CN101119786A - 通过变压吸附净化控制来调节加热组件操作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

具有净化控制系统的变压吸附(PSA)组件，以及含有其的产氢组件和/或燃料电池系统。PSA组件(73)依照PSA循环进行操作以从混合气体流产生产物氢气流(42)和副产物流。副产物流可以作为燃料流输送到加热组件(71)，其可以加热产生混合气体流的产氢区。PSA组件可以适合于调节其中采用的净化气体的流量，如根据预先确定的、非恒定的曲线。在某些实施方案中，调节净化气体的流量以将副产物流的流速和/或燃料值维持在阈值或维持在阈值的预先确定的范围内，和/或调节净化气体的流量以限制由副产物流产生的加热的排气流中的一氧化碳的浓度。

Description

通过变压吸附净化控制来调节加热组件操作的系统和方法
相关申请
本申请要求享有2004年12月22日提交的美国临时专利申请序列号No.60/638451以及2005年2月14日提交的美国专利申请序列号No.11/058307的优先权。上述专利申请的全部内容在此引入作为各种用途的参考。
发明领域
本发明的公开内容通常涉及包括变压吸附组件的产氢组件，且更具体地说，涉及通过控制变压吸附组件的净化循环来调节产氢组件中的加热组件的操作的系统和方法。
发明背景
产氢组件是一种包括燃料处理系统的组件，这种燃料处理系统适合于将一种或更多种原料转化成含有作为主要成分的氢气的产物流。产生的氢气可以用于各种用途。一种这样的用途是产生能量，如在电化学燃料电池中。电化学燃料电池是一种将燃料和氧化剂转化成电、反应产物和热的装置。例如，燃料电池可以将氢气和氧气转化成水和电。在这样的燃料电池中，氢气是燃料，氧气是氧化剂，而水是反应产物。燃料电池通常要求高纯度的氢气以防止燃料电池在使用时遭到损坏。来自产氢组件的燃料处理系统的产物流可以含有杂质，杂质的示例性例子包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、未反应的原料，和水中的一种或更多种。因此，在许多常规的燃料电池系统中都需要包括合适的结构以用于从燃料处理系统产生的不纯的氢气流中除去杂质。
变压吸附(PSA)方法是可以用于通过选择性地吸附不纯的氢气流中存在的一种或更多种杂质来从不纯的氢气流中除去杂质的机理的一个例子。吸附的杂质随后可以被解吸附并从PSA组件中除去。PSA是一种利用了多个吸附床的压力驱动的分离过程。这些床通过一系列步骤循环，如加压、分离(吸附)、减压(解吸附)和净化步骤以选择性地从氢气中去除杂质，然后再解吸附杂质。
许多产氢组件都包括加热组件，该加热组件燃烧至少一种燃料流和空气以产生用于加热产氢组件的至少一部分的热的排出气流。燃料流可以源自多种来源，包括PSA组件。然而，在PSA循环中操作PSA组件往往会产生具有变化的和不连续的流量和/或变化的燃料值的排气流(exhauststream)或副产物流。当用作加热组件的燃料流时，流速和/或燃料值的这个变化可以在加热组件中产生不稳定的、通常不可预测的结果，如没有燃料的时段，燃料不足的时段、燃料太多的时段、其中燃料流具有易变燃料值的时段等。结果，对加热组件来说，可能难以在期望的温度下或者在期望的或选定的温度范围内维持产氢组件的选定组份。类似地，有时候在运转中，PSA组件可能不会产生充足的，或不会产生任何排气流来维持加热组件的火焰或其他点火源。
发明内容
本发明的公开内容涉及具有净化控制系统的PSA组件，也涉及包含其的产氢组件和/或燃料电池系统，还涉及操作该组件的方法。PSA组件包括含有吸附区的至少一个吸附床，通常是多个吸附床，该吸附区包含适合于从含有作为主要成分的氢气和其他气体的混合气体流中除去杂质的吸附剂。混合气体流可以由燃料处理系统的产氢区产生，且PSA组件可以产生由燃料电池堆消耗的产物氢气流以提供产生电流的燃料电池系统。PSA组件产生副产物流和净化气体，副产物流含有从混合气体流中除去的杂质，净化气体可以是氢气，加热组件可适合于接收副产物流作为用于产生加热的排气流的燃料流。加热的排气流可适合于加热燃料处理系统的至少产氢区，如以便将此区域维持在合适的温度或合适的温度范围内来产生混合气体流。PSA组件适合于在PSA循环的净化步骤过程中调节净化气体到吸附床的流量。在某些实施方案中，净化气体是根据预先确定的、非常数的曲线来选择性地输送的。在某些实施方案中，曲线包括小于净化气体平均流速的初始流速，以及大于平均流速的至少后续流速。在某些实施方案中，调节净化气体的流量以将副产物流的流速和/或燃料值维持在预先确定的阈值或维持在预先确定的阈值范围内。在某些实施方案中，调节净化气体的流量以限制由副产物流产生的加热的排气流中的一氧化碳的浓度。在某些实施方案中，PSA组件包括适合于调节至少PSA组件的操作的控制器。
附图简述
图1是能量产生和消耗组件的示例性实施例的示意图，该组件包括具有相关的原料输送系统和燃料处理系统的产氢组件，以及燃料电池堆和能量消耗装置。
图2是蒸汽重整器形式的产氢组件的示意图，其适合于产生含有氢气和来自水和至少一种含碳原料的其他气体的重整流。
图3是燃料电池的示意图，如可以形成与根据本发明公开内容的产氢组件一起使用的部分燃料电池堆。
图4是可以根据本发明的公开内容使用的变压吸附组件的示意图。
图5是可以与根据本发明公开内容的PSA组件一起使用的吸附床的示意性截面图。
图6是可以与根据本发明公开内容的PSA组件一起使用的另一个吸附床的示意性截面图。
图7是可以与根据本发明公开内容的PSA组件一起使用的另一个吸附床的示意性截面图。
图8是图6的吸附床的示意性截面图，示意性表示了传质区(masstransfer zone)。
图9是图8的吸附床的示意性截面图，其中传质区沿着床的吸附区朝吸附区的远端或产物端移动。
图10是可以根据本发明的公开内容使用的变压吸附组件的另一个实施例的示意图。
图11是可以根据本发明的公开内容使用的变压吸附组件的另一个实施例的示意图。
图12是描绘了在PSA循环的减压和净化步骤过程中，PSA组件的吸附床内的压力的图。
图13根据本发明的公开内容描绘了PSA循环的净化步骤过程中，净化气体到PSA组件的吸附床的流速的图。
图14根据本发明的公开内容描绘了PSA循环的净化步骤过程中，净化气体到PSA组件的吸附床的示例性倾斜式(ramped)流速的图。
图15根据本发明的公开内容描绘了PSA循环的净化步骤过程中，净化气体到PSA组件的吸附床的示例性倾斜式流速的图。
发明详述和最佳实施方式
图1示意性地阐述了能量产生和消耗组件56。能量产生和消耗组件56包括能量产生系统22和适合于向能量产生系统22施加负载的至少一个能量消耗装置52。在所阐述的实施例中，能量产生系统22包括燃料电池堆24和产氢组件46。可以采用超过一个的任何所示部件而并不背离本发明的范围。能量产生系统可以包括未在示意图中明确阐述的附加部件，如空气输送系统、换热器、传感器、控制器、流量调节装置、燃料和/或原料输送组件、加热组件、冷却组件等等。系统22还可以指燃料电池系统。
正如此处更详细地讨论，根据本发明公开内容的产氢组件和/或燃料电池系统包括含有至少一个变压吸附组件(PSA)的分离组件，变压吸附组件适合于增大产氢组件中产生的和/或燃料电池堆消耗的氢气的纯度。在PSA方法中，气体杂质是从含有氢气的流中除去的。PSA基于以下原理：在合适的温度和压力条件下，某些气体比其他气体将被更强烈地吸附到吸附材料上。这些杂质随后被解吸附并除去，如以副产物流的形式。采用PSA净化氢气的成功之处在于一般杂质气体(如，但不限于，CO、CO2、包括CH4的碳氢化合物以及N2)在吸附材料上的相对强的吸附作用。氢只是非常微弱的吸附，因此氢能穿过吸附床，而杂质则留置到吸附材料上。
正如此处更详细地讨论，PSA方法通常涉及至少加压、分离(吸附)、减压(解吸附)和净化步骤或过程的重复或循环应用以选择性地从氢气中除去杂质，然后解吸附杂质。因此，PSA方法可以被描述成适合于能够重复PSA循环的步骤或阶段，如上述步骤。分离的程度受到混合气体流的压力和副产物流的压力之间的压力差的影响。因此，解吸附步骤通常包括减少PSA组件的含有吸附气体的这一部分内的压力，且任选地，甚至可以包括将组件的那一部分抽真空(即，将压力减到小于大气压或环境压力)。类似地，增大混合气体流到PSA组件吸附区域的给料压力可有利地影响吸附步骤中的分离程度。
如图1示意性地显示，产氢组件46包括至少燃料处理系统64和原料输送系统58，以及相关的使系统各部件相互连接的流体导管。正如此处使用的，术语“产氢组件”可以用来指燃料处理系统64和能量产生系统的相关部件，如原料输送系统58、加热组件、分离区域或分离装置、空气输送系统、流体导管、换热器、冷却组件、传感器组件、流量调节器、控制器等等。所有这些示例性部件并不要求被包括在任何产氢组件内或与根据本发明公开内容的任何燃料处理系统一起使用。类似地，其他部件可以被包括在产氢组件内，或可以用作产氢组件的一部分。
