過程氣體提純和燃料電池系統的製作方法

2023-06-05 04:30:36 2

專利名稱：過程氣體提純和燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明領域和背景本發明涉及一種過程氣體提純系統，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於工業或商用過程的裝置和方法。本發明還涉及一種系統，該系統可把用於一燃料電池的所分離氣體存儲在該系統中，以便其用於該燃料電池。
本發明涉及一混合流的提純，為此，從含有一產物的混合流中分離出該產物。這類提純過程在工業中有很大意義，對小規模裝置也很重要。該提純過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氣體。但也可用本發明提純過程和分離裝置分離其他氣體，例如氮、氬、二氧化碳、氨和甲烷。
現有提純系統使用含有產物氣體的混合氣流，該混合氣流流過必須能為該產物氣體所滲透的一膜片。在該膜片的另一邊上，產物氣體被收集在一純氣流中後流出該系統。這些現有系統是否有效，很大程度上取決於混合氣流與純氣流之間生成合適驅動力的壓力差。而且，在現有系統中確保密封嚴密至關重要，如密封不好，該壓力差會造成產物氣體之外的一種或多種氣體流過該膜片，從而汙染所分離的產物氣體。因此，膜片的混合氣流邊與純氣流邊之間的嚴密密封至關重要。為了確保提純所需的正驅動力，純產物氣流的壓力必須小於混合氣流中產物氣體的局部壓力。由於純產物氣流的壓力不能超過混合氣流中產物氣體的局部壓力，因此純產物氣流的壓力必須小於混合氣流的壓力。如該膜片中的密封不嚴或有針孔，由於大量混合氣體流入純產物氣流中，純產物氣流的純度就會下降。
可用純產物氣體與進口混合氣流中的產物氣體的比之類產物氣體回收係數和所需的膜片的總表面積衡量該分離過程的有效性。通常，混合氣流的進口壓力高達數個大氣壓，這有助於減小該系統中膜片的表面積、提高回收係數和提高純產物氣體的壓力。舉例說，如純產物氣流需要有三個大氣壓，則混合氣流中的產物氣體的局部壓力在出口處必須大於三個大氣壓。設混合氣流中產物氣體在進口處的濃度為50％，要求回收係數為75％，則混合氣流中的產物氣體在出口處應為該氣流的1/5。為說明這一點，進口處氣體由8份構成，其中4份為產物氣體，4份為其他氣體。回收75％的產物氣體意味著從4份產物氣體中分離出3份，因此餘下的混合氣流由4份其他氣體和1份產物氣體構成。混合氣流邊出口處產物氣體的局部壓力為混合氣體總壓力的1/5或20％。由於所需純產物氣體為3個大氣壓，因此該混合氣流的壓力為3個大氣壓/20％或等於15個大氣壓。如不計氣體流動過程中的壓力降，混合氣流的起始壓力需要大於或等於15個大氣壓。膜片上的局部壓力驅動力在進口處為4.5個大氣壓(15個大氣壓×20％-3個大氣壓)，在出口處約為0。因此平均驅動力為2.25個大氣壓。在這類系統中，由於驅動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獲得該回收係數。因此，膜片的成本和體積極大。此外，為了保持產物氣體純度，膜片及其密封必須構作成保持高達12個大氣壓的橫向壓力並不發生洩漏。
本申請人的某些其他專利，包括美國專利Nos.5，207，185、5，299，536、5，441，546、5，437，123、5，529，484、5，546，701以及申請USSN471，404和USSN 742，383，作為參考材料包括在此。
本發明概述本發明的一個方面為一種氣體提純系統，其中，一混合氣流中的一產物氣體從該混合氣流橫向流過一膜片後流入該膜片另一邊上流動方向與該混合氣流相反的一提純氣流中。混合氣流和提純氣流的壓力以及產物氣體在該膜片兩邊上的局部壓力都受到控制，以促使產物氣體流過該膜片。在本發明系統中，膜片和其他部件的密封是否嚴密和是否存在針孔對從混合氣流中所分離的產物氣體的純度來說無關緊要，從而更便於人們使用該系統。混合氣流和提純氣流在一分離模件中的流動方向相反。最好是，混合氣流中的產物氣體為氫氣或氧氣，但本發明也可有效地用於其他產物氣體，包括但不限於氮、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程氣體，一般包括但不限於水蒸氣或致冷劑。
在一種應用場合，本發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，從混合氣流中分離的產物氣體必須能滲透或有效滲透該膜片。在很大程度上，根據從混合氣流中分離的產物氣體的性質選擇膜片後把膜片裝入該分離模件。在一實施例中，「鈀型」金屬膜片可有效地用作氫氣分離膜片，因為吸收入該金屬的格柵結構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到膜片另一邊的提純/產物氣流中的驅動力。通常，為了提高產物氣體的轉移率，提高這些分離膜片的溫度，在該特殊實施例中，膜片轉移的是氫氣。在一實施例中，所轉移的產物氣體為氫氣。
