電流發生系統的製作方法

2023-06-01 15:47:31 2

專利名稱：電流發生系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於產生電流的燃料電池。具體地說，本發明涉及一種基於燃料電池的發電系統，該系統採用壓力迴轉吸收方法來增大所述燃料電池的效率。
首先，為了從燃料電池中獲取一個持續的電能源，必須為該燃料電池提供一個持續的氧氣和氫氣源。然而，如果利用大氣作為氧氣的直接來源而輸送到陰極通道中，那麼氧氣的低分壓和氮氣的濃差極化，將嚴重影響PEM燃料電池的性能，同時，鹼性燃料電池還需要一個預處理提純系統來將二氧化碳從送入的空氣中去除。還有，由於大氣原料在陰極通道中的平均氧氣濃度一般僅為15％左右，所以為了提供工業應用所需的充足能量，該燃料電池就必須被製成具有異乎尋常的大尺寸。
為了在流經陰極通道的氧氣中獲得足夠大的分壓，以從PEM燃料電池系統中得到較大的電流密度，尤其用於機動車輛的發動機，那麼就必須在原料空氣被供送到陰極通道中之前，將其壓縮到至少3個大氣壓。應該明白，對原料空氣進行充分壓縮所需輸入的能量將會降低該燃料電池系統的總效率。已經提出了利用聚合物隔膜來對氧氣進行濃縮，但是這種隔膜實際上卻降低了氧氣的分壓，總壓力的減小量要大於可獲得的有限濃縮補償量。
其次，氫氣的外部製備、淨化、分配以及存儲(以壓縮氣體或低溫液體的形式)均需要昂貴的基礎條件，同時在車輛中對氫氣燃料的儲存還存在相當的技術與經濟障礙。因此，對於穩定的能量發生而言，氫氣最好是通過蒸氣重整或局部氧化後再進行水煤氣轉化而由天然氣生成。對於採用液體燃料的燃料電池車輛而言，氫氣最好是通過蒸氣重整由甲醇生成，或者是通過部分氧化或自熱重整後再進行水煤氣轉換而由汽油生成。然而，最終的氫氣中仍包含有一氧化碳和二氧化碳雜質，當這些雜質在微量級時，將分別不能被PEM燃料電池中的催化電極和鹼性燃料電池中的電解質所容許。
從送入PEM燃料電池的氫氣中去除殘留的一氧化碳的常規方法是選擇性催化氧化，由於低溫氧化消耗了一氧化碳和一部分氫氣，因此該方法會影響其效率，並且無法對任何燃燒熱進行回收。鈀擴散膜可以用於氫氣淨化，但是卻存在著在低壓下會輸送提純後的氫氣的缺點，並且還需要利用稀有和昂貴的材料。
第三，壓力迴轉吸收系統(PSA)具有這樣一個顯著特點，即其能夠在不含有明顯量的雜質的條件下提供持續的氧氣和氫氣源。PSA系統和真空壓力迴轉吸收系統(真空-PSA)通過調整壓力循環並在吸附床上反轉流動來從氣體混合物中分離出氣體成分，其中該吸附床相對於混合物中較不易被吸收的氣體組分來說優先吸收較易被吸收的氣體組分。當氣體混合物從第一端部通過吸收床流向其第二端部時，吸收床中氣體混合物的總壓力將會增大，而當氣體混合物從第二端部通過吸收床的流回其第一端部時，總壓力將會減小。隨著PSA循環的重複，較不易被吸收的組分在靠近吸收床的第二端部處聚集，而較易被吸收的組分在靠近吸收床的第一端部處聚集。結果，「輕質」產物(在較易被吸收的組分中減少而在較不易被吸收的組分中濃縮的氣體成分)被從吸收床的第二端部處輸出，而「重質」產物(在非常易被吸收的組分中濃縮的氣體成分)被從該吸收床的第一端部處排出。
然而，用於執行壓力迴轉吸收或者真空壓力迴轉吸收的常規系統是利用兩個或更多的平行固定吸收床，在每一個吸收床的每一端部均帶有換向閥，用於以交替的次序將吸收床與壓力源和交換器相連通。由於所需的閥系統非常複雜，所以操作該系統通常困難並且成本昂貴。
還有，常規的PSA系統對提供給它的能量利用率較低，這是因為對原料氣體的增壓是由一壓縮機提供的，而該壓縮機所傳輸的壓力是所述循環中的最高壓力。在PSA中，通過調節閥門，在吸附器和高壓供應源之間的瞬間壓力差消耗了用於增壓而對原料氣體進行壓縮所需的能量。同樣，在真空-PSA中，其中循環中的較低壓力是通過一真空泵在所述壓力下抽取氣體而形成的，通過在吸附器的逆流排氣過程中對閥門進行調節而消耗了能量，其中所述吸附器中的壓力被降低。在這兩個系統中另一能量消耗發生在淨化，均化，順流排放，產品增壓或回流步驟中對輕質回流氣體進行調節時。這些能量損失均減少了整個燃料電池系統的效率。
另外，常規的PSA系統通常只能在相對較低的循環頻率下進行工作，這就需要利用大量的吸附劑。這種PSA系統所必然會具有的較大尺寸和重量，也使得它們不適用於車輛上的燃料電池應用領域。
因此，就需要一種基於燃料電池的高效發電系統，該系統可以產生足夠的能量用於工業應用，並且該系統適用於機動車輛應用領域。
本發明的概述根據本發明，在此提供了一種基於燃料電池的發電系統，此系統旨在克服現有燃料電池發電系統中所存在的不足之處。
根據本發明中第一個實施例的電流發生系統包括有一燃料電池和一氧氣傳輸系統。該燃料電池包括有一陽極通道，其具有一個用於接收氫氣供應的陽極氣體入口，一陰極通道，其具有一個陰極氣體入口和一個陰極氣體出口，以及一種與陽極和陰極通道相連通的電解質，以利於在陽極和陰極通道之間進行離子交換。氧氣傳輸系統連接於陰極氣體入口上，用以將氧氣輸送到陰極通道中。
該電流發生系統還包括有與所述陰極氣體出口相連接的氣體再循環裝置，用於將從該陰極氣體出口排出的陰極排出氣體的一部分再循環回到所述陰極氣體入口中。
在第一實施例的優選實施方式中，氧氣傳輸系統包括有一個氧氣分離系統，用於從空氣中抽取出濃縮的氧氣。最好，該氧氣分離系統還包括有一個氧氣壓力迴轉吸收系統，該迴轉吸收系統包括一具有一定子和一相對於該定子可轉動的轉子的旋轉組件。所述轉子包括有多條用於在其內接收吸附材料的流動路徑，用於響應於該流動路徑中壓力的增大而相對於第二氣體成分優先吸收第一氣體成分。該壓力迴轉吸收系統還包括有連接於旋轉組件上的壓縮設備，以有利於氣體流經所述流動路徑，從而將第一氣體成分與第二氣體成分分離開。所述定子包括有一個第一定子閥表面，一個第二定子閥表面和多個開口於所述定子閥表面上的功能腔室。所述功能腔室包括有一氣體送入腔室，一輕質回流液排出腔室和一個輕質回流液返回腔室。
在一變型實施例中，壓縮設備包括一用於向氣體送入腔室供送壓縮氣體的壓縮機；和一個連接在輕質回流液腔室與輕質回流液返回腔室之間的輕質回流液膨脹器。氣體再循環裝置包括有一個連接於輕質回流液膨脹器上的壓縮機，用於在朝向陰極氣體入口的壓力作用下對從陰極氣體出口排出的氧氣進行供送。其結果，從壓力迴轉吸收系統中回收的能量可以用於增大向陰極氣體入口進行供送的氧氣壓力。
在另一變型實施例中，在輕質回流液排出腔室與輕質回流液返回腔室之間設置有一些限流孔，用於代替所述輕質回流液膨脹器來降低壓力。氣體再循環裝置包括一個連接於陰極氣體出口上的壓縮機，用於向陰極氣體入口供送氧氣；和一個設置在陰極氣體出口與一壓縮腔室之間的限流孔，用於將一部分氧氣作為原料氣體再循環回到所述壓力迴轉吸收系統中。其結果，從陰極氣體出口回收的能量可以被用來經由該PSA系統對陰極氣體入口進行協助施壓。
根據本發明第二實施例的電流發生系統，包括有一燃料電池；一氧氣傳輸系統；和一個氫氣傳輸系統。該燃料電池包括有一個具有一陽極氣體入口和一陽極氣體出口的陽極通道，一個具有一陰極氣體入口和一陰極氣體出口的陰極通道，以及一種與陽極和陰極通道相連通的電解質，以有利於在陰極與陽極通道之間進行離子交換。
氧氣傳輸系統連接在陰極氣體入口上，並且將氧氣傳送到陰極通道中。氫氣傳輸系統包括一個用於接收從陽極氣體出口送入的第一原料氫氣的氫氣入口；和一個連接於該陽極氣體入口上的氫氣出口，用於將從第一原料氫氣中所接收到的氫氣提高純度後送入所述陽極通道中。
在第二實施例的一優選實施方式中，氧氣分離系統包括有一氧氣壓力迴轉吸收系統，而氫氣分離系統包括一用於由碳氫化合物燃料產生第二原料氫氣的反應器；和一連接於該反應器上的氫氣壓力迴轉吸收系統，用於對從第一和第二原料氫氣中所接收到的氫氣進行提純。兩種壓力迴轉吸收系統均包括有一個旋轉組件，該旋轉組件中具有一個定子和一個相對於該定子可轉動的轉子。所述轉子包括有多條用於在其內接收吸收材料的流動路徑，用於響應於該流動路徑中壓力的增大而相對於第二氣體成分優先吸收第一氣體成分。功能腔室包括有一氣體送入腔室和一重質產品腔室。
在一變型實施例中，氧氣壓力迴轉吸收系統包括一個連接於氣體送入腔室上的壓縮機，用於將壓縮氣體送入氣體送入腔室中；和一個連接於該壓縮機上的真空泵，用於將氮產出氣從重質產品腔室中抽取出來。反應器包括有一蒸汽重整裝置，該蒸汽重整裝置又包括一用於產生混合氣體(syngas)的燃燒器；和一個連接在該蒸汽重整裝置上的水煤氣轉換發生器(water gas shift reactor)，用於將所述混合氣體轉換成第二原料氫氣。氫氣壓力迴轉吸收系統包括有一個真空泵，用於將燃料氣體從重質產品腔室送入燃燒器中。所述燃料氣體在燃燒器中進行燃燒，並且從其中所產生的熱量被用於供給蒸汽重整反應所必需吸收的反應熱量。最終的混合氣體被傳送到水煤氣轉換發生器中，以去除雜質，並隨後作為第二原料氫氣送入氫氣壓力迴轉吸收系統中。
在另一變型實施例中，本發明包括有一個用於燃燒燃料的燃燒器。反應器中包括一用於產生混合氣體的自熱式重整裝置；和一個連接在該自熱式重整裝置上的水煤氣轉換反應器，用於將所述混合氣體轉換成第二原料氫氣。氧氣壓力迴轉吸收系統中的壓縮機將壓縮空氣送入燃燒器中，並且將重質產出氣體作為需要在燃燒器中進行燃燒的尾氣而從氫氣壓力迴轉吸收系統中排出。氧氣壓力迴轉吸收系統中的壓縮設備還包括有一個連接在所述壓縮機上的膨脹器，用於利用從燃燒器中所放出的燃燒熱氣體來驅動所述壓縮機。從燃燒器中放出的熱量還可以用於對送入自熱式重整裝置的空氣和/或燃料進行預加熱。
對附圖的簡要說明現在將參照附圖對本發明的優選實施例進行描述，但僅作為示例的目的，其中

