專(zhuān)利名稱(chēng)：過(guò)程氣體提純和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域和背景本發(fā)明涉及一種過(guò)程氣體提純系統(tǒng)，包括從一混合氣流分離出一種氣體、從而可把所分離和提純的該氣體用于工業(yè)或商用過(guò)程的裝置和方法。本發(fā)明還涉及一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)可把用于一燃料電池的所分離氣體存儲(chǔ)在該系統(tǒng)中，以便其用于該燃料電池。
本發(fā)明涉及一混合流的提純，為此，從含有一產(chǎn)物的混合流中分離出該產(chǎn)物。這類(lèi)提純過(guò)程在工業(yè)中有很大意義，對(duì)小規(guī)模裝置也很重要。該提純過(guò)程涉及從若干氣體中分離出任何一種氣體，但一般涉及分離氫氣或氧氣。氫氣和氧氣是要分離的兩種主要?dú)怏w。但也可用本發(fā)明提純過(guò)程和分離裝置分離其他氣體，例如氮、氬、二氧化碳、氨和甲烷。
現(xiàn)有提純系統(tǒng)使用含有產(chǎn)物氣體的混合氣流，該混合氣流流過(guò)必須能為該產(chǎn)物氣體所滲透的一膜片。在該膜片的另一邊上，產(chǎn)物氣體被收集在一純氣流中后流出該系統(tǒng)。這些現(xiàn)有系統(tǒng)是否有效，很大程度上取決于混合氣流與純氣流之間生成合適驅(qū)動(dòng)力的壓力差。而且，在現(xiàn)有系統(tǒng)中確保密封嚴(yán)密至關(guān)重要，如密封不好，該壓力差會(huì)造成產(chǎn)物氣體之外的一種或多種氣體流過(guò)該膜片，從而污染所分離的產(chǎn)物氣體。因此，膜片的混合氣流邊與純氣流邊之間的嚴(yán)密密封至關(guān)重要。為了確保提純所需的正驅(qū)動(dòng)力，純產(chǎn)物氣流的壓力必須小于混合氣流中產(chǎn)物氣體的局部壓力。由于純產(chǎn)物氣流的壓力不能超過(guò)混合氣流中產(chǎn)物氣體的局部壓力，因此純產(chǎn)物氣流的壓力必須小于混合氣流的壓力。如該膜片中的密封不嚴(yán)或有針孔，由于大量混合氣體流入純產(chǎn)物氣流中，純產(chǎn)物氣流的純度就會(huì)下降。
可用純產(chǎn)物氣體與進(jìn)口混合氣流中的產(chǎn)物氣體的比之類(lèi)產(chǎn)物氣體回收系數(shù)和所需的膜片的總表面積衡量該分離過(guò)程的有效性。通常，混合氣流的進(jìn)口壓力高達(dá)數(shù)個(gè)大氣壓，這有助于減小該系統(tǒng)中膜片的表面積、提高回收系數(shù)和提高純產(chǎn)物氣體的壓力。舉例說(shuō)，如純產(chǎn)物氣流需要有三個(gè)大氣壓，則混合氣流中的產(chǎn)物氣體的局部壓力在出口處必須大于三個(gè)大氣壓。設(shè)混合氣流中產(chǎn)物氣體在進(jìn)口處的濃度為50％，要求回收系數(shù)為75％，則混合氣流中的產(chǎn)物氣體在出口處應(yīng)為該氣流的1/5。為說(shuō)明這一點(diǎn)，進(jìn)口處氣體由8份構(gòu)成，其中4份為產(chǎn)物氣體，4份為其他氣體?；厥?5％的產(chǎn)物氣體意味著從4份產(chǎn)物氣體中分離出3份，因此余下的混合氣流由4份其他氣體和1份產(chǎn)物氣體構(gòu)成?；旌蠚饬鬟叧隹谔幃a(chǎn)物氣體的局部壓力為混合氣體總壓力的1/5或20％。由于所需純產(chǎn)物氣體為3個(gè)大氣壓，因此該混合氣流的壓力為3個(gè)大氣壓/20％或等于15個(gè)大氣壓。如不計(jì)氣體流動(dòng)過(guò)程中的壓力降，混合氣流的起始?jí)毫π枰笥诨虻扔?5個(gè)大氣壓。膜片上的局部壓力驅(qū)動(dòng)力在進(jìn)口處為4.5個(gè)大氣壓(15個(gè)大氣壓×20％-3個(gè)大氣壓)，在出口處約為0。因此平均驅(qū)動(dòng)力為2.25個(gè)大氣壓。在這類(lèi)系統(tǒng)中，由于驅(qū)動(dòng)力在混合氣流的出口處接近為0，因此膜片的大部分表面積用來(lái)獲得該回收系數(shù)。因此，膜片的成本和體積極大。此外，為了保持產(chǎn)物氣體純度，膜片及其密封必須構(gòu)作成保持高達(dá)12個(gè)大氣壓的橫向壓力并不發(fā)生泄漏。
本申請(qǐng)人的某些其他專(zhuān)利，包括美國(guó)專(zhuān)利Nos.5，207，185、5，299，536、5，441，546、5，437，123、5，529，484、5，546，701以及申請(qǐng)USSN471，404和USSN 742，383，作為參考材料包括在此。
本發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)方面為一種氣體提純系統(tǒng)，其中，一混合氣流中的一產(chǎn)物氣體從該混合氣流橫向流過(guò)一膜片后流入該膜片另一邊上流動(dòng)方向與該混合氣流相反的一提純氣流中?；旌蠚饬骱吞峒儦饬鞯膲毫σ约爱a(chǎn)物氣體在該膜片兩邊上的局部壓力都受到控制，以促使產(chǎn)物氣體流過(guò)該膜片。在本發(fā)明系統(tǒng)中，膜片和其他部件的密封是否嚴(yán)密和是否存在針孔對(duì)從混合氣流中所分離的產(chǎn)物氣體的純度來(lái)說(shuō)無(wú)關(guān)緊要，從而更便于人們使用該系統(tǒng)?；旌蠚饬骱吞峒儦饬髟谝环蛛x模件中的流動(dòng)方向相反。最好是，混合氣流中的產(chǎn)物氣體為氫氣或氧氣，但本發(fā)明也可有效地用于其他產(chǎn)物氣體，包括但不限于氮、氬、二氧化碳、氨和甲烷。最好是，該提純氣體為一容易分離的過(guò)程氣體，一般包括但不限于水蒸氣或致冷劑。
在一種應(yīng)用場(chǎng)合，本發(fā)明為一種從一重整爐或一欠氧化燃燒爐流出的混合氣體中提純氫氣的方法和裝置。
混合氣流和提純氣流由一合適膜片隔開(kāi)，從混合氣流中分離的產(chǎn)物氣體必須能滲透或有效滲透該膜片。在很大程度上，根據(jù)從混合氣流中分離的產(chǎn)物氣體的性質(zhì)選擇膜片后把膜片裝入該分離模件。在一實(shí)施例中，“鈀型”金屬膜片可有效地用作氫氣分離膜片，因?yàn)槲杖朐摻饘俚母駯沤Y(jié)構(gòu)中的氫氣與氫氣的局部壓力成正比。膜片兩邊氫氣之間的局部壓力差一般被用作使混合氣流中的氫氣流動(dòng)到膜片另一邊的提純/產(chǎn)物氣流中的驅(qū)動(dòng)力。通常，為了提高產(chǎn)物氣體的轉(zhuǎn)移率，提高這些分離膜片的溫度，在該特殊實(shí)施例中，膜片轉(zhuǎn)移的是氫氣。在一實(shí)施例中，所轉(zhuǎn)移的產(chǎn)物氣體為氫氣。
還可使用其他種類(lèi)的膜片，包括陶瓷膜片。陶瓷膜片、特別是在高溫下的陶瓷膜片把氧離子吸收入其格柵結(jié)構(gòu)中，因此被用作氧氣分離膜片。陶瓷膜片的一個(gè)例子是氧化鋯和用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。在電化反應(yīng)器中使用純離子傳導(dǎo)膜片，此時(shí)，電力為用作分離的主要驅(qū)動(dòng)力。除了電動(dòng)的電化反應(yīng)器，還使用導(dǎo)電膜片，此時(shí)，與鈀型膜片一樣，只用局部壓力驅(qū)動(dòng)力分離、提純混合氣流中的氧氣。
