给吸附存储器充填气体的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于存储气态物质的吸附存储器，该吸附存储器包括封闭容器、 具有在容器壁中的入口及入口阻断元件的进料装置，并且该吸附存储器包括在容器壁中的 出口，该出口具有出口阻断元件。本发明还涉及给吸附存储器填充气体的方法，其中该吸附 存储器包括至少部分地填充有吸附介质的封闭容器并具有分别可通过阻断元件关闭的入 口和出口。
【背景技术】
[0002] 为了存储用于固定和移动应用的气体，现今除了加压气体罐之外吸附存储器也越 来越多地被使用。吸附存储器一般包括具有大的内表面积的吸附介质，气体被吸附在该内 表面积上并从而被存储。在填充吸附存储器期间，由于吸附过程而释放热量，且必须从存储 器中移除该热量。类似地，在将气体从存储器中取出的解吸附过程中必须提供热量。因此， 热量管理在吸附存储器的设计中是非常重要的。
[0003] 专利申请US 2〇OS/0168776 Al描述了一种用于氢气的吸附存储器，其包括与周围 环境绝热的外部容器，在该外部容器内部设有多个包含吸附介质的压力容器。压力容器之 间的中间空间填充有冷却液体从而使得能够移除吸附过程中散发的热量。
[0004] 专利申请WO 2005/044454 A2描述了一种用于存储气态烃的装置，其包括填充有 吸附介质的容器。设置有用于待存储的气体的外部回路，气体流在该外部回路中冷却以移 除吸附过程中散发的热量。
[0005] 已知吸附存储器的缺点是气体填充进行得非常缓慢。特别是在移动应用的情况 下，例如在机动车辆中，这个缺点尤其严重。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的是提供一种存储气态物质的方法，其可以允许快速充填气体以 及改善气体移出。该装置应具有简单的结构并且操作期间需要很少的电能。另一目的是提 供一种快速且有效地充填存储器及从存储器中移出气体的方法。
[0007]该目的可通过如权利要求1描述的本发明的主题实现。本发明更加优选的实施方 式可存在于从属权利要求中。本发明的其他主题在权利要求11及其从属权利要求中表明。 [0008]使用吸附存储器来实施本发明的方法，所述吸附存储器包括封闭容器，该封闭容 器具有分别可通过阻断元件关闭的入口和出口。该容器至少部分填充有吸附介质。本发明 的方法包括下列步骤：
[0009] (a)关闭出口阻断元件并打开入口阻断元件，
[0010] (b)在预定压力下通过入口引入待存储的气体，
[0011] (C)在入口阻断元件打开的情况下迅速打开出口阻断元件，使得在容器中产生具 有预定流率的气体流，
[0012] (d)随着气体被吸附在存储器中的吸附率的变化而降低流率，以及 CN 104704282 A 说明书 2/8页
[0013] (e)完全关闭该出口阻断元件。
[0014]现有技术中己知的吸附存储器为了充填通常连接至压力管道，待存储的气体以恒 定压力从该压力管道流入至该存储器中，直到存储器内已达到预定的最终压力。然而，发现 在用根据本发明的方法进行充填时可大大降低充填所需的时间。
[0015] 在吸附存储器中，气体既通过吸附在吸附介质上而存储，且又存储在吸附介质的 单个颗粒之间和内部的空隙中，或者存储在容器中未填充有吸附介质的区域内。在本发明 方法的步骤（b)中，该空隙首先被气体填充。存储器中的压力几乎无时滞地遵循/跟随流 入容器中的气体压力。为了将充填操作所需的总时间降到最少，应尽可能快地通过在指定 为填充操作结束时的最终压力下引入气体来执行该第一步。
[0016] 在步骤（b)中，部分气体被吸附，导致吸附材料以及其周围气体的温度升高。在步 骤（C)中，由于在入口阻断元件继续打开的情况下出口阻断元件的迅速打开，在容器中产 生了气体流，且该气体流在吸附介质上流过并确保从容器中带走由于吸附所散发的热量。 另外，气体流增加了吸附介质的热导率，这同样导致了热量的更快移除。
[0017] 吸附在吸附介质上的气体越多，释放的热量越多。随着吸附介质不断地装载，单位 时间能被吸附的气体量减少。单位时间吸附的气体量被称为吸附率。发现的是，容器中气 体流的流率随时间根据吸附率的变化而减小（步骤d)是有利的。在根据本发明的方法结 束时，出口阻断元件被关闭。
[0018] 吸附率可源于吸附动力学；为了本发明的目的，术语吸附动力学是指在恒温恒压 条件下气体随时间吸附在吸附介质上的过程。确定吸附动力学的方法对于本领域技术人 员是已知的，例如，通过压力跃变实验或吸附平衡（例如在"赵、李和林，工业和工程化学研 宄，48 (22)，2009,10015-10020 页"中）来确定。
[0019] 吸附动力学的过程往往可通过指数衰减函数来近似，该函数一开始显示急剧上 升，然后随着它朝最终值会聚而变得一直平滑。这种近似的一个例子是函数a · (I-^Tbt)，其 中a和b为正常数。吸附动力学还可以通过其他函数来近似，例如凹函数、在区间连续的函 数、在区间线性的函数或者连接初值和终值的线性函数。通过这种方式可确定用于吸附率 的近似函数。
[0020] 在本发明的方法的一个优选实施方式中，流入容器中或从容器流出的气体流通过 流量传感器测量并且容器中的气体流率随时间设定为吸附率的预定倍数。该倍数优选为从 1. 5到100,特别是优选为从3到40。在该倍数为极小值时，存在热量不能被充分移走的风 险。在非常高的值时，需要花费大量不必要的能量以保证能够在热量移除不足的情况下实 现高流量。
[0021] 在本发明的方法的一个更优选的实施方式中，气体流的温度在容器内部的至少一 个位置处测量，并且如果需要的话调节容器中气体的流率以使得不超过预设的最高温度。 特别优选在至少一个通道形子腔室内测量温度。
[0022] 流率的调节优选通过改变出口阻断元件的打开程度来进行。该阻断元件特别优选 构造为调节阀，特别是出口阻断元件。
[0023] 在本发明的方法的一个有利实施方式中，流入的气体在注入之前先被冷却，特别 是冷却到恒定温度。在一个优选的实施方式中，从出口离开的气体在循环回路中回流至入 口。在循环回路中，气体有利地被压缩并冷却；合适的装置，例如压缩机、栗和热交换器是本 5 CN 104704282 A 说明书 3/8页 领域技术人员所己知的。
[0024] 多种材料适合作为吸附介质。该吸附介质优选包括沸石、活性炭或金属有机框架 材料。
[0025] 吸附介质的孔隙率优选为至少〇· 2。孔隙率定义为容器内的任何子空间中空隙体 积和总体积的比率。在低孔隙率下，流经吸附介质的压降增加，这对充填时间具有不利的影 响。
[0026] 在本发明的一个优选实施方式中，该吸附介质是以球粒（颗粒，Pellet)层的形式 存在并且该球粒的渗透率与最小球粒直径的比值为至少 10_14m2/m。在充填时气体渗入球粒 的速度决定于使球粒内部压力接近球粒外部压力的速度。该压力均衡所需的时间且因而球 粒的装载时间随着渗透率的降低以及球粒直径的增大而增加。这可能对充填和