CN1298319A - 过程气体提纯和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种从一混合流中分离一产物的模件(图5中214),该模件包括:一混合流室,其有进口和出口装置并界定混合流的第一流路;一提纯/产物流室,其有进口和出口装置并界定提纯/产物流的第二流路,第二流路方向与第一流路相反;一位于混合流室与提纯/产物流室之间的膜片,该膜片对该产物可选择性渗透。还公开一种燃料电池系统,包括:一混合、燃烧一燃料和空气的混合物生成富氢燃料流的燃烧炉模件(210);使用由该燃烧炉模件生成的氢燃料产生电力/能量的氢燃料电池(250);该燃烧炉模件与该燃料电池之间一从燃烧炉模件中提取用于燃料电池的氢气的氢提纯模件(214),它使用一提纯气体提高提纯模件的性能;存储由燃烧炉模件生成的、但燃料电池不立即使用的氢燃料的氢存储装置(254);以及当燃料电池的氢气需求量大于燃烧炉模件的氢气生产量时把所存储的氢燃料从存储装置供给燃料电池的装置。

Description

过程气体提纯和燃料电池系统

本发明领域和背景

本发明涉及一种过程气体提纯系统，包括从一混合气流分离出一种气体、从而可把所分离和提纯的该气体用于工业或商用过程的装置和方法。本发明还涉及一种系统，该系统可把用于一燃料电池的所分离气体存储在该系统中，以便其用于该燃料电池。

本发明涉及一混合流的提纯，为此，从含有一产物的混合流中分离出该产物。这类提纯过程在工业中有很大意义，对小规模装置也很重要。该提纯过程涉及从若干气体中分离出任何一种气体，但一般涉及分离氢气或氧气。氢气和氧气是要分离的两种主要气体。但也可用本发明提纯过程和分离装置分离其他气体，例如氮、氩、二氧化碳、氨和甲烷。

现有提纯系统使用含有产物气体的混合气流，该混合气流流过必须能为该产物气体所渗透的一膜片。在该膜片的另一边上，产物气体被收集在一纯气流中后流出该系统。这些现有系统是否有效，很大程度上取决于混合气流与纯气流之间生成合适驱动力的压力差。而且，在现有系统中确保密封严密至关重要，如密封不好，该压力差会造成产物气体之外的一种或多种气体流过该膜片，从而污染所分离的产物气体。因此，膜片的混合气流边与纯气流边之间的严密密封至关重要。为了确保提纯所需的正驱动力，纯产物气流的压力必须小于混合气流中产物气体的局部压力。由于纯产物气流的压力不能超过混合气流中产物气体的局部压力，因此纯产物气流的压力必须小于混合气流的压力。如该膜片中的密封不严或有针孔，由于大量混合气体流入纯产物气流中，纯产物气流的纯度就会下降。

可用纯产物气体与进口混合气流中的产物气体的比之类产物气体回收系数和所需的膜片的总表面积衡量该分离过程的有效性。通常，混合气流的进口压力高达数个大气压，这有助于减小该系统中膜片的表面积、提高回收系数和提高纯产物气体的压力。举例说，如纯产物气流需要有三个大气压，则混合气流中的产物气体的局部压力在出口处必须大于三个大气压。设混合气流中产物气体在进口处的浓度为50％，要求回收系数为75％，则混合气流中的产物气体在出口处应为该气流的1/5。为说明这一点，进口处气体由8份构成，其中4份为产物气体，4份为其他气体。回收75％的产物气体意味着从4份产物气体中分离出3份，因此余下的混合气流由4份其他气体和1份产物气体构成。混合气流边出口处产物气体的局部压力为混合气体总压力的1/5或20％。由于所需纯产物气体为3个大气压，因此该混合气流的压力为3个大气压/20％或等于15个大气压。如不计气体流动过程中的压力降，混合气流的起始压力需要大于或等于15个大气压。膜片上的局部压力驱动力在进口处为4.5个大气压(15个大气压×20％-3个大气压)，在出口处约为0。因此平均驱动力为2.25个大气压。在这类系统中，由于驱动力在混合气流的出口处接近为0，因此膜片的大部分表面积用来获得该回收系数。因此，膜片的成本和体积极大。此外，为了保持产物气体纯度，膜片及其密封必须构作成保持高达12个大气压的横向压力并不发生泄漏。

本申请人的某些其他专利，包括美国专利Nos.5，207，185、5，299，536、5，441，546、5，437，123、5，529，484、5，546，701以及申请USSN471，404和USSN 742，383，作为参考材料包括在此。

本发明概述

本发明的一个方面为一种气体提纯系统，其中，一混合气流中的一产物气体从该混合气流横向流过一膜片后流入该膜片另一边上流动方向与该混合气流相反的一提纯气流中。混合气流和提纯气流的压力以及产物气体在该膜片两边上的局部压力都受到控制，以促使产物气体流过该膜片。在本发明系统中，膜片和其他部件的密封是否严密和是否存在针孔对从混合气流中所分离的产物气体的纯度来说无关紧要，从而更便于人们使用该系统。混合气流和提纯气流在一分离模件中的流动方向相反。最好是，混合气流中的产物气体为氢气或氧气，但本发明也可有效地用于其他产物气体，包括但不限于氮、氩、二氧化碳、氨和甲烷。最好是，该提纯气体为一容易分离的过程气体，一般包括但不限于水蒸气或致冷剂。