因此，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明使用一種用膜片分離氣體的新穎方法，同時(shí)無(wú)需使用高精度密封，壓力差也無(wú)需大到膜片密封承受不了的程度。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，兩氣流可流過(guò)一分離模件，一合適膜片把兩氣流隔開(kāi)。在該膜片的一邊上，一混合氣流從一進(jìn)口經(jīng)該膜片流到一出口，而在該膜片的另一邊上，用流動(dòng)方向與該混合氣流相反的高壓水蒸氣進(jìn)行提純。該新穎分離過(guò)程提高產(chǎn)物氣體的回收系數(shù)和純產(chǎn)物氣體的壓力，同時(shí)減少密封和無(wú)針孔膜片的重要性。
從下例中可清楚看出本發(fā)明實(shí)現(xiàn)提純過(guò)程的方法及其分離裝置的好處。一混合氣流在15個(gè)大氣壓下輸入該分離模件，產(chǎn)物氣體在該混合氣流中的濃度為50％。產(chǎn)物氣體為要從該混合氣流中分離出來(lái)的成分，它滲過(guò)該膜片流入提純/產(chǎn)物氣體流中。在該特殊實(shí)施例中，提純氣體為在膜片的與混合氣流相反一邊上、流動(dòng)方向與混合氣流相反的水蒸氣流。提純氣體流的體積流率為混合氣流的兩倍，其壓力稍大于15個(gè)大氣壓。如膜片表面積與上例相同，回收系數(shù)可接近100％。由于提純/產(chǎn)物氣體中的產(chǎn)物氣體在進(jìn)口處的局部壓力為0，因此混合氣流中的產(chǎn)物氣體的局部壓力在出口處也接近0。由于產(chǎn)物氣體的數(shù)量在提純氣流進(jìn)口處為0，該進(jìn)口處的提純氣體為純水蒸氣，因此提純/產(chǎn)物氣流進(jìn)口處的局部壓力為0。
如果所有產(chǎn)物氣體從混合氣流中被分離出來(lái)，那么流出模件的提純/產(chǎn)物氣體流含有4份產(chǎn)物氣體和16份水蒸氣。由于提純氣流、從而提純/產(chǎn)物氣體流進(jìn)口處為15個(gè)大氣壓，因此提純/產(chǎn)物氣體流出口處的產(chǎn)物氣體的局部壓力約為3個(gè)大氣壓。驅(qū)動(dòng)力在混合氣流進(jìn)口處為4.5個(gè)大氣壓，在混合氣流出口處為0。因此平均驅(qū)動(dòng)力為與上例相同的2.25個(gè)大氣壓，從而只需要數(shù)量相同的表面積。本發(fā)明使用與現(xiàn)有系統(tǒng)相同的硬件可從混合氣流中回收100％的產(chǎn)物氣體，而現(xiàn)有系統(tǒng)的回收率只有75％。
在上述本發(fā)明例子中，提純/產(chǎn)物氣體流的絕對(duì)壓力稍大于15個(gè)大氣壓，從而稍大于膜片另一邊的混合氣流的絕對(duì)壓力。如膜片中有針孔或該系統(tǒng)的膜片或其他部件的密封不嚴(yán)，只會(huì)是提純/產(chǎn)物氣體漏入混合氣流中，因此這類(lèi)泄漏對(duì)產(chǎn)物氣體的純度沒(méi)有影響。換句話說(shuō)，絕對(duì)壓力選擇成，即使發(fā)生泄漏，其方向也不會(huì)降低所分離產(chǎn)物氣體的純度，同時(shí)使得系統(tǒng)中的膜片質(zhì)量和密封性能變得無(wú)關(guān)緊要。
還可看出，橫向壓力或絕對(duì)壓力差極小，只占絕對(duì)壓力的一小部分。因此，膜片厚度可減小，因?yàn)樗槐爻惺苡珊艽髩毫Σ钌傻牧?。由于膜片厚度可減小，因此不僅系統(tǒng)性能提高，而且其成本降低。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及對(duì)提純/產(chǎn)物氣體流進(jìn)行處理，以便把產(chǎn)物氣體按需要傳給用戶或下游設(shè)備。提純/產(chǎn)物氣體流在15個(gè)大氣壓下流出分離模件，從而可在約為15個(gè)大氣壓下傳送到下游。在一實(shí)施例中，可用分離模件下游的一再生蒸汽發(fā)生器和水蒸氣冷凝器實(shí)現(xiàn)該傳送。在該再生蒸汽發(fā)生器處，提純/產(chǎn)物氣體流中的水蒸氣被冷凝，只留下壓力約為15個(gè)大氣壓的純產(chǎn)物氣體。然后，用該再生蒸汽發(fā)生器回收盡可能多的熱能以節(jié)約能量。換句話說(shuō)，在該系統(tǒng)中用由冷凝水蒸氣生成的熱能加熱和蒸發(fā)在提純氣流的進(jìn)口處輸入分離模件中的水。本發(fā)明例子還示出，純產(chǎn)物氣體的壓力約為15個(gè)大氣壓或?yàn)楝F(xiàn)有例子中的產(chǎn)物氣體壓力的5倍。
如果對(duì)回收系數(shù)的要求下降，則在該分離系統(tǒng)和過(guò)程中，所需膜片表面積可減小。例如，如該過(guò)程只要求75％的回收率，則產(chǎn)物氣體在混合氣流出口處的局部壓力為與上述現(xiàn)有例子相同的3個(gè)大氣壓。此時(shí)混合氣流出口處的驅(qū)動(dòng)力為3個(gè)大氣壓，因此把混合氣流與提純氣流隔開(kāi)的整個(gè)膜片表面積上的平均驅(qū)動(dòng)力提高到3.75個(gè)大氣壓。因此，分離所需膜片的表面積大大小于要求100％回收率時(shí)的表面積。此外，由于平均驅(qū)動(dòng)力提高，所需表面積減小，因此分離模件的成本和體積大大減小。但是，即使回收要求小于100％，該系統(tǒng)的好處保持不變，包括回收系數(shù)提高、從系統(tǒng)流出的產(chǎn)物氣體的壓力提高、對(duì)密封性能的要求降低。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的示意圖，示出一膜片部件及其進(jìn)口和出口流；圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的示意圖，示出一電化膜片部件及其進(jìn)口和出口流；圖3為包括一膜片部件和有關(guān)結(jié)構(gòu)的整個(gè)過(guò)程的示意圖，包括提純氣體流的流路；圖4(a)為現(xiàn)有燃料電池電力系統(tǒng)的流程圖；圖4(b)為示出圖4(a)所示系統(tǒng)上的電力負(fù)荷的曲線圖；以及圖5為本發(fā)明燃料電池電力系統(tǒng)的流程圖。
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明圖1-3分別示出一離子型膜片分離模件、一電力型膜片分離模件和一與其他部件連接的模件。圖4和5分別示出現(xiàn)有燃料電池系統(tǒng)和本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)，突出示出這兩種系統(tǒng)的差別和本發(fā)明燃料電池的新穎方面。
圖1示出一分離膜片模件12，包括一氣體分離膜片12和該膜片兩邊的氣流室14和16。氣流室14用來(lái)接收和傳送一混合氣流18，而氣流室16用來(lái)接收和傳送一提純氣流20?；旌蠚饬鳉饬魇?4的一端有一進(jìn)口22，另一端有一出口24。同樣，提純氣流氣流室16的一端有一進(jìn)口26，另一端有一出口28?？梢钥吹剑旌蠚饬?8的進(jìn)口22和提純氣流20的進(jìn)口26分列在模件10的相對(duì)兩端上，因此混合氣流18與提純氣流20的流動(dòng)方向相反。
