CN104085856A - 控制氢气发生器中的压缩机电动机转速的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有压缩机电动机转速控制的用于生产氢气的设备。该设备包括用于生产包括氢气的产品的氢气发生器和用于压缩所述产品的压缩单元。所述氢气发生器包括具有氧化器和重整器的燃料处理器。所述压缩单元包括感应电动机和用于调节该电动机转速的装置。用于调节电动机转速的装置包括变频驱动器或软启动装置，所述软启动装置具有多个开关和可调节的斜坡计时器。下游单元包括提纯单元、第二压缩单元，和设置在压缩单元下游的储存单元中的一种或几种。本发明还提供了一种用于生产氢气的方法，该方法包括：在氢气发生器中产生包括氢气的产品；在具有感应电动机的压缩单元中压缩所述产品；和响应氢气发生器的瞬态操作来调节所述电动机的转速。

Description

控制氢气发生器中的压缩机电动机转速的设备和方法
本申请是名称为“控制氢气发生器中的压缩机电动机转速的设备和方法”、国际申请日为2005年12月9日、国际申请号为PCT/US2005/044733、国家申请号为200580046987.X的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明大致涉及氢气制造领域。本发明的设备和方法通过从包括氢气和一种或多种杂质的产品中移除杂质而制造富氢的产品。杂质可通过各种提纯技术除去，例如变压吸附、薄膜分离和类似技术，这些技术需要所述产品在相对高的压力下供给。本发明还涉及用于储存目的的提纯后的或富氢的产品的压缩。更特别地，本发明涉及具有燃料处理单元的变压吸附单元的集成和操作，以生产富氢的重整物。
背景技术
氢被广泛应用于各种工业领域，从航空到食品生产，到油气生产和提炼。氢在这些领域中用作促进剂、氛围气体、运载气体、稀释气体、燃烧反应的燃料、燃料电池的燃料，以及各种化学反应和工艺中的还原剂。此外，氢还被认为是发电的一种可替换的燃料，因为它可再生、充足、有效，并且不像其它替换物，它在生产时零排放。虽然对氢有大规模消耗和更多的潜在需求，但是一种抑制氢消耗进一步增长的不利之处在于，缺少用于氢生产、储存和广泛配送的基础设备。
一种克服这种困难的方式是分布式的氢生产，例如通过使用燃料处理器将基于碳氢化合物的燃料重整为富氢的重整物。燃料重整工艺，例如蒸汽重整，部分氧化，和自动热重整，可用于将基于碳氢化合物的燃料，例如天然气，LPG，汽油和柴油在需要氢的场所转化为富氢的重整物。然而，除所需的氢产品之外，燃料重整器典型地会产生出降低重整产品的价值的不需要的杂质。例如，在传统的蒸汽重整过程中，碳氢化合物供料，例如甲烷、天然气、丙烷、汽油、石脑油或柴油被蒸发，与蒸汽混合，并且通过蒸汽重整催化剂。碳氢化合物供料的大部分被转化为氢和杂质的重整混合物，所述杂质例如是一氧化碳和二氧化碳。为了降低一氧化碳的含量，所述重整物典型地接受水-气转移反应(shift reaction)，其中一氧化碳与蒸汽反应以形成二氧化碳和氢。在转移反应之后，额外的提纯步骤可用于将氢纯度提高至可接受的等级。这些提纯步骤可包括但不限于甲烷化作用，选择性氧化反应、薄膜分离技术和选择性吸附例如变温吸附和/或变压吸附工艺。
尽管提纯技术可有效地提供纯化的氢产品，但很多情况下需要将所述产品压缩成初始高压供给。类似地，很多形式的氢储存例如固氢材料和高压罐的使用同样需要高压氢供给。然而，来自氢气发生器例如燃料处理器的供料可能具有压力和/或流量的波动，尤其是在启动、停机和其它瞬态过程中。不能适当地控制用于压缩这种供料的压缩单元的速度，尤其是在氢气发生器的瞬态操作中，会在系统中产生真空。此外，即使是来自氢气发生器的产品的流量是相对稳定的，当相关的压缩机被增加能量和/或减少能量时，也会产生真空。真空的出现在系统部件中产生应力，可在氢气发生器中导致扰动，并产生使环境气体被抽吸进入所述系统的可能。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了一种用于制造氢气的设备。该设备包括氢气发生器和压缩单元，所述氢气发生器产生包括氢气的产品，所述压缩单元设置在所述氢气发生器下游，用于接受所述产品并生产压缩后的产品。氢气发生器可包括具有氧化器和重整器的燃料处理器。压缩单元具有感应电动机和用于调整该电动机转速的装置。所述用于调整电动机转速的装置包括变频驱动器或软启动装置，在所述用于调整电动机转速的装置包括软启动装置的情况下，所述软启动装置可具有多个开关和可调节的斜坡计时器(ramp timer)，该开关具有可调节的点火角度。一个下游单元设置在压缩单元的下游。该下游单元包括一个或多个提纯单元，用于接收所述压缩后的产品的至少一部分并生产富氢的产品；第二压缩单元，其用于接收和压缩所述压缩后的产品或富氢产品；以及储存单元，其用于接收和储存压缩后的产品、富氢产品或压缩后的富氢产品。
在本发明的工艺方面，提供了一种生产氢气的方法。该方法包括如下步骤：在氢气发生器中产生包括氢的产品；在压缩单元中压缩所述产品，其中所述压缩单元具有用于制造压缩后的产品的感应电动机；和响应氢气发生器的瞬态操作来调节所述电动机的转速。所述氢气发生器可包括燃料处理器。电动机转速可通过调节作用在感应电动机上的电压的线频(line frequency)或通过调节作用在所述感应电动机上的电压的RMS来调节。
附图说明
本发明可通过参考下述结合附图的说明而得以理解。
图1是本发明的实施例的示意图，包括氢气发生器、压缩单元和提纯单元。
图2是本发明的实施例的示意图，包括燃料处理器、压缩单元和提纯单元。
图3是本发明的实施例的示意图，包括燃料处理器、压缩单元，提纯单元、第二压缩单元和储存单元。
图4是燃料处理器中的工艺流程的方框图。
图5A是用于调节电动机转速的装置的示意图。
图5B是示出用于本发明的设备的压缩机启动压力数据的图表。
虽然本发明可以进行各种修改和采取可替换的形式，其特定实施例已经在附图中以示例的形式示出并在本文中详细的描述了，然而应当理解，此处关于特定实施例的描述并不意味着将本发明限定为所公开的特定形式，而是相反地，本发明应当覆盖落在所附权利要求定义的本发明的精神和范围之内的全部修改、等价物和替换形式。
具体实施方式
下面将描述本发明的示意性的实施例。为了清楚起见，并不是实际实施例的全部特征都在本说明书中加以描述。当然应当理解，在任何实施例的实际开发中，各种特殊实施决定必须根据开发者的具体目的来实现，例如为了符合系统方面的或经济方面的限制，这些限制在各种实施过程中都是不同的。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂的并且很耗时间，但是，对从本发明的公开内容中受益的本领域的那些普通技术人员来说，所述开发努力将变成一种日常工作。
