CN1524308A - 存贮氢的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种从燃料处理器中快速供给氢气的改良的方法和设备，在一些实施例中是供给到一个燃料电池堆。燃料电池系统包括一个或更多燃料处理器，用于生产一种产品氢蒸汽，一个或更多的燃料电池堆用于从产品氢蒸汽中产生一个电流。燃料电池系统也包括一个氢存贮装置，用于存贮由燃料处理器产生的氢气，并当负荷需求增大时，或当燃料处理器不能产生燃料电池堆或其它耗氢装置需要的氢气时，将存贮氢气输送至燃料电池堆。

Description

存贮氢的燃料电池系统

                         技术领域

一般而言，本发明涉及燃料处理系统，包含一种用于生产氢气的燃料处理器，和包括一个燃料处理器和一个燃料电池堆的燃料电池系统，特别是用于给燃料电池堆或其它耗氢装置提供氢气的一种改良的方法和系统。

                         背景技术

燃料处理系统包括从普通燃料如含碳原料生产氢气或者富氢气的一种燃料处理器，燃料电池系统包括一种用于由氢气生产电流的燃料处理器和燃料电池堆。由燃料处理器产生的氢气和富氢气是供给燃料电池堆的正极区，空气供给燃料电池堆的负极区，电流产生。尽管典型的燃料电池堆反应迅速，例如在1-10毫秒内，但随着载荷需求的增大，典型的燃料处理器通常需要几分钟或者更长时间的冲击反应以满足载荷需求的较大增大。由于燃料处理器对载荷需求增大的反应需要的相对长时间，燃料电池系统匹配的燃料加工处理器通常表现出较弱的瞬间反应特性。

                         发明概述

本发明是一种由燃料处理器快速供给氢气的改良方法和设备，在一些实施例里提供给一个燃料电池堆。燃料电池系统包括一个或多个用于生产氢蒸汽产品的燃料处理器，一个或多个用于从氢蒸汽产生的电流的燃料电池堆。燃料电池系统还包括一个存贮装置，用于存贮由燃料处理器产生的氢气和输送存贮氢气至燃料电池堆，用于例如当载荷需求增大的时间或者当燃料处理器不能产生燃料电池堆或其它耗氢装置的所需的氢气时。

                          附图说明

图1是依照本发明的一种存贮氢的混合燃料电池系统的一个示意图。

图2是依照本发明的另一种混合燃料电池系统的一个示意图。

图3是用于图1和图2所示系统的燃料处理器的一个示意图。

图4是用于图1和图2所示系统的另一种燃料处理器的一个示意图。

图5是依照本发明的另一种存贮氢的混合燃料电池系统的一个示意图。

图6是依照本发明的另一种存贮氢的混合燃料电池系统的一个示意图。

图7是依照本发明的一种用于混合系统的适用控制器的一个示意图。

图8是依照本发明的一种用于控制器的用户界面的一个示意图。

图9是依照本发明的一种存贮氢和控制器的混合燃料电池系统的一个示意图。

图10是依照本发明的另一种存贮氢和控制器的混合燃料电池系统的一个示意图。

图11是依照本发明的一种独立的燃料电池系统和一种与燃料电池系统结合的耗能装置的一个示意图。

                 发明详述和其最佳的模式

依照本发明的一个燃料电池系统如图1示，通常指10。系统10至少包括一个燃料处理器12，至少一个燃料电池堆22和一个氢存贮系统58。燃料处理器12是用于从含原料的原料蒸汽16产生含氢气的产品蒸汽产品14。燃料电池堆是用于从输送至那里的部分氢蒸汽产品14产生电流。在图示实施例中，仅仅有单一的燃料处理器12和燃料电池堆22被展示和描述，然而我们应该理解，多个这些部件可以被组合使用。还应该理解这些部件已在示图中说明，且燃料电池系统可以包括在图中未明确示出的附加部件，例如原料泵，空气传送系统，热交换器等等。

来自燃料处理器12的产品氢蒸汽，被选择性的输送至燃料电池堆22和氢存贮系统58中的一个或两个，其可顺序提供存贮的氢气给燃料电池堆22。同样的，燃料电池系统可以指一个混合燃料电池系统。氢存贮系统58用于选择性的存贮输送来此的氢气。而后，存贮的氢选择性的离开系统，并输送至燃料电池堆由此产生电流，到燃料处理器用于燃料，或另一个耗氢装置。

图1所示，氢蒸汽产品14被适用的阀元件或流动控制器分离为两种蒸汽，即一种被输送到燃料电池堆22的产品氢蒸汽54，和一种被输送到氢存贮系统58的氢滑流56。图1中，存贮的氢蒸汽64和产品氢蒸汽54分别的被输送至原料燃料电池堆22。如图2所示，蒸汽64和54可以组合以形成氢蒸汽66。

燃料处理器12通过任何适用的机理生产氢气，适用的机理包括蒸汽重整和自热重整，其重整催化剂被用于从一种含有含碳原料和水的原料蒸汽中生产氢气。其它生产氢气的适用机理包括高温分解(pyrrolysis)和含碳原料触媒反应局部氧化，其中原料蒸汽不含水。还有另一种生产氢气的适用机理是电解的，其中原料是水。

为了说明起见，下面讨论将燃料处理器12描述为一个蒸汽重整器，用于接收包括含碳原料18和水的原料蒸汽16。然而，在发明的范围内，如上所述，燃料工作器12可以采取其他形式。

适用的含碳原料的例子包括至少一种碳氢化合物或醇。适用的碳氢化合物的例子包括甲烷，丙烷，天然气，柴油，煤油，汽油等等。适用的醇的例子包括甲醇，乙醇，和多羟基化合物，例如乙烯乙二醇和丙烯丙二醇。

