔ)器包括封閉容器、 具有在容器壁中的入口及入口阻斷元件的進(jìn)料裝置，并且該吸附存儲(chǔ)器包括在容器壁中的 出口，該出口具有出口阻斷元件。本發(fā)明還涉及給吸附存儲(chǔ)器填充氣體的方法，其中該吸附 存儲(chǔ)器包括至少部分地填充有吸附介質(zhì)的封閉容器并具有分別可通過阻斷元件關(guān)閉的入 口和出口。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了存儲(chǔ)用于固定和移動(dòng)應(yīng)用的氣體，現(xiàn)今除了加壓氣體罐之外吸附存儲(chǔ)器也越 來越多地被使用。吸附存儲(chǔ)器一般包括具有大的內(nèi)表面積的吸附介質(zhì)，氣體被吸附在該內(nèi) 表面積上并從而被存儲(chǔ)。在填充吸附存儲(chǔ)器期間，由于吸附過程而釋放熱量，且必須從存儲(chǔ) 器中移除該熱量。類似地，在將氣體從存儲(chǔ)器中取出的解吸附過程中必須提供熱量。因此， 熱量管理在吸附存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)中是非常重要的。
[0003] 專利申請(qǐng)US 2〇OS/0168776 Al描述了一種用于氫氣的吸附存儲(chǔ)器，其包括與周圍 環(huán)境絕熱的外部容器，在該外部容器內(nèi)部設(shè)有多個(gè)包含吸附介質(zhì)的壓力容器。壓力容器之 間的中間空間填充有冷卻液體從而使得能夠移除吸附過程中散發(fā)的熱量。
[0004] 專利申請(qǐng)WO 2005/044454 A2描述了一種用于存儲(chǔ)氣態(tài)烴的裝置，其包括填充有 吸附介質(zhì)的容器。設(shè)置有用于待存儲(chǔ)的氣體的外部回路，氣體流在該外部回路中冷卻以移 除吸附過程中散發(fā)的熱量。
[0005] 已知吸附存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)是氣體填充進(jìn)行得非常緩慢。特別是在移動(dòng)應(yīng)用的情況 下，例如在機(jī)動(dòng)車輛中，這個(gè)缺點(diǎn)尤其嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種存儲(chǔ)氣態(tài)物質(zhì)的方法，其可以允許快速充填氣體以 及改善氣體移出。該裝置應(yīng)具有簡單的結(jié)構(gòu)并且操作期間需要很少的電能。另一目的是提 供一種快速且有效地充填存儲(chǔ)器及從存儲(chǔ)器中移出氣體的方法。
[0007]該目的可通過如權(quán)利要求1描述的本發(fā)明的主題實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明更加優(yōu)選的實(shí)施方 式可存在于從屬權(quán)利要求中。本發(fā)明的其他主題在權(quán)利要求11及其從屬權(quán)利要求中表明。 [0008]使用吸附存儲(chǔ)器來實(shí)施本發(fā)明的方法，所述吸附存儲(chǔ)器包括封閉容器，該封閉容 器具有分別可通過阻斷元件關(guān)閉的入口和出口。該容器至少部分填充有吸附介質(zhì)。本發(fā)明 的方法包括下列步驟：
[0009] (a)關(guān)閉出口阻斷元件并打開入口阻斷元件，
[0010] (b)在預(yù)定壓力下通過入口引入待存儲(chǔ)的氣體，
[0011] (C)在入口阻斷元件打開的情況下迅速打開出口阻斷元件，使得在容器中產(chǎn)生具 有預(yù)定流率的氣體流，
[0012] (d)隨著氣體被吸附在存儲(chǔ)器中的吸附率的變化而降低流率，以及 CN 104704282 A 說明書 2/8頁
[0013] (e)完全關(guān)閉該出口阻斷元件。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)中己知的吸附存儲(chǔ)器為了充填通常連接至壓力管道，待存儲(chǔ)的氣體以恒 定壓力從該壓力管道流入至該存儲(chǔ)器中，直到存儲(chǔ)器內(nèi)已達(dá)到預(yù)定的最終壓力。然而，發(fā)現(xiàn) 在用根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行充填時(shí)可大大降低充填所需的時(shí)間。
[0015] 在吸附存儲(chǔ)器中，氣體既通過吸附在吸附介質(zhì)上而存儲(chǔ)，且又存儲(chǔ)在吸附介質(zhì)的 單個(gè)顆粒之間和內(nèi)部的空隙中，或者存儲(chǔ)在容器中未填充有吸附介質(zhì)的區(qū)域內(nèi)。在本發(fā)明 方法的步驟（b)中，該空隙首先被氣體填充。存儲(chǔ)器中的壓力幾乎無時(shí)滯地遵循/跟隨流 入容器中的氣體壓力。為了將充填操作所需的總時(shí)間降到最少，應(yīng)盡可能快地通過在指定 為填充操作結(jié)束時(shí)的最終壓力下引入氣體來執(zhí)行該第一步。
