專利名稱：包括燃料電池和旋轉(zhuǎn)壓力回轉(zhuǎn)吸附單元的電流發(fā)生系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電流的燃料電池。特別地，本發(fā)明涉及基于燃料電池的電發(fā)生系統(tǒng)，它采用壓力回轉(zhuǎn)吸附，用于增強(qiáng)燃料電池的效率。
背景技術(shù)：
燃料電池提供有益環(huán)境的電流源。用于產(chǎn)生電能的燃料電池的一種形式包括用于接收氫氣的陽極，用于接收氧氣的陰極，和堿性電解質(zhì)。燃料電池的另一種形式包括用于接收氫氣流的陽極槽，用于接收氧氣流的陰極槽，和分隔陽極槽和陰極槽的聚合物電解質(zhì)膜(PEM)。在兩種情況下，進(jìn)入陰極的氧氣與穿過電解質(zhì)的氫離子反應(yīng)以產(chǎn)生電子的流動。環(huán)境安全的水汽也產(chǎn)生為副產(chǎn)物。然而，幾種因素限制了燃料電池作為能量發(fā)生系統(tǒng)的廣泛使用。
為從燃料電池提取電能的連續(xù)來源，必須向燃料電池提供氧氣和氫氣的連續(xù)來源。然而，采用大氣空氣作為向陰極槽的氧的直接來源，PEM燃料電池的性能被氧的低分壓和氮?dú)獾臐舛葮O化嚴(yán)重?fù)p害，而堿性燃料電池要求預(yù)處理精制系統(tǒng)以從原料空氣中除去二氧化碳。此外，由于采用大氣空氣原料的陰極槽中平均氧濃度典型地僅為約15％，燃料電池的尺寸必須不期望地大以提供工業(yè)應(yīng)用的足夠動力。
為達(dá)到足以實(shí)現(xiàn)從PEM燃料電池系統(tǒng)的競爭性電流密度的通過陰極槽的氧分壓，特別是對于車輛推進(jìn)，必須在將空氣原料引入到陰極槽之前，壓縮空氣原料到至少3個大氣壓。如理解的那樣，足以壓縮空氣原料的必需的動力輸入降低了燃料電池系統(tǒng)的整體效率。已經(jīng)建議使用聚合物膜以富集氧氣，但這樣的膜實(shí)際上降低了氧分壓，并且總壓力的降低大于可達(dá)到的有限富集。
氫氣(作為壓縮氣體或低溫液體)的外部生產(chǎn)，精制，分配和貯存要求昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，而氫燃料在車輛上的貯存具有相當(dāng)大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)障礙。因此，對于靜止的動力產(chǎn)生，優(yōu)選從天然氣通過蒸汽重整或部分氧化隨后通過水氣體轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生氫氣。對于使用液體燃料的燃料電池，優(yōu)選從甲醇通過蒸汽重整或從氣油通過自熱重整的部分氧化，隨后再次通過水氣體轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生氫氣。然而，獲得的氫氣包含一氧化碳和二氧化碳雜質(zhì)，這些雜質(zhì)不能在更多的痕量水平中分別被PEM燃料電池催化的電極和堿性燃料電池電解質(zhì)所容忍。
在采用自熱或部分氧化燃料處理器的現(xiàn)有技術(shù)PEM燃料電池中，環(huán)境空氣用作氧化劑。這導(dǎo)致必須將氮?dú)饧訜岷腿缓笸ㄟ^燃料處理器系統(tǒng)冷卻的較大負(fù)荷。氮?dú)獾膶?shí)際體積致使通過燃料處理器和陽極槽的壓力損失，或者致使成本增加以及使通道更大。
盡管從燃料電池排氣的水回收對于有效燃料電池處理器操作是非常需要的，常規(guī)的燃料電池將它的氧耗盡的陰極排氣排放到大氣中，因此要求另外的冷凝器以回收水，然后必須在顯著的能量成本下在燃料處理器中蒸發(fā)這些水。此冷凝器增加了散射器冷卻負(fù)荷，考慮到必須拋棄的大量低品位熱量，它對于汽車燃料電池動力裝置已經(jīng)成為問題。
從向PEM燃料電池的氫氣原料中除去殘余一氧化碳的常規(guī)方法是催化選擇性氧化，當(dāng)一氧化碳和氫氣一部分兩者由低溫氧化消耗時，它損害效率，沒有燃燒熱的任何回收。鈀擴(kuò)散膜可用于氫氣精制，但具有在低壓下輸送精制氫氣，和使用稀有和昂貴材料的缺點(diǎn)。
壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)(PSA)具有能夠提供氧氣和氫氣連續(xù)來源，而沒有顯著污染物水平的有吸引力特征。PSA系統(tǒng)和真空壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)(真空PSA)通過在吸附劑床上協(xié)調(diào)壓力循環(huán)和流動反轉(zhuǎn)而從氣體混合物分離氣體餾分，吸附劑床相對于混合物較不容易吸附的氣體組分，優(yōu)選吸附更容易吸附的氣體組分。吸附劑床中氣體混合物的總壓力當(dāng)氣體混合物從第一端向其第二端流過吸附劑床時增加，而當(dāng)氣體混合物從第二端反向第一端流過吸附劑層時降低。當(dāng)重復(fù)PSA循環(huán)時，較不容易吸附的組分鄰近吸附劑床的第二端濃縮，而容易吸附的組分鄰近吸附劑床的第一端濃縮。結(jié)果是，從床的第二端輸送“輕”產(chǎn)物(在更容易吸附組分中減少而在較不容易吸附組分中富集的氣體餾分)，從床的第一端排出“重”產(chǎn)物(富集在更容易吸附組分中的氣體餾分)。
然而，用于實(shí)施壓力回轉(zhuǎn)吸附或真空壓力回轉(zhuǎn)吸附的常規(guī)系統(tǒng)使用并聯(lián)的兩個或多個靜止吸附劑床，在每個吸附劑床的每一端的導(dǎo)向閥以交替的順序?qū)⒋策B接到壓力源和轉(zhuǎn)換器。由于要求的用閥調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，對于實(shí)施此系統(tǒng)通常是困難和昂貴的。
此外，由于原料氣體加壓由壓縮機(jī)提供，它的輸送壓力是循環(huán)的最高壓力，因此常規(guī)PSA系統(tǒng)對施加能量的使用不充分。在PSA中，然后以通過閥門的節(jié)流，通過吸附器和高壓供應(yīng)之間的瞬時壓差，消散在壓縮加壓用原料氣體中使用的能量。相似地，在真空PSA中，其中通過在該壓力下排出氣體的真空泵建立循環(huán)的低壓，以通過閥門的節(jié)流在壓力降低的吸附器的逆流排料期間消散能量。在兩個系統(tǒng)中的進(jìn)一步能量消耗發(fā)生在用于凈化，平衡，并流排料和產(chǎn)物加壓或回填步驟的輕回流氣體的節(jié)流中。這些能量轉(zhuǎn)換器降低了燃料電池系統(tǒng)的總體效率。
另外，常規(guī)PSA系統(tǒng)一般僅可在相對低循環(huán)頻率下操作，必須使用較大的吸附劑庫存。這樣PSA系統(tǒng)的較大尺寸和重量使得它們不適于車輛燃料電池應(yīng)用。因此，用于氧濃縮的常規(guī)PSA單元會要求約400L的吸附劑床體積，和約100L用于壓力附件和PSA循環(huán)控制閥的額外安裝體積，以輸送包含約200L/min氧氣的產(chǎn)品流，它對于40kW燃料電池是足夠的。
因此，需要有效的基于燃料電池的電發(fā)生系統(tǒng)，它可產(chǎn)生用于工業(yè)應(yīng)用的足夠動力和它適于車輛應(yīng)用。也需要緊湊，輕質(zhì)的氫氣和氧氣PSA系統(tǒng)，該P(yáng)SA系統(tǒng)在更高的循環(huán)頻率下操作并適于車輛基于燃料電池的應(yīng)用。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供解決現(xiàn)有技術(shù)燃料電池電發(fā)生系統(tǒng)缺陷的基于燃料電池的電發(fā)生系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的電流發(fā)生系統(tǒng)，包括燃料電池，和氧氣輸送系統(tǒng)。燃料電池包括含有用于接收氫氣供應(yīng)的陽極氣體入口的陽極槽，具有陰極氣體入口和陰極氣體出口的陰極槽，和與陽極槽和陰極槽連通用于進(jìn)行陽極槽和陰極槽之間離子交換的電解質(zhì)。氧氣輸送系統(tǒng)連接到陰極氣體入口上和向陰極槽輸送氧氣。
電流發(fā)生系統(tǒng)也包括氣體再循環(huán)機(jī)構(gòu)，氣體再循環(huán)機(jī)構(gòu)連接到陰極氣體出口上用于將來自陰極氣體出口的一部分陰極排氣(相對于環(huán)境空氣它仍然富含氧氣，并帶有燃料電池排出水和燃料電池廢熱)再循環(huán)到陰極氣體入口。
在一些實(shí)施方案中，將至少一部分陰極排氣返回到自熱或部分氧化燃料處理器(或重整器)的入口用于將烴燃料與氧氣和蒸汽反應(yīng)以產(chǎn)生原氫氣或合成氣。
在第一實(shí)施方案的優(yōu)選實(shí)施中，氧氣輸送系統(tǒng)包括用于從空氣提取富集氧氣的氧氣分離系統(tǒng)。優(yōu)選，氧氣分離系統(tǒng)包括氧氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)，氧氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)組件，該組件含有定子和相對于定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子包括許多用于接收其中吸附劑材料的流動通道，吸附劑材料優(yōu)選用于相對于第二氣體組分，響應(yīng)于流動通道中的增加壓力而吸附第一氣體組分。壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)也包括連接到旋轉(zhuǎn)組件上的壓縮機(jī)械，用于促進(jìn)氣體流動通過流動通道以分離第一氣體組分與第二氣體組分。定子包括第一定子閥表面，第二定子閥表面，和打開進(jìn)入定子閥表面的多個功能隔間。功能隔間包括氣體原料隔間，輕回流出口隔間和輕回流返回隔間。
在一個變型中，壓縮機(jī)械包括用于向氣體原料隔間輸送加壓空氣的壓縮機(jī)，和在輕回流出口隔間和輕回流返回隔間之間連接的輕回流膨脹器。氣體再循環(huán)機(jī)構(gòu)包括連接到輕回流膨脹器上，用于在壓力下向陰極氣體入口提供從陰極氣體出口排放的氧氣的壓縮機(jī)。結(jié)果是，可以應(yīng)用從壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)回收的能量以提高輸送到陰極氣體入口的氧氣的壓力。
在另一個變型中，在輕回流出口隔間和輕回流返回隔間之間布置用于壓力減低的限制器孔口，來替代輕回流膨脹器。氣體再循環(huán)機(jī)構(gòu)包括連接到陰極氣體出口上用于向陰極氣體入口提供氧氣的壓縮機(jī)，和位于陰極氣體出口和加壓隔間之間用于將一部分氧氣作為原料氣體再循環(huán)到壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)的限制性孔口。結(jié)果是，從陰極氣體出口回收的能量可用于幫助對通過PSA系統(tǒng)的陰極氣體入口加壓。
根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的電流發(fā)生系統(tǒng)，包括燃料電池，氧氣輸送系統(tǒng)，和氫氣輸送系統(tǒng)。燃料電池包括含有陽極氣體入口和陽極氣體出口的陽極槽，含有陰極氣體入口和陰極氣體出口的陰極槽，和與陽極槽和陰極槽連通用于進(jìn)行陽極槽和陰極槽之間離子交換的電解質(zhì)。
氧氣輸送系統(tǒng)連接到陰極氣體入口并輸送氧氣到陰極槽。氫氣輸送系統(tǒng)包括用于接收來自陽極氣體出口的第一氫氣原料的氫氣入口，和連接到陽極氣體入口上用于將從第一氫氣原料接收的氫氣輸送到具有增加純度的陽極槽的氫氣出口。
在第二實(shí)施方案的優(yōu)選實(shí)施中，氧氣分離系統(tǒng)包括氧氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)，氫氣分離系統(tǒng)包括用于從烴燃料產(chǎn)生第二氫氣原料的反應(yīng)器，和連接到反應(yīng)器上用于精制從第一和第二氫氣原料接收的氫氣的氫氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)。兩個壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)組件，旋轉(zhuǎn)組件含有定子和相對于定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子包括許多用于接收其中吸附劑材料的流動通道，吸附劑材料優(yōu)選用于相對于第二氣體組分，響應(yīng)于流動通道中的增加壓力而吸附第一氣體組分。功能隔間包括氣體原料隔間和重產(chǎn)物隔間。
