JP4234595B2 - 水素精製装置、構成要素、及び同一物を含む燃料処理システム - Google Patents

Description

[関連出願]
本願は２００１年９月２７日に出願されかつ”水素精製装置、構成要素、及びこれらと同一物を含む燃料処理システム（Hydrogen Purification Devices, Components and Fuel Processing Systems Containing the Same）"という名称の同時継続出願中の従来技術文献、２００２年２月４日に出願されかつ"水素精製装置、構成要素及びこれらと同一物を含む燃料処理システム（Hydrogen Purification Devices Components and Fuel Processing Systems Containing the Same）"という名称の別の従来技術文献、２００２年２月２８日に出願されかつ"水素精製装置、構成要素及びこれらと同一物を含む燃料処理システム（Hydrogen Purification Devices, Components and Fuel Processing Systems Containing the Same）"という名称のまた別の従来技術文献による優先権を主張する（例えば、特許文献１乃至３参照）。
米国特許出願第０９／９６７，１７２号明細書 米国特許出願第１０／０６７，６８０号明細書 米国特許出願第１０／０８６，６８０号明細書

本発明は、一般的に水素ガスの精製、より詳細には水素精製装置、構成要素、及び、これらと同一物を含む燃料処理と燃料電池システムに関する。

精製された水素は、金属、食用脂及び油、及び、半導体とマイクロエレクトロニクスを含む多くの製品の製造で使用される。精製された水素は、多くのエネルギー変換装置のための重要な燃料源である。例えば、燃料電池は、電気的ポテンシャルを作り出すために精製された水素及びオキシダントを使用する。様々なプロセス及び装置は燃料電池によって消費される水素ガスを作り出すために使用し得る。しかしながら、水素ガスを含む混合ガス流と呼称し得る、多数の水素生産プロセスが不純な水素流を作り出す。この流れを燃料電池又は燃料電池のスタックに運ぶ前に、この混合流は望ましくない不純物を取除くように精製し得る。

本発明は、水素精製装置、水素精製装置の構成要素、及び水素精製装置を含む燃料処理
と燃料電池システムに向けられている。水素精製装置は、水素ガスを含む混合ガス流を受容しかつそれ自体からの純粋又は少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含む流れを作り出すように構成される分離組立体を含むエンクロージャーを含む。分離組立体は少なくとも１つの水素浸透性及び／又は水素選択性膜を含み、幾つかの実施形態では、採取導管をその間に画定しかつ支持部によって分離される一対の全体的に反対側にある薄膜領域を含む少なくとも１つの薄膜被覆を含む。装置は、単数又は複数の薄膜と類似又は同じ熱膨脹係数を有する材料から構成される１つ以上の構成要素を含む。幾つかの実施形態では、これらの構成要素は、支持部の少なくとも一部を含む。また、幾つかの実施形態では、これらの構成要素は、エンクロージャーの少なくとも一部を含む。

本発明の多くの他の特徴が、以下に続く詳細な説明、及び、この発明の原理を組み込んだ好ましい実施形態が例示的な実例のみによって開示されている添付の図面を参照することにより当業者には明らかとなる。

水素精製装置は、図１に概略的に示されかつ参照符号１０で全体的に示されている。装置１０は、分離組立体２０が位置づけられる内部区画室１８を画成する、本体、すなわちエンクロージャー１２を含む。水素ガス２６及び他のガス２８を含む混合ガス流２４は、内部区画室に運ばれる。より詳細には、混合ガス流は、内部区画室の混合ガス領域３０に、及び分離組立体２０と接触するように運ばれる。分離組立体２０は、混合ガス流を受容しかつ浸透、あるいは水素に富んだ流れを作り出すように構成される何れか適切な構造体を含む。流れ３４は典型的には純粋又は少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含む。しかしながら、流れ３４は少なくとも最初は担持体、あるいは掃引、ガス成分も含み得ることは本発明の範囲内にある。

図示した実施形態では、分離組立体を通過する混合ガス流の部分は、内部区画室の浸透領域３２に入る。混合ガス流のこの部分は水素に富んだ流れ３４を構成する。また、分離組立体を通過しない混合ガス流の部分は副次的流れ３６を構成する。それは、他のガスの少なくともかなりの部分を含む。幾つかの実施形態では、副次的流れ３６は、混合ガス流の中に存在する水素ガスの部分を含み得る。分離組立体が、該組立体が交換され、再生成され、あるいはさもなくば、再充電される時に副次的流れとして取り除かれる、他のガスの少なくとも実質的な部分を捕捉又はさもなくば保持するように構成されることは本発明の範囲内にある。図１では、流れ２４−２８は、各々の流れ２４−２８は装置１０に流入又は流出する１つの実際の流れ以上の流れを含み得る。例えば、装置１０は複数の送給流れ２４、分離組立体２０と接する前に複数の流れに分割される単一の流れ２４、あるいは単に区画室１８内に運ばれる単一の流れを受け入れ得る。

装置１０は、高温及び／又は圧力で通常は作動する。例えば、装置１０は、７００度まで又はそれ以上の周囲温度範囲の（選択された）温度で作動し得る。多くの実施形態では、選択された温度は、他の実施形態では、２００℃〜５００℃の範囲にある。選択された温度は、２５０℃〜４００℃の範囲にある。そして、また他の実施形態では、選択された温度は、４００℃±２５℃、５０℃又は７５℃の何れかである。装置１０は、約３４４７５０Ｐａ（５０ｐｓｉ）及び６８９５０００Ｐａ（１０００ｐｓｉ）又はそれ以上の範囲の（選択された）圧力で作動し得る。多くの実施形態では、選択された圧力は、他の実施形態では、３４４７５０Ｐａ（５０ｐｓｉ）及び１７２３７５０Ｐａ又は３４４７５０Ｐａ（２５０又は５００のｐｓｉ）の範囲にある。選択された圧力は２０６８５００Ｐａ（３００ｐｓｉ）未満又は１７２３７５０Ｐａ（２５０ｐｓｉ）未満になる。そしてまた他の実施形態では、選択された圧力は、１２０６７５０Ｐａ（１７５ｐｓｉ）±１７２３７５Ｐａ（２５ｐｓｉ）、３４４７５０Ｐａ又は５１７１２５Ｐａ（５０ｐｓｉ又は７５ｐｓｉ）である。その結果、運転圧を達成しかつ耐えるために十分にエンクロージャーを良く密閉しなければならない。

温度又は圧力のような作動パラメータを参照して本願明細書で使用されたように、「選択された
（selected）」なる用語は、装置１０及び何れかの関連する構成要素がこれらの選択された値で又は該値内で作動するように形状構成される状態で、規定又は予め定められた閾値又は選択された値の範囲に言及する。更なる説明のために、選択された作動温度は、特定の温度範囲以内、あるいは、特定温度の５％、１０％以内のような、特定温度からの規定された許容範囲以内で、特定温度より上又は下の作動温度とし得る。

装置が高作動温度で作動する水素精製装置の実施形態では、選択された作動温度まで装置の温度を上昇させる装置に熱を加える必要がある。例えば、この熱は任意の適切な加熱組立体４２によって与え得る。組立体４２を加熱する例示的実例は、図１に概略図示されている。組立体４２が、混合ガス流２４をそれ自体含む、何れか適切な形態も取り得ることを理解すべきである。他の適切な加熱組立体の例示的実例は、加熱した排気流、混合ガス流２４等以外の加熱された流体流れを備えた熱交換器を生産する抵抗ヒーター、バーナー、あるいは他の燃焼領域の１つ以上を含む。バーナー又は他の燃焼室が使用される場合、燃料流れは消費される。また、副次的流れ３６はこの燃料流れの全て又は一部を構成し得る。エンクロージャーを貫通延在又はエンクロージャーの通路を貫通延在する流れ、あるいは電気的に生成された熱を発するか又は伝える電気加熱ヒーター又は他の装置によるような伝導によって、例えば、エンクロージャーを包囲するか、あるいは該エンクロージャーを少なくとも部分的に包囲するジャケット内で、加熱組立体が加熱された流体を外部装置１０に伝え得ることを説明することが図１の参照符号４２´で略字的になされている。

分離組立体２０のための適切な構造体は、１つ以上の水素浸透性及び／又は水素選択性薄膜４６である。薄膜は、浄化装置１０が作動する、作動環境及びパラメータでの使用に適した何れかの水素浸透性材料で構成し得る。薄膜４６のための適切な材料の例は、パラジウムとパラジウム合金、及び特にこうした金属と金属合金から成る薄膜を含む。４０重量％の銅を含有する薄膜のような、特に３５重量％〜４５重量％の銅を含有するパラジウム合金も特に有用であることが判明した。これらの薄膜は、通常、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）の厚さである薄いフォイルから構成される。しかしながら、上述した以外の金属及び金属合金、並びに非金属材料及び成分を含む、他の水素浸透性及び／又は水素選択性材料から薄膜を形成し得ること、しかも薄膜が上述したものより厚いか又は薄い厚さを有し得ることは、本発明の範囲内にある。例えば、薄膜は水素の流れに対応して増加するにつれて、薄くし得る。薄膜の厚さを減じるための適切な機構の例は、回転、スパッタリング、及びエッチングを含む。適切なエッチング・プロセスは米国特許第６，１５２，９９５号明細書に開示されており、その完全な開示内容は全ての目的のために本願明細書に参考文献として援用される。同じことを準備するための種々の薄膜、薄膜形状構成及び方法の例は、米国特許第６，２２１，１１７号明細書及び米国特許出願第０９／８１２，４９９号明細書に開示され、その完全な開示内容は全ての目的のために本願明細書に参考文献として援用される。

図２には、薄膜４６に適切な形状構成の例示的実例が示されている。図示するように、薄膜４６は、混合ガス流れ２４によって接触するために配向される混合ガス表面４８、及び、表面４８に全体的に対向する浸透表面５０を含む。区画室１８内の薄膜又は他の分離組立体を支持及び／又は位置づけるための何れか適切な構造体とし得る概略的なマウントも参照符号５２で示されている。上に述べたように本願明細書に援用される特許及び特許出願は適切なマウント５２の例示的実例も開示する。参照符号４６´で、薄膜４６はフォイル又はフィルムとして図示されている。参照符号４６´´で、薄膜は、メッシュ又はエキスパンデッドメタルスクリーン、あるいはセラミック又は多孔質材料のような下に横たわる支持層５４によって支持される。参照符号４６´´´で、薄膜は多孔質部材５６上に被覆又は形成されるか、さもなくば多孔質部材５６に接合される。上に検討した薄膜形状構成が図２に概略的に図示されており、かつ本発明の範囲内のあらゆる可能な形状構成を示すように意図したものではないことを理解すべきである。

例えば、薄膜４６は、図２には平坦な形状構成を有するものとして図示されているが、薄膜４６が同様に非平面形状構成を有し得ることは本発明の範囲内である。例えば、薄膜の形状は、薄膜が支持及び／又は形成される支持層５４又は部材５６の形状によって少なくとも部分的に規定し得る。そのため、装置１０が高圧で作動している場合、薄膜４６は凹状、凸状又は他の非平面形状構成を有し得る。別の例として、薄膜４６は、図３及び図４に示すような管状の形状構成を有し得る。

図３には、内部で混合ガス流れが薄膜チューブ内部に伝えられるチューブ状薄膜の実例が示されている。この形状構成では、薄膜チューブ内部は、内部区画室の領域３０を画成する。また、区画室の浸透領域３２はチューブの外部に位置する。装置１０が１つ以上の薄膜及び／又は１つ以上の混合ガス表面４８を含み得ることは本発明の範囲内にあることをグラフで示すために、付加的な薄膜チューブが図３に点線で示されている。装置１０は２つ以上の薄膜をも含み得るものであり、しかも薄膜の相対的間隔及び／又は形状構成が変わり得ることも本発明の範囲内である。

図４には、管状薄膜を含む水素精製装置１０の別の例が示されている。この図示した形状構成では、混合ガス流れが、単数又は複数の薄膜チューブに対して外部の区画室１８へ伝えられるように装置１０は形状構成される。こうした形状構成では、薄膜チューブの混合ガス表面は対応する浸透表面に対して外部にあり、この浸透領域は単数又は複数のチューブ薄膜内部に配置される。

チューブ状薄膜は、図２に示す平面薄膜に対して上に検討したような、種々の形状構成及び構造を有し得る。例えば、種々のマウント５２、支持部５４及び多孔質部材５６の例示的実例は、概略的に図示したばね５８を含む、図３及び図４に示されている。更に、図に示す直線円筒状チューブ以外の形状構成を有し得ることも本発明の範囲内である。他の形状構成の例はＵ字形状チューブ及び渦巻状又は螺旋状チューブを含む。

検討するように、エンクロージャー１２は分離組立体２０が位置づけられる加圧された区画室１８を画成する。図２〜図４に示すように、エンクロージャー１２は、周囲シェル６２によって結合される１対の端部プレート６０を含む。外形、形状及び寸法に限定する意図なく、装置の全体的な構成要素の代表的実例を示すために、図２〜図４に装置１０を概略図示してきたことを理解すべきである。例えば、端部プレート６０は、典型的には、周囲シェル６２の壁より厚いがこれは必ずしも必要ではない。同様に、端部プレートの厚さは両端部プレート間の距離より大きいか、小さいか、あるいは同じとし得る。更なる実例として、薄膜４６の厚さは説明目的のために誇張されている。

図２〜図４には、混合ガス流れ２４が入力ポート６４を通って区画室１８に運ばれることが理解し得る。水素に富んだ（又は浸透）流れ３４は、１つ以上の製品ポート６６を通じて装置１０から取除かれ、及び副次的流れは、１つ以上の副次的製品ポート６８を通じて装置１０から取除かれる。図２では、ポートは、そこからガス流れが伝えられかつ装置１０から取り除かれるエンクロージャー１２上の特定位置を変更し得ることを説明するために、両端部プレートの種々のものを貫通して延在して示されている。図３に点線で示すように、１つ以上の流れをシェル６２に伝え得るか又は該シェルから退き得るかも本発明の範囲内にある。ポート６４−６８が流れ制御及び／又はカップリング構造体を含み得るか又は関連し得ることも本発明の範囲内にある。これらの構造体の例は、１つ以上のバルブ、流れ及び圧力調整装置、コネクター又は他の取付具及び／又は上流及び下流の構成要素と装置１０を永久的又は選択的に互いに連結するように構成されるマニホールド組立体を含む。例示的目的のために、これらの流れ調整装置及び／又はカップリング構造体は、図２に参照符号２０で全体的に示されている。簡潔さのために、構造体７０はあらゆる実施形態で説明されていない。代わりに、装置１０の特定実施形態のためのポートの幾つか又は全てがこれらの構造体の何れか又は全てを含み得ること、各ポートは、たとえあるとしても、同じ構造体７０を有する必要がないこと、しかも２つ以上のポートは幾つかの実施形態では、共通の収集又は放出マニホールド、圧力解放弁、流体弁等のような構造体７０を分配又は集合的に利用し得る。

