專利名稱：基于溫度的擊穿檢測和變壓吸附系統(tǒng)以及包含其的燃料處理系統(tǒng)的制作方法
基于溫度的擊穿檢測和變壓吸附系統(tǒng)以及包含其的燃料處理系統(tǒng) 相關(guān)申請本申請要求享有2004年12月20日提交的美國臨時專利申請系列號 No.60/638，086以及2005年2月10日提交的美國專利申請系列號 No.ll/055，843的優(yōu)先權(quán)。上述專利申請的全部內(nèi)容在此引入作為各種用途 的參考。發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明的公開內(nèi)容通常涉及變壓吸附系統(tǒng)以及含有該系統(tǒng)的產(chǎn)氬系 統(tǒng)和/或電池系統(tǒng)，且更具體地說，涉及利用基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)的此 類系統(tǒng)。發(fā)明背景產(chǎn)氫組件是將一種或更多種原料轉(zhuǎn)化成含有作為主要成分的氫氣的 產(chǎn)物流的組件。產(chǎn)生的氫氣可以用于多種用途。 一種這樣的用途是產(chǎn)生能 量，如電化學(xué)燃料電池。電化學(xué)燃料電池是將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化成電、反 應(yīng)產(chǎn)物和熱的裝置。例如，燃料電池可以將氫和氧轉(zhuǎn)化成水和電。在這樣 的燃料電池中，氫是燃料，氧是氧化劑，而水是反應(yīng)產(chǎn)物。燃料電池通常 要求高純度的氫氣以防止燃料電池在使用時遭到損壞。來自產(chǎn)氬組件的產(chǎn) 物流可以含有雜質(zhì)，雜質(zhì)的示例包括一氧化碳、二氧化碳、曱烷、未反應(yīng) 的原料和水中的一種或更多種。因此，在許多常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中需要 包括用于從產(chǎn)物氫氣流中除去雜質(zhì)的合適結(jié)構(gòu)。變壓吸附(PSA)法是可用于通過從不純氫氣流中除去雜質(zhì)的機理的 實施例，該機理是通過選擇性吸附一種或更多種存在于所述不純氫氣流中
的雜質(zhì)。吸附的雜質(zhì)隨后可以被解吸附并從PSA組件中除去。PSA是利用 多個吸附床的壓力驅(qū)動的分離過程。所述床通過一系列步驟循環(huán)，如加壓、 分離(吸附)、減壓(解吸附)和凈化步驟，以選擇性地從氫氣中除去雜質(zhì)并然后解吸附所述雜質(zhì)。當(dāng)使用PSA組件的時候，關(guān)注的是防止擊穿，所述擊穿是指當(dāng)床內(nèi)吸附劑被所吸附的雜質(zhì)充分飽和時，雜質(zhì)穿過床并由 此留在氫氣中，而不是被留在床內(nèi)。通常來說，防止擊穿需要昂貴的基于成分的檢測器，如一氧化碳檢測器，以確定即使少量百萬分之一 (ppm) 的一氧化碳何時通過床，或者需要故意降低PSA組件的性能。這樣，意味 著PSA組件低效操作，其中各床僅以其容量的一部分用作吸附雜質(zhì)以提供 未使用吸附劑的可能寬的富余部分，并從而有望防止擊穿。此方法的一個 優(yōu)勢在于所需的成本和設(shè)備減少了；然而，特別是當(dāng)發(fā)現(xiàn)由于故障或產(chǎn)氫 組件內(nèi)別的地方的其他原因使待凈化的流的成分發(fā)生波動時，系統(tǒng)的實際 擊穿檢測的缺乏和操作的低效可能會重于成本和設(shè)備的節(jié)約。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的公開內(nèi)容涉及具有基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)的PSA組件，以 及包含其的產(chǎn)氫組件和/或燃料電池系統(tǒng)，以及操作其的方法。PSA組件包 括至少一個含有吸附區(qū)的吸附床，通常是包括多個吸附床，所述吸附區(qū)域 含有適合于從含有作為主要成分的氫氣和其他氣體的混合氣體流中去除 雜質(zhì)的吸附劑。所述混合氣體流可由燃料處理系統(tǒng)的產(chǎn)氬區(qū)產(chǎn)生，PSA組 件可產(chǎn)生由燃料電池堆所消耗的產(chǎn)物氫氣流，以提供產(chǎn)生電流的燃料電池 系統(tǒng)。PSA組件包括基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)，其適合于監(jiān)測至少一個與少PSA組件的操作，并任選地控制與其一起使用的產(chǎn)氬組件和/或燃料電 池系統(tǒng)的其他部件。所述擊穿檢測系統(tǒng)可實施來控制至少PSA組件的操 作，以防止實際擊穿的發(fā)生。在一些實施方案中，至少部分地響應(yīng)于測量 溫度，所述系統(tǒng)可適合于停止PSA組件和/或產(chǎn)生至少一種警報或其他通 知。在一些實施方案中，檢測系統(tǒng)適合于確定PSA組件所采用的至少吸附 步驟的時間，如果不是確定總的PSA循環(huán)時間的話。在一些實施方案中，
所述檢測系統(tǒng)適合于至少部分地響應(yīng)于測量溫度和/或擊穿狀況的檢測而 調(diào)節(jié)總的PSA循環(huán)時間和/或其部件。在一些實施方案中，將所述測量溫 度與參考溫度相比較。在一些實施方案中，所述參考溫度是PSA組件的吸 附劑或其他部分的另一測量溫度。在一些實施方案中，所述參考溫度是之 前測量的溫度或選擇的溫度，包括存儲的溫度或閾值。附圖簡述

圖1是能量產(chǎn)生和消耗組件的示例性實施例的示意圖，所述組件包括 具有相關(guān)原料輸送系統(tǒng)和燃料處理系統(tǒng)的產(chǎn)氫組件，以及燃料電池堆和能 量消耗裝置。圖2是產(chǎn)氫組件的示意圖，其形式為適合于產(chǎn)生重整流的蒸汽重整器， 所述重整流含有來自水和至少一種含碳原料的氫氣和其他氣體。圖3是燃料電池的示意圖，例如可以形成與根據(jù)本公開內(nèi)容的產(chǎn)氫組 件一起使用的燃料電池堆的部分。圖4是變壓吸附組件的示意圖，所述變壓吸附組件包括根據(jù)本公開內(nèi) 容的基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)。圖5是可以與根據(jù)本公開內(nèi)容的PSA組件一起使用的吸附床的橫截面 示意圖。圖6是可以與根據(jù)本公開內(nèi)容的PSA組件一起使用的另 一吸附床的橫 截面示意圖。圖7是可以與根據(jù)本公開內(nèi)容的PSA組件一起使用的另 一吸附床的橫 截面示意圖。圖8是圖6的吸附床的橫截面示意圖，且示意性地指明了傳質(zhì)區(qū)(mass transfer zone )。圖9是圖8的吸附床的橫截面示意圖，且所述傳質(zhì)區(qū)沿床的吸附區(qū)朝 向所述吸附區(qū)的遠端或產(chǎn)物端移動。圖10是PSA組件的一部分的橫截面示意圖，所述部分包括根據(jù)本公
開內(nèi)容的至少一個吸附床和基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)。圖11是PSA組件的一部分的橫截面示意圖，所述部分包括根據(jù)本公 開內(nèi)容的至少一個吸附床和基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)。圖12是PSA組件的一部分的橫截面示意圖，所述部分包括至少一個 吸附床和根據(jù)本公開內(nèi)容的基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)。發(fā)明詳述和聶佳實施方式圖1示意性地闡述了能量產(chǎn)生和消耗組件56。能量產(chǎn)生和消耗組件 56包括能量產(chǎn)生系統(tǒng)22和至少一個適合于向能量產(chǎn)生系統(tǒng)22施加負載的 能量消耗裝置52。在所闡述的實施例中，能量產(chǎn)生系統(tǒng)22包括燃料電池 堆24和產(chǎn)氫組件46?？梢圆捎贸^一個的任何所示部件而并不背離本發(fā) 明的范圍。能量產(chǎn)生系統(tǒng)可以包括未在示意圖中具體闡述的其他部件，例 如空氣輸送系統(tǒng)、換熱器、傳感器、控制器、流量調(diào)節(jié)裝置、燃料和/或原 料輸送組件、加熱組件、冷卻組件等。系統(tǒng)22還可以被稱為燃料電池系 統(tǒng)。如本文更詳細討論的，根據(jù)本公開內(nèi)容的產(chǎn)氬組件和/或燃料電池系統(tǒng) 包括分離組件，所述分離組件包括至少 一個適合于提高在所述產(chǎn)氫組件中 產(chǎn)生和/或在燃料電池堆中消耗的氬氣的純度的變壓吸附組件(PSA)。在 PSA方法中，從含有氫氣的流中除去氣體雜質(zhì)。PSA基于下述原理在適 當(dāng)溫度和壓力條件下，某些氣體將比其他氣體更牢固地吸附到吸附材料 上。這些雜質(zhì)可隨后被解吸附和除去，例如以副產(chǎn)物流的形式。使用PSA 凈化氫的成功是由于普通雜質(zhì)氣體(例如但不限于CO、 C02、包括CH4 在內(nèi)的碳氫化合物和N2)能相對牢固地吸附到吸附材料上。氫只是非常微 弱地吸附，因此，氫可以穿過吸附床，而雜質(zhì)則被保留在吸附材料上。如本文更具體討^論的，PSA方法通常包括至少加壓、分離(吸附)、 減壓(解吸附)和凈化步驟或過程的重復(fù)或循環(huán)應(yīng)用，以選擇性地從氬氣 中除去雜質(zhì)并然后解吸附雜質(zhì)。因此，PSA方法可以被描述為適合于重復(fù) 實現(xiàn)PSA循環(huán)的步驟或P介段，例如上述步驟?；旌蠚饬鞯膲毫透碑a(chǎn)物流
的壓力之間的壓力差異影響分離的程度。因此，解吸附步驟將通常包括降 低含有吸附氣體的PSA組件部分中的壓力，并甚至可以任選地包括將所述 組件的那一部分抽真空(即，降低壓力至低于大氣壓或環(huán)境壓力)。類似 地，增加混合氣流至PSA組件的吸附區(qū)的進料壓力可以有利地影響吸附步 驟中的分離程度。如圖1中示意性描述的，產(chǎn)氬組件46包括至少燃料處理系統(tǒng)64和原 料輸送系統(tǒng)58,以及相關(guān)的互連系統(tǒng)不同部件的流體管道。如本文使用的， 術(shù)語"產(chǎn)氫組件"可用以指燃料處理系統(tǒng)64和能量產(chǎn)生系統(tǒng)的相關(guān)部件， 例如原料輸送系統(tǒng)58、加熱組件、分離區(qū)或裝置、空氣輸送系統(tǒng)、燃料輸 送系統(tǒng)、流體管道、換熱器、冷卻組件、傳感器組件、流量調(diào)節(jié)器、控制 器等。根據(jù)本公開內(nèi)容，并不要求所有這些示例性部件都包括在任何產(chǎn)氫 組件中或與任何燃料處理系統(tǒng)一起使用。類似地，其他部件也可以包括在 產(chǎn)氫組件中或作為產(chǎn)氫組件的部分而使用。不論其結(jié)構(gòu)或組成，原料輸送系統(tǒng)58適合于經(jīng)由一股或更多股流將 一種或更多種原料輸送至燃料處理系統(tǒng)64， 一般可以將這些一股或更多股 流稱為原料供應(yīng)流68。在下述討論中，所做說明可能只針對一股原料供應(yīng) 流，但可以使用兩股或更多股相同或不同成分的這種流，也在本公開內(nèi)容 的范圍內(nèi)。在一些實施方案中，可以通過吹風(fēng)機、風(fēng)扇、壓縮機或其他適 當(dāng)?shù)目諝廨斔拖到y(tǒng)將空氣供應(yīng)至燃料處理系統(tǒng)64，和/或可以從分離的水 源遞送水流。燃料處理系統(tǒng)64包括被設(shè)置成從原料供應(yīng)流68產(chǎn)生氫氣的任何適當(dāng) 的裝置和/或結(jié)構(gòu)。如圖l所示意描性述的，燃料處理系統(tǒng)64包括產(chǎn)氬區(qū) 70。因此，燃料處理系統(tǒng)64可被描述為包括從原料供應(yīng)流產(chǎn)生富氫流 (hydrogen-rich stream) 74的產(chǎn)氫區(qū)70，所述富氫流74包括作為主要成 分的氫。雖然流74含有氫作為其主要成分，但其還可以含有其他氣體， 并因此可以被稱為含有氬氣和其他氣體的混合氣體流。這些其他氣體或雜 質(zhì)的示性性、非排他性例子包括一種或更多種下述示例性雜質(zhì) 一氧化碳、 二氧化碳、水、甲烷和未反應(yīng)的原料。從原料供應(yīng)流68產(chǎn)生氫氣的適當(dāng)機理的示例包括蒸汽重整和自熱重
