CN100347895C - 包括燃料电池和旋转压力回转吸附单元的电流发生系统 - Google Patents

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Abstract

由燃料电池，和氧气输送装置组成电发生系统。燃料电池包括含有用于接收氢气供应的阳极气体入口的阳极槽，含有阴极气体入口和阴极气体出口的阴极槽，和与阳极槽及阴极槽连通用于进行阳极槽和阴极槽之间离子交换的电解质。氧气输送系统连接到阴极气体入口上并向阴极槽输送氧气。电流发生系统也包括气体再循环机构，气体再循环机构连接到阴极气体出口上用于将一部分从阴极气体出口排出的阴极排气再循环到阴极气体入口。

Description

包括燃料电池和旋转压力回转吸附单元的电流发生系统
技术领域
本发明涉及用于产生电流的燃料电池。特别地，本发明涉及基于燃料电池的电发生系统，它采用压力回转吸附，用于增强燃料电池的效率。
发明背景
燃料电池提供有益环境的电流源。用于产生电能的燃料电池的一种形式包括用于接收氢气的阳极，用于接收氧气的阴极，和碱性电解质。燃料电池的另一种形式包括用于接收氢气流的阳极槽，用于接收氧气流的阴极槽，和分隔阳极槽和阴极槽的聚合物电解质膜(PEM)。在两种情况下，进入阴极的氧气与穿过电解质的氢离子反应以产生电子的流动。环境安全的水汽也产生为副产物。然而，几种因素限制了燃料电池作为能量发生系统的广泛使用。
为从燃料电池提取电能的连续来源，必须向燃料电池提供氧气和氢气的连续来源。然而，采用大气空气作为向阴极槽的氧的直接来源，PEM燃料电池的性能被氧的低分压和氮气的浓度极化严重损害，而碱性燃料电池要求预处理精制系统以从原料空气中除去二氧化碳。此外，由于采用大气空气原料的阴极槽中平均氧浓度典型地仅为约15％，燃料电池的尺寸必须不期望地大以提供工业应用的足够动力。
为达到足以实现从PEM燃料电池系统的竞争性电流密度的通过阴极槽的氧分压，特别是对于车辆推进，必须在将空气原料引入到阴极槽之前，压缩空气原料到至少3个大气压。如理解的那样，足以压缩空气原料的必需的动力输入降低了燃料电池系统的整体效率。已经建议使用聚合物膜以富集氧气，但这样的膜实际上降低了氧分压，并且总压力的降低大于可达到的有限富集。
氢气(作为压缩气体或低温液体)的外部生产，精制，分配和贮存要求昂贵的基础设施，而氢燃料在车辆上的贮存具有相当大的技术和经济障碍。因此，对于静止的动力产生，优选从天然气通过蒸汽重整或部分氧化随后通过水气体转换而产生氢气。对于使用液体燃料的燃料电池，优选从甲醇通过蒸汽重整或从气油通过自热重整的部分氧化，随后再次通过水气体转换而产生氢气。然而，获得的氢气包含一氧化碳和二氧化碳杂质，这些杂质不能在更多的痕量水平中分别被PEM燃料电池催化的电极和碱性燃料电池电解质所容忍。
在采用自热或部分氧化燃料处理器的现有技术PEM燃料电池中，环境空气用作氧化剂。这导致必须将氮气加热和然后通过燃料处理器系统冷却的较大负荷。氮气的实际体积致使通过燃料处理器和阳极槽的压力损失，或者致使成本增加以及使通道更大。
尽管从燃料电池排气的水回收对于有效燃料电池处理器操作是非常需要的，常规的燃料电池将它的氧耗尽的阴极排气排放到大气中，因此要求另外的冷凝器以回收水，然后必须在显著的能量成本下在燃料处理器中蒸发这些水。此冷凝器增加了散射器冷却负荷，考虑到必须抛弃的大量低品位热量，它对于汽车燃料电池动力装置已经成为问题。
从向PEM燃料电池的氢气原料中除去残余一氧化碳的常规方法是催化选择性氧化，当一氧化碳和氢气一部分两者由低温氧化消耗时，它损害效率，没有燃烧热的任何回收。钯扩散膜可用于氢气精制，但具有在低压下输送精制氢气，和使用稀有和昂贵材料的缺点。
压力回转吸附系统(PSA)具有能够提供氧气和氢气连续来源，而没有显著污染物水平的有吸引力特征。PSA系统和真空压力回转吸附系统(真空PSA)通过在吸附剂床上协调压力循环和流动反转而从气体混合物分离气体馏分，吸附剂床相对于混合物较不容易吸附的气体组分，优选吸附更容易吸附的气体组分。吸附剂床中气体混合物的总压力当气体混合物从第一端向其第二端流过吸附剂床时增加，而当气体混合物从第二端反向第一端流过吸附剂层时降低。当重复PSA循环时，较不容易吸附的组分邻近吸附剂床的第二端浓缩，而容易吸附的组分邻近吸附剂床的第一端浓缩。结果是，从床的第二端输送“轻”产物(在更容易吸附组分中减少而在较不容易吸附组分中富集的气体馏分)，从床的第一端排出“重”产物(富集在更容易吸附组分中的气体馏分)。
然而，用于实施压力回转吸附或真空压力回转吸附的常规系统使用并联的两个或多个静止吸附剂床，在每个吸附剂床的每一端的导向阀以交替的顺序将床连接到压力源和转换器。由于要求的用阀调节的复杂性，对于实施此系统通常是困难和昂贵的。
此外，由于原料气体加压由压缩机提供，它的输送压力是循环的最高压力，因此常规PSA系统对施加能量的使用不充分。在PSA中，然后以通过阀门的节流，通过吸附器和高压供应之间的瞬时压差，消散在压缩加压用原料气体中使用的能量。相似地，在真空PSA中，其中通过在该压力下排出气体的真空泵建立循环的低压，以通过阀门的节流在压力降低的吸附器的逆流排料期间消散能量。在两个系统中的进一步能量消耗发生在用于净化，平衡，并流排料和产物加压或回填步骤的轻回流气体的节流中。这些能量转换器降低了燃料电池系统的总体效率。
另外，常规PSA系统一般仅可在相对低循环频率下操作，必须使用较大的吸附剂库存。这样PSA系统的较大尺寸和重量使得它们不适于车辆燃料电池应用。因此，用于氧浓缩的常规PSA单元会要求约400L的吸附剂床体积，和约100L用于压力附件和PSA循环控制阀的额外安装体积，以输送包含约200L/min氧气的产品流，它对于40kW燃料电池是足够的。
因此，需要有效的基于燃料电池的电发生系统，它可产生用于工业应用的足够动力和它适于车辆应用。也需要紧凑，轻质的氢气和氧气PSA系统，该PSA系统在更高的循环频率下操作并适于车辆基于燃料电池的应用。
发明概述
根据本发明，提供解决现有技术燃料电池电发生系统缺陷的基于燃料电池的电发生系统。
根据本发明第一实施方案的电流发生系统，包括燃料电池，和氧气输送系统。燃料电池包括含有用于接收氢气供应的阳极气体入口的阳极槽，具有阴极气体入口和阴极气体出口的阴极槽，和与阳极槽和阴极槽连通用于进行阳极槽和阴极槽之间离子交换的电解质。氧气输送系统连接到阴极气体入口上和向阴极槽输送氧气。
电流发生系统也包括气体再循环机构，气体再循环机构连接到阴极气体出口上用于将来自阴极气体出口的一部分阴极排气(相对于环境空气它仍然富含氧气，并带有燃料电池排出水和燃料电池废热)再循环到阴极气体入口。
在一些实施方案中，将至少一部分阴极排气返回到自热或部分氧化燃料处理器(或重整器)的入口用于将烃燃料与氧气和蒸汽反应以产生原氢气或合成气。
在第一实施方案的优选实施中，氧气输送系统包括用于从空气提取富集氧气的氧气分离系统。优选，氧气分离系统包括氧气压力回转吸附系统，氧气压力回转吸附系统包括旋转组件，该组件含有定子和相对于定子旋转的转子。转子包括许多用于接收其中吸附剂材料的流动通道，吸附剂材料优选用于相对于第二气体组分，响应于流动通道中的增加压力而吸附第一气体组分。压力回转吸附系统也包括连接到旋转组件上的压缩机械，用于促进气体流动通过流动通道以分离第一气体组分与第二气体组分。定子包括第一定子阀表面，第二定子阀表面，和打开进入定子阀表面的多个功能隔间。功能隔间包括气体原料隔间，轻回流出口隔间和轻回流返回隔间。
在一个变型中，压缩机械包括用于向气体原料隔间输送加压空气的压缩机，和在轻回流出口隔间和轻回流返回隔间之间连接的轻回流膨胀器。气体再循环机构包括连接到轻回流膨胀器上，用于在压力下向阴极气体入口提供从阴极气体出口排放的氧气的压缩机。结果是，可以应用从压力回转吸附系统回收的能量以提高输送到阴极气体入口的氧气的压力。
在另一个变型中，在轻回流出口隔间和轻回流返回隔间之间布置用于压力减低的限制器孔口，来替代轻回流膨胀器。气体再循环机构包括连接到阴极气体出口上用于向阴极气体入口提供氧气的压缩机，和位于阴极气体出口和加压隔间之间用于将一部分氧气作为原料气体再循环到压力回转吸附系统的限制性孔口。结果是，从阴极气体出口回收的能量可用于帮助对通过PSA系统的阴极气体入口加压。
根据本发明第二实施方案的电流发生系统，包括燃料电池，氧气输送系统，和氢气输送系统。燃料电池包括含有阳极气体入口和阳极气体出口的阳极槽，含有阴极气体入口和阴极气体出口的阴极槽，和与阳极槽和阴极槽连通用于进行阳极槽和阴极槽之间离子交换的电解质。
氧气输送系统连接到阴极气体入口并输送氧气到阴极槽。氢气输送系统包括用于接收来自阳极气体出口的第一氢气原料的氢气入口，和连接到阳极气体入口上用于将从第一氢气原料接收的氢气输送到具有增加纯度的阳极槽的氢气出口。
在第二实施方案的优选实施中，氧气分离系统包括氧气压力回转吸附系统，氢气分离系统包括用于从烃燃料产生第二氢气原料的反应器，和连接到反应器上用于精制从第一和第二氢气原料接收的氢气的氢气压力回转吸附系统。两个压力回转吸附系统包括旋转组件，旋转组件含有定子和相对于定子旋转的转子。转子包括许多用于接收其中吸附剂材料的流动通道，吸附剂材料优选用于相对于第二气体组分，响应于流动通道中的增加压力而吸附第一气体组分。功能隔间包括气体原料隔间和重产物隔间。
在一个变型中，氧气压力回转吸附系统包括连接到气体原料隔间上用于输送加压空气到气体原料隔间的压缩机，和连接到压缩机上用于从重产物隔间提取氮气产物气体的真空泵。反应器包括具有用于产生合成气的燃烧器的蒸汽重整器，和连接到蒸汽重整器上用于将合成气转化成第二氢气原料的水气体转换反应器。氢气压力回转吸附系统包括用于从重产物隔间输送燃料气体到燃烧器的真空泵。在燃烧器中燃烧燃料气体，且从其中产生的热量用于提供必须用于蒸汽重整器反应的反应吸热。将获得的合成气输送到水气体转换反应器用于杂质的脱除，然后作为第二氢气原料输送到氢气压力回转吸附系统。
