[发明专利]基于温度的击穿检测和变压吸附系统以及包含其的燃料处理系统

说明书

相关申请

本申请要求享有2004年12月20日提交的美国临时专利申请系列号 No.60/638,086以及2005年2月10日提交的美国专利申请系列号 No.11/055,843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变压吸附系统以及含有该系统的产氢系 统和/或电池系统，且更具体地说，涉及利用基于温度的击穿检测系统的此 类系统。

发明背景

产氢组件是将一种或更多种原料转化成含有作为主要成分的氢气的 产物流的组件。产生的氢气可以用于多种用途。一种这样的用途是产生能 量，如电化学燃料电池。电化学燃料电池是将燃料和氧化剂转化成电、反 应产物和热的装置。例如，燃料电池可以将氢和氧转化成水和电。在这样 的燃料电池中，氢是燃料，氧是氧化剂，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。来自产氢组件的产 物流可以含有杂质，杂质的示例包括一氧化碳、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需要 包括用于从产物氢气流中除去杂质的合适结构。

变压吸附(PSA)法是可用于通过从不纯氢气流中除去杂质的机理的 实施例，该机理是通过选择性吸附一种或更多种存在于所述不纯氢气流中 的杂质。吸附的杂质随后可以被解吸附并从PSA组件中除去。PSA是利用 多个吸附床的压力驱动的分离过程。所述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除去杂 质并然后解吸附所述杂质。当使用PSA组件的时候，关注的是防止击穿， 所述击穿是指当床内吸附剂被所吸附的杂质充分饱和时，杂质穿过床并由 此留在氢气中，而不是被留在床内。通常来说，防止击穿需要昂贵的基于 成分的检测器，如一氧化碳检测器，以确定即使少量百万分之一(ppm) 的一氧化碳何时通过床，或者需要故意降低PSA组件的性能。这样，意味 着PSA组件低效操作，其中各床仅以其容量的一部分用作吸附杂质以提供 未使用吸附剂的可能宽的富余部分，并从而有望防止击穿。此方法的一个 优势在于所需的成本和设备减少了；然而，特别是当发现由于故障或产氢 组件内别的地方的其他原因使待净化的流的成分发生波动时，系统的实际 击穿检测的缺乏和操作的低效可能会重于成本和设备的节约。

发明内容

本发明的公开内容涉及具有基于温度的击穿检测系统的PSA组件，以 及包含其的产氢组件和/或燃料电池系统，以及操作其的方法。PSA组件包 括至少一个含有吸附区的吸附床，通常是包括多个吸附床，所述吸附区域 含有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去除 杂质的吸附剂。所述混合气体流可由燃料处理系统的产氢区产生，PSA组 件可产生由燃料电池堆所消耗的产物氢气流，以提供产生电流的燃料电池 系统。PSA组件包括基于温度的击穿检测系统，其适合于监测至少一个与 各床内的吸附剂有关的温度并至少部分地响应于所测量的温度而控制至 少PSA组件的操作，并任选地控制与其一起使用的产氢组件和/或燃料电 池系统的其他部件。所述击穿检测系统可实施来控制至少PSA组件的操 作，以防止实际击穿的发生。在一些实施方案中，至少部分地响应于测量 温度，所述系统可适合于停止PSA组件和/或产生至少一种警报或其他通 知。在一些实施方案中，检测系统适合于确定PSA组件所采用的至少吸附 步骤的时间，如果不是确定总的PSA循环时间的话。在一些实施方案中， 所述检测系统适合于至少部分地响应于测量温度和/或击穿状况的检测而 调节总的PSA循环时间和/或其部件。在一些实施方案中，将所述测量温 度与参考温度相比较。在一些实施方案中，所述参考温度是PSA组件的吸 附剂或其他部分的另一测量温度。在一些实施方案中，所述参考温度是之 前测量的温度或选择的温度，包括存储的温度或阈值。

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，所述组件包括 具有相关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是产氢组件的示意图，其形式为适合于产生重整流的蒸汽重整器， 所述重整流含有来自水和至少一种含碳原料的氢气和其他气体。