(57)【要約】  ガス貯蔵モジュールが、２次元ボディ及び熱交換構造を含む。ボディは、メタンなどのガスを吸着することに効果がある組成及び多孔性を有する充填された吸着材を含む。ボディは、自己支持型であってよく、或いは、多孔質支持構造にカプセル封入されてもよい。ボディはガス流路を含む。幾つかのモジュールが積み重ねられて貯蔵タンク内に設けられてよい。
2016513780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元ボディであって、第１の面と、対向する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面との間にある側壁と、前記側壁と連通し、前記側壁から前記ボディを貫通して、又は前記ボディに沿って延びる複数の流路と、を備える前記２次元ボディと、
前記第１の面及び前記第２の面と同じ平面にある平面に沿って延びる熱交換構造と、を備え、
前記ボディは、吸着材及び結合剤の充填された混合物を含み、前記吸着材は、ガスを吸着することに効果がある組成及び多孔性を有する複数の粒子を含み、前記結合剤は、前記粒子を結合させることに効果がある組成を有する、
ガス貯蔵モジュール。
【請求項２】
前記ボディは自己支持型であるように充填され、前記第１の面及び前記第２の面の少なくとも一方が、前記少なくとも一方の面に沿って延びる前記流路を含み、前記流路は前記ボディから離れる方向に開放されている、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項３】
各流路は、隣接する流路から、ある隔離距離だけ離されており、前記隔離距離の半分が、前記側壁の厚さの半分以下である、請求項２に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項４】
各流路は、前記側壁の第１の部分と連通する入口と、前記ボディの、前記第１の部分と異なる側に位置する、前記側壁の別の部分と連通する出口と、を含む、請求項２に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項５】
前記熱交換構造は、前記ボディの厚みを貫通して前記第１の面と前記第２の面との間を延びる、請求項２に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項６】
前記熱交換構造は、前記ボディに埋め込まれた導管を備える、請求項５に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項７】
前記ボディは、前記厚みを貫通して延びて前記熱交換構造の入口と連通する第１のプレナム部分と、前記厚みを貫通して延びて前記熱交換構造の出口と連通する第２のプレナム部分と、を備える、請求項５に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項８】
前記複数の流路は、前記第１の面に沿って延びる複数の第１の流路と、前記第２の面に沿って延びる複数の第２の流路と、を備える、請求項２に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項９】
前記ボディをカプセル封入し、熱伝導性材料で構成される多孔質支持構造を備え、前記複数の流路は、前記ボディの隙間を縫って走り前記支持構造の１つ以上の孔と連通する経路のネットワークを備え、前記熱交換構造は、前記支持構造の前記ボディに面した側又は前記ボディから離れた側と隣接する、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１０】
前記熱交換構造は、前記支持構造の、前記第１の面に隣接する第１の側に隣接する第１の熱交換素子と、前記支持構造の、前記第２の面に隣接する第２の側に隣接する第２の熱交換素子と、を備える、請求項９に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１１】
前記充填された混合物は、可塑剤、強度増進剤、多孔質増強剤、熱伝導増強剤、及びこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものからなる群から選択される添加剤を含む、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１２】
前記結合剤は、粘土、アルミナ、シリカ、ポリマー、及びこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものからなる群から選択される、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１３】
前記ボディをすっぽり包む柔軟な多孔質材料を含む、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１４】
前記熱交換構造は、前記ボディに埋め込まれた、又は前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方に隣接する２次元構造を含む、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１５】
前記２次元構造は、メッシュ、波状シート、多孔シート、発泡シート、及びこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものからなる群から選択される、請求項１４に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１６】
前記吸着材は、活性炭、金属有機フレームワーク、ゼオライト、多孔質ポリマー、及びこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものからなる群から選択される、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１７】
前記吸着材は、天然ガス、メタン、ガス状炭化水素、水素、二酸化炭素、アンモニア、ガス状フルオロカーボンベースの化合物、及びこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものからなる群から選択されるガスを吸着することに効果がある、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１８】
前記吸着材は、メタンの場合の重量積載量が０．２ｇＣＨ４／ｇｓ以上である、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項１９】
前記吸着材のバルク密度が０．２〜１．５ｇｓ／ｍＬｓの範囲である、請求項１に記載のガス貯蔵モジュール。
【請求項２０】
請求項１に記載のガス貯蔵モジュールを複数個備えるガス貯蔵装置であって、前記ガス貯蔵モジュールは、各ガス貯蔵モジュールの前記第１の面又は前記第２の面が、少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュールの前記第１の面又は前記第２の面に面するように積み重ねられる、ガス貯蔵装置。
【請求項２１】
ガス貯蔵モジュールごとに、前記熱交換構造は、前記ボディに埋め込まれた導管を備え、
ガス貯蔵モジュールごとに、前記ボディは、前記厚みを貫通して延びて前記熱交換構造の入口と連通する第１のプレナム部分と、前記厚みを貫通して延びて前記熱交換構造の出口と連通する第２のプレナム部分と、を備え、
前記第１のプレナム部分は集合して第１のプレナムを形成し、前記第２のプレナム部分は集合して第２のプレナムを形成する、
請求項２０に記載のガス貯蔵装置。
【請求項２２】
前記熱交換構造は、前記ボディ内に配置された内側熱交換構造であり、隣接するガス貯蔵モジュールの１つ以上の対のそれぞれの間に配置された１つ以上の外側熱交換構造を更に備える、請求項２０に記載のガス貯蔵装置。
【請求項２３】
隣接するガス貯蔵モジュールの１つ以上の対のそれぞれの間に配置された複数の弾性スペーサを備え、各スペーサは、少なくとも１つのガス貯蔵モジュールを少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュールから隔てる、請求項２０に記載のガス貯蔵装置。
【請求項２４】
タンク内部を囲むタンクを備え、前記ガス貯蔵モジュールは、前記タンク内部内に配置され、前記流路は前記タンク内部と連通し、前記タンクは、前記タンク内部と前記タンクの外側のある場所との間の連通を選択的に与えるように構成されたポートを備える、請求項２０に記載のガス貯蔵装置。
