CN111542383A - 氢纯化设备 - Google Patents

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Abstract

本公开内容提供了氢纯化设备及其部件。在一些实施方式中，所述设备可包括设置在第一端部框架和第二端部框架之间并固定至第一端部框架和第二端部框架的至少一个箔片微孔筛网装置。所述至少一个箔片微孔筛网装置可以包括至少一个氢选择性膜和至少一个微孔筛网结构，所述微孔筛网结构包括具有形成多个流体通道的多个孔的非多孔平面片。所述平面片可以包括构造为向渗透侧提供支撑的大致上相对的平面表面。所述多个流体通道可在所述相对的表面之间延伸。所述至少一个氢选择性膜可以冶金结合到所述至少一个微孔筛网结构。在一些实施方式中，所述设备可包括具有至少一个膜支撑结构的渗透框架，该膜支撑结构跨过开放区的至少大部分并且构造为支撑至少一个箔片微孔筛网装置。

Description

氢纯化设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月4日提交的名称为“氢纯化设备”的美国专利申请号15/862,474的优先权，该申请是2013年3月14日提交的名称为“制氢装置和氢纯化设备”的美国专利申请序列号13/829,766、现授权美国专利号9,187,324的部分继续申请，现授权美国专利号9,187,324的申请是2012年8月30日提交的名称为“制氢装置”的美国专利申请序列号13/600,096的部分继续申请。上述申请的全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
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成分的产物流的装置。原料可包括含碳原料，并且在一些实施方式中，还可包括水。原料从原料输送系统输送到制氢装置的产氢区，通常是在压力和升高的温度下输送原料。产氢区常常与温度调节装置(例如加热装置或冷却装置)相关联，该温度调节装置消耗一个或多个燃料流以使产氢区维持在合适的温度范围内，以便有效地产生氢气。制氢装置可通过任何合适的(一个或多个)机制，诸如例如蒸汽重整、自热重整、热解和/或催化部分氧化等机制产生氢气。
然而，所生成或产生的氢气可能具有杂质。该气体可以称为包含氢气和其他气体的混合气体流。在使用混合气体流之前，必须对其进行纯化，以除去至少一部分其他气体。制氢装置因此可以包括用于提高混合气体流的氢纯度的氢纯化设备。氢纯化设备可以包括至少一个氢选择性膜，以将混合气体流分离成产物流和副产物流。产物流包含来自混合气体流的较高浓度的氢气和/或浓度得以降低的其他气体中的一种或多种。使用一个或多个氢选择性膜的氢纯化是压力驱动的分离过程，其中一个或多个氢选择性膜包含于压力容器中。混合气体流接触(一个或多个)膜的混合气体表面，并且产物流由渗透穿过(一个或多个)膜的至少一部分混合气体流形成。压力容器通常是密封的，以防止气体进入或离开压力容器，除非通过限定的入口和出口或导管进入或离开。
产物流可用于多种应用中。一种这样的应用是能量生产，诸如生产电化学燃料电池。电化学燃料电池是将燃料和氧化剂转化为电力、反应产物和热量的设备。例如，燃料电池可以将氢和氧转化为水和电力。在这些燃料电池中，氢为燃料，氧为氧化剂，并且水为反应产物。燃料电池堆包括多个燃料电池，并且可以与制氢装置一起使用以提供能量生产装置。
在美国专利第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、8,961,627号以及美国专利申请公开号2006/0090397、2006/0272212、2007/0266631、2007/0274904、2008/0085434、2008/0138678、2008/0230039和2010/0064887中描述了制氢装置、氢处理装置和/或这些装置的部件的示例。上述专利和专利申请公开文本的全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
发明内容
本公开内容的一些实施方式可以提供一种氢纯化设备。在一些实施方式中，所述氢纯化设备可包括第一端部框架和第二端部框架，该第一端部框架和第二端部框架包括构造为接收包含氢气和其他气体的混合气体流的输入端口。所述第一端部框架和所述第二端部框架可另外包括输出端口，所述输出端口构造为接收渗透流，所述渗透流包含比混合气体流更高浓度的氢气和更低浓度的其他气体中的至少一个；以及副产物端口，其构造为接收包含至少大部分其他气体的副产物流。所述氢纯化设备还包括至少一个设置在第一端部框架和第二端部框架之间并固定至第一端部框架和第二端部框架的箔片微孔筛网装置。所述至少一个箔片微孔筛网装置包括至少一个具有进料侧和渗透侧的氢选择性膜。所述渗透流的至少一部分由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，所述混合气体流的保留在进料侧的其余部分形成了副产物流的至少一部分。
在一些实施方式中，所述至少一个箔片微孔筛网装置还包括至少一个微孔筛网结构，该微孔筛网结构包括非多孔平面片，该非多孔平面片具有形成多个流体通道的多个孔。所述平面片包括大致上相对的平面表面，该平面表面构造为向渗透侧提供支撑。所述多个流体通道在所述相对的表面之间延伸。所述至少一个氢选择性膜冶金结合到所述至少一个微孔筛网结构。所述氢纯化设备还包括多个框架，该多个框架设置在所述第一端部框架和第二端部框架与所述至少一个箔片微孔筛网装置之间并固定至所述第一端部框架和第二端部框架。所述多个框架中的每一个框架包括限定开放区的周边壳体。
在一些实施方式中，所述氢纯化设备可包括第一端部框架和第二端部框架，该第一端部框架和第二端部框架包括构造为接收包含氢气和其他气体的混合气体流的输入端口。第一端部框架和第二端部框架可另外包括输出端口，该输出端口构造为接收渗透气体流，该渗透气体流包含比混合气体流更高浓度的氢气和更低浓度的其他气体中的至少一个；以及构造为接收包含至少大部分其他气体的副产物流的副产物端口。氢纯化设备还包括至少一个设置在第一端部框架和第二端部框架之间并固定至第一端部框架和第二端部框架的箔片微孔筛网装置。所述至少一个箔片微孔筛网装置包括至少一个具有进料侧和渗透侧的氢选择性膜。渗透流的至少一部分由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，混合气体流的保留在所述进料侧的其余部分形成了副产物流的至少一部分。所述至少一个箔片微孔筛网装置还包括至少一个微孔筛网结构，该微孔筛网结构包括构造为向渗透侧提供支撑的大致上相对的平面表面，以及在相对的表面之间延伸的多个流体通道。所述至少一个氢选择性膜冶金结合到所述至少一个微孔筛网结构。
所述氢纯化设备还包括多个框架，所述多个框架设置在所述第一端部框架和第二端部框架与所述至少一个箔片微孔筛网装置之间并固定至所述第一端部框架和第二端部框架。所述多个框架包括设置在所述至少一个箔片微孔筛网装置和所述第二端部框架之间的至少一个渗透框架。所述至少一个渗透框架包括周边壳体和形成于周边壳体上并构造为从至少一个氢选择性膜接收至少一部分渗透流的输出导管。所述至少一个渗透框架还包括由周边壳体包围的开放区、以及至少一个膜支撑结构，该膜支撑结构跨过该开放区的至少大部分并且构造为支撑所述至少一个箔片微孔筛网装置。所述至少一个膜支撑结构不具有穿孔。
在本公开内容的一些实施方式中，可以提供箔片微孔筛网装置。所述箔片微孔筛网装置可包括至少一个具有进料侧和渗透侧的氢选择性膜。所述至少一个氢选择性膜可以构造为接收混合气体流，以使得渗透流由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，并且使得副产物流由所述混合气体流的保留在所述进料侧的其余部分形成。所述箔片微孔筛网装置还可以包括至少一个微孔筛网结构，该微孔筛网结构包括具有形成多个流体通道的多个孔的非多孔平面片。所述平面片可以包括构造为向渗透侧提供支撑的大致上相对的平面表面。所述多个流体通道可以在相对的表面之间延伸。所述至少一个氢选择性膜的渗透侧可以冶金结合到所述至少一个微孔筛网结构。
附图说明
图1为制氢装置的示例的示意图。
图2为制氢装置的另一示例的示意图。
图3为图1的制氢装置的氢气纯化设备的示意图。
图4为图3的氢纯化设备的示例的分解等距视图。
图5为图4的氢纯化设备的箔片微孔筛网装置的示例的顶视图。
图6为图5的箔片微孔筛网装置的微孔筛网结构的示例的顶视图。
图7为具有另一孔示例的图6的微孔筛网结构的局部视图。
图8为具有又一孔示例的图6的微孔筛网结构的局部视图。
图9为具有再一孔示例的图6的微孔筛网结构的局部视图。
图10为图4的氢纯化设备的箔片微孔筛网装置的另一示例的顶视图。
图11为图10的箔片微孔筛网装置的微孔筛网结构的示例的顶视图。
图12为图4的氢纯化设备的箔片微孔筛网装置的另一示例的顶视图。
图13为图4的氢纯化设备的箔片微孔筛网装置的再一示例的顶视图。
图14为图4的氢纯化设备的渗透框架、箔片微孔筛网装置、垫片框架和进料框架的示例的局部截面图，示出成箔片微孔筛网装置和渗透框架之间不具有垫片框架。
图15为图4的氢纯化设备的顶视图，其示出了渗透框架的周边壳体和渗透框架的膜支撑结构的示例。
图16为图4的氢纯化设备的渗透框架的周边壳体的另一示例的局部截面图。
图17为图4的氢纯化设备的渗透框架的膜支撑结构的膜支撑板的示例的等距视图。
图18为图4的氢纯化设备的渗透框架的膜支撑结构的膜支撑板的另一示例的等距视图。
图19为图4的氢纯化设备的膜支撑结构的另一示例的截面图。
图20为图3的氢纯化设备的另一示例的分解等距视图。
具体实施方式
图1示出了制氢装置20的示例。除非特别排除，制氢装置20可以包括本公开内容中描述的其他制氢装置的一个或多个部件。制氢装置可以包括构造为产生产物氢气体流21的任何合适结构。例如，制氢装置可以包括原料输送系统22和燃料处理装置24。原料输送系统可以包括构造为选择性地将至少一个进料流26输送到燃料处理装置的任何合适结构。
在一些实施方式中，原料输送系统22可以另外包括构造为选择性地将至少一个燃料流28输送到燃料处理装置24的燃烧器或其他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可以是被输送到燃料处理装置的不同部分的相同的流。原料输送系统可以包括任何合适的输送机构，诸如用于推进流体流的正排量或其他合适的泵或机构。在一些实施方式中，原料输送系统可以构造为在不需使用泵和/或其他电动流体输送机构的情况下输送(一个或多个)进料流26和/或(一个或多个)燃料流28。可以与制氢装置20一起使用的合适的原料输送系统的示例包括美国专利号7,470,293和7,601,302以及美国专利申请公开号2006/0090397中所描述的原料输送系统。上述专利和专利申请的全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
