KR100572281B1 - 수소정화 장치, 요소, 및 이를 포함하는 연료처리 시스템 - Google Patents

수소정화 장치, 요소, 및 이를 포함하는 연료처리 시스템 Download PDF

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아이다테크 엘엘씨
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Abstract

수소정화 장치(10)는 수소가스가 함유된 혼합가스 스트림(24)을 수용하여 순수한 또는 적어도 실질적으로 순수한 수소가스가 함유된 스트림(34)을 생산하는 분리 멤브레인 조립체(20)가 내장된 포위부(12)를 포함한다. 상기 분리조립체(20)는 적어도 하나의 수소투과 및/또는 수소선택 멤브레인(46)을 포함하며, 일부 실시예에서는 그 사이에 수집도관을 형성하고 지지체에 의해 분리되는, 일반적으로 대향하는 한쌍의 멤브레인 영역을 포함한다. 상기 포위부(12)는 멤브레인(들)(46)의 열팽창계수와 동일하거나 유사한 열팽창계수를 갖는 물질로 형성된 부품들을 포함한다. 일부 실시예에서, 이러한 부품들은 지지체의 적어도 일부를 포함하며, 또 다른 일부 실시예에서 이러한 부품들은 포위부(12)의 적어도 일부를 포함한다.
수소정화, 멤브레인, 연료처리 시스템, 스크린지지체, 포위부

Description

수소정화 장치, 요소, 및 이를 포함하는 연료처리 시스템{HYDROGEN PURIFICATION DEVICES, COMPONENTS AND FUEL PROCESSING SYSTEMS CONTAINING THE SAME}
본 출원은 계류중인 2001년 9월 27일에 출원된 "수소정화 장치, 요소 및 이를 포함하는 연료처리 시스템"이라는 미국 특허출원 제09/967,172호와, 2002년 2월 4일에 출원된 "수소정화 장치, 요소 및 이를 포함하는 연료처리 시스템"이라는 미국 특허출원 제10/067,275호 및, 2002년 2월 28일에 출원된 "수소정화 장치, 요소 및 이를 포함하는 연료처리 시스템"이라는 미국 특허출원 제10/086,680호에 대해 우선권을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 수소가스의 정화에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 수소정화 장치, 요소 및 이를 포함하는 연료처리 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
정화된 수소는 금속, 식용 지방 및 기름 등을 포함하는 제품의 제조와, 반도체 및 마이크로 전자공학에 사용된다. 정화된 수소는 또한 많은 에너지 전환 장치에서 중요한 연료원이다. 예를 들어, 연료전지는 전위를 발생시키기 위해서 정화된 수소와 강산화성 물질을 이용한다. 연료전지에 의해 소비되는 수소가스를 생산 하기 위해, 다양한 처리 및 장치가 사용될 수 있다. 그러나, 많은 수소 발생 처리는 순수하지 아니한 수소 스트림을 생산하고, 이는 또한 수소가스를 포함하는 혼합가스 스트림으로 언급될 수 있다. 이러한 스트림을 연료전지 또는 다수의 연료전지로 분배하기에 앞서, 혼합가스 스트림은 바람직하지 못한 불순물을 제거하므로써 정화될 수 있다.
본 발명은 수소정화 장치와, 수소정화 장치의 요소, 및 수소정화 장치를 포함하는 연료처리와 연료전지 시스템에 관한 것이다. 수소정화 장치는 수소가스가 함유된 혼합가스 스트림을 수용하고 이로부터 순수한 또는 적어도 실질적으로 순수한 수소가스가 함유된 스트림을 생산하는 분리조립체가 구비된 포위부를 포함한다. 상기 분리조립체는 하나이상의 수소투과 멤브레인 및/또는 수소선택 멤브레인을 포함하고; 일부 실시예에서는 수집도관을 한정하고 지지체에 의해 분리되는, 한쌍의 일반적으로 대향하는 멤브레인 영역을 포함하는 하나이상의 멤브레인 덮개를 포함한다. 장치는 멤브레인과 동일 하거나 유사한 열팽창계수를 갖는 재료로 형성된 하나이상의 요소를 포함한다. 일부 실시예에서 이러한 요소들은 하나이상의 지지체 부분을 포함하고, 또 다른 일부 실시예에서 이러한 요소들은 하나이상의 포위부 부분을 포함한다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 수소정화 장치의 개략도.
