增加天然氣罐的存儲(chǔ)容量的方法
【專利摘要】本申請(qǐng)涉及增加天然氣罐的存儲(chǔ)容量的方法。一種增加天然氣（NG）罐的容量的方法。該方法包括選擇帶有約3000或3600psi的工作壓力額定值的容器。容器內(nèi)有NG吸附劑。容器具有最大填充容量。該方法還包括在用來(lái)自壓力大于3600psi的填充源的NG填充該容器期間用焦耳-托馬森（Joule-Thomson）冷卻來(lái)冷卻該吸附劑。該容器以填充速率被填充到最大填充容量以防止吸附劑的體積溫度上升到比環(huán)境溫度之上約5還多。在填充期間從罐的傳熱率小于來(lái)自NG的壓縮和吸附的加熱率。NG吸附劑吸附的NG的量比在高于環(huán)境溫度至少5的溫度下所吸附的更高。
【專利說(shuō)明】增加天然氣罐的存儲(chǔ)容量的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2013年3月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/806，170的權(quán)益，其通過(guò)引用全文并入。

【背景技術(shù)】
[0002]壓力容器，例如氣體存儲(chǔ)容器和液壓蓄能器可被用于容納壓力下的流體?？善谕哂邢喈?dāng)薄的壁和低重量的壓力容器。例如，在車輛燃料箱中，相當(dāng)薄的壁允許對(duì)可用空間的更高效的使用，并且相當(dāng)?shù)偷闹亓吭试S車輛運(yùn)動(dòng)的能量效率更大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本公開(kāi)的示例包括用于增加天然氣罐的存儲(chǔ)容量的方法。一個(gè)示例方法包括選擇帶有約3600psi的工作壓力額定值的容器，該容器要被用天然氣填充到高達(dá)約3600psi的滿罐壓力。天然氣吸附劑被包含在該容器內(nèi)。其中包含有吸附劑的該容器具有最大填充容量。該示例方法還包括在用來(lái)自壓力大于3600psi的填充源的天然氣填充該容器期間用焦耳-托馬森(Joule-Thomson)冷卻來(lái)冷卻該吸附劑。該容器以填充速率被填充到最大填充容量以防止吸附劑的體積溫度上升到比環(huán)境溫度高多于約5?C。在填充期間從罐的傳熱率小于來(lái)自天然氣的壓縮和吸附的加熱率。天然氣吸附劑吸附的天然氣的量比在環(huán)境溫度之上5 yC更高的溫度下所吸附的量更高。
[0004]本申請(qǐng)還提供了如下方案:
方案1.一種用于增加天然氣罐的存儲(chǔ)容量的方法，該方法包括:
選擇具有工作壓力額定值為約3000psi或3600psi的容器，該容器分別要被用天然氣填充到最高為約3000psi或3600psi的滿罐壓力，其中該容器具有設(shè)置在其內(nèi)的天然氣吸附劑并且具有該吸附劑的該容器具有最大填充容量；
在用來(lái)自壓力大于3000psi或3600psi的填充源的天然氣填充該容器期間通過(guò)焦耳一托馬森冷卻冷卻該吸附劑；以及
以防止吸附劑的體積溫度上升到比環(huán)境溫度之上約5 eC更多的整體填充速率填充該容器到所述最大填充容量；
其中，在填充期間從罐的傳熱率小于來(lái)自天然氣的壓縮和吸附的加熱率；
其中天然氣吸附劑吸附的天然氣的量比在環(huán)境溫度之上5 %」更高的溫度下吸附劑所吸附的量更高；
以及其中所述整體填充速率是最大填充容量除以將容器填充到最大填充容量的總時(shí)間。
[0005]方案2.如方案I所述的方法，其中通過(guò)焦耳一托馬森冷卻冷卻所述吸附劑包括以第一填充速率范圍使一定量的天然氣絕熱地穿過(guò)與容器流體連接的有效小孔，在天然氣已經(jīng)被冷卻后暫停再添加燃料以允許由焦耳一托馬森冷卻所冷卻的一定量的天然氣冷卻吸附劑，隨后以第二填充速率范圍恢復(fù)再添加燃料以在吸附劑達(dá)到比在環(huán)境溫度之上5:1:更高的溫度之前達(dá)到最大填充容量。
[0006]方案3.如方案I所述的方法，其中由焦耳一托馬森冷卻冷卻吸附劑包括以第一填充速率范圍使一定量的天然氣穿過(guò)與容器流體連接的有效小孔，其中第一填充速率范圍使吸附劑在橫跨該有效小孔的焦耳一托馬森效應(yīng)結(jié)束之前冷卻預(yù)定溫度降低，隨后以第二填充速率范圍繼續(xù)再添加燃料以在吸附劑達(dá)到比環(huán)境溫度之上5:€更高的溫度之前達(dá)到最大填充容量。
[0007]方案4.如方案I所述的方法，其中安裝在車輛上的閥控制天然氣流進(jìn)入所述容器的速率，并且安裝在所述車輛上的電子控制單元控制所述閥。
