吸附式气体储存设备的制作方法

1.本公开涉及通过吸附储存气体。
2.更具体地，本公开涉及通过吸附储存气体的结构、通过吸附储存气体的设备、用于储存和/或供应气体的系统以及相关的方法。


背景技术：

3.在工业中，无论是在移动、能源、化工或生产领域中，使用气体都受到多种限制。在这方面，已经提出了许多气体储存设备。这些设备中的一些可以包括用于储存气体的固体材料。
4.这种固体储存设备必须展现特定的性能，以满足由气体引起的且与气体使用条件有关的限制。以固体形式储存的气体例如在用作能量载体时可以为燃料电池供电。在移动领域，它也可以在机动车辆内使用。
5.取决于预期的用途，由于储存材料及其尺寸的选择，因此以不同的方式确定储存结构的尺寸。例如，已知在堆叠盒中提供压缩粉末形式的储存材料。
6.在任何情况下，储存材料的管理都是保证此类设备性能的至关重要的问题。在这方面，例如已知的是将储存材料布置在壳体内。
7.然而，已知的系统在所述系统的实施中面临储存材料的行为的效率和均化、储存结构的稳健性和寿命、使用安全性、制造复杂以及经济效率和能源效率的问题。
8.例如，美国专利文件2005/0188847描述了一种壳体，热交换器延伸到壳体中。热交换器由管道组成，管道横向连接有翅片，在管道之间形成空隙，这些空隙中的一些填充有用于以固体形式储存氢的合金。由于合金的膨胀，剩余的空空隙配置成被不可逆地压碎。


技术实现要素：

9.本公开的一个目的是减轻上面列出的缺点中的至少一个。
10.本公开的另一个目的是允许储存材料中优化的，例如更有效或更稳健的，气体储存。
11.本公开的另一个目的是便于气体储存结构的处理，特别是在其制造过程中。
12.本公开的另一个目的是简化气体储存结构的制造、维护和/或再循环，特别是通过减少与这些操作有关的成本。
13.本公开的另一个目的是减少气体储存结构内的机械限制。
14.本公开的另一个目的是促进气体储存结构内的热交换。
15.本公开的另一个目的是提出一种可以容易地适应气体储存和/或供应性能的需求的储存结构。
16.特别地，本公开涉及一种通过吸附的气体储存结构，包括：
17.‑
第一层，包含吸附式储存材料；
18.‑
第二层，包含：
19.○
第二层的第一部分，与第一层接触且包括具有与储存材料相比较高的导热率的导热材料，以增加储存结构内的热传递；和
20.○
第二层的第二部分，包括材料，所述材料是：
21.●
可压缩的，以在气体吸附和解吸附阶段储存材料的体积变化期间，在由储存材料施加的力的作用下变形；
22.●
具有与第一部分的材料相比较高的压缩性；且
23.●
导热性的，具有与储存材料相比较高的导热率，以增加储存结构内的热传递。
24.在这样的结构中，由于第二层，涉及大量热流的、储存材料的气体吸附和解吸附现象被促进。另外，第二层在储存结构的操作期间用作缓冲层，以在所述结构内以最佳方式分散机械应力。当通过吸附的气体储存可逆时，这是特别有利的。实际上，交替的吸附和解吸附阶段导致储存材料体积的循环变化，这些体积变化由第二层的第二部分的材料补偿。另外，该补偿可以在几个连续的循环中实现，其中第二层的第二部分的材料在被压缩之后可以再次膨胀，这与us 2005/018847中描述的被不可逆地压碎的空隙不同。
25.有利地但可选地，根据本公开的设备可进一步单独地或组合地包括以下特征中的至少一个：
26.‑
第一部分的材料显示出与第二部分的材料相比较低的孔隙率；
27.‑
储存材料为预压缩粉末形式的；
28.‑
第一部分是第一子层，和/或第二部分是第二子层；
29.‑
对于至少一个第二层，第二子层设置在第二层的第一子层和第三子层之间，与至少一个第一层中的另一个接触，并且包括具有与储存材料相比较高的导热率的导热材料，以增加储存结构内的热传递；
30.‑
所述结构包括交替的第一层和第二层，优选地，第一层被第二层之一两两地隔开；
31.‑
所述结构包括交替的薄片，优选为机械上彼此独立的薄片，优选地每个第一层和/或每个第二层形成薄片；以及
32.‑
吸附式储存材料是可逆的吸附式气体储存材料；
33.‑
第二层适于在气体储存和/或供应期间通过弹性变形补偿第一层的“呼吸”。
34.本公开的另一个目的还涉及一种用于通过吸附储存气体的设备。
35.包括：
36.‑
如前所述的储存结构；
37.‑
壳体，其中储存结构位于壳体内。
38.本公开的另一个目的还涉及一种气体储存和/或供应系统，该系统包括如前所述的储存设备和气体利用单元。