整，其中使用重整催化劑以從含有水和至少一種含碳原料的原料供應(yīng)流68 產(chǎn)生氫氣。用于產(chǎn)生氫氣的適當(dāng)機理的其他實例包括含碳原料的熱解和催化部分氧化，在這種情況下，原料供應(yīng)流68不含水。用于產(chǎn)生氫氣的另一適當(dāng)機理是電解，在這種情況下，原料是水。適當(dāng)?shù)暮荚系氖纠?括至少一種碳氪化合物或醇。適當(dāng)碳氬化合物的示例包括曱烷、丙烷、天 然氣、柴油、煤油、汽油等。適當(dāng)醇的示例包括曱醇、乙醇和多元醇，例 如乙二醇和丙二醇。產(chǎn)氫組件46可在產(chǎn)氫區(qū)70利用超過一種的產(chǎn)氫機理，并且產(chǎn)氫組件 46可包括超過一個的產(chǎn)氬區(qū)。這些機理的每一種都由產(chǎn)氮組件46中不同 的熱動力平衡所驅(qū)動，并導(dǎo)致產(chǎn)氬組件46中不同的熱動力平衡。因此， 產(chǎn)氫組件46可進一步包括溫度調(diào)節(jié)組件71,例如加熱組件和/或冷卻組件。 溫度調(diào)節(jié)組件71可被設(shè)置成燃料處理系統(tǒng)64的部分，或者溫度調(diào)節(jié)組件 71可以是與產(chǎn)氬區(qū)70熱連通和/或流體連通的外部部件。溫度調(diào)節(jié)組件71 可消耗燃料流，以例如產(chǎn)生熱。雖然在本公開內(nèi)容的所有實施方案中不是 必須的，但燃料流可以由原料輸送系統(tǒng)輸送。例如，如圖l中陰影線所指 示的，可以從原料輸送系統(tǒng)58經(jīng)由燃料供應(yīng)流69接收該燃料或原料。燃 料供應(yīng)流69可以包括可燃性燃料，或者可替換地，包括流體以促進冷卻。 溫度調(diào)節(jié)組件71還可從諸如其他儲存罐的其他源或供應(yīng)流接收它的一些 或所有原料。溫度調(diào)節(jié)組件71還可以從任何適當(dāng)?shù)脑唇邮湛諝饬?，所?源包括使用所述組件的環(huán)境。吹風(fēng)機、風(fēng)扇和/或壓縮機可用以用于提供空 氣流，但這并不是對所有實施方案都是必須的。溫度調(diào)節(jié)組件71可以包括一個或更多個換熱器、燃燒器、燃燒系統(tǒng) 和其他用于為燃料處理系統(tǒng)的區(qū)域和/或組件56的其他部分供熱的裝置。 根據(jù)產(chǎn)氫組件46的結(jié)構(gòu)，溫度調(diào)節(jié)組件71還可以或者可替換地包括換熱 器、風(fēng)扇、吹風(fēng)機、冷卻系統(tǒng)和其他用于冷卻燃料處理系統(tǒng)64的區(qū)域或 組件56其他部分的裝置。例如，當(dāng)燃料處理系統(tǒng)64配備有基于蒸汽重整 或另一吸熱反應(yīng)的產(chǎn)氫區(qū)70時，溫度調(diào)節(jié)組件71可以包括用于供熱以將 產(chǎn)氫區(qū)70和其他部件的溫度保持在適當(dāng)范圍內(nèi)的系統(tǒng)。當(dāng)燃料處理系統(tǒng)配備有基于催化部分氧化或另 一放熱反應(yīng)的產(chǎn)氫區(qū)70時，溫度調(diào)節(jié)組件71可以包括用于除熱，即提供冷卻，以將燃料處理 系統(tǒng)的溫度保持在適當(dāng)范圍內(nèi)的系統(tǒng)。如本文所使用的，術(shù)語"加熱組件，， 一般用來指被設(shè)置成供熱或以其他方式升高燃料處理系統(tǒng)的全部或選定 區(qū)域的溫度的溫度調(diào)節(jié)組件。如本文所使用的，術(shù)語"冷去組件" 一般用 來指被設(shè)置成冷卻或降低燃料處理系統(tǒng)的全部或選定區(qū)域的溫度的溫度 調(diào)節(jié)組件。在圖2中，包括具有產(chǎn)氫區(qū)70的燃料處理系統(tǒng)64的產(chǎn)氫組件46的 示例性實施例，所述產(chǎn)氬區(qū)70適合于通過蒸汽重整一種或更多種含有水 80和至少一種含碳原料82的原料供應(yīng)流68來產(chǎn)生混合氣體流74。如所 描述的，區(qū)域70包括至少一個含有一種或更多種適當(dāng)?shù)闹卣呋瘎?6的 重整催化床84。在所示實施例中，產(chǎn)氳成區(qū)可被稱為重整區(qū)，而混合氣體 流可纟皮稱為重整^t。還如圖1和圖2所顯示的，混合氣體流適合于被輸送至包括至少一個 PSA組件73的分離區(qū)或組件72。 PSA組件73將混合氣體(或重整)流分 離為產(chǎn)物氫氣流42和至少一股副產(chǎn)物流76，所述副產(chǎn)物流含有存在于混 合氣體流74中的至少相當(dāng)大部分雜質(zhì)或其他氣體。副產(chǎn)物流76可以不含 氫氣，但其通常會含有一些氫氣。雖然不是必須的，但在本公開內(nèi)容范圍 內(nèi)的是燃料處理系統(tǒng)64可適合于產(chǎn)生含有足量氫(和/或其他)氣體的 適合用作燃料處理系統(tǒng)的加熱組件的燃料流或原料流的一股或更多股副 產(chǎn)物流。在一些實施方案中，副產(chǎn)物流可以具有足夠的燃料值(即，氫和 或其他可燃性氣體含量)以使加熱組件(當(dāng)存在時)能夠?qū)a(chǎn)氫區(qū)維持在 希望的工作溫度或維持在選定的溫度范圍內(nèi)。如圖2中描述的，產(chǎn)氫組件包括形式為加熱組件71的溫度調(diào)節(jié)組件， 所述加熱組件71適合于產(chǎn)生適合于加熱產(chǎn)氬組件的至少重整區(qū)的加熱的 排氣流(heated exhaust stream) 88。在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)流88可用于 加熱產(chǎn)氫組件和/或能量產(chǎn)生系統(tǒng)22的其他部分。如圖1和圖2中陰影線所指示的，在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)的是來自PSA 組件的副產(chǎn)物流可以形成至少一部分用于加熱組件的燃料流。還如圖2所 示，空氣流90可以從任何適當(dāng)?shù)目諝庠摧斔停剂狭?2含有適合于與加
熱組件中的空氣一起燃燒的任何適當(dāng)?shù)目扇夹匀剂?。燃料?2可作為用于加熱組件的唯一的燃料流，但是如討論的，本公開內(nèi)容的范圍還包括 可以使用其他可燃性燃料流，例如來自PSA組件的副產(chǎn)物流、來自燃料電 池堆的陽極排氣流等。當(dāng)來自系統(tǒng)22的其他部件的副產(chǎn)物流或排氣流具 有足夠的燃料值時，可以不使用燃料流92。當(dāng)他們不具有足夠的燃料值、 用于其他目的或不被產(chǎn)生時，可以使用燃料流92替代或結(jié)合燃料流92使 用。適當(dāng)?shù)娜剂鲜纠ㄒ环N或更多種上述含碳原料，但還可以使用其他 原料。作為可以通過使用加熱組件71在產(chǎn)氫區(qū)70獲得和/或維持的溫度的 示例，蒸汽重整器通常在200。C和900。C范圍內(nèi)的溫度下工作。該范圍外 的溫度也在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。當(dāng)含碳原料是曱醇時，蒸汽重整反應(yīng)將 通常在約200-500。C的溫度范圍內(nèi)工作。該范圍的示例性亞組包括 350-450°C、 375-425。C和375-400。C。當(dāng)含碳原料是碳氫化合物、乙醇或類 似醇時，蒸汽重整反應(yīng)通常使用約400-900。C的溫度范圍。該范圍的示例 性亞組包括750-850°C、 650-750。C、 700-謹。C、 700-900。C、 500-細。C、 400-600 。C和600-800 。C。在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)的是可以在系統(tǒng)22中產(chǎn)氬區(qū)下游和燃料電池 堆上游的任何地方應(yīng)用分離區(qū)。在圖1示意性顯示的示例中，分離區(qū)被描 繪為產(chǎn)氫組件的部分，但該結(jié)構(gòu)不是必須的。本公開內(nèi)容的范圍還包括 產(chǎn)氫組件可利用除了 PSA組件73外的化學(xué)或物理分離過程從混合氣體流 中除去或降低一種或更多種選定雜質(zhì)的濃度。當(dāng)分離組件72利用除了 PSA 外的分離過程時，可在系統(tǒng)22中任何適當(dāng)位置施行一種或更多種附加過 程，并且不必與PSA組件一起實施。示例性的化學(xué)分離過程是使用曱烷化 催化劑以選擇性地降低存在于流74中的一氧化碳濃度。其他示例性的化 學(xué)分離過程包括部分氧化一氧化碳以產(chǎn)生二氧化碳和水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，以從 水和一氧化碳產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。示例性的物理分離過程包括使用適合其他屏障物。這些薄膜可以被稱為是氫選擇性薄膜(hydrogen-selective membrane )。適當(dāng)薄膜的示例是由鈀或鈀合金制備的，并在結(jié)合入本文的參考文獻中公開。產(chǎn)氫組件46優(yōu)選地適合于產(chǎn)生至少基本上純的氫氣，并甚至更優(yōu)選 地，產(chǎn)氫組件適合于產(chǎn)生純氫氣。根據(jù)本公開內(nèi)容的目的，基本上純的氬氣大于卯％的純度，優(yōu)選大于95%的純度，更優(yōu)選大于99%的純度，甚 至更優(yōu)選大于99.5 %或甚至99.9%的純度。美國專利第6,221,117、 5,997,594、 5,861,137號和待決的美國專利申請公布第2001/0045061、 2003/0192251和2003/0223926號中公開了適當(dāng)燃料處理系統(tǒng)的示性例、非 排他性例子。上述專利和專利申請的全部公開內(nèi)容通過引用結(jié)合入本文， 用于所有目的。來自燃料處理系統(tǒng)64的氫可以經(jīng)由產(chǎn)物氪氣流42輸送至一個或更多 個儲存裝置62和燃料電池堆24。氬氣流42的一些或全部可以附加地或者 可替換地經(jīng)由適當(dāng)管道輸送，用于在另一氫氣消耗過程使用，為燃料或熱 量而被燃燒，或者儲存待以后使用。參考圖1,作為質(zhì)子源或反應(yīng)物用于 燃料電池堆24的氫氣可從一個或更多個燃料處理系統(tǒng)64和儲存裝置62 輸送至所述堆。燃料電池堆24包括至少一個燃料電池20,并通常包括多 個流體互連或電互連的燃料電池。當(dāng)這些電池串連在一起時，燃料電池堆 的功率輸出是單個電池功率輸出的總和。堆24中的電池可以串連、并聯(lián) 或是串連與并聯(lián)結(jié)構(gòu)的組合。圖3示意描述了燃料電池20,其中的一個或更多個可被設(shè)置成形成燃 料電池堆24。本公開內(nèi)容的燃料電池堆可利用任何類型的燃料電池，并優(yōu) 地利用選接收氫和氧作為質(zhì)子源和氧化劑的燃料電池。燃料電池類型的示 例包括質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電 池、熔融碳酸鹽(molten carbonate)燃料電池、磷酸燃料電池等。為示例 目的，圖3示意性描述了 PEM燃料電池形式的示例性燃料電池20。質(zhì)子交換膜燃料電池通常利用由位于陽極區(qū)30和陰極區(qū)32之間的離 子交換膜或電解膜28組成的膜電極組件26。區(qū)30和區(qū)32各自包括電極 34,即分別為陽極36和陰極38。區(qū)30和區(qū)32各自還包括支持物39,例 如支持板40。支持物39可以形成本文更詳細討論的兩極板組件的一部分。