不考虑其结构或部件，原料输送系统58适合于通过通常被称为原料供给流68的一股或更多股流将一种或更多种原料输送至燃料处理系统64。在下述讨论中，可以仅参考单股原料供给流，但采用相同或不同成分的两股或更多股这样的流也在本发明的范围内。在某些实施方案中，可以通过鼓风机、风扇、压缩机或其他合适的空气输送系统将空气供给到燃料处理系统64，和/或可以从分开的水源输送水流。
燃料处理系统64包括被设置成从原料供给流(68)中产生氢气的任何合适的装置和/或结构。如图1示意性地阐述，燃料处理系统64包括产氢区70。因此，燃料处理系统64可以被描述成包括产氢区70，该产氢区70从原料供给流中产生包括作为主要成分的氢气的富氢流74。虽然流74包含作为它的主要成分的氢气，但是同时它还含有其他气体，因而流74可以被称为含有氢气和其他气体的混合气体流。这些其他气体或杂质的示例性的、非排他性的例子包括诸如一氧化碳、二氧化碳、水、甲烷和未反应原料等的示例性杂质中的一种或更多种。
用于由原料供给流68产生氢气的合适机理的示例性例子包括蒸汽重整和自热重整，其中重整催化剂用于从含有水和至少一种含碳原料的原料供给流68中产生氢气。其他产生氢气的合适机理包括高温分解和含碳原料的催化部分氧化，在这种情况下原料供给流68不含水。还有另一种产生氢气的合适机理是电解，在这种情况下原料为水。合适的含碳原料的示例性例子包括至少一种碳氢化合物或醇。合适的碳氢化合物的示例性例子包括甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油等。适合的醇的示例性例子包括甲醇、乙醇、及多元醇，例如乙二醇和丙二醇。
产氢组件46可以在产氢区70中利用多于一种的产氢机理且可以包括多于一个的产氢区。这些机理中的每一种都靠产氢组件46中的不同的热力平衡来驱动，或导致了产氢组件46中不同的热力平衡。因此，产氢组件46可以进一步包括温度调节组件71，如加热组件和/或冷却组件。温度调节组件71可以被设置成燃料处理系统64的一部分或可以是与产氢区70热相通和/或流体相通的外部部件。温度调节组件71可以消耗燃料流，如为了产生热。尽管并不是本发明公开内容的所有实施方案都这样要求，但是燃料流可以从原料输送系统输送。例如，且如图1中的虚线所示，此燃料或原料可以经由燃料供给流69从原料输送系统58接收。燃料供给流69可包括可燃烧的燃料或可替代地，可包括利于冷却的流体。温度调节组件71也可以从其他源或供给系统接收它的的原料的一部分或全部，如从额外的储存罐。温度调节组件71还可以接收来自任何合适源的空气流，合适的源包括使用该组件的环境。吹风机、鼓风机和/或压缩机可以用于提供空气流，但并不是所有的实施方案都这样要求。
温度调节组件71可以包括一个或更多个换热器、燃烧器、燃烧系统以及用于向组件56的燃料处理系统和/或其他部分的区域提供热的其他这类装置。根据产氢组件46的结构，温度调节组件71还可以包括，或者可替代地包括，换热器、鼓风机、吹风机、冷却系统和用于冷却燃料处理系统64或组件56的其他部分的区域的其他这类装置。例如，当燃料处理系统64被设置成具有基于蒸汽重整或另一种吸热反应的产氢区70时，温度调节组件71可包括用于供给热的系统以维持产氢区70和合适范围内其他部件的温度。
当燃料处理系统被设置成具有基于催化部分氧化或另一种吸热反应的产氢区70时，温度调节组件71可包括用于去除热的系统，即提供冷却以维持合适范围内的燃料处理系统的温度。正如这里所使用的，术语“加热组件”通常用于指设置成供给热或以其他方式增大燃料处理系统的全部区域或选定区域的温度的温度调节组件。正如这里所使用的，术语“冷却组件”通常用于指设置成冷却或降低燃料处理系统的全部区域或选定区域的温度的温度调节组件。
在图2中，产氢组件46的示例性实施例包括具有产氢区70的燃料处理系统64，产氢区70适合于通过蒸汽重整含有水80和至少一种含碳原料82的一股或更多股原料供给流68来产生混合气体流74。如图所示，区70包括至少一个含有一种或更多种合适的重整催化剂86的重整催化剂床84。在所示的实施例中，产氢区可以被称为重整区，混合气体流可以被称为重整流。
还如图1和图2所显示的，混合气体流适合于被输送到分离区，或输送到包括至少一个PSA组件73的组件72。PSA组件73将混合气体流(或重整流)分离成产物氢气流42和包含有混合气体流74中存在的杂质或其他气体的至少相当一部分的副产物流76。副产物流76可以不含氢气，但它通常会含有少许氢气。虽然并不要求，但是在本发明公开内容的范围内燃料处理系统64可以适合于产生含有足量氢气(和/或其他气体)的一股或更多股副产物流，以适合用作用于燃料处理系统的加热组件的燃料流或原料流。在某些实施方案中，副产物流可以具有足够的燃料值(即，氢气和/或其他可燃烧气体的含量)以能够使加热组件，如果有的话，将产氢区维持在期望的操作温度或维持在选定的温度范围内。
如图2所示，产氢组件包括加热组件71形式的温度调节组件，其适合于产生加热的排气流88，该排气流适合于加热产氢组件的至少重整区。在本发明公开内容的范围内，流88可以用于加热产氢组件和/或能量产生组件22的其他部分。
如图1和2中的虚线所示，在本发明公开内容的范围内，来自PSA组件的副产物流可以形成用于加热组件的燃料流的至少一部分。图2中还显示了空气流90和燃料流92，空气流可以从任何合适的空气源输送，燃料流含有任何合适的可燃烧的燃料，这些燃料适合于与加热组件中的空气燃烧。燃料流92可以用作加热组件的唯一燃料流，但如上讨论的，在本发明公开内容的范围内，还可以采用其他的可燃烧的燃料流，如来自PSA组件的副产物流、来自燃料电池堆的阳极排气流等等。当来自系统22其他部件的副产物流或排气流具有足够的燃料值时，可以不利用燃料流92。当他们不具有足够的燃料值时，他们用于其他的目的，或当不产生他们时，可以用燃料流92来替代或与燃料流92一起使用。
合适的燃料的示例性例子包括上述含碳原料中的一种或更多种，尽管还可以采用其他原料。作为可以在产氢区内通过使用加热组件71实现和/或维持的温度的示例性例子，蒸汽重整器通常在200℃到900℃的温度范围内操作。在此范围外的温度也在本发明公开内容的范围内。当含碳原料是甲醇时，蒸汽重整反应通常在约200-500℃的温度范围内操作。此范围的示例性子范围包括350-450℃、375-425℃和375-400℃。当含碳原料是碳氢化合物、乙醇或类似的醇时，约400-900℃的温度范围可以用于蒸汽重整反应。此范围的示例性子范围包括750-850℃、725-825℃、650-750℃、700-800℃、700-900℃、500-800℃、400-600℃和600-800℃。
在本发明公开内容的范围内，分离区可以实施在系统22内的产氢区下游和燃料电池堆上游的任何位置。在图1中示意性显示的示例性实施例中，分离区被描述成产氢组件的一部分，但是这种结构并不是必需的。还在本发明公开内容的范围内，产氢组件可以采用除了PSA组件73外的化学或物理分离法以从混合气体流中去除一种或更多种选定杂质或减少来自混合气体流的一种或更多种选定杂质的浓度。当分离组件72采用除PSA外的分离法时，可以在系统22内的任何合适的位置执行这一种或更多种额外的方法且并不要求与PSA组件一起执行。示例性的化学分离法是采用甲烷化催化剂以选择性地减少流74中存在的一氧化碳的浓度。其他示例性的化学分离法包括一氧化碳的部分氧化以形成二氧化碳以及水-气转化反应以从水和一氧化碳产生氢气和二氧化碳。示例性的物理分离法包括使用物理膜或使用适合于允许氢气由其穿过，但却适合于阻止至少选定的杂质由其穿过的其他屏障物。这些膜可以被称为氢选择性膜(hydrogen-selective membrane)。合适的膜的示例性例子由钯或钯合金形成且公开在这里引入的参考文献中。
产氢组件46优选地适合于产生至少基本上纯的氢气，以及甚至更优选地，产氢组件适合于产生纯的氢气。为了本发明的目的，基本上纯的氢气是大于90％的纯度，优选的是大于95％的纯度，更优选的是大于99％的纯度，甚至更优选的是大于99.5％或甚至99.9％的纯度。适合的燃料处理系统的示例性而非非唯一性的实施例在美国专利US6,221,117、US5,997,594、US5,861,137和正在审查的美国专利申请公开号No.2001/0045061、2003/0192251和2003/0223926。上述专利和专利申请的全部公开内容在此引入作为各种目的的参考。