进料流26可以包括至少一个产氢流体30，产氢流体30可以包括可用作反应物以产生产物氢流21的一个或多个流体。例如，产氢流体可以包括含碳原料，例如至少一种烃和/或醇。合适的烃的示例包括甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油等。合适的醇的示例包括甲醇、乙醇、多元醇(例如乙二醇和丙二醇)等。另外，产氢流体30可以包括水，例如当燃料处理装置经由蒸汽重整和/或自热重整产生产物氢流时。当燃料处理装置24经由热解或催化部分氧化产生氢流时，进料流26不包含水。
在一些实施方式中，原料输送系统22可以构造为输送产氢流体30，产氢流体30包含水和水溶性含碳原料(例如甲醇和/或另一种水溶性醇)的混合物。在这样的流体流中水与含碳原料的比例可以根据一种或多种因素而变化，例如所使用的特定含碳原料、用户偏好、燃料处理装置的设计、燃料处理装置用于产生产物氢流等所使用的(一个或多个)机制。例如，水与碳的摩尔比可以为大约1：1至3：1。另外，可以以1：1的摩尔比或近似1：1的摩尔比(37重量％的水，63重量％的甲醇)来输送水和甲醇的混合物，而可以以大于1：1的水与碳的摩尔比来输送烃或其他醇的混合物。
当燃料处理装置24通过重整产生产物氢流21时，进料流26可以包括例如大约25～75体积％的甲醇或乙醇(或另一种合适的水溶性含碳原料)和大约25～75体积％的水。对于至少基本上包含甲醇和水的进料流而言，这些进料流可以包含大约50～75体积％的甲醇和大约25～50体积％的水。包含乙醇或其他水溶性醇的进料流可包含大约25～60体积％的醇和大约40～75体积％的水。利用蒸汽重整或自热重整的制氢装置20的进料流的一个示例包含69体积％的甲醇和31体积％的水。
尽管所示出的原料输送系统22构造为输送单个进料流26，但是原料输送系统可以构造为输送两个或更多个进料流26。这些进料流可以包含相同或不同的原料，并且可以具有不同的组成、具有至少一种共同的组分、不具有共同的组分或具有相同组分。例如，第一进料流可以包括第一组分，例如含碳原料，并且第二进料流可以包括第二组分，例如水。另外，在一些实施方式中，尽管原料输送系统22可以构造为输送单个燃料流28，但是该原料输送系统可以构造为输送两个或更多个燃料流。燃料流可以具有不同的组成、具有至少一种共同的组分、不具有共同的组分或具有相同的组分。此外，进料流和燃料流可以在不同的阶段从原料输送系统排出。例如，一个流可以是液体流，而另一个流是气体流。在一些实施方式中，两个流可以都是液体流，而在其他实施方式中，两个流可以都是气体流。此外，尽管所示出的制氢装置20包括单个原料输送系统22，但是制氢装置可以包括两个或更多个原料输送系统22。
燃料处理装置24可以包括产氢区32，产氢区32构造为经由任何合适的(一个或多个)产氢机构产生包含氢气的输出流34。该输出流可以包括氢气，作为至少大部分组分，并且可以包括其他(一个或多个)气态组分。因此，输出流34可以被称为“混合气体流”，其包含作为主要组分的氢气，但是还包含其他气体。
产氢区32可以包括任何合适的含催化剂的床或区域。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(一个或多个)进料流26产生(一个或多个)输出流34。在这样的实施方式中，燃料处理装置24可以被称为“蒸汽重整器”，产氢区32可以被称为“重整区”，并且输出流34可以被称为“重整流”。可能存在于重整流中的其他气体可以包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、蒸汽和/或未经反应的含碳原料。
当产氢机制为自热重整时，产氢区32可以包括合适的自热重整催化剂，以促进在存在空气的情况下从包含水和含碳原料的(一个或多个)进料流26中产生(一个或多个)输出流34。另外，燃料处理装置24可以包括空气输送装置38，空气输送装置38构造为将(一个或多个)空气流输送到产氢区。
在一些实施方式中，燃料处理装置24可以包括纯化(或分离)区40，其可以包括构造为从输出(或混合气体)流34中产生至少一个富氢流42的任何合适结构。富氢流42可以包括比输出流34更高浓度的氢和/或浓度得以降低的存在于输出流中的一种或多种其他气体(或杂质)。产物氢流21包括至少一部分富氢流42。因此，产物氢流21和富氢流42可以是相同的流并且具有相同的组成和流速。备选地，富氢流42中的一些纯化氢气可以被存储以供备用，例如存储在合适的氢存储装置中，和/或由燃料处理装置消耗。纯化区40也可以被称为“氢纯化设备”或“氢处理装置”。
在一些实施方式中，纯化区40可以产生至少一个副产物流44，副产物流44可以不包含氢气或包含一些氢气。副产物流可以被排出、送至燃烧器装置和/或其他燃烧源、用作加热流体流、存储以供备用，以及/或者以其他方式利用、存储和/或处置。另外，纯化区40可以响应于输出流34的输送而将副产物流作为连续流排放，或者例如在分批处理过程中或当输出流的副产物部分至少暂时保留在纯化区中时，可间歇地排放副产物流。
燃料处理装置24可以包括一个或多个纯化区，该纯化区构造为产生一个或多个含有足够量的氢气的副产物流，以适合用作燃料处理装置的加热装置的燃料流(或进料流)。在一些实施方式中，副产物流可具有足够的燃料值或氢含量，以使得加热装置能够将产氢区保持在期望的操作温度下或选定的温度范围内。例如，副产物流可以包括氢气，例如10～30体积％的氢气、15～25体积％的氢气、20～30体积％的氢气、至少10体积％或15体积％的氢气、至少20体积％的氢气，等等。
纯化区40可以包括构造为富集(和/或增加)输出流21的至少一种组分的浓度的任何合适结构。在大多数应用中，富氢流42将会具有比输出流(或混合气体流)34更高浓度的氢。富氢流还可以具有浓度得以降低的一种或多种存在于输出流34中的非氢组分，其中富氢流的氢浓度大于、等于或小于输出流。例如，在常规的燃料电池系统中，如果一氧化碳以甚至百万分之几的比例存在，也会损坏燃料电池堆，而输出流34中可能存在的其他非氢组分(例如水)即使以高得多的浓度存在，也不会损坏电池堆。因此，在这样的应用中，纯化区可能不会增加氢的总体浓度，但将会降低一种或多种对产物氢流的期望应用有害的或潜在有害的非氢组分的浓度。
用于纯化区40的合适的设备的示例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，Pressure Swing Absorption)系统50。纯化区40可以包括不止一种类型的纯化设备，这些设备可以具有相同或不同的结构并且/或者通过相同或不同的(一个或多个)机制进行操作。燃料处理装置24可包括在(一个或多个)纯化区下游的至少一个节流孔和/或其他限流器，至少一个节流孔和/或其他限流器例如与一个或多个产物氢流、富氢流和/或副产物流相关联。
氢选择性膜46是可透过氢气的，但至少基本上(如果不是完全透过)是不可透过输出流34的其他组分的。氢选择性膜46可由适合用于纯化区40所操作于的操作环境和参数中的任何氢可透过的材料形成。用于氢选择性膜46的合适材料的示例包括钯和钯合金，尤其包括这类金属和金属合金的薄膜。已经证明钯合金尤其有效，特别是具有35重量％至45重量％的铜的钯。尽管可以使用其他相对浓度和成分，但是已证明包含约40重量％铜的钯-铜合金尤其有效。其他特别有效的三种合金是金含量为2重量％至20重量％的钯，尤其是金含量为5重量％的钯；含有3重量％至10重量％的铟加上0重量％至10重量％的钌的钯，尤其是含有6重量％的铟加上0.5重量％的钌的钯，以及含有20重量％至30重量％的银的钯。当使用钯和钯合金时，氢选择性膜46有时可以被称为“箔片”。氢渗透性金属箔片的典型厚度小于25微米(微米)，优选小于或等于15微米，最优选介于5至12微米之间。箔片可以具有任何合适的尺寸，例如110mmⅹ270mm。
化学一氧化碳去除装置48是使一氧化碳和/或输出流34的其他不希望的组分发生化学反应以形成潜在危害程度不大的其他组分的设备。化学一氧化碳去除装置的示例包括构造为从水和一氧化碳产生氢气和二氧化碳的(一个或多个)水煤气变换反应器、构造为将一氧化碳和氧气(通常来自空气)转化成二氧化碳的部分氧化反应器，以及构造为将一氧化碳和氢气转化成甲烷和水的甲烷化反应器。燃料处理装置24可以包括不止一种类型和/或数目的化学去除装置48。
变压吸附(PSA)是一种化学过程，其基于以下原理将气态杂质从输出流34中除去：在适当的温度和压力条件下，某些气体相比于其他气体会被更牢固地吸附到吸附剂材料上。通常，吸附非氢杂质并将其从输出流34中除去。杂质气体的吸附在升高的压力下发生。当压力降低时，杂质从吸附剂材料上解吸，从而使吸附剂材料再生。通常，PSA是一个循环过程，并且至少需要两张床才能进行连续(而不是分批)操作。可用于吸附剂床的合适的吸附剂材料的示例为活性炭和沸石。PSA系统50还提供了用于纯化区40中的设备的示例，其中，在纯化输出流的同时副产物或被除去的组分不作为气体流从该区域中直接排出。相反，当吸附材料再生时这些副产物组分被除去或以其他方式从纯化区中除去。
在图1中，示出了纯化区40在燃料处理装置24内。如图1中的虚线所示，纯化区可以备选地单独位于燃料处理装置的下游。纯化区40也可以包括位于燃料处理装置内部和外部的部分。
燃料处理装置24还可以包括加热装置52形式的温度调节装置。该加热装置可以构造为从至少一个加热燃料流28产生至少一个加热排出物流(或燃烧流)54，通常是在存在空气的情况下燃烧。在图1中将加热排出物流54示意性地图示为加热产氢区32。加热装置52可包括构造为产生加热排出物流的任何合适结构，例如燃烧器或燃烧催化剂，其中燃料与空气一起燃烧以产生加热排出物流。加热装置可包括构造为启动燃料燃烧的点火器或点火源58。合适的点火源的示例包括一个或多个火花塞、电热塞、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可以包括燃烧器装置60，并且可以被称为基于燃烧的加热装置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可以构造为接收至少一个燃料流28，并在存在空气的情况下使燃料流燃烧，以提供可用于加热燃料处理装置的至少产氢区的热燃烧流54。空气可以通过各种机制被输送到加热装置。例如，如图1所示，空气流62可以作为单独流被输送到加热装置。备选地或附加地，空气流62可以与加热装置52的燃料流28中的至少一个一起被输送到加热装置，以及/或者从在其中使用了加热装置的环境中被抽吸。