氣體分離膜片12的膜片表面30在混合氣流18一邊，而其膜片表面32在提純氣流20一邊。混合氣流18在進(jìn)口22處流入氣流室14的部位用標(biāo)號(hào)34表示，而混合氣流在出口24處流出氣流室14的部位用標(biāo)號(hào)36表示。對(duì)于提純氣流，標(biāo)號(hào)38表示在進(jìn)口26處流入氣流室16的提純氣流，而標(biāo)號(hào)40表示包括下文詳述的產(chǎn)物氣體在內(nèi)的提純氣流在出口28處流出氣流室16。
在圖1中，膜片12為用于分離氫氣的鈀銀型膜片。當(dāng)分離模件10用來(lái)分離氧氣時(shí)，膜片12可包括混合離子/電子傳導(dǎo)陶瓷膜片?？傊?，可以看出，可為預(yù)定產(chǎn)物氣體或液體所滲透的任何現(xiàn)有或其他種類(lèi)的膜片都可用于本發(fā)明，不管從混合氣流中分離的是氫氣、氧氣、二氧化碳、氨、甲烷還是其他產(chǎn)物氣體。膜片當(dāng)然與兩氣流接觸，膜片的表面30與混合氣流接觸，膜片的表面32與提純氣流接觸。
混合氣流34從進(jìn)口22流入氣流室14。在流過(guò)氣流室14后成為混合氣流36從出口24流出。該混合氣流由產(chǎn)物氣體(例如要從混合氣流中分離出來(lái)的氫氣、氧氣或其他氣體或液體)和與產(chǎn)物氣體分離的其他氣體構(gòu)成。在分離模件10的另一邊，提純氣流38從進(jìn)口26流過(guò)氣流室16后成為提純/產(chǎn)物氣體40從出口28流出。提純氣流可為在分離模件10的下游易于與產(chǎn)物氣體分開(kāi)的水蒸氣或任何其他氣體，這在下文交代。下面說(shuō)明分離產(chǎn)物氣體為氫氣或氧氣的一特殊實(shí)施例。盡管在該特殊實(shí)施例中說(shuō)明這兩種氣體，但在本發(fā)明范圍內(nèi)也可從一混合氣流中分離其他氣體或液體。
氫氣為包含在流過(guò)分離模件10的氣流室14的混合氣流18中的產(chǎn)物氣體。氫氣作用于膜片的表面30上而被吸收入膜片12的格柵中。該表面中的氫氣的數(shù)量與混合氣流中氫氣在該膜片表面上方的局部壓力成正比。提純氣流20流過(guò)氣流室16，使得膜片的表面32上的氫氣局部壓力比膜片12的另一邊表面30上的氫氣局部壓力低。因此，分離膜片12表面30旁格柵中的氫氣經(jīng)膜片12遷移到表面32。由于表面32旁的氫氣壓力較低，因此氫氣流出膜片12的格柵結(jié)構(gòu)后流入提純氣流中(把提純氣流轉(zhuǎn)變成提純/產(chǎn)物氣體流)，然后成為氣流40從出口28流出。
進(jìn)口26處的提純氣流38、出口28處的提純/產(chǎn)物氣體流40以及它們之間的氣流的壓力比混合氣流高。此外，提純氣流20的流率保持足夠高，使得氫氣局部壓力驅(qū)動(dòng)力在氣體分離膜片12的整個(gè)表面上呈正值。因此，可以看到，在混合氣流18中保持較高氫氣局部壓力的同時(shí)在氣流室16中保持提純氣流38的較高壓力可有效確保氫氣從室14經(jīng)分離膜片12遷移到室16，但防止混合氣流中的其他成分越過(guò)分離膜片12，即使膜片12中有針孔或密封不嚴(yán)。
圖2示出本發(fā)明另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，圖2中與圖1相同的部件用同一標(biāo)號(hào)表示。圖2所示分離模件與圖1的不同之處是，氣流室16與分離膜片12之間有一電極42，分離膜片12與氣流室14之間有一電極44。圖2所示氣體分離膜片12為鋯之類(lèi)的離子傳導(dǎo)膜片，但也可使用其他種類(lèi)的傳導(dǎo)膜片。
分離膜片12上涂有電極42和44，它們分別與提純氣流20和混合氣流18接觸。在下例中，使用氧離子傳導(dǎo)膜片，但使用帶負(fù)電荷離子、甚至帶正電荷離子的其他合適膜片也在本發(fā)明范圍內(nèi)。
混合氣流18從進(jìn)口22流入，從出口24流出，而提純氣流20從進(jìn)口26流入室16，從出口28流出?；旌蠚饬?8與提純氣流20的流動(dòng)方向仍然相反。提純氣流20的壓力約等于所需純產(chǎn)物氣體的傳送壓力。該例中為氫氣的純產(chǎn)物氣體在比方說(shuō)15個(gè)大氣壓的預(yù)定壓力下傳送到分離模件的下游，提純氣體的壓力保持在該純產(chǎn)物氣體傳送壓力上。但是，為了減小針孔或密封不嚴(yán)的影響，提純氣流20的壓力必須稍大于室14中的混合氣流18的壓力。如該結(jié)構(gòu)的膜片對(duì)混合氣流中的其他成分的密封良好，該壓力標(biāo)準(zhǔn)可稍稍放松。
電子46進(jìn)入電極42后遷移到電極42中的反應(yīng)區(qū)48。在該實(shí)施例中，提純氣流由水蒸氣構(gòu)成，水蒸氣與電子46進(jìn)入反應(yīng)區(qū)48生成氫氣50和氧離子52。氧離子52進(jìn)入分離膜片12的格柵結(jié)構(gòu)。氧離子52在反應(yīng)區(qū)48旁的濃度的增加使得氧離子52流到電極44中的反應(yīng)區(qū)54。室14中的混合氣流18中的氫氣56進(jìn)入反應(yīng)區(qū)54后與氧離子反應(yīng)。該反應(yīng)生成水58，該水蒸發(fā)后進(jìn)入室14中的混合氣流18，同時(shí)釋放出電子60，電子60離開(kāi)電極44后經(jīng)外部電路62流回電極42。
在圖2所示實(shí)施例中，分離氫氣的驅(qū)動(dòng)力主要為電力，但除該電力外保持局部正驅(qū)動(dòng)力可減少驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)所需的能量。此外，在該實(shí)施例中，由于電驅(qū)動(dòng)力把氫氣從低局部壓力的混合氣流18移到室16中的較高局部壓力的提純氣體20，因此提純氣體的流率可減小。因此，該實(shí)施例與圖1所示實(shí)施例不同，混合氣流18中氫氣的局部壓力在氣體分離膜片12的長(zhǎng)度上不必高于提純氣流20中氫氣的局部壓力。
本發(fā)明裝置和方法的好處和優(yōu)點(diǎn)同樣適用于其他氣體。例如，混合氣流中的氧氣可在反應(yīng)區(qū)54生成氧離子52和電子。因此電子46與60的流動(dòng)方向與從混合氣流中分離出氫氣時(shí)相反，氧離子52的流動(dòng)方向也相反。在反應(yīng)區(qū)48，氧離子52與從外部電路62返回的電子46重新結(jié)合成純氧后進(jìn)入一般由水蒸氣構(gòu)成的提純氣流中。本發(fā)明逆向流動(dòng)的提純氣體在該例中的好處與使用氫氣的上例相同。
圖3為整個(gè)氣體提純和分離系統(tǒng)的示意圖。在圖3中，與圖1和2中相同的結(jié)構(gòu)和部件用同一標(biāo)號(hào)表示。在圖3中，混合氣流18從進(jìn)口22流入時(shí)為氣流34，在出口24處成為廢棄的混合氣流36。提純氣流20作為氣流38流入進(jìn)口26，其流動(dòng)方向與混合氣流18相反。提純氣體20從出口28流出時(shí)成為提純/產(chǎn)物氣體流40?；旌蠚饬骱吞峒儦饬?8和20的各氣流如結(jié)合圖1和2所述由氣體分離膜片12隔開(kāi)。提純/產(chǎn)物氣體流40流到一再生蒸汽發(fā)生器68后從氣流40中除去熱量，該氣流40中的水蒸氣冷凝。在流過(guò)蒸汽發(fā)生器68后，該氣流進(jìn)入一除熱后級(jí)冷凝器70，然后流入一液體/氣體分離器72。在該液體/氣體分離器72中，純產(chǎn)物氣體流76與冷凝水74分離。從該氣流中分離出的純產(chǎn)物氣體流76用于或傳送到下游某一地點(diǎn)。