来自燃料处理系统64的氢可以经由产物氢气流42输送到存储设备62和燃料电池堆24中的一个或更多个。氢气流42的一些或全部可以附加地或可替代地经由合适的导管输送，以用在另一个耗氢过程中，燃烧用于燃料或热，可储存起来以供稍后使用。参考图1，用作燃料电池堆24的质子源或反应物的氢气可以从燃料处理系统64和存储设备62中的一个或更多个输送到该堆。燃料电池堆24包括至少一个燃料电池20，且通常包括多个流体互连和电互连的燃料电池。但这些燃料电池串连连接时，燃料电池堆的功率输出是单个电池的功率输出的总和。该堆24中的电池可以呈串连、并联连接或串连和并联连接构型的组合。
图3示意性地阐述了燃料电池20，其中的一个或更多个可以被设置成形成燃料电池堆24。本发明公开内容的燃料电池堆可以采用任何合适类型的燃料电池，且优选采用接收氢和氧作为质子源和氧化剂的燃料电池。燃料电池类型的示例性例子包括质子交换膜(PEM)燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池等等。为了说明的目的，图3示意性地阐释了PEM燃料电池形式的示例性燃料电池。
质子交换膜燃料电池通常采用膜电极组件26，其包括位于阳极区30和阴极区32之间的离子交换膜或电解质膜28。每一个区30和32包括电极34，即分别是阳极36和阴极38。每一个区30和32还包括支撑物39，如支撑板40。支撑物39可以形成此处将更详细讨论的双极板组件的一部分。燃料电池20的支撑板40具有由燃料电池产生的相对电压电势。
工作时，来自产物流42的氢气输送到阳极区，氧化剂44输送到阴极区。典型的，但并不唯一的，氧化剂是氧。正如这里使用的，氢指氢气，而氧指氧气。下面的讨论将把氢称为燃料电池(堆)的质子源或燃料，而把氧称为氧化剂，但是在本发明公开内容的范围内，还可以使用其他的燃料和/或氧化剂。氢和氧44可以通过任何合适的机理从各自的源47和48输送到各自的燃料电池区。氧44的合适的源48的示例性例子包括氧或空气的加压罐，或者鼓风机、压缩机、吹风机或用于将空气引向阴极区的其他设备。
氢和氧通常经由氧化还原反应彼此结合起来。虽然膜28限制氢分子通过，但它却允许氢离子(质子)通过，这主要是由于膜的离子传导性。氧化还原反应的自由能驱动来自氢气的质子通过离子交换膜。还因为膜28往往是不导电的，所以外部电路50是剩余电子的最低能量路径，并且在图3中给出了示意性的说明。在阴极区32，来自外部电路的电子和来自膜的质子与氧结合生成水和热量。
图3还显示了阳极净化流或排放流54和阴极空气排气流55，阳极净化流或排放流54可以包含氢气，阴极空气排气流55如果不是充分消耗的氧的话，那么通常是至少部分消耗的氧。燃料电池堆24可包括普通的氢(或其他反应物)供给、进气和堆净化和排放流，并因此将包括合适的流体管道以将相关的流输送到单独的燃料电池和收集来自这些单独的燃料电池中的流。类似地，可以利用任何合适的机理选择性地净化该区域。
在实际应用中，燃料电池堆24通常包括具有双极板组件的多个燃料电池，该双极板组件将相邻的膜-电极组件隔开。双极板组件基本上允许自由电子经由双极板组件从第一电池的阳极区移动到相邻电池的阴极区，由此形成可用于满足外加负载的通过该堆的电势。电子的这种净流产生了可以用于满足外加负载的电流，该外加负载来自如能量消耗装置52和能量产生系统22中的至少一个。
对于恒定的输出电压，如12V或24V，输出功率可以通过测量输出电流来确定。电输出可以用于满足如来自能量消耗装置52的外加负载。图1示意性地描述了能量产生系统22可以包括至少一个能量储存装置78。如果装置78被包括在内的话，其可以适合于储存来自燃料电池堆24的电输出或功率79的至少一部分。合适的能量储存装置78的示例性例子是电池，但还可以使用其他的装置。能量储存装置78可以另外地或可替代地在系统的启动过程中用于向能量产生系统22提供动力。
至少一个能量消耗装置52可以电连接到能量产生系统22，如连接到燃料电池堆24和/或一个或更多个与该堆相关的能量储存装置78。装置52向能量产生系统22施加负载并且从系统汲取电流以满足负载。此负载可以被认为是外加的负载，并且可以包括热负载和/或电负载。在本发明公开内容的范围内，外加的负载可以由燃料电池堆、能量储存装置、或者燃料电池堆和能量储存装置一起满足。装置52的示例性例子包括机动车、休闲车、船只和其他海上船舶，以及住所、商业性办公室或者建筑物、小区、工具、灯具和照明组件、电器、计算机、工业设备、信号和通信设备、无线电设备、船上的电动部件、休闲车或其他车辆、电池充电器以及甚至用于能量产生系统22的辅机(balance-of-plant)电力需求中的一种或多种的任意组合，燃料电池堆24形成能量产生系统的一部分。如图1中77处的虚线所示，能量产生系统可以，但并不要求，包括至少一个电源管理模块77。电源管理模块77包括调节或以其他方式调整由能量产生系统产生的电的任何合适的结构，如用于输送到能量消耗装置52。模块77可以包括降压或升压变换器(buck or boost converter)、逆变器、电源滤波器等。
图4显示了PSA组件73的示例性实施例。如图所示，组件73包括多个通过分配组件102和104流体连接的吸附床100。床100可以被另外或可替代地称为吸附室或吸附区。图4示意性地显示了这些分配组件，且分配组件可以包括用于选择性地建立和限制床之间的流体流动和/或组件73的输入和输出流的任何合适的结构。如图所示，输入流和输出流包括至少混合气体流74、产物氢气流42和副产物流76。合适结构的示例性例子包括一个或更多个歧管和阀，歧管如分别适合于将流体输送到床以及收集来自床的流体的分配歧管和收集歧管，阀如止回阀、电磁阀、清洗阀等。在示例性实施例中，显示了三个床100，但在本发明公开内容的范围内，床的数目可以变化，如包括比图4中显示的更多或更少的床。通常，组件73将包括至少两个床，且经常包括三个、四个或更多的床。虽然并不要求，组件73优选地适合于提供产物氢气流的连续流动，且当组件在使用中并接收混合气体流74的连续流时，多个床中的至少一个耗尽此流。
在示例性实施例中，分配组件102适合于选择性地将混合气体流74输送到多个床并收集和耗尽副产物流76，分配组件104适合于收集通过床的净化的氢气并形成产物氢气流42，且在某些实施方案中，适合于将净化的氢气的一部分输送到床作为净化流。分配组件可以被设置成相对于床固定定位或旋转定位。而且，分配组件可以包括任何合适类型和数目的结构和装置以选择性地分配、调节、测量、阻止和/或收集相应的气体流的流量。作为示例性的、非唯一的实施例，分配组件102可以包括混合气体歧管和排气歧管，或歧管组件，分配组件104可以包括产物歧管和净化歧管，或歧管组件。在实际应用中，采用相对于床旋转的分配组件的PSA组件可以被称为旋转的变压吸附组件，其中歧管和床不适合于相对于彼此旋转以选择性地建立和限制流体连接的PSA组件可以被称为固定床变压吸附组件或分离床变压吸附组件。两种结构都在本发明公开内容的范围内。
经由变压吸附的气体净化涉及连续的压力循环和气流相对于吸附床的逆流。在净化基本上由氢气组成的混合气体流方面，混合气体流在相对高压下输送至吸附床的一端，并从而暴露于其吸附区中所含有的吸附剂。对于混合气体流74的输送压力的示例性例子包括范围为40-200psi的压力，例如范围为50-150psi、50-100psi、100-150psi、70-100psi等的压力，但该范围外的压力也在本公开内容的范围内。当混合气体流流过吸附区时，杂质或其它气体的一氧化碳、二氧化碳、水和/或其他物质被吸附，并从而被至少暂时保留在吸附剂上。这是因为这些气体更容易被吸附到PSA组件中所使用的选定吸附剂上。混合气体流的其余部分，其现在可能可以被更准确地称为净化的氢气流，通过所述床并从所述床的另一端排出。在这种情况下，氢气可以被描述为混合气体流的较不容易被吸附的成分，而一氧化碳、二氧化碳等可以被称为更容易被吸附的成分。通常在燃料电池堆利用气体之前降低产物氢气流的压力。
为了除去吸附的气体，停止混合气体流的流动，降低所述床中的压力，因此现在被解吸附的气体可以从所述床排出。解吸附步骤通常包括：通过一般以相对进料方向的逆流方向引出气体来选择性地降低吸附区内的压力。该解吸附步骤还可以被称为减压或泄压(blowdown)步骤。该步骤通常包括使用净化气体流或与使用净化气体流结合进行，所述净化气体流通常以混合气流流过吸附区的逆流方向输送。适当的净化气体流的示例性例子是产物氢气流的一部分，由于该流由氢气组成，其比所述被吸附的气体更不容易被吸附。其他气体可用于净化气体流，但这些气体优选地比所述被吸附气体更不容易被吸附，并且甚至更优选地不被吸附或仅微弱地吸附于所使用的吸附剂。
