CN116390800A - 氢纯化装置 - Google Patents

Abstract

公开了氢纯化装置及其部件。在一些实施例中，该装置可包括至少一个箔‑微筛组件，至少一个箔‑微筛组件被设置在第一端部框架和第二端部框架之间并固定到第一端部框架和第二端部框架。至少一个箔‑微筛组件可以包括至少一个氢选择性膜和至少一个微筛结构，该微筛结构包括具有形成多个流体通道的多个孔口的无孔平面片。平面片可包括被配置成为渗透侧提供支撑的大体相对的平坦表面。多个流体通道可在相对的表面之间延伸。至少一个氢选择性膜可以冶金地结合至至少一个微筛结构。

Description

氢纯化装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年8月26日提交的题为“氢纯化装置”的美国专利申请号17/412,581的权益。本申请还要求2020年8月27日提交的题为“氢纯化装置”的美国临时申请号63/071,139的权益。本申请也是2020年6月18日提交的题为“氢纯化装置”的美国专利申请序列号16/904,872的部分继续申请，后一申请是于2018年1月4日提交的名称为“氢纯化装置”的美国专利申请序列号为15/862,474且现已授予美国专利号10,717,040的分案申请，后一申请是于2017年4月10日提交的名称为“氢生成组件和氢纯化装置”的美国专利申请序列号15/483,265且现已授予美国专利号10,166,506专利申请的部分继续申请，后一申请是于2015年11月3号提交的题为“氢生成组件和氢纯化装置”的美国专利申请序列号14/931,585且已授予美国专利号9,616,389的专利申请的分案申请，后一申请是2013年3月14日提交的题为“氢生成组件和氢纯化装置”的美国专利申请号13/829,766且现已授予美国专利号9,187,324的专利申请的分案申请，后一申请是2012年8月30日提交的题为“氢生成组件”且现已放弃的美国专利申请号13/600,096的部分继续申请。上述申请的完整公开内容出于所有目的通过引用并入本文。

背景技术

氢生成组件是将一种或多种原料转化为包含作为主要组分的氢气的产物流的组件。原料可以包括含碳原料，并且在一些实施例中，还可以包括水。原料从原料递送系统被递送到氢生成组件的氢产生区，通常原料在压力和升高的温度下递送。氢产生区通常与温度调节组件相关联，诸如加热组件或冷却组件，其消耗一种或多种燃料流以保持氢产生区在有效产生氢气的适合温度范围内。氢生成组件可通过任何合适的(一个或多个)机制生成氢气，诸如蒸汽重整、自热重整、热解和/或催化部分氧化。

然而，生成或产生的氢气气体可能含有杂质。该气体可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，诸如去除至少一部分其他气体。因此，氢生成组件可以包括用于提高混合气体流的氢纯度的氢纯化装置。氢纯化装置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/或被缩减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过程，其中一个或多个氢选择性膜包含在压力容器中。混合气体流接触(一个或多个)膜的混合气体表面，产物流由渗透通过(一个或多个)膜的混合气体流的至少一部分形成。压力容器通常被些实施例中，原料递送系统可被配置成递送进料密封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端口或导管。

产物流可用于多种应用。一种这样的应用是能量产生，诸如在电化学燃料电池中。电化学燃料电池是一种将燃料和氧化剂转化为电、反应产物和热的装置。例如，燃料电池可以将氢气和氧气转化为水和电。在这些燃料电池中，氢气是燃料，氧气是氧化剂，水是反应产物。燃料电池堆包括多个燃料电池并且可以与氢生成组件一起使用以提供能量产生组件。

在美国专利号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和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中描述了氢生成组件、氢处理组件和/或这些组件的部件的示例。上述专利和专利申请公布的完整公开内容出于所有目的通过引用并入本文。

附图说明

图1是氢生成组件的一示例的示意图。

图2是图1的氢生成组件的一示例的示意图。

图3是图1的氢生成组件的氢纯化装置的示意图。

图4是图3的氢纯化装置的一示例的分解立体图。

图5是图3的氢纯化装置的箔-微筛组件的一示例的俯视图。

图6是图5的箔-微筛组件的微筛结构的一示例的俯视图。

图7是图6的微筛结构的孔口的另一示例的局部视图。

图8是图6的微筛结构的孔口的附加示例的局部视图。

图9是图6的微筛结构的孔口的另外的示例的局部视图。

图10是图6的微筛结构的孔口的再一示例的局部视图。

图11是图3的氢纯化装置的箔-微筛组件的附加示例的俯视图。

图12是图11的箔-微筛组件的微筛结构的一示例的俯视图。

图13是图3的氢纯化装置的箔-微筛组件的另一示例的俯视图。

图14是图3的氢纯化装置的箔-微筛组件的另外的示例的俯视图。

图15是图3的氢纯化装置的另一示例的分解立体图。

具体实施方式

图1示出氢生成组件20的一示例。除非特别排除，氢生成组件20可包括本公开中描述的其他氢生成组件的一个或多个部件。氢生成组件可包括配置成生成产物氢流21的任何合适的结构。例如，氢生成组件可包括原料递送系统22和燃料处理组件24。原料递送系统可包括任何合适的结构，所述任何合适的结构被配置成选择性地将至少一种进料流26递送至燃料处理组件。

在一些实施例中，原料递送系统22可另外包括任何合适的结构，所述任何合适的结构被配置成选择性地将至少一种燃料流28递送至燃料处理组件24的燃烧器或其他加热组件。在一些实施例中，进料流26和燃料流28可以是递送到燃料处理组件的不同部分的相同的流。原料递送系统可包括任何合适的递送机构，诸如正排量泵(positivedisplacement pump)或其他合适的泵或机构，以用于推进流体流。在一些实施例中，原料递送系统可被配置成递送(一个或多个)进料流26和/或(一个或多个)燃料流28而不需要使用泵和/或其他电力驱动的流体递送机构。可与氢生成组件20一起使用的合适的原料递送系统的例子包括在美国专利号7,470,293和7,601,302以及美国专利申请公开号2006/0090397中描述的原料递送系统。上述专利和专利申请的完整公开内容出于所有目的通过引用并入本文。

进料流26可包括至少一种氢产生流体30，其可包括可用作反应物以产生产物氢流21的一种或多种流体。例如，氢产生流体可包括含碳原料，诸如至少一种碳氢化合物和/或醇。合适的碳氢化合物的例子包括甲烷、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。此外，氢产生流体30可以包括水，诸如当燃料处理组件通过蒸汽重整和/或自热重整生成产物氢流时。当燃料处理组件24通过热解或催化部分氧化生成产物氢流时，进料流26不包含水。

在一些实施例中，原料递送系统22可被配置成递送包含水和可与水混溶的含碳原料(诸如甲醇和/或另一种水溶性醇)的混合物的氢产生流体30。这种流体流中水与含碳原料的比例可根据一个或多个因素而变化，所述一个或多个因素诸如所使用的特定含碳原料、用户偏好、燃料处理组件的设计、燃料处理组件使用的(一个或多个)生成产物氢流的机制等。例如，水与碳的摩尔比可以是大约1:1至3:1。此外，水和甲醇的混合物可以按或接近1:1的摩尔比(37重量％的水，63重量％的甲醇)递送，而碳氢化合物或其他醇类的混合物可以按大于1:1的水-碳摩尔比递送。