在另一个变型中，本发明包括用于燃烧燃料的燃烧器。反应器包括用于产生合成气的自热重整器，和连接到自热重整器上用于将合成气转化成第二氢气原料的水气体转换反应器。氧气压力回转吸附系统的压缩机输送加压空气到燃烧器，并将重产物气体作为尾气从氢气压力回转吸附系统输出到燃烧器中被燃烧。氧气压力回转吸附系统的压缩机器也包括连接到压缩机上用于从燃烧器释放的燃烧热气体驱动压缩机的膨胀器。来自燃烧器的热量也可用于预热提供到自热重整器的空气和/或燃料。
附图简述
现在通过实施例，参考附图描述本发明的优选实施方案，其中：
图1是适用于本发明的旋转PSA组件的横截面图，显示定子和位于定子中的转子。
图2是图1组件的横截面图，为清楚起见删除定子。
图3是图1所示定子的横截面图，为清楚起见删除转子。
图4是图1组件的轴向截面。
图5显示可采用图1-4所示PSA系统达到的典型PSA循环。
图6显示可采用图1-4所示PSA系统达到的，采用重回流的PSA循环的一个变型。
图7显示适用于本发明，用于从空气分离氧气的压力回转吸附装置，和展示图1所示的旋转组件和连接到旋转组件上的压缩机器。
图8显示适用于本发明，用于精制氢气的压力回转吸附装置，并展示图1所示的旋转组件和连接到旋转组件上的压缩机器。
图9显示根据本发明第一实施方案的电流发生系统，包括用于向燃料电池阴极槽提供富集氧的氧分离PSA，来自轻回流膨胀的能量回收用于提高在燃料电池阴极回路中循环的氧气压力。
图10显示图9所示电流发生系统的第一变型，但采用包括逆流排料膨胀器的PSA系统，该膨胀器驱动用于真空PSA操作的自由转子排气真空泵。
图11显示图9所示电流发生系统的第二变型，从燃料电池阴极排放的一部分富集氧气体用于PSA系统的加压步骤。
图12显示根据本发明第二实施方案的电流发生系统，包括用于向燃料电池阴极槽提供富集氧的氧分离PSA系统，和用于向燃料电池阳极槽提供富集氢的氢分离PSA系统，氢分离PSA系统接收来自蒸汽重整器的原料气体。
图13显示根据图12所示电流发生系统变型的电流发生系统，但氢分离PSA系统接收来自热重整器的原料气体。
图14显示采用二氧化碳脱除和用于碱性燃料电池的氧富集的电流发生系统，它采用氧气积累器。
图15显示含有旋转吸附器和静止分布器阀的旋转PSA组件的轴向截面。
图16显示图15组件的横向截面。
图17显示图15组件的横向截面。
图18显示图15组件的横向截面。
图19显示图15组件的横向截面。
图20显示图15组件的横向截面。
图21显示图15组件的横向截面。
图22显示含有静止吸附器和旋转分布器阀的旋转PSA组件的轴向截面。
优选实施方案的详细描述
为有助于理解本发明，参考图1-6首先描述适用于本发明的压力回转吸附工艺和相关装置。其后，分别参考图7和8描述氧分离压力回转吸附系统和氢分离压力回转吸附系统。然后采用图9开始描述本发明的两个实施方案以及它们的变型。
图1，2，3和4
适于作为本发明一部分的旋转组件10示于图1，2，3和4中。组件包括位于定子14中在由箭头13所示方向上绕轴线12旋转的转子11。然而，应当理解本发明并不限于含有旋转组件的PSA系统。可以在不背离本发明的范围下采用其它布置。例如，如需要，本发明可以采用并联的多个静止吸附剂床，在每个吸附剂床的每一端的导向阀以交替的顺序将床连接到压力源和转换器。然而，如显然的那样，由于旋转组件10提供非常需要的效率和紧凑性特性，优选是旋转组件10。
旋转PSA组件包括含有旋转吸附器组件以提供旋转阀功能的组件，和含有与旋转阀配合、优选与吸附器组件共轴的固定吸附器组件的那些组件。在特定的实施方案中，旋转PSA组件是圆筒形轴向流动吸附器组件，原料和产物旋转阀在吸附器组件的相对端面对。吸附器组件可旋转或保持静止，较后的情况包括在壳体和旋转阀转子之间的流体传送。
一般情况下，可以配置旋转组件10用于在径向，轴向或相对于转子轴线倾斜的圆锥形方向上通过吸附器元件的流动。对于在高循环频率下的操作，径向流动的优点在于向心加速度会与流动通道平行，用于浮力驱动的自由对流的最有利稳定。径向流动配置对于大组件容量是优选的。
轴向流动配置对于更小组件容量是优选的，至少对于小于约300kW的额定功率来说，有利地允许引入PSA系统的燃料电池系统的提高的紧凑性。在汽车燃料电池装置中紧凑性是使得可以使用PSA系统的重要考虑。如图2所示，转子11为环形部分，含有与轴12同心的外圆柱形壁20，它的外表面是第一阀表面21，和内圆柱形壁22，它的内表面是第二阀表面23。转子含有(在由图4中箭头15和16确定的平面部分中)总共“N”个径向流动吸附器元件24。相邻的一对吸附器元件25和26由结构上和密封地连接到外壁20和内壁22上的分隔物27分隔。相邻吸附器元件25和26以360°/N的角度相对于轴线12角向布置。由于吸附器元件和阀表面因此整合成单一单元，且吸附器元件邻近阀表面布置而具有最小的固定体积，旋转组件10比常规PSA系统更为紧凑和有效。
吸附器元件24含有由支撑网31确定的第一端30和由支撑网33确定的第二端32。吸附器可提供为粒状吸附器，它的填充空隙率确定接触吸附器第一和第二端之间吸附剂的流动通道。然而，如在在先未决U.S.专利申请No.08/995,906中所述那样，其中的描述在此引入作为参考，优选吸附器元件提供为在吸附器第一和第二端之间延伸的层压薄片的阵列，片含有吸附剂如支撑在增强基体上的沸石，且具有由片之间隔片形成的流动槽。层压片吸附器，其片厚度大约为150微米并使用X型沸石，与常规粒状吸附器相比具有极大降低的传质和耐压降性，使得已经采用在1秒数量级和低到0.4秒的PSA循环周期来达到令人满意的氧富集操作。因此，与约1分钟的常规PSA循环周期相比，吸附剂库存极大地降低，组件的尺寸比同等容量的常规PSA设备小两个数量级。结果是，可以使用异常紧凑的PSA组件，使得本发明特别适于车辆燃料电池动力装置。
第一小孔或孔口34提供从第一阀表面21通过壁20到吸附器24第一端30的流动连通。第二小孔或孔口35提供从第二阀表面23通过壁22到吸附器24第二端31的流动连通。支撑网31和33分别提供在吸附器元件24第一小孔34和第一端30之间，以及在第二小孔35和第二端32之间的流动连通。
如图3所示，定子14是包括在环形转子11以外的外圆柱形壳或第一阀定子40，和在环形转子11以内的内圆柱形壳或第二阀定子41的压力外壳。外壳40带有密封地与第一阀表面21配合的轴向延伸条密封件(如42和43)，而内壳41带有密封地与第二阀表面23配合的轴向延伸条密封件(如44和45)。优选，条密封件的方位角密封宽度大于通过第一和第二阀表面的第一和第二小孔34和35的直径或方位角宽度。
外壳中的一组第一隔间每个在角形部分向第一阀表面打开，且每个提供在它的第一阀表面角形部分和组件外部的歧管之间提供流动通道。隔间的角形部分更宽于吸附器元件的角形分隔部分。第一隔间在第一密封表面上由条密封件(如42)分隔。在图3中顺时针方向前进，在转子转动的方向上，第一原料加压隔间46通过导管47连通到第一原料加压歧管48，它保持在第一中间原料压力下。相似地，第二原料加压隔间50连通到第二原料加压歧管51，它保持在第二中间原料压力下，第二中间原料压力高于第一中间原料压力但小于更高的工作压力。
为了更大的通用性，显示的组件10提供两种原料混合物的顺序供给，相对于第二原料气体第一原料气体具有更容易吸附组分的更低浓度。第一原料隔间52连通到第一原料歧管53，它保持在基本更高的工作压力下。同样，第二原料隔间54连通到第二原料歧管55，它保持在基本更高的工作压力下。第一逆流排料隔间56连通到第一逆流排料歧管57，它保持在第一逆流排料中间压力下。第二逆流排料隔间58连通到第二逆流排料歧管59，它保持在大于更低工作压力的第二逆流排料中间压力下。重产物隔间60连通到重产物排出歧管61，它保持在基本更低的工作压力下。注意到隔间58由条密封件42和43限制，相似地所有隔间由条密封件限制和相互分离。
在内壳中的一组第二隔间每个在角形部分向第二阀表面打开，且每个提供在它的第二阀表面角形部分和组件外部的歧管之间提供流动通道。第二隔间在第二密封表面上由条密封件(如43)分隔。在图3中顺时针方向前进，再次在转子转动的方向上，轻产物隔间70连通到轻产物歧管71，且接收在基本更高工作压力下的的高产物气体，摩擦压力通过吸附器和第一及第二孔口下降较小。根据相对于隔间52和54的隔间70的角向延伸，轻产物仅可从同时接收来自隔间52的第一原料气体的吸附器，或从接收第一和第二原料气体的吸附器获得。
第一轻回流出口隔间72连通到第一轻回流出口歧管73，它保持在第一轻回流出口压力下，在此基本更高的工作压力下摩擦压降较小。第一共流排料隔间74(它实际上是第二轻回流出口隔间)，连通到第二轻回流出口歧管75，它保持在小于更高工作压力的第一共流排料压力下。第二共流排料隔间或第三轻回流出口隔间76连通到第三轻回流出口歧管77，它保持在小于第一共流排料压力的第二共流排料压力下。第三共流排料隔间或第四轻回流出口隔间78连通到第四轻回流出口歧管79，它保持在小于第二共流排料压力的第三共流排料压力下。
净化隔间80连通到第四轻回流返回隔间81，该隔间提供第四轻回流气体，该回流气体已经从第三共流排料压力膨胀到基本更低的工作压力，并允许摩擦压力下降。将轻回流加压步骤的排序与轻回流出口或共流排料步骤的排序相反，以保持轻回流气体群的所需“最后出-第一入”层化。因此第一轻回流加压隔间82连通到第三轻回流返回歧管83，它提供第三轻回流气体，该回流气体已经从第二共流排料压力膨胀到大于更低工作压力的第一轻回流加压压力。第二轻回流加压隔间84连通到第二轻回流返回歧管85，它提供第二轻回流气体，该回流气体已经从第一共流排料压力膨胀到大于第一轻回流加压压力的第二轻回流加压压力。最后，第三轻回流加压隔间86连通到第一轻回流返回歧管87，它提供第一轻回流气体，该回流气体已经从大致更高的压力膨胀到第三轻回流加压压力，第三轻回流加压压力大于第二轻回流加压压力，且在此实施例中小于第一原料加压压力。