還可使用其他種類的膜片，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構中，因此被用作氧氣分離膜片。陶瓷膜片的一個例子是氧化鋯和用氧化釔穩定的氧化鋯。在電化反應器中使用純離子傳導膜片，此時，電力為用作分離的主要驅動力。除了電動的電化反應器，還使用導電膜片，此時，與鈀型膜片一樣，只用局部壓力驅動力分離、提純混合氣流中的氧氣。
因此，按照本發明的一個方面，本發明使用一種用膜片分離氣體的新穎方法，同時無需使用高精度密封，壓力差也無需大到膜片密封承受不了的程度。
在本發明一實施例中，兩氣流可流過一分離模件，一合適膜片把兩氣流隔開。在該膜片的一邊上，一混合氣流從一進口經該膜片流到一出口，而在該膜片的另一邊上，用流動方向與該混合氣流相反的高壓水蒸氣進行提純。該新穎分離過程提高產物氣體的回收係數和純產物氣體的壓力，同時減少密封和無針孔膜片的重要性。
從下例中可清楚看出本發明實現提純過程的方法及其分離裝置的好處。一混合氣流在15個大氣壓下輸入該分離模件，產物氣體在該混合氣流中的濃度為50％。產物氣體為要從該混合氣流中分離出來的成分，它滲過該膜片流入提純/產物氣體流中。在該特殊實施例中，提純氣體為在膜片的與混合氣流相反一邊上、流動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，其壓力稍大於15個大氣壓。如膜片表面積與上例相同，回收係數可接近100％。由於提純/產物氣體中的產物氣體在進口處的局部壓力為0，因此混合氣流中的產物氣體的局部壓力在出口處也接近0。由於產物氣體的數量在提純氣流進口處為0，該進口處的提純氣體為純水蒸氣，因此提純/產物氣流進口處的局部壓力為0。
如果所有產物氣體從混合氣流中被分離出來，那麼流出模件的提純/產物氣體流含有4份產物氣體和16份水蒸氣。由於提純氣流、從而提純/產物氣體流進口處為15個大氣壓，因此提純/產物氣體流出口處的產物氣體的局部壓力約為3個大氣壓。驅動力在混合氣流進口處為4.5個大氣壓，在混合氣流出口處為0。因此平均驅動力為與上例相同的2.25個大氣壓，從而只需要數量相同的表面積。本發明使用與現有系統相同的硬體可從混合氣流中回收100％的產物氣體，而現有系統的回收率只有75％。
在上述本發明例子中，提純/產物氣體流的絕對壓力稍大於15個大氣壓，從而稍大於膜片另一邊的混合氣流的絕對壓力。如膜片中有針孔或該系統的膜片或其他部件的密封不嚴，只會是提純/產物氣體漏入混合氣流中，因此這類洩漏對產物氣體的純度沒有影響。換句話說，絕對壓力選擇成，即使發生洩漏，其方向也不會降低所分離產物氣體的純度，同時使得系統中的膜片質量和密封性能變得無關緊要。
還可看出，橫向壓力或絕對壓力差極小，只佔絕對壓力的一小部分。因此，膜片厚度可減小，因為它不必承受由很大壓力差生成的力。由於膜片厚度可減小，因此不僅系統性能提高，而且其成本降低。
本發明的另一個方面涉及對提純/產物氣體流進行處理，以便把產物氣體按需要傳給用戶或下遊設備。提純/產物氣體流在15個大氣壓下流出分離模件，從而可在約為15個大氣壓下傳送到下遊。在一實施例中，可用分離模件下遊的一再生蒸汽發生器和水蒸氣冷凝器實現該傳送。在該再生蒸汽發生器處，提純/產物氣體流中的水蒸氣被冷凝，只留下壓力約為15個大氣壓的純產物氣體。然後，用該再生蒸汽發生器回收儘可能多的熱能以節約能量。換句話說，在該系統中用由冷凝水蒸氣生成的熱能加熱和蒸發在提純氣流的進口處輸入分離模件中的水。本發明例子還示出，純產物氣體的壓力約為15個大氣壓或為現有例子中的產物氣體壓力的5倍。
如果對回收係數的要求下降，則在該分離系統和過程中，所需膜片表面積可減小。例如，如該過程只要求75％的回收率，則產物氣體在混合氣流出口處的局部壓力為與上述現有例子相同的3個大氣壓。此時混合氣流出口處的驅動力為3個大氣壓，因此把混合氣流與提純氣流隔開的整個膜片表面積上的平均驅動力提高到3.75個大氣壓。因此，分離所需膜片的表面積大大小於要求100％回收率時的表面積。此外，由於平均驅動力提高，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，即使回收要求小於100％，該系統的好處保持不變，包括回收係數提高、從系統流出的產物氣體的壓力提高、對密封性能的要求降低。
附圖的簡要說明

圖1為本發明第一實施例的示意圖，示出一膜片部件及其進口和出口流；圖2為本發明第二實施例的示意圖，示出一電化膜片部件及其進口和出口流；圖3為包括一膜片部件和有關結構的整個過程的示意圖，包括提純氣體流的流路；圖4(a)為現有燃料電池電力系統的流程圖；圖4(b)為示出圖4(a)所示系統上的電力負荷的曲線圖；以及圖5為本發明燃料電池電力系統的流程圖。
對優選實施例的詳細說明圖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分別示出現有燃料電池系統和本發明燃料電池系統，突出示出這兩種系統的差別和本發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用來接收和傳送一混合氣流18，而氣流室16用來接收和傳送一提純氣流20。混合氣流氣流室14的一端有一進口22，另一端有一出口24。同樣，提純氣流氣流室16的一端有一進口26，另一端有一出口28。可以看到，混合氣流18的進口22和提純氣流20的進口26分列在模件10的相對兩端上，因此混合氣流18與提純氣流20的流動方向相反。