圖1是適用於本發明的一旋轉PSA組件的剖視圖，示出了所述定子和位於該定子中的轉子；圖2是圖1中所示組件的剖視圖，為了清楚起見去除了所述定子；圖3是圖1中所示定子的剖視圖，為了清楚起見去除了所述轉子；圖4是圖1中所示組件的一軸向剖視圖；圖5示出了一種由圖1至4中所示PSA系統所能夠獲得的典型PSA迴路；圖6示出了一種由圖1至4中所示PSA系統所能夠獲得的並利用重質回流液的PSA迴路變型圖；圖7示出了一種用於從空氣中分離出氧氣的壓力迴轉吸收設備，該設備適用於本發明中，並且描繪出了圖1中所示的旋轉組件和一連接於該旋轉組件上的壓縮設備；圖8示出了一種用於提純氫氣的壓力迴轉吸收設備，該設備適用於本發明，並且描繪出了圖1中所示的旋轉組件和一個連接在該旋轉組件上的壓縮設備；圖9示出一個根據本發明中第一實施例的電流發生系統，該系統包括有一個氧氣分離PSA系統，用於利用從輕質回流液膨脹過程中所回收的能量將濃縮後的氧氣送入燃料電池陰極通道中，用以提高該燃料電池陰極迴路中的氧氣循環壓力；圖10示出了圖9中所示電流發生系統的第一變型結構，該結構中的PSA系統包括有一個逆流排氣膨脹器，由其驅動一用於真空PSA操作的自由轉子式排氣真空泵；圖11示出了圖9中所示電流發生系統的第二變型結構，其中從燃料電池陰極排出的一部分富氧氣體被用於所述PSA系統的一增壓步驟中；圖12示出了一個根據本發明中第二實施例的電流發生系統，該系統包括有一個用於向燃料電池陰極通道供送濃縮後的氧氣的氧氣分離PSA系統，和一個用於向燃料電池陽極通道供送濃縮後的氫氣的氫氣分離PSA系統，並且利用所述氫氣分離PSA系統從一蒸汽重整裝置中接收送入的原料氣體；而圖13示出了一個根據圖12中所示電流發生系統一變型實施例的電流發生系統，但其利用所述氫氣分離PSA系統從一自熱式重整裝置中接收送入的原料氣體。
圖14示出了一個向一鹼性燃料電池供送已去除二氧化碳並且氧氣濃度較高的氣體的電流發生系統，該系統帶有一個氧氣收集器。
對優選實施例的詳細描述為了理解本發明，首先將參照附圖1至6對適用於本發明中的一壓力迴轉吸收工藝及相關設備進行描述。然後，將分別參照附圖7和8對一氧氣分離壓力迴轉吸收系統和一氫氣分離壓力迴轉吸收系統進行描述。隨後，將從圖9開始對本發明中的兩個實施例，以及在其上所進行的變型一起進行描述。附圖1,2,3和4在附圖1、2、3和4中示出了一個適於用作本發明中部件的旋轉組件10。該組件包括有一在定子14中圍繞軸12以箭頭13所示方向進行旋轉的轉子11。但是，應該明白的是本發明並不局限於具有旋轉組件的PSA系統。在不脫離本發明範圍的條件下也可以利用其他方案。例如，如果需要，本發明可以利用多個平行排布的固定吸附床，並且在各個吸附床的各個端部處利用換向閥來將這些床以交替的次序連接到壓力源和轉換器上。但是，正如將會明白的那樣，由於旋轉組件能夠提供非常合乎需求的高效性和緊湊性特徵，所以旋轉組件10是優選的。
通常，旋轉組件10可以被構造成，用於相對於轉子軸以徑向，軸向或者斜錐方向流經吸附元件。為了在較高的循環頻率下工作，徑向流動具有這樣的優點，即向心加速度將平行於流動路徑，從而非常有益於浮力驅動自由對流的穩定性，同時利用均勻的流動分布對粒狀吸附劑進行離心吸附。在另一方面，軸向流動構造最好用於較小生產能力的組件，而徑向流動構造最好用於較大生產能力的組件。
正如圖2中所示那樣，轉子11具有環形斷面，並且具有與軸12同心的一外部圓柱形側壁20，該側壁20的外表面為第一閥表面21，和一內部圓柱形側壁22，該側壁22的內表面為第二閥表面23。該轉子具有(在由附圖4中箭頭15和16所限定斷面的平面內)總計為「N」個的徑向流動吸附元件24。相鄰的一對吸附元件25和26由隔板27隔開，該隔板27在結構上被密封連接在外部側壁20和內部側壁22上。相鄰吸附元件25和26相對於軸12以360°/N的角度成角度間隔設置。從而，由於由吸附元件與所述閥表面整體構成一獨立單元，並且該吸附元件在最小的固定容積內貼近於所述閥表面進行定位，所以與常規PSA系統相比該旋轉組件10更緊湊而且效率更高。
吸附元件24具有一由支撐隔屏板31形成的第一端部30和一由支撐隔板33形成的第二端部32。吸附劑可以是粒狀吸附劑，其填料間隙在吸附器的第一和第二端部之間限定出一個用於與吸附劑相接觸的流動路徑。但是，正如在未審定的美國專利申請No.08/995,906中所描述的那樣，將其中所描述的內容引入本文作為參考，最好吸附元件為一排在吸附器的第一和第二端部之間延伸的層壓薄片，這些薄片含有一種諸如沸石那樣的吸附劑，該吸附劑被支撐在一補強基質上，並且通過墊片在這些薄片之間形成流體連通。具有大約150微米的薄片厚度並且利用X型沸石的層壓薄片狀吸附劑，與常規粒狀吸附器相比質量交換和壓降阻抗均明顯下降，以便在大約為1秒並且最低為0.4秒的PSA循環周期內能夠獲得令人滿意的氧氣濃縮操作。因此，與大約1分鐘的常規PSA循環周期相比，所需吸附劑的總量明顯減少，並且與具有等效生產能力的常規PSA設備相比，組件的尺寸也小了大約兩個數量級。其結果，一個非常緊湊的PSA組件可被利用，使得本發明尤其適用於車輛的燃料電池動力裝置。
第一開口或者孔34提供了一個從第一閥表面21經側壁20至吸附器24中第一端部30的流動路徑。第二開口或者孔35提供了從第二閥表面23經側壁22至吸附器24中第二端部31的流體連通。支撐隔板31和33分別在吸附元件24中第一開口34與第一端部30之間，和第二開口35與第二端部32之間形成流量分配裝置32。
正如在圖3中所示，定子14是一個耐壓殼體，包括有一位於環形轉子11外側的外部圓柱形殼體或者第一閥定子40，和一位於環形轉子11內側的內部圓柱形殼體或者第二閥定子41。外部殼體40上承載有與第一閥表面21密封配合的軸向延伸條形密封件(比如42和43)，同時內部殼體41上承載有與第二閥表面23密封配合的軸向延伸條形密封件(比如44和45)。最好，所述條形密封件的水平密封寬度大於開口於第一和第二閥表面上的第一和第二開口34和35的直徑或者水平寬度。
在外部殼體中，一系列第一腔室分別在一角形扇區內朝向第一閥表面開口，並且各個均在第一閥表面中的角形扇區與該組件外部的歧管之間形成流體連通。該腔室中的角形區域要比吸附元件上的角形分隔部分寬得多。第一腔室在第一密封表面上由條形密封件(比如42)分隔開。沿圖3中的順時針方向，即沿轉子的轉動方向，一第一送入增壓腔室46由導管47與第一送入增壓歧管48相連通，該增壓腔室48中保持第一中間送入壓力。同樣，一第二送入增壓腔室50與第二送入增壓歧管51相連通，該增壓歧管51中保持第二中間送入壓力，該壓力高於第一中間送入壓力但低於較高的工作壓力。
更概括地說，所示出的組件10帶有用於依次供送兩種送入混合物的裝置，第一原料氣體相對於第二原料氣體具有較低的更易吸收成分濃度。第一送入腔室52與第一送入歧管53相連通，該歧管53中大體保持在較高的工作壓力下。同樣，第二送入腔室54與第二送入歧管55相連通，該歧管55中大體保持在較高的工作壓力下。第一逆流排氣腔室56與第一逆流歧管57相連通，該歧管57中保持第一逆流排氣中間壓力。第二逆流排氣腔室58與第二逆流排氣歧管59相連通，該歧管59中保持一高於較低工作壓力的第二逆流排氣中間壓力。一重質產品腔室60與重質產品排出歧管61相連通，該歧管61中大體保持在較低的工作壓力下。應該指出的是腔室58由條形密封件42和43限定而成，同樣，所有腔室均由條形密封件限定而成並且相互隔離。
在內部殼體中，一系列第二腔室分別在一角形區域內朝向第二閥表面開口，並且各個均在第二閥表面中的角形區域與該組件外部的歧管之間形成流體連通。第二腔室在第二密封表面上由條形密封件(比如44)分隔開。沿圖3中的順時針方向，即再次沿轉子的轉動方向，輕質產品腔室70與輕質產品歧管71相連通，並且大體上在較高的工作壓力下接收輕質產出氣體，經過吸附劑和第一與第二孔後摩擦壓降較小。根據腔室70相對於腔室52和54的角度範圍，輕質產物可以僅從吸附器中獲得，並且與此同時從腔室52中接收第一原料氣體，或者是從吸附器中接收第一與第二原料氣體。
一第一輕質回流排出腔室72與第一輕質回流排出歧管73相連通，該歧管73中保持第一輕質回流排出壓力，此時較高的工作壓力只有很小的摩擦壓降。第一順流排氣腔室74(實質上是第二輕質回流排出腔室)，與第二輕質回流排出歧管75相連通，該歧管75中保持一低於較高工作壓力的第一順流排氣壓力。第二順流排氣腔室或者第三輕質回流排出腔室76與第三輕質回流排出歧管77相連通，該歧管77中保持一低於第一順流排氣壓力的第二排氣壓力。一第三順流排氣腔室或者第四輕質回流排出腔室78與第四輕質排出歧管79相連通，該歧管79中保持一低於第二順流排氣壓力的第三順流排氣壓力。
一排氣腔室80與第四輕質回流歧管81相連通，該歧管81用於供送第四輕質回流氣體，該氣體已經從第三順流排氣壓力大體上膨脹到了較低的工作壓力下，並且具有一用於摩擦壓降的容許量。輕質回流壓縮步驟的順序可以與輕質回流排出或者順流排氣步驟相調換，以便可以保持一合乎需要的輕質回流氣體包「先入後出」分層現象。因此，一第一輕質回流增壓腔室82與第三輕質回流返回歧管83相連通，由該歧管83供送第三輕質回流氣體，其中所述第三輕質回流氣體已經從第二順流排氣壓力膨脹到了高於較低工作壓力的第一輕質回流增壓壓力上。一第二輕質回流壓縮腔室84與第二輕質回流返回歧管85相連通，由該歧管85供送第二輕質回流氣體，其中所述第二輕質回流氣體已經從第一順流排氣壓力膨脹到了高於第一輕質回流增壓壓力的第二輕質回流增壓壓力。最後，一第三輕質回流壓縮腔室86與第一輕質回流返回歧管87相連通，由該歧管87供送第一輕質回流氣體，該第一輕質回流氣體已經從接近較高的工作壓力膨脹到了第三輕質回流增壓壓力，該第三輕質回流增壓壓力高於第二輕質回流增壓壓力，但在該示例中低於第一送入增壓壓力。