在一种应用场合，本发明为一种从一重整炉或一欠氧化燃烧炉流出的混合气体中提纯氢气的方法和装置。

混合气流和提纯气流由一合适膜片隔开，从混合气流中分离的产物气体必须能渗透或有效渗透该膜片。在很大程度上，根据从混合气流中分离的产物气体的性质选择膜片后把膜片装入该分离模件。在一实施例中，“钯型”金属膜片可有效地用作氢气分离膜片，因为吸收入该金属的格栅结构中的氢气与氢气的局部压力成正比。膜片两边氢气之间的局部压力差一般被用作使混合气流中的氢气流动到膜片另一边的提纯/产物气流中的驱动力。通常，为了提高产物气体的转移率，提高这些分离膜片的温度，在该特殊实施例中，膜片转移的是氢气。在一实施例中，所转移的产物气体为氢气。

还可使用其他种类的膜片，包括陶瓷膜片。陶瓷膜片、特别是在高温下的陶瓷膜片把氧离子吸收入其格栅结构中，因此被用作氧气分离膜片。陶瓷膜片的一个例子是氧化锆和用氧化钇稳定的氧化锆。在电化反应器中使用纯离子传导膜片，此时，电力为用作分离的主要驱动力。除了电动的电化反应器，还使用导电膜片，此时，与钯型膜片一样，只用局部压力驱动力分离、提纯混合气流中的氧气。

因此，按照本发明的一个方面，本发明使用一种用膜片分离气体的新颖方法，同时无需使用高精度密封，压力差也无需大到膜片密封承受不了的程度。

在本发明一实施例中，两气流可流过一分离模件，一合适膜片把两气流隔开。在该膜片的一边上，一混合气流从一进口经该膜片流到一出口，而在该膜片的另一边上，用流动方向与该混合气流相反的高压水蒸气进行提纯。该新颖分离过程提高产物气体的回收系数和纯产物气体的压力，同时减少密封和无针孔膜片的重要性。

从下例中可清楚看出本发明实现提纯过程的方法及其分离装置的好处。一混合气流在15个大气压下输入该分离模件，产物气体在该混合气流中的浓度为50％。产物气体为要从该混合气流中分离出来的成分，它渗过该膜片流入提纯/产物气体流中。在该特殊实施例中，提纯气体为在膜片的与混合气流相反一边上、流动方向与混合气流相反的水蒸气流。提纯气体流的体积流率为混合气流的两倍，其压力稍大于15个大气压。如膜片表面积与上例相同，回收系数可接近100％。由于提纯/产物气体中的产物气体在进口处的局部压力为0，因此混合气流中的产物气体的局部压力在出口处也接近0。由于产物气体的数量在提纯气流进口处为0，该进口处的提纯气体为纯水蒸气，因此提纯/产物气流进口处的局部压力为0。

如果所有产物气体从混合气流中被分离出来，那么流出模件的提纯/产物气体流含有4份产物气体和16份水蒸气。由于提纯气流、从而提纯/产物气体流进口处为15个大气压，因此提纯/产物气体流出口处的产物气体的局部压力约为3个大气压。驱动力在混合气流进口处为4.5个大气压，在混合气流出口处为0。因此平均驱动力为与上例相同的2.25个大气压，从而只需要数量相同的表面积。本发明使用与现有系统相同的硬件可从混合气流中回收100％的产物气体，而现有系统的回收率只有75％。

在上述本发明例子中，提纯/产物气体流的绝对压力稍大于15个大气压，从而稍大于膜片另一边的混合气流的绝对压力。如膜片中有针孔或该系统的膜片或其他部件的密封不严，只会是提纯/产物气体漏入混合气流中，因此这类泄漏对产物气体的纯度没有影响。换句话说，绝对压力选择成，即使发生泄漏，其方向也不会降低所分离产物气体的纯度，同时使得系统中的膜片质量和密封性能变得无关紧要。

还可看出，横向压力或绝对压力差极小，只占绝对压力的一小部分。因此，膜片厚度可减小，因为它不必承受由很大压力差生成的力。由于膜片厚度可减小，因此不仅系统性能提高，而且其成本降低。

本发明的另一个方面涉及对提纯/产物气体流进行处理，以便把产物气体按需要传给用户或下游设备。提纯/产物气体流在15个大气压下流出分离模件，从而可在约为15个大气压下传送到下游。在一实施例中，可用分离模件下游的一再生蒸汽发生器和水蒸气冷凝器实现该传送。在该再生蒸汽发生器处，提纯/产物气体流中的水蒸气被冷凝，只留下压力约为15个大气压的纯产物气体。然后，用该再生蒸汽发生器回收尽可能多的热能以节约能量。换句话说，在该系统中用由冷凝水蒸气生成的热能加热和蒸发在提纯气流的进口处输入分离模件中的水。本发明例子还示出，纯产物气体的压力约为15个大气压或为现有例子中的产物气体压力的5倍。

如果对回收系数的要求下降，则在该分离系统和过程中，所需膜片表面积可减小。例如，如该过程只要求75％的回收率，则产物气体在混合气流出口处的局部压力为与上述现有例子相同的3个大气压。此时混合气流出口处的驱动力为3个大气压，因此把混合气流与提纯气流隔开的整个膜片表面积上的平均驱动力提高到3.75个大气压。因此，分离所需膜片的表面积大大小于要求100％回收率时的表面积。此外，由于平均驱动力提高，所需表面积减小，因此分离模件的成本和体积大大减小。但是，即使回收要求小于100％，该系统的好处保持不变，包括回收系数提高、从系统流出的产物气体的压力提高、对密封性能的要求降低。

