CN100571846C - 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 - Google Patents

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Abstract

具有基于温度的击穿检测(breakthrough detection)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，以及操作其的方法。检测系统(140)适合于检测与PSA组件(73)的吸附床内的吸附剂(100)相关的测量温度，并适合于控制至少PSA组件的操作以至少部分地响应其，例如响应所述测量温度与至少一个参考温度之间的关系。所述参考温度可包括存储值，先前的测量温度和/或在PSA组件内的其他地方测量的温度。在某些实施方案中，所述参考温度与从中检测所述测量温度的吸附剂的下游的吸附剂相关。在某些实施方案中，PSA循环和/或其部件至少部分地由所述测量温度和参考温度之间的关系确定。

Description

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
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。
图3是燃料电池的示意图，例如可以形成与根据本公开内容的产氢组件一起使用的燃料电池堆的部分。
图4是变压吸附组件的示意图，所述变压吸附组件包括根据本公开内容的基于温度的击穿检测系统。
图5是可以与根据本公开内容的PSA组件一起使用的吸附床的横截面示意图。
图6是可以与根据本公开内容的PSA组件一起使用的另一吸附床的横截面示意图。
图7是可以与根据本公开内容的PSA组件一起使用的另一吸附床的横截面示意图。
图8是图6的吸附床的横截面示意图，且示意性地指明了传质区(masstransfer zone)。
图9是图8的吸附床的横截面示意图，且所述传质区沿床的吸附区朝向所述吸附区的远端或产物端移动。
图10是PSA组件的一部分的横截面示意图，所述部分包括根据本公开内容的至少一个吸附床和基于温度的击穿检测系统。
图11是PSA组件的一部分的横截面示意图，所述部分包括根据本公开内容的至少一个吸附床和基于温度的击穿检测系统。
图12是PSA组件的一部分的横截面示意图，所述部分包括至少一个吸附床和根据本公开内容的基于温度的击穿检测系统。
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和至少一个适合于向能量产生系统22施加负载的能量消耗装置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具体阐述的其他部件，例如空气输送系统、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。系统22还可以被称为燃料电池系统。
如本文更详细讨论的，根据本公开内容的产氢组件和/或燃料电池系统包括分离组件，所述分离组件包括至少一个适合于提高在所述产氢组件中产生和/或在燃料电池堆中消耗的氢气的纯度的变压吸附组件(PSA)。在PSA方法中，从含有氢气的流中除去气体杂质。PSA基于下述原理：在适当温度和压力条件下，某些气体将比其他气体更牢固地吸附到吸附材料上。这些杂质可随后被解吸附和除去，例如以副产物流的形式。使用PSA净化氢的成功是由于普通杂质气体(例如但不限于：CO、CO2、包括CH4在内的碳氢化合物和N2)能相对牢固地吸附到吸附材料上。氢只是非常微弱地吸附，因此，氢可以穿过吸附床，而杂质则被保留在吸附材料上。
如本文更具体讨论的，PSA方法通常包括至少加压、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并然后解吸附杂质。因此，PSA方法可以被描述为适合于重复实现PSA循环的步骤或阶段，例如上述步骤。混合气流的压力和副产物流的压力之间的压力差异影响分离的程度。因此，解吸附步骤将通常包括降低含有吸附气体的PSA组件部分中的压力，并甚至可以任选地包括将所述组件的那一部分抽真空(即，降低压力至低于大气压或环境压力)。类似地，增加混合气流至PSA组件的吸附区的进料压力可以有利地影响吸附步骤中的分离程度。
如图1中示意性描述的，产氢组件46包括至少燃料处理系统64和原料输送系统58，以及相关的互连系统不同部件的流体管道。如本文使用的，术语“产氢组件”可用以指燃料处理系统64和能量产生系统的相关部件，例如原料输送系统58、加热组件、分离区或装置、空气输送系统、燃料输送系统、流体管道、换热器、冷却组件、传感器组件、流量调节器、控制器等。根据本公开内容，并不要求所有这些示例性部件都包括在任何产氢组件中或与任何燃料处理系统一起使用。类似地，其他部件也可以包括在产氢组件中或作为产氢组件的部分而使用。
不论其结构或组成，原料输送系统58适合于经由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64，一般可以将这些一股或更多股流称为原料供应流68。在下述讨论中，所做说明可能只针对一股原料供应流，但可以使用两股或更多股相同或不同成分的这种流，也在本公开内容的范围内。在一些实施方案中，可以通过吹风机、风扇、压缩机或其他适当的空气输送系统将空气供应至燃料处理系统64，和/或可以从分离的水源递送水流。
燃料处理系统64包括被设置成从原料供应流68产生氢气的任何适当的装置和/或结构。如图1所示意描性述的，燃料处理系统64包括产氢区70。因此，燃料处理系统64可被描述为包括从原料供应流产生富氢流(hydrogen-rich stream)74的产氢区70，所述富氢流74包括作为主要成分的氢。虽然流74含有氢作为其主要成分，但其还可以含有其他气体，并因此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性性、非排他性例子包括一种或更多种下述示例性杂质：一氧化碳、二氧化碳、水、甲烷和未反应的原料。
从原料供应流68产生氢气的适当机理的示例包括蒸汽重整和自热重整，其中使用重整催化剂以从含有水和至少一种含碳原料的原料供应流68产生氢气。用于产生氢气的适当机理的其他实例包括含碳原料的热解和催化部分氧化，在这种情况下，原料供应流68不含水。用于产生氢气的另一适当机理是电解，在这种情况下，原料是水。适当的含碳原料的示例包括至少一种碳氢化合物或醇。适当碳氢化合物的示例包括甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油等。适当醇的示例包括甲醇、乙醇和多元醇，例如乙二醇和丙二醇。