本发明的设备包括用于产生包括氢气的产品的氢气发生器。本发明涉及降低和抑制尤其是在启动、停机和其它瞬态操作过程中在压缩单元的连接氢气发生器的入口处出现的压力波动。压缩单元设置在氢气发生器的下游并且具有感应电动机和用于调节该电动机的转速的装置。一下游单元设置在压缩单元的下游，该下游单元包括一个或多个提纯单元，用于接收所述压缩后的产品的至少一部分并生产富氢的产品；第二压缩单元，其用于接收和压缩所述压缩后的产品或富氢产品；以及储存单元，其用于接收和储存压缩后的产品、富氢产品或压缩后的富氢产品。
本发明的设备包括可产生这样一种产品的氢气发生器，所述产品包括氢气和一种或多种此处所描述的杂质。适当的氢气发生器在本领域是公知的并且可包括能够从富化合氢(bonded hydrogen)的材料中产生富游离氢的气体的任意装置或设备。这种装置包括气化器、燃料处理器、电解槽和类似物。在优选实施例中，氢气发生器包括能够制造包括氢气和一种或多种杂质的产品的燃料处理器。本发明的设备的最终目的是制造基本上纯净的氢气产品，这种产品在任何消耗氢气的装置或工艺中可安全可靠地使用。如上，本文中的“杂质”包括可能污染、损坏或其它干涉耗氢装置或工艺或氢气储存装置的操作的所有材料。这种杂质典型地包括含硫的化合物、含氮的化合物、碳的氧化物、液态水、蒸汽、未反应的碳氢化合物和惰性气体。根据燃料处理器的类型，产品的压力、流量和/或成分变化或波动可在稳态特别是在瞬态操作过程中发生。
在一些实施例中，所述燃料处理器包括氧化器和重整器，用于将燃料重整为包括氢和一种或多种杂质的产品。在燃料处理器领域，重整器是公知的并且可被设计为执行蒸汽重整，部分氧化和自动热重整以及其它工艺中的一种或多种。虽然用作燃料处理器的一些燃料处理器可采用任意已知的重整器，但是下文中与图4有关的说明适合于美国专利申请第10/006,963号，其由Krause等人于2001年12月5日提交，标题为“Compact Fuel Processor For Producing a HydrogenRich Gas(用于制造富氢气体的紧凑的燃料处理器)”，并且于2002年7月18日公开(公开号为US2002/0094310 A1)，其描述了一种执行蒸汽重整和自动热重整的组合的燃料处理器。
如图4所示，所述燃料处理器的供料可以包括基于碳氢化合物的燃料、氧、水及其混合物。适用于该处理器的基于碳氢化合物的燃料包括天然气、LPG、汽油，柴油、乙醇及其混合物。天然气是优选的基于碳氢化合物的燃料。氧可以是空气、富氧空气或基本上为纯氧的形式。燃料和水作为液体和/或蒸汽导入。然而，根据供给材料的初始状态和转化反应的特性，可能需要一定程度的供料制备。例如，优选地，液态水和燃料都被转化为气态，并且反应物在被引导进入重整器的反应区域之前被预热。
图4的方框A表示重整步骤，在一个特定的实施例中，在该方框中执行两个反应，部分氧化(下文的公式I)和蒸汽重整(下面的公式II)，以便将所述供料转化为包含氢气和一氧化碳的合成气体。公式I和II是示例性的反应公式，其中的甲烷被认为是所述碳氢化合物。
CH4+H2O→3H2+CO  (II)
供料流中的氧气的浓度越高，则有利于放热的部分氧化反应，而水蒸气的浓度越高，则有利于吸热的蒸汽重整反应。因此，氧气与碳氢化合物，和水与碳氢化合物的比以及反应温度是影响氢产生的特征参数。根据供给状况和催化剂，重整步骤A的反应温度可从约550℃至约900℃。部分氧化和蒸汽重整催化剂的例子在燃料重整领域是公知的，因此不再详细描述。
方框B表示冷却步骤，其中，来自重整步骤A的合成气流被冷却到约200℃至约600℃的温度，并且优选地从约375℃至约425℃，以准备将该合成气体用于工艺步骤C(下文中讨论)。该冷却可通过散热片、导热管、热交换器或类似设备实现，取决于设计规定和从合成气体中回收/再循环的热量的程度。合成气体的冷却还可通过所述领域中的其它已知装置实现，例如将低温蒸汽注入合成气流中。
方框C表示脱硫步骤。许多燃料中的一种主要杂质是硫，其通常在步骤A中被转化为硫化氢。脱硫优选地采用氧化锌和/或可吸收和转化硫化氢的其它材料，这些材料可具有或不具有支撑(例如整块、挤出物、片粒等)。可根据下面的反应式III将硫化氢转化为硫化锌实现脱硫：
H2S+ZnO→H2O+ZnS  (III)
脱硫优选地在约300℃至约500℃的温度下执行，并且更优选地从约375℃至约425℃。
脱硫后的工艺物料流接下来被送至混合步骤D，其中可选择地添加来自水子系统的水。水的添加具有降低工艺流的温度和为下面的水-气转化反应(shift reaction)提供额外的水的双重目的。水蒸气和其它物流成分通过穿过惰性材料级(stage)而被混合，其中，所述惰性材料可以是例如陶瓷珠或可有效混合和/或有助于水的汽化的其它类似材料。可替换地，额外的水可在重整步骤A之前加入，并且混合步骤可重复设置或取消。在工艺流将受到选择性的氧化的情况下，混合步骤还可用于在氧化之前将氧化剂与工艺流混合。
方框E表示水-气转化反应步骤，其根据反应式IV将一氧化碳转化为二氧化碳：
H2O+CO→H2+CO2  (IV)
通常，根据催化剂，水-气转化反应可在约150℃至约600℃的温度下执行。在这种条件下，气流中的多数一氧化碳被转化为二氧化碳。在富氢产品将要被用作燃料或燃料电池的情况下，一氧化碳的浓度需要被降低到燃料电池催化剂可接受的等级，典型地低于约50ppm。水-气转化反应催化剂的例子，无论低温或高温催化剂都是燃料重整领域公知的，因此不在此处详细讨论。
方框F表示冷却步骤，其可在惰性级(inert stage)或其它级中执行，以将工艺流的温度降低到优选地处于约90℃至约150℃的温度。当冷却步骤F之后是选择性的或优选的氧化步骤时，来自空气子系统的氧气也可添加到工艺流中。
方框G表示可选择的选择性或优先的氧化步骤，其中工艺流中剩余的一氧化碳中的大部分被转化为二氧化碳。虽然该氧化是在具有氧化一氧化碳活性的催化剂的情况下执行的，但是典型地发生了两个反应，即需要的一氧化碳的氧化(反应式V)，不需要的氢气的氧化(反应式VI)。
由于两个反应都产生热并且由于优选的一氧化碳的氧化在低温下进行是有利的，因此有利的是，可选择地在氧化反应区域内包括一冷却元件例如冷却盘管。氧化反应温度优选地保持在约90℃至约150℃的范围内。由于本发明的设备可选择性地包括提纯单元，例如用于将氢气与杂质分离的变压吸附单元，所以采用选择性的氧化步骤G可被省略。
例如结合图4描述的燃料处理器所生产出的产品是富氢的，但可能含有一种或多种杂质，例如一氧化碳、二氧化碳、水、蒸汽、惰性组分例如氮和氩、各种含硫和氮的化合物以及未反应的碳氢化合物。因此，所需的是，使产品接受提纯或提纯工艺，以去除或降低所述杂质。此外，所述产品典型地处于低压，大致小于约50psig，并且优选地小于约25psig，并且更优选地小于约10psig并且仍然更优选地小于约5psig。根据所采用的提纯技术的特性，需要在输送到提纯单元之前增加产品的压力。因此，本发明的设备包括位于燃料处理器下游的压缩单元，该压缩单元用于接收产品并且生产压缩后的产品以便输送到提纯单元。在一些实施例中，例如在排出提纯单元的富氢产品被送往储存单元例如高压储存罐的情况下，第二压缩单元可选择性地设置在提纯单元和储存单元之间，以用于增加富氢产品的压力。