附图的简要说明

图1为本发明第一实施例的示意图，示出一膜片部件及其进口和出口流；

图2为本发明第二实施例的示意图，示出一电化膜片部件及其进口和出口流；

图3为包括一膜片部件和有关结构的整个过程的示意图，包括提纯气体流的流路；

图4(a)为现有燃料电池电力系统的流程图；

图4(b)为示出图4(a)所示系统上的电力负荷的曲线图；以及

图5为本发明燃料电池电力系统的流程图。

对优选实施例的详细说明

图1-3分别示出一离子型膜片分离模件、一电力型膜片分离模件和一与其他部件连接的模件。图4和5分别示出现有燃料电池系统和本发明燃料电池系统，突出示出这两种系统的差别和本发明燃料电池的新颖方面。

图1示出一分离膜片模件12，包括一气体分离膜片12和该膜片两边的气流室14和16。气流室14用来接收和传送一混合气流18，而气流室16用来接收和传送一提纯气流20。混合气流气流室14的一端有一进口22，另一端有一出口24。同样，提纯气流气流室16的一端有一进口26，另一端有一出口28。可以看到，混合气流18的进口22和提纯气流20的进口26分列在模件10的相对两端上，因此混合气流18与提纯气流20的流动方向相反。

气体分离膜片12的膜片表面30在混合气流18一边，而其膜片表面32在提纯气流20一边。混合气流18在进口22处流入气流室14的部位用标号34表示，而混合气流在出口24处流出气流室14的部位用标号36表示。对于提纯气流，标号38表示在进口26处流入气流室16的提纯气流，而标号40表示包括下文详述的产物气体在内的提纯气流在出口28处流出气流室16。

在图1中，膜片12为用于分离氢气的钯银型膜片。当分离模件10用来分离氧气时，膜片12可包括混合离子/电子传导陶瓷膜片。总之，可以看出，可为预定产物气体或液体所渗透的任何现有或其他种类的膜片都可用于本发明，不管从混合气流中分离的是氢气、氧气、二氧化碳、氨、甲烷还是其他产物气体。膜片当然与两气流接触，膜片的表面30与混合气流接触，膜片的表面32与提纯气流接触。

混合气流34从进口22流入气流室14。在流过气流室14后成为混合气流36从出口24流出。该混合气流由产物气体(例如要从混合气流中分离出来的氢气、氧气或其他气体或液体)和与产物气体分离的其他气体构成。在分离模件10的另一边，提纯气流38从进口26流过气流室16后成为提纯/产物气体40从出口28流出。提纯气流可为在分离模件10的下游易于与产物气体分开的水蒸气或任何其他气体，这在下文交代。下面说明分离产物气体为氢气或氧气的一特殊实施例。尽管在该特殊实施例中说明这两种气体，但在本发明范围内也可从一混合气流中分离其他气体或液体。

氢气为包含在流过分离模件10的气流室14的混合气流18中的产物气体。氢气作用于膜片的表面30上而被吸收入膜片12的格栅中。该表面中的氢气的数量与混合气流中氢气在该膜片表面上方的局部压力成正比。提纯气流20流过气流室16，使得膜片的表面32上的氢气局部压力比膜片12的另一边表面30上的氢气局部压力低。因此，分离膜片12表面30旁格栅中的氢气经膜片12迁移到表面32。由于表面32旁的氢气压力较低，因此氢气流出膜片12的格栅结构后流入提纯气流中(把提纯气流转变成提纯/产物气体流)，然后成为气流40从出口28流出。

进口26处的提纯气流38、出口28处的提纯/产物气体流40以及它们之间的气流的压力比混合气流高。此外，提纯气流20的流率保持足够高，使得氢气局部压力驱动力在气体分离膜片12的整个表面上呈正值。因此，可以看到，在混合气流18中保持较高氢气局部压力的同时在气流室16中保持提纯气流38的较高压力可有效确保氢气从室14经分离膜片12迁移到室16，但防止混合气流中的其他成分越过分离膜片12，即使膜片12中有针孔或密封不严。

图2示出本发明另一实施例。在该实施例中，图2中与图1相同的部件用同一标号表示。图2所示分离模件与图1的不同之处是，气流室16与分离膜片12之间有一电极42，分离膜片12与气流室14之间有一电极44。图2所示气体分离膜片12为锆之类的离子传导膜片，但也可使用其他种类的传导膜片。

分离膜片12上涂有电极42和44，它们分别与提纯气流20和混合气流18接触。在下例中，使用氧离子传导膜片，但使用带负电荷离子、甚至带正电荷离子的其他合适膜片也在本发明范围内。

混合气流18从进口22流入，从出口24流出，而提纯气流20从进口26流入室16，从出口28流出。混合气流18与提纯气流20的流动方向仍然相反。提纯气流20的压力约等于所需纯产物气体的传送压力。该例中为氢气的纯产物气体在比方说15个大气压的预定压力下传送到分离模件的下游，提纯气体的压力保持在该纯产物气体传送压力上。但是，为了减小针孔或密封不严的影响，提纯气流20的压力必须稍大于室14中的混合气流18的压力。如该结构的膜片对混合气流中的其他成分的密封良好，该压力标准可稍稍放松。

电子46进入电极42后迁移到电极42中的反应区48。在该实施例中，提纯气流由水蒸气构成，水蒸气与电子46进入反应区48生成氢气50和氧离子52。氧离子52进入分离膜片12的格栅结构。氧离子52在反应区48旁的浓度的增加使得氧离子52流到电极44中的反应区54。室14中的混合气流18中的氢气56进入反应区54后与氧离子反应。该反应生成水58，该水蒸发后进入室14中的混合气流18，同时释放出电子60，电子60离开电极44后经外部电路62流回电极42。