在工作中，來自產(chǎn)物流42的氫氣被輸送至陽極區(qū)，且氧化劑44被輸送至陰極區(qū)。通常但非排他的氧化劑是氧。如本文所使用的，氫指氫氣， 且氧指氧氣。下述討論將氫稱為用于燃料電池(堆)的質(zhì)子源或燃料，氧 稱為氧化劑，但在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)還可以使用其他燃料和/或氧化劑。氫和氧44可以通過任何適當(dāng)機理從各自的源47和48輸送至各自的燃料 電池區(qū)。氧44的適當(dāng)源48的示例包括增壓的氧或空氣罐，或風(fēng)扇、壓 縮機、吹風(fēng)機或其他用于將空氣導(dǎo)入陽極區(qū)的裝置。氫和氧通常經(jīng)由氧化-還原反應(yīng)相互結(jié)合。盡管膜28限制氫分子通過，但主要由于膜的離子傳導(dǎo)性，膜將允許氬離子(質(zhì)子)通過其。氧化-還原反應(yīng)的自由能驅(qū)使來自氫氣的質(zhì)子穿過離子交換膜。由于膜28還不易于電傳導(dǎo)，外部回路50是殘余電子的最低能量路徑，并在圖3中示意性描述。在陰極區(qū)32,來自外部回路的電子和來自膜的質(zhì)子與氧結(jié)合，以產(chǎn)生 水和熱。圖3中還顯示了陽極凈化流或排出流54和陰極空氣排出流55,所述 陽極凈化流或排出流54可以含有氫氣，所述陰極空氣排出流55通常至少 部分地(如果非完全地)4毛盡了氧。燃料電池堆24可以包括普通的氬(或 其他反應(yīng)物)進料、空氣進口閥和堆凈化以及排出流，并因此將包括適當(dāng) 的流體管道以將相關(guān)流輸送至單個燃料電池，或從單個燃料電池收集所述 流。同樣地，可以使用任何適當(dāng)機理來選擇性地凈化所述區(qū)。在實踐中，燃料電池堆24通常含有多個具有兩極板組件的燃料電池， 所述兩極板組件分開相鄰的膜-電極組件。兩極板組件基本允許自由電子從 第一電池的陽極區(qū)經(jīng)由兩極板組件穿至相鄰電池的陰極區(qū)，從而建立通過 可用于滿足施加負載的堆的電勢。這種電子的凈流動產(chǎn)生電流，所述電流 可用于滿足例如來自能量消耗裝置52和能量產(chǎn)生系統(tǒng)22中的至少一個的 施力口負載。對于例如12伏特或24伏特的恒定輸出電壓，可以通過測量輸出電流 來確定輸出電壓。電輸出可用于滿足例如來自能量消耗裝置52的施加負 載。圖1示意性地描述能量產(chǎn)生系統(tǒng)22可以包括至少一個能量4諸存裝置 78。當(dāng)被包括時，裝置78可適合于儲存至少一部分來自燃料電池堆24的 電輸出或功率79。適當(dāng)?shù)哪芰績Υ嫜b置78的示例為電池(battery),但還 可以使用其他的能量儲存裝置。能量儲存裝置78可以附加地或可替換地 被用于在系統(tǒng)啟動過程中為能量產(chǎn)生系統(tǒng)22提供動力。至少一個能量消耗裝置52可以電連接到能量產(chǎn)生系統(tǒng)22，例如電連 接至燃料電池堆24和/或與所述堆相關(guān)的一個或更多個能量儲存裝置78。 裝置52向能量產(chǎn)生系統(tǒng)22施加負載，并從所述系統(tǒng)引出電流以滿足所述 負載。該負載可以被稱為施加負載，并可以包括熱負載和/或電負載。在本 公開內(nèi)容范圍內(nèi)的是施加負載可以由燃料電池堆、能量儲存裝置滿足或 由燃料電池堆和能量儲存裝置二者滿足。裝置52的示例包括機動車輛、 休閑車、船和其他航海器以及一個或更多個下述裝置的任意組合住宅、 商業(yè)辦公室或建筑、小區(qū)、工具、燈和照明組件、器械、計算機、工業(yè)設(shè) 備、信號和通信設(shè)備、無線設(shè)備、船上的電動部件、休閑車或其他車輛、 電池充電器以及甚至對燃料電池堆24構(gòu)成其一部分的能量產(chǎn)生系統(tǒng)22有 電需求的輔機(balance-of-plant )。如圖1中77處陰影線所指示的，能量 產(chǎn)生系統(tǒng)可以但不必須包括至少一個電源管理模塊77。電源管理模塊77 包括任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)或以其他方式調(diào)整由能量產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的 電，例如用于輸送至能量消耗裝置52。模塊77可以包括這樣的示例性結(jié) 構(gòu)，如降壓或升壓變換器(buck or boost converter )、逆變器、電源濾波器 等。圖4中顯示了 PSA組件73的示例性實施例。如所示的，組件73包括 多個吸附床100,所述吸附床100經(jīng)由分配組件102和104流體連接。床 100可以附加地或可替換地稱為吸附室或吸附區(qū)。已在圖4中示意性描述 了分配組件，并且分配組件可包括用于選擇性地在所述床和/或組件73的 輸入流和輸出流之間建立和限制流體流動的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。如所示的，輸 入流和輸出流包括至少混合氣體流74、產(chǎn)物氫氣流42和副產(chǎn)物流76。適 當(dāng)結(jié)構(gòu)的示例包括一個或更多個岐管，例如分配岐管和收集岐管，其分別 適合于將流體分配至所述床和閥，并乂人所述床和閥收集流體，所述閥例如 止回閥、電磁閥、凈化閥等。在所示實施例中顯示了三個床100,但在本 公開內(nèi)容范圍內(nèi)床的數(shù)目可以改變，例如包括比圖4顯示的更多或更少
的床。通常，組件73將包括至少兩個床，并經(jīng)常將包括3、 4或更多個床。 雖然不是必須的，但組件73優(yōu)選地適合于提供產(chǎn)物氫氣流的連續(xù)流，且 所述多個床中的至少一個在所述組件在使用中時排出所述流并接收混合 氣體流74的連續(xù)流。在示例性實施例中，分配組件102適合于選擇性地將混合氣體流74 輸送至所述多個床，并適合于收集和排出副產(chǎn)物流76，而分配組件104適 合于收集通過所述床并形成產(chǎn)物氫氣流42的凈化氫氣，并在某些實施方 案中適合于將凈化氫氣的一部分輸送至所述床以用作凈化流。分配組件可 設(shè)置成相對于所述床固定定位或旋轉(zhuǎn)定位。而且，分配組件可以包括任何 適當(dāng)類型和數(shù)目的結(jié)構(gòu)和裝置，以選擇性地分配、調(diào)節(jié)、計量、防止和/ 或收集相應(yīng)氣體流的流量。作為示例性、非排他性的實施例，分配組件102 可以包括混合氣體岐管和排氣岐管或岐管組件，且分配組件104可以包括 產(chǎn)物岐管和凈化岐管或岐管組件。在實踐中，利用了相對床旋轉(zhuǎn)的分配組 件的PSA組件可以被被稱為旋轉(zhuǎn)變壓吸附組件，而其中岐管和床不適合于 相對^:此^t轉(zhuǎn)以選擇性地建立和限制流體連"f妄的PSA組件可以;陂稱為固 定床變壓吸附組件或分離床變壓吸附組件。這兩種結(jié)構(gòu)都在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。經(jīng)由變壓吸附的氣體凈化涉及連續(xù)的壓力循環(huán)和氣流相對于吸附床 的逆流。在凈化基本由氫氣組成的混合氣體流的方面，混合氣體流在相對 高壓下輸送至吸附床的一端，并從而暴露于其吸附區(qū)中所含有的吸附劑。 對于混合氣體流74的輸送壓力的示例包括范圍為40-200 psi的壓力，例如 范圍為50-150psi、 50-100psi、 100-150psi、 70-100 psi等的壓力，但該范 圍外的壓力也在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。當(dāng)混合氣體流流過吸附區(qū)時，雜質(zhì)或其它氣體的一氧化碳、二氧化碳、水和/或其他物質(zhì)被吸附，并從而被至 少暫時保留在吸附劑上。這是因為這些氣體更易于吸附在PSA組件所使用 的選定吸附劑上?；旌蠚怏w流的其余部分，其現(xiàn)在可能可以被更準確地稱 為凈化的氫氣流，通過所述床并從所述床的另一端排出。在這種情況下， 氫氣可以被描述為混合氣體流的較不容易被吸附的成分，而一氧化碳、二 氧化碳等可以被稱為更容易被吸附的成分。通常在燃料電池堆利用所述氣 體之前降低產(chǎn)物氫氣流的壓力。為了除去吸附的氣體，停止混合氣體流的流動，降低所述床中的壓力， 因此現(xiàn)在被解吸附的氣體可以從所述床排出。解吸附步驟通常包括通過 一般以相對進料方向的逆流方向引出氣體來選擇性地降低吸附區(qū)內(nèi)的壓力。該解吸附步驟還可以被稱為減壓或泄壓(blowdown)步驟。該步驟通 常包括使用凈化氣體流或與使用凈化氣體流結(jié)合進行，所述凈化氣體流通 常以混合氣流流過吸附區(qū)的逆流方向輸送。適當(dāng)?shù)膬艋瘹怏w流的示例性例 子是產(chǎn)物氫氣流的一部分，由于該流由氫氣組成，其比所述被吸附的氣體 更不容易被吸附。其他氣體也可用于凈化氣體流，但這些氣體優(yōu)選地比所 述被吸附氣體更不容易被吸附，并且甚至更優(yōu)選地不被吸附或僅微弱地吸 附于所使用的吸附劑。如討論的，該解吸附步驟可以包括在所述床上抽取至少部分真空，但 這不是必須的。雖然不是必須的，但通常希望使用一個或更多個均衡 (equalization)步驟，其中兩個或更多個床^皮流動互連以允許所述床均衡 其間的相對壓力。例如， 一個或更多個均衡步驟可以在解吸附和增壓步驟 之前進行。在解吸附步驟之前，利用均衡來降低所述床內(nèi)的壓力并回收所 述床中含有的一些凈化的氫氣，而在加壓步驟之前，利用均衡來增加所述 床內(nèi)的壓力。可以使用氣體的平行流動和/或逆流流動來實現(xiàn)均衡。在解吸 附氣體的解吸附和/或凈化步驟完成之后，所述床被再次增壓并再次準備好 接收和除去來自輸送至其的混合氣體流的部分的雜質(zhì)。例如，當(dāng)床準備再生時，其通常處于較高的壓力并含有一些氫氣。雖 然該氣體(和壓力)可以通過排氣所述床而被簡單除去，但在被用以凈化 輸送至其的混合氣體流的部分之前，組件中的其他床將需要被加壓。