如讨论的，该解吸附步骤可以包括在所述床上抽取至少部分真空，但这不是必须的。虽然不是必须的，但通常希望使用一个或更多个均衡(equalization)步骤，其中两个或更多个床被流动互连以允许所述床均衡其间的相对压力。例如，一个或更多个均衡步骤可以在解吸附和增压步骤之前进行。在解吸附步骤之前，利用均衡来降低所述床内的压力并回收所述床中含有的一些净化的氢气，而在加压步骤之前，利用均衡来增加所述床内的压力。可以使用气体的平行流动和/或逆流流动来实现均衡。在解吸附气体的解吸附和/或净化步骤完成之后，所述床被再次增压并再次准备好接收和除去来自输送至其的混合气体流的部分的杂质。
例如，当床准备再生时，其通常处于较高的压力并含有一些氢气。虽然该气体(和压力)可以通过排气所述床而被简单除去，但在被用以净化输送至其的混合气体流的部分之前，组件中的其他床将需要被加压。而且，所述待再生的床中的氢气优选地被回收，以便不会负面影响PSA组件的效率。因此，使这些床彼此流体连通的互连允许待再生的床中的压力和氢气得到减少，同时还增加了将用以净化输送至其的不纯氢气(即，混合气体流74)的床中的压力和氢气。除了或替代一个或更多个均衡步骤外，可以在混合气体流输送至所述床之前增压将用以净化混合气体流的床。例如，可以将一些净化的氢气输送至所述床以增压所述床。虽然在本公开内容范围内是将该增压气体输送至所述床的任一端，但在一些实施方案中，希望的是将增压气体输送至混合气体流被输送至所述床的一端的相对端，而不是将增压气体输送至混合气体流被输送至所述床的那一端。
对于PSA组件的一般操作的上述讨论在一定程度上被简化了。变压吸附组件的示例性实施例，包括其部件和操作其的方法在美国专利US3,564,816、US3,986,849、US5,441,559、US6,692,545和US6,497,856中公开，其全部公开内容在此引入作为各种目的的参考。
图5示意性描述了吸附床100的示例性实施例。如图所示的，所述床界定了内部隔间110，其包含至少一种吸附剂112，且每种吸附剂都适合于吸附混合气体流中的一种或更多种成分。在本公开内容范围内是可以使用超过一种以上的吸附剂的。例如，床可以包括超过一种以上的适合于吸附混合气体流的特定成分如吸附一氧化碳的吸附剂和/或包括分别适合于吸附混合气体流的不同成分的两种或更多种吸附剂。类似地，一种吸附剂可适合于吸附混合气体流的两种或更多种成分。适当吸附剂的示例性例子包括活性炭、氧化铝和沸石吸附剂。可以存在于所述床的吸附区内的吸附剂的其他例子是适合于吸收存在于混合气体流中的水的干燥剂。示例性干燥剂包括硅胶和铝凝胶。当使用两种或更多种吸附剂时，可以将他们按顺序设置于(连续或非连续的关系)所述床内，或可以混合在一起。应该理解，特定PSA组件中吸附剂的类型、种类、数量和形式可以例如根据一种或更多种下述因素而改变：PSA组件中期望的操作条件、吸附床的大小、混合气体流的组成和/或性质、PSA组件生成的产物氢气流的希望应用、将被使用的PSA组件的操作环境、使用者偏好等。
当PSA组件包括干燥剂或其他除水化合物或装置时，其可被设置成在从混合气体流吸附其他杂质之前从混合气体流中除去水。这点的一个原因是：水有可能会负面影响一些吸附剂吸附混合气体流的其他成分例如一氧化碳的能力。除水装置的示例性例子是冷凝器，但如图1中122处阴影线中所示意性描述的，可以在产氢区和吸附区之间使用其他装置。例如，可以使用至少一个换热器、冷凝器或其他适当的除水装置，以在混合气体流输送至PSA组件之前冷却所述流。这种冷却可以冷凝混合气体流中存在的一些水。继续该实施例并提供更具体的描述，在从燃料处理系统的产氢(即，重整)区排出时，由蒸汽重整器生成的混合气体流往往含有至少10％并通常至少15％或更多的水。这些流往往都相当热，例如温度为至少300℃(在多数混合气体流是由甲醇或类似的含碳原料生成的情况下)和至少600-800℃(在多数混合气体流是由天然气、丙烷或类似的含碳原料生成的情况下)。当在输送至PSA组件之前被冷却至例如25-100℃或甚至40-100℃范围内的示例性温度时，该水的大部分会冷凝。混合气体流可能依然充满有水，但水的含量往往会少于5wt％。
吸附剂可以任何适当形式存在于所述床中，所述形式的示例性例子包括微粒形式、珠子形式、多孔盘或块、涂层结构、层状片、纤维等。当置以所述床中使用时，吸附剂应为混合气体流的未吸附部分提供足够的多孔性和/或气体流动路径，以流过所述床而没有通过所述床的显著的压降。如本文所使用的，含有吸附剂的床的部分将被称为所述床的吸附区。在图5中，吸附区一般指示为114。床100还可以(但不必须)包括隔离物、支持物、屏障和其他适当的结构，用于将吸附剂和所述床的其他成分以相对于彼此的选定位置、希望的压缩程度等保留在所述隔间内。这些装置一般被称为支持物并在图5中一般指示为116。因此，在本公开内容范围内：吸附区可以相应于所述床的全部内部隔间，或仅仅相应于其一部分。类似地，吸附区可以由连续区或两个或更多个被隔开的区组成而不会脱离本公开内容的范围。
图5显示的实施例中，床100包括至少一个与所述床的端区相关联的孔118。如阴影线中所指示的，在本公开内容范围内：所述床的任一端或两端可以包括超过一个的孔。同样地，在本公开内容范围内：所述孔可以从所述床横向延伸，或者以另外的方式具有不同于图5中所示的示意性实施例的几何形状。不论孔的结构和/或数目，所述孔全体适合于输送通过所述床的吸附区的流体，并适合于聚集通过所述吸附区的流体。如所讨论的，例如根据PSA组件的特定实施和/或PSA循环的阶段，所述孔可以选择性地用作输入孔或输出孔。为提供图解实施例的目的，图6描述了床100，其中所述吸附区沿所述床的总长延伸，即在所述床的相对孔或其他端区之间。在图7中，床100包括吸附区114，所述吸附区114包括不连续子区120。
在使用吸附床例如床100以吸附杂质气体(即具有被吸附剂吸附的较大亲和力的气体)的过程中，将在所述吸附区内界定传质区。更具体地说，吸附剂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：混合气体流的组成、混合气体流的流速、吸附剂暴露于混合气体流的操作温度和/或压力、之前未从吸附剂解吸附的任何吸附气体等。当混合气体流被输送至所述床的吸附区时，邻近混合气体输送孔的吸附区的末端部分的吸附剂将从混合气体流除去杂质。通常，这些杂质将被吸附于吸附区的子部分之内，而吸附区的其余部分将仅含有最低限度的，如果有，被吸附的杂质气体。这在一定程度上于图8中示意描述，其中吸附区114被显示为包括传质区或区域130。
当初始传质区中的吸附剂持续吸附杂质时，其将接近或甚至达到其吸附这些杂质的容量。当这个发生时，传质区将移向所述吸附区的相对端。更具体地说，当杂质气体的流量超过吸附区的特定部分(即，特定传质区)吸附这些气体的容量时，那么这些气体将流动越过那个区并进入吸附区的相邻部分，这些气体将在那里被那部分吸附剂吸附，有效地使传质区朝所述床的相对端扩张和/或移动。
这种描述在一定程度上被简化了，因为传质区通常并没有沿吸附区界定均一的开始边界和结束边界，特别是当混合气体流含有超过一种被吸附剂吸附的气体的时候。同样地，这些气体可以具有不同的用于被吸附的亲和力，并因此甚至可以相互竞争吸附点。然而，吸附的相当大部分(例如至少70％或更多)往往发生在吸附区的相对集中的部分，且该部分或区在所述床的使用过程中易于从吸附区的进料端移向产物端。图9示意性描述了这一点，其中传质区130被显示为相对于其在图8中的位置朝向孔118′移动。因此，如果有的话，吸附区的部分114′中的吸附剂112′将具有显著降低的吸附附加杂质的容量。当用其它语言描述时，吸附剂112′可以被描述为基本，如果不完全，被吸附的气体所充满。在图8和9中，吸附区的进料端和产物端一般被指示为124和126，并且一般指吸附区的邻近或最接近所述床的混合气体输送孔和产物孔的那一部分。
在PSA组件的使用过程中，传质区往往会移向和移离吸附区的末端124和126。更具体地说，并如讨论的，PSA是循环过程，其包括压力和流向的重复变化。下述讨论将参考循环中的步骤是如何易于影响传质区(和/或通过吸附区的吸附气体的分布)的来描述PSA循环。应该理解，传质区的大小或长度在PSA组件的使用过程中往往是会改变的，并因此往往不会是固定尺寸。