另外的详细情况如图4所示。导管88将第一隔间60连接到歧管61，多重导管在隔间60中提供良好的轴向流动分布。相似地，导管89将第二隔间80连接到歧管81。定子14含有基部90，基部含有轴承91和92。将电机95连接到轴94上以驱动转子11。转子或者可作为环形卷筒转动，由辊子在几个角向位置沿它的边缘支撑，也可在它的边缘处驱动从而不需要轴。边缘驱动可由连接到转子上的环齿轮，或由其定子配合边缘弧形的线性电磁电机提供。特别是对于氢分离应用，转子驱动可密封地封闭在定子外壳中以消除有关密封泄漏的危险。外圆周密封件96密封外条密封件42的端部和第一阀表面21的边缘，而内圆周密封件97密封内条密封件44的端部和第二阀表面23的边缘。转子11含有在外壁20和内壁22之间的通路塞98，它提供吸附器24中吸附剂安装和去除的通路。
图5和6
图5显示典型的PSA循环，它由使用上述气体分离系统获得，而图6显示采用一部分第一产物气体的重回流再压缩以向工艺提供第二原料气体的相似PSA循环。
在图5和6中，垂直轴线150指示吸附器中的工作压力及第一和第二隔间的压力。忽略由于吸附器元件中流动产生的压力降。更高和更低的工作压力分别由虚线151和152指示。更低的工作压力可以是公称或大约的环境大气压，或可以是由真空泵送建立的低于大气压压力。更高的工作压力基于绝对压力的比例，可以典型地为更低工作压力的两倍到四倍。
图5和6的水平轴线155指示时间，PSA循环周期由点156和157之间的时间间隔确定。在时间156和157处，特定吸附器中的工作压力是压力158。从时间156开始，当吸附器的第一小孔34对第一原料加压隔间46打开时，隔问46由第一原料供应机构160在第一中间原料压力161下供给，特定吸附器(如24)的循环开始。该吸附器中的压力从时间157时的压力158升高到第一中间原料压力161。向前进行，第一小孔通过密封条，首先关闭吸附器24对隔间46的打开，然后将它对第二加压隔间50打开，隔间50由第二原料供应机构162在第二中间原料压力163下供给。吸附器压力升高到第二中间原料压力。
吸附器24的第一小孔34然后对第一原料隔间52打开，隔间52由第三原料供应机构165保持在基本更高的压力下。一旦吸附器压力已经升高到基本更高的工作压力，它的第二小孔35(它从时间156已经对所有的第二隔间关闭)对轻产物隔间70打开并输送轻产物166。
在图6的循环中，吸附器24的第一小孔34然后对第二原料隔间54打开，它由第四原料供应机构167保持在基本更高的压力下。一般情况下，第四原料供应机构提供第二原料气体，典型地比由第一，第二和第三原料供应机构提供的第一原料气体更富含更容易吸附的组分。在图6的具体循环中，第四原料供应机构167是“重回流”压缩机，将一部分重产物再压缩回装置。在图5所示的循环中，没有第四原料供应机构，且可以将隔间54去掉或与通过更宽角向弧延伸到定子上的隔间52联合。
当仍然从隔间52或54向吸附器24的第一端提供原料气体时，将吸附器24的第二端对轻产物隔间70关闭且和对第一回流出口隔间72打开，同时输送“轻回流”气体(富含更不容易吸附的组分，相似于第二产物气体)到第一轻回流压力减低机构(或膨胀器)170。然后将吸附器24的第一小孔34对所有第一隔间关闭，同时将第二小孔35对如下隔间顺序打开：(a)第二轻回流出口隔间74，降低吸附器压力到第一共流排料压力171，同时输送轻回流气体到第二轻回流压力减低机构172，(b)第三轻回流出口隔间76，降低吸附器压力到第二共流排料压力173，同时输送轻回流气体到第三轻回流压力减低机构174，和(c)第四轻回流出口隔间78，降低吸附器压力到第三共流排料压力175，同时输送轻回流气体到第四轻回流压力减低机构176。然后将第二小孔35关闭一段时间，直到在逆流排料步骤之后的轻回流返回步骤。
轻回流压力减低机构可以是机械膨胀器或用于膨胀能量回收的膨胀级，或可以是用于不可逆压力减低的限制器孔口或节流阀。
当在最终的轻回流出口步骤之后关闭第二小孔时(如图5和6所示)，或较早的当轻回流出口步骤仍然进行时，将第一小孔34对第一逆流排料隔间56打开，降低吸附器压力到第一逆流排料中间压力180，同时释放“重”气体(富含更强烈吸附的组分)到第一排出机构181。然后，将第一小孔34对第二逆流排料隔间58打开，降低吸附器压力到第一逆流排料中间压力182同时释放重气体到第二排出机构183。最终达到更低的工作压力，将第一小孔34对重产物隔间60打开，降低吸附器压力到更低的压力152同时释放重气体到第三排出机构184。一旦吸附器压力已经基本达到更低的压力同时将第一小孔34对隔间60打开，第二小孔35打开以净化隔间80，隔间80接收来自第四轻回流压力减低机构176的第四轻回流气体以将更多的重气体转移入第一产物隔间60。
在图5中，将来自第一，第二和第三排出机构的重气体作为重产物185输送。在图6中，将此气体部分释放为重产物185，同时将余量作为“重回流”187再导向到作为第四原料供应机构167的重回流压缩机。就在轻回流使得能够获得较不容易吸附(“轻”)组分在轻产物中的高纯度时，重回流使得能够获得更容易吸附(“重”)组分在重产物中的高纯度，因此可以达到较不容易吸附(“轻”)产物的高回收率。
然后在第一和第二小孔对隔间60和80关闭之后由轻回流气体再加压吸附器。连续地，当第一小孔34至少初始地保持关闭时，(a)第二小孔35对第一轻回流加压隔间82打开以升高吸附器压力到第一轻回流加压压力190，同时从第三回流压力减低机构174接收第三轻回流气体，(b)第二小孔35对第二轻回流加压隔间84打开以升高吸附器压力到第二轻回流加压压力191，同时从第二轻回流压力减低机构172接收第二轻回流气体，和(c)第二小孔35对第三轻回流加压隔间86打开以升高吸附器压力到第三轻回流加压压力192，同时从第一轻回流压力减低机构170接收第一轻回流气体。除非原料加压已经开始同时用于轻回流加压的轻回流返回仍然进行，第三轻回流加压步骤一旦已经结束，工艺就在时间157之后(如基于图5和6)开始循环的原料加压。
如果在第一和第二阀门中没有节流，每个吸附器中的压力变化波形会为矩形阶梯。需要这样的节流以使压力和流动瞬变过程平顺。为提供平衡的性能，优选所有的吸附器元件和小孔彼此接近相同。
在每个加压或排料步骤中的压力变化速率会由第一和第二阀机构中口(或在间隙或曲径密封缝隙中)的节流限制，或由在吸附器第一和第二端的小孔中的节流限制，导致如图5和6所示的典型压力波形。或者，小孔可以由密封条缓慢地打开，以在小孔和密封条之间提供流动限制节流，它可使锥形间隙槽变窄使得小孔仅逐渐地打开至完全流动。过快的压力变化速率会使吸附器承受机械应力，同时也引起倾向于增加吸附器中浓缩波前轴向分散的流动瞬时过程。通过含有多个同时进行循环每个步骤的吸附器，和通过在功能隔间或相关歧管中提供足够的体积而最小化流动和压力的脉动，使得它们可有效地作为压缩机和第一及第二阀机构之间的波动吸附器。
显然的是可以在许多变型中通过在原料加压，逆流排料排气，或轻回流的每个主要步骤中含有更多或更少的中间阶段而形成循环。如需要，可以从第一和第二阀两者同时进行在中间压力下的连接原料和产物加压步骤(或连接共流和逆流排料步骤)。在该原料加压开始时的压力，可以不同于在该逆流排料开始时的压力。此外，在空气分离或空气精制应用中，可以由作为循环中间压力的与大气压相等的压力进行原料加压的阶段(典型地第一阶段)。相似地，可以由作为循环中间压力的与大气压相等的压力进行逆流排料的阶段。
图7
图7是使用氮选择性沸石吸附剂从空气分离氧气的PSA系统的简化示意图。轻产物是浓缩氧，而重产物是通常作为废料放空的氮富集空气。尽管如图8所示可以使用真空压力152，循环更低压力152显示为标准大气压。通过过滤器入口200将原料空气引入原料压缩机201。原料压缩机包括压缩机第一级202，中间冷却器203，压缩机第二级204，第二中间冷却器205，压缩机第三级206，第三中间冷却器207，和压缩机第四级208。所述的原料压缩机201可以是采用电机209作为由轴210连接的原动力的四级轴向压缩机。中间冷却器是可选择的。参考图5，原料压缩机第一和第二级是第一原料供应机构160，在第一中间原料压力161下通过导管212和水冷凝液分离器213向第一原料加压歧管48输送原料气体。原料压缩机第三级206是第二原料供应机构162，在第二中间原料压力163下通过导管214和水冷凝液分离器215向第二原料加压歧管51输送原料气体。原料压缩机第四级208是第三原料供应机构165，在更高压力151下通过导管216和水冷凝液分离器217向原料歧管53输送原料气体。将轻产物氧气流通过导管218从轻产物歧管71输送，保持在基本更高压力较小的摩擦压力下降下。
图7的PSA系统包括由轴222连接到原料压缩机201上的能量回收膨胀器，包括轻回流膨胀器(在此包括四级)和逆流排料膨胀器221(在此包括两级)。膨胀器级可以例如提供为径向流入涡轮机级，作为含有分离轮的全进入轴向涡轮机级，或作为在单一轮中并入的部分进入脉动涡轮机级。