39.本公开的另一个目的还涉及一种通过如前所述的储存结构、或如前所述的储存设备、或如前所述的气体储存和/或供应系统来储存和/或供应气体的方法，包括：通过由第一层吸附来储存气体的步骤。
40.有利地但可选地，根据本公开的设备可另外单独地或组合地包括以下特征中的至少一个：
41.该方法还包括以下步骤：
42.○
塑性压缩第二层的材料；以及
43.○
弹性压缩和/或解压第二层的材料。
附图说明
44.通过阅读作为非限制性示例给出的以下与附图相关联的详细描述，本公开的其他特征、目的和优点将变得明显，其中：
45.图1示出了根据本公开实施例的示例的气体储存结构；
46.图2示出了图1中储存结构的第二层在所述结构操作期间的演变；
47.图3示出了根据本公开实施例的示例的气体储存设备；
48.图4示出了根据本公开实施例的示例的气体储存和/或供应系统；以及
49.图5是示出根据本公开实施例的用于储存和/或供应气体的方法的流程图。
具体实施方式
50.参考附图，现在将描述通过吸附储存气体的结构和设备，以及用于气体储存和/或气体供应的系统和方法。
51.所储存的气体可以是任何性质和类型的。例如，储存结构可以单独地或组合地储存氢、氨、水蒸气、氧气和/或二氧化碳。
52.气体储存结构
53.参考图1，吸附式气体储存结构10可以由第一层100和第二层200组成。
54.第一层100被配置为通过吸附来储存气体。为此，第一层100可以包括吸附式储存材料。
55.所述吸附式储存材料可以是可逆或不可逆的吸附式气体储存材料。可逆是指最初通过吸附装载且已经通过吸附至少部分释放的材料能够至少部分地重新装载到储存所述材料的介质中。在不可逆吸附的情况下，气体只能被解吸附一次，不能被材料再次吸附。
56.有利地，所述储存材料可以是预压缩粉末形式的。实际上，这种形式有利于储存材料的运输，因为它更易于处理并且具有较小的体积。此外，这种形式更适合吸附式储存操作，因为它更稳定，便于热传递并使储存材料的膨胀更加均匀。
57.另外，该材料可以具有优化的孔隙率以增加储存结构的体积储存容量，而且也可以适应第二层200的体积变化。例如，储存材料的孔隙率为10体积％至50体积％，优选为25体积％至35体积％。所述孔隙率被定义为在给定体积的储存材料内未被储存材料占据的体积与所述给定体积的比率。换句话说，所述孔隙率为未被储存材料占据的体积与储存材料表观体积的比率，即，所述孔隙率等于理论密度和表观密度的差与理论密度的比率。在任何情况下，预压缩粉末形式使得可以控制储存材料的孔隙率。
58.另外，所述储存材料可以包括：
59.‑
适于形成金属氢化物，优选mgh2、naalh4、linh2和/或libh4类型，的材料；和/或
60.‑
适于形成中间合金，优选timn2、ticr2、lani5、feti、tiv和/或tizr类型，的材料；和/或
61.‑
适于形成氨盐(sel d'ammoniac)，优选bacl2和/或cacl2类型，的材料；或
62.‑
适于形成氢氧化物，优选cao和/或ca(oh)2类型的材料；或
63.‑
适于形成氧化物，优选pbo和/或cao类型，的材料。
64.申请人确实已经发现上述材料特别适于储存和/或供应气体，例如氢气、氨气、水蒸气、氧气和/或二氧化碳。然而，这是非限制性的，因为这样的材料也可以特别适于其他类型的气体。
65.第二层200可以包括材料，所述材料是：
66.‑
导热性的，具有与储存材料相比较高的导热率，以增加储存结构10内的热传递；以及
67.‑
可压缩的，以便在气体吸附和解吸附阶段储存材料的体积变化期间，在由储存材料施加的力的作用下变形。
68.由于第二层200，涉及大量热流的、储存材料的气体吸附和解吸附现象被促进。实际上，热传递均匀地分布在整个储存结构10中，这增强了其效率和耐用性。实际上，热量可以容易地从第一层100被传递和提取，这确保了气体在储存结构10内的快速储存和/或释放。因此，有利地增加了由给定质量的储存材料储存的能量。有利地，第一层100和第二层200的尺寸、形状和相对位置使得能够优化储存结构10内的热传递。例如，当第一层100和第二层200在优选的纵向方向上延伸时，如图1中所示，沿与纵向方向正交的截面的层厚度是用于优化储存结构10内的热流的可能杠杆(levier)。可替代地，或组合地，在第一层100内在相对于纵向方向的径向方向上提供储存材料孔隙率梯度也是用于优化储存结构10内的热交换的可能途径。确实，可以观察到，当第一层100和第二层200在纵向方向上延伸时，径向方向构成储存结构10中的热交换的优选方向。在任何情况下，由第一层100发出或接收的大部分热量被第二层200传递。