端部プレート６０及び外周シェル６２は、保持構造体７２によって互いに固定される。構造体７２は、装置１０が使用される作動パラメータ及び条件において液密又は実質的に液密な形状構成でエンクロージャー１２の構成要素を互いに保持することができる何れかの適切な形態も取り得る。適切な構造体７２の例は、図２及び図３に示すように、溶接部７４及びボルト７６を含む。図３では、ボルト７６は、結合されるエンクロージャー１２の構成要素から延在するフランジ７８を貫通延在して示されている。図４では、ボルト７６は区画室１８を貫通延在して示されている。ボルトの数は変わリ得るものであり、そして典型的にはエンクロージャー１８の外周周りに延在する複数のボルト又は類似の固定機構を含むことを理解すべきである。ボルト７６は、装置１０が加圧される時に与えられる張力を含む装置１０の作動パラメータ及び条件に耐えることができるように選択されるべきである。

図３及び図４の下半体では、ガスケット８０は、エンクロージャー１２が、エンクロージャーの漏れ抵抗を向上させるために結合される表面を相互に連結させるか又は跨る密封部材８２を含み得るが、必ずしも必要でないことを示すためにガスケット８０が示されている。密封部材は、作動パラメータ、及び装置の作動条件下で使用された時に漏れを減じるか又は削除すべく選択されるべきである。したがって、多くの実施形態では、高圧及び／又は高温シールは選択されるべきである。こうした密封構造体のような例示的であり、非排他的な実例は、ＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）という商品名でユニオン・カーバイトが販売しているような黒鉛ガスケットである。本願明細書で使用されるような「シール部材（seal member）」及び「密封部材（sealing member）」は、金属製端部プレートとシェルとの間に配置され、あるいはこれらの金属製端部プレートとシェルと接触するように配置されてこれらの間の密封を向上させる構造体又は材料を指すことを意味する。ガスケット又は他の密封部材は、隣接する薄膜、流体導管、及び／又はエンクロージャー１２の内部表面と共に上述の何れかの間にシールを設けるように区画室１８内で使用し得る。

図２〜図４では、図示したエンクロージャーは一対の端部プレート６０及びシェル６２を含む。図４を参照すると、端部プレートは、シェル６２の対応する密封領域９２とのインタフェース９４を構成する、密封領域９０を含むことが分かる。多くの実施形態では、端部プレート６０の密封領域は周辺領域であり、それ自体としては、密封領域９０は端部プレートの周辺領域９０としてしばしば呼称される。しかしながら、本願明細書で使用されるように、周辺領域は、この周辺部分を越えて突出する端部プレートの付加的部分又は端縁が存在するとしても、中央領域の周りに全体的に延在しかつシェルの一部を構成する端部プレートの領域を指すことを意味している。同様に、シェル６２の密封領域９２は典型的にはシェルの端部領域である。従って、シェルの密封領域はしばしばシェルの端部領域９２として呼称される。しかしながら、端部プレート６０が、密封領域９０及びシェル９２が形成されたインタフェース９４を越えて外向きに突出する部分を有し得ることは本発明の範囲内にある。しかも、シェル６２は端部プレート６０を越えて突出する領域及びこれらの領域と共に形成されたインタフェースを有し得る。これらの部分は、グラフ式に説明する目的のために参照符号９１及び９３で図４に点線で図示されている。

分離した周囲シェル６２によって結合された１対の端部プレート６０の別様として、エンクロージャー１２は、端部プレートの何れか又は両方と少なくとも部分的に一体化されたシェルを含み得る。例えば、図５では、シェル６２の一部６３は、各端部プレート６０と一体成形される。別の方法で記述すると、各端部プレート６０は、前記端部プレートの周辺領域９０から延在するシェル部分又はカラー６３を含む。図示するように、シェル部分はインタフェース９４と交差する端部領域９２を含む。図示した実施形態では、端部領域は、重複領域なしで互いに当接する。しかしながら、インタフェース９４が図示したような及び／又は引き続いて説明するような他の形状構成を有し得ることは本発明の範囲内である。端部領域９２は、上記で検討した保持構造体７２の何れかによるような適切な機構によって互いに固定されかつ端部領域９２の噛合面に加えて密封部材８２を含み得るが必ずしも必要ではない。

端部プレートの少なくとも１つと一体成形されるシェル６２の利益は、エンクロージャーが密封されなければならない１つの少ないインタフェースを有することである。この利益は、失敗し得るシールの減じられた数、より少数の構成要素、及び／又は装置１０用の組立時間の減少によって実現し得る。エンクロージャー１２のためのこうした構造の別の例は、シェル６２が端部プレートの１つ、両端部プレートの１つの周辺領域９０から一体的に延在するシェル部分６３と、一体成形される図６に示されている。シェル部分６３は、上述したもののような何れか適切な保持構造体７２によって他の端部プレートの周辺領域９０とのインタフェース９４を構成する端部領域９２を含む。図５に示した、組み合わせた端部プレート及びシェル構成要素５及び６は、材料の固体棒又はブロックからそれらを機械加工することを含む何れか適切な機構によって構成し得る。単純化のために、分離組立体２０及び入出力ポートは図５及び図６には図示しなかった。適切な保持構造体７２の例示のみであり、非排他的な実例が示されている。図示しかつ本願明細書で説明した他のエンクロージャーに類似して、エンクロージャーの相対的な寸法が変動し得るものでありかつ依然として本発明の範囲内にあり得ることを理解すべきである。例えば、シェル部分６３は、図５及び６に示したものよりより長いか又はより短い長さを有し得る。

端部プレート６０のための補足的な図示形状構成に移る前に；本願明細書で装置１０のエンクロージャーと接続されて使用されるように、用語「インタフェース」は、上述した保持構造体７２の１つによる（が必須ではない）ように、別々に形成されその後固定されるエンクロージャー１２の部分間に延在する相互連結及び密封領域を言及することを意味している。インタフェース９４の特定の外形及び寸法は、互いに結合される構成要素の寸法、形状構成及び性質に依存して変動する傾向がある。したがって、インタフェース９４は、対応する両端部領域及び周辺領域間に形成される金属間シール、対応する一対の両端部領域間に形成された金属間シール、金属−ガスケット（又は他の密封部材８２）−金属シール等を含み得る。同様に、インタフェースは、互いに結合される構成要素の形状及び相対的位置によって大部分は規定される、線形、弓形及び矩形の形状構成を含む様々な形状を有し得る。

例えば、図６では、インタフェース９４は、シェル部分６３の端部領域９２と端部プレート６０の周囲領域９０の間に延在する。図示するように、領域９０及び９２は平行な端縁と交差する。検討したように、ガスケット又は他の密封部材はこれらの端縁間に延在し得る。図７〜図１０には、本発明の範囲内にある付加的なインタフェース９４の非排他的な実例が示されている。隣接するシェル領域間に構成されるインタフェース９４を含むエンクロージャー１２の実施形態は、これらの形状構成の何れかを有し得る。図７では、周辺領域９０はこの角隅部の周りに延在するインタフェース９４を構成すべく延在する。図７には、シェル６２内に延在しかつこれと共に重複領域を画定する、端部プレート６０の中央領域９６も示されている。

図８では、周辺領域９０は、区画室１８から離れて全体的に開く、図７の角隅部に対立するものとして、区画室１８に向けて全体的に開く角隅部を画定する。図８に示される形状構成では、周辺領域９０は、これと共に重複領域を画定するためにシェル６２の外面１００に沿って少なくとも部分的に延在するカラー部分９８を含む。プレート６０の中央部９６は、シェル６２内に延在せずに端部領域９２に沿って延在する実線で、シェル６２内に延在する点線で、及びシェル６０の内表面１０４に沿って少なくとも部分的に延在する内部支持部１０２を含む一点鎖線で示されている。図９及び図１０は、周辺領域９０及び端部領域９２が互いに螺子係合し、かつ従って対応するねじ１０６及び１０８を含むように構成される以外は、図７及び図８に類似している。図９の点線で、端部プレート６０の周辺領域９０に適した形状構成の補足的実例が示されている。図示するように、端部プレートの外部端縁１１０は、シェル６２の外表面に、あるいはその外表面を越えて半径方向（又は外向きに）延在しない。

本発明によって構成されたエンクロージャーと共にこれらのインタフェースのうちの何れかを使用し得ることを理解すべきである。しかしながら、簡潔さのために、エンクロージャー１２のあらゆる実施形態はこれらのインタフェースの各々を備えて示されない。したがって、引き続いて説明される図１１〜図３１に示す端部プレートは図７のインタフェース形状構成を備えて示されている、記載され及び／又は本願明細書に説明したインタフェース、並びに図５及び図６に関して記載し且つ図示した一体化されたシェル形状構成の何れかを有し得ることは、本発明の範囲内にある。同様に、本発明によって構成された装置がエンクロージャー形状構成、インタフェース形状構成、保持形状構成、分離組立体形状構成、流れ調整形状構成及び／又はカップリング構造体形状構成、密封部材形状構成、及び検討したポート形状構成、記載及び／又は本願明細書に援用した何れかを有し得ることを理解すべきである。同様に、引き続く端部プレート形状構成は円形周囲を備えて図示しているが、端部プレートが、弓形、矩形、及び角のある形状構成、並びにこれらの組合せを含む何れか他の外形形状を有するように構成し得ることは本発明の範囲内である。

上述したように、装置１０及びエンクロージャーも変更し得る。例えば、管状の分離薄膜を収容するように構成されるエンクロージャーは混合ガス流れ（すなわち、同じ量の有効な薄膜表面積（surface area）に露出した比較可能な量の薄膜表面領域を提供する平面分離薄膜を収容するように構成されるエンクロージャーより長く（すなわち、両端部プレート間により大きな距離を有する）する必要があり得る。同様に、平面の分離薄膜を収容するように構成されるエンクロージャーは、管状の分離薄膜を収容するように構成されるエンクロージャーより広い（すなわち、両端部面に全体的に平行に測定されたより大きな横断面積を有する）傾向があってもよい。しかしながら、これらの関係の何れも要求されず、しかも装置及び／又はエンクロージャーの特定寸法は変わり得ることを理解すべきである。エンクロージャーの特定寸法に影響を及ぼし得る要因は、収容される分離組立体のタイプ及び寸法、装置が使用される作動パラメータ、混合ガス流れ２４の流量、加熱組立体のような装置の形状及び形状構成、これと共に又はこの内部で装置が使用される燃料処理装置等、及び或る程度までの使用者の選択を含む。

上述したように、水素精製装置は高温及び／又は圧力で作動し得る。これらの作動パラメータは両方とも、エンクロージャー１２及び装置の他の構成要素の構成に強い影響を与え得る。例えば、４００℃で作動する装置のような周囲温度より上の選択された作動温度で作動される水素精製装置１０を考慮されたい。最初の問題として、エンクロージャー１２及び分離組立体２０を含む装置は、選択された作動温度、及び特に延長された期間に亘って及び／又は繰り返し加熱及び冷却サイクルに耐え得る材料から構成されなければならない。同様に、ガス流れに好ましくは露出される材料は反応性ではないか、あるいは少なくともガスと反応して有害にならない。他のものも使用し得るが、適切な材料の例はタイプ３０４ステンレス鋼のようなステンレス鋼である。

上に説明された熱及び反応の安定性に加えて、選択された作動温度で、作動装置１０は、選択された作動温度に装置を加熱するための１つ以上の加熱組立体４２を必要とする。装置が、当初は、シャットダウン、あるいは非加熱の状態から作動する時、装置が選択された作動温度まで加熱される当初の立ち上げ又は予熱期間がある。この期間に、装置は単数又は複数の副次的流れ（水素ガスのより多くのパーセンテージが製品の代わりに副次的生産物として排出されることを意味する）、あるいは全く水素に富まない流れとさえ比較された、換算流量（reduced flow rate）を有する、水素に富んだ流れを他のガスの承認レベル以上に含む水素に富んだ流れを作り出し得る。装置を加熱する時間に加えて、選択された温度まで装置を加熱するのに必要な熱又は熱エネルギーも考慮しなければならない。単数又は複数の加熱組立体は、運転費用、材料費用、及び／又は装置の装備費用に加わり得る。例えば、単純化された端部プレート６０は一定の厚さを有する比較的厚いスラブである。実際、１２．７ｍｍ又は１９．０５ｍｍ（０．５又は０．７５インチ）一定の厚さを有するタイプ３０４ステンレス鋼板は、装置１０の作動パラメータ及び条件を支持し且つ耐えるのに有効であることが判明した。しかしながら、これらのプレートの寸法は、装置１０へ相当な重量を加え、そして多くの実施形態では、選択された作動温度まで加熱されるかなりの熱エネルギーを必要とする。本願明細書に使用されるように、用語「一定の厚さ」は、それらの長さに沿って少し（５％未満）によって厚さが逸れるものを含む、一定又は少なくとも実質的に一定の厚さを有する装置を指すことを意味している。対照的に、本願明細書使用されるように、用語「可変厚さ」は、少なくとも１０％だけ、及び幾つかの実施形態では少なくとも２５％、４０％又は５０％だけ変わり得る厚さを指す。

装置１０が作動する圧力は、エンクロージャー１２及び分離組立体２０を含む装置１０の構成にも影響を及ぼし得る。例えば、１２０６６２５Ｐａ（１７５ｐｓｉ）の選択された圧力で作動する装置を考慮されたい。選択された圧力で作動する時、遭遇した応力に耐えることができるように装置１０を構成しなければならない。この強度要求は、エンクロージャー１２の構成要素間に構成されるシールのみならず構成要素自体に与えられた応力にも影響を及ぼす。例えば、偏倚又は端部プレート及び／又はシェルの他の変形は区画室１８内のガスをエンクロージャーから漏れさせ得る。同様に、装置の構成要素の偏倚及び／又は変形は、ガス流２４、３４及び３６の２つ以上の意図しない混合も生じさせ得る。例えば、端部プレートは、装置１０が使用される作動パラメータに晒された時に、塑性的又は弾性的に変形し得る。塑性変形は、端部プレートの永久変形に帰着し、その欠点はかなり明白に見える。しかしながら、変形は内部及び／又は外部漏れに帰着し得るため、弾性変形は、装置の作動をも妨害し得る。より詳細には、ガスは、端部プレート又はエンクロージャー１２の他の構成要素の変形によって液体密シールが以前に存在した領域を通過可能にし得る。しかしながら、上述したように、装置１０はこれらのシールが漏れる傾向を減じるためにガスケット又は他の密封部材を含み得る。ガスケットはそれらが対向する表面間の漏れを有効に防ぐか又は制限し得る有限寸法を有する。例えば、内部漏れは、１つ以上の薄膜エンベロープ又は両端部プレート間で（ガスケットを備えるか又は備えないで）圧縮された１つ以上の薄膜エンベロープ又は薄膜プレートを含む実施形態に生じ得る。両端部プレートが変形しかつ互いに離れて逸れるにつれ、プレート及び／又はガスケットはこれらの領域では、変形前に存在したのと同じ張力又は圧縮力の下にあり得る。ガスケットすなわちガスケット・プレートは薄膜エンベロープと、隣接した送給プレート、端部プレート、及び／又は、他の隣接する薄膜エンベロープの間に位置し得る。同様に、エンベロープ内の付加的な漏れ予防を与えるために、ガスケット又はガスケット・プレートも薄膜エンベロープ内に位置づけ得る。

