KR100909525B1 - 압력 변동 흡착 정화 제어를 통해 가열 조립체 작동을조절하는 시스템 및 방법 - Google Patents

압력 변동 흡착 정화 제어를 통해 가열 조립체 작동을조절하는 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100909525B1
KR100909525B1 KR1020077016786A KR20077016786A KR100909525B1 KR 100909525 B1 KR100909525 B1 KR 100909525B1 KR 1020077016786 A KR1020077016786 A KR 1020077016786A KR 20077016786 A KR20077016786 A KR 20077016786A KR 100909525 B1 KR100909525 B1 KR 100909525B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stream
hydrogen
assembly
flow rate
gas
Prior art date
Application number
KR1020077016786A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070093126A (ko
Inventor
트레비스 비잭
Original Assignee
아이다테크 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아이다테크 엘엘씨 filed Critical 아이다테크 엘엘씨
Publication of KR20070093126A publication Critical patent/KR20070093126A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100909525B1 publication Critical patent/KR100909525B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/102—Carbon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/104—Alumina
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/502—Carbon monoxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/02—Other waste gases
    • B01D2258/0208—Other waste gases from fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40007—Controlling pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40009—Controlling pressure or temperature swing adsorption using sensors or gas analysers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40077—Direction of flow
    • B01D2259/40081—Counter-current
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/403—Further details for adsorption processes and devices using three beds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0438—Cooling or heating systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0446—Means for feeding or distributing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/042—Purification by adsorption on solids
    • C01B2203/043—Regenerative adsorption process in two or more beds, one for adsorption, the other for regeneration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0475—Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/048—Composition of the impurity the impurity being an organic compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0495—Composition of the impurity the impurity being water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0822—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel the fuel containing hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0827—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel at least part of the fuel being a recycle stream
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1695—Adjusting the feed of the combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

정화 제어 시스템을 보유한 압력 변동 흡착(PSA) 조립체, 및 이를 함유하는 수소 발생 조립체 및/또는 연료 전지 시스템. PSA 조립체(73)는 PSA 사이클에 따라 작동하여 혼합 기체 스트림으로부터 산물 수소 스트림(42)과 부산물 스트림을 생산한다. 부산물 스트림은, 혼합 기체 스트림을 생산하는 수소 생성 영역을 가열할 수 있는 가열 조립체(71)로 연료 스트림으로서 전달될 수 있다. PSA 조립체는 여기에 사용된 정화 기체의 유속을, 예컨대 소정의 일정하지 않은 프로필에 따라 조절하도록 채택될 수 있다. 일부 양태에 따르면, 정화 기체의 흐름은 부산물 스트림의 유속 및/또는 연소가를 소정 범위의 역치로 또는 그 역치 범위 내로 유지시키고(시키거나) 정화 기체의 흐름이 부산물 스트림으로부터 생산된 가열된 배기 스트림에 존재하는 일산화탄소의 농도를 제한하도록 조절한다.
압력 변동 흡착 정화 제어, 가열 조립체, 수소 발생 조립체, 연료 전지 시스템, 부산물 스트림, 수소 산물 스트림, 흡착제 베드, 정화 제어 시스템

