TW202337556A - 多個輸出的集管 - Google Patents

Abstract

本文提供用於產生氣體且在多個輸出壓力下遞送該氣體之系統及方法。該系統包括複數個氣體產生器及複數個應用，各個應用有一不同集管壓力。複數個集管閥將氣流引導至該複數個應用，使得能量損失降至最低。

Description

多個輸出的集管

相關申請案之交叉參考：本申請案要求2021年6月17日申請之題為「MULTIPLE OUTPUT HEADER」之美國臨時申請案第63/211,858號之優先權，該案之全部內容以引用之方式併入本文中。

本發明係關於用於氫氣產生系統之集管單元。

存在氣體產生設施為多個不同應用供應氣體的需要。舉例而言，熔爐可能需要在低壓（例如，100 psi）下供應氫氣，而氫氣儲存單元需要在高壓（例如，2500 psi）下供應的氫氣。單個設施必須具有適當設備以在多個輸出壓力下供應氣體。若氣體在諸如400 psi的某一中等壓力下產生，則此問題會進一步複雜化。繼續此等實例，在400 psi下產生之氫氣必須經壓縮以使壓力增加2100 psi以適合於儲存。相反，在400 psi下產生之氫氣具有在100 psi下供應熔爐所需之300 psi之過量壓力；因此，額外300 psi之過量壓縮表示浪費的能量。

一般而言，先前技術之系統僅僅為接受過量壓縮及能量損失。一些系統藉由對各個最終用途應用專用單一氣體產生器來解決此問題；亦即，一個氫氣產生器用於熔爐且另一個氫氣產生器用於儲存。其他系統將所有產生之氫氣引導至儲存，然後將儲存之氫氣輸送至各個應用，從而不必要地將氫氣壓縮及減壓且導致進一步的能量浪費。

所需的係在多個輸出壓力下供應氣體而不會產生過量浪費之能量之系統。

本文提供了用於向具有不同集管壓力之複數個應用提供一氣體之系統。該系統包含複數個氣體產生器，各個氣體產生器具有一輸出壓力；複數個應用，其流體連接至該複數個氣體產生器，該複數個應用中之各者具有一集管壓力，且該複數個應用中之至少兩者具有不同集管壓力；及複數個集管閥，各個集管閥流體連接至該等應用中之一或多者且流體連接至該複數個氣體產生器中之一或多者。該複數個集管閥可操作以將藉由該複數個氣體產生器產生之氣體之流動引導至該複數個應用中之一或多者。

在一些具體實例中，該複數個氣體產生器產生選自由以下組成之群的氣體：氫氣、氧氣、氮氣、氨氣及其組合。在較佳具體實例中，該複數個氣體產生器產生氫氣。

在一些具體實例中，該複數個氣體產生器包含一或多個電解槽。在一些實例中，該一或多個電解槽為質子交換膜（proton exchange membrane；PEM）電解槽。在其他具體實例中，該複數個氣體產生器包含一或多個蒸汽甲烷重組器（steam methane reformers）。在一些具體實例中，各個氣體產生器之該輸出壓力小於或等於各個應用之該集管壓力。

在一些具體實例中，該系統進一步包含一壓力膨脹器。在一些實例中，該壓力膨脹器為一渦輪機。在一些額外實例中，該壓力膨脹器為一電化學電池（electrochemical cell）。

在一些具體實例中，該系統進一步包含至少一個壓縮機。

在一些具體實例中，該系統進一步包含一氣體儲存系統。

在一些具體實例中，該系統進一步包含一個或複數個壓力感測器。

在一些具體實例中，該系統進一步包含一個或複數個緩衝槽。

在一些具體實例中，該系統進一步包含一控制器。在一些態樣中，該控制器可操作以在偵測到一或多個集管壓力之改變時自動打開或關閉複數個集管閥中之一或多者。

本文進一步提供了用於向具有不同集管壓力之複數個應用提供一氣體之方法。該方法包含經由複數個氣體產生器產生至少一種氣體，各個氣體產生器具有一輸出壓力；及打開及/或關閉複數個集管閥以將該至少一種氣體之流動引導至或遠離一或多個應用。各個氣體產生器之該輸出壓力可小於或等於各個應用之該集管壓力。在一些態樣中，該複數個集管閥之打開及/或關閉係經由一控制器自動執行。