上記を考慮して、装置１０に関して２つ又は３つの競合要因が存在することが分かる。エンクロージャー１２の情況では、エンクロージャー加熱要求は、エンクロージャーを構成するのに使用される材料が厚くなるとともに増加する傾向がある。より厚い材料を使用する或る度合いまでエンクロージャーの強度を増強し得るが、それは加熱及び材料要件をも増大し得るし、幾つかの実施形態ではより大きな応力がより薄いエンクロージャーと比較して与えられる領域を実際に作り出す。端部プレート上のモニターまでの領域は、特に単数又は複数のインタフェース９４を構成する周辺領域において、及び端部プレートに与えられた応力で、端部プレートの偏倚を含む。

タイプ３０４ステンレス鋼から構成されかつ１９．０５ｍｍ（０．７５インチ）の均一厚さを有する円形端部プレートを、例えば、考慮されたい。こうした端部プレートは３．４０２ｋｇ（７．５ポンド）の重さがある。この端部プレートを含む水素精製装置は、４００℃且つ１２０６６２５Ｐａ（１７５ｐｓｉ）の作動パラメータに晒されている。１７８５８０５００Ｐａ（２５、９００ｐｓｉ）の最大応力は、１．０６７ｍｍ（０．００４２インチ）の最大偏倚及び０．６３５ｍｍ（０．００２５インチ）の周囲領域での偏倚と共に端部プレートに与えられた。

本発明により構成された別の端部プレート６０は、図１１及び図１２に示されかつ全体的に参照符号１２０で示されている。図示するように、端部プレート１２０は内部及び外部表面１２２及び１２４を有する。内部表面１２２は中央部９６及び周辺領域９０を含む。外部表面１２４は中央部１２６及び周辺領域１２８を有し、かつ、図示された実施形態では、プレート１２０は、内部及び外部表面の周辺領域９０及び１２８間に延在する周囲１３０を有する。上述したように、周辺領域９０は、密封領域が周囲１３０に沿って少なくとも部分的又は完全に配置される形状構成を含む、上に説明し且つ記載した何れかの形状を有し得る。図示した実施形態では、周囲１３０は円形形状を有する。しかしながら、矩形及び他の弓形、外形、直線及び／又は関連する形状を含むように、形状が変わり得るのは本発明の範囲内である。

しかしながら、以前に図示した端部プレートとは異なり、端部プレートの中央部は、図１２におそらく最も良く示されているその内部及び外部表面間に可変厚さを有する。材料の均一なスラブとは異なり、プレート１２０の外部表面は、外部空洞、あるいはプレート内かつ内部表面１２２上の中央領域９６に全体的に向かって延在する、取除かれた領域１３２を含む中央領域１２６を有する。別の方法を記載すると、端部プレートは非平面の外部表面を有する、そしてより詳細には、端部プレートの内部の対応する領域に向かって少なくとも一部の中央領域が延在する。領域１３２は、領域１３２を含まない同様に構成される端部エンドプレートと比較して、端部プレートの全重量を減じている。本願明細書で使用するように、取除かれた領域１３２は完全に端部プレートを貫通して延在するポート又は他の孔を除外することを意味している。代わりに、領域１３２は延在するが端部プレートを貫通してではない。

重量の軽減は、端部プレートを含む浄化装置１０が、領域１３２無しに構成される同様に構成される端部プレートを含む対応する浄化装置より軽いことを意味する。重量の減少で、選択された作動温度に対する端部プレートを加熱するために該端部プレートに加えなければならない熱量（熱エネルギー）の対応する減少も生じる。図示した実施形態では、領域１３２は外部表面１２４の表面積を増加させる。対応する端部プレートと比較した該端部プレートの表面積を増加させることは、端部プレートの伝熱表面を増加させ得るが、全ての実施形態で必ずしもそうである必要はない。これは、今度は、端部プレート１２０を含む装置の加熱要求及び／時間を減じ得る。

幾つかの実施形態では、プレート１２０も、空洞が存在しなかった同様に構成された端部プレート上の最大応力の領域に相当するか又は含む空洞を有するとして記載し得る。従って、同じ作動パラメータ及び条件に晒された時、より小さな応力は、領域１３２無しで構成される中実端部プレートより端部プレート１２０に与えられる。例えば、均一な厚さを備えた中実の端部プレートでは、最大応力領域が、端部プレート１２０の取除かれた領域１２０によって占有された部分内に生じる。従って、領域１３２を備えた端部プレートは、端部プレートにそうでなければ与えられる最大応力の領域が取り除かれたという点で応力減少構造体１３４を有することとしてさらに又は別様に説明し得る。

比較の目的のために、図１１及び図１２に示され、タイプ３０４ステンレス鋼から構成され、及び１６５．１ｍｍ（６．５インチ）の直径を有する形状構成を有する端部プレート１２０を考慮されたい。この形状構成は、１９．０５ｍｍ（０．７５インチ）、及び７６．２ｍｍ（３インチ）の長さ及び幅を有する、取除かれた領域１３２の最大プレート厚に相当する。４００℃及び１２０６６２５Ｐａ（１７５ｐｓｉ）で作動する装置１０で利用する時、プレート１２０は、２４８２２００００Ｐａ（３６、０００ｐｓｉ）、１．９８１ｍｍ（０．００７８インチ）の最大偏位、周辺領域９０で１．３９７ｍｍ（０．００５５インチ）の変位及び２．５８６ｋｇ（５．７ポンド）の重量でプレートに最大応力を与える。上に説明された寸法と特性が、本発明による端部プレートが受けた重量、応力及び変位の組み合わせの例示的実例となる例を提供することを意味しており、しかも特定の周辺形状、構成材料、周辺寸法、厚さ、取り除かれた領域形状、取り除かれた領域深さ及び取り除かれた領域周辺の全てが、本発明の範囲内で変わり得ることを理解すべきである。

図１１では、領域１３２（及び／又は応力緩和構造体１３４）が全体的に、表面１２２及び１２４に対する長手方向に直角に測定された、正方形又は矩形の形状構成を有することを理解し得る。検討したように、他の形状及び寸法は使用し得るものでありかつ本発明の範囲内である。この点を図示するために、端部プレート１２０の変化は図１３〜図１６に示され、かつ１２０´及び１２０´´で全体的に示されている。これらの図では、領域１３２は、領域の寸法が図１５及び図１６よりも図１３及び図１４図においてより小さい状態の円形周辺を有して示されている。

比較の目的のために、図１３及び図１４で示され、図１１及び図１２で示される端部プレートとして同じ構成材料、周辺及び厚さを有する形状構成を有する端部プレート１２０を考慮されたい。しかしながら、図１１及び図１２の全体的に正方形の取除かれた領域の代わりに、端部プレート１２０´は、全体的に円形の周辺及び８２．５５ｍｍ（３．２５インチ）の直径を具備する、取除かれた領域を有する。端部プレート１２０´は、端部プレート１２０と同じ重さであるが、換算最大応力及びを偏倚を有する。より詳細には、端部プレート１２０は２４１３２５０００Ｐａ（３５、０００ｐｓｉ）以上の最大応力を有するが、プレート１２０に対して上述したような作動パラメータに晒された時に、端部プレート１２０´は２０６８５００００Ｐａ（３０、０００ｐｓｉ）より小さく、及び図示した形状では１７２３７５０００Ｐａ（２５、０００ｐｓｉ）より小さい最大応力を有する。実際、プレート１２０´は、プレート１２０と比較して、最大応力のほぼ３５％の減少を示した。プレート１２０´の最大及び周辺領域偏倚は、１．７７８ｍｍ（０．００７インチ）の適度な最大偏位、及び１．２７ｍｍ（０．００５０インチ）の周辺領域９０での適度な偏差と共にプレート１２０よりも小さい。

図１５及び図１６に示される、端部プレート１２０´´は、領域１３２（及び／又は構造体１３４）を除いて、８２．５５ｍｍ（３．２５インチ）の代わりに９５．２５ｍｍ（３．７５インチ）直径を有する。取り除かれた領域の寸法のこの変化は、２．４０４ｋｇ（５．３ポンド）まで端部プレートの重量を減少させて、同じ最大偏位を作り出した。端部プレート１２０´´は、端部プレート１２０´の最大応力よりほぼ５％大きい（１６２０３２５００Ｐａ（２３、５００ｐｓｉ）と比較して１７０３０６５００Ｐａ（２４、７００ｐｓｉ）が、１７２３７５０００Ｐａ（２５、０００ｐｓｉ）より小さい最大応力も示した。周辺領域９０では、端部プレート１２０´´は、１．７２７ｍｍ（０．０６８インチ）の最大偏位を呈した。

図１３〜図１６には、例示的ポート形状が示されている。図１３及び図１４には、ポート１３８が、端部プレートを貫通して内部表面１２２から外部表面１２４まで延在する点線で示されている。従って、こうした形状構成で、ガス流は装置１０の端部プレートの外部表面を介して伝えられるか又は取り除かれる。こうした形状構成では、流体導管及び／又は流れ調整装置及び／又はカップリング構造体は、典型的に、端部プレートの外部表面１２４から突出する。別の適切な形状構成は、図１５及び図１６に参照符号１４０で点線で示されている。図示するように、ポート１４０は、その時、外部表面１２４の代わりに周辺１３０を貫通して端部プレートの内面から延在する。従って、ポート１４０は、ガスを、端部プレートの外部表面の代わりに該端部プレートの周辺に伝えるか又は取り除くことを可能にする。ポート６４−６８がポート１３８及び１４０によって図示されたこれらの形状構成を有し得ることを理解すべきである。もちろん、ポート６４−６８は、シェル６２又はシェル部分を貫通して延在するポート又はシェル部分を含めて、何れか他の適切なポート形状構成を有し得る。単純化の目的のために、これらが図５及び図６で図示されなかったように、ポートは引き続いて説明される端部プレートの多くで図示しない。

ガイド構造体１４４が図１３〜図１５に点線で示されている。ガイド構造体１４４は区画室１８内に延在しかつ位置決め及び／又は薄膜４６のような分離組立体２０を整列させるために使用し得る支持部を提供する。幾つかの実施形態では、ガイド構造体１４４は分離組立体のために、それ自体、マウント５２を構成し得る。他の実施形態では、装置は、ガイド構造体１４４以外のマウントを含む。ガイド構造体は、図示した、いずれかのこうしたガイド構造体が特別な添付図に図示されているか否かに拘わらず、図示し、組み込まれ、及び／又は本願明細書に記載した端部プレートの何れかと共に使用し得る。しかしながら、本発明による水素精製装置がガイド構造体１４４無しで構成し得ることも理解すべきである。区画室１８内又は該区画室を貫通して延在するガイド構造体１４４を含む装置１０の実施形態では、こうした構造体の数は、単一の支持部から２つ以上の支持部まで変わり得る。同様に、ガイド構造体１４４は円筒状のリブ又は突出部として図示されているが、他の形状及び形状構成を本発明の範囲内で使用し得る。

ガイド構造体１４４は、対応する端部プレートとして同じ材料から構成し得る。さらに又は別様に、ガイド構造体は、異なる材料の被覆又は層を含み得る。ガイド構造体１４４は、両端部プレートから分離しかつ引き続いて自身に取り付けるか、あるいはこれと共に一体成形するかの何れかとし得る。ガイド構造体１４４は、両端部プレートの内面にガイド構造体を取り付け、その内部表面から両端部プレートを貫通して部分的に延在する穴内にガイド構造体を挿入し、あるいは両端部プレートを完全に貫通して延在する穴を通じてガイド構造体を挿入することを含む任意の適切な機構によって両端部プレートに結合し得る。端部プレートが、自身を完全に貫通して延在する穴を含む（これらは図１４に参照符号１４６として説明目的のためにグラフ式に図示されている）実施形態では、ガイド構
造体は、両端部プレートに引き続いて固定し得る。あるいは、分離組立体が適切にそこに割り当てられかつ固定されるまで、ガイド構造体は区画室１８を貫通して挿入し得る。次に、ガイド構造体は取り除き得るものでありかつ穴は漏れを防ぐために（溶接によるように）密封する。

図１７及び図１８では、本発明によって構成される別の端部プレート６０が全体的に参照符号１５０で示されている。別段の定めがない限り、本願明細書に示され、説明され、及び／又は援用された他の端部プレートの何れかとして、構成要素、副構成要素及び変更態様の何れかを有し得ることを理解すべきである。端部プレート１２０´に類似して、プレート１５０は、８２．５５ｍｍ（３．２５インチ）の直径を備えた円形周辺部を有する、取除かれた領域（及び／又は緩和構造体１３４）を備えた外部表面１２４を含む。外部表面１２４は、中央部１２６から周辺部分１２８に延在する外部の取除かれた領域１５２を更に含む。それが周辺１３０に接近すると共に外部の取り除かれた領域１５２は厚さが減少する。図示した実施形態では、他の線形及び弓形の推移は使用し得るが、領域１５２は厚さの全体的な線形の減少を有する。例えば、端部プレート１５０の変形は、図１９及び図２０に参照符号１５０´で全体的に示されている。端部プレート１５０´は、自身が中央領域１２６から周辺領域１２８に延在する時に全体的に半環状体の形状構成を有する外部表面１２４と共に、中央及び外部の取り除かれた領域１３２及び１５２を含む。領域１３２の寸法が変わり得ることを説明するために（これは外部の取り除かれた領域も含む端部プレート上で具体化された時のように中央の取り除かれた領域としても参照される）、端部プレート１５０´は７６．２ｍｍ（３インチ）の直径を有する中央の取り除かれた領域を含む。

比較の目的のために、端部プレート１５０及び１５０´の両方は端部プレート１２０、１２０´及び１２０´´と比較した換算重量を有する。プレート１５０は２．１３２ｋｇ（４．７ポンド）の重さであり、かつプレート１５０´は２．３１３ｋｇ（５．１ポンド）の重さである。両方の端部プレート１５０及び１５０´は、上述した作動パラメータ（４００℃及び１２０６６２５Ｐａ（１７５ｐｓｉ）に晒された時、プレート１５０´がプレート１５０より５％低い応力（１７２３７５０００Ｐａ（２５、０００ｐｓｉ）と比較して１６３７５６２５０Pa（２３、７５０ｐｓｉ）を有した状態で、１７２３７５０００Ｐａ（２５、０００ｐｓｉ）より低い最大応力を受ける。プレートの最大偏倚は、それぞれ、０．２４８９ｍｍ（０．００９８インチ）及び０．２０３２ｍｍ（０．００８インチ）であった。そして周辺領域９０での変位は、それぞれ、０．１５８９ｍｍ（０．００６１インチ）及び０．１４９９ｍｍ（０．００５９インチ）であった。

本発明によって構成された別の端部プレート６０は、図２１〜図２４に全体的に参照符号１６０で示されている。別段の定めがない限り、端部プレート１６０は、図示され、説明され、及び／又は本願細書に援用されたような同じ構成要素、副構成要素及び変更形態を有し得る。端部プレートの外部表面１２４から延在するトラス組立体１６２を含むため、端部プレート１６０はトラスにより剛直化された端部プレートとして参照し得る。図示するように、端部プレート１６０は、図２〜図５に示す端部プレートに類似して、全体的に平面の形状構成を備えたベースプレート１６４を具備する。しかしながら、トラス組立体１６２は、減じられなかったとしても比較可能な最大応力及び偏倚を依然として与える間に、ベースプレートはより薄い構成を有し得ることを可能にするが必ずしも必要ではない。図示され、説明され、及び／又は本願明細書に援用された他の何れかの端部プレートの何れかがトラス組立体１６２を含み得ることは本願発明の範囲内にある。

