CN103732532B - 制氢装置和氢纯化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制氢装置、氢纯化设备和其组件以及制造那些装置、设备和组件的方法。在一些实施方式中，所述装置可包括带有填充材料的汽化区和/或绝热底座，其中所述汽化区构造为将热从加热排出流传递到含液体进料流，所述绝热底座临近燃烧区并构造为降低外壳的外部温度。

Description

制氢装置和氢纯化设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年7月7日提交的美国专利申请序列号13/178098的优先权，其通过引用以其整体并入本文用于所有目的。
背景技术
制氢装置是将一种或多种原料转化为包含氢气作为主要组分的产品流的装置。所述原料可包含含碳原料，并且在某些实施方式中还可包含水。原料可从原料递送系统递送至制氢装置的产氢区，通常原料在压力和升高温度下递送。产氢区通常与诸如加热装置或冷却装置的温度调节装置相连，所述温度调节装置消耗一个或多个燃料流将产氢区保持在合适温度范围以有效生产氢气。制氢装置可经由任何合适机制制氢，诸如蒸汽重整、自热重整、热解和/或催化部分氧化。
然而，所制得或生产的氢气可能具有杂质。该气体可称为含有氢气和其它气体的混合气流。在使用所述混合气流之前，其必需被纯化以便诸如去除至少一部分其它气体。因此，制氢装置必需包含提高混合气流的氢纯度的氢纯化设备。氢纯化设备可包含至少一个氢-选择性膜以将混合气流分离为产品流和副产品流。产品流含有来自混合气流的较高浓度的氢气和/或较低浓度的一种或多种其它气体。使用一个或多个氢-选择性膜的氢纯化是压力驱动的分离方法，其中所述一个或多个氢-选择性膜被包含在压力容器中。混合气流接触膜的混合气体表面，并且由渗透通过膜的混合气流的至少一部分形成产品流。压力容器通常被密封以防止气体通过所限定的入口和出口或者输入导管和输出导管进入或离开该压力容器。
产品流可用于多种用途。一种这样的用途是能源生产，诸如在电化学燃料电池。电化学燃料电池是将燃料和氧化剂转化为电、反应产品和热的设备。例如，燃料电池可将氢和氧转化为水和电。在那些燃料电池中，氢是燃料，氧是氧化剂，水是反应产品。燃料电池堆包括多个燃料电池，并且可与制氢装置一起使用以提供能源生产装置。
制氢装置、氢处理装置和/或那些装置的部件的例子在美国专利5,861,137、6,319,306、6,494,937、6,562,111、7,063,047、7,306,868、7,470,293、7,601,302、7,632,322和美国专利申请公开号2006/0090397、2006/0272212、2007/0266631、2007/0274904、2008/0085434、2008/0138678、2008/0230039、2010/0064887中描述。上述专利和专利申请公开的全部公开内容通过引用在此并入本文用于所有目的。
发明内容
一些实施方式提供了一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收至少一个包含水和含碳原料的含液体进料流并生成作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品。在一些实施方式中，制氢装置可包含汽化区和产氢区，所述汽化区构造为接收和汽化至少一个含液体进料流的至少一部分以形成蒸汽进料流，所述产氢区包含重整催化剂并构造为接收蒸汽进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可含有加热装置，其构造为产生用于将汽化区加热到至少最低汽化温度的加热排出流。汽化区可含有填充材料，其构造为将热从加热排出流传递到至少一个含液体进料流。
在一些实施方式中，制氢装置可包括外壳(enclosure)以及被包含在该外壳内并包含重整催化剂的产氢区。产氢区可构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可包含加热装置，其构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流以及在包含在外壳内的燃烧区内燃烧该至少一个燃料流，产生用于至少将产氢区加热到至少最低产氢温度的加热排出流。制氢装置还可包含绝热底座(insulationbase)，其构造为降低外壳的外部温度，所述绝热底座临近燃烧区。外壳可被支撑在该绝热底座上，该绝热底座可包括绝热材料和通过该绝热材料延伸的至少一个通路。所述至少一个通路与燃烧区流体连通。
在一些实施方式中，制氢装置可包含外壳和在该外壳内部并包含重整催化剂的产氢区，该产氢区构造为接收至少一个进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可包含与产氢区流体连通的进料流导管和与产氢区热连通的加热装置，所述至少一个进料流在递送到产氢区之前从该进料流导管穿过。加热装置可包括用于接收至少一个燃料流和至少一个空气流的入口以及构造为点燃该至少一个燃料流的点火器装置。点火器装置可包括体部部分、与该体部部分相连的至少一个点火器元件和与该至少一个点火器元件电连通并且被该体部部分至少部分包封的导线。点火器装置还可包含具有彼此热连通的至少第一和第二通道的金属冷却块。第一通道可容纳体部部分的至少一部分和导线的至少一部分，且第二通道可容纳进料流导管的至少一部分。
在一些实施方式中，制氢装置可包括包含重整催化剂的产氢区。产氢区可构造为接收至少一个进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可包含与产氢区热连通的加热装置。加热装置可包括点火器装置，其构造为点燃至少一个燃料流。点火器装置可包括具有催化活性涂层的点火器元件，所述催化活性涂层构造为在氧存在下燃烧氢。
在一些实施方式中，制氢装置可包括具有底部部分的外壳和包含在该外壳内并包含重整催化剂的产氢区。产氢区可构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可包含加热装置，其构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流并在外壳内包含的燃烧区内燃烧该至少一个燃料流，以产生用于至少将产氢区加热到至少最低产氢温度的加热排出流。制氢装置还可包含与外壳的底部部分相连的燃料分配装置。燃料分配装置可构造为将至少一个燃料流分配到燃烧区中。燃料分配装置可包括包含与燃烧区流体连通的至少一个通路的底座和被支撑在该底座上的筛网装置(meshassembly)。燃料分配装置还可包含具有外周的顶壁和具有顶部部分及底部部分的至少一个侧壁。顶部部分可被固定在外周周围，且底部部分可被支撑在筛网装置上，由此使得在至少一个侧壁内以及顶壁和筛网装置之间形成燃料流分配区。燃料分配装置还可包含进入燃料流分配区的入口和与该入口流体相连并构造为接收至少一个燃烧流的燃料流导管。筛网装置可包括用于使至少一个燃料流从燃料流分配区流到燃烧区的至少一个路径。
在一些实施方式中，制氢装置可包括外壳以及包含在该外壳内并包括重整催化剂的产氢区。产氢区可构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可包含在外壳外部并与该外壳的至少一部分相连的热传导装置。热传导装置可构造为将热从一个或多个与该热传导装置相连的外部加热器传导到外壳的至少一部分。
一些实施方式提供了一种氢纯化设备。在一些实施方式中，氢纯化设备可包括第一和第二末端框架(endframe)。第一和第二末端框架可包括入口和出口，所述入口构造为接收包含氢气和其它气体的混合气流的入口，且所述出口构造为接收与混合气流相比包含较高浓度的氢气和较低浓度的其它气体中的至少一个的渗透流(permeablestream)。第一和第二末端框架还可包含副产品口(byproductport)，其构造为接收包含至少大部分其它气体的副产品流。氢纯化设备还可包含布置在第一和第二末端框架之间并固定于其上的至少一个氢-选择性膜。至少一个氢-选择性膜可包括进料侧和渗透侧。渗透流的至少一部分可由从进料侧通到渗透侧的混合气流部分形成，且留在进料侧的混合气流的其余部分形成副产品流的至少一部分。氢纯化设备还包括布置在第一和第二末端框架中至少一个与至少一个氢选择性膜之间的的多个框架。所述多个框架中的每个可包括限定了开放区和框架面的外周壳体(perimetershell)。每个框架还可包含延伸到开放区的至少一个第一膜支撑结构(atleastafirstmembranesupportstructure)。所述至少一个第一膜支撑结构中的每个可与所述多个框架的其它第一膜支撑结构在第一膜支撑平面(afirstmembranesupportplane)内共平面。第一膜支撑平面可垂直于多个框架的每个框架的框架面。
在一些实施方式中，氢纯化设备可包括第一和第二端板。第一和第二端板可包括入口和出口，所述入口构造为接收包含氢气和其它气体的混合气流，所述出口构造为接收与混合气流相比包含较高浓度的氢气和较低浓度的其它气体中的至少一个的渗透流。第一和第二端板还可包含副产品口，其构造为接收包含至少大部分其它气体的副产品流。氢纯化设备还可包含布置在第一和第二端板之间的至少一个氢-选择性膜。至少一个氢-选择性膜具有进料侧和渗透侧。渗透流的至少一部分可由从进料侧通到渗透侧的混合气流部分形成，且留在进料侧的混合气流的其余部分形成副产品流的至少一部分。氢纯化设备还可包含微孔筛网(microscreen)结构，其构造为支撑至少一个氢-选择性膜。微孔筛网结构通常可包括构造为对渗透侧提供支撑的相对表面(opposedsurfaces)和在该相对表面之间延伸的多个流体通路。微孔筛网结构可包括包含氧化铝层的不锈钢，其构造为防止不锈钢与至少一个氢-选择性膜之间的金属间扩散。
一些实施方式提供了一种制造用于氢纯化设备的框架的方法。框架可被布置在第一和第二末端框架之间并固定在其中的至少一个上。所述方法可包括将框架的第一和第二部分用至少一种具有熔点的压条金属(layeringmetal)电镀并接合该第一和第二部分。该方法还可包含将已接合的第一和第二部分的温度升高到高于所述熔点，并使得所述至少一种压条金属扩散到该第一和第二部分中以形成合金。所述合金的熔点高于所述至少一种压条金属的熔点。
附图说明
图1是制氢装置的一个例子的示意图。
图2是制氢装置的另一个例子的示意图。
图3是制氢装置的又一个例子的等角视图。
图4是图3的制氢装置的沿图3上4－4线截取的截面图。
图5是图3的制氢装置的绝热底座的部分底部等角试图。
图6是图4的制氢装置的汽化器线圈(vaporizercoil)的部分视图。
图7是图3的制氢装置的催化点火器的部分等角视图。
图8是图3的制氢装置沿图3上4－4线截取的截面图，显示了该装置同侧上的进料流和燃料流导管以及该侧上的点火器装置和冷却块。
图9是图8的冷却块的等角视图。
图10是图3的制氢装置沿图3上4－4线截取的截面图，显示了燃料分配装置。
图11是图10的制氢装置的部分视图。
图12是图1的制氢装置的氢纯化设备的示意图。
图13是图12的氢纯化设备的一个例子的分解等角视图。
图14是图13的氢纯化设备的分解等角示意图，显示了膜支撑平面内框架突起的示例性取向。
图15是图13的氢纯化设备的进料框架的一个例子的顶视图。
图16是图13的氢纯化设备的进料框架的另一个例子的顶视图。
图17是图13的氢纯化设备的渗透框架的一个例子的顶视图。
图18是图13的氢纯化设备的渗透框架的另一个例子的顶视图。
图19是图15的进料框架沿图15上19－19线截取的截面图。
图20是制造用于氢纯化设备的框架的方法的一个例子的流程图。
具体实施方式