在一個變型中，氧氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)包括連接到氣體原料隔間上用于輸送加壓空氣到氣體原料隔間的壓縮機(jī)，和連接到壓縮機(jī)上用于從重產(chǎn)物隔間提取氮?dú)猱a(chǎn)物氣體的真空泵。反應(yīng)器包括具有用于產(chǎn)生合成氣的燃燒器的蒸汽重整器，和連接到蒸汽重整器上用于將合成氣轉(zhuǎn)化成第二氫氣原料的水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器。氫氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)包括用于從重產(chǎn)物隔間輸送燃料氣體到燃燒器的真空泵。在燃燒器中燃燒燃料氣體，且從其中產(chǎn)生的熱量用于提供必須用于蒸汽重整器反應(yīng)的反應(yīng)吸熱。將獲得的合成氣輸送到水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器用于雜質(zhì)的脫除，然后作為第二氫氣原料輸送到氫氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)。
在另一個變型中，本發(fā)明包括用于燃燒燃料的燃燒器。反應(yīng)器包括用于產(chǎn)生合成氣的自熱重整器，和連接到自熱重整器上用于將合成氣轉(zhuǎn)化成第二氫氣原料的水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器。氧氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)的壓縮機(jī)輸送加壓空氣到燃燒器，并將重產(chǎn)物氣體作為尾氣從氫氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)輸出到燃燒器中被燃燒。氧氣壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)的壓縮機(jī)器也包括連接到壓縮機(jī)上用于從燃燒器釋放的燃燒熱氣體驅(qū)動壓縮機(jī)的膨脹器。來自燃燒器的熱量也可用于預(yù)熱提供到自熱重整器的空氣和/或燃料。
附圖簡述現(xiàn)在通過實(shí)施例，參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其中

圖1是適用于本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)PSA組件的橫截面圖，顯示定子和位于定子中的轉(zhuǎn)子。
圖2是圖1組件的橫截面圖，為清楚起見刪除定子。
圖3是圖1所示定子的橫截面圖，為清楚起見刪除轉(zhuǎn)子。
圖4是圖1組件的軸向截面。
圖5顯示可采用圖1-4所示PSA系統(tǒng)達(dá)到的典型PSA循環(huán)。
圖6顯示可采用圖1-4所示PSA系統(tǒng)達(dá)到的，采用重回流的PSA循環(huán)的一個變型。
圖7顯示適用于本發(fā)明，用于從空氣分離氧氣的壓力回轉(zhuǎn)吸附裝置，和展示圖1所示的旋轉(zhuǎn)組件和連接到旋轉(zhuǎn)組件上的壓縮機(jī)器。
圖8顯示適用于本發(fā)明，用于精制氫氣的壓力回轉(zhuǎn)吸附裝置，并展示圖1所示的旋轉(zhuǎn)組件和連接到旋轉(zhuǎn)組件上的壓縮機(jī)器。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的電流發(fā)生系統(tǒng)，包括用于向燃料電池陰極槽提供富集氧的氧分離PSA，來自輕回流膨脹的能量回收用于提高在燃料電池陰極回路中循環(huán)的氧氣壓力。
圖10顯示圖9所示電流發(fā)生系統(tǒng)的第一變型，但采用包括逆流排料膨脹器的PSA系統(tǒng)，該膨脹器驅(qū)動用于真空PSA操作的自由轉(zhuǎn)子排氣真空泵。
圖11顯示圖9所示電流發(fā)生系統(tǒng)的第二變型，從燃料電池陰極排放的一部分富集氧氣體用于PSA系統(tǒng)的加壓步驟。
圖12顯示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的電流發(fā)生系統(tǒng)，包括用于向燃料電池陰極槽提供富集氧的氧分離PSA系統(tǒng)，和用于向燃料電池陽極槽提供富集氫的氫分離PSA系統(tǒng)，氫分離PSA系統(tǒng)接收來自蒸汽重整器的原料氣體。
圖13顯示根據(jù)圖12所示電流發(fā)生系統(tǒng)變型的電流發(fā)生系統(tǒng)，但氫分離PSA系統(tǒng)接收來自熱重整器的原料氣體。
圖14顯示采用二氧化碳脫除和用于堿性燃料電池的氧富集的電流發(fā)生系統(tǒng)，它采用氧氣積累器。
圖15顯示含有旋轉(zhuǎn)吸附器和靜止分布器閥的旋轉(zhuǎn)PSA組件的軸向截面。
圖16顯示圖15組件的橫向截面。
圖17顯示圖15組件的橫向截面。
圖18顯示圖15組件的橫向截面。
圖19顯示圖15組件的橫向截面。
圖20顯示圖15組件的橫向截面。
圖21顯示圖15組件的橫向截面。
圖22顯示含有靜止吸附器和旋轉(zhuǎn)分布器閥的旋轉(zhuǎn)PSA組件的軸向截面。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述為有助于理解本發(fā)明，參考圖1-6首先描述適用于本發(fā)明的壓力回轉(zhuǎn)吸附工藝和相關(guān)裝置。其后，分別參考圖7和8描述氧分離壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)和氫分離壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)。然后采用圖9開始描述本發(fā)明的兩個實(shí)施方案以及它們的變型。
圖1，2，3和4適于作為本發(fā)明一部分的旋轉(zhuǎn)組件10示于圖1，2，3和4中。組件包括位于定子14中在由箭頭13所示方向上繞軸線12旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子11。然而，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于含有旋轉(zhuǎn)組件的PSA系統(tǒng)?？梢栽诓槐畴x本發(fā)明的范圍下采用其它布置。例如，如需要，本發(fā)明可以采用并聯(lián)的多個靜止吸附劑床，在每個吸附劑床的每一端的導(dǎo)向閥以交替的順序?qū)⒋策B接到壓力源和轉(zhuǎn)換器。然而，如顯然的那樣，由于旋轉(zhuǎn)組件10提供非常需要的效率和緊湊性特性，優(yōu)選是旋轉(zhuǎn)組件10。
旋轉(zhuǎn)PSA組件包括含有旋轉(zhuǎn)吸附器組件以提供旋轉(zhuǎn)閥功能的組件，和含有與旋轉(zhuǎn)閥配合、優(yōu)選與吸附器組件共軸的固定吸附器組件的那些組件。在特定的實(shí)施方案中，旋轉(zhuǎn)PSA組件是圓筒形軸向流動吸附器組件，原料和產(chǎn)物旋轉(zhuǎn)閥在吸附器組件的相對端面對。吸附器組件可旋轉(zhuǎn)或保持靜止，較后的情況包括在殼體和旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子之間的流體傳送。
一般情況下，可以配置旋轉(zhuǎn)組件10用于在徑向，軸向或相對于轉(zhuǎn)子軸線傾斜的圓錐形方向上通過吸附器元件的流動。對于在高循環(huán)頻率下的操作，徑向流動的優(yōu)點(diǎn)在于向心加速度會與流動通道平行，用于浮力驅(qū)動的自由對流的最有利穩(wěn)定。徑向流動配置對于大組件容量是優(yōu)選的。
軸向流動配置對于更小組件容量是優(yōu)選的，至少對于小于約300kW的額定功率來說，有利地允許引入PSA系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)的提高的緊湊性。在汽車燃料電池裝置中緊湊性是使得可以使用PSA系統(tǒng)的重要考慮。如圖2所示，轉(zhuǎn)子11為環(huán)形部分，含有與軸12同心的外圓柱形壁20，它的外表面是第一閥表面21，和內(nèi)圓柱形壁22，它的內(nèi)表面是第二閥表面23。轉(zhuǎn)子含有(在由圖4中箭頭15和16確定的平面部分中)總共“N”個徑向流動吸附器元件24。相鄰的一對吸附器元件25和26由結(jié)構(gòu)上和密封地連接到外壁20和內(nèi)壁22上的分隔物27分隔。相鄰吸附器元件25和26以360°/N的角度相對于軸線12角向布置。由于吸附器元件和閥表面因此整合成單一單元，且吸附器元件鄰近閥表面布置而具有最小的固定體積，旋轉(zhuǎn)組件10比常規(guī)PSA系統(tǒng)更為緊湊和有效。
吸附器元件24含有由支撐網(wǎng)31確定的第一端30和由支撐網(wǎng)33確定的第二端32。吸附器可提供為粒狀吸附器，它的填充空隙率確定接觸吸附器第一和第二端之間吸附劑的流動通道。然而，如在在先未決U.S.專利申請No.08/995,906中所述那樣，其中的描述在此引入作為參考，優(yōu)選吸附器元件提供為在吸附器第一和第二端之間延伸的層壓薄片的陣列，片含有吸附劑如支撐在增強(qiáng)基體上的沸石，且具有由片之間隔片形成的流動槽。層壓片吸附器，其片厚度大約為150微米并使用X型沸石，與常規(guī)粒狀吸附器相比具有極大降低的傳質(zhì)和耐壓降性，使得已經(jīng)采用在1秒數(shù)量級和低到0.4秒的PSA循環(huán)周期來達(dá)到令人滿意的氧富集操作。因此，與約1分鐘的常規(guī)PSA循環(huán)周期相比，吸附劑庫存極大地降低，組件的尺寸比同等容量的常規(guī)PSA設(shè)備小兩個數(shù)量級。結(jié)果是，可以使用異常緊湊的PSA組件，使得本發(fā)明特別適于車輛燃料電池動力裝置。
第一小孔或孔口34提供從第一閥表面21通過壁20到吸附器24第一端30的流動連通。第二小孔或孔口35提供從第二閥表面23通過壁22到吸附器24第二端31的流動連通。支撐網(wǎng)31和33分別提供在吸附器元件24第一小孔34和第一端30之間，以及在第二小孔35和第二端32之間的流動連通。
如圖3所示，定子14是包括在環(huán)形轉(zhuǎn)子11以外的外圓柱形殼或第一閥定子40，和在環(huán)形轉(zhuǎn)子11以內(nèi)的內(nèi)圓柱形殼或第二閥定子41的壓力外殼。外殼40帶有密封地與第一閥表面21配合的軸向延伸條密封件(如42和43)，而內(nèi)殼41帶有密封地與第二閥表面23配合的軸向延伸條密封件(如44和45)。優(yōu)選，條密封件的方位角密封寬度大于通過第一和第二閥表面的第一和第二小孔34和35的直徑或方位角寬度。
外殼中的一組第一隔間每個在角形部分向第一閥表面打開，且每個提供在它的第一閥表面角形部分和組件外部的歧管之間提供流動通道。隔間的角形部分更寬于吸附器元件的角形分隔部分。第一隔間在第一密封表面上由條密封件(如42)分隔。在圖3中順時針方向前進(jìn)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向上，第一原料加壓隔間46通過導(dǎo)管47連通到第一原料加壓歧管48，它保持在第一中間原料壓力下。相似地，第二原料加壓隔間50連通到第二原料加壓歧管51，它保持在第二中間原料壓力下，第二中間原料壓力高于第一中間原料壓力但小于更高的工作壓力。
為了更大的通用性，顯示的組件10提供兩種原料混合物的順序供給，相對于第二原料氣體第一原料氣體具有更容易吸附組分的更低濃度。第一原料隔間52連通到第一原料歧管53，它保持在基本更高的工作壓力下。同樣，第二原料隔間54連通到第二原料歧管55，它保持在基本更高的工作壓力下。第一逆流排料隔間56連通到第一逆流排料歧管57，它保持在第一逆流排料中間壓力下。第二逆流排料隔間58連通到第二逆流排料歧管59，它保持在大于更低工作壓力的第二逆流排料中間壓力下。重產(chǎn)物隔間60連通到重產(chǎn)物排出歧管61，它保持在基本更低的工作壓力下。注意到隔間58由條密封件42和43限制，相似地所有隔間由條密封件限制和相互分離。
在內(nèi)殼中的一組第二隔間每個在角形部分向第二閥表面打開，且每個提供在它的第二閥表面角形部分和組件外部的歧管之間提供流動通道。第二隔間在第二密封表面上由條密封件(如43)分隔。在圖3中順時針方向前進(jìn)，再次在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向上，輕產(chǎn)物隔間70連通到輕產(chǎn)物歧管71，且接收在基本更高工作壓力下的的高產(chǎn)物氣體，摩擦壓力通過吸附器和第一及第二孔口下降較小。根據(jù)相對于隔間52和54的隔間70的角向延伸，輕產(chǎn)物僅可從同時接收來自隔間52的第一原料氣體的吸附器，或從接收第一和第二原料氣體的吸附器獲得。
第一輕回流出口隔間72連通到第一輕回流出口歧管73，它保持在第一輕回流出口壓力下，在此基本更高的工作壓力下摩擦壓降較小。第一共流排料隔間74(它實(shí)際上是第二輕回流出口隔間)，連通到第二輕回流出口歧管75，它保持在小于更高工作壓力的第一共流排料壓力下。第二共流排料隔間或第三輕回流出口隔間76連通到第三輕回流出口歧管77，它保持在小于第一共流排料壓力的第二共流排料壓力下。第三共流排料隔間或第四輕回流出口隔間78連通到第四輕回流出口歧管79，它保持在小于第二共流排料壓力的第三共流排料壓力下。