トラス組立体１６２はベースプレート１６４の外部表面１２４から延在しかつ外部表面１２４から延在する多くの突出リブ１６６を含む。図２１〜図２４では、リブ１６６が表面１２４の周りで半径方向に離隔されることを理解し得る。９つのリブ１６６が図２１及び図２３に示されているが、トラス組立体１６２に多数又は少数のリブを形成し得ることは本発明の範囲内にある。同様に、図示した実施形態では、リブ１６６弓形形状を有し、かつリブと表面１２４の間に延在するフランジ１６８を含む。フランジが端部プレートにかなりの伝熱領域を加えるため、フランジ１６８も伝熱フィンとして記載し得る。トラス組立体１６２は、リブを相互連結させる張力カラー１７０を更に含む。図示するように、カラー１７０は表面ベースプレート１６４に実質的に平行に延在しかつ開放中央領域１７２を有する。カラー１７０には、本発明から逸脱せずに、閉じた又は内向きに又は外向きに突出する中央部分を形成し得る。この点を説明するために、部材１７４は、図２１にカラー１７０を横切って延在する点線で示されている。同様に、カラー１７０は、図２１〜図２４に示す円形形状以外の形状構成を有し得る。更なる別の実施形態として、点線領域が削除された場合に示される形状を含む、説明し、図示し及び本願明細書に援用してきたような、ベースプレートが種々の配置を有し得ることをグラフで説明するために、ベースプレート１６４は図２２の部分的点線で示した。

端部プレート１６０、ベースプレート１６４の外部表面１２４を越えて離隔配置された関係で延在しかつベースプレートに付加的剛性及び／又は強度を与えるように構成される支持部１７０を有するものとして更に又は別様に記載し得る。まだ、端部プレート１６０の更に別の付加又は別様記載は、端部プレートがベースプレートの外部表面から離れて延在する伝熱構造体１６２を含み、しかも伝熱構造体は加熱流体流れが表面間を通過し得るように表面１２４から離隔配置された表面１７０を含む。

トラス組立体１６２は、ベースプレート１６４がトラス組立体無しで形成された場合に、さもなくば、生じるであろう偏倚を減じるため、トラス組立体１６２も偏倚減少構造体の実例として呼称し得る。同様に、トラス組立体１６２は、自身がベースプレートに、さもなくば、与えるであろう最大応力を減じるため、応力減少再構造体の別の実例も提供し得る。更に、トラス組立体の開放構造は、ベースプレートにかなりの重量を加えずにベースプレートの伝熱領域を増加させる。

端部プレート間の前の比較を継続すると、プレート１６０は、上述した端部プレートと同じ作動パラメータに晒される。ベースプレート１６４に与えられる最大応力は６８９５００００Ｐａ（１０、０００ｐｓｉ）以下であった。同様に、ベースプレートの最大偏倚は周片領域９０で０．１４２２ｍｍ（０．００５６インチ）の偏倚と共に、僅かに０．１５４９ｍｍ（０．００６１インチ）であった。ベースプレート１６０は、重さ僅か１．４９７ｋｇ（３．３ポンド）である一方で最大応力のかなりの減少を達成したことは留意すべきである。同様に、ベースプレート１６４はより小さな最大変位を受け及び比較可能又は減じられた周辺変位は、僅かに６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の厚さであるベースプレートを未だに有していた。勿論、プレート１６０はより厚いベースプレートで構成し得るが、試験されたプレートは、使用された作動パラメータの下で十分に強くかつ剛直であることが判明した。

上述したように、エンクロージャー１２は１対の端部プレート６０及び周辺シェルを含み得る。図２５では、１対の端部プレート１６０が形成されたエンクロージャー１２の実例は説明目的のために全体的に参照符号１８０で示されている。エンクロージャー１８０は１対の剛直トラス端部プレート１６０を有するが、エンクロージャーが異なる構成及び／又は形状構成を有する端部プレートを有し得ることは本発明の範囲内にある。実際、幾つかの作動環境では、２つの異なるタイプの端部プレートを備えたエンクロージャー１２を形成することは有益であり得る。他のものでは、端部プレートが同じ構成を有することは有益で有り得る。

図２６及び図２７では、エンクロージャー１２の別の例が参照符号１９０で全体的に示されかつ端部プレート１２０´´を含む。端部プレート１２０´´´は、削除された領域１３２の形状及び寸法が本発明の範囲内で変わり得ることを更に例証するために１０１．６ｍｍ（４インチ）の直径を有して示される以外は、図１３〜図１６に類似の形状構成を有する。両方の端部プレートは、本願明細書に例証され、記述され、及び/又は援用された端部プレートの何れかがそこから延在するシェル部分６３を含み得ることを説明するためにそこから一体的に延在するシェル部分６３を含む。本願明細書に記述され、例証され、及び/又は援用された端部プレートの何れかがトラス組立体（又は伝熱構造体)１６２及び／又は突出支持部１７０又は偏倚隣接構造体も含み得ることを説明するために、部材１９４は端部プレートの外部表面１２４から離隔配置された形状構成の削除された領域１３２を横切って突出して示されている。

さらに、エンクロージャー１２が端部プレートの外部表面から延在する対応する構造体に対向するものとして、あるいはこれに加えて区画室１８内に延在する応力及び／又は偏倚隣接構造体を含み得ることも本発明の範囲内にある。図２８〜図３０では、端部プレート６０はこれらの構造体の実例を図示して示している。例えば、図２８では、端部プレート６０は、端部プレートの内部表面１２２から該端部プレート内に延在する削除された領域１３２を含む。ベースプレートの外部表面から延在する、削除された領域に関して本願明細書に記載され、図示され、及び／又は援用された形状構成の何れかを有し得ることを理解すべきである。同様に、支持部は、端部プレートへの補足的支持及び／又は剛性を与えるために領域１３２を横切って延在して図２８に参照符号１７０で点線で示されている。図２９では、端部プレート６０は、区画室の他の端部で端部プレートを対応する端部プレートに相互連結させる区画室１８内に延在するように構成される内部支持部１９６を含む。上述したように、ガイド構造体１４４はこうした支持部を構成し得る。図３０には、内部に突出するトラス組立体１６２が示されている。

要求されておらず、あるいは本発明にとって必須ではないが、幾つかの実施形態では、装置１０は、端部プレート６０と同じ材料の一定の厚さの固体のスラブから構成される端部プレートと比較した以下の特性又は特性の組み合わせの少なくとも１つを呈する端部プレート６０を含む：
− 突出トラス組立体；
− 内部突出支持部；
− 外部突出支持部；
− 外部削除領域；
− 内部削除領域；
− 一体シェル部分；
− 一体シェル；
− 換算質量及び換算最大応力；
− 換算質量及び換算最大変位；
− 換算質量及び換算周辺変位；
− 換算質量及び増加伝熱面積；
− 換算質量及び内部突出支持部；
− 換算質量及び外部突出支持部；
− 換算最大応力及び換算最大変位；
− 換算最大応力及び換算周辺変位；
− 換算最大応力及び増加伝熱面積；
− 換算最大応力及び突出トラス組立体；
− 換算最大応力及び削除領域；
− 換算最大変位及び換算周辺変位；
− 換算最大変位及び増加伝熱面積；
− 換算周辺変位及び増加伝熱面積；
− 換算周辺変位及び突出トラス組立体；
− 換算周辺変位及び削除領域；
− ０．０９８５ｋｇ／Ｐａ（１５００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／最大変位比；
− ０．０６５７ｋｇ／Ｐａ（１０００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／最大変位比；
− ０．０４９３ｋｇ／Ｐａ（７５０ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／最大変位比；
− ０．０３２８ｋｇ／Ｐａ（５００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／最大変位比；
− ０．１３１４ｋｇ／Ｐａ（２０００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／周辺変位比；
− ０．０９８５ｋｇ／Ｐａ（１５００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／周辺変位比；
− ０．０６５７ｋｇ／Ｐａ（１０００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／周辺変位比；
− ０．０５２６ｋｇ／Ｐａ（８００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／周辺変位比；
− ０．０３９４ｋｇ／Ｐａ（（６００ｌｂ／ｐｓｉ）より小さい質量／周辺変位比；
− 少なくとも８５４５．１６平方ミリメートル／ｋｇ（６平方インチ／ｌｂ）である、横断面積／質量比；
− 少なくとも９９６９．３６平方ミリメートル／ｋｇ（７平方インチ／ｌｂ）である横断面積／質量比；
及び／又は−少なくとも１４２４１．９４平方ミリメートル／ｋｇ（１０平方インチ／ｌｂ）である横断面積／質量比。

上述したように、エンクロージャー１２が１つ以上の分離薄膜４６のようなエンクロージャー内に適切なマウント５２によって支持される分離組立体２０を収容する内部区画室１８を含む。図２及び図４に示す例示的実例では、分離薄膜４６は独立した平面状又は管状の薄膜として描かれている。薄膜がこれらの薄膜の間に浸透領域を規定する対で配置し得ることは本発明の範囲内にある。こうした形状構成では、薄膜対は、これらの間に延在する採取導管、あるいは流れ経路の形態をした共通の浸透領域３２を規定するという点で、薄膜エンベロープと呼称し得る。

薄膜エンベロープの実例は図３１に全体的に参照符号２００で示されている。薄膜対が平面エンベロープ及び管状エンベロープのような種々の適切な形状を取り得ることを理解すべきである。同様に、薄膜は、端部プレートに対して、あるいは中央通路の周りでのように独立して支持し得る。説明目的のために、以下の記載及び関連する説明は１つ以上の薄膜エンベロープ２００を含むものとしての分離組立体を説明する。エンベロープを構成する薄膜は、２つの分離した薄膜、あるいは折り畳まれ、圧延され又は、さもなくば、自身を通じて水素に富んだガスを集め且つ退出させ得る導管２０４を規定する互いに向けて配向された浸透薄膜表面５０を具備した２つの薄膜領域、すなわち表面２０２を規定するように構成される単一の薄膜とし得る。導管２０４は、それ自体浸透領域３２を構成し得るか、あるいは本発明による装置１０は、集合的に浸透領域３２を規定する複数の薄膜エンベロープ２００及び対応する導管２０４を含み得る。

高送給圧に対して薄膜を支持するために、支持部５４が使用される。支持部５４は、薄膜４６を浸透するガスを、該薄膜を貫通して流れることを可能にする。支持部５４は、薄膜の浸透表面５０が支持される表面２１１を含む。薄膜エンベロープを構成する１対の薄膜の情況では、支持部５４は採取導管２０４を規定するものとして説明し得る。導管２０４では、浸透ガスは、図３１に概略示すように、長手方向に直角に及びガスが通過する薄膜の表面に平行の両方に流れ得ることが好ましい。少なくとも実質的に純粋な水素ガスである浸透ガスは水素に富んだ流れ３４を構成するために採取し得るか、あるいはさもなくばエンベロープから退出して水素に富んだ流れ３４を構成する。薄膜が支持部に対して位置するので、支持部が水素選択性薄膜によってガスの流れを妨害しないことが望ましい。図３１に概略的に図示するように、薄膜を通過しないガスは１つ以上の副次的流れ３６を構成する。

薄膜エンベロープの適切な支持部２００の実例は、スクリーン構造体２１０の形態をして図３２に示されている。スクリーン構造体２１０は複数のスクリーン部材２１２を含む。図示する実施形態では、スクリーン部材は、細かいメッシュスクリーン２１６間に挟まれた粗いメッシュスクリーン２１４を含む。用語「細かい」、「粗い」は相対的用語であることを理解すべきである。好ましくは、外部スクリーン部材は、装置１０が作動する作動条件下で、薄膜を突き刺さず、かつ薄膜を突き刺し、弱めるか又はさもなくば薄膜に損傷を与え得る、十分な開口、端縁又は他の突出部を有さずに薄膜４６を支持するように選択される。スクリーン構造体を薄膜と全体的に平行な浸透ガス流れのために提供する必要があるため、向上された、あるいはより大きな、平行流れ導管を提供するために比較的粗い内部スクリーン部材を使用することは好ましい。換言すれば、より細かいメッシュスクリーンは、薄膜のためにより良い保護を提供する一方で、より粗いメッシュスクリーンは薄膜と全体的に平行なより良い流れを提供しかつ幾つかの実施形態では、より細かい前記メッシュスクリーンより、より剛直、あるいは曲げ難く選択し得る。

スクリーン部材は、類似又は同じ構成とし得る、そして多かれ少なかれスクリーン部材は図３２に示すものよりも使用し得る。好ましくは、支持部５４は、水素精製装置の動作を妨害しない耐食性材料、及び装置１０が使用される他の装置から構成される。金属スクリーン部材に適切な材料の例は、８００Ｈ（登録商標）のようなインコネル（登録商標）合金、及びハステロイ（登録商標）合金、モネル（登録商標）のような銅とニッケルから成る合金を含む、インコネル（登録商標）合金ステンレス鋼、チタン及びその合金、ジルコニウム及びその合金、耐食合金を含む。ハステロイ（登録商標）とインコネル（登録商標）合金はニッケル基合金である。インコネル（登録商標）合金は、典型的にはクロム及び鉄と合金にされたニッケルを含有する。モネル（登録商標）合金は典型的にはニッケル、銅、鉄及びマンガンから成る合金である。支持部５４用構造体の付加的実例は、多孔質セラミックス、多孔質カーボン、多孔質金属、セラミック発泡体、カーボン発泡体及び金属発泡体を、単独又は１つ以上のスクリーン部材２１２と組み合わせて含む。別の例として、スクリーン部材のうちの幾つか又は全ては、織ったメッシュ材料の代わりにエキスパンデッドメタルから構成し得る。

薄膜エンベロープの組立の間に、上記に援用された米国特許出願第０９／８１２，４９９号公報でより詳細に検討するように、接着剤はスクリーン構造体への薄膜４６を固定するため及び／又はスクリーン構造体２１０の構成要素を互いに固定するために使用し得る。説明目的のために、接着剤は、図３２に参照符号２１８で点線で全体的に示されている。適切な接着剤の実例は、ＳＵＰＥＲ ７７（登録商標）の名称で３Ｍによって販売されている。典型的には、接着剤は、完全ではなくとも、少なくとも実質的に、薄膜エンベロープの組立後に浸透性、選択性及び薄膜エンベロープの流路と干渉しないように取り除かれる。薄膜及び／又はスクリーン構造体又は他の支持部から接着剤を取り除くことに適した方法の実例は、装置１０の初期作動に先立って酸化条件に晒されている状態による。酸化条件の目的は、過度にパラジウム合金薄膜を酸化させずに接着剤を焼き尽くすことである。こうした酸化に適切な手続きは上記に援用された特許出願で開示されている。