产氢组件46可在产氢区70利用超过一种的产氢机理，并且产氢组件46可包括超过一个的产氢区。这些机理的每一种都由产氢组件46中不同的热动力平衡所驱动，并导致产氢组件46中不同的热动力平衡。因此，产氢组件46可进一步包括温度调节组件71，例如加热组件和/或冷却组件。温度调节组件71可被设置成燃料处理系统64的部分，或者温度调节组件71可以是与产氢区70热连通和/或流体连通的外部部件。温度调节组件71可消耗燃料流，以例如产生热。虽然在本公开内容的所有实施方案中不是必须的，但燃料流可以由原料输送系统输送。例如，如图1中阴影线所指示的，可以从原料输送系统58经由燃料供应流69接收该燃料或原料。燃料供应流69可以包括可燃性燃料，或者可替换地，包括流体以促进冷却。温度调节组件71还可从诸如其他储存罐的其他源或供应流接收它的一些或所有原料。温度调节组件71还可以从任何适当的源接收空气流，所述源包括使用所述组件的环境。吹风机、风扇和/或压缩机可用以用于提供空气流，但这并不是对所有实施方案都是必须的。
温度调节组件71可以包括一个或更多个换热器、燃烧器、燃烧系统和其他用于为燃料处理系统的区域和/或组件56的其他部分供热的装置。根据产氢组件46的结构，温度调节组件71还可以或者可替换地包括换热器、风扇、吹风机、冷却系统和其他用于冷却燃料处理系统64的区域或组件56其他部分的装置。例如，当燃料处理系统64配备有基于蒸汽重整或另一吸热反应的产氢区70时，温度调节组件71可以包括用于供热以将产氢区70和其他部件的温度保持在适当范围内的系统。
当燃料处理系统配备有基于催化部分氧化或另一放热反应的产氢区70时，温度调节组件71可以包括用于除热，即提供冷却，以将燃料处理系统的温度保持在适当范围内的系统。如本文所使用的，术语“加热组件”一般用来指被设置成供热或以其他方式升高燃料处理系统的全部或选定区域的温度的温度调节组件。如本文所使用的，术语“冷去组件”一般用来指被设置成冷却或降低燃料处理系统的全部或选定区域的温度的温度调节组件。
在图2中，包括具有产氢区70的燃料处理系统64的产氢组件46的示例性实施例，所述产氢区70适合于通过蒸汽重整一种或更多种含有水80和至少一种含碳原料82的原料供应流68来产生混合气体流74。如所描述的，区域70包括至少一个含有一种或更多种适当的重整催化剂86的重整催化床84。在所示实施例中，产氢成区可被称为重整区，而混合气体流可被称为重整流。
还如图1和图2所显示的，混合气体流适合于被输送至包括至少一个PSA组件73的分离区或组件72。PSA组件73将混合气体(或重整)流分离为产物氢气流42和至少一股副产物流76，所述副产物流含有存在于混合气体流74中的至少相当大部分杂质或其他气体。副产物流76可以不含氢气，但其通常会含有一些氢气。虽然不是必须的，但在本公开内容范围内的是：燃料处理系统64可适合于产生含有足量氢(和/或其他)气体的适合用作燃料处理系统的加热组件的燃料流或原料流的一股或更多股副产物流。在一些实施方案中，副产物流可以具有足够的燃料值(即，氢和或其他可燃性气体含量)以使加热组件(当存在时)能够将产氢区维持在希望的工作温度或维持在选定的温度范围内。
如图2中描述的，产氢组件包括形式为加热组件71的温度调节组件，所述加热组件71适合于产生适合于加热产氢组件的至少重整区的加热的排气流(heated exhaust stream)88。在本公开内容的范围内：流88可用于加热产氢组件和/或能量产生系统22的其他部分。
如图1和图2中阴影线所指示的，在本公开内容范围内的是：来自PSA组件的副产物流可以形成至少一部分用于加热组件的燃料流。还如图2所示，空气流90可以从任何适当的空气源输送，燃料流92含有适合于与加热组件中的空气一起燃烧的任何适当的可燃性燃料。燃料流92可作为用于加热组件的唯一的燃料流，但是如讨论的，本公开内容的范围还包括：可以使用其他可燃性燃料流，例如来自PSA组件的副产物流、来自燃料电池堆的阳极排气流等。当来自系统22的其他部件的副产物流或排气流具有足够的燃料值时，可以不使用燃料流92。当他们不具有足够的燃料值、用于其他目的或不被产生时，可以使用燃料流92替代或结合燃料流92使用。
适当的燃料示例包括一种或更多种上述含碳原料，但还可以使用其他原料。作为可以通过使用加热组件71在产氢区70获得和/或维持的温度的示例，蒸汽重整器通常在200℃和900℃范围内的温度下工作。该范围外的温度也在本公开内容的范围内。当含碳原料是甲醇时，蒸汽重整反应将通常在约200-500℃的温度范围内工作。该范围的示例性亚组包括350-450℃、375-425℃和375-400℃。当含碳原料是碳氢化合物、乙醇或类似醇时，蒸汽重整反应通常使用约400-900℃的温度范围。该范围的示例性亚组包括750-850℃、650-750℃、700-800℃、700-900℃、500-800℃、400-600℃和600-800℃。
在本公开内容范围内的是：可以在系统22中产氢区下游和燃料电池堆上游的任何地方应用分离区。在图1示意性显示的示例中，分离区被描绘为产氢组件的部分，但该结构不是必须的。本公开内容的范围还包括：产氢组件可利用除了PSA组件73外的化学或物理分离过程从混合气体流中除去或降低一种或更多种选定杂质的浓度。当分离组件72利用除了PSA外的分离过程时，可在系统22中任何适当位置施行一种或更多种附加过程，并且不必与PSA组件一起实施。示例性的化学分离过程是使用甲烷化催化剂以选择性地降低存在于流74中的一氧化碳浓度。其他示例性的化学分离过程包括部分氧化一氧化碳以产生二氧化碳和水-气转换反应，以从水和一氧化碳产生氢气和二氧化碳。示例性的物理分离过程包括使用适合于允许氢气从其通过且适合于防止至少选定杂质从其通过的物理薄膜或其他屏障物。这些薄膜可以被称为是氢选择性薄膜(hydrogen-selectivemembrane)。适当薄膜的示例是由钯或钯合金制备的，并在结合入本文的参考文献中公开。
产氢组件46优选地适合于产生至少基本上纯的氢气，并甚至更优选地，产氢组件适合于产生纯氢气。根据本公开内容的目的，基本上纯的氢气大于90％的纯度，优选大于95％的纯度，更优选大于99％的纯度，甚至更优选大于99.5％或甚至99.9％的纯度。美国专利第6,221,117、5,997,594、5,861,137号和待决的美国专利申请公布第2001/0045061、2003/0192251和2003/0223926号中公开了适当燃料处理系统的示性例、非排他性例子。上述专利和专利申请的全部公开内容通过引用结合入本文，用于所有目的。
来自燃料处理系统64的氢可以经由产物氢气流42输送至一个或更多个储存装置62和燃料电池堆24。氢气流42的一些或全部可以附加地或者可替换地经由适当管道输送，用于在另一氢气消耗过程使用，为燃料或热量而被燃烧，或者储存待以后使用。参考图1，作为质子源或反应物用于燃料电池堆24的氢气可从一个或更多个燃料处理系统64和储存装置62输送至所述堆。燃料电池堆24包括至少一个燃料电池20，并通常包括多个流体互连或电互连的燃料电池。当这些电池串连在一起时，燃料电池堆的功率输出是单个电池功率输出的总和。堆24中的电池可以串连、并联或是串连与并联结构的组合。
图3示意描述了燃料电池20，其中的一个或更多个可被设置成形成燃料电池堆24。本公开内容的燃料电池堆可利用任何类型的燃料电池，并优地利用选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(molten carbonate)燃料电池、磷酸燃料电池等。为示例目的，图3示意性描述了PEM燃料电池形式的示例性燃料电池20。