도2는 평탄한 분리 멤브레인을 갖는 수소정화 장치의 단면도.
도3은 관형 분리 멤브레인을 갖는 수소정화 장치의 단면도.
도4는 관형 분리 멤브레인을 갖는 다른 수소정화 장치의 단면도.
도5는 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 또 다른 포위부의 단면도.
도6은 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 또 다른 포위부의 단면도.
도7은 본 발명에 따른 수소정화 장치의 포위부의 요소사이의 다른 적합한 인터페이스를 상세히 도시하는 부분단면도.
도8은 본 발명에 따른 수소정화 장치의 포위부의 요소사이의 또 다른 적합한 인터페이스를 상세히 도시하는 부분단면도.
도9는 본 발명에 따른 수소정화 장치의 포위부의 요소사이의 다른 적합한 인터페이스를 상세히 도시하는 부분단면도.
도10은 본 발명에 따른 수소정화 장치의 포위부의 요소사이의 또 다른 적합한 인터페이스를 상세히 도시하는 부분단면도.
도11은 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 단부판의 평면도.
도12는 도11의 단부판의 단면도.
도13은 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 단부판의 평면도.
도14는 도13의 단부판의 단면도.
도15는 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 단부판의 평면도.
도16은 도15의 단부판의 단면도.
도17은 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 단부판의 평면도.
도18은 도17의 단부판의 단면도.
도19는 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 포위부의 단부판의 평면도.
도20은 도19의 단부판의 단면도.
도21은 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 포위부의 단부판의 평면도.
도22는 도21의 단부판의 측단면도.
도23은 도21의 단부판의 사시도.
도24는 도21의 단부판의 단면도.
도25는 도21 내지 도24에 도시된 한쌍의 단부판으로 구성된 수소정화 장치의 포위부의 부분 측단면도.
도26은 본 발명에 따라 구성된 또 다른 수소정화 장치의 사시도.
도27은 도26에 도시된 장치의 단면도.
도28은 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소 정화 장치의 다른 단부판의 측단면도.
도29는 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 또 다른 단부판의 측단면도.
도30은 도1 내지 도6에 도시된 것을 포함하여, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 다른 단부판의 측부 입면도.
도31은 지지체에 의해 분리된 한쌍의 분리 멤브레인의 부분 측단면도.
도32는 본 발명에 따라 구성되고 몇개의 층이 구비된 스크린구조 형태의 지지체를 포함하는 멤브레인 덮개의 분해사시도.
도33은 본 발명에 따른 다른 멤브레인 덮개의 분해사시도.
도34는 본 발명에 따른 또 다른 멤브레인 덮개의 분해사시도.
도35는 본 발명에 따른 다른 멤브레인 덮개의 분해사시도.
도36은 멤브레인 모듈과 멤브레인 프레임이 점선으로 도시된, 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치의 포위부의 쉘의 단면도.
도37은 분리 멤브레인과 프레임이 점선으로 도시된, 도13의 단부판의 평면도.
도38은 분리 멤브레인과 프레임이 점선으로 도시된, 도21의 단부판의 평면도.
도39는 본 발명에 따라 구성된 또 다른 수소정화 장치의 분해사시도.
도40은 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치와 연료처리기를 포함하는 연료처리 시스템의 개략적인 다이어그램.
도41은 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치와 합체된 연료처리기를 포함하는 연료처리 시스템의 개략적인 다이어그램.
도42는 본 발명에 따라 구성된 일체형 수소정화 장치를 포함하는 또 다른 연료처리기의 개략적인 다이어그램.
도43은 본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치를 포함하는 연료전지 시스템의 개략적인 다이어그램.
