JP6398020B2 - 膜型水素精製器 - Google Patents

Description

本発明は、水素精製器に関し、より詳細には、水素選択膜を用いた水素精製器に関する。

［関連技術の説明］
精製した水素ガスは、金属、食用油脂、並びに半導体及びマイクロエレクトロニクスを含む多くの製品の製造において使用される。また、精製した水素ガスは、多くのエネルギー保存装置のための重要な燃料源でもある。例えば、燃料電池は、精製した水素ガス及び酸化剤を利用して、電位を発生させる。多様なプロセス及び装置を使用して、水素ガスを生成することができる。しかしながら、多くの水素を生成するプロセスは、不純な水素ガス流を生成し、これは、水素ガス及びその他のガスを含有する「混合ガス流」と称される。この流れを燃料電池スタック又は他の水素消費装置に送出する前に、混合ガス流は、例えば他のガスの少なくとも一部を取り除くために、精製されてもよい。

燃料電池システムの実施例を図１に示し、全体的に符号１０を付して示す。燃料電池システム１０は、少なくとも１つの燃料処理装置１２と、少なくとも１つの燃料電池スタック２２とを含む。燃料処理装置１２は、供給原料を含む供給流１６から水素ガスを含む生成水素流１４を生成するように適合させる。燃料電池スタックは、生成水素流１４の一部から、そこに搬送される電流を発生させるように適合させる。

燃料処理装置１２は、多数の適切な機構を介して水素ガスを生成する。適切な機構の実施例は、炭素含有供給原料及び水を含む供給流から水素ガスを生成するために改質触媒が用いられる水蒸気改質及び自動熱改質を含む。水素ガスを生成するための他の適切な機構は、炭素含有供給原料の熱分解及び触媒部分酸化を含み、この場合、供給流は水を含まない。水素ガスを生成するためのさらに他の適切な機構は電気分解であり、この場合、供給原料は水である。

適切な炭素含有供給原料の例は、少なくとも１つの炭化水素又はアルコールを含む。適切な炭化水素の例は、メタン、プロパン、天然ガス、軽油、灯油、ガソリン等を含む。適切なアルコールの例は、メタノール、エタノール、並びにエチレングリコール及びプロピレングリコール等のポリオールを含む。

供給流１６は、１つ以上の供給流を通じて燃料処理装置１２に送出される。炭素含有供給原料１８が水と混和する場合、供給原料は、図１に示すように、供給流１６の水分２０と共に典型的に送出される。炭素含有供給原料１８が水と混和しないか、又は僅かにのみ混和する場合、これらの成分は、典型的には、図２において示すように、分離した流れにおいて、燃料処理装置１２に供給される。

図１及び図２に、供給流送出システム１７によって燃料処理装置１２に送出される供給流１６を示す。当該供給システムは、供給流１６の成分を供給源から送出する１つ以上のポンプを含む。システム１７は、付加的又は代替的に、加圧供給源からの成分の流れを規制するように適合したバルブアセンブリを含むことができる。当該供給源は、燃料電池システムの外部に配置し、又は当該システムに隣接させることができる。

燃料電池スタック２２は、そこに供給される生成水素流１４の一部から、電流を生成するように適合した、少なくとも１つの、典型的には複数の燃料電池２４を含む。当該電流を使用して、エネルギー消費装置２５の負荷又はエネルギー需要を満たすことができる。装置２５の例示として、自動車、レクリエーション用車両、ボート、ツール、ライトあるいは照明アセンブリ、（家電や他の電気製品等の）電気製品、家電、報知設備、通信装置等が挙げられる。燃料電池スタックは、典型的に、流体送出／除去導管（図示せず）を含む共通のエンドプレート２３の間で併せて接合された複数の燃料電池を含む。適切な燃料電池の例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池及びアルカリ燃料電池を含む。燃料電池スタック２２は、全ての生成水素流１４を受容することができる。別の水素消費プロセスにおいて使用するために、適切な導管を介して、生成水素流１４の一部又は全部を、付加的又は代替的に供給し、燃料又は熱のために燃焼させ、又は後に使用するために格納することができる。