在圖4中示出了一些輔助部件。導管88將第一腔室60與歧管61連通，並利用多個導管來在腔室60中提供良好的軸向流量分布。同樣，導管80將第二腔室80與歧管81連通。定子14具有帶有軸承91和92的基體90。環形轉子11支撐在一端盤93上，並且其軸94由軸承91和92來支撐。電動機95連接在軸94上，用於驅動轉子11。該轉子也可以交替地象一環形滾筒那樣進行轉動，由圍繞其周緣成角度定位的若干個輥軸支撐並且在其周緣處進行驅動，從而無需再利用軸。周緣驅動可以由一安裝在所述轉子上的環形齒輪來提供，或者由一其定子可以與所述周緣的圓弧相嚙合的直線型電磁電動機來提供。尤其對於氫氣分離應用領域來說，轉子驅動裝置可以被牢牢地密封在定子殼體中，以消除與密封洩漏相關的危害性。外部圓周密封件96對外部條形密封件42的端部及第一閥表面21的邊緣進行密封，而內部圓周密封件97對內部條形密封件44的端部及第一閥表面21的邊緣進行密封。轉子11在外側壁20與內側壁22之間具有一入孔管塞，由其提供用於在吸附器24中放置和取出吸附劑的通道。附圖5和6
圖5示出了一種典型的PSA循環，其可以利用前述的氣體分離系統而獲得，而圖6也示出了一類似的PSA循環，其通過對所述第一產出氣體的一部分進行重質回流再壓縮操作來向所述工藝提供第二原料氣體。
在圖5和6中，垂直軸150表示了吸附器中的工作壓力和第一與第二腔室中的壓力。因在吸收元件內的流動所致的壓降可被忽略。用虛線151和152分別表示出了較高的和較低的工作壓力。較低的工作壓力可以是額定的或者接近於外界的大氣壓力，或者可以是由真空泵所形成的負壓。較高工作壓力一般可以以絕對壓力為基礎為較低工作壓力的二至四倍。
圖5和6中的水平軸155表示時間，PSA的循環周期由點156與157之間的時間間隔而定。在時間156和157處，一特定吸附器中的工作壓力為壓力158。從時間156開始，用於一特定吸附器(比如24)的循環從該吸附器上開口於第一送入壓縮腔室46的第一開口34處開始，其中所述第一送入壓縮腔室46由第一原料供應裝置160在第一中間送入壓力161下送入氣體。該吸附器中的壓力在時間157處從壓力158升高到第一中間送入壓力161。向前行進，第一開口跨過一密封條，第一密閉吸附器24後到達腔室46處，並隨後與第二送入壓縮腔室50相連通，該第二送入壓縮腔室50由第二原料供應裝置162在第二中間送入壓力163下送入氣體。該吸附器的壓力升高到第二中間送入壓力。
吸附器24中的第一開口34接著與第一送入腔室52相連通，該第一送入腔室52由第三原料供應裝置165大體保持在較高壓力。一旦該吸附器的壓力大體上升高達到較高工作壓力，其上的第二開口35(其自時間156開始與所有第二腔室相阻斷)朝向輕質產品腔室70開啟，從而傳送輕質產品166。
在圖6所示的循環中，吸附器24中的第一開口34接著與第二送入腔室54相連通，該第二送入腔室54也由一第四原料供應裝置167而大體保持在較高壓力上。總的來說，由第四原料供應裝置供送第二原料氣體，該第二原料氣體通常含有比由第一、第二和第三原料供應裝置所供送的第一原料氣體更多的易被吸收成分。在圖6中所示的特定循環中，第四原料供應裝置167是一個「重質回流」壓縮機，將重質產品的一部分再壓縮回所述設備中。在圖5所示的循環中，沒有第四原料供應裝置，並且可以通過將腔室52延伸到所述定子的一較寬角形弧的上方而將腔室54省去或者與其合為一體。
伴隨著原料氣體被從腔室52或者54中供送到吸附器24的第一端部，吸附器24的第二端部與輕質產品腔室70相阻斷並且與第一輕質回流排出腔室72相連通，同時將「輕質回流」氣體(經濃縮的不易被吸收成分，類似於第二原料氣體)傳送到第一輕質回流壓力降低裝置(或者膨脹器)170中。隨後吸附器24中的第一開口34與所有第一腔室相阻斷，同時將第二開口35依次(a)與第二輕質回流排出腔室74相連通，在將輕質回流氣體傳送到第二輕質回流壓力降低裝置172的同時將吸附器中的壓力降低到第一順流排氣壓力171,(b)與第三輕質回流排出腔室76相連通，在將輕質回流氣體傳送到第三輕質回流壓力降低裝置174的同時將吸附器中的壓力降低到第二順流排氣壓力173，以及(c)與第四輕質回流排出腔室78相連通，在將輕質回流氣體傳送到第四輕質回流壓力降低裝置176的同時將吸附器中的壓力降低到第三順流排氣壓力175。然後將第二開口35阻斷一定的時間，直至逆流排氣步驟之後的輕質回流返回步驟開始時。
輕質回流壓力降低裝置可以是機械式膨脹器或者用於回收膨脹能量的膨脹階段，也可以是限流孔或者節流閥，用於進行不可回復的壓力降低。
無論是在最後輕質回流排出步驟之後第二開口關閉時(如圖5和6所示)，或者是稍早一些輕質回流排出步驟仍在進行時，第一開口34均會與第一逆流排氣腔室56相連通，在向第一排氣裝置181釋放「重質」氣體(經濃縮的較易被吸收的成分)的同時將吸附器中的壓力降低到第一逆流排氣中間壓力180。然後，第一開口34與第二逆流排氣腔室58相連通，在向第二排氣裝置183釋放重質氣體的同時將吸附器中的壓力降低到第一逆流排氣中間壓力182。最後達到較低的工作壓力時，第一開口34將與重質產品腔室60相連通，在向第三排氣裝置184釋放重質氣體的同時將吸附器中的壓力降低到較低工作壓力152。一旦吸附器中的壓力大體上達到較低工作壓力，並且同時第一開口34與腔室60相連通，那麼第二開口35將與清除腔室80相連通，該腔室80接收來自第四輕質回流壓力降低裝置176中的第四輕質回流氣體，以便將更多的重質氣體送入第一產品腔室60中。
在圖5中，來自第一、第二和第三排氣裝置中的重質氣體被作為重質產品185進行傳送。在圖6中，該氣體作為重質產品185被部分釋放，與此同時剩餘部分被作為「重質回流」187反嚮導引回作為第四送入供應裝置167的重質回流壓縮機中。正如輕質回流能夠在輕質產品中形成高純度不易被吸收(「輕質」)成分一樣，重質回流也能夠在重質產品中形成高純度的易被吸收(「重質」)成分，以便可以對不易被吸收(「輕質」)產品進行高效回收。
然後，在第一和第二開口與腔室60和80阻斷後，吸附器由輕質回流氣體進行再次壓縮。在與第一開口34至少在初始時保持關閉的同時，依次(a)將第二開口35與第一輕質回流壓縮腔室82相連通，在從第三輕質回流壓力降低裝置174中接收第三輕質回流氣體的同時將吸附器中的壓力增大到第一輕質回流壓縮壓力190,(b)第二開口35與第二輕質回流壓縮腔室84相連通，在從第二輕質回流壓力降低裝置172中接收第二輕質回流氣體的同時將吸附器中的壓力增大到第二輕質回流壓縮壓力191,(c)將第二開口35與第三輕質回流壓縮腔室86相連通，在從第一輕質回流壓力降低裝置170中接收第一輕質回流氣體的同時將吸附器中的壓力增大到第三輕質回流壓縮壓力192。除非送入壓縮操作已經開始，並且同時用於輕質回流壓縮操作的輕質回流返回過程仍在進行，那麼一旦第三輕質回流壓縮步驟結束，工藝(基於圖5和6)將在時間157之後開始對下一循環進行送料增壓。
如果在第一和第二閥中沒有被節流，那麼各個吸附器中的壓力變化波形將是一個矩形階梯。這種節流是實現平滑壓力和流動過渡所必需的。為了提供均衡的性能，最好所有的吸附元件和開口相互之間均非常相似。
在各個增壓或者排氣步驟中壓力變化的速率將由第一和第二閥裝置中的排氣口(或者縫隙或者迷宮式密封間隙)的節流性能所限制，或者由吸附器中第一和第二端部處的開口的節流性能所限制，最終形成圖5和6中所描繪的典型的壓力波形。可選擇地，所述開口可以由密封條緩慢地開啟，以在開口與密封條之間提供受約束的節流性能，所述開口與密封條之間具有狹長漸縮的縫隙通道，以便只能夠逐步地將所述開口開啟到完全流通狀態。壓力變化速率過快將使得吸附器經受機械應力，同時還會導致流動不穩定，從而使得吸附器中聚集波前的軸向位移增大。通過利用大量吸附器來同時運行循環中的各個步驟可以使得流動和壓力的波動最小，並且通過在功能腔室和相關歧管中提供足夠大的體積，以便它們可以在壓縮設備與第一和第二閥裝置之間被有效地用作衝擊吸收器。
應該明白，所述循環可以通過在送入增壓，逆流排氣，或者輕質回流的各個主要步驟中設置具有或多或少中間階段的多個變型實施例中總結出來。如果必要，可以在中間壓力下同時從第一和第二閥中執行送入與產生增壓的組合步驟(或者順流和逆流的排氣步驟)。送入增壓步驟開始時的壓力可以與逆流排氣步驟開始時的壓力不同。另外，在空氣分離或者空氣提純應用中，送入增壓階段(一般為第一階段)可以與作為所述循環中的中間壓力的大氣壓相一致而執行。同樣，逆流排氣階段也可以通過與作為所述循環中的中間壓力的大氣壓相一致而執行。附圖7圖7是一個PSA系統的簡化示意圖，該系統利用氮優先沸石吸附劑來從空氣中分離出氧氣。輕質產品為濃縮的氧氣，而重質產品為通常作為廢氣排出的富氮空氣(nitrogen-enriched air)。雖然可以象圖8所示那樣利用一真空泵，但是圖示出的循環較低壓力152為外界大氣常壓。原料氣體經由過濾進氣口200導入到送入壓縮機201中。該送入壓縮機包括有壓縮機第一分級裝置202，中間冷卻器203，壓縮機第二分級裝置204，第二中間冷卻器205，壓縮機第三分級裝置206，第三中間冷卻器207以及壓縮機第四分級裝置208。所描述的送入壓縮機201可以是一個四級軸向壓縮機，並具有一通過軸210連接的用作原動機的電動機209。中間冷卻器可以是任選的。參照附圖5，該送入壓縮機的第一和第二分級裝置為第一送入供應裝置160，其在第一中間送入壓力161下經由導管212和水冷凝分離器213將原料氣體傳送到第一送入增壓歧管48中。送入壓縮機第三分級裝置206為第二送入供應裝置162，其在第二中間送入壓力163下經由導管214和水冷凝分離器215將原料氣體傳送到第二送入增壓歧管51中。送入壓縮機的第四分級裝置208為第三送入供應裝置165，其在較高壓力151下經由導管216和水冷凝分離器217將原料氣體傳送到送入歧管53中。由導管218從輕質產品歧管71中送出的輕質產品氧氣體流大體上保持在低粘滯壓降的較高壓力。