在一些具體實例中，該方法進一步包含判定該一或多個應用中之至少一者的該集管壓力。

在一些具體實例中，該方法進一步包含判定該複數個氣體產生器中之各者的該輸出壓力。

在一些具體實例中，該方法進一步包含將儲存於一氣體儲存單元中之至少一種氣體供應至該一或多個應用。

在一些具體實例中，該複數個氣體產生器產生選自由以下組成之群的氣體：氫氣、氧氣、氮氣、氨氣及其組合。在較佳具體實例中，該複數個氣體產生器產生氫氣。

在一些具體實例中，該複數個氣體產生器包含一或多個電解槽。在一些實例中，該一或多個電解槽為質子交換膜（proton exchange membrane；PEM）電解槽。在其他具體實例中，該複數個氣體產生器包含一或多個蒸汽甲烷重組器。在一些具體實例中，各個氣體產生器之該輸出壓力小於或等於各個應用之該集管壓力。

該方法可進一步包含純化至少一種氣體。該方法可進一步包含經由壓力膨脹器降低該至少一種氣體之該壓力。該方法可進一步包含壓縮該至少一種氣體。

本文提供了一種用於產生在多個輸出壓力下供應之氣體的系統。參考圖1，系統100包括複數個氣體產生器102，各個氣體產生器102具有輸出壓力。該系統進一步包含複數個應用104（編號為104a、104b及104c），各個應用104流體連接至氣體產生器102中之各者。複數個應用104中之各者具有集管壓力，且複數個應用104中之至少兩者具有不同集管壓力。該系統進一步包含複數個集管閥106。集管閥106中之各者流體連接至複數個應用104中之一或多者且流體連接至複數個氣體產生器102中之一或多者。複數個集管閥106可操作以將藉由複數個氣體產生器102產生之氣體之流動引導至複數個應用104中之一或多者。

複數個氣體產生器102可產生相同氣體；在其他具體實例中，第一組氣體產生器102可產生第一氣體，第二組氣體產生器102可產生第二氣體，等等。氣體產生器102可為所屬技術領域中已知的任何氣體產生器，諸如電解槽、蒸汽甲烷重組器、燃料電池、濃縮器等。

在一些具體實例中，該複數個氣體產生器102可操作以產生選自由以下組成之群的氣體：氫氣、氮氣、氧氣、氨氣及其組合。產生此等氣體之方法一般為所屬技術領域中已知及描述的。舉例而言，產生氫氣之方法充分描述於美國申請案第17/101,232號中，其以全文引用之方式併入本文中。作為另一實例，產生氮氣及氨氣之方法充分描述於美國申請案第17/101,224號中，其以全文引用之方式併入本文中。

在例示性具體實例中，複數個氣體產生器102包括產生氫氣之質子交換膜（proton exchange membrane；PEM）電解槽。此類PEM電解槽為所屬技術領域中熟知及描述的，包括描述於美國申請案第17/101,232號中，其以全文引用之方式併入本文中。

由複數個氣體產生器102中之各者產生之氣體可視需要具有不同品質，諸如純度、含水量、溫度或支援複數個應用104所需之其他參數。系統100可操作以組合具有不同品質（例如，低含水量及高含水量）之氣體，以達成遞送至所要應用104之最佳氣體。此進一步提高了系統100之效率：正如過量壓縮及膨脹降低了設施之效率、過度純化、乾燥、加熱等亦會降低整體效率。