而且， 所述待再生的床中的氫氣優(yōu)選地被回收，以便不會負面影響PSA組件的效 率。因此，使這些床彼此流體連通的互連允許待再生的床中的壓力和氫氣 得到減少，同時還增加了將用以凈化輸送至其的不純氫氣(即，混合氣體 流74)的床中的壓力和氬氣。除了或替代一個或更多個均衡步驟外，可以 在所述混合氣體流輸送至所述床之前增壓將用以凈化混合氣體流的床。例 如，可以將一些凈化的氫氣輸送至所述床以增壓所述床。雖然在本公開內(nèi) 容范圍內(nèi)是將該增壓氣體輸送至所述床的任一端，但在一些實施方案中， 希望的是將增壓氣體輸送至混合氣體流被輸送至所述床的一端的相對端， 而不是將增壓氣體輸送至混合氣體流被輸送至所述床的那 一端。對于PSA組件的一般操作的上述討論在一定程度上被簡化了 。變壓吸 附組件的示例性實施例，包括其部件和操作其的方法在美國專利第3,564,816、 3,986,849、 5,441,559、 6,692,545和6,497,856中公開，其全部 公開內(nèi)容通過引用結(jié)合入本文，用于所有目的。圖5中示意描述了吸附床100的示例性實施例。如圖所示的，所述床 界定了內(nèi)部隔間110,其包含至少一種吸附劑112,且每種吸附劑都適合于 吸附混合氣體流中的一種或更多種成分。在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)是可以使用 超過一種以上的吸附劑的。例如，床可以包括超過一種以上的適合于吸附 混合氣體流的特定成分如吸附一氧化碳的吸附劑和/或包括分別適合于吸 附混合氣體流的不同成分的兩種或更多種吸附劑。類似地， 一種吸附劑可 適合于吸附混合氣體流的兩種或更多種成分。適當(dāng)吸附劑的示例包括活性 炭、氧化鋁和沸石吸附劑?？梢源嬖谟谒龃驳奈絽^(qū)內(nèi)的吸附劑的其他 例子是適合于吸收存在于混合氣體流中的水的干燥劑。示例性干燥劑包括 硅膠和鋁凝膠。當(dāng)使用兩種或更多種吸附劑時，可以將他們按順序置于(連 續(xù)或非連續(xù)的關(guān)系)所述床內(nèi)，或可以混合在一起。應(yīng)該理解，特定PSA 組件中吸附劑的類型、種類、數(shù)量和形式可以例如根據(jù)一種或更多種下述 因素而改變PSA組件中期望的操作條件、吸附床的大小、混合氣體流的 成分和/或性質(zhì)、PSA組件產(chǎn)生的產(chǎn)物氬氣流的希望應(yīng)用、將凈皮使用的PSA 組件的操作環(huán)境、使用者偏好等。當(dāng)PSA組件包括干燥劑或其他除水化合物或裝置時，其可被設(shè)置成在 從混合氣體流吸附其他雜質(zhì)之前從混合氣體流中除去水。這點的一個原因 是水有可能負面影響一些吸附劑吸附混合氣體流的其他成分例如一氧化 碳的能力。除水裝置的示例是冷凝器，但如圖1中122處陰影線中所示意 性描述的，可以在產(chǎn)氫區(qū)和吸附區(qū)之間使用其他裝置。例如，可以使用至 少一個換熱器、冷凝器或其他適當(dāng)?shù)某b置，以在混合氣體流輸送至PSA 組件之前冷卻所述流。這種冷卻可以冷凝混合氣體流中存在的一些水。繼 續(xù)該實施例并提供更具體的描述，在從燃料處理系統(tǒng)的產(chǎn)氫(即，重整) 區(qū)排出時，由蒸汽重整器產(chǎn)生的混合氣體流往往含有至少10%并通常至少15%或更多的水。這些流往往都相當(dāng)熱，例如溫度為至少300°C (在多數(shù) 混合氣體流是甲醇或類似的含碳原料產(chǎn)生的情況下)和至少600-800°C (在 多數(shù)混合氣體流是由天然氣、丙烷或類似的含碳原料產(chǎn)生的情況下)。當(dāng) 在輸送至PSA組件之前被冷卻至例如25-100。C或甚至40-100。C范圍內(nèi)的 示例性溫度時，該水的大部分會冷凝?；旌蠚怏w流可能依然被水飽和，但 水的含量往往會少于5 wt%。吸附劑可以任何適當(dāng)形式存在于所述床中，所述形式的示例包括微粒 形式、珠子形式、多孔盤或塊、涂層結(jié)構(gòu)、層狀片、纖維等。當(dāng)置以所述 床中使用時，吸附劑應(yīng)為混合氣體流的未吸附部分提供足夠的多孔性和/ 或氣體流動路徑，以流過所述床而沒有通過所述床的顯著的壓降。如本文 所使用的，含有吸附劑的床的部分將被稱為所述床的吸附區(qū)。在圖5中， 吸附區(qū)一般指示為114。床100還可以(但不必須)包括隔離物、支持物、 屏障和其他適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，用于將吸附劑和所述床的其他成分以相對于彼此 的選定位置、希望的壓縮程度等保留在所述隔間內(nèi)。這些裝置一般被稱為 支持物并在圖5中一般指示為116。因此，在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)吸附區(qū) 可以相應(yīng)于所述床的全部內(nèi)部隔間，或l又僅相應(yīng)于其一部分。類似地，吸 附區(qū)可以由連續(xù)區(qū)或兩個或更多個被隔開的區(qū)組成而不會脫離本公開內(nèi) 容的范圍。圖5顯示的實施例中，床100包括至少一個與所述床的端區(qū)相關(guān)聯(lián)的 孔118。如陰影線中所指示的，在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)所述床的任一端或 兩端可以包括超過一個的孔。同樣地，在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)所述孔可以 從所述床橫向延伸，或者以另外的方式具有不同于圖5中所示的示意性實 施例的幾何形狀。不論孔的結(jié)構(gòu)和/或數(shù)目，所述孔全體適合于輸送通過所 述床的吸附區(qū)的流體，并適合于聚集通過所述吸附區(qū)的流體。如所討論的， 例如根據(jù)PSA組件的特定實施和/或PSA循環(huán)的階段，所述孔可以選擇性 地用作輸入孔或輸出孔。為提供圖解實施例的目的，圖6描述了床100， 其中所述吸附區(qū)沿所述床的總長延伸，即在所述床的相對孔或其他端區(qū)之
間。在圖7中，床100包括吸附區(qū)114，所述吸附區(qū)114包括不連續(xù)子區(qū) 120。在使用吸附床例如床100以吸附雜質(zhì)氣體(即具有被吸附劑吸附的較大親和力的氣體)的過程中，將在所述吸附區(qū)內(nèi)界定傳質(zhì)區(qū)。更具體地說，吸附劑具有一定的吸附容量，所述吸附容量至少部分地由下述因素界定 混合氣體流的組成、混合氣體流的流速、吸附劑暴露于混合氣體流的操作 溫度和/或壓力、之前未從吸附劑解吸附的任何吸附氣體等。當(dāng)混合氣體流 被輸送至所述床的吸附區(qū)時，鄰近混合氣體輸送孔的吸附區(qū)的末端部分的 吸附劑將從混合氣體流除去雜質(zhì)。通常，這些雜質(zhì)將被吸附于吸附區(qū)的子 部分之內(nèi)，而吸附區(qū)的其余部分將僅含有最低限度的，如果有，被吸附的 雜質(zhì)氣體。這在一定程度上于圖8中示意描述，其中吸附區(qū)114被顯示為 包括傳質(zhì)區(qū)或區(qū)域130。當(dāng)初始傳質(zhì)區(qū)中的吸附劑持續(xù)吸附雜質(zhì)時，其將接近或甚至達到其吸 附這些雜質(zhì)的容量。當(dāng)這個發(fā)生時，傳質(zhì)區(qū)將移向所述吸附區(qū)的相對端。 更具體地i兌，當(dāng)雜質(zhì)氣體的流量超過吸附區(qū)的特定部分(即，特定傳質(zhì)區(qū)) 吸附這些氣體的容量時，那么這些氣體將流動越過那個區(qū)并進入吸附區(qū)的 相鄰部分，這些氣體將在那里被那部分吸附劑吸附，有效地使傳質(zhì)區(qū)朝所 述床的相對端擴張和/或移動。這種描述在一定程度上被簡化了 ，因為傳質(zhì)區(qū)通常并沒有沿吸附區(qū)界 定均一的開始邊界和結(jié)束邊界，特別是當(dāng)混合氣體流含有超過一種被吸附 劑吸附的氣體的時候。同樣地，這些氣體可以具有不同的用于#1吸附的親 和力，并因此甚至可以相互竟爭吸附點。然而，吸附的相當(dāng)大部分(例如 至少70%或更多)往往發(fā)生在吸附區(qū)的相對集中的部分，且該部分或區(qū)在 所述床的使用過程中易于從吸附區(qū)的進料端移向產(chǎn)物端。圖9中示意性描 述了這一點，其中傳質(zhì)區(qū)130被顯示為相對于其在圖8中的位置朝向孔118' 移動。因此，如果有的話，吸附區(qū)的部分114'中的吸附劑112'將具有顯著 降低的吸附附加雜質(zhì)的容量。當(dāng)用其它語言描迷時，吸附劑112'可以被描 述為基本，如果不完全，被吸附的氣體所飽和。在圖8和9中，吸附區(qū)的 進料端和產(chǎn)物端一般被指示為124和126，并且一般指吸附區(qū)的鄰近或最
接近所述床的混合氣體輸送孔和產(chǎn)物孔的那 一部分。在PSA組件的使用過程中，傳質(zhì)區(qū)往往會移向和移離吸附區(qū)的末端 124和126。更具體地說，并如討論的，PSA是循環(huán)過程，其包括壓力和 流向的重復(fù)變化。下述討論將參考循環(huán)中的步驟是如何易于影響傳質(zhì)區(qū) (和/或通過吸附區(qū)的吸附氣體的分布)的來描述PSA循環(huán)。應(yīng)該理解， 傳質(zhì)區(qū)的大小或長度在PSA組件的使用過程中往往是會改變的，并因此往 往不會是固定尺寸。在PSA循環(huán)開始時，所述床被增壓，且混合氣體流在壓力下流過吸附 區(qū)。在該吸附步驟中，雜質(zhì)(即，其他氣體)被吸附區(qū)中的吸附劑吸附。 當(dāng)這些雜質(zhì)被吸附時，由于吸附區(qū)的初始部分變得越來越被吸附氣體所飽 和，傳質(zhì)區(qū)往往會移向吸附區(qū)的遠端或產(chǎn)物端。當(dāng)吸附步驟完成時，混合 氣體流74向吸附床的流動和凈化的氬氣的流動(其至少一部分將形成產(chǎn) 物氫氣流42)被停止。雖然不是必須的，但所述床然后可以經(jīng)歷一個或更 多個均衡步驟，其中所述床與PSA組件中的一個或更多個其他床流體互 連，以減少所述床中存在的壓力和氫氣，并用壓力和氫氣填充所述接收床。 氣體可以經(jīng)由進料孔或產(chǎn)物孔的任一或兩者退出增壓的床。從產(chǎn)物孔引出的氣體往往能提供比從進料孔引出的氣體更純的氬氣。然而，該步驟產(chǎn)生 的壓降往往以氣體從吸附床移出的方向引出雜質(zhì)。因此，傳質(zhì)區(qū)可以被描述為朝向吸附床最接近氣體從所述床移出的孔的那端移動。換句話說，當(dāng) 所述床被再次用以從混合氣體流吸附雜質(zhì)的時候，其中在給定時間吸附大 部分雜質(zhì)的吸附區(qū)的部分，即傳質(zhì)區(qū)，往往以均衡氣體從所述床退出的方 向朝向吸附區(qū)的進料端或產(chǎn)物端移動。然后所述床被減壓，該步驟通常從進料孔引出氣體，因為所述氣體流 將傾向于具有較高濃度的其他氣體，當(dāng)所述床中壓力下降時，所述其他氣 體從吸附劑解吸附。這一排出流可以被稱為副產(chǎn)物流或雜質(zhì)流76,并可以 用于多種應(yīng)用，包括作為燃燒器或其他加熱組件的燃料流，所述燃燒器或 其他加熱組件燃燒燃料流以產(chǎn)生加熱的排出流。如所討論的，產(chǎn)氫組件46 可以包括加熱組件71，所述加熱組件71適合于產(chǎn)生加熱的排出流，以加 熱至少燃料處理系統(tǒng)的產(chǎn)氳區(qū)70。