圖7中所示PSA系統包括有通過軸222連接於送入壓縮機201上的能量回收膨脹器，該膨脹器又包括有輕質回流膨脹器220(在此包括有四個分級裝置)和逆流排氣膨脹器21(在此包括兩個分級裝置)。該膨脹器的分級裝置可以設置成比如徑流式渦流分級裝置，帶有獨立輪子的全(開)進氣式軸向流渦流分級裝置，或者是組合在一單一輪子上的局部進氣式脈衝渦流裝置。
來自第一輕質回流排出歧管73的輕質回流氣體在較高壓力下經由導管224和加熱器225流入第一輕質壓力降低裝置170中，其中該第一輕質壓力降低裝置170在此處為第一輕質回流膨脹器分級裝置226，並且隨後在第三輕質回流增壓壓力192下經由導管227流入第一輕質返回歧管87中。來自第二輕質回流排出歧管75的輕質回流氣體在第一順流排氣壓力171下經由導管228和加熱器225流入第二輕質壓力降低裝置172中，其中該第二輕質壓力降低裝置172在此處為第二膨脹器分級裝置230，並且隨後在第二輕質回流增壓壓力191下經由導管231流入第二輕質返回歧管85中。來自第三輕質回流排出歧管77的輕質回流氣體在第二順流排氣壓力173下經由導管232和加熱器225流入第三輕質壓力降低裝置174中，其中該第三輕質壓力降低裝置174在此處為第三膨脹器分級裝置234，並且隨後在第一輕質回流增壓壓力190下經由導管235流入第三輕質返回歧管83中。最後，來自第四輕質回流排出歧管79的輕質回流氣體在第三順流排氣壓力175下經由導管236和加熱器225流入第四輕質壓力降低裝置176中，其中該第四輕質壓力降低裝置176在此處為第四膨脹器分級裝置238，並且隨後大體在較低壓力152下經由導管239流入第四輕質返回歧管81中。
來自第一逆流排氣歧管57的重質逆流排出氣體在第一逆流排氣中間壓力180下經由導管240流入加熱器241中，並進而進入作為第一排氣裝置181的逆流排氣膨脹器221中的第一分級裝置242中，並且大體在較低壓力152下從膨脹器排入排氣歧管243中。來自第二逆流排氣歧管59的逆流排出氣體在第二逆流排氣中間壓力182下經由導管244流入加熱器241中，並進而進入作為第二排氣裝置183的逆流排氣膨脹器221中的第二分級裝置244中，並且大體在較低壓力152下從膨脹器排入排氣歧管243中。最後，來自重質產品排氣歧管61的重質氣體經由作為第三排氣裝置184的導管246而流入排氣歧管243中，並大體在較低壓力152下對需要排出的重質產出氣體進行傳送。
任選的加熱器225和241對進入膨脹器220和221的氣體進行加熱，從而增大對膨脹能量的回收，並且增加了經由軸222從膨脹器220和221向送入壓縮機201傳遞的能量，而且減小了原動機209所需的功率。與加熱器225和241為向膨脹器提供熱量的裝置同時，中間冷凝器203,205和207為從送入壓縮機中去除熱量的裝置，並且起到減少較高的壓縮機分級裝置所需的功率。中間冷凝器203,205和207是附加技術特徵。
如果輕質回流加熱器249在足夠高的溫度下工作，從而使得輕質回流膨脹階段的排出溫度高於經由導管212,214和216傳送到送入歧管中原料氣體的溫度時，吸附器24中第二端部的溫度將高於其第一端部34的溫度。從而，該吸附器沿流動路徑具有一溫度梯度，並且相對於其第一端部在其第二端部處具有較高的溫度。這是由Keefer在美國專利No.4702903中所介紹的「熱耦合壓力迴轉吸收」(TCPSA)原理的延伸。正如在具有一壓縮機201和一膨脹器220的回熱式氣體渦流發動機中那樣，吸附器中的轉子11被用作一熱旋轉回熱器。由加熱器225供給PSA系統的熱量有助於為根據一回熱式熱動能循環的工藝提供動力，其類似於利用在壓縮側進行中間冷凝而在膨脹側進行級間加熱而大體實現Ericsson熱動循環的先進回熱式氣體渦流發動機。在將PSA應用於從空氣中分離出氧氣時，由於氮氣被大量吸收，所以總的輕質回流量遠小於送入的氣體流量。因此從膨脹器中可回收的能量遠小於壓縮機所需能量，但是仍將明顯有助於提高產生氧氣的效率。
如果高的能量效率並不是最重要的，那麼輕質回流膨脹器階段和逆流排氣膨脹器階段可以由限流孔或者節流閥代替用於降低壓力。圖7中的示意圖示出了一支撐所述壓縮機分級裝置，逆流排氣或者排出膨脹器的分級裝置，以及輕質回流分級裝置，以及將壓縮機連接在原動機上的單軸。但是，應該明白的是獨立的軸和甚至獨立的原動機可以用於本發明範圍內的不同壓縮與膨脹分級裝置。附圖8圖8示出了一真空PSA系統，並且也利用重質產品回流來實現在用於一燃料電池動力裝置的氫氣淨化過程中進行高效回收。原料氫氣可以在特定的固定設備中通過化學工藝或者石油精煉廢氣中提供。但是，在大多數燃料電池應用中，原生的氫氣將可以通過對碳氫化合物類或者含碳燃料進行處理而提供，比如通過對天然氣進行蒸汽重整，或者通過對液態燃料進行自熱式重整或者不完全氧化而提供。這種氫氣原氣一般包含有30％至74％的氫氣。利用常用的吸附劑，比如沸石，二氧化碳，一氧化碳，氮氣和硫化氫或者其他微量雜質將比氫氣更易於被吸收，以便經提純的氫氣將是在較高工作壓力下的輕質產品傳送，所述較高工作壓力僅略微低於送入供應壓力，同時雜質將被聚集成重質產品，並且在較低工作壓力下從PSA工藝中作為「PSA尾氣」排出。這種尾氣將被用作燃料氣體，用於產生氫氣的燃料工藝反應中，或者也可以用於一燃燒渦輪來向用於燃料電池動力裝置的PSA壓縮設備供送能量。
圖8中所示PSA系統具有進給導管300，用於大體在較高壓力下將原料氣體導入第一送入歧管53中。在該例子中，除了最終增壓步驟之外的所有步驟均利用輕質回流氣體來實現，而最終送入增壓步驟經由歧管55來完成。
所述的PSA系統包括有一個多級真空泵301，該真空泵301通過軸210由原動機209進行驅動，也可以通過軸309由輕質回流膨脹器220進行驅動。該真空泵301包括有一第一分級裝置302，來通過導管246從第一產品排出歧管61中抽取出重質氣體，並將該氣體經由中間冷凝器303壓送到第二分級裝置304中。真空泵的第二分級裝置304經由導管244從第二逆流排氣歧管59中抽取出重質氣體，並通過中間冷凝器305將該氣體傳送到第三分級裝置306中，該第三分級裝置306也可以經由導管240從第一逆流排氣歧管57抽取出重質氣體。該真空泵的第三分級裝置306對所述重質氣體進行壓縮達到一高於外界大氣壓的足夠壓力，來將該氣體(重質煤氣或者PSA尾氣)的一部分被作為燃氣在重質傳送導管307中進行傳送。剩餘的重質氣體從真空泵301中進入重質回流壓縮機308中，從而大體上達到PSA循環中的較高工作壓力。
受壓縮的重質氣體通過導管310從壓縮機第四分級裝置308傳送到凝液分離器311中。如果需要(比如在圖13中所示實施例中那樣在一膨脹渦輪中燃燒)，所有的重質產品蒸汽將經由壓縮機308進行壓縮，以便可以由其他重質產品傳送導管312在最高的工作壓力下對重質產出氣體進行傳送，其中傳送導管312的外部大體保持在低粘滯壓降的較高壓力上。經過冷凝的蒸汽(比如水)經由導管313在大體上與導管312中重質產品的壓力相同的壓力下被去除。在去除第一產出氣體後，剩餘的重質氣體流經由導管314流入第二送入歧管55中，作為向各個吸附器進行送入步驟後向所述吸附器供送的重質回流。重質回流氣體為第二原料氣體，其比第一原料氣體聚集了更多的易被吸收成分或者部分。附圖9和10現在來參照圖9和10，示出了根據本發明中第一實施例的基於燃料電池的電流發生系統，該系統利用了一個類似於圖7中所示的旋轉PSA系統作為其基本結構單元。但是，應該明白，本發明並不局限於具有旋轉PSA組件的電流發生系統。在不脫離本發明範圍的條件下可以採用其他方案。
在圖9中，PSA系統如前所述那樣利用氮優先沸石吸附劑從空氣中分離出氧氣。輕質產品為濃縮的氧氣，而重質產品為通常作為廢氣排出的富氮氣體。循環中的較低壓力152為外界的常大氣壓，除非象附圖8中所示那樣提供一任選的真空泵。原料空氣經由過濾進氣口200而導入一送入壓縮機201中。送入壓縮機包括有壓縮機第一分級裝置202，壓縮機第二分級裝置204，壓縮機第三分級裝置206，以及壓縮機第四分級裝置208。所描述的送入壓縮機201可以是一個四級軸向壓縮機，並通過軸210連接一個用作原動機的電動機209。所述壓縮機的分級裝置可以是所示出的串聯形式，也可以是並聯形式。位於壓縮機分級裝置中間的中間冷卻器可以是任選的。送入壓縮機的第一和第二分級裝置在第一中間送入壓力161下經由導管212和水冷凝分離器213將原料氣體傳送到第一送入增壓歧管48中。送入壓縮機第三分級裝置206在第二中間送入壓力163下經由導管214和水冷凝分離器215將原料氣體傳送到第二送入增壓歧管51中。送入壓縮機第四分級裝置208在較高壓力151下經由導管216和水冷凝分離器217將原料氣體傳送到送入歧管53中。由導管218從輕質產品歧管71中送出的輕質產品氧氣體流大體上保持在低摩擦壓降的較高壓力上。
圖9中所示的設備包括有能量回收膨脹器，該膨脹器又包括有輕質回流膨脹器220(在此包括有四個分級裝置)和逆流排氣膨脹器221(在此包括兩個分級裝置)。膨脹器221通過軸222連接於送入壓縮機201上。所述膨脹器的分級裝置可以設置成比如徑流式渦流裝置，帶有獨立輪子的全開進氣式軸向流渦流裝置，或者是組合在一單一輪子上的局部進氣式渦流裝置。如果高的能量效率不是最重要的，那麼輕質回流膨脹器分級裝置和/或逆流排氣膨脹器分級裝置將可以由限流孔或者節流閥代替用於降低壓力。
