气体储存模块，装置，系统以及利用吸附材料的方法
【专利说明】气体储存模块，装置，系统以及利用吸附材料的方法
[0001]相关申请
本申请主张要求序列号为61/784,893，申请日为2013年3月14日，名称为“气体储存单元，装置，系统以及利用吸附材料的方法”的美国临时专利申请的优先权，所述专利的内容作为一个整体被纳入参考。
技术领域
[0002]本发明涉及一般通过吸附作用的气体储藏。
【背景技术】
[0003]气体可以以各种形式储存，以供日后作为能源利用。例如，气体在罐内可被压缩至高压或低温冷冻成凝结液。上述储存方法增加了气体的密度因而增加了其固有体积能量密度(VED)。然而，上述储存方法存在缺点，压缩气体的储存需要利用重型的，昂贵的罐体和栗送系统，并且高压气体储存在特定的工作环境中可能会造成安全问题。在一个冷凝的液体状态下的气体化合物的存储要求使用昂贵，笨重和复杂的设备。
[0004]气体也可以通过可逆吸附在多孔材料上而储存，目前的焦点是发展在中等的压力和周围的环境温度下能够致密化的以吸附剂为基础的气体储存系统，同时能够达到一个与通过压缩或液化达到的VED值相当或更好的值。由于相比压缩的气体罐而较低的工作压力，用来吸附气体的罐体的壁可以制作的薄一些，因而可以减少罐体重量和花费。除此之夕卜，相比于压缩气体罐和冷凝气体罐通常限制的圆柱形和球形的几何形状，吸附气体的罐可制作成多种形状来使其适应于可利用的空间。这种灵活性可允许吸附气体罐安装在，例如，不影响存储空间或乘客空间的车辆上，并且可以方便的集成便携式/移动设备的吸附气体罐。此外，吸附气体不需要复杂和昂贵的压缩或液化设备来用于储存和分配。
[0005]不幸的是，吸附气体技术的进步受到了当前吸附剂低VED值的阻碍，吸附气体系统的VED受到多种因素的影响，包括吸附剂的气体重量载荷能力(气体克数/吸附剂克数)，吸附剂的体积密度(吸附剂克数/吸附剂体积)，罐内吸附剂的特定填充容积(吸附剂体积/罐体体积)。特定填充体积是对罐中吸附剂量的测量，由于与工艺相关的一些内部构件的应用(例如传热部件，气体传输部件，测量装置，吸附剂保护装置，等等)导致了内部可用体积的减少。迄今，对吸附气体储存的研究主要是针对具有高气体重量负荷能力的开发材料，并且比较少解决高表面材料的低体积密度问题，通常体积密度范围在0.25-0.4(吸附剂克数/吸附剂体积)，或者开发达到高的填充容积。虽然提高吸附剂的气体载荷能力对提高VED值很重要，吸附剂的致密化方法和填充方法的开发，增加了罐内吸附剂的质量也需要提高吸附气系统的VED到一定值，其超过了如压缩和液化的常规方法得到的VED值。
[0006]除了提高VED的需求，吸附气体罐的热量管理的改进也是必要的用以作为冷凝器增压(吸附)和蒸发器解压(解吸)的实质性系统操作为有效和可靠的操作。在罐体吸附过程中，所述气体压缩在吸附剂表面释放吸附的热量，其大于气体的汽化热。在气体吸收时罐体温度上升，最终导致气体存储容量的减少，从而减少VED，因为吸附是一个放热的，自熄过程。为了达到理想的气体负荷，在减轻罐体负载的解吸过程中，产生的热量必须被移除。在一些应用中，在吸附过程中不适当的热量管理被指出可减少大于25%的存储能力。类似地，在较小程度上，从吸附剂的气体解吸是吸热过程，其消耗周围热量导致罐体温度降低，这也能导致解吸率的降低。解吸率的降低对装置的性能有不利的影响，装置的操作依赖于气体的供给率，例如车辆发动机。因此，为满足一个功率消耗装置的气体可用性需求，在适当的时间，吸附的气体罐必须适时加热。
[0007]多个热量管理和气体分布策略被评估以减轻气体吸附和解吸对罐性能的不利的热影响。之前的很多工作主要关注在将换热器设计在储存容器中，在气体吸附/解吸过程中，以对吸附剂的填充床提供加热和冷却。虽然通过控制吸附床的温度来稳定增压/解压过程中的温度可改进存储效率，但储存容器内部的传热构件的存在显著降低了吸附剂罐内的有效容积。而且，特别是考虑到一种典型的吸附剂是高孔隙度，低导热率的固体时，现有的传热系统提供的热源和散热片之间的距离过远。因此，在吸附及解吸过程中温度控制的最优化和进一步改进是需要的。
[0008]此外，现有的吸附气系统不能提供有效的气体分布到或者来自吸附剂，因而不能提供充分的吸附和解吸率。现有的系统需要非常长的距离用来吸附物在从罐中解压之前的迀移或流动，或者用来进气在从罐的入口到最远的吸附位置流动。同样地，过多的压力降在吸附剂床上可能对吸附/解吸率和有用的工作能力带来不利的影响。
[0009]此外，现有的吸附气体燃料罐的设计没有充分解决吸附剂颗粒的磨损和沉降的问题。颗粒倾向于振动和分裂，导致吸附剂颗粒的分层和床的再分配。而且，从床上解放出来的粒子可能在解吸过程中被夹带，从而导致流道、管、压力控制阀、测量装置等的阻塞。