压缩单元是所述领域公知的，用于在使含有氢气的气体混合物接收分离技术和/或储存之前将所述含有氢气的气体混合物压缩。这种压缩技术的详细描述可在化学工程参考资料中找到，例如Perry的《化学工程手册》第4版(McGraw-Hill，1963)，和专利文献，例如1987年9月1日授权给Doshi的美国专利No.4,690,695；2002年12月3日授权给Keefer等人的美国专利No.6,488,747；和2003年9月18日公开出版的Mitlitsky等人的美国专利申请US 2003/0175564 A1；其说明被结合于此作为参考。虽然压缩单元不需要详细描述，但是应当认识到，稳定的压缩单元可包括在单级或包括两个或三个压缩机的多级压缩单元中的由恒速或变速电动机驱动的压缩机。此外，适当的压缩单元可包括轴流式、离心式，往复式、旋转式的压缩机和它们的组合。在优选实施例中，所述压缩单元包括感应电动机，其具有小于25马力的额定功率，优选地小于20马力，并且更优选地小于15马力。在压缩单元包括在选定的速度下操作的压缩机电动机的情况下，提纯单元优选地控制产品流向多个吸附床的流量，而与所述压缩机电动机的选定速度无关。
压缩单元应该能够施加在流体上的压力取决于该单元的压缩所需的压力要求。在提纯单元包括变压吸附单元的情况下，输送到PSA的产品流量所需压力可以在1psig至600psig之间变化。在需要压缩以利于富氢产品的储存的情况下，富氢产品的所需压力可从刚过零变化至高于10,000psig。本领域的技术人员将理解，适当的压缩单元将基于下列因素进行选择，例如产品成分、流量、压力和温度、下游单元的所需压力，以及下述因素例如压缩单元的功耗、工作性能、成本和整体效率。
在提纯单元包括变压吸收单元(“PSA”)的实施例中，流向PSA中的多个吸收剂床的产品流量和通过吸附床从产品流吸附杂质的吸附周期可独立于压缩机的转速或输出的形式进行控制。更特别地，在提纯单元包括旋转式PSA，所述PSA具有用于控制流动至吸收剂床的材料流的旋转分配阀的情况下，所述旋转分配阀优选地独立于压缩单元的转速或输出进行操作，在这些实施例中，压缩单元可包括恒速压缩机。
在压缩单元包括感应电动机的实施例中，压缩单元还将包括用于调节电动机转速的装置。压缩机电动机的转速根据发生在氢气发生器的操作中的瞬态进行调节。电动机的转速的调整和调节通过调节施加在电动机上的功率来调节速度的倾斜提升和下降。例如，在氢气发生器的启动过程中，供给到压缩机电动机的功率可优选地以选定的速率在选定的斜坡上升时间周期内从零斜坡上升至满功率。类似地，在停机过程中，供给到压缩机电动机的功率可优选地以选定的速率在选定的斜坡下降时间周期内下降。可以预计，在压缩机的转速被保持在中间速度时，提供到压缩机电动机的功率的一些中间调节可能会发生，例如当氢气发生器的产量被降低时。通过使用这种装置，压缩机电动机的速度可匹配产品输送到压缩单元的产品流量并且可防止在压缩机的入口处产生真空。
用于调节电动机转速的装置包括变频驱动器(“VFD”)，以调节施加在电动机上的电压的线频。由于感应电动机的速度与施加的电压的频率成比例，通过VFD的线频调节，可使操作人员或控制器调节和调整感应电机的转速。在一种替换方案中，用于调节电动机转速的装置包括软启动装置，以在启动和/或关机过程中调节输送到电动机的电压的均方根(“RMS”)。适于调节输送到感应电动机的电压的RMS的软启动装置可包括多个具有可调节的点火角的开关和可调节的斜坡计时器。所述开关可包括实心状态(solid state)的AC开关，如三端双向可控硅开关、二极管和SCRs。所述软启动装置优选地包括三对反向并联连接的SCR开关。开关的点火角可在0°至约120°的范围内调节，但优选地在0°至约75°的范围内调节。点火角将根据软启动装置的启动电压进行选择并且可基于电动机内初始转动所需的最小转矩进行选择。斜坡计时器可被调节，从而斜坡周期具有所需的任意时间周期。对于此处所描述的燃料处理器产生的产品的流量，该斜坡计时器可具有小于约1分钟的时间周期。优选地小于约30秒，更优选地小于约20秒，并且仍然更优选地小于约10秒。该软启动装置可具有用于控制其操作和调节施加在电动机上的线电压的RMS的就地控制器或处理器。适当的软启动装置是公知的并且可从例如法国巴黎的SchneiderElectric SA购买。用于本发明的实施例中的软启动装置是SquareDTMNo.ATS01N232LU型。
如上所述，来自氢气发生器的产品流可能在稳态操作时在压力和/或流量上还具有波动。因此，本发明的设备可选择性地包括在到达下游单元之前降低或消除这些波动的装置。本文中所用的“降低压力和/或流量上的波动”指的是降低被送至下游单元的产品的压力和/或流量上的波动的大小和次数。此外，还可采用这种装置以防止在压缩单元的入口处在将产品输送至压缩单元的管路中形成真空。
用于降低这种波动的装置可包括设置在氢气发生器和下游单元之间的缓冲器。尽管这种缓冲器可设置在氢气发生器和下游单元之间的任何位置，但优选地设置在压缩单元的上游，从而可向压缩单元的入口提供更均匀的产品流。本领域的技术人员会理解，该缓冲器具有足够容量以从氢气发生器接收可变的产品流量，同时向下游单元释放更均匀的流量。此外，在一个实施例中，该缓冲器设置在压缩单元的上游，来自缓冲器的产品流应当足以防止在启动、停机或稳定操作过程中在压缩单元的入口形成真空。
用于降低压力和/或流量波动的装置还可包括导管，该导管用于向压缩单元的入口提供补充流体的受控的流量。所述补充流体可包括来自压缩单元的出口的产品的压缩流、来自提纯单元的富氢产品、或其混合物。该导管具有出口，该出口可将补充流体引入到将产品从氢气发生器输送到压缩单元的管路中。
导管入口的数量和位置由补充流体的成分决定。当所述补充流体包括压缩后的产品时，该导管具有位于压缩单元下游的入口。当所述补充流体包括富氢产品时，该导管具有位于提纯单元下游的入口。在该实施例中，提纯单元可选择性地包括引导富氢产品的第一出口和引导贫氢产品从提纯单元出来的第二出口，并且导管的入口与提纯单元的第一出口流体连通。此外，所述导管可根据补充流体的成分而具有两个或多个入口。特别地，当所述设备具有设置在压缩单元下游的提纯单元时，所述导管可具有设置在压缩和提纯单元之间的用于引导压缩后的产品进入导管的入口，和位于提纯单元下游的用于将富氢产品引入导管的第二入口。
