在车辆中储存和使用天然气的方法

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在车辆中储存和使用天然气的方法\n[0001] 相关申请的交叉引用\n[0002] 本申请要求于2013年3月28日提交的美国临时专利申请61/806,141的权益，其全部内容通过引用合并在本文中。\n背景技术\n[0003] 天然气燃料供应车辆具有用于储存天然气的车载罐。该车载天然气储存罐典型地可在高压(商业/车队)燃料站或在例如可以位于住宅区的低压燃料站补给燃料。典型地，在车辆上的车载天然气储存罐被优化，以用于在低压站或高压站进行补给。用于高压燃料站的标准喷嘴与车辆上设计于低压天然气系统的补给燃料容座不兼容，以避免超过低压天然气系统的工作压力。\n发明内容\n[0004] 在车辆中储存和使用天然气的方法包括选择一种车辆，所述车辆具有用于储存天然气以便为车辆发动机提供燃料的罐。该罐具有大约3600psi(磅每平方英寸)的额定工作压力。天然气吸附剂位于罐内。该方法进一步包括：将第一量的天然气从具有低于大约\n725psi的第一源压力的第一来源输送至罐中，使得第一罐压力高达725psi。吸附剂吸附罐中的天然气的吸附部分。在将第一量的天然气输送至罐中而不输送额外的天然气之后操作发动机，直到天然气中的至少一部分已经从吸附剂被解吸且由发动机消耗。将第二量的天然气从具有至少大约3600psi的第二源压力的第二来源输送至罐中，以将罐填充至大约\n3600psi的第二罐压力。吸附剂吸附天然气的吸附量。在将第二量的天然气输送至罐中而不输送额外的天然气之后操作发动机，直到天然气中的至少一部分已经从吸附剂被解吸且由发动机消耗。\n[0005] 本发明可以包括以下方案。\n[0006] 1.一种用于在车辆中储存和使用天然气的方法，所述方法包括：\n[0007] 选择一种车辆，所述车辆具有用于储存天然气以便为所述车辆的发动机提供燃料的罐，所述罐具有为大约3600psi(磅每平方英寸)的额定工作压力的容器本体，并且所述罐具有位于所述罐内的天然气吸附剂；\n[0008] 将第一量的天然气从具有低于大约725psi的第一源压力的第一来源输送至所述罐中，从而使得第一罐压力高达725psi，其中，所述吸附剂吸附所述罐中的天然气的吸附部分；\n[0009] 在将所述第一量的天然气输送至所述罐中而不输送额外的天然气之后操作所述发动机，直到天然气中的至少一部分已经从所述吸附剂被解吸且由所述发动机消耗；\n[0010] 将第二量的天然气从具有至少大约3600psi的第二源压力的第二来源输送至所述罐中，以将所述罐填充至大约3600psi的第二罐压力，其中，所述吸附剂吸附天然气的吸附量；以及\n[0011] 在将所述第二量的天然气输送至所述罐中而不输送额外的天然气之后操作所述发动机，直到天然气中的至少一部分已经从所述吸附剂被解吸且由所述发动机消耗。\n[0012] 2.如方案1所述的方法，其中，所述天然气吸附剂具有范围在从大约50m2/g(平方米每克)至大约5000m2/g的Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积，并且具有范围在从大约0.20nm(纳米)至大约50nm的气孔尺寸的气孔。\n[0013] 3.如方案2所述的方法，其中，所述天然气吸附剂选自包括如下的组：碳、多孔聚合物网络、金属有机框架、沸石及其组合。\n[0014] 4.如方案2所述的方法，其中，所述天然气吸附剂对于所述天然气中的除甲烷外的至少一些组分来说是惰性的。\n[0015] 5.如方案1所述的方法，其中，所述天然气吸附剂具有在从大约0.1g/cc至大约\n0.9g/cc的范围内的密度。\n[0016] 6.如方案1所述的方法，其中，容器本体由高强度铝合金或高强度低合金(HSLA)钢制成。\n[0017] 7.如方案6所述的方法，其中，所述高强度铝合金从6000系列铝合金或7000系列铝合金中选择，并且具有在从大约275.8MPa至大约503.3Mpa的范围内的拉伸屈服强度。\n[0018] 8.如方案6所述的方法，其中，所述容器本体具有在从大约5.9kg(千克)至大约\n59kg的范围内的重量。\n[0019] 9.如方案6所述的方法，其中，所述容器本体具有在从大约10.2cm(厘米)至大约\n40.6cm的范围内的内径。\n[0020] 10.如方案1所述的方法，其中，所述罐包括防护床，所述防护床位于所述容器本体的内部并且接近所述容器本体的开口。\n[0021] 11.