当燃料处理组件24通过重整生成产物氢流21时，进料流26可以包括例如大约25-75体积％的甲醇或乙醇(或另一种合适的水混溶性含碳原料)和大约25-75体积％的水。对于至少基本上包括甲醇和水的进料流，那些流可以包括大约50-75体积％的甲醇和大约25-50体积％的水。包含乙醇或其他水混溶性醇的流可包含约25-60体积％的醇和约40-75体积％的水。进料流，用于利用蒸汽重整或自热重整的氢生成组件20，的示例包含69体积％的甲醇和31体积％的水。

尽管原料递送系统22被示出成被配置成递送单个进料流26，但是原料递送系统可被配置成递送两个或更多个进料流26。这些流可以包含相同或不同的原料并且可以具有不同的成分、至少一种共同组分，可以没有共同组分，或者可以具有相同成分。例如，第一进料流可包括第一组分，诸如含碳原料，以及第二进料流可包括第二组分，诸如水。此外，尽管在一些实施例中，原料递送系统22可以配置成递送单一燃料流28，原料递送系统可配置成递送两个或更多个燃料流。燃料流可具有不同的成分、至少一种共同的组分，可以没有共同的组分或具有相同的成分。此外，进料流和燃料流可以在不同阶段从原料递送系统排出。例如，流中的一者可以是液体流而另一者是气体流。在一些实施例中，两种流都可以是液体流，而在其他实施例中，两种流都可以是气体流。此外，虽然氢生成组件20被示出为包括单个原料递送系统22，但氢生成组件可包括两个或更多个原料递送系统22。

燃料处理组件24可包括氢产生区32，该氢产生区被配置成通过任何合适的(一个或多个)氢产生机制以产生包含氢气的输出流34。输出流可以至少包括作为主要组分的氢气，并且可以包括(一个或多个)另外的气态组分。输出流34因此可被称为“混合气体流”，该“混合气体流”包含氢气作为其主要组分但其包括其他气体。

氢产生区32可包括任何合适的含催化剂床或区。当氢产生机制是蒸汽重整时，氢产生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。在这样的实施例中，燃料处理组件24可称为“蒸汽重整器”，氢产生区32可称为“重整区”，输出流34可称为“重整流”。重整流中可能存在的其他气体可能包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、蒸汽和/或未反应的含碳原料。

当氢产生机制是自热重整时，氢产生区32可以包括合适的自热重整催化剂，以促进在空气的存在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。此外，燃料处理组件24可包括被配置成将(一个或多个)空气流递送至氢产生区的空气递送组件38。

在一些实施例中，燃料处理组件24可包括纯化(或分离)区40，其可包括配置成从输出(或混合气体)流34产生至少一种富氢流42的任何适当的结构。富氢流42可包括比输出流34高的氢浓度以及/或者存在于该输出流中的一种或多种其他气体(或杂质)的降低的浓度。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成分和流速。或者，富氢流42中的一些纯化氢气可储存以备后用，诸如储存在合适的氢气储存组件中和/或由燃料处理组件消耗。纯化区40也可称为“氢纯化装置”或“氢处理组件”。

在一些实施例中，纯化区40可产生至少一种副产物流44，该副产物流可不包含氢气或包含一些氢气。副产物流可以被排出，被送到燃烧器组件和/或其他燃烧源，被用作经加热的流体流，被储存以备后用，和/或以其他方式利用、储存和/或处置。另外，纯化区40可以响应于输出流34的递送将副产物流作为连续流进行排放，或者可以间歇地排放该副产物流，诸如在批处理过程中或者当输出流的副产物部分至少暂时保留在纯化区中时。

燃料处理组件24可包括一个或多个纯化区，纯化区配置成产生一种或多种副产物流，副产物流包含足量的氢气以适合用作燃料处理组件的加热组件的燃料流(或原料流)。在一些实施例中，副产物流可具有足够的燃烧值或氢含量以使加热组件能够将氢产生区维持在期望的操作温度或选定的温度范围内。例如，副产物流可包括氢气，诸如10-30体积％的氢气、15-25体积％的氢气、20-30体积％的氢气、至少10或15体积％的氢气、至少20体积％氢气等。

纯化区40可包括配置成富集(和/或增大)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将具有比输出流(或混合气体流)34高的氢浓度。富氢流还可以具有存在于输出流34中浓度降低的一种或多种非氢组分，其中富氢流的氢浓度高于、等于或低于输出流。例如，在常规燃料电池系统中，即使一氧化碳以百万分之几存在，它也可能损坏燃料电池组，而可能存在于输出流34中的其他非氢组分，诸如水，则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，纯化区可能不会增大总的氢浓度，但会降低一种或多种对产物氢流的期望应用有害或潜在有害的非氢组分的浓度。

用于纯化区40的合适装置的例子包括一个或多个氢选择性膜46、化学一氧化碳去除组件48和/或变压吸附(Pressure swing adsorption,PSA)系统50。纯化区40可包括多于一种类型的纯化装置，并且这些装置可具有相同或不同的结构和/或通过相同或不同的(一个或多个)机制操作。燃料处理组件24在(一个或多个)纯化区下游可包括诸如与一种或多种产物氢流、(一种或多种)富氢流和/或(一种或多种)副产物流关联的至少一个节流孔和/或其他限流器。

氢选择性膜46可渗透氢气，但至少基本上(如果不是完全)不可渗透输出流34的其他组分。膜46可由适于在纯化区40所操作的操作环境和参数中使用的任何氢可渗透材料形成。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。钯合金已证明特别有效，尤其是含有35重量％至45重量％铜的钯。包含大约40重量％铜的钯-铜合金已被证明特别有效，不过可以使用其他相对的浓度和组分。其他三种特别有效的合金是：具有2重量％至20重量％金的钯，尤其是具有5重量％金的钯；具有3重量％至10重量％的铟加0重量％至10重量％的钌的钯，尤其是具有6重量％的铟加0.5重量％的钌的钯；以及具有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有时可称为“箔”。氢可渗透的金属箔的典型厚度小于25微米(micrometers)，优选地小于或等于15微米，最优选地在5至12微米之间。箔可以是任何合适的尺寸，诸如110mm×270mm。

化学一氧化碳去除组件48是使输出流34的一氧化碳和/或其他不期望的组分发生化学反应以形成其他不具有潜在危害的成分的装置。化学一氧化碳去除组件的示例包括：配置成从水和一氧化碳生产氢气和二氧化碳的水煤气变换反应器；配置成将一氧化碳和氧气(通常来自空气)转化成二氧化碳的部分氧化反应器；以及配置成将一氧化碳和氢气转化成甲烷和水的甲烷化反应器。燃料处理组件24可包括多于一种类型和/或数量的化学物质去除装置48。

变压吸附(PSA)是一种化学过程，其中基于某些气体在适当的温度和压力条件下比其他气体会更强烈地吸附到吸附剂材料上的原理，从输出流34中除去气态杂质。通常，对非氢杂质进行吸附并从输出流34中去除。在升高的压力下发生对杂质气体的吸附。当压力降低时，杂质从吸附材料上解吸，从而使吸附材料再生。通常，PSA是一循环过程，需要至少两个床进行连续(与分批相反)操作。可用于吸附床的合适吸附材料的例子是活性炭和沸石。PSA系统50还提供用于纯化区40的装置的例子，在纯化区40中副产物或去除的组分不是在输出流纯化的同时作为气体流直接从该区域排出。相反，当吸附剂材料再生时，对这些副产物组分进行去除，或以其他方式从纯化区去除。

在图1中，纯化区40被示出在燃料处理组件24内。纯化区可以替代地单独位于燃料处理组件的下游，如图1中的点划线示意性所示。纯化区40还可包括燃料处理组件内部和外部的部分。