图1显示了制氢装置20的一个例子。除非明确排除，该制氢装置可包括在本公开中描述的其它制氢装置的一个或多个组件。制氢装置可包括构造为生成产品氢流21的任何合适结构。例如，制氢装置可包括原料递送系统22和燃料加工装置24。原料递送系统可包括构造为将至少一个进料流26选择性地递送到燃料加工装置的任何合适结构。
在一些实施方式中，原料递送系统22还可包含构造为将至少一个燃料流28选择性地递送到燃料加工装置24的燃烧器或其它加热装置的任何合适结构。在一些实施方式中，进料流26和燃料流28可以是被递送到燃料加工装置的不同部分的相同流。原料递送系统可包括任何合适的递送机构，诸如用于推进流体流的容积式或其它合适的泵或机构。在一些实施方式中，原料递送系统可构造为递送进料流26和/或燃料流28而无需使用泵和/或其它电动流体-递送机构。可与制氢装置20一起使用的合适原料递送系统的例子包括在以下中描述的原料递送系统：美国专利7,470,293和7,601,302，以及美国专利申请公开号2006/0090397。上述专利和专利申请的全部公开内容通过引用并入本文用于所有目的。
进料流26可包括至少一个制氢流体30，其可包括一种或多种可被用作生产氢流21的反应物的流体。例如，制氢流体可包括含碳原料，诸如至少一种烃和/或醇。合适的烃的例子包括甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油等。合适的醇的例子包括甲醇、乙醇、多元醇(诸如乙二醇和丙二醇)等。另外，制氢流体30可包括水，诸如当燃料加工装置经由蒸汽重整和/或自热重整生成产品氢流时。当燃料加工装置24经由热解或催化部分氧化生成产品氢流时，进料流26不含水。
在一些实施方式中，原料递送系统22可构造为递送制氢流体30，所述制氢流体30包含水和能与水混溶的含碳原料(诸如甲醇和/或另一种水溶性醇)的混合物。在这样的流体流中水与流体流之比可根据一种或多种因素而变，诸如所用的具体含碳原料、用户喜好、燃料加工装置的设计、生成产品氢流的燃料加工装置所用的机制等。例如，水与碳的摩尔比可为约1:1到3:1。另外，水与甲醇的化合物可以1:1或接近1:1的摩尔比(31体积%的水，69体积%的甲醇)递送，而烃或其它醇的混合物可以大于1:1的水比碳摩尔比递送。
当燃料加工装置24经由重整生成氢流21时，进料流26可包含，例如，约25～75体积%的甲醇或乙醇(或者另一种合适的能与水混溶的含碳原料)和约25～75体积%的水。对于至少包含甲醇和水的进料流来说，那些物流可包括约50～75体积%的甲醇和约25～50体积%的水。包含乙醇或其它能与水混溶的醇的物流可含有约25～60体积%的醇和约40～75体积%的水。用于利用蒸汽重整或自热重整的制氢装置20的进料流的例子含有69体积%的甲醇和31体积%的水。
尽管原料递送系统22显示构造为递送单个进料流26，该原料递送系统可构造为递送两个或更多个进料流26。那些物流可包含相同或不同的原料，并且可具有不同组成、具有至少一种共同组分、不具有共同组分或者具有相同组成。例如，第一进料流可包括诸如含碳原料的第一组分，且第二进料流可包括诸如水的第二组分。另外，尽管在一些实施方式中原料递送系统22可构造为递送单个燃料流28，该原料递送系统可构造为递送两个或更多个燃料流。燃料流可具有不同组成、具有至少一种共同组分、不具有共同组分或者具有相同组成。而且，进料流和燃料流可以不同的相从原料递送系统排出。例如，物流之一可为液体流，而另一个为气流。在一些实施方式中，两个物流均可为液体流，而在其它实施方式中两个物流可均为气流。另外，尽管制氢装置20显示为包含单个原料递送系统22，该制氢装置可包括两个或更多个原料递送系统22。
燃料加工装置24可包括产氢区32，其构造为经由任何合适的产氢机制生产包含氢气的输出流34。输出流可包括作为至少主要组分的氢气，并且可包括其它气态组分。因此，输出流可称为“混合气流”，其包含氢气作为其主要组分，但其包含其它气体。
产氢区32可包括任何合适的含催化剂床或区。当产氢机制为蒸汽重整时，产氢区可包括合适的蒸汽重整催化剂36以促进从包含含碳原料和水的进料流26产生输出流34。在这样的实施方式中，燃料加工装置24可称为“蒸汽重整器”，产氢区32可称为“重整区”，且输出流34可称为“重整产品流”。可存在于重整产品流中的其它气体可包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、蒸汽和/或未反应的含碳原料。
当产氢机制为自热重整时，产氢区32可包括合适的自热重整催化剂以促进在空气存在下从包含水和含碳原料的进料流26产生输出流34。另外，燃料加工装置24可包括空气递送装置38，其构造为将空气流递送至产氢区。
在一些实施方式中，燃料加工装置24可包括纯化(或分离)区40，其可包括如下的任何合适结构：其构造为从输出(或混合气)流34产生至少一个富氢流42。富氢流42可包括与输出流34相比较高的氢浓度和/或与输出流中存在者相比较低浓度的一种或多种其它气体(或杂质)。产品氢流21包括至少一部分富氢流42。因此，产品氢流21和富氢流42可以是相同物流并具有相同组成和流速。或者可选地，富氢流42中的一些纯化氢气可被存储以备后用(诸如在合适的氢存储装置中)和/或被燃料加工装置消耗。纯化区40还被称为“氢纯化设备”或“氢加工装置”。
在一些实施方式中，纯化区40可产生至少一个副产品流44，其可不含氢气或包含一些氢气。副产品流可被排出，送至燃烧器装置和/或其它燃烧源，用作加热流体流，存储以备后用，和/或以另外方式利用、存储和/或弃置。另外，纯化区40可相应于输出流34的递送而将副产品流作为连续流排出，或者可间歇地排出该流，例如以分批方式或者当输出流的副产品部分被至少临时性保留在纯化区中时。
燃料加工装置24可包括一个或多个纯化区，其构造为产生包含足够量氢气的一个或多个副产品流，所述副产品流中的氢气量足以适合用作燃料加工装置的加热装置的燃料流(或原料流)。在一些实施方式中，副产品流可具有足够的燃料值或氢含量以便使加热装置能将产氢区维持在理想操作温度或所选的温度范围内。例如，副产品流可包括氢氢，诸如10-30wt%的氢气，15-25wt%的氢气，20-30wt%的氢气，至少10或15wt%的氢气，至少20wt%的氢气，等等。
纯化区40可包括如下的任何合适结构：其构造为降低输出流21的至少一个组分的浓度。在大部分应用中，富氢流42将具有大于输出流(或混合气流)34的氢浓度。富氢流还可具有与输出流34中存在者相比浓度较低的一种或多种非-氢组分，且富氢流的氢浓度大于、等于或小于输出流。例如，在常规的燃料电池体系中，一氧化碳如果以甚至几个ppm存在则可能损坏燃料电池堆，而可能存在于输出流34中的其它非-氢组分诸如水即使以更高浓度存在也不会损坏电池堆。因此，在这样的应用中，纯化区可能不会提高总体氢浓度，但会降低对产品氢流的理想应用有害或潜在有害的一种或多种非氢组分的浓度。
用于纯化区40的合适设备的例子包括一个或多个氢-选择性膜46、化学一氧化碳去除装置48和/或变压吸附(PSA)系统50。纯化区40可包括多于一种类型的纯化设备，且所述设备可具有相同或不同的结构和/或可通过相同或不同机制操作。燃料加工装置24可包括在纯化区下游的至少一个限制孔(restrictiveorifice)和/或其它流量限制器(otherflowrestrictor)，诸如与一个或多个产品氢流、富氢流和/或副产品流相关者。
氢-选择性膜46对于氢气来说是可渗透通过的，但对于输出流34的其它组分来说至少是基本(如果不是完全)不可渗透的。膜46可由适合用于纯化区40所工作的操作环境和参数的任何合适的氢可渗透的材料形成。用于膜46的合适材料的例子包括钯和钯合金，尤其是这种金属和金属合金的薄膜。钯合金已被证实是特别有效的，尤其是含有35wt%到45wt%铜的钯。含有约40wt%铜的钯-铜合金已被证实是特别有效的，尽管可使用其它相关浓度和组分。另一种尤其有效的合金是含有2wt%到10wt%金的钯，尤其是含有5wt%金的钯。当使用钯和钯合金时，氢-选择性膜46有时可称为“金属箔”。
化学一氧化碳去除装置48是如下的设备：其与输出流34的一氧化碳和/或其它不理想组分发生化学反应以形成不会潜在有害的其它组合物。化学一氧化碳去除装置的例子包括构造为从水和一氧化碳产生氢气和二氧化碳的水煤气转换反应器，构造为将一氧化碳转化为二氧化碳的部分氧化反应器，以及构造为将一氧化碳和氢转化为甲烷和水的甲烷化催化剂区(或床)。燃料加工装置24可包括多于一种类型和/或数量的化学去除装置48。
变压吸附(PSA)是其中气态杂质基于如下原理从输出流34去除的化学方法：某些气体在合适的温度和压力条件下与其它气体相比将被更强地吸附到吸附剂材料上。通常，杂质被吸附并从输出流34去除。杂质气体的吸附在升高的压力下发生。当压力降低时，杂质从吸附剂材料解吸，由此再生吸附剂材料。通常，PSA是一种循环方法，并且需要至少两个床用于连续(不同于分批式)操作。可用于吸附剂床中的合适的吸附剂材料的例子是活性炭和沸石。PSA系统50还提供了用于纯化区40中的设备的例子，其中副产品或被去除组分不是与输出流的纯化并行地作为气流从区中直接排出。而是，这些副产品组分在吸附剂材料再生时被去除或以其它方式从纯化区去除。
在图1中，纯化区40显示在燃料加工装置24内。或者可选地，纯化区可单独位于燃料加工装置的下游，正如图1中点划线所示意性图示的。纯化区40还可包括位于燃料加工装置内部和外部的部分。
燃料加工装置24还可包括加热装置52形式的温度调节装置。加热装置可构造为通常当在空气存在下燃烧时从至少一个加热燃料流28产生至少一个加热排出流(或燃烧流)54。加热排出流54在图1中被示意性图示为加热产氢区32。加热装置52可包括构造为产生加热排出流的任何合适结构，诸如其中燃料与空气一起燃烧产生加热排出流的燃烧器燃烧催化剂。加热装置可包括构造为引发所述燃料的燃烧的点火器或点火源58。合适的点火源的例子包括一个或多个火花塞、燃烧催化剂、指示灯、压电点火器、火花点火器、热表面点火器等。
在一些实施方式中，加热装置52可包括燃烧器装置60，并且其可称为基于燃烧的或燃烧-驱动的加热装置。在基于燃烧的加热装置中，加热装置52可构造为接收至少一个燃料流28并在空气存在下燃烧该燃料流以提供可用于加热至少燃料加工装置的产氢区的热燃烧流54。空气可经由多种机制被递送到加热装置。例如，空气流62可作为单独物流被递送到加热装置中，如图1所示。或者可选地，或者另外地，空气流62可与用于加热装置52的燃料流28中的至少一个一起递送到加热装置中和/或从加热装置所应用的环境中抽取出。
另外可选地，或者另外地，燃烧流54可用于加热燃料加工装置的其它部分和/或加热装置与其一起使用的燃料电池系统。另外，可使用其它结构和类型的加热装置52。例如，加热装置52可为电动加热装置，其构造为通过使用至少一个加热元件(诸如电阻式加热元件)产生热以加热至少燃料加工装置24的产氢区32。在那些实施方式中，加热装置52不能接收并燃烧可燃燃料流以将产氢区加热到合适的产氢温度。加热装置的例子在美国专利7,632,322中公开，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
加热装置52可与产氢区和/或分离区(如下面所进一步讨论的)一起收纳在共用的壳体(shell)或外罩(housing)中。加热装置可相对于产氢区32单独设置但与该区热连通和/或流体连通以提供至少产氢区的所需加热。加热装置52可部分或完全位于该共用的壳体内，和/或至少该加热装置的一部分(或全部)可位于该壳体的外部。当加热装置位于壳体外部时，来自燃烧器装置60的热燃烧气体可经由合适的热传递导管被递送到壳体内的一个或多个组件。