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在進口22處流入氣流室14的部位用標號34表示，而混合氣流在出口24處流出氣流室14的部位用標號36表示。對於提純氣流，標號38表示在進口26處流入氣流室16的提純氣流，而標號40表示包括下文詳述的產物氣體在內的提純氣流在出口28處流出氣流室16。
在圖1中，膜片12為用於分離氫氣的鈀銀型膜片。當分離模件10用來分離氧氣時，膜片12可包括混合離子/電子傳導陶瓷膜片。總之，可以看出，可為預定產物氣體或液體所滲透的任何現有或其他種類的膜片都可用於本發明，不管從混合氣流中分離的是氫氣、氧氣、二氧化碳、氨、甲烷還是其他產物氣體。膜片當然與兩氣流接觸，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從進口22流入氣流室14。在流過氣流室14後成為混合氣流36從出口24流出。該混合氣流由產物氣體(例如要從混合氣流中分離出來的氫氣、氧氣或其他氣體或液體)和與產物氣體分離的其他氣體構成。在分離模件10的另一邊，提純氣流38從進口26流過氣流室16後成為提純/產物氣體40從出口28流出。提純氣流可為在分離模件10的下遊易於與產物氣體分開的水蒸氣或任何其他氣體，這在下文交代。下面說明分離產物氣體為氫氣或氧氣的一特殊實施例。儘管在該特殊實施例中說明這兩種氣體，但在本發明範圍內也可從一混合氣流中分離其他氣體或液體。
氫氣為包含在流過分離模件10的氣流室14的混合氣流18中的產物氣體。氫氣作用於膜片的表面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旁格柵中的氫氣經膜片12遷移到表面32。由於表面32旁的氫氣壓力較低，因此氫氣流出膜片12的格柵結構後流入提純氣流中(把提純氣流轉變成提純/產物氣體流)，然後成為氣流40從出口28流出。
進口26處的提純氣流38、出口28處的提純/產物氣體流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動力在氣體分離膜片12的整個表面上呈正值。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分離膜片12，即使膜片12中有針孔或密封不嚴。
圖2示出本發明另一實施例。在該實施例中，圖2中與圖1相同的部件用同一標號表示。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為鋯之類的離子傳導膜片，但也可使用其他種類的傳導膜片。
分離膜片12上塗有電極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，使用氧離子傳導膜片，但使用帶負電荷離子、甚至帶正電荷離子的其他合適膜片也在本發明範圍內。
混合氣流18從進口22流入，從出口24流出，而提純氣流20從進口26流入室16，從出口28流出。混合氣流18與提純氣流20的流動方向仍然相反。提純氣流20的壓力約等於所需純產物氣體的傳送壓力。該例中為氫氣的純產物氣體在比方說15個大氣壓的預定壓力下傳送到分離模件的下遊，提純氣體的壓力保持在該純產物氣體傳送壓力上。但是，為了減小針孔或密封不嚴的影響，提純氣流20的壓力必須稍大於室14中的混合氣流18的壓力。如該結構的膜片對混合氣流中的其他成分的密封良好，該壓力標準可稍稍放鬆。
電子46進入電極42後遷移到電極42中的反應區48。在該實施例中，提純氣流由水蒸氣構成，水蒸氣與電子46進入反應區48生成氫氣50和氧離子52。氧離子52進入分離膜片12的格柵結構。氧離子52在反應區48旁的濃度的增加使得氧離子52流到電極44中的反應區54。室14中的混合氣流18中的氫氣56進入反應區54後與氧離子反應。該反應生成水58，該水蒸發後進入室14中的混合氣流18，同時釋放出電子60，電子60離開電極44後經外部電路62流回電極42。
在圖2所示實施例中，分離氫氣的驅動力主要為電力，但除該電力外保持局部正驅動力可減少驅動該系統所需的能量。此外，在該實施例中，由於電驅動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，該實施例與圖1所示實施例不同，混合氣流18中氫氣的局部壓力在氣體分離膜片12的長度上不必高於提純氣流20中氫氣的局部壓力。
本發明裝置和方法的好處和優點同樣適用於其他氣體。例如，混合氣流中的氧氣可在反應區54生成氧離子52和電子。因此電子46與60的流動方向與從混合氣流中分離出氫氣時相反，氧離子52的流動方向也相反。在反應區48，氧離子52與從外部電路62返回的電子46重新結合成純氧後進入一般由水蒸氣構成的提純氣流中。本發明逆向流動的提純氣體在該例中的好處與使用氫氣的上例相同。