スクリーン構造体２１０を含む支持部５４は、図３１に点線で示すように、薄膜４６に係合する表面２１１上の被覆２１９を含み得る。適切な被覆の実例は、そのアルミニウム酸化物、タングステン炭化物、タングステン窒化物、炭化チタニウム、チタン窒化物及びこれらの混合物を含む。これらの被覆は、水素が存在する状態で分解に対して熱力学的に安定しているものとして一般的に特徴づけられる。適切な被覆は、被覆として適用し得るものでありかつ水素精製装置が作動する作動パラメータ（温度、圧力等）下での水素のあるところで分解に対して熱力学的に安定している、酸化物、窒化物、炭化物、あるいは金属間化合物のような材料から構成される。スクリーン又はエキスパンデッドメタルスクリーン部材にこうした被覆を適用する適切な方法は、化学蒸着メッキ、スパッタリング、熱の蒸発、熱間溶射、及び少なくとも酸化アルミニウムの場合には、アルミニウム酸化物を与えるために金属の酸化に後続する金属（例えば、アルミニウム）の析出を含む。少なくとも幾つかの実施形態では、被覆は、水素選択性薄膜とスクリーン構造体の間の金属間の拡散を防ぐこととして説明し得る。

ここに記述され、例証されかつ/または組込まれた水素精製装置10は、混合ガス流れが伝えられ、それから水素が豊かな副次的流れが撤去される適切な入出力ポートと共に1枚以上の薄膜エンベロープ２００を典型的に含み得る。幾つかの実施形態では、装置は複数の薄膜エンベロープを含み得る。分離組立体が複数の薄膜エンベロープを含む時、水素に富んだ流れをそこから退出させるために、及び／又は、混合ガス領域３０からの薄膜を通過しないガスを退出させるために、混合ガス流れをこれらのエンベロープに伝えるように、それは、エンベロープを相互連結させる流体導管を含み得る。装置が複数の薄膜エンベロープを含む時、第１薄膜エンベロープからの浸透流れ、副次的流れ、または両方は、層なる浄化のために別の薄膜エンベロープに送り得る。エンベロープ又は複数のエンベロープ及び関連するポート、支持部、導管等は、薄膜モジュール２２０として呼称し得る。

特定の装置１０で使用される薄膜エンベロープ２００の数は、混合ガス流れ２４の送給速度に基づく度合いに依存する。例えば、４つのエンベロープ２００を含む薄膜モジュール２２０は、２０リットル／分の吐出量で装置１０に伝えられる混合ガス流れには有効であることが判明した。吐出量が増加すると共に、薄膜エンベロープの数は、一般的な線形の関係でのように増加し得る。例えば、３０リットル／分の吐出量で混合ガス流れ２４を受容するように構成される装置１０は、好ましくは６つの薄膜エンベロープを含み得る。しかしながら、エンベロープのこれらの例示的な数は説明目的のために提供される。また、より多く又はより少ない数のエンベロープを使用し得る。例えば、使用されるエンベロープの数に影響を及ぼす要因は、薄膜を貫通する水素束、薄膜の有効面積、混合ガス流れ２４の吐出量、水素に富んだ流れ３４の所望の純度、水素ガスが混合ガス流れ２４から取り除かれる所望の効率、使用者の選択、装置１０及び区画室１８等の有効寸法を含む。

必須ではないが好ましくは、薄膜エンベロープ２００内に組み込まれたスクリーン構造体及び薄膜エンベロープ２００は、密封、支持及び／又は薄膜エンベロープを相互連結するように構成されるフレーム部材２３０、すなわちプレートを含む。適切なフレーム部材２３０の例示的実例が図３３に示されている。図示したように、スクリーン構造体２１０は、浸透フレーム２３２の形態をしたフレーム部材２３０内に嵌合する。スクリーン構造体及びフレーム２３２は、スクリーン・プレート又は浸透プレート２３４として集合的に呼称し得る。スクリーン構造体２１０がエキスパンデッドメタル部材を含む時、エキスパンデッドメタルスクリーン部材は、浸透フレーム２３２内に嵌合するか、フレームの表面に亘って少なくとも部分的に延在するかの何れかとし得る。フレーム部材２３０の更なる例は支持フレーム、送給フレーム及び／又はガスケットを含む。これらのフレーム、ガスケット又は他の支持構造体は、２つ以上の薄膜エンベロープを含む分離組立体２０の実施形態における薄膜エンベロープを相互連結させる流体導管をも少なくとも部分的に規定し得る。適切なガスケットの例は、装置１０が使用される作動条件に依存するように、他の材料を使用し得るが、ユニオン・カーバイドによってＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）の名称で販売されたものを含む曲げ易い黒鉛ガスケットである。

典型的なフレーム部材２３０の上記の例示的実例を続けると、浸透ガスケット２３６´及び２３６は浸透フレーム、必須ではないが好ましくは、接着剤の別の薄い塗布を使用することによって、浸透フレーム２３２に取り付けられる。次に、薄膜４６は、噴射又は、もなくば、着剤を薄膜及び／又はスクリーン構造体の何れか又は両方に塗布することによって、スクリーン構造体２１０に対して支持され及び／又はスクリーン構造体２１０に取り付けられる。薄膜が平ら且つ堅固に対応するスクリーン部材２１２に取り付けられることを保証するために注意がなされるべきである。送給プレート、すなわちガスケット、２３８及び２３８´は、接着剤の別の薄い塗布を使用することによるように、ガスケット２３６及び２３６´に随意に取り付けられる。その後、結果として生じた薄膜エンベロープ２００は、適切なマウント５２によるような区画室１８内に位置づけられる。随意に、２つ以上の薄膜エンベロープが、区画室１８内に積み重ねられる又は、さもなくば、互いに支持し得る。

更なる別の実施形態として、図３４に示すように、薄膜４６の各々は、金属フレーム２４０のようなフレーム部材２３０に固定し得る。もしそうであるなら、薄膜は、例えば、超音波溶接又は別の適切な取付機構によってフレームに固定される。必須ではないが薄膜フレーム組立体は、接着剤を使用してスクリーン構造体２１０に取り付け得る。薄膜エンベロープを構成するプレート間、並びに薄膜エンベロープ間に気密シールを達成する取付機構の他の実例は、鑞付、ガスケット詰め及び溶接の１つ以上を含む。薄膜及び付属フレームは、薄膜プレート２４２として集合的に参照し得る。本願明細書で検討した種々のフレームは必ずしも同じ材料から構成する必要がなく及び／又はフレームは同じ厚さのような同じ寸法を有し得ないことも本発明の範囲内にある。例えば、薄膜プレートが、銅、そ
の合金、及び記の援用された特許及び特許出願で検討された他の材料のような異なる材料から構成し得る一方で、浸透及び送給フレームは、ステンレス鋼又は別の適切な構造部材から構成し得る。さらに、及び／又は、あるいは、薄膜プレートは、送給及び／又は浸透プレートより、より薄くし得るが、必ずしも要求されない。

説明目的のために、薄膜エンベロープ２００による流体流れの適切な形状は、図３３で示されるエンベロープ２００の実施形態に対して説明される。図示するように、混合ガス流れ２４は薄膜エンベロープに伝えられ、薄膜４６の外部表面５０と接触する。薄膜を貫通して浸透する水素に富んだガスは採取導管２０４に入る。採取導管は、浸透流れが薄膜エンベロープから退出し得る導管２５０と流体連通する。薄膜を通過しない混合ガス流れの部分は、このガスが副次的流れ３６として退出し得る導管２５２まで流れる。図３３では、図３４では、１対の導管２５２が本願明細書で説明された導管の何れかが別様に１つ以上の流体通路を含み得ることを説明するために示されている一方で、単一の副次的導管２５２が示されている。流れ３４及び３６の流れを示す矢印が概略的に示され、しかも導管２５０及び２５２を貫通する流れの方向が、特定の薄膜エンベロープ２００、モジュール２２０及び／又は装置１０の形状構成に依存するように変わり得ることを理解すべきである。

図３５では、適切な薄膜エンベロープ２００の別の実例が示されている。端部プレート６０及びシェル６２が様々な形状構成を有し得ることを説明するために、エンベロープ２００は全体的に矩形の形状構成を有して示されている。図３５のエンベロープは、１対の副次的導管２５２及び１対の水素導管２５０を有する薄膜エンベロープの別の例を与える。図示するように、エンベロープ２００は、該エンベロープの最も外側のフレームとして、送給又はスペーサー・プレートを含む。全体的に、各々のプレート２３８は、内部の開放した領域２６２を規定するフレーム２６０を含む。内部の開放した領域２６２の各々は、導管２５２に対して横方向に結合する。しかしながら、導管２５０は開放領域２６２に対して閉じており、それにより水素に富んだ流れ３４を分離する。薄膜プレート２４２はプレート２３８に隣接しかつ内部にある。外部フレーム２４０に固定し得る、その中央部分として、水素選択性薄膜４６を含む薄膜プレート２４２の各々は、図式的説明のために示されている。プレート２４２では、導管の全ては薄膜４６に対して閉じている。薄膜は、開放領域２６２の対応する１つに隣接して、すなわちエンベロープに到着する混合ガス流れに隣接して位置する。これは、非浸透ガス、すなわち副次的流れ３６を構成し、導管２５２から開放領域２６２を去るガスによって水素ガスが薄膜を通過する機会を与える。スクリーン・プレート２３４は、薄膜４６及び／又は薄膜プレート２４２の中間、すなわち薄膜４６の各々の内部又は浸透側に位置づけられる。スクリーン・プレート２３４はスクリーン構造体２１０又は別の適切な支持部５４を含む。導管２５２は、スクリーン・プレート２３４の中央領域に対して閉じられ、それにより、水素に富んだ流れ３４から副次的流れ３６及び混合ガス流れ２４を分離する。導管２５０は、スクリーン・プレート２３４の内部領域に開放している。隣接する薄膜４６を通過する水素ガスは、スクリーン構造体に沿って且つ該構造体を貫通し、及び最終的には水素に富んだ流れ３４として出力ポー
トに移動する。

検討したように、装置１０はシェル６２内の単一の薄膜４６、シェル６２内の複数の薄膜、シェル６２及び／又は他の分離組立体２０内の１つ以上の薄膜エンベロープを含み得る。図３６では、図３４で示したものに類似した薄膜エンベロープ２００がこの点を説明するためにシェル６２内に位置して示されている。エンベロープ２００が複数の薄膜エンベロープ、及び／又は単一の薄膜プレート２４２含有する薄膜モジュールを概略的に示し得ることも理解すべきである。ガイド構造体１４４に適切な位置の実例も説明目的のために示されている。検討したように、構造体１４４は内部支持部１９６の実例も示す。図３６は、ポート６４−６８に適切な位置の実例をグラフ式に示す。本発明による端部プレートを含む装置１０内の薄膜プレート及び／又は薄膜エンベロープの適切な位置を図示するために、図３７及び図３８は、点線で薄膜プレート２４２、薄膜エンベロープ２００及び／又は、図１３〜図１４及び図２１〜図２５に示される端部プレートを含む装置１０内に位置づけられた薄膜モジュール２２０をそれぞれ図示する。

シェル６２は、内部区画室１８をこれと共に規定するための端部プレートを相互連結させるものとして説明してきた。シェルが複数の相互連結したプレート２３０から構成し得ることは本発明の範囲内にある。例えば、１つ以上の薄膜エンベロープ２００を含む薄膜モジュール２２０はシェル６２を構成し得る。何故なら、プレートの各々の周辺領域は液体密、あるいは少なくとも実質的に液体密のシールをその間に構成し得るからである。こうした構成例は、３つの薄膜エンベロープ２００を含む薄膜モジュール２２０を示す、図３９に示されている。単一のエンベロープ又は単一の薄膜プレート２４２さえ、薄膜エンベロープの数が１ダース以上まで変わり得ることを理解すべきである。図３９には、円形の
形状構成以外の形状構成が本発明の範囲内にあることを説明するために全体的に矩形の形状構成を有するものとしての端部プレート６０は概略的に図示されている。概略的に描かれた端部プレート６０は、検討され、説明され、及び／又は、本願明細書に援用された形状構成の何れかを有し得ることを理解すべきである。

上述の検討では、適切な構成材料の例示的実例及び本発明による水素精製装置の構成要素のための組立方法が検討されてきた。実施例が排他的、あるいは閉鎖的な例示的実例の列挙を示さないこと、及び他の材料及び／又は方法を使用し得ることが本発明の範囲内にあることを理解すべきである。例えば、上記の実例の多くでは、所望の性質又は特性は更なる方法及び／又は材料を選択するためのガイダンスを与えるために提供される。このガイダンスも、全ての実施形態用の必須要件の記載に対向するものとして、図示による支援としても意味している。

検討したように、水素浸透性及び／又は水素選択性薄膜４６を含む分離組立体を含む装置１０の実施形態では、薄膜４６の適切な材料はパラジウムとパラジウム合金を含む。さらに検討したように、薄膜は、前述したようなフレーム２４０、支持部５４及びスクリーン構造体２１０のようなフレーム及び／又は支持によって支持し得る。更に、装置１０は、高温及び圧力を含む選択された作動パラメータでしばしば作動する。こうした用途では、装置は、典型的に、スタートアップ、すなわち初期作動状態で始動し、この作動状態では、装置は、大気圧及び約２５℃の温度のような周囲の温度及び圧力にある。この状態から、装置は、２００℃以上の温度のような選択された作動パラメータ、及び３４４７５０Ｐａ（５０ｐｓｉ）以上の圧力のような選択された作動圧力に（例えば、任意の加熱組立体４２によって）加熱され（任意の適切な機構によって）加圧される。

装置１０を加熱する時、装置の構成要素は拡大する。構成要素が拡大又は膨張する程度は、構成要素が形成される材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）によって大部分は規定される。従って、これらのＣＴＥの差は、構成要素を異なる割合で膨張させる傾向があり、これにより幾つかの構成要素に付加的張力又は圧縮力、及び／又は他の構成要素に換算張力又は圧縮力を与える。

例えば、６０重量％パラジウム及び４０重量％の銅（Ｐｄ−４０Ｃｕ）の合金から構成される水素選択性薄膜４６を考慮されたい。こうした薄膜は、１４．９（μｍ／ｍ／℃）の熱膨脹係数を有する。薄膜が構造体フレーム２３０又は他のマウントに固定されるか、あるいはＰｄ−４０Ｃｕとは異なるＣＴＥを有する材料又は薄膜４６が形成される別の材料から形成される支持部５４に対して保持されることを考慮されたい。これらの構成要素が作動する装置１０が周囲から加熱されるか又は形状構成上に載る時、構成要素は異なる速度で膨張する。典型的には、装置１０は、少なくとも２００℃の温度範囲内に、及びしばしば少なくとも２５０℃、３００℃以上の範囲内で熱循環する。薄膜のＣＴＥが隣接構造体の構成要素のＣＴＥより小さい場合、次に薄膜は、構成要素が加熱されると共に伸長される傾向がある。

この最初の伸長に加えて、水素精製装置は、典型的に、これらの装置が使用のために加熱され、その後、冷却さ又は非使用時に冷えることを許容され、その後、再加熱され、再冷却される等を行うことを考慮すべきである。こうした用途では、伸長された薄膜は、薄膜及び他の構造体の単数又は複数の構成要素が冷えるにつれて、その初期の形状構成に向けて圧縮される時に皺が寄り得る。