在图2所示实施例中，分离氢气的驱动力主要为电力，但除该电力外保持局部正驱动力可减少驱动该系统所需的能量。此外，在该实施例中，由于电驱动力把氢气从低局部压力的混合气流18移到室16中的较高局部压力的提纯气体20，因此提纯气体的流率可减小。因此，该实施例与图1所示实施例不同，混合气流18中氢气的局部压力在气体分离膜片12的长度上不必高于提纯气流20中氢气的局部压力。

本发明装置和方法的好处和优点同样适用于其他气体。例如，混合气流中的氧气可在反应区54生成氧离子52和电子。因此电子46与60的流动方向与从混合气流中分离出氢气时相反，氧离子52的流动方向也相反。在反应区48，氧离子52与从外部电路62返回的电子46重新结合成纯氧后进入一般由水蒸气构成的提纯气流中。本发明逆向流动的提纯气体在该例中的好处与使用氢气的上例相同。

图3为整个气体提纯和分离系统的示意图。在图3中，与图1和2中相同的结构和部件用同一标号表示。在图3中，混合气流18从进口22流入时为气流34，在出口24处成为废弃的混合气流36。提纯气流20作为气流38流入进口26，其流动方向与混合气流18相反。提纯气体20从出口28流出时成为提纯/产物气体流40。混合气流和提纯气流18和20的各气流如结合图1和2所述由气体分离膜片12隔开。提纯/产物气体流40流到一再生蒸汽发生器68后从气流40中除去热量，该气流40中的水蒸气冷凝。在流过蒸汽发生器68后，该气流进入一除热后级冷凝器70，然后流入一液体/气体分离器72。在该液体/气体分离器72中，纯产物气体流76与冷凝水74分离。从该气流中分离出的纯产物气体流76用于或传送到下游某一地点。

水74经一泵78流回再生蒸汽发生器68，在该发生器中，用冷凝气流40中的水生成的热量把液态水74转变成水蒸气。如使用致冷型提纯气体，则在泵78与蒸汽发生器68之间设置一孔板80。该水蒸气经一过热器82加热成提纯气流38后流入分离模件10的进口26。此外，需要时可在分离器72中添加水量。

下面参见图4(a)、4(b)和图5。图4示出一现有燃料电池电力系统，而图5示出本发明燃料电池系统。

图4(a)示出一欠氧化燃烧炉/重整炉或燃料处理器110。该燃料处理器110接收甲醇、乙醇、柴油之类碳氢燃料后混合和燃烧这些燃料，生成富氢混合气体产物。用泵116沿燃料管道114把碳氢燃料从燃料进口112送入该燃烧炉。燃料管道114中有一阀118控制燃料的流率。燃料管道114与燃料处理器110连接。汽轮发电机122中有一空气进口120沿空气管道124把空气压入燃料处理器110中。管道154中的空气中可加入水蒸气。在燃料处理器110中，来自空气管道124的空气与来自燃料管道114的燃料最好在有水的情况下混合、反应和燃烧，生成氢气/混合气体产物后从产物管道126流出燃料处理器110。产物管道126经下游转换反应器170和172、热回收热交换器173和175和一氧化碳过滤器176把该氢气/混合气体产物最终传送到一燃料电池128，该产物然后在燃料电池中与从空气管道130泵入的空气混合，该空气管道130中的空气来自汽轮发电机122的空气管道124。

燃料电池128的阳极废气管道132和阴极废气管道134各与一冷凝器136和138连接。冷凝器136与一分离器140连接，而冷凝器138与分离器142连接，在分离器140和142中，从该混合物中分离出的水分别排出到水管144和146。水管144和146连成一水管148，把水传给蒸汽发生器150。但是，一部分水经水管152引入燃料处理器110后与该燃烧室中的高热产物气体混合。从水管148流入蒸汽发生器150的水用从热交换器173和175回收的热量加热成水蒸气经水蒸气管道154传给空气管道124，然后空气与水蒸气混合后如上所述送到燃料处理器110。

分离器140和142用残余产物管道158和160与一燃烧器156连接，残余产物在燃烧器156中燃烧生成的热量和能量经管道162送到汽轮发电机122。在该管道162中流动的该产物所含热量和能量经汽轮发电机处理后推动发电机164。该燃烧气体从汽轮发电机122的排气管166排出。

在燃料处理器110中有一燃烧室，空气、燃料和水的混合物在该燃烧室中燃烧，其温度高达约2700°F。在燃料处理器底部，从管道152引入的水使产物气体的温度下降到约700°F。其下游有一高温转换区170和一低温转换区172，在这里一氧化碳与水反应生成氢气和二氧化碳。这两个转换反应器用来除去该系统中的燃烧副产物。燃料处理器中还有一从燃烧混合物中除去硫的氧化锌床174。从硫床174和高温转换反应器170流出的产物气体经热交换器173的冷却后流入低温转换反应器172。气体在低温转换反应器172后用热交换器171进一步冷却。最后，一氧化碳在一氧化碳过滤器176中减少到燃料电池128容许的数量。产物管道126中氢气/混合气体产物中的氢气浓度相当低，一般为产物气体总量的30-40％。

如上所述，燃料电池128中的残余产物经冷凝器和分离器送到燃烧器156，在燃烧器中燃烧以提高管道162中的产物的温度。管道162中的这些产物的温度可达约800°F，大大低于本发明燃料电池系统中对应结构中的温度，这在下文说明。