凈化隔間80連通到第四輕回流返回隔間81，該隔間提供第四輕回流氣體，該回流氣體已經(jīng)從第三共流排料壓力膨脹到基本更低的工作壓力，并允許摩擦壓力下降。將輕回流加壓步驟的排序與輕回流出口或共流排料步驟的排序相反，以保持輕回流氣體群的所需“最后出-第一入”層化。因此第一輕回流加壓隔間82連通到第三輕回流返回歧管83，它提供第三輕回流氣體，該回流氣體已經(jīng)從第二共流排料壓力膨脹到大于更低工作壓力的第一輕回流加壓壓力。第二輕回流加壓隔間84連通到第二輕回流返回歧管85，它提供第二輕回流氣體，該回流氣體已經(jīng)從第一共流排料壓力膨脹到大于第一輕回流加壓壓力的第二輕回流加壓壓力。最后，第三輕回流加壓隔間86連通到第一輕回流返回歧管87，它提供第一輕回流氣體，該回流氣體已經(jīng)從大致更高的壓力膨脹到第三輕回流加壓壓力，第三輕回流加壓壓力大于第二輕回流加壓壓力，且在此實(shí)施例中小于第一原料加壓壓力。
另外的詳細(xì)情況如圖4所示。導(dǎo)管88將第一隔間60連接到歧管61，多重導(dǎo)管在隔間60中提供良好的軸向流動分布。相似地，導(dǎo)管89將第二隔間80連接到歧管81。定子14含有基部90，基部含有軸承91和92。將電機(jī)95連接到軸94上以驅(qū)動轉(zhuǎn)子11。轉(zhuǎn)子或者可作為環(huán)形卷筒轉(zhuǎn)動，由輥?zhàn)釉趲讉€角向位置沿它的邊緣支撐，也可在它的邊緣處驅(qū)動從而不需要軸。邊緣驅(qū)動可由連接到轉(zhuǎn)子上的環(huán)齒輪，或由其定子配合邊緣弧形的線性電磁電機(jī)提供。特別是對于氫分離應(yīng)用，轉(zhuǎn)子驅(qū)動可密封地封閉在定子外殼中以消除有關(guān)密封泄漏的危險。外圓周密封件96密封外條密封件42的端部和第一閥表面21的邊緣，而內(nèi)圓周密封件97密封內(nèi)條密封件44的端部和第二閥表面23的邊緣。轉(zhuǎn)子11含有在外壁20和內(nèi)壁22之間的通路塞98，它提供吸附器24中吸附劑安裝和去除的通路。
圖5和6
圖5顯示典型的PSA循環(huán)，它由使用上述氣體分離系統(tǒng)獲得，而圖6顯示采用一部分第一產(chǎn)物氣體的重回流再壓縮以向工藝提供第二原料氣體的相似PSA循環(huán)。
在圖5和6中，垂直軸線150指示吸附器中的工作壓力及第一和第二隔間的壓力。忽略由于吸附器元件中流動產(chǎn)生的壓力降。更高和更低的工作壓力分別由虛線151和152指示。更低的工作壓力可以是公稱或大約的環(huán)境大氣壓，或可以是由真空泵送建立的低于大氣壓壓力。更高的工作壓力基于絕對壓力的比例，可以典型地為更低工作壓力的兩倍到四倍。
圖5和6的水平軸線155指示時間，PSA循環(huán)周期由點(diǎn)156和157之間的時間間隔確定。在時間156和157處，特定吸附器中的工作壓力是壓力158。從時間156開始，當(dāng)吸附器的第一小孔34對第一原料加壓隔間46打開時，隔間46由第一原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)160在第一中間原料壓力161下供給，特定吸附器(如24)的循環(huán)開始。該吸附器中的壓力從時間157時的壓力158升高到第一中間原料壓力161。向前進(jìn)行，第一小孔通過密封條，首先關(guān)閉吸附器24對隔間46的打開，然后將它對第二加壓隔間50打開，隔間50由第二原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)162在第二中間原料壓力163下供給。吸附器壓力升高到第二中間原料壓力。
吸附器24的第一小孔34然后對第一原料隔間52打開，隔間52由第三原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)165保持在基本更高的壓力下。一旦吸附器壓力已經(jīng)升高到基本更高的工作壓力，它的第二小孔35(它從時間156已經(jīng)對所有的第二隔間關(guān)閉)對輕產(chǎn)物隔間70打開并輸送輕產(chǎn)物166。
在圖6的循環(huán)中，吸附器24的第一小孔34然后對第二原料隔間54打開，它由第四原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)167保持在基本更高的壓力下。一般情況下，第四原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)提供第二原料氣體，典型地比由第一，第二和第三原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)提供的第一原料氣體更富含更容易吸附的組分。在圖6的具體循環(huán)中，第四原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)167是“重回流”壓縮機(jī)，將一部分重產(chǎn)物再壓縮回裝置。在圖5所示的循環(huán)中，沒有第四原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)，且可以將隔間54去掉或與通過更寬角向弧延伸到定子上的隔間52聯(lián)合。
當(dāng)仍然從隔間52或54向吸附器24的第一端提供原料氣體時，將吸附器24的第二端對輕產(chǎn)物隔間70關(guān)閉且和對第一回流出口隔間72打開，同時輸送“輕回流”氣體(富含更不容易吸附的組分，相似于第二產(chǎn)物氣體)到第一輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)(或膨脹器)170。然后將吸附器24的第一小孔34對所有第一隔間關(guān)閉，同時將第二小孔35對如下隔間順序打開(a)第二輕回流出口隔間74，降低吸附器壓力到第一共流排料壓力171，同時輸送輕回流氣體到第二輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)172，(b)第三輕回流出口隔間76，降低吸附器壓力到第二共流排料壓力173，同時輸送輕回流氣體到第三輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)174，和(c)第四輕回流出口隔間78，降低吸附器壓力到第三共流排料壓力175，同時輸送輕回流氣體到第四輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)176。然后將第二小孔35關(guān)閉一段時間，直到在逆流排料步驟之后的輕回流返回步驟。
輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)可以是機(jī)械膨脹器或用于膨脹能量回收的膨脹級，或可以是用于不可逆壓力減低的限制器孔口或節(jié)流閥。
當(dāng)在最終的輕回流出口步驟之后關(guān)閉第二小孔時(如圖5和6所示)，或較早的當(dāng)輕回流出口步驟仍然進(jìn)行時，將第一小孔34對第一逆流排料隔間56打開，降低吸附器壓力到第一逆流排料中間壓力180，同時釋放“重”氣體(富含更強(qiáng)烈吸附的組分)到第一排出機(jī)構(gòu)181。然后，將第一小孔34對第二逆流排料隔間58打開，降低吸附器壓力到第一逆流排料中間壓力182同時釋放重氣體到第二排出機(jī)構(gòu)183。最終達(dá)到更低的工作壓力，將第一小孔34對重產(chǎn)物隔間60打開，降低吸附器壓力到更低的壓力152同時釋放重氣體到第三排出機(jī)構(gòu)184。一旦吸附器壓力已經(jīng)基本達(dá)到更低的壓力同時將第一小孔34對隔間60打開，第二小孔35打開以凈化隔間80，隔間80接收來自第四輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)176的第四輕回流氣體以將更多的重氣體轉(zhuǎn)移入第一產(chǎn)物隔間60。
在圖5中，將來自第一，第二和第三排出機(jī)構(gòu)的重氣體作為重產(chǎn)物185輸送。在圖6中，將此氣體部分釋放為重產(chǎn)物185，同時將余量作為“重回流”187再導(dǎo)向到作為第四原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)167的重回流壓縮機(jī)。就在輕回流使得能夠獲得較不容易吸附(“輕”)組分在輕產(chǎn)物中的高純度時，重回流使得能夠獲得更容易吸附(“重”)組分在重產(chǎn)物中的高純度，因此可以達(dá)到較不容易吸附(“輕”)產(chǎn)物的高回收率。
然后在第一和第二小孔對隔間60和80關(guān)閉之后由輕回流氣體再加壓吸附器。連續(xù)地，當(dāng)?shù)谝恍】?4至少初始地保持關(guān)閉時，(a)第二小孔35對第一輕回流加壓隔間82打開以升高吸附器壓力到第一輕回流加壓壓力190，同時從第三回流壓力減低機(jī)構(gòu)174接收第三輕回流氣體，(b)第二小孔35對第二輕回流加壓隔間84打開以升高吸附器壓力到第二輕回流加壓壓力191，同時從第二輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)172接收第二輕回流氣體，和(c)第二小孔35對第三輕回流加壓隔間86打開以升高吸附器壓力到第三輕回流加壓壓力192，同時從第一輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)170接收第一輕回流氣體。除非原料加壓已經(jīng)開始同時用于輕回流加壓的輕回流返回仍然進(jìn)行，第三輕回流加壓步驟一旦已經(jīng)結(jié)束，工藝就在時間157之后(如基于圖5和6)開始循環(huán)的原料加壓。
如果在第一和第二閥門中沒有節(jié)流，每個吸附器中的壓力變化波形會為矩形階梯。需要這樣的節(jié)流以使壓力和流動瞬變過程平順。為提供平衡的性能，優(yōu)選所有的吸附器元件和小孔彼此接近相同。
在每個加壓或排料步驟中的壓力變化速率會由第一和第二閥機(jī)構(gòu)中口(或在間隙或曲徑密封縫隙中)的節(jié)流限制，或由在吸附器第一和第二端的小孔中的節(jié)流限制，導(dǎo)致如圖5和6所示的典型壓力波形?；蛘?，小孔可以由密封條緩慢地打開，以在小孔和密封條之間提供流動限制節(jié)流，它可使錐形間隙槽變窄使得小孔僅逐漸地打開至完全流動。過快的壓力變化速率會使吸附器承受機(jī)械應(yīng)力，同時也引起傾向于增加吸附器中濃縮波前軸向分散的流動瞬時過程。通過含有多個同時進(jìn)行循環(huán)每個步驟的吸附器，和通過在功能隔間或相關(guān)歧管中提供足夠的體積而最小化流動和壓力的脈動，使得它們可有效地作為壓縮機(jī)和第一及第二閥機(jī)構(gòu)之間的波動吸附器。
顯然的是可以在許多變型中通過在原料加壓，逆流排料排氣，或輕回流的每個主要步驟中含有更多或更少的中間階段而形成循環(huán)。如需要，可以從第一和第二閥兩者同時進(jìn)行在中間壓力下的連接原料和產(chǎn)物加壓步驟(或連接共流和逆流排料步驟)。在該原料加壓開始時的壓力，可以不同于在該逆流排料開始時的壓力。此外，在空氣分離或空氣精制應(yīng)用中，可以由作為循環(huán)中間壓力的與大氣壓相等的壓力進(jìn)行原料加壓的階段(典型地第一階段)。相似地，可以由作為循環(huán)中間壓力的與大氣壓相等的壓力進(jìn)行逆流排料的階段。
圖7圖7是使用氮選擇性沸石吸附劑從空氣分離氧氣的PSA系統(tǒng)的簡化示意圖。輕產(chǎn)物是濃縮氧，而重產(chǎn)物是通常作為廢料放空的氮富集空氣。盡管如圖8所示可以使用真空壓力152，循環(huán)更低壓力152顯示為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。通過過濾器入口200將原料空氣引入原料壓縮機(jī)201。原料壓縮機(jī)包括壓縮機(jī)第一級202，中間冷卻器203，壓縮機(jī)第二級204，第二中間冷卻器205，壓縮機(jī)第三級206，第三中間冷卻器207，和壓縮機(jī)第四級208。所述的原料壓縮機(jī)201可以是采用電機(jī)209作為由軸210連接的原動力的四級軸向壓縮機(jī)。中間冷卻器是可選擇的。參考圖5，原料壓縮機(jī)第一和第二級是第一原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)160，在第一中間原料壓力161下通過導(dǎo)管212和水冷凝液分離器213向第一原料加壓歧管48輸送原料氣體。原料壓縮機(jī)第三級206是第二原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)162，在第二中間原料壓力163下通過導(dǎo)管214和水冷凝液分離器215向第二原料加壓歧管51輸送原料氣體。原料壓縮機(jī)第四級208是第三原料供應(yīng)機(jī)構(gòu)165，在更高壓力151下通過導(dǎo)管216和水冷凝液分離器217向原料歧管53輸送原料氣體。將輕產(chǎn)物氧氣流通過導(dǎo)管218從輕產(chǎn)物歧管71輸送，保持在基本更高壓力較小的摩擦壓力下降下。
圖7的PSA系統(tǒng)包括由軸222連接到原料壓縮機(jī)201上的能量回收膨脹器，包括輕回流膨脹器(在此包括四級)和逆流排料膨脹器221(在此包括兩級)。膨脹器級可以例如提供為徑向流入渦輪機(jī)級，作為含有分離輪的全進(jìn)入軸向渦輪機(jī)級，或作為在單一輪中并入的部分進(jìn)入脈動渦輪機(jī)級。