他方で、薄膜のＣＴＥが隣接構造体の構成要素のＣＴＥより大きければ、その時、薄膜は装置の加熱の間に圧縮される傾向がある。また、この圧縮は、薄膜の皺を引き起こし得る。冷える間に、あるいは構成要素が冷えるとともに、薄膜はその初期の形状構成に引戻される。

例示的な例として、図３４に示した薄膜プレート２４２を考慮されたい。薄膜４６のＣＴＥが、典型的には薄膜４６とは異なる構成要素を有する、フレーム部材２３０のＣＴＥより大きければ、この時、薄膜はフレームより加熱された時、より速く膨張する傾向がある。従って、圧縮力はフレーム２３０からの薄膜に与えられる。また、これらの力は、薄膜に皺を生じさせ得る。対照的に、薄膜４６のＣＴＥがフレーム２３０のＣＴＥより小さい場合、次いで、薄膜４６より加熱熱された時、フレームはより速く膨張する。これが生じた時にフレームの膨張は実質的に薄膜を伸長させようとするので、膨張力は薄膜に与えられる。フレームと薄膜が同一又は実質的に同一なＣＴＥを有する実施形態と比較して、これらの状態は望ましくないが、前者のシナリオは幾つかの実施形態では２つのうちでより好ましい。何故なら、これは薄膜に皺を作り出す傾向が少なくし得るからである。

薄膜４６の皺は、特に薄膜が疲労する箇所の皺に沿って、薄膜の穴及びクラックを生じさせ得る。２つ以上の皺が交差する領域では、薄膜のその部分に少なくとも２つの異なる方向に皺が寄るため、穴及び／又はクラックの可能性は増大する。穴及び／又はクラックは水素ガスには選択的でなく、その代り、混合ガス流れの構成要素のうちの何れかがそれを通過することを可能にするため、穴とクラックは水素ガス用薄膜の選択性を減少させることを理解すべきである。薄膜の繰り返された熱サイクル中に、これらの欠陥点又は領域は寸法が増加する傾向がある。これにより、水素に富むか又は浸透流れの純度を更に減じる。薄膜と直に接触し、部分又は構造体と薄膜接触するものとして参照し得る、装置１０の部分から薄膜に与えられた力によって、あるいは薄膜と接触しないが、膨張及び／又は冷却の際に、薄膜に伝えられる力を与える、装置の他の部分によって、これらの皺が生じ得ることは更に理解すべきである。薄膜接触構造体の例は、薄膜が実際に固定されていないか又は、さもなくば、その上に装着されていなくとも、フレーム又は他のマウント５２と、その上に薄膜が装着されるか又はこれと共に薄膜４６が接触する支持部５４と、を含む。薄膜４６に皺を生じさせる力を与える、少なくとも幾つかの実施形態では、装置１０の部分の実例は、エンクロージャー１２、及び１つ以上の端部プレート６０及び／又はシェル６２のようなその部分を含む。他の実例は、端部プレートとフレーム又は薄膜用の他のマウントとの間、そして複数の薄膜を含む装置１０の実施形態では、隣接するフレーム又は他の支持部又は薄膜用の他の支持部の間にガスケット又はスペーサーを含む。

薄膜及び隣接する構造体構成要素間のＣＴＥの差により薄膜欠陥を警戒する１つのアプローチは、薄膜と、薄膜と接触しかつ薄膜に皺を生じさせ得る薄膜に対する圧縮又は引張力を与えるための十分な剛性又は構造体を有する装置１０の何れかの構成要素と、の間に変形可能なガスケットを配置することである。例えば、図３３には、薄膜４６は送給プレート２３８と浸透ガスケット２３６との間に挟まれて示されており、これらの両方は変形可能な材料から構成し得る。こうした実施形態及びこうした構造築によって、変形可能なガスケットは、さもなくば、薄膜４６に働くであろう圧縮又は引張力の少なくともかなりの部分を蓄えるか、あるいは吸収する。

これらのフレームの何れか又は両方が変形可能な材料（すなわち、これらのフレームに力が与えられかつこれらの力を取り除くことによりその初期形状に戻る時に圧縮又は膨張し得る弾発性材料）から構成されない実施形態では、薄膜４６が上述した皺寄せ張力又は圧縮力を薄膜４６に及ぼし得る時、あるいは支持部５４が薄膜４６に対して曲げられる（すなわち選択された作動圧力下で固定される）時に、異なるアプローチを付加的又は別様に使用し得る。より詳細には、薄膜の寿命は、さもなくば、薄膜４６が形成される単数又は複数の材料と同じ又は類似するＣＴＥを有する材料から引張又は圧縮の何れかの皺寄せ力を薄膜４６に与えるであろう、装置１０の構成要素を構成することによって増大し得る
れる。

例えば、タイプ３０４ステンレス鋼は、１７．３のＣＴＥを有し、タイプ３１６ステンレス鋼は、１６．０のＣＴＥを有する。従って、タイプ３０４ステンレス鋼は、Ｐｄ−４０ＣｕのＣＴＥより約１５％大きいＣＴＥを有する。また、タイプ３１６ステンレス鋼はＰｄ−４０ＣｕのＣＴＥより約８％大きなＣＴＥを有する。これは、本願明細書で検討された種々の支持部、フレーム、プレート、シェル等を構成するために使用し得ないことを意味しない。しかしながら、本発明の幾つかの実施形態では、薄膜４６が形成される材料のＣＴＥと同じ又は類似したＣＴＥを有する材料からこれらの構成要素の幾つかを構成することは望ましい。より詳細には、薄膜４６が構成される材料のＣＴＥと同じＣＴＥ、あるいは薄膜４６が選択される材料のＣＴＥの選択された範囲内、例えば、±０．５％、１％、２％、５％、１０％、あるいは１５％のような範囲にあるＣＴＥを有している材料であることが望ましい。少なくとも幾つかの実施形態で示した別の方法では、装置の薄膜接触部分又は他の構成要素を、薄膜４６が少なくとも実質的に構成されるＣＴＥの±１．２、１、０．５、０．２．０．１内又は０．１μｍ／ｍ／℃以下のＣＴＥを有する単数又は複数の材料から構成することは望ましいものとなし得る。上述した構成要素の１つ及び／又は薄膜４６のＣＴＥに対するＣＴＥの１つを有する材料は、本願明細書の開示内の選択されたＣＴＥの１つを有するものとして本願明細書で参照し得る。

以下の表には、例示的な合金と、それらの対応するＣＴＥ及び組成とが示されている。以下の表に列挙した材料は説明目的に供給され、他の材料が本発明の範囲から逸脱せずに以下に列挙した材料及び／又は他の材料の組合せを含んで、使用し得ることを理解すべきである。

上記の情報から、タイプ３３０ステンレス鋼及びインコロイ（登録商標）８００のような合金がＰｄ４０ＣｕのＣＴＥの約３％以内にあるＣＴＥを有することを理解し得る。また、モネル（登録商標）４００及びタイプ３１０Ｓステンレス鋼は、Ｐｄ４０ＣｕのＣＴＥから７％以下だけ偏倚するＣＴＥの値を有する。

材料の選択が使用される特定の薄膜のＣＴＥと共に変わり得ることを説明するために、１３．８μｍ/ｍ／℃の熱膨脹係数を有する薄膜４６のための材料を考慮されたい。上記の表から、モネル（登録商標）及びインコネル（登録商標）６００合金は、薄膜のＣＴＥから０．１μｍ/ｍ/℃だけずれ、あるいは異なるＣＴＥを有する。別の例として、１３．４μｍ／ｍ／℃のＣＴＥを有する薄膜を考慮されたい。ヘステロイ（登録商標）Ｘは薄膜のＣＴＥに対応するＣＴＥを有し、しかもモネル（登録商標）及びインコネル（登録商標）６０１合金は薄膜のＣＴＥの約１％以内のＣＴＥを有する。表に列挙した材料の例示的実例のうち、ヘステロイ（登録商標）Ｘ、インコロイ（登録商標）８００及びステンレス鋼合金のタイプ３００シリーズ以外の合金は全て、薄膜のＣＴＥの２％以内にあるＣＴＥを有する。また、タイプ３０４、３１６及び３１０Ｓステンレス鋼合金以外の合金の全ては、薄膜のＣＴＥの５％以内にあるＣＴＥを有する。

薄膜４６のＣＴＥの選択された範囲に対応するか又は該範囲の１つ以内のＣＴＥを有する薄膜４６に対して選択されたＣＴＥを有する材料から構成し得る装置１０の構成部材の例は、以下の１つ以上を含む。支持部５４、スクリーン部材２１２、細かい又は外部スクリーン又はエキスパンデッドメタル部材２１６、内部スクリーン部材２１４、薄膜フレーム２４０、浸透フレーム２３２、浸透プレート、送給プレート２３８。上記によって、上記の構成部材の１つがこうした材料から構成し得るものであり、上記の構成部材の１つ以上はこうした材料から構成し得るが、上記の構成部材の何れもこうした材料から構成するべく要求されない。同様に、薄膜４６はＰｄ−４０Ｃｕ以外の材料から構成し得る。また、そういうものとして、選択されたＣＴＥは薄膜４６の特定の成分に依存して変わり得る。

更に説明すると、装置１０には、選択されたＣＴＥの１つを有する材料から完全に構成されるスクリーン構造体を含む支持部によって１つ以上の薄膜エンベロープ２００を含む薄膜モジュール２２０を形成し得る。別の実例として、外部のみ、あるいは薄膜接触スクリーン部材（部材２１６のような）は、選択されたＣＴＥの１つを有さない材料から構成し得る単数又は複数の内部部材と共に選択されたＣＴＥの１つを有する材料から構成し得る。更に別の例示的実例として、内部スクリーン部材２１４は、選択されたＣＴＥ等の１つを有さない材料から構成される薄膜接触部材と共に選択されたＣＴＥの１つを有する材料から構成し得る。

幾つかの実施形態では、熱サイクル及び選択されたＣＴＥの１つを有する材料から構成される浄化装置の他に意図した用途中に薄膜の皺を引き起こすに十分な剛性を有する支持部の部分のみに対しては十分であり得る。例示的実例として、図３２に示されているスクリーン構造体２１０を考慮されたい。図示する実施形態では、スクリーン構造体は１対の薄膜４６間に位置づけられるように構成される。また、スクリーン構造体は一対の外部、すなわち薄膜接触スクリーン部材２１６、及び薄膜と接触しない内部スクリーン部材２１４を含む。排他的ではないが典型的に、外部スクリーン部材は、剛性が小さくかつ、より剛性が大きくかつしばしばより粗い構造を有する傾向がある、内部スクリーン部材よりしばしばより細かい材料から構成される。こうした実施形態では、内側スクリーン部材は、タイプ３０４又はタイプ３１６ステンレス鋼のような従来のステンレス鋼から構成される外部スクリーン部材と共に、モネル（登録商標）のような、ニッケルと銅を含有する合金のような選択されたＣＴＥの１つを有する材料から構成し得る。こうしたスクリーン構造体は、内部スクリーン部材が構成される材料のＣＴＥより大きな薄膜４６のＣＴＥとは異なるＣＴＥを備えた薄膜接触スクリーン部材を有するものとしても説明し得る。しかしながら、上述したように、モネル（登録商標）のような、ニッケルと銅を含有する合金又は選択されたＣＴＥの１つを有する別の材料から全てのスクリーン部材を構成し得ることは本発明の範囲内にある。

この構成は、１つ以上のスクリーン部材又は層を含むが、単に１つの薄膜を支持する支持部に適用し得る。例えば、図２を参照すると、スクリーン部材２１４のような構成を有し得る、薄膜接触層又はスクリーン部材２１４´を含み得る。層２１４´は、薄膜の面の少なくともかなりの部分を横切って係合且つ延在するが、浄化装置を加圧して使用する時に、それ自体は、薄膜への十分な支持を与えない。支持部は、スクリーン部材２１６のような構成を有し得るものでありかつ第１層には概ね平行に延在するが、薄膜より第１層の反対側に延在する。この第２層は第１層より剛直である。その結果、この第２層は、使用時に薄膜を支持する十分な強度、あるいは剛性を有する複合スクリーン構造体を提供する。こうした構成が利用される場合、それは第２層、あるいは例えば、モネル（登録商標）又は選択されたＣＴＥを有する別の材料のようなニッケルと銅の合金から構成されるスクリーン部材、薄膜接触層、あるいは、第２層が形成される材料よりかなりの量だけ薄膜のＣＴＥとは異なるＣＴＥを有する材料から形成されるスクリーン部材を備え得るが備えることは要求されない。さらに、薄膜接触層は、ニッケルと銅の合金を含んでいない材料から構成されるものとして説明し得る。

例示的な形状構成の別の実例である、装置１０は、１つ以上のマウント及び／又は１つ以上の支持部５４によって、エンクロージャーの端部プレート６０間に支持された単一の薄膜４６を有し得る。マウント及び／又は支持部は選択されたＣＴＥの１つを有する材料から構成し得る。同様に、端部プレート６０又はシェル６２の１つ又は両方のような、エンクロージャー１２の少なくとも一部は選択されたＣＴＥの１つを有する材料から構成し得る。

直に薄膜４６と接触しない装置の構成要素が存在する装置１０の実施形態では、これらの構成要素は、選択されたＣＴＥの１つを有する材料から未だに構成し得る。例えば、端部プレート６０又はシェル６２の１つ又は両方のような、エンクロージャー１２の一部又は全ては、これらの部分が直に薄膜と接触しなくとも、薄膜４６が形成される材料のＣＴＥに対する選択されたＣＴＥの１つを有する、表１に列挙した合金の１つを含む材料から構成し得る。

本発明により構成される水素精製装置１０は、不純水素ガスの何れかの源に連結又は流体連通し得る。これらの源の実例は、水素化床及び加圧式タンクのようなガス貯蔵装置を含む。別の源は、副次的産物、排気又は廃棄流れとして、水素ガスを回復し得るガスの流れを作り出す装置である。更に別の源は、本願明細書で使用されるように、供給材料を含有する少なくとも１つの送給流れからの水素ガスを含有する混合ガス流れを作り出すように構成される何れかの装置を指す、燃料処理装置である。典型的には、水素ガスは、燃料処理装置によって作り出された混合ガス流れの多数又は少なくとかなりの部分を構成する。

燃料処理装置は様々な機構によって混合ガス流れ２４を作り出し得る。適切な機構の実例は、改質触媒が炭素含有供給材料及び水を含む材料流れから水素ガスを作り出すために使用される、上記改質及び自動熱改質を含む。水素ガスを作り出すための他の適切な機構は、送給流れが水を含まない場合の、カーボン含有供給材料の熱分解及び触媒部分的酸化を含む。供給材料が水である場合の、水素ガスを作り出すための適切な機構は電気分解である。供給材料を含む適切なカーボンの実例は、少なくとも１つの炭化水素又はアルコールを含む。適切な炭化水素の実例は、メタン、プロパン、天然ガス、ディーゼル機関、灯油、ガソリン等を含む。適切なアルコールの実例は、エチレングリコールとプロピレングリコールのような、メタノール、エタノール及び多価アルコールを含む。