在一些实施例中，所述导管可具有可变开度的阀，用于控制从中穿过的补充流体的流量。当所述设备包括用于检测从氢气发生器进入压缩单元的流体流量的可选择的传感器的情况下，所述可变开度的阀可响应所述传感器产生的检测数据而进行操作。更特别地，传感器可设置在压缩单元入口上游并紧靠着其入口，以便获取进入压缩单元的流体的数据。优选地，所述传感器将包括用于检测压缩单元入口处的产品的压力和/或流量的传感器。在一些实施例中，该传感器将与控制器连接，从而检测到的数据可传递到控制器，以便响应该检测到的数据来操作所述阀。作为说明，当控制器确定进入压缩单元入口的产品的压力和/或流量低于预定等级时，信号或指令被输送到阀致动器，以打开所述阀并增加进入压缩单元入口的补充流体的流量。相反地，当检测到位于压缩单元入口的产品的压力和/或流量等于或高于预定等级时，控制器可指令所述阀致动器收缩或关闭所述阀。在本文中，控制器用于控制阀操作的预定等级是产品的压力和/或流量，其可防止在压缩单元的供给管路中形成真空。此外，如本文中所述，通过传感器获得的检测到的压力和/或流量数据还可用作调节压缩机电动机转速的输入。
本发明的设备包括下游单元，其可包括接收压缩后的产品的至少一部分并且产生富氢产品的提纯单元。用于从产品气流中去除杂质和/或浓缩产品中的氢的技术在本领域中是公知的，并且可包括甲烷化、选择性氧化、薄膜分离技术、变温吸附和变压吸附工艺。例如，许多提纯工艺通过选择性的吸附将氢气从杂质中分离，即将含氢气的带压流通过吸收剂材料空间或床和/或穿过氢选择性薄膜。选择性吸附可由吸附氢并允许贫氢气流穿过的吸附材料执行，也可由吸附杂质并允许富氢气流通过的吸附材料执行。在上述任一种情况下，高度优选的是，通过所述技术例如变压、变温或类似技术中的一种或几种，吸附材料可再生。在本发明的实施例中，可通过采用选择性地从产品流中吸附杂质并允许富氢产品通过的吸附材料进行所述提纯。
所述提纯单元包括多个吸附床，每个吸附床都能够从流过该床的产品中去除一种或多种杂质。吸附床可包括容纳吸附材料的容器。吸附材料可具有各种形式，包括成团的、片粒的、颗粒、和/或小珠、整块结构的压实床，以及涂敷吸附材料的各种支撑例如涂层薄板。在一些实施例中，吸附材料以压实床的形式提供，其具有不同吸附材料的多个层和/或不同吸附材料的混合物。在另一些实施例中，所述吸附床包括被构造为提供有流体从中穿过的具有涂层的整块的或其它结构。适用于多种提纯单元的床的吸附材料将根据需要被吸附和从工艺流中去除的材料来确定。例如，公知的用于去除水蒸气、二氧化碳和碳氢化合物的吸附材料可包括氧化铝凝胶、活性炭、硅胶和沸石。此外，沸石例如低硅石X型沸石(low silica X zeolite)和钙或锶交换过的菱沸石(calcium or strontium exchanged chabazite)是公知的用于去除一氧化碳和氮的材料。
此处所用的术语“吸附周期”指的是压缩后的产品流被引导穿过吸附床以便去除杂质所需的周期或时间长度。在吸附周期结束时，穿过第一吸附床的产品流被中断并且该产品流别重新引导至第二吸附床，从而在第一吸附床再生的同时继续移除杂质并且产生富氢产品。可以预期，在其它吸附床经历再生的各个阶段的同时，在吸附阶段需要操作两个或多个吸附床。此外，适当的提纯单元将包括那些可以调节和控制吸附周期的装置，从而补偿供给到该单元的产品的压力和/或流量的波动。调节吸附周期以便实现所需纯度的富氢产品的方式将在下文中更加详细描述。
在一些实施例中，所述提纯单元包括变压吸附(“PSA”)单元。适当的PSA单元包括那些本领域公知的用于从工艺流中分离氢气的装置，例如在下面的文件中所描述的：1980年12月9日授权给Perry的美国专利No.4,238,204；1987年9月1日授权给Doshi的美国专利No.4,690,695；1993年10月26日授权给Kai等人的美国专利No.5,256,174；1995年7月25日授权给Anand等人的美国专利No.5,435,836；1997年9月23日授权给Couche的美国专利No.5,669,960；1998年5月19日授权给Sircar等人的美国专利No.5,753,010；2002年10月29日授权给Hill的美国专利No.6,471,744，上述文件的说明书被结合于此作为参考。在一些实施例中，所述提纯单元将包括紧凑的PSA。适当的紧凑的PSA可包括旋转式PSA，例如在2000年5月16日授权给Keefer等人的美国专利No.6,063,161和2002年6月18日授权给Connor等人的美国专利No.6,406,523中所描述的，它们的说明书被结合于此作为参考。紧凑的PSA具有可从加拿大伯纳比的Questair Technologies,Inc.购买旋转元件。Questair的旋转式PSA，型号为H3200，可用于本发明的开发。
提纯单元可包括阀组件，其可至少部分地响应下文所述的检测到的产品信息而选择性地控制产品向一个或多个吸附床的流量。该阀组件可包括具有固定或可变开度的单个或多个阀，它们可被打开和关闭以控制送至吸附床的材料流。该阀组件可通过控制某个吸附床接受产品流和控制不同材料被引导穿过吸附床的次序，从而提供对于送至吸附床的产品流进行选择性的控制。这样，该阀组件的构造提供了对于每个吸附床的吸附阶段和再生阶段的控制。根据床中的吸附材料的特性，控制再生可包括施加压力和/或温度变化，引导各种材料穿过所述床等步骤。
在提纯单元包括旋转式PSA的实施例中，所述阀组件优选地包括分配阀，其中旋转产生在分配阀和多个吸附床之间，以通过吸附-再生循环来循环所述多个床。这种分配阀描述于下述文件：1990年5月15授权给Rabenau等人的美国专利No.4,925,464；1997年1月14日授权给Hill等人的美国专利No.5,593,478；1998年9月15日授权给Lemcoff等人的美国专利No.5,807,423；2000年5月2日授权给Keefer等人的美国专利No.6,056,804；2002年4月16日授权给Takemasa等人的美国专利No.6,372,026 B1；2002年9月17日授权给Keefer等人的美国专利No.6,451,095；和2004年3月30日授权给Hill等人的美国专利No.6,712,087，它们的说明书被结合于此作为参考。阀组件和吸附床之间的旋转优选地通过变速电动机产生。其中阀组件控制多个床的每个阶段的操作的次序，变速电动机控制每个操作的长度和操作变化的频率。例如，通过调节该电动机的转速，所述多个床的吸附周期可被增加或减少。此外，旋转速度的变化改变产品流在第一吸附床和第二吸附床之间切换的频率。
本发明的设备可选择性地包括设置在提纯单元下游的产品传感器，其可检测所述富氢产品和/或贫氢产品并从中产生检测到的产品数据。这些由产品传感器产生的检测到的产品数据被传送或连通至提纯单元。提纯单元中的阀组件可响应这些检测到的产品数据控制输送到所述多个吸附床的产品流。优选地，该产品传感器设置在提纯单元的下游并靠近其出口的位置，从而产品或排气成分的变化可被快速地探测到并且补偿动作可被执行。当可选择的储存单元设置在提纯单元下游用于接收和储存富氢产品时，该产品传感器被设置在储存单元的上游，从而不合格的产品可被探测并转移。