水74經(jīng)一泵78流回再生蒸汽發(fā)生器68，在該發(fā)生器中，用冷凝氣流40中的水生成的熱量把液態(tài)水74轉(zhuǎn)變成水蒸氣。如使用致冷型提純氣體，則在泵78與蒸汽發(fā)生器68之間設(shè)置一孔板80。該水蒸氣經(jīng)一過(guò)熱器82加熱成提純氣流38后流入分離模件10的進(jìn)口26。此外，需要時(shí)可在分離器72中添加水量。
下面參見(jiàn)圖4(a)、4(b)和圖5。圖4示出一現(xiàn)有燃料電池電力系統(tǒng)，而圖5示出本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)。
圖4(a)示出一欠氧化燃燒爐/重整爐或燃料處理器110。該燃料處理器110接收甲醇、乙醇、柴油之類(lèi)碳?xì)淙剂虾蠡旌虾腿紵@些燃料，生成富氫混合氣體產(chǎn)物。用泵116沿燃料管道114把碳?xì)淙剂蠌娜剂线M(jìn)口112送入該燃燒爐。燃料管道114中有一閥118控制燃料的流率。燃料管道114與燃料處理器110連接。汽輪發(fā)電機(jī)122中有一空氣進(jìn)口120沿空氣管道124把空氣壓入燃料處理器110中。管道154中的空氣中可加入水蒸氣。在燃料處理器110中，來(lái)自空氣管道124的空氣與來(lái)自燃料管道114的燃料最好在有水的情況下混合、反應(yīng)和燃燒，生成氫氣/混合氣體產(chǎn)物后從產(chǎn)物管道126流出燃料處理器110。產(chǎn)物管道126經(jīng)下游轉(zhuǎn)換反應(yīng)器170和172、熱回收熱交換器173和175和一氧化碳過(guò)濾器176把該氫氣/混合氣體產(chǎn)物最終傳送到一燃料電池128，該產(chǎn)物然后在燃料電池中與從空氣管道130泵入的空氣混合，該空氣管道130中的空氣來(lái)自汽輪發(fā)電機(jī)122的空氣管道124。
燃料電池128的陽(yáng)極廢氣管道132和陰極廢氣管道134各與一冷凝器136和138連接。冷凝器136與一分離器140連接，而冷凝器138與分離器142連接，在分離器140和142中，從該混合物中分離出的水分別排出到水管144和146。水管144和146連成一水管148，把水傳給蒸汽發(fā)生器150。但是，一部分水經(jīng)水管152引入燃料處理器110后與該燃燒室中的高熱產(chǎn)物氣體混合。從水管148流入蒸汽發(fā)生器150的水用從熱交換器173和175回收的熱量加熱成水蒸氣經(jīng)水蒸氣管道154傳給空氣管道124，然后空氣與水蒸氣混合后如上所述送到燃料處理器110。
分離器140和142用殘余產(chǎn)物管道158和160與一燃燒器156連接，殘余產(chǎn)物在燃燒器156中燃燒生成的熱量和能量經(jīng)管道162送到汽輪發(fā)電機(jī)122。在該管道162中流動(dòng)的該產(chǎn)物所含熱量和能量經(jīng)汽輪發(fā)電機(jī)處理后推動(dòng)發(fā)電機(jī)164。該燃燒氣體從汽輪發(fā)電機(jī)122的排氣管166排出。
在燃料處理器110中有一燃燒室，空氣、燃料和水的混合物在該燃燒室中燃燒，其溫度高達(dá)約2700°F。在燃料處理器底部，從管道152引入的水使產(chǎn)物氣體的溫度下降到約700°F。其下游有一高溫轉(zhuǎn)換區(qū)170和一低溫轉(zhuǎn)換區(qū)172，在這里一氧化碳與水反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。這兩個(gè)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器用來(lái)除去該系統(tǒng)中的燃燒副產(chǎn)物。燃料處理器中還有一從燃燒混合物中除去硫的氧化鋅床174。從硫床174和高溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)器170流出的產(chǎn)物氣體經(jīng)熱交換器173的冷卻后流入低溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)器172。氣體在低溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)器172后用熱交換器171進(jìn)一步冷卻。最后，一氧化碳在一氧化碳過(guò)濾器176中減少到燃料電池128容許的數(shù)量。產(chǎn)物管道126中氫氣/混合氣體產(chǎn)物中的氫氣濃度相當(dāng)?shù)?，一般為產(chǎn)物氣體總量的30-40％。
如上所述，燃料電池128中的殘余產(chǎn)物經(jīng)冷凝器和分離器送到燃燒器156，在燃燒器中燃燒以提高管道162中的產(chǎn)物的溫度。管道162中的這些產(chǎn)物的溫度可達(dá)約800°F，大大低于本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)中的溫度，這在下文說(shuō)明。
圖5為本發(fā)明各流體和系統(tǒng)的流程圖。從下面的說(shuō)明顯然可見(jiàn)，本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)較之現(xiàn)有系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，效率和輸出提高，所需欠氧化燃燒爐的標(biāo)稱(chēng)或額定功率低。額定功率可降低的原因是本發(fā)明能高效使用和生成氫燃料，把氫氣存儲(chǔ)在一氫氣罐中備用。由于能存儲(chǔ)氫氣，因此生成氫氣的欠氧化燃燒爐不必運(yùn)行在不穩(wěn)定的高峰負(fù)荷下，而是一般運(yùn)行在更連貫、更穩(wěn)定的狀態(tài)下，但仍提供足夠的氫氣，使得該系統(tǒng)運(yùn)行在現(xiàn)有系統(tǒng)的高峰負(fù)荷下。
圖5示出一一般包括一燃燒室212的欠氧化燃燒爐/重整爐210。本發(fā)明系統(tǒng)在燃燒室212的下游裝有一新穎提純模件214。該提純模件214有一混合氣體側(cè)213和一提純/產(chǎn)物氣體側(cè)233?；旌蠚怏w側(cè)213的流動(dòng)方向與提純/產(chǎn)物氣體側(cè)233相反。供應(yīng)給欠氧化燃燒爐210的空氣、燃料和水點(diǎn)火后充分混合，生成氫氣、一氧化碳和水。
用泵-壓縮機(jī)220把燃料管道218中的燃料從燃料進(jìn)口216壓入燃燒室212中。用閥222控制燃料管道218中的燃料的流率。與現(xiàn)有系統(tǒng)一樣，該燃料可包括甲醇、乙醇、柴油之類(lèi)碳?xì)淙剂匣蚱渌线m燃料。一空氣進(jìn)口224向一汽輪發(fā)電機(jī)226輸送空氣，該空氣從汽輪發(fā)電機(jī)226經(jīng)空氣管道228輸送到燃燒爐210的燃燒室212。空氣管道228中的空氣可用與該燃料電池系統(tǒng)中另一蒸汽源連接的蒸汽管道230中的蒸汽補(bǔ)充，這在下文詳述。蒸汽管道230有一支管232把蒸汽供給提純模件214。