原料蒸汽16可以经由任何适用的机械装置被输送至燃料处理器12。虽然图1所示只有单个原料蒸汽16，应该理解更多的蒸汽16可以被使用，且这些蒸汽可以含有同样的或者不同的成分。如图1所示，当含碳原料18与水是易混合的，原料则通常被随着原料蒸汽16的水组分输送。如图2所示，当含碳原料与水不能混合或者只是轻微混合，这些成分通常在分离的蒸汽中被输送至燃料处理器12。

燃料电池堆22含有至少一个，通常多个燃料电池24，用于从输送来的部分产品氢蒸汽14产生电流。该电流可以被用于满足一个联合的耗能装置25的能量需求，或实用负荷。装置25的例子包括，摩托车，娱乐的车辆，船，工具，灯，用具，家用，信号或通讯设备等等，但不局限于此。应该理解，装置25如图1中所示，且意味着代表一个或多个装置或者装置的集合，从燃料生产系统吸引电流。一种燃料电池堆通常包括由共同的极板23聚集在一起的多个燃料电池，包括流体的输送/脱去管道(未标明)。适用的燃料电池的例子包括质子交换膜(PEM)燃料电池和碱性燃料电池。燃料电池堆22可以接受所有的产品氢蒸汽14。一些或所有的蒸汽14可以额外或选择地经一个适用的管道输送，在另一个耗氢处理中被使用，燃料或加热燃烧，或存贮以作后用，譬如用氢存贮系统58。

燃料处理器12是生产氢气的任何适用的装置。燃料处理器更适宜用于生产充分纯的氢气，燃料处理器甚至更适宜用于生产纯氢气。为了本发明的目的，充分纯的氢气是大于90％的纯度，更适宜的是多于95％的纯度，更加适宜的多于99％的纯度，甚至还有99.5％的纯度。适用的燃料处理器在美国专利5,997,594和5,861,137，以及题目为“燃料生产系统”、申请日为1999年4月13日的未授权美国申请号09/291,447，及题目为“燃料处理器”、申请日为2000年3月13日的美国临时专利申请序列号60/188,993的中都曾公开，为了所有的目的本专利参照了这些专利披露的特征。

适用的燃料处理器12的例子是一种蒸汽重整器。一种蒸汽重整器的例子如图3示，通常指30。重整器30包括重整或生产的氢的区32，其中包括一种蒸汽重整催化剂34。另外，重整器30可以是包括自热重整催化剂的自热重整装置。在重整区32中，一种重整产品蒸汽36，是由水和含碳原料形成的原料蒸汽16生产。标准的重整产品蒸汽含有氢气和杂质，因此被输送到分离区，或净化区，38，在这里氢气被净化。在分离区38中，含氢蒸汽被分离为一个或更多的副产品蒸汽，其图中全都表示为40，和由任何适用的压力驱动分离工艺生产的富氢蒸汽42。图3中，富氢蒸汽42形成产品氢蒸汽14。

在分离区38使用的一种适当结构的例子是一个薄膜组件44，它包含一个或多个透氢金属薄膜46。题目为“燃料生产系统”、1999年4月13日申请的美国专利申请序列号09/291,447的美国专利中披露了由多个选择性氢金属薄膜组成的适用的薄膜组件的例子，为了发明目的本文参照了其披露的整个特征。在该申请中，多个薄膜集成为一个有气流通道的薄膜组件中，通过气流通道，杂质气体可以被输送至薄膜，净化气体可以由薄膜处获得，副产品蒸汽由薄膜处去除。衬垫，比如可弯的石墨衬垫，用于实现原料和透过流体通道周围的密封。上述申请中还公开了管状的择氢薄膜，也可以被使用。其它适当薄膜和薄膜组件在题目为“透氢金属薄膜和其生产方法”、2000年7月19日申请的美国专利申请序列号09/618,866的美国专利也有披露，本文参照了其披露的整个特征。其它适用燃料处理器也在专利申请中有披露。

薄的、平面式的、透氢薄膜最好由钯合金制得，且特别是含有35wt％至45wt％铜的钯。这些薄膜，也被称为择氢薄膜，一般由约0.001英尺厚的薄箔制得。但是，本发明的范围内可以由择氢金属和不同于上述的金属合金，透氢和择氢陶瓷或碳成分制得。这些薄膜的厚度可以大于和小于上述厚度。例如，薄膜厚度可以制成更薄，且伴随氢气流量的增加。透氢膜可以按照任何适用的结构排列，如按照子专利申请中揭示的在共用渗透通道周围成对排列。透氢膜或多个薄膜也可以采取其它结构，例如按照子专利中揭示的管状结构。

另一个在分离区38适用的压力分离工艺是压力互换吸附法(PSA)。在压力互换吸附法(PSA)工艺中，气态杂质被从含氢气的蒸汽中脱去。在恰当的温度和压力下，某一种气体会被吸附到一个比其它气体更强的吸附材料之上，PSA则是基于此原理。最有代表性的就是，杂质会被吸附而脱离重整产品蒸汽36。PSA最成功的氢净化作用应归于常规杂质气体(例如CO，CO₂，，包括CH₄和N₂的碳氢化合物)的相对强吸附到强吸附材料上。氢吸附力很弱，所以当氢穿过吸附剂床时杂质被保留在吸附剂上。象NH₃，H₂S，andH₂O等杂质气体在吸附材料上的吸附力很强，因此会随着其它杂质从蒸汽36中被脱去。如果吸附材料更新，则这些杂质则在蒸汽36中，分离区38最好包括一种适用的装置，用于在输送蒸汽36到吸附材料之前脱去这些杂质，由于释放所吸收的杂质更困难。