【請求項２５】
前記熱交換構造に熱接触する熱伝達システムであって、前記ガス貯蔵モジュールを加熱すること、及び前記ガス貯蔵モジュールから熱を除去することを選択的に行うように構成された前記熱伝達システムを備える、請求項２４に記載のガス貯蔵装置。
【請求項２６】
前記吸着材の、前記タンク内の固有充填体積が０．２〜１．０ｍＬｓ／ｍＬｔａｎｋの範囲である、請求項２４に記載のガス貯蔵装置。
【請求項２７】
ガス貯蔵モジュールの組み立て方法であって、
吸着材と結合剤とを混合するステップであって、前記吸着材は、ガスを吸着することに効果がある組成及び多孔性を有する複数の粒子を含み、前記結合剤は、前記粒子を結合させることに効果がある組成を有する、前記混合するステップと、
前記混合物から２次元ボディを形成するステップであって、前記ボディが第１の面と、対向する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面との間にある側壁と、前記側壁と連通し、前記側壁から前記ボディを貫通して、又は前記ボディに沿って延びる複数の流路と、を備えるように前記ボディを形成するステップであって、前記ボディ内の前記吸着材が望ましい密度になるまで前記混合物を充填するステップを含む、前記形成するステップと、
熱交換構造が前記第１の面及び前記第２の面と同じ平面にある平面に沿って延びるように、前記熱交換構造を前記ボディに対して相対的に配置するステップと、
を含む方法。
【請求項２８】
前記ボディを形成する前記ステップは、モールドを使用して前記混合物を加圧するステップ、又は前記混合物をダイから押し出すステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ボディを形成する前記ステップは、前記ボディが自己支持型になるように前記混合物を充填するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記ボディを形成する前記ステップは、前記第１の面及び前記第２の面の少なくとも一方に、前記ボディから離れる方向に開放される前記流路を形成するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記熱交換構造を配置する前記ステップは、前記熱交換構造の周囲に前記混合物を充填するステップを含み、前記熱交換構造は前記ボディに埋め込まれる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記ボディを形成する前記ステップは、前記混合物を多孔質支持構造内にカプセル封入するステップを含み、前記複数の流路は、前記ボディの隙間を縫って走り前記支持構造の１つ以上の孔と連通する経路のネットワークを備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記熱交換構造を配置する前記ステップは、前記熱交換構造を、前記支持構造の前記ボディに面した側又は前記ボディから離れた側と隣接させるステップを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
ガス貯蔵装置の組み立て方法であって、請求項１に記載の複数の前記ガス貯蔵モジュールを積み重ねるステップを含み、各ガス貯蔵モジュールの前記第１の面又は前記第２の面が、少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュールの前記第１の面又は前記第２の面に面するように積み重ねられる、方法。
【請求項３５】
請求項２７に記載の方法に従って前記ガス貯蔵モジュールを組み立てるステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
隣接するガス貯蔵モジュールの１つ以上の対のそれぞれの間に複数の弾性スペーサを配置するステップであって、各スペーサは、少なくとも１つのガス貯蔵モジュールを少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュールから隔てる、前記配置するステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
タンク内で前記ガス貯蔵モジュールを囲むステップを含み、前記流路は前記タンクの内部と連通する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記それぞれのガス貯蔵モジュールの前記熱交換構造を熱伝達システムと熱連通させて配置するステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
ガス貯蔵方法であって、
複数の吸着材粒子を含む２次元ボディを貫通して、又はこの２次元ボディに沿って延びる複数の流路を通して前記ガスを流すステップであって、前記ガスは、前記流路から前記ボディに拡散し、前記粒子の孔に吸着され、前記吸着によって熱が発生する、前記流すステップと、
前記ガスを流しながら、前記吸着材粒子からの前記熱を、前記ボディの第１の面及び対向する第２の面と同じ平面にある平面に沿って延びる熱交換構造に伝達するステップと、
を含む方法。
【請求項４０】
前記ボディは、前記ボディの第１の面と対向する第２の面との間に側壁を含み、前記ガスを流すステップは、前記ガスを、前記側壁にある前記流路の各入口を通して流すステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記ボディは多孔質支持構造にカプセル封入され、前記複数の流路は、前記ボディの隙間を縫って走り前記支持構造の１つ以上の孔と連通する経路のネットワークを備え、前記ガスを流すステップは、前記ガスを前記孔のうちの１つ以上の孔を通して流すステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記ガスを流しながら、熱交換媒体を流して前記熱交換構造と熱接触させるステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記吸着されたガスを一定期間貯蔵し、貯蔵後、前記粒子を加熱することにより前記粒子から前記ガスを脱離するステップを含み、前記脱離されたガスは前記流路を通って流れる、請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記ボディは、積み重ねられた複数のボディのうちの１つであり、前記ガスは、各ボディの複数の流路を通って流される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４５】
前記ガスを、前記ボディを収容するタンクのポートから前記流路に向かって流すステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
前記吸着されたガスを一定期間貯蔵し、貯蔵中に、前記タンクの内圧を１〜２００バールに維持するステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によってその全内容が本明細書に組み込まれている、２０１３年３月１４日に出願された米国特許仮出願第６１／７８４，８９３号、件名「吸着材を利用したガス貯蔵モジュール、装置、システム、及び方法（ＧＡＳ  ＳＴＯＲＡＧＥ  ＭＯＤＵＬＥＳ，  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ，  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ  ＡＤＳＯＲＢＥＮＴ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、吸着によるガス貯蔵に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガスは、後でエネルギ源として使用する為に、様々な形式で貯蔵されてよい。例えば、ガスは、タンク内で圧縮されて高圧にされたり、極低温に冷却されて凝縮液体にされたりしてよい。これらの貯蔵方法により、ガスの密度を高めて、その固有の体積エネルギ密度（ＶＥＤ）を増やすことが可能である。しかしながら、これらの貯蔵方法には不利点がある。圧縮されたガスを貯蔵する為には、重く高価なタンク及びポンピングシステムを使用することが必要であり、高圧ガスの貯蔵に関しては、運用環境によっては安全性が懸念される可能性がある。ガス化合物を凝縮液体状態で貯蔵する為には、高コストであって、かさばる、複雑な設備を使用する必要がある。