燃料处理组件24还可以包括加热组件52形式的温度调节组件。加热组件可配置成从至少一种加热燃料流28产生至少一种被加热的排出流(或燃烧流)54，通常在存在空气的情况下燃烧。被加热的排出流54在图1中被示意性地例示为对氢产生区32进行加热。加热组件52可包括配置成生成被加热的排出流的任何合适的结构，诸如燃烧器或燃烧催化剂，其中燃料与空气一起燃烧以产生被加热的排出流。加热组件可包括配置成引发燃料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、电热塞、燃烧催化剂、点火炬、压电点火器、火花点火器、热表面点火器等。

在一些实施例中，加热组件52可包括燃烧器组件60并且可被称为基于燃烧的或燃烧驱动的加热组件。在基于燃烧的加热组件中，加热组件52可配置成接收至少一种燃料流28并在空气存在下燃烧燃料流以提供热的燃烧流54，热的燃烧流可用于加热燃料处理组件的至少氢产生区。空气可以通过多种机制递送到加热组件。例如，空气流62可以作为单独的流递送到加热组件，如图1所示。可选地或附加地，空气流62可以与用于加热组件52的和/或从该加热组件所使用的环境抽取的燃料流28中的至少一种一起递送到加热组件。

燃烧流54可以附加地或可选地用于加热与加热组件一起使用的燃料处理组件和/或燃料电池系统的其他部分。另外，可以使用其他构造和类型的加热组件52。例如，加热组件52可以是电驱动加热组件，其被配置成通过使用诸如电阻加热元件等至少一个加热元件生成热以至少加热燃料处理组件24的氢产生区32。在那些实施例中，加热组件52可以不接收和燃烧可燃的燃料流以将氢产生区加热到合适的氢产生温度。加热组件的示例在美国专利号7,632,322中公开，其完整公开内容出于所有目的通过引用并入本文。

加热组件52可以容置在公共外壳中或者与氢产生区和/或分离区一起容置在公共外壳或壳体中(如下文进一步讨论的)。加热组件可相对于氢产生区32单独定位，但与该区热连通和/或流体连通以提供至少对该氢产生区的期望加热。加热组件52可部分或完全位于公共外壳内，和/或加热组件的至少一部分(或全部)可位于该外壳外部。当加热组件位于外壳外部时，来自燃烧器组件60的热的燃烧气体可经由合适的热传递导管递送至外壳内的一个或多个部件。

加热组件还可以配置成加热：原料递送系统22、原料供应流、氢产生区32、纯化(或分离)区40，或那些系统、流和区域的任何合适的组合。对原料供应流的加热可包括将液体反应物流或用于在氢产生区中产生氢气的氢产生流体的组分汽化。在该实施例中，燃料处理组件24可被描述为包括汽化区64。加热组件可以另外配置成加热氢生成组件的其他部件。例如，被加热的排出流可以配置成对压力容器和/或其他罐进行加热，压力容器和/或其他罐包含加热燃料和/或形成至少部分进料流26和燃料流28氢产生流体。

加热组件52可在氢产生区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℃的温度范围内运行。然而，该范围之外的温度也在本公开的范围内。当含碳原料是甲醇时，蒸汽重整反应通常会在大约200-500℃的温度范围内进行。该范围的示例子集包括350-450℃、375-425℃和375-400℃。当含碳原料是碳氢化合物、乙醇或另一种醇时，大约400-900℃的温度范围通常将用于蒸汽重整反应。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℃。氢产生区32可包括两个或更多个区域或部分，每个区域或部分可在相同或不同温度下操作。例如，当氢产生流体包括碳氢化合物时，氢产生区32可以包括两个不同的氢产生部分或区域，其中一个在比另一个低的温度下操作以提供预重整区域。在那些实施例中，燃料处理组件也可被称为包括两个或更多个氢产生区。

燃料流28可包括适合被加热组件52消耗以提供期望的热输出的任何(一个或多个)可燃液体和/或(一个或多个)气体。一些燃料流在被递送和被加热组件52燃烧时可以是气体，而其他燃料流可以作为液体流递送到加热组件。适用于燃料流28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。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、二甲醚和低分子量碳氢化合物。还有其他例子包括氢气和一氧化碳。在包括冷却组件形式而不是加热组件形式的温度调节组件的氢生成组件20的实施例中(诸如当放热氢生成过程——诸如，部分氧化——被用来代替诸如蒸汽重整等吸热过程时可能使用)，原料递送系统可以配置成向组件供应燃料或冷却剂流。可以使用任何合适的燃料或冷却流体。

燃料处理组件24可另外包括外壳或壳体66，外壳或壳体66中至少包含氢产生区32，如图1所示。在一些实施例中，汽化区64和/或纯化区40可以附加地包含在外壳内。外壳66可以使蒸汽重整器或其他燃料处理机构的部件能够作为一个单元移动。外壳还可以通过提供保护性封装壳来保护燃料处理组件的部件免受损坏以及/或者因为部件可作为一个单元被加热而可以减少燃料处理组件的加热需求。外壳66可以包括绝缘材料68，诸如固体绝缘材料、垫层绝缘材料和/或充气腔。绝缘材料可以在外壳内部，外壳外部，或两者兼而有之。当绝缘材料在外壳外部时，燃料处理组件24还可包括在绝缘材料外部的外罩或护套70，如图1示意性所示。燃料处理组件可包括不同的外壳，该外壳包括燃料处理组件的附加部件，诸如原料递送系统22和/或其他部件。

燃料处理组件24的一个或多个部件可延伸超出外壳或位于外壳外部。例如，纯化区40可位于外壳66的外部，诸如与外壳间隔开但通过合适的流体传递导管处于流体连通。作为另一示例，氢产生区32的一部分(诸如一个或多个重整催化剂床的部分)可以延伸超过外壳，诸如图1中表示替代外壳构造的虚线所示意性指示的。合适的氢生成组件及其部件的例子在美国专利号5,861,137、5,997,594、和6,221,117中公开，其完整公开内容出于所有目的通过引用并入本文。

氢生成组件20的另一示例如图2所示，总体用72表示。除非特别排除，否则氢生成组件72可包括氢生成组件20的一个或多个部件。氢生成组件72可包括原料递送系统74、汽化区76、氢产生区78和加热组件80，如图2所示。在一些实施例中，氢生成组件20还可包括纯化区82。

原料递送系统可包括任何合适的结构，任何合适的结构被配置成将一种或多种进料流和/或燃料流递送至氢生成组件的一种或多种其他部件。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氢产生流体88，诸如水和含碳原料(诸如，甲醇/水混合物)。泵86可具有任何合适的结构，该任何合适的结构被配置成将氢产生流体递送至汽化区76和/或氢产生区78，该氢产生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。

汽化区76可包括配置成接收和汽化至少一部分含液体的进料流(诸如含液体的进料流90)的任何合适的结构。例如，汽化区76可包括汽化器92，汽化器92被配置成至少部分地将含液体的进料流90转化为一种或多种蒸气进料流94。在一些实施例中，蒸气进料流可以包括液体。合适的蒸发器的示例是盘绕式管蒸发器，诸如盘绕式不锈钢管。