燃料処理装置から混合ガス流れ２４を受容するように構成される水素精製装置１０は、図４０に概略的に示されている。図示するように、燃料処理装置は参照符号３００で全体的に示され、及び燃料処理装置と水素精製装置の組合せは燃料処理システム３０２として呼称し得る。上述したように装置１０に熱を供給しかつ様々な形態を取り得る、加熱組立体も参照符号４２で点線で示されている。燃料処理装置３００は、上述した形態の何れかを取り得る。本発明による水素精製装置が燃料処理装置３００以外の源から混合ガス流れ２４も受容し得ることをグラフで説明するために、ガス貯蔵装置は参照符号３０６で概略図示され、異なる製品流れを作り出す間に廃棄物又は副次的流れとして混合ガス流れ２４を作り出す装置が参照符号３１０で示されている。燃料処理装置３００の概略的表示は、何れかの関連する加熱組立体、供給材料運搬システム、空中運搬システム、送給流れ源又は供給源等を含むことを意味している。

燃料処理装置は、高温及び／又は圧力でしばしば作動する。その結果、外部流体輸送導管によって連結される装置１０及び燃料処理装置３００を有することに対立するものとして、燃料処理装置３００と共に水素精製装置１０を少なくとも部分的に一体化することは望ましいものとし得る。こうした形状構成の実例は図４２に示されており、燃料処理装置はシェル又はハウジング３１２を含み、この装置１０は内部の一部を構成するか及び／又は少なくとも部分的に内部に延在する。こうした形状構成では、燃料処理装置３００は装置１０を含むものとして説明し得る。燃料処理装置又は混合ガス流れ２４の他の源の水素精製装置１０と一体化は、装置を、ユニットとして容易に移動可能にする。それは、装置１０を含む、燃料装置の構成部材を、共通の加熱組立体によって加熱可能にもし及び／又は装置１０の加熱要求の全てではないが少なくとも幾つかを処理装置３００によって生成された熱によって満足可能にもする。

上述したように、燃料処理装置３００は、水素ガスを含有する混合ガス流れ、及び好ましくは多数の水素ガスを含有する混合ガス流れを作り出す何れかの適切な装置である。説明目的のために、以下の説明は図４２に示すように、カーボン含有供給材料３１８及び水３２０を含む送給流れ３１６を受容するように構成される燃料処理装置３００を説明する。しかしながら、上述したように、燃料処理装置３００が他の形態を取り得ること、しかも送給流れ３１６がカーボン含有供給材料又は水だけを含むような他の構成を有し得ることは本発明の範囲内である。

送給流れ３１６は任意の適切な機構によって処理装置３００に伝え得る。単一の材料流れ３１６は図４２に示されているが、１つより多い流れ３１６は使用し得るものでありかつこれらの流れが同じ又は異なる構成部材を含み得ることを理解すべきである。カーボンを含有する供給材料３１８が水と混和する時、供給材料は、例えば、図４２に示すように、送給流れ３１６も水組成に典型的に伝えられる。カーボンを含有する供給材料が水と混ざらないか又は水と僅かに混和する時、これらの成分は、通常、図４２に点線で示すような独立した流れで処理装置３００に伝えられる。図４２では、送給流れ３１６は、送給流れ運搬システム３１７によって燃料処理装置３００に伝えられることが示されている。運搬システム３１７は、処理装置３００に送給流れを伝える何れかの適切な機構、装置あるいはこれらの組合せも含む。例えば、運搬システムは、供給源から流れ３１６の成分を伝える１つ以上のポンプを含み得る。さらに、あるいは、システム３１７は、加圧された供給源からの成分の流れを制御するように構成されるバルブ組立体を含み得る。供給源は、燃料電池システムの外部に配置し得るか、あるいはこのシステム内又は該システムに隣接して含み得る。

図４２で参照符号３１２で全体的に示すように、燃料処理装置３００は混合ガス流れ２４が送給流れ３１６から作り出される水素生産領域を含む。上述したように、様々に異なるプロセスは水素生産領域で利用し得る。こうしたプロセスの例は、領域３１２が内部に蒸気改質触媒３３４を含む、蒸気改質である。あるいは、領域３１２は自動熱改質によって流れ２４を作り出し得る。この場合、領域３１２は自動熱改質触媒を含む。蒸気又は自動熱改質の情況では、混合ガス流れ２４も改質蒸気として呼称し得る。好ましくは、燃料処理装置は実質的に純粋な水素ガスを作り出すように構成される。また、さらにより好ましくは、燃料処理装置は純粋な水素ガスを作り出すように構成される。本発明の目的のために、実質的に純粋な水素ガスは好ましくは９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９９％以上、そしてさらにより好ましくは９９．５％以上純粋である。適切な燃料処理装置の例は、米国特許第６，２２１，１１７号明細書、２００１年３月８日に出願されかつ「燃料処理システム及び該システムを備える装置（Fuel Processor and Systems and Devices Containing the Same）」と題する係属中の米国特許出願第０９／８０２，３６１号明細書、及び２００１年３月１９日に出願されかつ「水素選択性金属薄膜モジュール及び該モジュールを成形する方法（Hydrogen-Selective Metal Membrane Modules and Method of Forming the Same）」と題する係属中の米国特許出願第０９／８１２，４９９号明細書に開示されている。これらの各々はあらゆる目的のためにその全体を参考文献として本願明細書に援用する。

燃料処理装置３００は、必要ではないが、図４２に点線で示すような研磨領域３４８を更に含む。研磨領域３４８は、装置１０から水素に富んだ流れ３４を受容しかつ選択された成分の集中を減少させるか、又は取り除くことによって流れを更に浄化する。図４２では、生じる流れは、参照符号３１４で示されかつ製品水素流れ又は浄化された水素流れとして呼称し得る。燃料処理装置３００が研磨領域３４８を含まない時、水素に富んだ流れ３４は製品水素流れ３１４を構成する。例えば、流れ３４が燃料電池スタックに使用するように構成される時、必要ならば、一酸化炭素と二酸化炭素のような燃料電池スタックを破損し得る構成は、水素に富んだ流れから取り除き得る。制御システムが燃料電池スタックを分離するのを防ぐために、一酸化炭素の集中は、１０ｐｐｍ（１００万の１部）より小さくすべきである。好ましくは、システムは一酸化炭素の集中を５ｐｐｍ以下に制限し、そしてさらに好ましくは１ｐｐｍより小さく制限する。二酸化炭素の集中は一酸化炭素の集中より大きくなり得る。例えば、２５％未満の二酸化炭素の集中は許容し得る。好ましくは、集中は１０％未満、さらにより好ましくは１％未満である。特に好ましい集中は、５０ｐｐｍ未満である。本願明細書に提示された許容可能な最小の集中が例示的実例となり、しかも本願明細書に示したもの以外の集中は本発明の範囲内にあり得る。例えば、特定の使用者又は製造業者は、本願明細書で識別されたものと異なる最小又は最大の集中レベルを要求し得る。

領域３４８は、流れ３４の選択された成分の集中の削除又は減少させる何れか適切な構造体も含む。例えば、生産物流れがＰＥＭ燃料電池スタック又は、流れが一酸化炭又は二酸化炭素の決められた濃度以上を含有する場合に損傷される他の装置を使用するように構成される時、少なくとも１つのメタン生成触媒床３５０を含むことは望ましいものとなり得る。流動床３５０は一酸化炭素と二酸化炭素を、共にＰＥＭ燃料電池スタックを破損しない、メタンと水に変換する。研磨領域３４８は、何れかの反応しない供給材料を水素ガスに変換するために別の改質触媒床のような別の水素生成領域３５２を含み得る。こうした実施形態では、第２改質触媒床がメタン生成触媒床の下流に二酸化炭素又は一酸化炭素を再導入しないようにメタン生成触媒床から上流であることが望ましい。

この範囲外の温度は、使用される燃料処理装置の特定のタイプ及び形状構成に依存するような、本発明の範囲内にあるが、蒸気改質器は、２００℃〜７００℃の範囲の温度、及び３４４７５０Ｐａ〜６８９５０００Ｐａ（５０ｐｓｉ〜１０００ｐｓｉ）の範囲の圧力で通常は作動する。何れの適切な加熱装置又は装置も、こうしたヒーター、バーナー、燃焼触媒等または同種のもののようなこの熱を提供するのに使用し得る。加熱組立体燃料処理装置の外部にあるものとし得るか、あるいは燃料処理装置の一部を構成する燃焼室を構成し得る。加熱組立体の燃料は外部源所、または両方によって、燃料処理又は燃料電池システムによって提供し得る。

図４２では、燃料処理装置３００は上記成分が含まれるシェル３１２を含んで示されている。ハウジングとして参照し得る、シェル３１２は、燃料処理装置の成分を１ユニットとして移動可能にする。それは、また、保護エンクロージャーの提供により損傷から燃料処理装置の構成部材を保護し、燃料処理装置の構成部材を１ユニットとして加熱し得るため、燃料処理装置の加熱要求を減じる。必須ではないが、シェル３１２は、固体絶縁材料のような絶縁材料３３３、素材板材料、あるいは空気充填空洞を含む。しかしながら、燃料処理装置がハウジング又シェル無しで構成し得ることは本発明の範囲内にある。燃料処理装置３００が絶縁材３３３を含む時、絶縁材料はシェル内部、シェル外部、あるいは両方内にあり得る。絶縁材料が上述した改質、分離及び／又は研磨領域を含むシェルの外部にある時、燃料処理装置は外筒又は絶縁材料の外部のジャケットを更に含み得る。

燃料処理装置３００の構成部材の１つ以上がシェルを越えて延在するか又は少なくともシェル３１２の外部に設置し得ることは更に本発明の範囲内である。例えば、図４１に示すように、装置１０はシェル３１２を越えて少なくとも部分的に延在し得る。別の例として、及び図４２に概略的に図示するように、研磨領域３４８はシェル３１２の外部にあるか及び／又は水素生産領域３１２（１つ以上の改質触媒床の部分のような）の一部はシェルを越えて延在し得る。

上に示したように、燃料処理装置３００は、そこから電気を生成する少なくとも１つの燃料電池スタックに水素に富んだ流れ３４又はプロダクト水素流れ３１４を伝えるように構成し得る。こうした形状構成では、燃料処理装置及び燃料電池スタックは燃料電池システムとして呼称し得る。こうしたシステムの例は、燃料電池スタックが参照符号３２２で全体的に示されている図４３に概略的に図示されている。燃料電池スタックは、それに伝えられたプロダクト水素流れ３１４の部分から電流を作るように構成される。図示した実施形態では、単一の燃料処理装置３００及び単一の燃料電池３２２は図示され説明されている。これらの構成部材の何れか又は両方の１つ以上を使用し得ることを理解すべきである。これらの構成部材が概略的に図示されており、しかも燃料電池システムが、送給ポンプ、空中輸送システム、熱交換器、加熱熱組立体等のような図面に特に図示されていない更なる構成部材を含み得ることはさらに理解すべきである。

燃料電池３２２は、少なくとも１つ、そして典型的には多数の燃料電池を含み、これらの電池は、これに伝えられたプロダクト水素３１４の部分から電流を生産するように構成される。この電流は関連するエネルギー消費装置３２５のエネルギー需要又は適用ロードを満たすために使用し得る。必ずしも限定されるものではないが、装置３２５の例示的実例は、自動車、レクリエーショナル・ビークル、ボート、工具、照明又は照明組立体、器具（世帯又は他の器具のような）、世帯、信号、通信設備等を含む。装置３２５が図４３に概略的に図示されかつ燃料電池システムから電流を取り出すように構成される１つ以上の装置又は装置の集合体を示すことを意味していることを理解すべきである。燃料電池スタックは、通常、共通の端部プレート３２３間で互いに結合された多数の燃料電池を含む。これらの電池は流体伝達／削除導管（図示せず）を含む。適切な燃料電池の例は、プロトン交換薄膜（ＰＥＭ）燃料電池及びアルカリ型燃料電池を含む。燃料電池スタック３２２はプロダクト水素流れ３１４を全て受容し得る。流れ３１４のうちの幾つか又は全ては、さらに、又は別様に燃料又は熱のために燃えて、別の水素消費プロセスで使用するために適切な導管によって伝え得るか、あるいは後の使用のために格納し得る。

本発明の水素精製装置、構成部材及びび燃料処理システムは、水素ガスが生産及び／又は利用される燃料処理及び他の産業に適用可能である。

上述した開示事項は独立ユーティリティーを備えた多数の別個の発明を包含するものと確信する。これらの各発明はその好ましい形態で開示されてきたが、本願明細書に開示しかつ図示したような特定実施形態は可能な限りの多数の変形が限定的意味合いで考慮されない。本発明の主題は、種々の構成部材の全ての新規且つ自明でない組合せ及び副組合せ、特徴、機能及び／又は本願明細書に開示された特性を含む。同様に、特許請求の範囲の請求項が「１つ」又は「第１」、あるいはこれに等価に記載すると、こうした請求項は１つ以上のこうした部材の組み入れを含み、２つ以上のこうした部材を排他するものではないことを理解すべきである。

以下の請求項は、開示された発明の１つに向けられかつ新規且つ非明白な或る組合せ及び副組合せを特に指摘するものと信じる。特徴、機能部材及び／又は特性の他の組合せ及び副組合せで具現化された発明は、現在の特許請求の範囲の請求項の補正又は本願又は関連出願での新たな請求項の提示によって請求し得る。こうした補正又は新たな請求項は、これらが異なる発明に向けられているか、あるいは同じ発明に向けられているか、出願当初の特許請求の範囲の請求項に対して範囲が異なるか、より広いか、より狭いか、あるいは等しいかに拘わらず、本願明細書の開示事項の本発明の主題内に含まれるものとみなされる。