【０００４】
代替として、ガスの貯蔵は、多孔質材への可逆吸着によって行われてよい。現在注目されているのは、圧縮又は液化によって達成可能なＶＥＤに匹敵するか、それより良好なＶＥＤを達成しながら、ほどほどの圧力と近周囲温度での高密度化を可能にする吸着式ガス貯蔵システムを開発することである。作動圧力が圧縮ガスのタンクに比べて低いことから、吸着ガスに使用されるタンクの壁は、より薄く作られてよく、これによってタンクの重量及びコストが低減される。更に、圧縮されたガスのタンクや凝縮されたガスのタンクの形状が典型的には円筒形や球形に制限されるのに比べて、吸着ガスのタンクは、空いている空間に適合できる様々な形状であってよい。このような適応性により、吸着ガスのタンクを、例えば、収納空間や乗員空間を犠牲にすることなく自動車に設置することが可能であってよく、又、吸着ガスのタンクを可搬／携帯機器と一体化することが容易であってよい。更に、吸着ガスは、貯蔵及び流通の為の複雑且つ高価な圧縮設備又は液化設備が不要である。
【０００５】
残念なことに、吸着ガス技術の進歩は、これまでのところ、現在知られている吸着材のＶＥＤが低いことによって妨げられている。吸着ガスシステムのＶＥＤは、幾つかの因子の影響を受ける。そのような因子としては、吸着材の重量ガス積載量（ｇｇａｓ／ｇｓｏｒｂｅｎｔ）、吸着材のかさ密度（ｇｓｏｒｂｅｎｔ／ｍＬｓｏｒｂｅｎｔ）、タンク内の吸着材の固有充填体積（ｍＬｓｏｒｂｅｎｔ／ｍＬｔａｎｋ）などがある。固有充填体積は、タンク内の吸着材の量の尺度であり、よく使用されるプロセス関連内部構造（例えば、内部熱伝達構造、ガス流通構造、測定装置、吸着剤保護装置等）による利用可能容積の減少を示すものである。吸着ガス貯蔵に関するこれまでの研究は主に、より多くの重量ガスを積載できる材料の開発に注力されてきており、高表面積材料のかさ密度が典型的には０．２５〜０．４ｇｓｏｒｂｅｎｔ／ｍＬｓｏｒｂｅｎｔと低いことへの対応や、固有充填体積を高める戦略の開発にはほとんど重点が置かれてこなかった。ＶＥＤを高める為には吸着材のガス積載量が高めることも重要であるが、吸着ガスシステムのＶＥＤを、圧縮や液化などの従来の方法のＶＥＤを超えるほどに高める為には、タンク内の吸着材の質量を増やす、吸着材の高密度化方法及び充填戦略の開発も必要とされる。
【０００６】
ＶＥＤを高める必要があることに加えて、このシステムが、本質的には、充填（吸着）時に凝縮器として動作し、放出（脱離）時に蒸発器として動作することから、動作の効率化及び信頼性の為に、吸着ガスタンクの温度管理を改善することが必要とされる。タンクの充填中に、ガスが吸着面上で凝縮されて吸着熱が放出され、この吸着熱は、ガスの気化熱より高い。ガス摂取中にタンク温度は上昇し、これは、最終的にはガス貯蔵量の減少につながり、従って、ＶＥＤの減少につながる。これは、吸着が、発熱をともなう自己消炎性のプロセスである為である。所望のガス積載量を達成する為には、発生した熱を充填プロセス中に除去して、タンクの積載不足を緩和しなければならない。用途によっては、充填時の熱管理が不十分であった為に貯蔵量が２５％以上減少したケースも見られた。同様に、ただし、それほどではないにせよ、吸着材からのガス放出は吸熱性のプロセスであり、このプロセスは、周囲の熱を消費してタンクの温度を下げ、これによって脱離速度が下がる可能性がある。この脱離速度の低下は、動作がガスの供給速度に依存する装置（例えば自動車のエンジンなど）の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、動力消費装置のガス可用性要求を満たす為には、吸着ガスタンクを適切なタイミングで加熱しなければならない。
【０００７】
タンクの性能に対する、ガスの吸着及び脱離に関連する熱的悪影響を軽減する為の、温度管理及びガス流通についての幾つかの戦略の評価が行われてきた。これまでの研究のほとんどは、ガスの充填／放出時に吸着材の充填床の加熱及び冷却を行う為に熱交換器設計を貯蔵容器内に組み込むことに重点が置かれてきた。吸着床温度を制御することによって充填時及び放出時の温度を安定化することにより貯蔵効率を高めることが可能であるが、貯蔵容器内に内部熱伝達構造が存在することにより、タンク内で吸着に使用できる体積が劇的に減る可能性がある。更に、特に、典型的な吸着材が高多孔質且つ低熱伝導率の固体であることを考えると、既存の熱伝達システムは、熱源とヒートシンクとの間の距離が過度に長い。従って、充填時及び放出時の温度制御は最適化されておらず、更なる改善が必要とされている。
【０００８】
更に、既存の吸着ガスシステムは、吸着材を出入りするガスの効果的な流通を行えず、従って、充填及び放出の速度が十分ではない。既存のシステムは、吸着物がタンクから放出される前に泳動又は流動するようにする為に、或いは、流入したガスがタンクの入口から最も遠い吸着場所まで流れるようにする為に、過度に長い距離を必要とする。又、吸着床の端から端までの過度な圧力低下は、充填／放出の速度及び有効作業能力に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】
更に、既存の吸着ガス燃料タンク設計は、粒子吸着材の摩損及び沈降の問題に十分に対処していない。粒子は、振動して粉々に壊れて、吸着材粒子の層化及び床の再分布につながる傾向がある。更に、床から遊離した粒子が放出時に一緒に運ばれて、流路、管、圧力制御弁、測定装置等を閉塞させる可能性がある。
【００１０】
上述の諸課題は、代替燃料として利用されるガス（又は利用に向けて研究中のガス）を貯蔵する場合にも当てはまる。一具体例として天然ガス（ＮＧ）があり、ＮＧは、従来方式では、圧縮されて（圧縮天然ガス（ＣＮＧ））として、又は凝縮されて（液化天然ガス（ＬＮＧ））として貯蔵されている。ＶＥＤは、自動車用途での燃料の車上貯蔵の文脈において特に注目される因子であり、これは、ＶＥＤが、貯蔵タンクの単位容積当たりの走行距離と相互に関連する可能性があり、個々の用途に必要な貯蔵タンクのサイズに影響を及ぼす為である。ＮＧは、大気条件下では気体である為、本来のＶＥＤは小さい（０．０３６４ＭＪ／Ｌ）。圧縮により、ＣＮＧは、ＶＥＤが（２５０バールで）９．２ＭＪ／Ｌ、ＬＮＧは、ＶＥＤが（−１６１．５℃で）２２．２ＭＪ／Ｌになる。ＮＧの圧縮又は凝縮によって、このようにＶＥＤは大きくなるが、ＣＮＧ及びＬＮＧのＶＥＤはそれぞれ、ガソリンのＶＥＤ（３４．２ＭＪ／Ｌ）の２７％及び６４％に過ぎない。ＮＧで走る自動車の場合、これは、燃料タンクの容量が大きくなり、且つ／又は、走行距離が短くなることを意味する。更に、ＮＧを圧縮形態又は凝縮形態にして高密度すると、ガス全般について上述されたものと同じ不利点を有することになる。
【００１１】
（ＮＧの主要成分である）メタン（ＣＨ４）の吸着材として現在知られているものとして、活性炭や、金属有機フレームワーク及び多孔質ポリマーネットワークなどの構造化微孔質材料がある。そのような吸着材を用いた吸着天然ガス（ＡＮＧ）システムによって与えられるＶＥＤは、最適ＶＥＤより低く、例えば、３５バールでは約７ＭＪ／Ｌ未満であり、これは、２５０バールでのＣＮＧのＶＥＤより低い。ＡＮＧシステムのＶＥＤを、ＣＮＤのＶＥＤを凌ぎ、場合によってはガソリンタンクのＶＥＤに比肩するレベルまで増やす為の改善が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上を鑑みると、吸着によるガス貯蔵の為の装置及び方法の改善が引き続き必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の諸問題の全体又は一部に対処する為に、且つ／又は、当業者であれば認識されているであろう他の諸問題に対処する為に、本開示は、以下で示される実装の形で例示的に記述される方法、プロセス、システム、装置、器具、及び／又はデバイスを提供する。
【００１４】
一実施形態によれば、ガス貯蔵モジュールが、２次元ボディであって、第１の面と、対向する第２の面と、第１の面と第２の面との間にある側壁と、側壁と連通し、側壁からボディを貫通して、又はボディに沿って延びる複数の流路と、を含む２次元ボディと、第１の面及び第２の面と同じ平面にある平面に沿って延びる熱交換構造と、を含み、ボディは、吸着材及び結合剤の充填された混合物を含み、吸着材は、ガスを吸着することに効果がある組成及び多孔性を有する複数の粒子を含み、結合剤は、粒子を結合させることに効果がある組成を有する。
【００１５】