加热装置还可构造为加热原料递送系统22、原料供给流、产氢区32、纯化(或分离)区40或那些系统、物流和区的任何合适的组合。原料供给流的加热可包括将用于在产氢区中产生氢气的制氢流体的液体反应物流或组分汽化。在该实施方式中，燃料加工装置24可被描述为包括汽化区64。加热装置还可构造为加热制氢装置的其它组件。例如，加热排出流可构造为加热压力容器和/或其它包含形成进料流26和燃料流28的至少一部分的加热燃料和/或制氢流体的金属罐(canister)。
加热装置52可在产氢区32中实现和/或保持任何合适的温度。蒸汽重整器通常在200℃到900℃范围内的温度操作。然而，在该范围外的温度也在本公开的范围内。当含碳原料是甲醇时，蒸汽重整反应将通常在约200～500℃的温度范围内操作。该范围的示例性子集包括350～450℃、375～425℃和375～400℃。当含碳原料是烃、乙醇或另一种醇时，约400～900℃的温度范围将通常用于蒸汽重整反应。该范围的示例性子集包括750～850℃、725～825℃、650～750℃、700～800℃、700～900℃、500～800℃、400～600℃和600～800℃。产氢区32可包括两个或更多个区或部分，其中的每个可在相同或不同温度操作。例如，当制氢流体包括烃时，产氢区32可包括两个不同的产氢部分或区，一个的操作温度低于另一个以提供预-重整区。在那些实施方式中，燃料加工装置还可称为包括两个或更多个产氢区。
燃料流28可包括适合用于通过加热装置52燃烧以提供所需热输出的任何可燃液体和/或气体。一些燃料流在递送和通过加热装置52燃烧时可以是气体，而其它可作为液体流被递送到加热装置。用于燃料流28的合适的加热燃料的例子包括含碳原料，诸如甲醇、甲烷、乙烷、乙醇、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷等。另外的例子包括低分子量的可冷凝燃料，诸如液化石油气、氨、轻质胺、二甲醚和低分子量烃。在包含冷却装置而不是加热装置形式的温度调节装置(诸如可在利用放热制氢方法而不是诸如蒸汽重整的吸热制氢方法时使用)的制氢装置20的实施方式中，原料递送系统可构造为向装置供给燃料或冷却剂流。可使用任何合适的燃料或冷却剂流体。
燃料加工装置24还可包含在其中包含至少产氢区32的壳体或外罩66，如图1所示。在一些实施方式中，汽化区64和/或纯化区40可另外地被包含在壳体中。壳体66可使得蒸汽重整器或其它燃料加工机构的组件能够作为一个单元移动。壳体还可通过提供保护性外壳来保护燃料加工装置的组件免受损伤和/或可因组件可作为一个单元加热而减少燃料加工装置的加热需求。壳体66可包括绝热材料68，诸如固体绝热材料、毯式绝热材料和/或充满空气的空腔。绝热材料可在壳体内部、壳体外部或者二者皆有。当绝热材料在壳体外部时，燃料加工装置24还可包含在绝热材料外部的外覆盖或夹套70，如图1所示意性图示的。燃料加工装置可包括包含燃料加工装置的其它组件(诸如原料递送系统22和/或其它组件)的不同壳体。
燃料加工装置24的一个或多个组件可在壳体外延伸或位于壳体外部。例如，纯化区40可位于壳体66的外部，诸如与壳体分隔开来但通过合适的流体传递导管流体连通。作为另一个例子，产氢区32的一部分(诸如一种或多种重整催化剂床部分)可在壳体外延伸，诸如图1中用代表另一种壳体构造的虚线示意性图示的。合适的制氢装置及其组件的例子在美国专利5,861,137、5,997,594和6,221,117中公开，其全部公开内容通过引用并入本文用于所有目的。
制氢装置20的另一个例子在图2中显示，并且通常以72表示。除非具体排除，制氢装置72可包括制氢装置20的一个或多个组件。制氢装置72可包括原料递送系统74、汽化区76、产氢区78和加热装置80，如图2所示。在一些实施方式中，制氢装置20还可包括纯化区82。
原料递送系统可包括如下的任何合适结构：其构造为将一个或多个进料和/或燃料流递送到制氢装置的一个或多个其它组件。例如，原料递送系统可包括原料罐(或容器)84和泵86。原料罐可包含任何合适的制氢流体88，诸如水和含碳原料(例如，甲醇/水混合物)。泵86可具有构造为将制氢流体递送至汽化区76和/或产氢区78的任何合适结构，所述制氢流体可为包含水和含碳原料的至少一个含液体进料流90的形式。
汽化区76可包括构造为接收和汽化含液体进料流(诸如含液体进料流90)的至少一部分的任何合适结构。例如，汽化区76可包括汽化器92，其构造为将含液体进料流90至少部分转化为一个或多个蒸汽进料流94。在一些实施方式中，蒸汽进料流可可包括液体。合适的汽化器的例子是盘管汽化器(coiledtubevaporizer)，诸如不锈钢盘管。
产氢区78可包括如下的任何合适结构：其构造为接收多个进料流(诸如来自汽化区的蒸汽进料流94)之一以产生一个或多个包含作为主要组分的氢气和其它气体的输出流96。产氢区可以经由任何合适的机制产生输出流。例如，产氢区78可经由蒸汽重整反应生成输出流96。在该例子中，产氢区78可包括具有重整催化剂98的蒸汽重整区97，所述重整催化剂构造为有利于和/或促进蒸汽重整反应。当产氢区78经由蒸汽重整反应生成输出流96时，制氢装置72可称为“蒸汽重整制氢装置”，且输出流96可称为“重整产品流”。
加热装置80可包括构造为产生用于加热制氢装置72的一个或多个其它组件的至少一个加热排出流99的任何合适结构。例如，加热装置可将汽化区加热至任何合适的温度，诸如至少最低汽化温度或于此含液体进料流的至少一部分会汽化形成蒸汽进料流的温度。另外或者可选地，加热装置80可将产氢区加热至任何合适的温度，诸如至少最低产氢温度或于此蒸汽进料流的至少一部分会反应产生氢气以形成输出流的温度。加热装置可于制氢装置的一个或多个组件(诸如汽化区和/或产氢区)热连通。
加热装置可包括燃烧器装置100、至少一个吹风机102和点火器装置104，如图2所示。燃烧器装置可包括构造为接收至少一个空气流106和至少一个燃料流108丙在燃烧区110内燃烧该至少一个燃料流以产生加热排出流99的任何合适结构。燃料流可通过原料递送系统74和/或纯化区82提供。燃烧区可被包含在制氢装置的外壳内。吹风机102可包括构造为生成空气流106的任何合适结构。点火器装置104可包括构造为点燃燃料流108的任何合适结构。
纯化区82可包括构造为产生至少一个富氢流112的任何合适结构，所述至少一个富氢流可包括与输出流96相比较高浓度的氢和/或与该输出流中存在者相比较低浓度的一种或多种其它气体(或杂质)。纯化区可产生至少一个副产品流或燃料流108，其可被送到燃烧器装置100并用作用于该装置的燃料流，如图2所示。纯化区82可包括流量限制孔111、过滤器装置114、膜装置116和甲烷化反应器装置118。过滤器装置(诸如一个或多个热气体过滤器)可构造为在氢纯化膜装置之前从输出流96去除杂质。
膜装置116可包括如下的任何合适结构：其构造为接收包含氢气和其它气体的输出或混合气流96并生成包含与该输出或混合气流相比较高浓度的氢气和/或较低浓度的其它气体的渗透或富氢流112。膜装置116可加入平面或管状的氢-可渗透(或氢-选择性)膜，并且多于一个氢-可渗透膜可被加入到膜装置116中。渗透流可用于任何合适的应用，诸如用于一个或多个燃料电池。在一些实施方式中，膜装置可生成包含至少大部分其它气体的副产品或燃料流108。甲烷化反应器装置118可包括构造为将一氧化碳和氢转化为甲烷和水的任何合适结构。尽管纯化区82显示为包含流量限制孔111、过滤器装置114、膜装置116和甲烷化反应器装置118，该纯化区可具有少于所有那些装置和/或可以可选地或另外地包含构造为纯化输出流96的一个或多个其它组件。例如，纯化区82可仅包括膜装置116。
在一些实施方式中，制氢装置72可包括壳体或外罩120，其可至少部分包含该装置的一个或多个其它组件。例如，壳体120可至少部分包含汽化区76、产氢区78、加热装置80和/或纯化区82，如图2所示。壳体120可包括一个或多个排出口122，其构造为排出通过加热装置80产生的至少一个燃烧排出流124。
在一些实施方式中，制氢装置72可包含控制装置126，其可包括构造为控制制氢装置72的操作的任何合适结构。例如，控制装置126可包括控制系统128、至少一个阀130、至少一个卸压阀132和一个或多个温度测量设备134。控制系统可经由温度测量装置134检测产氢区和/或纯化区内的温度，所述温度测量装置134可包括一个或多个热电偶和/或其它合适的设备。基于所检测的温度，控制系统和/或控制系统的操作者可通过阀130和泵86调节进料流90到汽化区76和/或产氢区78的递送。阀130可包括电磁阀和/或任何合适的阀。卸压阀132可构造为确保系统中的过压被释放。
在一些实施方式中，制氢装置72可包括热交换装置136，其可包括一个或多个热交换器138，所述热交换器构造为将热从制氢装置的一部分传递到另一部分。例如，热交换装置136可将热从富氢流112传递到进料流90以在进入汽化区76之前提高进料流的温度，以及冷却富氢流112。
制氢装置20的另一个例子通常在图3～4中用140表示。除非具体排除，制氢装置140可包括本公开中所述的其它制氢装置的一个或多个组件。制氢装置140可包括外壳或壳体142和绝热底座144。壳体可包括顶部部分146和底部部分148。壳体142可包括多个圆筒或管150。例如，圆筒150可包括内圆筒或管152、中间圆筒或管154和外圆筒或管156，如图4所示。圆筒152、154和156可具有任何合适的直径和位置。例如，圆筒152、154和156可具有连续增大的直径和/或可相对于彼此同心和/或偏心设置。另外，内圆筒152可通过一个或多个合适的固定件160(那些固定件之一在图4中显示)被固定为在中间圆筒154中产生偏置区158。中间圆筒154可被固定在外圆筒156的末端部分162上。圆筒150可形成多个环形区164，其可包括外环形区166和内环形区168，如图4所示。
壳体142还可包括多个口170，诸如进料流口或入口172、燃料流口或入口174、空气流口或入口176以及重整产品流口或出口178，如图4所示。进料流口172可构造为接收从原料递送系统和/或其它合适系统进入内环形区168的一个或多个进料流(诸如一个或多个含液体进料流)。燃料流口174可构造为接收进入内环形区168的一个或多个燃料流。空气流口176可构造为接收进入内环形区168的一个或多个空气流。重整产品流口178可构造为接收来自外环形区166的一个或多个重整产品流。
壳体可被固定和/或支撑在绝热底座上。例如，壳体可被如下固定在绝热底座上：使该绝热底座临近底部部分148并与顶部部分146隔开。绝热底座可构造为降低外壳的外部温度。例如，绝热底座144可临近制氢装置140的燃烧区，如下面所进一步讨论的。绝热底座144可包括绝热材料180以及通过该绝热材料延伸的通路或空气流口176。通路可与燃烧区流体连通已允许将一个或多个空气流递送到燃烧区。通路176可以任何合适的方式或以任何合适的模式设置。例如，通路176可以曲线形和/或环形模式设置，如图5所示。壳体144还可包括在绝热材料180内的至少一个空腔182。空腔可与通路流体连通和/或可具有能至少部分容纳一个或多个吹风机184的尺寸，所述吹风机构造为产生可从燃烧器装置下方被迫入燃烧区的空气流的至少一部分。
制氢装置140还可包括汽化区186、产氢区188和加热装置190，如图4所示。在一些实施方式中，制氢装置140可包括纯化区或氢纯化设备(未示出)。汽化区186可被至少基本包含在和/或位于内环形区168内，并且可经由内环形导管171与外环形区166流体相连。因此，汽化区186可称为至少部分包含在外壳142中。汽化区可包括，其构造为接收和将进料流口172接收的至少一个含液体进料流的至少一部分汽化为汽化进料流的任何合适结构。例如，汽化区186可包括可被布置在加热装置190和产氢区188之间的管路192。管路192可包括任何合适的材料，诸如不锈钢。另外，管路可具有正弦或其它横向延伸的路径，该路径提高加热装置190产生的加热排出流对进料流进行加热的热传递效果或时间量。例如，管路190可围绕内圆筒152缠绕，如图4所示。管路190可具有任何合适的形状、取向、长度、横截面积、与产氢区和/或加热装置的相对位置、路径数等。当汽化区186包括管路192时，汽化区可称为“管路汽化器”。