如方案1所述的方法，其中，所述罐包括防护床，所述防护床位于所述容器本体的外部并且接近所述容器本体的开口。\n[0022] 12.一种用于制造罐的方法，所述罐用于储存天然气以便为机动车的发动机提供燃料，所述方法包括：\n[0023] 选择具有大约24.8MPA(兆帕斯卡)的额定工作压力的容器本体，所述容器本体待被填充处于高达大约24.8MPa的罐压力下的天然气；以及\n[0024] 将天然气吸附剂添加到所述容器本体内。\n附图说明\n[0025] 通过参考下面的详细描述和附图，本公开的示例的特征和优点将变得显而易见，其中，相似的附图标记对应于相似的、然而可能并不相同的部件。出于简洁的缘故，具有先前描述的功能的附图标记或特征可以结合或可以不结合它们所出现的其它附图被描述。\n[0026] 图1是依照本公开的罐的示例的截面图形式的半示意性视图；\n[0027] 图2是依照本公开的包括防护床的罐的示例的截面图形式的半示意性视图；以及[0028] 图3是示出了依照本公开的在车辆中储存和使用天然气的方法的示例的流程图。\n具体实施方式\n[0029] 天然气车辆安装有车载储存罐。一些天然气储存罐设计为低压罐。低压天然气罐在正常情况下额定压力高达大约750psi。例如，用于低压系统的低压罐可以额定为大约\n725psi和更低的压力。在其它示例中，用于低压系统的低压罐可以额定高达在大约300psi至1000psi之间的范围内的压力。在补给燃料期间，低压系统储存罐的容器设计为进行填充直到罐达到指定范围内的压力。所设计的低压系统储存罐通常不将压力额定在指定范围之上。对比来说，其它天然气储存罐设计为高压罐。高压天然气罐在正常情况下额定压力在大约3000psi(207bar或20.7MPa(兆帕斯卡))至大约3600psi(248bar或24.8MPa)的范围内。类似于低压罐，高压天然气储存罐的容器设计为进行填充直到罐达到额定范围内的压力。当高压罐被部分地填充时，也就是填充至低于指定范围的压力时，可以从罐中抽出的天然气的量可能是不足以使得车辆操作所需的行驶距离(也就是，获得所需的里程)。\n[0030] 在本文所公开的示例中，将特定的天然气吸附剂包括到额定用于高压的容器中会得到通用天然气罐，其适于用作低压系统和高压系统二者。特别地，通用罐的容器额定用于高压，并且通用罐中的吸附剂增加了储存能力，使得当填充至低压时，该罐能够储存和传输足够量的天然气，以用于所需的车辆操作。\n[0031] 作为示例，在大约725psi(50bar)下，车辆包括依照本公开的0.1m3(也就是100L)的通用天然气罐，所述天然气罐填充有合适量的碳吸附剂，所述碳吸附剂具有大约1000m2/g的比表面积(BET)、0.5g/cm3的整体密度以及0.13g/g的总吸附率，所述车辆期望具有\n2.85GGE(汽油加仑当量)。为了进行比较，100L的罐在相同压力下将具有大约1.56GGE。假设车辆可以具有30英里每加仑的预期燃料经济性，则2.85GGE将允许车辆在大约85英里的距离范围内操作。此外，在该示例中的罐可以有利地使用低压站(例如，家用补给燃料站)或使用高压燃料供应站(例如，零售或车队补给燃料站)而再填充。在本公开的示例中，吸附剂提高了可实现的距离范围，当高压补给燃料站不可用或不方便时，这在时间或位置方面可以是有利的。\n[0032] 认为的是，在本文所公开的示例中的吸附剂量的吸附效果足够高，以补偿由吸附剂骨架占据容器中的容积导致的储存容量的任何损失。对于相同的温度和压力，在吸附阶段中的气体密度大于在气体阶段的气体密度。这样，吸附剂将提高容器在相对低压下的天然气储存容量(例如，与不包括吸附剂的相同类型的容器相比)，同时还保持或改进了容器在高压下的储存能力。将需要的是，在如本文所述的具有吸附剂的罐中在大约725psi下储存与在没有吸附剂的相同尺寸(体积)的压缩天然气罐中可在大约3600psi下所储存的天然气相同量的天然气。本文所公开的示例致力于实现这一目标。\n[0033] 增加的储存容量可以导致在补给燃料之间的提高的车辆里程。认为的是，对于给定容积，与现有的压缩气体技术相比，本文所公开的示例将具有相同或更大的天然气储存容量。\n[0034] 现在参考图1，描述了天然气罐50的示例。罐50通常包括容器本体12和位于容器本体12中的天然气吸附剂30。\n[0035] 容器本体12可以由适于具有大约3600psi的额定工作压力的可再利用的压力容器的任何材料制成。合适的容器本体12材料的示例包括高强度铝合金和高强度低合金(HSLA)钢。高强度铝合金的示例包括在7000系列中的那些铝合金，其具有如上讨论的相对高的屈服强度。