도1에는 수소정화 장치(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 장치(10)는 분리조립체(20)가 위치되는 내부 격실을 형성하는 본체, 즉 포위부(12)를 포함한다. 수소가스 및 기타 다른 가스(28)가 내장된 혼합가스 스트림(24)은 내부 격실로 분배된다. 특히, 상기 혼합가스 스트림은 내부 격실의 혼합가스 영역(30)으로 분배된 후, 분리조립체(20)와 접촉된다. 상기 분리조립체(20)는 혼합가스 스트림을 수용하고, 이로부터 투과 스트림 또는 수소풍부 스트림을 생성하는 적절한 구조체를 포함한다. 스트림(34)은 전형적으로 순수한 가스 또는 적어도 거의 순수한 가스를 함유할 것이다. 그러나, 상기 스트림(34)이 적어도 초기에는 캐리어, 또는 스위프(sweep) 가스 성분을 포함하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
도시된 실시예에서, 분리조립체를 통과하는 혼합가스 스트림은 내부 격실의 투과영역(32)으로 인입된다. 이러한 혼합가스 스트림 부분은 수소풍부 스트림(34)을 형성하고, 분리조립체를 통과하지 않는 혼합가스 스트림 부분은 다른 가스가 적어도 일부 포함된 부산품 스트림(36)을 형성한다. 일부 실시예에서, 부산물 스트 림(36)은 혼합가스 스트림에 제공된 수소가스의 일부를 포함하고 있다. 상기 분리조립체가 다른 가스의 적어도 일부를 트랩하거나 또는 트랩하지 않을 경우 이를 유지시키는 것도 본 발명의 범주내에 속하며; 이러한 적어도 일부의 다른 가스는 조립체가 대체되거나 재생되거나 재충진될 때 부산물로서 제거될 것이다. 도1에서, 스트림(24-28)은 각각의 스트림(24-28)이 장치(10)의 내외로 흐르는 하나이상의 실질적인 흐름을 각각 포함하고 있는 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 장치(10)는 다수의 공급 스트림(24)과, 상기 분리조립체(20)와 접촉하기 전에 다수의 스트림으로 분할되는 단일의 스트림(24)과, 또는 단순히 격실(18)내로 분배되는 단일의 스트림을 수용한다.
전형적으로, 장치(10)는 상승 온도 및/또는 압력에서 작동된다. 예를 들어, 장치(10)는 700℃ 이상 범위의 (설정)온도로 작동된다. 여러 실시예에 있어서, 상기 설정온도는 200℃ 내지 500℃ 사이의 범위에서 작동되고, 다른 실시예에서는 250℃ 내지 400℃의 범위에서 작동되며, 또 다른 실시예에서는 400℃ ±25℃, 50℃, 또는 75℃의 범위에서 작동된다. 상기 정치(10)는 50psi 내지 1000psi 또는 이 이상의 범위에서 (설정)압력으로 작동된다. 여러 실시예에 있어서, 상기 설정압력은 50psi 내지 250psi 또는 500psi사이의 범위에서 작동되고, 다른 실시예에서는 300psi 이하 또는 250psi 이하의 범위에서 작동되며, 또 다른 실시예에서는 175psi ±25psi, 50psi, 또는 75psi의 범위에서 작동된다. 그 결과, 포위부는 작동압력을 달성하고 이러한 압력에 견디기 위하여 양호하게 밀봉되어야만 한다.
온도나 압력 등과 같은 작동변수를 참고로 서술한 바와 같이, 상기 "설정"이 라는 용어는 설정의 임계값 또는 범위를 의미하며, 상기 장치(10) 및 이와 연관된 부품들은 이러한 설정값이나 설정범위내에서 작동될 수 있다. 다른 실시예로서, 설정의 작동온도는 예를 들어 특정온도의 5%내, 10%내 등과 같은 특정 온도범위내에서, 또는 특정온도에서의 설정 내구성내에서 특정온도의 위아래쪽 작동온도이다.