來自輕回流出口歧管73的輕回流氣體在更高的壓力下通過導(dǎo)管224和加熱器225流動到輕壓力減低機(jī)構(gòu)170，機(jī)構(gòu)170在此是第一輕回流膨脹器級226，然后在第三輕回流加壓壓力192下通過導(dǎo)管227流動到第一輕回流返回歧管87。來自第二輕回流出口歧管75的輕回流氣體在第一共流排料壓力171下通過導(dǎo)管228和加熱器225流動到第二輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)172，在此是第二膨脹器級230，然后在第二輕回流加壓壓力191下通過導(dǎo)管231流動到第二輕回流返回歧管85。來自第三輕回流出口歧管77的輕回流氣體在第二共流排料壓力173下通過導(dǎo)管232和加熱器225流動到第三輕回流壓力加壓壓力190，通過導(dǎo)管235流動到第三輕回流返回歧管83。最終，來自第四輕回流出口歧管79的輕回流氣體在第三共流排料壓力175下通過導(dǎo)管236和加熱器225流動到第四輕回流壓力減低機(jī)構(gòu)176，在此是第四輕回流膨脹器級238，然后在基本更低的壓力152下通過導(dǎo)管239流動到第四輕回流歧管81。
來自第一逆流排料歧管57的重逆流排料氣體在第一逆流排料中間壓力180下通過導(dǎo)管240流動到加熱器241，然后流動到作為第一排出機(jī)構(gòu)181的逆流排料膨脹器221的第一級242，及在基本更低壓力152下從膨脹器中排放到排氣歧管243中。來自第二逆流排料歧管59的逆流排料氣體在第二逆流排料中間壓力182下通過導(dǎo)管244流動到加熱器241，然后流動到作為第二排出機(jī)構(gòu)183的逆流排料膨脹器221的第二級245，和在基本更低壓力152下從膨脹器中排放到排氣歧管243中。最終，來自重產(chǎn)物排氣歧管61的重氣體通過作為第三排氣機(jī)構(gòu)184的導(dǎo)管246流動到排氣歧管243，輸送要在基本更低壓力152下放空的重產(chǎn)物氣體185。
可選擇的加熱器225和241升高進(jìn)入膨脹器220和221的氣體溫度，因此增加膨脹能量的回收率和增加由軸222從膨脹器220和221傳遞到原料壓縮機(jī)201的動力，和降低從原動力209要求的動力。盡管加熱器225和241是用于向膨脹器提供熱量的機(jī)構(gòu)，中間冷卻器203，205和207是用于從原料壓縮機(jī)除去熱量和用于降低更高壓縮機(jī)級的要求動力的機(jī)構(gòu)。中間冷卻器203，205和207是可選擇的特征。
如果輕回流加熱器249在足夠高的溫度下操作使得輕回流膨脹階段的出口溫度高于將原料氣體通過導(dǎo)管212，214和216輸送到原料歧管的溫度，吸附器24第二端35的溫度可能高于它們第一端34的溫度。因此，吸附器沿流動通道具有熱梯度，在它們的第二端相對于第一端有更高溫度。這是如下原理的延伸由Keefer在U.S.專利No.4,702,903中引入的“熱偶合壓力回轉(zhuǎn)吸附”。吸附器轉(zhuǎn)子11然后作為熱旋轉(zhuǎn)再生器，如在含有壓縮機(jī)201和膨脹器220的再生氣體渦輪發(fā)動機(jī)中那樣。由加熱器225提供到PSA工藝的熱量協(xié)助向根據(jù)再生熱力學(xué)動力循環(huán)的工藝供能，相似于在壓縮側(cè)采用中間冷卻和在膨脹側(cè)采用中間階段加熱來大致實(shí)現(xiàn)Ericsson熱力學(xué)循環(huán)的先進(jìn)再生氣體渦輪發(fā)動機(jī)。在應(yīng)用到從空氣分離氧的PSA的情況下，由于氮?dú)獾拇罅课?，總的輕回流更少于原料流。因此可從膨脹器回收的動力極小于壓縮機(jī)要求的動力，但仍然顯著有益于提高氧生產(chǎn)的效率。
如果高能量效率不是最高重要的，輕回流膨脹器級和逆流排料膨脹器級可以由用于壓力減低的限制器孔口或節(jié)流閥代替。圖7概要顯示支撐壓縮機(jī)級，逆流排料或排氣膨脹器級，和輕回流級，以及聯(lián)結(jié)壓縮機(jī)到原動力上的單軸。然而，應(yīng)當(dāng)理解對于在本發(fā)明范圍內(nèi)的不同壓縮和膨脹階段，可以使用單獨(dú)的軸和甚至單獨(dú)的原動力。
圖8圖8顯示真空PSA系統(tǒng)，也含有如可用于在燃料電池裝置的氫精制中達(dá)到高回收率的重產(chǎn)物回流?？梢栽谀承╈o止應(yīng)用中從化學(xué)工藝或石油精煉廢氣提供原氫氣。然而，在大多數(shù)燃料電池應(yīng)用中，原氫氣原料會由烴或含碳燃料的加工，如通過天然氣或甲醇的蒸汽重整，或通過液體燃料的自熱重整或部分氧化提供。這樣的氫氣原料氣體典型地包含30％-75％氫。使用典型的吸附劑如沸石，二氧化碳，一氧化碳，氮?dú)?，氨，和硫化氫或其它痕量雜質(zhì)，將比氫氣更容易吸附，這樣精制氫會是在更高工作壓力下輸送的輕產(chǎn)物，該工作壓力僅可略微地小于原料供應(yīng)壓力，同時雜質(zhì)會濃縮為重產(chǎn)物且將從PSA工藝作為“PSA尾氣”在更低的工作壓力下排出。此尾氣會用作用于產(chǎn)生氫的燃料加工反應(yīng)的燃料氣，或用于燃?xì)廨啓C(jī)以向用于燃料電池動力裝置的PSA壓縮機(jī)械提供動力。
圖8的PSA系統(tǒng)含有用于在基本更高壓力下將原料氣體引入第一原料歧管53的進(jìn)料導(dǎo)管300。在此實(shí)施例中，采用輕回流氣體達(dá)到除最終加壓步驟以外的所有步驟，最終原料加壓步驟通過歧管55達(dá)到。
PSA系統(tǒng)包括由原動力209通過軸210驅(qū)動，和可選擇地由輕回流膨脹器通過軸309驅(qū)動的多級泵301。真空泵301包括第一級302，它通過導(dǎo)管246從第一產(chǎn)物排氣歧管61抽出重氣體，和壓縮此氣體通過中間冷卻器303到達(dá)第二級304。真空泵第二級304從第二逆流排料歧管59通過導(dǎo)管244抽出重氣體，且通過中間冷卻器305輸送此氣體到達(dá)第三級306，第三級306也從第一逆流排料歧管57通過導(dǎo)管240抽出重氣體。對于要輸送用作重產(chǎn)物輸送導(dǎo)管307中的燃料氣體的一部分重氣體(重產(chǎn)物氣體或PSA尾氣)，真空泵級306壓縮重氣體到足夠大于環(huán)境壓力的壓力。剩余的重氣體從真空泵310前進(jìn)到重回流壓縮機(jī)308，它達(dá)到PSA循環(huán)的基本更高壓力。
將壓縮的重氣體從壓縮機(jī)第四級308通過導(dǎo)管310輸送到冷凝液分離器311。如需要(如用于在圖13實(shí)施方案中的膨脹渦輪機(jī)中的燃燒)，可以通過壓縮機(jī)308壓縮整個重產(chǎn)物流，使得可以在最高的工作壓力下由替代的重產(chǎn)物輸送導(dǎo)管312輸送重產(chǎn)物燃料氣體，該導(dǎo)管312在外部基本保持在更高壓力較小的摩擦壓降下。將冷凝的蒸氣(如水)通過導(dǎo)管313在基本和導(dǎo)管312中重產(chǎn)物相同的壓力下除去。剩余的重氣體流，在第一產(chǎn)物的脫除之后，通過導(dǎo)管314流動到第二原料歧管55，作為在每個吸附器原料步驟之后對吸附器的重回流。重回流氣體是第二原料氣體，具有比第一原料氣體更容易吸附組分或餾分的更高濃度。
圖9和10現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9和10，使用相似于圖7所示的旋轉(zhuǎn)PSA系統(tǒng)，作為基本構(gòu)造塊，顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的基于燃料電池的電流發(fā)生系統(tǒng)。然而，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于含有旋轉(zhuǎn)PSA組件的電流發(fā)生系統(tǒng)。可以采用其它布置而不背離本發(fā)明的范圍。
在圖9中，使用如先前所述的氮選擇性沸石吸附劑，PSA系統(tǒng)從空氣分離氧氣。輕產(chǎn)物是濃縮氧氣，而重產(chǎn)物是通常作為廢料放空的富含氮的空氣。除非如在圖8中提供可選擇的真空泵，循環(huán)更低壓力152是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。將原料空氣通過過濾器入口200引入原料壓縮機(jī)201中。原料壓縮機(jī)包括壓縮機(jī)第一級202，壓縮機(jī)第二級204，壓縮機(jī)第三級206，和壓縮機(jī)第四級208。所述的壓縮機(jī)可以是采用電機(jī)209作為由軸210聯(lián)結(jié)的原動力的四級軸向壓縮機(jī)。壓縮機(jī)級可以如所示為串聯(lián)，或者為并聯(lián)。在壓縮機(jī)級之間的中間冷卻器是可選的。原料壓縮機(jī)第一和第二級在第一中間原料壓力161下通過導(dǎo)管212和水冷凝液分離器213輸送原料氣體到達(dá)第一原料加壓歧管48。原料壓縮機(jī)第三級206在第二中間原料壓力163下通過導(dǎo)管214和水冷凝液分離器215輸送原料氣體到達(dá)第二原料加壓歧管51。原料壓縮機(jī)第四級208在更高壓力151下通過導(dǎo)管216和水冷凝液分離器217輸送原料氣體到達(dá)原料歧管53。從輕產(chǎn)物歧管71通過保持在基本更高壓力較小摩擦壓降下的導(dǎo)管218輸送輕產(chǎn)物氧氣流。
圖9的裝置包括能量回收膨脹器，包括輕回流膨脹器220(在此包括四級)和逆流排料膨脹器221(在此包括兩級)。通過軸222將膨脹器221聯(lián)結(jié)到原料壓縮機(jī)201上。膨脹器級可以例如提供為徑向流入渦輪機(jī)級，作為含有分離輪的全進(jìn)入軸向渦輪機(jī)級，或作為在單一輪中并入的部分進(jìn)入渦輪機(jī)級。如果高能量效率不是最高重要的，輕回流膨脹器階段和/或逆流排料膨脹器階段可以由用于壓力減低的限制器孔口或節(jié)流閥代替。
來自輕回流出口歧管73的輕回流氣體在更高壓力下通過導(dǎo)管224和加熱器225流動到第一輕回流膨脹器級226，然后在第三輕回流加壓壓力192下通過導(dǎo)管227流動到第一輕回流返回歧管87。來自第二輕回流出口歧管75的輕回流氣體在第一共流排料壓力171下通過導(dǎo)管228和加熱器225流動到第二膨脹器級230，然后在第二輕回流加壓壓力191下通過導(dǎo)管231流動到第二輕回流返回歧管85。來自第三輕回流出口歧管77的輕回流氣體在第二共流排料壓力173下通過導(dǎo)管232和加熱器225流動到第三膨脹器級234，然后在第一輕回流加壓壓力190下通過導(dǎo)管235流動到第三輕回流返回歧管83。最后，來自第四輕回流出口歧管79的輕回流氣體在第三共流排料壓力175下通過導(dǎo)管236和加熱器225流動到第四輕回流膨脹器級238，然后在基本更低的壓力152下通過導(dǎo)管239流動到第四輕回流返回歧管81。
來自第一逆流排料歧管57的重逆流排料氣體在第一逆流排料中間壓力180下通過導(dǎo)管240流動到加熱器241，然后流動到逆流排料膨脹器221的第一級242，且在基本更低壓力152下從膨脹器排放到排氣歧管243。
可選擇的加熱器225和241升高進(jìn)入膨脹器220和221的氣體溫度，因此增加膨脹能量的回收率和增加由軸222從膨脹器220和221傳遞到原料壓縮機(jī)201的動力，且降低從原動力209要求的動力。
在應(yīng)用到從空氣分離氧的PSA的情況下，由于氮?dú)獾拇罅课眨偟妮p回流極少于原料流。因此可從膨脹器回收的動力極小于由壓縮機(jī)要求的動力，但仍然顯著有益于提高氧生產(chǎn)的效率。通過在適度升高溫度(如40℃-60℃)下操作吸附器和使用強(qiáng)氮?dú)膺x擇性吸附劑如Ca-X、Li-X或鋰菱沸石沸石，PSA氧產(chǎn)生系統(tǒng)可采用有利的性能和效率而操作。可在更高溫度，甚至超過100℃下使用鈣或鍶交換的菱沸石，反映這些吸附劑對于氮?dú)獾奶貏e能力，它們的氮吸收狀態(tài)在更低溫度下在近于令人滿意的操作環(huán)境中接近于飽和。盡管吸附劑的更高溫度會降低氮?dú)馕蘸蛯τ诿糠N沸石吸附劑的選擇性，等溫線會更為線性而濕度排斥會更容易。采用吸附劑如Ca-X和Li-X操作，最近的常規(guī)實(shí)踐已經(jīng)在低于大氣壓的更低壓力下在所謂的“真空回轉(zhuǎn)吸附”(VSA)中操作環(huán)境溫度PSA，使得高選擇性吸附劑在遠(yuǎn)低于氮?dú)馕罩械娘柡拖虏僮?，和在相對線性的等溫線范圍中具有較大的工作能力。在更高溫度下，將在氮?dú)馕罩械娘柡娃D(zhuǎn)換到更升高的溫度下，使得也向上轉(zhuǎn)移最優(yōu)的PSA循環(huán)更高和更低壓力。