別の実施形態によれば、ガス貯蔵装置が、積み重ねられた複数のガス貯蔵モジュールを含み、ガス貯蔵モジュールは、各ガス貯蔵モジュールの第１の面又は第２の面が、少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュールの第１の面又は第２の面に面するように積み重ねられる。
【００１６】
別の実施形態によれば、ガス貯蔵モジュールの組み立て方法が、吸着材と結合剤とを混合するステップであって、吸着材は、ガスを吸着することに効果がある組成及び多孔性を有する複数の粒子を含み、結合剤は、粒子を結合させることに効果がある組成を有する、上記混合するステップと、混合物から２次元ボディを形成するステップであって、ボディが第１の面と、対向する第２の面と、第１の面と第２の面との間にある側壁と、側壁と連通し、側壁からボディを貫通して、又はボディに沿って延びる複数の流路と、を備えるようにボディを形成するステップであって、ボディ内の吸着材が望ましい密度になるまで混合物を充填するステップを含む、上記形成するステップと、熱交換構造が第１の面及び第２の面と同じ平面にある平面に沿って延びるように、熱交換構造をボディに対して相対的に配置するステップと、を含む。
【００１７】
別の実施形態によれば、ガス貯蔵装置の組み立て方法が、複数のガス貯蔵モジュールを積み重ねるステップを含み、各ガス貯蔵モジュールの第１の面又は第２の面が、少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュールの第１の面又は第２の面に面するように積み重ねられる。
【００１８】
別の実施形態によれば、ガス貯蔵方法が、複数の吸着材粒子を含む２次元ボディを貫通して、又はこの２次元ボディに沿って延びる複数の流路を通してガスを流すステップであって、ガスは、流路からボディに拡散し、粒子の孔に吸着され、吸着によって熱が発生する、上記流すステップと、ガスを流しながら、吸着材粒子からの熱を、ボディの第１の面及び対向する第２の面と同じ平面にある平面に沿って延びる熱交換構造に伝達するステップと、含む。
【００１９】
当業者であれば、以下の図面及び詳細説明を精査することにより、本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴、及び利点が明らかになるであろう。そのような更なるシステム、方法、特徴、及び利点は全て、本明細書に包含され、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されるものとする。
【００２０】
本発明は、以下の図面を参照することにより、よりよく理解することが可能である。図面中の各構成要素は、必ずしも正確な縮尺では描かれておらず、むしろ、本発明の原理を図解することに重点が置かれている。図面間で類似の参照符号は、全図面を通して対応する要素を表している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】幾つかの実施形態によるガス貯蔵モジュールの一例の斜視図である。
【図２】図１に示されたガス貯蔵モジュールの平面図である。
【図３】図１に示されたガス貯蔵モジュールの側面図である。
【図４】幾つかの実施形態によるガス貯蔵装置の一例の斜視図である。
【図５】図４に示されたガス貯蔵装置の立面図である。
【図６】別の実施形態によるガス貯蔵装置の一例の立面図である。
【図７】別の実施形態によるガス貯蔵モジュールの一例の斜視図である。
【図８】図７に示されたガス貯蔵モジュールの平面図である。
【図９】図７に示されたガス貯蔵モジュールの側面図である。
【図１０】別の実施形態によるガス貯蔵モジュールの一例の斜視図である。
【図１１】幾つかの実施形態によるガス貯蔵システムの一例の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示の一態様では、ガス貯蔵モジュールが提供される。ガス貯蔵モジュールの構造は、多孔質吸着材（例えば、粒子又は粉末）の充填物（又は充填床）に基づく。ガス貯蔵モジュールは、１種類以上のガスを吸着するように構成されてよい。ガスは、その後、ガス貯蔵モジュールから脱離され、使用の為に流通されてよい。吸着され、その後、脱離されることが可能なガスの例として、天然ガス（特にそのメタン留分）、他のガス状炭化水素（例えば、典型的には、自動車、船、航空機、宇宙船、及び可搬装置の燃料として使用されるもの（例えば、プロパンガス））、水素、二酸化炭素、アンモニア、ガス状フルオロカーボンベースの化合物（例えば、冷凍剤や相変化流体として使用可能なもの）などがあり、これらに限定されない。ガス貯蔵モジュールは、全体のフォームファクタ及び体積を最小化しながら大容量のガス貯蔵を実現する様式でガス貯蔵モジュール同士が並べられる（例えば、積み重ねられる）ように構成されてよい。ガス貯蔵モジュールは、ガスを輸送して吸着場所を出入りさせる経路と、熱伝達媒体を輸送してガス貯蔵モジュールのバルクを貫通させ、且つ／又は、ガス貯蔵モジュールの外側表面の端から端まで運ぶ経路と、を提供する一体化された形状を含んでよい。
【００２３】
多孔質吸着材粒子（「吸着材」）を充填することにより、ガス貯蔵モジュールのボディが形成される。実施形態によっては、充填物は、吸着材と結合剤（バインダ）の混合物、又は吸着材、結合剤、及び添加剤の混合物である。粒子は、吸着活動の為の非常に大きな表面積を提供できるように高多孔質である。吸着材は、所望の種類のガス、例えば、上述の例で与えられたガスを吸着するのに効果的な任意の組成及び多孔度であってよい。吸着材の例として、活性炭、様々な金属有機フレームワーク（ＭＯＦｓ）（例えば、ＭＯＦ−５、ＰＣＮ−１４等）、ゼオライト、多孔質ポリマー（微孔質配位ポリマーを含む）（例えば、ＰＰＮ−３、ＰＰＮ−４、ＰＰＮ−５等）、モルシーブ、化学吸着材などがあり、これらに限定されない。吸着は、吸着材のバルク特性であってよく、或いは、ホスト粒子の吸着特性を提供又は強化する成分（例えば、官能基、半分、イオン、ラジカル、分子等）（例えば、多孔質粒子上で支持されるアミン）を有する粒子の多孔質表面の官能基化又はキャップ形成の結果であってよい。実施形態によっては、２つ以上の異なる種類の吸着材粒子を安定した充填物にすることが可能であれば、充填物は、それらの２つ以上の異なる種類の吸着材粒子の組み合わせを含んでよい。
【００２４】
実施形態によっては、充填物は、吸着材及び結合剤の他に１つ以上の種類の添加剤を含む。一般に、添加物は、充填物の属性、機能、又は特性を与えたり強化したりする為に充填物に加えられる成分である。添加剤の例として、可塑剤、強度増進剤、多孔質増強剤（例えば、メチルセルロース）、熱伝導増強剤などがあり、これらに限定されない。なお、特定の結合剤が、今述べられたような添加剤の役割を提供してもよい。更に、特定の結合剤及び添加剤が、補助的特性として、貯蔵されているガスに対する吸着活動を示してよい。
【００２５】
ガス貯蔵モジュールのボディを形成する所与の充填物においては、粒子サイズ（例えば、平均直径）、粒子サイズの多分散性の度合、粒子の多孔性、又は隣接粒子間の隙間間隔（空隙サイズ）などの特性によって、ガス貯蔵モジュールが、本開示において想定されている用途に好適である限り、一般には、そのような特性に対して特に制限は行われない。そのような特性は、粒子組成、粒子の合成又は製造に利用されるプロセス、充填体の形成に利用されるプロセスなどの因子に部分的に依存してよい。実施形態によっては、粒子サイズは、マイクロメートル規模からセンチメートル規模に至る範囲であってよい。一般に、ボディは、特定の用途に対して望ましい特性を示す充填吸着床を形成するのに好適な任意の方法で製造されていよい。本実施形態によれば、ボディは、自己支持型であってよく、或いは、支持構造によってカプセル封入されてもよい。以下では、それらの例について説明する。
【００２６】
実施形態によっては、吸着材の、メタンの場合の重量積載量が０．２ｇＣＨ４／ｇｓ以上である。実施形態によっては、吸着材のバルク密度が０．２〜１．５ｇｓ／ｍＬｓの範囲である。
【００２７】