在PSA循环开始时，所述床被增压，且混合气体流在压力下流过吸附区。在该吸附步骤中，杂质(即，其他气体)被吸附区中的吸附剂吸附。当这些杂质被吸附时，由于吸附区的初始部分变得越来越被吸附气体所饱和，传质区往往会倾向移向吸附区的远端或产物端。当吸附步骤完成时，混合气体流74向所述吸附床的流动和净化的氢气的流动(其至少一部分将形成产物氢气流42)停止。虽然不是必须的，但所述床然后可以经历一个或更多个均衡步骤，其中所述床与PSA组件中的一个或更多个其他床流体互连，以减少所述床中存在的压力和氢气，并用压力和氢气填充所述接收床。气体可以经由进料孔或产物孔的任一或两者退出增压的床。从产物孔引出的气体往往能提供比从进料孔引出的气体更纯的氢气。然而，该步骤产生的压降往往以气体从吸附床移出的方向引出杂质。因此，传质区可以被描述为朝向吸附床最接近气体从所述床移出的孔的那端移动。换句话说，当所述床被再次用以从混合气体流吸附杂质的时候，其中在给定时间吸附大部分杂质的吸附区的部分，即传质区，往往以均衡气体从所述床退出的方向朝向吸附区的进料端或产物端移动。
然后所述床被减压，该步骤通常从进料孔引出气体，因为所述气体流将倾向于具有较高浓度的其他气体，当所述床中压力下降时，所述其他气体从吸附剂解吸附。这一排出流可以被称为副产物流或杂质流76，并可以用于多种应用，包括作为燃烧器或其他加热组件的燃料流，所述燃烧器或其他加热组件燃烧燃料流以生成加热的排出流。如所讨论的，产氢组件46可以包括加热组件71，所述加热组件71适合于生成加热的排出流，以加热至少燃料处理系统的产氢区70。根据亨利定律(Henry′s Law)，从吸附剂解吸附的吸附气体的量与存在于吸附床中的吸附气体的分压(partialpressure)有关。因此，减压步骤可以包括：随后或至少在时间上部分重叠的净化步骤，其中气体通常在低压下被导入吸附床。该气体流过吸附区并从吸附区吸解吸附的气体，且这种解吸附气体的除去导致气体从吸附剂的进一步解吸附。如所讨论的，适当的净化气体是例如由PSA组件之前生成的净化的氢气。通常，净化流从吸附区的产物端流至进料端，以驱使杂质(并由此复位传质区)朝向吸附区的进料端移动。在本公开内容的范围内：净化气体流可以形成产物流的一部分，可以用作可燃性燃料流(例如用于加热组件71)，和/或可以其他方式应用于PSA或其他方法。
现在完成了PSA的循环，且通常新的循环又开始了。例如，然后，净化的吸附床例如通过作为另一经历着均衡的吸附床的接收床而被再增压，并任选可由输送至其的净化的氢气进一步增压。通过利用多个吸附床，通常为三个或更多个，PSA组件可适合于接收混合气体流74的连续流，并适合于生成净化的氢气(即，产物氢气流42)的连续流。虽然不是必须的，但吸附步骤或阶段的时间通常占PSA循环的三分之一至三分之二，例如占PSA循环时间的约一半。
在传质区到达吸附区的远端(相对于混合气体流被输送至吸附区的方向)之前停止吸附步骤是重要的。换言之，因为吸附剂充满了吸附的气体并因此不能再有效地防止这些杂质气体在非常希望是净化的氢气流中排出，所以混合气体流74的流动和产物氢气流42的移出优选地应该在其他被希望为从氢气中除去的气体随氢气一起排出所述床之前停止。希望由PSA组件除去的杂质对产物氢气流的这种污染可以被称为击穿，因为杂质气体“击穿”所述床的吸附区。常规地，一氧化碳检测器已经用以确定传质区何时接近或已经到达吸附区的远端，并因此存在或将存在于产物氢气流中。一氧化碳检测器比用于混合气体流中存在的其他气体的其他物质的检测器更普遍被使用，因为当一氧化碳以甚至少量百万分之一(ppm)存在时，都可以损伤许多燃料电池。虽然有效并在本公开内容的范围内，但该检测机理要求使用一氧化碳检测器和相关的检测设备，其倾向于是昂贵的并会增加PSA组件的复杂性。
正如结合图4介绍的，PSA组件73包括分配组件102和104，其选择性地输送混合气体流74、产物氢气流42和副产物流76到多个吸附床100和/或从多个吸附床100收集混合气体流74、产物氢气流42和副产物流76。如所讨论的，产物氢气流42由吸附床的吸附区产生的净化的氢气流形成。在本发明公开内容的范围内，此气体的一些被用作净化气体流，其在净化和/或泄压步骤中被选择性地输送(如通过合适的分配歧管)到吸附床以促进用于吸附剂的吸附气体的解吸附和去除。此解吸附的气体，以及共同用解吸附的气体从吸附床回收的净化气体流形成副产物流76，如上所述，可以用作加热组件71或适用于接收可燃烧的燃料流的其他装置。
图10和11提供了PSA组件73的稍微示意性的实施例，其包括多个吸附床100。类似于图4所示的示例性实施例，图10显示了三个吸附床，但在本发明公开内容的范围内，可以采用更多或更少的床，如图11以图解方式描述的，其中显示了四个床，但是可以采用多于四个的床而并不偏离本发明的公开内容。类似地，超过一个的PSA组件可以与同样的产氢组件和/或燃料电池系统一起使用。如图10和11所示，PSA组件73包括含有混合气体歧管140和排气歧管142的分配组件102。混合气体歧管140适合于选择性地将混合气体流输送到吸附床的给料端144，如74’所标示的。排气歧管142适合于收集由吸附床的给料端消耗的气体，即解吸附的其他气体、净化气体和未能被利用形成产物氢气流42的其他气体。这些排气流在图10和11中以76’标示且共同形成副产物流76。
图10和11还示意性地描述了正被输送到加热组件71的副产物流76以与如来自空气流90的空气燃烧以形成加热的排气流88。还如图10和11所示，在本发明公开内容的范围内，加热组件71可以，但并不要求，适合于接收除了副产物流76外的燃料流92。在某些实施方案中，流92还可以被称为补充燃料流。任何合适的可燃烧的燃料可以用于流92中。用于流92的合适燃料的示例性例子包括氢气、如由氢产生组件46产生的氢气，和/或上述含碳原料中的任何一种，包括但不限于，丙烷、天然气、甲烷和甲醇。
结合图2讨论，当PSA组件73和加热组件71与包括在高温下工作的产氢区70的燃料处理系统64一起使用时，加热组件可适合于用排气流88加热至少区70。例如，流88可以将区70加热到合适的温度和/或在合适的温度范围内，用于从一股或更多股给料流产生氢气。如上所述，蒸汽重整反应和自热重整反应是吸热过程的示例性例子，其可以用于从水和含碳原料产生混合气体流74，但是其他方法和/或给料流部件也可以另外或可替代地用于产生混合气体流74。在本发明公开内容的范围内，排气流也可以适合于提供主要的热量以加热氢产生组件、燃料电池系统或组件71和73的其他设备的部件。
在图10和11所示的示例性实施方案中，分配组件104包括产物歧管150和净化歧管152。产物歧管150适合于收集由吸附床的产物端154回收的并由其形成产物氢气流42的净化氢气流。这些净化氢气流在图10和11中以42’标示。净化歧管152适合于选择性地将诸如净化氢气流的一部分的净化气体输送到吸附床，如以便促进被吸附杂质气体的解吸附并由此重新产生包含在其内的吸附剂。净化气体流以156’标示且可以统称为净化气体流156。如158所标示的，在本发明公开内容的范围内，产物歧管和净化歧管可以彼此流体相通以选择性地将净化氢气(或产物氢气流)的至少一部分转化用作净化流156。在本发明公开内容的范围内，来自一个或更多个源的一种或更多种其他气体可以另外或可替代地形成净化流156的至少一部分。
虽然并不要求，但图10和11在160处阐释，在某些实施方案中，期望将用于产物氢气流的产物歧管和/或流体导管与用于副产物流的流体导管流体连接。这样的流体连接可以用于选择性地将净化(或打算被净化的)氢气的至少一部分转向加热组件而不是转向将产物氢气流42以其他方式输送到的目的地。如所讨论的，合适的目的地的例子包括氢储存装置、燃料电池堆和耗氢装置。在其中产物氢气流转向加热组件的情形的示例性例子包括以下情形：如果目的地已经接收了最大容量的氢气、不再起作用或以别的方式不能够再接收任何或额外的氢气，如果在氢气中检测到一种或更多种杂质的不能接受的浓度，如果必须关闭氢产生组件和/或燃料电池系统，如果需要产物氢气流的一部分以作为加热组件的燃料流，等等。
在PSA组件73的实施方式中，可以采用这里讨论的用于流体流的任何数目、结构和构型的歧管和流体导管。类似地，可以采用任何合适数目和类型的阀或其他流量调节装置170和/或传感器或其他性能检测器(property detector)172，其示例性的、非排他性的例子显示在图10和11中。例如，所示的止回阀174、比例阀或其他的电磁阀176、减压阀178、变孔调节阀180和固定孔182阐释了流量调节装置170的非排他性示例。类似地，所示的流量计190、压力传感器192、温度传感器194和成分检测器(composition detector)196阐释了性能传感器172的非排他性示例。成分检测器的示例性例子是一氧化碳检测器198，如用以检测净化的氢气流42’和/或产物氢气流42中的一氧化碳的浓度，如果有的话。