[0008]方案5.如方案I所述的方法，其中天然氣吸附劑是具有高多孔性的高表面面積材料。
[0009]方案6.如方案5所述的方法，其中天然氣吸附劑選自由碳、多孔聚合物網(wǎng)、金屬有機(jī)骨架、沸石、和它們的組合所組成的組。
[0010]方案7.如方案5所述的方法，其中天然氣吸附劑對(duì)天然氣中除甲烷之外的至少一些成分是惰性的。
[0011]方案8.如方案I所述的方法，其中天然氣吸附劑具有范圍從約0.lg/cc到約
0.9g/cc的密度。
[0012]方案9.如方案I所述的方法，其中該容器由高強(qiáng)度鋁合金或高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼制成。
[0013]方案10.如方案9所述的方法，其中高強(qiáng)度鋁合金是國(guó)際合金命名系統(tǒng)中的7000系列招合金。
[0014]方案11.如方案9所述的方法，其中HSLA鋼包括ASTM國(guó)際A572-50、A516-70、或者 A588。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]通過(guò)參考下面的具體描述和附圖可易于理解本公開(kāi)的示例的特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)盡管可能不完全一樣、但相似的部件。簡(jiǎn)要起見(jiàn)，具有之前描述過(guò)的功能的附圖標(biāo)記或特征在它們所出現(xiàn)的其它附圖中可能被描述或可能不被描述。
[0016]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的高于天然氣罐的示例的橫截面、半示意視圖；
圖2車輛中的天然氣燃料系統(tǒng)的示例的半示意視圖；
圖3是說(shuō)明了在孔處的壓力流和溫度變化的示例簡(jiǎn)圖；
圖4是說(shuō)明了溫度相對(duì)于天然氣填充時(shí)間的曲線圖；
圖5是描繪了根據(jù)本公開(kāi)的方法用于天然氣填充罐并通過(guò)焦耳一托馬森冷卻冷卻吸附劑的曲線圖；
圖6是描述根據(jù)本公開(kāi)的在暫停天然氣傳輸以用焦耳一托馬森冷卻冷卻吸附劑、之后快速地填充罐的另一曲線圖；
圖7是描述根據(jù)本公開(kāi)的在兩個(gè)填充階段傳輸天然氣以用焦耳一托馬森冷卻冷卻吸附劑的又一曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]天然氣車輛裝配由車載存儲(chǔ)罐。吸附劑天然氣(ANG)存儲(chǔ)罐通常被設(shè)計(jì)為低壓系統(tǒng)。在這種低壓系統(tǒng)的示例中，在約725psi (約50巴)，包含填充有合適量的碳吸附劑的
0.1 m3 (即，100L)天然氣罐的車輛——該吸附劑具有約1000仏的BET表面積，0.5 g:?n3的體積密度，和0.13g/g的總吸附——被預(yù)期具有約2.85GGE (加侖汽油當(dāng)量)(可行駛約85英里的里程)，假設(shè)30mpg。
[0018]不過(guò)，這里的示例公開(kāi)了 ANG高壓系統(tǒng)。這些高壓系統(tǒng)可具有范圍從約200巴(約2901psi )到約300巴(約4351psi )的工作壓力額定值，或從約20684kPa(~207ba/3000psi )到約24821kPa (~248巴/3600psi)的工作壓力額定值。
[0019]在添加燃料期間，高壓系統(tǒng)存儲(chǔ)罐的容器被設(shè)計(jì)為一直填充直到該罐達(dá)到了指定工作額定范圍內(nèi)的壓力。
[0020]在本文公開(kāi)的示例中，該罐的容器是額定用于高壓，并且ANG罐內(nèi)的吸附劑，在罐被根據(jù)本方法的示例填充時(shí)，增加了存儲(chǔ)容量以使得該罐能夠存儲(chǔ)和運(yùn)送用于期望車輛操作的足夠量的天然氣。
[0021]不過(guò)，在實(shí)現(xiàn)了本文公開(kāi)的方法的示例的優(yōu)點(diǎn)之前，應(yīng)該預(yù)料到在用于高壓應(yīng)用的天然氣罐內(nèi)包含吸附劑應(yīng)該是一個(gè)缺點(diǎn)。例如，包括在0.1 m3 (即，100L)的天然氣罐內(nèi)，具有約1000為的BET表面積，0.5 的體積密度，和在約3600psi(約248巴)下填滿(不利用本方法的示例)的碳吸附劑可通常產(chǎn)生約0.3g/g的總吸附，預(yù)期約6.6GGE (能行駛約197英里的里程)，假設(shè)30mpg。作為比較，在250巴下填滿的沒(méi)有吸附劑的100L的壓縮天然氣(CNG)罐應(yīng)該有約8.3GGE (用于約250英里的里程)，假設(shè)30mpg。因此，在不使用本公開(kāi)的方法的情況下，帶有吸附劑的罐應(yīng)該預(yù)期比沒(méi)有吸附劑的同樣的100L的罐少約1.7GGE。