图5为本发明各流体和系统的流程图。从下面的说明显然可见，本发明燃料电池系统较之现有系统有许多优点，效率和输出提高，所需欠氧化燃烧炉的标称或额定功率低。额定功率可降低的原因是本发明能高效使用和生成氢燃料，把氢气存储在一氢气罐中备用。由于能存储氢气，因此生成氢气的欠氧化燃烧炉不必运行在不稳定的高峰负荷下，而是一般运行在更连贯、更稳定的状态下，但仍提供足够的氢气，使得该系统运行在现有系统的高峰负荷下。

图5示出一一般包括一燃烧室212的欠氧化燃烧炉/重整炉210。本发明系统在燃烧室212的下游装有一新颖提纯模件214。该提纯模件214有一混合气体侧213和一提纯/产物气体侧233。混合气体侧213的流动方向与提纯/产物气体侧233相反。供应给欠氧化燃烧炉210的空气、燃料和水点火后充分混合，生成氢气、一氧化碳和水。

用泵-压缩机220把燃料管道218中的燃料从燃料进口216压入燃烧室212中。用阀222控制燃料管道218中的燃料的流率。与现有系统一样，该燃料可包括甲醇、乙醇、柴油之类碳氢燃料或其他合适燃料。一空气进口224向一汽轮发电机226输送空气，该空气从汽轮发电机226经空气管道228输送到燃烧炉210的燃烧室212。空气管道228中的空气可用与该燃料电池系统中另一蒸汽源连接的蒸汽管道230中的蒸汽补充，这在下文详述。蒸汽管道230有一支管232把蒸汽供给提纯模件214。

燃烧炉210的燃烧室212中有充分混合分别来自管道228和218的空气和燃料的结构。这些结构一般终止于一喷嘴，从而把充分混合的燃料和空气混合物喷入燃烧室中后点火。该混合结构和喷嘴的详情见本申请人的其他专利，包括作为参考材料包括在此的美国专利Nos.5，207，185、5，299，536、5，441，546、5，437，123、5，529，484、5，546，701以及申请USSN471，404和USSN742，383。

燃烧炉210中的燃烧过程把碳氢燃料转变成氢气和一氧化碳混合气流，该混合气流流入提纯模件214后流过混合气体侧213。管道232中的蒸汽流入提纯模件214后流过提纯/产物气体侧233。混合气流213与提纯/产物气体流233的流动方向相反。氢气从混合气流213中如上文所述转移到提纯/产物气体流233中。回收系数最好为70-90％。

氢气/蒸汽混合物从燃烧炉210流出后经水/氢气管道236传送到一冷凝器238，该冷凝器可为参照图3所述的再生冷凝器。还有一后级冷凝器240，冷凝器238与冷凝器240构成一水冷凝链。这两个冷凝器把氢气/蒸汽冷凝成氢气/液态水混合物，然后用一分离器242分离并隔开氢气与水。氢气经氢气管道244流出分离器242，而水经水管246流出分离器242。

本发明的一个突出优点是，与现有系统相比较，氢气管道244中为约100％的氢气，而在现有系统中，供应给燃料电池的氢气-产物混合物中的氢气含量只有30-40％。在本发明中，氢气管道244可用管道248与燃料电池模件250连接或用管道252与一氢气存储罐254连接。显然，流入管道248或252中的氢气数量决定于燃料电池上的负荷。如当前负荷需要使用分离器242中所有的氢气，所生成的所有氢气就经管道248供应给燃料电池250。另一方面，如从分离器经管道244供应的氢气超过当前负荷要求，所有或部分氢气就经管道252存储在氢气存储罐254中。管道252中的一泵256把氢气输送到存储罐254。

当然，完全可能燃料电池250上的负荷对氢气的需求量比在分离器242中实际所生产和分离的大。在现有系统中，此时要求燃料处理器生产更多氢气。但是，在本发明中，由存储在存储罐254中的氢气满足对氢气的需求的增加。用阀258控制的输气管252把氢气从存储罐传送到管道248中而为燃料电池250所用。

用阴极废气管道260把燃料电池中的阴极废气传送到一催化燃烧器262。燃烧炉210中的废气也经管道264传给催化燃烧器262。来自提纯模件的混合气流侧213的这些废气包括氢气。此外，压缩空气从汽轮发电机226经管道266传给催化燃烧器262。催化燃烧器262燃烧来自燃烧炉210的废气和经管道260来自燃料电池的阴极废气。用在管道266中流率受阀268控制的空气助燃，结果生成大量热。催化燃烧器所生成的气体从管道270流出，其温度一般为1200°F-1800°F，比现有系统高得多。如前面结合图4(a)所述，燃烧器燃烧废气把温度提高到约800°F。管道270把该气体供应给汽轮发电机226，该气体的至少一部分能量用来驱动发电机272。管道270把高压气体传给汽轮发电机的膨胀部226a，气体的压力和热量驱动该膨胀部。气体膨胀后经管道291传到再生蒸汽发生器284、冷凝器288和液体/气体分离器278。来自分离器278的水和来自分离器242的水合在一起流入泵286，然后经控制阀289和管道282流到蒸汽发生器284。蒸汽然后送到管道230。

如图5所示，在蒸汽发生器284中把水转换成蒸汽的至少一部分能量来自于汽轮发电机的废气，这与现有系统不同，该部分能量不是从系统排出，而是经管道291传给蒸汽发生器284。如需要更多能量，从冷凝器238回收的能量可与由管道291输送到发生器284的热量合并。因此本发明系统使用在现有系统中排出的这部分热量和能量。因此本发明的效率提高，能耗降低，燃料节省。