各個氣體產生器102具有輸出壓力。各個氣體產生器102之輸出壓力可相同，或者各個氣體產生器102可具有不同輸出壓力。輸出壓力之差異可歸因於氣體產生器類型之差異（例如，電解槽及蒸汽甲烷重組器可能具有不同輸出壓力），或差異可歸因於其他外來因素，諸如氣體產生器之壽命及/或效率（例如，與新電解槽相比，舊電解槽可能具有減小之輸出壓力）。各個氣體產生器102之輸出壓力可在約1巴至高達700巴或更大之範圍內。

複數個應用104可包括需要複數個氣體產生器102產生之氣體之任何應用；舉例而言，複數個應用可包括工業製程、燃料電池、儲存系統等。在本發明之範圍內之應用的額外非限制性實例包括熔爐、車輛充電站、儲存設施、反應器、食品及飲料加工等。複數個應用104流體連接至複數個氣體產生器。

複數個應用104中之各者可能需要一或多種氣體；替代地，複數個應用104之子集可能需要第一氣體（例如，氫氣），而複數個應用104之另一子集可能需要第二氣體（例如，氮氣）。在此等具體實例中，此等應用子集可按氣體類型分隔。換言之，需要氫氣之應用子集可具有對應氫氣產生器子集及對應管道及儀錶，它們與需要氮氣之應用子集分隔（整體分隔或藉由使用閥系統分隔），需要氮氣之應用子集亦具有對應氮氣產生器子集及對應管道及儀錶。

系統100進一步包含複數個集管閥106。各個集管閥106流體連接至該等應用中之一或多者且流體連接至複數個氣體產生器中之一或多者。集管閥106可操作以允許或切斷自一或多個氣體產生器產生之氣體流向複數個應用中之一或多者。複數個集管閥106可各自為所屬技術領域中已知的任何閥。

系統100亦可包含複數個隔離閥112。隔離閥112可操作以將複數個應用與系統隔離；亦即，隔離閥112可切斷氣體流向複數個應用中之一或多者。此有助於在發生氣體洩漏或其他故障之情況下最佳化系統之安全性，並且在維護及/或維修隔離之應用期間可為有益的。複數個隔離閥112可各自為所屬技術領域中已知的任何閥。

系統100可進一步包含緩衝槽或複數個緩衝槽116。緩衝槽116可操作以在藉由複數個氣體產生器102產生之氣體移動至複數個應用104中之一者之前臨時儲存該氣體。緩衝槽116可在高於應用之集管壓力之壓力下儲存氣體。當應用對氣體之需求增加超出正常容量時，與正常操作相比，緩衝槽可允許更多氣體流向應用。緩衝槽116可為所屬技術領域中已知的適合於儲存氣體之任何緩衝槽。用於取得、設計及建構緩衝槽之方法亦為所屬技術領域中已知的。緩衝槽116可包括閥，該等閥可操作以打開並將氣體引導至複數個應用104中之一或多者中。

系統100可進一步包含一或多個壓縮機110。壓縮機110可經操作以平衡低壓與高壓之間的流動。儘管系統之目的為使向複數個應用104提供氣體所需之壓縮量降至最低，但已確認進一步壓縮可能仍為必要的。藉由使用本文所描述之系統100，使壓縮氣體所需之能量降至最低。壓縮機110可為所屬技術領域中已知用於壓縮氣體之任何壓縮機。在較佳具體實例中，壓縮機110可為隔膜壓縮機、活塞壓縮機、渦輪壓縮機或自低壓抽吸（pumping）至高壓之電化學氫氣泵（electrochemical hydrogen pump）。用於取得、設計及建構壓縮機之方法亦為所屬技術領域中已知的。