氢产生区78可以包括任何合适的结构，任何合适的结构被配置成接收一种或多种进料流，诸如来自汽化区的(一个或多个)蒸汽进料流94，以产生一种或多种包含作为主要组分的氢气和其他气体的输出流96。氢产生区可通过任何合适的(一个或多个)机制产生输出流。例如，氢产生区78可以通过蒸汽重整反应生成(一个或多个)输出流96。在该示例中，氢产生区78可包括具有配置成便于和/或促进蒸汽重整反应的重整催化剂98的蒸汽重整区97。当氢产生区78通过蒸汽重整反应生成(一个或多个)输出流96时，氢生成组件72可称为“蒸汽重整氢生成组件”并且输出流96可称为“重整流”。

加热组件80可包括任何合适的结构，任何合适的结构被配置成产生至少一种被加热的排出流99以用于加热氢生成组件72的一个或多个其他部件。例如，加热组件可将汽化区加热到任何合适的(一个或多个)温度，诸如至少最低汽化温度或至少一部分含液体的进料流被汽化以形成蒸气进料流的温度。此外，或可选地，加热组件80可将氢产生区加热至任何合适的(一个或多个)温度，诸如至少最低氢产生温度或至少一部分蒸气进料流反应以产生氢气以形成输出流的温度。加热组件可以与氢生成组件的一个或多个部件诸如汽化区和/或氢产生区热连通。

如图2所示，加热组件可包括燃烧器组件100、至少一个鼓风机102和点火器组件104。燃烧器组件可包括任何合适的结构，所述任何合适的结构被配置成接收至少一股空气流106和至少一股燃料流108并在燃烧区110内燃烧至少一股燃料流以产生被加热的排出流99。燃料流可由原料递送系统74和/或纯化区82提供。燃烧区可包含在氢生成组件的封装壳内。鼓风机102可包括配置成生成(一个或多个)空气流106的任何合适的结构。点火器组件104可包括配置成点燃(一个或多个)燃料流108的任何合适的结构。

纯化区82可包括任何合适的结构，任何合适的结构配置成产生至少一种富氢流112，所述至少一种富氢流可包括比输出流96高的氢浓度以及/或者存在于在该输出流中的一种或多种其他气体(或杂质)的降低的浓度。纯化区可产生至少一种副产物流或燃料流108，其可被送到燃烧器组件100并用作该组件的燃料流，如图2所示。纯化区82可包括限流孔111、过滤器组件114、膜组件116和甲烷化反应器组件118。过滤器组件(诸如一个或多个热气过滤器)可配置成在氢气纯化膜组件之前从输出流96中去除杂质。

膜组件116可包括任何合适的结构，所述任何合适的结构被配置成接收包含氢气和其他气体的(一个或多个)输出流或(一个或多个)混合气体流96，并被配置成生成包含比混合气体流的浓度高的氢气和/或比混合气体流的浓度低的其他气体的(一个或多个)渗透流或富氢流112。膜组件116可结合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结合到膜组件116中。(一个或多个)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。在一些实施例中，膜组件可生成包括至少相当大部分的其他气体的副产物或燃料流108。甲烷化反应器组件118可包括配置成将一氧化碳和氢气转化成甲烷和水的任何合适的结构。尽管纯化区82被示出为包括限流孔111、过滤器组件114、膜组件116和甲烷化反应器组件118，但纯化区可具有少于所有这些组件的组件，和/或可替代地或附加地包括配置成净化输出流96的一个或更多的其他部件。例如，纯化区82可仅包括膜组件116。

在一些实施例中，氢生成组件72可包括外壳或壳体120，其可至少部分地包含该组件的一个或多个其他部件。例如，外壳120可至少部分地包含汽化区76、氢产生区78、加热组件80和/或纯化区82，如图2所示。外壳120可包括一个或多个排出端口122，其配置成排出由加热组件80产生的至少一种燃烧排出流124。

在一些实施例中，氢生成组件72可以包括控制系统126，其可以包括配置成控制氢生成组件72的操作的任何合适的结构。例如，控制组件126可包括控制组件128、至少一个阀130、至少一个减压阀132以及一个或多个温度测量装置134。控制组件128可以通过温度测量装置134检测氢产生区和/或纯化区中的温度，该温度测量装置可以包括一个或多个热电偶和/或其他合适的装置。基于检测到的温度，控制组件和/或控制系统的操作员可以调整进料流90经由(一个或多个)阀130和(一个或多个)泵86向汽化区76和/或氢产生区78的递送。(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)减压阀132可配置成确保系统中的过压被释放。

在一些实施例中，氢生成组件72可包括热交换组件136，其可包括一个或多个热交换器138，所述一个或多个热交换器配置成将热从氢生成组件的一部分传递到另一部分。例如，热交换组件136可以将热从富氢流112传递到进料流90以在进入汽化区76之前升高进料流的温度，以及冷却富氢流112。

图1的氢生成组件20的纯化区40(或氢纯化装置)的例子在图3中以144总体指示。除非特别排除，否则氢纯化装置可以包括本公开中描述的其他纯化区的一个或多个部件。氢纯化装置40可包括氢分离区146和封装壳148。封装壳可限定具有内周界152的内部容积150。封装壳148可以至少包括第一部分154和第二部分156，它们耦接在一起以形成密封压力容器形式的本体149，该密封压力容器可以包括限定的输入和输出端口。这些端口可以限定流体路径，通过流体路径将气体和其他流体递送到封装壳的内部容积中以及从封装壳的内部容积中去除。

第一部分154和第二部分156可以使用任何合适的保持机构或结构158耦接在一起。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不漏流体的界面的密封件的示例可包括垫圈和/或焊缝。附加地或可选地，第一部分154和第二部分156可以固定在一起，使得向各种部件和/或其他部件施加至少预定量的压缩，所述各种部件限定了封装壳内的氢分离区，所述其他部件可以结合到氢生成组件中。施加的压缩可以确保各种部件保持在封装壳内的适当位置。此外，或替代地，施加到限定氢分离区的各种部件和/或其他部件的压缩可以在限定氢分离区的各种部件、各种其他部件之间以及/或者在限定氢分离区的各种部件和其他部件之间提供不漏流体的界面。

如图3所示，封装壳148可包括混合气体区160和渗透区162。混合气体区和渗透区可由氢分离区146分离。可以提供至少一个输入端口164，流体流166通过该输入端口被递送到封装壳。流体流166可以是混合气体流168，该混合气体流包含递送到混合气体区160的氢气170和其他气体172。氢气可以是混合气体流的主要组分。氢分离区146可以在混合气体区160和渗透区162之间延伸，使得混合气体区中的气体必须通过氢分离区才能进入渗透区。气体可能例如需要通过至少一个氢选择性膜，如下文进一步讨论的。渗透气体区和混合气体区在封装壳内可以具有任何合适的相对大小。

封装壳148还可以包括至少一个产品输出端口174，通过该产品输出端口可以从渗透区162接收并去除渗透流176。渗透流可以包含比混合气体流高的氢气浓度和比混合气体流低的其他气体浓度中的至少一者。在一些实施例中，渗透流176可至少最初包括载体气体组分或吹扫气体组分，诸如可通过与渗透区流体连通的吹扫气体端口180作为吹扫气流178被递送。封装壳还可以包括至少一个副产物输出端口182，通过该副产物输出端口将包含大部分其他气体172和浓度降低的氢气170(相对于混合气体流)中的至少一者的副产物流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，其具有第一或混合气体表面188和第二或渗透表面190，第一或混合气体表面定向为与混合气体流168接触，第二或渗透表面大致与表面188相对。混合气体流168可被递送到封装壳的混合气体区，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可由通过氢分离区到达渗透区162的混合气体流的至少一部分形成。副产物流184可由不通过氢分离区的至少一部分混合气体流形成。在一些实施例中，副产物流184可包含存在于混合气体流中的氢气的一部分。氢分离区也可被配置成捕集或以其他方式保留其他气体的至少一部分，然后当分离区被更换、再生或以其他方式重新装填时，其他气体的一部分可作为副产物流被去除。

