CN111133244A - 气体储存容器 - Google Patents

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CN111133244A
CN111133244A CN201880049624.9A CN201880049624A CN111133244A CN 111133244 A CN111133244 A CN 111133244A CN 201880049624 A CN201880049624 A CN 201880049624A CN 111133244 A CN111133244 A CN 111133244A
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浅利大介
樋口雅一
加藤慎司
野口由起子
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Artemis Co Ltd
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Abstract

本发明的目的是提供一种易于运输和安装的气体储存容器。根据本发明的气体储存容器，其具有平坦的上和下表面，且为可垂直堆叠的。根据本发明的气体储存容器，其可以包括壳体，其中壳体具有平坦的上表面和平坦的下表面且为可垂直堆叠的，以及包括安装在壳体中的气体容器。

Description

气体储存容器
技术领域
本发明涉及一种具有特定形状的气体储存容器。
背景技术
重量大且为瓶状的气体容器已经被大量地使用。但是，由于这样的气体容器占用了大量体积，且难以运输和安装，故其并不易操作。再者，这样的气体容器并不是为了美观而设计。
引用列表
专利文献:
专利文献1：日本专利申请公开号2015-178906(尚未审查)。
发明内容
技术问题：
本发明的目的是提供一种易于运输和安装的气体储存容器。
解决问题的手段：
本发明的一些技术手段如下所述。
[1]一种气体储存容器，包括平坦的上表面和平坦的下表面，并且为可垂直堆叠的。
[2]根据[1]所述的气体储存容器，具有棱柱形。
[3]根据[2]所述的气体储存容器，具有四棱柱形、五棱柱形或六棱柱形。
[4]根据[3]所述的气体储存容器，具有长方体形状或立方体形状。
[5]根据[1]至[4]的其中任一项所述的气体储存容器，其中气体出口设置在其至少一个侧表面上。
[6]根据[5]所述的气体储存容器，其中至少一个侧表面具有凹槽，且气体出口设置在凹槽中。
[7]根据[1]至[6]的其中任一项所述的气体储存容器，还包括把手。
[8]根据[1]至[7]的其中任一项所述的气体储存容器，其中其内表面为球形、圆柱形或椭圆形。
[9]一种根据[1]至[8]的其中任一项所述的气体储存容器，包括壳体，其具有平坦的上表面和平坦的下表面，且也包括安装在壳体中的气体容器。
[10]根据[1]至[9]的其中任一项所述的气体储存容器，还包括气体剩余量测量模块。
[11]根据[9]所述的气体储存容器，还包括位于壳体和气体容器之间的空间中的气体剩余量测量模块。
[12]根据[10]或[11]所述的气体储存容器，其中气体剩余量测量模块包括温度传感器。
[13]根据[10]至[12]的其中任一项所述的气体储存容器，其中气体剩余量测量模块被配置为能够无线通信。
[14]根据[10]至[13]的其中任一项所述的气体储存容器，其中气体剩余量测量模块被配置成执行GPS通信。
[15]根据[1]至[14]的其中任一项所述的气体储存容器，还包括多孔材料于其中。
[16]根据[15]所述的气体储存容器，其中多孔材料是金属有机框架。
本发明的有利效果：
根据本发明，其能够提供易于运输和安装的气体储存容器。
附图说明
图1为透视图，其根据本发明的一个实施方式出示了气体储存容器的透视图。
图2为图1所示的气体储存容器的横截面图。
图3为透视图，其根据本发明的一个实施方式绘示了多个气体储存容器于垂直堆叠的状态。
图4为概念图，其绘示了气体剩余量测量模块的配置示例。
