制氫裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】制氫裝置
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求題為“制氫裝置”的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/600096的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]制氫裝置是將一種或多種原料反轉(zhuǎn)為包含氫氣作為主要組分的產(chǎn)品流的裝置。所述原料可包含含碳原料，并且在某些實(shí)施方式中還可包含水。原料可從原料遞送系統(tǒng)遞送至制氫裝置的產(chǎn)氫區(qū)，通常原料在壓力和升高溫度下遞送。產(chǎn)氫區(qū)通常與諸如加熱裝置或冷卻裝置的溫度調(diào)節(jié)裝置相連，所述溫度調(diào)節(jié)裝置消耗一個(gè)或多個(gè)燃料流將產(chǎn)氫區(qū)保持在合適溫度范圍以有效生產(chǎn)氫氣。制氫裝置可經(jīng)由任何合適機(jī)制制氫，諸如蒸汽重整、自熱重整、熱解和/或催化部分氧化。
[0004]然而，所制得或生產(chǎn)的氫氣可能具有雜質(zhì)。該氣體可稱為含有氫氣和其它氣體的混合氣流。在使用所述混合氣流之前，其必需被純化以便諸如去除至少一部分其它氣體。因此，制氫裝置必需包含提高混合氣流的氫純度的氫純化設(shè)備。氫純化設(shè)備可包含至少一個(gè)氫-選擇性膜以將混合氣流分離為產(chǎn)品流和副產(chǎn)品流。產(chǎn)品流含有來(lái)自混合氣流的較高濃度的氫氣和/或較低濃度的一種或多種其它氣體。使用一個(gè)或多個(gè)氫-選擇性膜的氫純化是壓力驅(qū)動(dòng)的分離方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)氫-選擇性膜被包含在壓力容器中?；旌蠚饬鹘佑|膜的混合氣體表面，并且由滲透通過(guò)膜的混合氣流的至少一部分形成產(chǎn)品流。壓力容器通常被密封以防止氣體通過(guò)所限定的入口和出口或者輸入導(dǎo)管和輸出導(dǎo)管進(jìn)入或離開(kāi)該壓力容器。
[0005]產(chǎn)品流可用于多種用途。一種這樣的用途是能源生產(chǎn)，諸如在電化學(xué)燃料電池。電化學(xué)燃料電池是將燃料和氧化劑反轉(zhuǎn)為電、反應(yīng)產(chǎn)品和熱的設(shè)備。例如，燃料電池可將氫和氧反轉(zhuǎn)為水和電。在那些燃料電池中，氫是燃料，氧是氧化劑，水是反應(yīng)產(chǎn)品。燃料電池堆包括多個(gè)燃料電池，并且可與制氫裝置一起使用以提供能源生產(chǎn)裝置。
[0006]制氫裝置、氫處理裝置和/或那些裝置的部件的實(shí)例在美國(guó)專利5，861，137、6，319，306、6，494，937、6，562，111,7, 063，047、7，306，868、7，470，293、7，601，302、7, 632, 322 ；美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào) 2006/0090397、2006/0272212、2007/0266631、2007/0274904、2008/0085434、2008/0138678、2008/0230039、2010/0064887 ;和美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/178,098中描述。上述專利和專利申請(qǐng)公開(kāi)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用在此并入本文用于所有目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]一些實(shí)施方式可提供制氫裝置。在一些實(shí)施方式中，制氫裝置可包括構(gòu)造為接收進(jìn)料流并從該進(jìn)料流制備產(chǎn)品氫流的燃料加工裝置。制氫裝置還可包括構(gòu)造為將進(jìn)料流輸送至燃料加工裝置的進(jìn)料裝置。