[0022]相比之下，本方法的示例可有利地被用于在高壓燃料加注站填滿ANG罐(例如，零售或車隊(duì)燃料加注站)，而沒(méi)有罐存儲(chǔ)容量的有害損失。
[0023]另外，在本方法的一些示例中，取決于所選的吸附劑，應(yīng)該領(lǐng)會(huì)到在250巴下有吸附劑的情況下獲得比在250巴下CNG罐(沒(méi)有吸附劑)更好的性能/更高的存儲(chǔ)容量也在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。
[0024]發(fā)明人相信，在本文公開(kāi)的示例中的吸附劑量的吸附效果足夠高以補(bǔ)償由于占據(jù)容器內(nèi)的容積的吸附劑的骨架所引起的存儲(chǔ)容量的損失。對(duì)于相同的溫度和壓力，被吸附相的密度大于氣體相的密度。因此，吸附劑將維持或改善該容器高壓下壓縮天然氣的存儲(chǔ)容量。
[0025]增加的存儲(chǔ)容量通常導(dǎo)致獲得更高的車輛里程。發(fā)明人相信，與基準(zhǔn)壓縮氣體技術(shù)相比，本文公開(kāi)的示例將表現(xiàn)出更高、或者同樣的天然氣存儲(chǔ)容量，并因此表現(xiàn)出更高、或同樣的車輛里程。
[0026]現(xiàn)在參照?qǐng)D1，描述了天然氣罐10的示例。罐10通常包括容器12和操作地設(shè)置在容器12內(nèi)的天然氣吸附劑14。
[0027]容器12可由適合于具有最高約3600psi的工作額定值的可反復(fù)使用的壓力容器的任何材料制成。合適的容器12材料的示例包括高強(qiáng)度鋁合金和高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼。高強(qiáng)度鋁合金的示例包括在7000系列中的那些，其具有相對(duì)高的屈服強(qiáng)度。7000系列是來(lái)自國(guó)際合金命名系統(tǒng)的對(duì)鍛制合金的取名約定。7000系列的鋁合金是與鋅的合金，并且可被沉淀硬化到任何鋁合金的最高強(qiáng)度。一個(gè)具體示例包括鋁7075-T6，其具有約73000psi的拉伸屈服強(qiáng)度。高強(qiáng)度低合金鋼的示例通常具有范圍從約0.05%到約0.25%的碳含量，并且其余的化學(xué)組成變化以獲得期望的機(jī)械特性。HSLA鋼的示例是:ASTM國(guó)際A572-50(屈服強(qiáng)度=50000psi);A516-70(屈服強(qiáng)度=38000psi);和 A588(屈服強(qiáng)度=50000psi)。
[0028]雖然容器12的形狀在圖1中被示出為是圓柱形筒，但是應(yīng)該理解容器12的形狀和大小可改變，這至少部分地取決于在車輛內(nèi)可用于罐10的包裝包絡(luò)。例如，大小和形狀可被改變以放入車輛后行李箱的特定區(qū)域。
[0029]在圖1中示出的示例中，容器12是單個(gè)的單元，其具有單個(gè)的開(kāi)口 22或入口。開(kāi)口 22可被操作地與閥構(gòu)件20安裝，用于用氣體填充容器12或者用于從容器12吸走氣體。應(yīng)該理解，手動(dòng)和/或螺線管啟動(dòng)的罐閥可被用在本公開(kāi)的示例中。閥構(gòu)件20被操作地連接到12，并且通過(guò)限定在容器12的壁內(nèi)的開(kāi)口 22與容器12流體連通，該容器壁具有范圍例如從約3mm到約IOmm的厚度。應(yīng)該理解，開(kāi)口 22可被攻有螺紋以用于典型的罐閥(例如，3/4X14NGT (國(guó)家氣體錐螺紋))。另外，應(yīng)該理解，開(kāi)口 22可被定位在容器壁的任意區(qū)域并且不一定非被定位在如圖1所示的端部。
[0030]雖然未被示出，但應(yīng)該理解，容器12可被構(gòu)造成帶有其它的容器，從而多個(gè)容器通過(guò)歧管或其它合適的機(jī)構(gòu)流體(例如，氣體)連通。
[0031]如在圖1中所示的，天然氣吸附劑14被定位在容器12內(nèi)。合適的吸附劑14至少能可釋放地保持甲烷化合物(即，可逆地存儲(chǔ)或吸附甲烷分子)。在一些示例中，所選的吸附劑14也可能夠可逆地存儲(chǔ)天然氣的其它的成分，例如其它的碳?xì)浠衔?例如，乙烷、丙烷、己烷等)、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、?或硫化氫。在其它的示例中，所選的吸附劑14可對(duì)天然氣成分中的一些來(lái)說(shuō)是惰性的并且能夠可釋放地保持其它的天然氣成分。