在图3中，流166、176、178和/或184可包括流入或流出氢纯化装置144的不止一个实际流。例如，氢纯化装置可接收多个混合气体流168、在接触氢分离区146之前被分成两股或多股流的单一混合气体流168、被递送到内部容积150中的单一流，等等。因此，封装壳148可包括不止一个输入端口164、产物输出端口174、吹扫气体端口180和/或副产物输出端口182。

氢选择性膜可由适于在氢纯化装置所运行的操作环境和参数中使用的任何氢可渗透材料形成。氢纯化装置的例子在美国专利号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并用于。在一些实施例中，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、膜构造以及用于制备膜和膜构造的方法的例子公开于美国专利号6,152,995、6,221,117；6,319,306、和6,537,352中，其完整公开内容出于所有目的通过引用并入本文。

在一些实施例中，多个间隔开的氢选择性膜186可用于氢分离区以形成氢分离组件192的至少一部分。当存在时，多个膜可以共同限定一个或多个膜组件194。在这样的实施例中，氢分离组件通常可以从第一部分154延伸到第二部分156。因此，第一部分和第二部分可以有效地压缩氢分离组件。在一些实施例中，封装壳148可以附加地或可选地包括耦接到本体部分的相对侧的端部板(或端部框架)。在这样的实施例中，端部板可以有效地压缩一对相对的端部板之间的氢分离组件(以及可以容置在封装壳内的其他部件)。

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，在该分离过程中混合气体流以比氢分离区的渗透区中的气体高的压力被递送成与膜的混合气体表面接触。在一些实施例中，当氢分离区用于将混合气体流分离成渗透流和副产物流时，氢分离区可经由任何合适的机制加热至升高的温度。对使用钯和钯合金膜进行氢气纯化的合适的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。

氢纯化装置144的例子在图4中以196总体指示。除非特别排除，否则氢纯化装置196可包括本公开中描述的其他氢纯化装置和/或纯化区的一个或多个部件。氢纯化装置196可包括外壳或封装壳198，外壳或封装壳可包括第一端部板或端部框架200和第二端部板或端部框架202。第一端部板和第二端部板可配置成固定和/或压缩在一起以限定具有内部隔室204的密封压力容器，氢分离区被支撑在该内部隔室中。第一端部板和第二端部板可包括类似于氢纯化装置144的输入端口、输出端口、吹扫气体端口和副产物端口(未示出)。

氢纯化装置196还可以包括至少一个箔-微筛组件205，其可以被设置在第一端部板和第二端部板之间和/或固定到第一端部板和第二端部板。箔-微筛组件可包括至少一个氢选择性膜206和至少一个微筛结构208，如图5所示。氢选择性膜可配置成从输入端口接收至少部分混合气体流并将混合气体流分离成至少部分渗透流和至少部分副产物流。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混合气体流的从进料侧输送到渗透侧的部分形成，其中保留在进料侧的混合气体流的剩余部分形成副产物流的至少一部分。

一个或多个氢选择性膜可以冶金地结合到微筛结构208。例如，(一个或多个)氢选择性膜的渗透侧可以冶金地结合到微筛结构。在一些实施例中，一个或多个氢选择性膜206(和/或那些(一个或多个)膜的渗透侧)可以扩散结合到微筛结构以在(一个或多个)膜和微筛结构之间形成固态扩散结合。例如，可使(一个或多个)膜的渗透侧和微筛结构彼此接触并暴露于升高的温度和/或升高的压力以允许(一个或多个)膜和微筛结构的表面随着时间的推移自我散置。

在一些实施例中，微筛结构可以涂有有助于扩散结合的金属薄层或中间结合层。例如，镍、铜、银、金或其他金属的薄涂层，其受固态扩散结合的作用但不会(1)在小于或等于700℃时熔化并进入液相，并且(2)在扩散到(一个或多个)氢选择性膜中后，在小于或等于700℃时形成低熔点合金。薄金属层可以通过中间结合层的薄涂层到微筛结构的表面上的适合的沉积工艺(例如，电化学镀覆、气相沉积、溅镀等)施加到微筛结构，该微筛结构的表面将与氢选择性膜接触。在一些实施例中，箔-微筛组件205仅包括(一个或多个)氢选择性膜和(一个或多个)微筛结构(具有或不具有上述涂层)并且没有附接、结合和/或冶金地结合到(一个或多个)氢选择性膜和/或(一个或多个)微筛结构中的一者或两者的任何其他框架、垫圈、部件和/或结构。在其他实施例中，(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)，然后该膜框架可以固定到第一和第二端部框架。

微筛结构208可以包括被配置成支撑至少一个氢选择性膜的任何合适的结构。例如，微筛结构可包括：无孔平面片213，其具有配置成为渗透侧212提供支撑的大致相对的表面214和215；以及多个孔口216，其形成在相对表面之间延伸的多个流体通道217，这允许渗透流流过微筛结构，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，诸如冲压或模切，在无孔平面片上形成孔口。换言之，平面片由不包括任何开口或孔口的一种或多种材料制成，并且在所述片上仅有的孔口或开口是通过上述方法中的一种或多种添加的。在一些实施例中，一个或多个孔口(或所有孔口)可以形成在无孔平面片上，使得它们的纵向轴线或流体通道的纵向轴线垂直于无孔平面片的平面，如图6所示。无孔平面片可以具有任何合适的厚度，诸如介于100微米和约200微米之间。

在一些实施例中，微筛结构208可以包括：一个或多个穿孔区域(或部分)218，所述穿孔区域包括多个孔口；以及一个或多个非穿孔区域(或部分)219，所述非穿孔区域不包括(或排除)多个孔口。尽管图6中仅例示了几个孔口216，但是孔口216分布在(一个或多个)仅穿孔部分的整个长度和宽度上。(一个或多个)穿孔区域可以是离散的或与一个或多个其他穿孔区域间隔开。(一个或多个)非穿孔区域219可包括：周界区域(或部分)220，其形成了围绕(一个或多个)穿孔区域中的一个或多个的框架；和/或一个或多个边界区域(或部分)221，其分隔或限定穿孔区域的两个以上离散部分。换言之，每个穿孔部分可以通过没有多个孔口的至少一个边界部分与其他相邻的离散的穿孔部分间隔开。

孔口216可以包括任何合适的(一个或多个)样式、(一个或多个)形状和/或(一个或多个)大小。在一些实施例中，孔口可以形成有一种或多种样式，其将组合的孔口面积最大化同时保持微筛结构足够高的刚度以防止在压力负载下过度偏转。孔口216可以是：如图6所示的圆形(圆)；如图7至图10所示的伸长的圆形、跑道形或体育场形；卵形、椭圆形、六边形、三角形、方形、长方形、八边形和/或其他合适的(一个或多个)形状。在一些实施例中，(一个或多个)穿孔区域中的孔口216可以是单一一致的形状。在其他实施例中，穿孔区域中的孔口216可以是两种或更多种不同形状的任何适当组合，诸如上述形状中的两种或更多种。