상승한 작동온도에서 장치가 작동되는 수소정화장치의 실시예에서, 장치의 온도를 설정의 작동온도로 상승시키기 위해서는 장치에 열이 가해질 필요가 있다. 예를 들어, 이러한 열은 적절한 가열조립체에 의해 제공된다. 가열조립체(42)의 예시적인 실시예가 도1에 도시되어 있다. 이러한 가열조립체(42)는 혼합가스 스트림(24) 자체를 포함하여, 적절한 형태를 취할 수 있다. 적절한 가열조립체의 또 다른 실시예는 하나이상의 저항가열기와, 버너, 또는 혼합가스 스트림(24)이 아닌 가열된 유체 스트림으로의 열교환이나 가열된 배기스트림을 생성하는 연소영역을 포함한다. 버너 또는 기타 다른 연소실이 사용될 때, 연료스트림이 소모되고, 부산물 스트림(36)은 이러한 연료스트림의 일부 또는 전부를 형성한다. 도1에 도면부호 42'로 도시된 바와 같이, 가열조립체는 포위부를 둘러싸거나 적어도 부분적으로 둘러싸는 재킷내에서처럼, 발생된 열을 복사하거나 전도 등에 의해, 포위부내로 연장되거나 또는 포위부내의 통로를 통하여 또는 전도에 의해, 가열된 유체 스트림을 외부 장치(10)로 분배한다.
분리조립체(20)에 적절한 구조체는 하나이상의 수소투과 멤브레인 및/또는 수소선택 멤브레인 이다. 상기 멤브레인은 정화장치(10)가 작동되는 변수나 환경에 작동환경에 사용하기 적합하도록 수소투과 물질 등으로 형성될 수도 있다. 멤 브레인(46)에 적합한 물질로는 팔라듐 및 팔라듐합금을 예로 들 수 있으며, 특히 이러한 금속 및 금속합금의 박막이 적합하다. 팔라듐 합금이 매우 효과적인 것으로 판명되었으며, 특히 40중량% 구리를 함유한 박막 처럼 35중량% 내지 45중량%의 구리를 갖는 팔라듐이 적합하다. 이러한 멤브레인은 전형적으로 약 0.001인치 두께의 얇은 포일로 형성된다. 그러나, 상기 멤브레인이 비금속 금속 및 성분 등과 마찬가지로 상술한 바와는 다른 금속 및 금속합금 등을 포함하여, 기타 다른 수소투과 및/또는 수소선택 물질로 제조될 수 있는 되는 것과, 상기 멤브레인이 상기 칫수 보다 두껍거나 얇은 두께를 갖는 것도 본 발명의 범주내에 속한다. 예를 들어, 상기 멤브레인은 수소 플럭스의 증가를 보상하기 위하여, 얇게 제조될 수도 있다. 멤브레인의 두께를 감소시키기에 적합한 메카니즘의 실시예로는 롤링, 스퍼터링 및 에칭이 포함된다. 본 발명에 참조인용된 미국특허 제6.152.995호에는 적절한 에칭 처리가 개시되어 있다. 또한, 본 발명에 참조인용된 미국특허 제6.221.117호 및 미국 특허출원 제09/812.499호에는 다양한 멤브레인과, 멤브레인 형태, 및 이러한 멤브레인들을 준비하는 방법이 개시되어 있다.
도2에는 적절한 형태를 취하는 멤브레인(46)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 멤브레인(46)은 혼합가스 스트림(24)에 의해 접촉되도록 지향되는 혼합가스 표면(48)과, 일반적으로 상기 표면(48)과 대향하는 투과 표면(50)을 포함한다. 장착부(52)는 격실(18)내에 멤브레인이나 기타 다른 분리조립체를 지지 및/또는 위치시키기 위해 적절한 구조를 갖는다. 상술한 특허 및 특허출원에는 적절한 장착부(52)의 실시예가 개시되어 있다. 도면부호 46'에서, 멤브레인(46)은 포일 또는 필름으로 도시되어 있다. 도면부호 46"에서, 상기 멤브레인은 하부의 지지체(54) 즉, 그물형이나 연장형 금속스크린 또는 세라믹이나 기타 다른 다공성 물질로 지지되어 있다. 도면부호 46'"에서, 상기 멤브레인은 코팅되거나, 또는 다공성 부재(56)상에 형성되거나 이러한 부재에 접합된다. 상술한 바와 같은 멤브레인 형태는 도2에 개략적으로 도시되어 있지만, 본 발명의 범주내에서 가능한 모든 형태를 제공할 수 있음을 인식해야 한다.