[0032]一般而言，吸附劑14具有高表面面積并且是多孔的?？椎拇笮⊥ǔ４笥谔烊粴庵械闹辽偌淄榛衔锏挠行Х肿又睆健Ｔ谑纠?，孔大小分布使得存在具有要被吸附的最小化合物的有效分子直徑的孔和具有要被吸附的最大化合物的有效分子直徑的孔。在示例中，吸附劑14具有大于約50平方米每克(Ag)且最高為約2000 m:.g的布魯諾爾-埃米特_泰勒(Brunauer - Emmett - Teller (BET))表面面積，且包括具有從約0.20nm (納米)到約50nm的孔大小的多個(gè)孔。
[0033]合適的吸附劑14的示例包括碳(例如，活性碳、超級(jí)活性碳、碳納米管、碳納米纖維、碳分子篩、沸石模板碳等)、沸石、金屬有機(jī)骨架(MOF)材料、多孔聚合物網(wǎng)(例如，PAF-1或PPN-4)、和它們的組合。合適的沸石的示例包括沸石X、沸石Y、沸石LSX、MCM-41沸石、磷酸硅鋁(SAP0)、和它們的組合。合適的金屬有機(jī)骨架的示例包括HKUST-1、M0F-74、ZIF-8、和/或等，這通過(guò)將四面體族與有機(jī)連接基團(tuán)(例如，羧酸鹽連接基團(tuán))連接而構(gòu)造。
[0034]吸附劑14在容器12內(nèi)占據(jù)的體積將取決于吸附劑14的密度。在一個(gè)示例中，吸附劑14的密度的范圍可從約0.lg/cc到約0.9g/cc。包裝好的吸附劑14可具有約0.5g/cc的密度。在一個(gè)示例中，100L容器可包括占據(jù)約50L的吸附劑的量。例如，占據(jù)約50L的吸附劑的量指的是吸附劑將填滿50L的容器。不過(guò)，應(yīng)該理解，在吸附劑的顆粒之間存在可用空間，并且具有占據(jù)100L容器內(nèi)的50L的吸附劑不是將容器的天然氣容量減少50L。
[0035]罐10也可包括定位在容器12的開(kāi)口 22處或附近的保護(hù)床(未示出)，使得被引入的天然氣在達(dá)到吸附劑14之前穿過(guò)保護(hù)床。在示例中，保護(hù)床可將某些成分(例如，污染物)過(guò)濾出，使得僅預(yù)先確定的成分(例如，甲烷和被可逆地吸附在吸附劑14上的其它成分)到達(dá)吸附劑14。應(yīng)該理解，可保持污染物的任何吸附劑都可被用作保護(hù)床。例如，保護(hù)床可包括吸附劑材料，該吸附劑材料將去除更高的碳?xì)浠衔?即，每分子帶有多于四個(gè)的碳原子的碳?xì)浠衔?和催化劑污染物，例如，硫化氫和水。在一個(gè)示例中，保護(hù)床可包括吸附劑材料，該吸附劑材料保持污染物中的一個(gè)或多個(gè)，同時(shí)允許清潔的天然氣從其穿過(guò)。通過(guò)保持污染物，保護(hù)床保護(hù)吸附劑14不暴露給污染物。由保護(hù)床提供的保護(hù)水平取決于保護(hù)床在保持污染物方面的有效性。在保護(hù)床內(nèi)的吸附劑的孔大小可針對(duì)某些類型的污染物進(jìn)行調(diào)節(jié)/規(guī)劃，使得保護(hù)床是選擇性吸附劑。
[0036]在一些示例中，吸附劑14可被再生，使得任何被吸附的成分被釋放，并且吸附劑14被清潔。在一個(gè)示例中，吸附劑14的再生可通過(guò)熱方式或通過(guò)惰性氣體完成。例如，硫化氫可在吸附劑在350:tC下用空氣處理時(shí)被燒掉。在另一示例中，污染物在吸附劑用氬氣或氦氣沖洗時(shí)被去除。在再生過(guò)程之后，相信吸附劑14的原始吸附能力即使沒(méi)有完全被恢復(fù)，也基本上被恢復(fù)。
[0037]在制造天然氣存儲(chǔ)罐的方法的示例中，容器12可被形成并且此后吸附劑14可被操作地設(shè)置在容器12內(nèi)。在方法的另一示例中，吸附劑14可在容器12的制造過(guò)程中被引入。
[0038]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，天然氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)示例被描述在由25示意性示出的車輛內(nèi)。在這個(gè)示例系統(tǒng)內(nèi)，ANG罐10被操作地連接到燃料管線34并與其流體連通。燃料管線34被連接到小孔30和燃料填充閥32，和閥構(gòu)件20。閥構(gòu)件20可由安裝在車輛25上的電子控制單元28控制。燃料管線34也可被操作地連接到燃料噴射器供應(yīng)歧管/燃料軌36并與其流體連通。歧管/軌36與一個(gè)或多個(gè)燃料噴射器端口 38處于操作連通和流體連通。