系統100可進一步包含一個或複數個氣體壓力感測器118。氣體壓力感測器118可操作以判定系統100中給定位置之氣體壓力。氣體壓力感測器118亦可與警報耦接，以在氣體壓力快速增加或減少或者增加或減少超過預定設定點時發出信號。因此，藉由判定給定位置處之氣體壓力，系統100之最佳操作及安全性得以改良。氣體壓力感測器118可各自為所屬技術領域中已知的任何氣體壓力感測器。用於取得、設計及建構氣體壓力感測器之方法亦為所屬技術領域中已知的。壓力感測器可經可操作地組態以偵測及/或確認系統在不同輸出壓力下有效地向複數個應用供應氣體。

系統100可進一步包含一或多個儲存單元108。一般而言，儲存單元108在高於複數個應用104之集管壓力之壓力下儲存氣體。儲存單元108包括閥，該等閥可操作以將儲存之氣體遞送至複數個應用或系統100中之任何其他位置。因此，若氣體產生器102中之一或多者關閉或發生故障，則儲存單元108可能夠向複數個應用104提供氣體。儲存單元108可為所屬技術領域中已知適合於儲存氣體之任何裝置或系統。

系統100可進一步包含一或多個壓力膨脹器。如本文所用，壓力膨脹器為用於降低系統中之壓力的系統或裝置。本發明之系統100中使用之壓力膨脹器包括渦輪機、渦輪壓縮機及具有自高壓抽吸至低壓之氫氣之電化學電池。在一些具體實例中，來自壓力膨脹器之能量可作為電回收。自壓力膨脹器回收能量之方法為所屬技術領域中熟知及描述的。

在特定具體實例中，電化學泵或渦輪壓縮機可充當壓縮機或壓力膨脹器。

系統100可進一步包含自供電混合導體裝置，以藉由在任一方向上之流動來管理高壓狀態與低壓狀態之間的壓力。自供電混合導體裝置為所屬技術領域中已知的且能夠在無外部電源之情況下遞送純氣態產品。在一些實例中，自供電混合導體（self-powering mixed conductor）可包括具有用於氫氣分離及生產之導體的陶瓷膜（例如，陶瓷氧化物、鍶陶瓷氧化物（strontium cerate oxides）、鈣鈦礦等）。

系統100可進一步包含控制器。控制器可與複數個氣體產生器102及/或複數個應用104中之至少一或多者進行電氣連通。一般而言，控制器可包括一或多個處理器及上面儲存有指令之非暫時性電腦可讀儲存媒體，該等指令用於使該一或多個處理器控制系統100之各種態樣中之任何一或多者的啟動、操作或關機中之一或多者，以促進安全高效之操作。舉例而言，在偵測到異常條件之情況下，控制器可中斷對複數個應用中之任何一者之供電。控制器亦可操作以自動打開或關閉閥或調整其他系統參數，以確保系統100之安全高效操作。作為一實例，控制器可操作以在偵測到一或多個集管壓力之改變時自動打開或關閉複數個集管閥中之一或多者。

在一些具體實例中，應用104中之一或多者可能需要使用者選擇所要出口壓力或複數個所要出口壓力。所要出口壓力可包含第一出口壓力、第二出口壓力、第三出口壓力、第四出口壓力、第五出口壓力、第n出口壓力（其中n為正整數）及其組合。例如，若應用為氫氣燃料電池車輛之氫氣燃料電池燃料補給站，則使用者可選擇足以對其車輛進行燃料補給之壓力（例如，在350巴與700巴之間）。在此等具體實例中，控制器可自動調整適當閥及儀錶，以回應於使用者之輸入而遞送所要出口壓力。因此，可自單個應用中遞送不同及/或多個輸出壓力。在另一具體實例中，控制器可自動調整適當閥及儀錶，以回應於使用者之輸入而遞送複數個出口壓力，其中複數個輸出壓力對應於不同應用。類似地，在另一具體實例中，控制器可自動調整適當閥及儀器，以回應於使用者之輸入而遞送至少第一出口壓力及第二出口壓力，其中該第一出口壓力及第二出口壓力對應於不同應用。

系統100可進一步包含純化器114。純化器可操作以在將氣體遞送至應用104或其他製程單元之前自氣體中去除雜質（例如，水）。可使用所屬技術領域中已知的用於氣體純化之任何純化器。