來自第一輕質回流排出歧管73的輕質回流氣體在較高壓力下經由導管224和加熱器225流入第一輕質回流膨脹器分級裝置226中，並隨後在第三輕質回流增壓壓力192下經由導管227流入第一輕質回流返回歧管87中。來自第二輕質回流排出歧管75的輕質回流氣體在第一順流排氣壓力171下經由導管228和加熱器225流入第二膨脹器分級裝置230中，並隨後在第二輕質回流增壓壓力191下經由導管231流入第二輕質回流返回歧管85中。來自第三輕質回流排出歧管77的輕質回流氣體在第二順流排氣壓力173下經由導管232和加熱器225流入第三膨脹器分級裝置234中，並隨後在第一輕質回流增壓壓力190下經由導管235流入第三輕質回流返回歧管83中。最後，來自第四輕質回流排出歧管79流出的輕質回流氣體在第三順流排氣壓力175下經由導管236和加熱器225流入第四輕質回流膨脹器分級裝置238中，並隨後大體在較低壓力152下經由導管239流入第四輕質回流返回歧管81中。
來自第一逆流排氣歧管57的重質逆流排出氣體在第一逆流排氣中間壓力180下經由導管240流入加熱器241中，並進而進入逆流排氣膨脹器221中的第一分級裝置242中，並且大體在較低壓力152下從膨脹器中排入到排氣歧管243中。來自第二逆流排氣歧管59的逆流排出氣體在第二逆流排氣中間壓力182下經由導管244流入加熱器241中，並進而進入逆流排氣膨脹器221中的第二分級裝置245中，並且大體在較低壓力152下從膨脹器中排入到排氣歧管243中。最後，來自重質產品排氣歧管61的重質氣體經由導管246流入排氣歧管243中，並大體在較低壓力152下對需要排出的重質煤氣進行傳送。
任選的加熱器225和241對進入膨脹器220和221的氣體進行加熱，從而增大對膨脹能量的回收，並且增加經由軸222從膨脹器220和221向送入壓縮機201傳遞的能量，而且減小了原動機209所需的能量。
當將PSA應用於從空氣中分離出氧氣時，由於氮氣被大量吸收，所以總的輕質回流量遠小於送入的氣體流量。因此，從膨脹器中可回收的能量將遠小於壓縮機所需能量，但是仍然能夠明顯有助於增強產生氧氣的效率。通過在適度地升高溫度(比如40度至60度)來操作吸收器並且利用較強的氮優先吸附劑，比如Ca-X,Li-X或者鋰菱沸石，PSA氧氣產生系統將可以在較好的性能和效率下工作。鈣或者鍶置換後的菱沸石可以在較高的溫度甚至可以在超過100℃的溫度下工作，，反映出了這些用於氮氣的吸附劑的超常性能，它們的氮氣吸收量非常接近於較低溫度下的飽和量，其中所述較低溫度接近於用於進行適宜工作的環境。
與吸附劑的溫度越高將會降低氮氣吸收量及各種沸石吸附劑選擇性的同時，等溫線將更線性，而溼度抑制將更早發生。利用諸如Ca-X和Li-X這樣的吸附劑，目前傳統實踐活動是在所謂「真空迴轉吸收法」(VSA)中的負壓下對常溫PSA進行操作，以便高選擇性的吸附劑在氮氣吸收沒有飽和時很好地工作，並且在一相對線性的等溫線範圍內具有一較大的工作能力。在較高的溫度下，氮氣吸收的飽和量將向更高的壓力偏移，從而更好地優化PSA循環，而較低的壓力也向上偏移。
富含氧氣的煤氣經由導管218，單向閥250和導管251傳送到氧氣產品壓縮機252的入口中，該壓縮機252對由導管253所送入的產品氧氣壓力進行提升。壓縮機252可以是單級離心式壓縮機，通過軸254經由輕質回流膨脹器220或者一電動機直接驅動。輕質回流膨脹器220可以是壓縮機252的獨立能源，在這種情況下膨脹器220和壓縮機252一起構成了一個自由轉子式渦輪推進器255(free rotor turbo-booster)。由於在膨脹器220和壓縮機252中的工作流體均為濃縮氧氣，所以該自由轉子式渦輪推進器具有這樣一個重要的安全特徵，即無需對外部電動機進行軸密封。最好，將從輕質回流膨脹過程中所回收的能量用於提高在此為氧氣的輕質產品的傳送壓力。
向一燃料電池260進行傳送的受壓縮濃縮氧氣，通過導管253而傳送到燃料電池陰極通道262的陰極入口261中。燃料電池260可以具有聚合物電解質隔膜(PEM)，利用電解質265將陰極通道262與陽極通道266隔離開來。氫氣燃料通過氫氣進給導管268供送到陽極通道266的陽極入口267中。
經濃縮的氧氣體流經陰極通道262進入陰極排出口270，作為氧氣的一部分與穿過所述隔膜的氫離子發生反應，來產生電能，並且通過反應而生成副產品--水。在導管280中從陰極排出口270(在該最佳實施例中)移出陰極通道的陰極排出氣體中的氧氣仍然明顯高於常規氣體中的21％。該氣體中的次要部分被作為陰極廢氣而經由排氣閥285和排氣管286從導管280中排出，並且剩餘的陰極排出氣體被保留下來作為陰極再循環氣體。該陰極再循環氣體經由導管281送入水冷凝分離器282中，在此將過多的液態水從陰極排出氣體中去除，剩餘下來的氣體中含有飽和的水蒸汽。潮溼的陰極再循環氣體隨後通過與導管251相連的導管283來與從PSA系統中送入的濃縮氧氣相混合。
從而導管251,253,280,281及283形成一帶有陰極通道262，壓縮機252及水冷凝分離器282的陰極迴路。在膨脹器220中發生膨脹之前，通過從燃料電池陰極迴路中去除廢熱，來對輕質回流氣體進行加熱，熱交換器225可以對需要經壓縮機252進行壓縮的富氧氣體進行冷卻。通過排氣閥285將足夠的陰極排出氣體排出，以避免在陰極迴路中形成過多的氬氣和氮氣雜質。在一實際的例子中，在導管218中濃縮的產品氧氣可達90％，並具有等量的氬氣和氮氣雜質。隨著微量雜質的流走，在陰極入口261處和陰極出口270處的氧氣濃度分別可以達到60％和50％。
正如上面所討論的那樣，一利用大氣作為氧化劑的PEM燃料電池通常需要將空氣壓縮到至少3個大氣壓，才能夠在陰極上方獲得一足夠高的氧氣分壓，從而在燃料電池堆中獲得足夠的電流密度。在陰極入口處的氧氣濃度可以為21％，而在陰極出口處通常僅具有大約10％的氧氣。本發明可以在該燃料電池陰極通道的上方獲得非常高的平均氧氣濃度，比如相對於大約15％的55％。因此，工作壓力可以減小到大約1.5個大氣壓，同時仍能夠在陰極上方保持一個顯著提高的氧氣分壓。利用陰極上方較高的氧氣分壓，燃料電池堆的功率密度和效率可以得以提高，在機動車動力裝置應用中這一點尤其關鍵。本發明中設備(利用高性能的吸附劑，比如Li-X)所需的機械壓縮功率遠小於在3個大氣壓的氣體送入壓力下工作的-PEM燃料電池系統中空氣壓縮機所需的能量，進一步提高了整個動力裝置的效率。
該示例性設備的一個重要優點在於，進入陰極入口261中的富氧氣體通過與大量的飽和陰極再循環氣體蒸汽相混合而被溼潤。另外一個優點在於，從PSA單元中回收的能量可以用於提高壓力和在陰極迴路中促進循環流通，同時燃料電池的廢熱可用於對交換器225和241進行加熱，來提高在PSA單元中回收的膨脹能量。再一優點在於利用適當的陰極通道循環流速來確保可以輕易地將水分從PEM燃料電池中令人滿意地去除。
參照圖10，示出了一個類似於圖9中所示燃料電池的氧氣分離基於PSA的燃料電池系統，但是具有一用於驅動一自由轉子式排氣真空泵的逆流排氣膨脹器。在圖10所示的實施例中，去除了用於將逆流排氣膨脹器221連接到送入壓縮機201上的軸222。代之以利用真空泵301將循環中的較低壓力降低到大氣壓之下，並經由導管246和任選的加熱器302從重質產品排氣腔室61中抽取出富氮廢氣。泵302由逆流排氣膨脹器304供以能量，經由導管240和任選的加熱器241從第一逆流排出歧管57中膨脹逆流排出氣體。真空泵301和膨脹器304由軸305連接起來，並且共同構成一個自由轉子式真空泵裝置306。這樣一個自由轉子式真空泵提供了有吸引力的效率與資本優勢。可選擇地，一電動機可以連接在軸305的一延展部分上。
根據與導管244相關的節流約束量，從第二逆流排出歧管59流出的逆流排出氣體在一大致等於大氣壓或者略微高於大氣壓的壓力下從該歧管中排出。附圖11圖11示出了一個類似於圖9中所示電流發生系統的基於燃料電池的電流發生系統，但是無需回收輕質回流能量，並且從該燃料電池陰極排出的富氧氣體的一部分被用於一增壓步驟。圖示出的輕質回流壓力降低的四個階段可以在可調節孔350,351,352，及353上單向獲得，其中可調節孔350,351,352，和353分別與導管224和227,228和231,232和235，及236和239相連。孔350,351,352，和353由驅動裝置355通過聯動裝置354而被驅動。當燃料電池動力裝置在部分載荷條件下工作時，所述孔希望被調節到能夠對該PSA設備進行調整，用以在減小的循環頻率和減小的流量下工作。
燃料電池具有一個陰極再循環迴路，該迴路(沿迴路中的流動方向)由水冷凝分離器360，將濃縮氧氣運送到陰極通道入口261中的導管361，陰極通道262，將從陰極通道出口270流出的陰極排出氣體運送到陰極再循環導管365中的導管362限定而成，其中陰極再循環導管365中包括有陰極再循環鼓風機363，用以對陰極再循環氣體進行再壓縮而送入凝液分離器360中。分離器360將燃料電池水分排出凝液從陰極再循環迴路中去除，同時還經由導管218對從PSA系統導管中導入的乾燥聚集氧氣進行溼潤。
一部分陰極廢氣經由導管371從導管362中去除，從陰極再循環導管365的分流出去。這部分陰極廢氣被再循環到PSA設備(或者真空PSA設備)的送入端部，並且經由導管371運送到水冷凝分離器373中，並進而進入與第一閥表面21相連通的第一增壓歧管48中。在導管371中可以設置一個節流閥371，根據需要從陰極出口270處的壓力向第一增壓歧管48中的壓力形成一壓力下降。
