CN105209815A - 气体储存模块，装置，系统以及利用吸附材料的方法 - Google Patents

Abstract

一气体储存模块包括一个二维的本体和一热交换结构。所述本体包括能够有效吸附如甲烷气体的组成和有效孔隙率。所述本体是靠自我支撑的或封装在一个多孔支撑结构内。所述本体包括气体流体通道。多个所述模块可堆叠起来设置在储存罐中。

Description

气体储存模块，装置，系统以及利用吸附材料的方法

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

本发明涉及一般通过吸附作用的气体储藏。

背景技术

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，昂贵的罐体和泵送系统，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。

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。除此之外，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。

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。

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。

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。

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迁移或流动，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。

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。

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（0.0364MJ／L）。通过比较，压缩天然气的VED为9.2MJ／L（在250巴下）和液化天然气的VED为22.2MJ／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（34.2MJ／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。

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7MJ/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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

图1为本发明实施例气体储存模块的透视图。

图2为图1中所示气体储存模块的平面图。

图3为图1中所示气体储存模块的侧视图。

图4为本发明实施例气体储存装置的透视图。

图5为图4中所示气体储存机构的正视图。

图6为本发明另一个实施例的气体储存装置的正视图。

图7为本发明另一个实施例的气体储存模块的透视图。

图8为图7中所示气体储存模块的平面图。

图9为图7中所示气体储存模块的侧视图。

图10为本发明其它实施例的气体储存装置的透视图。

图11为本发明实施例气体储存系统的示意图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种气体储存模块。所述气体储存模块的结构以多孔吸附剂材料（例如，颗粒或粉末）的填料（或填料床）为基础。所述气体储存模块可配置用于吸附一种或多种类型的气体。所述气体随后可从气体储存模块中解吸并分配使用。可被吸附和随后解吸的气体的例子包括，但不限于，天然气（特别是甲烷馏分）；像那些通常用作汽车、船、飞机、太空舱以及便携设备应用的燃料的其他气态碳氢化合物（例如丙烷）；氢；二氧化碳；氨；和例如可作为制冷剂或相变流体的气态碳氟化合物为基础的化合物。所述气体储存模块可被配置成为与其他气体储存模块（例如，堆叠）排列的方式，以最大限度地减少整体的规格和体积同时提供高容量的气体储存。所述气体储存模块可包括集成的功能，提供用于将气体输送到吸附位点和从吸附位点出发的路径，以及输送传热介质通过气体存储模块的大部分和/或穿过气体储存模块外表面的路径。

多孔、吸附剂颗粒（“吸附剂”或“吸附剂材料”）的填料形成了气体储存模块的主体。在一些实施例中，所述填料是吸附剂和粘合剂的混合物，或者吸附剂，粘合剂以及添加剂的混合物。所述颗粒具有很强的多孔性，以呈现一个非常大的表面积的吸附活性。所述吸附剂可以具有任意的组成和孔隙率以有效地吸附所需的类型的气体，例如上述例子给定的。吸附剂的例子包括，但不限于，活性碳；各种金属有机骨架（MOFs）例如，MOF-5,PCN-14等；沸石；多孔聚合物（包括微孔配位聚合物）例如，PPN-3,PPN-4,PPN-5等；滤网以及化学吸附剂。吸附可以是吸附剂的主要特性，或者是官能化或用一个组分覆盖微粒的多孔表面的结果（例如，官能团，基团，离子，自由基，分子，等），其提供或增强宿主颗粒的吸附性能（例如，负载在多孔颗粒上的胺）。在一些实施例中，填料可包括一个或二个或更多不同类型的吸附剂颗粒的组合，可提供不同的颗粒能够形成一个稳定的填料。

在一些实施例中，填料包括除了吸附剂和粘合剂之外的一种或多种添加剂。通常来说，一种添加剂是一种添加到填料中的组分，以赋予或增强填料的特征、功能或特性。添加剂的示例包括，但不限于，增塑剂，强度增强剂，孔增强剂（例如，甲基纤维素），和热传导性促进剂。将注意到，某些粘合剂也可以提供一种如刚才提到的添加剂的作用。而且，某些粘合剂和添加剂可以作为一种辅助性的性质，对所储存的气体进行有效的吸附。

在形成气体储存模块主体的一个指定的填料中，一般在性能上没有特定的限制，如颗粒大小（例如，平均直径），粒径分散度，颗粒的孔隙率，或相邻颗粒的空隙间距（空隙的大小），只要所述性能可给予本发明公开的气体储存模块适合的用途。所述性能可以部分地依赖于例如颗粒组成，用于合成或制造颗粒的过程，以及用于形成填充体的过程等因素。在一些实施例中，粒径范围可从微米级到厘米级。通常来说，所述本体可以通过适用于形成呈现特定应用所需性能的填充吸附剂床的任何方法制备。根据实施例，所述本体可以自己支撑或可能由支撑结构封装，其中的例子如下。