孔口216可具有任何合适的(一个或多个)定向和/或呈任何合适的(一个或多个)样式。例如，图7示出了纵向(或沿着(一个或多个)穿孔区域的长度或平面片的长度)定向并且以平行的排连续排列的孔口216。换言之，每个孔口216具有限定纵向轴线223的长度，并且图7中所有孔口的纵向轴线平行于和/或同轴于平面片213的纵向轴线225(在图6中示出)。或者，图9-10示出侧向定向的孔口(或沿着(一个或多个)穿孔区域的宽度或平面片的宽度)。换言之，图9至图10的示例中所有孔口的纵向轴线223都垂直于平面片213的纵向轴线225。

尽管孔口216在图7和图9至图10中都被示出为处于相同的方向或定向。平面片213的其他实施例可包括具有两个或更多个方向和/或定向的孔口216。例如，孔口216可以交错样式布置，使得每排或每列中的孔口与每个相邻排或列中的孔口定向不同(例如，30、45、60、90、120度)。换言之，每排或每列中的孔口216的纵向轴线223彼此平行和/或不平行于平面片213上的一个或多个相邻排或列中的孔口的纵向轴线223。在一个示例中，孔口216也以对角线方向被定向并且以平行的排连续排列，使得每排的孔口被定向为与相邻排的孔口大约成九十度，如图8所示。可选地或附加地，一个或多个排和/或列中的一个或多个孔口216可以与相同行和/或列中的一个或多个其他孔口不同地定向。

孔口可以是任何合适的(一个或多个)大小。例如，当孔口是圆形时，直径范围可以从大约0.003英寸到大约0.020英寸。此外，当孔口为卵形或椭圆形时，卵形或椭圆形的圆角端部的半径可在0.001英寸至约0.010英寸的范围内并且卵形或椭圆形的长度最高至半径的十倍。此外，当孔口是细长的圆形或体育场形时，宽度或直径的范围可以从0.005英寸到0.02英寸并且长度可以从0.05英寸到直径的十倍以上，诸如0.8英寸。图8中孔口的尺寸示例是圆角端部的直径为0.10英寸，长度为0.028英寸(即纵横比约为3)，其中孔口之间间隔0.006英寸或者相邻孔口的中心之间间隔0.011英寸。图8中所示的样式和示例尺寸提供了在微筛结构中的大约50％的总开口面积。

在一些示例中，一个或多个孔口216设置大小成跨越穿孔区域的整个或基本上整个宽度或长度。在图9所示的示例中，体育场形状孔口被横向定向并且是(一个或多个)穿孔区域或部分的整个宽度或基本上整个宽度，使得纵横比(长度/宽度)远大于10。图9中孔口的尺寸示例为0.005英寸至0.02英寸宽和最高至8英寸的长度。孔口可彼此间隔约0.006英寸(即，相邻孔口之间的非穿孔部分或实心区域的宽度)以提供最高至约62.5％的总开口面积。

在一些示例中，孔口216可以具有各种大小的组合。例如，孔口216的大小可以使得平面片213包括多排和/或多列的孔口，这些孔口具有(1)较少数量的具有一个或多个较长长度的孔口以及(2)较多数量的具有一个或多个较短长度的孔口。在一些示例中，带有较少数量的具有较长长度的孔口的行和/或列与带有较大数量的具有较短长度的孔口的行和/或列交替，诸如以交错样式。在图10所示的示例中，孔口216被横向定向(或垂直于平面片213的纵向轴线225)并且每行和/或每列在具有较长长度的两个孔口和具有较短长度的三个孔口之间交替。每行和/或每列的孔口长度可以相同或不同。图10中孔口的尺寸示例为0.005英寸至0.02英寸宽和0.05英寸至8英寸长。孔口可彼此间隔约0.006英寸(即，相邻孔口之间的非穿孔部分或实心区域的宽度)。孔口216的样式、大小、定向和/或形状的其他组合是可能的并且包括在本公开中。

无孔平面片可包括任何合适的材料。例如，无孔平面片可包括不锈钢。不锈钢可包括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。在一些实施例中，不锈钢可包括约0.6重量％至约3.0重量％的铝。在一些实施例中，无孔平面片可包括碳钢、铜或铜合金、铝或铝合金、镍、镍-铜合金和/或镀有银、镍和/或铜的基底金属。基底金属可包括碳钢或一种或多种上述不锈钢。

氢选择性膜206被设置大小成大于微筛结构的穿孔面积或区域，使得当氢选择性膜以冶金地方式结合到微筛结构时，氢选择性膜的周界部分222接触微筛结构的一个或多个非穿孔区域219。在一些实施例中，单个氢选择性膜可以冶金地结合到单个微筛结构，如图5所示。在其他实施例中，两个或更多个氢选择性膜206可以冶金地结合到单个微筛结构208。例如，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可以冶金地结合到单个微筛结构208。图11至图12示出了具有冶金地结合到单个微筛结构208的六个氢选择性膜206的示例箔-微筛组件205。图13示出了具有冶金地结合到单个微筛结构208的两个氢选择性膜206的示例箔-微筛组件205，而图14示出了具有冶金地结合到单个微筛结构208的四个氢选择性膜206的示例箔-微筛组件205。

当两个或更多个氢选择性膜206冶金地结合到微筛结构时，微筛结构可包括两个或更多个由一个或多个非穿孔区域219分开的离散的穿孔区域218。在一些实施例中，穿孔区域218可以被定大小成与其他穿孔区域218的大小相同。例如，图12示出了大小大约相同的六个离散的穿孔区域218。在其他实施例中，一个或多个穿孔区域218的可以被定大小成小于和/或大于其他穿孔区域218。如图11所示，氢选择性膜206可以冶金地结合到每个穿孔区域。可选地或另外地，氢选择性膜可以冶金地结合到两个或更多个离散的穿孔区域218。(一个或多个)氢选择性膜206可以被定大小成使得当膜冶金地结合到一个或多个穿孔区域218时膜的周界部分222接触一个或多个非穿孔区域219。

如图5所示，微筛结构208可以被定大小成被包含(诸如完全被包含)在渗透框架的开口区域内和/或由该开口区域内的膜支撑结构支撑。换言之，当微筛结构和渗透框架被固定或压缩到第一端部框架和第二端部框架时，微筛结构可以被定大小成不接触渗透框架的周界框体。或者，微筛结构可由无孔周界壁部或框架(未示出)支撑和/或固定到无孔周界壁部或框架(未示出)上，诸如固定到渗透框架的周界框体。当微筛结构固定到无孔周界壁部时，微筛结构可称为“多孔中心区域部分”。其他微筛结构的示例在美国专利申请公开号2010/0064887中公开，其完整公开内容出于所有目的通过引用并入本文。

氢纯化装置196还可以包括设置在第一端部框架和/或第二端部框架之间并固定到第一端部框架和/或第二端部框架的多个板或框架224。这些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，诸如方形、矩形或圆形。例如，框架224可包括周界框体226和至少第一支撑构件228，如图4所示。周界框体可以限定开口区域230和框架平面232。另外，周界框体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。

第一支撑构件228可以包括被配置成支撑箔-微筛组件205的第一部分242的任何合适的结构，如图4所示。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。换言之，多个框架中的每个框架的第一支撑构件可以镜像多个框架中的其他框架的第一支撑构件。第一支撑构件可以具有相对于框架平面232的任何合适的定向。例如，第一支撑平面244可以垂直于框架平面，如图4所示。或者，第一膜支撑平面可以与框架平面232相交但不垂直。