上述したように、適切な燃料処理装置１２の一例として、水蒸気改質器が挙げられる。適切な水蒸気改質器の一例を、図３に示し、全体的に符号３０を付して示す。水蒸気改質器３０は、水蒸気改質触媒３４を含む改質領域３２又は水素生成領域３２を含む。代替的に、改質器３０は、自動熱改質触媒を含む自動熱改質器であってよい。改質領域３２において、改質流３６が、供給流１６を形成する水及び炭素含有供給原料から生成される。改質流は、典型的には水素ガス及び不純物を含み、従って、水素ガスを精製する精製領域又は分離領域３８に送出される。水素含有流は、精製領域３８において、任意の適切な圧力駆動分離プロセスによって、集合的に符号４０を付して示す１つ以上の副産流と、水素リッチ流４２とに分離される。
図３において、水素リッチ流４２を、生成水素流１４を形成するように示す。精製領域３８は、膜モジュール４４を含み、１つ以上の水素選択膜４６を含む。

１つ以上の水素選択膜を使用する水素の精製は、圧力駆動分離プロセスであり、ここでは、１つ以上の水素選択膜は、圧力容器内に収容される。混合ガス流は、膜の混合ガス面に接触し、膜に含浸する混合ガス流の少なくとも一部から生成物流が形成される。副産流は、膜に含浸しない混合ガス流の少なくとも一部から形成される。圧力容器は、典型的に、画定された入口及び出口又は導管以外を通じてガスが圧力容器に進入又は退出するのを防ぐように封止されている。

水素精製器として使用されるように構成される膜モジュールの一例を、図４に概略的に示す。図示するように、水素ガス６２及び他のガス６３を含有する改質流６１は、本発明に従って構成した膜モジュール４４を含む精製器６０に送出される。膜モジュールは、少なくとも１つの水素選択膜４６を含み、混合ガス流を、少なくとも実質的に水素ガスを含有する生成物流６４と、少なくとも実質的に他のガスを含有する副産流６５とに分離する。精製器を説明するための別の方法として、生成物流は、混合ガス流における水素ガスのうち少なくとも実質的な部分を含み、また、副産流は、他のガスのうち少なくとも実質的な部分を含むことが挙げられる。精製器６０は、燃料処理装置等の水素生成装置と一体化して、一体化された水素精製器を有する水素生成装置を提供することができ、及び／又は、水素消費装置と一体化して、一体化された水素精製器を有する水素消費装置を提供することができる。

水素精製器として使用する既知の膜モジュールは、典型的には、１つ以上の水素透過膜及び水素選択膜４６を含む。図５に概略的に示すように、水素透過膜は、対（二つ一組）にして、共通透過性支持アセンブリの周囲に配置することで、膜パックを形成する。水素選択膜の適切な材料の例は、パラジウム及びパラジウム合金、そして特にそのような金属及び金属合金の薄膜である。膜のコストを下げるため、膜の厚さだけでなく、パラジウム（又は他の貴金属）合金の含有量も低減することが、好ましい。

低コスト、薄い水素選択膜のためには、膜の表面上に均等に改質ガスを分配し、膜の表面に対して垂直な方向における水素の拡散勾配を減少させ、それにより膜の表面における水素濃度を高め、水素分離効率を向上させることが重要である。米国特許第７，０５６，３６９号は、平行流を有する膜パックにおいて、改質ガス流が全ての膜パックにできるだけ均等に衝突して良好な効率を達成することが重要であることを開示している。外側の膜への流れが内側の膜への流れと同じになるように、同一の大きさの供給スペースは膜パックのスタックの最上部の膜パック及び最下部の膜パックに設けられており、２つの隣接する膜パックの間において、最上部の膜パック及び最下部の供給スペースは、膜パックのスタックを頂部及び底部に仕切る気密プレートによって区切られている。

膜表面に対して垂直な負の水素濃度勾配は、膜を通しての水素の連続的な拡散中に供給スペースに現れ、理論上期待される効率を低下させる。この作用は、ガス乱流を作る装置によって米国特許第７，０５６，３６９号において打ち消され、当該装置は、好ましくは、各供給スペースを本質的に且つ完全に充填する多孔質材料からなる板状の部品である。これらの部品は、箔への横方向の水素乱流による効率上の利得が、より大きな流れ抵抗による損失を超える程度に多孔質化されている。しかしながら、この場合、供給ガスの体積流量は比較的高い必要があり、よって膜モジュール内の入口マニホールドと出口マニホールドとの間の圧力降下が大きくなり、これは改質ガス流速が低い用途には望ましくなく、乱流は不可能である。