圖3為整個氣體提純和分離系統的示意圖。在圖3中，與圖1和2中相同的結構和部件用同一標號表示。在圖3中，混合氣流18從進口22流入時為氣流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流入進口26，其流動方向與混合氣流18相反。提純氣體20從出口28流出時成為提純/產物氣體流40。混合氣流和提純氣流18和20的各氣流如結合圖1和2所述由氣體分離膜片12隔開。提純/產物氣體流40流到一再生蒸汽發生器68後從氣流40中除去熱量，該氣流40中的水蒸氣冷凝。在流過蒸汽發生器68後，該氣流進入一除熱後級冷凝器70，然後流入一液體/氣體分離器72。在該液體/氣體分離器72中，純產物氣體流76與冷凝水74分離。從該氣流中分離出的純產物氣體流76用於或傳送到下遊某一地點。
水74經一泵78流回再生蒸汽發生器68，在該發生器中，用冷凝氣流40中的水生成的熱量把液態水74轉變成水蒸氣。如使用致冷型提純氣體，則在泵78與蒸汽發生器68之間設置一孔板80。該水蒸氣經一過熱器82加熱成提純氣流38後流入分離模件10的進口26。此外，需要時可在分離器72中添加水量。
下面參見圖4(a)、4(b)和圖5。圖4示出一現有燃料電池電力系統，而圖5示出本發明燃料電池系統。
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、柴油之類碳氫燃料後混合和燃燒這些燃料，生成富氫混合氣體產物。用泵116沿燃料管道114把碳氫燃料從燃料進口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。汽輪發電機122中有一空氣進口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，來自空氣管道124的空氣與來自燃料管道114的燃料最好在有水的情況下混合、反應和燃燒，生成氫氣/混合氣體產物後從產物管道126流出燃料處理器110。產物管道126經下遊轉換反應器170和172、熱回收熱交換器173和175和一氧化碳過濾器176把該氫氣/混合氣體產物最終傳送到一燃料電池128，該產物然後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中的空氣來自汽輪發電機122的空氣管道124。
燃料電池128的陽極廢氣管道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，把水傳給蒸汽發生器150。但是，一部分水經水管152引入燃料處理器110後與該燃燒室中的高熱產物氣體混合。從水管148流入蒸汽發生器150的水用從熱交換器173和175回收的熱量加熱成水蒸氣經水蒸氣管道154傳給空氣管道124，然後空氣與水蒸氣混合後如上所述送到燃料處理器110。
分離器140和142用殘餘產物管道158和160與一燃燒器156連接，殘餘產物在燃燒器156中燃燒生成的熱量和能量經管道162送到汽輪發電機122。在該管道162中流動的該產物所含熱量和能量經汽輪發電機處理後推動發電機164。該燃燒氣體從汽輪發電機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，其溫度高達約2700°F。在燃料處理器底部，從管道152引入的水使產物氣體的溫度下降到約700°F。其下遊有一高溫轉換區170和一低溫轉換區172，在這裡一氧化碳與水反應生成氫氣和二氧化碳。這兩個轉換反應器用來除去該系統中的燃燒副產物。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和高溫轉換反應器170流出的產物氣體經熱交換器173的冷卻後流入低溫轉換反應器172。氣體在低溫轉換反應器172後用熱交換器171進一步冷卻。最後，一氧化碳在一氧化碳過濾器176中減少到燃料電池128容許的數量。產物管道126中氫氣/混合氣體產物中的氫氣濃度相當低，一般為產物氣體總量的30-40％。
如上所述，燃料電池128中的殘餘產物經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中的產物的溫度。管道162中的這些產物的溫度可達約800°F，大大低於本發明燃料電池系統中對應結構中的溫度，這在下文說明。
圖5為本發明各流體和系統的流程圖。從下面的說明顯然可見，本發明燃料電池系統較之現有系統有許多優點，效率和輸出提高，所需欠氧化燃燒爐的標稱或額定功率低。額定功率可降低的原因是本發明能高效使用和生成氫燃料，把氫氣存儲在一氫氣罐中備用。由於能存儲氫氣，因此生成氫氣的欠氧化燃燒爐不必運行在不穩定的高峰負荷下，而是一般運行在更連貫、更穩定的狀態下，但仍提供足夠的氫氣，使得該系統運行在現有系統的高峰負荷下。
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。本發明系統在燃燒室212的下遊裝有一新穎提純模件214。該提純模件214有一混合氣體側213和一提純/產物氣體側233。混合氣體側213的流動方向與提純/產物氣體側233相反。供應給欠氧化燃燒爐210的空氣、燃料和水點火後充分混合，生成氫氣、一氧化碳和水。