將富集的氧產(chǎn)物氣體通過導(dǎo)管218，非返回閥250，和導(dǎo)管251輸送到氧產(chǎn)物壓縮機(jī)252的入口，壓縮機(jī)252提高由導(dǎo)管253輸送的產(chǎn)物氧的壓力。壓縮機(jī)252可以是單級離心壓縮機(jī)，直接通過軸254由輕回流膨脹器220或者由電機(jī)驅(qū)動。輕回流膨脹器220可以是壓縮機(jī)252的單一動力源，在該情況下膨脹器220和壓縮機(jī)252一起構(gòu)成自由轉(zhuǎn)子渦輪增壓機(jī)。由于在膨脹器220和壓縮機(jī)252兩者中的工作流體是富集氧，自由轉(zhuǎn)子渦輪增壓機(jī)實(shí)施方案具有不要求對外部電機(jī)軸密封的重要安全特征。優(yōu)選，從輕回流膨脹回收的能量用于升高輕產(chǎn)物，在此是氧的輸送壓力。
將壓縮的富集氧輸送到燃料電池260，通過導(dǎo)管253輸送到燃料電池陰極槽262的陰極入口261。燃料電池260可以是聚合物電解質(zhì)膜(PEM)類型，電解質(zhì)265分離陰極槽262和陽極槽266。通過氫進(jìn)料導(dǎo)管268將氫燃料提供到陽極槽266的陽極入口267。
當(dāng)氧餾分與穿過膜的氫離子反應(yīng)以產(chǎn)生電能和反應(yīng)以形成副產(chǎn)物水時，富集氧通過陰極槽262到達(dá)陰極出口270。相對于大約21％的環(huán)境空氣濃度，在導(dǎo)管280中從陰極出口270(在本優(yōu)選的實(shí)施方案中)離開陰極槽的陰極出口氣體仍然顯著地富含氧。將此氣體的少部分從導(dǎo)管280通過清除閥285和清除排氣口286清除為陰極清除氣體，而陰極出口氣體的余量保留為陰極再循環(huán)氣體。將陰極再循環(huán)氣體通過導(dǎo)管281輸送到水冷凝液分離器282，在該處將過量液體水從陰極出口氣體中除去，陰極出口氣體在水汽中保持飽和。然后將潮濕的陰極再循環(huán)氣體與通過連接到導(dǎo)管251的導(dǎo)管283來自PSA系統(tǒng)的進(jìn)入富集氧共混。
導(dǎo)管251，253，280，281和283因此與陰極槽262，壓縮機(jī)252和水冷凝液分離器282形成陰極回路。在膨脹器220中的膨脹之前，通過從燃料電池陰極回路除去廢熱以加熱輕回流氣體，換熱器225可冷卻要被壓縮機(jī)252壓縮的富含氧氣體。由清除閥285清除足夠的陰極出口氣體以避免氬氣和氮?dú)怆s質(zhì)在陰極回路中的過量積累。在可用的實(shí)施例中，導(dǎo)管218中的產(chǎn)物氧濃度可以為90％氧氣，與相等量的氬氣和氮?dú)怆s質(zhì)。采用小的清除流，在陰極入口261和陰極出口270的氧濃度可以分別為60％和50％。
如上所討論的那樣，采用大氣空氣作為氧化劑操作的PEM燃料電池可典型地要求空氣壓縮到至少3個大氣壓以在陰極上達(dá)到足夠高的氧分壓用于燃料電池疊架上的競爭性電池密度。在陰極入口的氧濃度會為21％，在陰極出口典型地僅為約10％氧。本發(fā)明可在燃料電池陰極槽上達(dá)到更高的平均氧濃度，如相比于大約15％的50％。因此，可以降低操作壓力到約1.5大氣壓而仍然保持在陰極上氧分壓的基本增強(qiáng)。采用陰極上的更高氧分壓，可以增強(qiáng)燃料電池疊架能量密度和效率，如在汽車動力裝置應(yīng)用中特別重要的那樣。由本發(fā)明裝置(使用高性能吸附劑如Li-X)要求的機(jī)械壓縮動力會小于在3個大氣壓空氣供應(yīng)壓力下操作的PEM燃料電池系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)要求的動力，進(jìn)一步增強(qiáng)總體動力裝置效率。
此實(shí)施例裝置的重要益處在于通過與更大的飽和陰極再循環(huán)氣體流共混而使進(jìn)入陰極入口261的氧富集氣體潮濕。另一個益處在于從PSA單元的能量回收可以應(yīng)用于提高壓力和驅(qū)動陰極回路中的循環(huán)，同時燃料電池廢熱可以應(yīng)用于換熱器225和241以增強(qiáng)PSA單元中的膨脹能量回收。還有另一個益處在于容易達(dá)到用于保證從PEM燃料電池令人滿意的水脫除的合適陰極槽循環(huán)流動速度。
盡管陰極氣體的再循環(huán)具有如上討論的益處，應(yīng)理解本發(fā)明也可以沒有任何這樣的再循環(huán)特征而實(shí)施，因此來自陰極出口270的陰極氣體可以排放到大氣中或除去作為另一個用途，如協(xié)助燃料處理器中的燃燒。
另一個變型是操作氧氣PSA單元以輸送在相對高濃度下的氧氣(如，為60-95％，或更優(yōu)選70％-90％的氧濃度)，同時將來自導(dǎo)管216的一部分壓縮空氣原料經(jīng)旁路通過PSA組件以直接與導(dǎo)管70，導(dǎo)管283或?qū)Ч?53中的產(chǎn)物氧共混。在此方案中，共混的旁路空氣和PSA氧產(chǎn)物(加上來自陰極出口270的任何再循環(huán)陰極氣體)的混合氧濃度可為，如30％-50％，因此提供了在燃料電池陰極上部分氧富集的基本益處，同時降低PSA單元的尺寸和動力消耗。
轉(zhuǎn)向圖10，顯示基于氧分離PSA的燃料電池系統(tǒng)，相似于圖9中的燃料電池系統(tǒng)，但含有驅(qū)動自由轉(zhuǎn)子排氣真空泵的逆流排料膨脹器。因此，在圖9中虛線290表示含有流量控制閥291的可選擇原料空氣旁路導(dǎo)管290，與陰極再循環(huán)回路中的壓縮空氣原料導(dǎo)管216和導(dǎo)管283之間連通。在圖10的實(shí)施方案中，已經(jīng)去掉將逆流排料膨脹器221聯(lián)結(jié)到原料壓縮機(jī)201的軸222。作為替代，使用真空泵301以抑制低大氣壓力的循環(huán)低壓，從重產(chǎn)物排氣隔間61通過導(dǎo)管246和可選擇的加熱器302抽取氮富集廢氣。泵301由逆流排料膨脹器304提供動力，該膨脹器膨脹通過導(dǎo)管240和可選擇的加熱器241來自第一逆流排料歧管57的逆流排料氣體。真空泵301和膨脹器304由軸305聯(lián)結(jié)，并一起構(gòu)成自由轉(zhuǎn)子真空泵組合體306。這樣的自由轉(zhuǎn)子真空泵提供效率和資金成本的有吸引力優(yōu)點(diǎn)。或者，電機(jī)可以聯(lián)結(jié)到軸305的延伸部分。
來自第二逆流排料歧管59的逆流排料氣體在一定的壓力下離開該歧管，根據(jù)與導(dǎo)管244相關(guān)的節(jié)流限量該壓力為大氣壓或略微大于大氣壓。
圖11圖11顯示基于燃料電池的電流發(fā)生系統(tǒng)，相似于圖9的電流發(fā)生系統(tǒng)，但沒有輕回流能量回收，而采用一部分從燃料電池陰極排放的用于加壓步驟的氧富集氣體。不可逆地通過可調(diào)節(jié)孔口350，351，352和353達(dá)到輕回流壓力減低的說明性四個階段，它們分別連接導(dǎo)管224和227，228和231，232和235，及236和239。孔口350，351，352和353由促動器355通過聯(lián)桿354促動。當(dāng)燃料電池動力裝置在部分負(fù)荷下操作時，需要孔口的調(diào)節(jié)以能夠達(dá)到PSA裝置的調(diào)低以在降低的循環(huán)頻率和降低的流量下操作。
燃料電池含有由如下設(shè)備確定的陰極再循環(huán)回路(在回路流動方向上)水冷凝液分離器360，輸送富集氧到陰極槽入口261的導(dǎo)管361，陰極槽262，從陰極槽出口270向陰極再循環(huán)導(dǎo)管365輸送陰極排氣的導(dǎo)管362，其中陰極再循環(huán)導(dǎo)管365包括陰極再循環(huán)風(fēng)機(jī)363以加壓陰極再循環(huán)氣體用于允許進(jìn)入冷凝液分離器360。分離器360從陰極再循環(huán)回路除去燃料電池水排氣冷凝液，同時也使從PSA系統(tǒng)導(dǎo)管從導(dǎo)管218進(jìn)入的干燥濃縮氧變潮濕。
從導(dǎo)管362通過導(dǎo)管371，即陰極再循環(huán)導(dǎo)管365的支路除去一部分陰極排氣。將此部分陰極排氣再循環(huán)到PSA(或者真空PSA)裝置的原料端，和通過導(dǎo)管317輸送到水冷凝液分離器373，然后輸送到連通到第一閥面21的第一加壓歧管48。可以在導(dǎo)管371中提供節(jié)流閥373以對第一加壓歧管48提供來自在陰極出口270的壓力所要求的壓力減低。
再循環(huán)一部分陰極排氣到PSA單元原料具有幾個優(yōu)點(diǎn)，包括(1)降低要壓縮的原料氣體體積，(2)消除從陰極回路清除任何陰極排氣的需要，和(3)通過使用此氣體從燃料電池陰極回路回收一些廢能量以幫助從原料端加壓燃料電池。必須允許此氧富集氣體到達(dá)PSA單元的原料端，這是由于它被水汽飽和。如果被允許到達(dá)在產(chǎn)物端的第二閥面，水汽會使吸附劑失活。通過在低壓步驟之后和在采用原料空氣的任何直接加壓之前，通過將它引入到床的原料端，就建立了有利的濃度情況，這是由于在氧氣中比原料空氣中更富含此氣體，但也比產(chǎn)物氧富集氣體包含更大的雜質(zhì)負(fù)荷。
由于氬氣與氧氣一起由PSA單元濃縮，在此實(shí)施方案中氬氣會在陰極回路和在PSA富集氧產(chǎn)物兩者中濃縮。如果不提供陰極清除，氬氣僅可以通過PSA單元的排氣離開系統(tǒng)。由于當(dāng)通?？諝庥米鲗Φ谝婚y面加壓的唯一原料時，PSA單元典型地達(dá)到氧氣和氬氣的約60％回收率，約40％的隨原料氣體進(jìn)入的氬氣可以在每個循環(huán)中排出。采用初始原料加壓步驟引入的再循環(huán)氬氣的部分消除會更低，這是由于在引入主原料之后將再循環(huán)氬氣推入吸附器中更深。因此，來自陰極回路的少量清除可以是需要的。也可以將循環(huán)到PSA單元原料的陰極排氣與在與陰極槽出口270相同或更低壓力下引入的原料空氣直接共混。
圖12圖12顯示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的基于燃料電池的電流發(fā)生系統(tǒng)400，包括燃料電池402，氧產(chǎn)生PSA系統(tǒng)404，和氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)406。燃料電池包括包括陽極氣體入口410和陽極氣體出口412的陽極槽408，包括陰極氣體入口416和陰極氣體出口418的陰極槽414，和與陽極槽408和陰極槽414連通用于進(jìn)行陽極槽408和陰極槽414之間離子交換的PEM420。
氧氣PSA系統(tǒng)404從原料空氣提取氧氣，且包括旋轉(zhuǎn)組件10，和用于輸送加壓原料空氣到旋轉(zhuǎn)組件10原料隔間424的壓縮機(jī)422。優(yōu)選，氧氣PSA系統(tǒng)包括連接到壓縮機(jī)422上用于從旋轉(zhuǎn)組件10排料隔間428提取作為重產(chǎn)物氣體的氮富集氣體的真空泵426(或者逆流排料膨脹器)。氧氣PSA系統(tǒng)404也包括連接到陰極氣體入口416上用于輸送氧富集氣體到陰極槽414的輕產(chǎn)物氣體功能隔間430。可以如在圖9-11的實(shí)施方案中提供陰極再循環(huán)。
氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)406包括氫產(chǎn)生PSA系統(tǒng)432，和連接到氫氣PSA系統(tǒng)432上用于提供第一氫氣原料到氫PS系統(tǒng)432的燃料處理器反應(yīng)器434。氫氣PSA系統(tǒng)432包括包括用于從反應(yīng)器434接收第一氫氣原料的第一原料氣體隔間436的旋轉(zhuǎn)組件10，用于從陽極氣體出口412接收氫氣原料的加壓隔間438，用于輸送氫氣到陽極氣體入口410的輕產(chǎn)物隔間440，和用于輸送作為重產(chǎn)物氣體的尾氣到反應(yīng)器434的排料隔間441。優(yōu)選氫氣PSA系統(tǒng)432包括在排料隔間441和反應(yīng)器434之間設(shè)置的用于從排料隔間441提取尾氣的真空泵442(或者逆流排料膨脹器)。
根據(jù)從陽極氣體出口412再循環(huán)的氫氣的純度水平，加壓隔間438可與旋轉(zhuǎn)組件的第一或第二閥門配合，如果此氣流的純度相對較高后者是優(yōu)選的。氫氣PSA系統(tǒng)432也可包括輸送重回流氣體到第二原料氣體隔間444以促進(jìn)氫氣部分回收率的重回流壓縮機(jī)443。氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)406的生熱燃料氣體要求會確定氫氣的精確回收率。
反應(yīng)器434包括具有燃燒器446和催化劑管(未示出)的蒸汽重整器445，和水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器448。燃燒器446包括用于從排料隔間442接收尾氣的第一燃燒器入口450，和用于從陰極槽414接收空氣或潮濕氧富集氣體的第二燃燒器入口452。在一定的原料壓力下，通過燃料入口454向蒸汽重整器444提供烴燃料，如甲烷氣體、加上水，該原料壓力是燃料電池的工作壓力加上通過系統(tǒng)406的允許壓降。將燃料預(yù)熱和由換熱器455產(chǎn)生蒸汽，換熱器455回收來自燃燒器446煙道氣的熱。然后將甲烷燃料氣體和蒸汽混合物通過催化劑管，同時在燃燒器446中燃燒尾氣和氧富集氣體以將甲烷燃料氣體混合物的溫度升高到進(jìn)行甲烷燃料氣體混合物吸熱蒸汽重整反應(yīng)必須的溫度(典型地800℃)