燃烧流54可以附加地或备选地用于加热燃料处理装置和/或使用了加热装置的燃料电池系统的其他部分。另外，可以使用加热装置52的其他构造和类型。例如，加热装置52可以是电动加热装置，其构造为通过使用诸如电阻加热元件之类的至少一个加热元件来产生热量来加热燃料处理装置24的至少产氢区32。在这些实施方式中，加热装置52可以不接收和燃烧可燃燃料流以将产氢区加热到合适的氢气产生温度。美国专利号7,632,322中公开了加热装置的示例，其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
加热装置52可以与产氢区和/或分离区(在下文中进一步讨论)一起容纳在公共壳体或外壳中。加热装置可以相对于产氢区32独立地设置，但是与该区域热和/或流体连通，以提供至少产氢区的所需加热。加热装置52可以部分或全部位于公共壳体内，并且/或者加热装置的至少一部分(或全部)可以位于该壳体的外部。当加热装置位于壳体的外部时，来自燃烧器装置60的热燃烧气体可以经由合适的传热导管输送至壳体内的一个或多个部件。
加热装置还可以构造为加热原料输送系统22、原料供应流、产氢区32、纯化(或分离)区40或者这些系统、流和区的任何合适的组合。原料供应流的加热可包括使液体反应物流或者用于在产氢区中产生氢气的产氢流体的组分蒸发。在该实施方式中，可以将燃料处理装置24描述为包括蒸发区64。加热装置可以附加地构造为加热制氢装置的其他部件。例如，加热排出物流可以构造为加热包含形成进料流26和燃料流28的至少一部分的加热燃料和/或产氢流体的压力容器和/或其他压力罐。
加热装置52可以在产氢区32中达到和/或维持任何合适的温度。蒸汽重整器通常在200℃至900℃范围内的温度下操作。然而，该范围之外的温度在本公开内容的范围内。当含碳原料为甲醇时，蒸汽重整反应通常将在约200℃～500℃范围内的温度下进行。该温度范围的示例子集包括350℃～450℃、375℃～425℃和375℃～400℃。当含碳原料为烃、乙醇或其他醇时，在蒸汽重整反应中将会采用的温度范围通常大约为400℃～900℃。该范围的示例子集包括750℃～850℃、725℃～825℃、650℃～750℃、700℃～800℃、700℃～900℃、500℃～800℃、400℃～600℃和600℃～800℃。产氢区32可以包括两个或更多个区域或部分，每个区域或部分可以在相同或不同的温度下操作。例如，当产氢流体包含烃时，产氢区32可包括两个不同的产氢部分或区域，其中一个在比另一个低的温度下操作以提供预重整区。在这些实施方式中，燃料处理装置也可以被称为包括两个或更多个产氢区。
燃料流28可以包括适合于被加热装置52消耗以提供所需的热量输出的任何(一种或多种)可燃液体和/或(一种或多种)气体。一些燃料流在通过加热装置52输送并燃烧时可以是气体，而其他燃料流可以作为液体流被输送到加热装置。适用于燃料流28的加热燃料的示例包括含碳原料，诸如甲醇、甲烷、乙烷、乙醇、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷等。其他示例包括低分子量可冷凝燃料，诸如液化石油气、氨、轻质胺、二甲醚和低分子量烃。又一示例包括氢和一氧化碳。在包括呈冷却装置形式而不是加热装置形式的温度调节装置(例如可在利用放热的制氢过程(例如，部分氧化)而不是吸热过程(例如蒸汽重整)时使用的)的制氢装置20的实施方式中，原料输送系统可以构造为向该装置供应燃料流或冷却剂流。可以使用任何合适的燃料流或冷却剂流体。
燃料处理装置24可以附加地包括在其中包括至少产氢区32的壳体或外壳66，如图1所示。在一些实施方式中，蒸发区64和/或纯化区40可以附加地包含在壳体内。壳体66可以使蒸汽重整器或其他燃料处理机构的部件作为一个单元移动。壳体还可以通过提供保护性封罩来保护燃料处理装置的部件免受损坏，并且/或者可以降低燃料处理装置的加热需求，这是因为部件可以作为一个整体进行加热。壳体66可以包括绝缘材料68，例如固体绝缘材料、层绝缘材料(blanket insulating material)和/或充气腔。绝缘材料可以在壳体内部、壳体外部或两者均可。当绝缘材料在壳体的外部时，燃料处理装置24可以进一步包括在绝缘体外部的外部覆盖物或夹套70，如图1所示。燃料处理装置可以包括不同的壳体，该壳体包括燃料处理装置的其他部件，例如原料输送系统22和/或其他部件。
燃料处理装置24的一个或多个部件可以延伸到壳体之外或位于壳体外部。例如，纯化区40可以位于壳体66的外部，例如与壳体间隔开，但是通过合适的流体传输导管流体连通。作为另一示例，一部分产氢区32(例如一个或多个重整催化剂床的各部分)可以延伸到壳体之外，例如如图1中表示另一种壳体构造的虚线所示意性地示出的那样。在美国专利号5,861,137、5,997,594和6,221,117中公开了合适的制氢装置及其部件，其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
在图2中示出了制氢装置20的另一示例，并且大致上如72处所示。除非特别排除，否则制氢装置72可以包括制氢装置20的一个或多个部件。制氢装置72可以包括原料输送系统74、蒸发区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还可以包括纯化区82。
原料输送系统可以包括任何构造为将一种或多种进料流和/或燃料流输送至制氢装置的一个或多个其他部件的合适结构。例如，原料输送系统可以包括原料罐(或容器)84和泵86。原料罐可以包含任何合适的产氢流体88，例如水和含碳原料(例如，甲醇/水混合物)。泵86可以具有构造为将产氢流体输送到蒸发区76和/或产氢区78的任何合适结构，该产氢流体可以是包含水和含碳原料的至少一种含液体的进料流90的形式。
蒸发区76可以包括构造为接收并蒸发含液体进料流(例如含液体进料流90)的至少一部分的任何合适结构。例如，蒸发区76可以包括构造为将含液体的进料流90至少部分地转化成一种或多种蒸气进料流94的汽化器92。在一些实施方式中，蒸气进料流可以包括液体。合适的蒸发器的一个示例是盘管式蒸发器，例如不锈钢盘管。
产氢区78可以包括构造为接收来自蒸发区的诸如(一个或多个)蒸气进料流94等一个或多个进料流的任何合适结构，以产生包含作为主要成分的氢气以及其他气体的一个或多个输出流96。产氢区可以通过任何合适的(一个或多个)机制来产生输出流。例如，产氢区78可以通过蒸汽重整反应产生(一个或多个)输出流96。在该示例中，产氢区78可包括具有重整催化剂98的蒸汽重整区97，该蒸汽重整区97构造为有助于并且/或者促进蒸汽重整反应。当产氢区78经由蒸汽重整反应产生(一个或多个)输出流96时，制氢装置72可以被称为“蒸汽重整制氢装置”，并且输出流96可以被称为“重整流”。
加热装置80可以包括构造为产生至少一个加热排出物流99以加热制氢装置72的一种或多种其他部件的任何合适结构。例如，加热装置可以将蒸发区加热到任何合适的(一个或多个)温度。例如，至少最低蒸发温度或使至少一部分含液体进料流蒸发以形成蒸气进料流的温度。附加地或备选地，加热装置80可以将产氢区加热到任何合适的(一个或多个)温度，例如至少最低产氢温度或使至少一部分蒸气进料流反应产生氢气以形成输出流的温度。加热装置可以与制氢装置的一个或多个部件(例如蒸发区和/或产氢区)热连通。
如图2所示，加热装置可以包括燃烧器装置100、至少一个鼓风机102和点火器装置104。燃烧器装置可以包括构造为接收至少一个空气流106和至少一个燃料流108并在燃烧区域110内燃烧所述至少一个燃料流以产生加热排出物流99的任何合适结构。燃料流可以由原料输送系统74和/或纯化区82提供。燃烧区域可以包含在制氢装置的封罩内。鼓风机102可以包括构造为产生(一个或多个)空气流106的任何合适结构。点火器装置104可以包括构造为点燃(一个或多个)燃料流108的任何合适结构。
纯化区82可以包括构造为产生至少一个富氢流112的任何合适结构，富氢流112可以包括比输出流96更高浓度的氢和/或浓度得以降低的存在于输出流中的一种或多种其他气体(或杂质)。纯化区可产生至少一个副产物流或燃料流108，其可被送至燃烧器装置100并用作该装置的燃料流，如图2所示。纯化区82可包括节流孔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(例如一个或多个热气体过滤器)可构造为在氢气纯化膜装置之前从输出流96中除去杂质。
膜装置116可包括任何合适的结构，该结构构造为接收包含氢气和其他气体的输出或混合(一个或多个)气体流96，并生成包含比混合气体流更高浓度的氢气和/或更低浓度的其他气体的(一个或多个)渗透流或者(一个或多个)富氢流112。膜装置116可以并入有平面状或管状的氢渗透性(或氢选择性)膜，并且，可以将不止一个氢渗透性膜并入到膜装置116中。(一个或多个)渗透流可用于任何适当的应用，例如用于一个或多个燃料电池。在一些实施方式中，膜装置可产生包括至少大部分其他气体的副产物或燃料流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成甲烷和水的任何合适结构。尽管所示出的纯化区82包括流量节流孔111、过滤器装置114、膜装置116和甲烷化反应器装置118，但是纯化区可具有比全部那些部件少的部件，和/或备选地或附加地包括构造为纯化输出流96的一个或更多个其他部件。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可包括壳体或外壳120，其可至少部分地包含该装置的一个或多个其他部件。例如，壳体120可至少部分地包含蒸发区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物端口122，其构造为泄出由加热装置80产生的至少一种燃烧排出物流124。
在一些实施方式中，制氢装置72可以包括控制系统126，其可以包括构造为控制制氢装置72的操作的任何合适结构。例如，控制系统126可以包括控制装置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。控制装置128可通过温度测量设备134检测产氢区和/或纯化区中的温度，温度测量设备134可包括一个或多个热电偶和/或其他合适的设备。基于检测到的温度，控制装置和/或控制系统的操作者可以经由(一个或多个)阀130和/或(一个或多个)泵86调节进料流90向蒸发区76和/或产氢区78的输送。(一个或多个)阀130可包括电磁阀和/或任何合适的一个或多个阀。(一个或多个)卸压阀132可构造为确保系统中的过大压力得以释放。