质子交换膜燃料电池通常利用由位于阳极区30和阴极区32之间的离子交换膜或电解膜29
Figure C20058004809300171
组成的膜电极组件26。区30和区32各自包括电极34，即分别为阳极36和阴极38。区30和区32各自还包括支持物39，例如支持板40。支持物39可以形成本文更详细讨论的两极板组件的一部分。燃料电池20的支持板40载有由燃料电池产生的相对电压电势。
在工作中，来自产物流42的氢气被输送至阳极区，且氧化剂44被输送至阴极区。通常但非排他的氧化剂是氧。如本文所使用的，氢指氢气，且氧指氧气。下述讨论将氢称为用于燃料电池(堆)的质子源或燃料，氧称为氧化剂，但在本公开内容的范围内还可以使用其他燃料和/或氧化剂。氢和氧44可以通过任何适当机理从各自的源46
Figure C20058004809300181
和48输送至各自的燃料电池区。氧44的适当源48的示例包括：增压的氧或空气罐，或风扇、压缩机、吹风机或其他用于将空气导入阳极区的装置。
氢和氧通常经由氧化-还原反应相互结合。尽管膜29 限制氢分子通过，但主要由于膜的离子传导性，膜将允许氢离子(质子)通过其。氧化-还原反应的自由能驱使来自氢气的质子穿过离子交换膜。由于膜29
Figure C20058004809300183
还不易于电传导，外部回路50是残余电子的最低能量路径，并在图3中示意性描述。在阴极区32，来自外部回路的电子和来自膜的质子与氧结合，以产生水和热。
图3中还显示了阳极净化流或排出流54和阴极空气排出流55，所述阳极净化流或排出流54可以含有氢气，所述阴极空气排出流55通常至少部分地(如果非完全地)耗尽了氧。燃料电池堆24可以包括普通的氢(或其他反应物)进料、空气进口阀和堆净化以及排出流，并因此将包括适当的流体管道以将相关流输送至单个燃料电池，或从单个燃料电池收集所述流。同样地，可以使用任何适当机理来选择性地净化所述区。
在实践中，燃料电池堆24通常含有多个具有两极板组件的燃料电池，所述两极板组件分开相邻的膜-电极组件。两极板组件基本允许自由电子从第一电池的阳极区经由两极板组件穿至相邻电池的阴极区，从而建立通过可用于满足施加负载的堆的电势。这种电子的净流动产生电流，所述电流可用于满足例如来自能量消耗装置52和能量产生系统22中的至少一个的施加负载。
对于例如12伏特或24伏特的恒定输出电压，可以通过测量输出电流来确定输出电压。电输出可用于满足例如来自能量消耗装置52的施加负载。图1示意性地描述能量产生系统22可以包括至少一个能量储存装置78。当被包括时，装置78可适合于储存至少一部分来自燃料电池堆24的电输出或功率79。适当的能量储存装置78的示例为电池(battery)，但还可以使用其他的能量储存装置。能量储存装置78可以附加地或可替换地被用于在系统启动过程中为能量产生系统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，例如电连接至燃料电池堆24和/或与所述堆相关的一个或更多个能量储存装置78。装置52向能量产生系统22施加负载，并从所述系统引出电流以满足所述负载。该负载可以被称为施加负载，并可以包括热负载和/或电负载。在本公开内容范围内的是：施加负载可以由燃料电池堆、能量储存装置满足或由燃料电池堆和能量储存装置二者满足。装置52的示例包括机动车辆、休闲车、船和其他航海器以及一个或更多个下述装置的任意组合：住宅、商业办公室或建筑、小区、工具、灯和照明组件、器械、计算机、工业设备、信号和通信设备、无线设备、船上的电动部件、休闲车或其他车辆、电池充电器以及甚至对燃料电池堆24构成其一部分的能量产生系统22有电需求的辅机(balance-of-plant)。如图1中77处阴影线所指示的，能量产生系统可以但不必须包括至少一个电源管理模块77。电源管理模块77包括任何适当的结构，用于调节或以其他方式调整由能量产生系统产生的电，例如用于输送至能量消耗装置52。模块77可以包括这样的示例性结构，如降压或升压变换器(buck or boost converter)、逆变器、电源滤波器等。
图4中显示了PSA组件73的示例性实施例。如所示的，组件73包括多个吸附床100，所述吸附床100经由分配组件102和104流体连接。床100可以附加地或可替换地称为吸附室或吸附区。已在图4中示意性描述了分配组件，并且分配组件可包括用于选择性地在所述床和/或组件73的输入流和输出流之间建立和限制流体流动的任何适当结构。如所示的，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。适当结构的示例包括一个或更多个岐管，例如分配岐管和收集岐管，其分别适合于将流体分配至所述床和阀，并从所述床和阀收集流体，所述阀例如止回阀、电磁阀、净化阀等。在所示实施例中显示了三个床100，但在本公开内容范围内：床的数目可以改变，例如包括比图4显示的更多或更少的床。通常，组件73将包括至少两个床，并经常将包括3、4或更多个床。虽然不是必须的，但组件73优选地适合于提供产物氢气流的连续流，且所述多个床中的至少一个在所述组件在使用中时排出所述流并接收混合气体流74的连续流。
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输送至所述多个床，并适合于收集和排出副产物流76，而分配组件104适合于收集通过所述床并形成产物氢气流42的净化氢气，并在某些实施方案中适合于将净化氢气的一部分输送至所述床以用作净化流。分配组件可设置成相对于所述床固定定位或旋转定位。而且，分配组件可以包括任何适当类型和数目的结构和装置，以选择性地分配、调节、计量、防止和/或收集相应气体流的流量。作为示例性、非排他性的实施例，分配组件102可以包括混合气体岐管和排气岐管或岐管组件，且分配组件104可以包括产物岐管和净化岐管或岐管组件。在实践中，利用了相对床旋转的分配组件的PSA组件可以被被称为旋转变压吸附组件，而其中岐管和床不适合于相对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。这两种结构都在本公开内容的范围内。
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。在净化基本由氢气组成的混合气体流的方面，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易于吸附在PSA组件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所述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。其他气体也可用于净化气体流，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，可以在所述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第3,564,816、3,986,849、5,441,559、6,692,545和6,497,856中公开，其全部公开内容通过引用结合入本文，用于所有目的。