図１〜３は、幾つかの実施形態によるガス貯蔵モジュール１００の一例を示す。特に、図１はガス貯蔵モジュール１００の斜視図であり、図２は同平面図であり、図３は同側面図である。ガス貯蔵モジュール１００は、後述されるように、ガス貯蔵装置又はガス貯蔵システムに含まれてよい。ガス貯蔵モジュール１００は、大まかには、２次元又は平面のボディ１０４（即ち、プレート、パネル、コア等）を含んでよい。ボディ１０４は、第１の面１０６、対向する第２の面１０８、及び第１の面１０６と第２の面１０８との間にある側壁１１０を含む。ここでは、「側壁」という用語は、ボディ１０４の外辺部全体を画定する壁を大まかに指している。ボディ１０４の側面の数（この例では４つ）に応じて、側壁１１０は、側面の数に対応する数の側壁部分（例えば、部分１１２及び部分１１４）を含んでよい。ここでは、「２次元の」又は「平面の」という用語は、第１の面１０６（又は第２の面１０８）の表面積が、ボディ１０４の任意の一側面にある側壁部分１１２、１１４の表面積より明らかに大きいことを示しており、或いは、少なくとも、第１の面１０６（又は第２の面１０８）の少なくとも１つの辺の長さ（又は幅）が、側壁１１０の厚さｔ（又は高さ）より明らかに大きいことを示している。言い換えると、（厚さｔの方向と直交する平面内の）ガス貯蔵モジュール１００の断面が、ガス貯蔵モジュール１００の支配的な寸法形体である。一例として、図示された実施形態では、ボディ１０４は略板状である。この薄型の形状は、ガスの吸着／脱離及び熱伝達の為の大きな表面積を与える。この薄型の形状は又、図４及び図５と併せて後述されるように、幾つかのガス貯蔵モジュールを積み重ねることを容易にする。
【００２８】
図１に示された例では、ガス貯蔵モジュール１００は略直線的な断面を有する。しかしながら、より一般的には、ガス貯蔵モジュール１００は、所与の実装にとって望ましい任意の断面を有してよい。例えば、他の多角形の断面や丸い断面（例えば、円形、長円形、楕円形、インゲンマメ形等）であってよく、これらに限定されない。更に、断面は、第１の面１０６又は第２の面１０８の平面内のあらゆる軸に対して対称でなければならないわけではない。従って、例えば、断面は、半円形、半楕円形、２つ以上の異なる多角形断面の組み合わせ、２つ以上の異なる丸い断面の組み合わせ、或いは、多角形断面と丸い断面との組み合わせであってよい。別の例として、ガス貯蔵モジュール１００の少なくとも１つの側面は、丸い（例えば、円筒形又は球形の）タンクの内面に適合するように曲線状であってよい。更なる例として、断面は、１つ以上のローブを特徴としてよく、即ち、ローブ形状又はインゲンマメ形状であってよく、これは、ガス貯蔵タンクに用いられることがある形状である。従って、ローブ形状の断面を有するガス貯蔵モジュールが、同様の断面のタンク内に積み重ねられてよい。
【００２９】
ボディ１０４は、上述のような多孔質の吸着材粒子の充填物として形成される。一般に、ボディは、当該業界が容認できると考えられる運用寿命にわたって形状を維持することが可能なロバスト且つ安定した充填物を形成することに好適な任意の方法で組み立てられてよい。安定した充填物は、運用寿命を通して繰り返される吸着及び脱離並びに熱サイクルに対して砕けやすさ、粒子摩損、沈降、分離、及びもろさが低レベルである充填物であってよく、ガス貯蔵タンクが通常遭遇すると予想される振動及び他の力に対する無感応さが容認できるレベルである充填物であってよい。形成方法は、現時点で知られているか今後開発される任意の技術に従って、粒子を突き固めたり、加圧したり、熱加圧したり、押し出したり、或いは化学的に結合したりすることを必然的に伴ってよい。一例として、粒子は容器内に積載されてよく、粒子に対して板が押しつけられてよい。別の例では、粒子は、２つのモールドの間に積載されてよく、一方又は両方のモールドから粒子に対して力が加えられてよい。出発粒子又は出発粉末は、市販品を調達してもよく、例えば、噴霧乾燥により形成してもよい。実施形態によっては、１つ以上の異なる種類の結合剤を充填物に含めてよい。結合剤は、一般に、吸着材粒子同士を、形成プロセスと併せて安定的に結合することに効果がある任意の成分である。結合剤の例として、粘土などの鉱物、アルミナやシリカなどのセラミックス、ポリビニルアルコールやポリビニルブチラールなどのポリマーがあり、これらに限定されない。別の実施形態では、吸着材粒子は、結合剤を使用しなくても安定した充填物を形成できるように十分な結合力を有していてよい。実施形態によっては、充填物は更に、上述のような添加剤を含んでよい。
【００３０】
図１に示された実施形態では、ボディ１０４は自己支持型ボディである。即ち、吸着材粒子（又は吸着材粒子と結合剤及び／又は添加剤との混合物）は、充填物の形成後に、結果として得られるボディ１０４がフレーム又は他の支持構造の支援を受けずに形状を維持できるように、密に充填される。充填物を形成する為に実装される方法によって吸着材が高密度化され、これによって、粒子内空隙が解消されるか、又は少なくとも大幅に低減され、結果として得られるボディの固有充填体積が増える。更に、ボディ１０４は十分強固且つロバストである為、充填プロセス中にボディ１０４上又はボディ１０４内に工学的特徴（例えば、流路、ボア等）を形成したり設けたりすることが可能である。一例として、相補的に成形されたモールドを利用して、これらを充填時に粒子に押しつけることにより、外側形体が形成されてよい。別の例として、充填前に粒子を内側形体の周囲に積載して、内側形体が粒子のゆるい塊に埋め込まれるようにすることにより、内側形体が与えられてよい。加圧中に、内側形体が含まれた、安定した粒子充填物が形成される。管のような中空の内側形体の端部同士を充填前に差し込み接続することにより、粒子が入り込むのを防ぐことが可能であり、充填プロセスの完了後に差し込みを解除してよい。
【００３１】
図１に示された実施形態では、ボディ１０４は、側壁１１０と連通する複数のガス流路１１６を含む。流路１１６は、吸着プロセス時にはガスをボディ１０４に運び、脱離プロセス時にはガスをボディ１０４から運ぶ為の流路を提供する。この目的の為に、各流路１１６（即ち、流路１１６の少なくとも１つの端部）は、少なくとも１つの側壁部分と連通してよい。１つ以上の流路１１６の向かい合う端部は、他の側壁部分と連通してよい。例えば、図１では、流路１１６のうちの幾つかが、ボディ１０４の２つの向かい合う側面の間を延びる。実施形態によっては、１つ以上の流路１１６が屈曲したり湾曲したり、或いは、側面に対してある角度をなす直線であったりして、ボディ１０４の２つの隣り合う側面の間を延びてよい。流路１１６は、ガスをボディの大きな表面積にさらして吸着されるようにして、吸着プロセスを促進するように構成される。流路１１６は又、タンク内のガス圧を平衡させるか均一化することを支援するように構成されてもよく、これによって、ガス摂取（又は放出）の速度を高め、熱負荷を均一に分散させることが可能になる。流路１１６は、これらの目的に適した任意の構成又はパターンを有してよい。本実施形態では、流路１１６は直線であり、互いに平行である。別の実施形態では、１つ以上の流路が上述のように屈曲又は湾曲してよく、１つ以上の流路が他の流路と平行でなくてもよい。別の実施形態では、流路は、１回以上向きを変える経路をたどってよい。例えば、流路が、ジグザグ線状又は波状（例えば、方形波状、のこぎり波状、正弦波状等）として構成されてよい。又、別の実施形態では、１つ以上の流路が他の流路と交差してもよい。更なる例では、流路は、魚骨状（例えば、ヘリンボーン）又はクロスハッチ状に並べられてよい。
【００３２】
本実施形態では、流路１１６は、ガスの自由な流れを可能にする開放セル構成であってよい。流路１１６は、ボディ１０４の外側に配置され、従って、ボディ１０４から外に向かって開放された側面を有する開放流路である。流路１１６は、第１の面１０６に沿って延びてよく、或いは、第２の面１０８に沿って延びてよく、或いは、第１の面１０６と第２の面１０８の両方に沿って延びてよい。流路１１６の（ボディ１０４の厚さの面内の）断面領域は多角形（例えば、図示された例では略直線的）であってよく、或いは、丸くてよい。本実施形態では、流路１１６は、ボディ１０４の充填物内に形成されるか、充填物によって画定される。従って、流路１１６は、ボディ１０４内の溝と見なされてよく、或いは、ボディ１０４の隆起部分間の空間と見なされてもよい。流路１１６は、第１の面１０６及び第２の面１０８の両方に設けられた場合には、実施形態によっては、図１に示されたように、互い違いパターン又はオフセットパターンで配置されてよい。
【００３３】
動作中の吸着時には、流路１１６の、側壁１１０において開放されている端部にガスがフィードされる。図１に示された流路１１６のうちの幾つかの場合と同様に、所与の流路の両端部が側壁１１０に対して開放されている場合、ガスは、その流路のいずれかの端部又は両端部にフィードされてよい。ガスは、流路１１６に入ると、流路１１６の長さ方向に流れ、ボディ１０４のバルク内に拡散する。ガスが拡散するにつれ、個々のガス分子が吸着材粒子の多孔質面上に吸着される。ガス拡散の方向は、略単方向であってよい。従って、ガスは、所与の流路から、断面に沿って横断方向に拡散してよく、例えば、図１で矢印１１８によって示されるように、流路の長手軸から出て行く対向方向に拡散してよい。ガスは又、断面に直交する方向、並びに、モジュールの厚さの方向（図１の視点からは垂直方向）に平行な方向にも拡散してよく、例えば、図１の別の矢印１２０で示される方向に拡散してよい。複数のガス貯蔵モジュール１００が密に積み重ねられた場合（図４及び図５）、１つのガス貯蔵モジュールの流路を流れるガスは、その第１の面１０６及び／又は第２の面１０８と隣接する他のガス貯蔵モジュール内へ拡散することが可能であり、例えば、図２の矢印３２２で示される方向に拡散することが可能であり、矢印３２２は、対応する、図１において内部を向いた矢印１２０と反対の向きである（図５も参照）。