Description

압력 변동 흡착 정화 제어를 통해 가열 조립체 작동을 조절하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR REGULATING HEATING ASSEMBLY OPERATION THROUGH PRESSURE SWING ADSORPTION PURGE CONTROL}
본 출원은 2004년 12월 22일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 60/638,451 및 2005년 2월 14일에 출원된 미국 특허출원 일련번호 11/058,307의 우선권을 주장한다. 상기 특허 출원들의 전체 명세서는 모든 목적면에서 참고인용되었다.
본 발명은 일반적으로 압력 변동 흡착 조립체를 포함하는 수소 발생 조립체에 관한 것이며, 더 상세하게는 압력 변동 흡착 조립체의 정화 사이클의 제어를 통해 수소 발생 조립체의 가열 조립체 작동을 조절하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
수소 발생 조립체는 1종 이상의 공급원료(feedstocks)들을, 주 성분으로서 수소 기체를 함유하는 산물 스트림(product stream)으로 전환시키는 조립체이다. 이렇게 생산된 수소 기체는 다양한 분야에서 사용될 수 있는데, 그 일례가 전기화학 연료 전지와 같은 에너지 생산 분야이다. 전기화학 연료 전지는 연료와 산화제를 전기, 반응 산물 및 열로 전환시키는 장치이다. 예를 들어, 연료 전지는 수소와 산소를 물과 전기로 전환시킬 수 있다. 이러한 연료 전지에서, 수소는 연료, 산소 는 산화제, 그리고 물이 반응 산물이 된다. 연료 전지는 사용 중 손상되는 것을 막기 위해 통상 고 순도의 수소 기체를 필요로 한다. 수소 발생 조립체의 연료 처리 시스템으로부터 방출된 산물 스트림은 예컨대 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 미반응 공급원료 및 물 중 1종 이상을 포함하는 각종 불순물들을 함유하기도 한다. 그러므로 대다수 통상적인 연료 전지 시스템은 연료 처리 시스템에서 생산된 불순 수소 기체 스트림으로부터 불순물들을 제거하기에 적합한 구조를 구비해야만 한다.
압력 변동 흡착(PSA) 공정은 불순 수소 스트림 내에 존재하는 1종 이상의 불순물들을 선택적으로 흡착함으로써 불순 수소 기체 스트림으로부터 불순물을 제거하는데 사용될 수 있는 메카니즘의 일례이다. 흡착된 불순물들은 이후 PSA 조립체로부터 탈착 및 제거될 수 있다. PSA는 복수의 흡착제 베드를 이용하는 압력-구동 분리 과정이다. 이때, 베드들은 가압, 분리(흡착), 감압(탈착) 및 정화 단계와 같은 일련의 단계들을 순환하면서 수소 기체로부터 선택적으로 불순물들을 제거해낸 다음, 이 불순물들을 탈착시킨다.
많은 수소 발생 조립체는 적어도 하나의 연료 스트림을 공기로 연소시켜 수소 발생 조립체의 적어도 일부를 가열하기 위한 가열 배기 스트림을 생산하는 가열 조립체를 포함한다. 상기 연료 스트림은 PSA 조립체를 포함한 다양한 급원에서 유래하는 것일 수 있다. 하지만, PSA 조립체는 흐름이 변동적이고 때로 중단되며(되거나) 연소가(fule value)가 다른 배기 또는 부산물 스트림을 생산하는 경향이 있는 PSA 사이클에서 작동한다. 가열 조립체의 연료 스트림으로서 사용될 때, 이러한 유속 및/또는 연소가의 변동은 가열 조립체에 모순된, 종종 예측할 수 없는 결과, 예컨대 무연료 기간, 불충분한 연료 기간, 과다 연료 기간, 연료 스트림의 연소가가 변동성이 기간 등을 초래할 수 있다. 결과적으로, 가열 조립체는 수소 발생 조립체에 선택된 성분을 바람직한 온도로 유지하거나 또는 바람직하거나 선택된 온도 범위 내로 유지하기가 어려울 수 있다. 이와 마찬가지로, 때로 PSA 조립체는 작업 중인 가열 조립체의 화염이나 다른 점화 근원을 유지하기에 충분하거나 또는 임의의 배기 스트림을 생산하지 못할 수도 있다.
발명의 개요
본 발명은 정화 제어 시스템을 갖춘 PSA 조립체 및 이를 포함하는 수소 발생 조립체 및/또는 연료 전지 시스템, 그리고 이를 작동하는 방법에 관한 것이다. PSA 조립체는 주 성분으로 수소 기체와 기타 다른 기체들을 함유하는 혼합 기체 스트림으로부터 불순물을 제거하도록 채택된 흡착제를 포함하는 흡착제 영역을 구비한 하나 이상의 흡착제 베드, 통상적으로는 복수의 흡착제 베드를 포함한다. 상기 혼합 기체 스트림은 연료 처리 시스템의 수소 생성 영역에 의해 생산될 수 있으며, PSA 조립체가 연료 전지 스택에 의해 소비되는 산물 수소 스트림을 생산하여 전력을 생산하는 연료 전지 시스템을 제공한다. PSA 조립체는 수소 기체일 수 있는 정화 기체와 혼합 기체 스트림으로부터 제거된 불순물을 함유하는 부산물 스트림을 생산하고, 가열 조립체는 상기 부산물 스트림을 가열된 배기 스트림 생성용 연료 스트림으로서 수용하도록 채택될 수 있다. 가열된 배기 스트림은 연료 처리 시스템의 최소한 수소 생성 영역을 혼합 기체 스트림의 생산에 적당한 온도 또는 적당한 온도 범위로 유지시키기 위해 가열하도록 채택될 수 있다. PSA 조립체는 PSA 사이클의 정화 단계 동안에 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 흐름을 조절하도록 채택된다. 일부 양태에 따르면, 정화 기체는 일정하지 않은 소정의 프로필에 따라 선택적으로 전달된다. 일부 양태에 따르면, 상기 프로필에는 정화 기체의 평균 유속 미만은 초기 유속 및 이후 최소한 평균 유속보다 빠른 유속을 포함한다. 일부 양태에 따르면, 정화 기체의 흐름은 부산물 스트림의 유속 및/또는 연소가를 임계값(threshold value)으로 또는 소정의 임계값 범위 내로 유지시키기 위해 조절된다. 일부 양태에 따르면, 정화 기체의 흐름은 부산물 스트림에서 생산된 가열된 배기 스트림 중의 일산화탄소의 농도를 제한하기 위해 조절된다. 일부 양태에 따르면, PSA 조립체는 최소한 PSA 조립체의 작동을 조절하도록 채택된 콘트롤러(controller)를 구비한다.
도 1은 연료 전지 스택뿐만 아니라 관련 공급연료 전달 시스템 및 연료 처리 시스템을 구비한 수소 발생 조립체 및 에너지-소비 장치를 포함한 에너지 생산 및 소비 조립체의 일례를 도시한 개요도.
도 2는 물 및 적어도 1종의 탄소-함유 공급원료로부터 수소 기체 및 기타 다른 기타들을 함유하는 개질 스트림을 생산하도록 채택된 스팀 개질기의 형태로 된 수소 발생 조립체에 대한 개요도.
도 3은 본 발명에 따른 수소 발생 조립체와 함께 사용된 연료 전지 스택의 일부를 형성할 수 있는 연료 전지에 대한 개요도.
도 4는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 압력 변동 흡착 조립체에 대한 개요 도.
도 5는 본 발명에 따른 PSA 조립체와 함께 사용될 수 있는 흡착제 베드에 대한 개략적인 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 PSA 조립체와 함께 사용될 수 있는 다른 흡착제 베드에 대한 개략적인 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 PSA 조립체와 함께 사용될 수 있는 다른 흡착제 베드에 대한 개략적인 단면도.
도 8은 물질 전달대가 개략적으로 도시된 도 6의 흡착제 베드에 대한 개략적인 단면도.
도 9는 물질 전달대가 베드의 흡착제 영역을 따라서 흡착제 영역의 원위 또는 산물 단부 방향으로 이동하는 도 8의 흡착제 베드에 대한 개략적인 단면도.
도 10은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 압력 변동 흡착 조립체의 다른 예에 대한 개요도.
도 11은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 압력 변동 흡착 조립체의 다른 예에 대한 개요도.
도 12는 PSA 사이클의 감압 및 정화 단계 동안에 PSA 조립체의 흡착제 베드 내에 압력을 도시한 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 PSA 사이클의 정화 단계 동안에 PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속을 도시한 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 PSA 사이클의 정화 단계 동안에 PSA 조립체의 흡착 제 베드로 흐르는 정화 기체의 예시적인 경사식 유속을 도시한 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 PSA 사이클의 정화 단계 동안에 PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 예시적인 경사식 유속을 도시한 그래프.
발명의 상세한 설명 및 최상의 구현예
도 1은 에너지 생산 및 소비 조립체(56)의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 에너지 생산 및 소비 조립체(56)는 에너지-생산 시스템(22) 및 이 에너지-생산 시스템(22)상에 적용 부하를 가하도록 채택된 하나 이상의 에너지-소비 장치(52)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 에너지-생산 시스템(22)은 연료 전지 스택(24)과 수소 발생 조립체(46)를 포함한다. 본 발명의 범주 내에서 벗어나지 않는다면, 예시된 어떠한 구성요소도 하나 이상이 사용될 수 있다. 상기 도면에서 구체적으로 도시하지는 않았지만, 상기 에너지 생산 시스템은 공기 전달 시스템, 열 교환기, 센서, 콘트롤러, 흐름 조절 장치, 연료 및/또는 공급원료 전달 조립체, 가열 조립체, 냉각 조립체 등과 같은 부속 기관들을 추가로 구비할 수도 있다. 시스템(22)은 연료 전지 시스템이라 지칭되기도 한다.
더욱 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 수소 발생 조립체 및/또는 연료 전지 시스템은 수소 발생 조립체에서 생성되고/되거나 연료 전지 스택에서 소비된 수소 기체의 순도를 높이도록 채택된 압력 변동 흡착(PSA) 조립체를 적어도 하나 구비한 분리 조립체를 포함한다. PSA 공정을 통해, 기체상 불순물들이 수소 기체 함유 스트림으로부터 제거된다. PSA는 적절한 온도 및 압력 조건하에서 특정 기체들이 다른 기체들보다는 더욱 강력하게 흡착제 물질 상에 흡착된다는 원리를 기반으로 한 다. 이러한 불순물들은 이후 예컨대 부산물 스트림의 형태로 탈착 및 제거될 수 있다. PSA를 사용한 수소 정제의 성공은 흡착제 물질 상에 보편적인 불순물 기체들(CO, CO2, CH4를 비롯한 탄화수소류 및 N2 포함, 그러나 이것들로만 한정되지는 않음)이 상대적으로 강력하게 흡착한다는 사실에 의한다. 수소는 단지 아주 미약하게 흡착하므로 불순물들이 흡착제 물질 상에 잔류하는 반면에, 수소는 흡착제 베드를 통과하게 된다.
더 상세히 논하면, 통상적으로, PSA 과정은 적어도 가압, 분리(흡착), 감압(탈착) 및 정화 단계 또는 공정을 수소 기체로부터 불순물들을 선택적으로 제거하고 이후 불순물들을 탈착시키기 위해 반복 또는 순환 적용하는 것을 수반한다. 따라서, PSA 과정은 전술된 단계들과 같은 단계들이나 스테이지들로 이루어진 PSA 사이클을 반복적으로 수행하도록 채택된 것이라 할 수 있다. 분리도는 혼합 기체 스트림의 압력과 부산물 스트림의 압력간의 압력차에 의해 영향을 받는다. 따라서, 탈착 단계는 통상 흡착된 기체들을 포함하는 PSA 조립체 부분내 압력을 감소시키는 과정을 포함하게 되며, 임의로 조립체 해당 부분상에 진공을 유도하는 과정(즉, 대기압이나 상압 미만으로 감압시키는 과정)을 포함할 수도 있다. 이와 유사하게, PSA 조립체의 흡착제 영역으로 흐르는 혼합 기체 스트림의 공급물 압력을 증가시키는 것이 흡착 단계 중의 분리도에 유리하게 작용할 수도 있다.
도 1에 개략적으로 예시된 바에 의하면, 수소 발생 조립체(46)는 적어도 연료 처리 시스템(64)과 공급원료 전달 시스템(58) 외에도, 각종 시스템의 부속기관 들을 상호연결하는 유체 도관들을 포함한다. 본 명세서에서, 용어 "수소 발생 조립체"는 연료 처리 시스템(64) 및 에너지-생산 시스템의 공급원료 전달 시스템(58), 가열 조립체, 분리 영역 또는 장치, 공기 전달 시스템, 연료 전달 시스템, 유체 도관, 열 교환기, 냉각 조립체, 센서 조립체, 유동 조절기, 콘트롤러 등과 같은 관련 부속기관들을 지칭한다. 상기 예시한 기관 모두가 본 발명에 따른 임의의 수소 발생 조립체내에 포함되거나 임의의 연료 처리 시스템과 함께 사용될 필요는 없다. 마찬가지로, 기타 다른 부품들이 수소 발생 조립체의 일부로서 포함되거나 사용될 수도 있다.
구성이나 부품들과 무관하게, 공급원료 전달 시스템(58)은 1종 이상의 공급원료들을 하나 이상의 스트림을 통해 연료 처리 시스템(64)으로 전달하도록 채택된 것으로, 일반적으로 공급원료 제공 스트림(들)(68)으로 지칭되기도 한다. 이하 설명은 단독 공급원료 제공 스트림에 대해서만 이루어지지만, 동일 또는 상이한 조성을 가진 2종 이상의 스트림을 사용하는 것 또한 본 발명의 범주 내에 포함된다. 일부 구체예에서는, 송풍기, 팬, 압축기 또는 기타 적합한 공기 전달 시스템을 통해 연료 처리 시스템(64)으로 공기가 공급될 수도 있으며/있거나 별도의 수원(水原)으로부터 물 스트림이 전달될 수도 있다.
연료 처리 시스템(64)은 공급원료 제공 스트림(들)(68)으로부터 수소 기체를 생성하도록 구성된 적합한 장치(들) 및/또는 구조(들)를 포함한다. 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같이, 연료 처리 시스템(64)은 수소 생성 영역(70)을 포함한다. 따라서, 연료 처리 시스템(64)은 공급원료 제공 스트림으로부터 주 성분으로 수소 기체를 포함하는 수소 풍부 스트림(74)을 생산하는 수소 생성 영역(70)을 포함한다고 설명할 수 있다. 스트림(74)이 주 성분으로 수소 기체를 함유하기는 하지만, 기타 다른 기체들을 함유하기도 하므로, 수소 기체와 기타 기체들을 함유하는 혼합 기체 스트림으로 지칭되기도 한다. 이러한 다른 기체들 또는 불순물들의 비-배타적 일례로서 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 메탄 및 미반응 공급원료 같은 1종 이상의 예시적 불순물들이 포함된다.
공급원료 제공 스트림(68)로부터 수소 기체를 생산하는데 적합한 메카니즘의 일례로 물 및 적어도 1종의 탄소-함유 공급원료를 함유하는 공급원료 제공 스트림(68)으로부터 수소 기체를 생산하는데 개질 촉매가 사용되는 스팀 개질반응 및 자열(autothermal) 개질반응이 포함된다. 수소 기체를 생산하기에 적합한 다른 메카니즘의 일례로 탄소-함유 공급원료의 열분해반응 및 촉매 부분 산화반응을 들 수 있는데, 이 경우 공급원료 제공 스트림(68)은 물을 함유하지 않는다. 수소 기체를 생산하기에 적합한 또 다른 메카니즘은 전기분해반응으로, 이 때의 공급원료는 물이다. 탄소-함유 공급원료의 적합한 예를 예시하면 적어도 1종의 탄화수소 또는 알코올이 있다. 탄화수소류의 적합한 일례로는 메탄, 프로판, 천연 가스, 디젤, 등유, 가솔린 등이 포함된다. 알코올류의 적합한 일례로는 메탄올, 에탄올, 및 에틸렌 글리콜과 프로필렌 글리콜 같은 폴리올류가 포함된다.
수소 발생 조립체(46)는 수소 생성 영역(70)에서 단독 수소-생산 메카니즘 보다 더 많은 메카니즘을 이용할 수 있으며, 하나 이상의 수소 생성 영역을 포함할 수 있다. 이들 메타니즘 각각은 수소 발생 조립체(46)내 상이한 열역학 밸런스들에 의해 구동되고, 그 결과 상이한 열역학 밸런스들을 야기한다. 이에 따라, 수소 발생 조립체(46)에는 가열 조립체 및/또는 냉각 조립체 같은 온도 조절 조립체(71)가 추가로 포함될 수 있다. 온도 조절 조립체(71)는 연료 처리 시스템(64)의 일부를 이루도록 만들어지거나, 또는 수소 생성 영역(70)과 열적 및/또는 유체적 소통가능한 외부 구성요소일 수 있다. 온도 조절 조립체(71)는 예컨대 발열을 위해 연료 스트림을 소비할 수도 있다. 본 발명의 모든 구체예에서 요구되는 바는 아니지만, 연료 스트림은 공급원료 전달 시스템으로부터 전달될 수 있다. 일례로서 도 1에 점선으로 표시된 바에 같이, 연료 또는 공급원료는 연료 공급 스트림(69)을 통해 공급원료 전달 시스템(58)으로부터 제공받는다. 연료 공급 스트림(69)은 가연성 연료를 또는 대안적으로 냉각을 촉진시키는 유체를 포함할 수도 있다. 온도 조절 조립체(71)는 또한 별도의 저장 탱크와 같은 다른 공급원 또는 공급 시스템으로부터 공급원료 일부 또는 전체를 제공받기도 한다. 이외에, 조립체가 사용되는 환경을 비롯하여 적절한 공급원으로부터 공기 스트림을 제공받기도 한다. 공기 스트림을 제공하기 위해 송풍기, 팬 및/또는 압축기가 사용될 수도 있으나 이들이 모든 구체예에서 요구되는 것은 아니다.
온도 조절 조립체(71)는 열 교환기, 버너, 연소 시스템 및 연료 처리 시스템의 영역들 및/또는 조립체(56)의 다른 부분들에 열을 공급하기 위한 기타 장치를 하나 이상 포함할 수도 있다. 수소 발생 조립체(46)의 구성에 따라, 온도 조절 조립체(71)는 또한 열 교환기, 팬, 송풍기, 냉각 시스템 및 연료 처리 시스템(64)의 영역들 또는 조립체(56)의 다른 부분들을 냉각시키기 위한 기타 장치를 포함할 수 있거나 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 일례로, 스팀 개질반응 또는 기타 흡열 반응에 의거한 수소 생성 영역(70)과 함께 연료 처리 시스템(64)을 배치한 경우, 온도 조절 조립체(71)에는 수소 생성 영역(70) 및 기타 구성요소들의 온도를 적절한 범위 내에서 유지하도록 열을 공급하기 위한 시스템을 포함시킬 수 있다.
연료 처리 시스템이 촉매 부분 산화반응 또는 기타 발열 반응에 의거한 수소 생성 영역(70)과 함께 배치된 경우, 온도 조절 조립체(71)는 연료 처리 시스템의 온도를 적절한 범위 내에서 유지하도록 열을 제거하는, 즉 냉각시키기 위한 시스템을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 용어 "가열 조립체"란 일반적으로 연료 처리 시스템내 모든 또는 선택된 영역에 열을 공급하거나 다르게는, 해당 영역의 온도를 상승시키도록 만들어진 온도 조절 조립체를 지칭한다. 용어 "냉각 조립체"는 연료 처리 시스템내 모든 또는 선택된 영역을 냉각시키거나 해당 영역의 온도를 저하시키도록 만들어진 온도 조절 조립체를 통칭한다.
도 2에 도시된 일례에 따르면, 수소 발생 조립체(46)는 물(80) 및 적어도 1종의 탄소 함유 공급원료(82)를 함유하는 하나 이상의 공급원료 제공 스트림(68)을 스팀 개질하여 혼합 기체 스트림(74)을 생산하도록 채택된 수소 생성 영역(70)을 구비한 연료 처리 시스템(64)을 포함한다. 도시한 바와 같이 영역(70)에는 1종 이상의 적합한 개질 촉매(86)를 함유하는 적어도 하나의 개질 촉매 베드(84)가 포함된다. 도시된 일례에서는 수소 생성 영역은 개질 영역으로, 혼합 기체 스트림은 개질 스트림으로 지칭될 수 있다.
또한 도 1 및 도 2에 도시된 바에 따르면, 혼합 기체 스트림은 적어도 하나 의 PSA 조립체(73)를 포함하는 분리 영역 또는 조립체(72)로 전달되도록 채택된다. PSA 조립체(73)는 혼합 기체(또는 개질) 스트림을 산물 수소 스트림(42) 및 혼합 기체 스트림(74)에 존재한 불순물 또는 다른 기체들을 적어도 상당량 함유하는 1종 이상의 부산물 스트림(76)으로 분리시킨다. 부산물 스트림(76)은 수소 기체를 전혀 포함하지 않을 수 있으나, 통상적으로는 약간의 수소 기체를 포함하게 된다. 연료 처리 시스템(64)은 연료 처리 시스템의 가열 조립체에 연료 또는 공급원료 스트림으로 사용하기에 적합한 충분 양의 수소(및/또는 기타) 기체(들)를 함유하는 1종 이상의 부산물 스트림을 생산하도록 채택될 수 있지만, 필수적이지는 않으며, 본 발명의 범주 내에 포함된다. 일부 구체예에 있어, 부산물 스트림은 가열 조립체(존재시)가 원하는 작동 온도 또는 선택된 온도 범주내로 수소 생성 영역을 유지할 수 있도록 충분한 연소가(즉, 수소 및/또는 기타 가연성 기체 함량)를 가질 수 있다.
도 2에 예시된 수소 발생 조립체는 적어도 수소 발생 조립체의 개질 영역을 가열시키기 위한 가열된 배기 스트림(88)을 생산하도록 채택된 가열 조립체(71)의 형태로 온도 조절 조립체를 포함한다. 스트림(88)을 사용하여 수소 발생 조립체 및/또는 에너지-생산 시스템(22)의 기타 부분들을 가열하는 것도 본 발명의 범주 내에 속한다.
도 1 및 도 2에 점선으로 표시된 것과 관련하여, PSA 조립체로부터의 부산물 스트림이 가열 조립체용 연료 스트림의 적어도 일부를 형성할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범주 내에 속한다. 도 2에는 적절한 공기 공급원으로부터 전달될 수 있는 공기 스트림(90)과 가열 조립체내에서 공기와 함께 연소되기 적합한 가연성 연 료를 포함하는 연료 스트림(92)이 도시되어 있다. 연료 스트림(92)은 가열 조립체용 연료 스트림으로서 단독으로 사용하는 것도 가능하지만, 후술되는 바와 같이 PSA 조립체로부터의 부산물 스트림, 연료 전지 스택으로부터의 애노드 배기 스트림 등과 같은 기타 가연성 연료 스트림을 사용하는 것도 또한 본 발명의 범주 내에 포함된다. 시스템(22)의 다른 구성요소로부터의 부산물 또는 배출 스트림이 충분한 연소가를 가지는 경우에는, 연료 스트림(92)이 사용되지 않을 수도 있다. 또, 충분한 연소가를 가지지 않거나, 기타 목적으로 사용되거나 또는 발생이 일어나지 않는 경우, 연료 스트림(92)이 대신 사용되거나 또는 함께 사용될 수도 있다.
적절한 연료의 일례로 1종 이상의 전술한 탄소-함유 공급원료를 들 수 있으며, 다른 것들의 사용도 허용된다. 가열 조립체(71)의 사용으로 수소 생성 영역(70)에서 달성 및/또는 유지될 수 있는 온도를 예시하면, 스팀 개질기는 통상 200℃ 내지 900℃ 범위내 온도에서 작동한다. 이 범위 밖의 온도 또한 본 발명의 범주 내에 속한다. 탄소-함유 공급원료가 메탄올인 경우, 스팀 개질 반응은 통상적으로 대략 200-500℃의 온도 범위 내에서 작동하게 된다. 이 범위내 소범위를 예시하면 350-450℃, 375-425℃ 및 375-400℃이 포함된다. 탄소-함유 공급원료가 탄화수소, 에탄올 또는 유사 알코올인 경우에는, 대략 400-900℃의 온도 범위가 스팀 개질 반응에 통상 사용된다. 이 범위내 소범위를 예시하면 750-850℃, 725-825℃, 650-750℃, 700-800℃, 700-900℃, 500-800℃, 400-600℃ 및 600-800℃이 포함된다.