图5中示意描述了吸附床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、混合气体流的成分和/或性质、PSA组件产生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，由蒸汽重整器产生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甲醇或类似的含碳原料产生的情况下)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产生的情况下)。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被水饱和，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中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，被吸附的气体所饱和。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)被停止。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产生加热的排出流。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适合于产生加热的排出流，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组件之前产生的净化的氢气。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循环的示例，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，并适合于产生净化的氢气(即，连续流动的产物氢气流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，因为吸附剂被所吸附的气体所饱和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。
至少在通过变压吸附净化氢的情况下，吸附剂倾向于在传质区比在吸附区的其他部分更热，所述其他部分例如传质区的上游和特别是下游区域。这是由于被吸附气体的吸附热的原因。该温度差异可以根据例如混合气体流的流速、吸附剂类型、被吸附的气体、吸附剂的包装或其他形式等因素而改变，但所述差异应该至少为少数摄氏度。例如，所述温度差异可以是至少1℃、至少2℃、至少3℃、至少5℃或更多。如本文更详细讨论的，系统140还可以被称为温度组件，该温度组件适合于在吸附区内的或与吸附区相关的至少一个位置并优选地两个或更多个位置处测量吸附剂的温度，并至少部分响应所述温度以控制PSA组件的操作。
回到图4，示意描述的是：根据本公开内容的PSA组件包括与各个将用以净化混合气体流74的床相关的基于温度的击穿检测系统140。系统140适合于检测各个床100的吸附区的至少一个部分中的吸附剂的温度(直接或间接地)。因此，系统140包括至少一个温度传感器或检测器142和至少一个控制器144，所述温度传感器或检测器142适合于检测各床的吸附区部分之中或与其相关联的温度，所述控制器144适合于至少部分响应所述温度以控制PSA组件和任选地产氢组件和/或燃料电池系统的其他部分的操作。系统140还可以被称为基于温度的击穿预防系统和/或基于温度的控制系统，因为其适合于检测吸附床何时接近和/或处于击穿状况，并适合于响应所述温度以控制至少PSA组件的操作，以防止击穿的发生。如本文使用的，术语“击穿状况”指当吸附区的传质区位于吸附区的远端部分或产物端部分、或子区的时候。该端部分可以包括选定百分比的吸附区，例如吸附区的最终三分之一或子区，例如吸附区的30％、25％、20％、15％、10％、5％或更少(即，吸附区最接近产物孔的部分)。换句话说，当其他气体中的至少一种的相当大部分吸附发生在吸附区的远(即远离进料孔)端部分时，发生击穿状况。如本文所讨论的，系统140适合于通过检测吸附区的至少一部分吸附剂的温度并将该温度与参考温度比较来检测击穿状况。
温度传感器142可包括适合于检测(直接或间接)吸附区选定部分内的吸附剂的温度的任何适当装置或机理。热电偶是适当装置的示例性、非排他例子。在图10中，只显示了单个温度传感器142。在本公开内容范围内，可以使用超过一个的传感器。例如，图11中显示了带有沿吸附区长度隔开的多个温度传感器142的示例性床100。如所描述的，一系列的八个温度传感器被显示并沿吸附区的长度隔开。在本公开内容范围内，可以使用更多或更少的传感器，包括使用超过一个的传感器以检测沿吸附区长度的给定位置的温度。虽然对于击穿状况或其他即将发生的杂质穿过吸附区的检测不是必须的，但在一些实施方案中希望具有一个或更多个沿所述床的中间区域和/或所述床的进料端区域设置的温度传感器，以使系统140能够确定传质区在所述床内的相对位置，而非简单地确定传质区是否位于吸附区的远端部分内。
如图12中阴影线所描述的，还在本公开内容范围内的是：包括至少一个与吸附区外的床的部分相关联和/或与一个或更多个孔118相关联的温度传感器，例如以检测流入和/或流出吸附床的气体的温度。“相关联”意思是温度传感器可以检测吸附剂或其温度希望被测量的其他结构的实际温度，但该温度也可以被间接测量。间接测量的实例是测量相邻结构的温度。在这样的结构中，可能不知道吸附剂或其他结构的实际温度，但所测量的温度将通常相应于实际温度，并从而可以用作希望温度的间接或相对测量。另一实例是测量或以其他方式检测与待测温度成比例的值。例如，当热电偶用作温度传感器时，从热电偶输出的是电压，因此可以利用所检测的电压，包括相对其的差异和/或变化。作为进一步的实例，当使用电阻器来检测温度时，所测量的电阻器电阻与温度成比例。
图10-12中示意描述了床100，且在本公开内容范围内，可以使用任何适当的结构，包括本文讨论的、结合的和/或描述的那些结构。同样地，图10-12已图解描述了部分延伸至床100内和部分延伸至床100外的传感器142，以示意表示该传感器可位于相对于待测吸附剂或其他待测结构的任何适当位置。例如，其可以包括其中传感器的一部分延伸至与所述床内的吸附剂或其他结构直接接触的位置，和/或其中传感器位于吸附区外部或甚至所述床外部的位置。外部放置的传感器可以例如通过从吸附剂传导的热量来间接检测吸附剂的温度。