[0010]上述的挑战适用于，例如，作为替代燃料的气体的储存(或在研究中使用)。一个具体的例子是天然气(NG)，它是由传统的压缩(压缩气体或压缩天然气)或冷凝(液化气或液化天然气)方式来存储。VED是在汽车应用燃料的车载存储中特别感兴趣的一个因素，因为它与每单位储罐体积的传输距离相关，并影响在一特定的应用程序中所需的储存罐体的大小。由于在室温条件下作为气体的天然气NG具有低的固有的VED(0.0364 MJ / L)。通过比较，压缩天然气的VED为9.2 MJ / L (在250巴下)和液化天然气的VED为22.2 MJ /L (在-161.5° C下)。而天然气的压缩或冷凝可提高VED，压缩天然气和液化天然气的VED各自仅为27%和64%，而汽油的VED为(34.2 MJ / L)。对天然气提供动力的车辆，这意味着需要大量的燃料箱体积和/或减少行驶距离。而且，将天然气压缩或凝结也具有与上述一般的气体同样的缺点。
[0011]目前已知的甲烷吸附剂(CH4，天然气的主要成分)包括活性炭和微孔结构化的材料如金属有机框架和多孔聚合物网络。吸附天然气(ANG)系统使用这些吸附剂已经取得了稍微改善的VED，例如在35巴下少于7 MJ/L，其低于250巴下压缩天然气的VED。现在需要做些改进以增加吸附天然气系统的VED来达到超过压缩天然气VED和可能比得上汽油罐VED的某一个值。
[0012]鉴于上述情况，有必要继续对通过吸附来储存气体的装置和方法进行改进。
【发明内容】
[0013]为了解决可能已被本领域技术人员观察到的上述全部或部分和/或其他问题，本发明提供了例如在下面所述的实施例中所描述的方法、过程、系统、装置、仪器和/或设备。
[0014]通过一个实施例，一气体储存模块包括:一二维本体包括第一表面，一相对的第二表面，在第一表面和第二表面之间的一侧壁，与所述侧壁相连并穿过或沿着本体从侧壁伸出的多个通道；沿着与第一表面和第二表面共平面的一平面伸出的一热交换结构，其中所述本体包括一吸附剂和粘合剂的填充混合物，所述吸附剂包括具有用于吸附气体的组成和有效孔隙率的多个颗粒，以及粘合剂具有一用于将颗粒有效地结合在一起的组成。
[0015]通过另外的一实施例，一气体储存装置包括多个气体储存模块堆积在一起，以便每个气体储存模块的第一表面或第二表面面对至少一个其它相邻的气体储存模块的第一表面或第二表面。
[0016]通过另外的一实施例，一种制造气体储存模块的方法包括:混合吸附剂和粘合剂，其中所述吸附剂包括具有用于吸附气体的组成和有效孔隙率的多个颗粒，以及粘合剂具有一用于将颗粒有效地结合在一起的组成；从混合物中形成一个二维的本体，所述本体包括第一表面，相对的第二表面，第一表面与第二表面之间的侧壁，与所述侧壁相连并穿过或沿着本体从侧壁伸出的多个通道，在其中形成包括将混合物填充至本体中的吸附剂所需的密度；以及相对于本体配置一热交换结构，使得热交换结构沿着与第一表面和第二表面共平面的一平面伸出。
[0017]通过另外的一实施例，一种制造气体储存装置的方法包括:将多个气体储存模块堆积起来，以便每个气体储存模块的第一表面或第二表面面对至少一个其它相邻的气体储存模块的第一表面或第二表面。
[0018]通过另外的一实施例，一种储存气体的方法包括:穿过或者沿着一个包括多个吸附剂颗粒的二维本体延伸的多个通道中的气体流动，其中气体从通道扩散到本体并吸附在颗粒孔隙中，并且吸附产生了热量；在气体流动的同时，将热量从吸附剂颗粒转移到一个沿着与第一表面以及相对的第二表面共平面的平面伸出的热交换结构上。
[0019]本发明的其他设备、装置、系统、方法、功能和优点，将出现在下列图和详细的描述中，并对本领域技术人员将变得显而易见。它的目的是，所有这些包括在说明书中的附加的系统，方法，功能和优点都在本发明的保护范围内，并被随附的权利要求所保护。
【附图说明】
[0020]参考下面的附图能更好的理解本发明。图中的部件并不一定是按规定比例的，重点在于说明本发明的原则。在这些图中，在不同的视图中同样的数字指定同样的部件。
[0021]图1为本发明实施例气体储存模块的透视图。
[0022]图2为图1中所示气体储存模块的平面图。
[0023]图3为图1中所示气体储存模块的侧视图。
[0024]图4为本发明实施例气体储存装置的透视图。
[0025]图5为图4中所示气体储存机构的正视图。
[0026]图6为本发明另一个实施例的气体储存装置的正视图。
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