[0039]現(xiàn)在參照?qǐng)D3，示例的簡(jiǎn)圖說(shuō)明了通過(guò)小孔30的焦耳一托馬森節(jié)流。該小孔基本上是絕熱的，并且膨脹的氣體不做功，因此經(jīng)過(guò)小孔30的流動(dòng)是絕熱的。絕熱意味著流動(dòng)是等焓的。應(yīng)該理解，小孔可以不是優(yōu)選地絕熱的并且天然氣是真實(shí)氣體而非理想氣體。因此，流動(dòng)可能不是完全或絕對(duì)的絕熱的。當(dāng)在本文使用時(shí)，絕熱意味著完全絕熱，或者焓的變化小于百分之五情況下的基本上絕熱，這導(dǎo)致了焦耳一托馬森冷卻。當(dāng)天然氣通過(guò)小孔30被填充到相對(duì)空的容器12內(nèi)時(shí)，壓力P1 (供應(yīng)壓力，例如約3600psi)大于初始的低容器內(nèi)壓力P2。在最初填充時(shí)，在小孔30的供應(yīng)側(cè)的溫度T1大于在小孔30的罐側(cè)的溫度T20本公開(kāi)的示例可使用焦耳一托馬森冷卻來(lái)提高吸附劑14的存儲(chǔ)容量。
[0040]圖4是說(shuō)明了快速填滿事件的天然氣溫度與時(shí)間的曲線圖。溫度被描述在具有附圖標(biāo)記180的軸上，而時(shí)間被描述在具有附圖標(biāo)記182的軸上。環(huán)境溫度在附圖標(biāo)記84處由水平虛線描述。容器內(nèi)的天然氣的溫度由在附圖標(biāo)記54所指示的跡所描述。在天然氣車輛(NGV)容器12的填滿期間，看到容器內(nèi)的溫度升高。不過(guò)，在某些條件下，容器12的氣體溫度被示出為在空容器的早期填充時(shí)間中顯著下降，之后升高到如圖4中所示的最終值。接近空的容器12的填充的早期部分中的溫度的下降的至少部分原因可能是焦耳一托馬森冷卻效應(yīng)的結(jié)果，其中該氣體經(jīng)歷了通過(guò)填充小孔30的等焓膨脹，從約3600psi的供應(yīng)壓力的填充站膨脹到初始的低容器內(nèi)壓力。
[0041]圖5是示出了本公開(kāi)的方法的示例的時(shí)間、溫度、和質(zhì)量的組合曲線圖。溫度被描述在具有參考標(biāo)記80的軸上,而時(shí)間被描述在具有參考標(biāo)記82的軸上。質(zhì)量被描述在具有參考標(biāo)記81的軸上。環(huán)境溫度由參考標(biāo)記84處的水平虛線描述，而在參考標(biāo)記88處的水平虛線描述環(huán)境之上的5 eC。圖5在52描述的是在容器12內(nèi)裝載的天然氣質(zhì)量的估計(jì)，在54描述的是在容器內(nèi)的天然氣的溫度，和吸附劑體積溫度56。這些曲線示出了體積溫度54冷卻直到吸附劑體積溫度56曲線穿過(guò)上升的天然氣溫度54。在天然氣溫度54在吸附劑體積溫度56之上后，吸附劑體積溫度開(kāi)始升高。不過(guò)，填充速率足夠快以使得最大填充容量86在吸附劑體積溫度56能超過(guò)環(huán)境之上5 yC之前達(dá)到。填充速率是在時(shí)間段內(nèi)被轉(zhuǎn)移入容器54內(nèi)的天然氣的量。填充速率是在填充小孔30兩側(cè)的壓力差，以及其它因素的函數(shù)。整體填充速率指的是最大填充容量除以將容器填充到最大填充容量的總時(shí)間。天然氣吸附劑吸附的天然氣的量比在環(huán)境溫度之上5 0C更高的溫度下所吸附的量更高。因此，通過(guò)遵循本公開(kāi)的示例，與其中天然氣吸附劑升高到比環(huán)境溫度之上5 yC還多的情況下的容器內(nèi)存儲(chǔ)的質(zhì)量相比，最大填充容量在容器內(nèi)存儲(chǔ)了更大質(zhì)量的天然氣。
[0042]圖6是示出了本公開(kāi)的方法的另一示例的時(shí)間、溫度、和質(zhì)量的組合曲線圖。溫度被描述在具有參考標(biāo)記80的軸上,而時(shí)間被描述在具有參考標(biāo)記82的軸上。質(zhì)量被描述在具有參考標(biāo)記81的軸上。環(huán)境溫度由參考標(biāo)記84處的水平虛線描述，而在參考標(biāo)記88處的水平虛線描述環(huán)境之上的5 ?C。圖6在52描述的是在容器12內(nèi)裝載的天然氣質(zhì)量的估計(jì)，在54描述的是在容器內(nèi)的天然氣的溫度，和吸附劑體積溫度56。類似于圖5，這些曲線示出了吸附劑體積溫度56冷卻直到吸附劑體積溫度56曲線穿過(guò)上升的天然氣溫度54。