在一些实施方式中，制氢装置72可以包括热交换装置136，其可以包括构造为将热量从制氢装置的一部分传递到另一部分的一个或多个热交换器138。例如，热交换装置136可将热量从富氢流112传递到进料流90，以在进料流进入蒸发区76之前升高进料流的温度，以及冷却富氢流112。
图1中制氢装置20的纯化区40(或氢纯化设备)的示例大致上如图3中144处所示。除非特别排除，否则氢纯化设备可以包括在本公开内容中描述的其它纯化区的一个或多个部件。氢纯化设备40可包括氢分离区146和封罩148。该封罩可限定具有内周边152的内部空间150。封罩148可包括连接在一起以形成密封压力容器形式的主体149的至少第一部分154和第二部分156，密封性压力容器可以包括限定的输入和输出端口。这些端口可限定流体路径，气体和其他流体经由这些路径被输送到封罩的内部空间中或从封罩的内部空间中被去除。
可以使用任何合适的保持机构或结构158将第一部分154和第二部分156连接在一起。合适的保持结构的示例包括焊缝和/或螺栓。可用于在第一部分和第二部分之间提供流体密封界面的密封件的示例可包括垫片和/或焊缝。附加地或备选地，第一部分154和第二部分156可以固定在一起，以便至少预定量的压力施加到限定封罩内的氢分离区的各种部件和/或可以并入到制氢装置中的其他部件。施加的压力可以确保将各种部件保持在封罩内的适当位置上。附加地或备选地，施加到限定氢分离区的各种部件和/或其他部件的压力可以在限定氢分离区的各种部件之间、各种其他部件之间和/或在限定氢分离区的各种部件和其它部件之间提供流体密封界面。
封罩148可包括混合气体区160和渗透区162，如图3所示。混合气体和渗透区可被氢分离区146分隔开。可以提供至少一个输入端口164，流体流166经由该输入端口164被输送到封罩。流体流166可以是包含被输送到混合气体区160的氢气170和其他气体172的混合气体流168。氢气可以是混合气体流的主要成分。氢分离区146可在混合气体区160和渗透区162之间延伸，使得混合气体区中的气体必须穿过氢分离区以便进入渗透区。例如，如下文中进一步讨论的，气体可能需要穿过至少一个氢选择性膜。渗透区和混合气体区可以具有任何适合在封罩内的相对尺寸。
封罩148还可以包括至少一个产物输出端口174，通过该产物输出端口174可以接收渗透流176并将其从渗透区域162中去除。渗透流可以包含比混合气体流更高浓度的氢气和更低浓度的其他气体中的至少一种。在一些实施方式中，渗透流176可以至少最初包括载体或吹扫气体组分，诸如可以作为吹扫气体流178通过与渗透区流体连通的吹扫气体端口180递送的那些。封罩还可以包括至少一个副产物输出端口182，通过副产物输出端口182，包含大部分其他气体172和浓度得以降低的氢气170(相对于混合气体流)中的至少一个的副产物流184从混合气体区去除。
氢分离区146可包括至少一个氢选择性膜186，其具有被定向为与混合气体流168接触的第一或混合气体表面188和大致上与表面188相对的第二或渗透表面190。混合气体流168可以被输送到封罩的混合气体区，以使其与一个或多个氢选择性膜的混合气体表面接触。渗透流176可以由穿过氢分离区到达渗透区162的至少一部分混合气体流形成。副产物流184可以由不穿过氢分离区的至少一部分混合气体流形成。在一些实施方式中，副产物流184可包含存在于混合气体流中的一部分氢气。氢分离区还可以构造为捕集或以其它方式保留至少一部分其他气体，这些气体随后在分离区被更换、再生或以其他方式再装时可以作为副产物流被去除。
在图3中，流166、176、178和/或184可包括不止一个流入或流出氢纯化设备144的实际流。例如，氢纯化设备可接收多个混合气体流168、在接触氢分离区146之前被分为两个或多个流的单个混合气体流168、被输送到内部容间150中的单个流，等等。因此，封罩148可以包括不止一个输入端口164、产物输出端口174、吹扫气端口180和/或副产物输出端口182。
氢选择性膜可以由任何适合在氢纯化设备的操作环境和参数中使用的氢渗透性材料形成。氢纯化设备的示例在美国专利号5,997,594和6,537,352中公开，其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。在一些实施方式中，氢选择性膜可以由钯和钯合金中的至少一种形成。钯合金的示例包括钯与铜、银和/或金的合金。在美国专利号6,152,995、6,221,117、6,319,306和6,537,352公开了各种膜、膜结构以及膜和膜结构的制备方法的示例，其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
在一些实施方式中，可以在氢分离区中使用多个间隔开的氢选择性膜186以形成氢分离装置192的至少一部分。当存在多个膜时，它们可以共同限定一个或多个膜装置194。在这样的实施方式中，氢分离装置大致上可以从第一部分154延伸到第二部分156。因此，第一和第二部分可以有效地压紧氢分离装置。在一些实施方式中，封罩148可附加地或备选地包括连接到主体部分的相对侧的端板(或端部框架)。在这样的实施方式中，端板可以有效地压紧位于一对相对的端板之间的氢分离装置(以及可能容纳在封罩内的其他部件)。
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过程，其中混合气体流以比分离区的氢渗透区中的气体更高的压力被输送以与膜的混合气体表面接触。在一些实施方式中，当利用氢分离区将混合气体流分离成渗透流和副产物流时，可以通过任何合适的机制将氢分离区加热至升高的温度。使用钯和钯合金膜进行氢纯化的合适的操作温度的示例包括至少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，等等。
氢纯化设备144的示例大致上如图4中196处所示。除非明确排除，否则氢纯化设备196可以包括本公开内容中描述的其他氢纯化设备和/或纯化区的一个或多个部件。氢纯化设备196可以包括壳体或封罩198，其可以包括第一端板或端部框架200以及第二端板或端部框架202。第一端板和第二端板可以构造为固定和/或压紧在一起，以限定具有内部隔室204的密封压力容器，在内部隔室中支撑氢分离区。与氢纯化设备144相类似，第一端板和第二端板可包括输入端口、输出端口、吹扫气端口和副产物端口(未示出)。
氢纯化设备196还可以包括至少一个箔片微孔筛网装置205，其可以设置在第一端板和第二端板之间和/或固定至第一端板和第二端板。箔片微孔筛网装置可包括至少一个氢选择性膜206和至少一个微孔筛网结构208，如图5所示。氢选择性膜可构造为接收来自输入端口的至少一部分混合气体流，并将混合气体流分离成至少一部分渗透流和至少一部分副产物流。氢选择性膜206可包括进料侧210和渗透侧212。渗透流的至少一部分由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，而所述混合气体流的保留在所述进料侧的其余部分形成了副产物流的至少一部分。
一个或多个氢选择性膜可以冶金结合到微孔筛网结构208。例如，(一个或多个)氢选择性膜的渗透侧可以冶金结合到微孔筛网结构。在一些实施方式中，一个或多个氢选择性膜206(和/或这些膜的渗透侧)可以扩散结合至微孔筛网结构，以在(一个或多个)膜与微孔筛网结构之间形成固态扩散结合。例如，可以使(一个或多个)膜的渗透侧和微孔筛网结构彼此接触，并暴露于升高的温度和/或升高的压力下，以允许(一个或多个)膜和微孔筛网结构的表面随着时间的推移而相互分散。
在一些实施方式中，微孔筛网结构可以涂覆有助于扩散结合的薄金属层或中间结合层。例如，镍、铜、银、金或其他金属的薄涂层，它们适合于固态扩散结合，但是：(1)不会在低于或等于700℃的温度下熔融并成为液相；以及(2)在扩散到(一个或多个)氢选择性膜中时，不会在低于或等于700℃的温度下形成低熔点合金。可以通过将中间结合层的薄涂层通过适当的沉积工艺(例如，电化学镀、气相沉积、溅射等)沉积到微孔筛网结构的将会与氢选择性膜接触的表面上，从而将薄金属层施加到微孔筛网结构上。在其他实施方式中，(一个或多个)氢选择性膜可以固定到至少一个膜框架(未示出)，其随后可以固定至第一端部框架和第二端部框架。
微孔筛网结构208可以包括构造为支撑至少一个氢选择性膜的任何合适结构。例如，微孔筛网结构可以包括具有大致上相对的表面214和215以及多个孔216的非多孔平面片213，该相对的表面214和215构造为向渗透侧212提供支撑，多个孔216形成了在相对的表面之间延伸的多个流体通道217，从而允许渗透流流过微孔筛网结构，如图6所示。可以通过电化学蚀刻、激光钻孔和其他机械成型工艺(例如冲压或模切)在非多孔平面片上形成孔。在一些实施方式中，可以在非多孔平面片上形成这些孔中的一个或多个孔(或全部这些孔)，使得它们的(纵向)轴线或流体通道的纵向轴线垂直于该非多孔平面片的平面，如图6所示。非多孔平面片可以是任何合适的厚度，诸如介于100微米至约200微米之间的厚度。
在一些实施方式中，微孔筛网结构208可包括一个或多个包括多个孔的穿孔区段(或部分)218，以及一个或多个不包括(或排除)多个孔的非穿孔区段(或部分)219。尽管在图6中仅图出了数个孔216，但是这些孔216仅分布在一个或多个穿孔部分的整个长度和宽度上。穿孔区段可以与一个或多个其他穿孔区段离散开或间隔开。非穿孔区段219可包括形成包围一个或多个穿孔区段的框架的周边区段(或部分)220，和/或使穿孔区段的两个以上的离散部分分离开或对它们进行限定的一个或多个边界区段(或部分)221。换句话说，每个穿孔部分可以通过至少一个不具有多个孔的边界部分与其他相邻的离散穿孔部间隔开。
孔216可以包括任何合适的(一个或多个)图案、(一个或多个)形状和/或(一个或多个)尺寸。在一些实施方式中，孔可以形成使组合孔面积最大化的一个或多个图案，同时保持微孔筛网结构的足够高的刚度以防止在压力载荷下的过度偏转。孔216可以是如图6所示的圆(圆形)、如图7所示的长圆形、如图8所示的椭圆形、如图9所示的六边形、三角形、正方形、矩形、八边形和/或其他合适的形状。在一些实施方式中，穿孔区段中的孔216可以是单一的一致形状。在其他实施方式中，穿孔区段中的孔216可以是两个或更多个不同形状的任何合适组合。孔可以是任何适当的(一个或多个)尺寸。例如，当孔是圆形时，直径可以在约0.003英寸至约0.020英寸范围内。另外，当孔为椭圆形时，椭圆形的圆形端部的半径可在0.001英寸至约0.010英寸范围内，并且椭圆形的长度可达到半径的十倍。在一些实施方式中，穿孔区段中的孔可以是单一的一致尺寸。在其他实施方式中，穿孔区段中的孔216可以是两种或更多种不同尺寸的任何合适的组合。