图5为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图6为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图7为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图8为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图9为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图10为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图11为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图12为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。
图13为图12所示的气体储存容器的横截面图。
图14为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示了气体储存容器。
图15为图14所示的气体储存容器的横截面图。
图16为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示了气体储存容器。
图17为出示气体储存量的示例的图。
图18为出示气体储存量的示例的图。
图19为出示气体储存量的示例的图。
图20为出示气体储存量的示例的图。
具体实施方式
根据本发明的气体储存容器，其具有平坦的上和下表面，且可以垂直堆叠。采用这种配置，能够简易且有效率地运输和安装气体储存容器。下面将对此类气体储存容器的示例进行描述。
图1为透视图，其根据本发明的一个实施方式出示了气体储存容器的透视图。图2为图1所示的气体储存容器的横截面图。图3为透视图，其根据本发明的一个实施方式绘示了多个气体储存容器于彼此向上堆叠的状态。
图1和图2所示的气体储存容器1具有立方体形状，并包括上表面10、下表面20和四个侧表面30。上表面10和下表面20都是平坦的，并且通常具有相同的形状。这使得气体储存容器1能够垂直堆叠在另一个的上面。图3出示的示例为将三个气体储存容器1A至1C垂直堆叠。
气体储存容器1的侧表面30通常设置有气体出口32。侧表面30设置有凹槽34，且气体出口32设置在凹槽34中。采用这种配置能够减少气体储存容器1的占有体积，从而便于其运输或其他操作。气体出口32也常用作气体入口。
气体出口32通常设置有气体剩余量测量模块(未绘示)。气体剩余量测量模块优选地可配置为执行无线通信。气体剩余量测量模块可配置为执行GPS通信。采用这种配置能够远程地管理气体储存容器1中的气体剩余量。
图4为概念图，其绘示了气体剩余量测量模块的配置示例。图4所示的气体剩余量测量模块是物联网(IoT)模块，并包括压力传感器、温度传感器、连接到两个传感器的类比/数位(A/D)转换器和连接到A/D转换器的中央处理单元(CPU)。CPU还连接到配置以执行无线通信的无线通信模块和连接到配置以执行GPS通信的GPS通信模块。无线通信模块例如可用作为向监视器PC或平板电脑等发送测量值数据。在图4所示的示例中，监视器PC或平板电脑上显示出了关于温度(25℃)、位置(东经135.405度/北纬35.010度)和压力(9.85兆帕(MPa))的信息。举例而言，蓝牙(注册商标)通信模块可以用作无线通信模块。使用这样的气体剩余量测量模块，能够让用户可方便地追踪气体储存容器的剩余量和位置信息。这也有助于气体储存容器的库存管理和分配管理。
气体储存容器1的内表面70具有实质上与外部形状相同的立方体形状。采用这样的配置能够使储存在气体储存容器1中的气体量最大化。
任何材料均可使用于气体储存容器1。例如，气体储存容器1可以由金属或合金制成。或者，气体储存容器1可以由纤维增强塑料制成，抑或可皆包括纤维增强塑料和金属或是皆包括纤维增强塑料和合金。或者，气体储存容器1可以由硬铝制成。用于气体储存容器1的材料可依考虑到其成形性和重量，而适当地选择。
图5为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。图5中所示的气体储存容器1具有与图1中所示的气体储存容器1相同的配置，除了其具有更大的倒角。采用这样的配置能够提高气体储存容器1的耐压性，并给用户更柔和的外部印象。应注意，气体储存容器1可以不需要具有如图1和图5所示的切斜边。