69.另外，第二层200在储存结构10的操作期间用作缓冲层。的确，第二层200补偿了在气体吸附和解吸附阶段储存材料的体积变化，从而保持了储存结构10的机械一致性。通过这种方式，有利地增加了储存材料的体积容量，这是因为不再需要在储存结构10中创建空的空间，如在us2005/0188847专利文件中描述的储存系统中。最后，第二层200分散了操作过程中由于储存材料的体积变化而产生的机械力。
70.气体可以通过任何合适的扩散器(未显示)供应到储存材料和/或从储存材料中提取。有利的是，扩散器沿与储存结构10的优选方向相对应的纵向方向延伸，并且气体沿相对于该优选方向的径向方向从储存材料分布和/或分布至储存材料。
71.交替结构
72.如图1所示的，在一个实施例中，储存结构10包括交替的第一层100和第二层200。优选地，储存结构10包括交替的第一层100和第二层200，其中第一层100优选地被第二层200之一两两地隔开。交替分配尤其有利于储存结构10内热应力和机械应力的分散。此外，在储存结构10的制造和维护阶段，交替结构都易于在工业规模上再现。而且，这种结构可以很容易地根据气体储存和/或供应性能的要求进行调整。最后，这种分配允许储存结构10的紧凑性，这对于诸如运输(例如汽车)的应用可能是特别有利的。
73.有利地，储存结构10包括交替的薄片(galettes)，每个第一层100和/或每个第二层200优选地形成薄片。优选地，但可选的，薄片在机械上彼此独立。这样的配置也可以在与储存结构10的制造、维护和/或再循环有关的各种操作期间便于储存结构的不同元件的处理。此外，薄片配置促进了储存结构10中的材料的分配和分布的几何优化。而且，此配置更
适于吸附式储存操作，因为它更稳定，易于热传递并且使储存材料的膨胀更均匀。因此，当装载储存材料时，气体可以更好地分布在整个储存结构10中。
74.第二层的各部分
75.仍参考图1，在一个实施例中，第二层200可包括与第一层100接触的、第二层的第一部分201、203和第二层的第二部分202。
76.然后，在该配置中，第一部分201、203可以包括导热材料，该导热材料具有比储存材料高的导热率，以便增加储存结构内的热传递。然而第二部分202可以包括可压缩材料，以便在气体吸附和解吸附阶段储存材料的体积变化期间在由储存材料施加的力的作用下变形。另外，第二部分202的材料有利地具有与第一部分的材料相比较高的压缩性。我们了解压缩性是材料在承受给定压缩应力时其体积减小的能力。因此，对于相同的压缩应力，第二部分202的材料的体积减小量大于第一部分201、203的材料的体积减小量。换句话说，为了达到第一部分201、203的材料和第二部分202的材料的给定体积减小率，第一部分201、203的材料比第二部分202的材料需要更大的压缩应力。在任何情况下，第二部分202的材料也可以是导热性的，具有与储存材料相比较高的导热率，以便增加储存结构10内的热传递。
77.然后，第二层200的功能部分地分布在第一部分201、203和第二部分202之间。这样，这些功能中的每一个可以彼此独立地被优化，这提高了储存结构10的整体效率，并进一步允许根据气体供应和/或储存要求使储存结构10进一步调整。另外，在两个部分201、202、203的每一个中导热材料的存在确保了促进储存结构10内的热交换，以便在整个储存结构10中均匀地分布热量。
78.第一部分201、203的材料可以与第二部分202的材料相同。这导致有利的成本降低以及储存结构10的制造的简化。或者，第一部分201、203的材料可以不同于第二部分202的材料。这有利于储存结构10的调整，以优化其对于给定气体的储存和/或供应能力。
79.此外，第一部分201、203的材料和/或第二部分202的材料可以包括基质，该基质包括石墨，例如天然石墨，例如膨胀的天然石墨。替代地或作为补充，第一部分201、203的材料可以包括金属，例如铝或铜。替代地，或作为补充，第二部分202的材料可以包括泡沫。本申请人已经确定这些材料具有充足的压缩性和/或热传递性能，以执行储存结构10的第一部分201、203和/或第二部分202的功能。
80.另外，第一部分201、203的材料可以具有与第二部分202的材料相比较低的孔隙率。所述孔隙率是既影响材料的压缩性又影响其热性能的参数。因此，孔隙率的这种差异有利于第二部分202在气体吸附和解吸附阶段储存材料的体积变化期间在由储存材料施加的力的作用下的变形，并允许第一部分201、203增加储存结构10内的热传递。具体地，第一部分201、203的材料可以具有小于50％，优选地小于15％，并且以优选方式优选地小于5％的孔隙率。