系統100可進一步包含熱交換器，其用於在氣體被遞送至應用104之前添加熱量或自氣體去除熱量。熱交換器可為所屬技術領域中已知的任何熱交換器，諸如殼管式熱交換器、板式換熱器、板殼式熱交換器、絕熱輪式熱交換器、板鰭式熱交換器、鰭片管式熱交換器、枕板式換熱器（pillow plate heat exchanger）或所屬技術領域中已知的任何其他熱交換器。用於取得、設計及建構熱交換器之方法亦為所屬技術領域中熟知的。

系統100可進一步包含氣體摻合系統，其用於在氣體被遞送至一或多個應用104之前混合氣體。氣體摻合系統可混合複數個氣體產生器102中產生之兩種或更多種氣體，或者氣體摻合系統可混合空氣或供應至氣體摻合系統之另一氣體。用於取得、設計及建構氣體摻合系統之方法亦為所屬技術領域中熟知的。

系統100可進一步包含清洗系統。清洗系統與系統100流體連接，且可操作以將清洗氣體遞送至系統100，以自系統中去除任何氣體或雜質。因此，清洗系統可確保系統或其任何部件啟動或維護之前、期間及之後的安全，尤其在處理易燃或易爆氣體時。在一些具體實例中，清洗氣體可包含惰性氣體，諸如氬氣或氦氣。在其他具體實例中，清洗氣體可包含惰性氣體，諸如氮氣。在其他具體實例中，清洗系統可完全不包含清洗氣體；相反，清洗系統包含真空儲存器，該真空儲存器在被啟動時將來自系統之氣體吸入該儲存器中。

系統100可進一步包含廢氣再循環。來自複數個應用104之廢氣可在任何位置循環回至系統100中。廢氣可包含提供至應用之相同氣體，或者可包含不同的一或多種氣體（例如，燃燒產物）。廢氣之壓力可能與應用104之集管壓力相同或不同。在再循環回至系統100中之前，可根據複數個應用之要求對廢氣進行壓縮、膨脹、純化等；或者，來自一或多個應用104之廢氣可直接再循環至同一或另一應用中。

根據所用氣體產生系統之要求或根據應用之要求，可向系統中添加其他製程單元。

本文進一步提供了用於向具有不同集管壓力之複數個應用遞送氣體之方法。該方法包含經由複數個氣體產生器產生至少一種氣體，各個氣體產生器具有一輸出壓力；及打開及/或關閉複數個集管閥以將該至少一種氣體之流動引導至或遠離一或多個應用，各個應用具有一集管壓力。各個氣體產生器之該輸出壓力可小於或等於一或多個應用之該集管壓力。在一些具體實例中，各個氣體產生器之該輸出壓力小於或等於該等應用中之各者之該集管壓力。

該方法可進一步包含判定該一或多個應用中之至少一者的該集管壓力。可藉由使用上文描述之氣體壓力感測器來實現判定。可藉由個人或藉由電腦實現判定；較佳地，藉由電腦實現判定。用於判定氣體壓力之系統及裝置為所屬技術領域中通常已知的。

該方法可進一步包含判定該複數個氣體產生器中之各者的該輸出壓力。可藉由使用上文描述之氣體壓力感測器來實現判定。可藉由個人或藉由電腦實現判定；較佳地，藉由電腦實現判定。用於判定氣體壓力之系統及裝置為所屬技術領域中通常已知的。

如上文所論述，複數個集管閥之打開及/或關閉可經由控制器自動實現。舉例而言，若判定應用之集管壓力低於向應用提供氣體之一或多個氣體產生器之輸出壓力，則控制器可打開及關閉一或多個集管閥，以將更多氣體分流至應用，以滿足應用之需求。

該方法可進一步包含將儲存於一氣體儲存單元中之至少一種氣體供應至該一或多個應用。此在峰值需求時或在一或多個氣體產生器已關閉或發生故障且需要更多氣體產生容量時尤其有用。