虽然并不要求，但在本发明公开内容的范围内，PSA组件可包括控制器、与控制器相关和/或与控制器相通，该控制器适合于控制操作至少部分PSA组件和/或相关的产氢组件和/或燃料电池系统。控制器示意性地显示在图2和图10-11中且通常以200标示。控制器200可以经由任何合适的有线和/或无线通信链接，如以202示意性标示的，与至少流量调节装置和/或性能检测器172通信。此通信可以包括单向或双向通信且可以包括诸如对应于测量值或电脑记录值、命令信号、状态信息、用户输入、待储存值、阈值等等之类的输入和/或输出的通信信号。作为示例性的、非排他性例子，控制器200可以包括一个或更多个模拟信号或数字信号、逻辑单元或用于操作以软件形式存储在存储器内的程序的处理器、一个或更多个彼此通信的分离单元等等。控制器200还可以调整或控制氢产生组件或燃料电池系统的其他部分和/或可以与适合于控制操作产氢组件和/或燃料电池系统的其他控制器通信。控制器200在图10和11中显示成以分离单元执行。其还可以被执行作为分开的部件或控制器。那么这种分开的控制器可以经由任何合适的通信链接彼此通信和/或与系统22和/或组件46中存在的其他控制器通信。
在图10和11中，显示多个温度传感器194与所示吸附床的其中一个相关。在本发明公开内容的范围内，每一个床都可包括或没有一个床包括一个或更多个温度传感器，其适合于检测与吸附床、床内的吸附剂、床的吸附区、通过床的气流量等相关的一个或更多个温度。虽然并不要求，但根据本发明公开内容的PSA组件可包括基于温度的击穿检测系统，如2004年12月20日提交的美国临时专利申请No.60/638086，题目为“基于温度的击穿检测和变压吸附系统以及包括其的燃料处理系统”(“Temperature-based breakthrough detection and Pressure Swing AdsorptionSystem and Fuel Processing System Including the Same”)中所公开的，且该专利的全部公开内容在此引入用作各种目的的参考。
在图12中，显示了泄压或减压过程中，吸附床内的压力和PSA循环的净化流的示意图(非排他性)。在210处，标示了减压步骤前，如在吸附步骤或阶段已经完成后的压力，且可能更通常地，在完成一个或更多个均衡步骤后。在减压或解吸附步骤的过程中，源自床的给料端的气体的初始流量在210处标示，且正如略微示意性表示的，压力相对下降的很快。不同实施方案的下降率可能不同，如响应诸如床内的压力、床内的气体体积、来自床的气体的流速等因素。在图12中，以及在随后讨论的图13-15中，图表旨在提供压力或副产物流的流速随时间变化的示意性表示。因为图表主要是图解的目的，所以图表中并未标上时间，取而代之的是这些变量之间的示意性相对关系。
正如所讨论的，压力的这种变化会使许多被吸附的气体从吸附剂上解吸附，由此从吸附床以流76’回收。流76’也含有氢气，其在减压步骤开始前存在于床内。床100和/或流76’的压力会随着来自床的气体的继续流动而继续下降。以燃料值来说，在减压步骤过程中，流76’的初始流量往往具有不同于流经减压步骤中间以及到达减压步骤结束时的流76’的燃料值。例如，燃料值的这些差异可以反映氢气和流中存在的其他气体中的每一个的相对浓度。类似地，在减压步骤的这些示例性的部分中，流76’的流速往往也会变化，在减压步骤过程中，流速趋向于减慢。
在212处，诸如先前讨论的显示在图10和11中的流156’，净化气体开始流到吸附床。虽然并不要求，但是输送到PSA组件中的吸附床的净化气体的体积可以预先确定成比如固定的净化体积。流156’的压力可以在本发明公开内容的范围内变化，但是优选地当净化步骤开始时，此气体处于或接近床100内的压力。流过吸附部分的净化气体趋向于增加解吸附气体的量，因为通过净化气体流过吸附区，然后从吸附床作为流76’的一部分，解吸附气体的分压减小了。在214处，净化气体已经停止流动了。在图12显示的示例性例子中，时间212和210之间的时间段表示减压或泄压步骤，而时间214和212之间的时间段表示净化步骤。虽然被阐释成这些步骤之间的明显过渡，但是并不要求在所有的实施方案中，床的减压都是在净化气体开始流动之前完成。相反，在本发明公开内容的范围内，吸附床内的压力可以在净化气体开始流动后继续减小。
用于特定吸附床的净化气体的最佳体积可以根据各种因素来变化。这些因素的示例性例子包括以下中的一个或更多个：所采用的吸附剂的类型、吸附床的结构、吸附床的尺寸、净化气体的压力、净化气体和/或混合气体的成分、从吸附床排出以形成副产物流76的流(76’)的压力等。因此，对特定PSA组件有效的净化气体的最佳体积对不同结构和/或尺寸的PSA组件来说可能不是最佳的，或甚至可能不是有效的。
减压步骤和净化步骤之间的相对时间段或时间比率可以在本发明公开内容的范围内变化，其中图12中显示的示例性例子旨在阐述，许多合适的关系或比率中的其中一个。此比例可以表示成净化-泄压比，其示例包括1∶1到3∶1、1.3∶1到2.5∶1、1.6∶1到2.3∶1、1.6∶1到2∶1、1.6∶1、1.8∶1、2∶1、2.2∶1，大于1.5∶1，大于2∶1，小于2.5∶1等。倾向于增加床的解吸附和/或再生的较长净化步骤的完整设计考虑是：PSA组件优选地适合于循环的、持续的使用，且特定床处于减压和/或净化循环中的时间可能会影响其他床处于PSA组件循环中的相同步骤或其他步骤的时间。
吸附床的减压和净化可以在选定的时间段和/或净化-泄压比内进行，同时产生流76’的各种流速和/或燃料值以及所得到的副产物流76。例如，当减压步骤开始时，吸附床仍含有大量氢气且处于高压下。当减压步骤继续时，床内的压力和氢气将减小。当床继续减压，流76’的流速会随着床内的压力减小而减小。在净化气体开始流向床之前，流76’中的排气流或副产物气体将是相对小的，因为此流速会随着床内压力的减小而减小。当净化气体开始流经床100时，流76’的流速将增大，当净化气体是可燃烧的气体如氢气时其燃料值同样也会增大，其中更具体的例子是由PSA组件产生的净化过的氢气。当完成净化步骤时，来自那个床的流76’停止流动。当出现停止时，用于加热组件71的燃料流将会由来自一个或更多个其他吸附床的流76’形成，如当床处于PSA循环过程的减压和/或净化时，和/或用于加热组件71的燃料流将会由来自其他源的流76’形成，如补充燃料流。
如上所述，当再生PSA组件73中的吸附床100内的吸附剂时，净化过的氢气可以用作净化流。此净化气体的流动可以导致吸附气体的解吸附，并由此有助于吸附剂的再生。通常来说，净化气体流到吸附床是以恒定的速率被输送的，通常是固定的时间段。图13呈现了一副图表，其显示了净化气体流到吸附床100的流速随时间的变化。净化步骤的开始和结束以212和214显示在图13中，且相对应于上面结合图12讨论的相对时间和净化-泄压比。
图13的虚线显示了PSA循环中，净化气体采用了恒定的或固定的流速流到吸附床。如图所示，气体是以恒定速率输送通过净化步骤的，且输送到吸附床的净化气体的体积是此固定净化速率和净化气体输送到吸附床的时间段的乘积。当吸附的气体由床内的吸附剂有效地解吸附时，流76’中的可以是具有高燃料值的气体的流速的明显增大或跳动往往会造成来自加热组件的加热的排气流的流量和/或温度大增。这反过来往往可能又会迅速增大由此流，如燃料处理系统64的产氢区中的流加热的结构的温度。这可以导致结构过热，其可以损坏结构和/或破坏其操作。不考虑加热结构的任何可能的负面效应，加热排气流的突然增多可以产生超过某种期望的或要求的排放阈值的排气。例如，加热排气流的一氧化碳含量可能会增以响应流到加热组件的燃料的突然增多。
相反，在均衡和/或在来自床的净化气体开始流动之前和/或在净化步骤结束时，流76’可以不包含流或只包含少量流且存在的流可以具有低的燃料值。结果，在不要求除副产物流76外的燃料流的情况下，加热组件可能不能够维持指示灯(pilot light)或燃烧火焰。类似地，当流76的流量和/或燃料值低时，加热排气流可能不能够将相关的结构，如产氢区70加热到期望的温度或温度范围。例如，在产氢区，如优选地在选定温度范围内操作以产生氢气的蒸汽重整区，在低于(或高于)期望范围的温度下操作产氢区往往会减少混合气体流中氢气的量，由此减小产氢组件的转化或效率。
如图13的实线所示，在本发明公开内容的范围内不采用恒定的净化气体流速。相反，净化气体流到吸附床的流速在至少部分净化步骤过程中是可变的。在此示例性实施例中，净化气体的流速以小于以恒定净化气体流速在确定的时间段内，如实线表示的体积和时间段内输送确定体积的净化气体所要求的流速的50％开始。此净化气体流速随着时间从这个初始速率增大到最大速率，此最大速率超过了以实线显示的此实施例中所采用的最大流速，其中在整个净化循环中，采用恒定的净化气体流速。因而，在所示的实施例中，流速被维持在这个最大流速直到净化气体流结束。在净化循环结尾，来自正被净化的床的流76’的流速已经停止；然而，在本发明公开内容的范围内，PSA组件的另一个床100优选地提供流76’以维持副产物流76到加热组件的基本上连续的流速，如果不是完全连续的话，其中这个流优选地具有充足的流速和/或加热流以满足加热组件71的燃料要求和/或以维持加热组件的连续的燃烧过程。