吸附的杂质气体出现在升高的压力中。当压力减少，杂质从吸附材料中释放，从而更新吸附材料。PSA一般来说是一个循环工艺，需要至少两个床来持续(与分批相反)运转。可以被用在吸附床的适用吸附材料是活性炭和沸石，特别是5(5埃)沸石。吸附材料一般是由小球组成，被放置于一个用于常规包装床结构的圆柱压力容器中。但是应该理解，其它适用吸附材料的成分，形态和结构都可以使用。

重整器30还可以包括一个抛光区48，但不是必需的，如图4所示。抛光区48接收来自分离区38的富氢蒸汽42并进一步通过降低或脱去那里所选择成分的浓度净化蒸汽。例如，当蒸汽42准备用于一个燃料电池堆，如堆22时中，可能损害电池堆的成分，如一氧化碳和二氧化碳，可从富氢蒸汽中脱去。区48包括任何用于除去或降低蒸汽42中所选成分浓度的适用结构。例如，当产品蒸汽是准备用于质子交换膜燃料(PEM)电池堆或其他当蒸汽中的一氧化碳和二氧化碳含量超过一定值会受到损坏的设备时，就有必要包括至少一个甲烷化催化床50。床50将一氧化碳和二氧化碳转变成甲烷和水，这两种物质都不会损坏PEM燃料电池堆。抛光区48还可以包括另一个能将任何未反应的原料转化成氢气的产氢设备52，例如另一个重整催化床。在这样的实施例中，较为理想的是，第二个重整催化床在甲烷催化床的上游区，这样就不会将一氧化碳和二氧化碳重新引入甲烷催化床的下游区。

如图3和图4所示，重整装置30包括一个由上述成分组成的外壳31。外壳31也可指使燃料处理器能够移动的一个单元的机架，例如重整器30。由于燃料处理器可以当作一个单元被加热，并且加热发生于一种部件可以被使用成加热另一种部件，所以外壳还提供一个外部盖子保护燃料处理器的部件免受伤害，并减少燃料处理器的对热的需求。外壳31可以，但不必须包括一个绝缘材料33的内部层，例如一种实心或者空心的绝缘材料。但是在发明范围内，重整器可以没有机架或外壳，或一个或多个部件可以延伸超出外壳或定位于外壳的外部。例如，如图示4所示，抛光区48可以是外部的外壳31和/或一部分重整区32可以延伸超过外壳。其它燃料处理器的例子证明的这些构造由附带的附图参考说明。

再回到图1和图2，可以看到氢存贮系统58包括至少一个氢存贮装置60，该装置用于存贮部分被输送至此的氢蒸汽产品14，而后选择性的释放被存贮的氢气，例如输送至燃料电池堆22，至作为一种燃料蒸汽使用的燃料处理器12，或至另一个耗氢装置。因此装置60可以为燃料电池堆22提供用做原料蒸汽的氢蒸汽，该氢蒸汽代替或附加上来自燃料处理器12的蒸汽。氢存贮装置用来自燃料处理器的氢气重新装料。这改变了存贮装置为了重新装料脱去和代替的要求，例如，要求压缩气缸仅仅用于一种燃料处理器的氢蒸汽的后援，但不被燃料处理器重新装料。系统58可以，但不是所有实施例，包括一种氢压缩机62，它是在输送蒸汽至氢存贮装置之前任何适用的压缩蒸汽56的装置。图5是展示这样系统的例子。

一种适用氢存贮装置60的例子是一个压缩气体汽缸。其他适用的氢存贮装置包括金属氢化物床和活性炭床，例如含碳纳米管(nanotubes)床。金属氢化物床提供一个不需要氢压缩机的氢存贮装置的例子。金属氢化物床在相对低的压力和温度时吸收氢气，在高温和高压时释放气体。在本发明范围内，系统58可以包括多样的氢存贮装置60。例如，氢存贮装置可以包括多种压缩气体汽缸，多种氢化物床或碳床，或者以上这些的结合。

当存贮装置60利用一个压缩汽缸时，氢存存贮系统58可以包括一个由机械气体压缩机68形式的氢压缩机62，它接收和机械地压缩其中的气体体积。不象电气化学的压缩机可以从蒸气56中选择脱去一种选择的组分，例如氢气，机械压缩机则压缩全部的蒸汽。当燃料处理器12用于生产纯氢蒸汽产品或者基本上纯的氢气时，机械压缩机可以被使用。在需要低纯度蒸汽产品的实施例中，就需要使用电气化学的压缩机来脱去氢蒸汽产品的被选择的成分，也就是氢，或进一步净化被压缩前的部分产品氢蒸汽。

更特别的是，施加压力给含氢，一氧化碳和二氧化碳的不纯蒸汽，特别是在用催化剂铁，铬或镍时，加速甲烷和水的形成。水会冷凝而使机械压缩机中的润滑剂侵蚀或脱去，并通过与金属氢化物起反应钝化氢化物床。形成甲烷表现为一种损失的氢气。

压缩气缸的优势是存贮其中的氢气可以被快速释放，例如，对供给燃料电池堆22的增长负荷的响应。例如，压缩气缸能在几分之一秒内对应用负荷的增加有反应，而氢化物床要求升高温度和压力来释放氢气，将需要长的多的时间，因此，供给反应时间较慢的系统。同样的，快速加热和冷却氢化物床的控制结构和能量需求比由压缩气缸中脱去氢气更为显著。虽然如此，压缩气缸，氢化物床和其他适用的存贮氢气的结构都在本发明范围内。

在氢存贮装置和燃料电池堆之间的产品氢蒸汽14的分配，可以是从所有蒸汽到达燃料电池堆，至所有蒸汽到达氢存贮装置的范围。蒸汽14的相关的分区可以被任何适用的机械装置控制或选择，包括手动控制阀元件，或对与燃料电池系统关联传感器的输入反应的阀元件，改变相关分配。这些输入可以是机械输入或控制信号的形式，控制信号可以通过任何适用有线或无线装置传输。