燃燒爐210的燃燒室212中有充分混合分別來(lái)自管道228和218的空氣和燃料的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)一般終止于一噴嘴，從而把充分混合的燃料和空氣混合物噴入燃燒室中后點(diǎn)火。該混合結(jié)構(gòu)和噴嘴的詳情見(jiàn)本申請(qǐng)人的其他專(zhuān)利，包括作為參考材料包括在此的美國(guó)專(zhuān)利Nos.5，207，185、5，299，536、5，441，546、5，437，123、5，529，484、5，546，701以及申請(qǐng)USSN471，404和USSN742，383。
燃燒爐210中的燃燒過(guò)程把碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)變成氫氣和一氧化碳混合氣流，該混合氣流流入提純模件214后流過(guò)混合氣體側(cè)213。管道232中的蒸汽流入提純模件214后流過(guò)提純/產(chǎn)物氣體側(cè)233?；旌蠚饬?13與提純/產(chǎn)物氣體流233的流動(dòng)方向相反。氫氣從混合氣流213中如上文所述轉(zhuǎn)移到提純/產(chǎn)物氣體流233中?；厥障禂?shù)最好為70-90％。
氫氣/蒸汽混合物從燃燒爐210流出后經(jīng)水/氫氣管道236傳送到一冷凝器238，該冷凝器可為參照?qǐng)D3所述的再生冷凝器。還有一后級(jí)冷凝器240，冷凝器238與冷凝器240構(gòu)成一水冷凝鏈。這兩個(gè)冷凝器把氫氣/蒸汽冷凝成氫氣/液態(tài)水混合物，然后用一分離器242分離并隔開(kāi)氫氣與水。氫氣經(jīng)氫氣管道244流出分離器242，而水經(jīng)水管246流出分離器242。
本發(fā)明的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比較，氫氣管道244中為約100％的氫氣，而在現(xiàn)有系統(tǒng)中，供應(yīng)給燃料電池的氫氣-產(chǎn)物混合物中的氫氣含量只有30-40％。在本發(fā)明中，氫氣管道244可用管道248與燃料電池模件250連接或用管道252與一氫氣存儲(chǔ)罐254連接。顯然，流入管道248或252中的氫氣數(shù)量決定于燃料電池上的負(fù)荷。如當(dāng)前負(fù)荷需要使用分離器242中所有的氫氣，所生成的所有氫氣就經(jīng)管道248供應(yīng)給燃料電池250。另一方面，如從分離器經(jīng)管道244供應(yīng)的氫氣超過(guò)當(dāng)前負(fù)荷要求，所有或部分氫氣就經(jīng)管道252存儲(chǔ)在氫氣存儲(chǔ)罐254中。管道252中的一泵256把氫氣輸送到存儲(chǔ)罐254。
當(dāng)然，完全可能燃料電池250上的負(fù)荷對(duì)氫氣的需求量比在分離器242中實(shí)際所生產(chǎn)和分離的大。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，此時(shí)要求燃料處理器生產(chǎn)更多氫氣。但是，在本發(fā)明中，由存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐254中的氫氣滿足對(duì)氫氣的需求的增加。用閥258控制的輸氣管252把氫氣從存儲(chǔ)罐傳送到管道248中而為燃料電池250所用。
用陰極廢氣管道260把燃料電池中的陰極廢氣傳送到一催化燃燒器262。燃燒爐210中的廢氣也經(jīng)管道264傳給催化燃燒器262。來(lái)自提純模件的混合氣流側(cè)213的這些廢氣包括氫氣。此外，壓縮空氣從汽輪發(fā)電機(jī)226經(jīng)管道266傳給催化燃燒器262。催化燃燒器262燃燒來(lái)自燃燒爐210的廢氣和經(jīng)管道260來(lái)自燃料電池的陰極廢氣。用在管道266中流率受閥268控制的空氣助燃，結(jié)果生成大量熱。催化燃燒器所生成的氣體從管道270流出，其溫度一般為1200°F-1800°F，比現(xiàn)有系統(tǒng)高得多。如前面結(jié)合圖4(a)所述，燃燒器燃燒廢氣把溫度提高到約800°F。管道270把該氣體供應(yīng)給汽輪發(fā)電機(jī)226，該氣體的至少一部分能量用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)272。管道270把高壓氣體傳給汽輪發(fā)電機(jī)的膨脹部226a，氣體的壓力和熱量驅(qū)動(dòng)該膨脹部。氣體膨脹后經(jīng)管道291傳到再生蒸汽發(fā)生器284、冷凝器288和液體/氣體分離器278。來(lái)自分離器278的水和來(lái)自分離器242的水合在一起流入泵286，然后經(jīng)控制閥289和管道282流到蒸汽發(fā)生器284。蒸汽然后送到管道230。
如圖5所示，在蒸汽發(fā)生器284中把水轉(zhuǎn)換成蒸汽的至少一部分能量來(lái)自于汽輪發(fā)電機(jī)的廢氣，這與現(xiàn)有系統(tǒng)不同，該部分能量不是從系統(tǒng)排出，而是經(jīng)管道291傳給蒸汽發(fā)生器284。如需要更多能量，從冷凝器238回收的能量可與由管道291輸送到發(fā)生器284的熱量合并。因此本發(fā)明系統(tǒng)使用在現(xiàn)有系統(tǒng)中排出的這部分熱量和能量。因此本發(fā)明的效率提高，能耗降低，燃料節(jié)省。
蒸汽發(fā)生器284生成的蒸汽經(jīng)管道230傳給空氣管道228，在空氣管道中與空氣混合后傳給燃燒爐210和燃料電池250。一蒸汽支管232把蒸汽從蒸汽發(fā)生器284傳給本發(fā)明提純模件214。
本發(fā)明系統(tǒng)較之現(xiàn)有系統(tǒng)有若干突出優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)差別是起動(dòng)時(shí)間。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，在所生成的氫氣增加到能滿足燃料電池的負(fù)荷要求前的起動(dòng)時(shí)間至少為2分鐘。事實(shí)上，能量使用的典型分布極不穩(wěn)定，對(duì)電力的需求在高點(diǎn)與低點(diǎn)之間來(lái)回變動(dòng)。圖4(b)示出現(xiàn)有系統(tǒng)中的典型能量分布曲線。該系統(tǒng)隨著負(fù)荷增加或減小在運(yùn)行時(shí)發(fā)生浪涌，結(jié)果需生產(chǎn)更多氫氣。該系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能對(duì)付這種浪涌和需求的巨大變動(dòng)。本發(fā)明系統(tǒng)當(dāng)然裝有一氫氣存儲(chǔ)罐254。因此，由于燃料電池可從存儲(chǔ)罐中隨用隨取氫氣，因此起動(dòng)時(shí)間大大縮短。該氫氣存儲(chǔ)罐可把燃料電池在低負(fù)荷時(shí)所生成的氫氣存儲(chǔ)起來(lái)。相反，在發(fā)生浪涌時(shí)，燃料電池所需的大量氫氣不取自燃料處理器，而取自氫氣存儲(chǔ)罐。