用泵-壓縮機220把燃料管道218中的燃料從燃料進口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。與現有系統一樣，該燃料可包括甲醇、乙醇、柴油之類碳氫燃料或其他合適燃料。一空氣進口224向一汽輪發電機226輸送空氣，該空氣從汽輪發電機226經空氣管道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中另一蒸汽源連接的蒸汽管道230中的蒸汽補充，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自管道228和218的空氣和燃料的結構。這些結構一般終止於一噴嘴，從而把充分混合的燃料和空氣混合物噴入燃燒室中後點火。該混合結構和噴嘴的詳情見本申請人的其他專利，包括作為參考材料包括在此的美國專利Nos.5，207，185、5，299，536、5，441，546、5，437，123、5，529，484、5，546，701以及申請USSN471，404和USSN742，383。
燃燒爐210中的燃燒過程把碳氫燃料轉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後流過混合氣體側213。管道232中的蒸汽流入提純模件214後流過提純/產物氣體側233。混合氣流213與提純/產物氣體流233的流動方向相反。氫氣從混合氣流213中如上文所述轉移到提純/產物氣體流233中。回收係數最好為70-90％。
氫氣/蒸汽混合物從燃燒爐210流出後經水/氫氣管道236傳送到一冷凝器238，該冷凝器可為參照圖3所述的再生冷凝器。還有一後級冷凝器240，冷凝器238與冷凝器240構成一水冷凝鏈。這兩個冷凝器把氫氣/蒸汽冷凝成氫氣/液態水混合物，然後用一分離器242分離並隔開氫氣與水。氫氣經氫氣管道244流出分離器242，而水經水管246流出分離器242。
本發明的一個突出優點是，與現有系統相比較，氫氣管道244中為約100％的氫氣，而在現有系統中，供應給燃料電池的氫氣-產物混合物中的氫氣含量只有30-40％。在本發明中，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與一氫氣存儲罐254連接。顯然，流入管道248或252中的氫氣數量決定於燃料電池上的負荷。如當前負荷需要使用分離器242中所有的氫氣，所生成的所有氫氣就經管道248供應給燃料電池250。另一方面，如從分離器經管道244供應的氫氣超過當前負荷要求，所有或部分氫氣就經管道252存儲在氫氣存儲罐254中。管道252中的一泵256把氫氣輸送到存儲罐254。
當然，完全可能燃料電池250上的負荷對氫氣的需求量比在分離器242中實際所生產和分離的大。在現有系統中，此時要求燃料處理器生產更多氫氣。但是，在本發明中，由存儲在存儲罐254中的氫氣滿足對氫氣的需求的增加。用閥258控制的輸氣管252把氫氣從存儲罐傳送到管道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中的廢氣也經管道264傳給催化燃燒器262。來自提純模件的混合氣流側213的這些廢氣包括氫氣。此外，壓縮空氣從汽輪發電機226經管道266傳給催化燃燒器262。催化燃燒器262燃燒來自燃燒爐210的廢氣和經管道260來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，比現有系統高得多。如前面結合圖4(a)所述，燃燒器燃燒廢氣把溫度提高到約800°F。管道270把該氣體供應給汽輪發電機226，該氣體的至少一部分能量用來驅動發電機272。管道270把高壓氣體傳給汽輪發電機的膨脹部226a，氣體的壓力和熱量驅動該膨脹部。氣體膨脹後經管道291傳到再生蒸汽發生器284、冷凝器288和液體/氣體分離器278。來自分離器278的水和來自分離器242的水合在一起流入泵286，然後經控制閥289和管道282流到蒸汽發生器284。蒸汽然後送到管道230。
如圖5所示，在蒸汽發生器284中把水轉換成蒸汽的至少一部分能量來自於汽輪發電機的廢氣，這與現有系統不同，該部分能量不是從系統排出，而是經管道291傳給蒸汽發生器284。如需要更多能量，從冷凝器238回收的能量可與由管道291輸送到發生器284的熱量合併。因此本發明系統使用在現有系統中排出的這部分熱量和能量。因此本發明的效率提高，能耗降低，燃料節省。
蒸汽發生器284生成的蒸汽經管道230傳給空氣管道228，在空氣管道中與空氣混合後傳給燃燒爐210和燃料電池250。一蒸汽支管232把蒸汽從蒸汽發生器284傳給本發明提純模件214。