如图5所示，原料蒸汽16被原料蒸汽传送系统70输送到燃料处理器12。传送系统70是将原料蒸汽输送到燃料处理器12的任何适用的机械装置或设备。

例如，在图示实施例中，图中所示的传送系统包括一个或多个泵72，它从供给中输送蒸汽16成分。另外，系统70可以包括一个阀元件，用于调节来自一个加压供给的成分的流动。其它成分可以用于所述的燃料电池系统10，但不是必需。

一种燃料电池堆的说明范例如图5所示。堆22(和此处所包括的单个燃料电池24)包括一个阳极区76和一个阴极区78，两者被氢离子可以透过的电解质薄膜或屏障81分隔开。这些区分别包括阳极77和阴极电极79。燃料电池堆的阳极区76接受氢蒸汽66。阴极区78接受空气蒸汽80，并释放部分或全部用尽氧气的阴极空气废气82。氢气中释放的电子不能通过屏障81，相反就必须由一个外部电路86流出，这样就会产生电流，该电流可以负载一个或多个装置25，也可以为燃料生产系统提供电源。

阳极区76定期清理，并释放可能包含氢气的清理气流84。或者氢气可以从燃料电池堆的阳极区连续排出并再循环。燃料电池堆22产生的电流能够负载诸如25的装置。图5给出的也是一种空气输送元件88和90，它们分别用于输送空气流92和80至燃料处理器12，例如输送给一个燃烧废蒸汽94出口的燃烧区，和给燃料电池堆22，如阴极区78。图5中的空气输送元件88和90可以采取任何适用的形式。

一种燃烧燃料蒸汽95如图5所示。应该知道，蒸汽95可以由任何适用的燃烧燃料组成，并可以包括以下一些或一个或多个的所有：燃料处理器12中的副产品蒸汽40，原料蒸汽16，或者其中一个成分的气流，如含有含碳原料18的蒸汽，被氢存贮系统58存贮的氢气，产品氢蒸汽14，54，56，64或66的排出的气体，一种独立于原料蒸汽16的燃料蒸汽或系统10的副产品蒸汽，如一种适用的燃料供应，如丙烷，汽油，煤油，柴油，天然气等等。蒸汽95还可另外指到一个如电阻加热器的电热装置的电流，与燃烧热源相反的，例如火炉，燃烧催化剂，火花塞，发热插头，领航灯诸如此类。

图6所示为多个流动调节装置，这些装置可以，但不是必须包括在系统10。例如，图中的燃料电池堆上游的出口元件96，出口元件96用于从燃料电池堆22的流体通道脱去燃料处理器12的产品蒸汽，例如假如蒸汽被污染，存在于可接受的运行参数之外的一种运行参数(例如升压)，假如燃料电池堆不能运行或不能安全接受在蒸汽54中额外氢气出现，或者假如系统中有额外的氢气。出口元件96可以释放氢气到外界，到另一个存贮或耗氢装置，到火炉，或到不同于燃料电池堆22的另一个区域。图中的另一个出口元件98与蒸汽84连通。出口元件96和98通常包括至少一个阀，例如螺线管阀或其他适用的流动控制装置，当压力或其他相应的蒸汽运行参数或部分燃料电池系统10，例如蒸汽54和阳极区76大于临界值或值范围时，可以配置自动开动。如图6，出口元件96被配置成出口蒸汽54。应该知道，这个配置是图例中的适用的位置，该系统10可以包括出口元件于系统中在别处的位置，如从蒸汽66排出，或系统可以包括多于一个的出口元件。

图中燃料处理器12和出口元件96下游的止回阀100和102。止回阀确保流体在唯一需要的方向流过这些流体管道，即流向燃料处理器12的下游区和从出口元件96流向燃料电池系统外。节流阀104提供在阴极空气蒸汽80所需程度的背压。阀元件106和108分别位于氢存贮系统58的上游区和下游区，且确保氢气流向和流出氢存贮装置。

压力调节器110和112如图6所示，是用于控制蒸汽54和64中的氢气压力，和压力开关或与在与存贮装置60连通时压力传感器114。此外，在蒸汽66的单个调节器可以被用来代替，或增加到一对与蒸汽54和64关联的调节器。任何适用的压力调节装置都可使用，例如一个压力-压力调节器，压力调节器被配置成自动减少下游区的压力到预定的标准，或者控制压力调节器，更多细节会在随后讨论。

压力传感器116和118测量阀元件106的每边的氢压力。当压缩机62开启，最初的压缩机上游区的氢压力立即减少。压力传感器116探测到该压力减少，阀元件106被配置成自动开启，并对传感器116探测到压力的减少做出响应，并记录这个低于已被传感器118记录的氢气压力。然后氢气被压缩和输送到氢存贮装置60。压力传感器116和118可以被消除，阀元件106可以根据压缩机62的动作开放。

应该知道，图中的出口元件，压力调节器，止回阀，节流阀和其他这样的流体调节器提供一个多种可能的配置，且这些调节器的数量，类型和布置可以多样化，燃料电池系统10在本发明的范围内可以没有一些或甚至所有的这些要素。

本发明的燃料电池系统可以包括控制器用于控制氢存贮系统58的运行，但不是必需。图7所示的存贮氢的混合燃料电池系统有一个控制器120。除非有另外的指明，带控制器的系统可以有与图1-6中有关的任何部件，要素，子要素和变化。