汽化区186还可包括填充材料194，如图6所示。填充材料可包括如下的任何合适结构：构造为将热从加热装置190的加热排出流传递到含液体进料流(s)和/或构造为提供多个成核位点196以促进含液体进料流的至少一部分的蒸发。填充材料可被包含在管路192的至少一部分内和/或可为含液体进料流提供增大的管路内的表面积和/或曲折路径，这种增大的管路内的表面积和/或曲折路径可提高热传递并促进含液体进料流的蒸发或沸腾。例如，填充材料可包括多个不规则表面198，诸如锐边、空腔和/或提供表面粗糙度的其它表面缺陷。不规则表面可提供多个成核位点的至少一部分。填充材料还可在汽化区中储热，这可在制氢装置启动过程中促进含液体进料流的部分到完全汽化。
在一些实施方式中，填充材料194可包括多个金属棒200，其构造为将热从加热装置190的加热排出流传递到至少一个含液体进料流，如图6所示。金属棒可具有其大小可配合在管路192中的任何合适尺寸。例如，金属棒200可包括导线的一部分，诸如铜、铝、铁和/或钢导线。那些导线部分可具有短的长度，诸如导线部分的直径到导线部分直径的数倍。或者可选地，填充材料194可包括由玻璃、金属和/或陶瓷组成的珠子。
汽化区186还可包括一个或多个固定物202，其构造为将填充材料194保持在管路192中，如图4所示。例如，固定物202可包括位于管路192末端部分处的绒毛(wool)(未示出)，诸如铜或不锈钢绒毛。可选地或另外地，固定物202可包括在管路192末端部分中的一个或多个限制件(未示出)。
制氢装置140的产氢区188可包括如下的任何合适结构：其构造为接收至少一个进料流(诸如来自汽化区186的至少一个进料流)并产生包含作为主要组分的氢气和其它气体的富氢流(诸如重整产品流)。例如，产氢区188可包括重整催化剂204，其构造为经由蒸汽重整反应从进料流产生重整产品流。可使用任何合适的重整催化剂。在一些实施方式中，产氢区188可被至少基本包含在和/或位于外环形区166内。在那些实施方式中，产氢区可称为被至少基本包含在外壳142内。
加热装置190可包括如下的任何合适结构：其构造为产生用于加热制氢装置的一个或多个其它组件的至少一个加热排出流。例如，加热排出流可将至少产氢区加热至至少最低产氢温度。另外地或可选地，加热排出流可将至少汽化区加热到至少最低汽化温度。因此，加热装置190可称为与制氢装置的一个或多个其它组件热连通，诸如产氢区188和/或汽化区186。
加热装置190可包括燃烧器装置206和点火器装置208。燃烧器装置可包括如下的任何合适结构：其构造为接收来自燃料流口174的至少一个燃料流和来自空气流口176的至少一个空气流并在空气流存在下燃烧该燃料流以产生至少一个加热排出流。燃料流的燃烧可发生在燃烧区210内，后者可位于制氢装置的任何合适部分中，诸如在内环形区168内。燃烧器装置可包括燃料流导管(未示出)，其至少部分围绕内圆筒152缠绕并具有多个孔(未示出)以将从燃料流口接收的燃料分配为多个燃料流。来自那些孔的多个燃料流与吹风机184排入内环形区168的空气流混合以产生燃料与空气的可燃混合物。
点火器装置208可包括如下的任何合适结构：其构造为在空气存在下点燃燃料流(和/或点燃燃料与空气的可燃混合物)。例如，点火器装置可包括体部部分212和至少一个点火器元件214，如图4所示。点火器元件214可与体部部分相连，并且可包括任何合适类型的点火器元件。例如，点火器元件214可为电子点火器和/或本公开中描述的任何其它类型的点火器。点火器装置208还可包括导线216，其可与点火器元件电连通和/或可被体部部分212至少部分包封，诸如当点火器元件214为电子点火器时。导线216可将点火器元件连接至电源，诸如电气出线口(electricaloutlet)和/或一个或多个电池。
可选地或另外地，点火器元件214可具有催化活性涂层218，其构造为在空气或氧存在下燃烧燃料(诸如含氢燃料)，如图7所示。涂层218可包括铂族金属(即，钌、铑、钯、锇、铱和钯)中的任一种(或任何组合)和/或构造为在空气或氧存在下燃烧燃料的任何其它合适的催化活性涂层。例如，涂层218可包括铂或与铑混合的铂。涂层可以是两种或更多种铂族金属的混合物和/或其它涂层。点火器元件214可由具有合适孔隙率和表面粗糙度的任何合适材料制成，诸如陶瓷和/或金属。另外，点火器元件可包括1m2/g的表面积或更优选5～10m2/g。涂层218可为点火器元件总重的约0.1%～约5%。
在一些实施方式中，点火器装置208可包括至少一个与电源电连接并与点火器元件连接的电导线222。导线可构造为引起局部加热以促进燃料流的点燃，特别是在较低操作温度和/或杂质存在下，所述杂质诸如一氧化碳，其可提高涂层218的点燃温度。导线222可，例如，围绕点火器元件214的至少一部分缠绕，诸如围绕点火器元件的末端224。任何合适的导线可用于导线222，诸如镍-铬导线。
在其中点火器装置208包括至少一个电子点火器元件214的实施方式中，加热装置190还可包括冷却块226，诸如金属冷却块，如图8～9所示。冷却块可包括如下的任何合适结构：其构造为将点火器装置208的一个或多个组件与进料流导管228热连通，其中至少一个含液体进料流在递送到汽化和/或产氢区之前从该进料流导管228通过(所述进料流导管可称为与那些区中的一个或两个流体连通)。将那些组件与进料流导管流体连通可，例如，冷却该组件并防止那些组件过热或和/或破坏。例如，当导线216为铜导线时，冷却那些导线导线可防止它们因过热导致的氧化和/或破裂。
冷却块226可包括彼此热连通的第一通道230和第二通道232。第一通道可容纳体部部分212的至少一部分和/或导线216的至少一部分。第二通道232可容纳进料流导管228的至少一部分。第一和第二通道230和232可分别沿长轴234和236延伸。第一和第二通道可彼此以任何合适的关系定位。例如，第一和第二通道可如下定位：使长轴234和236彼此平行。冷却块226可包括分别横向于第一和第二通道的长轴234和236的任何合适的横截面，如图9所示。例如，冷却块226可包括矩形、圆形和/或正方形横截面。具有正方形横截面的冷却块226如图9所示。
在一些实施方式中，制氢装置140可包括燃料分配装置410，其可包括如下的任何合适结构：其构造为将至少一个燃料流分配到燃烧区210，如图10～11所示。燃料分配装置可以任何合适的位置定位，诸如与外壳底部部分相连或至少部分与外壳底部部分一起形成。燃料分配装置410可包括底座412、筛网装置414、顶壁416、至少一个侧壁418、至少一个入口420和至少一个燃料流导管422，如图10～11所示。底座412可包括如下的任何合适结构：其构造为支撑外壳和燃料分配装置和/或提供与燃烧区流体连通的一个或多个通路。例如，底座412可包括与燃烧区流体连通的至少一个通路424。在一些实施方式中，底座412可包括如下的结构：该结构类似于如上所述的具有多个与燃烧区210流体连通的空气流口176的绝热底座144。
筛网装置414可包括如下的任何合适结构：其构造为提供用于使至少一个燃料流流到燃烧区的一个或多个路径426，如图11所示。例如，筛网装置可包括一层或多层筛网428，诸如约6～约40目的中号钢织筛网(或筛子)。筛网可包括任何合适类型的钢，诸如碳钢和不锈钢。筛网428可被支撑在底座412，并且其尺寸为配合于通路424的上方以使得该筛网延伸进入燃烧区。该筛网的尺寸还可配合于底座的至少大部分。筛网428有时可称为“燃料气分散筛网428”。尽管筛网装置414显示为包含单层筛网428，但该筛网装置也可包括两层、三层、四层、五层或更多层筛网。
顶壁416可包括任何合适的形状，并且可包括外周430。例如，顶壁可为圆形、矩形或正方形。在一些实施方式中，顶壁可与外壳一起形成或者作为外壳的底部部分的一部分。侧壁418可包括顶部部分432和底部部分434。顶部部分432可被固定或连接于顶壁416的外周430的周围。在一些实施方式中，侧壁可与顶壁和/或与外壳一起形成(或作为外壳的底部部分的一部分)。换言之，外壳的底部部分的至少一部分可以是燃料分配装置的顶壁和/或侧壁。底部部分434可被支撑在筛网装置上。侧壁418可具有任何合适的长度以允许燃料流流到燃烧区，诸如约0.2～约0.25英寸。燃料流分配区(或燃料气压力区(fuelgasplenum))436可在侧壁418内并在顶壁416和筛网装置414之间形成。
当外壳142包括具有圆形侧壁448的内圆筒152时，内圆筒可包括底板450，其在内圆筒的末端部分452的临近处被固定(诸如通过焊接)于内圆筒上或与内圆筒一起形成的底板450，由此使得底板成为顶壁416且圆形侧壁448的末端部分454成为侧壁418，从而形成形成外壳的底部部分中的空腔456，如图10～11所示。尽管顶壁416和侧壁418显示为至少部分由外壳142形成，顶壁和/或侧壁可以是固定和/或连接于外壳的独立元件。
燃料分配区可包括一个或多个入口420，其可在顶壁416和/或侧壁418上形成。燃料流导管422可与入口流体相连，并且构造为接收至少一个燃料流和将该至少一个燃料流输送到燃料分配区。在一些实施方式中，燃料流导管可穿过外壳142的任何合适部分。例如，燃料流导管422可穿过外壳的中心(或内部)部分438(如图10中实线所示)和/或一个或多个侧部(或外部)部分440(如图10中短划线所示)。当外壳142限定和/或包括纵轴442，燃料流导管可沿纵轴(如图10中实线所示)和/或平行但间隔于该纵轴的轴444(如图10中短划线所示)延伸。
当制氢装置140包括燃料分配装置410时，加热装置190可包括至少一个燃烧催化剂446，其构造为在氧存在下燃烧氢，如图10～11所示。燃烧催化剂可经由筛网装置被支撑在燃烧区内。例如，燃烧催化剂446可被支撑或布置在筛网装置414上(诸如在筛网装置的筛网428的顶层上)。燃烧催化剂可用于替代点火器装置208和/或如上所述的其它点火源或在其之外使用。例如，电子点火源(诸如上述点火器装置中的一个或多个)和燃烧催化剂446可被提供作为备用点火源。燃烧催化剂446可包括任何合适的催化剂，诸如铂、铂-铑合金和钯。燃烧催化剂可为颗粒状的，从而允许该催化剂被洒在或倾倒在筛网装置上。
在一些实施方式中，制氢装置140可包括热传导装置或热分配装置238，如图8中短划线所示。热传导装置可在外壳142外部并与外壳的至少一部分相连。热传导装置可包括如下的任何合适结构：其构造为将热从一个或多个外部加热器240(诸如加热筒)传导和/或分配至外壳的至少一部分和壳体的一个或多个环形区。外部加热器可通过升高制氢和/或汽化区的温度来帮助制氢装置的启动和/或促进制氢。热传导装置可称为将热从外部加热器分配到外壳的更大表面积上。例如，外部加热器可具有小于或基本小于热传导装置所加热的外壳部分的被加热表面积的总加热表面。
热传导装置238可包括与外壳的至少一部分连接的金属带242，诸如部分或完全围绕外壳的至少一部分。外壳的任何合适部分可被金属带覆盖。例如，外壳的下四分之一或三分之一可被金属带覆盖。金属带242可由任何合适的导热材料制成，诸如铝、铜或黄铜。外部加热器240可经由任何合适的方式连接到金属带242，诸如经由任何合适的紧固件和/或通过金属带242中容纳外部加热器的钻孔。
图1的制氢装置20的纯化区40(或氢纯化装置)的例子通常描绘为图12中的244。除非具体排除，氢纯化设备可包括本公开中所述的其它纯化区的一个或多个组件。氢纯化设备40可包括氢-分离区246和外壳248。外壳可限定具有内周252的内部空间250。外壳248可包括至少第一部分254和第二部分256，它们连接在一起形成密封压力容器形式的体部249，其可包括限定的入口和出口。那些口可限定流体路径，通过该路径气体和其它流体被递送入外壳的内部空间和从其中去除。