非多孔平面片可以包括任何合适的材料。例如，非多孔平面片可以包括不锈钢。不锈钢可以包括300系列不锈钢(例如，不锈钢303(铝改性)、不锈钢304等)、400系列不锈钢、17-7PH、14-8PH和/或15-7PH。在一些实施方式中，不锈钢可包含约0.6重量％至约3.0重量％的铝。在一些实施方式中，非多孔平面片可以包括碳钢、铜或铜合金、铝或铝合金、镍、镍铜合金和/或镀有银、镍和/或铜的碱金属。碱金属可包括碳钢或上述的一种或多种不锈钢。
氢选择性膜206的尺寸可以设定为大于微孔筛网结构的穿孔区段或场区，使得当氢选择性膜冶金结合到微孔筛网结构时，氢选择性膜的周边部分222接触微孔筛网结构的一个或多个非穿孔区段219。在一些实施方式中，单个氢选择性膜可以冶金结合到单个微孔筛网结构，如图5所示。在其他实施方式中，两个或更多个氢选择性膜206可以冶金结合到单个微孔筛网结构208。例如，可以将两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个氢选择性膜206冶金结合到单个微孔筛网结构208。图10示出了具有六个冶金结合到单个微孔筛网结构208的氢选择性膜206的示例箔片微孔筛网装置205。图12示出了具有两个冶金结合到单个微孔筛网结构208的氢选择性膜206的示例箔片微孔筛网装置205，而图13显示了具有四个冶金结合到单个微孔筛网结构208的氢选择性膜206的示例箔片微孔筛网装置205。
当两个或更多个氢选择性膜206冶金结合到微孔筛网结构时，微孔筛网结构可包括由一个或更多个非穿孔区段219分离开的两个或更多个离散穿孔区段218。在一些实施方式中，穿孔区段218的尺寸可以设定为与其他穿孔区段218相同。例如，图11示出了六个大约相同尺寸的离散穿孔区段218。在其他实施方式中，一个或多个穿孔区段218的尺寸可以设定为小于和/或大于其他穿孔区段218的尺寸。氢选择性膜206可以冶金结合到每一个穿孔区段，如图10所示。备选地或附加地，可以将氢选择性膜冶金结合到两个或更多个离散穿孔区段218。可以设定(一个或多个)氢选择性膜206的尺寸，以使得当膜冶金结合到一个或更多个穿孔区段218时，膜的周边部分222接触一个或多个非穿孔区段219。
如图5所示，微孔筛网结构208的尺寸可设定为包含(例如全部包含)于渗透框架的开放区内和/或由该开放区内的膜支撑结构支撑。换句话说，微孔筛网结构的尺寸可以设定为当微孔筛网结构和渗透框架被固定或压紧到第一端部框架和第二端部框架时，微孔筛网结构不接触渗透框架开放区的周边壳体。备选地，微孔筛网结构可以由非多孔外周壁部分或框架(未示出)支撑和/或固定至该非多孔外周壁部分或框架(例如渗透框架的周边壳体)。当将微孔筛网结构固定至非多孔外周壁部分时，该微孔筛网结构可以被称为“多孔中心区段部分”。在美国专利申请公开号2010/0064887中公开了其他微孔筛网结构的示例，其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
氢纯化设备196还可包括多个设置在第一端部框架和/或第二端部框架之间并固定至第一和/或第二端部框架的板或框架224。所述框架可以包括任何合适的结构和/或可以是任何合适的(一个或多个)形状，例如正方形、矩形或圆形。例如，框架224可包括周边壳体226和至少第一支撑构件228，如图4所示。周边壳体可限定开放区230和框架平面232。另外，周边壳体226可包括第一相对侧234和第二相对侧236以及第三相对侧238和第四相对侧240，如图4所示。
如图4所示，第一支撑构件228可以包括构造为支撑箔片微孔筛网装置205的第一部分242的任何合适结构。例如，多个框架的第一支撑构件可以在第一支撑平面244内彼此共面(或与多个框架中的其他框架的其他第一支撑构件共面)以支撑氢选择性膜的第一部分242，如图4所示。换句话说，多个框架中的每一个框架的第一支撑构件可以与多个框架中的其他框架的第一支撑构件成镜像。第一支撑构件可以具有相对于框架平面232的任何合适的取向。例如，第一支撑平面244可以垂直于框架平面，如图4所示。备选地，第一膜支撑平面可以与框架平面232相交但不垂直于框架平面232。
在一些实施方式中，框架224可以包括第二支撑构件246和/或第三支撑构件248，第二支撑构件246和/或第三支撑构件248可以包括构造为支撑箔片微孔筛网装置205的第二部分250和/或第三部分252的任何合适结构，如图4所示。例如，多个框架的第二支撑构件可以在第二支撑平面254内彼此共面(或与多个框架的其他第二支撑构件共面)以支撑箔片微孔筛网装置的第二部分250。另外，多个框架的第三支撑构件可以在第三支撑平面256内彼此共面(或与多个框架的其他第三支撑构件共面)以支撑箔片微孔筛网装置的第三部分252。换句话说，多个框架中的每一个框架的第二支撑构件可以与多个框架中的其他框架的第二支撑构件成镜像，而多个框架中的每一个框架的第三支撑构件可以与多个框架中的其他框架的第三支撑构件成像镜。第二和/或第三支撑平面可具有相对于框架平面232的任何合适的取向。例如，第二支撑平面254和/或第三支撑平面256可垂直于框架平面，如图4所示。备选地，第二和/或第三支撑平面可以与框架平面232相交但不垂直于框架平面232。
第二支撑构件246和/或第三支撑构件248可具有相对于第一支撑构件228的任何合适的取向。例如，第一支撑构件228可从周边壳体226的第三侧238延伸到开放区230中；第二支撑构件246可以从周边壳体的第四侧240(与第三侧相对)延伸到开放区中；并且，第三支撑构件248可以从第三侧延伸到开放区中。备选地，第一、第二和/或第三支撑构件可以从同一侧，例如从周边壳体的第一、第二、第三或第四侧，延伸到开放区中。在一些实施方式中，第一、第二和/或第三支撑构件可以从周边壳体的第一侧和/或第二侧(与第一侧相对)延伸到开放区中。
第一、第二和/或第三支撑构件例如可以是附接到周边壳体和/或与周边壳体一起形成的一个或多个突出部或指状物258的形式。突出部可以从周边壳体沿任何合适的(一个或多个)方向进行延伸。突出部可以是周边壳体的全厚度，或者可以小于该壳体的全厚度。框架224中的每一个框架的突出部可被压靠在箔筛装置上，从而将该装置锁定就位。换句话说，框架224的突出部可以通过成为在第一和/或第二膜支撑平面内的端部框架的堆叠延伸部来支撑箔片微孔筛网装置。在一些实施方式中，(一个或多个)突出部258可以包括构造为接收至少一个紧固件(未示出)以将框架224固定至第一和/或第二端部框架的一个或多个接收器或孔(未示出)。
如图4所示，框架224可包括至少一个进料框架260、至少一个渗透框架262以及多个垫片或垫片框架264。进料框架260可设置在第一端部框架和第二端部框架中的一个与至少一个箔片微孔筛网装置205之间，或者可设置在在两个箔片微孔筛网装置205之间。进料框架可包括进料框架周边壳体266、进料框架输入导管268、进料框架输出导管270、进料框架开放区272、至少一个第一进料框架支撑构件274，如图4所示。在一些实施方式中，进料框架可以包括第二进料框架支撑构件276和/或第三进料框架支撑构件278。
进料框架周边壳体266可以包括任何合适的结构。例如，进料框架周边壳体可以包括第一节区或第一周边壳体280以及第二节区或第二周边壳体282，如图14所示。请注意图14中对部件进行了放大以用于说明性目的，并且其可能无法反映这些部件的相对尺寸。(一个或多个)第一部分和(一个或多个)第二部分可以是周边壳体的第一半部和第二半部，或者可以是该周边壳体的任何合适的部分。另外，(一个或多个)第一部分和/或(一个或多个)第二部分可以包括彼此呈任何适当关系，诸如彼此偏置的通道或凹槽(未示出)。(一个或多个)第一部分280和(一个或多个)第二部分282可以通过任何合适的方法接合以在这些(一个或多个)部分之间形成气密性密封。例如，在这些(一个或多个)部分之间可以使用进料框架垫片284。备选地，可以将(一个或多个)第一部分和(一个或多个)第二部分铜焊在一起，或者可以使用(一个或多个)层状金属来接合(一个或多个)第一部分和(一个或多个)第二部分，如美国专利申请公开号2013/0011301中所述。其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
另外，进料框架周边壳体266可包括构造为支撑氢纯化设备196的其他部件的任何合适的尺寸。例如，进料框架周边壳体的尺寸可设定成使得其沿着多个进料框架支撑平面288支撑(一个或多个)渗透框架262的周边壳体以及这些框架的(一个或多个)膜支撑结构286。例如，如图14所示，周边壳体266的宽度290可以大于渗透框架262的周边壳体的宽度292，使得周边壳体的至少一部分294支撑着膜支撑结构286的一部分296。换句话说，进料框架周边壳体可以将膜支撑结构锁定就位，并且其用作该支撑结构的止动件。进料框架支撑平面可以具有相对于进料框架平面300的任何合适的取向。例如，进料框架支撑平面可以垂直于进料框架平面，如图14所示。备选地，进料框架支撑平面可以与进料框架平面300相交但不垂直于进料框架平面300。
进料框架输入导管可形成于进料框架周边壳体上和/或构造为接受来自输入端口的至少一部分混合气体流。进料框架输出导管270可以形成于进料框架周边壳体上和/或构造为接收保留在氢选择性膜206的进料侧210的混合气体流的剩余部分。进料框架开放区272可以设置在进料框架输入和输出导管之间。进料框架周边壳体266可以包括将输入和输出导管与进料框架开放区流体连接的多个凹槽或通道(未示出)。通道可以经由任何合适的(一个或多个)方法形成于周边壳体上和/或可以具有任何合适的取向，诸如可以在进料框架开放区260中引起混合的成角度的取向。
第一、第二和/或第三进料框架支撑构件可以包括构造为支撑至少一个氢选择性膜的第一、第二和/或第三部分和/或可以与其他框架的第一、第二和/或第三支撑构件成镜像的任何合适结构，如上所述。另外，第一、第二和/或第三进料框架支撑构件可包括任何构造为当混合气体流流经输入和输出导管之间的进料框架开放区时改变其至少一部分的流动方向的合适结构。第一和/或第二进料框架支撑构件还可构造为促进进料框架开放区内的湍流或混合。例如，在没有第一和/或第二进料框架支撑构件的情况下，混合气体流的至少一部分流经输入和输出导管之间的进料框架开放区的流动可以沿至少第一方向(未示出)移动。第一和/或第二进料框架膜支撑结构可以构造为将混合气体流的至少一部分的流动从至少第一方向改变为与第一方向不同的至少第二方向(未示出)。