控制器120用于监控经选择的运转参数，例如压力，温度，氢存贮系统和/或燃料电池系统的成分的流速，并指引氢存贮系统58的氢气的相关流动至少部分响应监控值。例如，在系统正常运转时，被设备25放置到燃料电池堆的电子负荷需求增大，被如电流传感器或电源传感器的控制器探测到。控制器使用该负荷需求信息测定单独的燃料处理器是否供应足够的氢气到燃料电池堆。如果负载很大以至于超出了当前燃料处理器可以为燃料电池堆提供的氢气的能力，则控制器指引额外的氢气从氢存贮系统58流到燃料电池堆。另一个例子，控制器可以监控氢气进入燃料电池堆的阳极的压力。如果氢压力低于预定值，则控制器可以指导从氢存贮系统补给的额外氢气。控制器120也可以另外控制氢气到氢存贮系统58的流动。

一个适用的控制器120的说明范例如图7所示。控制器包括一个处理机122和一个或多个用于测量或探测经选择值或运转参数的传感器124。图示范例中的适用传感器124包括压力传感器，流量表，温度传感器，电流表和用于测量的特定蒸汽成分的传感器。传感器通过任何适用的有线或无线通讯联结126与处理机连通，该通讯可以是单向或双向的。处理机还与一个或多个控制装置128连通，控制装置接受处理机的命令信号并进行响应执行一个动作。图示范例中的控制装置128包括泵，压缩机，加热器，火炉，出口和包含一个或多个阀的阀元件。处理机可以有任何适用形式，如包括计算机化装置，计算机中的执行软件，编码，嵌入式处理机，可编程逻辑控制器或功能相当的装置。控制器还可以包括任何适用的软件，硬件，或韧件。例如，控制器可以包括一个内存装置129，该内存装置存贮的预先选择，预先编程和/或用户选择的运行参数。内存装置可以包括一个易失部分和非易失部分，或者两个都包括。

应该理解，处理器，传感器和控制要素之间的特定连接形式可以采用任何适用的配置。例如，传感器可以持续的或周期性的向处理器传送测量值，该处理器将这些测量值与存贮临界值或值范围比较来测定测量值是否大于预先编程的或存贮值或值范围。假如这样的话，处理机可以向一个或多个控制装置发送命令信号。另一个例子，传感器本身可以测量运转参数，并将运转参数与存贮或预定的临界值或值范围比较，当测量值大于存贮值或值范围时向处理机发送信号。“大于”的意思是测量值在任一方面与预先选择或存贮的值或值范围偏离，偏离可以包含一个选择限度，如偏差超过5％，10％，25％等。

控制器120也可以包括用户可以监控和操作控制器运转的用户界面。用户界面的例子如图8中的130所示。如图所示，界面130包括有屏幕134的显示区132，或其它适用的把信息呈现给用户的显示装置。例如，显示区132可以显示一个或多个传感器124测量的当前值，系统的当前运转参数，存贮临界值或值范围。以前的测量值也可以被显示出。其他关于燃料生产系统的运转和性能的信息也可以被显示在区132。

用户界面130也可以包括一个用户与控制器通讯的用户输入装置136。例如，输入装置136可以使用户输入命令就能够改变燃料电池系统的运转状态，改变一个或多个存贮临界值和/或系统的运转参数，和/或请求控制器的有关先前或当前的系统运行参数的信息。输入装置136可以包括任何适用接受用户输入的装置，包括旋转盘和开关，按钮，键区，键盘，鼠标，触摸屏等等。一种用户信号装置如图8所示，当可接受的临界值已经超过界限时，用户信号装置138警告用户且燃料电池堆被隔离。装置138可以包括警告器，灯，或其他适用的装置或警告用户的装置。

应该理解，在本发明范围内，燃料电池系统可以包括没有用户界面的控制器，且对用户界面没有包括此处所有描述的要素要求。以上描述的所有要素已经如图8所示，然而在本发明范围内，要素描述可以被单独执行。例如，用户界面可以包括多个显示区，每个用于显示一个或多个以上用户信息描述的类型。同样的，单个的用户输入装置可以被使用，输入装置可以包括一种显示，该显示提示用户输入被请求值或使用户能在输入屏之间连接。

一种与传感器124相通的控制器120如图9所示，该传感器用于测量一个或多个氢蒸汽产品14，氢蒸汽54，氢滑流56，氢存贮装置60，压缩机62，氢蒸汽64和氢蒸汽66的运转参数。系统10可以包括少于所有这些的通讯线路，也可以包括更多的贯穿燃料电池系统的通信线路。对传感器的输入响应，控制器可以控制输送到氢存贮系统的产品蒸汽14的相关部分，例如通过发送命令信号到阀元件106，控制来自装置60的存贮氢气的流速，例如通过发送控制信号到阀元件108，或二者。当氢存贮系统58包括一个压缩机62时，控制器也可以在给阀元件106发送控制信号时发送控制信号到压缩机。同样的，当存贮装置60包括一个氢化物床时，控制器可以在给阀元件108发送命令信号时发送控制信号到加热装置和/或调节压力装置。

例如，当氢存贮装置没有被存贮的氢气完全装满时，它可以从产品氢蒸汽14导入额外的氢气输送至此。同样的，当实用的负荷需要大于燃料处理器12当前供给的氢气时，控制器可以指导氢存贮装置释放氢气到燃料电池堆以满足该要求。

控制器可以控制系统的很多方面，在这里不一一描述。此外，如图10所示，控制器可以控制其他在或者不在燃料生产系统中的要素或系统，包括但不局限于，燃料电池堆，燃料处理器，燃料释放系统，或负荷。例如，控制器可以用于控制原料蒸汽传送系统70，并控制原料蒸汽16输送到燃料处理器12的速度。随着速度的增长，产生更多的氢气，随着速度的降低，氢蒸汽产品14的流速会减少或停止。继续这个例子，当控制器探测到额外的氢气被要求确保负荷供应到燃料电池堆和/或再填充给氢存贮装置时，它可以发送命令信号到传送系统70，使得产生更多的氢气。同样的，当实用的负荷降低和/或当存贮装置60被完全或几乎完全被装满时，控制器可以促成原料蒸汽16的流速停止，或者更通常的是减少，使得氢气减少的生产。另一个例子，控制器可以使得燃料处理器相对外加负荷和/或存贮装置60中氢气量的反应启动或加速。对于然而另一个例子是控制器可以限制装置25的实用负荷，如果实用负荷大于系统10的可用容量，例如，在系统中，由与控制器和/或存贮临界值相通的传感器决定。