본 발명의 범주 내에서는, 수소 생성 영역으로부터 하류 쪽 그리고 연료 전 지 스택으로부터 상류 쪽 어디든지 시스템(22)내 소정 지점에서 분리 영역이 실행될 수 있다. 도 1에 개략적으로 도시된 예에 따르면, 분리 영역이 수소 발생 조립체의 일부로서 도시되어 있으나, 이러한 구성이 반드시 요구되는 것은 아니다. 수소 발생 조립체가 혼합 기체 스트림으로부터 1종 이상의 선택된 불순물의 농도를 없애거나 감소시키기 위해 PSA 조립체(73)에 부가적으로 화학 또는 물리적 분리 공정을 이용할 수도 있는데, 이 또한 본 발명의 범주 내에 속한다. 분리 조립체(72)가 PSA 외에 별도의 분리 공정도 활용하는 경우, 시스템(22)내 적당한 위치에서 하나 이상의 부가적 공정들이 수행될 수도 있으나, 반드시 PSA 조립체와의 병용이 요구되는 것은 아니다. 일례로서, 화학적 분리 공정에서는 스트림(74) 중에 존재하는 일산화탄소의 농도를 선별적으로 감소시키기 위해 메탄화 촉매를 사용한다. 기타 다른 예시적 화학적 분리 공정에서는 일산화탄소로부터 이산화탄소를 형성하는 부분 산화반응과 물과 일산화탄소로부터 수소 기체와 이산화탄소를 생산하는 물-기체 전환 반응이 포함된다. 일례로서, 물리적 분리 공정에서는 수소 기체의 흐름은 통과시키되 적어도 선택된 불순물들은 통과하지 못하도록 채택된 물리적 멤브레인 또는 기타 격벽(barrier)을 사용한다. 이들 멤브레인들은 수소-선택적 멤브레인으로 지칭될 수 있다. 적합한 멤브레인들의 일례로는 팔라듐 또는 팔라듐 합금으로부터 형성된 것이 있으며, 본 명세서에 인용된 참고문헌에 상술되어 있다.
수소 발생 조립체(46)는 적어도 거의 순수한 수소 기체를 생산하도록 채택된 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게 수소 발생 조립체는 순수한 수소 가스를 생산하도록 채택된다. 본 발명의 목적에 부합하기 위한, 거의 순수한 수소 기체라 함은 순도 90% 이상, 바람직하게는 순도 95% 이상, 더욱 바람직하게는 순도 99% 이상 및 더욱 더 바람직하게는 순도 99.5% 또는 한층 더 바람직하게는 순도 99.9% 이상을 말한다. 적합한 연료 처리 시스템의 비-배타적 예시는 미국 특허 제 6,221,117 호, 제 5,997,594 호, 제 5,861,137 호 및 계류 중인 미국 특허 출원 공개 제 2001/0045061 호, 제 2003/0192251 호 및 제 2003/0223926 호에 개시되어 있다. 전술한 특허 및 특허 출원들에 개재된 전문 내용은 모든 목적에 대해 본 명세서에 참고로 인용되고 있다.
수소는 연료 처리 시스템(64)부터 산물 수소 스트림(42)을 통해 하나 이상의 저장 장치(62) 및 연료 전지 스택(24)으로 전달될 수 있다. 수소 스트림(42) 일부 또는 전부는 부가적으로 또는 대안적으로, 수소를 소비하는 타 공정에 사용하기 위한 목적으로 적당한 도관을 통해 전달되거나, 연료용 또는 열을 위해 연소되거나 또는 이후 사용을 위해 저장되기도 한다. 도 1을 참고로 설명하면, 연료 전지 스택(24)용 양성자 공급원 또는 반응물로서 사용된 수소 기체는 하나 이상의 연료 처리 시스템(64) 및 저장 장치(62)로부터 스택으로 전달될 수 있다. 연료 전지 스택(24)에는 적어도 하나의 연료 전지(20)가 포함되어 있으며, 통상 다수의 유체적으로 그리고 전기적으로 상호연결된 연료 전지가 포함된다. 이들 전지들이 직렬로 함께 연결되어 있는 경우, 연료 전지 스택의 출력은 개별적 전지의 출력을 합산한 것과 같다. 스택(24)내 전지들은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 병행된 혼용 형태로 연결될 수도 있다.
도 3은 연료 전지(20)를 개략적으로 도시한 것으로, 하나 이상의 연료 전지 들이 연료 전지 스택(24)을 형성하도록 배치될 수 있다. 본 발명의 연료 전지 스택들은 어떠한 종류의 적당한 연료 전지도 이용할 수 있으나, 양성자 공급원 및 산화제로서 수소 및 산소를 공급받는 연료 전지가 바람직하다. 연료 전지 종류를 예시하면, 양성자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지, 알칼리 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지, 인산 연료 전지 등이 있다. 예시를 목적으로 PEM 연료 전지의 형태로 된 연료 전지(20)가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.
양성자 교환 멤브레인 연료 전지는 통상적으로 애노드 영역(30)과 캐소드 영역(32) 사이에 위치하는 이온 교환식 또는 전기분해식 멤브레인(28)으로 이루어진 멤브레인-전극 조립체(26)를 이용한다. 각 영역들(30,32)은 전극(34), 즉 애노드(36) 및 캐소드(38)를 각각 포함하고 있다. 각 영역들(30,32)은 또한 지지판(40) 같은 지지체(39)를 또한 포함하고 있다. 지지체(39)는 본 명세서에서 후술되는 양극판 조립체들의 일부분을 형성할 수 있다. 연료 전지(20)의 지지판(40)은 연료 전지에 의해 생산된 상대적 전압 전위를 수송한다.
작동시, 수소 기체는 산물 스트림(42)으로부터 애노드 영역으로 전달되며, 산화제(44)는 캐소드 영역으로 전달된다. 산화제로는 통상 산소가 사용되지만, 이것으로만 국한되지는 않는다. 본 명세서에서 인용하고 있는 수소라 함은 수소 기체를, 그리고 산소라 함은 산소 기체를 지칭한다. 이하, 수소를 연료 전지(스택)용 양성자 공급원 또는 연료로서 사용하고 산소를 산화제로 사용하는 것에 대해 설명하고는 있으나, 기타 다른 연료 및/또는 산화제를 사용하는 경우도 본 발명의 범주 내에 속한다. 수소 및 산소(44)는 각각의 공급원(47,48)으로부터 적당한 메카니즘 을 통해 연료 전지의 해당 영역으로 전달될 수도 있다. 산소(44)의 적당한 공급원(48)의 일례로는 산소 또는 공기 가압 탱크, 또는 팬, 압축기, 송풍기나 공기를 캐소드 영역으로 유도하기 위한 기타 다른 장치들을 포함한다.
수소와 산소는 통상적으로 산화-환원 반응을 통해 서로 결합한다. 멤브레인(28)이 수소 분자가 통과하는 것을 제한하지만, 대개는 멤브레인이 가지고 있는 이온 전도성 때문에 수소 이온(양성자)의 통과는 허용하게 된다. 산화-환원 반응의 자유 에너지에 의해 수소 기체로부터의 양성자는 이온 교환 멤브레인을 통과하게 된다. 멤브레인(28)은 또한 전기 전도성이 되지 않으려는 경향이 있기 때문에, 외부 도관(50)이 도 3에 개략적으로 도시된 바에서 볼 수 있듯이, 잔여 전자를 위한 최하위 에너지 경로가 된다. 캐소드 영역(32)에서는 외부 도관으로부터의 전자와 멤브레인으로부터의 양성자가 산소와 결합하여 발열과 함께 물이 생성된다.
도 3에는 수소 기체를 함유하기도 하는 애노드 정화 또는 배출 스트림(54) 및 통상 대부분은 아니더라도 적어도 어느 정도는 산소가 고갈된 캐소드 공기 배출 스트림(55)이 도시되어 있다. 연료 전지 스택(24)은 보편적인 수소(또는 기타 반응물) 공급물, 공기 유입, 및 스택 정화 및 배출 스트림을 포함할 수 있으며, 결과적으로 관련 스트림들을 개별적인 연료 전지로 전달하고 또 이들로부터 스트림들을 회수하기에 적합한 유체 도관들을 포함하게 된다.
실제로는, 통상 연료 전지 스택(24)이 인접 멤브레인-전극 조립체들을 분리하는 양극판 조립체를 구비한 다수의 연료 전지들을 포함하게 된다. 양극판 조립체들은 본질적으로 자유 전자로 하여금 제 1 전지의 애노드 영역으로부터 양극판 조 립체를 통해 인접 전지의 캐소드 영역으로 통과하도록 함으로써 스택을 통해 적용 부하를 충족시키기 위해 사용될 수 있는 전기 전위를 형성시킨다. 이러한 전자들의 순수 유동량은 예컨대 에너지-소비 장치(52) 및 에너지-생산 시스템(22)중 적어도 하나로부터의 적용 부하를 충족시키기 위해 사용될 수 있는 전류를 생산한다.
12 볼트나 24 볼트 같이 일정한 출력 전압을 위해, 출력 전력은 출력 전류를 측정함으로써 결정할 수 있다. 전기 출력은 예컨대 에너지-소비 장치(52)로부터의 적용 부하를 충족시키기 위해 사용될 수 있다. 에너지-생산 시스템(22)이 적어도 하나의 에너지-저장 장치(78)를 포함할 수도 있음이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 장치(78)는 (포함시) 연료 전지 스택(24)으로부터 적어도 전기 출력 또는 전력(79)의 일부분을 저장하도록 채택된 것이다. 적합한 에너지-저장 장치(78)의 일례로 배터리를 들 수 있으나, 다른 것들도 또한 사용가능하다. 에너지-저장 장치(78)는 부가적으로 또는 대안적으로 시스템 시동 중에 에너지-생산 시스템(22)에 전력을 공급하기 위해 사용될 수도 있다.
적어도 하나의 에너지-소비 장치(52)는 연료 전지 스택(24) 및/또는 이 스택과 결합된 하나 이상의 에너지-저장 장치(78) 같은 에너지-생산 시스템(22)에 전기적으로 연결될 수도 있다. 장치(52)는 에너지-생산 시스템(22)에 부하를 가하고 이 부하 충족을 위해 시스템으로부터 전류를 인출한다. 이때 부하란 적용된 부하를 이르는 것으로, 열적 및/또는 전기적 부하(들)가 포함될 수 있다. 본 발명의 범주 내에서, 적용 부하는 연료 전지 스택, 에너지-저장 장치 또는 연료 전지 스택과 에너지-저장 장치 양자 모두에 의해 충족될 수 있다. 장치(52)의 일례로서 모터 차량, 레저 차량, 보트 및 기타 해양 선박 및 하나 이상의 주택, 사업용 사무실 또는 빌딩, 일정 지역, 도구, 조명시설 및 조명 조립체, 각종 기구, 컴퓨터, 산업용 설비, 신호체계 및 통신 장비, 라디오, 보트나 레저 차량이나 기타 차량의 전력 가동 부속품, 배터리 충전기 및 일부가 연료 전지 스택(24)으로 이루어진 에너지-생산 시스템(22)의 주변장치(balance-of-plant) 전기 필수품의 임의의 조합이 포함된다. 도 1에서 점선으로 표시된 도면부호(77)에서 알 수 있듯이, 에너지-생산 시스템은 적어도 하나의 전력 관리 모듈(power management module,77)을 반드시 요구하는 것은 아니나, 포함할 수도 있다. 전력 관리 모듈(77)은 예컨대 에너지-소비 장치(52)로의 전달을 위해 에너지-생산 시스템에 의해 생산된 전기를 조정 또는 조절하기에 적합한 임의의 구조를 포함한다. 모듈(77)의 일례로서 벅(buck) 또는 부스터(booster) 컨버터(converters), 인버터(inverters), 전력 필터 등과 같은 구조가 포함될 수 있다.
도 4에는 PSA 조립체(73)의 일례가 도시되어 있다. 도시된 바에 의하면, 조립체(73)는 분배 조립체(102,104)를 통해 유체적으로 연결된 복수의 흡착제 베드들(100)을 포함한다. 베드들(100)은 부가적으로 또는 대안적으로 흡착제 챔버 또는 흡착 영역이라고도 지칭된다. 분배 조립체들은 도 4에 개략적으로 도시되어 있으며, 베드간의 유체 흐름 및/또는 조립체(73)의 입력 및 출력 스트림을 선택적으로 확립하고 제한하기에 적합한 임의의 구조를 포함할 수 있다. 설명한 바와 같이, 입력 및 출력 스트림에는 적어도 혼합 기체 스트림(74), 산물 수소 스트림(42) 및 부산물 스트림(76)이 있다. 적당한 구조의 일례로, 유체를 베드들, 및 체크 밸브, 솔 레노이드 밸브, 정화 밸브 등과 같은 밸브들로 분배하고 이들로부터 유체를 회수하도록 개별 채택된 분배 및 회수용 매니폴드 같은 하나 이상의 매니폴드들이 포함된다. 예시된 일례에서는 3개의 베드(100)가 제시되어 있으나, 베드의 수는 달라질 수 있으며, 도 4에 도시된 것 보다 많거나 적은 수의 베드를 사용하는 것도 본 발명의 범주 내에 속한다. 통상적으로, 조립체(73)는 적어도 2개의 베드를 포함하게 되며, 때론 3개, 4개 또는 그 이상의 베드를 포함하기도 한다. 반드시 요구되는 바는 아니지만, 조립체(73)는 산물 수소 스트림이 지속적으로 흐르도록 하고, 복수의 베드중 적어도 하나가 조립체 사용시 이 스트림을 배출하고 지속적으로 흐르는 혼합 기체 스트림(74)을 수용하도록 채택된 것이 바람직하다.
예시된 실시예에서, 분배 조립체(102)는 혼합 기체 스트림(74)을 복수의 베드들로 선별 전달하고 부산물 스트림(76)을 회수 및 배출하도록 채택되고, 분배 조립체(104)는 베드를 통과 후, 산물 수소 스트림(42)을 형성하는 정제된 수소 기체를 회수하고, 일부 구체예에서는 정제된 수소 기체의 일부분을 정화 스트림 용도로 사용하기 위해 베드로 전달하도록 채택된 것이다. 분배 조립체들은 베드에 대해 고정 또는 회전 위치를 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 분배 조립체들은 대응 기체 스트림의 흐름을 선별 분배, 조절, 계측, 방해 및/또는 회수하기에 적합한 종류와 수의 구조와 장치들을 포함할 수 있다. 비-배타적 예시로서, 분배 조립체(102)는 혼합 기체 및 배출 매니폴드 또는 매니폴드 조립체들을 포함할 수 있으며, 분배 조립체(104)는 산물 및 정화 매니폴드 또는 매니폴드 조립체들을 포함할 수 있다. 실제로는, 베드를 기준으로 회전하는 분배 조립체들을 사용하는 PSA 조립체들을 회전 식 압력 변동 흡착 조립체로 지칭하며, 유체 연속성을 선별 확립하고 제한하기 위해 서로에 대해 회전하도록 채택된 것이 아닌 매니폴드와 베드들을 구비한 PSA 조립체들은 고정 또는 분리식 베드, 압력 변동 흡착 조립체로 지칭된다. 두 구조 모두 본 발명의 범주 내에 속한다.
압력 변동 흡착에 의한 기체 정제는 흡착제 베드를 기준으로 한 기체 스트림의 순차적 압력 순환과 흐름 반전과정을 포함한다. 거의 수소 기체로 이루어진 혼합 기체 스트림의 정제시, 혼합 기체 스트림은 비교적 고압 하에서 흡착제 베드의 일측 단부로 전달되고, 그럼으로써 흡착제 영역 내에 포함된 흡착제(들)에 노출된다. 혼합 기체 스트림(74)에 대한 전달 압력을 예시하면 40-200 psi 범위내 압력, 예컨대 50-150 psi, 50-100 psi, 100-150 psi, 70-100 psi 범위내 압력 등이 가능하며, 이 범위 밖의 압력 또한 본 발명의 범주 내에 포함된다. 혼합 기체 스트림이 흡착제 영역을 관통해 흐르면, 일산화탄소, 이산화탄소, 물 및/또는 기타 불순물의 일종 또는 기타 기체들이 흡착되고, 이에 따라 적어도 일시적으로나마 흡착제상에 잔존하게 된다. 그 이유는 이들 기체들이 PSA 조립체에 사용된 선택된 흡착제상에 보다 쉽게 흡착되기 때문이다. 혼합 기체 스트림, 더욱 정확하게 지칭하자면 정제된 수소 스트림의 나머지 부분은 베드를 통과하여 그 베드의 타측 단부로부터 배출된다. 이 과정에서, 수소 기체는 쉽게 흡착되지 않는 성분이라고 할 수 있으며, 반면에 일산화탄소, 이산화탄소 등은 보다 쉽게 흡착되는 혼합 기체 스트림 성분이라 설명할 수 있다. 산물 수소 스트림의 압력은 통상 연료 전지 스택에 의한 기체 사용 이전에 감압된다.
흡착된 기체를 제거하기 위해서는, 혼합 기체 스트림의 흐름을 중단시키고, 베드내 압력을 감소시켜 이제는 탈착된 기체들이 베드로부터 배출되도록 한다. 탈착 단계에서는 종종 공급 방향에 대해 통상 역류 방향으로 기체를 인출함으로써 흡착제 영역내 압력을 선별적으로 감소시킨다. 이러한 탈착 단계를 또한 감압 또는 블로다운(blowdown) 단계로 지칭하기도 한다. 이 단계는 때론 혼합 기체 스트림이 흡착제 영역을 관통해 흐르는 방향에 대해 역류 방향으로 통상 전달되는 정화용 기체 스트림을 사용하거나 또는 이것과 병행 실시한다. 산물 수소 스트림은 흡착된 기체보다는 흡착이 쉽지 않은 수소로 이루어짐으로, 이 스트림의 일부를 적합한 정화용 기체 스트림의 일례로 들 수 있다. 정화용 기체 스트림에 기타 다른 기체들도 사용될 수 있으나, 흡착제(들)상에 바람직하게는 흡착된 기체보다는 흡착이 쉽지 않은 것을, 더욱 바람직하게는 흡착되지 않는 것 또는 단지 미약하게 흡착되는 것을 사용한다.
언급한 바와 같은 이러한 탈착 단계는 베드 상에 적어도 부분 진공을 유도하는 것을 포함하지만, 반드시 요구되지는 않는다. 반드시 요구되지는 않지만, 둘 이상의 베드가 유체적으로 상호연결되어 베드간의 상대적인 압력을 평형상태로 만드는 평형화 단계를 하나 이상 이용하는 것이 때론 바람직하다. 예컨대, 하나 이상의 평형화 단계들을 탈착 및 가압 단계에 선행 실시하기도 한다. 탈착 단계 이전에 실시하는 경우, 베드내 압력을 감소시키고, 베드 내에 포함된 정제된 수소 기체의 일부를 회수하는데 평형화 단계가 사용되는 반면, (재)가압 단계 이전에 실시하는 경우에는 베드내 압력을 증가시키는데 평형화 단계가 사용된다. 평형화 단계는 병 류(cocurrent) 및/또는 역류 흐름의 기체를 사용하여 수행할 수 있다. 탈착된 기체들의 탈착 및/또는 정화 단계(들)가 완료된 후에는, 베드를 다시 가압시키고 재차 베드로 전달된 혼합 기체 스트림 부분으로부터 불순물들을 제공받아 제거할 준비를 한다.
예를 들어, 재생 준비된 베드는 통상 비교적 높은 압력에 있으며, 다량의 수소 기체를 포함한다. 해당 베드를 배기시킴으로써 이 기체(및 압력)는 간단히 제거할 수 있지만, 조립체내 다른 베드들은 이들로 전달된 혼합 기체 스트림 부분을 정제하는데 사용하기에 앞서 가압이 요구된다. 더욱이, 재생하고자 하는 베드내 수소 기체는 PSA 조립체의 효율에 부정적인 영향을 주지 않도록 회수하는 것이 바람직하다. 또한, 베드로 전달되는 불순 수소 기체(즉, 혼합 기체 스트림(74))를 정제하기 위해서는 사용되는 베드내 압력과 수소 기체는 증가시키면서, 서로에 대해 유체 소통 상태에 있는 이들 베드들을 상호연결함으로써 재생하고자 하는 베드내 압력 및 수소 기체를 감소시킨다. 하나 이상의 이러한 평형화 단계에 부가하여 또는 이를 대신하여, 혼합 기체 스트림을 정제하는데 사용되는 베드를 베드로의 혼합 기체 스트림 전달에 앞서 가압시키는 방법도 가능하다. 예를 들면, 정제된 수소 기체 일부를 베드로 전달하여 베드를 가압시킬 수도 있다. 이러한 가압 기체를 베드의 어느 한 단부로 전달하는 것도 본 발명의 범주 내에 속하나, 일부 구체예에서는 혼합 기체 스트림이 전달되는 단부 보다는 베드의 반대편 단부로 가압 기체를 전달하는 것이 바람직하다.
일반적인 PSA 조립체 작동에 대한 전술한 설명은 다소 간단하게 이루어졌으 나, 압력 변동 흡착 조립체, 이것의 구성 부재들 및 이를 작동하는 방법들에 대한 실례는 미국 특허 제 3,564,816 호, 제 3,986,849 호, 제 5,441,559 호, 제 6,692,545 호 및 제 6,497,856 호에 개시되어 있으며, 전술한 특허들에 개재된 전문 내용은 모든 목적에 참고로 본 발명에 인용되고 있다.
도 5에는 흡착제 베드(100)의 일례가 개략적으로 도시되어 있다. 제시된 바에 따르면, 베드는 적어도 1종의 흡착제(112)를 포함하는 내부 격실(110)로 구획되어 있으며, 각 흡착제는 혼합 기체 스트림중 1종 이상의 성분들을 흡착하도록 채택된 것이다. 1종 이상의 흡착제를 사용하는 것도 또한 본 발명의 범주 내에 속한다. 예를 들면, 베드가 일산화 탄소를 흡착하는 것과 같이 혼합 기체 스트림의 특정 성분을 흡착하도록 채택된 흡착제 1종 이상 및/또는 각기 혼합 기체 스트림중 상이한 성분을 흡착하도록 채택된 흡착제 2종 이상을 포함할 수도 있다. 유사하게, 흡착제는 혼합 기체 스트림중 2종 이상의 성분들을 흡착하도록 채택될 수도 있다. 적합한 흡착제의 일례로는 활성탄, 알루미나 및 제올라이트 흡착제를 들 수 있다. 베드의 흡착제 영역 내에 존재할 수 있는 흡착제의 또 다른 일례는 혼합 기체 스트림 내에 존재하는 물을 흡착하도록 채택된 건조제이다. 이러한 건조제의 일례로 실리카 및 알루미나 겔이 속한다. 2종 이상의 흡착제가 사용된 경우, 이들은 베드 내에 순차적으로 (연속 또는 불연속 관계로) 배치되거나 또는 함께 혼합될 수 있다. 특정 PSA 조립체내 흡착제의 종류, 수, 양 및 형태는 하나 이상의 다음 요인들에 따라 달라질 수 있는 것으로 이해해야 한다: PSA 조립체내 예상 작동 조건, 흡착제 베드의 크기, 혼합 기체 스트림의 조성 및/또는 성질, PSA 조립체에 의해 생산된 산물 수소 스트림의 용도, PSA 조립체 사용시 작동 환경, 사용자의 기호 등.
PSA 조립체가 건조제나 기타 제습 조성물 또는 장치를 포함하는 경우에 있어서는, 혼합 기체 스트림 중에서 다른 불순물들을 흡착시키기에 앞서 혼합 기체 스트림으로부터 물을 제거하도록 배치한다. 그 이유 중 하나는 물이 혼합 기체 스트림중 일산화탄소 같은 다른 성분들을 흡착하는 일부 흡착제의 능력에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 제습 장치의 일례로 응축기를 들 수 있으나 도 1에서 도면부호(122)에 점선으로 개략적으로 표시된 바와 같이, 다른 것들을 수소 생성 영역과 흡착제 영역 사이에 사용할 수도 있다. 예컨대, 스트림을 PSA 조립체에 전달하기 이전에, 혼합 기체 스트림을 냉각시키기 위해 적어도 하나의 열 교환기, 응축기 또는 기타 적당한 제습 장치가 사용될 수도 있다. 이러한 냉각과정은 혼합 기체 스트림 내에 존재하는 물의 일부를 응축시킬 수도 있다. 이러한 일례에 대해 계속해서 더욱 구체적으로 설명하자면, 스팀 개질기에 의해 생산된 혼합 기체 스트림들은 연료 처리 시스템의 수소 생성(즉, 개질) 영역으로부터 배출시 적어도 10% 그리고 때론 적어도 15% 또는 그 이상의 물을 포함하는 경향이 있다. 이러한 스트림들은 또한 꽤 고온이어서, 예컨대 온도가 적어도 300℃(메탄올 또는 유사한 탄소-함유 공급원료들로부터 생산된 대다수 혼합 기체 스트림의 경우) 및 적어도 600-800℃(천연 가스, 프로판 또는 유사 탄소-함유 공급원료로부터 생산된 대다수 혼합 기체 스트림의 경우)인 경향이 있다. PSA 조립체로의 전달에 앞서 예컨대 25-100℃ 또는 단지 40-80℃ 범위의 온도로 냉각시키면, 대부분의 물은 응축된다. 혼합 기체 스트림은 여전히 물로 포화된 상태일 수 있으나, 물 함량은 5 wt% 미만으로 된다.
흡착제(들)은 미립자 형태, 비드 형태, 다공성 디스크나 블록, 피막 구조체, 적층 시트, 패브릭 등을 비롯한 적절한 형태로 베드 중에 존재할 수 있다. 베드 내에 사용 목적으로 배치할 때, 흡착제들은 혼합 기체 스트림의 비 흡착부가 베드의 압력 저하 없이 베드를 관통해 흐르기에 충분한 기공 및/또는 기체 유동 통로를 구비해야 한다. 본 명세서에서 언급된, 흡착제를 함유하는 베드 부분이란 베드의 흡착제 영역을 지칭한다. 도 5에서 흡착제 영역은 일반적으로 도면부호(114)로 표시되어 있다. 베드(100)는 서로를 기준으로 선택 위치에서, 목적하는 압축도 등으로 격실 내에 흡착제 및 베드의 기타 성분들을 보유시키기 위한 파티션, 지지체, 스크린 및 다른 적합한 구조체를 포함할 수 있다(반드시 요구되지는 않는다). 일반적으로 이러한 장치들을 지지체라 하며 도 5에 도면부호(116)로 표시된다. 따라서, 흡착제 영역이 베드의 내부 격실 전체 또는 그것의 단지 소부분에 해당하는 것도 또한 본 발명의 범주 내에 속한다. 유사하게, 흡착제 영역은 연속 영역 또는 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 범위 내에서 이격된 둘 이상의 영역들로 이루어질 수 있다.