在一些实施例中，所述吸附剂对甲烷的重量载荷能力为0.2（甲烷克数/吸附剂克数）或更多，在一些实施例中,所述吸附剂的体积密度为0.2-1.5（吸附剂克数/吸附剂体积）。

图1-3示意出了本发明气体储存模块100的多个实施例中的一个例子，具体地，图1为气体储存模块100的透视图，图2为平面图，图3为侧视图。气体储存模块100可包括在如下所述的气体储存装置或系统中。所述气体储存模块100通常包括一二维或平面的本体104（或盘，板，核心等）。所述本体104包括一第一表面106，一相对的第二表面108，以及一在第一表面106和第二表面108之间的侧壁110。在本文中，“侧壁”一词一般指的是定义本体104整个边界的壁。根据本体104有几个侧面（在本例中是四个），侧壁110即可以包括对应于侧壁数量的若干侧壁部分（例如，112和114部分）。在目前的情况下，“二维”或“平面”显示的第一表面106（或第二表面108）的表面面积明显大于位于本体104任何一个侧面的侧壁部分112，114的表面面积，或者，至少一第一表面106(或者第二表面108)侧面的长度（或宽度）明显大于侧壁110的厚度（或高度）。以另一种方式详述，气体储存模块100的横截面（在与厚度t方向垂直的平面）是气体储存模块100的主要尺寸特征。作为一个例子，在示例中的本体104通常是板状。低轮廓的几何形状提供了一个大的表面积用于吸附/解吸附气体和热量的传递。低轮廓的几何形状也有利于几个气体储存模块堆叠一起，结合附图4和5如下面所述。

如图1所示的例子中，所述气体储存模块100通常具有一线形横截面。然而，更一般地，气体储存模块100可以有给定的实施所需的任何横截面。实施例包括，但不限于，其他多边形的横截面和圆形的横截面（例如，圆形，椭圆形，卵形，肾脏形等）。而且，所述横截面不需要相对于第一表面106或第二表面108平面的所有轴相对称。因此，例如，横截面可以是半圆形的，半椭圆形，两种或两种以上不同的多边形截面的结合，两种或两种以上的不同的圆形截面的结合，或多边形和圆形截面的结合。作为另一个例子，气体储存模块100至少有一个侧面可弯曲以符合一个圆形（例如，圆柱形或球形的）罐的内部表面。作为进一步的例子，横截面可以有一个或多个裂片，即可能是叶状或肾形的，这是一个应用在特定气体储存罐内的几何体。因此，具有一叶状横截面的气体储存模块的堆积体可被提供在具有类似横截面的罐体中。

所述本体104成形为一个如上所述的多孔的，吸附剂颗粒的填料。通常，所述本体可通过任何合适的、相关行业可以接受的适用于形成能够在使用中保持其形状的强大的，稳定的填料的方法来制造。一个稳定的填料可能具有一个较低水平的脆性，颗粒磨损，沉淀，分离，和吸附、解吸的反复迭代的脆弱性，以及整个使用寿命中的热循环，并且一个稳定的填料具有一个可接受水平的振动的不敏感性和通常预计到的正常的碰到气体储存罐的其它力。所述成形方法可能包括，根据现在已知或后来发展的任何技术，例如，压塑，压制，热压，挤压或颗粒间的化学结合。作为一个例子，颗粒可被装载在一个容器中和一个可以强制压住颗粒的板中。在另一个例子中，颗粒可以装载在两个模具之间，并且一个或两个模具可以应用强制力施加在颗粒上。原始的颗粒或粉末可以是商业性的收购或例如由喷雾干燥形成。在一些实施例中，填料中可包括一或多种不同类型的粘合剂。粘合剂一般是任何一种有效的成分用于与形成过程合作将吸附剂颗粒稳定结合起来。粘合剂的实例包括，但不限于，例如粘土等的矿物，例如氧化铝和二氧化硅等的陶瓷，例如聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛等的聚合物。在其他的实施例中，吸附剂颗粒可以有足够的粘性以形成稳定的填料，而不需使用粘合剂。在某些实施例中，所述填料可以进一步包括如上所述的添加剂。

在如图1所示的实施例中，所述本体104是一个自我支撑的本体。也就是说，吸附剂颗粒（或吸附剂颗粒和粘合剂和/或添加剂的混合物）紧密堆积在一起，这样，形成填料后，所得的本体104是能够保持其形状，而不借助于一个框架或其它支撑结构。所述形成填料的方法使吸附剂稠密，由此通过消除或至少大大减少粒子内空隙而增加了本体特定的填充容积。而且，所述本体104足够强大和稳定，且操作一些特征（例如，渠道，孔，等）可以在填料过程中形成或提供在本体104中。作为一个例子，在填料过程中可以利用互补形状的模具压在颗粒上来形成外部特征。作为另一个例子，内部特征可以通过在填料前加载内部特征周围的颗粒来提供，这样所述内部特征嵌入在松散的颗粒团中。在压制过程中，一个稳定的颗粒填料由包含的内部特征形成。例如管的中空的内部特征在填料之前可以将其端部塞紧防止颗粒进入，以及塞子在填料完成后可以移除。