このため、水素リッチ改質ガスの膜型水素分離装置への送出を向上する試みがなされつつあり、まだそのような装置における水素分離の効率を向上する必要性が残っている。

簡潔に説明すると、互いに隣接して配置された膜パックのスタックを含む水素分離のための膜モジュールが開示されており、各膜パックは、一対の水素選択膜、水素リッチ改質流を各膜パックに供給する供給マニホールド、各膜パックから副産流を除去する排出マニホールドと、スタック内の各膜パック間に配置された供給プレートアセンブリとを含む。供給プレートアセンブリは、実質的に流体を透過しない中央領域、少なくとも１つの供給チャネル及び少なくとも１つの排出チャネルとを含む中央供給プレートを備え、供給チャネル及び排出チャネルは、中央供給プレートの厚さにより中央供給プレートの周縁に形成される。供給プレートアセンブリは、中央供給プレートと隣接する膜パックとの間に挿入される供給フレームであって、中央供給プレートの周縁を取り囲んで形成され、中央供給プレートの実質的に流体を透過しない中央領域と隣接する膜パックとの間に開口容積を形成する供給フレームとを備える。中央供給プレート内の供給チャネルは、供給マニホールドと、供給フレームによって中央供給プレートと隣接する膜パックとの間に形成される開口容積とを流体連通し、排出チャネルは、排出マニホールドと開口容積とを流体連通する。

一実施形態では、開口容積は、供給プレートと隣接する膜パックとの間の供給フレームの厚さによって形成される。

一実施形態では、供給フレームは、少なくとも１つの供給チャネル及び少なくとも１つの排出チャネルの中央部分に重なる。

一実施形態では、供給フレームは、供給プレートガスケット及び外側供給プレートを備え、供給プレートガスケットは、中央供給プレートと外側供給プレートとの間に挿入される。

いくつかの実施形態において、供給フレームは中央供給プレートに接合する。

一実施形態では、供給プレートアセンブリは、供給領域及び排出領域を供給プレートアセンブリの周縁にさらに備え、供給領域は少なくとも１つの供給チャネルを備え、排出領域は少なくとも１つの排出チャネルを備える。

一実施形態では、供給フレームの厚さは中央供給プレートの厚さよりも薄い。

一実施形態では、供給チャネルと排出チャネルは同一の幾何学的形状を有する。

一実施形態では、中央供給プレートは２つ以上の供給チャネルと２つ以上の排出チャネルとを備え、供給チャネル間の間隔と排出チャネル間の間隔とが同一である。その他の実施形態では、供給チャネル間の間隔と排出チャネル間の間隔とは異なる。

一実施形態では、中央供給プレートにおける排出チャネルの合計領域は供給チャネルの合計領域よりも大きい。

一実施形態では、膜モジュールは、水素リッチ透過流を水素マニホールドへ移動させる透過プレートアセンブリをさらに備え、透過プレートアセンブリは膜パック内の一対の水素選択膜間に挿入される。

本発明に係るこれらの態様及び他の態様は、添付の図面及び後述する詳細な説明を参照すれば明らかである。

燃料処理装置を含む例示的な燃料電池システムの概略図である。 燃料処理装置を含む別の例示的な燃料電池システムの概略図である。 図１及び図２の燃料電池システムにおいて使用するのに好適な例示的な燃料処理装置の概略図である。 燃料処理装置用の例示的な水素精製器の概略図である。 水素精製器において使用するための例示的な膜パックの断片的な側面図である。 いくつかの層を有するスクリーン構造を含む膜パックの分解斜視図である。 一実施形態による、膜パックの分解斜視図である。 一実施形態による、膜パックの斜視図である。 別の実施形態による、膜パックの分解斜視図である。

以下の説明において、本発明の多様な実施形態の完全な理解を提供するために特定の具体的な詳細を示す。しかしながら、当業者は、これらの詳細なしに本発明を実施できることを理解するであろう。他の例において、燃料電池、燃料電池スタック、バッテリー及び燃料電池システムに関連する周知の構造は、本発明の実施形態の記載を不必要に曖昧にするのを避けるために、詳細に図示又は記載されていない。

文脈上他の意味に解すべき場合を除き、以下の明細書及び特許請求の範囲を通して、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語及び、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等のその変形は、「含むが限定されない」等のように解放された包括的な意味で解釈されるべきである。

上述したように、燃料処理装置の精製領域及び精製器における使用に適した構造は、図４に示す膜モジュール４４であり、当該膜モジュールは１つ以上の水素透過膜及び水素選択膜４６を含む。膜は、精製器や燃料処理装置等、膜モジュールを使用する作動環境及び状況における使用に適した任意の水素選択材で形成されてもよい。膜４６に適切な材料の例は、パラジウム及びパラジウム合金、そして特にそのような金属及び金属合金の薄膜である。パラジウム合金が特に有効なことが実証されており、特に銅成分が２０重量％〜５３重量％のパラジウムが有効である。これらの膜は、典型的には約０．００１インチの厚さである薄い箔から形成される。しかしながら、膜は上述した以外の水素選択金属及び水素選択金属合金から形成されてよく、また、膜は上述した厚さよりも厚い又は薄い厚さを有してもよく、これは本発明の範囲内である。例えば、膜は、水素流動の増加に比例して薄くしてもよい。膜の厚さを低減する適切な機構は、圧延、スパッタリング及びエッチングを含む。