進(jìn)料裝置可包括構(gòu)造為容納該進(jìn)料流的原料的進(jìn)料槽和流體連通進(jìn)料槽與燃料加工裝置的進(jìn)料導(dǎo)管。進(jìn)料裝置還可包括構(gòu)造為將進(jìn)料流以多個(gè)流速經(jīng)進(jìn)料導(dǎo)管輸送至燃料加工裝置的泵。制氫裝置還可包括控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可包括構(gòu)造為檢測(cè)泵下游處進(jìn)料導(dǎo)管中的壓力的進(jìn)料傳感器。控制系統(tǒng)還可包括構(gòu)造為根據(jù)進(jìn)料導(dǎo)管中的檢測(cè)壓力從所述多個(gè)流速選擇流速并在該選定流速下操作該泵的泵擴(kuò)展器。
[0008]在一些實(shí)施方式中，制氫裝置可包括構(gòu)造為接收進(jìn)料流并從該進(jìn)料流制備產(chǎn)品氫流的燃料加工裝置。制氫裝置還可包括構(gòu)造為收納至少一個(gè)加壓氣體容器的加壓氣體裝置，所述加壓氣體構(gòu)造為清洗燃料加工裝置。制氫裝置還可包括構(gòu)造為流體連通加壓氣體裝置與燃料加工裝置的清洗導(dǎo)管。制氫裝置還可包括清洗閥裝置，其構(gòu)造為當(dāng)燃料加工裝置的電源被中斷時(shí)使至少一個(gè)加壓氣體自加壓氣體裝置流動(dòng)通過(guò)清洗導(dǎo)管。
[0009]在一些實(shí)施方式中，制氫裝置可包括構(gòu)造為接收進(jìn)料流并且在多種模式中可操作的燃料加工裝置，所述多種模式包括燃料加工裝置自進(jìn)料流制備產(chǎn)品氫流的運(yùn)行模式以及燃料加工裝置不從進(jìn)料流制備產(chǎn)品氫流的待機(jī)模式。制氫裝置還可包括構(gòu)造為容納產(chǎn)品氫流的緩沖槽以及流體連通燃料加工裝置與緩沖槽的產(chǎn)品導(dǎo)管。制氫裝置還可包括構(gòu)造為檢測(cè)緩沖槽中的壓力的槽傳感器和構(gòu)造為至少部分根據(jù)緩沖槽中的壓力在運(yùn)行模式與待機(jī)模式之間操作燃料加工裝置的控制裝置。
[0010]一些實(shí)施方式可提供蒸汽重整制氫裝置，其構(gòu)造為接收至少一個(gè)進(jìn)料流并生成包含作為主要組分的氫氣和其它氣體的重整產(chǎn)品流。在一些實(shí)施方式中，蒸汽重整制氫裝置可包括具有排氣口的外殼(enclosure)以及被包含在該外殼內(nèi)并構(gòu)造為經(jīng)蒸汽重整反應(yīng)從至少一個(gè)進(jìn)料流制備重整產(chǎn)品流的產(chǎn)氫區(qū)。蒸汽重整制氫裝置還可包括構(gòu)造為檢測(cè)產(chǎn)氫區(qū)中的溫度的重整器傳感器裝置。蒸汽制氫裝置還可包含加熱裝置，其構(gòu)造為接收至少一個(gè)空氣流和至少一個(gè)燃料流并在外殼內(nèi)包含的燃燒區(qū)內(nèi)燃燒該至少一個(gè)燃料流以產(chǎn)生用于至少將產(chǎn)氫區(qū)加熱到至少最低產(chǎn)氫溫度的加熱排出流。蒸汽重整制氫裝置還可包括可移動(dòng)連接至排氣口并構(gòu)造為在多個(gè)位置之間移動(dòng)的擋板(damper)，所述多個(gè)位置包括擋板允許經(jīng)加熱排氣流流動(dòng)通過(guò)排氣口的完全開(kāi)放位置、擋板阻止經(jīng)加熱排氣流流動(dòng)通過(guò)排氣口的閉合位置以及位于完全開(kāi)放位置與閉合位置之間的多個(gè)中間開(kāi)放位置。蒸汽重整制氫裝置還可包括擋板控制器，其構(gòu)造為至少部分根據(jù)產(chǎn)氫區(qū)中的檢測(cè)溫度在完全開(kāi)放位置與閉合位置之間移動(dòng)擋板。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是制氫裝置的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
[0012]圖2是制氫裝置的另一個(gè)實(shí)例的示意圖。
[0013]圖3是制氫裝置的另一個(gè)實(shí)例的部分示意圖。
[0014]圖4是控制裝置的實(shí)例的示意圖。
[0015]圖5為展示圖4的控制裝置收到檢測(cè)信號(hào)并調(diào)節(jié)該檢測(cè)信號(hào)以產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)的實(shí)例的圖表。
