用于给吸附储存器充装气体的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于给吸附储存器充装气体的方法，其中至少一种气体吸附介质 配置在至少一个容器内，该方法包括最后步骤，其中以最大进给速率进给全部要充装到吸 附储存器中的气体的量的最后部分，将所述进给速率定义为单位时间充装到吸附储存器中 的气体的量，并且其中全部要充装到吸附储存器中的气体的量的最后部分与要储存的气体 的总重量按气体的重量计相差至少30%到100%之间，尤其是相差至少50%到100 %之间。 本发明还涉及一种包括用于实施所述充装方法的控制系统的吸附储存器和一种包括所述 吸附储存器的车辆。
【背景技术】
[0002] 由于油资源的日益短缺，越来越多地对将诸如甲烷、乙醇或氢的非常规燃料用于 运转内燃发动机或燃料电池进行研究。为此，车辆包括用于保持燃料储备的储存容器。对于 静止和移动应用中的气体储存而言，气体被储存在通常称为压缩天然气(CNG)技术的压力 容器中或通常称为吸附天然气(ANG)技术的吸附储存器中。吸附储存器也称为ANG罐。
[0003] ANG具有替代诸如车辆的移动储存应用中的压缩天然气CNG的潜力。尽管已对ANG 进行了大量的研究工作，但很少有研究评估吸附热对系统性能的影响。进而，在ANG应用中， 诸如活性碳的微粉末固体被填塞在容器中以增加储存密度，从而以相同容量实现较低压力 的运转。吸附是一种放热过程。任何吸附或解吸都伴随着ANG储存系统中的温度变化。吸附 热对充装周期和释放周期两者期间的性能有不利的影响。在充装周期期间会发生高达80°C 的升温。充装周期通常将在至少用于移动应用的燃料站中执行，其中可除去释放的吸附热。 与充装周期相反，释放速率由该应用的能量需求决定。充装时间不能大幅变动以缓和ANG储 存容器的使用期间的冷却的影响。
[0004] 吸附储存器尤其包括具有大的内表面积的吸附介质，气体被吸附在所述吸附介质 上。气体通过在吸附介质上的吸附而被储存在吸附介质的各个颗粒之间的腔中和容器的未 被充装以吸附介质的各部分中。充装后的吸附储存器可以在加压和未加压的情况下操作。 合适的容器的选择取决于所施加的最大压力。储存压力越高，则单位体积可储存的气体越 多。
[0005] 吸附描述了气态或液态流体的原子或分子在固体材料的表面上的附着，所述固体 材料出于本发明的目的被称为吸附介质。用语如吸附剂、吸着剂和吸附介质同样被已知用 于所述固体材料的命名。由吸附气体或液体的质量与吸附介质的质量的比率限定的吸附介 质的吸附能力在很大程度上取决于温度并且随着温度升高而下降。为了最大限度地利用储 存空间，必须考虑充装过程中在吸附介质中建立的温度曲线。此外，高效的吸附允许缩短的 充装时间，因为可在更短的时间内储存等量气体。因此，当可用的充装时间有限时，可增加 最大储气量。在给吸附储存器充装气体期间，两个来源与容器中的升温有关。这些来源是归 因于气体的压缩的热和由于放热吸附而释放的热。所产生的热直接取决于吸附气体的量。 被吸附在吸附介质上的气体越多，释放的热就越多。而且，随着吸附介质上的气体吸附量增 加，定义为单位时间的气体吸附量的吸附速率下降。
[0006] 此外，解吸是一种吸热过程并且在从吸附储存器取气时必须供热。因此，当使用吸 附储存器时，热管理非常重要。
[0007] 移动应用中的吸附储存器的一个关键方面是例如车辆上可获得的有限空间。因 此，追求吸附储存器中的高能量密度以使车辆在仅一次加注中可获得的燃料量最大化。
[0008] DE102009030155公开了一种基于纳米结构碳和金属有机框架材料(MOF)的非加压 氢储存器。储氢量在盒(cartridge)内被量化。
[0009] W02009/071436A1涉及一种用于将气态碳氢化合物储存在吸附储器中的方法。储 存的碳氢化合物的温度在吸附储器的充装条件下低于常温且高于碳氢化合物的蒸发温度。 描述了一种用于储存气态碳氢化合物的装置，该装置包括与周围隔离的吸附储器。该吸附 储器包含沸石、活性碳或金属有机框架材料化合物。
[0010] DE102009000508描述了一种配备有冷却套的吸附储存器。此方案解决了充装和释 放过程的温度依存性以最大限度地利用储存空间。
[0011] DE102008043927公开了一种用于储存气体的设备和一种用于从吸附储存器释放 气体的方法，其中气体在恒定温度下被提取且此后被压缩至一定工作压力。该方法允许在 气体不发生耗能的发热的情况下完全清空储存容器。
[0012] US7，059，364公开了一种用于给车辆储存容器快速充装氢的方法。空容器被逐步 充装，直至达到6000psig以上的压力。
[0013] US5,771，948描述了一种用于将天然气分配到机动车辆的天然气储筒内的方法和 装置。提出了用于压缩天然气(CNG)的充装方法。系统配备有压力传感器、温度传感器和质 量流量计以使可喷射到储筒内的气体的量最大化。