上述したように、水素透過膜は、図５に概略的に示すように、共通透過支持アセンブリの周囲に対にして二つ一組で配置することで、膜パック６６を形成することができる。そのような構成において、対となる膜は、膜パックと称され、膜パックは共通の透過チャネル又は採取導管を画定し、当該透過チャネル又は採取導管を通じて透過ガスを捕集し、除去することで、水素リッチ改質流４２を（又は、膜モジュールの特定の実施によっては、生成水素流１４又は精製水素流６４を）を形成することができる。

対となる膜は、平面パック又は管状パック等、多様な好適な形状を有することができることを理解されたい。同様に、膜は、エンドプレートに関連させるか、又は中央流路を中心に独立して支持されてもよい。図示するために、以下の記載及び関連する図面は、膜モジュールを１つ以上の膜パック６６を含むものとして説明する。パックを形成する膜は、２つの別個の膜であるか、又は、折り畳まれ、巻かれ、あるいは２つの膜領域又は、相互に向けて配向されることによりその間に透過ガスを捕集及び抜くことができる採取導管６９を画定する透過面６８を有する表面６７を画定するよう構成された単一の膜であることができることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、スクリーン構造は、図６に示すように、高い供給圧力に対し膜を支持するよう使用されてもよい。スクリーン構造は水素選択膜を支持し、より詳細には、表面７１を含み、当該表面に対して膜の透過側６８が支持される。スクリーン構造７０はまた、図５に概略的に示すように、透過ガスが通る膜の表面に対して、透過ガスが横断的にかつ平行に流れることができる透過ガスが通る採取導管を、採取導管６９として画定する。少なくとも実質的に純粋な水素ガスである透過ガスは、次に、膜モジュールから採取又は抜かれてもよく、流れ４２、流れ６４、及び／又は流れ１４等を形成する。膜はスクリーン構造に対して配置されるので、スクリーン構造は、水素選択膜を通るガスの流れを妨害しないことが好ましい。膜を通過しないガスは、１つ以上の副産流を形成する。

例示的なスクリーン構造７０を、図６に示す。スクリーン構造７０は、複数のスクリーン部材７３を含む。図示した実施形態では、スクリーン部材は、細目スクリーン７６の間に挟まれる粗目スクリーン７４を含む。「細目」及び「粗目」という用語は、相対的な用語であることを理解されたい。本実施形態では、外側スクリーン部材は、膜モジュールを使用する作動条件の下で、膜を貫通することなく、また、十分な開口、エッジ、又は、膜に穴を開け、膜をもろくし、又は膜を痛め得る突起部を有することなく、膜４６を支持するよう選択される。スクリーン構造は、一般的に膜に対して平行な透過ガスの流れに資する必要がある故、比較的粗い内部スクリーン部材を使用することにより、強化された平行なガス流路に資する。換言すると、より細目のスクリーンは、膜をより保護する一方、より粗目のスクリーンは、一般的に膜に対して平行である、より良好な流れを供給する。膜のより良い保護を提供し、粗いメッシュスクリーンは一般に膜に平行なより良い流れを提供する。

スクリーン部材は、同一又は異なる構造であることができ、より多くの、又はより少ないスクリーン部材を使用することができる。全体的に、透過ガスが膜に対して全体的に平行かつ横断する採取導管内を流れることを可能にする、任意の適切な支持媒体を使用してもよい。例えば、多孔質セラミックス、多孔質炭素、多孔質金属、セラミックフォーム、炭素フォーム、及び金属フォームのいずれか１つを、又は１つ以上のスクリーン部材７３と組み合わせて使用して、スクリーン構造７０を形成することができる。別の実施例として、細目スクリーン７６は、織物メッシュ材料の代わりにエキスパンドメタルから形成してもよい。好ましくは、スクリーン構造７０は、膜モジュール及び膜モジュールと共に使用される装置の作動を害することのない耐食材料から形成される。金属スクリーン部材の適切な材料の例は、ステンレス鋼、ジルコニウム及びその合金、８００（登録商標）等のインコネル（登録商標）合金及びハステロイ（登録商標）合金を含む耐食合金、並びに、モネル（登録商標）等の銅ニッケル合金を含む。そのような金属製スクリーン部材は、任意に、表面７１上にコーティングを含むことができ、当該コーティングは、典型的には金属酸化物又は窒化物であることができる。適切なコーティングの例は、酸化アルミニウム、又は、酸化クロム、酸化チタン、酸化ニッケル、炭化タングステン、窒化タングステン、炭化チタン、窒化チタン、及びそれらの混合物等のその他の金属酸化物を含む。