도 5에 도시된 일례에서, 베드(100)는 베드의 각 단부 영역과 연관된 적어도 하나의 포트(118)를 포함한다. 점선으로 표시된 바와 같이, 베드의 한 단부 또는 양 단부는 본 발명의 범주 내에서 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 유사하게, 포트들이 베드들로부터 측면 연장되거나 도 5에 도시된 것과는 다른 형태를 가지는 것도 본 발명의 범주 내에 속한다. 포트의 구성 및/또는 수와는 무관하게, 포트들은 베드의 흡착제 영역 통과를 위해 유체를 전달하고 흡착제 영역을 통과한 유체를 회수하도록 종합적으로 채택된 것이다. 전술한 바와 같이 포트들은 예컨대 PSA 조립체의 특별한 실행 및/또는 PSA 사이클내 스테이지 등에 따라 선택적으로 입력 포트 또는 출력 포트로 사용될 수 있다. 도식적 예시를 위해 제시된 도 6에 따르면, 흡착제 영역이 베드의 전장을 따라 즉, 베드의 마주보는 포트들 또는 베드의 다른 단부 영역들 사이에서 연장되어 있는 베드(100)가 예시되어 있다. 도 7의 베드(100)는 불연속적인 소영역(120)을 구비한 흡착제 영역(114)을 포함하고 있다.
베드(100) 같은 흡착제 베드 사용중, 불순물 기체들(말하자면, 흡착제에 의해 흡착될 정도로 친화력이 큰 기체들)을 흡착하기 위한 물질 전달대는 흡착제 영역내에 한정된다. 더욱 구체적으로, 흡착제들은 특정 흡착 용량을 가지는데, 이는 혼합 기체 스트림의 조성, 혼합 기체 스트림의 유속, 흡착제가 혼합 기체 스트림에 노출될 때의 작동 온도 및/또는 압력, 흡착제로부터 이전에 탈착된 바 없는 임의의 흡착 기체 등에 의해 적어도 어느 정도는 규정된다. 혼합 기체 스트림이 베드의 흡착제 영역으로 전달되면, 혼합 기체 전달 포트에 근접한 흡착제 영역의 단부 부분에 있는 흡착제에 의해 혼합 기체 스트림으로부터 불순물이 제거된다. 일반적으로, 이들 불순물들은 흡착제 영역의 소영역 내에 흡착하게 되며, 나머지 흡착제 영역 부분에 흡착된 불순물 기체들은 있더라도 단지 미량이다. 이러한 물질 전달대 또는 영역(130)을 포함한 흡착제 영역(114)이 도 8에 개략적으로 도시되어 있다.
초기 물질 전달대에 있는 흡착제가 계속 불순물을 흡착하면, 이들 불순물을 흡착할 수 있는 최대 용량에 근접 또는 도달하게 된다. 이럴 경우는, 물질 전달대는 흡착제 영역의 반대 단부 방향으로 이동하게 된다. 더욱 구체적으로 설명하면, 불순물 기체들의 흐름이 이들 기체들을 흡착할 수 있는 흡착제 영역내 특정 부분(즉, 특정 물질 전달대)의 용량을 초과함에 따라, 기체들은 해당 영역 외로 그리고 흡착제 영역의 인접 부분으로 흐르게 되며, 해당 부분에 있는 흡착제에 의해 흡착되어 결과적으로 베드의 반대편 단부 방향으로 물질 전달대를 확장 및/또는 이동시키게 된다.
특히 혼합 기체 스트림이 흡착제에 의해 흡착되는 1종 이상의 기체를 함유하는 경우, 종종 흡착제 영역을 따라 균일한 개시 및 종결 경계선이 규정되지 않은 물질 전달대가 나타난다는 것을 통해 이러한 사실은 간단히 설명된다. 유사하게, 이들 기체들은 흡착에 대해 상이한 친화력을 가질 수도 있으므로, 흡착 부위에 대해 서로 경쟁하기도 한다. 그러나, 흡착의 상당 부분(적어도 70% 이상)은 흡착제 영역중 비교적 국한된 부분에서 일어나며, 이 부분 또는 대역은 베드 사용 중에 흡착제 영역의 공급물 단부로부터 산물 단부로 이동하는 경향이 있다. 도 9에 개략적으로 도시된 바로부터 알 수 있듯이, 물질 전달대(130)는 도 8에서의 위치에 비해 포트(118') 방향으로 이동되어 있다. 따라서, 흡착제 영역중 부분(114')내에 있는 흡착제(112')는 추가 불순물을 흡착하는데 있어 현저히 감소된 용량을 가지게 된다. 다른 말로 하면, 흡착제(112')는 흡착 기체들로 완전히는 아니지만 거의 포화된 것으로 설명할 수도 있다. 도 8 및 도 9에서, 흡착제 영역의 공급물 및 산물 단부들은 일반적으로 도면부호(124 및 126)로 표시되며, 베드의 혼합 기체 전달 포트 및 산물 포트에 근접하거나 최근방에 있는 흡착제 영역의 부분들을 지칭한다.
PSA 조립체 사용중, 물질 전달대는 흡착제 영역의 단부들(124,126) 방향으로 또는 이들로부터 멀리 이동하게 된다. 더욱 구체적으로 설명하면, PSA는 압력과 흐름 방향의 반복적인 변화를 수반하는 순환 과정이다. 이하, 물질 전달대에 영향을 미치는 사이클내 단계들(및/또는 흡착제 영역을 관통한 흡착 기체들의 분배)과 관련하여 PSA 사이클이 설명되어 있다. 물질 전달대의 크기 또는 길이는 PSA 조립체 사용 중에 달라지며 따라서 크기가 고정된 것이 아닌 것으로 이해해야 된다.
PSA 사이클의 개시 시점에서는, 베드가 가압되고 혼합 기체 스트림이 압력 하에 흡착제 영역을 통해 흐른다. 이러한 흡착 단계 중에, 불순물들(즉, 기타 기체들)은 흡착제 영역내 흡착제(들)에 의해 흡착된다. 이들 불순물들이 흡착됨에 따라 물질 전달대는 흡착제 영역의 원위(distal) 또는 산물 단부 방향으로 이동하게 되며, 흡착제 영역의 초기 부분은 흡착된 기체로 더욱 더 포화된다. 흡착 단계가 종결되면, 흡착제 베드로의 혼합 기체 스트림(74)의 흐름과 정제된 수소 기체(적어도 일부분은 산물 수소 스트림(42)을 형성하게 됨)의 흐름은 중단된다. 이후, 반드시 요구되는 것은 아니지만, 베드는 PSA 조립체내 하나 이상의 다른 베드와 유체적으로 상호연결되어 베드 내에 존재하는 압력과 수소 기체를 감소시키고, 수용 베드(들)을 압력과 수소 기체로 충전시키는 하나 이상의 평형화 단계를 수행할 수도 있다. 기체는 공급물 포트 또는 산물 포트중 어느 하나 또는 양자 모두를 통해 가압된 베드로부터 회수할 수도 있다. 산물 포트로부터의 기체 인출을 통해 공급물 포트로부터 인출된 기체보다 순도가 높은 수소 기체를 제공하게 된다. 그러나 이 단계로 인해 나타나는 압력의 저하는 흡착제 베드로부터 기체가 제거되는 방향으로 불순물이 인출되는 결과를 초래한다. 그러므로, 물질 전달대는 베드로부터 기체를 제거하기 위한 포트에 가장 근접한 흡착제 베드의 단부 방향으로 이동하는 것으로 설명할 수 있다. 다르게 표현하면, 베드가 혼합 기체 스트림으로부터 불순물을 흡착시키는데 재차 사용되는 경우, 불순물들의 대부분이 주어진 시간에 흡착되는 흡착제 영역내 해당 부분 즉, 물질 전달대는 평형화 기체가 베드로부터 회수되는 방향에 따라, 흡착제 영역의 공급물 또는 산물 단부 방향으로 이동하게 된다.
이후, 베드를 감압시키게 되는데, 이 단계는 기체 스트림이 고 농도의 다른 기체들을 가지려는 성질을 이용하여, 통상 공급물 포트로부터 기체를 인출하여 이루어지며, 베드내 압력 감소에 따라 흡착제로부터의 탈착이 이루어진다. 이러한 배출 스트림은 부산물 또는 불순물 스트림(76)으로도 지칭되며, 연료 스트림을 연소시켜 가열된 배기 스트림을 생산하는 버너 또는 기타 다른 가열 조립체용으로 사용하기 위한 연료 스트림 용도를 비롯하여 다양한 용도로 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 수소 발생 조립체(46)는 연료 처리 시스템의 적어도 수소 생성 영역(70)을 가열하는 가열된 배기 스트림을 생산하도록 채택된 가열 조립체(71)를 포함할 수 있다. 헨리의 법칙에 따라, 흡착제로부터 탈착된 흡착 기체량은 흡착제 베드에 존재하는 흡착 기체의 부분압과 연관성이 있다. 따라서, 감압 단계는 통상 저압의 기체를 흡착제 베드내로 도입하는 정화 단계를 포함할 수도, 이러한 정화 단계가 후속 수행될 수도 또는 정화 단계와 적어도 부분적으로 시간상 중첩될 수도 있다. 이러한 기체는 흡착제 영역을 통해 흐르면서 탈착된 기체들을 흡착제 영역으로부터 인출해내며, 그 결과 탈착된 기체들의 제거로 흡착제로부터 추가의 기체 탈착을 이끌어 낸다. 전술한 바와 같이, 적합한 정화용 기체는 앞서 PSA 조립체에 의해 생산 된 정제된 수소 기체이다. 통상적으로, 정화용 스트림은 흡착제 영역의 산물 단부로부터 공급물 단부로 흐르면서 불순물들을 흡착제 영역의 공급물 단부 방향으로 몰아낸다(이에 따라 물질 전달대의 위치 변경이 일어남). 정화용 기체 스트림은 부산물 스트림의 일부분을 형성할 수 있으며, 가연성 연료 스트림으로서(가열 조립체(71)용) 사용될 수 있으며/있거나 그렇지 않다면 PSA 또는 다른 공정에 활용될 수 있다.
예시된 일례로서 PSA 사이클은 이제 종결되고, 통상 새로운 사이클이 개시된다. 예를 들어 설명하면, 정화된 흡착제 베드는 이후 평형화를 거치게 되는 다른 흡착제 베드를 위한 수용 베드가 됨으로써 재가압되고, 임의로는 이 베드로 전달된 정제된 수소 기체에 의해 추가 가압될 수도 있다. PSA 조립체는 복수의, 통상적으로는 세 개 이상의 흡착제 베드를 이용하여, 연속적인 혼합 기체 스트림(74)의 흐름을 수용하고 연속적인 정제 수소 기체의 흐름(즉, 연속적인 산물 수소 스트림(42)의 흐름)을 생산하도록 채택될 수 있다. 반드시 요구되는 것은 아니지만, 흡착 단계 또는 스테이지의 시간은 때론 PSA 사이클의 1/3 내지 2/3를 차지하며, 예를 들면 PSA 사이클에 소요되는 시간의 대략 절반을 나타낸다.
물질 전달대가 흡착제 영역의 원위 단부(혼합 기체 스트림이 흡착제 영역으로 전달되는 방향 기준으로)에 도달하기 이전에 흡착 단계를 중단하는 것이 중요하다. 다르게 말하면, 수소 기체로부터 제거되길 원하는 기타 다른 기체들이 수소 기체와 함께 베드로부터 배출되기 이전에 혼합 기체 스트림(74)의 흐름과 산물 수소 스트림(42)의 제거가 중단되어야 함이 바람직한데, 그 이유는 흡착된 기체들로 흡 착제가 포화되면 불순물 기체들이 바람직하게는 정제된 수소 스트림인 것에 배출되는 것을 더 이상 효과적으로 막을 수 없기 때문이다. 이러한 산물 수소 스트림이 PSA 조립체에 의해 제거되길 바라는 불순물 기체들로 오염되는 이러한 현상을, 불순물 기체들이 베드의 흡착제 영역을 "돌파"란다는 점에서 파과(breakthrough)라고 한다. 통상적으로, 물질 전달대가 흡착제 영역의 원위 단부에 근접하거나 도달하여 산물 수소 스트림 중에 존재하거나 또는 존재하게 되는 시점을 결정하기 위한 목적으로 일산화탄소 탐지기들이 사용되어 왔다. 일산화탄소는 단지 수 ppm의 존재로도 많은 연료 전지들에게 손상을 줄 수 있기 때문에, 일산화탄소 탐지기들이 혼합 기체 스트림 중에 존재하는 기타 다른 기체에 대한 검출기에 비해 보다 보편적으로 사용된다. 효과적이기는 하지만, 본 발명의 범주 내에서 이러한 탐지 메카니즘은 고가이자 PSA 조립체를 복잡하게 만드는 일산화탄소 탐지기 및 관련 탐지 기구의 사용을 필요로 한다.
도 4와 관련하여 소개한 PSA 조립체(73)는 혼합 기체 스트림(74), 산물 수소 스트림(42) 및 부산물 스트림(76)을 복수의 흡착제 베드(100)로 그리고 이 베드로부터 선택적으로 전달 및/또는 수집하는 분배 조립체(102 및 104)를 구비한다. 앞서 논한 바와 같이, 산물 수소 스트림(42)은 흡착제 베드의 흡착제 영역에서 생산된 정제된 수소 기체 스트림으로부터 형성된다. 이러한 기체의 일부가 정화 기체 스트림으로서, 흡착제에 흡착된 기체의 탈착 및 제거를 촉진하는 정화 및/또는 블로다운 단계 동안에 흡착제 베드로 선택적으로 전달(예컨대 적당한 분배 매니폴드를 통해)되어 사용되는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 탈착된 기체, 및 이와 같이 탈착된 기초와 함께 흡착제 베드로부터 배출된 정화 기체 스트림은 공동으로 부산물 스트림(76)을 형성할 수 있고, 이것은 앞에서 논한 바와 같이 가연성 연료 스트림을 수용하도록 채택된 가열 어셈블리(71) 또는 다른 장치의 연료 스트림으로서 사용될 수 있다.
도 10 및 11은 복수의 흡착제 베드(100)를 구비하는 PSA 조립체(73)의 다소 복잡한 예를 제공한다. 도 4에서 도시한 예와 마찬가지로, 3개의 흡착제 베드가 도 10에 도시되어 있지만, 4개의 베드를 도시한 도 11에 도식된 바와 같이 어느 정도의 베드가 이용될 수 있음은 본 발명의 범주이며, 4개보다 많은 베드도 보 sqkf명의 범주를 벗어남이 없이 이용될 수 있다. 이와 마찬가지로, 하나보다 많은 PSA 조립체가 동일한수소 발생 조립체 및/또는 연료 전지 시스템에 관련되어 사용될 수 있다. 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, PSA 조립체(73)는 혼합 기체 매니폴드(140)와 배기 매니폴드(142)를 포함하는 분배 조립체(102)를 구비한다. 혼합 기체 매니폴드(140)는 (74')로 표시한 바와 같이, 흡착제 베드의 공급물 단부(144)로 혼합 기체 스트림을 선택적으로 분배하도록 채택되어 있다. 배기 매니폴드(142)는 흡착제 베드의 공급물 단부로부터 배출된 기체, 즉 탈착된 다른 기체, 정화 기체 및 산물 수소 스트림(42)을 형성하기 위해 수거되지 않은 다른 기체를 수집하도록 채택된다. 이러한 배출 스트림은 도 10과 도 11에서 76'로 표시했으며, 모두 부산물 스트림(76)을 구성한다.
또한, 도 10 및 도 11은 공기 스트림(90) 유래의 공기 등으로 연소되어 가열된 배기 스트림(88)을 생산하도록 가열 조립체(71)로 전달되는 부산물 스트림(76) 을 개략적으로 도시하고 있다. 또한 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 가열 조립체(71)가 연료 스트림(92)뿐만 아니라 부산물 스트림(76)을 수용하도록 채택될 수 있다는 것(반드시 필요한 것은 아니다)도 본 발명의 범주에 속한다. 일부 양태에 따르면, 스트림(92)은 보충 연료 스트림이라 할 수 있다. 임의의 적당한 가연성 연료는 스트림(92)에 사용될 수 있다. 스트림(92)에 적당한 연료의 예에는 수소 기체, 예컨대 수소 발생 조립체(46)에 의해 생산된 수소 기체, 및/또는 전술한 임의의 탄소 함유 공급원료, 예컨대 프로판, 천연가스, 메탄 및 메탄올(이에 국한되지 않는다)이 있다.
도 2와 관련하여 논의된 바와 같이, PSA 조립체(73)와 가열 조립체(71)는 승온에서 작동하는 수소 생산 영역(70)을 구비한 연료 처리 시스템(64)과 관련되어 사용될 때, 가열 조립체는 배기 스트림(88)과 함께 최소한 영역(70)을 가열하도록 채택될 수 있다. 예를 들어, 스트림(88)은 영역(70)을 1종 이상의 원료 스트림으로부터 수소 기체를 생산하기에 적당한 온도 및/또는 적당한 온도 범위내로 가열할 수 있다. 역시 논의된 바와 같이, 스팀 및 자열 개질 반응은 물과 탄소 함유 공급원료로부터 혼합 기체 스트림(74)을 생산하는데 사용할 수 있는 흡열 과정의 일 예이며, 다른 공정 및/또는 원료 스트림 성분이 혼합 기체 스트림(74)을 생산하는데 추가로 또는 대안적으로 사용될 수도 있다. 또한, 배기 스트림이 수소 생산 조립체, 연료 전지 시스템 또는 다른 실행 조립체(71) 및 (73)의 부재를 가열하는 1차 열원을 제공하도록 채택될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
도 10 및 도 11에 도시된 예에 따르면, 분배 조립체(104)는 산물 매니폴 드(150) 및 정화 매니폴드(152)를 구비한다. 산물 매니폴드(150)는 흡착제 베드의 산물 단부(154)로부터 배출되는 정제된 수소 기체의 스트림을 수집하도록 채택되어 있으며, 이로부터 산물 수소 스트림(42)이 형성된다. 이와 같이 정제된 수소 기체의 스트림은 도 10과 도 11에 42'로서 표시되어 있다. 정화 매니폴드(152)는 흡착된 불순물 기체의 탈착을 촉진하여 내부에 함유된 흡착제를 재생하기 위해 정제된 수소 기체의 일부와 같은 정화 기체를 흡착된 베드로 선택적으로 전달하도록 채택되어 있다. 정화 기체 스트림은 156'로 표시했고, 공동으로 정화 기체 스트림(156)으로 부를 수 있다. 158로 표시된 바와 같이, 산물 매니폴드 및 정화 매니폴드는 서로 유통적이어서 정제된 수소 기체(또는 산물 수소 스트림)의 적어도 일부를 정화 스트림(1565)으로 사용하기 위해 선택적으로 우회시킬 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속하는 것이다. 또한, 하나 이상의 다른 급원 유래의 하나 이상의 다른 기체들이 부가적으로 또는 대안적으로 정화 스트림(156)의 적어도 일부를 구성할 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
반드시 필요한 것은 아니지만, 도 10 및 도 11은 일부 양태로서 산물 매니폴드 및/또는 산물 수소 스트림의 유체 도관을 부산물 스트림의 유체 도관과 유체적으로 연결시키는 것이 바람직할 수 있다는 것을 160에 도시하고 있다. 이러한 유체 연결은 수소 산물 스트림(42)이 전달되는 목적지 대신에 정제된(또는 정제하고자 한) 수소 기체의 적어도 일부를 가열 조립체로 선택적으로 우회시키는데 사용될 수 있다. 논의된 바와 같이, 적당한 목적지의 예에는 수소 저장 장치, 연료 전지 스택 및 수소 소비 장치가 있다. 산물 수소 스트림이 가열 조립체로 우회되는 상황의 예 에는 그 목적지가 이미 수소 기체의 최대 용량을 수용한 상태, 임의의 또는 추가 수소 기체를 수용할 능력이 없거나 가동 중지인 상태, 하나 이상의 불순물이 허용될 수 없는 농도가 수소 기체에서 탐지된 상태, 수소 발생 조립체 및/또는 연료 전지 시스템을 중지시켜야만 하는 상태, 산물 수소 스트림의 일부가 가열 조립체의 연료 스트림으로서 필요한 상태 등이 있다.
PSA 조립체(73)의 실행 양태에 따르면, 본 명세서에서 논의된 유체 스트림에 적당한 매니폴드 및 유체 도관은 임의의 수, 구조 및 구성이 이용될 수 있다. 이와 유사하게, 밸브 또는 다른 유체 조절 장치(17) 및/또는 센서 또는 다른 상태 탐지기(172)도 임의의 적당한 수 및 종류가 이용될 수 있고, 그 예시적인 비배타적 예는 도 10 및/또는 11에 제시되어 있다. 예를 들어, 점검 밸브(174), 비례 계산 또는 다른 솔레노이드 밸브(176), 압력 완화 밸브(178), 가변성 오리피스 밸브(180) 및 고정형 오리피스(182)는 흐름 조절 장치(170)의 비배타적 예를 예시하기 위해 도시했다. 이와 유사하게, 유량계(190), 압력 센서(192), 온도 센서(194) 및 조성 탐지기(196)는 상태 탐지기(172)의 비배탁적 예를 예시하기 위해 나타냈다. 조성 탐지기의 예시적 일 예는 정제된 수소 기체 스트림(42') 및/또는 산물 수소 스트림(42)에 일산화탄소가 존재하는 경우의 농도를 탐지하기 위한 일산화탄소 탐지기(198)이다.
필수적인 것은 아니지만, PSA 조립체가 PSA 조립체 및/또는 고나련 수소 발생 조립체 및/또는 연료 전지 시스템의 적어도 일부의 작동을 제어하도록 채택된 콘트롤러를 포함하고(하거나) 그 콘트롤러와 연결되고(되거나) 소통될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 콘트롤러는 도 2 및 도 10과 11에 개략적으로 도시하고, 일반적으로 200으로 표시했다. 콘트롤러(200)는 202로 개략적으로 도시한 바와 같이, 임의의 적당한 유선 및/또는 무선 소통 결합을 통해 적어도 흐름 조절 장치 및/또는 상태 검출기(172)와 소통할 수 있다. 이러한 소통은 일방향 또는 양방향 소통을 포함할 수 있고, 측정 또는 계산된 수치, 명령 시그널, 상태 정보, 사용자 입력값, 저장되는 수치, 임계값 등에 대응하는 입력값 및/또는 출력값과 같은 소통 시그널을 포함할 수 있다. 예시적인 비배타적 예로서, 콘트롤러(200)는 하나 이상의 아날로그 또는 디지털 회로, 메모리에 소프트웨어로서 저장된 프로그램을 운용하는 논리연산장치 또는 프로세서, 서로 소통되는 하나 이상의 개별 장치 등을 구비할 수 있다. 또한, 콘트롤러(200)는 수소 발생 조립체 또는 연료 전지 시스템의 다른 부분을 조절하거나 제어할 수 있고(있거나) 수소 발생 조립체 및/또는 연료 전지 시스템의 작동을 제어하도록 채택된 분리된 콘트롤러와 소통되는 상태일 수 있다. 콘트롤러(200)는 도 10과 11에 개별 장치로서 실행되고 있는 것으로 예시되고 있다. 또한, 분리된 부재 또는 콘트롤러로서 실행될 수도 있다. 이러한 분리된 콘트롤러는 서로 소통할 수 있고(있거나) 임의의 적당한 소통 결합을 통해 시스템(22) 및/또는 조립체(46)에 존재하는 다른 콘트롤러와 소통될 수 있다.
도 10 및 도 11에는 예시된 흡착제 베드 중 하나와 연관된 복수의 온도 센서(194)가 제시되어 있다. 각 베드가 흡착제 베드, 베드 내의 흡착제, 베드의 흡착제 영역, 베드를 통해 흐르는 기체 등과 연관된 1 이상의 온도 검출을 위해 채택된 하나 이상의 온도 센서를 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 본 발명에 따른 PSA 조립체(73)는 필수적인 것은 아니지만, 온도 기반 파과 탐지 시스템을 포함할 수 있으며, 이러한 시스템의 예는 표제 "Temperature-Based Breakthrough Detection and Pressure Swing Adsorption Systems and Fuel Processing Systems Including the Same" 하에 2004년 12월 20일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 60/638,086(이의 전문이 모든 목적의 참조를 위해 본 발명에 인용되었다)에 개시되어 있다.
도 12에는, PSA 사이클의 블로다운 또는 감압 및 정화 단계 동안의 흡착제 베드내 압력을 나타낸 예시적(비배타적) 그래프를 도시했다. 210에서는 예컨대 흡착 단계 또는 스테이지 완료 후, 아마도 더욱 일반적으로 1 이상의 평형화 단계가 완료된 후와 같은 감압 단계 이전의 압력을 나타낸다. 감압 또는 탈착 단계 동안에 베드의 공급물 단부로부터 기체 흐름의 개시는 210으로 표시했고, 다소 간략히 표시된 바와 같이 압력은 비교적 빠르게 떨어진다. 감소율은 양태마다 달라서, 베드 내의 압력, 베드 내의 기체 부피, 베드로부터의 기체 유속 등과 같은 요인에 반응적일 수 있다. 도 12 및 이하에 논의되는 도 13 내지 15의 그래프들은 압력이나 부산물 스트림의 유속을 시간의 함수로서 예시적으로 나타낸 것이다. 이 그래프들은 주로 예시 목적이기 때문에, 시간은 표시하지 않았고, 이 변수들 간의 상대적 관계만을 예시했다.
전술한 바와 같이, 압력의 이러한 변화는 흡착된 많은 기체가 흡착제로부터 탈착되게 하고, 이로 인해 스트림(76')에서 흡착제 베드로부터 배출되게 한다. 스트림(76')은 또한 감압 단계의 개시 전에 베드에 존재한 수소 기체를 함유한다. 베 드(100) 및/또는 스트림(76')의 압력은 그 베드로부터 기체의 흐름이 지속될수록 계속 감소할 것이다. 연소가 측면에서, 감압 단계 동안에 스트림(76')의 초기 흐름은 감압 단계 중간 및 감압 단계 말기의 스트림(76')의 흐름과 다른 연소가를 나타내는 경향이 있다. 이러한 연소가의 차이는 스트림에 존재하는 수소 기체와 다른 기체들 각각의 상대적 농도를 반영할 수 있다. 이와 마찬가지로, 이러한 예시적 감압 단계의 부분 동안에 스트림(76')의 유속도 변동하는 경향이 있고, 이러한 유속은 감압 단계 동안에 감소하는 경향이 있다.