一个特定示例包括铝7075-T6，其具有73000psi的拉伸屈服强度。高强度低合金钢的示例通常具有大约0.05％至大约0.25％范围的碳含量，并且其余化学组分改变以便获得期望的机械属性。\n[0036] 虽然在图1中所示的容器本体12的形状是圆柱罐，应理解的是，容器本体12的形状和尺寸可以至少部分地取决于车辆中用于罐50的可用包装封套而改变。例如，容器本体12的尺寸和形状可被改变，从而固定至车辆行李箱空间的特定部分中。在一个示例中，所述容器可具有在大约10.2cm(厘米)至大约40.6cm的范围的内径。如本文所公开的，容器本体12可以是来自罐50的容器本体12，正如上文描述的。\n[0037] 在图1所示的示例中，容器本体12是具有单个开口O或入口的单个单元。开口O可覆盖有柱塞阀。虽然未示出，应理解的是，容器本体12可构造有其它容器本体12，使得多个容器本体12通过歧管或其它适合机构而流体(例如，气体)连通。\n[0038] 如图1所示，天然气吸附剂30位于容器本体12中。合适的吸附剂30至少能够可释放地保持甲烷组分(也就是，可逆地储存或吸附甲烷分子)。在本公开的一些示例中，吸附剂30还可以能够可逆地储存在天然气中存在的其它组分，例如其它碳氢化合物(例如，乙烷、丙烷、己烷等)、氢气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、硫化氢和/或水。在其它示例中，吸附剂30对于一些天然气组分来说是惰性的，并且能够可释放地保持其它天然气组分。\n[0039] 通常，吸附剂30具有高表面积且是多孔的。气孔的尺寸通常大于至少甲烷组分的有效分子直径。在一个示例中，气孔尺寸分布使得，存在具有待被吸附的最小组分的有效分子直径的气孔、以及具有待被吸附的最大组分的有效分子直径的气孔。在一个示例中，吸附剂30具有范围从大约50平方米每克(m2/g)至大约5000m2/g的BET表面积，并且包括具有从大约0.20nm(纳米)至大约50nm范围的气孔尺寸的多个气孔。\n[0040] 合适吸附剂30的示例包括：碳(例如，活性碳、超活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳分子筛、沸石模板碳，等等)、沸石、金属有机框架(MOF)材料、多孔聚合物网络(例如，PAF-1或PPN-4)，以及它们的组合。合适沸石的示例包括：沸石X、沸石Y、沸石LSX、MCM-41沸石、硅铝磷(SAPO)，以及它们的组合。合适金属有机框架的示例包括：HKUST-1、MOF-74、ZIF-8等等，其通过将结构构造单元(无机簇)连接到有机键(例如羧化物键)而构造成。\n[0041] 吸附剂30在容器本体12中占据的体积将取决于吸附剂30的密度。在一个示例中，吸附剂30的密度范围可以从大约0.1g/cc(克每立方厘米)至大约0.9g/cc。良好包装的吸附剂30可以具有大约0.5g/cc的密度。在一个示例中，100L容器可以包括占据大约50L的吸附剂的量。例如，占据大约50L的吸附剂的量意味着吸附剂将填满50L的容器。然而，应理解的是，在吸附剂的粒子之间存在可用的空间，并且在100L容器中具有占据50L的吸附剂并不使得用于天然气的容器的容量减少50L。\n[0042] 现在参考图2，描述了天然气罐50′的另一个示例。罐50′通常包括容器本体12和位于容器本体12中的天然气吸附剂30。在图2所示的示例中，罐50′还包括防护床32，所述防护床定位在容器本体12的开口O处或附近，使得引入的天然气在到达吸附剂30之前经过防护床32。防护床32可以过滤出特定组分(杂质)，使得仅有预定组分(例如，甲烷和可逆地吸附在吸附剂30上的其它组分)到达吸附剂30。构想到的是，将会截留杂质的任何吸附剂30′可被用作防护床32。例如，防护床32可以包括吸附剂30′材料，其将移除高级碳氢化合物(也就是，每个分子具有多于4个碳原子的碳氢化合物)和催化杂质，例如硫基组分(例如硫化氢)和水。在一个示例中，防护床32可以包括吸附剂30′材料，其截留一种或多种特定组分同时允许清洁的天然气经过。特定组分的吸附可以有助于在防护床32的点处移除杂质，并且可以降低或完全防止吸附剂30暴露于杂质。防护床32的吸附剂30′的气孔尺寸可被调整/设计用于特定类型的杂质，使得防护床32是选择性吸附剂。在一个示例中，防护床32′可位于容器本体之外并且接近容器本体的开口。这种外部防护床32′可易于被移除，以用于恢复或更换。