由于本發(fā)明系統(tǒng)在供電高峰時(shí)可使用氫氣存儲(chǔ)，因此本發(fā)明的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是燃料處理器可設(shè)計(jì)成在高峰時(shí)輸出少量氫氣。由于氫氣含量為30-40％的現(xiàn)有系統(tǒng)不能存儲(chǔ)氫氣，因此燃料處理器必須能輸出與高峰供電對(duì)應(yīng)的氫氣。事實(shí)上，在一般系統(tǒng)中，即使平均負(fù)荷只有15kw，但供電峰值可達(dá)50kw或50kw以上。能存儲(chǔ)氫氣的凈結(jié)果是，該系統(tǒng)在高峰供電時(shí)不靠燃料處理器生產(chǎn)大量氫氣，而用所存儲(chǔ)的氫氣補(bǔ)償少量生產(chǎn)的氫氣。因此本發(fā)明系統(tǒng)的燃料處理器可穩(wěn)定、連貫地輸出氫氣，不管是否需要?dú)錃?。不立時(shí)需要的氫氣可存儲(chǔ)在氫氣存儲(chǔ)罐中，在出現(xiàn)高峰而對(duì)氫氣需求超過(guò)燃料處理器的輸出能力時(shí)使用。因此，燃料處理器和/或重整爐可根據(jù)基本負(fù)荷確定其合適大小?？墒褂妙~定功率為15kw而不是50kw的裝置，從而不僅可降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，而且可用預(yù)定數(shù)量的燃料更高效地生產(chǎn)氫氣。該欠氧化燃燒爐和重整爐的實(shí)際尺寸可減小，從而節(jié)省空間。因此，由于可存儲(chǔ)不使用的多余氫氣，燃燒爐和燃料電池可始終以最大效率運(yùn)行。由于能存儲(chǔ)氫氣，燃料處理器可生產(chǎn)數(shù)量穩(wěn)定的氫氣，使得燃料電池和/或重整爐的體積比現(xiàn)有系統(tǒng)減少30％或以上。
從上述說(shuō)明中還顯然可見(jiàn)，本發(fā)明系統(tǒng)比現(xiàn)有系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)越之處在于，它所生產(chǎn)的氫氣的濃度高得多。在圖4(a)所示現(xiàn)有系統(tǒng)中，產(chǎn)物管道126中的氫氣/混合氣體中的氫氣濃度為30-40％。與此比較，圖5所示從燃燒爐210流出到氫氣管道244中的氫氣濃度接近100％。很難有效存儲(chǔ)氫氣濃度低到30-40％的氫氣/混合氣體。由于流出燃燒爐的混合物中的氫氣接近純凈，因此本發(fā)明系統(tǒng)不存在存儲(chǔ)問(wèn)題。高純度氫氣還使燃料電池250的效率提高，從而燃料電池的體積減小、成本降低。
本發(fā)明系統(tǒng)還能在更高溫度下運(yùn)行汽輪發(fā)電機(jī)，從而提高其運(yùn)行效率。在圖4中，現(xiàn)有系統(tǒng)所使用的燃料處理器110為了除去一氧化碳之類(lèi)成分在該燃燒裝置中必須包括若干轉(zhuǎn)換處理器。這些轉(zhuǎn)換反應(yīng)器造成熱含量大大減小，特別是該燃料處理器中從高溫轉(zhuǎn)換區(qū)到低溫轉(zhuǎn)換區(qū)。本發(fā)明系統(tǒng)分離氫氣與廢氣。提純模件214中的高熱廢氣直接送到催化燃燒器262生產(chǎn)熱量。
在本發(fā)明中，該系統(tǒng)在這里不僅把溫度高達(dá)1200-1800°F的氣體供應(yīng)給膨脹器和發(fā)電機(jī)，而且不排出剩余熱量和能量，而是循環(huán)到熱量回收蒸汽發(fā)生器，把該系統(tǒng)中的水轉(zhuǎn)換成蒸汽后進(jìn)一步用于氫氣生產(chǎn)過(guò)程。因此，汽輪發(fā)電機(jī)的性能提高，該系統(tǒng)單位燃料的輸出能量增加。
本發(fā)明系統(tǒng)還使燃料處理系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)簡(jiǎn)化。在現(xiàn)有燃料處理系統(tǒng)中，為了除去流入燃料電池的產(chǎn)物氣體中的污染物，需要使用轉(zhuǎn)換反應(yīng)器170和172、一氧化碳過(guò)濾器176和硫吸收床174。提純模件214的混合氣體側(cè)可設(shè)計(jì)成具有轉(zhuǎn)換催化功能，因此無(wú)需使用轉(zhuǎn)換反應(yīng)器170和172。由于用提純模件214分離氫氣，因此該功能增強(qiáng)。由于重整爐產(chǎn)物氣體不直接流過(guò)燃料電池模件250，因此還無(wú)需硫吸收床174和一氧化碳過(guò)濾器176。由于無(wú)需使用這些部件，因此系統(tǒng)的體積減小，成本降低。
如結(jié)合圖1-3詳述，在分離模件中進(jìn)行提純的蒸汽可回收混合氣流中85％以上的氫氣，在高壓下把氫氣供應(yīng)給燃料電池，并由于該模件中膜片兩邊上的壓力差，因此由針孔或密封不嚴(yán)造成的副作用減小，這些密封變得無(wú)關(guān)緊要。
由于在系統(tǒng)所生產(chǎn)的氫氣數(shù)量比系統(tǒng)所需氫氣數(shù)量多時(shí)可把氫氣存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐中，因此系統(tǒng)可迅速加速，起動(dòng)時(shí)間大大縮短，因?yàn)槭褂盟鎯?chǔ)的氫氣比把燃料電池加速到峰值和增加氫氣輸出所化時(shí)間短得多。本發(fā)明無(wú)需現(xiàn)有系統(tǒng)中為處理燃料生產(chǎn)過(guò)程中所生成的污染成分所需的轉(zhuǎn)換催化床和/或除硫床。由于這些污染物的數(shù)量不多，因此該系統(tǒng)中可保持更高溫度，從而效率提高。
本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的典型起動(dòng)周期涉及旋轉(zhuǎn)汽輪發(fā)電機(jī)的蓄電池，以開(kāi)始向燃料電池供應(yīng)空氣流和從存儲(chǔ)罐254釋放氫氣。該起動(dòng)所需時(shí)間極短。空氣流向欠氧化燃燒爐和催化燃燒器262為熱過(guò)程，因此一般需要更長(zhǎng)、更逐漸的起動(dòng)周期。燃料流向欠氧化燃燒爐后，燃燒爐中的火花塞通電對(duì)燃燒室212中的混合物點(diǎn)火。燃燒爐210運(yùn)行在高容量和高理想配比(SR)下。
對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的加熱加上氫氣從存儲(chǔ)罐254輸送到燃料電池250，車(chē)輛迅速起動(dòng)，或在其他應(yīng)用場(chǎng)合迅速輸出電力。隨著系統(tǒng)升溫，所生成的蒸汽經(jīng)管道233向提純模件輸送提純氣體，系統(tǒng)達(dá)到運(yùn)行溫度，從而從混合氣流中提取氫氣。提純模件214從混合氣流213中提取氫氣和開(kāi)始向燃料電池250提供氫氣。當(dāng)燃料電池負(fù)荷下降時(shí)，一部分氫氣開(kāi)始添加到存儲(chǔ)罐254中。氫氣向存儲(chǔ)罐轉(zhuǎn)向的氫氣存儲(chǔ)周期按需要重新裝載氫氣存儲(chǔ)罐。