蒸汽发生器284生成的蒸汽经管道230传给空气管道228，在空气管道中与空气混合后传给燃烧炉210和燃料电池250。一蒸汽支管232把蒸汽从蒸汽发生器284传给本发明提纯模件214。

本发明系统较之现有系统有若干突出优点。一个差别是起动时间。在现有系统中，在所生成的氢气增加到能满足燃料电池的负荷要求前的起动时间至少为2分钟。事实上，能量使用的典型分布极不稳定，对电力的需求在高点与低点之间来回变动。图4(b)示出现有系统中的典型能量分布曲线。该系统随着负荷增加或减小在运行时发生浪涌，结果需生产更多氢气。该系统必须设计成能对付这种浪涌和需求的巨大变动。本发明系统当然装有一氢气存储罐254。因此，由于燃料电池可从存储罐中随用随取氢气，因此起动时间大大缩短。该氢气存储罐可把燃料电池在低负荷时所生成的氢气存储起来。相反，在发生浪涌时，燃料电池所需的大量氢气不取自燃料处理器，而取自氢气存储罐。

由于本发明系统在供电高峰时可使用氢气存储，因此本发明的另一个突出优点是燃料处理器可设计成在高峰时输出少量氢气。由于氢气含量为30-40％的现有系统不能存储氢气，因此燃料处理器必须能输出与高峰供电对应的氢气。事实上，在一般系统中，即使平均负荷只有15kw，但供电峰值可达50kw或50kw以上。能存储氢气的净结果是，该系统在高峰供电时不靠燃料处理器生产大量氢气，而用所存储的氢气补偿少量生产的氢气。因此本发明系统的燃料处理器可稳定、连贯地输出氢气，不管是否需要氢气。不立时需要的氢气可存储在氢气存储罐中，在出现高峰而对氢气需求超过燃料处理器的输出能力时使用。因此，燃料处理器和/或重整炉可根据基本负荷确定其合适大小。可使用额定功率为15kw而不是50kw的装置，从而不仅可降低整个系统的成本，而且可用预定数量的燃料更高效地生产氢气。该欠氧化燃烧炉和重整炉的实际尺寸可减小，从而节省空间。因此，由于可存储不使用的多余氢气，燃烧炉和燃料电池可始终以最大效率运行。由于能存储氢气，燃料处理器可生产数量稳定的氢气，使得燃料电池和/或重整炉的体积比现有系统减少30％或以上。

从上述说明中还显然可见，本发明系统比现有系统的另一个优越之处在于，它所生产的氢气的浓度高得多。在图4(a)所示现有系统中，产物管道126中的氢气/混合气体中的氢气浓度为30-40％。与此比较，图5所示从燃烧炉210流出到氢气管道244中的氢气浓度接近100％。很难有效存储氢气浓度低到30-40％的氢气/混合气体。由于流出燃烧炉的混合物中的氢气接近纯净，因此本发明系统不存在存储问题。高纯度氢气还使燃料电池250的效率提高，从而燃料电池的体积减小、成本降低。

本发明系统还能在更高温度下运行汽轮发电机，从而提高其运行效率。在图4中，现有系统所使用的燃料处理器110为了除去一氧化碳之类成分在该燃烧装置中必须包括若干转换处理器。这些转换反应器造成热含量大大减小，特别是该燃料处理器中从高温转换区到低温转换区。本发明系统分离氢气与废气。提纯模件214中的高热废气直接送到催化燃烧器262生产热量。

在本发明中，该系统在这里不仅把温度高达1200-1800°F的气体供应给膨胀器和发电机，而且不排出剩余热量和能量，而是循环到热量回收蒸汽发生器，把该系统中的水转换成蒸汽后进一步用于氢气生产过程。因此，汽轮发电机的性能提高，该系统单位燃料的输出能量增加。

本发明系统还使燃料处理系统和燃料电池系统简化。在现有燃料处理系统中，为了除去流入燃料电池的产物气体中的污染物，需要使用转换反应器170和172、一氧化碳过滤器176和硫吸收床174。提纯模件214的混合气体侧可设计成具有转换催化功能，因此无需使用转换反应器170和172。由于用提纯模件214分离氢气，因此该功能增强。由于重整炉产物气体不直接流过燃料电池模件250，因此还无需硫吸收床174和一氧化碳过滤器176。由于无需使用这些部件，因此系统的体积减小，成本降低。

如结合图1-3详述，在分离模件中进行提纯的蒸汽可回收混合气流中85％以上的氢气，在高压下把氢气供应给燃料电池，并由于该模件中膜片两边上的压力差，因此由针孔或密封不严造成的副作用减小，这些密封变得无关紧要。

由于在系统所生产的氢气数量比系统所需氢气数量多时可把氢气存储在存储罐中，因此系统可迅速加速，起动时间大大缩短，因为使用所存储的氢气比把燃料电池加速到峰值和增加氢气输出所化时间短得多。本发明无需现有系统中为处理燃料生产过程中所生成的污染成分所需的转换催化床和/或除硫床。由于这些污染物的数量不多，因此该系统中可保持更高温度，从而效率提高。

本发明燃料电池系统的典型起动周期涉及旋转汽轮发电机的蓄电池，以开始向燃料电池供应空气流和从存储罐254释放氢气。该起动所需时间极短。空气流向欠氧化燃烧炉和催化燃烧器262为热过程，因此一般需要更长、更逐渐的起动周期。燃料流向欠氧化燃烧炉后，燃烧炉中的火花塞通电对燃烧室212中的混合物点火。燃烧炉210运行在高容量和高理想配比(SR)下。