【００３４】
脱離時には、ガスは、図１及び図２で説明及び図示された方向と略逆方向に、粒子充填物から流路１１６に戻る拡散経路をたどってよい。
【００３５】
従って、ガス貯蔵モジュール１００は、ガス貯蔵モジュール１００を含む粒子充填物の全体積を利用することによって利用可能な吸着場所の数を最大化するように、各流路１１６からの複数のガス拡散経路を提供するように構成されてよい。ガス貯蔵モジュール１００は、流路１１６と吸着場所との間のガス拡散長さを最小化することによって吸着／脱離プロセスを最適化するように構成されてよい。実施形態によっては、第１の面１０６上で隣接する流路１１６間の間隔、及び第２の面１０８上で隣接する流路間の間隔をガス貯蔵モジュール１００の厚さに対して最小化することによって、ガス拡散長さが最小化されてよい。例えば、図１に示された実施形態では、各流路１１６は、隣接する流路１１６から隔離距離Ｄだけ離されている。横断方向の最大ガス拡散長さは、隔離距離Ｄの半分に近づけられてよい。従って、この寸法の最大ガス拡散長さは、矢印１１８で大まかに表されてよい。実施形態によっては、隔離距離Ｄは、最大拡散長さ（隔離距離Ｄの半分）がガス貯蔵モジュール１００の厚さｔの半分以下になるように選択される。
【００３６】
更に、各流路１１６は、第１の面１０６又は第２の面１０８の厚みの中に形成され、厚さ方向に隔離距離だけ対向面から離される。従って、この隔離距離は、ガス貯蔵モジュール１００の全体厚さｔより短い。上述のように、ガスは、所与のガス貯蔵モジュールの流路１１６から充填物内へ、図１の矢印１２０で示される方向に拡散する。又、複数のガス貯蔵モジュールが密に積み重ねられた場合には、ガスは、所与のガス貯蔵モジュールの流路から隣接するガス貯蔵モジュールの充填物内へ、それらの矢印１２０の反対方向に拡散する。従って、厚さ方向の最大ガス拡散長さは、大まかには矢印１２０で表されてよく、ガス貯蔵モジュール１００の厚さｔの半分より短くてよい。
【００３７】
図１に更に示されるように、ガス貯蔵モジュール１００は、熱交換構造１３０を含んでもよい。熱交換構造１３０は、ボディ１０４全体にわたる熱伝達（適切なタイミングでの熱除去及び加熱）を、特に吸着及び脱離のプロセスを最適化するように、実施するのに適した任意の構成を有してよい。熱交換構造１３０は、１つ以上の構成要素を含んでよく、例えば、熱交換媒体の流れをボディ１０４と熱接触させるように方向づける１つ以上の導管１３２などの構成要素を含んでよい。熱交換構造１３０（又は熱交換構造１３０の一部分又は構成要素）は、第１の面１０６及び第２の面１０８と同じ平面にある平面に沿って１つ以上の方向に延びてよい。熱交換構造１３０は、ボディ１０４内に（即ち、第１の面１０６と第２の面１０８との間に）配置された内部構成要素と、ボディ１０４の外側に、第１の面１０６及び／又は第２の面１０８と隣接して配置された外部構成要素と、を含んでよい。
【００３８】
図１に示された実施形態では、熱交換構造１３０は、ボディ１０４のバルク（又は厚み）を貫通して延びる導管１３２を含む。導管１３２は、熱交換媒体の入口及び出口となる、対向する端部１３４及び１３６を含む。導管１３２は、熱伝達媒体とボディ１０４の全体積との間で良好な熱接触が確保されるように、断面の広い部分にわたる流路を提供するように構成されてよい。この目的の為に、導管１３２は、１つ以上の屈曲を含むことにより、複数回曲がる流路を提供してよい。図示された実施形態では、導管１３２は、Ｓ字形又はＺ字形である。別の実施形態では、導管１３２は、曲がりくねっていたり、波状であったりしてよい。導管１３２は、第１の面１０６及び第２の面１０８から等距離又は略等距離にあるように、ボディ１０４の厚さｔの中心又は中心付近に配置されてよい。厚さｔが比較的小さい為、この構成により、厚さ方向の熱伝導長さは最小化される。実施形態によっては、導管１３２から第１の面１０６又は第２の面１０８のいずれかへの最大熱伝導長さは、厚さｔの半分より短いことが理解されるであろう。
【００３９】
本実施形態では、熱交換構造１３０は又、導管の各端部１３４及び１３６と流体連通するように配置されたチャンバ又はプレナム部分１４４及び１４６も含む。各プレナム部分１４４及び１４６の軸は、典型的には、ガス貯蔵モジュール１００の断面に直交する方向を向いている。各プレナム部分１４４及び１４６は、第１の面１０６と第２の面１０８との間を延び、第１の面１０６及び第２の面１０８において開放されている。プレナム部分１４４及び１４６は、熱交換媒体を導管の入口から投入し、導管の出口から回収することに利用されてよい。複数のガス貯蔵モジュールが積み重ねられてよく（図４及び図５）、それらのガス貯蔵モジュールのそれぞれのプレナム部分が位置合わせされて、積み重ねられた全高さを貫通して延びるプレナムが形成される。
【００４０】
導管１３２及びプレナム部分１４４及び１４６は、各種の金属（例えば、銅）のような、熱伝導率が高い材料で構成されてよい。実施形態によっては、追加の導管及びプレナム部分が設けられてよい。或いは、実施形態によっては、内部プレナム部分１４４及び１４６は設けられず、代わりに導管１３２の端部１３４及び１３６が側壁１１０において開放されて外部プレナムと流体連通している。
【００４１】
熱交換媒体は、ガス貯蔵モジュール１００の所与の実施形態において吸着／脱離のプロセスを強化する速度で熱を伝達できる任意の流体であってよい。実施形態によっては、この媒体は、水やグリコールのような液体である。或いは、実施形態によっては、この媒体は、空気などのガスである。
【００４２】
動作中は、熱交換構造１３０は、充填（吸着）時にはガス貯蔵モジュール１００から熱を除去することに利用され、その後の放出（脱離）時にはガス貯蔵モジュール１００を加熱することに利用される。熱交換構造１３０は、吸着又は脱離のプロセスを最適化する為に選択された初期温度及び初期流量で熱伝達媒体を循環させる。初期温度や初期流量のような熱伝達媒体のパラメータは、所与の実施形態に関連付けられた幾つかの因子に依存してよく、そのような因子として、例えば、吸着材の種類、ガスの種類、ガス貯蔵モジュール１００のサイズ、熱交換構造１３０のサイズ及び構成などがある。
【００４３】
別の実施形態は、１つ以上の導管に加えて、又はその代替として、別の種類の熱交換構造を含んでよい。これらの、別の種類の熱交換構造は、充填物の内部にあっても外部にあってもよい。例として、フィン、メッシュ、シート（プレート）、発泡シート、波状シート、多孔シート、及びこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものがあり、これらに限定されない。別の実施形態では、熱交換構造は、熱伝達媒体を循環させない能動素子を含んでよく、例えば、熱電素子（例えばペルティエ素子）、電気抵抗素子等を含んでよい。
【００４４】
上述のことから明らかなこととして、最大ガス拡散長さ及び／又は熱伝導長さは、ガス貯蔵モジュール１００の厚さｔの半分より短くてよい。従って、本明細書に開示の１つ以上の実施形態は、先行する吸着ガス貯蔵のアプローチによって課せられる長い拡散／伝導長さによって生ずる物質移動及び熱伝達の制限を軽減することが可能である。
【００４５】
図４は、幾つかの実施形態によるガス貯蔵装置４００の一例の斜視図である。図５は、ガス貯蔵装置４００の、ガス流路１１６の端部が位置する側の立面図である。ガス貯蔵装置４００は、積み重ねられた複数のガス貯蔵モジュール１００を含む。ガス貯蔵モジュール１００は、各ガス貯蔵モジュール１００の第１の面１０６又は第２の面１０８が少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュールの第１の面１０６又は第２の面１０８に面するように積み重ねられる。この積み重ね構成は、上述のように、ガス貯蔵モジュール１００の薄型形状によって推進される。多数のガス貯蔵モジュール１００を積み重ねることにより、占有体積を比較的最小限にしながら、エネルギ貯蔵量を多くすることが可能になる。個々のガス貯蔵モジュール１００によって与えられる短いガス拡散長さ及び熱伝導長さが、積み重ねの全体にわたって繰り返される。ガス貯蔵モジュール１００同士のプレナム部分１４４及び１４６を位置合わせすることにより、プレナム部分１４４及び１４６は、積み重ねの複数層を貫通して熱伝達媒体を循環させることに有用となる。図４及び図５は、垂直方向に積み重ねられたガス貯蔵モジュール１００を示しているが、当然のことながら、これは例に過ぎない。積み重ねの方向については、何ら制限はない。例えば、ガス貯蔵モジュール１００は、水平方向に積み重ねられてもよい。