应该理解，调节流动装置如图6所示，在本发明范围内，也可以被装置128控制。压力传感器116和118在阀元件106的两边测量氢压力，测量参数，即读出的压力被送到控制器120。当压缩机62开动，相对于压力传感器116测量的压力，压力传感器118测量的氢压力将会减少。这个压力减少可提供触发事件启动氢滑流56到氢存贮系统58的流动。例如，一旦控制器120测定由压力传感器118纪录的压力低于压力传感器116纪录的压力，阀元件106则被打开。同样的，如果控制器通过适用的传感器元件探测到燃料电池系统的成分有故障，氢蒸汽产品被污染，在系统中有多余的氢气，或另一个潜在的危险的情况存在，则可以开动出口元件96和98中的一个或两个。简短的说，本发明中没有图示传感-调节和流动-调节装置之间的通信线路，没有描述每一个控制器120的装置的交互作用。应该理解控制器可以与这些装置连通，来测定部分或所有的燃料电池系统是否在可接受、预定的参数下运转。如果没有在上述情况下运转，控制器可以发送控制信号到燃料电池系统中的不同的控制装置，把参数拿调回到一个可接受值或在一个可接受值范围内，转换燃料电池系统到一种当前的参数不会损害系统的运转模式，例如一个低输出，空转或关闭模式，或两种。

为了说明的目的，但不是为了限制，下面的描述为了介绍如图9和图10所示燃料电池系统的运转。原料蒸汽16是经过原料蒸汽传送系统70被供给到燃料处理器12。如上所述，系统70可以与控制器120连通，例如传送在蒸汽16中的流速和/或控制蒸汽16的流速。助燃空气流92支持燃料燃烧，来为燃料处理器提供必需的热度。燃烧废蒸气94脱离燃料处理器，并可以被用于热量再生利用，如加热空间和加热水。燃料蒸汽95被用于把燃料处理器加热到一个所需的运转温度，如控制器120存贮的参数控制。在止回阀100上，燃料处理器中的氢蒸汽产品14被分成由控制器120控制的两种蒸汽54和56。氢存贮系统58包括被控制器120控制的压缩机62，和一个或更多氢存贮装置60。氢存贮装置60包括与控制器120相通的压力传感器114。如图所示，氢滑流56流入经过阀106的被控制器120控制的压缩机62。压力转换器116监控止回阀100和阀元件106之间的氢滑流压力。压力转换器118监控阀元件106和压缩机62之间的氢滑流压力。存贮氢气经氢蒸汽64离开存贮系统58。阀元件108和压力调节器112都可以被控制器120控制，分别控制蒸汽64的压力和流动。蒸汽64和54相结合形成蒸汽66，并输送到燃料电池堆22。蒸汽66可以包括任何比例的蒸汽64和54的一种或两种。如此处论述，蒸汽可以被分别的释放到堆22。控制器120可以通过上述系统选择性的输送从没有到全部之间的氢蒸汽54和64到燃料电池堆22。

控制器120也可以被用于控制存贮氢系统58的适当用途。开始于冷启动，控制器120可以被供以动力，并发送开始输送空气和氢的信号至燃料电池堆22来生产电流，以确保外加负载。来自氢存贮系统58的氢蒸汽64流入到燃料电池堆22的阳极区76。空气流92流入燃料电池堆22的阴极区78。直到燃料处理器12能够开始生产适量的氢气之前，氢蒸汽64是从氢存贮系统58流出。氢气从氢存贮系统流出的时间长短取决于所使用的燃料处理器。在本发明范围内的时间周期为一分种或更多，十分钟或更多，三十分钟或更多。当控制器120经适用的传感器或传感器元件124探测到燃料处理器12生产了足够的氢气来确保燃料电池堆22的需求，控制器可以启动氢蒸汽54的流动并终止氢蒸汽64的流动。

控制器120可以指引产品氢蒸汽14的滑流56回到氢存贮系统58，并补充存贮氢。这可以由指引滑流56直接到氢存贮装置60或引导到滑流到压缩机62来完成，该压缩机供应压缩氢气给氢存贮装置。氢存贮装置60可以包括一个或多个与控制器120相连的传感器，该传感器在存贮装置内监控氢的水平。一旦氢存贮装置充满了，控制器则停止燃料处理器的氢至氢存贮装置的流动。如果压缩机被使用，控制器也可以指引压缩机关闭。

氢存贮系统58不仅限于满足在开始或其它燃料处理器不生产氢气情形的时候的氢需求，不生产氢气的情形如当燃料处理器被关闭时，脱机时，修理或保养时等等。当燃料处理器正常运行时，系统也可以在增长负荷之时被使用。在增长需求之时，意思是当燃料电池堆对氢气的需求大于燃料处理器输出，则存贮的氢可以被用于补充燃料处理器的氢供给至燃料电池堆。这样，氢可以由燃料处理器和氢存贮系统供给至燃料电池堆。一种需要的情形的例子，是当燃料处理器在静止状态运行，或在小于最大产量时运行，则需要一个加速更多氢气产生的运行状态。另一个例子，当燃料处理器在它的最大运行状态运行时，燃料处理器产生它的最大氢气输出，然而这个输出仍小于燃料电池堆22需要的氢气供给。