將獲得的合成氣(大約70％H2，以及作為主要雜質(zhì)的等量CO和CO2，和作為少量雜質(zhì)的未反應(yīng)CH4和N2)冷卻到約250℃，和然后送到水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器448用于將大多數(shù)CO與蒸汽反應(yīng)以生產(chǎn)更多的H2和CO2
然后將獲得的氣體反應(yīng)物輸送到氫氣PSA系統(tǒng)432的第一原料隔間436用于氫氣精制，將重產(chǎn)物尾氣返回到蒸汽重整器434以形成排料隔間442用于在燃燒器446中的燃燒。
在一個變型中，反應(yīng)器434包括部分氧化反應(yīng)器，不將甲烷氣體混合物蒸汽重整，而將甲烷氣體混合物在部分氧化反應(yīng)器中與從陰極槽414，通過可選擇的導(dǎo)管456接收的一部分潮濕氧富集氣體反應(yīng)，用于甲烷氣體的部分氧化
將獲得的合成氣再次冷卻到約250℃，然后送到水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器448用于將大多數(shù)CO與蒸汽反應(yīng)以生產(chǎn)更多的H2和CO2
然后將獲得的氣體反應(yīng)物輸送到氫氣PSA系統(tǒng)432的第一原料隔間436用于氫氣精制，將重產(chǎn)物尾氣從氫氣PSA系統(tǒng)432清除。
在另一個變型中，反應(yīng)器434包括自熱重整器和水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器448，不是將甲烷氣體混合物吸熱蒸汽重整或放熱部分氧化，而是通過那些反應(yīng)的熱平衡組合，隨后通過在水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器448中的反應(yīng)，在自熱重整器中反應(yīng)甲烷氣體混合物。由于甚至在非常高的重回流的限制中，氫氣PSA重產(chǎn)物尾氣總是會具有一些燃料價值，會提供燃燒器446用于有效預(yù)熱空氣和或燃料原料到任何自熱反應(yīng)器。除非燃料加工反應(yīng)包括吸熱重整元件作為尾氣燃料燃燒的能量有效轉(zhuǎn)換器，如果凈燃料加工反應(yīng)是非常吸熱的，如在簡單的部分氧化的情況下，應(yīng)當(dāng)提供另一種經(jīng)濟(jì)用途(如在圖13的實(shí)施方案中)。
由于氮?dú)鈴哪切怏w流的消耗，氧富集自熱或部分氧化燃料處理器有利地降低了進(jìn)入反應(yīng)腔的反應(yīng)物的加熱負(fù)荷，也降低了輸送到氫氣PSA單元和燃料電池陽極的氫富集產(chǎn)物氣體的冷卻負(fù)荷。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是除一氧化碳和硫化氫以外，氫氣PSA單元除去氨的能力，該污染物對于PEM燃料電池性能和耐用期限是非常有害的?？梢栽谌剂咸幚砥髦行纬砂保谠撊剂咸幚砥髦性谌魏未髿獾嬖谙聦N催化重整為氫氣。通過氮?dú)獾那岸嗣摮鯕釶SA減少了此問題，而氫氣PSA除去任何殘余痕量的氨。
圖13顯然的是電流發(fā)生系統(tǒng)的缺陷涉及采用一部分由燃料電池產(chǎn)生的電能驅(qū)動壓縮機(jī)422和真空泵426，444的必要性。圖13顯示基于燃料電池的電流發(fā)生系統(tǒng)500，它解決此缺陷。
電流發(fā)生系統(tǒng)500基本相似于電流發(fā)生系統(tǒng)400，包括燃料電池402，氧產(chǎn)生PSA系統(tǒng)504，和氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)506。氧氣PSA系統(tǒng)504從原料空氣提取氧氣，并包括旋轉(zhuǎn)組件10，用于輸送加壓原料空氣到旋轉(zhuǎn)組件10的原料隔間524的壓縮機(jī)522，連接到壓縮機(jī)522上的燃燒膨脹器523，連接到壓縮機(jī)522上的啟動器電機(jī)(未示出)，和連接到陰極氣體入口416上用于輸送氧富集氣體到陰極槽414的輕產(chǎn)物氣體功能隔間530。氧氣PSA系統(tǒng)504也可含有與真空泵和/或膨脹器配合的逆流排料或重產(chǎn)物排氣隔間531，如在先前實(shí)施方案中所示。
氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)506包括氫產(chǎn)生PSA系統(tǒng)532，和連接到氫氣PSA系統(tǒng)上用于提供第一氫氣原料到氫氣PSA系統(tǒng)532的反應(yīng)器534。氫氣PSA系統(tǒng)532包括包括如下裝置的旋轉(zhuǎn)組件10用于從蒸汽重整器534接收第一氫氣原料的第一原料氣體隔間536，用于從陽極氣體出口412接收第二氫氣原料的加壓隔間538(與第一或第二閥連通)，用于輸送氫氣到陽極氣體入口410的輕產(chǎn)物隔間540，和用于輸送作為重產(chǎn)物燃料氣體的尾氣到反應(yīng)器534的排料隔間541。如在先前的實(shí)施方案中那樣，排料隔間541可與排氣真空泵和/或膨脹器(未示出)配合用于從排料隔間541提取尾氣。
反應(yīng)器534包括自熱重整器544，燃燒器546，和水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器548。燃燒器546包括加熱器管549，用于從排料隔間542接收尾氣的第一燃燒器入口550，和用于從壓縮機(jī)522第二級接收壓縮空氣的第二燃燒器入口552。如從圖13是顯然的那樣，壓縮機(jī)522第二級壓縮不輸送到氧產(chǎn)生PSA系統(tǒng)504的一部分原料空氣。
膨脹器523和壓縮機(jī)522一起包括燃?xì)廨啓C(jī)，并膨脹從燃燒器546發(fā)出的燃燒產(chǎn)物氣體以增加到原料隔間524的原料空氣的壓力。如理解的那樣，氫氣PSA尾氣的燃燒熱能用于驅(qū)動燃料電池輔助氣體精制和壓縮機(jī)械。如圖13所示，另外的原料氣體壓縮能量可從水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器548的反應(yīng)放熱通過預(yù)熱交換器555獲得。
通過燃料入口554向自熱重整器544提供烴燃料氣體，如甲烷氣體和，在所示實(shí)施例中，將該氣體與在壓力下從陰極槽414通過增壓風(fēng)機(jī)556接收的氧富集氣體反應(yīng)。如果從陰極出口輸送的氧富集氣體可以有利地用于燃料加工(以降低氮?dú)庳?fù)荷和增強(qiáng)燃燒)，可以不使用陰極再循環(huán)，或至少可以減少陰極再循環(huán)。然后將獲得的合成氣冷卻，然后送到水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器548用于將大多數(shù)CO與蒸汽反應(yīng)以生產(chǎn)更多的H2和CO2。然后將獲得的氣體反應(yīng)物輸送到氫氣PSA系統(tǒng)532的第一原料隔間536用于氫氣精制。
在一些實(shí)施方案中，將至少一部分陰極排氣(相對于環(huán)境空氣它仍然富含氧氣，且?guī)в腥剂想姵嘏懦鏊腿剂想姵貜U熱)返回自熱或部分氧化燃料處理器(或重整器)的入口，用于將烴燃料與氧氣和蒸汽反應(yīng)以產(chǎn)生原氫氣或合成氣。氧氣自熱地與一部分燃料反應(yīng)以生產(chǎn)一氧化碳和加熱剩余燃料與蒸汽的進(jìn)一步反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣。過量的蒸汽有助于防止在重整器或燃料處理器中的任何焦化，和因此在更低溫度下與一氧化碳在水氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中反應(yīng)以產(chǎn)生與廢二氧化碳混合的更多氫氣。然后可通過根據(jù)本發(fā)明的氫氣PSA單元除去殘余的一氧化碳，二氧化碳和任何其它雜質(zhì)。
仍然富集氧的氣體從燃料電池陰極向燃料處理器入口的輸送(1)降低了與作為氧化劑的大氣空氣一起輸送的氮?dú)獾亩栊载?fù)荷，(2)增強(qiáng)燃料電池陰極槽中的循環(huán)速度用于有效的水脫除，(3)直接根據(jù)燃料加工的水需要，從燃料處理器的陰極直接回收排出水，(4)大量地以蒸汽形式輸送水以避免昂貴的冷凝和再蒸發(fā)步驟，(5)輸送一些燃料電池廢熱到燃料處理器入口，和(6)通過所需的熱整合增強(qiáng)總體系統(tǒng)效率。
圖14實(shí)施方案600說明本發(fā)明的另一方面。對于堿性燃料電池，決定性的問題是CO2從原料氧化劑和氫氣流兩者的脫除。由于CO2比其它經(jīng)常氣體雜質(zhì)更為強(qiáng)烈地吸附，上述本發(fā)明的氧氣PSA和氫氣PSA系統(tǒng)非常有效地除去CO2。盡管除在高電流密度下通常沒有證明，氧氣富集對于所有類型的燃料電池在增加電壓效率中是有益的。堿性燃料電池可使用低尺寸的氧氣PSA與適度氧富集一起用于非常有效的二氧化碳脫除，或可以使用相同的PSA設(shè)備采用缺乏氮?dú)?氧氣選擇性的吸附劑(如活性炭，或高二氧化硅沸石)，用于二氧化碳清理而沒有氧氣富集。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)PSA組件和壓縮機(jī)械完全適于此作用。
對環(huán)境空氣原料操作的堿性燃料電池典型地在接近大氣壓，在約70℃下操作。在這樣的條件下，氮富集空氣的水汽飽和陰極排氣流用于除去燃料電池產(chǎn)物水，同時保持電解質(zhì)水平衡。堿性燃料電池在更高溫度下的操作對于高效率和更少的昂貴電催化劑材料可能是所需的，或?qū)τ谑褂萌剂想姵貜U熱以蒸發(fā)反應(yīng)物和甚至驅(qū)動吸熱反應(yīng)的對甲醇重整器的熱整合可能是所需的。但采用增加疊架排氣溫度，采用環(huán)境空氣組合物的操作可快速地變成不能實(shí)施的。在更高的溫度下，除非不經(jīng)濟(jì)地升高總壓力或包括用于水回收的冷凝器，氮富集陰極排氣簡單地將大多的水汽攜帶出系統(tǒng)。
采用氧富集，可以調(diào)節(jié)陰極排氣的體積以達(dá)到對于任何堿性燃料電池的水平衡。合理的低疊架工作壓力變得可實(shí)施的，如對于120℃陰極出口溫度的約3個大氣壓。如果進(jìn)行氧富集到氧氣PSA的全部能力，如接近95％氧氣純度，陰極排氣流變成含有適度濃度永久氣體的干燥流。此流產(chǎn)物可用于不同的應(yīng)用，包括用于產(chǎn)生氫氣的烴原料的燃料加工。
實(shí)施方案600顯示如圖12所示的氧氣PSA(也進(jìn)行CO2脫除)。在此實(shí)施例中簡化系統(tǒng)的氫氣側(cè)以僅顯示純氫氣的陽極氣體入口。將在大于90％純度下的氧氣提供到陰極氣體入口416，同進(jìn)將濃縮水汽從陰極氣體出口418輸送和直接輸送到蒸汽膨脹器610。膨脹器610排放到真空冷凝器612，從冷凝器612中由泵614除去液體冷凝液，同時通過導(dǎo)管由氧氣PSA的真空泵426抽出永久氣體頂部排出物。膨脹器610可協(xié)助電機(jī)616以驅(qū)動氧氣PSA的壓縮機(jī)械，因此改進(jìn)燃料動力裝置的總體效率大約2-3％。
本發(fā)明的最終方面(用于任何類型的燃料電池)是用于PSA單元，且特別是用于圖14所示氧氣PSA的輕產(chǎn)物氣體積累器的選擇性設(shè)置。氧產(chǎn)物積累器660包括在PSA工藝基本較高壓力下或可選擇地在由小積累器加料壓縮機(jī)663產(chǎn)生的升高壓力下，從輕產(chǎn)物隔間430通過非返回閥門662加料的氧氣貯存容器661。在非返回閥門667的任一側(cè)提供峰化氧氣輸送閥665和反沖閥666，以能夠從貯存容器輸送氧氣分別向前到達(dá)燃料電池陰極入口或向后到達(dá)氧氣PSA單元。
在正常操作期間，特別是當(dāng)氧氣PSA達(dá)到最高氧氣純度時在備用或空載間隔期間向氧氣貯存容器加料?？蛇x擇的加料壓縮機(jī)可以當(dāng)裝置空載時操作，或(在汽車應(yīng)用中)作為再生制動的能量負(fù)荷應(yīng)用。在峰值動力需求時間間隔期間打開峰化氧氣輸送閥665，以當(dāng)最需要時增加向陰極的濃縮氧氣的供應(yīng)。如果氧氣積累器足夠大，氧氣PSA壓縮機(jī)422和真空泵426可以在峰值動力需求的簡短間隔期間空載，以釋放正常由內(nèi)部附件消耗的動力以滿足外部需求。然后，可以降低燃料電池疊架的尺寸(在要求滿足臨時規(guī)定的峰值動力水平的動力裝置中)用于重要的成本節(jié)省。
當(dāng)切斷燃料電池動力裝置時，首先停止氧氣PSA壓縮機(jī)422以降低所有吸附器初始排料的內(nèi)部壓力。然后，打開反沖閥666以在較短時間間隔內(nèi)釋放氧氣的凈化物流以從吸附器置換吸附的氮?dú)夂鸵恍┪降乃?。然后讓吸附器由干燥氧氣在大氣壓下預(yù)加料，因此使得能夠達(dá)到用于下次裝置啟動的氧氣PSA的快速響應(yīng)。