[0016]圖6是制氫裝置的又一實(shí)例的部分示意圖。
[0017]圖7是制氫裝置的清洗裝置的實(shí)例。
[0018]圖8是制氫裝置的清洗裝置的另一實(shí)例。
[0019]圖9是制氫裝置的另一個(gè)實(shí)例的部分示意圖。
[0020]圖10?12是圖9的制氫裝置的展示擋板實(shí)例和擋板位置實(shí)例的部分示意圖。
[0021]圖13是制氫裝置的又一實(shí)例的部分示意圖。
[0022]圖14是制氫裝置的另一實(shí)例的部分示意圖。
[0023]圖15是圖14的制氫裝置展示流動(dòng)位置中的三路閥的部分示意圖。
[0024]圖16是圖14的制氫裝置展示排氣位置中圖15的三路閥的部分示意圖。
[0025]圖17是制氫裝置的又一實(shí)例的部分示意圖。
[0026]圖18是圖17的制氫裝置展示開(kāi)放位置的第一閥和閉合位置的第二閥的部分示意圖。
[0027]圖19是圖17的制氫裝置展示閉合位置的圖18的第一閥和開(kāi)放位置的圖18的第二閥的部分示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]圖1顯示了制氫裝置20的一個(gè)實(shí)例。除非明確排除，該制氫裝置可包括在本公開(kāi)中描述的其它制氫裝置的一個(gè)或多個(gè)組件。制氫裝置可包括構(gòu)造為生成產(chǎn)品氫流21的任何合適結(jié)構(gòu)。例如，制氫裝置可包括原料遞送系統(tǒng)22和燃料加工裝置24。原料遞送系統(tǒng)可包括構(gòu)造為將至少一個(gè)進(jìn)料流26選擇性地遞送到燃料加工裝置的任何合適結(jié)構(gòu)。
[0029]在一些實(shí)施方式中，原料遞送系統(tǒng)22還可包含構(gòu)造為將至少一個(gè)燃料流28選擇性地遞送到燃料加工裝置24的燃燒器或其它加熱裝置的任何合適結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，進(jìn)料流26和燃料流28可以是被遞送到燃料加工裝置的不同部分的相同流。原料遞送系統(tǒng)可包括任何合適的遞送機(jī)構(gòu)，諸如用于推進(jìn)流體流的容積式或其它合適的泵或機(jī)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，原料遞送系統(tǒng)可構(gòu)造為遞送進(jìn)料流26和/或燃料流28而無(wú)需使用泵和/或其它電動(dòng)流體-遞送機(jī)構(gòu)?？膳c制氫裝置20 —起使用的合適原料遞送系統(tǒng)的實(shí)例包括在以下中描述的原料遞送系統(tǒng):美國(guó)專利7，470, 293和7，601, 302，以及美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2006/0090397。上述專利和專利申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文用于所有目的。
[0030]進(jìn)料流26可包括至少一個(gè)制氫流體30，其可包括一種或多種可被用作生產(chǎn)氫流21的反應(yīng)物的流體。例如，制氫流體可包括含碳原料，諸如至少一種烴和/或醇。合適的烴的實(shí)例包括甲烷、丙烷、天然氣、柴油、煤油、汽油等。合適的醇的實(shí)例包括甲醇、乙醇、多元醇(諸如乙二醇和丙二醇)等。另外，制氫流體30可包括水，諸如當(dāng)燃料加工裝置經(jīng)由蒸汽重整和/或自熱重整生成產(chǎn)品氫流時(shí)。當(dāng)燃料加工裝置24經(jīng)由熱解或催化部分氧化生成產(chǎn)品氫流時(shí)，進(jìn)料流26不含水。
[0031]在一些實(shí)施方式中，原料遞送系統(tǒng)22可構(gòu)造為遞送制氫流體30，所述制氫流體30包含水和能與水混溶的含碳原料(諸如甲醇和/或另一種水溶性醇)的混合物。在這樣的流體流中水與流體流之比可根據(jù)一種或多種因素而變，諸如所用的具體含碳原料、用戶喜好、燃料加工裝置的設(shè)計(jì)、生成產(chǎn)品氫流的燃料加工裝置所用的機(jī)制等。例如，水與碳的摩爾比可為約1:1到3:1。另外，水與甲醇的化合物可以1:1或接近1:1的摩爾比(37體積％的水，63體積％的甲醇)遞送，而烴或其它醇的混合物可以大于1:1的水比碳摩爾比遞送。