对汽轮发电机的加热加上氢气从存储罐254输送到燃料电池250，车辆迅速起动，或在其他应用场合迅速输出电力。随着系统升温，所生成的蒸汽经管道233向提纯模件输送提纯气体，系统达到运行温度，从而从混合气流中提取氢气。提纯模件214从混合气流213中提取氢气和开始向燃料电池250提供氢气。当燃料电池负荷下降时，一部分氢气开始添加到存储罐254中。氢气向存储罐转向的氢气存储周期按需要重新装载氢气存储罐。

该过程气体提纯模件和燃料电池系统有效和高效利用碳氢燃料中的氢气。本发明欠氧化燃烧炉加上气体提纯模件设计成从碳氢燃料中提取最佳数量的氢气。为此控制提纯模件中膜片两边上的氢气(或从混合气流中提取的其他气体)的局部压力以及操纵在膜片两边上流动的各气流的整个压力和局部压力。此外，本发明更进一步，不仅从碳氢燃料中提取最佳氢气浓度，而且最佳使用该过程所生成的氢气。用更高压力和更高温度把氢气更有效地传送给燃料电池发电。此外，由于燃料电池负荷不仅依靠燃料处理器所生产的氢气，还依靠在低负荷时用存储罐存储的氢气，因此燃料处理器的体积减小，运行更稳定。

本发明不受上述细节的限制，在本发明范围内可使用其他实施例。关键是在产物气体侧使用流动方向与混合气流相反的提纯气体。

Claims (46)

1、一种从一混合流中分离一产物的模件，该模件包括：

(a)一混合流室，该混合流室有进口装置和出口装置，界定混合流的第一流路；

(b)一提纯/产物流室，该室有进口装置和出口装置，界定提纯/产物流的第二流路，第二流路的方向与第一流路相反；

(c)一位于混合流室与提纯/产物流室之间的膜片，该膜片对该产物具有选择渗透性。

2、按权利要求1所述的模件，其特征在于，该提纯/产物流室与一提纯气体气源连接。

3、按权利要求1所述的模件，其特征在于，该提纯/产物流室与一提供提纯/气体流的供应源连接。

4、按权利要求1所述的模件，其特征在于，提纯/产物流的进口装置与一可冷凝气体的气源连接，该可冷凝气体可为高压水蒸气、酒精蒸汽、碳氟化合物蒸汽、含氯氟烃化合物蒸汽和任何其他致冷型化合物。

5、按权利要求1所述的模件，其特征在于，该混合气体室的进口装置与一欠氧化重整炉连接，从该混合流中分离的产物为氢气。

6、按权利要求1所述的模件，其特征在于，提纯/产物流室的出口装置与其下游的一提纯气体冷凝器连接，从而从提纯/产物流中分离该产物。

7、按权利要求1所述的模件，其特征在于，该膜片为可渗透氢气的钯型膜片。

8、按权利要求1所述的模件，其特征在于，该膜片包括露出在混合流室中的第一表面和露出在提纯/产物流室中的第二表面以及膜片的第一与第二表面之间、对该产物具有选择渗透性的格栅结构。

9、按权利要求1所述的模件，其特征在于，进一步包括膜片露出在混合流室中的表面上的第一电极和膜片露出在提纯/产物流室中的表面上的第二电极以及第一与第二电极之间的电子流连接装置。

10、按权利要求9所述的模件，其特征在于，该膜片为负离子传导膜片。

11、按权利要求9所述的模件，其特征在于，该负离子传导膜片为氧离子传导膜片。

12、按权利要求11所述的模件，其特征在于，该氧离子传导膜片为锆。

13、按权利要求9所述的模件，其特征在于，该连接装置为一外部电路，使得自由电子在该模件外部从第一电极经该外部电路传导到第二电极。

14、按权利要求9所述的模件，其特征在于，该膜片为一氧离子传导膜片，该氧离子传导膜片包括一混合离子和电子传导材料，无需外部电路。

15、按权利要求9所述的模件，其特征在于，该膜片为一氧传导膜片，由混合离子和电子传导材料制成，该连接装置与一自由电子流的外部电路电连接。

16、按权利要求1所述的模件，其特征在于，该混合流室进一步包括一促进额外反应的催化剂。

17、按权利要求16所述的模件，其特征在于，该催化剂促进一氧化碳转换反应。

18、按权利要求1所述的模件，其特征在于，进一步包括一下游冷凝器。

19、按权利要求1所述的模件，其特征在于，进一步包括冷凝提纯/产物流中的水蒸气的水分离器和把冷凝水传给提纯/产物流室的进口装置的装置，该冷凝水在输入提纯/产物流室前用一蒸汽发生器和过热器加热。

20、一种从一混合流中分离一产物的混合流处理方法，该方法包括：

(a)把具有第一流路的混合流引入一模件的一混合流室中，该混合流室有进口和出口装置，

(b)把具有第二流路的一提纯流引入该模件的一提纯/产物流室中，该提纯/产物流室有进口和出口装置，且使第二流路的方向与第一流路相反；

(c)在该混合流室与提纯/产物流室之间设置一分离膜片，该分离膜片对该产物具有选择渗透性，从而混合流中的该产物经该膜片流入提纯流中，从而形成一提纯/产物流，

(d)提纯/产物流从提纯/产物流室的出口装置流出，

(e)产物分离后的混合流从混合流室的出口装置流出。

21、按权利要求20所述的方法，其特征在于，通过在膜片的产物侧中提供一提纯气体使得产物在混合流室中分离膜片上一点处的局部压力大于产物在分离膜片另一边上该点处的局部压力，从而形成使产物渗透该分离膜片的驱动力。