スクリーン構造及び膜は、図７に示すように、燃料処理システムやガス精製システム等における使用のために、膜パックを封止し、支持し、及び／又は相互接続するように適合したフレーム部材８８を含む膜パック６６内に取り込むことができる。図７のスクリーン構造を参照すると、スクリーン構造７０は、透過フレーム内にはまり込むか、又は、少なくとも部分的に透過フレームの表面に亘り延在して、透過プレートアセンブリを形成する。適切なフレーム部材８８の例は、支持フレーム及び／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はまた、少なくとも部分的に、２つ以上の膜パックを含む膜モジュール４４の実施形態における膜パックを相互接続する流体マニホールドを画定してもよい。適切なガスケットの例は可撓性グラファイトガスケットであるが、特定の膜モジュールを使用する作動条件に応じる等してその他の材料を使用してもよい。代替的に、各膜は、スクリーン構造（図示せず）に接着剤で取り付けられるのではなく、次に透過フレームに取り付けられる別個のフレームに固定されてもよい。別の代替案では、少なくとも１つの膜を上記のようなスクリーン構造に付着させて透過プレートアセンブリを形成し、それによって膜に関連するフレーム部材の必要性を排除してもよい。

供給プレートアセンブリは、隣接する膜パックの間に配置されることにより、改質流から水素を分離するために水素リッチ改質流を膜パックに送出し、また結果として得た水素枯渇流を膜パックから除去する。図７に示すように、供給プレートアセンブリ１００は、スタックにおいて１つの膜パックを別の膜パックから分離する中央供給プレート１０２を備える。図８に更に示すように、中央供給プレートは、実質的に流体を透過しない中央領域１０４、中央供給プレートの周縁に供給領域１０６及び排出領域１０８を有する。供給領域１０６は、供給マニホールド１１０を中央領域１０４に流体連通する。同様に、排出領域１０８は、排出マニホールド１１２を中央領域１０４に流体連通する。供給領域１０６及び排出領域１０８はそれぞれ、供給チャネル１１４及び排出チャネル１１６を備え、当該供給チャネル１１４及び排出チャネル１１６は、中央供給プレートの厚さによって形成される。

中央供給プレート１０２は、その中央領域１０４において流路等を含まない。代わりに、供給フレーム１１８は、中央領域１０４とその隣接する膜パックとの間に、供給フレーム１１８の厚さによって形成される開口容積を形成するよう、中央供給プレートの各側面の周縁に形成される。いくつかの実施形態において、例えば、ろう付けによって、供給フレーム１１８は中央供給プレート１０２に接合し、一方、他の実施形態において、供給フレーム１１８は、図９にさらに示すように、外側供給プレート１２０及び、外側供給プレート１２０と中央供給プレート１０２との間に挿入される供給プレートガスケット１２２を備えることができる。図８に示すように、供給フレーム１１８は、チャネル１１４、チャネル１１６の中央部分に重なることで（即ち、チャネル１１４、チャネル１１６の端部においては重ならない）、供給マニホールド１１０から提供される改質流は、供給領域におけるチャネル１１４を通じて（かつ、供給フレーム１１８の下を）供給フレーム１１８の厚さによって形成される開口容積内に流れる。同様に、副産流は、開口容積から、排出領域におけるチャネル１１６を通じて（かつ供給フレーム１１８の下を）排出マニホールド１１２まで流れる。従って、中央供給プレート１０２のチャネル１１４、チャネル１１６の中央部分に重なる領域における供給フレーム１１８の幅は、必然的に、チャネル１１４、チャネル１１６のスパンよりも狭く、よって供給マニホールド１１０及び排出マニホールド１１２は、開口容積に流体連通される。

膜モジュールの平行流を設計するため、改質流の全質量流量は、膜パックの間で分割され、この結果、各膜パックへのガスの速度は低下し、供給領域と排出領域との間の圧力降下も、典型的には５ｐｓｉ未満まで低下する。その結果、改質流の流速は、層流領域にあり、膜の表面における水素濃度は、拡散作用によって抑制される。薄膜において、膜を通じた水素流動は、比較的高く、従って、水素分離装置の効果を高める膜を通じた水素流動が最大化するよう、膜の表面において、高い水素濃度を有する（即ち、膜表面に対して垂直方向に低い水素濃度勾配である）ことが望ましい。