图6为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。图6中所示的气体储存容器1具有与图5中所示的气体储存容器1相同的配置，除了其在上表面上还具有握把100。采用这种配置可让用户能更容易运输气体储存容器1。
图6中所示的气体储存容器1中，在上表面10上设置有凹槽102。此配置可允许握把100不从上表面10突出。采用这种配置可使气体储存容器1能更容易在垂直方向上堆叠。握把100可设置在上表面10上，以便为可折叠的。
握把100还可以设置在气体储存容器1的除了上表面以外的地方。也就是说，握把100可以设置在气体储存容器1的外部任意处。例如，把手100可以设置在气体储存容器1的外表面上，或者可以设置在气体储存容器1的外倒角上。
图7为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。图7中所示的气体储存容器1具有与图1中所示的气体储存容器1相同的配置，除了其设有排气出口32的侧表面30不具有凹槽。与图1中所示的配置相比，将可因不具有凹槽而能广泛地储存更大量的气体。
图8为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。图8中所示的气体储存容器1具有与图1中所示的气体储存容器1相同的配置，除了其上表面10也设置有气体出口12和凹槽14。采用这种配置可使得能从上表面10和侧表面30排出或引入气体。再者，可例如通过连接多个气体储存容器1的气体出口，可达到增加气体储存容器1的有效容量。参照如图7所述的内容，也可以省略凹槽14。
图9为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。图9中所示的气体储存容器1具有与图8中所示的气体储存容器1相同的配置，除了另一侧表面40也设置有气体出口42和凹槽44。采用这种配置可使得能从多个侧表面排出或引入气体。再者，可例如通过连接多个气体储存容器1的气体出口，可达到增加气体储存容器1的有效容量。参照如图7所述的内容，也可以省略凹槽44。此外，还可以在下表面和其他侧表面中设置气体入口(和凹槽)。
图10和11为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。图10中所示的气体储存容器1具有与图1中所示的气体储存容器1相同的配置，除了其具有规则的六角棱柱形状。图11中所示的气体储存容器1具有与图1中所示的气体储存容器1相同的配置，除了其具有规则的五边形棱柱形状。采用这种形状同样可使得能够更容易地运输和安装气体储存容器1。
对于气体储存容器1的形状并没有特别的限制，其只要上和下表面为平坦的，且可以垂直堆叠即可。气体储存容器1例如具有圆柱形状或棱柱形状，并且优选地具有四角棱柱形状、五角棱柱形状或六角棱柱形状。当气体储存容器1具有棱柱形状时，气体储存容器1优选地具有规则的多边形柱形。气体储存容器1更优选地为长方体或立方体，尤其是优选地为立方体。
气体储存容器1的内表面的形状可例如为与外表面的形状实质上相同，如图2所示。气体储存容器1的内表面的形状可以不同于外表面的形状。例如，气体储存容器1的内表面可以是球形、圆柱形或椭圆形。采用这种结构能够提高气体储存容器1的耐压性。
图12为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示气体储存容器。图13为图12所示的气体储存容器的横截面图。图12和图13中所示的气体储存容器1具有与图1和图2中所示的气体储存容器1相同的配置，除了内表面70是球形的。采用这种配置能够提高气体储存容器1的耐压性。
图14为透视图，其根据本发明的另一个实施方式出示了气体储存容器。图15为图14所示的储存容器的横截面图。图14和图15中所示的气体储存容器1具有与图1和图2中所示的气体储存容器1相同的配置，除了其内表面70是圆柱形的。采用这种配置能够提高气体储存容器1的耐压性。
根据本发明的气体储存容器，其可以包括壳体，其中壳体具有平坦的上表面和平坦的下表面，且为可垂直堆叠的，以及包括安装在壳体中的气体容器。在这种情况下，无论气体储存容器的形状如何，都可以提供易于运输和安装的气体储存容器。用于壳体和气体容器的材料可能与彼此不同。因此，可以通过优化用于壳体的材料和气体容器的材料来调整整个气体储存容器的强度、重量、耐压性、外观等的类似特性。例如，可以使用上面的那些作为气体储存容器的示例材料来作为气体容器的材料。另一方面，除了使用作为气体储存容器的示例材料外，还可以适当地使用塑料、金属、合金等的类似物来作为壳体的材料。