第一、第二和/或第三进料框架支撑构件例如可以是附接到进料框架周边壳体和/或与进料框架周边壳体一起形成的至少一个进料框架突出部或指状物302的形式。(一个或多个)进料框架突出部可以从周边壳体沿任何合适的(一个或多个)方向延伸。例如，(一个或多个)进料框架突出部可以从进料框架周边壳体沿着与混合气体流的至少一部分从输入导管朝向进料框架开放区流动的方向大致上垂直(和/或大致上平行)的方向延伸。例如，如果混合气体流从输入导管流向进料框架开放区的流动大致上是在水平方向上，则进料框架突出部可以从进料框架的周边壳体在大致上垂直方向和/或水平方向上延伸。
渗透框架262可以被定位成使得至少一个箔片微孔筛网装置被设置在第一端部框架和第二端部框架中的一个与渗透框架之间或者在两个箔片微孔筛网装置之间。渗透框架可包括渗透框架周边壳体304、渗透框架输出导管306、渗透框架开放区308和膜支撑结构286，如图15所示。
渗透框架周边壳体可以包括任何合适的结构。例如，渗透框架周边壳体可以包括第一部分或第一周边壳体310以及第二部分或第二周边壳体312，如图14所示。(一个或多个)第一部分和(一个或多个)第二部分可以是周边壳体的(一个或多个)第一半部和(一个或多个)第二半部，或者可以是该周边壳体的任何合适的部分。另外，(一个或多个)第一部分和/或(一个或多个)第二部分可以包括彼此呈任何适当关系的通道或凹槽(未示出)，诸如彼此偏离的通道或凹槽。可以通过任何合适的(一个或多个)方法将第一部分310和第二部分312结合起来，以在这些(一个或多个)部分之间形成气密性密封。例如，可以在这些(一个或多个)部分之间使用渗透框架垫片314。渗透框架垫片可以构造为使得当渗透框架262被固定至第一端部框架和第二端部框架时，渗透框架周边壳体的厚度316与膜支撑结构的厚度318相匹配或基本相匹配(相同或基本相同)，如图14所示，并且下文中将进一步讨论。
备选地，可以将(一个或多个)第一部分和(一个或多个)第二部分铜焊在一起，或者可以使用(一个或多个)层状金属来接合(一个或多个)第一部分和(一个或多个)第二部分，如美国专利申请公开号2013/0011301中所述。其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
在一些实施方式中，渗透框架周边壳体304可包括第一部分320、第二部分322以及设置在(一个或多个)第一部分和(一个或多个)第二部分之间的第三部分324，如图16所示。这些(一个或多个)部分可以是周边壳体的(一个或多个)第一部分、(一个或多个)第二部分和(一个或多个)第三部分，或者可以是该周边壳体的任何合适的部分。另外，(一个或多个)第一部分、(一个或多个)第二部分和/或(一个或多个)第三部分可以包括彼此呈任何适当关系的通道或凹槽(未示出)，诸如彼此呈偏置关系。请注意，在图16中放大了部件以用于说明性目的，并且其可能没有反映那些部件的相对尺寸。
第一部分320、第二部分322和第三部分324可通过任何合适的(一个或多个)方法接合以在那些部分之间形成气密密封。例如，可以在这些(一个或多个)部分之间使用渗透框架垫片326。渗透框架垫片可以构造为使得当渗透框架262固定至第一端部框架和第二端部框架时，渗透框架周边壳体的厚度316与膜支撑结构的厚度318相匹配或基本相匹配(相同或基本相同)，如图14所示。备选地，可以将(一个或多个)第一部分、(一个或多个)
第二部分和/或(一个或多个)第三部分铜焊在一起，或者可以使用(一个或多个)层状金属来接合(一个或多个)第一部分、(一个或多个)第二部分和/或(一个或多个)第三部分，如美国专利申请公开号2013/0011301中所述。其全部公开内容出于所有目的通过引用并入本文。
输出导管306可形成于渗透框架周边壳体282上和/或构造为接收来自膜支撑结构286、渗透框架开放区308和/或氢选择性膜的渗透流。周边壳体282可以包括将输出导管284与渗透框架开放区和/或膜支撑结构流体连接的多个凹槽或通道(未示出)。通道可以通过任何合适的一个或多个方法形成于周边壳体282上和/或可以具有任何合适的取向，例如成角度的取向。
膜支撑结构286可以包括构造为支撑至少一个箔片微孔筛网装置的任何合适的结构，例如箔片微孔筛网装置的(一个或多个)第一部分、(一个或多个)第二部分、(一个或多个)第三部分和/或其他(一个或多个)部分。在一些实施方式中，与一个或多个其他框架相类似，膜支撑结构可以包括第一、第二和/或第三支撑构件(未示出)。备选地，膜支撑结构288可包括一个或多个膜支撑板328，如图14所示。(一个或多个)膜支撑板可跨越开放区的任何合适的(一个或多个)部分，诸如开放区的至少大部分。另外，(一个或多个)膜支撑板可以是实心的、平坦的或平面的，不具有穿孔或孔隙(或不包括穿孔或孔隙)的，不具有隆起和/或突出部(或不包括隆起和/或突出部)的，和/或可能是不可压紧的(或基本上是不可压紧的)。此外，(一个或多个)膜支撑板可以不附接(或不具有附接关系)到渗透框架周边壳体上。换句话说，当将进料框架固定至第一和第二端板时，仅进料框架可以将膜支撑结构锁定就位于渗透框架周边壳体的开放区内。此外，(一个或多个)膜支撑板可以由任何合适的材料制成，例如不锈钢。
(一个或多个)膜支撑板328可以包括第一面(或表面)330和第二相对面(或相对表面)332，如图14所示。一个或多个膜支撑板的任一个面或两个面可以不包括或不具有任何凹槽、隆起、突出部等，或者完全不具有凹槽、隆起、突出部等，如图17所示。在一些实施方式中，(一个或多个)膜支撑板328的任一个面或两个面可以包括多个微槽334，如图18所示，微槽可以包括向渗透流提供一个或多个流动路径的任何合适的结构。当(一个或多个)膜支撑板328包括表面微槽时，这些板可被称为“(一个或多个)表面开槽板”。所述微槽可具有任何合适的(一个或多个)取向，例如彼此平行。另外，如图18所示，微槽334可从膜支撑板的第一边缘336延伸到第二相对边缘338(或从第三边缘延伸到第四相对边缘)。备选地，一个或多个微槽可以从第一边缘延伸到第二边缘之前，从第二边缘延伸到第一边缘之前，在第一边缘和第二边缘之间但不包括第一边缘和第二边缘，等等。此外，微槽334可以是仅在第一面上、仅在第二面上，或者在第一和第二面两者上。此外，微槽可以包括于膜支撑板的整个长度或宽度上(如图18所示)，或者可以包括于该长度或宽度的任何合适的(一个或多个)部分，例如包括于长度或宽度的25％、50％或75％处。
微槽334可具有任何合适的尺寸。例如，微槽可以具有0.005英寸至0.020英寸(或者优选0.010至0.012英寸)的宽度，并且可以具有0.003英寸至0.020英寸(优选0.008至0.012英寸)的深度。所述微槽可以以任何合适的距离隔开，例如0.003英寸至0.020英寸(或优选0.003至0.007英寸)。可以通过任何合适的方法来制造微槽，诸如化学蚀刻、机械加工和/或类似方法。
在一些实施方式中，膜支撑结构286可包括具有相对面的单个支撑板339(任一个面或两个面具有微槽334)，如图14所示。备选地，膜支撑结构可包括第一膜支撑板340和第二膜支撑板342，如图14中的虚线所示。第一膜支撑板可包括第一面344和第二相对面346。第二膜支撑板342可包括第一面348和第二相对面349。第一和/或第二膜支撑板的第一面可包括或不包括微槽334。另外，第一和第二膜支撑板的第二面可彼此面对。换句话说，第一膜支撑板和第二膜支撑板可堆叠在膜支撑结构中，使得第一膜支撑板的第二面朝向第二膜支撑板的第二面，和/或反之亦然。在一些实施方式中，第一膜支撑板的第二面可以接触第二膜支撑板的第二面。
在一些实施方式中，膜支撑结构可以包括第三膜支撑板350，第三膜支撑板350可以设置在第一膜支撑板和第二膜支撑板之间，如图19所示。请注意，在图19中已经放大了部件以用于说明性目的，其可能无法反映这些部件的相对尺寸。膜支撑结构可包括堆叠的第一、第二和第三膜支撑板，使得第三膜支撑板接触第一和/或第二膜支撑板的第二面。当第三膜支撑板设置在第一膜支撑板和第二膜支撑板之间时，第三膜支撑板有时可被称为“中心板”。第三膜支撑板在其两个面中的任一个面或两个面上可以不具有微槽。第一、第二和第三膜支撑板可具有任何合适的尺寸。例如，第一和第二膜支撑板可以是0.060英寸，而第三膜支撑板可以是0.105英寸。
如上所述，渗透框架垫片314和/或326可以构造为使得当渗透框架被固定和/或压紧到第一端部框架和第二端部框架时，渗透框架的厚度与膜支撑结构的厚度相匹配。这些垫片在被压紧之前的厚度大于膜支撑结构厚度。当在压缩极限为15％至50％的情况下将柔性石墨垫片用于一个或多个渗透框架垫片时，则(一个或多个)渗透框架垫片可具有导致在此压缩极限内的所需最终厚度的压紧前厚度。当渗透框架包括此类垫片时，渗透框架有时可被称为“自调节渗透框架”。当在通过进料框架进行压缩的组装过程中压紧自调节渗透框架(例如在1000到2000psi压紧力下)以在进料框架和氢选择性膜之间形成气密密封时，进料框架对渗透框架的压紧力可在进料框架接触(一个或多个)氢选择性膜、微孔筛网结构和膜支撑结构)时被阻止，其中进料框架接触(一个或多个)氢选择性膜、微孔筛网结构和膜支撑结构可以共同形成大致上不可压缩的部件组或部件堆叠。
作为示例，如果膜支撑结构具有0.257英寸的厚度，则理想地，渗透框架的厚度将精确为或大约为0.257英寸。当渗透框架周边壳体包括两个部分，每个部分例如为0.120英寸厚时，则渗透框架垫片应构造为在压紧后为0.017英寸厚。例如，在压紧之前为0.030英寸厚的渗透框架垫片可在其压缩极限内压紧至压紧后的厚度0.017英寸，这将产生与膜支撑结构厚度相匹配的渗透框架厚度。尽管所示出的膜支撑结构286包括膜支撑板328，但是膜支撑结构可以包括金属丝网和/或(一个或多个)带孔的金属片(未示出)。
如图4所示，框架224还可以包括垫片或垫片框架264。垫片框架可以包括构造为在其他框架之间提供流体密封界面的任何合适结构，例如在第一端板200和第二端板202与进料框架260之间、在进料框架260与箔片微孔筛网装置205之间、在箔片微孔筛网装置与渗透框架262之间提供流体密封界面。用于垫片框架264的合适的垫片的示例为柔性石墨垫片。合适的垫片材料的另一示例为Flexitallic LP(得克萨斯州，迪尔帕克)出售的
Figure BDA0002562485790000201