当業者であれば、膜の供給側の膜の表面で、特に膜の表面上の改質流の層流で水素濃度を最大にするためには、供給ゾーン上のガス容積を低減することが好ましいことを理解できるであろう。以前の設計では、供給ゾーンにおけるガス容積は流体の入口マニホールド及び出口マニホールドを供給ゾーンに流体連通する供給チャネルの大きさ（及び、従来技術の設計において、膜パック間にある供給プレート／ガスケットの厚さ）に結びつけられていた。しかし、本設計では、中央プレートの供給領域及び排出領域のチャネルの大きさがガス容積から切り離され、それによって大規模な低い圧力降下供給チャネルが改質流を供給ゾーンに提供でき、一方、供給ゾーンにおいては低いガス容積が可能となり、これは膜の表面に対して垂直な方向における改質物の水素の拡散勾配を減少させるのに好ましい。
特に、本設計において供給フレームの厚さに結び付けられ、供給領域及び排出領域におけるチャネルの大きさによって制限されない、膜パックの活動領域におけるガス容積の効率的な高さを低減することが望ましい。したがって、いくつかの実施形態において、供給フレームの厚さは、中央供給プレートの厚さよりも薄い。

別の実施形態において、供給フレーム１１８は、２つ以上の別個のパーツを備える。例えば、図９に示すように、供給フレーム１１８は、外側供給プレート１２０、及び、外側供給プレート１２０と中央供給プレート１０２との間に挿入される供給プレートガスケット１２２を備えることができる。外側供給プレート１２０及び供給プレートガスケット１２２の厚さは、開口容積を形成する。外側供給プレート１２０の厚さは約０．５ｍｍ以下であってよく、供給プレートガスケット１２２の厚さは約０．５ｍｍ以下であってよい。例えば、外側供給プレート及び供給プレートガスケットは、約０．２５ｍｍ以下であってもよく、同一又は異なる厚さであってもよい。当業者は、活動領域におけるガス容積の所望の効率的な高さ及び各パーツの機能的制限に基づき、プレート及びガスケットの適切な厚さを選択できるだろう。また、外側供給プレート１２０及び供給プレートガスケット１２２は、チャネル１１４、チャネル１１６の中央部分に重なることにより、入口マニホールド１１０及び出口マニホールド１１２は、開口容積に流体連通する。

中央供給プレート及び外側供給フレームは、ステンレス鋼及び他の金属合金等の任意の適切な材料で作ることができる。具体的な実施形態では、３００シリーズのステンレス鋼を使用することができる。供給フレームが外側供給プレート及び供給プレートガスケットを含む実施形態においては、外側供給プレートはステンレス鋼及び他の金属合金で作製され、一方、供給プレートガスケットは圧縮性グラファイトで作製されてもよい。供給フレーム１１８は、材料又は供給フレーム１１８に使用される材料に応じて、接着接合、拡散接合、溶接、ろう付け等の任意の適切な方法によって、隣接する膜パックの一方又は両方に任意に取り付けてもよい。