图16为透视图，其根据本发明的另一个实施方式绘示了气体储存容器。图16中所示的气体储存容器1包括壳体200和安装于其中的气体容器300。壳体200具有实质上的立方体形状，并且由塑料制成。可在壳体200的外角部设置握把。气体容器300由纤维增强塑料制成，并安装在壳体200中。气体容器300的气体出口通过壳体200暴露在外部。采用这种配置能够提供易于运输和安装的气体储存容器，同时也增强耐压性。
当气体储存容器设有壳体和气体容器时，上述的气体剩余量测量模块可安装在壳体和气体容器之间的空间内。这使得从外部很难直观地识别到气体剩余量测量模块，从而使其不太可能会损害到外观美感。
根据本发明的气体储存容器，其还可以包含多孔材料于其中。可填充多孔材料，以使气体储存容器在298K下对于至少一种的气体可满足以下条件。亦即，当含有多孔材料时，在1Mpa(G1M)下的气体含量和在0.1Mpa(G0.1M)下的气体含量之间的差值(Δ1M＝G1M-G0.1M)，会是在当不含有多孔材料时，在1Mpa(g1M)下的气体含量和在0.1Mpa(g0.1M)下的气体含量之间的差值(δ1M＝g1M-g0.1M)的至少两倍。换言之，根据本发明的气体储存容器，其在298K下对于至少一种的气体可满足Δ1M/δ1M≥2。
所述的0.1MPa(G0.1M)的气体含量是接近大气压的气体含量。也就是说，这个值可以作为气体储存容器在不减压的情况下释放气体的极限值的准则。
常规的气瓶通常是充满14.7MPa的高压气体。这是因为在常规气体容器的情况中，压力和储气量是成正比的，因此，除非压力增加，否则无法储存足够量的气体。另一方面，当使用满足上述条件的气体储存容器时，可以在相对较低的压力下实现较高的储气量。
根据本实施方式的气体储存容器，其储气量Gtotal可通过以下方程式来计算。
[方程式(1)]
Gtotal＝Gext+Gpore+Gexcess
在此，Gext是在未填充有多孔材料的区域中的气体储存量。Gpore是进入多孔材料的孔隙中的正常密度气体的储存量。Gexcess是多孔材料过度吸收的气体量。
Gext可通过以下方程式来计算。
[方程式(2)]
Figure BDA0002378363310000071
在此，F是多孔材料的填充率(％)。g为相同压力下的气体密度(摩尔/升；
mol/L)。Gext的作用会随多孔材料填充因子F的增大而减小。例如，当F＝100％时，Gext＝0
mol/L。
Gpore可由以下方程式來计算。
[方程式(3)]
Figure BDA0002378363310000072
在此，F是多孔材料的填充率(％)。ε是多孔材料的孔隙率，并可由多孔材料的密度ρ(g/cm3)和多孔材料的孔体积Vp(cm3/g)的乘积确定。
Gexcess可通过以下方程式來计算。
[方程式(4)]
Figure BDA0002378363310000073
在此，F是多孔材料的填充率(％)。A是通过吸附量测量所确定的多孔材料的气体吸附量(cm3(STP)/g)。ρ是多孔材料的密度(g/cm3)。在此方程式中，对于气体的每摩尔体积，可假设其是STP中的理想气体(22.7L/mol)。
由上式可以看出，为了增加总的储气量Gtotal，增加Gexcess是很重要的。而为了增加Gexcess，优选使用具有较大气体吸附量A的多孔材料，并同时增加多孔材料的填充率F。
只要满足上述条件，多孔材料的填充率F(％)可以不受限制。例如，F为60％或以上，优选为65％或以上，且更优选70％或以上。在这种情况下，通过填充多孔材料来增加气体储存量的效果会变得更加显着。填充率的上限为100％，但从充气效率、排出热等性质的方面来看，填充率可能会略有降低。例如，多孔材料的填充率可以是99％或更低。此外，考虑到由于多孔材料本身的重量而增加气体储存容器的重量，也可以进一步降低填充率。
如上所述，对于至少一种气体，根据本实施方式的气体储存容器，其在298K时可满足Δ1M/δ1M≥2。例如，Δ1M/δ1M可以是4或更多，可优选6或更多，可更优选8或更多，尤其可优选10或更多。
