用气体装填吸着储存器的方法
【专利说明】用气体装填吸着储存器的方法
[0001]本发明涉及用于储存气体物质的吸着储存器，其包含至少部分填充有吸附介质的密闭容器和包含通过容器壁的通路的进料装置，气体可通过所述通路流入容器中。本发明进一步提供用气体装填吸着储存器的方法，其中吸着储存器包含密闭容器和具有通过容器壁的通路的进料装置，气体可通过所述通路流入容器中，且容器具有至少两个平行的通道型子室，所述子室位于其内部并且各自至少部分地填充有吸附介质，且其通道壁为可冷清的。
[0002]对于固定和移动应用，为储存气体，除加压气罐外，目前日益使用吸着储存器。吸着储存器通常包含具有大内表面积的吸附介质，气体吸附于其上并由此存储。在吸着储存器的填充期间，热由于吸附而释放，且必须从储存器中除去。类似地，当将气体从储存器中取出时，必须提供热用于解吸方法。因此，热管理在吸着储存器的设计中是很重要的。
[0003]专利申请US 2008/0168776 Al描述了用于氢气的吸着储存器，其包含对环境热绝缘且多个包含吸附介质的压力容器置于其内部的外部容器。压力容器之间的中间空间用冷却液填充，以便能够除去吸附期间发展的热。
[0004]专利申请DE 10 2007 058 673 Al描述了用于储存气态烃的设备，其包含填充有吸附介质的绝缘容器。在容器中提供加热元件，且该加热元件通过控制系统以一定方式控制，使得当取出气体时，最小压力保持理想的长时间。
[0005]已知吸着储存器的一个缺点是用气体填充仅缓慢地进行。特别地，在移动应用中，例如在机动车辆中，该缺点是特别严重的。
[0006]本发明的目的是提供用于储存气体物质的设备，所述设备容许气体的快速装填和改进的气体取出。该设备应具有简单的结构并且在操作期间要求很少的电能。本发明的另一目的是提供快速且有效地装填储存器的方法。
[0007]该目的通过如权利要求1中所述的本发明主题实现。本发明的其它有利实施方案可在从属权利要求中找到。本发明的其它主题描述于权利要求9以及从属于它的权利要求中。
[0008]本发明方法使用吸着储存器进行，所述吸着储存器包含密闭容器和具有通过容器壁的通路的进料装置，气体可通过所述通路流入容器中。容器具有至少两个平行的通道型子室，所述子室位于其内部并且各自至少部分地填充有吸附介质，且其通道壁为可冷却的。在本发明方法的第一步骤中，将气体以一定量供入，使得尽可能快地达到储存器中预定最终压力的至少30%的压力。在随后的第二步骤中，供入的气体的量可以以一定方式变化，使得储存器中的压力过程接近吸附介质的吸附动力学直至在预定时间以后达到储存器中的预定最终压力。
[0009]如由现有技术已知的吸着储存器为了装填，通常与压力管线连接，待储存的气体以恒定压力从所述压力管线流入储存器中，直至达到储存器中的预定最终压力。然而，发现当装填根据本发明方法进行时，装填所需的时间可明显降低。
[0010]在吸着储存器中，气体通过吸附在吸附介质上以及各吸附介质颗粒之间和颗粒中的空隙中或者吸附在未被吸附介质填充的容器区域中而储存。在本发明方法的第一步骤期间，空隙首先被气体填充。储存器中的压力基本无时间滞后地遵循流入容器中的气体的压力。为使装填操作所需的总时间最小化，该第一步骤应尽可能快地进行，例如通过恰好从装填操作开始起引入压力相当于预定最终压力的至少30 %的气体而进行。
[0011]在第一步骤期间，一部分气体被吸附，因此，吸附材料以及因此流过它的气体的温度提高。在第二步骤中，储存器中的压力过程接近吸附介质的吸附动力学。测定吸附动力学的方法是本领域技术人员已知的，例如借助压力跃变实验或吸附平衡(例如“Zhao，Li和 Lin，Industrial&Engineering Chemistry Research，48 (22)，2009，第 10015-10020 页”中)。