被检测的产品数据可包括温度、压力、密度、流量和/或成分数据。该产品传感器优选地包括气体传感器。传感器类型的选择可根据用于控制产品流的数据的特点来确定。适当的传感器可包括那些能够检测和传送温度、压力、密度、流量和/或成分数据的传感器。在一些实施例中，所述产品传感器可包括成分类型的传感器，用于检测富氢产品和/或贫氢产品中的某一组分的浓度。例如，用于检测一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、水、含硫化合物和含氮化合物的存在和浓度的适当的传感器是可以购买到的。在产品传感器包括用于检测成分数据的传感器的实施例中，该传感器优选地不适用于检测富氢产品和/或贫氢产品中的游离氧的浓度。
在需要涉及富氢产品中的氢气浓度的数据的实施例中，所述传感器可包括能够检测氢气浓度的传感器，更优选地，一个或多个能够检测可确定氢气的浓度数据的传感器。用于间接地确定供给到燃料电池的重整物流中的氢气浓度的方法和设备的说明，可从2004年8月3日授权给Nelson等人的美国专利No.6,770,391 B2中获得，该文件的公开文本被结合于此作为参考。从提纯单元出来的富氢产品中的氢气体积浓度应当大于约99.96％，优选地大于约99.97％，并且更优选地大于约99.98％。当被传送到提纯单元的检测到的产品数据指示氢气的浓度在下降时，提纯单元可增加产品流从一个吸附床向下一个床引导的频率。更特别地，当提纯单元是具有变速电动机的旋转式PSA单元的情况下，可增加变速电动机的转速，以缩短吸附周期。类似地，在检测到的产品数据指示富氢产品的压力和/或流量在增加的情况下，变速电动机的转速可增加以缩短吸附周期，并且保持富氢产品中所需的氢气浓度。
如上所述，本发明的设备可选择性地包括用于监控和控制该设备的一个或多个部件的操作的控制器。特别地，当该设备包括用于检测流至压缩单元的产品的压力和/或流量的传感器时，所述控制器能够响应检测到的压力和/或流量来控制用于调节压缩机电动机的转速的装置。当该实施例还包括向压缩单元的入口提供可控制的补充流体的导管时，该控制器可响应检测到的压力和/或流量来控制穿过导管的补充流体的流量。
在一些实施例中，该控制器还可包括用于将在给定压力下的提纯单元的吸附周期与要生产的富氢产品的成分和流量相关联的装置。该装置可包括提纯单元的一个工艺模块，其可决定提纯单元的操作设定，例如，决定在不同的压力下生产给定的富氢产品的吸附周期或其它循环时间。在一种替换方案中，该装置可包括一组相关联的数据，其优选地以表格的形式储存，并可由控制器获取。不论使用何种装置，所述装置将向控制器提供指令，以设定或调节提纯单元在不同压力下的操作，从而生产出具有选定成分和流量的富氢产品。在提纯单元是具有变速电动机的旋转式PSA的情况下，所述用于关联的装置可包括一个查找表(look-up table)，其中不同压力下的富氢产品的成分和流量与不同的生产出所需的富氢产品成分的电动机转速相关联。该查找表还可被控制器使用，以根据所检测到的指定压力下的富氢产品的变化来调节或实现变速电动机转速的改变。
在一些实施例中，所述控制器用于单个计算系统中，以控制非手动控制的设备的操作的每个方面。在另一些实施例中，所述控制器可包括多个计算系统，其每一个用于控制设备操作的某些指定的方面。所述控制器可以安装在机架上或者以桌面个人电脑、工作站、笔记本电脑或膝上型计算机、嵌入式处理器或类似装置的方式实现。实际上，任何给定的实现方式对于本发明的实施都没有实质影响。
所述计算系统优选地包括与总线系统上的记忆存储装置相通讯的处理器。所述记忆存储装置可包括硬盘和/或随机存储器(“RAM”)和/或移动储存器，例如软盘和/或光盘。该记忆装置用数据结构进行编码，用于储存获取的数据，操作系统，用户界面软件和应用程序。所述用户界面软件与显示器一起显示用户界面。所述用户界面可包括外围I/O设备，例如按键板(key pad)或键盘、鼠标或操纵杆。处理器在操作系统的控制下运行，所述操作系统可以是本领域已知的任意操作系统。所述应用程序可由操作系统根据启动，重置或上述两者进行调用，这取决于操作系统的实现方式。
软件实现的本发明的某些方面典型地被编码于一些形式的程序储存介质上，或由一些类型的传送介质实现。所述传送介质可以是成对的绞合线、同轴电缆、光学纤维或其它本领域已知的适当的传送介质。此处的详细说明的一部分表现为软件实现方法的形式，其涉及对计算系统的记忆装置中的数据位进行操作的符号化表示。这些说明和表示是本领域的技术人员用来有效地将他们工作的实质传送给本领域的其他技术人员的手段。所述方法和操作需要对物理量进行物理操作。通常，尽管不是必须的，这些量具有电、磁或光学信号的形式，这些信号能够被储存、传递、组合、比较和操作。已经证明，主要出于通常使用的原因，将这些信号表示成位、数值、数据、元素、符号、指令、字符、术语、数字等常常是方便的。然而应当记住，所有这些和类似的术语与适当的物理量相关，并且仅仅是这些量的方便的标识。此外，电子装置将电子装置的存储器中的用(电的，磁的，或光学的)物理量表示的数据操作和转换成以类似的物理量表示的其他数据，该电子装置的动作或处理已经被诸如“操作、“处理”、“计算”、“比较”、“确定”、“显示”等术语表示。
当本发明的设备包括提纯单元时，该设备可选择地包括产品阀，产品阀用于控制来自提纯单元的富氢产品流。在一些实施例中，该产品阀包括可变开度的阀。该产品阀可部分地响应由产品传感器产生的检测到的产品数据而加以操作。当所述设备包括可以接收所述检测到的产品数据的控制器时，所述控制器可响应所述检测到的数据操作所述产品阀。优选地，所述产品阀设置在产品传感器的下游，从而富氢产品中的变化可被快速地检测出来并且可采取补偿措施以保持富氢产品的成分。此外，当一个可选择的储存单元，例如储存罐，设置在提纯单元下游用于储存富氢产品时，所述产品阀被设置在所述罐的上游，从而不合格的产品可被检测出来并且可在其被储存罐接收之前将其转移。对于来自提纯单元的富氢产品流的控制还可用于在提纯单元中产生背压，以在提纯单元内保持更稳定的压力。此外，这种控制还可提供提供额外的对于穿过提纯单元的产品的流量的控制，以便维持富氢产品的成分。
本发明的设备的下游单元还可包括用于储存富氢产品的储存单元和/或用于生产压缩后的富氢产品流、以便根据所选择的特定的储存单元的压力要求进行储存的第二压缩单元。此外，还可包括第二导管，其可向第二压缩单元的入口提供受控制的压缩后的富氢产品流。所述第二导管优选地具有设置在第二压缩单元和储存单元之间的入口，用于控制穿过该导管的压缩的富氢产品流的阀，和设置在提纯单元的出口和第二压缩单元的入口之间的出口。