將一部分陰極廢氣再循環到PSA單元中具有若干優點，包括(1)減小了待壓縮原料氣體的體積，(2)無需從陰極迴路中清除任何陰極廢氣，和(3)通過利用該氣體幫助從其送入端部對所述燃料電池進行協助增壓，可以從燃料電池陰極迴路中回收一部分廢棄能量。由於這些富氧氣體中含有飽和的水蒸氣，而如果將其直接導入產品端部的第二閥表面將減小吸附劑的活性，所以必需將其導入所述PSA單元的送入端部。通過低壓步驟之後但通過送入空氣來進行直接增壓之前將其導入到吸附床的送入端部，由於該氣體中不僅比送入空氣中含有更多的氧氣，而且比所產生的富氧氣體含有更多的雜質，所以可以形成較好的濃度分布。
由於利用所述PSA單元氬氣會與氧氣一起聚集，所以在本實施例中氬氣將會在陰極迴路和該PSA中富氧產品中聚集。如果沒有進行陰極清除，那麼氬氣將僅能夠經由該PSA單元中的排氣管從該系統中排出。當利用普通空氣來作為僅向第一閥表面增壓的原料氣體時，由於該PSA單元通常可以達到大約60％的氧氣和氬氣回收率，所以在各個循環中大約40％與原料氣體一起導入的氬氣被排出。由於主要的原料氣體被隨後導入以將再循環氬氣較深地推入吸附器中，所以與初始送入增壓步驟一起導入的再循環氬氣分步排除將會降低。因此，所希望僅有少量被從所述陰極迴路中清除。回收到該PSA單元中的陰極廢氣也可以與在等於或者低於陰極通道出口270的壓力下導入的原料氣體直接進行混合。附圖12圖12示出了根據本發明中第二實施例的一基於燃料電池的電流發生系統400，其包括有一個燃料電池402，一個氧氣產生PSA系統404，及一個氫氣發生系統406。該燃料電池包括一個包括有一陽極氣體入口410和一陽極氣體出口412的陽極通道408，一個包括有一陰極氣體入口416和一陰極氣體出口418的陰極通道414，以及一個與所述陽極通道408和陰極通道414相連通的PEM420，以利於在陽極通道408與陰極通道414之間進行離子交換。
所述氧氣PSA系統404從送入空氣中抽取出氧氣，並且包括有一旋轉組件10，和一用於將受壓送入空氣傳送到所述旋轉組件10中送入腔室424中的壓縮機422。最好，該氧氣PSA系統404包括有一個連接在壓縮機422上的真空泵426(或者逆流排氣膨脹器)，用於將富氮氣體作為重質產出氣體從旋轉組件10的排氣腔室428中抽出。該氧氣PSA系統404還包括有一連接於陰極氣體入口416上的輕質產出氣體功能腔室430，用於將富氧氣體傳送到陰極通道414中。陰極再循環可以被設置成象附圖9至11所示的實施例那樣。
氫氣發生系統406包括有一個氫氣發生PSA系統432，和一個連接在該氫氣發生PSA系統432上的燃料處理反應器434，用於將第一氫氣原料提供給氫氣PSA系統432。該氫氣PSA系統432包括有一個旋轉組件10，而該組件10又包括有一第一送入氣體腔室436，用於接收從反應器434送入的第一氫氣，一增壓腔室438，用於接收從陽極氣體出口412送入的氫氣，一輕質產品腔室440，用於將氫氣傳送到陽極氣體入口410，以及一排氣腔室441，用於將尾氣作為重質氣體傳送到反應器434。最好該氫氣PSA系統432包括有一個真空泵442(或者一逆流排氣膨脹器)，該真空泵442設置在排氣腔室441與反應器434之間，用於將尾氣從該排氣腔室441中抽出。
根據從陽極氣體出口412回收的氫氣純度，增壓腔室438將與該旋轉組件中的第一或第二閥協同工作，如果該氣體流的純度相對較高最好與第二閥協同工作。該氫氣PSA系統432還可以包括有一重質回流壓縮機443，用於將重質回流氣體傳送到第二送入氣體腔室444中，以改善對氫氣的分步回收。氫氣發生系統406中生熱的燃料氣體需要量將決定氫氣的合適回收率。
反應器434包括有一個蒸汽重整裝置445和一個水煤氣轉換反應器448，其中裝置445中又包括有一個燃燒器446和多個催化劑管道(未示出)。該燃燒器446包括有一個第一燃燒器入口450，用於接收來自排氣腔室442的尾氣，和一個第二燃燒器入口452，用於接收來自陰極通道414的空氣或者溼潤的富氧氣體。蒸汽重整裝置444經由一燃料入口454供送一碳氫化合物燃料，比如甲烷氣體，並在一送入壓力，即該燃料電池的工作壓力下加入水，再加上經由該系統406的壓降容差。所述燃料被預先加熱並通過熱交換器455加熱而產生蒸汽，從燃燒器446中的廢氣中回收熱量。隨後甲烷燃氣與蒸汽的混合物流經所述催化劑管道，同時在燃燒器446中將尾氣和富氧氣體燃燒，用以將甲烷燃氣混合物的溫度升高到該甲烷燃氣混合物進行吸熱型蒸汽重整反應所必需的溫度(通常800℃)
將最終的混合氣體(大約70％的H2，作為主要雜質的等量CO與CO2，以及作為次要雜質的未反應CH4與N2)冷卻到大約250℃，並隨後流經水煤氣轉換反應器448，用於使大部分CO與蒸汽反應，來生成更多的H2和CO2
隨後將最終的氣體反應物傳送到氫氣PSA系統432的第一送入腔室436中，進行氫氣提純，同時重質產品尾氣被從排氣腔室442中返回到蒸汽重整裝置434中，用於在燃燒器446中進行燃燒。
在一變型實施例中，反應器434包括有一不完全氧化反應器，並且取代所述甲烷氣體混合物被進行蒸汽重整，甲烷氣體混合物在該不完全氧化反應器中與一部分溼潤的富氧氣體發生反應，來對甲烷氣體進行不完全氧化，其中所述溼潤的富氧氣體是經由一任選導管456從陰極通道414中接收到的
再次將最終的混合氣體冷卻到250℃，並且隨後將其流經水煤氣轉換反應器448，使得大部分CO與蒸汽發生反應，以生成H2和CO2
接著將最終氣體反應物傳送到氫氣PSA系統432的第一送入腔室436中，進行氫氣提純，同時將重質產品尾氣從該氫氣PSA系統432中排出。
在另一變型實施例中，反應器434包括有一個自熱式重整裝置和一個水煤氣轉換反應器448，並且取代所述甲烷氣體混合物進行吸熱式蒸汽重整或者放熱式不完全氧化，該甲烷氣體混合物在自熱式重整裝置中通過那些反應作用的熱平衡組合而進行反應，緊接著在水煤氣轉換反應器448中進行反應。由於氫氣PSA重質產品尾氣即使在非常高的重質回流範圍內也通常具有一定的燃燒值，所以可以設置一個燃燒器446，對送入一自熱式反應器的空氣和/或燃料進行有效預熱。除非所述燃料處理反應裝置包括有一吸熱式重整組件，作為用於尾氣燃燒的能量有效散熱器(energy-efficient sink)，只要所述基本燃料處理反應裝置是強吸熱性的，就必需象簡單地不完全氧化那樣提供另一種經濟用途(如圖13所示實施例中那樣)。附圖13應該明白，所述電流發生系統400的不足之處在於，必需利於由該燃料電池所產生的一部分電能來驅動壓縮機422和真空泵426,444。圖13中示出了一種燃料電池基電流發生系統500，該系統旨在解決這個缺陷。
該電流發生系統500大體上類似於電流發生系統400，包括有燃料電池402，一氧氣發生PSA系統504，及一氫氣發生系統506。該氧氣PSA系統504從送入空氣中抽取出氧氣，並且包括有一旋轉組件10，一用於將經壓縮空氣送入該旋轉組件10的送入腔室524中的壓縮機522，一連接在該壓縮機522上的燃燒膨脹器523，一連接在該壓縮機522上的起動電動機(未示出)，以及一連接在陰極氣體入口416上的輕質氣體功能腔室530，用於將富氧氣體送入陰極通道414中。氧氣PSA系統504也可以具有一逆流排氣或者重質產品排出腔室531，該腔室531如先前實施例中所示那樣與一真空泵和/或膨脹器協同工作。
氫氣發生系統506包括有一氫氣發生PSA系統532，和一連接在該氫氣發生PSA系統532上的反應器534，用於向該氫氣PSA系統532供送一第一氫氣。該氫氣PSA系統532包括有一旋轉組件10，該旋轉組件10又包括一第一送入氣體腔室536，用於接收從蒸汽重整裝置534送入的第一氫氣，一增壓腔室538(與第一或者第二閥相連通)，用於接收從陽極氣體出口412送入的一第二氫氣，一輕質產品腔室540，用於將氫氣送入陽極氣體入口410中，以及一排氣腔室541，用於將尾氣作為重質產品燃料氣體送入反應器534中。正如在先前實施例中那樣，排氣腔室541可以與一真空泵和/或膨脹器(未示出)協同工作，用以將尾氣從排氣腔室541中抽出。
反應器534包括有一自熱式重整裝置544，一燃燒器546，和一水煤氣轉換反應器548。該燃燒器546包括有多個加熱管道549，一用於接收從排氣腔室542送入的尾氣的第一燃燒入口550，一用於接收從壓縮機522第二分級裝置送入的壓縮空氣的第二燃燒入口552。從附圖13可以看出，壓縮機522第二分級裝置對沒有被送入到氧氣發生PSA系統504的那部分送入空氣進行壓縮。
膨脹器523和壓縮機522一起組成一燃氣渦輪機，並對從燃燒器546中排出的煤氣進行膨脹燃燒，以便增大流向送入腔室524的送入空氣壓力。將會明白，氫氣PSA尾氣的燃燒熱能被用於對燃料電池附屬氣體提純和壓縮設備提供動力。如附圖13所示，經過預熱交換器555可以從水煤氣轉換反應器548所放出的反應熱量中獲得額外的原料氣體壓縮能量。
自熱式重整裝置544經由一燃料入口554供送一碳氫化合物燃料氣體，比如甲烷，並且在所示例子中，與通過增壓器鼓風機556在壓力作用下從陰極通道414所接收到的富氧氣體進行反應。陰極再循環將無需重述，或者至少可以被約簡，如果從陰極出口送出的富氧氣體能夠被利用，對燃料的加工處理將大有裨益(降低氮氣的含量並且增強燃燒)。然後對所得到的混合氣體進行冷卻，並隨後將其流經水煤氣轉換反應器548，用於使大部分CO與蒸汽發生反應，生成H2和CO2。最終的氣體反應物被隨後送入氫氣PSA系統532的第一送入腔室536中，進行氫氣提純。附圖14實施例600示出了本發明的另一方面。對於鹼性燃料電池來說，關鍵問題是如何從送入氧化劑和氫氣體流中去除CO2。由於CO2比其它永久性氣體雜質更易於被吸收，所以如前所述本發明中的氧氣PSA和氫氣PSA系統可以非常有效地去除CO2。雖然除了在較高的電流密度在通常無需進行調整，但是氧氣濃縮對於所有類型的燃料電池來說在提高電壓效率方面均有益處。鹼性燃料電池可以利用一個小型的氧氣PSA來與適度的氧氣濃縮一起非常高效地去除二氧化碳，或者可以使用同一PSA設備利用一缺乏氮氣/氧氣優先性(比如活性炭，或者高矽沸石)的吸附劑來在無需進行氧氣濃縮的條件下將二氧化碳清除掉。本發明中的旋轉PSA組件和壓縮設備均完全適用於此要求。