[0043]不過(guò)，圖6與圖5的不同之處在于，在第一填充速率范圍下的天然氣流約在天然氣溫度54的最低點(diǎn)58的同時(shí)被臨時(shí)暫停。停止天然氣流允許之前由焦耳一托馬森效應(yīng)冷卻的天然氣繼續(xù)冷卻吸附劑14。天然氣因從吸附劑14接收熱量而變暖。在一段時(shí)間之后，在天然氣溫度54和吸附劑體積溫度56之間的差變得相對(duì)小，并且減小了進(jìn)一步延遲再添加燃料的恢復(fù)的益處。在吸附劑14已經(jīng)被冷卻后，再添加燃料以第二填充速率范圍被恢復(fù)從而在吸附劑達(dá)到比環(huán)境溫度之上5氣:更高的溫度之前達(dá)到最大填充容量86。在天然氣溫度54在吸附劑體積溫度56之上后，吸附劑體積溫度開(kāi)始升高。不過(guò)，填充速率足夠快以使得最大填充容量86在吸附劑體積溫度56超過(guò)環(huán)境之上5 eC之前達(dá)到。天然氣吸附劑14吸附的天然氣的質(zhì)量比在環(huán)境溫度之上5 qC更高的溫度下所吸附的質(zhì)量更高。因此，通過(guò)遵循本公開(kāi)的示例，與其中天然氣吸附劑升高到比環(huán)境溫度之上5 eC還多的情況下的容器內(nèi)存儲(chǔ)的質(zhì)量相比，最大填充容量在容器內(nèi)存儲(chǔ)了更大質(zhì)量的天然氣。
[0044]圖7是示出了本公開(kāi)的方法的另一示例的時(shí)間、溫度、和質(zhì)量的組合曲線圖。溫度被描述在具有參考標(biāo)記80的軸上,而時(shí)間被描述在具有參考標(biāo)記82的軸上。質(zhì)量被描述在具有參考標(biāo)記81的軸上。環(huán)境溫度由參考標(biāo)記84處的水平虛線描述，而在參考標(biāo)記88處的水平虛線描述環(huán)境之上的5 eC。圖7在52描述的是在容器12內(nèi)裝載的天然氣質(zhì)量的估計(jì)，在54描述的是在容器內(nèi)的天然氣的溫度，和吸附劑體積溫度56。類似于圖6，這些曲線示出了吸附劑體積溫度56冷卻直到吸附劑體積溫度56曲線穿過(guò)上升的天然氣溫度54。
[0045]不過(guò)，圖7與圖5和6的不同之處在于，在第一填充速率范圍下的天然氣流被相對(duì)慢地繼續(xù)以在橫跨有效小孔的焦耳一托馬森效應(yīng)結(jié)束之前將吸附劑14冷卻預(yù)定的溫度降低62。之前被焦耳一托馬森效應(yīng)冷卻的天然氣繼續(xù)冷卻吸附劑14直到天然氣溫度54穿過(guò)吸附劑體積溫度56。在吸附劑14已經(jīng)被冷卻之后，再添加燃料以第二填充速度范圍(被描述為在59開(kāi)始)繼續(xù)以在吸附劑達(dá)到比環(huán)境溫度之上5 3C更高的溫度之前達(dá)到最大填充容量86。在天然氣溫度54在吸附劑體積溫度56之上之后，吸附劑體積溫度開(kāi)始升高。不過(guò)，第二填充速率足夠快以使得最大填充容量86在吸附劑體積溫度56超過(guò)環(huán)境之上5 0C之前達(dá)到。天然氣吸附劑14吸附的天然氣的質(zhì)量比在環(huán)境溫度之上5:€更高的溫度下所吸附的質(zhì)量更高。因此，通過(guò)遵循本公開(kāi)的示例，與其中天然氣吸附劑升高到比環(huán)境溫度之上5 eC還多的情況下的容器內(nèi)存儲(chǔ)的質(zhì)量相比，最大填充容量在容器內(nèi)存儲(chǔ)了更大質(zhì)量的天然氣。
[0046]在圖5、6和7的描述中，術(shù)語(yǔ)“填充速率范圍”是用來(lái)承認(rèn)天然氣在容器內(nèi)的質(zhì)量累積是非線性的。因此，速率(時(shí)間導(dǎo)數(shù))不是恒定的，而是隨著在橫跨有效小孔的壓力差的變化而連續(xù)變化。應(yīng)該理解，填充速率范圍可通過(guò)改變有效小孔而被控制。因此，對(duì)于一組特定的天然氣壓力和溫度來(lái)說(shuō)，更大的小孔會(huì)導(dǎo)致更高的填充速率。
[0047]本公開(kāi)的示例可通過(guò)使用再添加燃料站而被實(shí)施以控制天然氣流進(jìn)入容器12的速率。其它的示例可通過(guò)使用安裝在車輛上的電子控制單元28實(shí)施以控制安裝在車輛上的閥，該閥進(jìn)而控制進(jìn)入容器12的天然氣流的速率。其它的示例可使用溫度敏感材料來(lái)實(shí)施以控制安裝在車輛上的閥。