适用于本发明的设备的储存单元可以从本领域已知的氢储存装置中选择。优选地，所述氢储存单元将包括适合于以所需的形式储存富氢产品的储存容器或罐，所述形式包括但不限于压缩气、液化气或固态。适当的储存容器可以是可移动的、模块化的、装有滑板的或固定的。此外，所选的储存单元优选地具有足够的储存容量，从而使该单元可在燃料处理器不工作期间和/或在必须补充燃料处理器所生产的产品体积以满足需要时的峰值需求期间内，仍然能够以选定的流量将所储存的产品输送到出口。
所述氢储存单元可包括与压缩单元可操作地流体连通的高压容器，以便储存压缩后的产品。适当的储存单元还可采用可逆的固定氢气的固氢材料。固氢材料在氢气储存领域是公知的并且可包括活性炭、碳复合材料、基于富勒烯(fullerene)笼形碳分子的材料、金属氢化物、带有或不带有额外的元素的钛、钒、铬和锰合金、磁性氢吸附材料和由元素周期表的第二和第三排中选出的轻元素形成的纳米结构。容纳固氢材料以便储存压缩后的氢的容器的例子在1986年7月8日授权给Wessel的美国专利No.4,598,836和2002年8月13日授权给Klos等人的美国专利No.6,432,176 B1中还有描述，它们的公开内容被结合于此作为参考。在另一些实施例中，所述储存单元可包括能够通过低温冷却或其它液化技术将富氢产品转化为液化产品的液化单元。
本发明的设备可选择性地包括一个或多个设置在整个设备上的传感器，用于在设备中的不同位置处检测流体的温度、成分、密度、压力和/或流量。本领域的技术人员可以理解，所述检测出的数据例如温度和压力可用于计算其它流体状况，例如使用2003年9月16日授权给Cohen等人的美国专利No.6,619,336中描述的方法计算产品密度。此外，检测到的成分信息可用于各种目的，包括估计产品中的氢的浓度，如2004年8月3日授权给Nelson等人的美国专利No.6,770,391 B2中所述。用于检测和监控该设备和温度、成分、压力和流量的流体状况的传感器是公知的并且可购买到。
在本发明的工艺方面，提供了制造氢气的方法。该方法包括在氢气发生器中生产包括氢气的产品。在优选实施例中，所述氢气发生器包括燃料处理器。所述产品在具有感应电动机的压缩单元中被压缩，以生产压缩后的产品，以便输送到下游单元。所述电动机的转速可响应氢气发生器的瞬态操作来调整。
感应电动机的转速可响应氢气发生器的瞬态操作而被调整，其方式是在所述瞬态操作过程中使施加在该电动机上的功率斜坡上升或下降。特别地，“瞬态操作”指的是启动和关闭的过程。然而，还可预计到，在紧急关闭程序过程中和当氢气发生器被调小产量或从调小产量期间返回到产生氢气时，也将需要压缩机电动机的斜坡调速。在这些瞬态过程中不能调节电动机的转速会导致在压缩机的进口处形成真空。电动机的转速可通过使用变频驱动器来调节作用在感应电动机上的功率的线频，或在启动和/或关机过程中通过使用本文所述的软启动装置调节作用在所述感应电动机上的电压的RMS来进行调节。更特别地，该电动机的转速可通过具有多个开关的软启动装置进行调节，其中所述开关具有可调节的点火角和可调节的斜坡计时器。因此，该方法还可包括在0°至约120°的范围内调节点火角，优选地在0°至约75°的范围内调节。该斜坡计时器可以被调节为具有小于约1分钟的时间周期，优选地小于约30秒，更优选地小于约20秒，并且仍然更优选地小于约10秒。
由氢气发生器生产的产品可能还在成分、压力和/或流量上具有波动，本方法还包括降低这些波动。这些波动可通过缓冲燃料处理器生产的产品而被降低和抑制。在一种替换方案中，压力和/或流量上的波动可通过向压缩单元的入口提供受控制的补充流体而降低。这种方法可选择性地包括在压缩所述产品之前检测该产品的压力和/或流量，并且响应检测到的压力和/或流量控制补充流体的流量。此外，压缩机电动机的转速可响应检测到的压力和/或流量进行调节，而不是基于选定的时间周期对电动机的转速进行斜坡调节。产品在恒定转速压缩机或变速压缩机中压缩。当该方法包括在压缩机中以选定的速度压缩所述产品时，所述吸附周期可优选地独立于压缩机的转速进行设定和调节。
杂质可在提纯单元中从产品中去除，以生产富氢产品。优选地，杂质通过选择性吸附从产品中去除，并且因此该方法可包括在吸附周期内将产品流引导至多个吸附床中的一个或多个吸附床的步骤，以便从产品中去除杂质并生产富氢产品。当使用时，优选地是，提纯单元具有多个吸附床，从而通过第一吸附床的产品流可被中断并重新引导通过第二吸附床，从而继续移除杂质和生产富氢产品。此外，通过第一吸附床的产品流的中断和产品的重新引导可使第一吸附床得以再生。所述再生包括对所述床和其中的吸附材料进行减压、清洗、加热、冷却和再加压中的一种多几种。吸附床的再生有利于释放所吸附的杂质，以产生包括前述所吸附的杂质的排放流或贫氢产品。因此，本发明的方法可选择性地包括再生所述多个吸附床的至少一部分，以生产贫氢产品，同时产品流被引导至一个或多个其它吸附床。
在提纯单元包括PSA的实施例中，在PSA单元中从产品流中去除杂质的效力取决于PSA的设计和材料、产品的流量和成分以及PSA中的压力。适当的PSA的设计和材料在上文中详细地描述了。典型地，从燃料处理器到PSA单元的吸附床的产品流处于约150slpm至约370slpm，其中标准单位表示在1大气压下，25℃的条件下。产品的成分可能会变化，但是将典型地包括：CO<1％，CH4<2％，CO2>15％，和H2>40％。PSA单元中的压力应当介于约70psig至约350psig之间，优选地小于约200psig。此外，在PSA单元从产品中去除杂质的过程中PSA中的压力优选地是固定的或稳定的。当所述PSA单元被适当地调节时，具有至少约99.90％的氢气体积浓度的富氢产品能够以约40slpm至约120slpm的流量被生产。
所述富氢产品或贫氢产品可被选择性地检测，以产生检测产品数据。所述富氢产品或贫氢产品在靠近提纯单元的下游被检测，从而可指示富氢产品的成分变化的检测数据可被检测到并且可快速地采取补偿操作。所述检测到的产品数据可包括温度、压力、密度、流量和/或成分数据。
所述吸附周期可响应所述检测到的产品数据进行调节。在所述提纯单元包括变压吸附单元，所述变压吸附单元包括多个吸附床、阀组件和可在所述多个吸附床和阀组件之间产生旋转的变速电动机的情况下，所述吸附周期可通过调节变速电动机的转速来进行调节。用于生产具有所需的纯度和流量的氢产品的电动机的转速是特殊设计的。在Questair H3200系列型号的PSA中，所述变速电动机的转速优选地被选择和调节在约3至约11rpm的范围内，以实现上述的成分和流量。提纯单元的处理模块或查找表中的相关联的数据可用于调节吸附周期，并且从而调节提纯单元的操作。例如，当富氢产品中的氢浓度被检测或确定为正在降低时，变速电动机的转速可被增加，以提高产品流从一个床引导向另一个床的频率。通过采用这种方法增加所述频率，产品流穿过一个或多个吸附床的吸附周期被缩短。在可选择的但优选的实施例中，所述吸附周期的调节独立于压缩机的转速。
本发明的方法可选择性地包括响应检测到的产品数据至少部分地控制从提纯单元出来的富氢产品流。从提纯单元出来的富氢产品流可由具有可变开度的产品阀进行控制。如上所述，该阀可通过接收直接来自产品传感器或直接来自可选择的控制器的检测到的产品信号进行控制。