供給領域１０６及び排出領域１０８において中央供給プレート１０２の厚さを通して形成されるチャネル１１４、チャネル１１６の大きさ及び幾何学的形状は、チャネル１１４、チャネル１１６が重なり合った供給フレームを越えて延在し、よって供給マニホールドが開口容積及び膜パックに流体連通する限り、当業者によって決定され得る。例えば、チャネル１１４、チャネル１１６の量及び寸法は、所望のレイノルズ数又は流路面積とチャネル１１４、チャネル１１６の長さ及び幅とのバランスとなり、チャネル１１４、チャネル１１６は、外側供給フレームによって橋渡しされなければならず、チャネル１１４、１１６によって形成された隔たりに亘るガスケット荷重を支えることができなければならない。打抜き加工又はチャネル１１４、チャネル１１６を切断する他の工程は実際的な限界があるであろう。例えば、各供給領域及び排出領域において約１ｍｍから約４ｍｍの幅、及び約１０ｍｍから２０ｍｍの長さを有する、１０〜２０のチャネルが存在してもよい。いくつかのプロセスの限界は、チャネル１１４、チャネル１１６の幅が中央供給プレート１０２の厚さと等しい場合であろう。当業者であれば、チャネル１１４，チャネル１１６が同一の領域内で同一の寸法である必要はない（即ち、各供給チャネル１１４は、供給領域において同一の寸法を有する必要はなく、各排出チャネル１１６は、排出領域において同一の寸法を有する必要はない）ことを理解できるであろう。中央供給プレートの厚さは、約０．５ｍｍから約３ｍｍである。当業者であれば、中央供給プレートの厚さは、改質流の流量パラメータと同様に、プレートの所望の剛性、強度、及び質量によって決定されることを理解するであろう。中央供給プレートの供給チャネル１１４及び排出チャネル１１６の大きさ及び幾何学的形状は、同一であっても異なっていてもよい。排出チャネルの非対称な設計は流れ分布、ガス混合、及び中央領域１０４における水素濃度勾配の低減を向上するために考案されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、排出チャネル１１６の総面積は、供給チャネル１１４の総面積よりも大きい。加えて、供給チャネル１１４の間の間隔は、排出チャネル１１６の間の間隔と同一又は異なってもよい。同一の大きさ及び幾何学形状を有する１つの利点は、中央供給プレートが対称であることにより、製造がより容易で安価であることである。しかしながら、排出チャネルの幾何学的形状を供給チャネルの幾何学的形状と異なるようにし、排出チャネル間の間隔を供給チャネル間の間隔と異なるようにすることにより、膜上で改質流の水素濃度勾配を低減するため中央領域１０４の改質物をより良く撹拌することが可能であり、これは水素回収プロセスを向上するのに役立つ。供給チャネル面積に比べて排出チャネル面積を大きくすることにより、膜パック内の圧力降下を低減でき、従って、膜モジュール内の膜パックの数を削減することができる。供給チャネル１１４及び排出チャネル１１６の数及び総面積は、膜パックに亘る圧力降下を制御し、膜上の改質流の濃度勾配を減少させるように選択することができる。

本明細書で論じた膜モジュールは、一つ以上の膜パック６６を含んでもよく、典型的には、適切な供給マニホールド及び排出マニホールドを含んでもよく、当該供給マニホールド及び排出マニホールドを通じて、改質流３６又は混合ガス流６１等の混合ガス流が膜モジュールへ送出され、また、供給マニホールド及び排出マニホールドから水素リッチ流及び副産流が除去される。膜モジュールが複数の膜パックを含む場合、モジュールは、膜パックを相互接続する流体マニホールドを含み、混合ガス流をそこに送出又は供給し、精製された水素ガスをそこから抜き取り又は除去し、及び／又は膜モジュールから膜を通過しないガスを抜き取る又は除去等ができる。膜モジュールが複数の膜パックを含む場合、第１の膜パックからの透過流、副産流、又はその両方を、任意にさらなる精製のため別の膜パックに送ってもよい。

図面に示すフレーム部材、ガスケット、膜及びスクリーン部材の形状は実施例であり、これらの構成要素は、任意の適切な形状であることができることを理解されたい。同様に、ガスケット及びプレートを通じた流路の構成及び配向は、膜モジュールが使用される特定の用途によって可変である。

生成物流の水素の純度、副産流の水素含有量、副産流を形成する混合ガス流からの水素のパーセンテージ、並びに生成物流及び副産流の同様の成分は、膜モジュールの構造及び／又は膜モジュールが使用される作動条件によって選択的に可変である。例えば、生成物流及び副産流の成分は、少なくとも次の要因、即ち、膜モジュールの温度、膜モジュールにおける供給ガスと透過ガスとの間の圧力差、水素選択膜の成分、水素選択膜の劣化、水素選択膜の厚さ、混合ガス流の成分、膜モジュールにおいて使用される水素選択膜の数量、並びに混合ガス、生成物流及び／又は副産流が通過する、連続する膜の数量に応じて、少なくとも部分的に可変である。

本発明は、水素ガスを含む流れが精製され精製水素流を生成する任意の装置に適用可能である。本発明は、水素ガスを供給流から生成し、その後、燃料電池スタック又は他の水素消費装置に送出等するために精製する、燃料処理システムにも同様に適用可能である。

ＰＥＭ燃料電池システムにおける使用のために本膜モジュールを説明してきたが、膜モジュールは約４５０℃未満の作動温度を有する他の燃料電池システムにおいて有用であろうことが予想される。これらは、リン酸燃料電池、ＰＥＭ燃料電池及び液体供給燃料電池を含む酸性電解質燃料電池に特に適している

本明細書において参照した、及び／又は出願データシートに載せた、全ての上記の米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願及び非特許刊行物は、それらの全体を参照により本発明に組み込む。