作为此所示实施例的变化形式，净化气体的初始流速可以在净化步骤的整个选定的时间段过程中在恒定流量曲线(flow profile)中所使用的平均流速的10-75％开始，然后在净化循环开始的10-60％过程中朝向至少平均净化流速增加。之后，此流速会继续增大超过用于净化步骤的10-100％范围的平均净化流速，任选地用于净化步骤的25-100％。例如，净化气体流速可以增大到用于净化步骤的选定时间段过程中固定体积的净化气体所要求的平均流速的至少125％、150％、120-200％等。在本发明公开内容的范围内，可以采用净化气体流速的其他曲线或斜坡，包括其中在净化步骤的至少一个部分或子部分来根据线性的、非线性的和/或台阶式或递增的量中的一个或更多个增大或减小净化气体的流速的曲线。流径吸附床的净化气体流速的其他曲线的示例显示在图14中。如图15所示，在本发明公开内容的范围内，净化气体流速的曲线可以包括一部分减小的流，如在净化步骤的最后5-50％的过程中。
可以采用任何合适的方法或机理来调节净化气体到吸附床的流动。示例性的、非排他性的例子是使用控制器来选择性地开动合适的流量调节阀以产生期望的流速。如所讨论的，可以采用任何合适类型和数目的阀，在本发明公开内容的范围内，在减压步骤中采用与净化步骤中不同类型和/或组合的阀以调节来自吸附床的气体的流动。也在本发明公开内容的范围内，调节将形成流76’的气体的流量的阀或阀组件可以被选择性地用来，如响应来自控制器的控制信号，以调节此气体的流速来调整输送到加热组件的副产物流的流速和/或燃料值。
优选地，在PSA循环过程中，由PSA组件所采用的斜坡的或阶梯式的净化步骤产生的副产物流在以燃料流输送到加热组件时是恒定的，或处于确定或选定的流速的选定范围内，如选定流速的+/-5％、10％、20％、30％等。在某些实施方案中，选定的流速对应于一流速，这一流速产生了适合于将燃料处理系统的产氢区维持在期望的温度和/或期望的温度范围内的加热排气流，如前述讨论的那些。另外或可替代地，净化步骤可以适合于在PSA循环中产生流到加热组件的副产物流，其是恒定的，或处于确定或选定的燃料值的选定范围内，如选定燃料值的+/-5％、10％、20％、30％等。在PSA组件用于产生产物氢气流42的时间段的至少相当大部分的时间段内，甚至更优选全部时间段内，副产物流优选地将上述关系中的任一个或两个都维持在选定的流速和/或燃料值。当副产物流不能持续满足上述标准中的任一个或两个时，在本发明公开内容的范围内，其可以满足循环的至少80％，至少90％，至少95％，或者更多。
在某些实施方案中，选定的燃料值，如与流76的流速有关，产生适合于将燃料处理系统的产氢区维持在如那些先前讨论的期望的温度和/或期望的温度范围内的加热排气流。例如，加热排气流可以适合于将产氢组件的产氢区(在某些实施方案中，该产氢区可以被称为重整区)维持在相对恒定的温度下，如对于甲醇或类似的含碳原料的375-425℃、400-425℃和/或400-450℃的温度范围内以及对于天然气、丙烷和类似的含碳原料的750-850℃的温度范围内，优选地，在775-825℃、800-850℃和/或800-825℃的温度范围内。
虽然并不要求，但是净化气体流到吸附床的流速的斜坡增加或递增增加的优势在于能防止流到加热组件的流76的流速突然增大。这种突然增大可能倾向于产生含有至少一个浓度超过选定阈值如50ppm或更多的成分，如一氧化碳的排气流。优选地，本发明公开内容的斜坡式的净化步骤适合于产生加热排气流，在整个PSA循环中，该加热排气流中的一氧化碳的浓度小于50ppm，且优选地小于25ppm，小于10ppm，或甚至小于5ppm。
用于斜坡式、阶梯式，或者以其他方式调节流到变压吸附组件吸附床的净化气体的流量的系统和方法的示例性、非排他性实施方式的例子包括但不限于下述实施方式中的一个或更多个，其可以在PSA组件中的一个或更多个中实施；适合于净化氢气的PSA组件；包括适合于产生含有作为其主要成分的氢气和其他气体的混合气体流燃料处理器的产氢组件，以及适合于从混合气体流产生产物氢气流的PSA组件；含有燃料电池堆、净化氢的PSA组件和待PSA组件净化的氢气的源的燃料电池系统(其中源任选地包括燃料处理器，在某些实施方案中是蒸汽重整器)；包括适合于产生含有作为其主要成分的氢气和其他气体的混合气体流的产氢区的产氢组件，适合于从混合气体流(且任选地，燃料电池堆适合于接收净化混合气体流的至少一部分)除去杂质(包括一氧化碳)的PSA组件，以及适合于燃烧副产物流以将至少产氢区加热的加热组件，且产氢区任选地是蒸汽重整区或自热重整区；
调节净化气体到吸附床的输送以将副产物流的流速维持在选定流速的+/-5％、10％、15％、20％、30％等内；
调节净化气体到吸附床的输送以将副产物流的燃料值维持在选定燃料值的+/-5％、10％、15％、20％、30％等内；
在确定的时间段内，以变化的流速将确定体积的净化气体输送到吸附床；
在净化循环的初始的百分比过程中，逐渐增大流到吸附床的净化气体的流速，且任选地，在净化循环的后续百分比过程中，维持和/或降低流速；
开始以小于净化气体平均流速的75％，且任选地小于净化气体平均流速的50％或更小的流速将净化气体的流速输送到吸附床，该净化气体将在PSA循环的净化步骤过程中输送，之后增大净化气体的流速到大于净化步骤中所输送的净化气体的平均流速；
在一定体积的净化气体开始流动后，选择性地增大和/或减小时间段内的净化气体的流速，且任选地，随后增大和/或减小时间段内净化气体的流速以使得确定体积的净化气体在确定的时间段内输送；
调节流到PSA组件的吸附床的净化气体的流速以将通过燃烧来自PSA组件的副产物流产生的加热排气流中的一氧化碳的浓度维持在选定的阈值之下，如50ppm、25ppm、10ppm、5ppm或更小；
选择性地将一定体积的净化气体输送到吸附床以响应预先确定的流量曲线，所述流量曲线具有至少一个部分，在该部分中净化气体的流速小于净化步骤过程中所输送的净化气体的平均流速，以及至少一个部分，在该部分中净化气体的流速大于净化步骤过程中所输送的净化气体的平均流速；
调节流到PSA组件的吸附床的净化气体的流速以将通过燃烧来自PSA组件的副产物流产生的加热排气流中的至少一个成分的浓度维持在选定的阈值之下；
以变流曲线(variable-flow profile)选择性地将净化气体输送到PSA组件的吸附床，在该变流曲线中，净化气体的流速被调整为将流到加热组件的来自PSA组件的气体的流速维持在阈值处或维持在阈值的确定范围内；
以变流曲线选择性地将净化气体输送到PSA组件的吸附床，在该变流曲线中，净化气体的流速被调整为将流到加热组件的来自PSA组件的气体的燃料值和流速维持在阈值处或维持在阈值的确定范围内；
调节流到PSA组件的吸附床的净化气体的流速以将燃料处理系统的产氢区的温度维持在100℃的温度范围内，且优选为50℃或更低，该燃料处理系统通过由通过燃烧PSA组件的副产物流而产生的加热排气流来加热；
调节流到PSA组件的吸附床的净化气体的流速以当由通过燃烧副产物流而产生的加热排气流来加热时提供足够流量的副产物流来将产氢区的温度维持在选定的温度范围内和/或维持在选定的阈值之上；
调节流到PSA组件的吸附床的净化气体的流速以维持副产物流连续流到加热组件，该加热组件适合于利用副产物流作为燃料流；
根据非线性流量曲线，以及任选地，根据包括递增式的流量变化、台阶式(或阶梯式)的流量变化以及非线性的流量变化中的一种或更多种的曲线来调节流到PSA组件的吸附床的净化气体的流速；
任何一种上述系统或方法都与PSA组件一起实施，该PSA组件具有多个吸附床，吸附床适合于接收含有作为其主要成分的氢气的混合气体流，混合气体流由燃料处理系统产生，燃料处理系统包括至少一个适合于通过蒸汽重整水和含碳原料来产生混合气体流的重整区，其中燃料处理系统的至少重整区适合于通过加热组件加热，其中PSA组件适合于提供至少一股到加热组件的燃料流，且任选地，与适合于接收由PSA组件产生的净化氢气的至少一部分的燃料电池堆一起使用；
用于实施任何一种上述系统和/或采用任何一种上述系统的方法；和/或
一种适合于控制PSA组件和/或相关的产氢组件的操作以实施任何一种上述方法或控制系统的控制系统。