【００４６】
実施形態によっては、図４及び図５の例で示されるように、隣接するガス貯蔵モジュール１００の間には、吸着材を出入りするガスの流通の為に利用される流路１１６以外の間隔がない。別の実施形態では、ガス貯蔵モジュール１００への振動の伝達、及び／又は隣接するガス貯蔵モジュール１００の間の衝突を最小化する為に、ダンピング構成要素（例えば、ガスケットなどの弾性スペーサ）が、隣接するガス貯蔵モジュール１００の間に設けられてよい。
【００４７】
実施形態によっては、各ガス貯蔵モジュール１００又は積み重ねの全体が、天然又は合成の繊維メッシュですっぽり包まれてよく、これは、ガス貯蔵モジュール１００とタンクの内面との間の相互作用を減らすことに役立ちうる。利用されるメッシュは、高いガスフラックスを示すとともに、ガス貯蔵モジュール１００へのガス摂取、又はガス貯蔵モジュール１００からのガスの解放を妨げないものであってよい。
【００４８】
図６は、別の実施形態によるガス貯蔵装置６００の一例の立面図である。ガス貯蔵装置６００は、隣接するガス貯蔵モジュール１００の間に挿入された外部熱交換構造６５０を含む。外部熱交換構造６５０は、略２次元又は略平面であってよい。外部熱交換構造６５０の例として、メッシュ（グリッド）、シート（プレート）、発泡シート、波状シート、多孔シート、及びこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものがあり、これらに限定されない。外部熱交換構造６５０は、内部（埋め込み）熱交換構造への追加、又はその代替として設けられてよい。図６は又、幾つかの実施形態に従って、隣接するガス貯蔵モジュール１００の間に配置されたダンピング構成要素６５４を示している。
【００４９】
図７〜９は、別の実施形態によるガス貯蔵モジュール７００の一例を示す。特に、図７はガス貯蔵モジュール７００の斜視図であり、図８は同平面図であり、図９は同側面図である。ガス貯蔵モジュール７００は、大まかには、２次元又は平面のボディ７０４と、多孔質支持構造７５８とを含んでよい。ボディ７０４は、第１の面７０６、対向する第２の面７０８、及び第１の面７０６と第２の面７０８との間にある側壁７１０を含む。支持構造７５８は、ボディ７０４全体をカプセル封入してよい。即ち、支持構造７５８は、対応する、ボディ７０４の外面（第１の面７０６、第２の面７０８、及び側壁部分）と隣接し、接触する、複数の側面又は部分を含んでよい。上述され、図１〜４に図示されたガス貯蔵モジュール１００と同様に、本実施形態のガス貯蔵モジュール７００は、薄型の形状を有しており、これは、図１０と併せて後述されるように、幾つかのガス貯蔵モジュールを積み重ねることを容易にする。更に、図７〜９に示された直線的な断面は一例に過ぎず、本開示において既に記述されているように、他の形状が与えられてもよい。
【００５０】
ボディ７０４は、多孔質の吸着材粒子の充填物として形成される。吸着材粒子の組成及び多孔性については、大まかには、本開示において既に記述されているとおりであってよい。この実施形態では、吸着材粒子は、個別にロバストであり自己支持型である粒子（又は押出物）であってよいが、図１〜３と併せて上述された全体的に自己支持型であるモジュールと比較して、それほど密に充填されていなくてよい。従って、本実施形態では、粒子のサイズ、及び粒子間の隙間の間隔は比較的大きくてよい。この比較的大きい粒子は、例えば、押し出し又は噴霧乾燥によって形成されてよい。実施形態によっては、大きな粒子は、現時点で知られているか今後開発される任意の方法に従って、小さな粒子同士を結合して大きな粒子を形成することによって形成されてよい。個々の大きな粒子のそれぞれは、吸着材だけを含んでよく、或いは、吸着材と結合剤との混合物を含んでよく、或いは、更に、上述の添加剤を含んでよい。
【００５１】
別の実施形態では、吸着材粒子のサイズは、図１〜３の自己支持型モジュールのサイズと同等であってよいが、それらと比較すると、より粗に充填されてよい。
【００５２】
支持構造７５８は、各種の金属のような熱伝導性材料で構成されてよい。支持構造材は、充填された粒子の床（即ち、ボディ７０４）に安定した形態を与える為に自己支持型（例えば、剛体）である。支持構造７５８は、任意の高多孔質構成を有してよく、即ち、支持構造７５８は、複数の開口又は孔を含むことにより、ガスがボディ７０４を出入りする複数の通り道を提供してよい。例として、メッシュ（又はグリッド、又はスクリーン）、発泡体、多孔シート、多孔質シートなどがあり、これらに限定されない。上述のように、支持構造７５８を設けることにより、この実施形態の粒子床は、図１〜３の自己支持型モジュールのよりモノリシックなボディに比べて、よりゆるく充填されることが可能になる。その結果、本実施形態の粒子床は、かかる物理的ストレスが軽くなる。
【００５３】
カプセル封入されたガス貯蔵モジュール７００は、ガス貯蔵モジュール７００の露出した外面と連通する複数のガス流路を含む。ボディ７０４のバルク全体に分散する粒子内空隙は、ガスの自由な流れを促進する複数の経路を画定する。従って、この実施形態では、流路は、ボディ７０４の隙間を縫って走る経路のネットワークを含むものとして特徴づけられてよい。これらの経路の多くは、支持構造７５８の開口又は孔と流体連通しており、これによって、ボディ７０４の外側の環境（例えば、タンク内部）とボディ７０４内の吸着場所との間のガスアクセス経路が完結する。
【００５４】
カプセル封入されたガス貯蔵モジュール７００の閉じ込められた構成により、粒子摩損、沈降、分離などの従来の問題は軽減される可能性がある。実施形態によっては、必要とされるか望ましければ、ボディ７０４は、高多孔質の布地シート又はメッシュですっぽり包まれてよく、この場合、シート又はメッシュは、ボディ７０４と支持構造７５８との間にあることになる。シート又はメッシュは、充填された粒子を安定したモジュール形態で保持すること、及び／又は、粒子の細粒がタンク内部に溶離するのを軽減又は阻止することを支援するように機能することが可能である。
【００５５】
図７〜９に更に示されるように、ガス貯蔵モジュール７００は、熱交換構造７３０を含んでもよい。熱交換構造７３０は、一般に、上述されたような様々な構成及び構成要素を有してよい。この具体的に図示された例では、熱交換構造７３０は、第１の面７０６及び第２の面７０８にそれぞれ隣接して配置された２つの導管７３２を含む。導管７３２の各端部は、ボディ７０４の外部にあるプレナムと流体連通して配置されてよい。プレナムは、支持構造７５８と一体化されるか支持構造７５８に取り付けられてよく、或いは、タンク内に別個に設けられてもよい。代替又は追加として、熱交換構造７３０は、シート、フィン、熱電素子等のような、熱伝達媒体を通さない構成要素を含んでよい。図示された実施形態では、熱交換構造７３０は、支持構造７５８と一体化されるか支持構造７５８に取り付けられ、支持構造７５８の外部側面上に配置されている。代替又は追加として、熱交換構造７３０は、支持構造７５８の内部側面上に配置されてよい。更なる代替又は追加として、熱交換構造７３０の全体又は一部分が、図１〜６の実施形態の場合と同様に、ボディ７０４のバルク内に配置されてよい。
【００５６】
図１〜６の実施形態と同様に、カプセル封入されたガス貯蔵モジュール７００は、本質的には、先行の吸着ガス貯蔵アプローチに付き物のガス拡散及び熱伝導の制限を最小化する２次元構造を有する。ガスは、ガス貯蔵モジュール７００のボディ７０４を構成する粒子塊のバルク全体にわたって設けられた多数の経路を通って自由に動く為、ガス拡散長さは、ガス貯蔵モジュール７００の厚さの半分よりかなり短くてよい。ガス貯蔵モジュール７００を多孔質メッシュ上の構造にカプセル封入することにより、ガスは自由に動いてガス貯蔵モジュール７００をほとんど抵抗なく出入りすることが可能になる。ガス貯蔵モジュール７００の各面はガスの流れにさらされてよく、ガス貯蔵モジュール７００は厚さ方向に非常に狭い為、ガス貯蔵モジュール７００内の全ての粒子が、本質的に同じガス濃度及びガス圧にさらされることになる。熱交換構造７３０の各構成要素が外面上に位置する場合でも、最大熱伝導長さは、図９の矢印９６２で示されるように、ガス貯蔵モジュール７００の厚さの半分又は約半分にとどまる。