예를 들어, 멤브레인(46)은 도2에서 평탄한 형태를 취하고 있지만, 비평탄 형태 또한 본 발명의 범주에 속한다. 예를 들어 멤브레인의 형태는 멤브레인이 지지 및/또는 형성되는 것에 따라, 적어도 일부가 지지체(54) 또는 멤브레인(56)의 형태로 형성될 수도 있다. 또한, 멤브레인(46)은 특히 장치(10)가 상승 압력에서 작동될 때 오목하거나, 볼록하거나, 또는 비평탄한 형태를 취할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 멤브레인(46)은 도3 및 도4에 도시된 바와같이 관형 형태를 취할 수도 있다.
도3에는 혼합가스 흐름이 멤브레인 튜브의 내측으로 분배되는 관형 멤브레인의 실시예가 도시되어 있다. 이러한 형태에 있어서, 멤브레인 튜브의 내부는 내부 격실의 영역(30)을 한정하고 있으며, 상기 격실(32)의 투과영역은 튜브의 외부에 놓인다. 장치(10)가 하나이상의 멤브레인 및/또는 하나이상의 혼합가스 표면(48)을 포함하고 있는 것도 본 발명의 범주내에 속한다는 것을 표시하기 위해, 도3에서는 부가의 멤브레인 튜브가 점선으로 도시되어 있다. 장치(10)가 2개이상의 멤브레인을 포함한다는 점과 멤브레인이 상대적 이격거리 및/또는 형태도 변화될 수 있 다는 점도 본 발명의 범주에 속한다.
도4에는 관형 멤브레인을 포함하는 수소정화 장치(10)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 장치(10)는 혼합가스 흐름이 멤브레인 튜브 또는 튜브들 외부의 격실(18)로 분배되도록 형성된다. 이러한 형태에 있어서, 멤브레인 튜브의 혼합가스 표면은 대응의 투과표면의 외측에 있으며, 상기 투과 영역은 멤브레인 튜브 또는 튜브들의 내측에 위치된다.
관형 멤브레인은 도2에 도시된 평탄형 멤브레인에 대해 서술한 바와 같은 형상 및 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도3 및 도4에는 여러 장착부(52)와, 다공성 멤브레인(56)과, 스프링(58)이 개략적으로 도시되어 있다. 관형 멤브레인이 도3에 도시된 바와 같은 직선형의 원통형 튜브 이외의 형태를 취할 수 있는 것도 본 발명의 범주내에 속한다. 다른 형태의 실시예에서는 U형 튜브와 나선형 튜브를 포함한다.
상술한 바와 같이, 포위부(12)는 분리조립체(20)가 위치되는 압축 격실(18)을 형성한다. 도2 내지 도4에 도시된 실시예에서, 포위부(12)는 외주 쉘(62)에 의해 연결되는 한쌍의 단부판(60)을 포함한다. 상기 장치(10)는 기하학적 형상 또는 크기를 한정하는 것이 아니라 장치의 일반적인 부품의 실시예를 나타내기 위해 도2 내지 도4에 개략적으로 도시되었음을 인식해야 한다. 예를 들어, 단부판(60)은 전형적으로 외주 쉘(62)의 벽 보다 두껍지만, 이러한 사항이 필수적인 것은 아니다. 또한, 단부판의 두께는 단부판들 사이의 거리와 동일하거나 이보다 크거나 작을 수도 있다. 또 다른 실시예에서 멤브레인(46)의 두께는 도시를 명확히 하기 위해 확 대된 상태로 도시되었다.