[0032]當(dāng)燃料加工裝置24經(jīng)由重整生成氫流21時(shí)，進(jìn)料流26可包含，例如，約25?75體積％的甲醇或乙醇(或者另一種合適的能與水混溶的含碳原料)和約25?75體積％的水。對(duì)于至少包含甲醇和水的進(jìn)料流來(lái)說(shuō)，那些物流可包括約50?75體積％的甲醇和約25?50體積％的水。包含乙醇或其它能與水混溶的醇的物流可含有約25?60體積％的醇和約40?75體積％的水。用于利用蒸汽重整或自熱重整的制氫裝置20的進(jìn)料流的實(shí)例含有69體積％的甲醇和31體積％的水。
[0033]盡管原料遞送系統(tǒng)22顯示構(gòu)造為遞送單個(gè)進(jìn)料流26，該原料遞送系統(tǒng)可構(gòu)造為遞送兩個(gè)或更多個(gè)進(jìn)料流26。那些物流可包含相同或不同的原料，并且可具有不同組成、具有至少一種共同組分、不具有共同組分或者具有相同組成。例如，第一進(jìn)料流可包括諸如含碳原料的第一組分，且第二進(jìn)料流可包括諸如水的第二組分。另外，盡管在一些實(shí)施方式中原料遞送系統(tǒng)22可構(gòu)造為遞送單個(gè)燃料流28，該原料遞送系統(tǒng)可構(gòu)造為遞送兩個(gè)或更多個(gè)燃料流。燃料流可具有不同組成、具有至少一種共同組分、不具有共同組分或者具有相同組成。而且，進(jìn)料流和燃料流可以不同的相從原料遞送系統(tǒng)排出。例如，物流之一可為液體流，而另一個(gè)為氣流。在一些實(shí)施方式中，兩個(gè)物流均可為液體流，而在其它實(shí)施方式中兩個(gè)物流可均為氣流。另外，盡管制氫裝置20顯示為包含單個(gè)原料遞送系統(tǒng)22，該制氫裝置可包括兩個(gè)或更多個(gè)原料遞送系統(tǒng)22。
[0034]燃料加工裝置24可包括產(chǎn)氫區(qū)32，其構(gòu)造為經(jīng)由任何合適的產(chǎn)氫機(jī)制生產(chǎn)包含氫氣的輸出流34。輸出流可包括作為至少主要組分的氫氣，并且可包括其它氣態(tài)組分。因此，輸出流34可稱為“混合氣流”，其包含氫氣作為其主要組分，但其包含其它氣體。
[0035]產(chǎn)氫區(qū)32可包括任何合適的含催化劑床或區(qū)。當(dāng)產(chǎn)氫機(jī)制為蒸汽重整時(shí)，產(chǎn)氫區(qū)可包括合適的蒸汽重整催化劑36以促進(jìn)從包含含碳原料和水的進(jìn)料流26產(chǎn)生輸出流34。在這樣的實(shí)施方式中，燃料加工裝置24可稱為“蒸汽重整器”，產(chǎn)氫區(qū)32可稱為“重整區(qū)”，且輸出流34可稱為“重整產(chǎn)品流”?？纱嬖谟谥卣a(chǎn)品流中的其它氣體可包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、蒸汽和/或未反應(yīng)的含碳原料。
[0036]當(dāng)產(chǎn)氫機(jī)制為自熱重整時(shí)，產(chǎn)氫區(qū)32可包括合適的自熱重整催化劑以促進(jìn)在空氣存在下從包含水和含碳原料的進(jìn)料流26產(chǎn)生輸出流34。另外，燃料加工裝置24可包括空氣遞送裝置38，其構(gòu)造為將空氣流遞送至產(chǎn)氫區(qū)。
[0037]在一些實(shí)施方式中，燃料加工裝置24可包括純化(或分離)區(qū)40，其可包括如下的任何合適結(jié)構(gòu):其構(gòu)造為從輸出(或混合氣)流34產(chǎn)生至少一個(gè)富氫流42。富氫流42可包括與輸出流34相比較高的氫濃度和/或與輸出流中存在者相比較低濃度的一種或多種其它氣體(或雜質(zhì))。產(chǎn)品氫流21包括至少一部分富氫流42。因此，產(chǎn)品氫流21和富氫流42可以是相同物流并具有相同組成和流速?；蛘呖蛇x地，富氫流42中的一些純化氫氣可被存儲(chǔ)以備后用(諸如在合適的氫存儲(chǔ)裝置中)和/或被燃料加工裝置消耗。純化區(qū)40還被稱為“氫純化設(shè)備”或“氫加工裝置”。