根據(jù)亨利定律(Henry's Law),從吸附 劑解吸附的吸附氣體的量與存在于吸附床中的吸附氣體的分壓(partial pressure)有關(guān)。因此，減壓步驟可以包括隨后或至少在時間上部分重疊 的凈化步驟，其中氣體通常在低壓下被導(dǎo)入吸附床。該氣體流過吸附區(qū)并 從吸附區(qū)吸解吸附的氣體，且這種解吸附氣體的除去導(dǎo)致氣體從吸附劑的 進一步解吸附。如所討論的，適當(dāng)?shù)膬艋瘹怏w是例如由PSA組件之前產(chǎn)生 的凈化的氬氣。通常，凈化流從吸附區(qū)的產(chǎn)物端流至進料端，以驅(qū)使雜質(zhì) (并由此復(fù)位傳質(zhì)區(qū))朝向吸附區(qū)的進料端移動。在本^Hf內(nèi)容的范圍內(nèi) 凈化氣體流可以形成產(chǎn)物流的一部分，可以用作可燃性燃料流(例如用于 加熱組件71),和/或可以其他方式應(yīng)用于PSA或其他方法?，F(xiàn)在完成了 PSA循環(huán)的示例，且通常新的循環(huán)又開始了。例如，然后， 凈化的吸附床例如通過作為另一經(jīng)歷著均衡的吸附床的接收床而被再增 壓，并任選可由輸送至其的凈化的氫氣進一步增壓。通過利用多個吸附床， 通常為三個或更多個，PSA組件可適合于接收混合氣體流74的連續(xù)流， 并適合于產(chǎn)生凈化的氫氣(即，連續(xù)流動的產(chǎn)物氫氣流42)的連續(xù)流。雖 然不是必須的，但吸附步驟或階段的時間通常占PSA循環(huán)的三分之一至三 分之二，例如占PSA循環(huán)時間的約一半。在傳質(zhì)區(qū)到達吸附區(qū)的遠端(相對于混合氣體流被輸送至吸附區(qū)的方 向)之前停止吸附步驟是重要的。換言之，因為吸附劑被所吸附的氣體所 飽和并因此不能再有效地防止這些雜質(zhì)氣體在非常希望是凈化的氫氣流 中排出，所以混合氣體流74的流動和產(chǎn)物氫氣流42的移出優(yōu)選地應(yīng)該在 其他被希望為從氫氣中除去的氣體隨氫氣一起排出所述床之前停止。希望 由PSA組件除去的雜質(zhì)對產(chǎn)物氫氣流的這種污染可以被稱為擊穿，因為雜 質(zhì)氣體"擊穿，，所述床的吸附區(qū)。常規(guī)地， 一氧化碳檢測器已經(jīng)用以確定 傳質(zhì)區(qū)何時接近或已經(jīng)到達吸附區(qū)的遠端，并因此存在或?qū)⒋嬖谟诋a(chǎn)物氫 氣流中。 一氧化碳檢測器比用于混合氣體流中存在的其他氣體的其他物質(zhì) 的檢測器更普遍被使用，因為當(dāng)一氧化碳以甚至少量百萬分之一 (ppm) 存在時，都可以損傷許多燃料電池。雖然有效并在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)， 但該檢測機理要求使用一氧化碳檢測器和相關(guān)的檢測設(shè)備，其傾向于是昂 貴的并會增加PSA組件的復(fù)雜性。
至少在通過變壓吸附凈化氳的情況下，吸附劑傾向于在傳質(zhì)區(qū)比在吸 附區(qū)的其他部分更熱，所述其他部分例如傳質(zhì)區(qū)的上游和特別是下游區(qū) 域。這是由于被吸附氣體的吸附熱的原因。該溫度差異可以根據(jù)例如混合 氣體流的流速、吸附劑類型、被吸附的氣體、吸附劑的包裝或其他形式等 因素而改變，但所述差異應(yīng)該至少為少數(shù):懾氏度。例如，所述溫度差異可以是至少1°C、至少2。C、至少3。C、至少5。C或更多。如本文更詳細討i侖 的，系統(tǒng)140還可以被稱為溫度組件，該溫度組件適合于在吸附區(qū)內(nèi)的或 與吸附區(qū)相關(guān)的至少一個位置并優(yōu)選地兩個或更多個位置處測量吸附劑 的溫度，并至少部分響應(yīng)所述溫度以控制PSA組件的操作?；氐綀D4，示意描述的是根據(jù)本公開內(nèi)容的PSA組件包括與各個將 用以凈化混合氣體流74的床相關(guān)的基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)140。系統(tǒng) 140適合于檢測各個床100的吸附區(qū)的至少一個部分中的吸附劑的溫度(直 接或間接地)。因此，系統(tǒng)140包括至少一個溫度傳感器或檢測器142和 至少一個控制器144,所述溫度傳感器或檢測器142適合于檢測各床的吸 附區(qū)部分之中或與其相關(guān)聯(lián)的溫度，所述控制器144適合于至少部分響應(yīng) 所述溫度以控制PSA組件和任選地產(chǎn)氫組件和/或燃料電池系統(tǒng)的其他部 分的操作。系統(tǒng)140還可以被稱為基于溫度的擊穿預(yù)防系統(tǒng)和/或基于溫度 的控制系統(tǒng)，因為其適合于檢測吸附床何時接近和/或處于擊穿狀況，并適 合于響應(yīng)所述溫度以控制至少PSA組件的操作，以防止擊穿的發(fā)生。如本 文使用的，術(shù)語"擊穿狀況"指當(dāng)吸附區(qū)的傳質(zhì)區(qū)位于吸附區(qū)的遠端部分 或產(chǎn)物端部分、或子區(qū)的時候。該端部分可以包括選定百分比的吸附區(qū)， 例如吸附區(qū)的最終三分之一或子區(qū)，例如吸附區(qū)的30%、 25%、 20%、 15%、 10%、 5%或更少(即，吸附區(qū)最接近產(chǎn)物孔的部分)。換句話說，當(dāng)其他 氣體中的至少一種的相當(dāng)大部分吸附發(fā)生在吸附區(qū)的遠(即遠離進料孔) 端部分時，發(fā)生擊穿狀況。如本文所討論的，系統(tǒng)140適合于通過檢測吸 附區(qū)的至少一部分吸附劑的溫度并將該溫度與參考溫度比較來檢測擊穿 狀況。溫度傳感器142可包括適合于檢測(直接或間接)吸附區(qū)選定部分內(nèi) 的吸附劑的溫度的任何適當(dāng)裝置或機理。熱電偶是適當(dāng)裝置的示例性、非
排他例子。在圖10中，只顯示了單個溫度傳感器142。在本公開內(nèi)容范圍 內(nèi)，可以使用超過一個的傳感器。例如，圖11中顯示了帶有沿吸附區(qū)長度隔開的多個溫度傳感器142的示例性床100。如所描述的， 一系列的八個 溫度傳感器被顯示并沿吸附區(qū)的長度隔開。在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)，可以使 用更多或更少的傳感器，包括使用超過一個的傳感器以檢測沿吸附區(qū)長度 的給定位置的溫度。雖然對于擊穿狀況或其他即將發(fā)生的雜質(zhì)穿過吸附區(qū) 的檢測不是必須的，但在一些實施方案中希望具有一個或更多個沿所述床 的中間區(qū)域和/或所述床的進料端區(qū)域設(shè)置的溫度傳感器，以使系統(tǒng)140能 夠確定傳質(zhì)區(qū)在所述床內(nèi)的相對位置，而非簡單地確定傳質(zhì)區(qū)是否位于吸 附區(qū)的遠端部分內(nèi)。如圖12中陰影線所描述的，還在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)的是包括至少 一個與吸附區(qū)外的床的部分相關(guān)聯(lián)和/或與一個或更多個孔118相關(guān)聯(lián)的 溫度傳感器，例如以檢測流入和/或流出吸附床的氣體的溫度。"相關(guān)聯(lián)" 意思是溫度傳感器可以檢測吸附劑或其溫度希望被測量的其他結(jié)構(gòu)的實 際溫度，但該溫度也可以被間接測量。間接測量的實例是測量相鄰結(jié)構(gòu)的 溫度。在這樣的結(jié)構(gòu)中，可能不知道吸附劑或其他結(jié)構(gòu)的實際溫度，但所 測量的溫度將通常相應(yīng)于實際溫度，并從而可以用作希望溫度的間接或相 對測量。另一實例是測量或以其他方式檢測與待測溫度成比例的值。例如， 當(dāng)熱電偶用作溫度傳感器時，從熱電偶輸出的是電壓，因此可以利用所檢 測的電壓，包括相對其的差異和/或變化。作為進一步的實例，當(dāng)^f吏用電阻 器來檢測溫度時，所測量的電阻器電阻與溫度成比例。圖10-12中示意描述了床100，且在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)，可以使用任 何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，包括本文討論的、結(jié)合的和/或描述的那些結(jié)構(gòu)。同樣地， 圖10-12已圖解描述了部分延伸至床100內(nèi)和部分延伸至床100外的傳感 器142,以示意表示該傳感器可位于相對于待測吸附劑或其他待測結(jié)構(gòu)的 任何適當(dāng)位置。例如，其可以包括其中傳感器的一部分延伸至與所述床內(nèi) 的吸附劑或其他結(jié)構(gòu)直接接觸的位置，和/或其中傳感器位于吸附區(qū)外部或 甚至所述床外部的位置。外部放置的傳感器可以例如通過從吸附劑傳導(dǎo)的 熱量來間接檢測吸附劑的溫度。
控制器144包括任何適當(dāng)類型和數(shù)目的裝置或機理，用于將來自至少一個傳感器142的測量溫度與至少一個參考溫度進行比較，并且如果所測量溫度與參考溫度的差別超過預(yù)選閾值，則產(chǎn)生至少一個響應(yīng)其的輸出信號。作為示例性、非排他性的例子，控制器144可以包括一個或更多個模 擬電路或數(shù)字電路、用于操作作為軟件存儲于內(nèi)存中的程序的邏輯單元或 處理器、 一個或更多個彼此通信的獨立單元等?？刂破?44還可以調(diào)節(jié)或 控制產(chǎn)氫組件或燃料電池系統(tǒng)的其他部分，和/或可以與適合于控制產(chǎn)氫組 件和/或燃料電池系統(tǒng)的其他控制器通信。圖4中描述了作為獨立單元實施 的控制器144。其也可以實施為分離的部件或控制器，例如各床的控制器。 那么，這種分離的控制器可以通過任何適當(dāng)?shù)耐ㄐ沛溌繁舜送ㄐ藕?或與系 統(tǒng)22和/或組件46中存在的其他控制器通信。進一步的示例包^"這樣的控 制器，該控制器接收由一個或更多個傳感器142檢測的溫度，將一個或更 多個所測量的溫度與一個或更多個參考溫度相比較，并產(chǎn)生或選擇性地產(chǎn) 生響應(yīng)其的輸出信號。輸出信號可以是命令信號，例如以改變PSA組件、 產(chǎn)氬組件和/或燃料電池系統(tǒng)的操作狀態(tài)，和/或其可以包括由另 一控制器 接收和處理的值或輸入以產(chǎn)生希望的操作狀態(tài)變化。在圖10-12中，標記 146示意描述控制器適合于產(chǎn)生一個或更多個輸出信號，該輸出信號至 少部分響應(yīng)一個或更多個所測量的溫度和/或響應(yīng)該溫度與一個或更多個 參考溫度或閾值之間的關(guān)系。如討論的，該關(guān)系可包括比較所述溫度和/ 或值以確定是否其偏離超過預(yù)定量，是否所測量的溫度在參考溫度或值 的預(yù)定范圍內(nèi)，是否所測量的溫度與參考溫度相等或至少同樣大、和/或大 于參考溫度等。適當(dāng)參考溫度的示例包括存儲的或之前測量的溫度或值。其他實例包 括由系統(tǒng)140測量的另 一溫度，例如在與參考溫度相比較的所測量的溫度 的上游(即，以燃料處理系統(tǒng)或混合氣體流74的其他來源相對于PSA組件 的方向)或下游(即，以燃料電池堆24或產(chǎn)物氫氣流42的其他目的地相對 于PSA組件的方向)測量的溫度。例如，系統(tǒng)140可適合于將所測量的溫 度與之前從傳感器42測量的溫度、存儲的閾值和/或一個或更多個由其他 傳感器142測量的溫度相比較。所述之前測量的和/或其他閾