来自轻回流出口歧管73的轻回流气体在更高的压力下通过导管224和加热器225流动到轻压力减低机构170，机构170在此是第一轻回流膨胀器级226，然后在第三轻回流加压压力192下通过导管227流动到第一轻回流返回歧管87。来自第二轻回流出口歧管75的轻回流气体在第一共流排料压力171下通过导管228和加热器225流动到第二轻回流压力减低机构172，在此是第二膨胀器级230，然后在第二轻回流加压压力191下通过导管231流动到第二轻回流返回歧管85。来自第三轻回流出口歧管77的轻回流气体在第二共流排料压力173下通过导管232和加热器225流动到第三轻回流压力加压压力190，通过导管235流动到第三轻回流返回歧管83。最终，来自第四轻回流出口歧管79的轻回流气体在第三共流排料压力175下通过导管236和加热器225流动到第四轻回流压力减低机构176，在此是第四轻回流膨胀器级238，然后在基本更低的压力152下通过导管239流动到第四轻回流歧管81。
来自第一逆流排料歧管57的重逆流排料气体在第一逆流排料中间压力180下通过导管240流动到加热器241，然后流动到作为第一排出机构181的逆流排料膨胀器221的第一级242，及在基本更低压力152下从膨胀器中排放到排气歧管243中。来自第二逆流排料歧管59的逆流排料气体在第二逆流排料中间压力182下通过导管244流动到加热器241，然后流动到作为第二排出机构183的逆流排料膨胀器221的第二级245，和在基本更低压力152下从膨胀器中排放到排气歧管243中。最终，来自重产物排气歧管61的重气体通过作为第三排气机构184的导管246流动到排气歧管243，输送要在基本更低压力152下放空的重产物气体185。
可选择的加热器225和241升高进入膨胀器220和221的气体温度，因此增加膨胀能量的回收率和增加由轴222从膨胀器220和221传递到原料压缩机201的动力，和降低从原动力209要求的动力。尽管加热器225和241是用于向膨胀器提供热量的机构，中间冷却器203，205和207是用于从原料压缩机除去热量和用于降低更高压缩机级的要求动力的机构。中间冷却器203，205和207是可选择的特征。
如果轻回流加热器249在足够高的温度下操作使得轻回流膨胀阶段的出口温度高于将原料气体通过导管212，214和216输送到原料歧管的温度，吸附器24第二端35的温度可能高于它们第一端34的温度。因此，吸附器沿流动通道具有热梯度，在它们的第二端相对于第一端有更高温度。这是如下原理的延伸：由Keefer在U.S.专利No.4,702,903中引入的“热偶合压力回转吸附”。吸附器转子11然后作为热旋转再生器，如在含有压缩机201和膨胀器220的再生气体涡轮发动机中那样。由加热器225提供到PSA工艺的热量协助向根据再生热力学动力循环的工艺供能，相似于在压缩侧采用中间冷却和在膨胀侧采用中间阶段加热来大致实现Ericsson热力学循环的先进再生气体涡轮发动机。在应用到从空气分离氧的PSA的情况下，由于氮气的大量吸收，总的轻回流更少于原料流。因此可从膨胀器回收的动力极小于压缩机要求的动力，但仍然显著有益于提高氧生产的效率。
如果高能量效率不是最高重要的，轻回流膨胀器级和逆流排料膨胀器级可以由用于压力减低的限制器孔口或节流阀代替。图7概要显示支撑压缩机级，逆流排料或排气膨胀器级，和轻回流级，以及联结压缩机到原动力上的单轴。然而，应当理解对于在本发明范围内的不同压缩和膨胀阶段，可以使用单独的轴和甚至单独的原动力。
图8
图8显示真空PSA系统，也含有如可用于在燃料电池装置的氢精制中达到高回收率的重产物回流。可以在某些静止应用中从化学工艺或石油精炼废气提供原氢气。然而，在大多数燃料电池应用中，原氢气原料会由烃或含碳燃料的加工，如通过天然气或甲醇的蒸汽重整，或通过液体燃料的自热重整或部分氧化提供。这样的氢气原料气体典型地包含30％-75％氢。使用典型的吸附剂如沸石，二氧化碳，一氧化碳，氮气，氨，和硫化氢或其它痕量杂质，将比氢气更容易吸附，这样精制氢会是在更高工作压力下输送的轻产物，该工作压力仅可略微地小于原料供应压力，同时杂质会浓缩为重产物且将从PSA工艺作为“PSA尾气”在更低的工作压力下排出。此尾气会用作用于产生氢的燃料加工反应的燃料气，或用于燃气轮机以向用于燃料电池动力装置的PSA压缩机械提供动力。
图8的PSA系统含有用于在基本更高压力下将原料气体引入第一原料歧管53的进料导管300。在此实施例中，采用轻回流气体达到除最终加压步骤以外的所有步骤，最终原料加压步骤通过歧管55达到。
PSA系统包括由原动力209通过轴210驱动，和可选择地由轻回流膨胀器通过轴309驱动的多级泵301。真空泵301包括第一级302，它通过导管246从第一产物排气歧管61抽出重气体，和压缩此气体通过中间冷却器303到达第二级304。真空泵第二级304从第二逆流排料歧管59通过导管244抽出重气体，且通过中间冷却器305输送此气体到达第三级306，第三级306也从第一逆流排料歧管57通过导管240抽出重气体。对于要输送用作重产物输送导管307中的燃料气体的一部分重气体(重产物气体或PSA尾气)，真空泵级306压缩重气体到足够大于环境压力的压力。剩余的重气体从真空泵310前进到重回流压缩机308，它达到PSA循环的基本更高压力。
将压缩的重气体从压缩机第四级308通过导管310输送到冷凝液分离器311。如需要(如用于在图13实施方案中的膨胀涡轮机中的燃烧)，可以通过压缩机308压缩整个重产物流，使得可以在最高的工作压力下由替代的重产物输送导管312输送重产物燃料气体，该导管312在外部基本保持在更高压力较小的摩擦压降下。将冷凝的蒸气(如水)通过导管313在基本和导管312中重产物相同的压力下除去。剩余的重气体流，在第一产物的脱除之后，通过导管314流动到第二原料歧管55，作为在每个吸附器原料步骤之后对吸附器的重回流。重回流气体是第二原料气体，具有比第一原料气体更容易吸附组分或馏分的更高浓度。
图9和10
现在转到图9和10，使用相似于图7所示的旋转PSA系统，作为基本构造块，显示根据本发明第一实施方案的基于燃料电池的电流发生系统。然而，应当理解本发明并不限于含有旋转PSA组件的电流发生系统。可以采用其它布置而不背离本发明的范围。
在图9中，使用如先前所述的氮选择性沸石吸附剂，PSA系统从空气分离氧气。轻产物是浓缩氧气，而重产物是通常作为废料放空的富含氮的空气。除非如在图8中提供可选择的真空泵，循环更低压力152是标准大气压。将原料空气通过过滤器入口200引入原料压缩机201中。原料压缩机包括压缩机第一级202，压缩机第二级204，压缩机第三级206，和压缩机第四级208。所述的压缩机可以是采用电机209作为由轴210联结的原动力的四级轴向压缩机。压缩机级可以如所示为串联，或者为并联。在压缩机级之间的中间冷却器是可选的。原料压缩机第一和第二级在第一中间原料压力161下通过导管212和水冷凝液分离器213输送原料气体到达第一原料加压歧管48。原料压缩机第三级206在第二中间原料压力163下通过导管214和水冷凝液分离器215输送原料气体到达第二原料加压歧管51。原料压缩机第四级208在更高压力151下通过导管216和水冷凝液分离器217输送原料气体到达原料歧管53。从轻产物歧管71通过保持在基本更高压力较小摩擦压降下的导管218输送轻产物氧气流。
图9的装置包括能量回收膨胀器，包括轻回流膨胀器220(在此包括四级)和逆流排料膨胀器221(在此包括两级)。通过轴222将膨胀器221联结到原料压缩机201上。膨胀器级可以例如提供为径向流入涡轮机级，作为含有分离轮的全进入轴向涡轮机级，或作为在单一轮中并入的部分进入涡轮机级。如果高能量效率不是最高重要的，轻回流膨胀器阶段和/或逆流排料膨胀器阶段可以由用于压力减低的限制器孔口或节流阀代替。
来自轻回流出口歧管73的轻回流气体在更高压力下通过导管224和加热器225流动到第一轻回流膨胀器级226，然后在第三轻回流加压压力192下通过导管227流动到第一轻回流返回歧管87。来自第二轻回流出口歧管75的轻回流气体在第一共流排料压力171下通过导管228和加热器225流动到第二膨胀器级230，然后在第二轻回流加压压力191下通过导管231流动到第二轻回流返回歧管85。来自第三轻回流出口歧管77的轻回流气体在第二共流排料压力173下通过导管232和加热器225流动到第三膨胀器级234，然后在第一轻回流加压压力190下通过导管235流动到第三轻回流返回歧管83。最后，来自第四轻回流出口歧管79的轻回流气体在第三共流排料压力175下通过导管236和加热器225流动到第四轻回流膨胀器级238，然后在基本更低的压力152下通过导管239流动到第四轻回流返回歧管81。
来自第一逆流排料歧管57的重逆流排料气体在第一逆流排料中间压力180下通过导管240流动到加热器241，然后流动到逆流排料膨胀器221的第一级242，且在基本更低压力152下从膨胀器排放到排气歧管243。
可选择的加热器225和241升高进入膨胀器220和221的气体温度，因此增加膨胀能量的回收率和增加由轴222从膨胀器220和221传递到原料压缩机201的动力，且降低从原动力209要求的动力。
在应用到从空气分离氧的PSA的情况下，由于氮气的大量吸收，总的轻回流极少于原料流。因此可从膨胀器回收的动力极小于由压缩机要求的动力，但仍然显著有益于提高氧生产的效率。通过在适度升高温度(如40℃-60℃)下操作吸附器和使用强氮气选择性吸附剂如Ca-X、Li-X或锂菱沸石沸石，PSA氧产生系统可采用有利的性能和效率而操作。可在更高温度，甚至超过100℃下使用钙或锶交换的菱沸石，反映这些吸附剂对于氮气的特别能力，它们的氮吸收状态在更低温度下在近于令人满意的操作环境中接近于饱和。尽管吸附剂的更高温度会降低氮气吸收和对于每种沸石吸附剂的选择性，等温线会更为线性而湿度排斥会更容易。采用吸附剂如Ca-X和Li-X操作，最近的常规实践已经在低于大气压的更低压力下在所谓的“真空回转吸附”(VSA)中操作环境温度PSA，使得高选择性吸附剂在远低于氮气吸收中的饱和下操作，和在相对线性的等温线范围中具有较大的工作能力。在更高温度下，将在氮气吸收中的饱和转换到更升高的温度下，使得也向上转移最优的PSA循环更高和更低压力。