在如图1所示的实施例中，所述本体104包括与侧壁110相连通的多个气流通道116。所述通道116在吸附过程提供将气体输送到本体104的流体路径，在解吸过程提供气体离开本体104的流体路径。为了这个目的，每个通道116（即通道116至少一端）可与至少一个侧壁部分相通。一个或多个通道116的相对端可与其它侧壁部分相通。例如，在图1中，一些通道116沿着本体104的两个相对侧面伸出。在一些实施例中，一些通道116被弯曲或成弧形，或是直的，但与侧面成一定角度，并在本体104的两个相邻侧面之间延伸出来。通道116被配置为使气体暴露并被吸附到本体的大的表面区域，从而促进吸附过程。通道116也可以配置为协助平衡或者均衡罐内的气压，来提高气体的吸收率（或解吸）和热负荷均匀分布。所述通道116可能有任何配置或模式适合这些目的。在本实施例中，通道116是直的和平行的。在其他实施例中，一个或多个通道可以如上所述弯曲或呈弧形，以及一个或多个通道可能与其他通道不平行。在其他实施例中，所述通道可采用多次转动的路径。例如，一个通道可以配置为一个锯齿状的线或波（例如，方波，锯齿波，正弦波，等）。另外在其他实施例中，一个或多个通道可能与其他通道相交。在进一步的例子，通道可能被设置为一个鱼骨的形式（例如人字形）或交叉线。

在本实施例中，通道116具有允许气体自由流动的开放单元结构。通道116倾向于设置在主体104的外部，从而打开与本体104反向的开口侧面的通道。所述通道116可沿着第一表面106，第二表面108，或第一表明106和第二表面108伸出。通道116的横截面积（在本体104厚度所在的平面）可以是多边形（例如，实施例中的直线）或是圆的。在本实施例中，所述通道116在本体104的填料中形成或设定。因此，通道116可以被认为是本体104的槽，或者作为本体104凸起部分之间的空间。当在第一表面106和第二表面108上设置时，在某些实施例中的通道116可以布置成一个交替或偏移样式，如图1所示。

在操作中，在吸附过程中，气体被输送到在侧壁110上打开的通道116的端部。如果一个给定通道的两端向侧壁110打开，如图1所示的某些通道116，气体可以被送到该通道的一端或两端。在进入通道116时，气体流经通道116的长度和扩散到本体104的大部分。当气体扩散时，各个气体分子吸附在吸附剂颗粒的多孔表面。气体扩散的方向一般是单向的。因此，从一个给定的通道中的气体可能沿横截面的平面横向扩散，如在图1中箭头118所示的远离通道的纵向轴线的反方向。所述气体还可以沿垂直于横截面平面的方向扩散，并与模块厚度的方向平行（与图1垂直的方向），如图1所示的其他箭头120所代表的方向。当多个气体储存模块100紧密堆积在一起时（图4和5），在一个气体储存模块的通道中的气体可能扩散到邻近的其它气体储存模块中第一表面106和/或第二表面108，如图2中箭头322所代表的方向，其与图1中的箭头120所代表的方向相反（参见图5）。

在解吸时，气体可能遵循沿着与那些图1和图2中所示的相反的方向从颗粒填料回到通道116的扩散路径。

利用包含气体储存模块100的颗粒填料的整个体积的方式，气体储存模块100可配置用于从每个通道116中提供多个气体扩散路径，从而最大限度地提高可用的吸附位点的数目。气体储存模块100通过最小化通道116和吸附位点之间的气体扩散长度可配置用于优化吸附/解吸过程。在一些实施例中，在第一表面106上相邻的通道116之间以及第二表面108上相邻的通道之间的间距可以相对于气体储存模块100的厚度最小化，以减少气体扩散长度。例如如图1所示的实施例中，每个通道116与分开的相邻的116个通道之间的分离距离为D。最大气体扩散长度在横向方向上可以近似为一个分离距离D的一半。在这个维度中的最大气体扩散长度可能由箭头118表示，在一些实施例中，选择这样的分离距离D使得最大化的扩散长度（一个分离距离的一半）等于或小于气体储存模块100厚度的一半。