該方法可進一步包含經由一純化器純化該氣體。可使用所屬技術領域中已知及/或本文描述的任何純化器純化氣體。

該方法可進一步包含壓縮該氣體。可經由所屬技術領域中已知及/或本文描述的任何壓縮機壓縮氣體；例如，可經由隔膜壓縮機、活塞壓縮機、渦輪壓縮機或自低壓抽吸至高壓之電化學氫氣泵壓縮氣體。

該方法可進一步包含膨脹該氣體。可經由所屬技術領域中已知及/或本文描述的任何壓力膨脹器來膨脹氣體。舉例而言，壓力膨脹器可包含渦輪機、渦輪壓縮機及具有自高壓抽吸至低壓之氫氣之電化學電池。此外，該方法可包含自壓力膨脹器回收電力。

無

[圖1]為本發明之例示性系統的流程圖。

Claims (23)

1. 一種系統，其包含： 複數個氣體產生器，各個氣體產生器具有一輸出壓力； 複數個應用，其流體連接至該複數個氣體產生器，該複數個應用中之每一者具有一集管壓力，且該複數個應用中之至少兩者具有不同集管壓力；及 複數個集管閥，各個集管閥流體連接至該等應用中之一或多者且流體連接至該複數個氣體產生器中之一或多者， 其中該複數個集管閥可操作以將藉由該複數個氣體產生器產生之氣體之流動引導至該複數個應用中之一或多者。
2. 如請求項1之系統，其中該複數個氣體產生器產生選自由以下組成之群的氣體：氫氣、氧氣、氮氣、氨氣及其組合。
3. 如請求項1之系統，其中該複數個氣體產生器包含一或多個電解槽。
4. 如請求項3之系統，其中該一或多個電解槽為質子交換膜（proton exchange membrane；PEM）電解槽。
5. 如請求項4之系統，其中該等PEM電解槽產生氫氣。
6. 如請求項1之系統，進一步其中該系統在複數個輸出壓力下向該等應用供應氣體。
7. 如請求項1之系統，其中該複數個氣體產生器包含一或多個蒸汽甲烷重組器。
8. 如請求項1之系統，其進一步包含一壓力膨脹器。
9. 如請求項8之系統，其中該壓力膨脹器為一渦輪機。
10. 如請求項8之系統，其中該壓力膨脹器為一電化學電池。
11. 如請求項1之系統，其進一步包含至少一個壓縮機。
12. 如請求項1之系統，其進一步包含一氣體儲存系統。
13. 如請求項1之系統，其進一步包含複數個壓力感測器。
14. 如請求項1之系統，其進一步包含一緩衝槽。
15. 如請求項1之系統，其進一步包含一控制器。
16. 如請求項15之系統，其中該控制器可操作以在偵測到一或多個集管壓力之改變時自動打開或關閉該複數個集管閥中之一或多者。
17. 如請求項1之系統，其中各個氣體產生器之該輸出壓力小於或等於各個應用之該集管壓力。
18. 一種方法，其包含： 經由複數個氣體產生器產生至少一種氣體，各個氣體產生器具有一輸出壓力；及 打開及/或關閉複數個集管閥以將該至少一種氣體之流動引導至或遠離一或多個應用，各個應用具有一集管壓力。
19. 如請求項18之方法，其進一步包含判定該一或多個應用中之至少一者的該集管壓力。
20. 如請求項18之方法，其進一步包含判定該複數個氣體產生器中之每一者的該輸出壓力。
21. 如請求項18之方法，其中各個氣體產生器之該輸出壓力小於或等於各個應用之該集管壓力。
22. 如請求項18之方法，其中該複數個集管閥之打開及/或關閉係經由一控制器自動執行。
23. 如請求項18之方法，其進一步包含將儲存於一氣體儲存單元中之至少一種氣體供應至該一或多個應用。