控制器144包括任何适当类型和数目的装置或机理，用于将来自至少一个传感器142的测量温度与至少一个参考温度进行比较，并且如果所测量温度与参考温度的差别超过预选阈值，则产生至少一个响应其的输出信号。作为示例性、非排他性的例子，控制器144可以包括一个或更多个模拟电路或数字电路、用于操作作为软件存储于内存中的程序的逻辑单元或处理器、一个或更多个彼此通信的独立单元等。控制器144还可以调节或控制产氢组件或燃料电池系统的其他部分，和/或可以与适合于控制产氢组件和/或燃料电池系统的其他控制器通信。图4中描述了作为独立单元实施的控制器144。其也可以实施为分离的部件或控制器，例如各床的控制器。那么，这种分离的控制器可以通过任何适当的通信链路彼此通信和/或与系统22和/或组件46中存在的其他控制器通信。进一步的示例包括这样的控制器，该控制器接收由一个或更多个传感器142检测的温度，将一个或更多个所测量的温度与一个或更多个参考温度相比较，并产生或选择性地产生响应其的输出信号。输出信号可以是命令信号，例如以改变PSA组件、产氢组件和/或燃料电池系统的操作状态，和/或其可以包括由另一控制器接收和处理的值或输入以产生希望的操作状态变化。在图10-12中，标记146示意描述：控制器适合于产生一个或更多个输出信号，该输出信号至少部分响应一个或更多个所测量的温度和/或响应该温度与一个或更多个参考温度或阈值之间的关系。如讨论的，该关系可包括比较所述温度和/或值以确定：是否其偏离超过预定量，是否所测量的温度在参考温度或值的预定范围内，是否所测量的温度与参考温度相等或至少同样大、和/或大于参考温度等。
适当参考温度的示例包括存储的或之前测量的温度或值。其他实例包括由系统140测量的另一温度，例如在与参考温度相比较的所测量的温度的上游(即，以燃料处理系统或混合气体流74的其他来源相对于PSA组件的方向)或下游(即，以燃料电池堆24或产物氢气流42的其他目的地相对于PSA组件的方向)测量的温度。例如，系统140可适合于将所测量的温度与之前从传感器42测量的温度、存储的阈值和/或一个或更多个由其他传感器142测量的温度相比较。所述之前测量的和/或其他阈值可以存储在控制器的内存中。内存部分可以包括挥发性和/或非挥发性部分。
沿吸附区长度隔开的多个传感器的益处在于可以测定特定区域内的相对温度。例如，因为区域114中的吸附剂的温度倾向于在传质区中增加，所以希望将处于或接近吸附区远(相对于混合气体流输入孔)端部分的吸附剂温度与该参考温度上游(即，更接近通过其混合气体流被导入吸附区的吸附区的进料端)的吸附剂温度相比较。当传质区移过吸附区时，沿吸附区的吸附剂的温度的相对增加和随后的减少可以提供传质区在吸附区内的位置的指示。这反过来提供了所述床有多接近吸附剂饱和的指示，即，何时所述床接近或处于击穿状况。系统140可适合于控制至少PSA组件的操作以至少部分响应是否检测到击穿状况。
使用所测量的温度作为参考温度的另一潜在益处是：吸附床，包括其吸附区114的温度在PSA组件使用过程中倾向于增加或降低，例如以响应如下因素：正被输送至所述床的混合气体流的流速和/或温度、其中有床当前正在被配置的PSA过程的阶段、所述床内的操作条件、正被输送至所述床的任何净化气体流的流速和/或温度等。虽然在一些实施方案中可以使用与任何这些因素不相关联的绝对温度读数，但希望将所检测的温度与下述至少一个进行比较或以其他方式相关联：之前检测的阈值温度或温度范围、存储的或预选的阈温度或温度范围、和/或一个或更多个在PSA组件或与其相关联的流体流的其他地方测量的温度，所述其他地方例如(但不限于)同一吸附区的上游或下游、吸附床的其他地方、被输送至所述床或从所述床移出的流体流等。因此，通过测量吸附区内吸附剂的温度，系统140可适合于确定：吸附区内吸附剂的饱和程度、传质区在吸附区内的相对位置、传质区何时接近或到达吸附区的远端或末端部分等。
一经检测到击穿状况和/或检测到超过参考温度或阈值的所测量的温度，控制器144就可适合于直接或间接改变PSA组件的操作以至少部分响应其，防止发生实际的击穿。示例性阈值包括相应于目前或之前所检测的温度或阈值温度的预定阈值温度和温度范围，例如+/-1℃、+/-2℃、+/-3℃、+/-5℃等。这些响应的示例包括下述一种或更多种：缩短或以其他方式改变PSA组件的循环时间、缩短循环中的吸附时间、停止混合气体流向所述床的流动并开始减压(以及任选地，均衡步骤和净化步骤的至少一个)、增加循环中的净化时间、增加净化步骤中净化气体的流速、中断或停止混合气体经吸附床和/或PSA组件的流动、停止PSA组件(和/或产氢组件和/或燃料电池系统)、向操作员发出警报、停止净化步骤等。
虽然处于本公开内容的范围内，但对所有实施方案不要求：在检测到击穿状况时立即停止系统140或以其他方式改变PSA组件(或产氢组件46或燃料电池系统22)的操作状态。例如，在PSA组件使用过程中，通过吸附区，包括吸附区的接近特定温度传感器的部分的混合气体流的成分和/或流速可能会波动。虽然这些流和成分优选是相对稳定或恒定的，但应该理解，还是会倾向于发生改变或波动的。因此，在开始检测后不久，被检测到的击穿状况可能会停止被检测。因此，在一些实施方案中，希望直到击穿状况被检测到并保持被检测到超过选定的时间段(例如至少1秒、5秒、10秒、30秒等)和/或在两个或更多个连续的PSA循环中被检测到，才停止系统140或以其他方式改变PSA组件(和/或组件46和/或系统22)的操作。相关地，在一些实施方案中，希望在吸附区的远端的上游测量所测量的温度，以提供其温度被检测的吸收剂和吸附区的远端之间的吸附剂区域。例如，检测与吸附区远端三分之一(或更少的吸附区)内但非最终20％、10％、5％或3％内的吸附剂相关联的测量温度，可以提供一段时间以确认击穿状况的存在并实施希望的PSA组件(和/或组件46和/或系统22)操作状态的改变。
一经检测到击穿状况，系统140可适合于停止PSA组件(和/或相关的产氢组件46和/或燃料电池系统22)。这一停止可以经由步骤的任何适当顺序实施，例如从立即停止所述组件和所有相关设备到控制的停止，在所述控制的停止中，所述组件(和相关装置)遵循规定的停止步骤顺序。例如，停止步骤可以包括均衡所述床以收集其中含有的氢气并利用所述床内的至少一定的压力。作为另一实施例，停止步骤可以包括循环PSA组件经过一个或更多个例如2-20、3-10、4-8、6个等较短的PSA循环。使用一系列较短的PSA循环停止PSA组件的益处是：吸附床可以被再生并从而准备在系统再次启动时使用。较短的总PSA循环的变形是相对于开始停止程序之前PSA循环中使用的净化和吸附步骤而言较长的净化步骤和/或较大的气体净化体积。
系统140对检测到击穿状况的另一适当响应是将例如通过适当的输入或命令信号使PSA组件停止其中检测到击穿状况的床的吸附步骤，并使PSA组件转换至另一床用于净化混合气体流。如所讨论的，这可以包括停止混合气体流向其中检测到击穿状况的床的流动和/或停止来自所述床的产物氢气流的流动、均衡所述床、减压和净化所述床等。
系统140对检测到击穿状况的适当响应的进一步实例是将继续操作PSA组件，但与检测到击穿状况之前的PSA循环中使用的相对值相比较，具有更短的循环时间和/或更长的净化时间和/或更大的净化气体流速。例如，一经检测到击穿状况，系统140就可适合于将至少一个总循环时间或吸附时间缩短预定增量，例如5％、10％、15％或更多。然后，可使用这一新循环时间继续操作PSA组件。如果持续检测到击穿状况，可以再次减少相同或不同预定增量的循环时间。如果循环时间或吸附时间达到或超过预定的最小循环时间或吸附时间，那么系统140就可以(但非必须)停止PSA组件。