本發明系統較之現有系統有若干突出優點。一個差別是起動時間。在現有系統中，在所生成的氫氣增加到能滿足燃料電池的負荷要求前的起動時間至少為2分鐘。事實上，能量使用的典型分布極不穩定，對電力的需求在高點與低點之間來回變動。圖4(b)示出現有系統中的典型能量分布曲線。該系統隨著負荷增加或減小在運行時發生浪湧，結果需生產更多氫氣。該系統必須設計成能對付這種浪湧和需求的巨大變動。本發明系統當然裝有一氫氣存儲罐254。因此，由於燃料電池可從存儲罐中隨用隨取氫氣，因此起動時間大大縮短。該氫氣存儲罐可把燃料電池在低負荷時所生成的氫氣存儲起來。相反，在發生浪湧時，燃料電池所需的大量氫氣不取自燃料處理器，而取自氫氣存儲罐。
由於本發明系統在供電高峰時可使用氫氣存儲，因此本發明的另一個突出優點是燃料處理器可設計成在高峰時輸出少量氫氣。由於氫氣含量為30-40％的現有系統不能存儲氫氣，因此燃料處理器必須能輸出與高峰供電對應的氫氣。事實上，在一般系統中，即使平均負荷只有15kw，但供電峰值可達50kw或50kw以上。能存儲氫氣的淨結果是，該系統在高峰供電時不靠燃料處理器生產大量氫氣，而用所存儲的氫氣補償少量生產的氫氣。因此本發明系統的燃料處理器可穩定、連貫地輸出氫氣，不管是否需要氫氣。不立時需要的氫氣可存儲在氫氣存儲罐中，在出現高峰而對氫氣需求超過燃料處理器的輸出能力時使用。因此，燃料處理器和/或重整爐可根據基本負荷確定其合適大小。可使用額定功率為15kw而不是50kw的裝置，從而不僅可降低整個系統的成本，而且可用預定數量的燃料更高效地生產氫氣。該欠氧化燃燒爐和重整爐的實際尺寸可減小，從而節省空間。因此，由於可存儲不使用的多餘氫氣，燃燒爐和燃料電池可始終以最大效率運行。由於能存儲氫氣，燃料處理器可生產數量穩定的氫氣，使得燃料電池和/或重整爐的體積比現有系統減少30％或以上。
從上述說明中還顯然可見，本發明系統比現有系統的另一個優越之處在於，它所生產的氫氣的濃度高得多。在圖4(a)所示現有系統中，產物管道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％。很難有效存儲氫氣濃度低到30-40％的氫氣/混合氣體。由於流出燃燒爐的混合物中的氫氣接近純淨，因此本發明系統不存在存儲問題。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。
本發明系統還能在更高溫度下運行汽輪發電機，從而提高其運行效率。在圖4中，現有系統所使用的燃料處理器110為了除去一氧化碳之類成分在該燃燒裝置中必須包括若干轉換處理器。這些轉換反應器造成熱含量大大減小，特別是該燃料處理器中從高溫轉換區到低溫轉換區。本發明系統分離氫氣與廢氣。提純模件214中的高熱廢氣直接送到催化燃燒器262生產熱量。
在本發明中，該系統在這裡不僅把溫度高達1200-1800°F的氣體供應給膨脹器和發電機，而且不排出剩餘熱量和能量，而是循環到熱量回收蒸汽發生器，把該系統中的水轉換成蒸汽後進一步用於氫氣生產過程。因此，汽輪發電機的性能提高，該系統單位燃料的輸出能量增加。
本發明系統還使燃料處理系統和燃料電池系統簡化。在現有燃料處理系統中，為了除去流入燃料電池的產物氣體中的汙染物，需要使用轉換反應器170和172、一氧化碳過濾器176和硫吸收床174。提純模件214的混合氣體側可設計成具有轉換催化功能，因此無需使用轉換反應器170和172。由於用提純模件214分離氫氣，因此該功能增強。由於重整爐產物氣體不直接流過燃料電池模件250，因此還無需硫吸收床174和一氧化碳過濾器176。由於無需使用這些部件，因此系統的體積減小，成本降低。
如結合圖1-3詳述，在分離模件中進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給燃料電池，並由於該模件中膜片兩邊上的壓力差，因此由針孔或密封不嚴造成的副作用減小，這些密封變得無關緊要。
由於在系統所生產的氫氣數量比系統所需氫氣數量多時可把氫氣存儲在存儲罐中，因此系統可迅速加速，起動時間大大縮短，因為使用所存儲的氫氣比把燃料電池加速到峰值和增加氫氣輸出所化時間短得多。本發明無需現有系統中為處理燃料生產過程中所生成的汙染成分所需的轉換催化床和/或除硫床。由於這些汙染物的數量不多，因此該系統中可保持更高溫度，從而效率提高。
本發明燃料電池系統的典型起動周期涉及旋轉汽輪發電機的蓄電池，以開始向燃料電池供應空氣流和從存儲罐254釋放氫氣。該起動所需時間極短。空氣流向欠氧化燃燒爐和催化燃燒器262為熱過程，因此一般需要更長、更逐漸的起動周期。燃料流向欠氧化燃燒爐後，燃燒爐中的火花塞通電對燃燒室212中的混合物點火。燃燒爐210運行在高容量和高理想配比(SR)下。
對汽輪發電機的加熱加上氫氣從存儲罐254輸送到燃料電池250，車輛迅速起動，或在其他應用場合迅速輸出電力。隨著系統升溫，所生成的蒸汽經管道233向提純模件輸送提純氣體，系統達到運行溫度，從而從混合氣流中提取氫氣。提純模件214從混合氣流213中提取氫氣和開始向燃料電池250提供氫氣。當燃料電池負荷下降時，一部分氫氣開始添加到存儲罐254中。氫氣向存儲罐轉向的氫氣存儲周期按需要重新裝載氫氣存儲罐。