該過(guò)程氣體提純模件和燃料電池系統(tǒng)有效和高效利用碳?xì)淙剂现械臍錃狻１景l(fā)明欠氧化燃燒爐加上氣體提純模件設(shè)計(jì)成從碳?xì)淙剂现刑崛∽罴褦?shù)量的氫氣。為此控制提純模件中膜片兩邊上的氫氣(或從混合氣流中提取的其他氣體)的局部壓力以及操縱在膜片兩邊上流動(dòng)的各氣流的整個(gè)壓力和局部壓力。此外，本發(fā)明更進(jìn)一步，不僅從碳?xì)淙剂现刑崛∽罴褮錃鉂舛?，而且最佳使用該過(guò)程所生成的氫氣。用更高壓力和更高溫度把氫氣更有效地傳送給燃料電池發(fā)電。此外，由于燃料電池負(fù)荷不僅依靠燃料處理器所生產(chǎn)的氫氣，還依靠在低負(fù)荷時(shí)用存儲(chǔ)罐存儲(chǔ)的氫氣，因此燃料處理器的體積減小，運(yùn)行更穩(wěn)定。
本發(fā)明不受上述細(xì)節(jié)的限制，在本發(fā)明范圍內(nèi)可使用其他實(shí)施例。關(guān)鍵是在產(chǎn)物氣體側(cè)使用流動(dòng)方向與混合氣流相反的提純氣體。
權(quán)利要求
1.一種從一混合流中分離一產(chǎn)物的模件，該模件包括(a)一混合流室，該混合流室有進(jìn)口裝置和出口裝置，界定混合流的第一流路；(b)一提純/產(chǎn)物流室，該室有進(jìn)口裝置和出口裝置，界定提純/產(chǎn)物流的第二流路，第二流路的方向與第一流路相反；(c)一位于混合流室與提純/產(chǎn)物流室之間的膜片，該膜片對(duì)該產(chǎn)物具有選擇滲透性。
2.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，該提純/產(chǎn)物流室與一提純氣體氣源連接。
3.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，該提純/產(chǎn)物流室與一提供提純/氣體流的供應(yīng)源連接。
4.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，提純/產(chǎn)物流的進(jìn)口裝置與一可冷凝氣體的氣源連接，該可冷凝氣體可為高壓水蒸氣、酒精蒸汽、碳氟化合物蒸汽、含氯氟烴化合物蒸汽和任何其他致冷型化合物。
5.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，該混合氣體室的進(jìn)口裝置與一欠氧化重整爐連接，從該混合流中分離的產(chǎn)物為氫氣。
6.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，提純/產(chǎn)物流室的出口裝置與其下游的一提純氣體冷凝器連接，從而從提純/產(chǎn)物流中分離該產(chǎn)物。
7.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，該膜片為可滲透氫氣的鈀型膜片。
8.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，該膜片包括露出在混合流室中的第一表面和露出在提純/產(chǎn)物流室中的第二表面以及膜片的第一與第二表面之間、對(duì)該產(chǎn)物具有選擇滲透性的格柵結(jié)構(gòu)。
9.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，進(jìn)一步包括膜片露出在混合流室中的表面上的第一電極和膜片露出在提純/產(chǎn)物流室中的表面上的第二電極以及第一與第二電極之間的電子流連接裝置。
10.按權(quán)利要求9所述的模件，其特征在于，該膜片為負(fù)離子傳導(dǎo)膜片。
11.按權(quán)利要求9所述的模件，其特征在于，該負(fù)離子傳導(dǎo)膜片為氧離子傳導(dǎo)膜片。
12.按權(quán)利要求11所述的模件，其特征在于，該氧離子傳導(dǎo)膜片為鋯。
13.按權(quán)利要求9所述的模件，其特征在于，該連接裝置為一外部電路，使得自由電子在該模件外部從第一電極經(jīng)該外部電路傳導(dǎo)到第二電極。
14.按權(quán)利要求9所述的模件，其特征在于，該膜片為一氧離子傳導(dǎo)膜片，該氧離子傳導(dǎo)膜片包括一混合離子和電子傳導(dǎo)材料，無(wú)需外部電路。
15.按權(quán)利要求9所述的模件，其特征在于，該膜片為一氧傳導(dǎo)膜片，由混合離子和電子傳導(dǎo)材料制成，該連接裝置與一自由電子流的外部電路電連接。
16.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，該混合流室進(jìn)一步包括一促進(jìn)額外反應(yīng)的催化劑。
17.按權(quán)利要求16所述的模件，其特征在于，該催化劑促進(jìn)一氧化碳轉(zhuǎn)換反應(yīng)。
18.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，進(jìn)一步包括一下游冷凝器。
19.按權(quán)利要求1所述的模件，其特征在于，進(jìn)一步包括冷凝提純/產(chǎn)物流中的水蒸氣的水分離器和把冷凝水傳給提純/產(chǎn)物流室的進(jìn)口裝置的裝置，該冷凝水在輸入提純/產(chǎn)物流室前用一蒸汽發(fā)生器和過(guò)熱器加熱。
20.一種從一混合流中分離一產(chǎn)物的混合流處理方法，該方法包括(a)把具有第一流路的混合流引入一模件的一混合流室中，該混合流室有進(jìn)口和出口裝置，(b)把具有第二流路的一提純流引入該模件的一提純/產(chǎn)物流室中，該提純/產(chǎn)物流室有進(jìn)口和出口裝置，且使第二流路的方向與第一流路相反；(c)在該混合流室與提純/產(chǎn)物流室之間設(shè)置一分離膜片，該分離膜片對(duì)該產(chǎn)物具有選擇滲透性，從而混合流中的該產(chǎn)物經(jīng)該膜片流入提純流中，從而形成一提純/產(chǎn)物流，(d)提純/產(chǎn)物流從提純/產(chǎn)物流室的出口裝置流出，(e)產(chǎn)物分離后的混合流從混合流室的出口裝置流出。
21.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，通過(guò)在膜片的產(chǎn)物側(cè)中提供一提純氣體使得產(chǎn)物在混合流室中分離膜片上一點(diǎn)處的局部壓力大于產(chǎn)物在分離膜片另一邊上該點(diǎn)處的局部壓力，從而形成使產(chǎn)物滲透該分離膜片的驅(qū)動(dòng)力。
22.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，混合流室中的混合流的壓力小于提純/產(chǎn)物流室中的提純流和提純/產(chǎn)物流的壓力。
23.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，使產(chǎn)物滲過(guò)分離膜片的驅(qū)動(dòng)力包括分離膜片兩邊上的電化反應(yīng)。
24.按權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，使產(chǎn)物滲過(guò)分離膜片的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)一步包括分離膜片兩邊上的電化反應(yīng)。
25.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，該提純流為水蒸氣或蒸汽。
26.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，該分離膜片工作在高溫下。