第一和第二部分254和256可使用任何合适的保持机制或结构258连接在一起。合适的保持机制的例子包括焊缝和/或螺钉。可用于提供第一和第二部分之间的流体密闭性界面的密封件的例子可包括衬垫和/或焊缝。另外地或可选地，第一和第二部分254和256可被紧固在一起以使得至少预定量的压力可被施加在限定外壳内氢-分离区的多个组件和/或可被加入到制氢装置中的其它组件上。所施加的压力可确保该多个组件被维持在外壳内的合适位置上。另外地或可选地，施加到限定氢-分离区的多个组件和/或其它组件上的压力可在限定氢-分离区的多个组件之间、多个其它组件之间和/或限定氢-分离区的组件和其它组件之间提供流体密闭性界面。
外壳248可包括混合气区260和渗透区262，如图12所示。混合气区和渗透区可被氢-分离区246隔开。可提供至少一个入口264，通过该入口流体流266被递送到外壳。流体流266可为被递送到混合气区260的包含氢气270和其它气体272的混合气流268。氢气可以是混合气流的主要组分。氢-分离区246可在混合气区260和渗透区262之间延伸，由此混合气区中的气体必需穿过氢-分离区以进入渗透区。气体可以，例如，被要求通过至少一个氢-选择性膜，如下面所进一步讨论的。渗透区和混合气区可在外壳内具有任何合适的相对尺寸。
外壳248还可包括至少一个产品出口274，通过该出口渗透流276可被接收和从渗透区262去除。渗透流可与混合气流相比包含较高浓度的氢气和较低浓度的其它气体中的至少一个。在一些实施方式中，渗透流276可至少初始包含载体气或扫掠气(sweepgas)组分，诸如可作为扫掠气流278通过与渗透区流体连通的扫掠气口280递送。外壳还可包括至少一个副产品出口282，通过该出口包含大部分其它气体272和较低浓度的氢气270(相对于混合气流)中至少一个的副产品流284被从混合气区去除。
氢-分离区246可包括至少一个具有第一或混合气表面288和第二或渗透表面290的氢-选择性膜286，所述第一或混合气表面的取向为与混合气流268接触，且所述第二或渗透表面290通常与表面288相对。混合气流268可被递送到外壳的混合气区，由此使其与一个或多个氢-选择性膜的混合气表面接触。渗透流276可由至少一部分通过氢-分离区通入渗透区262的混合气流形成。副产品流284可由至少一部分不通过氢-分离区的混合气流形成。在一些实施方式中，副产品流284可包含存在于混合气流中的氢气的一部分。氢-分离区也可构造为捕获或以其它方式保留其它气体的至少一部分，其随后在分离区被更换、再生或以其它方式补给时可作为副产品流被去除。
在图12中，流266、276、278和/或284可包括多于一个流入或流出氢纯化设备244的实际流。例如，氢纯化设备可接收多个混合气流268、在接触氢-分离区246之前被分为两个或更多个流的单个混合气流268、被递送到内部空间250的单个流等。因此，外壳248可包括多于一个入口264、产品出口274、扫掠气口280和/或副产品出口282。
氢-选择性膜可由适合用于氢纯化设备于其中操作的操作环境和参数中的任何氢-可渗透材料形成。氢纯化设备的例子在美国专利5,997,594和6,537,352中公开，其全部公开内容通过引用并入本文用于所有目的。在一些实施方式中，氢-选择性膜可由钯和钯合金中的至少一种形成。钯合金的例子包括钯与铜、银和/或金的合金。各种膜、膜构造和用于制备膜和膜构造的方法在美国专利6,152,995、6,221,117、6,319,306和6,537,352中公开，其全部公开内容通过引用并入本文用于所有目的。
在一些实施方式中，多个间隔开的氢-选择性膜286可用于氢-分离区以形成氢-分离装置292的至少一部分。当存在时，所述多个膜可共同限定一个或多个膜装置294。在这样的实施方式中，氢-分离装置通常可从第一部分254延伸到第二部分256。因此，第一和第二部分可有效地压缩氢-分离装置。在一些实施方式中，外壳248可另外地或可选地包含与体部部分的相对侧相连的端板(或末端框架)。在这样的实施方式中，端板可在成对的相对端板之间有效地压缩氢-分离装置(以及可被收纳到外壳内的其它组件)betweenthepairofopposing端板。
使用一个或多个氢-选择性膜的氢纯化通常是压力驱动的分离方法，其中混合气流在高于氢-分离区的渗透区中的气体的压力下被递送以与膜的混合气表面接触。在一些实施方式中，当利用氢-分离区来将混合气流分离为渗透流和副产品流时，氢-分离区可经由任何合适的机制被加热到升高的温度。使用钯和钯合金膜的氢纯化的合适操作温度的例子包括至少275℃的温度、至少325℃的温度、至少350℃的温度、275～500℃范围内的温度、275～375℃范围内的温度、300～450℃范围内的温度、350～450℃范围内的温度等。
氢纯化设备244的例子通常在图13中表示为296。除非具体排除，氢纯化设备296可包括本公开中所述的其它氢纯化设备和/或纯化区的一个或多个组件。氢纯化设备296可包括壳体或外壳298，其可包括第一端板或末端框架300和第二端板或末端框架302。第一和第二端板可构造为被紧固在一起以限定具有内部隔间304的密闭压力容器，在该内部隔间304中支撑了氢-分离区。第一和第二端板可包括类似于氢纯化设备244的入口、出口、扫掠气口和副产品口(未示出)。
氢纯化设备296还可包括至少一个氢-选择性膜306和至少一个微孔筛网结构308。氢-选择性膜可构造为接收来自入口的混合气流的至少一部分并将该混合气流分离为至少一部分渗透流和至少一部分副产品流。氢-选择性膜306可包括进料侧310和渗透侧312。由混合气流的从进料侧通入渗透侧的一部分形成至少一部分渗透流，且留在进料侧的混合气流的其余部分形成至少一部分副产品流。在一些实施方式中，氢-选择性膜306可被紧固到至少一个膜框架(未示出)上，后者随后可被紧固到第一和第二末端框架。
微孔筛网结构308可包括如下的任何合适结构：其构造为支撑至少一个氢-选择性膜。例如，微孔筛网结构可包括通常相对的表面314和316，其构造为对渗透侧312和在相对表面之间延伸的允许渗透流流动通过微孔筛网结构的多个流体通路318提供支撑，如图13所示。微孔筛网结构308可包括任何合适的材料。例如，微孔筛网结构可包括包含氧化铝层322的不锈钢320，其构造为防止不锈钢与至少一个氢-选择性膜之间的金属间扩散。
在一些实施方式中，微孔筛网结构可包括不锈钢303(铝修饰)、17-7PH、14-8PH和/或15-7PH。在一些实施方式中，不锈钢可包括约0.6～约1.5wt%的铝。在一些实施方式中，微孔筛网结构可被无孔外周壁部分或框架(未示出)所支撑和/或紧固于其上。当微孔筛网结构被筋骨于无孔外周壁部分上时，微孔筛网结构可称为“多孔中间区域部分”。其它微孔筛网结构的例子在美国专利申请公开2010/0064887中公开，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
氢纯化设备296还可包括布置于第一和/或第二末端框架之间并紧固于其上的多个板或框架324。该框架可包括任何合适的结构和/或可为任何合适的形状，诸如正方形、矩形或圆形。例如，框架324可包括外周壳体332和至少一个第一膜支撑结构340，如图13所示。外周壳体可限定开放区338和框架面339。另外，外周壳体332可包括第一和第二相对侧370和371以及第三和第四相对侧372和373，如图13所示。
第一膜支撑结构340可包括如下的任何合适结构：其构造为支撑氢-选择性膜306的第一部分386，如图13所示。例如，所述多个框架的第一膜支撑结构可在第一膜支撑平面388内彼此(或与所述多个框架的其它框架的其它第一膜支撑结构)共平面以支撑氢-选择性膜的第一部分386，如图13所示和如图14所示意性证实的。换言之，所述多个框架的每个框架的第一膜支撑结构可与该多个框架的其它框架的第一膜支撑结构成镜像。第一膜支撑平面相对于框架面339可具有任何合适的取向。例如，第一膜支撑平面388可垂直于框架面，如图14所示。或者可选地，第一膜支撑平面可交叉但不垂直于框架面339。
在一些实施方式中，框架324可包括至少一个第二膜支撑结构390，其可包括如下的任何合适结构：其构造为支撑氢-选择性膜306的第二部分392，如图13所示。例如，所述多个框架的第二膜支撑结构可在第二膜支撑平面394内彼此(或与该多个框架的其它第二膜支撑结构)共平面以支撑氢-选择性膜的第二部分392，如图13所示和图14中示意性证实的。换言之，所述多个框架的每个框架的第二膜支撑结构可与该多个框架的其它框架的第二膜支撑结构成镜像。第二膜支撑平面相对于框架面339可具有任何合适的取向。例如，第二膜支撑平面394可垂直于框架面，如图14所示。或者可选地，第二膜支撑平面可交叉但不垂直于框架面339。
第二膜支撑结构390相对于第一膜支撑结构340可具有任何合适的取向。例如，第一膜支撑结构340可从外周壳体332的第一侧370延伸到开放区338，而第二膜支撑结构390可从外周壳体的第二侧371(其与第一侧相对)延伸到该开放区。或者可选地，第一和/或第二膜支撑结构可从同一侧延伸到开放区，诸如从外周壳体的第一、第二、第三或第四侧。在一些实施方式中，第一和/或第二膜支撑结构可从外周壳体的第三侧和/或第四侧(其与第三侧相对)延伸到开放区中。
第一和/或第二膜支撑结构可为，例如，与外周壳体相连和/或与外周壳体一起形成的一个或多个突起或销状物(finger)346的形式。突起可在任何合适的方向中从外周壳体延伸。突起可为外周壳体的全厚度或者可小于该壳体的全厚度。框架324的每个框架的突起可相对于氢-选择性膜被加压，从而将膜锁定就位并减少因氢溶解而导致的氢-选择性膜膨胀的影响。换言之，框架324的突起可通过第一和/或第二膜支撑面内的末端框架的堆叠延伸(stackedextension)来支撑氢-选择性膜。在一些实施方式中，突起346可包括一个或多个接受器(receptacle)或孔352，其构造为接受至少一个紧固件396以将框架324固定到第一和/或第二末端框架，如图16所示。
框架324可包括至少一个进料框架326、至少一个渗透框架328和多个衬垫或衬垫框架330，如图13所示。进料框架326可布置在第一和第二末端框架之一与至少一个氢-选择性膜306之间或布置在两个氢-选择性膜306之间。进料框架可包括进料框架外周壳体398、进料框架输入导管334、进料框架输出导管336、进料框架开放区400、至少一个第一进料框架膜支撑结构402，如图15所示。在一些实施方式中，进料框架可包括至少一个第二进料框架膜支撑结构404。
进料框架输入导管可形成于进料框架外周壳体上和/或构造为接收来自输入口的混合气流的至少一部分。进料框架输出导管336可形成于进料框架外周壳体上和/或构造为接收留在氢-选择性膜306的进料侧310混合气流的其余部分。进料框架开放区400可被布置在进料框架输入和输出导管之间。进料框架外周壳体398可包括将输入和输出导管与进料框架开放区流体相连的多个凹槽或通道341。所述通道可经由任何合适的方法形成于外周壳体上。另外，通道341可具有任何合适的取向，诸如可在进料框架开放区400中诱导混合的斜向(angledorientations)。
第一和/或第二进料框架膜支撑结构可包括如下的任何合适结构：其构造为支撑至少一个氢-选择性膜的第一和/或第二部分和/或可如上所述般与其它框架的第一和/或第二膜支撑结构成镜像。另外，第一和/或第二进料框架膜支撑结构可包括如下的任何合适结构：其构造为当混合气流的至少一部分横向流过输入和输出导管之间的进料框架开放区时改变其流动方向。第一和/或第二进料框架膜支撑结构还可构造为在进料框架开放区内促进湍流或混合。例如，在没有第一和/或第二进料框架膜支撑结构时，混合气流的至少一部分横向流过输入和输出导管之间的进料框架开放区的流动可在至少第一方向342中移动。第一和/或第二进料框架膜支撑结构可构造为将混合气流的至少一部分的流动从至少第一方向改变为不同于该第一方向的至少第二方向344，如图15所示。