水素精製装置の概略図である。 平面の分離薄膜を有する水素精製装置の概要の横断面図である。 管状の分離薄膜を有する水素精製装置の概要の横断面図である。 管状の分離薄膜を有する別の水素精製装置の概略横断面図である。 本発明によって構成される水素精製装置用の別のエンクロージャーの概略横断面図である。 本発明によって構成される水素精製装置用の別のエンクロージャーの概略横断面図である。 本発明による浄化装置用のエンクロージャーの構成要素間の別の適切なインタフェースを示す断片的横断面の詳細図である。 本発明による浄化装置用のエンクロージャーの構成要素間の別の適切なインタフェースを示す断片的横断面の詳細図である。 本発明による浄化装置用のエンクロージャーの構成要素間の別の適切なインタフェースを示す断片的横断面の詳細図である。 本発明による浄化装置用のエンクロージャーの構成要素間の別の適切なインタフェースを示す断片的横断面の詳細図である。 図１−図６の中で示されるものを含む本発明によって構成された水素精製装置のための端部プレートの平面図である。 図１１の端部プレートの横断面図である。 図１〜図６に示したものを含む本発明によって構成される水素精製装置のための端部プレートの平面図である。 図１３の端部プレートの横断面図である。 図１〜図６に示したものを含む本発明によって構成される水素精製装置のための端部プレートの平面図である。 図１５の端部プレートの横断面図である。 図１〜図６に示したものを含む本発明によって構成される水素精製装のための端部プレートの平面図である。 図１７の端部プレートの横断面図である。 図１〜図６に示したものを含む本発明によって構成される水素精製装置用エンクロージャーのための端部プレートの平面図である。 図１９の端部プレートの横断面図である。 図１〜図６に示したものを含む本発明によって構成される水素精製装置用エンクロージャーのための端部プレートの平面図である。 図２１の端部プレートの側立面図である。 図２１の端部プレートの等角図である。 図２１の端部プレートの横断面図である。 図２１〜図２４に示す１対の端部プレートで構成される水素精製装置用エンクロージャーの部分的な側横断面図である。 本発明によって構成される別の水素精製装置の等角図である。 図２６の装置の横断面図である。 図１〜図６に示したものを含む本発明によって構成される水素精製装置のための別の端部プレートの側立面図である。 図１〜図６で示したものを含む本発明によって構成される水素精製装置のための別の端部プレートの側立面図である。 図１〜図６に示したものを含む本発明によって構成される水素精製装置のための別の端部プレートの側立面図である。 支持部によって分離された１対の分離薄膜の断片的側立面図である。 本発明によって構成され、支持部を含む薄膜エンベロープの形態をした、幾つかの層を有するスクリーン構造を示す図である。 本発明による別の薄膜エンベロープの分解等角図である。 本発明によって構成される別の薄膜エンベロープの分解等角図である。 本発明によって構成される別の薄膜エンベロープの分解等角図である。 点線で示した実例となる薄膜フレーム及び薄膜モジュールを備えた本発明によって構成される水素精製装置用エンクロージャーのためのシェルの横断面図である。 点線で示した実例となる分離薄膜及び構造を備えた図１３の端部プレートの平面図である。 点線で示した実例となる分離薄膜および構造を備えた図２１の端板の平面図である。 本発明によって構成される別の水素精製装置の分解等角図である。 燃料処理装置、及び本発明によって構成される水素精製装置を含む燃料処理システムの回路図である。 本発明による水素精製装置に統合された燃料処理装置を含む燃料処理システムの回路図である。 本発明によって構成される統合水素精製装置を含む別の燃料処理装置の回路図である。 本発明によって構成される水素精製装置を含む燃料電池システムの回路図である。

符号の説明

１０ 装置
１２ エンクロージャー
１８ 内部区画室
２０ 分離組立体
２４ 混合ガス流
２６ 水素ガス
２８ 他のガス
３０ 混合ガス領域
３２ 浸透領域
３４ 水素に富んだ流れ
３６ 副次的流れ
４２ 加熱組立体
４６ 薄膜
４８ 表面
５０ 浸透表面
５２ マウント
５４ 支持部
５６ 多孔質部材
５８ ばね
６０ 端部プレート
６２ 周囲シェル
６３ シェルの一部
６４ 入力ポート
６６ 製品ポート
６８ 副次的製品ポート
７０ 構造体
７２ 保持構造体
７４ 溶接部
７６ ボルト
７８ フランジ
８０ ガスケット
８２ 密封部材
９０、９２ 密封領域
９１、９３、９４ インタフェース
９６ 中央部
９８ カラー部分
１００ 外面
１０２ 内部支持部
１０４ 内表面
１０６、１０８ ねじ
１１０ 外部端縁
１２０ 端部プレート
１２２ 内部表面
１２４ 外部表面
１２６ 中央部
１２８ 周辺領域
１３０ 周囲
１３２ 取除かれた領域
１３４ 応力減少構造体
１３８ ポート
１４０ 別の適切な形状構成
１４４ ガイド構造体
１４６ 穴
１５０ プレート
１５２ 取除かれた領域
１６０ 端部プレート
１６２ トラス組立体
１６４ ベースプレート
１６６ リブ
１６８ フランジ
１７０ カラー
１７２ 中央領域
１７４ 部材
１８０ エンクロージャー
１９０ エンクロージャー
１９４ 部材
１９６ 内部支持部材
２００ 薄膜エンベロープ
２０２ 表面
２０４ 導管
２１０ スクリーン構造体
２１１ 表面
２１２ スクリーン部材
２１４ メッシュスクリーン
２１４´ スクリーン部材
２１６ メッシュスクリーン
２１８ 接着剤
２１９ 被覆
２２０ 薄膜モジュール
２３０ フレーム部材
２３２ フレーム
２３４ 浸透プレート
２３６、２３６´ 浸透ガスケット
２３８、２３８´ ガスケット
２４０ 金属フレーム
２４２ 薄膜プレート
２５０ 導管
２５２ １対の導管
２６０ フレーム
２６２ 開放した領域
３００ 燃料処理装置
３０２ 燃料処理システム
３０６ ガス貯蔵装置
３１０ 混合ガス流れ２４を作り出す装置
３１２ ハウジング
３１４ 製品水素流れ
３１６ 送給流れ
３１７ 運搬システム
３１８ カーボン含有供給材料
３２０ 水
３２２ 燃料電池スタック
３２３ 端部プレート
３２４ 燃料電池
３２５ 装置
３３３ 絶縁材
３３４ 蒸気改質触媒
３４８ つやが出る領域
３５０ メタン生成触媒層
３５２ 別の水素を生産する領域

Claims (27)

1. 燃料処置装置であって、
   送給流れを受容しかつ該送給流れからの水素ガスと他のガスを含有する混合ガス流れを作り出すように構成される水素製造領域と、
   前記混合ガス流れの少なくとも一部を受容しかつそこから少なくとも水素ガスを含有する水素に富んだ流れを作り出すように構成される分離領域と、を備え、
   前記分離領域が、
   内部区画室を画成するエンクロージャーであって、
   前記エンクロージャーは、
   自身を通じて水素ガスを含有する混合ガス流が該エンクロージャーに伝えられる少なくとも１つの入口ポート、
   水素ガスを含有する浸透流れが前記エンクロージャーから取り除かれる少なくとも１つの製品出口ポート、及び
   前記他のガスの少なくとも大部分を含有する副次的流れが前記エンクロージャーから取り除かれる少なくとも１つの副次的出口ポートを含み、
   前記水素に富んだ流れが前記浸透流れの少なくとも一部を含む、前記エンクロージャーと、
   前記区画室内の水素選択性薄膜であって、
   前記水素選択性薄膜は熱膨脹係数を有し、
   前記混合ガス流れが接触するように構成される第１表面と、
   前記第１表面とは全体的に対向する浸透表面と、を具備しかつパラジウムと銅を含有する合金から少なくとも構成され、
   前記浸透流れは前記浸透表面に対して前記水素選択性薄膜を通過する前記混合ガス流れの一部を含み、及び更に
   前記副次的流れは、前記水素選択性薄膜を通過しない前記混合ガス流れの一部を含む、前記水素選択性薄膜と、
   前記エンクロージャー内で前記水素選択性薄膜を支持する手段であって、
   前記エンクロージャー内で前記水素選択性薄膜を支持する手段は、ニッケルと銅を含有する合金から少なくとも部分的に構成されかつ前記水素選択性薄膜の熱膨脹係数の９０％〜１１０％の範囲にある熱膨脹係数を有する薄膜接触構造体を含む、前記支持する手段と、を備え、
   前記薄膜は前記薄膜接触構造体と接触するが、該薄膜接触構造体に固定された態様で取り付けられていない、燃料処理装置。
2. 前記薄膜接触構造体の熱膨脹係数は、前記薄膜の熱膨脹係数の５％以内にある、請求項
   １に記載の燃料処理装置。
3. 前記薄膜接触構造体の熱膨脹係数は、前記薄膜の熱膨脹係数から１μｍ／ｍ／℃だけ偏
   倚している、請求項１に記載の燃料処理装置。
4. 前記薄膜接触構造体は、１６μｍ／ｍ／℃より小さくかつ１３μｍ／ｍ／℃以上の熱膨
   脹係数を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
5. 前記薄膜接触構造体は、前記薄膜の熱膨脹係数より小さい熱膨脹係数を有する、請求項
   １に記載の燃料処理装置。
6. 前記水素選択性薄膜を支持する前記手段が、ニッケルと銅を含有する合金から少なくと
   も構成される、請求項１に記載の燃料処理装置。
7. 前記薄膜接触構造体は水素選択性を有さない、請求項１に記載の燃料処理装置。
8. 前記薄膜接触構造体は、前記エンクロージャー内の前記薄膜を位置決めするように構成
   される取付台を含む、請求項１に記載の燃料処理装置。
9. 前記薄膜は周辺領域を含みかつ前記取付台は前記薄膜の周辺領域に固定したフレームを
   含む、請求項８に記載の燃料処理装置。
10. 前記フレームは前記エンクロージャーの一部を構成する、請求項９に記載の燃料処理装
    置。
11. 前記フレームは、前記薄膜の熱膨脹係数と同じか又は小さい熱膨脹係数を有する、請求
    項９に記載の燃料処理装置。
12. 前記薄膜接触構造体は、前記薄膜の第１表面又は浸透表面の少なくとも一部を横切って
    延在する支持部を含む、請求項１に記載の燃料処理装置。
13. 前記支持部は、前記薄膜の熱膨脹係数と同じか又は小さい熱膨脹係数を有する、請求項
    １２に記載の燃料処理装置。
14. 前記支持部は、前記薄膜の浸透表面の少なくとも一部を横切って延在する、請求項１２
    に記載の燃料処理装置。
15. 前記薄膜の浸透表面は前記支持部に接触するが該支持部には取り付けられず、そしてさ
    らに、前記薄膜を通過する前記混合ガス流れの部分は該支持部を通過し得る、請求項１４に記載の燃料処理装置。
16. 前記薄膜は第１水素選択性薄膜であり、前記エンクロージャーは、前記第１薄膜と少な
    くとも同じ熱膨脹係数を有する第２水素選択性薄膜を更に含み、前記混合ガス流れによって接触するように構成される第１表面、及び前記第１薄膜の浸透表面に全体的に面する浸透表面を含み、そして前記混合ガス流れの部分が流過し得る前記薄膜の浸透表面間に採取導管を画成する第１及び第２薄膜間に前記支持部が延在する、請求項１３に記載の燃料処理装置。
17. 前記燃料処理装置は少なくとも１つの改質触媒ベッドを含みかつ蒸気改質によって前記
    混合ガス流れを作り出すように構成される、請求項１に記載の燃料処理装置。
18. 少なくとも２００℃の選択された温度かつ少なくとも３４４７５０Ｐａ（５０ｐｓｉ）の選択された圧力で作動するように構成される装置であって、
    前記装置は、
    熱膨張係数を有しかつパラジウムと銅の合金から構成される少なくとも１つの水素選択性薄膜を含む少なくとも液密な内部区画室を具備するエンクロージャーを含み、
    水素ガス及び他のガスを含有する混合ガスが接触するように構成される第１表面を含み、
    水素ガスを備えかつ少なくとも１つの前記水素選択性薄膜を通過する前記混合ガス流れの一部から少なくとも部分的に構成される、水素に富んだ流れ内に前記混合ガス流れを分離するように構成される、浸透表面を更に含み、前記薄膜を通過しない前記混合ガス流れの一部から少なくとも部分的に構成される副次的流れを含む水素精製装置において、
    前記装置が、前記薄膜の前記第１表面又は前記浸透表面の少なくとも１つに接触する薄膜接触構造体を含み、及び更に前記エンクロージャーは前記薄膜を支持すべく少なくとも１つの前記水素選択性薄膜と接触するが、該薄膜接触構造体に固定された態様で取り付けられていない、少なくとも１つの薄膜接触構造体を含み、
    前記エンクロージャーの少なくとも１つの前記薄膜接触構造体は、２００℃の温度範囲で、前記装置の熱サイクルに基づいて、少なくとも１つの前記薄膜接触構造体が少なくとも１つの前記水素選択性薄膜に皺を与えないように構成されるように、少なくとも１つの前記水素選択性薄膜の熱膨張係数に近いか又は等しい熱膨張係数を有するように選択される水素精製装置。
19. 送給流れを受容しかつ前記混合ガス流れをそこから作り出すように構成される燃料処理
    組立体と組み合わせた、請求項１８に記載の装置。
20. 前記燃料処理組立体は少なくとも１つの改質触媒ベッドを含みかつさらに前記送給流れ
    は水と炭素含有供給材料を含む、請求項１９に記載の装置。
21. 前記改質領域及び前記エンクロージャーは、共通のシェル内に少なくとも部分的に収容
    される、請求項２０に記載の装置。
22. 水素精製装置であって、
    内部区画室を画成するエンクロージャーであって、
    前記エンクロージャーは水素ガスと他のガスを含有する混合ガス流れが自身を通じて前記エンクロージャーに伝わる少なくとも１つの入口ポート、
    前記水素ガスを含有する浸透流れが自身を通じて前記エンクロージャーから取り除かれる少なくとも１つの製品出口ポート、及び、
    前記他のガスの少なくとも大部分を含有する副次的流れが前記エンクロージャーから取り除かれる少なくとも１つの副次的製品出口ポートを含む、前記エンクロージャーと、
    前記区画室内の少なくとも１つの薄膜エンベロープであって、
    各薄膜エンベロープは一対の水素選択性薄膜から構成され、
    各薄膜は前記混合ガス流れに接触するように構成される第１表面及び前記第１表面とは全体的に対向する浸透表面を含み、
    １対の前記薄膜は、一対の前記水素選択性薄膜が互いに離隔配置されてこれらの浸透表面が全体的に互いに面してこれらの浸透表面間に延在する採取導管を画成するように配向され、
    各薄膜エンベロープは前記採取導管内にありかつ１対の前記水素選択性薄膜を支持するように構成される支持部を更に含み、
    前記支持部は１対の前記水素選択性薄膜の浸透表面を支持するようにそれぞれ構成された、１対の全体的に対向する表面を含み、
    前記浸透流れは、前記混合ガス流れの少なくとも一部が前記副次的流れの少なくとも一部を構成する前記薄膜を通過しない状態で、前記薄膜を経由して前記採取導管まで通過する前記混合ガス流れの一部から構成され、及び前記水素選択性薄膜の各々は熱膨張率を有する、前記少なくとも１つの薄膜エンベロープと、
    前記エンクロージャー内に少なくとも１つの前記薄膜エンベロープを支持する手段であって、
    前記エンクロージャー内に少なくとも１つの前記薄膜エンベロープを支持する前記手段は、前記支持部を含み、
    前記支持部の対向する表面は、前記水素選択性薄膜とは異なる組成、及び前記水素選択性薄膜の熱膨張係数未満の熱膨張係数を有する薄膜接触構造体を供する、前記支持する手段と、を備え、及び更に
    前記薄膜は前記支持部の対向する表面に接触するが、該支持部の対向する表面に固定された態様で取り付けられていない水素精製装置。
23. 前記薄膜接触構造体は、ニッケルと銅を含有する合金を含む、請求項２２に記載の装置
    。
24. 前記薄膜接触構造体は、前記薄膜の熱膨脹係数の±１０％以内にある熱膨張係数を有する、請求項２３に記載の装置。
25. 前記薄膜は全体的に平面形状を有する、請求項２２に記載の装置。
26. 前記水素選択性薄膜の各々は端縁領域を含み、また前記端縁領域は少なくとも１つのフ
    レームを含むフレーム組立体に取り付けられ、更に前記薄膜接触構造体は前記フレーム組立体を含む、請求項２２に記載の装置。
27. 前記フレーム組立体は、前記エンクロージャーの一部を構成する、請求項２６に記載の
    装置。

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