[0048]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)意外地且偶然地發(fā)現(xiàn)了，選擇性地利用/操縱類似的效果在包含吸附劑14的容器12上可導(dǎo)致更高的氣體攝取。基于吸附的天然氣(ANG)技術(shù)依賴于物理吸附。在溫度降低時(shí)吸附變得更加顯著。在填滿事件的早期部分期間，容器內(nèi)的氣體溫度可降低超過(guò)10K，這導(dǎo)致了比在沒(méi)有溫度變化下所觀察到的從吸附劑的更高的氣體攝取。此后，容器內(nèi)的氣體溫度將在供應(yīng)焓能的壓縮和向容器內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換克服了焦耳一托馬森冷卻效應(yīng)時(shí)增加，該效應(yīng)隨著容器壓力增加而變得更小。盡管罐內(nèi)的氣體可能經(jīng)歷了溫度升高，但是吸附劑的溫度可能需要時(shí)間來(lái)達(dá)到與氣體的平衡溫度。因?yàn)槲絼┑奈侥芰υ诟涞臏囟认赂螅晕絼┰谠偬砑尤剂掀陂g吸附更多的天然氣。隨著吸附劑的溫度變暖以與罐內(nèi)的氣體平衡，一些被吸附的氣體被釋放。不過(guò)，在本公開(kāi)的示例中，使吸附劑變暖的要花的時(shí)間比再添加燃料所花的時(shí)間更多。因子，被裝載到罐內(nèi)的天然氣的總質(zhì)量增加。
[0049]應(yīng)該理解，本公開(kāi)的示例與使用慢填充技術(shù)的系統(tǒng)和方法不同。慢填充可花費(fèi)數(shù)小時(shí)以使溫度平衡以將罐填滿到容量?？焖偬畛湓谲囕v內(nèi)裝載天然氣所花費(fèi)的時(shí)間不長(zhǎng)于在類似的車輛內(nèi)泵送汽油所花費(fèi)的時(shí)間。與本公開(kāi)的示例形成鮮明對(duì)比的是，傳統(tǒng)的、未補(bǔ)償?shù)脑偬砑尤剂险咎畛鋫鹘y(tǒng)的天然氣燃料罐通常用慢填充在罐內(nèi)裝載比快填充更多的燃料。慢填充能比快填充向傳統(tǒng)的燃料罐內(nèi)添加更多燃料的一個(gè)原因是氣體在罐內(nèi)的壓縮熱以與該熱的生成同樣快地被消散到環(huán)境。慢填充的另一方法是從罐消散壓縮熱并且當(dāng)罐溫度是環(huán)境溫度時(shí)用逐漸減小的天然氣量來(lái)“加滿”罐。
[0050]不像本公開(kāi)的示例，一些燃料填充方法使用的填充速率足夠慢以使得吸附劑溫度升高到環(huán)境溫度之上的10攝氏度。因此，吸附劑吸附的天然氣比本公開(kāi)的示例的更冷的吸附劑更少。在本公開(kāi)的示例中，填充速率可通過(guò)增加再添加燃料源和容器12之間的管道和閥的流動(dòng)容量而被增加。
[0051]本公開(kāi)的示例的優(yōu)點(diǎn)包括在罐10內(nèi)的更高的存儲(chǔ)容量，其可導(dǎo)致在被用作車載存儲(chǔ)和燃料傳遞系統(tǒng)時(shí)的更高的里程。
[0052]應(yīng)該理解,本文內(nèi)提供的范圍包括所述的范圍和在所述范圍內(nèi)的任意值或子范圍。例如，從約0.lg/cc到約0.9g/cc的范圍應(yīng)該被解釋為不僅包括約0.lg/cc到約0.9g/CC的明確記載的極限,還應(yīng)包括個(gè)別的值,例如0.25 g/cc、0.49 g/cc、0.8 g/cc、等，以及子范圍，例如從約0.3g/cc到約0.7g/cc ;從約0.4g/cc到約0.6g/cc,等。而且，當(dāng)“約”被用來(lái)描述一個(gè)值時(shí)，這意味著包含從所述值的小變化(最多+/_10%)。
[0053]在描述和保護(hù)本文公開(kāi)的示例中，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括復(fù)數(shù)參考，除非上下文明確地另有規(guī)定。
[0054]應(yīng)該理解，術(shù)語(yǔ)“連接/被連接/連接”和/或等在本文內(nèi)被廣義地定義以包含多種相異的連接布置和組裝技術(shù)。這些布置和技術(shù)包括，但不限于，(I)在一個(gè)不僅和另一部件之間的沒(méi)有之間的中間部件的直接連通；和(2) —個(gè)部件和另一部件的通過(guò)它們之間的一個(gè)或多個(gè)部件的連通，只要“被連接到”該另一部件的那個(gè)部件或多或少地與該另一部件操作連通(盡管在它們之間存在一個(gè)或多個(gè)額外的部件)。
[0055]而且，說(shuō)明書(shū)中通篇的對(duì)“一個(gè)示例”、“另一示例”、“示例”等的參考，指的是參照該示例被描述的特定元件(例如，特征、結(jié)構(gòu)、和/或特點(diǎn))被包含在本文描述的至少一個(gè)示例內(nèi)，并且在其它的示例中可存在或可不存在。而且，應(yīng)該理解，對(duì)任一示例描述的元件可在不同的示例中以任意合適的方式被組合，除非上下文有明確地相反規(guī)定。