圖15-21圖15顯示配置用于軸向流動和特別適于更小規(guī)模氧氣產(chǎn)生和氫氣精制的旋轉(zhuǎn)PSA組件701。組件701包括在吸附器殼體704中數(shù)目“N”個吸附器703。每個吸附器含有第一端705和第二端706，以及在其間接觸氮?dú)膺x擇性吸附劑的流動通道。在沿吸附器殼體軸線707軸對稱的排列有吸附器。殼體704與第一和第二功能體708和709一起繞軸線707作相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；經(jīng)過第一閥面710與第一功能體708配合，向第一功能體提供原料空氣和從第一功能體將氮富集空氣抽出作為重產(chǎn)物；和經(jīng)過第二閥面711與第二功能體709配合，從第二功能體將氧富集空氣抽出作為輕產(chǎn)物。
在特別如圖15-21所示的優(yōu)選實(shí)施方案中，吸附器殼體704旋轉(zhuǎn)且此后被稱為吸附器轉(zhuǎn)子704，而第一和第二功能體是靜止的并一起構(gòu)成組件的定子組合體721。第一功能體此后被稱為第一閥定子708，第二功能體此后被稱為第二閥定子709。
在圖15-21所示的實(shí)施方案中，通過吸附器的流動通道與軸線707平行，使得流動方向是軸向的，同時第一和第二閥面顯示為與軸線707垂直的平環(huán)形盤。然而，更一般情況下吸附器中的流動方向可是軸向或徑向，第一和第二閥面可以是以軸線707為中心的任何旋轉(zhuǎn)圖形。不管吸附器中的徑向或軸向流動方向，要確定的工藝步驟和功能隔間處于相同的角向關(guān)系。
圖15-21是組件701在由箭頭712-713，714-715，和716-717確定的平面中的橫截面。在每個截面中的箭頭720顯示轉(zhuǎn)子704的旋轉(zhuǎn)方向。
圖16顯示經(jīng)過圖15的截面712-713，它經(jīng)過吸附器轉(zhuǎn)子。在此“N”＝72。吸附器703安裝在吸附器轉(zhuǎn)子704的外壁721和內(nèi)壁722之間。每個吸附器包括吸附劑片723的矩形平包703，片之間的隔片724確定在軸向上的流動槽。在吸附器之間提供分離器725以填充空隙空間和防止吸附器之間的泄漏。而可以通過形成吸附劑片和在構(gòu)成每個吸附劑的梯形包或螺旋卷中插入隔片而提供吸附件組件的其它優(yōu)選配置。
或者整個吸附器轉(zhuǎn)子可以形成為一個吸附劑片或多個吸附劑片的螺旋卷，形成的螺旋卷與軸線707和與螺旋卷起的吸附劑片的相鄰層之間的隔片，和與至少一些在窄角向間隔下沿作為對橫向流動阻擋件的第一和第二端之間的整個長度延伸的隔片同心，以將螺旋卷分割成許多槽，每個槽用作不同的吸附器。螺旋卷的第一和第二端分別直接與第一和第二閥面重合。
吸附劑片包括增強(qiáng)材料，在優(yōu)選的實(shí)施方案中是玻璃纖維，金屬箔或絲網(wǎng)，采用合適的粘合劑將吸附劑材料連接到其上。對于用于生產(chǎn)富集氧氣的空氣分離，典型的吸附劑是X、A或菱沸石類型沸石，典型地與鋰、鈣、鍶、鎂和/或其它陽離子交換，并具有如本領(lǐng)域公知的最優(yōu)硅/鋁比例。沸石晶體在吸附劑片基體中與二氧化硅、粘土和其它粘合劑粘結(jié)，或自粘結(jié)。
已經(jīng)通過采用粘合劑組分在增強(qiáng)材料上涂敷沸石晶體的淤漿而制備令人滿意的吸附劑片，成功的例子包括非織造玻璃纖維平紋棉麻織物、織造金屬織物、和膨脹鋁箔。通過采用突起圖案印刷或壓印吸附劑片，或通過在相鄰對吸附劑片之間放置制造的隔片而提供隔片?；蛘咭呀?jīng)在光刻圖案中采用蝕刻的流動槽，將令人滿意的隔片提供為織造金屬網(wǎng)、非織造玻璃纖維平紋棉麻織物、和金屬箔。
典型的試驗(yàn)片厚度為150微米，隔片高度為100-150微米，吸附劑流動槽長度大約為20cm。使用X類型沸石，在30-150循環(huán)每分鐘的PSA循環(huán)頻率下已經(jīng)在從空氣的氧氣分離中達(dá)到優(yōu)異的性能。
圖17顯示分別在由箭頭714-715，和716-717確定的平面中第一和第二閥面中轉(zhuǎn)子704的端口。吸附劑端口730提供直接從每個吸附器的第一或第二端分別到第一或第二閥面的流體連通。
圖18顯示在由箭頭714-715確定的平面中的，第一閥面710中第一定子708的第一定子閥面800。顯示流體連接到從入口過濾器802引入原料空氣的原料壓縮機(jī)801，和連接到輸送氮富集第二產(chǎn)物到第二產(chǎn)物輸送導(dǎo)管804的排氣器803。顯示壓縮機(jī)801和排氣器803連接到驅(qū)動電機(jī)805上。
箭頭720指示吸附器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。在圓周密封件805和806之間的環(huán)形閥面中，對原料和排氣隔間開有端口的第一定子閥面800的開放區(qū)域指示為清楚的角向部分811-816，相應(yīng)于識別為相同附圖標(biāo)記811-816的直接連通到功能隔間的第一功能端口。在功能隔間之間閥面800的基本關(guān)閉區(qū)域指示為陰影部分818和819，它們是具有零間隙，或優(yōu)選窄間隙的滑塊以降低摩擦和磨損而沒有過量泄漏。典型的關(guān)閉部分818提供在對隔間814打開和對隔間815打開之間吸附器的過渡。通過逐漸減少滑塊和密封面之間的間隙槽提供漸增的打開，以達(dá)到對新隔間打開的吸附器的平穩(wěn)的壓力平衡。當(dāng)從另一端進(jìn)行加壓或排料時，提供更寬的關(guān)閉部分(如819)以基本關(guān)閉到吸附器一端的流動或從吸附器一端的流動。
原料壓縮機(jī)提供原料空氣到原料加壓隔間811和812，和到原料生產(chǎn)隔間813。隔間811和812具有連續(xù)增加的工作壓力，而隔間813處于PSA循環(huán)的更高工作壓力下。因此壓縮機(jī)801可以是輸送適當(dāng)體積原料流到每個隔間的多級或分流壓縮機(jī)系統(tǒng)，以通過隔間811和812的中等壓力水平達(dá)到吸附器的加壓，然后通過隔間813實(shí)現(xiàn)最終加壓和生產(chǎn)?？梢源?lián)提供分流壓縮機(jī)系統(tǒng)作為含有中間階段輸送端口的多級壓縮機(jī)，或作為并聯(lián)的多個壓縮機(jī)或壓縮氣缸，每個輸送原料空氣到隔間811-813的工作壓力。或者，壓縮機(jī)801可輸送所有的原料空氣到更高的壓力，同時節(jié)流一些那樣的空氣以在它們各自的中等壓力下供應(yīng)原料加壓隔間811和812。
相似，排氣器803從在那些隔間連續(xù)降低的工作壓力下的逆流排料隔間814和815，和最終從在循環(huán)的更低壓力下的排氣隔間816排出氮富集重產(chǎn)物氣體。相似于壓縮機(jī)801，排氣器803可以提供為多級或分流機(jī)器，各級串聯(lián)或并聯(lián)以接收在下降到更低壓力的適當(dāng)中間壓力下的每個流。
在圖18的實(shí)施例實(shí)施方案中，更低壓力是環(huán)境壓力，故排氣隔間816直接排氣到重產(chǎn)物輸送導(dǎo)管804。排氣器803因此提供壓力減低且從逆流排料隔間814和815的能量回收協(xié)助電機(jī)805。為簡便起見，排氣器803可由節(jié)流孔口代替作為從隔間814和815的逆流排料壓力減低裝置。
在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，PSA循環(huán)的更低壓力是低于大氣壓。然后排氣器803提供為真空泵，如圖19所示。再次，真空泵可以是多級或分流，且為單獨(dú)的級串聯(lián)或并聯(lián)，以接收在工作壓力下離開它們隔間的逆流排料流，所述工作壓力大于為最深真空壓力的更低壓力。在圖19中，來自隔間814的稍早逆流排料流在環(huán)境壓力下直接釋入到重產(chǎn)物輸送導(dǎo)管804。如果為簡便起見使用單級真空泵，會將來自隔間815的逆流排料流通過孔口節(jié)流到更低的壓力以在真空泵入口處加入來自隔間816的流。
圖20和21顯示在圖15截面716-717的第二定子閥面。閥面的打開端口是直接連通到第二定子中輕產(chǎn)物輸送隔間821、許多輕回流出口隔間822，823，824和825、和相同數(shù)目輕回流返回隔間826，827，828和829的第二閥功能端口。第二閥功能端口是在由圓周密封件831和832確定的環(huán)形環(huán)中。每對輕回流出口和返回隔間提供一級輕回流壓力減低，分別用于回填，全部或部分壓力平衡和共流排料以凈化的供應(yīng)的PSA工藝功能。
說明采用能量回收的輕回流壓力減低的選擇，分流輕回流膨脹器840示于圖15和20中以提供采用能量回收的四個輕回流級的壓力減低。輕回流膨脹器提供四個輕回流級每個的壓力減低，分別在所示的輕回流出口和返回隔間822和829，823和828，824和827，和825和826之間。輕回流膨脹器840可通過驅(qū)動軸846向輕產(chǎn)物增壓壓縮機(jī)845提供動力，該壓縮機(jī)將氧富集輕產(chǎn)物輸送到氧氣輸送導(dǎo)管847和壓縮到大于PSA循環(huán)更高壓力的輸送壓力。說明采用能量回收的輕回流壓力減低的選擇，提供分流輕回流膨脹器840以提供采用能量回收的四個輕回流級的壓力減低。輕回流膨脹器用作四個輕回流級每個的壓力減低裝置，分別在所示的輕回流出口和返回隔間822和829，823和828，824和827，和825和826之間。
輕回流膨脹器840通過驅(qū)動軸846聯(lián)結(jié)到輕產(chǎn)物壓力增壓壓縮機(jī)845上。壓縮機(jī)845接收來自導(dǎo)管725的輕產(chǎn)物，和輸送輕產(chǎn)物(壓縮到大于PSA循環(huán)更高壓力的輸送壓力)到輸送導(dǎo)管250。由于輕回流和輕產(chǎn)物兩者是具有大約相同純度的富含氧氣流，膨脹器840和輕產(chǎn)物壓縮機(jī)845可以密封封閉在單一殼體中，該殼體可以方便地與圖15所示第二定子成為整體。由于可以達(dá)到產(chǎn)物氧氣的有用壓力提高而沒有外部電機(jī)和相應(yīng)的軸密封，沒有單獨(dú)驅(qū)動電機(jī)的“渦輪壓縮機(jī)”氧氣增壓器的配置是有利的，且當(dāng)設(shè)計(jì)成在非常高軸速度下操作時也可以非常緊湊。
圖21顯示使用節(jié)流孔口850作為每個輕回流級壓力減低裝置的更簡單情況。
轉(zhuǎn)回圖15，如由箭頭825所示將壓縮的原料空氣提供到隔間813，同時如由箭頭826所示將氮?dú)飧患禺a(chǎn)物從隔間817排出。轉(zhuǎn)子由第一定子708中轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸862上的軸承860與軸密封件861支撐，它整體地與第一和第二閥定子裝配。吸附器轉(zhuǎn)子由作為轉(zhuǎn)子驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電機(jī)863驅(qū)動。
由于穿過第二閥面711上外圓周密封件831的泄漏可危害富集氧氣的純度，和更重要地可允許大氣濕度進(jìn)入吸附器的第二端，它可失活氮?dú)膺x擇性吸附劑，因此提供緩沖密封件870以提供密封件831和871之間緩沖腔871的更可靠密封。干燥劑873(如氧化鋁、硅膠、氫氧化鈉、氫氧化鉀、高氯酸鎂、氧化鋇、五氧化二磷、氯化鈣、硫酸鈣、氧化鈣、或氧化鎂)可以包括在緩沖腔871中以提供更多的水分防護(hù)。盡管在第二閥面一些區(qū)域中的工作壓力可以低于大氣壓(在真空泵用作排氣器803的情況下)，采用干燥富集氧產(chǎn)物在肯定大于大氣壓的緩沖壓力下填充緩沖腔。因此，干燥氧氣向外的少量泄漏可發(fā)生，但潮濕空氣不可能泄漏入緩沖腔。為進(jìn)一步最小化泄漏和降低密封摩擦扭矩，緩沖密封件871在比圓周密封件831直徑小得多的直徑下密封在密封面872上。緩沖密封件870密封在吸附器轉(zhuǎn)子704的轉(zhuǎn)子延伸部分875和第二閥定子709的密封面872之間，轉(zhuǎn)子延伸部分875封閉第二閥定子709的后部以形成緩沖腔871。定子外殼元件880提供為第一閥定子8和第二閥定子709之間的結(jié)構(gòu)連接。
圖22圖22顯示旋轉(zhuǎn)PSA實(shí)施方案的軸向截面，其中吸附器和吸附器主體外殼904是靜止的，而第一和第二分配器閥體是分別與第一閥面910和第二閥面911配合的第一閥轉(zhuǎn)子908和第二閥轉(zhuǎn)子909。第一閥轉(zhuǎn)子908由電機(jī)1063通過軸1062驅(qū)動，而第二閥轉(zhuǎn)子9由連接軸1110驅(qū)動。由于圖16-21中的箭頭720指示吸附器殼體904相對于分配器閥體相對運(yùn)動的方向，當(dāng)參考靜止外殼904時，用于圖22靜止吸附器實(shí)施方案的閥轉(zhuǎn)子908和909的旋轉(zhuǎn)可為箭頭720的相反方向。第一閥轉(zhuǎn)子908安裝在第一閥外殼1112中，第二閥轉(zhuǎn)子909安裝在第二閥外殼214中。外殼1112和1114與吸附器外殼904組裝以形成PSA組件901的完全壓力封閉機(jī)殼。
用于采用靜止吸附器的實(shí)施方案的第一和第二旋轉(zhuǎn)分配器閥的另外閥配置和壓力平衡設(shè)備由Keefer等人描述在U.S.專利No.6,063,161中，該文獻(xiàn)的公開內(nèi)容在此引入。