将富集的氧产物气体通过导管218，非返回阀250，和导管251输送到氧产物压缩机252的入口，压缩机252提高由导管253输送的产物氧的压力。压缩机252可以是单级离心压缩机，直接通过轴254由轻回流膨胀器220或者由电机驱动。轻回流膨胀器220可以是压缩机252的单一动力源，在该情况下膨胀器220和压缩机252一起构成自由转子涡轮增压机。由于在膨胀器220和压缩机252两者中的工作流体是富集氧，自由转子涡轮增压机实施方案具有不要求对外部电机轴密封的重要安全特征。优选，从轻回流膨胀回收的能量用于升高轻产物，在此是氧的输送压力。
将压缩的富集氧输送到燃料电池260，通过导管253输送到燃料电池阴极槽262的阴极入口261。燃料电池260可以是聚合物电解质膜(PEM)类型，电解质265分离阴极槽262和阳极槽266。通过氢进料导管268将氢燃料提供到阳极槽266的阳极入口267。
当氧馏分与穿过膜的氢离子反应以产生电能和反应以形成副产物水时，富集氧通过阴极槽262到达阴极出口270。相对于大约21％的环境空气浓度，在导管280中从阴极出口270(在本优选的实施方案中)离开阴极槽的阴极出口气体仍然显著地富含氧。将此气体的少部分从导管280通过清除阀285和清除排气口286清除为阴极清除气体，而阴极出口气体的余量保留为阴极再循环气体。将阴极再循环气体通过导管281输送到水冷凝液分离器282，在该处将过量液体水从阴极出口气体中除去，阴极出口气体在水汽中保持饱和。然后将潮湿的阴极再循环气体与通过连接到导管251的导管283来自PSA系统的进入富集氧共混。
导管251，253，280，281和283因此与阴极槽262，压缩机252和水冷凝液分离器282形成阴极回路。在膨胀器220中的膨胀之前，通过从燃料电池阴极回路除去废热以加热轻回流气体，换热器225可冷却要被压缩机252压缩的富含氧气体。由清除阀285清除足够的阴极出口气体以避免氩气和氮气杂质在阴极回路中的过量积累。在可用的实施例中，导管218中的产物氧浓度可以为90％氧气，与相等量的氩气和氮气杂质。采用小的清除流，在阴极入口261和阴极出口270的氧浓度可以分别为60％和50％。
如上所讨论的那样，采用大气空气作为氧化剂操作的PEM燃料电池可典型地要求空气压缩到至少3个大气压以在阴极上达到足够高的氧分压用于燃料电池叠架上的竞争性电池密度。在阴极入口的氧浓度会为21％，在阴极出口典型地仅为约10％氧。本发明可在燃料电池阴极槽上达到更高的平均氧浓度，如相比于大约15％的50％。因此，可以降低操作压力到约1.5大气压而仍然保持在阴极上氧分压的基本增强。采用阴极上的更高氧分压，可以增强燃料电池叠架能量密度和效率，如在汽车动力装置应用中特别重要的那样。由本发明装置(使用高性能吸附剂如Li-X)要求的机械压缩动力会小于在3个大气压空气供应压力下操作的PEM燃料电池系统的空气压缩机要求的动力，进一步增强总体动力装置效率。
此实施例装置的重要益处在于通过与更大的饱和阴极再循环气体流共混而使进入阴极入口261的氧富集气体潮湿。另一个益处在于从PSA单元的能量回收可以应用于提高压力和驱动阴极回路中的循环，同时燃料电池废热可以应用于换热器225和241以增强PSA单元中的膨胀能量回收。还有另一个益处在于容易达到用于保证从PEM燃料电池令人满意的水脱除的合适阴极槽循环流动速度。
尽管阴极气体的再循环具有如上讨论的益处，应理解本发明也可以没有任何这样的再循环特征而实施，因此来自阴极出口270的阴极气体可以排放到大气中或除去作为另一个用途，如协助燃料处理器中的燃烧。
另一个变型是操作氧气PSA单元以输送在相对高浓度下的氧气(如，为60-95％，或更优选70％-90％的氧浓度)，同时将来自导管216的一部分压缩空气原料经旁路通过PSA组件以直接与导管70，导管283或导管253中的产物氧共混。在此方案中，共混的旁路空气和PSA氧产物(加上来自阴极出口270的任何再循环阴极气体)的混合氧浓度可为，如30％-50％，因此提供了在燃料电池阴极上部分氧富集的基本益处，同时降低PSA单元的尺寸和动力消耗。
转向图10，显示基于氧分离PSA的燃料电池系统，相似于图9中的燃料电池系统，但含有驱动自由转子排气真空泵的逆流排料膨胀器。因此，在图9中虚线290表示含有流量控制阀291的可选择原料空气旁路导管290，与阴极再循环回路中的压缩空气原料导管216和导管283之间连通。在图10的实施方案中，已经去掉将逆流排料膨胀器221联结到原料压缩机201的轴222。作为替代，使用真空泵301以抑制低大气压力的循环低压，从重产物排气隔间61通过导管246和可选择的加热器302抽取氮富集废气。泵301由逆流排料膨胀器304提供动力，该膨胀器膨胀通过导管240和可选择的加热器241来自第一逆流排料歧管57的逆流排料气体。真空泵301和膨胀器304由轴305联结，并一起构成自由转子真空泵组合体306。这样的自由转子真空泵提供效率和资金成本的有吸引力优点。或者，电机可以联结到轴305的延伸部分。
来自第二逆流排料歧管59的逆流排料气体在一定的压力下离开该歧管，根据与导管244相关的节流限量该压力为大气压或略微大于大气压。
图11
图11显示基于燃料电池的电流发生系统，相似于图9的电流发生系统，但没有轻回流能量回收，而采用一部分从燃料电池阴极排放的用于加压步骤的氧富集气体。不可逆地通过可调节孔口350，351，352和353达到轻回流压力减低的说明性四个阶段，它们分别连接导管224和227，228和231，232和235，及236和239。孔口350，351，352和353由促动器355通过联杆354促动。当燃料电池动力装置在部分负荷下操作时，需要孔口的调节以能够达到PSA装置的调低以在降低的循环频率和降低的流量下操作。
燃料电池含有由如下设备确定的阴极再循环回路(在回路流动方向上)：水冷凝液分离器360，输送富集氧到阴极槽入口261的导管361，阴极槽262，从阴极槽出口270向阴极再循环导管365输送阴极排气的导管362，其中阴极再循环导管365包括阴极再循环风机363以加压阴极再循环气体用于允许进入冷凝液分离器360。分离器360从阴极再循环回路除去燃料电池水排气冷凝液，同时也使从PSA系统导管从导管218进入的干燥浓缩氧变潮湿。
从导管362通过导管371，即阴极再循环导管365的支路除去一部分阴极排气。将此部分阴极排气再循环到PSA(或者真空PSA)装置的原料端，和通过导管317输送到水冷凝液分离器373，然后输送到连通到第一阀面21的第一加压歧管48。可以在导管371中提供节流阀373以对第一加压歧管48提供来自在阴极出口270的压力所要求的压力减低。
再循环一部分阴极排气到PSA单元原料具有几个优点，包括(1)降低要压缩的原料气体体积，(2)消除从阴极回路清除任何阴极排气的需要，和(3)通过使用此气体从燃料电池阴极回路回收一些废能量以帮助从原料端加压燃料电池。必须允许此氧富集气体到达PSA单元的原料端，这是由于它被水汽饱和。如果被允许到达在产物端的第二阀面，水汽会使吸附剂失活。通过在低压步骤之后和在采用原料空气的任何直接加压之前，通过将它引入到床的原料端，就建立了有利的浓度情况，这是由于在氧气中比原料空气中更富含此气体，但也比产物氧富集气体包含更大的杂质负荷。
由于氩气与氧气一起由PSA单元浓缩，在此实施方案中氩气会在阴极回路和在PSA富集氧产物两者中浓缩。如果不提供阴极清除，氩气仅可以通过PSA单元的排气离开系统。由于当通常空气用作对第一阀面加压的唯一原料时，PSA单元典型地达到氧气和氩气的约60％回收率，约40％的随原料气体进入的氩气可以在每个循环中排出。采用初始原料加压步骤引入的再循环氩气的部分消除会更低，这是由于在引入主原料之后将再循环氩气推入吸附器中更深。因此，来自阴极回路的少量清除可以是需要的。也可以将循环到PSA单元原料的阴极排气与在与阴极槽出口270相同或更低压力下引入的原料空气直接共混。
图12
图12显示根据本发明第二实施方案的基于燃料电池的电流发生系统400，包括燃料电池402，氧产生PSA系统404，和氢气产生系统406。燃料电池包括：包括阳极气体入口410和阳极气体出口412的阳极槽408，包括阴极气体入口416和阴极气体出口418的阴极槽414，和与阳极槽408和阴极槽414连通用于进行阳极槽408和阴极槽414之间离子交换的PEM420。
氧气PSA系统404从原料空气提取氧气，且包括旋转组件10，和用于输送加压原料空气到旋转组件10原料隔间424的压缩机422。优选，氧气PSA系统包括连接到压缩机422上用于从旋转组件10排料隔间428提取作为重产物气体的氮富集气体的真空泵426(或者逆流排料膨胀器)。氧气PSA系统404也包括连接到阴极气体入口416上用于输送氧富集气体到阴极槽414的轻产物气体功能隔间430。可以如在图9-11的实施方案中提供阴极再循环。
氢气产生系统406包括氢产生PSA系统432，和连接到氢气PSA系统432上用于提供第一氢气原料到氢PS系统432的燃料处理器反应器434。氢气PSA系统432包括：包括用于从反应器434接收第一氢气原料的第一原料气体隔间436的旋转组件10，用于从阳极气体出口412接收氢气原料的加压隔间438，用于输送氢气到阳极气体入口410的轻产物隔间440，和用于输送作为重产物气体的尾气到反应器434的排料隔间441。优选氢气PSA系统432包括在排料隔间441和反应器434之间设置的用于从排料隔间441提取尾气的真空泵442(或者逆流排料膨胀器)。
根据从阳极气体出口412再循环的氢气的纯度水平，加压隔间438可与旋转组件的第一或第二阀门配合，如果此气流的纯度相对较高后者是优选的。氢气PSA系统432也可包括输送重回流气体到第二原料气体隔间444以促进氢气部分回收率的重回流压缩机443。氢气产生系统406的生热燃料气体要求会确定氢气的精确回收率。