在一些实施例中，框架224可以包括第二支撑构件246和/或第三支撑构件248，第二支撑构件和/或第三支撑构件可以包括被配置成支撑箔-微筛组件205的第二部分250和/或第三部分252的任何合适的结构，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-微筛组件的第二部分250。此外，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-微筛组件的第三部分252。换言之，多个框架中的每个框架的第二支撑构件可以镜像多个框架中的其他框架的第二支撑构件，而多个框架中的每个框架的第三支撑构件可以镜像多个框架中的其他框架的第三支撑件构件。第二支撑平面和/或第三支撑平面可以具有相对于框架平面232的任何合适的定向。例如，第二支撑平面254和/或第三支撑平面256可以垂直于框架平面，如图4所示。或者，第二支撑平面和/或第三支撑平面可以与框架平面232相交但不垂直。

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的任何合适的定向。例如，第一支撑构件228可以从周界框体226的第三侧238延伸到开口区域230中，第二支撑构件246可从周界框体的第四侧240(其与第三侧相对)延伸到开口区域中，第三支撑构件248可以从第三侧延伸到开口区域中。或者，第一支撑构件、第二支撑构件和/或第三支撑构件可从同一侧延伸到开口区域中，诸如从周界框体的第一侧、第二侧、第三侧或第四侧。在一些实施例中，第一支撑构件、第二支撑构件和/或第三支撑构件可以从周界框体的第一侧和/或第二侧(其与第一侧相对)延伸到开口区域中。

第一支撑构件、第二支撑构件和/或第三支撑构件例如可以是附接到周界框体和/或与周界框体一起形成的一个或多个突出部或指状部258的形式。突出部可以在任何合适的(一个或多个)方向上从周界框体延伸。突出部可以是周界框体的全部厚度或可以小于该框体的全部厚度。框架224的每个框架的突出部可被挤压在箔-微筛组件上，从而将该组件锁定就位。换言之，框架224的突出部可以通过在第一膜支撑平面和/或第二膜支撑平面内作为端部框架的被堆置的(一个或多个)延伸部来支撑箔-微筛组件。在一些实施例中，(一个或多个)突出部258可包括一个或多个容座或孔口(未示出)，容座或孔口被配置成接收至少一个紧固件(未示出)以将框架224固定到第一端部框架和/或第二端部框架。

框架224可包括至少一个进料框架260、至少一个渗透框架262和多个垫圈或垫圈框架264，如图4所示。进料框架260可设置在第一端部框架和第二端部框架中之一与至少一个箔-微筛组件205之间，或设置在两个箔-微筛组件205之间。进料框架可包括进料框架周界框体266、进料框架输入导管268、进料框架输出导管270、进料框架开口区域272、至少第一进料框架支撑构件274，如图4所示。在一些实施例中，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。在一些实施例中，端部板、箔-微筛组件和框架224固定或压缩在一起，诸如通过螺栓和/或其他紧固件机械固定和/或机械压缩，而不会使氢纯化装置的两个或多个部件之间有任何冶金结合和/或其他类型的化学结合(除了上述氢选择性膜与(一个或多个)箔-微筛组件内的涂敷的或未涂敷的微筛结构之间的冶金结合)。例如，没有垫圈和/或框架冶金地结合或以其他方式化学结合到(一个或多个)氢选择性膜和/或(一个或多个)箔-微筛组件的(一个或多个)微筛结构以及氢纯化装置的所有其他部件。

氢纯化装置144的另一示例在图15中总体上以396表示。除非特别排除，否则氢纯化装置396可包括本公开中描述的其他氢纯化装置和/或纯化区的一个或多个部件。

氢纯化装置396在许多方面类似于氢纯化装置196，但具有不同形状的框架、没有支撑构件、具有不同大小的箔-微筛组件和更少的垫圈框架，如下文进一步描述。氢纯化装置396的部件或零件对应于氢纯化装置196的部件或零件，并且在图15中用类似的附图标记表示，具有一般形式“3XX”而不是“1XX”，“4XX”而不是“2XX”。因此，特征398、400、402、404、405、406、408、424、426、434、436、438、440、460、462、464等可以与它们在氢纯化装置196中的各自对应物，即特征198、200、202、204、205、206、208、224、226、234、236、238、240、260、262、264等，相同或基本相同。

氢纯化装置396可包括外壳或封装壳398，外壳或封装壳可包括第一端部板或端部框架400和第二端部板或端部框架402。第一端部板和第二端部板可配置成固定和/或压缩在一起以限定具有内部隔室404的密封压力容器，氢分离区被支撑在该内部隔室中。

氢纯化装置396还可以包括至少一个箔-微筛组件405，其可以被设置在第一端部板和第二端部板之间和/或固定到第一端部板和第二端部板。箔-微筛组件可包括至少一个氢选择性膜406和至少一个微筛结构408。一个或多个氢选择性膜可以冶金地结合到微筛结构408。例如，一个或多个氢选择性膜406可以扩散结合到微筛结构以在(一个或多个)膜和微筛结构之间形成固态扩散结合。箔-微筛组件405可以被设置大小成适合渗透框架的开口区域，因此相比于或相对于箔-微筛组件205在长度和宽度上较小。

氢纯化装置396还可以包括设置在第一端部框架和/或第二端部框架之间并固定到第一端部框架和/或第二端部框架的多个板或框架424。框架424可包括周界框体426。周界框体可限定开口区域430。此外，周界框体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。与氢纯化装置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和多个垫圈或垫圈框架464。进料框架460可设置在第一端部框架和第二端部框架中之一与至少箔-微筛组件405之间，或设置在两个箔-微筛组件405之间。进料框架可包括至少与进料框架260基本相似的部件，诸如进料框架周界框体、进料框架输入导管、进料框架输出导管和/或进料框架开口区域。

渗透框架462可定位成使得至少一个箔-微筛组件设置在第一端部框架和第二端部框架中之一与渗透框架之间或者设置在两个箔-微筛组件之间。渗透框架可包括与渗透框架262至少基本相似的部件，诸如渗透框架周界框体、渗透框架输出导管、渗透框架开口区域和/或膜支撑结构。

框架424还可以包括垫圈或垫圈框架464。垫圈框架可包括任何合适的结构，任何合适的结构被配置成在其他框架之间，诸如在第一端部板400和第二端部板402与进料框架460之间，和/或在进料框架460与箔-微筛组件405之间，提供不漏流体的界面。不同于氢纯化装置196，氢纯化装置396不包括箔-微筛组件和渗透框架462之间的垫圈框架464。类似于氢纯化装置196，进料框架和垫圈框架的宽度大于渗透框架的宽度(或者进料框架和垫圈框架的开口区域小于渗透框架的开口区域)，使得额外的宽度覆盖箔-微筛组件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，进料框架和垫圈框架的额外宽度覆盖箔-微筛组件的边缘)。在一些实施例中，额外宽度对应于箔-微筛组件的微筛结构的周界(未穿孔)部分的宽度。

工业实用性

本公开包括氢纯化装置和这些装置的部件，可适用于燃料处理行业以及其他纯化、生产和/或利用氢气的行业。

上述公开内容包括多项具有独立实用性的不同发明。虽然这些发明中的每一个都以其优选形式被公开，但是这里公开和说明的其具体实施例不应被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。本发明的主题包括本文公开的各种要素、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，在任何权利要求提到“一”或“第一”要素或其等同物的情况下，这样的权利要求应理解为包括并入一个或多个此类要素，既不要求也不排除两个或更多此类要素。

体现在特征、功能、要素和/或特性的各种组合和子组合中的发明可以通过在相关申请中提出新的权利要求来要求保护。这样的新的权利要求，无论是针对不同的发明还是针对相同的发明，无论在范围上与原权利要求不同、较宽、较窄或相同，也被视为包括在本公开的发明的主题内。