對于其中將原料提供到第一閥體的所有外部連接的流動功能，將廢氣從第一閥體抽出，或?qū)怏w從第二閥體抽出或返回第二閥體，對于每個這樣的流動功能提供流體轉(zhuǎn)移腔，以建立從外殼到用于該功能轉(zhuǎn)子的流體連通。每個流體轉(zhuǎn)移腔是閥轉(zhuǎn)子或它的外殼中的環(huán)形腔室，在轉(zhuǎn)子所有角向位置上在轉(zhuǎn)子中功能隔間和連接到外殼的相應(yīng)外部導(dǎo)管之間提供流體連通。對于每個這樣的流體轉(zhuǎn)移腔必須提供旋轉(zhuǎn)密封件以防止泄漏。旋轉(zhuǎn)吸附器實(shí)施方案的特別優(yōu)點(diǎn)是這樣的流體轉(zhuǎn)移腔和相關(guān)密封件的取消，這是由于在那些實(shí)施方案中第一和第二閥體是靜止的，可以直接連接到外部流動功能。
原料轉(zhuǎn)移腔1120在原料導(dǎo)管1081和第一閥轉(zhuǎn)子908中的功能隔間1013之間連通，排氣轉(zhuǎn)移腔1122連通到排氣導(dǎo)管1082和第一閥轉(zhuǎn)子908中的功能隔間1016。轉(zhuǎn)移腔1120和1122由旋轉(zhuǎn)密封件1124分隔。此配置適于單級原料壓縮機(jī)1001和單級排氣器1003。在第一閥面910的窄間隙可從隔間1013經(jīng)過相應(yīng)于圖18和19中的隔間812和811的環(huán)形部分，和從隔間1016經(jīng)過相應(yīng)于圖18和19中的隔間815和814的環(huán)形部分延伸，以提供對隔間1013或1016打開的每個吸附器的平穩(wěn)加壓和減壓的節(jié)流。盡管可以提供另外的轉(zhuǎn)移腔用于另外的壓縮或排氣級，應(yīng)理解采用旋轉(zhuǎn)吸附器實(shí)施方案可避免此復(fù)雜情況。
產(chǎn)物轉(zhuǎn)移腔1126在產(chǎn)物輸送導(dǎo)管1047和第二閥轉(zhuǎn)子909中的功能隔間1021之間連通。提供旋轉(zhuǎn)密封件1127用于轉(zhuǎn)移腔1126。對于每個輕回流級的出口和返回可以成對提供另外的轉(zhuǎn)移腔。如果如圖20所示提供輕回流膨脹器840，這可能是必須的。然而，在靜止吸附器實(shí)施方案中更為簡單以避免在用于輕回流級的第二閥轉(zhuǎn)子909和它的外殼1114之間的流體轉(zhuǎn)移。對于靜止吸附器實(shí)施方案，因此優(yōu)選使用節(jié)流孔口850用于如圖21所示的每個輕回流級的壓力減低，這些孔口850安裝在轉(zhuǎn)子909中使得對于輕回流不要求轉(zhuǎn)子909和外殼1114之間的流體轉(zhuǎn)移。一個這樣的孔口1050示于圖22，對輕回流出口隔間1025的連接在截面之外，因此未在圖22中示出。
軸向流動氧氣富集PSA單元采用在30℃的空氣原料測量相似于圖15組件701的軸向流動旋轉(zhuǎn)氧氣富集PSA組件的特定生產(chǎn)率和收率。組件具有18L的總體積(不包括壓縮機(jī)，真空泵，和轉(zhuǎn)子驅(qū)動電機(jī))，和8.2L的包含吸附器的體積。特定生產(chǎn)率定義為吸附器體積每小時每升輸送的包含產(chǎn)物氧氣的正常升數(shù)，收率定義為來自原料空氣中的氧氣、包含在產(chǎn)物中的氧氣的分?jǐn)?shù)回收率。
在100次循環(huán)/分鐘的循環(huán)頻率下采用壓縮到1.5巴絕壓的原料空氣和在0.5巴絕壓下的真空排氣，在真空PSA模式中操作，獲得在70％純度下的氧氣產(chǎn)物，特定生產(chǎn)率為1500NL/L-小時，收率為47％。
在100次循環(huán)/分鐘的循環(huán)頻率下采用壓縮到1.5巴絕壓的原料空氣和在0.5巴絕壓下的真空排氣，在真空PSA模式中操作，獲得在70％純度下的氧氣產(chǎn)物，特定生產(chǎn)率改進(jìn)到1650NL/L-小時和收率改進(jìn)到50.5％。
在100次循環(huán)/分鐘的循環(huán)頻率下采用壓縮到1.7巴絕壓的原料空氣和在0.32巴絕壓下的真空排氣，在真空PSA模式中操作，獲得在80％純度下的氧氣產(chǎn)物，特定生產(chǎn)率為2500NL/L-小時，收率為56％。
在100次循環(huán)/分鐘的循環(huán)頻率下采用壓縮到3巴絕壓的原料空氣和在大氣壓下的排氣，在正壓PSA模式中操作，獲得在80％純度下的氧氣產(chǎn)物，特定生產(chǎn)率為1320NL/L-小時，收率為25.5％。
在100次循環(huán)/分鐘的循環(huán)頻率下采用壓縮到3巴絕壓的原料空氣和在大氣壓下的排氣，在正壓PSA模式中操作，獲得在70％純度下的氧氣產(chǎn)物，特定生產(chǎn)率為1750NL/L-小時，收率為33％。
為了比較，使用粒狀吸附劑的常規(guī)氧氣工業(yè)真空PSA和PSA系統(tǒng)在僅為約1次循環(huán)/分鐘的循環(huán)頻率下操作，達(dá)到約30NL/L-小時的特定生產(chǎn)率。對于現(xiàn)有技術(shù)旋轉(zhuǎn)PSA設(shè)備已經(jīng)報導(dǎo)了130-170NL/L-小時的特定生產(chǎn)率(參見Vigor等人，U.S.專利No.5,658,370)。Keller等人(U.S.專利No.4,354,859)通過在45-50次循環(huán)/分鐘的循環(huán)頻率下操作，采用40-80目沸石的粒狀吸附劑達(dá)到210-270NL/L-小時的氧氣特定生產(chǎn)率。
采用公開內(nèi)容的軸向流動旋轉(zhuǎn)PSA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的高特定生產(chǎn)率因此基本好于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)一到兩個完全數(shù)量級。來自公開的緊湊PSA單元的高生產(chǎn)率對于汽車燃料電池應(yīng)用是重要的，而現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備體積太大和太重不能考慮用于這樣的應(yīng)用。
注意到由本發(fā)明提供用于燃料電池系統(tǒng)的PSA設(shè)備的極端緊湊性由如下方式達(dá)到在高循環(huán)頻率(大于50次循環(huán)每分鐘，和更優(yōu)選大于100次循環(huán)每分鐘)下操作以及如下的兩個方面獲得旋轉(zhuǎn)的PSA機(jī)構(gòu)和由薄吸附劑片形成的含有位于其間的窄槽的吸附劑組件。在1500NL/L-小時的特定生產(chǎn)率下，上述PSA單元從僅16L的組件體積輸送約200NL/min包含的氧氣。此氧氣流量會滿足40kW燃料電池，或如果通過共混旁路空氣與PSA產(chǎn)物氧氣而提供另外的氧氣，滿足甚至更大的燃料電池。
氫氣精制PSA由于成功地除去雜質(zhì)到不會與PEM燃料電池不相容的水平，氫氣精制PSA是特別有利的。這樣的雜質(zhì)包括對于從化工裝置廢氣的化石燃料重整或氫氣回收是固有的許多化合物。例如，幾種特別有問題的化合物，如氨、一氧化碳、硫化氫、甲醇蒸氣、和氯氣有效地由PSA除去。
在靜止和汽車應(yīng)用中甲醇是PEM燃料電池的優(yōu)選原料。甲醇的蒸汽重整產(chǎn)生原氫氣或包含氫氣，二氧化碳和顯著水平的一氧化碳和未反應(yīng)甲醇的合成氣。已經(jīng)在包含大約1％一氧化碳，甲醇蒸氣，和水汽以及作為主要雜質(zhì)的二氧化碳的合成甲醇合成氣上測試過本公開內(nèi)容的氫氣PSA。
其它烴(如天然氣，汽油，或柴油燃料)的自熱重整，蒸汽重整或部分氧化恒定地產(chǎn)生原氫氣或包含二氧化碳和經(jīng)常作為主要雜質(zhì)的氮?dú)?，與一氧化碳和經(jīng)常作為潛在有害污染物的硫化氫的合成氣。所有這些雜質(zhì)可以適當(dāng)?shù)赜杀竟_內(nèi)容的氫氣PSA單元除去。
氫氣PSA單元除去嚴(yán)重有害組分如一氧化碳，甲醇蒸氣和硫化氫的能力對于PEM燃料電池是最重要的，通過允許在燃料電池電解質(zhì)上的更低貴金屬催化劑填充劑，以延伸它們的工作壽命，改進(jìn)它們的可靠性，和潛在地也降低它們的成本。
氫氣PSA單元除去主要雜質(zhì)如二氧化碳和氮?dú)獾哪芰υ试S燃料電池采用較高的氫氣分壓和采用更小的陰極清除流操作，因此改進(jìn)電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化效率同時也改進(jìn)燃料電池陽極槽中氫氣的利用。
以上描述用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的說明目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)想對所述實(shí)施方案的某些添加，刪除和/或改進(jìn)，它們盡管未在此具體描述過或提及過，但并不背離由所附權(quán)利要求確定的本發(fā)明精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種電流發(fā)生系統(tǒng)，包括至少一個燃料電池；和至少一個連接到燃料電池上用于向燃料電池輸送氣體原料的氣體輸送系統(tǒng)，氣體輸送系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)壓力回轉(zhuǎn)吸附組件；該組件包括多個用于接收其中吸附劑材料的流動通道和含有縱向軸線的轉(zhuǎn)子，吸附劑材料優(yōu)選用于相對于第二氣體組分、響應(yīng)于流動通道中的增加壓力而吸附第一組分，多個流動通道與轉(zhuǎn)子的軸線對準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電流發(fā)生系統(tǒng)，其中氣體輸送系統(tǒng)選自氧氣輸送系統(tǒng)或氫氣輸送系統(tǒng)。
3.一種電流發(fā)生系統(tǒng)，包括至少一個燃料電池；和至少一個連接到燃料電池上用于向燃料電池輸送氣體原料的氣體輸送系統(tǒng)，氣體輸送系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)壓力回轉(zhuǎn)吸附組件，該組件包括多個吸附器，吸附器含有分別連通到第一閥面和第二閥面的第一和第二端，位于吸附器殼體中的多個吸附器與分別在第一和第二閥面與吸附器殼體密封配合的第一和第二閥體配合，其中第一和第二閥體相對于吸附器殼體旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電流發(fā)生系統(tǒng)，其中氣體輸送系統(tǒng)選自氧氣輸送系統(tǒng)或氫氣輸送系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電流發(fā)生系統(tǒng)，其中氣體輸送系統(tǒng)包括氧氣輸送系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)壓力回轉(zhuǎn)吸附組件，所述組件還包括轉(zhuǎn)移腔，轉(zhuǎn)移腔提供在第一閥體分別與原料氣體入口導(dǎo)管和排氣排放導(dǎo)管之間的流體連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的電流發(fā)生系統(tǒng)，其中氣體輸送系統(tǒng)包括氧氣輸送系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)壓力回轉(zhuǎn)吸附組件，所述組件還包括轉(zhuǎn)移腔，轉(zhuǎn)移腔提供在第二閥體和產(chǎn)物氧氣出口之間的流體連通。
7.一種電流發(fā)生系統(tǒng)，包括包括陽極槽和陰極槽的燃料電池，陽極槽包括用于接收氫氣供應(yīng)的陽極氣體入口，陰極槽包括陰極氣體入口和陰極氣體出口；和連接到陰極氣體入口上用于向陰極槽輸送富含氧氣的氣體流的氧氣輸送系統(tǒng)，氧氣輸送系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)壓力回轉(zhuǎn)吸附系統(tǒng)可產(chǎn)生具有第一氧氣純度的富含氧氣的氣體流且流體連接到陰極氣體入口上，氧氣輸送系統(tǒng)還包括用于混合壓縮空氣與陰極氣體入口富含氧上流的氣體流的壓縮空氣入口，因此形成具有比第一氧氣純度低的第二氧氣純度的陰極原料氣體流。
全文摘要
由燃料電池，和氧氣輸送裝置組成電發(fā)生系統(tǒng)。燃料電池包括含有用于接收氫氣供應(yīng)的陽極氣體入口的陽極槽，含有陰極氣體入口和陰極氣體出口的陰極槽，和與陽極槽及陰極槽連通用于進(jìn)行陽極槽和陰極槽之間離子交換的電解質(zhì)。氧氣輸送系統(tǒng)連接到陰極氣體入口上并向陰極槽輸送氧氣。電流發(fā)生系統(tǒng)也包括氣體再循環(huán)機(jī)構(gòu)，氣體再循環(huán)機(jī)構(gòu)連接到陰極氣體出口上用于將一部分從陰極氣體出口排出的陰極排氣再循環(huán)到陰極氣體入口。
文檔編號H01M8/06GK1459136SQ02800669
公開日2003年11月26日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月14日
發(fā)明者鮑伊·G·基弗, 克里斯托弗·R·麥克萊恩, 麥克·J·布朗 申請人:探索空氣技術(shù)公司