对于至少一种气体，根据本实施方式的气体储存容器，其在298K时优选地满足Δ5M/δ5M≥1.5。例如，Δ5M/δ5M可以是1.8或更多，可优选2或更多，可更优选4或更多，尤其可优选5或更多。
对于至少一种气体，根据本实施方式的气体储存容器，其在298K时优选地满足Δ10M/δ10M≥1.2。例如，Δ10M/δ10M可以是1.5或更多，可优选1.8或更多，可更优选2或更多，尤其可优选3或更多。
对于至少一种气体，根据本实施方式的气体储存容器，其在298K时优选地满足Δ5M/δ14.7M≥0.3。例如，Δ5M/δ14.7M可以是0.5或更多，可优选0.6或更多，可更优选0.8或更多，尤其可优选1或更多。当Δ5M/δ14.7M等于或大于1时，气体储存容器可在5MPa的低压下储存相当于或高于14.7MPa的空容器中的气体量。
对于至少一种气体，根据本实施方式的气体储存容器，其在298K时优选地满足Δ1M/δ14.7M≥0.1。例如，Δ1M/δ14.7M可以是0.2或更多，可优选0.4或更多，可更优选0.6或更多，再更优选0.8或更多，尤其可优选1或更多。当Δ1M/δ14.7M等于或大于1时，气体储存容器可在1MPa的低压下储存相当于或高于14.7MPa的空容器中的气体量。
作为多孔材料，可以使用例如金属有机框架(metal organic framework；以下称MOF)、活性炭、沸石、介孔二氧化硅或是其他类似物。尤其优选使用MOF作为多孔材料。可将多种类型的多孔材料组合使用。
当使用MOF为多孔材料时，可以使用任何类型的MOF。适当地将金属离子的类型和其配位数与多齿配体的类型和其拓扑结构相结合，可得到具有所需结构的MOF。
MOF中的金属元素可以是，例如，属于碱金属(族1)、碱土金属(族2)或过渡金属(族3至12)的任何元素。MOF中的多齿配体通常是有机配体，其范例包括羧酸阴离子和杂环化合物。羧酸阴离子的范例包括二羧酸阴离子和三羧酸阴离子。具体范例包括柠檬酸、苹果酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸、均苯三甲酸及其衍生物的阴离子。杂环化合物的范例包括联吡啶、咪唑、腺嘌呤及其衍生物。或者，配体可以是胺化合物、磺酸盐阴离子或磷酸盐阴离子。MOF还可含有单齿配体。
对于金属和用来形成MOF的配体，其结合可以根据预期的功能和所需的孔径来适当地确定。MOF可以包含两种或多种金属元素，也可以包含两种或多种配体。MOF可以用聚合物或其他改性剂进行表面改性。
作为金属有机结构的具体示例，举例而言，可以使用文献(Yabing He团队，Methane Storage in Metal-Organic Frameworks，Chem Soc Rev，2014)于表1中所列出的金属有机结构。或者，也可以使用其他文件(Chem.Sci.,2014,5,32-51)所列出的金属有机结构。以下表1至表3所示的内容也可用作MOF。这些是非限制性列表，也可以使用其他的MOF。
表1
Figure BDA0002378363310000091
Figure BDA0002378363310000101
表2
Figure BDA0002378363310000102
Figure BDA0002378363310000111
表3
Figure BDA0002378363310000112
Figure BDA0002378363310000121
多孔材料的类型没有限制。作为多孔材料，例如可以使用粉状材料、颗粒材料、珠状材料、薄膜材料或块状材料。可将多种类型的多孔材料组合使用。
气体储存容器中储存的气体种类没有限制。这类气体的范例可包括：氮气、氧气、空气、二氧化碳、稀有气体如氦、氖、氩、氪和氙、氢、饱和烃如甲烷、乙烷和丙烷、乙炔、碳氟化合物如二氟甲烷、LP气体、天然气、单硅烷、TeOS、二氯硅烷、胂、磷化氢、二硼烷、三氯化碳、四氟化碳、三氟化氮、溴化氢、氯、六氟化钨、硒化氢、一元锗、环氧乙烷、氧化亚氮和氨。其中，特别优选地使用从氮气、氧气、空气、二氧化碳、甲烷和氢气组成的群组中选择出的气体。
范例
[占用体积]
如上所述，根据本发明，提供一种易于运输和安装的气体储存容器。在下文中，借由参照图1至图3所述的气体储存容器为例，可以看出，占用容积的效率也可以得到提升。