本発明の特定の要素、実施形態及び用途について示しかつ説明したが、当業者は、特に前述の教示を参考にすれば、改変も可能であるので、本発明はそれらに限定される訳ではないことは、当然、理解されよう。したがって、本発明の範囲内に入る特徴を組み込んだそのような改変物は、添付した特許請求の範囲に包含されると考えられる。

本出願はまた、２０１５年５月１日に出願され、かつその全体で参照により本明細書に組み込まれている米国仮特許出願第６２／１５５，６５３号の優先権の利益を主張する。

Claims (18)

1. 水素分離用の膜モジュールであって、
   相互に隣接して配置されている膜パックのスタックであって、各膜パックが一対の水素選択膜を備える、スタックと、
   水素リッチ改質流を各膜パックに供給する、供給マニホールドと、
   各膜パックから副産流を除去する、排出マニホールドと、
   前記スタック内の各膜パックの間に配置されている供給プレートアセンブリであって、
   流体を透過しない中央領域と、少なくとも１つの供給チャネル及び少なくとも１つの排出チャネルを備える中央供給プレートであって、前記少なくとも１つの供給チャネル及び前記少なくとも１つの排出チャネルが、前記中央供給プレートの厚さを通じて前記中央供給プレートの周辺に形成されている、中央供給プレートと、
   前記中央供給プレートと前記隣接する膜パックとの間に挿入されている供給フレームであって、前記中央供給プレートの周縁を取り囲んで形成されて、前記中央供給プレートの前記流体を透過しない中央領域と前記隣接する膜パックとの間に開口容積を形成している、供給フレームとを備え、
   前記少なくとも１つの供給チャネルが前記供給マニホールドと前記開口容積とを流体連通し、前記少なくとも１つの排出チャネルが前記排出マニホールドと前記開口容積とを流体連通する、供給プレートアセンブリと
   を備える、膜モジュール。
2. 請求項１に記載の膜モジュールであって、前記開口容積が、前記中央供給プレートと前記隣接する膜パックとの間の前記供給フレームの厚みによって形成されている、膜モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の膜モジュールであって、前記供給フレームが、前記少なくとも１つの供給チャネル及び前記少なくとも１つの排出チャネルの中央部分に重なっている、膜モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記供給フレームが、供給プレートガスケット及び外側供給プレートを備え、前記供給プレートガスケットが、前記中央供給プレートと前記外側供給プレートとの間に挿入されている、膜モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記供給フレームが中央供給プレートに結合している、膜モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記供給プレートアセンブリが、供給領域及び排出領域を前記供給プレートアセンブリの周縁にさらに備え、前記供給領域が前記少なくとも１つの供給チャネルを備え、前記排出領域が前記少なくとも１つの排出チャネルを備える、膜モジュール。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記供給フレームの厚さが、前記中央供給プレートの厚さよりも薄い、膜モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記少なくとも１つの供給チャネル及び前記少なくとも１つの排出チャネルが同一の幾何学的形状を有する、膜モジュール。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記中央供給プレートが２つ以上の供給チャネルと２つ以上の排出チャネルとを備え、前記供給チャネル間の間隔と前記排出チャネル間の間隔とが同一である、膜モジュール。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記少なくとも１つの排出チャネルの合計領域が、前記少なくとも１つの供給チャネルの合計領域よりも大きく、前記膜パックによる圧力損失を低下させる、膜モジュール。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、水素リッチ透過流を水素マニホールドへ移動させる透過プレートアセンブリをさらに備え、前記透過プレートアセンブリが、前記膜パック内の前記一対の水素選択膜間に挿入されている、膜モジュール。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記中央供給プレートの前記中央領域が流路を含まない、膜モジュール。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記開口容積が、前記供給フレームの厚みによって形成されている、膜モジュール。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記開口容積が、前記供給フレームの厚さによってのみ形成されている、膜モジュール。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記供給フレームが、前記少なくとも１つの供給チャネルの端部に重ならない、膜モジュール。
16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記供給フレームが、前記少なくとも１つの排出チャネルの端部に重ならない、膜モジュール。
17. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記少なくとも１つの供給チャネルの中央部分と重なる領域における前記供給フレームの幅は、前記少なくとも１つの供給チャネルのスパンよりも狭い、膜モジュール。
18. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の膜モジュールであって、前記少なくとも１つの排出チャネルの中央部分と重なる領域における前記供給フレームの幅は、前記少なくとも１つの排出チャネルのスパンよりも狭い、膜モジュール。
    

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