反应器434包括具有燃烧器446和催化剂管(未示出)的蒸汽重整器445，和水气体转换反应器448。燃烧器446包括用于从排料隔间442接收尾气的第一燃烧器入口450，和用于从阴极槽414接收空气或潮湿氧富集气体的第二燃烧器入口452。在一定的原料压力下，通过燃料入口454向蒸汽重整器444提供烃燃料，如甲烷气体、加上水，该原料压力是燃料电池的工作压力加上通过系统406的允许压降。将燃料预热和由换热器455产生蒸汽，换热器455回收来自燃烧器446烟道气的热。然后将甲烷燃料气体和蒸汽混合物通过催化剂管，同时在燃烧器446中燃烧尾气和氧富集气体以将甲烷燃料气体混合物的温度升高到进行甲烷燃料气体混合物吸热蒸汽重整反应必须的温度(典型地800℃)：
CH4+H2O-CO+3H2
CH4+2H2O-CO2+4H2
将获得的合成气(大约70％H2，以及作为主要杂质的等量CO和CO2，和作为少量杂质的未反应CH4和N2)冷却到约250℃，和然后送到水气体转换反应器448用于将大多数CO与蒸汽反应以生产更多的H2和CO2：
CO+H2O-CO2+H2
然后将获得的气体反应物输送到氢气PSA系统432的第一原料隔间436用于氢气精制，将重产物尾气返回到蒸汽重整器434以形成排料隔间442用于在燃烧器446中的燃烧。
在一个变型中，反应器434包括部分氧化反应器，不将甲烷气体混合物蒸汽重整，而将甲烷气体混合物在部分氧化反应器中与从阴极槽414，通过可选择的导管456接收的一部分潮湿氧富集气体反应，用于甲烷气体的部分氧化：
CH4+1/2O2-CO+2H2
将获得的合成气再次冷却到约250℃，然后送到水气体转换反应器448用于将大多数CO与蒸汽反应以生产更多的H2和CO2：
CO+H2O-CO2+H2
然后将获得的气体反应物输送到氢气PSA系统432的第一原料隔间436用于氢气精制，将重产物尾气从氢气PSA系统432清除。
在另一个变型中，反应器434包括自热重整器和水气体转换反应器448，不是将甲烷气体混合物吸热蒸汽重整或放热部分氧化，而是通过那些反应的热平衡组合，随后通过在水气体转换反应器448中的反应，在自热重整器中反应甲烷气体混合物。由于甚至在非常高的重回流的限制中，氢气PSA重产物尾气总是会具有一些燃料价值，会提供燃烧器446用于有效预热空气和或燃料原料到任何自热反应器。除非燃料加工反应包括吸热重整元件作为尾气燃料燃烧的能量有效转换器，如果净燃料加工反应是非常吸热的，如在简单的部分氧化的情况下，应当提供另一种经济用途(如在图13的实施方案中)。
由于氮气从那些气体流的消耗，氧富集自热或部分氧化燃料处理器有利地降低了进入反应腔的反应物的加热负荷，也降低了输送到氢气PSA单元和燃料电池阳极的氢富集产物气体的冷却负荷。本发明的另一优点是除一氧化碳和硫化氢以外，氢气PSA单元除去氨的能力，该污染物对于PEM燃料电池性能和耐用期限是非常有害的。可以在燃料处理器中形成氨，在该燃料处理器中在任何大气氮存在下将烃催化重整为氢气。通过氮气的前端脱除，氧气PSA减少了此问题，而氢气PSA除去任何残余痕量的氨。
图13
显然的是电流发生系统的缺陷涉及采用一部分由燃料电池产生的电能驱动压缩机422和真空泵426，444的必要性。图13显示基于燃料电池的电流发生系统500，它解决此缺陷。
电流发生系统500基本相似于电流发生系统400，包括燃料电池402，氧产生PSA系统504，和氢气产生系统506。氧气PSA系统504从原料空气提取氧气，并包括旋转组件10，用于输送加压原料空气到旋转组件10的原料隔间524的压缩机522，连接到压缩机522上的燃烧膨胀器523，连接到压缩机522上的启动器电机(未示出)，和连接到阴极气体入口416上用于输送氧富集气体到阴极槽414的轻产物气体功能隔间530。氧气PSA系统504也可含有与真空泵和/或膨胀器配合的逆流排料或重产物排气隔间531，如在先前实施方案中所示。
氢气产生系统506包括氢产生PSA系统532，和连接到氢气PSA系统上用于提供第一氢气原料到氢气PSA系统532的反应器534。氢气PSA系统532包括：包括如下装置的旋转组件10：用于从蒸汽重整器534接收第一氢气原料的第一原料气体隔间536，用于从阳极气体出口412接收第二氢气原料的加压隔间538(与第一或第二阀连通)，用于输送氢气到阳极气体入口410的轻产物隔间540，和用于输送作为重产物燃料气体的尾气到反应器534的排料隔间541。如在先前的实施方案中那样，排料隔间541可与排气真空泵和/或膨胀器(未示出)配合用于从排料隔间541提取尾气。
反应器534包括自热重整器544，燃烧器546，和水气体转换反应器548。燃烧器546包括加热器管549，用于从排料隔间542接收尾气的第一燃烧器入口550，和用于从压缩机522第二级接收压缩空气的第二燃烧器入口552。如从图13是显然的那样，压缩机522第二级压缩不输送到氧产生PSA系统504的一部分原料空气。
膨胀器523和压缩机522一起包括燃气轮机，并膨胀从燃烧器546发出的燃烧产物气体以增加到原料隔间524的原料空气的压力。如理解的那样，氢气PSA尾气的燃烧热能用于驱动燃料电池辅助气体精制和压缩机械。如图13所示，另外的原料气体压缩能量可从水气体转换反应器548的反应放热通过预热交换器555获得。
通过燃料入口554向自热重整器544提供烃燃料气体，如甲烷气体和，在所示实施例中，将该气体与在压力下从阴极槽414通过增压风机556接收的氧富集气体反应。如果从阴极出口输送的氧富集气体可以有利地用于燃料加工(以降低氮气负荷和增强燃烧)，可以不使用阴极再循环，或至少可以减少阴极再循环。然后将获得的合成气冷却，然后送到水气体转换反应器548用于将大多数CO与蒸汽反应以生产更多的H2和CO2。然后将获得的气体反应物输送到氢气PSA系统532的第一原料隔间536用于氢气精制。
在一些实施方案中，将至少一部分阴极排气(相对于环境空气它仍然富含氧气，且带有燃料电池排出水和燃料电池废热)返回自热或部分氧化燃料处理器(或重整器)的入口，用于将烃燃料与氧气和蒸汽反应以产生原氢气或合成气。氧气自热地与一部分燃料反应以生产一氧化碳和加热剩余燃料与蒸汽的进一步反应以产生氢气。过量的蒸汽有助于防止在重整器或燃料处理器中的任何焦化，和因此在更低温度下与一氧化碳在水气体转换反应器中反应以产生与废二氧化碳混合的更多氢气。然后可通过根据本发明的氢气PSA单元除去残余的一氧化碳，二氧化碳和任何其它杂质。
仍然富集氧的气体从燃料电池阴极向燃料处理器入口的输送(1)降低了与作为氧化剂的大气空气一起输送的氮气的惰性负荷，(2)增强燃料电池阴极槽中的循环速度用于有效的水脱除，(3)直接根据燃料加工的水需要，从燃料处理器的阴极直接回收排出水，(4)大量地以蒸汽形式输送水以避免昂贵的冷凝和再蒸发步骤，(5)输送一些燃料电池废热到燃料处理器入口，和(6)通过所需的热整合增强总体系统效率。
图14
实施方案600说明本发明的另一方面。对于碱性燃料电池，决定性的问题是CO2从原料氧化剂和氢气流两者的脱除。由于CO2比其它经常气体杂质更为强烈地吸附，上述本发明的氧气PSA和氢气PSA系统非常有效地除去CO2。尽管除在高电流密度下通常没有证明，氧气富集对于所有类型的燃料电池在增加电压效率中是有益的。碱性燃料电池可使用低尺寸的氧气PSA与适度氧富集一起用于非常有效的二氧化碳脱除，或可以使用相同的PSA设备采用缺乏氮气/氧气选择性的吸附剂(如活性炭，或高二氧化硅沸石)，用于二氧化碳清理而没有氧气富集。本发明的旋转PSA组件和压缩机械完全适于此作用。
对环境空气原料操作的碱性燃料电池典型地在接近大气压，在约70℃下操作。在这样的条件下，氮富集空气的水汽饱和阴极排气流用于除去燃料电池产物水，同时保持电解质水平衡。碱性燃料电池在更高温度下的操作对于高效率和更少的昂贵电催化剂材料可能是所需的，或对于使用燃料电池废热以蒸发反应物和甚至驱动吸热反应的对甲醇重整器的热整合可能是所需的。但采用增加叠架排气温度，采用环境空气组合物的操作可快速地变成不能实施的。在更高的温度下，除非不经济地升高总压力或包括用于水回收的冷凝器，氮富集阴极排气简单地将大多的水汽携带出系统。
采用氧富集，可以调节阴极排气的体积以达到对于任何碱性燃料电池的水平衡。合理的低叠架工作压力变得可实施的，如对于120℃阴极出口温度的约3个大气压。如果进行氧富集到氧气PSA的全部能力，如接近95％氧气纯度，阴极排气流变成含有适度浓度永久气体的干燥流。此流产物可用于不同的应用，包括用于产生氢气的烃原料的燃料加工。
实施方案600显示如图12所示的氧气PSA(也进行CO2脱除)。在此实施例中简化系统的氢气侧以仅显示纯氢气的阳极气体入口。将在大于90％纯度下的氧气提供到阴极气体入口416，同进将浓缩水汽从阴极气体出口418输送和直接输送到蒸汽膨胀器610。膨胀器610排放到真空冷凝器612，从冷凝器612中由泵614除去液体冷凝液，同时通过导管由氧气PSA的真空泵426抽出永久气体顶部排出物。膨胀器610可协助电机616以驱动氧气PSA的压缩机械，因此改进燃料动力装置的总体效率大约2-3％。
本发明的最终方面(用于任何类型的燃料电池)是用于PSA单元，且特别是用于图14所示氧气PSA的轻产物气体积累器的选择性设置。氧产物积累器660包括在PSA工艺基本较高压力下或可选择地在由小积累器加料压缩机663产生的升高压力下，从轻产物隔间430通过非返回阀门662加料的氧气贮存容器661。在非返回阀门667的任一侧提供峰化氧气输送阀665和反冲阀666，以能够从贮存容器输送氧气分别向前到达燃料电池阴极入口或向后到达氧气PSA单元。