常规的气瓶会带有瓶子的形状。通常，其直径为23.2厘米(cm)，其高度为151cm，其体积为47升(L)。除此之外，还需要用来固定气缸的部件。在下文中，假设固定部件的底部形状为25cm×25cm的正方形。
另一方面，我们可假设参照图1至图3所述的气体储存容器是一个边长为25厘米的立方体容器。在这种情况下，每个气体储存容器的体积为25cm×25cm×25cm，即约等于15.6L。如上所述，气体储存容器可被垂直堆叠。假设与常规气瓶高度相同，并可堆放6个气体储存容器。则在这种情况下，总体积约为156L×6，即约等于94L。也就是说，对于几乎相同的占有体积，容量可以增加大约一倍。换言之，如果三个气体储存容器堆叠在一起，就可以达到相当于一个常规气瓶的容量。这也意味着，在这种情况下，所占用体积可以减少到约为一半。
此外，如上所述，通过将多孔材料引入气体储存容器，可以进一步提高所储存气体的量。在下文中，将另外描述多孔材料的效果。
[多孔材料的制备]
以下的表4总结了本文中使用的多孔材料。在表中，HKUST-1是根据文献(Chem.Sci.,2015,6,1645-1649)使用双螺杆挤出机合成的。ZIF-8、MIL-53(Al)、AX-21和13X都是商用上可行的。表中的密度和孔隙体积是从文献(Chem.Sci.,2014,5,32-51)中摘录的。
表4
Figure BDA0002378363310000131
[吸附量的测量]
可使用BELSORP-HP(Microtrack-Bell有限公司)在298K下测量吸附量，并用粉末状多孔材料进行测量。
[氮]
以氮气为气体且填充因子F为60％的情况进行了比较。结果汇总在下列表5和图17中。
表5
Figure BDA0002378363310000132
Figure BDA0002378363310000141
使用氮气作为气体，且填充因子F为80％的情况进行了比较。结果整理在下列表6和图18中。
表6
Figure BDA0002378363310000142
[氧气]
使用氧气作为气体，且填充因子F为80％的情况进行了比较。结果整理在下列表7和图19中。
表7
Figure BDA0002378363310000151
[甲烷]
使用甲烷作为气体，且填充因子F为60％的情况进行了比较。结果整理在下列表8和图20中。
表8
Figure BDA0002378363310000161

Claims (16)

1.一种气体储存容器，其特征在于，包括平坦的上表面和平坦的下表面，并且为可垂直堆叠的。
2.如权利要求1所述的气体储存容器，其特征在于，具有棱柱形。
3.如权利要求2所述的气体储存容器，其特征在于，具有四棱柱形、五棱柱形或六棱柱形。
4.如权利要求3所述的气体储存容器，其特征在于，具有长方体形状或立方体形状。
5.如权利要求1至4的其中任一项所述的气体储存容器，其特征在于，其中气体出口设置在其至少一个侧表面上。
6.如权利要求5所述的气体储存容器，其特征在于，其中所述至少一个侧表面具有凹槽，且所述气体出口设置在所述凹槽中。
7.如权利要求1至6的其中任一项所述的气体储存容器，其特征在于，还包括把手。
8.如权利要求1至7的其中任一项所述的气体储存容器，其特征在于，其中其内表面为球形、圆柱形或椭圆形。
9.如权利要求1至8的其中任一项所述的一种气体储存容器，其特征在于，包括：
壳体，具有平坦的上表面和平坦的下表面，且为可垂直堆叠的；以及
气体容器，安装在所述壳体中。
10.如权利要求1至9的其中任一项所述的气体储存容器，其特征在于，还包括气体剩余量测量模块。
11.如权利要求9所述的气体储存容器，其特征在于，还包括位于所述壳体和所述气体容器之间的空间中的气体剩余量测量模块。
12.如权利要求10或11所述的气体储存容器，其特征在于，其中所述气体剩余量测量模块包括温度传感器。
13.如权利要求10至12的其中任一项所述的气体储存容器，其特征在于，其中所述气体剩余量测量模块被配置为能够无线通信。
14.如权利要求10至13的其中任一项所述的气体储存容器，其特征在于，其中所述气体剩余量测量模块被配置成执行GPS通信。
15.如权利要求1至14的其中任一项所述的气体储存容器，其特征在于，还包括多孔材料于所述气体容器中。
16.如权利要求15所述的气体储存容器，其特征在于，其中所述多孔材料是金属有机框架。
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