类似于上述示例性停止程序的变形，上述响应的一个变形(即，缩短循环时间和/或吸附时间)是延长净化时间和/或提高净化气体的流速。优选地，吸附或循环时间的减少和/或净化时间和/或净化流的增加应驱使传质区移向吸附区的进料端。作为进一步的变形，系统140可适合于随该时间的增加而以第二预定增量减少循环时间或吸附时间(和/或减少净化时间/净化流)。该第二增量可以等于、短于或长于之前时间减少的增量。如讨论的，更短的循环时间或其他矫正步骤可足以部分再生吸附剂，并从而将传质区移离吸附区的远端。因此，循环时间可返回至其初始状态或向其初始状态回复。如果随后再次检测到击穿状况，那么可再次以预定增量减少所述时间等。在增加循环时间或以其他方式将操作条件返回至初始状态或朝向初始状态回复之前，系统140可适合于等待，直至未在任意床检测到击穿状况和/或未在选定数目的循环，例如2个循环、3个循环、5-10个循环等检测到击穿状况。
系统140对检测到击穿状况的另一示例性响应是：向例如操作员或其他使用者报警。可通过任何适当机理提供警报且产生在PSA组件的附近和/或远离所述组件。例如，可以使用听得到的和/或视觉信号、电子信号、电子通告等实现警报。当系统140适合于响应击穿状况的检测以产生警报时，其可进一步适合于产生一种或更多种多个警报，例如基于这样的因素：自检测到击穿状况后所经过的时间、自检测到击穿状况后所经过的PSA循环数目、其中检测到击穿状况的吸附区的部分、其中检测到击穿状况的吸附剂与吸附区远端的靠近程度等。例如，第一警报可以在初次检测到击穿状况后产生，且在持续检测到击穿状况和/或在所述状况的位置移向吸附区的远端时产生进一步的警报(任选地可区别的)。
在本公开内容范围内：根据本公开内容的具有基于温度的击穿检测系统140的PSA组件73可以实施超过一种本文所描述的对击穿状况检测的示例性响应，和/或可适合于检测本文描述的任何示例性击穿状况或触发事件。
还在本公开内容范围内的是：PSA组件的循环时间是通过基于温度的击穿检测系统来确定的。在这样的实施方案中，吸附步骤持续进行直至系统140检测到击穿状况为止。可以使用本文描述的任何检测机理和参考温度。当检测到击穿状况时，控制器可指引，例如通过一种或更多种输出或命令信号，混合气体流停止流向其中检测到击穿状况的床，而将混合气体流引向PSA组件的另一床。如讨论的，其中检测到击穿状况的床可继续进行其均衡、减压和/或净化步骤。这些步骤可具有任何适当的时长，即可代表PSA组件总循环时间的任何适当部分。这些步骤中的一个或更多个可包括之前选定的时间，例如固定的均衡时间。类似地，这些时间中的一个或更多个可以是吸附时间的百分比。通常，这些步骤的时间将是用于分离系统时间的50-150％之内。作为示例性实施例，可以使用相等的时间，但在本公开内容范围内可使用该范围外的时间。这一实施方式在一些方面不同于之前实施例的不同之处在于吸附步骤可继续进行直至检测到击穿状况而非预定的循环时间，除非过早地被击穿状况的检测所打断或停止。
基于温度的击穿检测系统140的示例性、非排他性例子包括但不限于可在一个或更多个PSA组件中实施以下实施方式中的一个或更多个：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的燃料处理器和适合于从混合气体流产生产物氢气流的PSA组件的产氢组件、适合于从用于燃料电池堆的富氢流中去除杂质的PSA组件、含有燃料电池堆的燃料电池系统、净化氢气的PSA组件和将由该PSA组件净化的氢气源(且所述源任选地包括：燃料处理器，以及在一些实施方案中的蒸汽重整器)、和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组件的燃料处理器；适合于从混合气体流中除去杂质(包括一氧化碳)的PSA组件(和任选地，适合于接收净化混合气体流的至少一部分的燃料电池堆)：
基于温度的检测系统，其适适于至少部分响应PSA组件的吸附区内所测量的温度，以确定PSA组件的循环时间。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应PSA组件的吸附区内所测量的温度和参考温度之间的关系，以确定PSA组件的循环时间。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应吸附区内所测量的温度和参考温度之间的关系，以确定PSA组件的循环时间，所述参考温度还与下述的一个或更多个有关：吸附区的另一部分，流入、流经或流出吸附床的气体以及吸附床的部件。
基于温度的检测系统，其适合于检测在PSA组件的吸附区内即将发生的一氧化碳击穿，且不需要测量吸附区中或相关的一氧化碳浓度，并任选地不需要测量吸附区中或相关的任何气体的浓度。
基于温度的检测系统，其适合于基于以下条件确定PSA循环的吸附时间，基于在PSA组件的吸附床内测量的一个或更多个温度，和任选地基于在其吸附区中测量的一个或更多个温度。
基于温度的检测系统，其适合于通过以下方式防止PSA组件的吸附床中的击穿，通过监测至少一个与吸附床有关的测量温度，和任选地与吸附床中的吸附剂有关的测量温度，并将至少一个所测量的温度与至少一个参考温度相比较。
基于温度的检测系统，其适合于确定传质区，或主要传质区在PSA组件的吸附床的吸附区内的位置。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应与PSA组件的吸附区中的吸附剂相关的一个或更多个所测量的温度，以减少PSA组件的循环时间。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应与PSA组件的吸附区中的吸附剂相关的一个或更多个所测量的温度，以停止PSA组件、适合于产生将被PSA组件净化为产物氢气流的含氢混合气体流的产氢组件和/或适合于接收产物氢气流的一部分的燃料电池堆。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应与PSA组件的吸附区中的吸附剂相关的一个或更多个所测量的温度，以停止PSA组件的吸附步骤。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应与PSA组件的吸附区中的吸附剂相关的一个或更多个所测量的温度，以产生至少一个警报或其他通知。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应与PSA组件的吸附区中的吸附剂相关的一个更或多个所测量的温度，以控制适合于产生将被PSA组件净化的混合气体流的燃料处理系统的操作和/或改变其操作状态。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应与PSA组件的吸附区中的吸附剂相关的一个或更多个所测量的温度，以控制含有PSA组件的燃料电池系统的操作和/或改变其操作状态。
基于温度的检测系统，其适合于检测PSA组件中，包括在其吸附床中和/或其吸附床的吸附区中的击穿状况。
基于温度的检测系统，其适合于检测PSA组件中，包括在其吸附床中和/或其吸附床的吸附区中的击穿状况，并至少部分响应其，以调节或以其他方式控制至少PSA组件和任选地相关的燃料处理系统、燃料电池堆、产氢组件和/或燃料电池系统的操作。