虽然这里讨论了用于净化氢气的PSA组件，但是在本发明公开内容的范围内，这里所公开的PSA组件，以及操作该PSA组件的方法可以用于其他应用中，如净化燃料电池或其他系统中的其他混合气体和/或加热除燃料处理系统的产氢区外的结构。
工业适用性
变压吸附组件和包括其的产氢和/或燃料电池系统可应用于产氢和燃料电池领域，包括诸如产生、净化和/或消耗氢气以生成电流的领域。
相信以上所提出的公开内容涵盖了具有独立单一性的多个不同的发明。虽然这些发明中的每一个都是以优选形式公开的，但不应认为本文公开和描述的具体实施方案是限制性的，因为有许多变化都是可能的。本发明的主题包括本文公开的各种部件、特征、功能和/或性质的所有新颖性且非显而易见的组合和次级组合。同样，当权利要求书引用“一”或“第一”部件或其等价物时，这样的权利要求书应该被理解为包括加入一个或更多个这样的部件，既不要求也不排除两个或多个这样的元件。
相信所附权利要求书特别指出了某些组合物和子组合，其涉及本公开发明中的一个并且是新颖的且非显而易见的。可以通过修改本权利要求书或在该申请或相关申请中提出新的权利要求书，来要求以特征、功能、部件和/或性质的其他组合和子组合实施的发明的权利。不论其是否涉及不同的发明或涉及相同的发明，也不论其不同于、大于、小于或等于原始权利要求的范围，这种修改的或新的权利要求书也被认为包含在本公开内容的发明的主题之内。

Claims (31)

1.一种产氢组件，包括：
燃料处理系统，其包括至少一个产氢区，所述产氢区适合于接收至少一给料流，且适合于从其产生含有氢气和其他气体的混合气体流；
变压吸附组件，其适合于接收所述混合气体流，且适合于产生产物氢气流和产生副产物流，所述产物氢气流含有至少基本上纯的氢气且与所述混合气体流相比具有减少了浓度的所述其他气体，所述副产物流含有所述其他气体的至少相当大部分，其中所述变压吸附组件包括多个吸附床，所述吸附床适合于将所述混合气体流分成形成所述产物氢气流和所述副产物流的流；
加热组件，其适合于接收和燃烧所述副产物流以产生适合于加热至少所述产氢区的加热的排气流；以及
调节装置，其用于调节所述副产物流的流速以将所述产氢区的温度维持在用于产生所述混合气体流的确定的温度范围内。
2.如权利要求1所述的产氢组件，其中所述产氢区包括蒸汽重整区，所述蒸汽重整区适合于从水和含碳原料产生所述混合气体流。
3.如权利要求2所述的产氢组件，其中所述含碳原料包括碳氢化合物且所述确定的温度范围是725-825℃。
4.如权利要求2所述的产氢组件，其中所述含碳原料包括甲醇且所述确定的温度范围是375-450℃。
5.如权利要求1所述的产氢组件，其中所述调节装置适合于调节净化气体到PSA组件的吸附床的流速以将所述加热的排气流中的一氧化碳的浓度维持在50ppm以下。
6.如权利要求1所述的产氢组件，其中所述调节装置包括根据变流曲线选择性地将净化流输送到所述吸附床。
7.如权利要求6所述的产氢组件，其中所述曲线包括初始部分，在所述初始部分中所述净化气体以小于所述净化气体通过所述吸附床的平均流速的流速输送，且其中所述曲线还包括后续部分，在所述后续部分中所述净化气体以大于所述净化气体通过所述吸附床的所述平均流速的流速输送。
8.如权利要求1所述的产氢组件，其中所述调节装置包括用于调节所述副产物流的燃料值的装置。
9.一种产氢组件，包括：
燃料处理系统，其包括至少一个产氢区，所述产氢区适合于接收至少一给料流，且适合于从其产生含有氢气和其他气体的混合气体流；
变压吸附组件，其适合于接收所述混合气体流，且适合于产生产物氢气流和产生副产物流，所述产物氢气流含有至少基本上纯的氢气且与所述混合气体流相比具有减少了浓度的所述其他气体，所述副产物流含有所述其他气体的至少相当大部分，其中所述变压吸附组件包括多个吸附床，所述吸附床适合于将所述混合气体流分成形成所述产物氢气流和所述副产物流的流，且其中所述变压吸附组件还包括用于选择性分配的装置，所述用于选择性分配的装置用于响应于预先确定的流量曲线而选择性地将一定量的净化气体分配到所述吸附床，所述流量曲线具有在其中净化气体的流速小于在净化步骤中输送的所述净化气体的平均流速的至少一个部分，以及在其中净化气体的所述流速大于在所述净化步骤中输送的所述净化气体的所述平均流速的至少一个部分；以及
加热组件，其适合于接收和燃烧所述副产物流以产生适合于加热至少所述产氢区的加热的排气流。
10.如权利要求9所述的产氢组件，其中所述流量曲线包括非线性曲线。
11.如权利要求9所述的产氢组件，其中所述流量曲线包括净化气体的初始流速，以及至少净化气体的大于所述初始流速的后续流速。
12.如权利要求11所述的产氢组件，其中所述初始流速小于所述后续流速的50％。
13.如权利要求11所述的产氢组件，其中所述初始流速是PSA循环的净化阶段中所述净化气体的平均流速的25-75％，且进一步地其中在所述净化阶段的至少10％中维持所述初始流速。
14.如权利要求9所述的产氢组件，其中所述流量曲线包括在其中净化气体的流速随时间减小的至少一个部分。
15.如权利要求9所述的产氢组件，其中所述用于选择性分配的装置适合于将所述副产物流的流速维持在确定流速的预先确定的范围内。
16.如权利要求15所述的产氢组件，其中所述确定流速对应于一流速，在所述一流速下，所述加热的排气流适合于将所述产氢区维持在用于产生所述混合气体流的选定的温度范围内。
17.如权利要求16所述的产氢组件，其中所述产氢区包括蒸汽重整区，所述蒸汽重整区适合于从水和含碳原料产生所述混合气体流。
18.如权利要求17所述的产氢组件，其中所述含碳原料包括碳氢化合物且所述选定的温度范围是700-800℃。
19.如权利要求17所述的产氢组件，其中所述含碳原料包括甲醇且所述选定的温度范围是375-450℃。
20.如权利要求9所述的产氢组件，其中所述用于选择性分配的装置适合于将所述副产物流的燃料值维持在确定的燃料值的预先确定的范围内。
21.如权利要求9所述的产氢组件，其中所述用于选择性分配的装置适合于将由所述副产物流产生的所述加热的排气流中的所有一氧化碳的浓度维持在50ppm之下。
22.如权利要求9所述的产氢组件，其中所述产氢区包括蒸汽重整区，所述蒸汽重整区适合于从水和含碳原料产生所述混合气体流。
23.如权利要求9所述的产氢组件，其与适合于接收所述产物氢气流的至少一部分的燃料电池堆组合。
24.一种用于调节燃料处理系统的产氢区的温度的方法，所述燃料处理系统适合于产生含有氢气和其他气体的混合气体流，所述方法包括：
在燃料处理系统的加热的产氢区中产生含有氢气和其他气体的混合气体流；
将所述混合气体流输送到具有多个含有吸附剂的吸附床的变压吸附组件，所述变压吸附组件适合于产生副产物流和产物氢气流，所述副产物流含有所述其他气体的至少相当大部分，所述产物氢气流与所述混合气体流相比含有更大浓度的氢气；
吸附来自所述混合气体流的所述其他气体以产生产物氢气流，所述产物氢气流和所述混合气体流相比含有更大浓度的氢气；
使所述吸附床减压以利于所述其他气体从所述吸附剂解吸附；
用净化气体流净化所述吸附床以进一步有利于所述其他气体的解吸附，其中所述减压步骤和所述净化步骤产生从其形成所述副产物流的气体流；
在加热组件内燃烧所述副产物流和空气，所述加热组件适合于产生加热的排气流；
用所述加热的排气流加热所述燃料处理系统的所述产氢区；以及
调节净化气体到所述吸附床的流速以产生足够的副产物气体流来将所述产氢区维持在用于产生所述混合气体流的确定的温度范围内。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述调节的步骤包括使净化气体到所述吸附床的流速斜坡化。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述方法包括调节净化气体到所述吸附床的流量以产生连续流动的所述副产物流。
27.如权利要求24所述的方法，其中所述调节的步骤包括以小于净化气体平均流速的75％的净化气体的初始流速来输送所述净化气体的流速且之后增大净化气体的流速。
28.如权利要求24所述的方法，其中所述调节的步骤包括控制所述副产物流的燃料值。
29.如权利要求24所述的方法，其中所述产氢区包括适合于产生所述混合气体流的重整区。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述产氢区包括适合于从水和乙醇产生所述混合气体流的流重整区，且进一步地其中所述确定的温度范围是350-450℃。
31.如权利要求29所述的方法，其中所述产氢区包括适合于从水和碳氢化合物产生所述混合气体流的流重整区，且进一步地其中所述确定的温度范围是700-800℃。
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