212에서는, 도 10과 11에 도시된 전술한 스트림(156')에서와 같은 정화 기체의 흐름이 흡착제 베드로 개시된다. PSA 조립체에서 흡착제 베드로 전달되는 정화 기체의 부피는 반드시 필수적인 것은 아니지만, 일정한 정화 부피가 되도록 미리 결정될 수 있다. 스트림(156')의 압력은 본 발명의 범주 내에서 변동될 수 있으나, 정화 단계 개시 시, 그 기체 압력은 베드(100) 내의 압력이거나 또는 그 부근의 압력인 것이 바람직하다. 흡착제 부분을 통한 정화 기체의 흐름은, 정화 기체가 흡착제 영역을 통과한 후 흡착제 베드로부터 스트림(76')의 일부로서 흐르는 흐름에 의해 탈착된 기체의 부분압이 감소할 때, 탈책된 기체의 함량을 증가시키는 경향이 있다. 214에서는 정화 기체의 흐름이 중지되었다. 도 12에 도시한 예시적 예에 따르면, 감압 또는 블로다운 단계는 시간 212와 210 사이의 시간 기간으로서 표시하고, 정화 단계는 시간 214와 212 사이의 시간 기간으로서 표시했다. 이들 단계 사이에는 분명한 변환이 있는 것처럼 예시했지만, 모든 양태들에서 정화 기체의 흐름이 개시되기 전에 반드시 베드의 감압이 완료되어야 하는 것은 아니다. 그 대신, 정화 기체의 흐름이 개시된 후에도 흡착제 베드 내의 압력이 계속 감소할 수 있는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
특정 흡착제 베드에 최적인 정화 기체의 부피는 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다. 이러한 요인의 예시적 예에는 사용되는 흡착제의 1 이상의 종류, 흡착제 베드의 형태, 흡착제 베드의 크기, 정화 기체의 압력, 정화 기체 및/또는 혼합 기체의 조성, 흡착된 베드로부터 배출되어 부산물 스트림(76)을 형성하는 스트림(76')의 압력 등이 있다. 따라서, 특정 PSA 조립체에 효과적인 최적 정화 부피는 최적이 아닐 수 있거나 아마도 다른 형태 및/또는 크기의 PSA 조립체에 더 효과적일 수도 있다.
감압 단계와 정화 단계 사이의 상대적 시간 기간 또는 시간의 비는 본 발명의 범주 내에서 다양할 수 있으며, 도 12에 도시한 예시적 예는 많은 적합한 관계 또는 비 중의 하나를 예시한 것뿐이다. 이러한 비는 정화 대 블로다운 비로서 표현될 수 있고, 이의 예시적 예에는 1:1 내지 3:1, 1.3:1 내지 2.5:1, 1.6:1 내지 2.3:1, 1.6:1 내지 2:1, 1.6:1, 1.8:1, 2:1, 2.2:1, 1.5:1 초과, 2:1 초과, 2.5:1 미만 등이 있다. 베드의 탈착 및/또는 재생을 증가시키는 경향이 있을 수 있는 정화 단계가 더 긴 완벽한 디자인은 PSA 조립체가 바람직하게는 순환적인 연속 용도로 채택되는 것이고, 여기서 특정 베드가 감압 및/또는 정화 사이클에 있는 시간의 양은 다른 베드가 PSA 사이클의 동일한 단계 또는 다른 단계에 있을 수 있는 시간의 양에 영향을 미칠 가능성이 있다.
흡착된 베드의 감압 및 정화는 스트림(76') 및 결과적으로 수득되는 부산물 스트림(76)의 다양한 유속 및/또는 연소가를 생산하면서 선택된 시간 기간 및/또는 정화 대 블로다운 비 내에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 감압 단계가 개시될 때, 흡착제 베드는 여전히 다량의 수소 기체를 함유하고 여전히 승압 상태이다. 감압 단계가 계속되면, 베드 내의 압력과 수소 기체는 감소할 것이다. 베드의 감압이 계속되면, 베드 내의 압력이 감소함에 따라 스트림(76')의 유속도 감소할 것이다. 베드로 정화 기체의 흐름이 개시되기 전에, 스트림(76') 내의 배출 기체 또는 부산물 기체의 흐름은, 이러한 유속이 베드 내의 압력 감소에 따라 감소되는 바, 비교적 낮을 것이다. 베드(100)를 통해 정화 기체의 흐름이 개시되면, 스트림(76')의 유속은, 정화 기체가 수소 기체, 더욱 구체적인 예로는 PSA 조립체에 의해 생산된 정제된 수소 기체와 같은 가연성 기체인 경우 연소가와 마찬가지로 증가할 것이다. 정화 단계가 완료되면, 그 베드 유래의 스트림(76')의 흐름은 정지된다. 정지가 일어나면, 가열 조립체(71)용의 연료 스트림은 다른 하나 이상의 흡착제 베드로부터, 예컨대 이 베드들이 PSA 사이클 동안에 감압 및/또는 정화될 때의 베드로부터, 및/또는 보충 연료 스트림과 같은 다른 급원으로부터의 스트림(76')에 의해 형성될 것이다.
전술한 바와 같이, PSA 조립체(73)의 흡착제 베드(100)에 있는 흡착제를 재생할 때, 정제된 수소 기체는 정화 스트림으로서 사용될 수 있다. 이러한 정화 기체 흐름은 흡착된 기체의 탈착을 유도하여 흡착제를 재생에 도움을 줄 수 있다. 통상적으로, 흡착제 베드로의 정화 기체의 흐름은 보통 일정한 시간 기간 동안에 일정한 속도로 전달된다. 도 13은 흡착제 베드(100)로 흐르는 정화 기체의 유속을 시 간의 함수로서 보여주는 그래프이다. 정화 단계의 초기 및 말기는 도 13에서 212와 214로서 표시했고, 도 12와 관련하여 앞에서 설명한 상대적 시간 및 정화 대 블로다운 비에 대응한다.
도 13에 점선은 흡착제 베드로 흐르는 일정하거나 고정된 흐름의 정화 기체를 이용하는 PSA 사이클에서 정화 기체의 유속을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 기체는 정화 단계를 통해 일정한 속도로 전달되고, 흡착제 베드로 전달되는 정화 기체의 부피는 이와 같이 고정된 정화 속도와 이 정화 기체가 흡착제 베드로 전달되는 시간 기간의 곱이다. 베드 내의 흡착제로부터 흡착된 기체를 탈착시키는 데 있어서 효과적이나, 연소가가 높은 기체일 수 있는 스트림(76') 내의 기체 유속의 유의적 증가 또는 펄스는 가열 조립체로부터 가열된 배기 스트림의 흐름 및/또는 온도에 실질적인 증가를 유발하는 경향이 있다. 이는, 결과적으로 연료 처리 시스템(64)의 수소 생성 영역과 같은, 상기 스트림에 의해 가열된 구조의 온도를, 가능하다면 빠르게 증가시키는 경향이 있다. 이것은 그 구조를 과열시킬 수 있고, 이로써 구조가 손상되고(되거나) 작동 장애가 일어날 수 있다. 가열된 구조에 가능한 임의의 부정적 영향에 관계없이, 가열된 배기 스트림의 급증은 바람직하거나 필요한 특정 방출물 역치를 초과하는 배출 기체를 생산할 수 있다. 예를 들어, 가열 조립체로의 연료 흐름에 급격한 증가에 반응하여, 가열된 배기 스트림의 일산화탄소 함량이 증가할 수 있다.
이와 반대로, 평형화 동안 그리고/또는 베드로부터 정화 기체 흐름이 개시되기 전 및/또는 정화 단계 말기에, 스트림(76')에는 흐름이 없거나 낮은 흐름만을 함유할 수 있고, 존재하는 흐름의 연소가는 낮을 수 있다. 결과적으로, 가열 조립체는 부산물 스트림(76)외에 다른 연료 흐름 없이는 표시등 또는 연소용 화염을 유지할 수 없을 수 있다. 이와 유사하게, 스트림(76)의 흐름 및/또는 연소가가 낮으면, 가열된 배기 스트림은 수소 생성 영역(70)과 같은 관련 구조를 바람직한 온도 또는 온도 범위까지 가열할 수 없을 수 있다. 예를 들어, 스팀 개질 영역과 같은 수소 생성 영역이 수소 기체를 생산하기 위해 선택된 온도 범위 내에서 작동하는 것이 바람직한 상황에서, 바람직한 범위 이하(또는 이상)인 온도에서의 수소 생성 영역의 작동은 혼합 기체 스트림 내의 수소 기체의 양을 감소시키고, 이에 따라 수소 발생 조립체의 전환율 또는 효율을 저하시킬 수 있다.
도 13에 실선으로 표시한 바와 같이, 일정한 정화 기체 유속을 사용하지 않는 것이 본 발명의 범주에 속한다. 그 대신, 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속은 정화 단계의 적어도 일부 동안에 변동된다. 예시된 예에 따르면, 정화 기체의 초기 유속은 점선으로 표시한 시간 기간 및 부피와 같이, 정화 기체의 소정 부피를 소정 시간 기간 내에 일정한 정화 기체의 유속으로 전달해야만 하는 유속의 50% 미만의 유속이다. 정화 기체의 유속은 이러한 초기 유속에서부터 정화 사이클을 통해 일정한 유속의 정화 기체가 이용되는 점선으로 표시한 예에서 이용되는 최대 유속을 초과하는 최대 유속까지 시간이 지남에 따라 증가한다. 예시적 예에 따르면, 이러한 유속은 그 다음 정화 기체의 흐름이 정지될 때까지 상기 최대 유속에서 유지된다. 정화 사이클의 말기에 정화되는 베드 유래의 스트림(76')의 유속은 정지되었지만, PSA 조립체의 다른 베드(100)는 가열 조립체로 흐르는, 완전하게 지속적이지 않다면 거의 지속적인 부산물 스트림(76)의 유속을 유지하도록 스트림(76')을 제공하는 것이 바람직하고, 여기서 상기 부산물 스트림은 가열 조립체(71)의 연료 필요 조건을 만족시키고(시키거나) 가열 조립체 내의 지속적인 연소 과정을 유지시키기에 충분한 유속 및/또는 가열 흐름을 보유하는 것이 바람직하다.
예시된 예의 변형으로서, 정화 기체의 초기 유속은 정화 단계를 위해 선택된 전체 시간 기간 동안에 일정한 흐름 프로필로 이용될 수 있는 평균 유속의 10 내지 75%로 시작한 다음, 정화 사이클의 처음 10 내지 60% 동안에 최소한 평균 정화 유속으로 증가할 수 있다. 그 후, 유속은 계속 증가하여 정화 단계의 10 내지 100% 범위 동안, 경우에 따라 정화 단계의 25 내지 100% 동안에 평균 정화 유속 이상으로 증가할 수 있고, 이 역시 본 발명의 범주에 속한다. 예를 들어, 정화 기체의 유속은 정화 단계를 위해 선택된 시간 기간 동안에 정화 기체의 일정한 부피를 채우는데 필요할 수 있는 평균 유속의 적어도 125%, 150%, 125 내지 200% 등까지 증가시킬 수 있다. 정화 기체 유속의 다른 프로필 또는 상승이 이용될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속하며, 그 예로는 정화 단계의 적어도 일부 또는 부분단계 중에 정화 기체의 유속이 선형, 비선형 및/또는 단계식, 또는 증분적 함량 중 하나 이상에 따라 증가하거나 감소하는 것이 있다. 흡착제 베드를 통한 정화 기체 유속의 다른 프로필의 예시적 예는 도 14에 도시했다. 도 15에 도시한 것처럼, 정화 기체 유속의 프로필은 예컨대 정화 단계의 마지막 5 내지 50% 동안에, 저하된 흐름의 일부를 포함할 수 있다는 것 역시 본 발명의 범주에 속한다.
흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 흐름을 조절하는 데에는 임의의 적당한 방법 또는 메카니즘이 이용될 수 있다. 예시적인 비배타적 예는 바람직한 유속을 제공하기 위해 적당한 흐름 조절 밸브를 선택적으로 구동시키는 콘트롤러의 사용이다. 전술한 바와 같이, 밸브의 종류와 수는 임의의 적합한 종류와 수로 사용할 수 있고, 정화 단계 동안에 사용되는 것보다 감압 단계 동안에 흡착된 베드 유래의 기체 흐름을 조절하기 위해 여러 종류 및/또는 조합의 밸브를 사용하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 스트림(76')을 형성하는 기체 흐름을 조절하는 밸브 또는 밸브 조립체가, 예컨대 콘트롤러 유래의 제어 시그널에 응답하여, 상기 기체의 유속을 조절하여 가열 조립체로 전달되는 부산물 스트림의 유속 및/또는 연소가를 조정하는데 선택적으로 사용될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
바람직하게는, PSA 사이클 동안에 PSA 조립체에 의해 사용되는 상승식 또는 단계식 정화 단계는, 연료 스트림으로서 가열 조립체로 전달될 때, 결정되거나 선택된 유속으로 또는 그 유속의 선택된 범위 내로, 예컨대 선택된 유속의 +/- 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 등으로 지속적인 부산물 스트림을 생산한다. 일부 양태에 따르면, 선택된 유속은 연료 처리 시스템의 수소 생성 영역을 전술한바와 같이 바람직한 온도로 및/또는 바람직한 온도 범위 내로 유지시키기 위해 채택된 가열된 배기 스트림을 생산하는 유속에 해당한다. 정화 단계는 부가적으로 또는 대안적으로 PSA 사이클 동안에 가열 조립체로 흐르는 부산물 스트림의 흐름을, 결정되거나 선택된 일정한 연소가로 또는 그 연소가의 선택된 범위 내로, 예컨대 선택된 연소가의 +/- 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 등으로 지속시키도록 채택될 수 있다. 부산물 스트림은 PSA 조립체가 산물 수소 스트림(42)을 생산하는데 사용되는 시간 기간의 적어도 실 질적인 부분 동안, 더욱 바람직하게는 그 전체 시간 기간 동안에 선택된 유속 및/또는 연소가에 대해 전술한 관계 중 어느 하나 또는 두 관계를 모두 유지하는 것이 바람직하다. 부산물 스트림이 전술한 기준 중 어느 하나 또는 둘 모두를 지속적으로 충족시키기 못한다면, 사이클의 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95% 이상 동안 그렇게 할 수 있는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
일부 양태에 따르면, 스트림(76)의 유속과 연관이 있는, 선택된 연소가는 연료 처리 시스템의 수소 생성 영역을 전술한 바와 같은 바람직한 온도 및/또는 바람직한 온도 범위 내로 유지시키도록 채택된 가열된 배기 스트림을 생산한다. 예를 들어, 가열돈 배기 스트림은 수소 발생 조립체의 수소 생성 영역(일부 양태에서는 개질 영역으로 불릴 수도 있다)을 비교적 일정한 온도, 예컨대 메탄올 또는 이와 유사한 탄소 함유 공급원료인 경우에는 375 내지 425℃, 400 내지 425℃ 및/또는 400 내지 450℃ 범위의 온도, 그리고 천연 가스, 프로판 및 유사 탄소 함유 공급원료인 경우에는 750 내지 850℃, 바람직하게는 775 내지 825℃, 800 내지 850℃ 및/또는 800 내지 825℃ 범위의 온도로 유지하도록 채택될 수 있다.
흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 흐름을 상승시키거나 또는 점증적으로 증가시키는 이점은 가열 조립체로 흐르는 스트림(76)의 유속의 급증이 방지된다는 점이나, 반드시 필수적인 것은 아니다. 이러한 급증은 일산화탄소와 같은 적어도 하나의 성분의 농도가 선택된 역치를 초과하는, 예컨대 50ppm 이상인 가열된 배기 스트림을 생산하는 경향이 있다. 본 발명의 상승식 정화 단계는 PSA 사이클을 통해 일산화탄소 농도가 50ppm 미만, 바람직하게는 25ppm 미만, 10ppm 미만, 또는 5ppm 미만인 가열된 배기 스트림을 생산하도록 채택된 것이 바람직하다.
압력 변동 흡착 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 흐름을 상승식, 단계식 또는 다른 방식으로 조절하는 시스템 및 방법의 실시에 대한 예시적인 비배타적 예에는 PSA 조립체; 수소 기체를 정제하도록 채택된 PSA 조립체; 주성분으로서 수소 기체와 다른 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 연료 처리 시스템 및 혼합 기체 스트림으로부터 산물 수소 스트림을 생산하도록 채택된 PSA 조립체를 구비하는 수소 발생 조립체; 연료 전지 스택, 수소 정제 PSA 조립체 및 PSA 조립체에 의해 정제된 수소 기체의 급원(이 급원은 경우에 따라 연료 처리 시스템을 구비하고, 일부 양태에 따르면 스틸 개질기도 구비한다)을 포함하는 연료 전지 시스템; 주성분으로서 수고 기체와 다른 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 수소 생성 영역, 상기 혼합 기체 스트림으로부터 불순물(예컨대 일산화탄소)을 제거하도록 채택된 PSA 조립체(경우에 따라 정제된 혼합 기체 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 채택된 연료 전지 스택), 및 부산물 스트림을 연소시켜 경우에 따라 스팀 또는 자열 개질 영역인 수소 생성 영역을 최소한 가열하도록 채택된 가열 조립체를 구비하는 수소 발생 조립체 중 하나 이상에서 실행될 수 있는 다음과 같은 구현 중 하나 이상이 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다:
부산물 스트림의 유속을 선택된 유속의 +/- 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 등 이내로 유지하기 위해 흡착제 베드로 제공되는 정화 기체의 전달 속도 조절;
부산물 스트림의 연소가를 선택된 연소가의 +/- 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 등 이내로 유지하기 위해 흡착제 베드로 제공되는 정화 기체의 전달 속도 조절;
결정된 시간 기간 동안 다양한 유속으로 흡착제 베드로 제공되는 결정된 부피의 정화 기체의 전달;
정화 사이클의 1차 백분율 동안에 흡착제 베드로 정화 기체의 유속을 점진적으로 증가시키고, 경우에 따라 정화 사이클의 2차 백분율 동안 유속을 유지 및/또는 감소시키는 방법;
PSA 사이클의 정화 단계 동안 전달될 정화 기체의 평균 유속의 75% 미만, 경우에 따라 50% 이하인 유속인 흡착제 베드로 제공되는 정화 기체 유속의 초기 전달 및 그 후 정화 단계 동안 전달되는 정화 기체의 평균 유속보다 높은 유속으로의 정화 기체 유속의 증가;
정화 기체의 부피 흐름을 개시한 후, 결정된 시간 기간 동안 결정된 정화 기체의 부피가 전달되도록, 그 시간 기간 동안 정화 기체의 유속을 선택적으로 증가 및/또는 감소시키고, 경우에 따라 후속적으로 그 시간 기간 동안 정화 기체의 유속을 감소 및/또는 증가시키는 방법;
PSA 조립체 유래의 부산물 스트림을 연소시켜 생산한 가열된 배기 스트림 내의 일산화탄소 농도를 선택된 역치 이하, 예컨대 50ppm, 25ppm, 10ppm, 5ppm 이하로 유지시키도록 PSA 조립체의 흡착제 베드로 제공되는 정화 기체의 유속을 조절하는 방법;
적어도 일부에서는 정화 기체의 유속이 정화 단계 동안에 전달되는 정화 기체의 평균 유속보다 낮고, 다른 적어도 일부에서는 정화 기체의 유속이 정화 단계 동안에 전달되는 정화 기체의 평균 유속보다 높은 소정의 흐름 프로필에 반응하여 흡착제 베드로 제공되는 일정 부피의 정화 기체를 선택적으로 분배하는 방법;
PSA 조립체 유래의 부산물 스트림을 연소시켜 생산한 가열된 배기 스트림의 적어도 하나의 성분의 농도를 선택된 역치 이하로 유지시키도록 PSA 조립체의 흡착제 베드로 제공되는 정화 기체의 유속을 조절하는 방법;
PSA 조립체에서 가열 조립체까지의 기체 유속을 결정된 역치 범위로 또는 그 범위 이내로 유지시키기 위해 정화 기체의 유속이 조정되는 가변적 흐름 프로필에 따른 PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 선택적 전달;
PSA 조립체에서 가열 조립체까지의 연소가 및 기체 유속을 결정된 역치 범위로 또는 그 범위 이내로 유지시키기 위해 정화 기체의 유속이 조정되는 가변적 흐름 프로필에 따른 PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 선택적 전달;
PSA 조립체의 부산물 스트림을 연소시켜 생산한 가열된 배기 스트림에 의해 가열된 연료 처리 시스템의 수소 생성 영역의 온도를 100℃, 바람직하게는 50℃ 이하 범위 내로 유지시키기 위한, PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속 조절;
부산물 스트림을 연소시켜 생산한 가열된 배기 스트림에 의해 가열될 때 선택된 온도 범위 이내 및/또는 선택된 역치 이상으로 수소 생성 영역의 온도를 유지시키기에 충분한 부산물 스트림의 흐름을 제공하기 위한 PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속 조절;
연료 스트림으로서 부산물 스트림을 이용하기 위한 채택된 가열 조립체로 부산물 스트림의 연속 흐름을 유지시키기 위한, PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속 조절;
비선형식 흐름 프로필, 및 경우에 따라 흐름의 증분적 변화, 흐름의 단계식 변화 및 흐름의 비선형 변화 중 하나 이상을 포함하는 프로필에 따라 PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체 유속의 조절;
물과 탄소 함유 공급원료를 스팀 개질시켜 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 적어도 하나의 개질 영역을 포함하는 연료 처리 시스템에 의해 생산되고, 수소 기체를 포함하는 혼합 기체 스트림을 수용하도록 채택된 복수의 흡착제 베드를 보유하는 PSA 조립체, 가열 조립체에 의해 가열되도록 채택된 연료 처리 시스템의 적어도 하나의 개질 영역, 상기 가열 조립체에 적어도 하나의 연료 스트림을 제공하도록 채택된 PSA 조립체, 및 경우에 따라 PSA 조립체에 의해 생산된 정제된 수소 기체의 적어도 일부를 수용하도록 채택된 연료 전지 스택의 추가 조합에 의해 구현되는 상기 임의의 시스템 또는 방법;
상기 임의의 시스템의 공정 및/또는 상기 임의의 시스템의 사용을 실행하는 방법; 및/또는
상기 임의의 방법 또는 제어 시스템을 실행하기 위해 PSA 조립체 및/또는 연관된 수소 발생 조립체의 작동을 제어하도록 채택된 제어 시스템.
본 명세서에서는 수소 기체를 정제하기 위한 PSA 조립체의 측면에서 설명하였지만, 본 명세서에 개시된 PSA 조립체, 및 이를 작동시키는 방법은 다른 용도들, 예컨대 연료 전지 또는 다른 시스템에서 다른 혼합 기체 스트림을 정제하는 데 그리고/또는 연료 처리 시스템의 수소 생성 영역외의 다른 구조를 가열하는 데에도 사용될 수 있다는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명의 압력 변동 흡착 조립체 및 이를 포함하는 수소 발생 및/또는 연료 전지 시스템은 전류 생산을 위한 수소 기체의 발생, 정제 및/또는 소비 분야를 포함하여 기체 발생 및 연료 전지 분야에서 이용가능하다.
개시된 내용은 독립된 용도를 가진 다수의 개별적인 발명들을 포괄하는 것으로 이해하면 된다. 각각의 이들 발명에 대해 바람직한 형태로 기술하기는 했지만, 본 명세서에서 개시 및 예시된 그 구체적인 구현예는 다양한 변형이 가능한 바, 한정적 의미로 인식되지 않아야 한다. 본 발명은 본 명세서에 기술된 각종 요소, 특징, 기능 및/또는 성질에 대한 모든 신규하고 독창적인 조합 및 소조합들을 포함한다. 유사하게, 이하 특허청구의 범위에서 "하나의" 또는 "제1" 구성요소 또는 그 동등어를 언급하는 경우, 이러한 청구 범위는 하나 이상의 상기한 구성요소들을 포괄하는 것으로, 둘 이상의 상기한 구성요소를 필요로 하거나 배제하는 것이 아님을 인지해야 한다.
이하 특허 청구의 범위는 개시된 발명중 하나에 관한 특정 조합 및 소조합이 신규하고 독창적임을 나타내기 위한 것이다. 특징, 기능, 요소 및/또는 성질들의 다른 조합 및 소조합으로 구현된 발명들은 본 청구항들의 보정 또는 본 출원이나 관련 출원에서 신규 청구항들의 제시를 통해 청구될 수 있다. 이러한 보정 또는 신규 청구항들은 이것들이 상이한 발명에 관한 것이나 동일한 발명에 관한 것인지의 여부, 최초 청구항의 범위와 상이, 확대, 축소 또는 동일한지 여부와는 상관없이 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 또한 간주된다.