該過程氣體提純模件和燃料電池系統有效和高效利用碳氫燃料中的氫氣。本發明欠氧化燃燒爐加上氣體提純模件設計成從碳氫燃料中提取最佳數量的氫氣。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的各氣流的整個壓力和局部壓力。此外，本發明更進一步，不僅從碳氫燃料中提取最佳氫氣濃度，而且最佳使用該過程所生成的氫氣。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電。此外，由於燃料電池負荷不僅依靠燃料處理器所生產的氫氣，還依靠在低負荷時用存儲罐存儲的氫氣，因此燃料處理器的體積減小，運行更穩定。
本發明不受上述細節的限制，在本發明範圍內可使用其他實施例。關鍵是在產物氣體側使用流動方向與混合氣流相反的提純氣體。
權利要求
1.一種從一混合流中分離一產物的模件，該模件包括(a)一混合流室，該混合流室有進口裝置和出口裝置，界定混合流的第一流路；(b)一提純/產物流室，該室有進口裝置和出口裝置，界定提純/產物流的第二流路，第二流路的方向與第一流路相反；(c)一位於混合流室與提純/產物流室之間的膜片，該膜片對該產物具有選擇滲透性。
2.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，該提純/產物流室與一提純氣體氣源連接。
3.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，該提純/產物流室與一提供提純/氣體流的供應源連接。
4.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，提純/產物流的進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.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，該混合氣體室的進口裝置與一欠氧化重整爐連接，從該混合流中分離的產物為氫氣。
6.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，提純/產物流室的出口裝置與其下遊的一提純氣體冷凝器連接，從而從提純/產物流中分離該產物。
7.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，該膜片為可滲透氫氣的鈀型膜片。
8.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，該膜片包括露出在混合流室中的第一表面和露出在提純/產物流室中的第二表面以及膜片的第一與第二表面之間、對該產物具有選擇滲透性的格柵結構。
9.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，進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.按權利要求9所述的模件，其特徵在於，該膜片為負離子傳導膜片。
11.按權利要求9所述的模件，其特徵在於，該負離子傳導膜片為氧離子傳導膜片。
12.按權利要求11所述的模件，其特徵在於，該氧離子傳導膜片為鋯。
13.按權利要求9所述的模件，其特徵在於，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該外部電路傳導到第二電極。
14.按權利要求9所述的模件，其特徵在於，該膜片為一氧離子傳導膜片，該氧離子傳導膜片包括一混合離子和電子傳導材料，無需外部電路。
15.按權利要求9所述的模件，其特徵在於，該膜片為一氧傳導膜片，由混合離子和電子傳導材料製成，該連接裝置與一自由電子流的外部電路電連接。
16.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，該混合流室進一步包括一促進額外反應的催化劑。
17.按權利要求16所述的模件，其特徵在於，該催化劑促進一氧化碳轉換反應。
18.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，進一步包括一下遊冷凝器。
19.按權利要求1所述的模件，其特徵在於，進一步包括冷凝提純/產物流中的水蒸氣的水分離器和把冷凝水傳給提純/產物流室的進口裝置的裝置，該冷凝水在輸入提純/產物流室前用一蒸汽發生器和過熱器加熱。
20.一種從一混合流中分離一產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/產物流室中，該提純/產物流室有進口和出口裝置，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/產物流室之間設置一分離膜片，該分離膜片對該產物具有選擇滲透性，從而混合流中的該產物經該膜片流入提純流中，從而形成一提純/產物流，(d)提純/產物流從提純/產物流室的出口裝置流出，(e)產物分離後的混合流從混合流室的出口裝置流出。
21.按權利要求20所述的方法，其特徵在於，通過在膜片的產物側中提供一提純氣體使得產物在混合流室中分離膜片上一點處的局部壓力大於產物在分離膜片另一邊上該點處的局部壓力，從而形成使產物滲透該分離膜片的驅動力。