[0014] US2005/0178463公开了一种根据常规压缩天然气(CNG)技术来给车辆储存容器快 速充装氢的方法。所公开的方法和系统补偿充装期间容器中的升温。气体充装根据特定算 法分步进行。
[0015] US2009/0261107A1涉及一种包括气罐的机动车辆。该车辆由燃料电池系统和/或 内燃发动机提供动力。至少一个气罐被充装有气态燃料，尤其是天然气或氢，其中金属有机 框架材料(M0F)作为用于保持燃料的储存材料配置在气罐的内部。获得了比较高的储存密 度并且使得可在车辆中获得足够的用于行李或装载的空间。根据US2009/0261107A1，实现 这一点的原因在于，包括金属有机框架材料(MOF)的气罐被体现为用于在压力下储存气态 燃料的压缩气罐。
[0016]已知的储存系统的缺点在于，有限的储存容积的容量尚未得到完全利用。通过应 用吸附材料或通过应用特定充装技术来提高储罐中的能量密度。在移动应用中，例如在机 动车辆如汽车和卡车中，吸附系统的效率下降特别严重。因此，对提供一种用于考虑发热来 充装吸附储存器的简单和有效的概念有持续的兴趣。
【发明内容】
[0017]本发明的一个目的是提供一种借助于本领域中已知且相关技术领域中已经存在 的装置来实现一定储存空间的更有效的使用的方法。本发明允许机动车辆在不停车进行充 装的情况下行驶更长的距离且因此对充装站的密集网络的依赖性低。
[0018] 出于本发明的目的，吸附储存器是包括具有大表面积的吸附介质以吸附气体并由 此储存它的储存器。吸附储存器可通过吸附手段和气体压缩手段两者来储存气体。因此，在 吸附储存器的充装期间放热，同时通过导热来启动解吸。
[0019] 从现有技术得知的吸附储存器通常附接在用于充装的压力管道上，该压力管道提 供通常恒定的压力。以最大进给速率从压力管道将要储存的气体在通常恒定的压力下进给 到容器内，直至容器内的压力已达到预定的储存压力。根据本发明，包括至少一个封闭容器 和进给装置的吸附储存器在以不同进给速率表征的至少两个步骤中被分步充装。进给速率 定义为单位时间充装到吸附储存器中的气体的量。本发明的一个关键特征是充装过程的最 后步骤，其中以最大进给速率进给全部要充装到吸附储存器中的气体的量的最后部分。最 大进给速率是技术上可行的最大进给速率并且取决于车辆上和燃料站的充装装置以及燃 料站提供的压力水平。全部要充装到吸附储存器中的气体的量的最后部分是最后进给到吸 附储存器中以完成吸附储存器的完全充装并达到预定的储存压力的气体的部分。该全部气 体的最后部分被量化为按气体重量计比储存气体的总重量小70%、优选小50%且特别优选 小30%。在达到预定的储存压力之前将该全部气体的最后部分直接充装到吸附储存器中。 例如，在使用MOF A520作为吸附介质的情况下，可以通过吸附大量摄取气体，直至容器中达 到约120巴的压力。随后，最大进给速率下的进给优选介于120巴与250巴之间。如果涉及的 充装站不能在最大进给压力下实现这种从120巴到250巴的压力跃变，则可将在最大进给速 率下开始充装的压力水平选择为高于120巴。
[0020] 在本发明的一个优选实施例中，只要容器内达到至少100巴、尤其是至少150巴的 压力水平，就以最大进给速率进给全部要充装到吸附储存器中的气体的量的最后部分，而 只要容器内的压力低于此压力水平，就降低平均进给速率。
[0021] 在本发明的一个实施例中，该方法在最后步骤之前包括至少一个步骤，即第二步 骤，其特征在于比最大进给速率小的进给速率。
[0022] 在此最后步骤之前降低进给速率以提供用于在吸附介质的表面上建立吸附平衡 的时间。另外，能将所产生的吸附热传导到容器的外壁。因此，发生吸附的吸附介质的表面 被冷却且因此吸附能力提高。
[0023] 在又一实施例中，该方法在最后步骤之前包括至少一个步骤，即第二步骤，其特征 在于气体进给量以使得容器内的压力变化过程(pressure course)接近气体吸附介质的吸 附动态的方式变化。
[0024] 本领域的技术人员公知用于确定吸附动态的方法。例如借助于压力跃变实验或吸 附平衡(参见"赵、李和林的《工业与工程化学研究》，48(22)2009,第10015至10020页"）来确 定吸附动态。吸附动态描述了在等温和等压条件下随着时间的推移气体吸附在吸附介质上 的过程。
[0025] 由于通常可通过指数衰减函数来估计吸附动态，因此其在开始呈现陡峭斜率且在 收敛至端值之前平坦化。这种估计的一个示例是函数a · (l-eTbt)，其中a和b是正常数。吸附 动态也可利用其它函数来估计，例如利用凹函数、在某些部分恒定的函数以及在某些部分 中呈线性的函数或将初始值和端值结合的线性函数。
[0026] 在又一优选实施例中，该方法包括第一步骤，其中以最大进给速率进给全部要充 装到吸附储存器中的气体的量的第一部分，并且其中全部要充装到吸附储存器中的气体的 量的第一部分与要储存的气体的总重量按气体的重量计相差0%到至少30%之间，尤其是 相差0%到40%之间。全部要充装到吸附储存器中的气体的量的第一部分是在充装期间首 先进入吸附储存器的气体的部分。<