而且，每个通道116是形成在第一表面106或第二表面108表面的厚度上，并沿厚度方向与相对表面分开一分离距离。所述分离距离因此小于气体储存模块100的整体厚度。如上所述，气体按图1中箭头120表示的方向从通道116扩散到给定的气体储存模块的填料。另外，当多个气体储存模块紧密堆叠在一起时，气体按与箭头120相反的方向由给定的气体储存模块的通道扩散到相邻的气体储存模块的填料。因此，在厚度方向上的最大气体扩散长度可以大概由箭头120表示，并可能小于气体储存模块100厚度的一半。

进一步如图1所示，气体储存模块100也可包括一热交换结构130。所述热交换结构130可以有任何配置适合于在整个本体104中执行传热（在适当的时间转移和增加热量），特别在一定程度上优化了吸附和解吸过程。所述热交换结构130可包括一或多个组件，例如用于将热交换介质的流动转化为与本体104热接触的一或多个导管132。热交换结构130（或热交换结构130的一部分或组成部分）可以沿着与第一表面106和第二表面108共面的平面的一个或多个方向上延伸。所述热交换结构130可以包括位于本体104的内部组件（即，在第一表面106和第二表面108之间），和/或位于本体104外面的以及与第一表面106和/或第二表面108相邻的外部元件。

在如图1所示的实施例中，所述热交换结构130包括一延伸穿过本体104体积（或厚度）的导管132。所述导管132包括相对的端部134和136以提供作为热交换介质的入口和出口。所述导管132可以配置为提供一个流体路径，该路径跨越横截面的一大段，以保证热传导介质和本体104的整个体积之间良好的热接触。为了这个目的，所述导管132可以包括一个或多个折弯，以提供一个多回合的流动路径。在实施例中，导管132为S形或Z形。在其他实施例中，导管132可以是蜿蜒的，波浪形的，等等。所述导管132可倾向于设置在或靠近本体104的厚度t的中心标高，以与第一表面106和第二表面108等距或基本上等距离。因为厚度t相对较小，这种结构可以最大限度地在厚度方向减少热传导长度。可以看出，在某些实施例中，从导管132朝向无论是第一表面106或第二表面108的最大热传导长度均小于厚度t的一半。

在本实施例中，热交换结构130还包括定位于与导管的端部134和136的流体相连通的腔室或空间部分144和146，每个空间部分144和146的轴线通常与气体储存模块100的横截面正交。每个空间部分144和146在第一表面108和第二表面106之间延伸并打开。所述空间部分144和146可用于将热交换介质供给到导管的入口，或收集来自导管出口的热交换介质。多个气体储存模块可以叠放在一起（图4和图5），它们各自的空间部分排成线，从而形成空间延伸通过堆积体的整个高度。

所述导管132和空间部分144和146可包括高导热性的材料，如各种金属（例如，铜）。在一些实施例中，可提供附加的导管和空间部分。在其它实施例中，空间部分144和146都没有提供，代替的是导管132的端部134和136在侧壁110打开以与外部空间流体连通。

热交换介质可以是能够在气体储存模块100的一个给定的实施例中提高吸附/解吸过程中的热传导率的任意流体。在某些实施例中，所述介质是一种液体，例如水或乙二醇。在其他实施例中，介质是一种气体，例如空气。

在操作中，利用热交换结构130，以从气体储存模块100除去在吸附过程中的热量，并随后用在解吸过程中增加气体储存模块100的热量。热交换结构130在初始温度循环传热介质和以及选择最优化吸附或解吸过程的流速。传热介质的参数例如初始温度和流速可能取决于与给定实施例有关的几个因素，例如，吸附剂的类型，气体的类型，气体储存模块100的大小，以及热交换结构130的大小和配置。

其他实施例可以包括其他类型的热交换结构，或作为一种替代，一个或多个导管。其他类型的热交换结构可以在填料的内部或外部。例子包括，但不限于，翅片，网格，片（板），泡沫片，波纹片，穿孔板，以及上述两个或以上的组合。在其它实施例中，所述热交换结构可以包括不循环传热介质的有源器件，如热电装置（例如，半导体器件），电阻器件，等。

前面提到的，很明显最大气体扩散长度和/或热传导长度可能是小于气体储存模块100厚度的一半。因此，本发明公开了一个或多个实施例，可以减轻由以前吸附气体储存方法所施加的长扩散/传导长度所造成的传质和传热限制。

图4为本发明实施例气体储存装置400的透视图。图5为气体储存装置400的正视图，气体流动通道116的端部位于一个侧面。所述气体储存装置400包括多个气体储存模块100堆叠在一起。所述气体储存模块100层叠，使得每个气体储存模块100的第一表面106或第二表面108面对至少一个其它相邻的气体储存单元中的第一表面106或第二表面108。低轮廓几何形状的气体储存模块100有利于如上所述的这种堆叠的结构。多个气体储存模块100可以堆叠起来，以提供一个大的能量存储容量，同时占据相对最小的体积。由单个气体储存模块100提供的短的气体扩散和热传导长度在整个堆积结构中重复。气体储存模块100的对齐的空间部分144和146使得空间部分144和146可用来在堆积结构的多个层中循环传热介质。可得出，图4和5说明了气体储存模块100堆叠在一个垂直的方向，其仅为一个例子。堆叠的方向没有限制。例如，气体储存模块100也可以堆叠在一个水平方向。