第一和/或第二进料框架膜支撑结构可为，例如，与进料框架外周壳体相连和/或与进料框架外周壳体一起形成的一个或多个突起或销状物406的形式。进料框架突起可以任何合适的方向从外周壳体延伸。例如，混合气流的至少一部分可在大体第三方向348中从输入导管朝向进料框架开放区流动，而进料框架突起可在大体垂直于该第三方向(诸如，如图15所示)和/或大体平行于该第三方向(诸如，如图16所示)的第四方向350中从进料框架外周壳体延伸。例如，如果混合气流从输入导管朝向进料框架开放区的流动大体在水平方向，则进料框架突起可在基本竖直的方向(如图15所示)和/或基本水平方向(如图16所示)从进料框架外周壳体延伸。
在一些实施方式中，进料框架突起可构造为促进反向于混合气流的流动。例如，混合气流的至少一部分可大体在第三方向348中从输入导管朝向进料框架开放区流动，而混合气流可大体在第五方向351中从进料框架开放区流入输出导管中。当第五方向与第三方向反向时，则进料框架突起可称为促进反向于混合气流的流动。
渗透框架328可如下定位：使至少一个氢-选择性膜被布置在第一和第二末端框架之一与渗透框架之间或布置在两个氢-选择性膜之间。渗透框架可包括渗透框架外周壳体360、渗透框架输出导管362、渗透框架开放区364和至少一个第一渗透框架膜支撑结构366，如图17所示。在一些实施方式中，渗透框架可包括至少一个第二渗透框架膜支撑结构408。
输出导管362可形成于渗透框架外周壳体360上和/或构造为接收来自渗透框架开放区364和氢-选择性膜的渗透流。外周壳体360可包括将输出导管362与渗透框架开放区流体相连的多个凹槽或通道368。所述通道可经由任何合适的方法形成于外周壳体360上。另外，通道368可具有任何合适的取向，诸如斜向。
第一和/或第二渗透框架膜支撑结构可包括如下的任何合适结构：其构造为支撑至少一个氢-选择性膜的第一和/或第二部分和/或可如上所述般与其它框架的第一和/或第二膜支撑结构成镜像。第一和/或第二渗透框架膜支撑结构可为，例如，与外周壳体360相连或与该壳体一起形成的至少一个突起或销状物374的形式。突起可在任何合适的方向从外周壳体360延伸。例如，突起可在基本竖直的方向(如图17所示)和/或基本水平的方向(如图18所示)从外周壳体延伸。突起374可为外周壳体360的全厚度或者可小于该壳体的全厚度。突起可对氢-选择性膜加压从而将该膜锁定就位并减少因氢溶解导致的氢-选择性膜膨胀的影响。换言之，突起可通过第一和/或第二膜支撑面内的第一和/或第二末端框架的堆叠延伸来支撑氢-选择性膜。
突起374可包括一个或多个接受器或孔376，其构造为接受至少一个紧固件(未示出)以将渗透框架固定于第一和/或第二末端框架上。在一些实施方式中，输出导管362可位于一个或多个突起374上。在那些实施方式中，通道368可将输出导管与开放区364流体相连，如图18所示。由于上面所讨论的框架的突起延伸到开放区中，那些突起也可称为“限制件”或“流动限制件”。
框架324还可包括衬垫或衬垫框架330，如图13所示。衬垫框架可包括如下的任何合适结构：其构造为在其它框架之间提供流体密闭性界面，诸如在第一和第二端板300和302与进料框架326之间，在,进料框架326与氢-选择性膜306之间，在氢-选择性膜(以及微孔筛网结构)与渗透框架328之间。用于衬垫框架330的合适衬垫的例子为挠性石墨衬垫。合适的衬垫材料的另一个例子是866，FlexitallicLP(DeerPark,Texas)出售。尽管框架324显示为包含两个进料框架326和单个渗透框架328，该框架可包括任何合适数量的进料框架和渗透框架。另外，尽管氢纯化设备296显示包含两个氢-选择性膜306，该设备可包括任何合适数量的那些膜。
尽管框架324显示包含仅在垂直方向或仅在水平方向延伸的突起，该框架可另外地或可选地包含在水平、垂直和/或其它合适方向(诸如对角线方向)延伸的突起。另外，尽管框架324显示包含单个或两个突起，该框架可包含三个、四个、五个或更多个突起。而且，尽管框架324显示包含在第一和/或第二膜支撑面中共平面的突起，该框架可另外地或可选地包含在第三、第四、第五或更多膜支撑面内共平面的突起。
框架324，诸如进料框架326和/或渗透框架328，可包括任何合适的结构。例如，框架324可包括第一部分378和第二部分380，如图19所示。第一和第二部分可为框架的第一和第二半边(halves)，或者可以是该框架的任何合适部分。另外，第一部分可包括第一通道或第一凹槽382，而第二部分可包括第二通道或第二凹槽384。第一和第二通道可彼此具有任何合适的关系，诸如彼此偏置。第一和第二部分378和380可经由任何合适的方法接合以在那些部分之间形成气密性密封。例如，第一和第二部分可被铜焊在一起，或者可在该部分之间使用衬垫。接合第一和第二部分的另一个例子(诸如制造框架324的部件)大体上在图20中显示为500。在步骤502，第一和第二部分可用具有预定熔点的至少一种压条金属(layeringmetal)电镀。第一和第二部分可由至少一种包层金属制成，诸如铜包层的钢(例如，铜包层的不锈钢和铜包层的碳钢)。压条金属可，例如，包含锡。
在步骤504，第一和第二部分可被接合在一起。在一些实施方式中，第一部分可包括第一通道(或通道部分)，第二部分可包括第二通道(或通道部分)，且接合第一和第二部分可包括将那些部分接合以使得第一和第二通道彼此面对和/或彼此偏置。在步骤506，接合部分的温度可被升高到压条金属的熔点之上。液态的压条金属可在第一和第二部分之间的界面处形成初始密封和/或填充缺陷(imperfections)。在步骤508，压条金属可被允许扩散入第一和第二部分中以形成合金。该合金的熔点可高于压条金属的熔点。例如，当第一和第二部分是铜包层的且压条金属是锡时，所形成的合金可以是锡-铜合金。然而，上面所讨论的步骤可以不同顺序和不同组合进行，并非所有步骤对于所有方法实施方式都是必需的。
本公开的制氢装置和/或氢纯化设备可包括以下中的一个或多个：
о被支撑在绝缘底座上的外壳。
о包括顶部部分和/或底部部分的外壳。
о包括纵轴的外壳。
о汽化区，其构造为接收至少一个含液体进料流的至少一部分并将其汽化为蒸汽进料流。
о汽化区，其被包含在外壳内。
о汽化区，其包括填充材料并构造为将热从加热排出流传递到至少一个含液体进料流。
о汽化区，包括布置在加热装置和产氢区之间的管路。
о填充材料，其被包含在管路的至少一部分内。
о填充材料，其构造为提供多个成核位点以促进至少一个含液体进料流的至少一部分的汽化。
о填充材料，其包括多个不规则表面，所述不规则表面提供了所述多个成核位点的至少一部分。
о填充材料，其包括多个金属棒并构造为将热从加热排出流传递至少一个含液体进料流。
о多个金属棒，其包括铜导线和铝导线中至少一种的多个部分。
о产氢区，其包含重整催化剂。
о产氢区，其构造为接收至少一个进料流(和/或蒸汽进料流)并经由蒸汽重整反应产生重整产品流。
о产氢区，其被包含在外壳内。
о加热装置，其构造为产生用于将加热汽化区加热至至少最低汽化温度和/或将产氢区加热至少最低产氢温度的加热排出流。
о加热装置，其构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流波并在外壳内包含的燃烧区内燃烧该至少一个燃料流以产生用于将至少产氢区加热到至少最低产氢温度的加热排出流。
о加热装置，其与产氢区热连通。
о加热装置，其包括用于接收至少一个燃料流和至少一个空气流的入口。
о加热装置，其包括构造为点燃至少一个燃烧流的点火器装置。
о点火器装置，其包括体部部分。
о点火器装置，其包括与体部部分相连的至少一个点火器元件。
о点火器装置，其包括与至少一个点火器元件电连通和/或被体部部分至少部分包封的导线。
о加热装置，其包括金属冷却块。
о金属冷却块，其具有彼此热连通的至少第一和第二通道。
о金属冷却块的第一通道，其容纳了点火器装置的体部部分的至少一部分。
о金属冷却块的第二通道，其容纳了导管的至少一部分。
о金属冷却块，其具有横向于第一和第二通道的长轴的矩形横截面。
о绝热底座，其构造为降低外壳的外部温度。
о绝热底座，其临近燃烧区。
о绝热底座，其包括绝热材料和/或通过绝热材料延伸的至少一个通路。
о至少一个通路，其与燃烧区流体连通。
о绝热底座，其包括在绝热材料内的至少一个空腔。
о至少一个空腔，其尺寸为至少部分容纳吹风机，所述吹风机构造为产生至少一个空气流的至少一部分和/或与至少一个通路流体连通。
о至少一个通路，其包括以曲线形和/或环形模式设置的多个通路。
о绝热底座，其临近外壳的底部部分并与顶部部分隔开。
о导管，其与产氢区流体连通和/或至少一个进料流在递送到产氢区之前从其中通过。
о燃料分配装置，其构造为将至少一个燃料流分配到燃烧区中。
о燃料分配装置，其与外壳的底部部分相连。
о燃料分配装置，其被布置在外壳的底部部分与绝热底座之间。
о底座，其包括与燃烧区流体连通的至少一个通路。
о筛网装置，其被支撑在底座上。
о筛网装置，其被支撑在绝热底座上。
о筛网装置，其用于使至少一个燃料流从燃料流分配区流到燃烧区的至少一个路径。
о筛网装置，其包括至少一层筛网。
о筛网装置，其延伸到燃烧区中。
о至少一个燃烧催化剂，其被支撑在燃烧区内和筛网装置上。
о至少一个燃烧催化剂，其构造为在氧存在下燃烧氢。
о顶壁，其具有外周。
о顶壁，其与外壳一起形成。
о至少一个侧壁，其具有顶部部分和底部部分。
о至少一个侧壁的顶部部分，其被围绕顶壁的外周固定。
о至少一个侧壁的底部部分，其被被支撑在筛网装置上。
о燃料流分配区，其形成于至少一个侧壁内和顶壁与筛网装置之间。
о至少一个侧壁，其与外壳一起形成。
о入口，其进入燃料流分配区。
о入口，其形成于顶壁上。
о燃料流导管，其与入口流体相连并构造为接收至少一个燃烧流。
о燃料流导管，其穿过外壳的一部分。
о燃料流导管，其沿外壳的纵轴延伸。
о燃料流导管，其沿平行但间隔于外壳的纵轴的轴延伸。
о热传导装置，其在外壳的外部和/或与外壳的至少一部分相连。
о热传导装置，其构造为将热从与该热传导装置相连的一个或多个外部加热器传导到外壳的至少一部分。
о热传导装置，其包括与外壳的至少一部分相连的金属带。
о金属带，其包括铝。
о一个或多个外部加热器，其总加热表面积小于(或基本小于)被热传导装置加热的外壳的至少一部分的加热表面积。
о第一和第二末端框架，其包括入口，所述入口构造为接收包含氢气和其它气体的混合气流。
о第一和第二末端框架，其包括出口，所述出口构造为接收与混合气流相比包含较高浓度的氢气和较低浓度的其它气体的渗透流。
о第一和第二末端框架，其包括副产品口，所述副产品口构造为接收包含至少大部分其它气体的副产品流。
о至少一个氢-选择性膜，其被布置在第一和第二末端框架之间。
о至少一个氢-选择性膜，其具有进料侧和渗透侧。
о渗透流的至少一部分，其由从至少一个氢-选择性膜的进料侧通到渗透侧的混合气流的一部分形成。
о留在至少一个氢-选择性膜的进料侧的混合气流的其余部分形成了副产品流的至少一部分。
о多个框架，其被布置在第一和第二末端框架与至少一个氢-选择性膜之间。
о框架，其包括限定开放区和框架面的外周壳体。
о至少一个第一膜支撑结构，其延伸到开放区中。
о至少一个第一膜支撑结构，其延伸到外周壳体的第一侧上的开放区中。
о多个框架的第一膜支撑结构，其在垂直于框架面的第一膜支撑平面内共平面以支撑至少一个氢-选择性膜的第一部分。
о每个第一膜支撑结构与多个框架的其它第一膜支撑结构在第一膜支撑面内共平面。