[0016] 在步驟（b)中，部分氣體被吸附，導(dǎo)致吸附材料以及其周圍氣體的溫度升高。在步 驟（C)中，由于在入口阻斷元件繼續(xù)打開的情況下出口阻斷元件的迅速打開，在容器中產(chǎn) 生了氣體流，且該氣體流在吸附介質(zhì)上流過并確保從容器中帶走由于吸附所散發(fā)的熱量。 另外，氣體流增加了吸附介質(zhì)的熱導(dǎo)率，這同樣導(dǎo)致了熱量的更快移除。
[0017] 吸附在吸附介質(zhì)上的氣體越多，釋放的熱量越多。隨著吸附介質(zhì)不斷地裝載，單位 時(shí)間能被吸附的氣體量減少。單位時(shí)間吸附的氣體量被稱為吸附率。發(fā)現(xiàn)的是，容器中氣 體流的流率隨時(shí)間根據(jù)吸附率的變化而減?。ú襟Ed)是有利的。在根據(jù)本發(fā)明的方法結(jié) 束時(shí)，出口阻斷元件被關(guān)閉。
[0018] 吸附率可源于吸附動(dòng)力學(xué)；為了本發(fā)明的目的，術(shù)語吸附動(dòng)力學(xué)是指在恒溫恒壓 條件下氣體隨時(shí)間吸附在吸附介質(zhì)上的過程。確定吸附動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人 員是已知的，例如，通過壓力躍變實(shí)驗(yàn)或吸附平衡（例如在"趙、李和林，工業(yè)和工程化學(xué)研 宄，48 (22)，2009,10015-10020 頁"中）來確定。
[0019] 吸附動(dòng)力學(xué)的過程往往可通過指數(shù)衰減函數(shù)來近似，該函數(shù)一開始顯示急劇上 升，然后隨著它朝最終值會(huì)聚而變得一直平滑。這種近似的一個(gè)例子是函數(shù)a · (I-^Tbt)，其 中a和b為正常數(shù)。吸附動(dòng)力學(xué)還可以通過其他函數(shù)來近似，例如凹函數(shù)、在區(qū)間連續(xù)的函 數(shù)、在區(qū)間線性的函數(shù)或者連接初值和終值的線性函數(shù)。通過這種方式可確定用于吸附率 的近似函數(shù)。
[0020] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，流入容器中或從容器流出的氣體流通過 流量傳感器測量并且容器中的氣體流率隨時(shí)間設(shè)定為吸附率的預(yù)定倍數(shù)。該倍數(shù)優(yōu)選為從 1. 5到100,特別是優(yōu)選為從3到40。在該倍數(shù)為極小值時(shí)，存在熱量不能被充分移走的風(fēng) 險(xiǎn)。在非常高的值時(shí)，需要花費(fèi)大量不必要的能量以保證能夠在熱量移除不足的情況下實(shí) 現(xiàn)高流量。
[0021] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方式中，氣體流的溫度在容器內(nèi)部的至少一 個(gè)位置處測量，并且如果需要的話調(diào)節(jié)容器中氣體的流率以使得不超過預(yù)設(shè)的最高溫度。 特別優(yōu)選在至少一個(gè)通道形子腔室內(nèi)測量溫度。
[0022] 流率的調(diào)節(jié)優(yōu)選通過改變出口阻斷元件的打開程度來進(jìn)行。該阻斷元件特別優(yōu)選 構(gòu)造為調(diào)節(jié)閥，特別是出口阻斷元件。
[0023] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)有利實(shí)施方式中，流入的氣體在注入之前先被冷卻，特別 是冷卻到恒定溫度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，從出口離開的氣體在循環(huán)回路中回流至入 口。在循環(huán)回路中，氣體有利地被壓縮并冷卻；合適的裝置，例如壓縮機(jī)、栗和熱交換器是本 5 CN 104704282 A 說明書 3/8頁 領(lǐng)域技術(shù)人員所己知的。
[0024] 多種材料適合作為吸附介質(zhì)。該吸附介質(zhì)優(yōu)選包括沸石、活性炭或金屬有機(jī)框架 材料。
[0025] 吸附介質(zhì)的孔隙率優(yōu)選為至少〇· 2。孔隙率定義為容器內(nèi)的任何子空間中空隙體 積和總體積的比率。在低孔隙率下，流經(jīng)吸附介質(zhì)的壓降增加，這對(duì)充填時(shí)間具有不利的影 響。
[0026] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，該吸附介質(zhì)是以球粒（顆粒，Pellet)層的形式 存在并且該球粒的滲透率與最小球粒直徑的比值為至少 10_14m2/m。在充填時(shí)氣體滲入球粒 的速度決定于使球粒內(nèi)部壓力接近球粒外部壓力的速度。該壓力均衡所需的時(shí)間且因而球 粒的裝載時(shí)間隨著滲透率的降低以及球粒直徑的增大而增加。這可能對(duì)充填和