22、按权利要求20所述的方法，其特征在于，混合流室中的混合流的压力小于提纯/产物流室中的提纯流和提纯/产物流的压力。

23、按权利要求20所述的方法，其特征在于，使产物渗过分离膜片的驱动力包括分离膜片两边上的电化反应。

24、按权利要求21所述的方法，其特征在于，使产物渗过分离膜片的驱动力进一步包括分离膜片两边上的电化反应。

25、按权利要求20所述的方法，其特征在于，该提纯流为水蒸气或蒸汽。

26、按权利要求20所述的方法，其特征在于，该分离膜片工作在高温下。

27、按权利要求26所述的方法，其特征在于，该高温大于400°F。

28、按权利要求20所述的方法，其特征在于，该提纯流为一非反应蒸汽，它在工作温度下蒸汽压力较高并且冷凝温度较高，以便从产物中分离出来。

29、按权利要求20所述的方法，其特征在于，该提纯气体为酒精、碳氟化合物或任何致冷型化合物。

30、按权利要求26所述的方法，其特征在于，该产物为下述一种气体：氢、氧、氮、氩、二氧化碳、氨和甲烷。

31、一种燃料电池系统，包括：

(a)一混合、燃烧一燃料和空气的混合物生成富氢燃料流的燃烧炉模件；

(b)使用由该燃烧炉模件生成的氢燃料产生电力/能量的氢燃料电池；

(c)该燃烧炉模件与该燃料电池之间一从燃烧炉模件中提取用于燃料电池的氢气的氢提纯模件，它使用一提纯气体提高提纯模件的性能。

32、按权利要求31所述的燃料电池系统，其特征在于，进一步包括：

(a)存储由燃烧炉模件生成的、但燃料电池不立即使用的氢燃料的氢存储装置；

(b)当燃料电池的氢气需求量大于燃烧炉模件的氢气生产量时把所存储的氢燃料从存储装置供给燃料电池的装置。

33、按权利要求31所述的燃料电池系统，其特征在于，该燃烧炉模件包括一在高温下生成一富氢燃料流混合物的欠氧化燃烧炉。

34、按权利要求31所述的燃料电池系统，其特征在于，进一步包括燃烧炉与燃料电池之间、从氢燃料与水蒸气的混合物中提取水蒸气的冷凝装置，氢燃料按需要传送给燃料电池和/或存储罐。

35、按权利要求31所述的燃料电池系统，其特征在于，进一步包括一燃烧燃烧炉所生成的废气的燃烧器，该燃烧器产生的额外热量和能量用来驱动一发电机。

36、按权利要求35所述的燃料电池系统，其特征在于，该燃烧器为催化燃烧器。

37、按权利要求35所述的燃料电池系统，其特征在于，进一步包括一热回收蒸汽发生器，该蒸汽发生器受该燃烧器所生成的额外热量和能量和冷凝器回收的热量的驱动。

38、按权利要求31所述的燃料电池系统，其特征在于，进一步包括一向该燃烧炉提供高压空气的汽轮发电机。

39、一种向一燃料电池提供氢气的方法，该方法包括：

(a)在一燃烧炉模件中混合、燃烧一燃料和空气的混合物生成富氢燃料流；

(b)提供一氢燃料电池，使用该燃烧炉模件所生成的氢燃料产生电力/能量；

(c)在该燃烧炉模件与该燃料电池之间提供一氢提纯模件从燃烧炉模件的富氢流中提取氢燃料传给该燃料电池；

(d)把燃烧炉模件所生成、燃料电池不立即使用的氢燃料存储在一氢存储装置中；以及

(e)当燃料电池的氢气需求量大于燃烧炉模件的氢气生产量时把所存储的氢燃料从存储装置供给燃料电池。

40、按权利要求39所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用水蒸气在整个提纯模件中进行提纯，促进氢燃料从富氢流中的分离，以便向燃料电池和存储装置提供大致为100％的氢燃料。

41、按权利要求39所述的方法，其特征在于，在高压下向燃料电池提供氢气。

42、按权利要求39所述的方法，其特征在于，燃烧炉所生成的废气在一催化燃烧器中点火生成额外热量和能量，该热量和能量驱动一发电机。

43、按权利要求42所述的方法，其特征在于，该额外热量和能量还传给一热回收蒸汽发生器，该蒸汽发生器把水加热成水蒸气用于该燃烧炉和提纯模件。

44、按权利要求43所述的方法，其特征在于，被加热成水蒸气的水包括从由增强提纯模件的提纯气体生成的氢燃料水蒸气混合物中分离出来的水。

45、一种从一富氢流中提取氢气的方法，包括：

(a)使一富氢流在一氧传导陶瓷膜片的一边上流过；

(b)使水蒸气在该氧传导陶瓷膜片的另一边上流过；

(c)在该膜片中促进该富氢流中的氢气与氧离子的反应而生成水蒸气；以及

(d)促进水蒸气在该膜片另一边上的反应而生成氢气和氧离子。

46、按权利要求45所述的方法，其特征在于，进一步包括：

(a)该膜片的混合气体一边上的氢气和氧离子的电化反应；以及

(b)该膜片另一边上水蒸气的电化反应生成氢气和氧离子。

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