基于温度的检测系统，其适合于至少部分响应与PSA组件的吸附区中的吸附剂相关的一个或更多个所测量的温度，以选择性地增加和/或减少吸附时间、总PSA循环时间、净化时间和/或燃料气体流速中的一个或更多个。
任何上述检测系统，其中所述系统适合于将一个或更多个所测量的温度与一个或更多个参考温度进行比较，且参考温度选择性地包括一个或更多个所测量的温度、一个或更多个所存储的值、一个或更多个之前测量的温度和/或一个或更多个阈值。
任何上述检测系统，其中所述系统适合于确定所测量的温度是否在一个或更多个参考温度的预定范围之内(高于和/或低于)，是否等于一个或更多个参考温度，和/或是否超过一个或更多个参考温度。
任何上述检测系统，其中所述系统适合于将一个或更多个所测量的温度与一个或更多个参考温度相比较，且参考温度选择性地包括一个或更多个所测量的温度、一个或更多个所存储的值、一个或更多个之前测量的温度和/或一个或更多个阈值。
任何上述检测系统及其实施方案都被表达为基于温度的击穿防止系统。
任何上述检测系统，其通过PSA组件实施，所述PSA组件具有多个适合于接收混合气体流的吸附床，所述混合气体流包括作为其主要成分的氢气并由燃料处理系统产生，所述燃料处理系统包括至少一个重整区，所述重整区适合于通过蒸汽重整水和含碳原料来产生所述混合气体流，且至少所述燃料处理系统的重整区适合于通过加热组件加热，且任选地所述PSA组件适合于提供至少一种燃料流至所述加热组件，和任选地进一步结合适合于接收由所述PSA组件产生的至少一部分净化氢气的燃料电池堆。
用于实施任何上述系统的过程的方法和/或任何上述系统的用途。
尽管本文是以用于净化氢气来讨论PSA组件的，但在本公开内容范围内：本文公开的PSA组件和/或基于温度的击穿检测系统还可以用于其他应用，例如净化燃料电池或其他系统中的其他混合气体流。
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气体产生和燃料电池领域，包括在其中产生、净化和/或消耗氢气以产生电流的领域。
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亚组合，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 (48)

1.一种产氢组件，其包括：
产氢燃料处理系统，其适合于从至少一种原料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的至少一部分并从其除去杂质以产生氢纯度比所述混合气体流更高的产物氢气流，所述变压吸附组件包括：
多个吸附床，每个床包括含有吸附剂的吸附区，所述吸附剂适合于吸附所述其他气体中的至少一种；和
基于温度的检测系统，其包括：
至少一个温度传感器，其适合于测量与所述吸附区的一部分相关的温度；和
控制器，其适合于将所述与所述吸附区的一部分相关的温度与至少一个参考温度相比较，并适合于至少部分地响应于其而选择性地控制至少所述变压吸附组件的操作。
2.如权利要求1所述的组件，其中所述至少一个参考温度包括与所述吸附区的另一部分相关的温度。
3.如权利要求2所述的组件，其中按照混合气体在吸附过程中流经所述吸附区的方向来判断，所述吸附区的所述第二部分位于所述吸附区的所述部分的下游。
4.如权利要求1所述的组件，其中所述至少一个参考温度包括之前测量的温度、存储值和预定阈值中的至少一个。
5.如权利要求1所述的组件，其中所述控制器适合于至少部分响应于所述测量温度而检测所述吸附区中是否存在击穿状况。
6.如权利要求1所述的组件，其中所述至少一个温度传感器包括至少第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器适合于测量与所述吸附区的一部分相关的温度，所述第二温度传感器适合于测量与所述吸附床相关的温度。
7.如权利要求1所述的组件，其中所述产氢燃料处理系统包括至少一个产氢区，所述产氢区适合于从包括水和含碳原料中的至少之一的进料流产生所述混合气体流。
8.如权利要求7所述的组件，其中所述产氢燃料处理系统包括至少一个产氢区，所述产氢区适合于经水和含碳原料的蒸汽重整反应而产生所述混合气体流。
9.如权利要求1-8中任一项所述的组件，其中所述基于温度的检测系统进一步适合于至少部分地响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而控制所述变压吸附组件的操作。
10.如权利要求9所述的组件，其中对所述变压吸附组件操作的控制进一步包括引导所述混合气体流向所述变压吸附组件的吸附床的流动，并且其中所述基于温度的检测系统适合于至少部分地响应于所述测量温度和参考温度的关系而停止所述混合气体流向所述吸附床的流动。
11.如权利要求10所述的组件，其中对所述变压吸附组件操作的控制进一步包括引导所述混合气体流向所述变压吸附组件的吸附床的流动，并且其中所述基于温度的检测系统适合于至少部分地响应于所述测量温度和参考温度的关系而停止所述混合气体流向所述吸附床的流动。
12.如权利要求11所述的组件，其中所述基于温度的检测系统进一步适合于在至少部分地响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而停止所述混合气体流向所述吸附床的流动之后，开始所述吸附床的PSA循环的减压步骤。
13.如权利要求1-8中任一项所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于至少部分地响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而停止至少所述变压吸附组件。
14.如权利要求1-8所述的组件，其与燃料电池堆组合，所述燃料电池堆适合于从氧化剂和所述产物氢气流的至少一部分产生电流，并且进一步地，其中所述基于温度的检测系统进一步适合于至少部分地响应于所述测量温度与参考温度的关系而控制所述产氢组件的操作。
15.如权利要求1-8中任一项所述的组件，其中所述变压吸附组件适合于通过PSA循环降低所述混合气体流中所述其他气体的浓度，所述PSA循环包括至少增压步骤、吸附步骤、减压步骤和净化步骤，并且具有循环时间，并且进一步地，其中所述基于温度的检测系统适合于响应所述测量温度与参考温度之间的关系而改变所述PSA循环的所述循环时间。
16.如权利要求15所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度与参考温度之间的关系而减少所述PSA循环的所述循环时间。
17.如权利要求16所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而以预定增量减少所述PSA循环的所述循环时间。
18.如权利要求15所述的组件，其中所述循环时间包括与所述PSA循环中各所述步骤相关的时间段，并且进一步地，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而改变与所述PSA循环的所述步骤中的至少之一相关的所述时间段。