866。尽管所示出的框架224包括两个进料框架260和单个渗透框架开放区262，但是这些框架可以包括任何适当数目的进料框架和渗透框架。另外，尽管所示出的氢纯化设备196包括两个氢选择性膜206，但是该设备可以包括任何适当数目的氢选择性膜。
尽管所示出的一个或多个框架224包括仅在垂直方向上或仅在水平方向上延伸的突出部，但是附加地或备选地，这些框架可以包括在水平、垂直和/或其他适当方向(诸如倾斜方向)上延伸的突出部。另外，尽管所示出的一个或多个框架224包括三个突出部，但是这些框架可以包括一个、两个、四个、五个或更多个突出部。进一步地，尽管所示出的一个或多个框架224包括在第一、第二和/或第三支撑平面内共面的突出部，但是附加地或备选地，这些框架可以包括在第四、第五或更多的支撑平面内共面的突出部。
氢纯化设备144的另一示例大致上如图20中396处指示。除非特别排除，否则氢纯化设备396可包括本公开内容中描述的其他氢纯化设备和/或纯化区的一个或多个部件。
氢纯化设备396在许多方面与氢纯化设备196相类似，但是其具有不同形状的框架，不具有支撑构件，具有不同尺寸的箔片微孔筛网装置和较少的垫片框架，如下文中进一步描述的那样。氢纯化设备396的部件或零件与氢纯化设备196的部件或零件相对应，并且在图20中以相类似的附图标记进行标示，其通用为“3XX”而不是“1XX”和“4XX”以及“2XX”。因此，特征398、400、402、404、405、406、408、424、426、434、436、438、440、460、462、464等可以与它们在氢气纯化设备196中各自的对应物即特征198、200、202、204、205、206、208、224、226、234、236、236、238、240、260、262、264等相同或基本上相同。
氢纯化设备396可以包括壳体或封罩398，其可以包括第一端板或端部框架400以及第二端板或端部框架402。第一端板和第二端板可以构造为固定和/或压紧在一起，以限定具有内部隔室404的密封压力容器，在该内部隔室中支撑氢分离区。
氢纯化设备396还可包括至少一个箔片微孔筛网装置405，其可设置在第一和第二端板之间并且/或者固定在第一和第二端板之间。箔片微孔筛网装置可包括至少一个氢选择性膜406和至少一个微孔筛网结构408。一个或多个氢选择性膜可冶金结合到微孔筛网结构408。例如，一个或多个氢选择性膜406可以扩散结合到微孔筛网结构，以在(一个或多个)膜和微孔筛网结构之间形成固态扩散结合。箔片微孔筛网装置405的尺寸设定为适合于渗透框架的开放区，并由此具有相比于或相对于箔片微孔筛网装置205更小的长度和宽度。
氢纯化设备396还可包括多个板或框架424，这些板或框架设置在第一和/或第二端部框架之间并固定至第一和/或第二端部框架。框架424可包括周边壳体426。周边壳体可限定开放区430。另外，周边壳体426可包括第一相对侧434和第二相对侧436以及第三相对侧438和第四相对侧440。与氢纯化设备196的框架224不同，框架424不包括任何支撑构件。
框架424可包括至少一个进料框架460、至少一个渗透框架462以及多个垫片或垫片框架464。进料框架460可设置在第一端部框架和第二端部框架其中之一与至少箔片微孔筛网装置405之间，或者可以设置在两个箔片微孔筛网装置405之间。进料框架可包括与进料框架260至少基本上相类似的部件，例如进料框架周边壳体、进料框架输入导管、进料框架输出导管和/或进料框架开放区。
渗透框架462可以定位成使得至少一个箔片微孔筛网装置设置在第一端部框架和第二端部框架其中之一与渗透框架之间或者设置在两个箔片微孔筛网装置之间。渗透框架可包括与渗透框架262至少基本上相类似的部件，例如渗透框架周边壳体、渗透框架输出导管、渗透框架开放区和/或膜支撑结构。
框架424还可以包括垫片或垫片框架464。垫片框架可以包括任何构造为在其他框架之间提供流体密封界面的合适结构，诸如在第一端板400和第二端板402与进料框架460之间，和/或在进料框架460与箔片微孔筛网装置405之间提供流体密封界面。与氢纯化设备196不同，氢纯化设备396不包括在箔片微孔筛网装置和渗透框架462之间的垫片框架464。与氢纯化设备196相类似，进料框架和垫片框架的宽度大于渗透框架的宽度(或进料框架和垫片框架的开放区小于渗透框架的开放区)，这使得超出的宽度覆盖了箔片微孔筛网装置的边缘，以消除或最小化从进料侧到渗透侧或从渗透侧到进料侧的泄漏(例如，参见图14，该图显示了进料框架和垫片框架的超出的宽度覆盖了箔片微孔筛网装置的边缘)。在一些实施方式中，超出的宽度对应于箔片微孔筛网装置的微孔筛网结构的周边部分(非穿孔部分)的宽度。
本公开内容的氢纯化设备和/或它们的部件(例如，箔片微孔筛网装置)可包括以下项目中的一个或多个：
ο第一端部框架和第二端部框架包括输入端口，该输入端口构造为接收包含氢气和其他气体的混合气体流。
ο第一端部框架和第二端部框架包括输出端口，该输出端口构造为接收渗透流，该渗透流包含比混合气体流更高浓度的氢气和更低浓度的其他气体中的至少一个。
ο第一端部框架和第二端部框架包括副产物端口，该副产物端口构造为接收包含至少大部分其他气体的副产物流。
ο至少一个箔片微孔筛网装置设置在第一端部框架和第二端部框架之间并固定至第一端部框架和第二端部框架。
ο至少一个氢选择性膜设置在第一端部框架和第二端部框架之间并固定至第一端部框架和第二端部框架。
ο至少一个氢选择性膜，其具有进料侧和渗透侧，所述渗透流的至少一部分由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，而所述混合气体流的保留在所述进料侧的其余部分形成了所述副产物流的至少一部分。
ο至少一个氢选择性膜冶金结合到至少一个微孔筛网结构。
ο至少一个氢选择性膜的渗透侧冶金结合到至少一个微孔筛网结构。
ο至少一个氢选择性膜扩散结合到至少一个微孔筛网结构上。
ο至少一个氢选择性膜的渗透侧扩散结合到至少一个微孔筛网结构。
ο至少一个微孔筛网结构设置在至少一个氢选择性膜和至少一个渗透框架之间。
ο至少一个微孔筛网结构构造为支撑至少一个氢选择性膜。
ο至少一个微孔筛网结构包括大致上相对的表面，该表面构造为向渗透侧提供支撑。
ο至少一个微孔筛网结构包括在相对表面之间延伸的多个流体通道。
ο至少一个微孔筛网结构的尺寸设定为不接触至少一个渗透框架的周边壳体。
ο至少一个微孔筛网结构的尺寸设定为当至少一个微孔筛网结构和至少一个渗透框架固定至第一端部框架和第二端部框架时不接触周边壳体。
ο至少一个微孔筛网结构包括非多孔平面片，该非多孔平面片具有形成多个流体通道的多个孔。
ο非多孔平面片，其包括大致上相对的构造为向渗透侧提供支撑的平面表面。
ο非多孔平面片，其包括不具有孔的至少周边部分。
ο非多孔平面片，其包括两个或更多个具有孔的离散部分。
ο至少一个微孔筛网结构，其包括具有形成多个流体通道的多个孔的非多孔金属片。
ο限定平面的非多孔金属片，其中，该非多孔金属片的孔包括垂直于该平面的轴线。
ο非多孔片的孔是圆形的。
ο非多孔片的孔是长圆形的。
ο非多孔片的孔是椭圆形的。
ο非多孔片的孔是六边形的。
ο非多孔金属片，其包括不锈钢。
ο非多孔金属片，其包括300系列不锈钢。
ο非多孔金属片，其包括400系列不锈钢。
ο非多孔金属片，其包括含有约0.6重量％至约3.0重量％的铝的不锈钢。
ο非多孔金属片，其包括一种或多种镍合金。
ο非多孔金属片，其包括一种或多种具有镀镍表面的镍合金。
ο非多孔金属片，其包括一种或多种含有铜的镍合金。
ο一个或多个离散部分，其与相邻的离散部分通过至少一个不具有孔的边界部分隔开。
ο不同的氢选择性膜冶金结合到离散部分。
ο氢选择性膜的尺寸设定为大于离散部分的尺寸，以使得氢选择性膜的周边部分接触不包括孔的非多孔平面片的一个或多个部分。
ο多个框架，其设置在第一端部框架和第二端部框架与至少一个氢选择性膜之间，并固定至第一端部框架和第二端部框架。
ο多个框架，其包括至少一个设置在至少一个氢选择性膜和第二端部框架之间的渗透框架。
ο至少一个渗透框架，其包括周边壳体。
ο至少一个渗透框架，其包括形成于周边壳体上并构造为从至少一个氢选择性膜接收至少一部分渗透流的输出导管。
ο至少一个渗透框架，其包括被周边壳体包围的开放区。
ο至少一个渗透框架，其包括至少一个膜支撑结构。
ο至少一个膜支撑结构，其跨过开放区的至少大部分。
ο至少一个膜支撑结构，其构造为支撑至少一个氢选择性膜。
ο至少一个膜支撑结构，其包括单个膜支撑板，该单个膜支撑板包括第一面以及与该第一面相对的第二面。
ο第一和/或第二面具有多个微槽，这些微槽构造成为至少部分渗透流提供流动通道。
ο第一和/或第二面不具有微槽。
ο至少一个膜支撑结构，其包括第一和第二膜支撑板。
ο第一和第二膜支撑板不具有穿孔。
ο具有第一面的第一和第二膜支撑板，所述第一面具有多个微槽，这些微槽构造成为至少部分渗透流提供流动通道。
ο第一和第二膜支撑板，其具有与第一面相对的第二面。
ο第一和第二膜支撑板，其堆叠成至少一个膜支撑结构。
ο第一和第二膜支撑板，其堆叠成至少一个膜支撑结构，使得第一膜支撑板的第二面朝向第二膜支撑板的第二面。
ο不可压紧的第一和第二膜支撑板。
ο平面的第一和第二膜支撑板。
ο至少一个进料框架，其设置在第一端部框架和至少一个氢选择性膜之间。
ο至少一个进料框架，其包括周边壳体。
ο至少一个进料框架，其包括形成于至少一个进料框架的周边壳体上的输入导管。
ο至少一个进料框架，其包括构造为从输入端口接收至少一部分混合气体流的输入管道。
ο至少一个进料框架，其包括形成于至少一个进料框架的周边壳体上的输出导管。
ο至少一个进料框架，其其包括输出管道，该输出管道构造为接收至少部分混合气体流的保留在至少一个氢选择性膜的进料侧的其余部分。
ο至少一个进料框架，其包括由进料框架的周边壳体包围并设置在输入和输出导管之间的进料框架开放区。
ο至少一个进料框架的周边壳体的尺寸设定为使得至少一个进料框架的周边壳体支撑至少一个渗透框架的周边壳体和至少一个膜支撑结构的一部分。
ο至少一个进料框架的周边壳体的尺寸设定为使得至少一个进料框架的周边壳体沿多个支撑平面支撑至少一个渗透框架的周边壳体和至少一个膜支撑结构的一部分，其中支撑平面垂直于多个框架中的每一个框架的框架平面。
ο至少一个膜支撑结构，其包括第三膜支撑板。
ο第三膜支撑板，其设置在第一和第二膜支撑板之间。
ο不可压紧的第三膜支撑板。
ο平面的第三膜支撑板。
ο不具有穿孔的第三膜支撑板。
ο不具有微槽的第三膜支撑板。
ο渗透框架的周边壳体，其包括第一和第二周边壳体。
ο渗透框架的周边壳体，其包括设置在第一和第二周边壳体之间的垫片。
ο垫片，其构造为使得渗透框架周边壳体的厚度与膜支撑结构的厚度相匹配。
ο垫片，其构造为使得当渗透框架固定至第一端部框架和第二端部框架时，渗透框架周边壳体的厚度与膜支撑结构的厚度相匹配。