Claims (23)

1.一种氢纯化装置，包括：

第一端部框架和第二端部框架，包括：

输入端口，被配置成接收包含氢气和其他气体的混合气体流；

输出端口，被配置成接收渗透流，所述渗透流包含比所述混合气体流高的氢气浓度和比所述混合气体流低的其他气体浓度中的至少一者；和

副产物端口，被配置成接收包含至少大部分的所述其他气体的副产物流；

至少一个箔-微筛组件，被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到所述第一端部框架和所述第二端部框架，所述至少一个箔-微筛组件包括：

至少一个氢选择性膜，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进料侧流到渗透侧的部分形成，其中保留在所述进料侧的所述混合气体流的剩余部分形成所述副产物流的至少一部分，和

至少一个微筛结构，包括具有形成多个流体通道的多个孔口的无孔平面片，所述多个孔口中的每个孔口具有限定纵向轴线的长度，所述多个孔口以多排的形式被定位在所述无孔平面片上，使得所述多排中的每排中的多个孔口中的孔口的纵向轴线(1)彼此平行，以及(2)不平行于所述多排中的相邻排的多个孔口中的孔口的纵向轴线，所述无孔平面片包括大体相对的平面表面，所述平面表面被配置成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地结合到所述至少一个微筛结构；以及

多个框架，被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-微筛组件之间并被固定到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个框架包括限定开口区域的周界框体。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述无孔平面片包括具有所述多个孔口的两个或更多个离散部分，并且其中所述两个或更多个离散部分中的每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没有所述多个孔口的至少一个边界部分间隔开。

3.根据权利要求2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地结合至所述两个或更多个离散部分中的每个离散部分。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述两个或更多个氢选择性膜中的每个氢选择性膜被设置大小成大于对应的离散部分，使得所述氢选择性膜的周界部分接触所述无孔平面片的不包括所述多个孔口的一个或多个部分。

5.根据权利要求1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筛结构。

6.一种氢纯化装置，包括：

第一端部框架和第二端部框架，包括：

输入端口，被配置成接收包含氢气和其他气体的混合气体流；

输出端口，被配置成接收渗透流，所述渗透流包含比所述混合气体流高的氢气浓度和比所述混合气体流低的其他气体浓度中的至少一者；和

副产物端口，被配置成接收包含至少大部分的所述其他气体的副产物流；

至少一个箔-微筛组件，被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到所述第一端部框架和所述第二端部框架，所述至少一个箔-微筛组件包括：

至少一个氢选择性膜，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进料侧流到渗透侧的部分形成，其中保留在所述进料侧的所述混合气体流的剩余部分形成了所述副产物流的至少一部分，和

至少一个微筛结构，包括无孔平面片，所述无孔平面片具有形成多个流体通道的多个体育场形状孔口，所述多个体育场形状孔口中的每个孔口的长度至少是该孔口的半径的十倍，所述平面片包括配置成向所述渗透侧提供支撑的大体相对的平面表面，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冶金地结合到所述至少一个微筛结构；以及

多个框架，被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-微筛组件之间并被固定到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个框架包括限定开口区域的周界框体。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述无孔平面片包括长度和宽度，所述多个体育场形状孔口沿着所述无孔平面片的大部分长度和大部分宽度设置。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述多个体育场形状孔口中的一个或多个体育场形状孔口的长度为所述无孔平面片的宽度的大部分。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个体育场形状孔口以多列形式被定位在所述无孔平面片上，使得(1)在所述多列的每列中的所述多个体育场形状孔口中的体育场形状孔口的纵向轴线彼此平行，并且平行于所述多列中的相邻列中的所述多个体育场形状孔口中的体育场形状孔口，以及(2)所述多列中的每列中的每个体育场形状孔口的长度不同于所述多列中的相邻列的一个或多个体育场形状孔口的长度。

10.根据权利要求6所述的装置，其中所述无孔平面片包括具有所述多个体育场形状孔口的两个或更多个离散部分，并且其中所述两个或更多个离散部分中的每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没有所述多个体育场形状孔口的至少一个边界部分间隔开。

11.根据权利要求10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地结合至所述两个或更多个离散部分中的每个离散部分。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述两个或更多个氢选择性膜中的每个氢选择性膜被设置大小成大于对应的离散部分，使得所述氢选择性膜的周界部分接触所述无孔平面片的不包括所述多个体育场形状孔口的一个或多个部分。

13.根据权利要求6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筛结构。

14.一种箔-微筛组件，包括：

至少一个氢选择性膜，具有进料侧和渗透侧，其中所述至少一个氢选择性膜被配置成接收混合气体流，以形成渗透流和副产物流，所述渗透流来自所述混合气体流从所述进料侧流到所述渗透侧的部分，所述副产物流来自所述混合气体流保留在所述进料侧的剩余部分；和

至少一个微筛结构，包括具有形成多个流体通道的多个孔口的无孔平面片，所述多个孔口中的每个孔口具有限定纵向轴线的长度，所述多个孔口以多排形式被定位在所述无孔平面片上，使得所述多排中的每排中的多个孔口中的孔口的纵向轴线(1)彼此平行，以及(2)不平行于所述多排中的相邻排的多个孔口中的孔口的纵向轴线，所述无孔平面片包括大体相对的平面表面，所述平面表面配置成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的渗透侧冶金地结合到所述至少一个微筛结构。

15.根据权利要求14所述的组件，其中所述无孔平面片包括具有所述多个孔口的两个或更多个离散部分，并且其中所述两个或更多个离散部分中的每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没有所述多个孔口的至少一个边界部分间隔开。

16.根据权利要求15所述的组件，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地结合至所述两个或更多个离散部分中的每个离散部分。

17.根据权利要求16所述的组件，其中所述两个或更多个氢选择性膜中的每个氢选择性膜被设置大小成大于对应的离散部分，使得所述氢选择性膜的周界部分接触所述无孔平面片的不包括所述多个体育场形状孔口的一个或多个部分。

18.根据权利要求14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筛结构。

19.一种箔-微筛组件，包括：

至少一个氢选择性膜，具有进料侧和渗透侧，其中所述至少一个氢选择性膜被配置成接收混合气体流，以形成渗透流和副产物流，所述渗透流来自所述混合气体流从所述进料侧流到所述渗透侧的部分，所述副产物流来自所述混合气体流保留在所述进料侧的剩余部分；和

至少一个微筛结构，包括无孔平面片，所述无孔平面片具有形成多个流体通道的多个体育场形状孔口，所述多个体育场形状孔口中的每个孔口的长度至少是该孔口的半径的十倍，所述平面片包括配置成向渗透侧提供支撑的大体相对的平面表面，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地结合至所述至少一个微筛结构。

20.根据权利要求19所述的组件，其中所述无孔平面片包括具有所述多个体育场形状孔口的两个或更多个离散部分，并且其中所述两个或更多个离散部分中的每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没有所述多个孔口的至少一个边界部分间隔开。

21.根据权利要求20所述的组件，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地结合至所述两个或更多个离散部分中的每个离散部分。

22.根据权利要求21所述的组件，其中所述两个或更多个氢选择性膜中的每个氢选择性膜被设置大小成大于对应的离散部分，使得所述氢选择性膜的周界部分接触所述无孔平面片的不包括所述多个孔口的一个或多个部分。

23.根据权利要求19所述的组件，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筛结构。

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