在正常操作期间，特别是当氧气PSA达到最高氧气纯度时在备用或空载间隔期间向氧气贮存容器加料。可选择的加料压缩机可以当装置空载时操作，或(在汽车应用中)作为再生制动的能量负荷应用。在峰值动力需求时间间隔期间打开峰化氧气输送阀665，以当最需要时增加向阴极的浓缩氧气的供应。如果氧气积累器足够大，氧气PSA压缩机422和真空泵426可以在峰值动力需求的简短间隔期间空载，以释放正常由内部附件消耗的动力以满足外部需求。然后，可以降低燃料电池叠架的尺寸(在要求满足临时规定的峰值动力水平的动力装置中)用于重要的成本节省。
当切断燃料电池动力装置时，首先停止氧气PSA压缩机422以降低所有吸附器初始排料的内部压力。然后，打开反冲阀666以在较短时间间隔内释放氧气的净化物流以从吸附器置换吸附的氮气和一些吸附的水汽。然后让吸附器由干燥氧气在大气压下预加料，因此使得能够达到用于下次装置启动的氧气PSA的快速响应。
图15-21
图15显示配置用于轴向流动和特别适于更小规模氧气产生和氢气精制的旋转PSA组件701。组件701包括在吸附器壳体704中数目“N”个吸附器703。每个吸附器含有第一端705和第二端706，以及在其间接触氮气选择性吸附剂的流动通道。在沿吸附器壳体轴线707轴对称的排列有吸附器。壳体704与第一和第二功能体708和709一起绕轴线707作相对旋转运动；经过第一阀面710与第一功能体708配合，向第一功能体提供原料空气和从第一功能体将氮富集空气抽出作为重产物；和经过第二阀面711与第二功能体709配合，从第二功能体将氧富集空气抽出作为轻产物。
在特别如图15-21所示的优选实施方案中，吸附器壳体704旋转且此后被称为吸附器转子704，而第一和第二功能体是静止的并一起构成组件的定子组合体721。第一功能体此后被称为第一阀定子708，第二功能体此后被称为第二阀定子709。
在图15-21所示的实施方案中，通过吸附器的流动通道与轴线707平行，使得流动方向是轴向的，同时第一和第二阀面显示为与轴线707垂直的平环形盘。然而，更一般情况下吸附器中的流动方向可是轴向或径向，第一和第二阀面可以是以轴线707为中心的任何旋转图形。不管吸附器中的径向或轴向流动方向，要确定的工艺步骤和功能隔间处于相同的角向关系。
图15-21是组件701在由箭头712-713，714-715，和716-717确定的平面中的横截面。在每个截面中的箭头720显示转子704的旋转方向。
图16显示经过图15的截面712-713，它经过吸附器转子。在此“N”＝72。吸附器703安装在吸附器转子704的外壁721和内壁722之间。每个吸附器包括吸附剂片723的矩形平包703，片之间的隔片724确定在轴向上的流动槽。在吸附器之间提供分离器725以填充空隙空间和防止吸附器之间的泄漏。而可以通过形成吸附剂片和在构成每个吸附剂的梯形包或螺旋卷中插入隔片而提供吸附件组件的其它优选配置。
或者整个吸附器转子可以形成为一个吸附剂片或多个吸附剂片的螺旋卷，形成的螺旋卷与轴线707和与螺旋卷起的吸附剂片的相邻层之间的隔片，和与至少一些在窄角向间隔下沿作为对横向流动阻挡件的第一和第二端之间的整个长度延伸的隔片同心，以将螺旋卷分割成许多槽，每个槽用作不同的吸附器。螺旋卷的第一和第二端分别直接与第一和第二阀面重合。
吸附剂片包括增强材料，在优选的实施方案中是玻璃纤维，金属箔或丝网，采用合适的粘合剂将吸附剂材料连接到其上。对于用于生产富集氧气的空气分离，典型的吸附剂是X、A或菱沸石类型沸石，典型地与锂、钙、锶、镁和/或其它阳离子交换，并具有如本领域公知的最优硅/铝比例。沸石晶体在吸附剂片基体中与二氧化硅、粘土和其它粘合剂粘结，或自粘结。
已经通过采用粘合剂组分在增强材料上涂敷沸石晶体的淤浆而制备令人满意的吸附剂片，成功的例子包括非织造玻璃纤维平纹棉麻织物、织造金属织物、和膨胀铝箔。通过采用突起图案印刷或压印吸附剂片，或通过在相邻对吸附剂片之间放置制造的隔片而提供隔片。或者已经在光刻图案中采用蚀刻的流动槽，将令人满意的隔片提供为织造金属网、非织造玻璃纤维平纹棉麻织物、和金属箔。
典型的试验片厚度为150微米，隔片高度为100-150微米，吸附剂流动槽长度大约为20cm。使用X类型沸石，在30-150循环每分钟的PSA循环频率下已经在从空气的氧气分离中达到优异的性能。
图17显示分别在由箭头714-715，和716-717确定的平面中第一和第二阀面中转子704的端口。吸附剂端口730提供直接从每个吸附器的第一或第二端分别到第一或第二阀面的流体连通。
图18显示在由箭头714-715确定的平面中的，第一阀面710中第一定子708的第一定子阀面800。显示流体连接到从入口过滤器802引入原料空气的原料压缩机801，和连接到输送氮富集第二产物到第二产物输送导管804的排气器803。显示压缩机801和排气器803连接到驱动电机805上。
箭头720指示吸附器转子的旋转方向。在圆周密封件805和806之间的环形阀面中，对原料和排气隔间开有端口的第一定子阀面800的开放区域指示为清楚的角向部分811-816，相应于识别为相同附图标记811-816的直接连通到功能隔间的第一功能端口。在功能隔间之间阀面800的基本关闭区域指示为阴影部分818和819，它们是具有零间隙，或优选窄间隙的滑块以降低摩擦和磨损而没有过量泄漏。典型的关闭部分818提供在对隔间814打开和对隔间815打开之间吸附器的过渡。通过逐渐减少滑块和密封面之间的间隙槽提供渐增的打开，以达到对新隔间打开的吸附器的平稳的压力平衡。当从另一端进行加压或排料时，提供更宽的关闭部分(如819)以基本关闭到吸附器一端的流动或从吸附器一端的流动。
原料压缩机提供原料空气到原料加压隔间811和812，和到原料生产隔间813。隔间811和812具有连续增加的工作压力，而隔间813处于PSA循环的更高工作压力下。因此压缩机801可以是输送适当体积原料流到每个隔间的多级或分流压缩机系统，以通过隔间811和812的中等压力水平达到吸附器的加压，然后通过隔间813实现最终加压和生产。可以串联提供分流压缩机系统作为含有中间阶段输送端口的多级压缩机，或作为并联的多个压缩机或压缩气缸，每个输送原料空气到隔间811-813的工作压力。或者，压缩机801可输送所有的原料空气到更高的压力，同时节流一些那样的空气以在它们各自的中等压力下供应原料加压隔间811和812。
相似，排气器803从在那些隔间连续降低的工作压力下的逆流排料隔间814和815，和最终从在循环的更低压力下的排气隔间816排出氮富集重产物气体。相似于压缩机801，排气器803可以提供为多级或分流机器，各级串联或并联以接收在下降到更低压力的适当中间压力下的每个流。
在图18的实施例实施方案中，更低压力是环境压力，故排气隔间816直接排气到重产物输送导管804。排气器803因此提供压力减低且从逆流排料隔间814和815的能量回收协助电机805。为简便起见，排气器803可由节流孔口代替作为从隔间814和815的逆流排料压力减低装置。
在一些优选的实施方案中，PSA循环的更低压力是低于大气压。然后排气器803提供为真空泵，如图19所示。再次，真空泵可以是多级或分流，且为单独的级串联或并联，以接收在工作压力下离开它们隔间的逆流排料流，所述工作压力大于为最深真空压力的更低压力。在图19中，来自隔间814的稍早逆流排料流在环境压力下直接释入到重产物输送导管804。如果为简便起见使用单级真空泵，会将来自隔间815的逆流排料流通过孔口节流到更低的压力以在真空泵入口处加入来自隔间816的流。
图20和21显示在图15截面716-717的第二定子阀面。阀面的打开端口是直接连通到第二定子中轻产物输送隔间821、许多轻回流出口隔间822，823，824和825、和相同数目轻回流返回隔间826，827，828和829的第二阀功能端口。第二阀功能端口是在由圆周密封件831和832确定的环形环中。每对轻回流出口和返回隔间提供一级轻回流压力减低，分别用于回填，全部或部分压力平衡和共流排料以净化的供应的PSA工艺功能。
说明采用能量回收的轻回流压力减低的选择，分流轻回流膨胀器840示于图15和20中以提供采用能量回收的四个轻回流级的压力减低。轻回流膨胀器提供四个轻回流级每个的压力减低，分别在所示的轻回流出口和返回隔间822和829，823和828，824和827，和825和826之间。轻回流膨胀器840可通过驱动轴846向轻产物增压压缩机845提供动力，该压缩机将氧富集轻产物输送到氧气输送导管847和压缩到大于PSA循环更高压力的输送压力。说明采用能量回收的轻回流压力减低的选择，提供分流轻回流膨胀器840以提供采用能量回收的四个轻回流级的压力减低。轻回流膨胀器用作四个轻回流级每个的压力减低装置，分别在所示的轻回流出口和返回隔间822和829，823和828，824和827，和825和826之间。
轻回流膨胀器840通过驱动轴846联结到轻产物压力增压压缩机845上。压缩机845接收来自导管725的轻产物，和输送轻产物(压缩到大于PSA循环更高压力的输送压力)到输送导管250。由于轻回流和轻产物两者是具有大约相同纯度的富含氧气流，膨胀器840和轻产物压缩机845可以密封封闭在单一壳体中，该壳体可以方便地与图15所示第二定子成为整体。由于可以达到产物氧气的有用压力提高而没有外部电机和相应的轴密封，没有单独驱动电机的“涡轮压缩机”氧气增压器的配置是有利的，且当设计成在非常高轴速度下操作时也可以非常紧凑。
图21显示使用节流孔口850作为每个轻回流级压力减低装置的更简单情况。
转回图15，如由箭头825所示将压缩的原料空气提供到隔间813，同时如由箭头826所示将氮气富集重产物从隔间817排出。转子由第一定子708中转子驱动轴862上的轴承860与轴密封件861支撑，它整体地与第一和第二阀定子装配。吸附器转子由作为转子驱动机构的电机863驱动。