Claims (31)

  1. 적어도 하나의 원료 스트림을 수용하여 이로부터 수소 기체와 다른 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 적어도 하나의 수소 생성 영역을 구비하는 연료 처리 시스템;
    혼합 기체 스트림을 수용하여, 적어도 실질적으로 순수한 수소 기체를 함유하고 혼합 기체 스트림보다 다른 기체의 농도가 감소된 산물 수소 스트림을 생산하며 적어도 거의 대부분의 다른 기체를 함유하는 부산물 스트림을 생산하도록 채택되고, 혼합 기체 스트림을 산물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 형성하는 스트림들로 분리하도록 채택된 복수의 흡착제 베드를 포함하는 압력 변동 흡착 조립체;
    압력 변동 흡착 조립체로부터의 부산물 스트림을 수용하여 이를 연소시켜 적어도 수소 생성 영역을 가열하도록 채택된 가열된 배기 스트림을 생산하도록 채택된 가열 조립체; 및
    압력 변동 흡착 조립체로부터의 부산물 스트림의 유속을 조절하여 수소 생성 영역의 온도를 혼합 기체 스트림 생산을 위한 소정의 온도 범위 내로 유지시키는 수단을 포함하는 수소 발생 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 수소 생성 영역이 물과 탄소 함유 공급원료로부터 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 스팀 개질 영역을 포함하는, 수소 발생 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 탄소 함유 공급원료가 탄화수소를 포함하고 소정의 온도 범 위가 725 내지 825℃ 범위인, 수소 발생 조립체.
  4. 제2항에 있어서, 탄소 함유 공급원료가 메탄올을 포함하고 소정의 온도 범위가 375 내지 450℃ 범위인, 수소 발생 조립체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 조절하는 수단이 PSA 조립체의 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속을, 가열된 배기 스트림에 존재하는 일산화탄소의 농도를 50ppm 이하로 유지하기 위해 조절하도록 채택된, 수소 발생 조립체.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 조절하는 수단이 가변성 흐름 프로필에 따라 정화 스트림을 흡착제 베드로 선택적으로 전달하는 것을 포함하는 것인, 수소 발생 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 프로필이 흡착제 베드를 통해 흐르는 정화 기체의 평균 유속보다 낮은 유속으로 정화 기체가 전달되는 초반부, 및 추가로 흡착제 베드를 통해 흐르는 정화 기체의 평균 유속보다 높은 유속으로 정화 기체가 전달되는 후속부를 포함하는 것인, 수소 발생 조립체.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 조절 수단이 부산물 스트림의 연소가(fuel value)를 조절하는 수단을 포함하는 것인, 수소 발생 조립체.
  9. 적어도 하나의 원료 스트림을 수용하여 이로부터 수소 기체와 다른 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 적어도 하나의 수소 생성 영역을 구비하는 연료 처리 시스템;
    상기 혼합 기체 스트림을 수용하여, 적어도 실질적으로 순수한 수소 기체를 함유하고 혼합 기체 스트림보다 다른 기체의 농도가 감소된 산물 수소 스트림을 생산하며 적어도 거의 대부분의 다른 기체를 함유하는 부산물 스트림을 생산하도록 채택되고, 상기 혼합 기체 스트림을 산물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 형성하는 스트림들로 분리하도록 채택된 복수의 흡착제 베드를 포함하며, 추가로 정화 기체의 유속이 정화 단계동안 전달되는 정화 기체의 평균 유속보다 낮은 적어도 일부와 정화 기체의 유속이 정화 단계 동안 전달되는 정화 기체의 평균 유속보다 높은 적어도 일부를 보유하는 소정의 흐름 프로필에 반응하여 일정 부피의 세정 기체를 흡착제 베드로 선택적으로 분배하는 수단을 포함하는 압력 변동 흡착 조립체; 및
    상기 부산물 스트림을 수용하여 이를 연소시켜 적어도 수소 생성 영역을 가열하도록 채택된 가열된 배기 스트림을 생산하도록 채택된 가열 조립체를 포함하는 수소 발생 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 흐름 프로필이 비선형 프로필을 포함하는 것인 수소 발생 조립체.
  11. 제9항에 있어서, 흐름 프로필이 정화 기체의 초기 유속, 및 이 초기 유속보다 높은 정화 기체의 후속 유속을 최소한 포함하는 것인 수소 발생 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 초기 유속이 후속 유속의 50% 미만인, 수소 발생 조립체.
  13. 제11항에 있어서, 초기 유속이 PSA 사이클의 정화 스테이지 동안에 정화 기체의 평균 유속의 25 내지 75% 사이이고, 또한 초기 유속이 정화 스테이지의 최소 10% 동안 유지되는 것인 수소 발생 조립체.
  14. 제9항에 있어서, 흐름 프로필이 시간이 지남에 따라 정화 기체의 유속이 감소하는 적어도 하나의 부분을 포함하는 것인 수소 발생 조립체.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 선택적으로 분배하는 수단이 부산물 스트림의 유속을, 결정된 유속의 소정 범위 내로 유지하도록 채택된 것인, 수소 발생 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 결정된 유속이, 혼합 기체 스트림을 생산하기 위해 선택한 온도 범위 내로 수소 생성 영역을 유지하도록 가열된 배기 스트림에 채택된 유속에 해당하는 것인, 수소 발생 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 수소 생성 영역이 물과 탄소 함유 공급원료로부터 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 스팀 개질 영역을 포함하는 것인, 수소 발생 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 탄소 함유 공급원료가 탄화수소를 포함하고, 선택된 온도 범위가 700 내지 800℃ 범위인 수소 발생 조립체.
  19. 제17항에 있어서, 탄소 함유 공급원료가 메탄올을 포함하고, 선택된 온도 범위가 375 내지 450℃ 범위인 수소 발생 조립체.
  20. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 선택적으로 분배하는 수단이 부산물 스트림의 연소가를 결정된 연소가의 소정 범위내로 유지하도록 채택된 것인, 수소 발생 조립체.
  21. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 선택적으로 분배하는 수단이 부산물 스트림으로부터 생산된 가열된 배기 스트림 중에 존재하는 임의의 일산화탄소를 50ppm 이하 농도로 유지하도록 채택된 것인, 수소 발생 조립체.
  22. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 수소 생성 영역이 물과 탄소 함유 공급원료로부터 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 스팀 개질 영역을 포함하는 수소 발생 조립체.
  23. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 산물 수소 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 채택된 연료 전지 스택과 조합된 수소 발생 조립체.
  24. 수소 기체와 다른 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 연료 처리 시스템의 수소 생성 영역의 온도를 조절하는 방법으로서,
    연료 처리 시스템의 가열된 수소 생성 영역에서 수소 기체와 다른 기체를 함유하는 혼합 기체 스트림을 생산하는 단계;
    상기 혼합 기체 스트림을, 흡착제를 함유하는 복수의 흡착제 베드를 보유하고 혼합 기체 스트림보다 높은 수소 기체 농도를 함유하는 산물 수소 스트림과 다른 기체의 적어도 거의 대부분을 함유하는 부산물 스트림을 생산하도록 채택된 압력 변동 흡착 조립체로 전달하는 단계;
    상기 혼합 기체 스트림으로부터 다른 기체를 흡착시켜 혼합 기체 스트림보다 높은 수소 기체 농도를 함유하는 산물 수소 스트림을 생산하는 단계;
    상기 흡착제로부터 다른 기체의 탈착을 촉진하기 위해 상기 흡착제 베드를 감압시키는 단계;
    상기 다른 기체의 탈착을 더욱 촉진하기 위해 정화 기체 흐름으로 상기 흡착제 베드를 정화시키고, 이러한 감압 및 정화 단계에서 부산물 스트림이 형성되는 기체 스트림이 생산되는 단계;
    가열된 배기 스트림을 생산하도록 채택된 가열 조립체에서 상기 부산물 스트 림을 공기로 연소시키는 단계;
    상기 연료 처리 시스템의 수소 생성 영역을 상기 가열된 배기 스트림으로 가열하는 단계; 및
    상기 수소 생성 영역을, 혼합된 기체 스트림의 생산을 위한 소정의 온도 범위 내로 유지시키기 위해, 충분한 부산물 기체 흐름을 생산하도록 상기 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 조절하는 단계가 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 유속을 상승시키는 것을 포함하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 부산물 스트림의 지속적인 흐름을 생산하도록 흡착제 베드로 흐르는 정화 기체의 흐름을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 조절하는 단계가 정화 기체 평균 유속의 75% 미만인 정화 기체의 초기 유속으로 정화 기체를 전달하고, 이 후 정화 기체의 유속을 증가시키는 것을 포함하는 방법.
  28. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 조절하는 단계가 부산물 스트림의 연소가를 제어하는 것을 포함하는 방법.
  29. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 수소 생성 영역이 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 개질 영역을 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 수소 생성 영역이 물과 알코올로부터 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 스트림 개질 영역을 포함하고, 추가로 소정 온도 범위가 350 내지 450℃ 범위인 방법.
  31. 제29항에 있어서, 수소 생성 영역이 물과 탄화수소로부터 혼합 기체 스트림을 생산하도록 채택된 스트림 개질 영역을 포함하고, 추가로 소정 온도 범위가 700 내지 800℃ 범위인 방법.
KR1020077016786A 2004-12-22 2005-11-29 압력 변동 흡착 정화 제어를 통해 가열 조립체 작동을조절하는 시스템 및 방법 KR100909525B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US63845104P 2004-12-22 2004-12-22
US60/638,451 2004-12-22
US11/058,307 US7399342B2 (en) 2004-12-22 2005-02-14 Systems and methods for regulating heating assembly operation through pressure swing adsorption purge control
US11/058,307 2005-02-14
PCT/US2005/043113 WO2006068787A2 (en) 2004-12-22 2005-11-29 Systems and methods for regulating heating assembly operation throupgh pressure swing adsorption purge control