在一些实施例中，如图4和5中所示的，不同于被用来分配气体到或来自于吸附剂的流体通道116，相邻的气体储存模块100之间没有间距。在其他实施例中，可以在相邻的气体储存单元100之间提供阻尼元件（诸如衬垫等弹性垫片）

以将传递到气体储存单元100的振动和/或相邻的气体储存单元100之间的碰撞最小化。

在某些实施例中，每一个气体储存模块100或整个堆积结构可以包裹在一个自然的或合成的纤维网中，这对减少气体储存模块100和罐内表面之间的相互作用可能是有用的。所使用的网可能是一个具有较高的气体通量并且不会抑制来自于气体存储模块100中的气体吸收或释放。

图6为本发明实施例一种气体储存装置600的正视图。所述气体储存装置600包括插在相邻的气体储存单元100之间的外部热交换结构650。所述外部热交换结构650通常为二维或平面的。外部热交换结构650包括，但不限于，网格（网格），片（板），泡沫片，波纹板，穿孔板，以及上述两个或以上的组合。所述外部热交换结构650可以提供附加的一个或一个可替换地内部（嵌入式）的换热结构。图6还显示了位于本发明实施例相邻气体储存模块100之间的阻尼组件654。

图7-9示意出了本发明其它实施例的气体储存模块700。具体地，图7是气体储存模块700的透视图，图8是平面图，以及图9为侧视图。所述气体储存模块700通常包括一二维或平面本体704和一多孔支撑结构758。所述本体704包括第一表面706，一相对的第二表面708，以及在第一表面706和第二表面708之间的一侧壁710。所述支撑结构758可将整个本体704封装。即所述支撑结构758可以包括多个侧面或与本体704相应的外表面（第一表面706、第二表面708和侧壁部分）相邻并相连的多个部分。与图1-4中所示意的上述气体储存模块100类似，本发明实施例的气体储存模块700具有低剖面，便于堆积几个气体储存模块在一起，在下面结合图10描述。此外，在图7-9所示的矩形截面是一个例子；本发明也可以提供其他的几何形状。

所述本体704成形为一个多孔，吸附剂颗粒的填料。一般情况下，吸附剂颗粒的组成和孔隙率的可能是在本发明早前描述的。在该实施例中，吸附剂颗粒可以是各自稳定和自我支撑的粒子（或压出型材），但相比图1-3中所示的整体自我支撑的模块，它们可能不会紧紧挤在一起。因此，在本实施例中，颗粒的大小和颗粒间的间隙可能相对更大。相对较大的颗粒例如由挤压或喷雾干燥形成。在一些实施例中，较大的颗粒根据目前已知的任何方法或后来发展起来的方法可以通过较小的颗粒结合形成。每个大颗粒可只包括吸附剂材料，或可包括吸附剂材料和粘合剂的混合物，或者可以进一步包括如上所述的添加剂。

在其他的实施例中，吸附剂颗粒的大小可能类似于图1-3中的自我支撑模块，但与之比较更加松散。

所述支撑结构758可包括一种导热材料，如各种金属。支撑结构材料是自立的（例如，刚性）以给填料颗粒床提供一个稳定的形式（即，本体704）。所述支撑结构758可以具有任何的高度多孔结构，即，支撑结构758包括多个开口，或孔，这样的支撑结构758提供多个进入到和来自于本体704的气体通路。例子包括，但不限于，网状物（或网格，或筛），泡沫，穿孔板，多孔板等。如上所示，与图1-3中的自立模块的更大的整个本体相比，支撑结构758允许了本实施例中的颗粒床更加松散。因此，本实施例的颗粒床可能受到更少的物理压力。

所封装的气体储存模块700包括与气体储存模块露出的外表面连通的多个气体流动通道。分散在本体704大部分中的颗粒内部的空隙设置了多个路径以促进气体自由流动。因此，在本实施例中的流动通道可以称为包括穿过本体704间隙的路径网。许多上述路径与支撑结构758的开口或孔中的流体连通，从而达成本体704内的吸附部位与本体704（例如，一个罐内部）的外部环境之间的气体通路。

由于封装的气体储存模块700的被限制的结构，例如颗粒磨损，沉淀，和分离等传统的问题可以减轻。在某些实施例中，如果需要或被需要，本体704可以装在一个高度多孔织物片材或网中，即，片材或网格将在本体704和支撑结构758之间。所述片材或网可以帮助填充颗粒保持在一个稳定的模块化结构，和/或减少或消除小颗粒淋洗进入罐内部。