由于穿过第二阀面711上外圆周密封件831的泄漏可危害富集氧气的纯度，和更重要地可允许大气湿度进入吸附器的第二端，它可失活氮气选择性吸附剂，因此提供缓冲密封件870以提供密封件831和871之间缓冲腔871的更可靠密封。干燥剂873(如氧化铝、硅胶、氢氧化钠、氢氧化钾、高氯酸镁、氧化钡、五氧化二磷、氯化钙、硫酸钙、氧化钙、或氧化镁)可以包括在缓冲腔871中以提供更多的水分防护。尽管在第二阀面一些区域中的工作压力可以低于大气压(在真空泵用作排气器803的情况下)，采用干燥富集氧产物在肯定大于大气压的缓冲压力下填充缓冲腔。因此，干燥氧气向外的少量泄漏可发生，但潮湿空气不可能泄漏入缓冲腔。为进一步最小化泄漏和降低密封摩擦扭矩，缓冲密封件871在比圆周密封件831直径小得多的直径下密封在密封面872上。缓冲密封件870密封在吸附器转子704的转子延伸部分875和第二阀定子709的密封面872之间，转子延伸部分875封闭第二阀定子709的后部以形成缓冲腔871。定子外壳元件880提供为第一阀定子8和第二阀定子709之间的结构连接。
图22
图22显示旋转PSA实施方案的轴向截面，其中吸附器和吸附器主体外壳904是静止的，而第一和第二分配器阀体是分别与第一阀面910和第二阀面911配合的第一阀转子908和第二阀转子909。第一阀转子908由电机1063通过轴1062驱动，而第二阀转子9由连接轴1110驱动。由于图16-21中的箭头720指示吸附器壳体904相对于分配器阀体相对运动的方向，当参考静止外壳904时，用于图22静止吸附器实施方案的阀转子908和909的旋转可为箭头720的相反方向。第一阀转子908安装在第一阀外壳1112中，第二阀转子909安装在第二阀外壳214中。外壳1112和1114与吸附器外壳904组装以形成PSA组件901的完全压力封闭机壳。
用于采用静止吸附器的实施方案的第一和第二旋转分配器阀的另外阀配置和压力平衡设备由Keefer等人描述在U.S.专利No.6,063,161中，该文献的公开内容在此引入。
对于其中将原料提供到第一阀体的所有外部连接的流动功能，将废气从第一阀体抽出，或将气体从第二阀体抽出或返回第二阀体，对于每个这样的流动功能提供流体转移腔，以建立从外壳到用于该功能转子的流体连通。每个流体转移腔是阀转子或它的外壳中的环形腔室，在转子所有角向位置上在转子中功能隔间和连接到外壳的相应外部导管之间提供流体连通。对于每个这样的流体转移腔必须提供旋转密封件以防止泄漏。旋转吸附器实施方案的特别优点是这样的流体转移腔和相关密封件的取消，这是由于在那些实施方案中第一和第二阀体是静止的，可以直接连接到外部流动功能。
原料转移腔1120在原料导管1081和第一阀转子908中的功能隔间1013之间连通，排气转移腔1122连通到排气导管1082和第一阀转子908中的功能隔间1016。转移腔1120和1122由旋转密封件1124分隔。此配置适于单级原料压缩机1001和单级排气器1003。在第一阀面910的窄间隙可从隔间1013经过相应于图18和19中的隔间812和811的环形部分，和从隔间1016经过相应于图18和19中的隔间815和814的环形部分延伸，以提供对隔间1013或1016打开的每个吸附器的平稳加压和减压的节流。尽管可以提供另外的转移腔用于另外的压缩或排气级，应理解采用旋转吸附器实施方案可避免此复杂情况。
产物转移腔1126在产物输送导管1047和第二阀转子909中的功能隔间1021之间连通。提供旋转密封件1127用于转移腔1126。对于每个轻回流级的出口和返回可以成对提供另外的转移腔。如果如图20所示提供轻回流膨胀器840，这可能是必须的。然而，在静止吸附器实施方案中更为简单以避免在用于轻回流级的第二阀转子909和它的外壳1114之间的流体转移。对于静止吸附器实施方案，因此优选使用节流孔口850用于如图21所示的每个轻回流级的压力减低，这些孔口850安装在转子909中使得对于轻回流不要求转子909和外壳1114之间的流体转移。一个这样的孔口1050示于图22，对轻回流出口隔间1025的连接在截面之外，因此未在图22中示出。
轴向流动氧气富集PSA单元
采用在30℃的空气原料测量相似于图15组件701的轴向流动旋转氧气富集PSA组件的特定生产率和收率。组件具有18L的总体积(不包括压缩机，真空泵，和转子驱动电机)，和8.2L的包含吸附器的体积。特定生产率定义为吸附器体积每小时每升输送的包含产物氧气的正常升数，收率定义为来自原料空气中的氧气、包含在产物中的氧气的分数回收率。
在100次循环/分钟的循环频率下采用压缩到1.5巴绝压的原料空气和在0.5巴绝压下的真空排气，在真空PSA模式中操作，获得在70％纯度下的氧气产物，特定生产率为1500NL/L-小时，收率为47％。
在100次循环/分钟的循环频率下采用压缩到1.5巴绝压的原料空气和在0.5巴绝压下的真空排气，在真空PSA模式中操作，获得在70％纯度下的氧气产物，特定生产率改进到1650NL/L-小时和收率改进到50.5％。
在100次循环/分钟的循环频率下采用压缩到1.7巴绝压的原料空气和在0.32巴绝压下的真空排气，在真空PSA模式中操作，获得在80％纯度下的氧气产物，特定生产率为2500NL/L-小时，收率为56％。
在100次循环/分钟的循环频率下采用压缩到3巴绝压的原料空气和在大气压下的排气，在正压PSA模式中操作，获得在80％纯度下的氧气产物，特定生产率为1320NL/L-小时，收率为25.5％。
在100次循环/分钟的循环频率下采用压缩到3巴绝压的原料空气和在大气压下的排气，在正压PSA模式中操作，获得在70％纯度下的氧气产物，特定生产率为1750NL/L-小时，收率为33％。
为了比较，使用粒状吸附剂的常规氧气工业真空PSA和PSA系统在仅为约1次循环/分钟的循环频率下操作，达到约30NL/L-小时的特定生产率。对于现有技术旋转PSA设备已经报导了130-170NL/L-小时的特定生产率(参见Vigor等人，U.S.专利No.5,658,370)。Keller等人(U.S.专利No.4,354,859)通过在45-50次循环/分钟的循环频率下操作，采用40-80目沸石的粒状吸附剂达到210-270NL/L-小时的氧气特定生产率。
采用公开内容的轴向流动旋转PSA系统实现的高特定生产率因此基本好于现有技术系统一到两个完全数量级。来自公开的紧凑PSA单元的高生产率对于汽车燃料电池应用是重要的，而现有技术设备体积太大和太重不能考虑用于这样的应用。
注意到由本发明提供用于燃料电池系统的PSA设备的极端紧凑性由如下方式达到：在高循环频率(大于50次循环每分钟，和更优选大于100次循环每分钟)下操作以及如下的两个方面获得：旋转的PSA机构和由薄吸附剂片形成的含有位于其间的窄槽的吸附剂组件。在1500NL/L-小时的特定生产率下，上述PSA单元从仅16L的组件体积输送约200NL/min包含的氧气。此氧气流量会满足40kW燃料电池，或如果通过共混旁路空气与PSA产物氧气而提供另外的氧气，满足甚至更大的燃料电池。
氢气精制PSA
由于成功地除去杂质到不会与PEM燃料电池不相容的水平，氢气精制PSA是特别有利的。这样的杂质包括对于从化工装置废气的化石燃料重整或氢气回收是固有的许多化合物。例如，几种特别有问题的化合物，如氨、一氧化碳、硫化氢、甲醇蒸气、和氯气有效地由PSA除去。
在静止和汽车应用中甲醇是PEM燃料电池的优选原料。甲醇的蒸汽重整产生原氢气或包含氢气，二氧化碳和显著水平的一氧化碳和未反应甲醇的合成气。已经在包含大约1％一氧化碳，甲醇蒸气，和水汽以及作为主要杂质的二氧化碳的合成甲醇合成气上测试过本公开内容的氢气PSA。
其它烃(如天然气，汽油，或柴油燃料)的自热重整，蒸汽重整或部分氧化恒定地产生原氢气或包含二氧化碳和经常作为主要杂质的氮气，与一氧化碳和经常作为潜在有害污染物的硫化氢的合成气。所有这些杂质可以适当地由本公开内容的氢气PSA单元除去。
氢气PSA单元除去严重有害组分如一氧化碳，甲醇蒸气和硫化氢的能力对于PEM燃料电池是最重要的，通过允许在燃料电池电解质上的更低贵金属催化剂填充剂，以延伸它们的工作寿命，改进它们的可靠性，和潜在地也降低它们的成本。
氢气PSA单元除去主要杂质如二氧化碳和氮气的能力允许燃料电池采用较高的氢气分压和采用更小的阴极清除流操作，因此改进电化学能量转化效率同时也改进燃料电池阳极槽中氢气的利用。
以上描述用于本发明优选实施方案的说明目的。本领域技术人员可设想对所述实施方案的某些添加，删除和/或改进，它们尽管未在此具体描述过或提及过，但并不背离由所附权利要求确定的本发明精神或范围。

Claims (4)

1.一种电流发生系统，包括：
至少一个燃料电池；和
至少一个连接到燃料电池上用于向燃料电池输送气体原料的气体输送系统，气体输送系统包括旋转压力回转吸附组件，该组件包括多个容纳在吸附器壳体内的吸附器，吸附器具有分别连通到第一和第二阀体的第一端和第二端，其中第一和第二阀体相对于吸附器壳体旋转，并且所述吸附器和所述吸附器壳体是静止的，
其中所述多个吸附器的第一端和第二端分别连通到第一阀面和第二阀面，第一和第二阀体分别在第一和第二阀面与吸附器壳体密封配合。
2.根据权利要求1的电流发生系统，其中气体输送系统选自氧气输送系统或氢气输送系统。
3.根据权利要求2的电流发生系统，其中气体输送系统包括氧气输送系统，所述旋转压力回转吸附组件还包括转移腔，转移腔提供在第一阀体分别与原料气体入口导管和排气排放导管之间的流体连通。
4.根据权利要求1的电流发生系统，其中气体输送系统包括氧气输送系统，所述旋转压力回转吸附组件还包括转移腔，转移腔提供在第二阀体和产物氧气出口之间的流体连通。
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