【００５７】
図１０は、幾つかの実施形態によるガス貯蔵装置１０００の一例の斜視図である。ガス貯蔵装置１０００は、積み重ねられた複数のガス貯蔵モジュール７００を含む。ガス貯蔵モジュール７００は、各ガス貯蔵モジュール７００の第１の面７０６又は第２の面７０８が少なくとも１つの他の隣接するガス貯蔵モジュール７００の第１の面７０６又は第２の面７０８に面するように積み重ねられる。上述され、図４〜６に図示されたガス貯蔵モジュール４００及び６００の場合と同様に、個々のガス貯蔵モジュール７００によって与えられる短いガス拡散長さ及び熱伝導長さが、積み重ねの全体にわたって繰り返される。本実施形態では、外部熱交換構成要素７３２を設けることにより、隣接するガス貯蔵モジュール７００の間に間隔が与えられる。別の実施形態では、ガス貯蔵モジュール７００への振動の伝達、及び／又は隣接するガス貯蔵モジュール７００の間の衝突を最小化する為に、ダンピング材（例えば、ガスケットなどの弾性スペーサ）が、隣接するガス貯蔵モジュール７００の間に設けられてよい。
【００５８】
図１１は、幾つかの実施形態によるガス貯蔵システム１１００の一例の概略図である。ガス貯蔵システム１１００は、ガスが貯蔵の為に受け取られ、且つ／又は、動力消費装置で使用される為に供給される、任意の好適な運用環境に配置されてよい。運用環境は、燃料貯蔵／供給場所のように静止した、又は固定された設備であってよく、或いは、自動車又は可搬機器のように可動又は可搬の設備であってよい。
【００５９】
ガス貯蔵システム１１００は、タンク１１０６内に配置されたガス貯蔵装置１１０４を含んでよい。タンク１１０６は、本開示において想定されている圧力範囲に対応する定格を有する任意の好適な圧力容器であってよい。内部ガス圧は、例えば、１〜２００バールの範囲であってよい。実施形態によっては、内部ガス圧は、１〜４０バールの範囲であってよい。ガス貯蔵装置１１０４は、上述のように積み重ねられた複数のガス貯蔵モジュール１１０８を含む。ガス貯蔵モジュール１１０８は、自己支持型モジュール（特別設計されたモジュール）又はカプセル封入されたモジュールであってよく、本明細書に開示の実施形態のいずれかによる、ガス流路及び熱交換構造などの一体化された形体を含んでよい。ガス貯蔵装置１１０４は、当業者には周知の、支持部材、振動ダンパ等を使用した任意の好適な手段により、タンク１１０６内に取り付けられてよい。本開示において既述のように、ガス貯蔵モジュール１１０８の断面は、ガス貯蔵装置１１０４がタンク１１０６の内壁の少なくとも一部分に近接して取り付けられてよいように成形されてよい。実施形態によっては、ガス貯蔵装置１１０４は、吸着材のタンク１１０６内の固有充填体積が０．２〜１．０ｍＬｓ／ｍＬｔａｎｋの範囲であるように構成されている。
【００６０】
ガス貯蔵システム１１００は、必要に応じて（例えば、制御された様式で熱伝達媒体を循環させることにより）ガス貯蔵モジュール１１０８を加熱したり、ガス貯蔵モジュール１１０８から熱を除去したりする熱交換システム１１１０を含んでよい。熱交換システム１１１０は、加熱又は冷却された熱伝達媒体を循環させてタンク１１０６に出入りさせる為に設けられてよい任意の数の熱交換構成要素を概略的に表したものである。全ての熱交換構成要素のうちの一部がタンク１１０６の外に配置されてよい。熱伝達媒体は、タンク壁内に封止されたポート又はフィードスルーを通り抜ける流体路を介してタンク内部との間を行き来するように経路指定されてよい。熱交換システム１１１０は、例えば、加熱器１１１２、冷却器１１１４、ポンプ１１１６、蓄積容器又はリザーバ１１１８等を含んでよい。より一般的には、当業者であれば理解されるように、熱交換システム１１１０は、個々の実装において必要とされるか望ましければ、熱源、ヒートシンク、ヒートパイプ、ボイラ、蒸発器、凝縮器、ポンプ、弁等を含んでよい。熱交換システム１１１０は、１つ以上の構成要素を既存の加熱／冷却システムと共有してよく、例えば、自動車の空調システムやエンジン冷却システム等と共有してよい。
【００６１】
ガス貯蔵システム１１００は更に、タンク壁内の１つ以上の封止されたポートを通り抜ける１つ以上のガス路１１２０を含んでよい。ガス貯蔵装置１１０４に貯蔵されるガスは、外部ガス源からガス路１１２０経由でタンク１１０６に供給されてよい。流通されるガスは、タンク１１０６からガス路１１２０経由でレセプタクル、動力消費装置、又は他の供給先に流されてよい。いずれの場合のガス流も、ポンプ又は他の種類の流体移動装置によって支援されてよく、質量流量調整器や圧力調整器などの流れ調整器によって制御されてよい。
【００６２】
ここまでの説明から理解されるように、本明細書に記載の実施形態によるガス貯蔵モジュールは、１つ以上の利点を提供することが可能である。ガス貯蔵モジュールは、吸着ガス貯蔵タンク内に実装されてよい。吸着材床をモジュール化することにより、熱伝達素子の密接な統合が可能になり、タンク内のガスの自由な動きの為の開放セルが提供される。温度勾配、圧力勾配、及び濃度勾配が大きい為に、動作が安定せず、更に制御上の問題が発生する、ランダムに充填された床、又は直列床と異なり、モジュール化により、均一に動作する多数の並列床の作成が可能になる。ガス貯蔵モジュールは、吸着材を高密度化し、固有充填体積を増やすことにより、タンクのＶＥＤを増やすことが可能である。ガス貯蔵モジュールは、加熱負荷及び冷却負荷の両方に対処可能な内部熱管理システムを効果的に統合することが可能であり、これによって、充填速度及び放出速度を高速化することが可能になり、吸着材の実効作業能力（ＶＥＤ）が高まる。ガス貯蔵モジュールは、タンク内でガスを効率的に流通させることにより、ガスの流れに対する抵抗を最小化しながら、充填及び放出の高速化を促進することが可能である。
【００６３】
一般に、「連通する」及び「〜と…連通している」などの用語（例えば、第１の構成要素が第２の構成要素と「連通する」又は「連通している」）は、本明細書では、２つ以上の構成要素又は要素の間の、構造的、機能的、機械的、電気的、信号的、光学的、磁気的、電磁気的、イオン的、又は流体的な関係を示す為に使用されている。従って、第１の構成要素が第２の構成要素と連通していると言われている事実は、更なる構成要素が、第１の構成要素と第２の構成要素の間に存在したり、且つ／又は、第１及び第２の構成要素に作用的に関連付けられたり係合したりしうる可能性を排除するものではない。
【００６４】
当然のことながら、本発明の各種の態様又は細部は、本発明の範囲から逸脱しない限り、変更されてよい。更に、上述の説明は、例示のみを目的としており、限定を目的としておらず、本発明は特許請求の範囲によって定義されている。
【図１】
2016513780.tif 000003
【図２】
2016513780.tif 000004
【図３】
2016513780.tif 000005
【図４】
2016513780.tif 000006
【図５】
2016513780.tif 000007
【図６】
2016513780.tif 000008
【図７】
2016513780.tif 000009
【図８】
2016513780.tif 000010
【図９】
2016513780.tif 000011
【図１０】
2016513780.tif 000012
【図１１】
2016513780.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月16日(2015.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2016513780.tif 000014
【図２】
2016513780.tif 000015
【図３】
2016513780.tif 000016
【図４】
2016513780.tif 000017
【図５】
2016513780.tif 000018
【図６】
2016513780.tif 000019
【図７】
2016513780.tif 000020
【図８】
2016513780.tif 000021
【図９】
2016513780.tif 000022
【図１０】
2016513780.tif 000023
【図１１】
2016513780.tif 000024
【国際調査報告】
2016513780.tif 000025
2016513780.tif 000026