本发明的方法可选择性地包括在储存单元中储存所述富氢产品。当所述富氢产品被储存在需要该产品处于增加压力的储存单元中时，来自提纯单元的富氢产品流可在不同与上述压缩单元的第二压缩单元中被压缩。
附图的详细说明
如图1所示，设备100包括具有供料管路102的氢气发生器110。氢气发生器的特性将控制供料的数量和特性。例如，当所述氢气发生器110包括电解槽时，供料管路102将需要包括与水源、电源的连接器和向电解槽输送电力的导体。当氢气发生器110包括具有氧化器和重整器的燃料处理器时，供料管路102将根据需要进行的燃料处理反应的特性而包括用于输送反应物例如燃料、氧化剂和可选择的水或蒸汽的导管。不论氢气发生器110的特性如何，供料可被转化为包括氢气和一种或多种杂质的产品。无论是在瞬态操作还是稳态操作状态下，由氢气发生器110生产的产品可能在压力、流量和/或成分上具有波动。
产品流被从氢气发生器110通过管路112引导至压缩单元130。装置120设置在压缩单元和氢气发生器之间，用于降低产品的压力和/或流量上的波动。如图所示，装置120是具有足够容量的缓冲器，其可接收产品的变化的流量并向压缩单元提供具有更加均匀的压力、流量和成分的产品流。压缩单元130具有压缩机电动机135，一种感应电动机，用于驱动压缩单元并产生通过管路132输送到提纯单元140的压缩后的产品流。压缩单元还具有变频驱动器190，用于调节线频来调整压缩机电动机的转速。变频驱动器190接收来自电源(未示出)的线电压191，调节电压的频率并将调节频率后的电压通过线路192输送到压缩单元。
提纯单元140使用选择性吸附从产品中去除杂质，即引导压缩后的产品穿过吸附材料，所述吸附材料优先吸附杂质并允许富氢产品从所述床流出。如图1中所示，提纯单元140是具有多个吸附床150和阀组件145的变压吸附单元。流向每个所述多个吸附床150的材料由阀组件145控制。所述提纯单元还包括变速电动机141，用于在阀组件145和吸附床150之间产生旋转。阀组件145的构造和变速电动机141的转速决定了吸附床的工作阶段和所述床经历吸附和再生循环的流量。在这样一个循环过程中，吸附床可接收产品流、吹扫气体流，可被减压、排空、加热、冷却和/或再加压以及其它可能的操作。应当指出，增压、吹扫气体以及类似物的源和接收器以及有关阀组件145的细节没有描绘在图1中，以使本发明变得更清楚。
在启动过程中，当压缩机电动机135首先被激励以开始压缩产品时，变频驱动器190调节施加在压缩机电动机上的线频，以调节电动机的启动速度。因此，压缩机电动机的转速被调节，从而该电动机可在一段很短的时间内斜坡上升至满功率。类似地，在关机和其它瞬态操作过程中，变频驱动器可用于通过调节所述线频来调节压缩机电动机135的转速。
压缩的产品被导入提纯单元140，在那里它被引导穿过一个或多个吸附床150以经历一段吸附周期。吸附周期的长度可由阀组件145的构造和电动机141的转速决定。在吸附周期内，产品流中的杂质在吸附床中被去除，以生产富氢产品流，其通过管路142被导出所述提纯单元。如此处所述，富氢产品的纯度可取决于多种因素，这些因素包括吸附材料的类型、床的结构和几何形状、产品的成分和流量，以及压力和温度状况。对于给定的床和吸附材料，吸附周期的长度将对富氢产品的纯度有直接影响并且可被调节，以控制富氢产品的成分或补偿氢气发生器110产生的产品的压力和/或流量的波动。
产品传感器160设置在提纯单元140的下游，用于检测流经管路142的富氢产品并产生检测到的产品数据。该检测到的产品数据可包括与富氢产品有关的成分信息。如虚线A所示，检测到的数据被传送或输送到变速电动机141，其至少部分地响应所述检测到的产品数据进行操作。通过响应感测到的富氢产品的成分的改变来调节电动机141的转速，可调节吸附周期，以补偿产品成分、流量、压力和其它可负面地影响富氢产品纯度的因素的变化。此外，这种检测出的数据可用于将不合格的富氢产品在被输送到储存设备或终端用户之前转移出管路142。
当所述吸附床150的一个或多个被再生时，将产生贫氢产品。如图1所示，贫氢产品通过管路143引导出提纯单元。管路143设置有产品传感器161，用于检测流过该管路143的贫氢产品。如虚线A’所示，检测到的产品数据被传送或连通到变速电动机141，该电动机至少部分地响应所述检测到的产品数据而被操作。
图2描绘了本发明的实施例200，其中所述设备包括具有氧化器213和重整器211的燃料处理器210。供给管路202输送燃料、氧化剂和水，以便在燃料处理器210中重整。燃料处理器210中生产的产品通过管路212引导至缓冲器220，并且接下来通过管路222引导至压缩单元230。在被引导进入提纯单元240之前，产品流在具有压缩机235和感应电机的压缩单元230中被压缩。压缩单元230具有软启动装置290，尤其是在启动和关闭过程中，用于调节输送至压缩电动机235的电压291的RMS，以便调节该电动机的转速。在下文中结合图5A提供了启动装置290的详细描述。
提纯单元240与图1中描述的提纯单元类似，具有多个吸附床250、阀组件245和用于在吸附床和阀组件之间产生旋转的变速电动机241。产品传感器260设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路242从提纯单元中流出的富氢产品。产品传感器261设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路243从提纯单元中流出的贫氢产品。检测到的产品数据被传输到控制器(未示出)，该控制器确定是否变速电动机241的转速需要调节，并且当需要调节时，确定所述调节并向电动机241传送适当的指令。
图3中描绘的实施例300具有燃料处理器310、压缩单元330、提纯单元340、第二压缩单元370和储存罐380。如图所示，供料管路302输送燃料、氧化剂和水，以便在燃料处理单元310中重整。燃料处理器310包括氧化器313，其中燃料和氧化剂被预热并且水被转化为蒸汽。燃料处理器还包括重整反应器311，其中预热后的反应物被转化为包括氢和一种或多种杂质的产品。
如本文所述，来自燃料处理器310的产品流可能在成分、压力和/或流量上具有变化或波动。为了降低这种波动，提供了具有入口321和可变开度的阀323的导管320，用于引导受控制的压缩后的产品流至管路312。传感器325设置在压缩单元330的上游，用于检测管路312中的产品的压力和/或流量。来自传感器325的检测到的压力和/或流量数据可被直接传送到可变开度的阀323，用于控制阀的位置，如虚线E所示。在一种可替换的方案中，由传感器325产生的数据可被传送到控制器(未示出)，用于操作阀323。压缩产品流通过管道320输送到管路312，用于减弱输送到压缩单元的产品的压力和/或流量上的波动，并且抑制在管路312中形成的可能会抽吸大气气体并使之与产品混合的真空。