靠外界空氣來工作的鹼性燃料電池通常在接近大氣壓的壓力下以大約70℃的溫度進行工作。在這種條件下，富氮氣體中含有飽和水蒸氣的陰極廢氣體流可用來在保持電解質水平衡的同時去除燃料電池所產生的水。鹼性燃料電池在較高溫度下工作對於高效利用低成本電催化物質來說是所希望的，或者說對於向一甲醇重整裝置進行熱積分來說是所希望的，利用燃料電池廢棄熱量來對反應物質進行氣化，並甚至可以為吸熱式反應提供能量。但是隨著大量廢氣溫度的升高，利用外界空氣混合物所進行的工作將會很快地不再可行。在較高的溫度，富氮的陰極廢氣僅能夠從該系統中帶走過多的水分，除非總的壓力被不經濟地提升或者包括有一用於回收水分的冷凝器。
隨著氧氣的濃縮，陰極廢氣的體積將被調整達到任何鹼性燃料電池的水平衡。適當的較低堆置工作壓力將是實際可行的，比如用於一溫度為120℃的陰極排出口的壓力約為3個大氣壓。如果氧氣濃縮在氧氣PSA的全額能力下進行，比如接近於95％的氧氣純度，那麼陰極廢氣氣體流將變成帶有一適中濃度永久氣體的乾燥蒸汽。該蒸汽產品可以用於各種應用領域，包括對碳氫化合物原料進行燃燒處理來生成氫氣。
實施例600示出了一個如附圖12中所示那樣的氧氣PSA(也執行CO2去除操作)。在該例子中系統的氫氣側被簡化成僅示出了純氫氣的陽極氣體入口。純度超過90％的氧氣被供送到陰極氣體入口416中，同時濃縮的水蒸氣被從陰極氣體出口418中排出，並直接被送入蒸汽膨脹器610中。該膨脹器610將蒸汽排入真空冷凝器612中，在該冷凝器612中可以利用泵614來將液態凝液從其中去除。同時永久氣體雜質被氧氣PSA中的真空泵426從導管中抽出。膨脹器610可以協助電動機616驅動氧氣PSA壓縮設備，從而可以將該燃料動力裝置的總效率提高大約2％至3％。
本發明的最後一方面(對於任何類型的燃料電池而言)是用於PSA單元的任選輕質產出氣體收集器裝置，並且尤其是用於圖14所示的氧氣PSA。氧氣產品收集器660包括有一氧氣存儲容器661，該容器661大體上在PSA工藝的較高壓力下或者是在由一小型收集充氣壓縮機663所產生的升高壓力下，經由單向閥662從輕質產品腔室430中收集氣體。在單向閥667的兩側設置有一峰化氧氣排氣閥665和一返衝閥666，以便能夠將從所述存儲容器排出的氧氣分別向前送入該燃料電池的陰極入口或者向回送入該氧氣PSA單元中。
該氧氣存儲容器在正常工作過程中被充入氣體，尤其是在所述氧氣PSA達到最高氧氣純度時的待機或者空轉時間段內。所述任選的充氣壓縮機可以在所述裝置空轉時，或者(在車輛應用領域)作為能量回收式制動中一動載荷應用時進行工作。峰化氧氣排氣閥665在峰化能量定值的時間間隔內開啟，以便能夠在更大需求時增大供送到陰極中的濃縮氧氣量。如果氧氣收集器足夠大，那麼氧氣PSA壓縮機422和真空泵426將在峰化的能量定值簡短時間間隔內空轉，以便釋放由內部附件通常所消耗的能量，來滿足外部需求。隨後，燃料電池組(為了滿足偶然發生的額定峰值功率而在一動力裝置中所需的)的尺寸將可以減小，從而大大節省了成本。
當燃料電池動力裝置關閉時，氧氣PSA壓縮機422首先停機，來降低內部壓力從而使得所有吸附器進行初始排氣。隨後返衝閥666開啟來釋放出一清洗用氧氣體流，用以在一較短的時間間隔內從所述吸附器中置換出所吸收的氮氣和一些所吸收的水蒸氣。隨後，該吸附器在大氣壓下利用乾燥的氧氣進行預填充，從而能夠使得所述氧氣PSA快速響應下一次工作的開始。
前面的描述僅對本發明中優選的實施例進行了描述。雖然在此沒有具體描述或指出，但本技術領域中的普通熟練人員可以想像到，在不脫離由所附權利要求所限定的本發明的精神或範圍內，可以對所描述的實施例在一定程度上進行添加，刪除或者變型。
權利要求
1．一種電流發生系統，包括一燃料電池，該燃料電池包括一個包括一陽極氣體入口的陽極通道，所述陽極氣體入口用於接收供給的氫氣；一個包括一陰極氣體入口和一陰極氣體出口的陰極通道；和一與所述陽極和陰極通道相連通的電解質，以利於在所述陽極與陰極通道之間進行離子交換；一氧氣傳送系統，該系統連接在所述陰極氣體入口上，用於將氧氣送入所述陰極通道中；以及連接在所述陰極氣體出口上的第一氣體再循環裝置，用於將從陰極通道排出的陰極廢氣的第一部分再循環回所述陰極氣體入口中。
2．根據權利要求1中所述的電流發生系統，其中所述第一氣體再循環裝置包括有一個壓縮機，用於將第一陰極廢氣部分在壓力作用下供送到所述陰極氣體入口中。
3．根據權利要求2中所述的電流發生系統，其中所述第一氣體再循環裝置包括一凝液分離器，該凝液分離器連接於所述陰極氣體出口與壓縮機之間，用於去除所述第一陰極廢氣部分中的水分。
4．根據權利要求1中所述的電流發生系統，其中所述氧氣傳送系統包括一個用於從空氣中抽取出氧氣的氣體分離系統，該氣體分離系統包括一用於接收原料空氣的第一原料氣體入口；和一連接於所述陰極氣體入口上的氧氣出口，用於將濃縮後的氧氣供送到所述陰極通道中。
5．根據權利要求4中所述的電流發生系統，其中所述氣體再循環裝置將所述第一陰極廢氣部分作為原料氣體導入所述氣體分離系統中。
6．根據權利要求4中所述的電流發生系統，其中所述氣體分離系統包括有一個第二原料氣體入口，並且該電流發生系統包括有第二氣體再循環裝置，該裝置連接於所述陰極氣體出口上，用於將所述陰極廢氣的第二部分再循環回第二原料氣體入口中。
7．根據權利要求6中所述的電流發生系統，其中所述再循環裝置包括有一限流孔，用於在一低於原料空氣壓力的壓力下將所述第二陰極廢氣部分送入所述氣體分離系統中。
8．根據權利要求4中所述的電流發生系統，其中所述氣體分離系統包括有一壓力迴轉吸收系統。
9．根據權利要求8中所述的電流發生系統，其中所述壓力迴轉吸收系統包括有一旋轉組件和壓縮設備，該旋轉組件又包括有一定子和一相對於該定子可轉動的轉子，所述轉子包括有多個流動路徑，用於在其內接收吸附材料，來響應於流動路徑中增大的壓力而相對於第二氣體成分優先吸收第一氣體成分，並且所述壓縮設備連接於該旋轉組件上，以利於氣體流流經所述流動路徑，用於將所述第一氣體成分與第二氣體成分分開。
10．根據權利要求9中所述的電流發生系統，其中所述定子包括有一第一定子閥表面，一第二定子閥表面，多個開口於該第一定子閥表面上的第一功能腔室，以及多個開口於該第二定子閥表面上的第二功能腔室，而所述轉子包括有一與所述第一定子閥表面相連通的第一轉子閥表面，一與所述第二定子閥表面相連通的第二轉子閥表面，及多個設置在所述轉子閥表面上的孔，並且這些孔與所述流動路徑和功能腔室的相應端部相連通。
11．根據權利要求10中所述的電流發生系統，其中所述壓縮設備被連接在一部分所述功能腔室上，用於將這部分功能腔室保持在位於一較高壓力和一較低壓力之間的多個離散的壓力水平上，從而保持氣體流均勻地流經這部分功能腔室。
12．根據權利要求10中所述的電流發生系統，其中所述功能腔室包括一個輕質回流排出腔室和一個輕質回流返回腔室，所述壓縮設備包括有一連接在所述輕質回流排出與返回腔室之間的輕質回流膨脹器，而所述第一氣體再循環裝置包括有一個連接在該輕質回流膨脹器上的壓縮機，用於將第一陰極廢氣部分在壓力作用下供送到所述陰極氣體入口中。
13．根據權利要求12中所述的電流發生系統，其中所述壓力迴轉吸收系統包括有一個設置在所述輕質回流排出腔室與輕質回流膨脹器之間的加熱器，用於提高對從所述輕質回流排出腔室中所排出的輕質回流氣體的能量回收率。
14．根據權利要求12中所述的電流發生系統，其中所述功能腔室包括有一氣體送入腔室和一逆流排氣腔室，而所述壓縮設備包括一連接在所述第一原料氣體入口上的壓縮機，用於將壓縮後的空氣送入所述氣體送入腔室中；和一連接在所述壓縮機上的膨脹器，用於經由所述逆流排氣腔室將第一氣體腔室中濃縮的重質產出氣體排出。
15．根據權利要求12中所述的電流發生系統，其中所述功能腔室包括有一個逆流排氣腔室和一個重質產品腔室，而所述壓縮設備包括一個連接在所述逆流排氣腔室上的膨脹器；和一個連接在該膨脹器上的真空泵，用於在負壓下經由所述重質產品腔室將第一氣體成分中濃縮的重質產出氣體抽出。
16．根據權利要求10中所述的電流發生系統，其中所述功能腔室包括有一個氣體送入腔室，而所述氣體再循環裝置將所述第一陰極廢氣部分作為原料氣體導入所述氣體送入腔室中。
17．根據權利要求10中所述的電流發生系統，其中所述功能腔室包括有一個氣體送入腔室，而所述電流發生系統包括有連接在所述陰極氣體出口上的第二氣體再循環裝置，用於將所述陰極廢氣的第二部分再循環回所述氣體送入腔室中。
18．根據權利要求17中所述的電流發生系統，其中所述第二氣體再循環裝置包括有一限流孔。
19．根據權利要求9中所述的電流發生系統，其中所述吸附材料是Ca-X,Li-X，鋰菱沸石，鈣置換菱沸石及鍶置換菱沸石中的一種。
20．由根據權利要求1中所述的電流發生系統所產生的電流。