도2 내지 도4에서, 혼합가스 스트림(24)은 입력포트(64)를 통해 격실(18)로 분배되며, 수소풍부(또는 투과) 스트림(34)은 하나이상의 제품포트(66)를 통해 장치(10)로부터 제거되고, 부산물 스트림은 하나이상의 부산물포트(68)를 통해 장치(10)로부터 제거되는 것을 알 수 있다. 도2에서, 가스 스트림이 장치(10)로 분배되고 이로부터 제거되는 포위부상의 특정위치가 변경될 수 있음을 도시하기 위해, 상기 포트들은 여러 단부판들중 하나의 단부판으로 연장되는 것으로 도시되었다. 도3에 점선으로 도시된 바와 같이, 하나이상의 스트림이 쉘(62)을 통해 분배되거나 쉘로부터 유출되는 것도 본 발명의 범주내에 속한다. 포트(64-68)가 유동제어 및/또는 커플링 구조를 포함하거나 이와 연관되는 것도 본 발명의 범주내에 속한다. 이러한 구조의 실시예로는 하나이상의 밸브와, 유동 및 압력 제어기와, 장치를 업스트림 및 다운스트림 부품과 영구적으로 또는 선택적으로 유체연결시키는 커넥터나 기타 피팅 및/또는 매니폴드 조립체를 포함한다. 이러한 유동제어 및/또는 커플링 구조체는 도2에 도면부호 70으로 도시되어 있다. 간략함을 위하여, 구조체(70)는 모든 실시예에 도시되지 않았다. 그 대신, 장치(10)의 특정 실시예에 대한 포트의 일부 또는 전부는 이러한 구조체를 일부 또는 전부 포함할 수 있으며, 각각의 포트는 동일할 필요가 없으며, 또한 일부 실시예에서 2개 이상의 포트가 제공되는 경우의 구조체(70)는 공통의 수집 및 분배 매니폴드, 압력 릴리프밸브, 유체-유동 밸브 등과 같이, 구조체(70)를 공유하거나 종합적으로 이용할 수 있음을 인식해야 한다.
단부판(60) 및 외주 쉘(62)은 지지구조체(72)에 의해 함께 고정된다. 상기 구조체(72)는 장치(10)가 사용되는 작동변수 및 상태에 따라, 포위부(12)의 부품을 유체밀봉식 또는 거의 유체밀봉식 형태로 지지할 수 있는 적절한 형상을 취할 수 있다. 구조체(72)의 적절한 실시예로는 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 용접부(74) 및 볼트(76)가 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 볼트(76)는 연결될 포위부(12)의 부품으로부터 연장되는 플랜지(78)를 통하여 연장되는 것으로 도시되어 있다. 도4에 있어서, 볼트(76)는 격실(18)을 통해 연장되는 것으로 도시되어 있다. 볼트의 갯수는 변할 수 있으며, 전형적으로는 다수의 볼트 또는 포위부(18)의 외주 주위로 연장되는 고정기구 등을 포함하는 것을 인식해야 한다. 볼트(76)는 장치(10)가 압축될 때 볼트에 가해진 인장을 포함하여, 장치(10)의 상태 및 작동변수에 견딜 수 있도록 선택되어야 한다.
연결될 표면을 연결하거나 스패닝(spanning)하여 포위부의 밀봉저항을 강화하도록 포위부(12)에 밀봉부재(82)가 제공되는 것을 나타내기 위하여, 도3 및 도4의 하부절반부에는 가스켓(80)이 제공되어 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 상기 밀봉부재는 작동변수에서 사용되었을 때 그리고 장치의 작동상태하에서 누설을 제거하거나 감소시키도록 선택되어야 한다. 따라서, 여러 실시예에 있어서, 고압 및/또는 고온 밀봉부가 선택된다. 이러한 밀봉구조의 예시적인 실시예로는 유니온 카바이드에 의해 GRAFOILTM 이라는 이름으로 판매되는 그라파이트 가스켓을 들 수 있다. 본 발명에 사용되는 "밀봉부재"는 금속제 단부판 및 쉘(또는 쉘 부분)과 접촉하여 위치되거나 이들 사이에 위치되어 그 사이에 설정된 밀봉을 강화하도록 배 치되는 구조체 또는 인가된 물질을 의미한다. 인접한 멤브레인 사이, 유체도관 사이, 장착부 또는 지지체, 및/또는 포위부 내측면에 밀봉을 제공하기 위하여, 가스켓 또는 기타 다른 밀봉부재도 내부 격실(18)에 사용될 수 있다.