[0056]雖然已經(jīng)具體地描述了若干示例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所公開(kāi)的示例可被改進(jìn)。因此，前面的描述被理解為是非限定性的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于增加天然氣罐的存儲(chǔ)容量的方法，該方法包括: 選擇具有工作壓力額定值為約3000psi或3600psi的容器，該容器分別要被用天然氣填充到最高為約3000psi或3600psi的滿罐壓力，其中該容器具有設(shè)置在其內(nèi)的天然氣吸附劑并且具有該吸附劑的該容器具有最大填充容量； 在用來(lái)自壓力大于3000psi或3600psi的填充源的天然氣填充該容器期間通過(guò)焦耳一托馬森冷卻冷卻該吸附劑；以及 以防止吸附劑的體積溫度上升到比環(huán)境溫度之上約5yC更多的整體填充速率填充該容器到所述最大填充容量； 其中，在填充期間從罐的傳熱率小于來(lái)自天然氣的壓縮和吸附的加熱率； 其中天然氣吸附劑吸附的天然氣的量比在環(huán)境溫度之上5:1C更高的溫度下吸附劑所吸附的量更高； 以及其中所述整體填充速率是最大填充容量除以將容器填充到最大填充容量的總時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)焦耳一托馬森冷卻冷卻所述吸附劑包括以第一填充速率范圍使一定量的天然氣絕熱地穿過(guò)與容器流體連接的有效小孔，在天然氣已經(jīng)被冷卻后暫停再添加燃料以允許由焦耳一托馬森冷卻所冷卻的一定量的天然氣冷卻吸附劑，隨后以第二填充速率范圍恢復(fù)再添加燃料以在吸附劑達(dá)到比在環(huán)境溫度之上5 iaC更高的溫度之前達(dá)到最大填充容量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中由焦耳一托馬森冷卻冷卻吸附劑包括以第一填充速率范圍使一定量的天然氣穿過(guò)與容器流體連接的有效小孔，其中第一填充速率范圍使吸附劑在橫跨該有效小孔的焦耳一托馬森效應(yīng)結(jié)束之前冷卻預(yù)定溫度降低，隨后以第二填充速率范圍繼續(xù)再添加燃料以在吸附劑達(dá)到比環(huán)境溫度之上5 eC更高的溫度之前達(dá)到最大填充容量。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中安裝在車輛上的閥控制天然氣流進(jìn)入所述容器的速率，并且安裝在所述車輛上的電子控制單元控制所述閥。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中天然氣吸附劑是具有高多孔性的高表面面積材料。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中天然氣吸附劑選自由碳、多孔聚合物網(wǎng)、金屬有機(jī)骨架、沸石、和它們的組合所組成的組。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中天然氣吸附劑對(duì)天然氣中除甲烷之外的至少一些成分是惰性的。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中天然氣吸附劑具有范圍從約0.lg/cc到約0.9g/cc的密度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該容器由高強(qiáng)度鋁合金或高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼制成。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中高強(qiáng)度鋁合金是國(guó)際合金命名系統(tǒng)中的7000系列招合金。
【文檔編號(hào)】F17C11/00GK104075110SQ201410121578
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月28日
【發(fā)明者】A.M.戴利, A.T.莫雷爾斯, M.H.阿布德埃爾哈米德, M.蔡 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司