沿吸附區(qū)長度隔開的多個傳感器的益處在于可以測定特定區(qū)域內(nèi)的 相對溫度。例如，因為區(qū)域114中的吸附劑的溫度傾向于在傳質(zhì)區(qū)中增力口， 所以希望將處于或接近吸附區(qū)遠(相對于混合氣體流輸入孔)端部分的吸 附劑溫度與該參考溫度上游(即，更接近通過其混合氣體流被導(dǎo)入吸附區(qū) 的吸附區(qū)的進料端)的吸附劑溫度相比較。當(dāng)傳質(zhì)區(qū)移過吸附區(qū)時，沿吸 附區(qū)的吸附劑的溫度的相對增加和隨后的減少可以提供傳質(zhì)區(qū)在吸附區(qū) 內(nèi)的位置的指示。這反過來提供了所述床有多接近吸附劑飽和的指示，即， 何時所述床接近或處于擊穿狀況。系統(tǒng)140可適合于控制至少PSA組件的 操作以至少部分響應(yīng)是否檢測到擊穿狀況。使用所測量的溫度作為參考溫度的另一潛在益處是吸附床，包括其 吸附區(qū)114的溫度在PSA組件使用過程中傾向于增加或降低，例如以響應(yīng) 如下因素正被輸送至所述床的混合氣體流的流速和/或溫度、其中有床當(dāng) 前正在被配置的PSA過程的階段、所述床內(nèi)的操作條件、正被輸送至所述 床的任何凈化氣體流的流速和/或溫度等。雖然在一些實施方案中可以使用 與任何這些因素不相關(guān)聯(lián)的絕對溫度讀數(shù)，但希望將所檢測的溫度與下述 至少 一個進行比較或以其他方式相關(guān)聯(lián)之前檢測的閾值溫度或溫度范 圍、存儲的或預(yù)選的閾溫度或溫度范圍、和/或一個或更多個在PSA組件 或與其相關(guān)聯(lián)的流體流的其他地方測量的溫度，所述其他地方例如(但不 限于)同一吸附區(qū)的上游或下游、吸附床的其他地方、被輸送至所述床或 從所述床移出的流體流等。因此，通過測量吸附區(qū)內(nèi)吸附劑的溫度，系統(tǒng) 140可適合于確定吸附區(qū)內(nèi)吸附劑的飽和程度、傳質(zhì)區(qū)在吸附區(qū)內(nèi)的相 對位置、傳質(zhì)區(qū)何時接近或到達吸附區(qū)的遠端或末端部分等。一經(jīng)檢測到擊穿狀況和/或檢測到超過參考溫度或閾值的所測量的溫 度，控制器144就可適合于直接或間接改變PSA組件的操作以至少部分響 應(yīng)其，防止發(fā)生實際的擊穿。示例性閾值包括相應(yīng)于目前或之前所檢測的 溫度或閾值溫度的預(yù)定閾值溫度和溫度范圍，例如+ArC、 +/-2°C、 +/-3°C、 十/-5。C等。這些響應(yīng)的示例包括下述一種或更多種縮短或以其他方式改 變PSA組件的循環(huán)時間、縮短循環(huán)中的吸附時間、停止混合氣體流向所述 床的流動并開始減壓(以及任選地，均衡步驟和凈化步驟的至少一個)、
增加循環(huán)中的凈化時間、增加凈化步驟中凈化氣體的流速、中斷或停止混合氣體經(jīng)吸附床和/或PSA組件的流動、停止PSA組件(和/或產(chǎn)氫組件和/或燃料電池系統(tǒng))、向操作員發(fā)出警報、停止凈化步驟等。
雖然處于本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)，但對所有實施方案不要求在檢測到 擊穿狀況時立即停止系統(tǒng)140或以其他方式改變PSA組件(或產(chǎn)氫組件46 或燃料電池系統(tǒng)22)的操作狀態(tài)。例如，在PSA組件使用過程中，通過吸 附區(qū)，包括吸附區(qū)的接近特定溫度傳感器的部分的混合氣體流的成分和/ 或流速可能會波動。雖然這些流和成分優(yōu)選是相對穩(wěn)定或恒定的，但應(yīng)該 理解，還是會傾向于發(fā)生改變或波動的。因此，在開始檢測后不久，被4全 測到的擊穿狀況可能會停止被^r測。因此，在一些實施方案中，希望直到 擊穿狀況被檢測到并保持被檢測到超過選定的時間段(例如至少1秒、5 秒、10秒、30秒等)和/或在兩個或更多個連續(xù)的PSA循環(huán)中被;險測到， 才停止系統(tǒng)140或以其他方式改變PSA組件(和/或組件46和/或系統(tǒng)22 ) 的操作。相關(guān)地，在一些實施方案中，希望在吸附區(qū)的遠端的上游測量所 測量的溫度，以提供其溫度被檢測的吸收劑和吸附區(qū)的遠端之間的吸附劑 區(qū)域。例如，檢測與吸附區(qū)遠端三分之一 (或更少的吸附區(qū))內(nèi)但非最終 20%、 10%、 5%或3%內(nèi)的吸附劑相關(guān)聯(lián)的測量溫度，可以提供一<^時間 以確認擊穿狀況的存在并實施希望的PSA組件(和/或組件46和/或系統(tǒng) 22)操作狀態(tài)的改變。
一經(jīng);險測到擊穿狀況，系統(tǒng)140可適合于停止PSA組件(和/或相關(guān) 的產(chǎn)氫組件46和/或燃料電池系統(tǒng)22)。這一停止可以經(jīng)由步驟的任何適 當(dāng)順序?qū)嵤?，例如從立即停止所述組件和所有相關(guān)設(shè)備到控制的停止，在 所述控制的停止中，所述組件(和相關(guān)裝置)遵循規(guī)定的停止步驟順序。例 如，停止步驟可以包括均衡所述床以收集其中含有的氫氣并利用所述床內(nèi) 的至少一定的壓力。作為另一實施例，停止步驟可以包括循環(huán)PSA組件經(jīng) 過一個或更多個例如2-20、 3-10、 4-8、 6個等較短的PSA循環(huán)。4吏用一系 列較短的PSA循環(huán)停止PSA組件的益處是吸附床可以被再生并從而準 備在系統(tǒng)再次啟動時使用。較短的總PSA循環(huán)的變形是相對于開始停止程的氣體凈化體積。系統(tǒng)140對檢測到擊穿狀況的另一適當(dāng)響應(yīng)是將例如通過適當(dāng)?shù)妮斎牖蛎钚盘柺筆SA組件停止其中檢測到擊穿狀況的床的吸附步驟，并使 PSA組件轉(zhuǎn)換至另一床用于凈化混合氣體流。如所討論的，這可以包括停 止混合氣體流向其中檢測到擊穿狀況的床的流動和/或停止來自所述床的 產(chǎn)物氫氣流的流動、均衡所述床、減壓和凈化所述床等。系統(tǒng)140對檢測到擊穿狀況的適當(dāng)響應(yīng)的進一步實例是將繼續(xù)操作 PSA組件，但與檢測到擊穿狀況之前的PSA循環(huán)中使用的相對值相比較，如， 一經(jīng)檢測到擊穿狀況，系統(tǒng)140就可適合于將至少一個總循環(huán)時間或 吸附時間縮短預(yù)定增量，例如5%、 10%、 15%或更多。然后，可使用這一 新循環(huán)時間繼續(xù)操作PSA組件。如果持續(xù)檢測到擊穿狀況，可以再次減少 相同或不同預(yù)定增量的循環(huán)時間。如果循環(huán)時間或吸附時間達到或超過預(yù) 定的最小循環(huán)時間或吸附時間，那么系統(tǒng)140就可以(但非必須)停止PSA 組件。類似于上述示例性停止程序的變形，上述響應(yīng)的一個變形(即，縮短 循環(huán)時間和/或吸附時間)是延長凈化時間和/或提高凈化氣體的流速。優(yōu) 選地，吸附或循環(huán)時間的減少和/或凈化時間和/或凈化流的增加應(yīng)驅(qū)使傳 質(zhì)區(qū)移向吸附區(qū)的進料端。作為進一步的變形，系統(tǒng)140可適合于隨該時 間的增加而以第二預(yù)定增量減少循環(huán)時間或吸附時間(和/或減少凈化時間 /凈化流)。該第二增量可以等于、短于或長于之前時間減少的增量。如討 論的，更短的循環(huán)時間或其他矯正步驟可足以部分再生吸附劑，并從而將 傳質(zhì)區(qū)移離吸附區(qū)的遠端。因此，循環(huán)時間可返回至其初始狀態(tài)或向其初 始狀態(tài)回復(fù)。如果隨后再次檢測到擊穿狀況，那么可再次以預(yù)定增量減少 所述時間等。在增加循環(huán)時間或以其他方式將操作條件返回至初始狀態(tài)或 朝向初始狀態(tài)回復(fù)之前，系統(tǒng)140可適合于等待，直至未在任意床4全測到 擊穿狀況和/或未在選定數(shù)目的循環(huán)，例如2個循環(huán)、3個循環(huán)、5-10個循 環(huán)等檢測到擊穿狀況。系統(tǒng)140對檢測到擊穿狀況的另一示例性響應(yīng)是向例如操作員或其
他使用者報警?？赏ㄟ^任何適當(dāng)機理提供警報且產(chǎn)生在PSA組件的附近和 /或遠離所述組件。例如，可以使用聽得到的和/或視覺信號、電子信號、 電子通告等實現(xiàn)警報。當(dāng)系統(tǒng)140適合于響應(yīng)擊穿狀況的檢測以產(chǎn)生警報時，其可進一步適合于產(chǎn)生一種或更多種多個警報，例如基于這樣的因素 自檢測到擊穿狀況后所經(jīng)過的時間、自檢測到擊穿狀況后所經(jīng)過的PSA循 環(huán)數(shù)目、其中檢測到擊穿狀況的吸附區(qū)的部分、其中檢測到擊穿狀況的吸 附劑與吸附區(qū)遠端的靠近程度等。例如，第一警報可以在初次檢測到擊穿 狀況后產(chǎn)生，且在持續(xù)檢測到擊穿狀況和/或在所述狀況的位置移向吸附區(qū) 的遠端時產(chǎn)生進一步的警報(任選地可區(qū)別的)。
在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)根據(jù)本公開內(nèi)容的具有基于溫度的擊穿檢測系 統(tǒng)140的PSA組件73可以實施超過一種本文所描述的對擊穿狀況;險測的 示例性響應(yīng)，和/或可適合于檢測本文描述的任何示例性擊穿狀況或觸發(fā)事 件。
還在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)的是PSA組件的循環(huán)時間是通過基于溫度的 擊穿^r測系統(tǒng)來確定的。在這樣的實施方案中，吸附步驟持續(xù)進行直至系 統(tǒng)140檢測到擊穿狀況為止?？梢允褂帽疚拿枋龅娜魏螜z測機理和參考溫 度。當(dāng)檢測到擊穿狀況時，控制器可指引，例如通過一種或更多種輸出或 命令信號，混合氣體流停止流向其中檢測到擊穿狀況的床，而將混合氣體 流引向PSA組件的另一床。如討論的，其中檢測到擊穿狀況的床可繼續(xù)進 行其均衡、減壓和/或凈化步驟。這些步驟可具有任何適當(dāng)?shù)臅r長，即可代 表PSA組件總循環(huán)時間的任何適當(dāng)部分。這些步驟中的一個或更多個可包 括之前選定的時間，例如固定的均衡時間。類似地，這些時間中的一個或 更多個可以是吸附時間的百分比。通常，這些步驟的時間將是用于分離系 統(tǒng)時間的50-150%之內(nèi)。作為示例性實施例，可以使用相等的時間，但在 本公開內(nèi)容范圍內(nèi)可使用該范圍外的時間。這一實施方式在一些方面不同 于之前實施例的不同之處在于吸附步驟可繼續(xù)進行直至4企測到擊穿狀況 而非預(yù)定的循環(huán)時間，除非過早地被擊穿狀況的檢測所打斷或停止?；跍囟鹊膿舸z測系統(tǒng)140的示例性、非排他性例子包括但不限于 可在一個或更多個PSA組件中實施以下實施方式中的一個或更多個適合