[0012]就本发明而言，术语吸附动力学指在等温和等压条件下，气体在吸附介质上随时间过去的吸附过程。该过程通常可通过指数衰减函数约计，其在开始时显示出急剧提高，然后当它向最终值集中时不断地变得更平稳。该近似法的一个实例为函数a籲(l-e_bt)，其中a和b为正常数。吸附动力学也可通过其它函数约计，例如凹函数，分段为常数的函数，分段为线性的函数或者连接初始值和最终值的线性函数。
[0013]储存器的通道型子室中的实际流动条件取决于通道的构型和气体向通道中的引入。在本发明吸着储存器的一个优选变体中，通道型子室在一端封闭。这例如为分离元件在一端与容器的内壁连接的情况。在该变体中，有利地将流入容器中的气体引入通道型子室的开口端。在通道中，一部分气体变得吸附在吸附介质上，因此吸附介质和周围气体加热。容器的内壁和任选存在的至少一个分离元件或多个分离元件冷却，使得在通道型子室的中部与其周边之间形成径向温度梯度。本发明进料策略的第二步骤特别地将连续气流引入容器中。循环气流通过与径向温度梯度相互作用而在通道型子室中在内部建立，且这些确保明显更好的热脱除以及因此吸附介质中较低的最大温度。
[0014]在本发明能量储存器的另一优选变体中，通道型子室在两端开放，并借助共同的空间相互成对地连接。在该变体中，优选配置进料装置，使得流入的气体基本仅送入每对通道的两个子室中的一个中。具有储存器中接近吸附动力学的压力过程的本发明装填策略导致通道型子室中气体的流速大于气体吸附的速度。这导致形成通过通道型子室的循环流，确保吸附期间发展的热可更快地除去并在吸附介质中建立较低的最大温度。
[0015]与其中压力在整个装填时间恒定地保持为高的常规进料策略相比，本发明方法容许在装填期间在相同的时间内引入更大量的气体或者在相同量的气体下实现较短的装填时间。
[0016]供入的气体的量可例如通过将入口压力适当地匹配近似函数，例如通过合适的阀连接而变化。
[0017]在本发明方法的有利实施方案中，储存器中的压力过程以压力波动的形式，特别是由于入口压力的适当变化而接近吸附动力学。波动的最大值优选相当于最终压力，且波动的最小值优选接近吸附动力学的过程。这相当于随时间过去的波动幅度降低。在预定时间结束时，设置储存器中的预定最终压力。波动可例如为正弦曲线、锯齿形或者作为选择分段常数。波动的形状以及它的幅度和期间优选匹配具体的吸附动力学。
[0018]接近吸附动力学的压力波动的函数的一个实例为:
[0019]P = ρ0+ ΔP.f (a).(sin(2.π.k.t)-1)，其中:
[0020]pQ为初始压力，p为初始压力与最终压力之间的差，k为频率，且f (a)为阻尼函数。阻尼可例如线性降低或者指数降低。一个实例为函数f(a) =a/(t+a)，其中a为正数。频率k可借助等温和等压吸附动力学tkin评估，其为最小装填时间的度量。优选选择频率，使得2-10个波动期间位于tkin内。在较大循环数目下，每循环可除去较少的热，使得提供压力波动所需的能量消耗变得不经济。
[0021]填充吸着储存器所需的时间实质性地受吸附介质的材料性能，特别是它的吸附动力学影响。另一影响因素为填充期间预期的最大温度，其也取决于材料性能，特别是吸附热焓。选择初始压力和压力提高类型以优选匹配各自的吸附动力学、吸附热焓和向壁的热传导。在释放的吸附热焓快速热脱除的情况下，较高的初始压力是有利的，以使所需总装填时间