19.如权利要求18所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而减少与所述PSA循环的所述吸附步骤相关的所述时间段。
20.如权利要求19所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而以预定增量来减少与所述PSA循环的所述吸附步骤相关的所述时间段。
21.如权利要求18所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而增加与所述PSA循环的所述净化步骤相关的所述时间段。
22.如权利要求18所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而以预定增量来增加与所述PSA循环的所述净化步骤相关的所述时间段。
23.如权利要求15所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而停止所述PSA循环中的所述吸附步骤。
24.如权利要求15所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而停止所述PSA循环中的所述净化步骤。
25.如权利要求15所述的组件，其中所述基于温度的检测系统适合于响应于所述测量温度和参考温度之间的关系而转换至所述PSA循环中的所述减压步骤和所述净化步骤中的至少一个。
26.一种用于防止变压吸附组件中的击穿的方法，所述变压吸附组件包含至少一个具有吸附区的吸附床，所述吸附区含有至少一种吸附剂，所述吸附剂适合于吸附不纯氢气流中的杂质以从其产生净化的氢气流，所述方法包括：
检测与所述吸附区的一部分相关的测量温度；
检测在从其中检测所述测量温度的所述吸附区的所述部分的下游的与所述变压吸附组件相关的参考温度；
比较所述测量温度和所述参考温度；和
响应于超过所述参考温度大于一阈值的所述测量温度而自动调节所述变压吸附组件的操作。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述阈值为至少2℃。
28.如权利要求26所述的方法，其中所述参考温度与所述吸附区的另一部分相关。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述吸附区包括进料端和产物端，并且进一步地，其中所述吸附区的所述第二部分与所述产物端相间隔开。
30.如权利要求26至29中的任一项所述的方法，其中所述自动调节的步骤包括：停止所述不纯氢气流流经在其中检测所述测量温度的吸附区。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述自动调节的步骤进一步包括：在停止所述不纯氢气流流经所述吸附区后，对所述吸附区减压。
32.如权利要求26至29中的任一项所述的方法，其中所述自动调节的步骤包括：调节所述变压吸附组件的至少一个操作参数，并且进一步地，其中所述至少一个操作参数包括PSA循环的循环时间，所述PSA循环包括至少增压步骤、吸附步骤、减压步骤和净化步骤。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述自动调节的步骤包括转换至所述PSA循环的所述减压步骤和所述净化步骤中的至少一个。
34.如权利要求32所述的方法，其中所述自动调节的步骤包括减少PSA循环的所述循环时间。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述减少PSA循环的所述循环时间的步骤包括以预定增量来减少PSA循环的所述循环时间。
36.如权利要求26-29中的任一项所述的方法，其中所述自动调节的步骤包括：调节所述变压吸附组件的至少一个操作参数，并且进一步地，其中所述至少一个操作参数包括时间段，在所述时间段中所述不纯氢气流流过在其中检测所述测量温度的吸附区。
37.如权利要求26-29中的任一项所述的方法，其中所述变压吸附组件适合于通过PSA循环降低所述不纯氢气流中杂质的浓度，所述PSA循环包括至少增压步骤、吸附步骤、减压步骤和净化步骤，并且具有循环时间，并且进一步地，其中所述自动调节的步骤包括改变与所述PSA循环的所述步骤中的至少一个相关的时间段。
38.如权利要求37所述的方法，其中改变时间段的步骤包括：减少时间段和增加时间段中的一个或更多个。
39.如权利要求38所述的方法，其中改变时间段的步骤包括：以预定增量来减少时间段和增加时间段中的一个或更多个。
40.如权利要求26所述的方法，其中所述自动调节的步骤包括停止所述变压吸附组件。
41.如权利要求26所述的方法，其中所述自动调节的步骤包括：降低在其中检测所述测量温度的所述吸附床中的压力，并将含有解吸附气体的流从所述床引出。
42.一种用于操作变压吸附组件的方法，所述变压吸附组件包含至少一个具有吸附区的吸附床，所述吸附区含有至少一种吸附剂，所述吸附剂适合于吸附不纯氢气流中的杂质以从其产生净化的氢气流，所述方法包括：
在压力下将含有氢气和其他气体的混合气体流输送至具有吸附区的吸附床，所述吸附区含有适合于从所述混合气体流吸附所述其他气体中的至少一种的吸附剂；
检测与所述吸附区的一部分中的吸附剂相关的测量温度；和
继续所述输送步骤，直至所述测量温度超过参考温度。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述方法进一步包括：在燃料处理组件中产生所述混合气体流，所述燃料处理组件适合于从至少一种进料流产生所述混合气体流。
44.如权利要求42所述的方法，其中所述方法进一步包括检测所述参考温度。
45.如权利要求44所述的方法，其中所述参考温度与所述吸附区的另一部分相关，所述吸附区的另一部分与在其中检测所述测量温度的所述吸附区的所述部分相间隔开。
46.如权利要求42所述的方法，其中所述参考温度包括之前的测量温度和阈值中的至少一个。
47.如权利要求42所述的方法，其中所述继续步骤被维持直至所述测量温度超过所述参考温度大于一预定值。
48.一种产氢组件，其包括：
产氢燃料处理系统，其适合于从至少一种原料产生含有氢气和其他气体的混合气体流；以及
变压吸附组件，其适合于接收所述混合气体流的至少一部分并从其除去杂质以产生氢纯度比所述混合气体流更高的产物氢气流，所述变压吸附组件包括：
多个吸附床，每个床包括含有吸附剂的吸附区，所述吸附剂适合于吸附所述其他气体中的至少一种；和
基于温度的检测系统，其包括：
第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器适合于测量与所述吸附区的一部分相关的温度，所述第二温度传感器适合于测量与所述吸附床相关的温度；以及
控制器，其适合于将所述与所述吸附区的一部分相关的温度与所述吸附床相关的温度相比较，并适合于至少部分地响应于其而选择性地控制至少所述变压吸附组件的操作。
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