如图7-9所示，所述气体储存模块700可包括一热交换结构730。热交换结构730一般可以有如上面所述的不同的配置和组件，在具体的例子中，热交换结构730包括分别位于第一表面706和第二表面708附近的两个管道732。管道732的端部可以被放置与本体704外部空间流体相通。所述空间可以集成或安装在支撑结构758上，或可在罐体分开设置。另外，热交换结构730可以包括不传导热传递介质的部件，如片材、散热片、热电元件等。在所示的实施例中，热交换结构730是集成或安装在支撑结构758上的，并且在支撑结构的758的外侧。另外，热交换结构730可以定位在支撑结构758的内侧。作为进一步的替代或补充，热交换结构730的全部或部分可位于本体704的大部分，如图1-6中所示的。

与图1-6中所示的实施例类似，封装的气体储存模块700基本上有一个二维的结构，最大限度地减少气体扩散和热传导的限制，而作为优先吸附的气体储存方法。气体是自由移动的通过多种路径以提供穿过包含本体704的气体储存模块700粒子团的大部分。这样气体扩散长度可能远低于气体储存模块700厚度的一半。将气体储存模块封装在一个多孔的、类似网状的结构中，允许气体在进出气体储存单元700的自由运动中具有很小的阻力。由于气体储存模块700的每一个表面可遇到流动的气体，以及气体储存模块700具有非常狭窄的厚度，气体储存模块700内的所有颗粒将遇到基本上相同的气体浓度和压力。即使热交换结构730的部件在外部表面上，最大热传导长度仍保持在或约气体储存模块700厚度的一半，如图9中箭头962所示的。

图10是本发明实施例的一个气体储存装置1000的透视图。所述气体储存机构1000包括多个气体存储模块700堆叠在一起。气体存储模块700层叠起来，使得每个气体存储模块700的第一表面706或二次表面708与至少有一个其他相邻的气体存储模块700的第一表面706或第二表面708相对。在如图4-6所示的气体存储装置400和600示例中，由单个气体储存模块700提供的较短的气体扩散和热传导的长度在整个堆积结构中重复。在本实施例中，设定了外部热交换元件732在相邻的气体储存模块700之间提供了空间。在其他实施例中，可以在相邻的气体储存模块700之间提供阻尼材料（例如，诸如垫片等弹性垫片），以便将传递到气体储存模块700的振动和/或相邻的气体储存模块700之间的碰撞最小化。

图11是本发明实施例气体储存系统1100的一个例子的示意图。气体储存系统1100可以位于任何合适的工作环境中，在该工作环境中，该气体将被接收用于存储和/或提供给功率消耗装置使用。工作环境可能是静止的或固定的装置，如燃料储存/供应点，或可能是一个可移动或便携式装置，如车辆或便携式设备。

所述气体储存系统1100可包括放置在罐1106中的气体存储装置1104。所述罐1106可以是对本公开披露所预期的压力范围的任何合适的压力容器。例如，其内部气体压力可从1到200巴。在一些实施例中，其内部气体压力为1-40巴。所述气体储存装置1104可包括多个如上所述的气体储存模块1108堆叠在一起。所述的气体储存模块1108可以是自立模块（工程模块）或封装模块，可能包括根据本发明任何一种实施方式的例如气体流动通道和热交换结构的集成特征。气体储存装置1104可通过利用本领域技术人员熟知的支撑件、减震器等任何适当的方式安装在罐体1106中。正如在本发明早前公开所述的，气体储存模块1108的截面形状可是合适形状的，因此气体储存装置1104可以安装在接近于罐1106内壁的至少一部分。在一些实施例中，气体储存装置1104可配置成其吸附剂具有0.2到1（气体体积/罐体体积）的罐体1106中的特定填料体积。

所述气体储存系统1100可包括用于根据需要在气体储存模块1108中增加热量或去除热量的热交换系统1110，例如以受控的方式循环传热介质。热交换系统1110的任何数量的换热元件，可用于从或到罐体1106中循环加热或冷却传热介质。一些热交换组件可以位于罐体1106的外部。传热介质可以经由穿过罐体壁中的密封口或供给口的流体管路来被设置传到和来自于罐体内部。例如，热交换系统1110可以包括加热器1112、冷却器1114、泵1116、积累容器或储集容器等。更普遍的是由本领域技术人员熟知的一个特定的实施所需要或期望的，热交换系统1110可以包括热源，散热片，热管，锅炉，蒸发器，冷凝器，泵，阀，等。热交换系统1110可以与现有的加热/冷却系统共用一个或多个组件，例如，汽车的空调系统或发动机冷却系统。

所述气体储存系统1100可以进一步包括穿过罐壁中一个或多个密封端口的一个或多个气体管路1120。由气体储存机构1104存储的气体可通过气体管路1120由外部气源提供到罐体1106。分配的气体通过气体管路1120可由罐体1106流到一个容器、能量消耗设备或其他目的地，在任何情况下的气体流量可在泵或其他类型的流体移动装置的协助下，由如质量流量或压力调节器的流量调节器控制。