22.按權利要求20所述的方法，其特徵在於，混合流室中的混合流的壓力小於提純/產物流室中的提純流和提純/產物流的壓力。
23.按權利要求20所述的方法，其特徵在於，使產物滲過分離膜片的驅動力包括分離膜片兩邊上的電化反應。
24.按權利要求21所述的方法，其特徵在於，使產物滲過分離膜片的驅動力進一步包括分離膜片兩邊上的電化反應。
25.按權利要求20所述的方法，其特徵在於，該提純流為水蒸氣或蒸汽。
26.按權利要求20所述的方法，其特徵在於，該分離膜片工作在高溫下。
27.按權利要求26所述的方法，其特徵在於，該高溫大於400°F。
28.按權利要求20所述的方法，其特徵在於，該提純流為一非反應蒸汽，它在工作溫度下蒸汽壓力較高並且冷凝溫度較高，以便從產物中分離出來。
29.按權利要求20所述的方法，其特徵在於，該提純氣體為酒精、碳氟化合物或任何致冷型化合物。
30.按權利要求26所述的方法，其特徵在於，該產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，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於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.按權利要求31所述的燃料電池系統，其特徵在於，進一步包括(a)存儲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裝置；(b)當燃料電池的氫氣需求量大於燃燒爐模件的氫氣生產量時把所存儲的氫燃料從存儲裝置供給燃料電池的裝置。
33.按權利要求31所述的燃料電池系統，其特徵在於，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.按權利要求31所述的燃料電池系統，其特徵在於，進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/或存儲罐。
35.按權利要求31所述的燃料電池系統，其特徵在於，進一步包括一燃燒燃燒爐所生成的廢氣的燃燒器，該燃燒器產生的額外熱量和能量用來驅動一發電機。
36.按權利要求35所述的燃料電池系統，其特徵在於，該燃燒器為催化燃燒器。
37.按權利要求35所述的燃料電池系統，其特徵在於，進一步包括一熱回收蒸汽發生器，該蒸汽發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動。
38.按權利要求31所述的燃料電池系統，其特徵在於，進一步包括一向該燃燒爐提供高壓空氣的汽輪發電機。
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在一氫存儲裝置中；以及(e)當燃料電池的氫氣需求量大於燃燒爐模件的氫氣生產量時把所存儲的氫燃料從存儲裝置供給燃料電池。
40.按權利要求39所述的方法，其特徵在於，進一步包括下列步驟用水蒸氣在整個提純模件中進行提純，促進氫燃料從富氫流中的分離，以便向燃料電池和存儲裝置提供大致為100％的氫燃料。
41.按權利要求39所述的方法，其特徵在於，在高壓下向燃料電池提供氫氣。
42.按權利要求39所述的方法，其特徵在於，燃燒爐所生成的廢氣在一催化燃燒器中點火生成額外熱量和能量，該熱量和能量驅動一發電機。
43.按權利要求42所述的方法，其特徵在於，該額外熱量和能量還傳給一熱回收蒸汽發生器，該蒸汽發生器把水加熱成水蒸氣用於該燃燒爐和提純模件。
44.按權利要求43所述的方法，其特徵在於，被加熱成水蒸氣的水包括從由增強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陶瓷膜片的一邊上流過；(b)使水蒸氣在該氧傳導陶瓷膜片的另一邊上流過；(c)在該膜片中促進該富氫流中的氫氣與氧離子的反應而生成水蒸氣；以及(d)促進水蒸氣在該膜片另一邊上的反應而生成氫氣和氧離子。
46.按權利要求45所述的方法，其特徵在於，進一步包括(a)該膜片的混合氣體一邊上的氫氣和氧離子的電化反應；以及(b)該膜片另一邊上水蒸氣的電化反應生成氫氣和氧離子。
全文摘要
一種從一混合流中分離一產物的模件(圖5中214),該模件包括:一混合流室,其有進口和出口裝置並界定混合流的第一流路;一提純/產物流室,其有進口和出口裝置並界定提純/產物流的第二流路,第二流路方向與第一流路相反;一位於混合流室與提純/產物流室之間的膜片,該膜片對該產物可選擇性滲透。還公開一種燃料電池系統,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於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裝置(254);以及當燃料電池的氫氣需求量大於燃燒爐模件的氫氣生產量時把所存儲的氫燃料從存儲裝置供給燃料電池的裝置。
文檔編號C01B13/02GK1298319SQ99805253
公開日2001年6月6日 申請日期1999年3月10日 優先權日1998年3月12日
發明者理察·R·伍茲 申請人:氫燃燒器技術公司