ο渗透框架周边壳体，其包括第一、第二和第三周边壳体。
ο渗透框架周边壳体，其包括设置在第一和第二周边壳体之间的第一垫片。
ο渗透框架周边壳体，其包括设置在第二和第三周边壳体之间的第二垫片。
ο第一和第二垫片，其构造为使得渗透框架周边壳体的厚度与膜支撑结构的厚度相匹配。
ο第一和第二垫片，其构造为使得当渗透框架固定至第一端部框架和第二端部框架时，渗透框架周边壳体的厚度与膜支撑结构的厚度相匹配。
ο第一和第二膜支撑板，其中每一个均具有第一和第二相对边缘。
ο多个微槽，其从第一边缘延伸到第二边缘。
ο多个平行的微槽。
工业适用性
本公开内容包括氢纯化设备和这些设备的部件，其适用于纯化、生产和/或利用氢气的燃料处理和其他工业。
以上阐述的本公开内容涵盖了具有独立效用的多个不同的发明。尽管已经以其优选形式公开了这些发明中的每一个，但是本文公开和示出的其特定的实施方式不应被认为具有限制性的意义，因为可以进行多种变化。本发明的主题包括本文公开的各种元件、特征、功能和/或特性的所有新颖的且非显而易见的组合和子组合。类似地，在任何权利要求中记载“一个”或“第一”要素或其等同物的情况下，该权利要求应理解为包括并入一个或多个这样的要素，既不需要也不排除两个或多个这类要素。
可以通过在相关申请中提出新的权利要求来主张以特征、功能、元件和/或特性的各种组合和子组合所体现的发明。这样的新权利要求，无论是针对不同的发明还是针对相同的发明，无论是否与原始权利要求的范围不同、更宽、更窄或相等，也都被视为包括在本公开内容的发明主题之内。

Claims (27)

1.一种氢纯化设备，包括：
第一端部框架和第二端部框架，其包括：
输入端口，其构造为接收包含氢气和其他气体的混合气体流；
输出端口，其构造为接收渗透流，所述渗透流包含比所述混合气体流更高浓度的氢气和更低浓度的所述其他气体中的至少一个；和
副产物端口，其构造为接收包含至少大部分所述其他气体的副产物流；
至少一个箔片微孔筛网装置，其设置在所述第一端部框架和所述第二端部框架之间并固定至所述第一端部框架和所述第二端部框架，所述至少一个箔片微孔筛网装置包括：
至少一个氢选择性膜，其具有进料侧和渗透侧，所述渗透流的至少一部分由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，而所述混合气体流的保留在所述进料侧的其余部分形成了所述副产物流的至少一部分；和
至少一个微孔筛网结构，其包括具有形成多个流体通道的多个孔的非多孔平面片，所述平面片包括大致上相对的平面表面，所述平面表面构造为向所述渗透侧提供支撑，所述多个流体通道在所述相对的表面之间延伸，其中所述至少一个氢选择性膜冶金结合到所述至少一个微孔筛网结构；以及
多个框架，其设置在所述第一端部框架和所述第二端部框架与所述至少一个箔片微孔筛网装置之间并固定至所述第一端部框架和所述第二端部框架，所述多个框架中的每一个框架包括限定开放区的周边壳体。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个孔设置在所述非多孔平面片上，使得所述平面片的至少周边部分不具有所述多个孔。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述非多孔平面片包括具有所述多个孔的两个或更多个离散部分。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述两个或更多个离散部分的每一个离散部分与所述两个或更多个离散部分中的相邻离散部分通过不具有所述多个孔的至少一个边界部分隔开。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少一个氢选择性膜包括两个或更多个氢选择性膜，并且其中所述两个或更多个氢选择性膜中的不同的氢选择性膜冶金结合到所述两个或更多个离散部分中的每一个离散部分。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述两个或更多个氢选择性膜中的每一个氢选择性膜的尺寸设定为大于相应的离散部分，使得所述氢选择性膜的周边部分接触所述非多孔平面片的不包括所述多个孔的一个或多个部分。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个氢选择性膜扩散结合到所述至少一个微孔筛网结构。
8.一种氢纯化设备，包括：
第一端部框架和第二端部框架，其包括：
输入端口，其构造为接收包含氢气和其他气体的混合气体流；
输出端口，其构造为接收渗透气体流，所述渗透气体流包含比所述混合气体流更高浓度的氢气和更低浓度的所述其他气体中的至少一个；和
副产物端口，其构造为接收包含至少大部分所述其他气体的副产物流；
至少一个箔片微孔筛网装置，其设置在所述第一端部框架和所述第二端部框架之间并固定至所述第一端部框架和所述第二端部框架，所述至少一个箔片微孔筛网装置包括：
至少一个具有进料侧和渗透侧的氢选择性膜，所述渗透流的至少一部分由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，而所述混合气体流的保留在所述进料侧的其余部分形成了所述副产物流的至少一部分，和
至少一个微孔筛网结构，其包括构造为向所述渗透侧提供支撑的大致上相对的平面表面，以及在所述相对的表面之间延伸的多个流体通道，其中所述至少一个氢选择性膜冶金结合到所述至少一个微孔筛网结构；以及
多个框架，其设置在所述第一端部框架和所述第二端部框架与所述至少一个箔片微孔筛网装置之间并固定至所述第一端部框架和所述第二端部框架，所述多个框架包括设置在所述至少一个箔片微孔筛网装置和所述第二端部框架之间的至少一个渗透框架，所述至少一个渗透框架包括：
周边壳体，
输出导管，其形成于所述周边壳体上，并构造为从所述至少一个氢选择性膜接收所述至少一部分渗透流，
由所述周边壳体包围的开放区，和
至少一个膜支撑结构，其跨过所述开放区的至少大部分并且构造为支撑所述至少一个箔片微孔筛网装置，所述至少一个膜支撑结构不具有穿孔。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述至少一个膜支撑结构包括单个膜支撑板，所述单个膜支撑板包括第一面以及与所述第一面相对的第二面。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一面和所述第二面具有多个微槽，所述微槽构造成为所述至少一部分渗透流提供流动通道。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一面和所述第二面不具有微槽。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述至少一个膜支撑结构包括堆叠在所述至少一个膜支撑结构中的第一膜支撑板和第二膜支撑板。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述第一膜支撑板和所述第二膜支撑板中的每一个均不具有穿孔，并且包括第一面以及与所述第一面相对的第二面；其中，所述第一膜支撑板和所述第二膜支撑板堆叠在至少一个所述膜支撑结构中，使得所述第一膜支撑板的第二面朝向所述第二膜支撑板的第二面。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一膜支撑板和所述第二膜支撑板中的每一个的所述第一面包括多个微槽，所述多个微槽构造成为所述至少一部分渗透流提供流动通道。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一膜支撑板和所述第二膜支撑板中的每一个的所述第一面不具有微槽。
16.根据权利要求8所述的设备，其中所述至少一个微孔筛网结构包括非多孔金属片，所述非多孔金属片具有形成所述多个流体通道的多个孔。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述非多孔金属片限定了一个平面，并且其中所述多个孔中的每一个孔包括垂直于所述平面的轴线。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述多个孔中的一个或多个孔是椭圆形的。
19.根据权利要求16所述的设备，其中所述非多孔金属片包括不锈钢。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述非多孔金属片包括一种或多种镍合金。
21.一种用于氢纯化设备的箔片微孔筛网装置，包括：
至少一个具有进料侧和渗透侧的氢选择性膜，其中所述至少一个氢选择性膜构造为接收混合气体流，以使得渗透流由所述混合气体流的从所述进料侧穿透到所述渗透侧的部分形成，并且使得副产物流由所述混合气体流的保留在所述进料侧的其余部分形成；和
至少一个微孔筛网结构，其包括具有形成多个流体通道的多个孔的非多孔平面片，所述平面片包括构造为向所述渗透侧提供支撑的大致上相对的平面表面，所述多个流体通道在所述相对的表面之间延伸，其中所述至少一个氢选择性膜的渗透侧冶金结合到所述至少一个微孔筛网结构。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述多个孔设置在所述非多孔平面片上，使得所述平面片的至少周边部分不具有所述多个孔。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述非多孔平面片包括具有所述多个孔的两个或更多个离散部分。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述两个或更多个离散部分的每一个离散部分与所述两个或更多个离散部分中的相邻离散部分通过不具有所述多个孔的至少一个边界部分隔开。
25.根据权利要求23所述的装置，其中所述至少一个氢选择性膜包括两个或更多个氢选择性膜，并且其中所述两个或更多个氢选择性膜中的不同的氢选择性膜冶金结合到所述两个或更多个离散部分中的每一个离散部分。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述两个或更多个氢选择性膜中的每一个氢选择性膜的尺寸设定为大于相应的离散部分，使得所述氢选择性膜的周边部分接触不包括所述多个孔的所述非多孔平面片的一个或多个部分。
27.根据权利要求21所述的装置，其中所述至少一个氢选择性膜扩散结合到所述至少一个微孔筛网结构。
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