如先前论述，燃料处理器12可以包含在外壳或机架中。同样的，如图11中140所示，燃料电池系统10可以包含在机架中。为简便起见，传感器124，控制装置128和先前论述的通信线路126的大多数在图中没有被重现。机架140包括燃料处理器12，燃料电池堆22，和氢存贮系统58并与原料蒸汽输送系统70，和燃料蒸汽95的供给和一些或所有的控制器120，有最少的液体连接。机架140可以选择性含有一个或多个原料蒸汽传送系统70，燃料蒸汽95供给和控制器120，如图11。在某些实施例中，机架可以被密封，使得完全包括上述的要素。通过密封，意思是说机架必须至少部分拆开，如拆去通道面板，进入以上述部件。

在该实施例中，如果控制器包括用户界面130，至少一部分用户界面可从外部机架进入。在一些实施例中，控制器可以最好包括另一个用户界面，或部分用户界面，则仅仅可以从机架内部进入。例如，外部进入的用户界面可以被设计成与用户交互，例如屋主，车主，或其他可以没有技能或训练来调节存贮临界运转参数的人。不论如何，内部进入的用户界面使技师或其他受过训练的人能够改变，监控，或以其它方式的控制这些参数和其他运转情形，子程序，控制器逻辑等等。

燃料电池系统10可以由耗能装置组合，如装置25提供综合的、装载的、能量资源的装置。例如，这样的装置主体如图11中142所示。这样装置的例子包括机动车辆，如娱乐车，汽车，船或其它海轮等等，一个住处，如房子，公寓，套楼公寓，联合公寓，办公室，商店等等，或一个设备齐全的装备，如器具，灯，工具，微波中继站，传输装配，遥感信号或通讯装备等等。

最后，本发明范围内，以上描述的燃料处理器和氢存贮系统可以不依赖燃料电池堆使用。在该实施例中，系统可以涉及如存贮氢的混合燃料生产系统，且用于提供纯氢或大体纯氢给耗氢装置，例如加热、烹饪或其他用途的炉。以上论述，燃料处理器和氢存贮系统的混合物提供更多可靠的氢气，并在一些实例中，系统确保单独的燃料处理器不能满足的需求。

                       工业应用

本发明适用于任何燃料生产系统或燃料电池系统，其中氢气产生并释放到燃料电池堆或其他耗氢装置。

可以相信，上述披露包括多个能独立使用的独特发明。尽管每个发明公开了较为理想的形式，但其在此披露和示例的具体实施例并不仅认为是大量可能变化限制意义。本发明主题包括所有新颖的和在此披露的不同器件、特征和/或性能的非显而易见的结合与亚结合。同样地，权利要求中陈述的“一个”或“第一个”或其他类似的陈述应理解为包括一种或多个这样元件的结合，既不需要也不排除两种或两种以上的元件。

可以相信，以下权利要求会显著地指出所披露的发明、新颖的和非显而易见的结合与局部结合。发明的其他特征、功能、器件和/或性能的结合与局部结合的具体实施例可以通过修正本权利要求或在其中的新的权利要求或相关的新申请要求保护。这样的修正或新权利要求，不管他们是否是指不同的发明或相同的发明，与原始权利要求相比他们的范围无论是不同的、拓宽的、变窄的或是相同的，都将被认为是属于现在所披露的发明主题。

Claims (53)

1.一种燃料电池系统，包括：

至少一个燃料处理器用于接受一种原料蒸汽，并由此生产含有至少大体纯的氢气的产品氢蒸汽；

一个氢存贮系统用于接受和选择性存贮至少一部分氢蒸汽，其中的氢存贮系统包括一个机械压缩机用于接受至少一部分的产品氢蒸汽，并由此生产一种被压缩的蒸汽，且至少一个氢存贮装置用于接受和选择性存贮压缩蒸汽；和

至少一个燃料电池堆包括多个的燃料电池并用于从至少其中一个燃料处理器和氢存贮系统中接受含氢蒸汽，并由此生产电流。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中被压缩的蒸汽和产品氢蒸汽含有至少大体上同样的成分。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中被压缩的蒸汽和产品氢蒸汽含有相同的成分。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中的氢存贮系统也包括电气化学的压缩机，用于接受至少一部分的产品氢蒸汽，并将蒸汽分为传送到机械处理器的第一部分和不传送到机械处理器的第二部分。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中的氢存贮系统包括至少一个压缩气罐的形式的氢存贮装置。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中燃料处理器，燃料电池堆和氢存贮系统是集成在一个常规的框架中。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中燃料电池系统还包括至少一个耗能装置，用于从至少一个燃料电池堆提取至少一部分的电流。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中燃料处理系统，燃料电池堆和至少一个耗能装置是至少部分在一个常规的框架集成的。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中氢存贮装置系统包括至少一个压力调节装置，用于根据机械压缩机的动作，选择性的输送至少一部分产品氢蒸汽产品至氢存贮系统中的一个氢存贮装置。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中燃料处理器包括一个产氢的区域，该区域从原料蒸汽生产含有氢气的蒸汽。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中含有氢的蒸汽包括氢气和其它气体，其中燃料处理器包括一个分离区，在此处含氢蒸汽被分离成一个至少含有纯氢气的富氢蒸汽和至少一个含有其它气体的大体部分的副产品蒸汽，此外，其中的产品氢蒸汽由富氢蒸汽组成。

12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中分离区包括至少一个透氢薄膜。

13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中分离区包括至少一个择氢金属薄膜。

14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中至少一个择氢金属薄膜包括至少一种钯和一种钯合金。

15.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中分离区用于通过一个压力旋转吸收过程，将含有氢气的蒸汽分离为富氢蒸汽和至少一种副产品蒸汽。

16.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中燃料处理器还包括一个净化区域，通过它富氢蒸汽进一步被净化产品氢蒸汽。