从之前的描述可以得出本发明实施例的气体储存模块可提供一或多个优点。气体储存模块可应用在一吸附气体储存罐中。吸附床的模块化使得传热元件有机融合并提供给罐内气体自由运动的开放的单元。模块化使大量的平行床能够运作一致，相反，随机填充床或床系列，经历着显著的温度，压力和浓度梯度，造成了不稳定的运作和额外的对控制的挑战。所述气体储存模块可通过压缩吸附剂和增加特定的填料体积来增加罐体的VED。所述气体储存模块可以有效地整合内部的热量管理系统来能够满足加热和冷却负载，从而实现快速吸附解吸速率，增加有效的吸附剂的工作能力（VED）。所述气体储存模块可以有效地分配罐内气体，以促进快速吸附解吸，同时最大限度地减少对气体流量的阻力。

在一般情况下，术语如“相通”和“在..与连通“（例如，第一组件”“相通”和“在..与连通“第二组件）在这里应用来表示两个或更多的组件或元素之间的功能，机械，电气，信号，光学，磁性，电磁，离子或流体关系。因此，一个组件与另一个组件相通不在于排除与第一和第二组件之间和/或可操作地相关的或与之相关的其他组件可能存在的可能性。

可以理解到，本发明的各个方面或细节可改变而不偏离本发明的范围。此外，上述描述仅为说明的目的，而不是为了限制权利要求所限定的本发明的目的。

Claims (46)

1.一气体储存模块，包括：

一包含第一表面，相对的第二表面以及在第一表面和第二表面之间的侧壁的二维本体，还包含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；以及

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，

其特征在于：所述本体包括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，以及所述粘合剂具有一用于将颗粒有效地结合在一起的组成。

2.根据权利要求1所述的气体储存模块模块，其特征在于：所述本体被填充以自我支撑，至少第一表面和第二表面中的一个包括沿着至少一表面延伸以及在远离本体的方向开口的通道。

3.根据权利要求2所述的气体储存模块，其特征在于：每个通道与其相邻的通道分开一分离距离，分离距离的一半等于或小于所述侧壁厚度的一半。

4.根据权利要求2所述的气体储存模块，其特征在于：每个通道包括与所述侧壁的第一部分相通的一入口，以及与第一部分不同的位于本体侧壁的不同部分相通的出口。

5.根据权利要求2所述的气体储存模块，其特征在于：所述热交换结构在第一表面和第二表面之间延伸穿过本体的厚度。

6.根据权利要求5所述的气体储存模块，其特征在于：所述热交换结构包括嵌入在本体内的导管。

7.根据权利要求5所述的气体储存模块，其特征在于：所述本体包括与热交换结构的入口相通且延伸穿过厚度的第一空间部分，以及与热交换结构的出口相通且延伸穿过厚度的第二空间部分。

8.根据权利要求2所述的气体储存模块，其特征在于：多个通道包括沿着第一表面延伸的多个第一通道以及沿着第二表面延伸的多个第二通道。

9.根据权利要求1所述的气体储存模块，包括封装本体的多孔支撑结构以及由热传导材料组成，其特征在于：多个通道包括流经本体空隙以及与支撑结构的一个或多个孔相通的路径网，所述热交换结构与面向或远离本体的支撑结构的侧壁邻接。

10.根据权利要求9所述的气体储存模块，其特征在于：所述热交换结构包括一与第一表面临接的支撑结构的第一侧壁靠近的第一热交换部件，以及一与第二表面临接的支撑结构的第二侧壁靠近的第二热交换部件。

11.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：所述填充混合物包括选自增塑剂，强度增强剂，孔增强剂，导热性增强剂以及上述两种或更多组合的添加剂。

12.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：所述粘合剂选自粘土，氧化铝，二氧化硅，聚合物以及上述两种或更多种的组合。

13.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：包括封装本体的一弹性，多孔材料。

14.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：所述热交换部件包括一嵌入在本体内的二维结构，或者临近第一表面和第二表面中的至少一个。

15.根据权利要求14所述的气体储存模块，其特征在于：所述二维结构选自网，波纹片，穿孔片，泡沫片以及上述两种或以上的组合。

16.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：所述吸附剂选自活性炭，金属有机骨架，沸石，多孔聚合物以及上述两种或以上的组合。

17.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：所述吸附剂有效的用于吸附选自天然气，甲烷，气态烃，氢，二氧化碳，氨，气态的碳氟为基础的化合物以及上述两种或多种的组合。

18.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：所述吸附剂具有0.2甲烷重量/吸附剂重量或更多的甲烷的重量负载能力。