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070093126A KR20070093126A (ko) 2007-09-17
KR100909525B1 true KR100909525B1 (ko) 2009-07-27

Family

ID=36594071

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077016786A KR100909525B1 (ko) 2004-12-22 2005-11-29 압력 변동 흡착 정화 제어를 통해 가열 조립체 작동을조절하는 시스템 및 방법

Country Status (11)

Country Link
US (3) US7399342B2 (ko)
EP (1) EP1841515B1 (ko)
JP (1) JP2008525301A (ko)
KR (1) KR100909525B1 (ko)
CN (1) CN101119786B (ko)
AU (1) AU2005319597B2 (ko)
CA (1) CA2589938C (ko)
ES (1) ES2590955T3 (ko)
MX (1) MX2007007670A (ko)
TW (1) TWI292334B (ko)
WO (1) WO2006068787A2 (ko)

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7879138B2 (en) * 2006-07-20 2011-02-01 Air Products And Chemicals, Inc. Pressure swing adsorption method and system with multiple-vessel beds
US7947118B2 (en) * 2007-05-15 2011-05-24 Air Products And Chemicals, Inc. Containerized gas separation system
EP2178792B1 (en) * 2007-07-13 2012-12-19 Powercell Sveden AB Reformer reactor and method for converting hydrocarbon fuels into hydrogen rich gas
US8070841B2 (en) * 2007-12-12 2011-12-06 Idatech, Llc Systems and methods for supplying auxiliary fuel streams during intermittent byproduct discharge from pressure swing adsorption assemblies
US7837765B2 (en) * 2007-12-12 2010-11-23 Idatech, Llc Systems and methods for supplying auxiliary fuel streams during intermittent byproduct discharge from pressure swing adsorption assemblies
US8449649B2 (en) 2010-05-11 2013-05-28 Idatech, Llc Systems and methods for starting up pressure swing adsorption assemblies and hydrogen-producing fuel processing systems including the same
US8920996B2 (en) 2010-05-11 2014-12-30 Dcns Systems and methods for regulating fuel cell air flow during low loads or cold temperature operation
WO2012102904A1 (en) 2011-01-25 2012-08-02 Conocophillips Company Condensation of alcohols for biofuel production
US8920732B2 (en) 2011-02-15 2014-12-30 Dcns Systems and methods for actively controlling steam-to-carbon ratio in hydrogen-producing fuel processing systems
AU2012222994A1 (en) * 2011-03-03 2013-10-24 Koninklijke Philips N.V. Method and arrangement for generating oxygen
KR101519764B1 (ko) * 2013-12-30 2015-05-12 현대자동차주식회사 수소 저장 시스템의 퍼징 제어 장치 및 방법
EP3164357B1 (en) * 2014-07-03 2020-01-08 Nuvera Fuel Cells, LLC System and method for regenerating absorber bed for drying compressed humidified hydrogen
EP3836268A1 (en) 2016-04-21 2021-06-16 Fuelcell Energy, Inc. Molten carbonate fuel cell anode exhaust post-processing for carbon dioxide capture
WO2017189238A1 (en) 2016-04-29 2017-11-02 Fuelcell Energy, Inc. Methanation of anode exhaust gas to enhance carbon dioxide capture
MX2019005429A (es) 2016-11-09 2019-07-10 8 Rivers Capital Llc Sistemas y metodos para la produccion de energia con produccion integrada de hidrogeno.
CN107141195B (zh) * 2017-05-24 2023-09-22 河南心连心化学工业集团股份有限公司 一种中低压联醇和单醇生产甲醇的装置
US11177494B2 (en) 2018-03-05 2021-11-16 H2 Powertech, Llc Systems and methods for forming a liquid mixture having a predetermined mix ratio and reforming systems, reforming methods, fuel cell systems, and fuel cell methods that utilize the liquid mixture
JP6549300B1 (ja) * 2018-12-04 2019-07-24 東京瓦斯株式会社 水素製造装置、水素製造方法、及び作動プログラム
JP7129330B2 (ja) * 2018-12-21 2022-09-01 東京瓦斯株式会社 水素製造装置、水素製造方法、及び作動プログラム
US11167240B2 (en) 2019-05-24 2021-11-09 Air Products And Chemicals, Inc. Reducing fluctuations in tail gas flow from an adsorption unit
KR20220020842A (ko) 2019-06-13 2022-02-21 8 리버스 캐피탈, 엘엘씨 추가 생성물들의 공동 발생을 구비하는 동력 생산
ES2960021T3 (es) * 2019-08-21 2024-02-29 Air Prod & Chem Reducción de fluctuaciones en flujo de gas de cola y propiedad de combustible desde una unidad de adsorción
US11173443B2 (en) 2019-08-21 2021-11-16 Air Products And Chemicals, Inc. Reducing fluctuations in tail gas flow and fuel property from an adsorption unit
JP7426223B2 (ja) * 2019-12-16 2024-02-01 東京瓦斯株式会社 水素製造装置
EP4118029A1 (en) 2020-03-11 2023-01-18 Fuelcell Energy, Inc. Steam methane reforming unit for carbon capture
US11814288B2 (en) 2021-11-18 2023-11-14 8 Rivers Capital, Llc Oxy-fuel heated hydrogen production process