于凈化氫氣的PSA組件、包括適合于產(chǎn)生含有作為其主要成分的氫氣和其 他氣體的混合氣體流的燃料處理器和適合于從混合氣體流產(chǎn)生產(chǎn)物氫氣 流的PSA組件的產(chǎn)氫組件、適合于從用于燃料電池堆的富氫流中去除雜質(zhì)的PSA組件、含有燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)、凈化氫氣的PSA組件和 將由該PSA組件凈化的氫氣源(且所述源任選地包括燃料處理器，以及 在一些實施方案中的蒸汽重整器)、和包括適合于產(chǎn)生含有作為其主要成 分的氫氣和其他氣體的混合氣體流的產(chǎn)氫組件的燃料處理器；適合于從混 合氣體流中除去雜質(zhì)(包括一氧化碳)的PSA組件(和任選地，適合于接 收凈化混合氣體流的至少一部分的燃料電池堆)基于溫度的檢測系統(tǒng)，其適適于至少部分響應(yīng)PSA組件的吸附區(qū)內(nèi)所 測量的溫度，以確定PSA組件的循環(huán)時間?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)PSA組件的吸附區(qū)內(nèi)所 測量的溫度和參考溫度之間的關(guān)系，以確定PSA組件的循環(huán)時間?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)吸附區(qū)內(nèi)所測量的溫度 和參考溫度之間的關(guān)系，以確定PSA組件的循環(huán)時間，所述參考溫度還與 下述的一個或更多個有關(guān)吸附區(qū)的另一部分，流入、流經(jīng)或流出吸附床 的氣體以及吸附床的部件。基于溫度的檢測系統(tǒng)，其適合于檢測在PSA組件的吸附區(qū)內(nèi)即將發(fā)生 的一氧化碳擊穿，且不需要測量吸附區(qū)中或相關(guān)的一氧化碳濃度，并任選 地不需要測量吸附區(qū)中或相關(guān)的任何氣體的濃度?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于基于以下條件確定PSA循環(huán)的吸附時 間，基于在PSA組件的吸附床內(nèi)測量的一個或更多個溫度，和任選地基于 在其吸附區(qū)中測量的一個或更多個溫度?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于通過以下方式防止PSA組件的吸附床 中的擊穿，通過監(jiān)測至少一個與吸附床有關(guān)的測量溫度，和任選地與吸附 床中的吸附劑有關(guān)的測量溫度，并將至少一個所測量的溫度與至少一個參 考溫度相比較?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于確定傳質(zhì)區(qū)，或主要傳質(zhì)區(qū)在PSA組
件的吸附床的吸附區(qū)內(nèi)的位置。基于溫度的檢測系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)與PSA組件的吸附區(qū)中 的吸附劑相關(guān)的一個或更多個所測量的溫度，以減少PSA組件的循環(huán)時間?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)與PSA組件的吸附區(qū)中 的吸附劑相關(guān)的一個或更多個所測量的溫度，以停止PSA組件、適合于產(chǎn) 生將被PSA組件凈化為產(chǎn)物氬氣流的含氫混合氣體流的產(chǎn)氫組件和/或適 合于接收產(chǎn)物氫氣流的一部分的燃料電池堆?；跍囟鹊臎_全測系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)與PSA組件的吸附區(qū)中 的吸附劑相關(guān)的一個或更多個所測量的溫度，以停止PSA組件的吸附步驟?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)與PSA組件的吸附區(qū)中 的吸附劑相關(guān)的一個或更多個所測量的溫度，以產(chǎn)生至少一個警才艮或其他 通知。基于溫度的檢測系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)與PSA組件的吸附區(qū)中 的吸附劑相關(guān)的一個更或多個所測量的溫度，以控制適合于產(chǎn)生將被PSA 組件凈化的混合氣體流的燃料處理系統(tǒng)的操作和/或改變其操作狀態(tài)?；跍囟鹊牟牌鬁y系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)與PSA組件的吸附區(qū)中 的吸附劑相關(guān)的一個或更多個所測量的溫度，以控制含有PSA組件的燃料 電池系統(tǒng)的操作和/或改變其操作狀態(tài)?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于檢測PSA組件中，包括在其吸附床中 和/或其吸附床的吸附區(qū)中的擊穿狀況?；跍囟鹊臋z測系統(tǒng)，其適合于檢測PSA組件中，包括在其吸附床中 和/或其吸附床的吸附區(qū)中的擊穿狀況，并至少部分響應(yīng)其，以調(diào)節(jié)或以其 他方式控制至少PSA組件和任選地相關(guān)的燃料處理系統(tǒng)、燃料電池堆、產(chǎn) 氬組件和/或燃料電池系統(tǒng)的操作?；跍囟鹊牟湃珳y系統(tǒng)，其適合于至少部分響應(yīng)與PSA組件的吸附區(qū)中 的吸附劑相關(guān)的一個或更多個所測量的溫度，以選4奪性地增加和/或減少吸
附時間、總PSA循環(huán)時間、凈化時間和/或燃料氣體流速中的一個或更多個。任何上述檢測系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適合于將一個或更多個所測量的溫 度與一個或更多個參考溫度進行比較，且參考溫度選擇性地包括一個或更 多個所測量的溫度、 一個或更多個所存儲的值、 一個或更多個之前測量的 溫度和/或一個或更多個閾值。任何上述檢測系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適合于確定所測量的溫度是否在一 個或更多個參考溫度的預(yù)定范圍之內(nèi)(高于和/或低于)，是否等于一個或 更多個參考溫度，和/或是否超過一個或更多個參考溫度。任何上述檢測系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適合于將一個或更多個所測量的溫 度與一個或更多個參考溫度相比較，且參考溫度選擇性地包括一個或更多 個所測量的溫度、 一個或更多個所存儲的值、 一個或更多個之前測量的溫 度和/或一個或更多個閾值。任何上述檢測系統(tǒng)及其實施方案都被表達為基于溫度的擊穿防止系統(tǒng)。任何上述檢測系統(tǒng)，其通過PSA組件實施，所述PSA組件具有多個 適合于接收混合氣體流的吸附床，所述混合氣體流包括作為其主要成分的 氫氣并由燃料處理系統(tǒng)產(chǎn)生，所述燃料處理系統(tǒng)包括至少一個重整區(qū)，所 述重整區(qū)適合于通過蒸汽重整水和含碳原料來產(chǎn)生所述混合氣體流，且至 少所述燃料處理系統(tǒng)的重整區(qū)適合于通過加熱組件加熱，且4壬選地所述 PSA組件適合于提供至少一種燃料流至所述加熱組件，和任選地進一步結(jié) 合適合于接收由所述PSA組件產(chǎn)生的至少一部分凈化氫氣的燃料電池堆。用于實施任何上述系統(tǒng)的過程的方法和/或任何上述系統(tǒng)的用途。盡管本文是以用于凈化氫氣來討論PSA組件的，但在本公開內(nèi)容范圍 內(nèi)本文公開的PSA組件和/或基于溫度的擊穿檢測系統(tǒng)還可以用于其他 應(yīng)用，例如凈化燃料電池或其他系統(tǒng)中的其他混合氣體流。工業(yè)適用性
變壓吸附組件和包括其的產(chǎn)氫和/或燃料電池系統(tǒng)可應(yīng)用于氣體產(chǎn)生 和燃料電池領(lǐng)域，包括在其中產(chǎn)生、凈化和/或消耗氫氣以產(chǎn)生電流的領(lǐng)域。相信以上所提出的公開內(nèi)容涵蓋了具有獨立單一性的多個不同的發(fā) 明。雖然這些發(fā)明的每一個都是以優(yōu)選形式公開的，但不應(yīng)認為本文公開 和描述的具體實施方案是限制性的，因為有許多變化都是可能的。本發(fā)明 的主題包括本文公開的各種部件、特征、功能和/或性質(zhì)的所有新穎性且非 顯而易見的組合和次級組合。同樣，當(dāng)權(quán)利要求書引用"一"或"第一" 部件或其等價物時，這樣的權(quán)利要求書應(yīng)該被理解為包括加入一個或更多 個這樣的部件，既不要求也不排除兩個或多個這樣的元件。相信所附權(quán)利要求書特別指出了某些組合物和亞組合，其涉及本公開 發(fā)明中的一個并且是新穎的且非顯而易見的。可以通過修改本權(quán)利要求書 或在該申請或相關(guān)申請中提出新的權(quán)利要求書，來要求以特征、功能、部 件和/或性質(zhì)的其他組合和子組合實施的發(fā)明的權(quán)利。不論其是否涉及不同 的發(fā)明或涉及相同的發(fā)明，也不論其不同于、大于、小于或等于原始權(quán)利 要求的范圍，這種修改的或新的權(quán)利要求書也被認為包含在本公開內(nèi)容的 發(fā)明的主題之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)氫組件，其包括產(chǎn)氫燃料處理系統(tǒng)，其適合于從至少一種原料產(chǎn)生含有氫氣和其他氣體的混合氣體流；變壓吸附組件，其適合于接收所述混合氣體流的至少一部分并從其除去雜質(zhì)以產(chǎn)生氫純度比所述混合氣體流更高的產(chǎn)物氫氣流，所述變壓吸附組件包括多個吸附床，每個床包括含有吸附劑的吸附區(qū)，所述吸附劑適合于吸附所述其他氣體中的至少一種；和基于溫度的檢測系統(tǒng)，其包括至少一個溫度傳感器，其適合于測量與所述吸附區(qū)的一部分相關(guān)的溫度；和控制器，其適合于將所述與所述吸附區(qū)的一部分相關(guān)的溫度與至少一個參考溫度相比較，并適合于至少部分地響應(yīng)于其而選擇性地控制至少所述變壓吸附組件的操作。
2. 如權(quán)利要求1所述的組件，其與燃料電池堆組合，所述燃料電池堆 適合于從氧化劑和所述產(chǎn)物氬氣流的至少 一部分產(chǎn)生電流。
3. 如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述基于溫度的檢測系統(tǒng)進一步適 合于至少部分地響應(yīng)于測量溫度與參考溫度的關(guān)系而控制所述燃料處理 系統(tǒng)的操作。
4. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述至少一個參考溫度包括與所述 吸附區(qū)的第二部分相關(guān)的溫度。
5. 如權(quán)利要求4所述的組件，其中按照混合氣體在吸附過程中流經(jīng)所 述吸附區(qū)的方向來判斷，所述吸附區(qū)的所述第二部分位于所述吸附區(qū)的所 述部分的下游。
6. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述至少一個參考溫度包括之前測 量的溫度、存儲值和預(yù)定閾值中的至少一個。
7. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述控制器適合于至少部分響應(yīng)于所述測量溫度而檢測所述吸附區(qū)中是否存在擊穿狀況。
8. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述至少一個溫度傳感器包括至少 第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，所述第一溫度傳感器適合于測量與所 述吸附區(qū)的 一部分相關(guān)的溫度，所述第二溫度傳感器適合于測量與所述吸 附床相關(guān)的溫度。
9. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述基于溫度的檢測系統(tǒng)適合于響 應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而停止至少所述變壓吸附系統(tǒng)。
10. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述基于溫度的檢測系統(tǒng)進一步 適合于至少部分地響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度的關(guān)系而控制所述變 壓吸附系統(tǒng)的操作。
11. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述產(chǎn)氫燃料處理系統(tǒng)包括至少 一個產(chǎn)氫區(qū)，所述產(chǎn)氫區(qū)適合于從包括含碳原料的進料流產(chǎn)生所述混合氣體流o
12. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述產(chǎn)氫燃料處理系統(tǒng)包括至少 一個產(chǎn)氫區(qū)，所述產(chǎn)氫區(qū)適合于從包括水和含碳原料的進料流產(chǎn)生所述混 合氣體流。
13. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述產(chǎn)氫燃料處理系統(tǒng)包括至少 一個產(chǎn)氫區(qū)，所述產(chǎn)氫區(qū)適合于經(jīng)蒸汽重整反應(yīng)而產(chǎn)生所述混合氣體流。
14. 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述變壓吸附組件適合于通過PSA 循環(huán)降低所述混合氣體流中所述其他氣體的濃度，所述PSA循環(huán)包括至少 增壓步驟、吸附步驟、減壓步驟和凈化步驟，并且具有循環(huán)時間。
15. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述PSA循環(huán)進一步包括至少 一個均衡步驟，其中所述多個吸附床中的至少兩個為了所述床之間的氣體 流動而流體互連。
16. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述基于溫度的檢測系統(tǒng)適合于 響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而停止所述PSA循環(huán)中的所 述吸附步驟。
17. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述基于溫度的檢測系統(tǒng)適合于 響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而停止所述PSA循環(huán)中的所 述凈化步驟。
18. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述基于溫度的檢測系統(tǒng)適合于 響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而轉(zhuǎn)換至所述PSA循環(huán)中的 所述減壓步驟和凈化步驟中的至少 一個。
19. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述基于溫度的檢測系統(tǒng)適合于 響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而以預(yù)定增量減少所述PSA 循環(huán)的所述循環(huán)時間。
20. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述循環(huán)時間包括與所述PSA 循環(huán)中各所述步驟相關(guān)的時間段，并且進一步地，其中所述基于溫度的檢 測系統(tǒng)適合于響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而以預(yù)定增量 減少與所述PSA循環(huán)的所述吸附步驟相關(guān)的所述時間段。
21. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述循環(huán)時間包括與所述PSA 循環(huán)中各所述步驟相關(guān)的時間段，并且進一步地，其中所述基于溫度的檢 測系統(tǒng)適合于響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而增加與所述 PSA循環(huán)的所述凈化步驟相關(guān)的所述時間段。
22. 如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述循環(huán)時間包括與所述PSA 循環(huán)中各所述步驟相關(guān)的時間段，并且進一步地，其中所述基于溫度的檢 測系統(tǒng)適合于響應(yīng)于所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系而以預(yù)定增量 增加與所述PSA循環(huán)的所述凈化步驟相關(guān)的所述時間段。
23. —種用于防止變壓吸附組件中的擊穿的方法，所述變壓吸附組件 包含至少一個具有吸附區(qū)的吸附床，所述吸附區(qū)含有至少一種吸附劑，所 述吸附劑適合于吸附不純氬氣流中的雜質(zhì)以從其產(chǎn)生凈化的氫氣流，所述 方法包括 檢測與所述吸附區(qū)的一部分相關(guān)的測量溫度；檢測在從其中檢測所述測量溫度的所述吸附區(qū)的所述部分的下游的與所述變壓吸附組件相關(guān)的參考溫度；比較所述測量溫度和所述參考溫度；和響應(yīng)于超過所述參考溫度大于一閾值的所述測量溫度而自動調(diào)節(jié)所 述變壓吸附組件的操作。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述閾值為至少2°C。
25. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述參考溫度與所述吸附區(qū)的第 二部分相關(guān)。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述吸附區(qū)包括進料端和產(chǎn)物 端，并且進一步地，其中所述吸附區(qū)的所述第二部分與所述產(chǎn)物端相間隔 開。
27. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述自動調(diào)節(jié)的步驟包括調(diào)節(jié) 所述變壓吸附組件的至少一個操作參數(shù)。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述至少一個操作參數(shù)包括時間 段，在所述時間段中所述不純氬氣流流過在其中檢測所述測量溫度的所述 吸附區(qū)。
29. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述變壓吸附組件適合于通過 PSA循環(huán)降低所述不純氫氣流中其他氣體的濃度，所述PSA循環(huán)包括至少 增壓步驟、吸附步驟、減壓步驟和凈化步驟，并且具有循環(huán)時間，并且進 一步地，其中所述自動調(diào)節(jié)步驟包括改變與所述PSA循環(huán)中的至少一個所 述步驟相關(guān)的時間段。
30. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述自動調(diào)節(jié)的步驟包括停止所 述變壓吸附組件。
31. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述自動調(diào)節(jié)的步驟包括降低 在其中檢測所述測量溫度的所述吸附床中的壓力，并將含有解吸附氣體的 流從所述床引出。
32. —種用于操作變壓吸附組件的方法，所述變壓吸附組件包含至少一個具有吸附區(qū)的吸附床，所述吸附區(qū)含有至少一種吸附劑，所述吸附劑 適合于吸附不純氫氣流中的雜質(zhì)以從其產(chǎn)生凈化的氬氣流，所述方法包括在壓力下將含有氬氣和其他氣體的混合氣體流輸送至具有吸附區(qū)的 吸附床，所述吸附區(qū)含有適合于從所述混合氣體流吸附所述其他氣體中的 至少一種的吸附劑；檢測與所述吸附區(qū)的一部分中的吸附劑相關(guān)的測量溫度；和繼續(xù)所述輸送步驟，直至所述測量溫度超過參考溫度。
33. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述方法進一步包括在燃料處 理組件中產(chǎn)生所述混合氣體流，所述燃料處理組件適合于從至少一種進料 流產(chǎn)生所述混合氣體流。
34. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述方法進一步包括檢測所述參 考溫度。
35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述參考溫度與所述吸附區(qū)的另 一部分中的吸附劑相關(guān)。
36. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述參考溫度包括之前的測量溫 度和閾值中的至少 一 個。
37. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述繼續(xù)步驟被維持直至所述測 量溫度超過所述參考溫度大于一預(yù)定值。
全文摘要
具有基于溫度的擊穿檢測(breakthrough detection)系統(tǒng)的變壓吸附(PSA)組件，以及含有其的產(chǎn)氫組件和/或燃料電池系統(tǒng)，以及操作其的方法。檢測系統(tǒng)(140)適合于檢測與PSA組件(73)的吸附床內(nèi)的吸附劑(100)相關(guān)的測量溫度，并適合于控制至少PSA組件的操作以至少部分地響應(yīng)其，例如響應(yīng)所述測量溫度與至少一個參考溫度之間的關(guān)系。所述參考溫度可包括存儲值，先前的測量溫度和/或在PSA組件內(nèi)的其他地方測量的溫度。在某些實施方案中，所述參考溫度與從中檢測所述測量溫度的吸附劑的下游的吸附劑相關(guān)。在某些實施方案中，PSA循環(huán)和/或其部件至少部分地由所述測量溫度和參考溫度之間的關(guān)系確定。
文檔編號B01D53/047GK101119785SQ200580048093
公開日2008年2月6日 申請日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者詹姆士·A·吉溫斯 申請人:益達科技有限責(zé)任公司