19.根据权利要求1所述的气体储存模块，其特征在于：所述吸附剂具有0.2-1.5吸附剂重量/吸附剂体积的体积密度范围。

20.一气体储存装置，包括多个如权利要求1所述的气体储存模块，所述气体储存模块堆叠在一起使得每个气体储存模块的第一或第二表面面对至少一其它相邻气体储存模块的第一表面或第二表面。

21.根据权利要求20所述的气体储存装置，其特征在于：

对于每一个气体储存模块，所述热交换结构包括一个嵌入在本体内的导管；

对于每一个气体储存模块，所述本体包括与热交换结构的入口相通且延伸穿过厚度的第一空间部分，以及与热交换结构的出口相通且延伸穿过厚度的第二空间部分；以及

第一空间部分共同形成第一空间和第二空间部分共同形成第二空间。

22.根据权利要求20所述的气体储存装置，其特征在于：所述热交换结构是一种在本体内设置的内部热交换结构，其进一步包括了在一个或多对相邻的气体储存模块之间设置的另一个外部热交换结构。

23.根据权利要求20所述的气体储存装置，包括多个在一个或多对相邻的气体储存模块之间设置的弹性衬垫，其特征在于：每个垫片将至少一气体储存模块与其它的至少一相邻的气体储存模块分离。

24.根据权利要求20所述的气体储存装置，包括封装在一罐体内部的罐，其特征在于：所述气体储存模块设置在罐内，所述通道与罐内部相通，并且所述罐包括一个端口配置用于选择性地提供罐内部和外部的一位置之间的连通。

25.根据权利要求24所述的气体储存装置，其特征在于：包括一与热交换结构热接触的热量传导系统，并配置成选择性的加热到气体储存模块或从气体储存模块中移除热量。

26.根据权利要求24所述的气体储存装置，其特征在于：罐内所述吸附剂具有0.2-1.0吸附剂体积/罐体积的特定填充体积。

27.一种制造气体储存模块的方法，所述方法包括：

混合吸附剂和粘合剂，其特征在于：所述吸附剂包括多个具有用于吸附气体的组成和有效孔隙度的颗粒，以及具有用于有效的将颗粒粘合的组成的粘合剂；

从混合物中形成一个二维的本体，使得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，以及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。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于：本体成形包括利用模具压制或通过挤压出混合物。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于：本体成形包括填充混合物以使得所述本体能自我支撑。

30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于：所述本体成形包括在第一表面和第二表面的至少一个上形成通道，使得通道朝远离本体的方向开口。

31.根据权利要求27所述的方法，其特征在于：所述热交换结构的设置包括在热交换部件周围填充混合物，所述热交换部件嵌入在所述本体中。

32.根据权利要求27所述的方法，其特征在于：本体成形包括将混合物封装在一多孔支撑结构中以使得多个通道包含流经本体空隙的路径网，并与支撑结构的一个或多个孔相通。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于：所述热交换结构的设置包括将热交换结构靠近朝向或远离本体的支撑结构的一侧壁。

34.一种制造气体储存装置的方法，所述方法包括：将权利要求1中所述的气体储存模块堆叠，以使得每个气体储存模块的第一表面或第二表面与至少一邻近的气体储存模块的第一表面或第二表面相对。

35.根据权利要求34所述的方法，包括根据权利要求27所述的方法制造气体储存模块。

36.根据权利要求34所述的方法，包括在一或多对相邻的气体储存模块之间设置多个弹性垫片，其特征在于：每个垫片至少将一气体储存模块与至少一其它相邻的气体储存模块分离。

37.根据权利要求34所述的方法，包括将所述气体储存模块封装在罐中，其特征在于：所述管道与罐的内部相通。

38.根据权利要求34所述的方法，其特征在于：包括将各个气体储存模块的热交换结构与一热传导系统热接触。

39.一种储存气体的方法，所述方法包括：

气体流过沿着或者延伸通过一个包括多个吸附剂颗粒的二维本体的多个通道，其特征在于：所述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；以及

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本体的第一表面和相反的第二表面共平面的平面伸出的热交换结构上。

40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：所述本体包括在本体的第一表面和相反的第二表面之间的一侧壁，以及包括通过位于侧壁的通道的入口的流动的气体。

41.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：所述本体封装在一多孔的支撑结构中，多个通道包含流经本体空隙的路径网，并与支撑结构的一个或多个孔相通，以及流动的气体通过一个或多个孔。

42.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：包括当气体流动时，将一热交换介质传导与热交换结构热接触。

43.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：包括储存气体一段时间以及在储存后，通过加热颗粒来从颗粒中解吸气体，其中解吸气体流经通道。

44.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：所述本体包括多个本体堆叠在一起，以及气体流经每个本体的多个通道。

45.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：包括气体流过包含本体的罐的一端口，并且朝向通道。

46.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：包括储存气体一段时间，储存的同时保持罐体的内部压力在1-200巴之间。