17.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中原料蒸汽含有含碳原料和水的，此外其中的燃料处理系统包括至少一种蒸汽重整器形式的燃料处理器，该蒸汽重整器含有至少一个重整催化剂床，将原料蒸汽被转换成一种含有氢气和其它气体的混合蒸汽。

18.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中原料蒸汽包括一种含碳原料，其中燃料电池系统还包括至少一个燃料处理器，用于接受原料蒸汽，并由此产生一种含氢蒸汽，含氢蒸汽经过高温分解产生产品氢蒸汽。

19.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中原料蒸汽包括水和含碳原料，此外，其中的燃料电池系统含有至少一个燃料处理器，用于接受原料蒸汽，并由此生产一种含氢蒸汽，含氢蒸汽是经含碳原料接触反应局部氧化产生产品氢蒸汽。

20.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中原料蒸汽包括水，此外其中的燃料电池系统含有至少一个燃料处理器，用于接受原料蒸汽，并由此产生一种含氢蒸汽，含氢蒸汽经过电解所产生产品氢蒸汽。

21.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中燃料电池系统还包括一个计算机化的控制器，用于选择性的控制氢存贮系统的操作。

22.一种燃料电池系统，包括：

至少一种燃料处理器，用于接受一种原料蒸汽，并由此生产含有至少大体上纯的氢气的一种产品氢蒸汽；

一种氢存贮系统，包含至少一个氢存贮装置，用于接受和选择性存贮至少一部分产品氢蒸汽；

至少一个燃料电池堆，包含多个的燃料电池，并用于接收来自至少一个燃料处理器和氢存贮系统的含氢蒸汽并产生一个电流；和

一个控制器用于选择性的调节至少一个产品氢蒸汽到氢存贮系统的传送，以及来自氢存贮系统的含氢蒸汽的流动。

23.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中控制器是用于调节氢蒸汽到氢存贮系统的传送，和来自氢存贮系统的含氢蒸汽的流动。

24.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中控制器是用于监控一个或更多的燃料电池系统的运转参数，和选择性的调节至少一个到氢存贮系统的产品氢蒸汽的传送，和那里来自氢存贮系统的含氢蒸汽的至少部分反应。

25.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中一个或更多的运转参数，包括一个应用于燃料电池堆的载荷量。

26.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中一个或更多的运转参数，包括传送到燃料电池堆的含氢蒸汽的压力。

27.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中一个或更多的运转参数，包括来自燃料处理器的产品氢蒸汽的流速。

28.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中一个或更多的运转参数，包括产品氢蒸汽的压力。

29.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中燃料处理器是用于多个运转状态，并且其中一个或更多的运转参数包括燃料处理器的运转状态。

30.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中一个或更多的运转参数，包括含氢蒸汽的压力。

31.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中一个或更多的运转参数，包括由氢存贮系统存贮的氢气的数量。

32.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中控制器还用于调节至少一个燃料处理器和燃料电池堆的对于监控运转参数的至少一部分反应。

33.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中控制器包括一个传感器装配，其包括至少一个适用于测量一个或更多燃料电池系统的运转参数的传感器。

34.根据权利要求33所述的燃料电池系统，其中传感器装配包括至少一个传感器，用于与控制器通过通讯连接相联系。

35.根据权利要求34所述的燃料电池系统，其中通讯联接包括一种有线通讯连接。

36.根据权利要求34所述的燃料电池系统，其中通讯联接包括一种无线通讯连接。

37.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中控制器是一种计算机化的控制器。

38.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中控制器是一种计算机化的控制器。

39.根据权利要求38所述的燃料电池系统，其中控制器包括一种内存装置，该装置至少含有一个存贮临界值，并且控制器还用于将至少一个监测运行参数和至少一个存贮临界值比较，并选择性的调节至少一个到氢存贮系统的氢蒸汽的传送，和在那里来自氢存贮系统含氢气蒸汽至少部分反应的流动。

40.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中控制器包括一个带显示器的用户界面，且控制器用于在显示器上显示信息。

41.根据权利要求40所述的燃料电池系统，其中的信息包括测量的运转参数。

42.根据权利要求40所述的燃料电池系统，其中信息包括以前测量的运转参数。

43.根据权利要求40所述的燃料电池系统，其中信息包括一个或更多存贮在控制器的内存装置的临界值。

44.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中控制器包括一个用户界面，用户界面有至少一个用户输入装置用于接受用户输入，并且其中的控制器还用于选择性调节至少到达或来自氢存贮系统的至少一种含氢气蒸汽对于用户输入至少部分反应的流动。

45.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中氢存贮系统包括一个机械压缩机，用于在传送部分产品氢蒸汽到至少一个氢存贮装备之前，接受和压缩至少一部分产品氢蒸汽。

46.根据权利要求45所述的燃料电池系统，其中的氢存贮系统还包括一个电气化学的压缩机用于接受至少一部分的产品氢蒸汽，并将蒸汽分离为送至机械压缩机的第一部分和不输送到至少一个机械压缩机的第二部分。

47.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中的氢存贮系统包括一个电气化学压缩机用于接受至少一部分产品氢蒸汽，并将蒸汽分离为输送到至少一个氢存贮装置的第一部分和不输送到至少一个氢存贮装置的第二部分。

48.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中的至少一个氢存贮装置包括一个压缩气罐。

49.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中至少一个氢存贮装置包括一个氢化物床。

50.根据权利要求49所述的燃料电池系统，其中氢存贮系统也包括一个加热装配，用于选择性加热氢化物床。

51.根据权利要求50所述的燃料电池系统，其中控制器也是用于控制加热装配的。

52.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中至少一个氢存贮装置包括一个活性炭床。

53.根据权利要求52所述的燃料电池系统，其中活性炭床包括碳纳米管(nanotubes)。

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