\n[0043] 在本公开的一个示例中，吸附剂30可被再生，使得任何吸附的组分被释放并且吸附剂30被清洁。在一个示例中，吸附剂30再生可通过热或使用惰性气体来完成。例如，当使用在350℃下的空气来处理吸附剂30时，硫可被烧掉。对于另一示例，通过用氩气或氦气冲洗吸附剂30而移除杂质。在再生过程之后，吸附剂30的原始吸附能力可大致恢复或完全恢复。正如本文所使用的，大致恢复意味着：恢复了90％的能力。\n[0044] 图3是示出了依照本公开的在车辆中储存和使用天然气的方法的一个示例的流程图。该方法100开始于110，即选择具有用于储存天然气以便为车辆发动机提供燃料的罐的车辆，该罐具有大约3600psi(磅每平方英寸)的额定工作压力，并且该罐具有定位在该罐中的天然气吸附剂。在115，描述了如下步骤：将第一量的天然气从具有低于大约725psi的第一源压力的第一来源输送至罐中，从而使得第一罐压力高达725psi，其中，所述吸附剂吸附罐中天然气的吸附部分。在步骤115之后是步骤120：在将第一量的天然气输送至罐中而不输送额外的天然气之后操作发动机，直到天然气的至少一部分已经从吸附剂被解吸且由发动机消耗。步骤125是：将第二量的天然气从具有至少大约3600psi的第二源压力的第二来源输送至罐中，以将罐填充至大约3600psi的第二罐压力，其中，所述吸附剂吸附天然气的吸附量。在步骤125之后是步骤130：在将第二量的天然气输送至罐中而不输送额外的天然气之后操作发动机，直到天然气的至少一部分已经从吸附剂被解吸且由发动机消耗。在步骤120之后，流程图回到135，135是回到步骤115和125之前的流程逻辑的进入点。步骤115和\n125可以以任何次序执行，然而，应理解的是，方法100的全部分支必须在一定时间被执行，以便依照方法100的示例在车辆中储存和使用天然气。\n[0045] 在方法100中，所使用的术语“第一来源”、“第一量”、“第二来源”和“第二量”等被用于区分第一和第二，但不必传达时间顺序。例如，第二来源可在第一一来源之前被使用，或者第一来源可在第二来源之前被使用。这样，天然气储存罐50的示例具有以任何时间顺序在低压站和高压站补给燃料的能力。\n[0046] 例如，天然气储存罐50大多数日子里可在低压站补给燃料，并且车辆可以具有用于通常的日常使用的足够里程。如果车辆需要偶尔的更远行程，那么天然气储存罐50可在高压站补给燃料，以具有延长的车辆行驶里程。当在低压站和在高压站补给燃料时，吸附剂\n30扩展了车辆行驶里程。\n[0047] 在制造天然气储存罐50的方法的一个示例中，可形成容器本体12，并且随后可将吸附剂30引入容器本体12中。在该方法的另一个示例中，可在容器本体12的制造期间引入吸附剂30。\n[0048] 应理解的是，本文所提供的范围包括所述范围以及所述范围中的任意值或子范围。例如，从大约0.1g/cc到大约0.9g/cc的范围应被解释为：不仅包括大约0.1g/cc到大约\n0.9g/cc的明确指出的极限值，还包括单个值(例如0.25g/cc、0.49g/cc、0.8g/cc等等)以及子范围(例如从大约0.3g/cc到大约0.7g/cc、从大约0.4g/cc到大约0.6g/cc等等)。\n[0049] 此外，当使用“大约”来描述一个值时，这意味着包括与所述值的较小偏差(高达+/-10％)。\n[0050] 在描述并要求保护本文所公开的示例时，单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式，除非文中清楚地另外指明。\n[0051] 应理解的是，术语“连接到/被连接/连接”等等在本文被宽泛地限定，以包括各种不同的连接布置以及组装技术。这些布置和技术包括但不限于：(1)在一个部件和另一部件之间的直接连通，在它们之间不存在中间部件；以及(2)在一个部件和另一部件的在它们之间具有一个或多个部件的连通，只要一个部件“被连接至”另一部件在一定程度上是与另一部件操作性连通(尽管在它们之间存在一个或多个附加部件)。\n[0052] 此外，贯穿申请文件对“一个示例”、“另一个示例”、“示例”等等的引用意味着：结合示例描述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文所描述的至少一个示例中，并且可以存在于或可以不存在于其它示例中。此外，应理解的是，针对任何示例描述的元件可以以任何适当的方式组合在多个示例中，除非文中清楚地另外指明。\n[0053] 虽然已经详细描述了多个示例，对于本领域技术人员显而易见的是，所公开的示例可被修改。因此，前述描述被看作是非限制性的。