[0038]在一些實(shí)施方式中，純化區(qū)40可產(chǎn)生至少一個(gè)副產(chǎn)品流44，其可不含氫氣或包含一些氫氣。副產(chǎn)品流可被排出，送至燃燒器裝置和/或其它燃燒源，用作加熱流體流，存儲(chǔ)以備后用，和/或以另外方式利用、存儲(chǔ)和/或棄置。另外，純化區(qū)40可相應(yīng)于輸出流34的遞送而將副產(chǎn)品流作為連續(xù)流排出，或者可間歇地排出該流，例如以分批方式或者當(dāng)輸出流的副產(chǎn)品部分被至少臨時(shí)性保留在純化區(qū)中時(shí)。
[0039]燃料加工裝置24可包括一個(gè)或多個(gè)純化區(qū)，其構(gòu)造為產(chǎn)生包含足夠量氫氣的一個(gè)或多個(gè)副產(chǎn)品流，所述副產(chǎn)品流中的氫氣量足以適合用作燃料加工裝置的加熱裝置的燃料流(或原料流)。在一些實(shí)施方式中，副產(chǎn)品流可具有足夠的燃料值或氫含量以便使加熱裝置能將產(chǎn)氫區(qū)維持在理想操作溫度或所選的溫度范圍內(nèi)。例如，副產(chǎn)品流可包括氫氫，諸如10-3(^丨％的氫氣，15-25￥丨％的氫氣，20-30wt%的氫氣，至少10或15wt%的氫氣，至少20wt%的氫氣，等等。
[0040]純化區(qū)40可包括如下的任何合適結(jié)構(gòu):其構(gòu)造為降低輸出流21的至少一個(gè)組分的濃度。在大部分應(yīng)用中，富氫流42將具有大于輸出流(或混合氣流)34的氫濃度。富氫流還可具有與輸出流34中存在者相比濃度較低的一種或多種非-氫組分，且富氫流的氫濃度大于、等于或小于輸出流。例如，在常規(guī)的燃料電池體系中，一氧化碳如果以甚至幾個(gè)ppm存在則可能損壞燃料電池堆，而可能存在于輸出流34中的其它非-氫組分諸如水即使以更高濃度存在也不會(huì)損壞電池堆。因此，在這樣的應(yīng)用中，純化區(qū)可能不會(huì)提高總體氫濃度，但會(huì)降低對(duì)產(chǎn)品氫流的理想應(yīng)用有害或潛在有害的一種或多種非氫組分的濃度。
[0041]用于純化區(qū)40的合適設(shè)備的實(shí)例包括一個(gè)或多個(gè)氫-選擇性膜46、化學(xué)一氧化碳去除裝置48和/或變壓吸附(PSA)系統(tǒng)50。純化區(qū)40可包括多于一種類型的純化設(shè)備，且所述設(shè)備可具有相同或不同的結(jié)構(gòu)和/或可通過(guò)相同或不同機(jī)制操作。燃料加工裝置24可包括在純化區(qū)下游的至少一個(gè)限制孔(restrictive orifice)和/或其它流量限制器(flow restrictor)，諸如與一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品氫流、富氫流和/或副產(chǎn)品流相關(guān)者。
[0042]氫-選擇性膜46對(duì)于氫氣來(lái)說(shuō)是可滲透通過(guò)的，但對(duì)于輸出流34的其它組分來(lái)說(shuō)至少是基本(如果不是完全)不可滲透的。膜46可由適合用于純化區(qū)40所工作的操作環(huán)境和參數(shù)的任何合適的氫可滲透的材料形成。用于膜46的合適材料的實(shí)例包括鈀和鈀合金，尤其是這種金屬和金屬合金的薄膜。鈀合金已被證實(shí)是特別有效的，尤其是含有35被％到45被％銅的鈀。含有約40wt%銅的鈀-銅合金已被證實(shí)是特別有效的，盡管可使用其它相關(guān)濃度和組分。另一種尤其有效的合金是含有2被％到10wt%金的鈀，尤其是含有5被％金的鈀。當(dāng)使用鈀和鈀合金時(shí)，氫-選擇性膜46有時(shí)可稱為“金屬箔”。
[0043]化學(xué)一氧化碳去除裝置48是如下的設(shè)備:其與輸出流34的一氧化碳和/或其它不理想組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以形成不會(huì)潛在有害的其它組合物?；瘜W(xué)一氧化碳去除裝置的實(shí)例包括構(gòu)造為從水和一氧化碳產(chǎn)生氫氣和二氧化碳的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，構(gòu)造為將一氧化碳和氧氣(通常為空氣)反轉(zhuǎn)為二氧化碳的部分氧化反應(yīng)器