27.按權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，該高溫大于400°F。
28.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，該提純流為一非反應(yīng)蒸汽，它在工作溫度下蒸汽壓力較高并且冷凝溫度較高，以便從產(chǎn)物中分離出來(lái)。
29.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，該提純氣體為酒精、碳氟化合物或任何致冷型化合物。
30.按權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，該產(chǎn)物為下述一種氣體氫、氧、氮、氬、二氧化碳、氨和甲烷。
31.一種燃料電池系統(tǒng)，包括(a)一混合、燃燒一燃料和空氣的混合物生成富氫燃料流的燃燒爐模件；(b)使用由該燃燒爐模件生成的氫燃料產(chǎn)生電力/能量的氫燃料電池；(c)該燃燒爐模件與該燃料電池之間一從燃燒爐模件中提取用于燃料電池的氫氣的氫提純模件，它使用一提純氣體提高提純模件的性能。
32.按權(quán)利要求31所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括(a)存儲(chǔ)由燃燒爐模件生成的、但燃料電池不立即使用的氫燃料的氫存儲(chǔ)裝置；(b)當(dāng)燃料電池的氫氣需求量大于燃燒爐模件的氫氣生產(chǎn)量時(shí)把所存儲(chǔ)的氫燃料從存儲(chǔ)裝置供給燃料電池的裝置。
33.按權(quán)利要求31所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該燃燒爐模件包括一在高溫下生成一富氫燃料流混合物的欠氧化燃燒爐。
34.按權(quán)利要求31所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括燃燒爐與燃料電池之間、從氫燃料與水蒸氣的混合物中提取水蒸氣的冷凝裝置，氫燃料按需要傳送給燃料電池和/或存儲(chǔ)罐。
35.按權(quán)利要求31所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一燃燒燃燒爐所生成的廢氣的燃燒器，該燃燒器產(chǎn)生的額外熱量和能量用來(lái)驅(qū)動(dòng)一發(fā)電機(jī)。
36.按權(quán)利要求35所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該燃燒器為催化燃燒器。
37.按權(quán)利要求35所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一熱回收蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器受該燃燒器所生成的額外熱量和能量和冷凝器回收的熱量的驅(qū)動(dòng)。
38.按權(quán)利要求31所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一向該燃燒爐提供高壓空氣的汽輪發(fā)電機(jī)。
39.一種向一燃料電池提供氫氣的方法，該方法包括(a)在一燃燒爐模件中混合、燃燒一燃料和空氣的混合物生成富氫燃料流；(b)提供一氫燃料電池，使用該燃燒爐模件所生成的氫燃料產(chǎn)生電力/能量；(c)在該燃燒爐模件與該燃料電池之間提供一氫提純模件從燃燒爐模件的富氫流中提取氫燃料傳給該燃料電池；(d)把燃燒爐模件所生成、燃料電池不立即使用的氫燃料存儲(chǔ)在一氫存儲(chǔ)裝置中；以及(e)當(dāng)燃料電池的氫氣需求量大于燃燒爐模件的氫氣生產(chǎn)量時(shí)把所存儲(chǔ)的氫燃料從存儲(chǔ)裝置供給燃料電池。
40.按權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括下列步驟用水蒸氣在整個(gè)提純模件中進(jìn)行提純，促進(jìn)氫燃料從富氫流中的分離，以便向燃料電池和存儲(chǔ)裝置提供大致為100％的氫燃料。
41.按權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，在高壓下向燃料電池提供氫氣。
42.按權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，燃燒爐所生成的廢氣在一催化燃燒器中點(diǎn)火生成額外熱量和能量，該熱量和能量驅(qū)動(dòng)一發(fā)電機(jī)。
43.按權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，該額外熱量和能量還傳給一熱回收蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器把水加熱成水蒸氣用于該燃燒爐和提純模件。
44.按權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，被加熱成水蒸氣的水包括從由增強(qiáng)提純模件的提純氣體生成的氫燃料水蒸氣混合物中分離出來(lái)的水。
45.一種從一富氫流中提取氫氣的方法，包括(a)使一富氫流在一氧傳導(dǎo)陶瓷膜片的一邊上流過(guò)；(b)使水蒸氣在該氧傳導(dǎo)陶瓷膜片的另一邊上流過(guò)；(c)在該膜片中促進(jìn)該富氫流中的氫氣與氧離子的反應(yīng)而生成水蒸氣；以及(d)促進(jìn)水蒸氣在該膜片另一邊上的反應(yīng)而生成氫氣和氧離子。
46.按權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括(a)該膜片的混合氣體一邊上的氫氣和氧離子的電化反應(yīng)；以及(b)該膜片另一邊上水蒸氣的電化反應(yīng)生成氫氣和氧離子。
全文摘要
一種從一混合流中分離一產(chǎn)物的模件(圖5中214),該模件包括:一混合流室,其有進(jìn)口和出口裝置并界定混合流的第一流路;一提純/產(chǎn)物流室,其有進(jìn)口和出口裝置并界定提純/產(chǎn)物流的第二流路,第二流路方向與第一流路相反;一位于混合流室與提純/產(chǎn)物流室之間的膜片,該膜片對(duì)該產(chǎn)物可選擇性滲透。還公開(kāi)一種燃料電池系統(tǒng),包括:一混合、燃燒一燃料和空氣的混合物生成富氫燃料流的燃燒爐模件(210);使用由該燃燒爐模件生成的氫燃料產(chǎn)生電力/能量的氫燃料電池(250);該燃燒爐模件與該燃料電池之間一從燃燒爐模件中提取用于燃料電池的氫氣的氫提純模件(214),它使用一提純氣體提高提純模件的性能;存儲(chǔ)由燃燒爐模件生成的、但燃料電池不立即使用的氫燃料的氫存儲(chǔ)裝置(254);以及當(dāng)燃料電池的氫氣需求量大于燃燒爐模件的氫氣生產(chǎn)量時(shí)把所存儲(chǔ)的氫燃料從存儲(chǔ)裝置供給燃料電池的裝置。
文檔編號(hào)C01B13/02GK1298319SQ99805253
公開(kāi)日2001年6月6日 申請(qǐng)日期1999年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月12日
發(fā)明者理查德·R·伍茲 申請(qǐng)人:氫燃燒器技術(shù)公司