о第一膜支撑平面，其垂直于多个框架的每个框架的框架面。
о至少一个第一膜支撑结构，其包括一个或多个接受器，所述接受器构造为接受至少一个紧固件以将多个框架固定到第一和第二末端框架上。
о至少一个第一膜支撑结构，其与外周壳体一起形成。
о至少一个第二膜支撑结构，其延伸到开放区中。
о至少一个第二膜支撑结构，其延伸到与外周壳体的第一侧相对的第二侧上的开放区中。
о多个框架的第二膜支撑结构，其在间隔于第一膜支撑平面和/或垂直于框架面的第二膜支撑平面内共平面以支间隔于第一部分的至少一个氢-选择性膜的第二部分。
о每个第二膜支撑结构与多个框架的其它第二膜支撑结构在第二膜支撑面内共平面。
о第二膜支撑平面，其垂直于多个框架的每个框架的框架面。
о至少一个第二膜支撑结构，其包括一个或多个接受器，所述接受器构造为接受至少一个紧固件以将多个框架固定到第一和第二末端框架上。
о至少一个进料框架，其被布置在第一和第二末端框架中的至少一个与至少一个氢-选择性膜之间。
о至少一个进料框架，其包括进料框架外周壳体。
о至少一个进料框架，其包括形成于进料框架外周壳体上的输入导管和/或构造为接收来自入口的混合气流的至少一部分。
о至少一个进料框架，其包括形成于进料框架外周壳体上的输出导管和/或构造为接收留在至少一个氢-选择性膜的进料侧上的混合气流的至少一部分的其余部分。
о至少一个进料框架，其包括布置在输入和输出导管之间的进料框架开放区。
о至少一个进料框架，其包括在第一膜支撑面内的至少一个进料框架膜支撑结构。
о至少一个进料框架膜支撑结构，其与多个框架的其它框架的至少一个第一膜支撑结构共平面以至少一个氢-选择性膜的第一部分。
о至少一个进料框架支撑结构，其在第二膜支撑面内。
о至少一个进料框架膜支撑结构，其与多个框架的其它框架的至少一个第二膜支撑结构共平面以支撑间隔于第一部分的至少一个氢-选择性膜的第二部分。
о至少一个进料框架膜支撑结构，其构造为在混合气流的至少一部分横向流过输入和输出导管之间的进料框架开放区时改变混合气区蒸汽的流动方向。
о在没有至少一个进料框架膜支撑结构的情况下，混合气流的至少一部分横向流过输入和输出导管之间的进料框架开放区的流动在至少第一方向中移动，且至少一个进料框架膜支撑结构构造为将混合气流的至少一部分的流动从至少第一方向改变为不同于该至少第一方向的至少第二方向。
о至少一个进料框架膜支撑结构，其包括一个或多个接受器，所述接受器构造为接受至少一个紧固件以将进料框架固定到第一和第二末端框架中的至少一个上。
о至少一个进料框架膜支撑结构，其与外周壳体一起形成。
о至少一个进料框架膜支撑结构，其在大体平行和/或垂直于第三方向的第四方向中从外周壳体延伸，其中混合气流的至少一部分从输入导管朝向进料框架开放区的流动大体在第三方向中。
о进料框架外周壳体，其包括将输入和输出导管与开放区流体相连的多个通道。
о至少一个氢-选择性膜，其被布置在第一和第二末端框架中的至少一个与至少一个渗透框架之间。
о至少一个渗透框架，其包括渗透框架外周壳体。
о至少一个渗透框架，其包括形成于渗透框架外周壳体上的输出导管和/或构造为接收来自至少一个氢-选择性膜的渗透流的至少一部分。
о至少一个渗透框架，其包括被渗透框架外周壳体围绕的渗透框架开放区。
о至少一个渗透框架，其包括在第一膜支撑面内的至少一个渗透框架膜支撑结构。
о至少一个渗透框架膜支撑结构，其与多个框架的其它框架的至少一个第一膜支撑结构共平面以支撑至少一个氢-选择性膜的第一部分。
о至少一个渗透框架膜支撑结构，其在第二膜支撑面内。
о至少一个渗透框架膜支撑结构，其与多个框架的其它框架的至少一个第二膜支撑结构共平面以支撑间隔于第一部分的至少一个氢-选择性膜的第二部分。
о至少一个渗透框架膜支撑结构，其包括一个或多个接受器，所述接受器构造为接受至少一个紧固件以将渗透框架固定到第一和第二末端框架中的至少一个上。
о至少一个渗透框架膜支撑结构，其与渗透框架外周壳体一起形成。
о微孔筛网结构，其构造为支撑至少一个氢-选择性膜。
о微孔筛网结构，其包括通常相对的表面，并构造为对至少一个氢-选择性膜的渗透侧和/或在相对表面之间延伸的多个流体通路提供支撑。
о微孔筛网结构，其包括包含氧化铝层的不锈钢，所述氧化铝层构造为防止不锈钢与至少一个氢-选择性膜之间的金属间扩散。
о微孔筛网结构，其包括具有约0.6～约1.5wt%铝的不锈钢。
о微孔筛网结构，其包括303(铝修饰)、17-7PH、13-8PH和15-7PH不锈钢之一。
о框架，其被布置在第一和第二末端框架之间并固定到其中的至少一个上。
о框架，其包括第一和第二部分。
о框架的第一和第二部分，其由至少一种包层金属制成，诸如铜包层的不锈钢和/或铜包层的碳钢。
о框架的第一和第二部分，其用至少一种具有金属熔点的压条金属电镀，诸如锡。
о框架的第一和第二部分，其接合在一起。
о框架的第一和第二部分，其接合在一起并被加热到高于被电镀在第一和第二部分上的至少一种压条金属的熔点的温度。
о框架的第一和第二部分，其接合在一起并被加热到高于被电镀在第一和第二部分上的至少一种压条金属的熔点的温度。
о至少一种压条金属，其被允许扩散入第一和第二部分中，由此形成熔点高于所述至少一种压条金属的熔点的合金。
о框架的第一和第二部分，其分别包括第一和第二通道。
о框架的第一和第二部分，其分别包括第一和第二通道。
о第一和第二部分，其接合为使得第一和第二通道彼此偏置。
工业实用性
本公开，包括制氢装置、氢纯化设备以及那些装置和设备的组件，可用于其中氢气被纯化、产生和/或利用的燃料加工和其它工业。
上面所阐述的公开内容涵盖了具有独立实用性的多个不同发明。尽管这些发明中的每个均已被以其优选方式公开，本文中所公开和说明的其具体实施方式并不被视为具有限制性的意义，因为有很多改动是可行的。本发明的主题包括本文中公开的各种要素、特征、功能和/或特性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。类似地，当任何权利要求述及“一个”或“第一”要素或其等价形式时，这样的权利要求应被理解为包含加入一个或多个这样的要素，既不是需要也不是排除两个或更多个这样的要素。
在特征、功能、要素和/或特性的多种组合和子组合中实施的发明可通过相关应用中的新权利要求的阐述而被要求保护。这样的新权利要求无论是涉及不同发明或涉及相同发明，也应被视为包含在本公开的发明的主题内。

Claims (45)

1.一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收包含水和含碳原料的至少一个含液体进料流并产生包含作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品流，所述装置包括：
汽化区，其构造为接收和汽化所述至少一个含液体进料流的至少一部分以形成汽化进料流；
产氢区，其包含重整催化剂并构造为接收所述汽化进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流；和
加热装置，其构造为产生用于将所述汽化区加热到至少最低汽化温度的加热排出流，其中所述汽化区包括构造为将热从所述加热排出流传递到所述至少一个含液体进料流的填充材料。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述汽化区包括布置在所述加热装置和所述产氢区之间的管路，其中所述填充材料被包含在所述管路的至少一部分内。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述填充材料进一步构造为提供多个成核位点以促进所述至少一个含液体进料流的至少一部分的汽化。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述填充材料包括多个不规则表面，所述不规则表面提供了所述多个成核位点的至少一部分。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述填充材料包括构造为将热从所述加热排出流传递到所述至少一个含液体进料流的多个金属棒。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述多个金属棒包括铜线和铝线中至少一个的多个部分。
7.如权利要求1所述的装置，还包括：
外壳，其中所述汽化区和所述产氢区被包含在所述外壳内；和
位于所述外壳外部并与所述外壳的至少一部分相连的热传导装置，所述热传导装置构造为将热从与所述热传导装置相连的一个或多个外部加热器传导到所述外壳的所述至少一部分。
8.如权利要求1所述的装置，还包括外壳，其中所述汽化区和所述产氢区被包含在所述外壳内，且其中所述加热装置构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流并且在所述外壳内包含的燃烧区内燃烧所述至少一个燃料流以产生所述加热排出流，所述装置还包括构造为降低所述外壳的外部温度的绝热底座，所述绝热底座临近所述燃烧区，其中所述外壳被支撑在所述绝热底座上，且所述绝热底座包括绝热材料和通过该绝热材料延伸的至少一个通路，所述至少一个通路与所述燃烧区流体连通。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述加热装置构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流并且在外壳内包含的燃烧区内燃烧所述至少一个燃料流以产生加热排出流，所述装置还包括：
外壳，其中所述汽化区和所述产氢区被包含在所述外壳内；和
燃料分配装置，其与所述外壳的底部部分相连并构造为将所述至少一个燃料流分配到燃烧区内，所述燃料分配装置包括：
包括与所述燃烧区流体连通的至少一个通路的底部部分，
被支撑在所述底部部分上的筛网装置，
具有外周的顶壁，
具有顶部部分和底部部分的至少一个侧壁，所述顶部部分被固定在所述外周周围，且所述底部部分被支撑在所述筛网装置上，由此使得在所述至少一个侧壁内和所述顶壁与所述筛网装置之间形成燃料流分配区，
进入所述燃料流分配区的入口，和
与所述入口流体相连并构造为接收所述至少一个燃料流的燃料流导管，其中所述筛网装置包括用于使所述至少一个燃料流从所述燃料流分配区流到所述燃烧区的至少一个路径。
10.如权利要求1所述的装置，还包括与所述汽化区流体连通的导管，所述至少一个含液体进料流在递送到所述汽化区之前从该导管穿过，其中所述加热装置包括：
入口，其用于接收至少一个燃料流和至少一个空气流；
点火器装置，其构造为点燃所述至少一个燃烧流，所述点火器装置包括：
体部部分；
与所述体部部分相连的至少一个点火器元件；和
与所述至少一个点火器元件电连通并被所述体部部分至少部分包封的导线；和
金属冷却块，其具有彼此热连通的至少第一和第二通道，所述第一通道容纳所述体部部分的至少一部分和所述导线的至少一部分，且所述第二通道容纳所述导管的至少一部分。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述加热装置包括构造为点燃燃料流的点火器装置，所述点火器装置包括具有构造为在氧存在下燃烧氢的催化活性涂层的点火器元件。
12.一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收至少一个进料流并产生包含作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品流，包括：
外壳；
产氢区，其被包含在所述外壳内并包括重整催化剂，所述产氢区构造为从所述至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产品流；