燃料处理器310中生产的产品通过管路312引导至压缩单元320。压缩单元接收该产品并产生压缩产品流，该压缩产品流通过管路322被引导至提纯单元340。压缩单元330具有压缩机电动机335，一种感应电动机，和软启动装置390。尤其是在启动和关闭的过程中，软启动装置390调节输送至压缩机电动机335的电压391的RMS，以便调节电动机的转速。来自传感器325的检测到的压力和/或流量数据可被传送至软启动装置390，以用于控制压缩机电动机335的转速。
提纯单元340具有多个吸附床350、阀组件345和用于在吸附床和阀组件之间产生旋转的变速电动机341。提纯单元340的操作与图1和图2中描绘的提纯单元的操作类似。产品传感器360设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路342从提纯单元中流出的富氢产品。产品传感器361设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路343从提纯单元中流出的贫氢产品。检测到的产品数据从产品传感器360和361传输到控制器(未示出)。至少部分基于所述检测到的产品数据，该控制器确定是否变速电动机341的转速需要调节，并且当需要调节时，确定所述调节并向电动机341传送适当的指令。
产品阀365设置在产品传感器360的下游，用于转移不合格的产品，从而该不合格的产品不被引导至储存单元380。第二压缩单元370设置在提纯单元和储存单元之间，用于从提纯单元接收富氢产品并产生压缩后的富氢产品，以便储存在储存罐380中。
图4是描绘了燃料处理操作中的各种工艺步骤的方框图。图4中描绘的步骤已经在上文中详细的描述了，此处不再重复。
图5A是描绘了软启动装置290和图2中的压缩机电动机235的示意图。如图所示，软启动装置包括多个具有可调节的点火角511-516的开关501-503。此外，还提供了可调节的斜坡计时器520，用于控制压缩机电动机295的斜坡上升和斜坡下降的时间周期。参考字母A，B和C表示分别被引导至开关501-503上的三相线电压291。
图5B是一个坐标图，示出了随时间变化的通过模拟压缩机电动机的启动而获得的压缩机吸入压力。第一个曲线是通过使用软启动装置调节压缩机电动机的转速而确定的压缩机入口处的压力，第二个曲线是不调节压缩机电动机的转速的情况。通过调节压缩机电动机的转速而观察到的模拟的压力由线550表示，不调节压缩机电动机的转速的压力由线560表示。如图所示，当使用软启动装置调节压缩机电动机的转速时，可避免在压缩机的入口处产生负压。当在启动过程中不调节压缩机的转速时，可以观察到将近-0.8单位的负压，直到建立起充足的产品流。
上文公开的特定实施例仅仅是示意性的，显然，通过本文的教导，对于那些本领域的技术人员来说，本发明可以被修改并以不同但等效的方式加以实施。此外，本发明不是要限制在本文中所给出的结构或设计的细节上，而是限定在下文的权利要求书中。因此很显然地，上文公开的特定实施例可以被更改或修改，并且应当认为所有这些变化都在本发明的范围和精神范围内。因此，本发明的保护范围由下述权利要求确定。

Claims (10)

1.一种用于生产氢气的设备，包括：
氢气发生器，其用于生产包括氢气的产品；
压缩单元，其位于氢气发生器的下游，用于接收所述产品并生产压缩产品，该压缩单元具有感应电动机和用于响应氢气发生器的瞬态操作调节该电动机转速的装置；和
下游单元，其包括下述单元中的一个或多个：
提纯单元，其用于接收所述压缩产品的至少一部分并且生产富氢产品；
第二压缩单元，其用于接收和压缩所述压缩产品或富氢产品；和
储存单元，其用于接收并储存所述压缩产品、富氢产品或压缩后的富氢产品；
其中，所述用于调节电动机转速的装置包括软启动装置，并且其中，所述软启动装置包括多个开关和一可调节的斜坡计时器，所述多个开关具有可调节的点火角；
其中，所述产品包括压力和/或流量上的波动，所述设备还包括用于降低压力和/或流量上的波动的装置；
其中，所述用于降低压力和/或流量上的波动的装置包括：设置在氢气发生器和压缩单元之间的缓冲器，和/或能够向压缩单元的入口提供受控制的补充流体流的导管，所述导管具有可变开度的阀以用于控制从导管穿过的补充流体的流量，所述补充流体包括压缩产品、富氢产品或它们的混合物。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述氢气发生器包括具有氧化器和重整器的燃料处理器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述下游单元包括提纯单元、提纯单元下游的储存单元、和位于提纯单元和储存单元之间的第二压缩单元。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述提纯单元包括氢选择性薄膜和变压吸附单元中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述储存单元包括高压容器和固氢材料中的一个或多个。
6.一种用于生产氢气的方法，该方法包括：
在氢气发生器中产生包括氢气的产品；
在具有感应电动机的压缩单元中压缩所述产品，以产生压缩产品；
降低产品压力和/或流量上的波动；和
响应氢气发生器的瞬态操作来调节所述感应电动机的转速；
其中，用于降低压力和/或流量上的波动的装置包括：设置在氢气发生器和压缩单元之间的缓冲器，和/或能够向压缩单元的入口提供受控制的补充流体流的导管，所述导管具有可变开度的阀以用于控制从导管穿过的补充流体的流量，所述补充流体包括压缩产品、富氢产品或它们的混合物；并且
其中，通过调整作用在感应电动机上的电压的均方根来调节所述感应电动机的转速；所述作用在感应电动机上的电压的均方根由软启动装置调节，所述软启动装置包括多个开关和一个可调节的斜坡计时器，所述多个开关具有可调节的点火角。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述氢气发生器包括燃料处理器。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括将所述多个开关的点火角调节为0°至75°之间的角度。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括调节所述斜坡计时器，以具有从0至20秒的时间周期。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述氢气发生器的瞬态操作包括启动、停机、调小和调大之中的一种或多种。
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