81.参考图2，第二层200的机械性能在储存结构10的不同操作循环期间的演变。
82.实际上，储存结构10的第一操作循环允许激活第一层100。更精确地，在储存结构10的第一装载和/或卸载循环期间，包括在第一层100中的储存材料将通过吸附获得其全部储存容量。这种初始调节可以在可能是长期的和/或在高温和/或高压下执行的装载和/或卸载循环中实施。在这方面，应该注意的是，当储存材料处于预压缩粉末形式时，由于第一次装载和/或卸载循环的次数和持续时间减少，激活被促进。随着连续装载和/或卸载发生，
由第一层100储存并然后释放的气体量逐渐增加，直到在给定的温度和压力条件下达到预期的储存水平。这个预期水平对应于在给定的温度和压力下第一层100可储存的最大气体量。一旦达到这个水平，储存材料就被激活。然而，这个或这些第一操作循环导致第一层100的体积显著变化。这导致第二层200的塑性压缩，主要是通过第二层的第二部分202的塑性压缩，如图2所示。
83.随后，在气体储存和/或释放期间，第一层100的体积变化不如在储存材料的激活期间显著。这引入了第一层100呼吸的概念。这些小的体积变化通过第二层200的弹性变形来补偿，如图2所示。
84.因此，第一部分201、203的厚度可以小于5毫米，优选地约2毫米，以优选的方式约1毫米。就第二部分202而言，在激活储存材料之前，第二部分202可以具有2至10毫米的厚度，优选地具有2至8毫米的厚度，并且优选地具有2至4毫米的厚度。本申请人已经发现，这些厚度确保了储存结构10内的最佳导热性、以及在气体吸附和解吸附阶段储存材料的体积变化期间由储存材料所施加的力的良好补偿。在任何情况下，第二层200的塑性压缩导致第二层200的高度与激活之前其初始高度相比降低了20％至60％的程度，并且弹性压缩导致第二层200的高度与激活之前其初始高度相比降低了80％至99％的程度。
85.另外，在激活储存材料之前，第二部分202的材料可以具有大于70％，优选大于80％，并且以优选方式大于95％的孔隙率，并且在激活储存材料之后，第二部分202的材料可以具有大于20％，优选大于30％，并且以优选方式45％至60％的孔隙率。本申请人已经发现，这些孔隙率确保了储存结构10内的最佳导热性、以及在气体吸附和解吸附阶段储存材料的体积变化期间由储存材料所施加的力的良好补偿。
86.如图1至图3所示，第一部分201、203可以是第一子层，和/或第二部分202可以是第二子层。这保证了便于储存结构10的制造、维护和/或再循环操作的结构均匀性。此外，在维持储存结构10的良好紧凑性的同时，可以确保第二层200的功能。然而，由于第一部分201、203和第二部分202的其他形式是可能的，这不是限制性的。例如，第二层202也可以被构造成角扇形，每个扇形对应于第一部分201、203和第二部分202中的一个或另一个。
87.有利地，参考图1，对于至少一个第二层200，第二子层202可以布置在第二层的第一子层201和第三子层203之间，与至少一个第一层100中的另一个接触，并包括具有与储存材料相比较高的导热率的导热材料，以便增加储存结构内的热传递。在第二层200的这种“三明治”配置中，第二子层202不与第一层100接触。该配置允许优化通过储存结构10的热传递。
88.储存设备
89.参照图3，吸附式气体储存设备30包括根据前述实施例之一的储存结构10和壳体40，其中储存结构10设置在壳体40内。
90.壳体40的存在便于储存结构10的运输和处理，也便于其在整体结构(例如汽车)中的集成。此外，第二层200的存在使得能够缓解储存结构10在操作过程中对壳体40施加的机械和热应力。因此，这样的储存设备30更稳健。
91.气体储存和/或供应系统
92.参考图4，气体储存和/或供应系统50包括根据上述实施例中的任一个的吸附式气体储存设备30和气体利用单元60。
93.当储存的气体是氢时，气体利用单元60可以例如是机动车辆燃料电池。
94.气体储存和/或供应方法
95.参照图5，通过根据前述任一实施例的吸附式气体储存结构10和/或吸附式气体储存设备30和/或气体储存和/或供应系统50来储存和/或供应气体的方法e，包括通过由第一层100吸附气体进行储存的步骤e1。
96.有利的是，该方法e还包括第二层200的材料的塑性压缩的步骤e2和第二层200的材料的弹性压缩和/或解压的步骤e3。这些步骤e2、e3对应于前面描述的激活e2且然后呼吸e3的过程。