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040250472A1 (en) 2003-06-16 2004-12-16 Honda Motor Co., Ltd. Fuel gas production method and apparatus

Family Cites Families (95)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2751034A (en) * 1952-10-17 1956-06-19 Adsorption Res Corp Fluid treating apparatus
DE1544036C3 (de) * 1966-03-11 1978-08-31 Graeff, Roderich Wilhelm, Dr.-Ing., 6100 Darmstadt Verfahren zur selektiven Adsorption von Bestandteilen eines Gas- oder Flüssigkeitsgemisches und Vorrichtung mit Adsorptionskammern zur Durchführung des Verfahrens
US3564816A (en) * 1968-12-30 1971-02-23 Union Carbide Corp Selective adsorption process
US4038054A (en) * 1972-03-25 1977-07-26 Graeff Roderich Wilhelm Adsorption apparatus
US3986849A (en) * 1975-11-07 1976-10-19 Union Carbide Corporation Selective adsorption process
US4272265A (en) * 1979-06-22 1981-06-09 Essex Cryogenics Of Missouri, Inc. Apparatus for pressure swing generation of oxygen
ES8300304A1 (es) * 1980-12-09 1982-11-01 Linde Ag Procedimiento de absorcion para descomponer por lo menos dos corrientes de gas crudo .
DE3046267A1 (de) * 1980-12-09 1982-07-15 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Adsorptionsverfahren
US4406675A (en) * 1981-12-10 1983-09-27 Union Carbide Corporation RPSA Process
US4452612A (en) * 1982-09-22 1984-06-05 Cubemco, Inc. Separation and purification of gases and vapors by continuous pressure-swing adsorption
US4469494A (en) * 1983-01-31 1984-09-04 Kinetics Technology International Corporation Disc operated gas purification system
ES2044927T3 (es) * 1986-06-12 1994-01-16 Ici Plc Proceso de adsorcion.
US4693730A (en) * 1986-07-24 1987-09-15 Union Carbide Corporation Pressure swing adsorption product purity control method and apparatus
GB8726804D0 (en) * 1987-11-16 1987-12-23 Boc Group Plc Separation of gas mixtures including hydrogen
US4787417A (en) * 1987-11-24 1988-11-29 Windsor Jr John F Rotary pressure/purge valve
US4941894A (en) * 1988-04-12 1990-07-17 Hankison Division Of Hansen, Inc. Gas drying or fractioning apparatus and method
US4925464A (en) * 1988-11-17 1990-05-15 Ryder International Corporation Fluid flow switching valve assembly and system
US4968334A (en) * 1989-09-08 1990-11-06 Hilton Thomas J Remotely-controlled multi-port valve having a multi-vane rotating central drum element
US5112367A (en) * 1989-11-20 1992-05-12 Hill Charles C Fluid fractionator
US5268021A (en) * 1989-11-20 1993-12-07 Dynotec Corporation Fluid fractionator
USRE35099E (en) * 1989-11-20 1995-11-28 Sequal Technologies, Inc. Fluid fractionator
US5176722A (en) * 1990-06-19 1993-01-05 The Boc Group, Inc. Pressure swing adsorption method for separating gaseous mixtures
FR2667801B1 (fr) * 1990-10-11 1992-12-04 Air Liquide Procede et equipement de separation par adsorption d'au moins un constituant d'un melange gazeux.
US5114441A (en) * 1990-11-02 1992-05-19 Ryder International Corporation Oxygen concentrator system and valve structure
JPH04338205A (ja) * 1991-05-13 1992-11-25 Toyo Eng Corp ガスを分離する方法
US5296017A (en) * 1991-05-28 1994-03-22 Mitsui Toatsu Chemicals, Inc. Method and apparatus for concentrating chlorine gas
EP0525521A1 (en) * 1991-08-01 1993-02-03 Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha Gas separator system
FR2689785B1 (fr) * 1992-04-13 1994-05-20 Air Liquide Dispositif rotatif de separation par adsorption d'au moins un constituant d'un melange gazeux.
US5256172A (en) * 1992-04-17 1993-10-26 Keefer Bowie Thermally coupled pressure swing adsorption
JPH06191801A (ja) * 1992-12-22 1994-07-12 Toyo Eng Corp 水素製造方法
US5487775A (en) * 1994-05-09 1996-01-30 The Boc Group, Inc. Continuous pressure difference driven adsorption process
US5593478A (en) * 1994-09-28 1997-01-14 Sequal Technologies, Inc. Fluid fractionator
US5671085A (en) * 1995-02-03 1997-09-23 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for three-dimensional microscopy with enhanced depth resolution
US6045933A (en) 1995-10-11 2000-04-04 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Method of supplying fuel gas to a fuel cell
USRE38493E1 (en) 1996-04-24 2004-04-13 Questair Technologies Inc. Flow regulated pressure swing adsorption system
US6063161A (en) 1996-04-24 2000-05-16 Sofinoy Societte Financiere D'innovation Inc. Flow regulated pressure swing adsorption system
US5814130A (en) * 1996-09-27 1998-09-29 The Boc Group, Inc. Process and apparatus for gas separation
US5814131A (en) * 1996-09-27 1998-09-29 The Boc Group, Inc. Process and apparatus for gas separation
US5807423A (en) * 1996-09-27 1998-09-15 The Boc Group, Inc. Process and apparatus for gas separation
US5997594A (en) 1996-10-30 1999-12-07 Northwest Power Systems, Llc Steam reformer with internal hydrogen purification
US5861137A (en) * 1996-10-30 1999-01-19 Edlund; David J. Steam reformer with internal hydrogen purification
US6221117B1 (en) 1996-10-30 2001-04-24 Idatech, Llc Hydrogen producing fuel processing system
US5827358A (en) 1996-11-08 1998-10-27 Impact Mst, Incorporation Rapid cycle pressure swing adsorption oxygen concentration method and apparatus
EP0952883A1 (en) 1996-12-31 1999-11-03 Bowie Gordon Keefer High frequency pressure swing adsorption
US5820656A (en) * 1997-01-21 1998-10-13 The Boc Group, Inc. Process and apparatus for gas separation
US5891217A (en) * 1997-01-21 1999-04-06 The Boc Group, Inc. Process and apparatus for gas separation
US5961928A (en) * 1997-04-15 1999-10-05 International Fuel Cells Corporation Gas generating system and method
JP3771357B2 (ja) * 1997-06-09 2006-04-26 千代田化工建設株式会社 水素製造方法
US5979440A (en) 1997-06-16 1999-11-09 Sequal Technologies, Inc. Methods and apparatus to generate liquid ambulatory oxygen from an oxygen concentrator
US6056804A (en) 1997-06-30 2000-05-02 Questor Industries Inc. High frequency rotary pressure swing adsorption apparatus
CA2312506C (en) * 1997-12-01 2008-11-18 Bowie Gordon Keefer Modular pressure swing adsorption apparatus
US6051050A (en) 1997-12-22 2000-04-18 Questor Industries Inc. Modular pressure swing adsorption with energy recovery
US6921597B2 (en) * 1998-09-14 2005-07-26 Questair Technologies Inc. Electrical current generation system
US6143056A (en) 1998-11-19 2000-11-07 Praxair Technology, Inc. Rotary valve for two bed vacuum pressure swing absorption system
AU5381200A (en) * 1999-06-09 2001-01-02 Questair Technologies, Inc. Rotary pressure swing adsorption apparatus
CA2274390A1 (en) * 1999-06-10 2000-12-10 Questor Industries Inc. Multistage chemical separation method and apparatus using pressure swing adsorption
US6311719B1 (en) * 1999-08-10 2001-11-06 Sequal Technologies, Inc. Rotary valve assembly for pressure swing adsorption system
US6379645B1 (en) * 1999-10-14 2002-04-30 Air Products And Chemicals, Inc. Production of hydrogen using methanation and pressure swing adsorption
US6168422B1 (en) 1999-11-03 2001-01-02 Questor Technology, Inc. Gas incinerator
DE19955676B4 (de) 1999-11-19 2004-06-03 Uhde Gmbh Verfahren zur Herstellung von Synthesegas in Verbindung mit einer Druckwechsel-Adsorptionsanlage
US6514319B2 (en) * 1999-12-09 2003-02-04 Questair Technologies Inc. Life support oxygen concentrator
US6627338B2 (en) * 1999-12-22 2003-09-30 Ballard Power Systems Inc. Integrated fuel cell and pressure swing adsorption system
US20010045061A1 (en) * 2000-03-13 2001-11-29 Ida Tech, L.L.C. Fuel processor and systems and devices containing the same
US6521143B1 (en) * 2000-04-13 2003-02-18 Air Products And Chemicals, Inc. Co-production of carbon monoxide-rich syngas wth high purity hydrogen
US6497856B1 (en) * 2000-08-21 2002-12-24 H2Gen Innovations, Inc. System for hydrogen generation through steam reforming of hydrocarbons and integrated chemical reactor for hydrogen production from hydrocarbons
JP2004501759A (ja) * 2000-06-29 2004-01-22 エイチ２ジーイーエヌ・イノベーションズ・インコーポレイテッド 炭化水素の水蒸気改質による改良された水素発生のためのシステム及び炭化水素から水素を製造するための集積化されたケミカル・リアクタ
JP2002020102A (ja) * 2000-06-30 2002-01-23 Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd 水素製造装置の起動方法およびその停止方法
US6691702B2 (en) * 2000-08-03 2004-02-17 Sequal Technologies, Inc. Portable oxygen concentration system and method of using the same
US7097925B2 (en) * 2000-10-30 2006-08-29 Questair Technologies Inc. High temperature fuel cell power plant
US6425938B1 (en) * 2000-11-01 2002-07-30 Air Products And Chemicals, Inc. Single bed pressure swing adsorption process
US6770390B2 (en) * 2000-11-13 2004-08-03 Air Products And Chemicals, Inc. Carbon monoxide/water removal from fuel cell feed gas
WO2002045821A2 (en) * 2000-12-08 2002-06-13 Questair Technologies Inc. Methods and apparatuses for gas separation by pressure swing adsorption with partial gas product feed to fuel cell power source
US6483001B2 (en) * 2000-12-22 2002-11-19 Air Products And Chemicals, Inc. Layered adsorption zone for hydrogen production swing adsorption
US20020114747A1 (en) * 2000-12-28 2002-08-22 Kevin Marchand Fuel processing system and apparatus therefor
US6692545B2 (en) * 2001-02-09 2004-02-17 General Motors Corporation Combined water gas shift reactor/carbon dioxide adsorber for use in a fuel cell system
DE10108187A1 (de) * 2001-02-21 2002-10-02 Xcellsis Gmbh Brennstoffzellensystem mit einer Druckwechseladsorptionseinheit
US6835219B2 (en) * 2001-05-14 2004-12-28 General Motors Corporation Rapid startup of fuel processor using water adsorption
US6890672B2 (en) * 2001-06-26 2005-05-10 Idatech, Llc Fuel processor feedstock delivery system
US6471744B1 (en) * 2001-08-16 2002-10-29 Sequal Technologies, Inc. Vacuum-pressure swing absorption fractionator and method of using the same
US6635372B2 (en) * 2001-10-01 2003-10-21 General Motors Corporation Method of delivering fuel and air to a fuel cell system
US6576043B2 (en) * 2001-10-12 2003-06-10 Air Products And Chemicals, Inc. Recovery of nitrogen and light hydrocarbons from polyalkene purge gas
US6658894B2 (en) * 2001-11-19 2003-12-09 Air Products And Chemicals, Inc. Process and adsorbent for the recovery of krypton and xenon from a gas or liquid stream
US6893483B2 (en) * 2002-03-08 2005-05-17 Air Products And Chemicals, Inc. Multilayered adsorbent system for gas separations by pressure swing adsorption
US6565627B1 (en) * 2002-03-08 2003-05-20 Air Products And Chemicals, Inc. Self-supported structured adsorbent for gas separation
US6660064B2 (en) * 2002-03-08 2003-12-09 Air Products And Chemicals, Inc. Activated carbon as sole absorbent in rapid cycle hydrogen PSA
US6902602B2 (en) * 2002-03-14 2005-06-07 Questair Technologies Inc. Gas separation by combined pressure swing and displacement purge
EP1500156B1 (en) * 2002-03-14 2007-09-12 QuestAir Technologies Inc. Hydrogen recycle for solid oxide fuel cell
US6755895B2 (en) * 2002-04-09 2004-06-29 H2Gen Innovations, Inc. Method and apparatus for pressure swing adsorption
US20030192251A1 (en) * 2002-04-12 2003-10-16 Edlund David J. Steam reforming fuel processor
US20030223926A1 (en) * 2002-04-14 2003-12-04 Edlund David J. Steam reforming fuel processor, burner assembly, and methods of operating the same
US7285350B2 (en) * 2002-09-27 2007-10-23 Questair Technologies Inc. Enhanced solid oxide fuel cell systems
US6699307B1 (en) * 2002-10-11 2004-03-02 H2Gen Innovations, Inc. High recovery PSA cycles and apparatus with reduced complexity
CN100336577C (zh) 2003-02-25 2007-09-12 住友精化株式会社 废气供给方法及目标气体精制系统
US20040197616A1 (en) * 2003-04-01 2004-10-07 Edlund David J. Oxidant-enriched fuel cell system
US7467519B2 (en) 2005-08-09 2008-12-23 Praxair Technology, Inc. Electricity and synthesis gas generation method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040250472A1 (en) 2003-06-16 2004-12-16 Honda Motor Co., Ltd. Fuel gas production method and apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
CA2589938C (en) 2009-04-07
ES2590955T3 (es) 2016-11-24
KR20070093126A (ko) 2007-09-17
EP1841515A4 (en) 2011-01-12
WO2006068787A3 (en) 2006-10-05
US7399342B2 (en) 2008-07-15
MX2007007670A (es) 2007-08-17
WO2006068787A2 (en) 2006-06-29
CN101119786A (zh) 2008-02-06
TW200637639A (en) 2006-11-01
AU2005319597A1 (en) 2006-06-29
EP1841515B1 (en) 2016-06-15
TWI292334B (en) 2008-01-11
CA2589938A1 (en) 2006-06-29
US20110023708A1 (en) 2011-02-03
US20060130651A1 (en) 2006-06-22
US8038771B2 (en) 2011-10-18
US7833326B2 (en) 2010-11-16
EP1841515A2 (en) 2007-10-10
JP2008525301A (ja) 2008-07-17
AU2005319597B2 (en) 2008-12-04
US20080302011A1 (en) 2008-12-11
CN101119786B (zh) 2010-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100909525B1 (ko) 압력 변동 흡착 정화 제어를 통해 가열 조립체 작동을조절하는 시스템 및 방법
CA2590645C (en) Temperature-based breakthrough detection and pressure swing adsorption systems and fuel processing systems including the same
US8617294B2 (en) Systems and methods for supplying auxiliary fuel streams during intermittent byproduct discharge from pressure swing adsorption assemblies
US8790618B2 (en) Systems and methods for initiating operation of pressure swing adsorption systems and hydrogen-producing fuel processing systems incorporating the same
US7833311B2 (en) Temperature-based breakthrough detection and pressure swing adsorption systems and fuel processing systems including the same
US8070841B2 (en) Systems and methods for supplying auxiliary fuel streams during intermittent byproduct discharge from pressure swing adsorption assemblies
US20070044657A1 (en) Fuel cell systems and methods for passively increasing hydrogen recovery through vacuum-assisted pressure swing adsorption

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140109

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140611

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151124

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161202

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170519

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190522

Year of fee payment: 11