加热装置，其构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流并且在所述外壳内包含的燃烧区内燃烧所述至少一个燃料流以产生用于将至少所述产氢区加热到至少最低产氢温度的加热排出流；和
绝热底座，其构造为降低所述外壳的外部温度，所述绝热底座临近所述燃烧区，其中所述外壳被支撑在所述绝热底座上，且所述绝热底座包括绝热材料和通过该绝热材料延伸的至少一个通路，所述至少一个通路与所述燃烧区流体连通。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述绝热底座还包括在所述绝热材料内的至少一个空腔，且其中所述至少一个空腔：(a)具有能至少部分容纳构造为产生所述空气流的至少一部分的吹风机，和(b)与所述至少一个通路流体连通。
14.如权利要求12所述的装置，其中所述至少一个通路包括多个以曲线形式设置的通路。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述多个通路以环形形式设置。
16.如权利要求12所述的装置，其中所述外壳包括顶部部分和底部部分，且所述绝热底座临近所述底部部分并与所述顶部部分隔开。
17.如权利要求12所述的装置，还包括与汽化区流体连通的导管，所述至少一个含液体进料流在递送到所述汽化区之前从该导管穿过，其中所述加热装置包括：
入口，其用于接收至少一个燃料流和至少一个空气流；
点火器装置，其构造为点燃所述至少一个燃烧流，所述点火器装置包括：
体部部分；
与所述体部部分相连的至少一个点火器元件；和
与所述至少一个点火器元件电连通并被所述体部部分至少部分包封的导线；和
金属冷却块，其具有彼此热连通的至少第一和第二通道，所述第一通道收纳所述体部部分的至少一部分和所述导线的至少一部分，且所述第二通道收纳所述导管的至少一部分。
18.如权利要求12所述的装置，其中所述外壳包括底部部分，还包括布置在所述外壳的底部部分和所述绝热底座之间的燃料分配装置，所述燃料分配装置构造为将所述至少一个燃料流分配到所述燃烧区中，所述燃料分配装置包括：
被支撑在所述绝热底座上的筛网装置，
具有外周的顶壁，
具有顶部部分和底部部分的至少一个侧壁，所述顶部部分被固定在所述外周周围，且所述底部部分被支撑在所述筛网装置上，由此使得在所述至少一个侧壁内和在所述顶壁和所述筛网装置之间形成燃料流分配区，
进入所述燃料流分配区的入口，和
与所述入口流体相连的燃料流导管，其构造为接收所述至少一个燃烧流，其中所述筛网装置包括用于使所述至少一个燃料流从所述燃料流分配区流到所述燃烧区的至少一个路径。
19.如权利要求12所述的装置，其中所述加热装置包括点火器装置，其构造为点燃燃料流，所述点火器装置包括具有构造为在氧存在下燃烧氢的催化活性涂层的点火器元件。
20.如权利要求12所述的装置，还包括在所述外壳外部并与所述外壳的至少一部分相连的热传导装置，所述热传导装置构造为将热从一个或多个与所述热传导装置相连的外部加热器传导到所述外壳的所述至少一部分。
21.一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收至少一个进料流并产生包含作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品流，包括：
外壳；
产氢区，其被包含在所述外壳内并和包括重整催化剂和，其构造为接收所述至少一个进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流；
进料流导管，其与所述产氢区流体连通，且所述至少一个进料流在递送到所述产氢区之前从该进料流导管中穿过；和
加热装置，其与所述产氢区热连通，所述加热装置包括：
入口，其用于接受至少一个燃料流和至少一个空气流；
点火器装置，其构造为点燃所述至少一个燃烧流，所述点火器装置包括：
体部部分；
与所述体部部分相连的至少一个点火器元件；和
与所述至少一个点火器元件电连通并被所述体部部分至少部分包封的导线；和
金属冷却块，其具有彼此热连通的至少第一和第二通道，所述第一通道收纳所述体部部分的至少一部分和所述导线的至少一部分，且所述第二通道收纳所述进料流导管的至少一部分。
22.如权利要求21所述的装置，其中所述金属冷却块的至少一部分具有横向于所述第一和第二通道的长轴的矩形横截面。
23.如权利要求21所述的装置，其中所述外壳包括底部部分，且所述加热装置构造为在所述外壳内包含的燃烧区内燃烧所述至少一个燃料流以产生用于将至少所述产氢区加热到至少最低产氢温度的加热排出流，所述外壳还包括与所述外壳的底部部分相连并构造为将所述至少一个燃料流分配到所述燃烧区内的燃料分配装置，所述燃料分配装置包括：
包括与所述燃烧区流体连通的至少一个通路的底座，
被支撑在所述底座上的筛网装置，
具有外周的顶壁，
具有顶部部分和底部部分的至少一个侧壁，所述顶部部分被固定在所述外周周围，且所述底部部分被支撑在所述筛网装置上以使得在所述至少一个侧壁内并在所述顶壁和所述筛网装置之间形成燃料流分配区，
进入所述燃料流分配区的燃料流入口，和
与所述入口流体相连并构造为接收所述至少一个燃烧流的的燃料流导管，其中所述筛网装置包括用于使所述至少一个燃料流从所述燃料流分配区流到所述燃烧区的至少一个路径。
24.如权利要求21所述的装置，其中所述加热装置包括构造为点燃燃料流的点火器装置，所述点火器装置包括具有催化活性涂层的点火器元件，所述催化活性涂层构造为在氧气存在下燃烧氢。
25.如权利要求21所述的装置，还包括在所述外壳外部并与该外壳的至少一部分相连的热传导装置，所述热传导装置构造为将热从一个或多个与所述热传导装置相连的外部加热器传导到所述外壳的所述至少一部分。
26.一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收至少一个进料流并产生包含作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品流，所述装置包括：
产氢区，其包含重整催化剂并构造为接收所述至少一个进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流；和
加热装置，其与所述产氢区热连通，所述加热装置包括构造为点燃至少一个燃烧流的点火器装置，所述点火器装置包括具有催化活性涂层的点火器元件，所述催化活性涂层构造为在氧存在下燃烧氢。
27.如权利要求26所述的装置，其中所述点火器装置还包括与所述点火器元件的至少一部分相连的导线，所述导线与电源电连接。
28.如权利要求27所述的装置，其中所述导线被缠绕在所述点火器元件的至少一部分上。
29.如权利要求26所述的装置，其中所述催化活性涂层包括铂、铑和钯中的至少一种。
30.如权利要求26所述的装置，其中所述点火器元件包括陶瓷材料和金属材料中的至少一种。
31.如权利要求26所述的装置，其中所述加热装置构造为接收所述至少一个空气流和所述至少一个燃料流并在外壳内包含的燃烧区内燃烧所述至少一个燃料流以产生用于将至少所述产氢区加热到至少最低产氢温度的加热排出流，所述装置还包括：
外壳，其具有底部部分，其中所述产氢区被包含在所述外壳内；和
燃料分配装置，其与所述外壳的底部部分相连并构造为将所述至少一个燃料流分配到所述燃烧区中，所述燃料分配装置包括：
包括与所述燃烧区流体连通的至少一个通路的底座，
被支撑在所述底座上的筛网装置，
具有外周的顶壁，
具有顶部部分和底部部分的至少一个侧壁，所述顶部部分被固定在所述外周周围，且所述底部部分被支撑在所述筛网装置上以使得在所述至少一个侧壁内和在所述顶壁与所述筛网装置之间形成燃料流分配区，和
与入口流体相连并构造为接收所述至少一个燃料流的燃料流导管，其中所述筛网装置包括用于使至少一个燃料流从燃料流分配区流到燃烧区的至少一个路径。
32.如权利要求31所述的装置，还包括在外壳外部并与该外壳的至少一部分相连的热传导装置，所述热传导装置构造为将热从一个或多个与所述热传导装置相连的外部加热器传导到所述外壳的所述至少一部分。
33.一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收至少一个进料流并产生包含作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品流，包括：
具有底部部分的外壳；
被包含在所述外壳内并包括重整催化剂的产氢区，所述产氢区构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产品流；
加热装置，其构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流并在所述外壳内包含的燃烧区内燃烧所述至少一个燃料流以产生用于将至少所述产氢区加热到至少最低产氢温度的加热排出流；和
与所述外壳的底部部分相连的燃料分配装置，其构造为将所述至少一个燃料流分配到所述燃烧区中，所述燃料分配装置包括：
包括与所述燃烧区流体连通的至少一个通路的底座，
被支撑在所述底座上的筛网装置，
具有外周的顶壁，
具有顶部部分和底部部分的至少一个侧壁，所述顶部部分被固定在所述外周周围，且所述底部部分被支撑在所述筛网装置上以使得在所述至少一个侧壁内和在所述顶壁与所述筛网装置之间形成燃料流分配区，
进入燃料流分配区的入口，和
与所述入口流体相连的燃料流导管，其构造为接收所述至少一个燃烧流，其中所述筛网装置包括用于使至少一个燃料流从燃料流分配区流到燃烧区的至少一个路径。
34.如权利要求33所述的装置，其中所述筛网装置延伸到所述燃烧区中，所述加热装置还包括经由所述筛网装置被支撑在所述燃烧区内的至少一个燃烧催化剂，所述至少一个燃烧催化剂的构造为在氧存在下燃烧氢。
35.如权利要求33所述的装置，其中所述入口在所述顶壁上形成，且所述燃料流导管从所述外壳的一部分穿过。
36.如权利要求33所述的装置，其中所述外壳限定了纵轴，且所述燃料流导管沿所述纵轴延伸。
37.如权利要求36所述的装置，其中所述外壳包括纵轴，且所述燃料流导管沿平行但间隔于所述纵轴的轴延伸。
38.如权利要求36所述的装置，其中所述顶壁和所述至少一个侧壁中的至少一个与外壳一起形成。
39.如权利要求33所述的装置，其中所述筛网装置包括至少一层筛网。
40.如权利要求33所述的装置，还包括在外壳外部并与所述外壳的至少一部分相连的热传导装置，所述热传导装置构造为将热从一个或多个与所述热传导装置相连的外部加热器传导到所述外壳的所述至少一部分。
41.一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收至少一个进料流并产生包含作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品流，包括：
外壳；
产氢区，其被包含在所述外壳内并包括重整催化剂，所述产氢区构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产品流；和
热传导装置，其在外壳外部并与所述外壳的至少一部分相连，所述热传导装置构造为将热从一个或多个与所述热传导装置相连的外部加热器传导到所述外壳的所述至少一部分。
42.如权利要求41所述的装置，其中所述热传导装置包括与所述外壳的至少一部分相连的金属带。
43.如权利要求42所述的装置，其中所述金属带包括铝。
44.如权利要求42所述的装置，其中所述一个或多个外部加热器包括如下的总加热表面积：其小于被所述热传导装置加热的所述外壳的所述至少一部分的表面积。
45.如权利要求44所述的装置，其中所述一个或多个外部加热器包括如下的总加热表面积：其基本小于被所述热传导装置加热的所述外壳的所述至少一部分的表面积。
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