21．一種電流發生系統，包括一燃料電池，該燃料電池包括一個包括一陽極氣體入口的陽極通道，所述陽極氣體入口用於接收供給的氫；一個包括一陰極氣體入口和一陰極氣體出口的陰極通道；和一與所述陽極和陰極通道相連通的電解質，以利於在所述陽極與陰極通道之間進行離子交換；一氧氣傳送系統，該系統連接在所述陰極氣體入口上，用於將氧氣送入所述陰極通道中；以及一氫氣傳送系統，該系統包括一氫氣入口，用於接收從所述陰極氣體出口送入的第一原料氫氣；和一連接在所述陽極氣體入口上的氫氣出口，用於將從所述第一原料氫氣中所接收到的氫氣提高純度後送入所述陽極通道中。
22．根據權利要求21中所述的電流發生系統，其中所述氧氣傳送系統包括一個用於從空氣中抽取出氧氣的氧氣分離系統，該氣體分離系統包括有一接收原料空氣的第一原料氣體入口；和一個連接於所述陰極氣體入口上的氧氣出口，用於將濃縮後的氧氣供送到所述陰極通道中。
23．根據權利要求22中所述的電流發生系統，其中所述氫氣傳送系統包括一個用於從碳氫化合物燃料中產生第二原料氫氣的反應器；和一個連接在該反應器上的氫氣分離系統，用於對從所述第一和第二原料氫氣中所接收到的氫氣進行提純。
24．根據權利要求21中所述的電流發生系統，其中所述氫氣傳送系統包括一個用於從碳氫化合物燃料中產生第二原料氫氣的反應器；和一個連接在該反應器上的氫氣分離系統，用於對從所述第一和第二原料氫氣中所接收到的氫氣進行提純。
25．根據權利要求24中所述的電流發生系統，其中所述氫氣分離系統接收所述第一和第二原料氫氣，並且從其中生成經提純的氫氣。
26．根據權利要求25中所述的電流發生系統，其中所述氫氣分離系統包括一用於接收第一原料氫氣的第一原料氣體入口；和一用於接收第二原料氫氣的第二原料氣體入口。
27．根據權利要求26中所述的電流發生系統，其中所述第一原料氫氣在不同於第二原料氫氣壓力的壓力下供送。
28．根據權利要求24中所述的電流發生系統，其中所述反應器包括一蒸汽重整裝置；和一連接在該蒸汽重整裝置上的水煤氣轉換反應器，用於生成所述的第二原料氫氣。
29．根據權利要求28中所述的電流發生系統，其中所述蒸汽重整裝置包括有一個燃燒器，該燃燒器又包括一個連接在所述陰極氣體出口上的第一燃燒器入口，用於接收溼潤的富氧氣體；和一個第二燃燒器入口，用於從所述氫氣分離系統中接收氫氣，來在該燃燒器中進行燃燒，從而提供所述碳氫化合物燃料進行蒸汽重整反應時所要吸收的熱量。
30．根據權利要求24中所述的電流發生系統，其中所述反應器包括一個自熱式重整裝置；和一個連接在所述蒸汽重整裝置上的水煤氣轉換反應器，用於生成所述的第二原料氫氣。
31．根據權利要求30中所述的電流發生系統，其中所述氧氣傳送系統包括一個用於從空氣中抽取出氧氣的氧氣分離系統，該氣體分離系統包括有一接收原料空氣的第一原料氣體入口；和一個連接於所述陰極氣體入口上的氧氣出口，用於將從所述原料空氣中抽出的氧氣供送到陰極通道中，而所述反應器包括有一個燃燒器，該燃燒器又包括用於接收空氣的第一燃燒器入口；和一個用於從所述氫氣分離系統中接收氫氣的第二燃燒器入口，用於將所接收的氫氣在該燃燒器中進行燃燒，從而回收熱能來對所述原料空氣進行增壓。
32．根據權利要求23中所述的電流發生系統，其中至少所述氧氣分離系統和氫氣分離系統中的一個包括有一壓力迴轉吸收系統。
33．根據權利要求32中所述的電流發生系統，其中至少所述壓力迴轉吸收系統中的一個包括有一旋轉組件和壓縮設備，該旋轉組件又包括有一定子和一相對於該定子可轉動的轉子，所述轉子包括有多個流動路徑，用於在其內接收吸附材料，來響應於流動路徑中增大的壓力而相對於第二氣體成分優先吸收第一氣體成分，而所述壓縮設備連接於該旋轉組件上，以利於氣體流流經所述流動路徑，用於將所述第一氣體成分與第二氣體成分分開。
34．根據權利要求33中所述的電流發生系統，其中所述定子包括有一第一定子閥表面，一第二定子閥表面，多個開口於該第一定子閥表面上的第一功能腔室，以及多個開口於該第二定子閥表面上的第二功能腔室，而所述轉子包括有一與所述第一定子閥表面相連通的第一轉子閥表面，一與所述第二定子閥表面相連通的第二轉子閥表面，及多個設置在所述轉子閥表面上的孔，並且這些孔與所述流動路徑和功能腔室的相應端部相連通。
35．根據權利要求34中所述的電流發生系統，其中所述壓縮設備被連接在一部分所述功能腔室上，用於將這部分功能腔室保持在位於一較高壓力和一較低壓力之間的多個離散的相應壓力水平上，從而保持氣體流均勻地流經這部分功能腔室。
36．由權利要求21中所述電流發生系統所產生的電流。
37．一種用於產生一電動勢的方法，包括如下各步驟提供一燃料電池，該燃料電池包括一具有一陽極氣體入口的陽極通道；一具有一陰極氣體入口和一陰極氣體出口的陰極通道；和一與所述陽極和陰極通道相連通的電解質，以利於在所述陽極和陰極通道之間進行離子交換；向所述陽極氣體入口供送氫氣；向所述陰極氣體入口供送氧氣，與所述氫氣發生反應；以及將從所述陰極氣體出口排出的一部分陰極氣體再循環回所述陰極氣體入口中。
38．根據權利要求37中所述的方法，其中所述再循環步驟包括在增高的壓力下將所述廢氣部分送入陰極氣體入口中。
39．根據權利要求38中所述的方法，其中所述再循環步驟還包括對剩餘的廢氣進行清除。
40．根據權利要求38中所述的方法，其中供送氧氣的步驟包括將原料空氣供送到一氧氣壓力迴轉吸收設備中的步驟；和將從該原料空氣中抽取出的富氧氣體作為輕質產出氣體送入所述陰極氣體入口的步驟，而所述再循環步驟還包括從所述燃料電池中回收廢棄的熱量，來提高從該壓力迴轉吸收設備中對膨脹能量的回收率。
41．根據權利要求38中所述方法，其中供送氧氣的步驟包括將原料空氣作為第一原料氣體供送到一氧氣壓力迴轉吸收設備中的步驟；和將從該第一原料氣體中抽取出的富氧氣體作為輕質產出氣體送入所述陰極氣體入口的步驟，而所述再循環步驟還包括將所述廢棄的剩餘部分作為第二原料氣體送入所述壓力迴轉吸收設備中。
42．一種用於產生電動勢的方法，包括如下步驟提供一燃料電池，該燃料電池包括一具有一陽極氣體入口的陽極通道；一具有一陰極氣體入口和一陰極氣體出口的陰極通道；和一與所述陽極和陰極通道相連通的電解質，以利於在所述陽極和陰極通道之間進行離子交換；向所述陽極氣體入口供送氫氣；向所述陰極氣體入口供送氧氣；以及將從所述陽極氣體出口排出的一部分陽極氣體再循環回所述陽極氣體入口中。
43．根據權利要求42中所述的方法，其中供送氫氣的步驟包括將碳氫化合物燃料供送到一重整裝置中的步驟；使得所述燃料與從所述陰極氣體出口排出的富氧氣體發生反應的步驟；將從所述重整裝置中排出的原料氫氣作為第一原料氣體送入一氫氣壓力迴轉吸收設備中的步驟；以及將從所述第一原料氣體中抽取出的富氫氣體作為輕質產出氣體送入所述陽極氣體入口的步驟。
44．根據權利要求43中所述的方法，其中所述再循環步驟包括將排出的陽極氣體作為第二原料氣體送入所述氫氣壓力迴轉吸收設備中。
45．根據權利要求43中所述的方法，其中所述重整裝置包括一個具有一燃燒器的蒸汽重整裝置，而所述的反應步驟包括將所述燃料送入該燃燒器中，並通過將從所述氫氣壓力迴轉吸收設備中抽出的尾氣作為重質產出氣體，來與所述燃燒器中的富氧氣體一起燃燒，從而向所述燃燒器提供熱能。
46．根據權利要求43中所述的方法，其中所述供送氧氣的步驟包括將一受壓縮原料空氣供送到一氧氣壓力迴轉吸收設備中的步驟；和將從所述原料空氣中抽取出的富氧氣體作為輕質產出氣體送入所述陰極氣體入口的步驟。
47．根據權利要求46中所述的方法，其中所述重整裝置包括有一個具有一水煤氣轉換反應器的自熱式重整裝置，並且供送一受壓縮原料空氣的步驟包括將空氣送入一燃燒器中的步驟；使得從所述氫氣壓力迴轉吸收設備中抽出的尾氣作為重質產出氣體與燃燒器中的送入空氣一起燃燒的步驟；以及從燃燒器中回收燃燒熱量，來在壓力作用下將空氣送入氧氣壓力迴轉吸收設備中的步驟。
48．一種電流發生系統，包括一燃料電池，該燃料電池包括一個包括一陽極氣體入口和一陽極氣體出口的陽極通道；一個包括一陰極氣體入口和一陰極氣體出口的陰極通道；及一與所述陽極與陰極通道相連通的電解質，以利於在所述陽極與陰極通道之間進行離子交換；一氧氣傳送系統，該系統連接在所述陰極氣體入口上，用於將濃縮後的氧氣送入所述陰極通道中，該氧氣傳送系統包括有一個壓力迴轉吸收系統，用以對氧氣進行濃縮並且將二氧化碳從原料大氣中去除；以及一氫氣傳送系統，該系統連接在所述陽極氣體入口上，用於將提純後的氫氣送入所述陰極通道中。
49．根據權利要求48中所述的電流發生系統，還包括有一設置在所述氧氣傳送系統與陰極氣體入口之間的氧氣收集器。
50．根據權利要求48所述的電流發生系統，其中所述電解質為鹼性的，並且保持在一比大約100℃高的工作溫度上，所述氧氣傳送系統被用於將純度約為90％的氧氣供送到所述陰極氣體入口中，以便所述燃料電池所產生的水分作為濃縮後的乾燥蒸汽而從所述陰極氣體出口排出；該系統包括一個用於將所述蒸汽從陰極氣體出口送入一真空冷凝器的蒸汽膨脹器；一用於將液體從冷凝器中排出的凝液泵；及一真空泵，該真空泵與所述氧氣壓力迴轉吸收系統協同工作，並且從所述真空冷凝器上排出永久性的氣體雜質。
全文摘要
一種由一燃料電池和一氧氣傳送系統所組成的電流發生系統。所述燃料電池包括一具有一陽極氣體入口的陽極通道，用於接收一定量的氫氣，一具有一陰極氣體入口和一陰極氣體出口的陰極通道，及一種與所述陽極通道和陰極通道相連通的電解質，以利於在陽極與陰極通道之間進行離子交換。所述氧氣傳送系統連接於陰極氣體入口上並將氧氣送入陰極通道中。該電流發生系統還包括有連接於陰極氣體出口上的氣體再循環裝置，用於將從陰極氣體出口排出的一部分陰極廢棄再循環回陰極氣體入口中。
文檔編號C01B13/02GK1318210SQ99810869
公開日2001年10月17日 申請日期1999年9月14日 優先權日1998年9月14日
發明者伯威·G·基佛, 克裡斯多夫·麥克裡恩, 麥可·J·布朗 申請人:探索空氣技術公司