도2 내지 도4에 있어서, 도시된 포위부는 한쌍의 단부판(60)과 쉘(62)을 포함한다. 도4에 있어서, 단부판은 밀봉 영역(90)을 포함하며, 이러한 영역은 쉘(62)의 대응의 밀봉영역(92)과 인터페이스를 형성한다. 여러 실시예에 있어서, 단부판(60)의 밀봉영역은 외주 영역이며, 밀봉영역(90)은 본 발명에서는 단부판의 외주 영역(90)으로 자주 언급될 것이다. 그러나, 상기 외주 영역은 일반적으로 중앙 영역의 주위로 연장되는 단부판의 영역을 의미하며, 외주 부분을 지나 돌출되는 단부판의 엣지나 부가적인 부분이 있는 경우라도, 쉘의 일부와 인터페이스를 형성한다. 이와 마찬가지로, 쉘(62)의 밀봉영역(92)은 전형적으로 쉘의 단부 영역이 될 것이다. 따라서, 쉘의 밀봉영역은 쉘의 단부 영역(92)으로 자주 언급될 것이다. 그러나, 단부판(60)이 쉘(62)에 형성된 인터페이스(94)와 밀봉영역(90)을 지나 외측으로 돌출되는 부분을 갖는 것과, 상기 쉘(62)이 단부판(60) 및 이에 형성된 인터페이스를 지나 돌출되는 부분을 갖는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 이러한 부분들은 도4에 점선 (91, 93)으로 도시되어 있다.
분리된 외주 쉘(62)에 의해 연결되는 한쌍의 단부판(60) 대신에, 포위부(12)는 두 단부판의 어느 한쪽이나 양쪽에 적어도 부분적으로 일체화된 쉘을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도5에 있어서, 쉘(62)의 부분(63)은 각각의 단부판(60)과 일체로 형성된다. 다른 방식으로 도시된 바와 같이, 각각의 단부판(60)은 쉘부분 또 는 단부판의 외주 영역(90)으로부터 연장되는 컬러(63)를 포함할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 쉘부분은 인터페이스(94)에 의해 교차되는 단부 영역(92)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 단부영역은 오버랩영역 없이 서로 인접하고 있지만, 상기 인터페이스(94)가 하기에 도시 및 서술되는 바와 같이 다른 형상을 취하는 것도 본 발명의 범주내에 속한다. 단부영역(92)은 상술한 바와 같은 지지구조체(72) 등과 같은 적절한 기구를 통해 서로 고정되며; 단부영역(92)의 결합면과 함께 밀봉부재(82)를 포함할 수도 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
단부판들중 적어도 하나와 일체로 형성되는 쉘(62)의 장점은, 포위부는 밀봉되어야 할 인터페이스를 하나만 갖는다는 점이다. 이러한 장점은 파손된 밀봉부의 갯수 감소에 따른 누설감소와 부품수의 감소 및/또는 장치(10)의 조립시간 감소에 의해 실현된다. 포위부(12)의 구성에 대한 또 다른 실시예가 도6에 도시되어 있으며, 이러한 도면에 따르면 쉘(62)은 단부판들중 하나와 일체로 형성되며, 또한 단부판들중 하나의 외주 영역(90)으로부터 일체로 연장되는 쉘부분(63)과 일체로 형성된다. 상기 쉘부분(63)은 상술한 바와 같은 적절한 지지구조체(72)를 거쳐, 다른 단부판의 외주 영역(90)과 인터페이스(94)를 형성하는 단부영역(92)을 포함한다. 도5 및 도6에 도시된 조합된 단부판 및 쉘부품은 중실바아 또는 물질의 블록의 가공 등을 포함하여, 다른 적절한 기구에 의해 형성될 수 있다. 간단명료함을 도모하고자, 도5 및 도6에는 분리조립체(20) 및 입출력 포트가 도시되지 않았으며 적절한 지지구조체(72)의 비배타적인 실시예만 도시되었다. 상술한 바와 같은 포위부와 마찬가지로, 포위부의 상대적 칫수는 변할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범주에 속하는 것임을 인식해야 한다. 예를 들어, 쉘부분(63)은 도5 및 도6에 도시된 칫수 보다 길거나 짧을 수 있다.
단부판(60)에 대한 또 다른 실시예를 설명하기 전에, 장치(10)의 포위부에 사용되었던 바와 같이, "인터페이스"라는 용어는 상술한 바와 같은 지지구조체들중 하나처럼, 분리되어 형성된 후 서로 고정되는 포위부(12)의 부분들 사이로 연장되는 상호연결 및 밀봉영역을 의미한다. 인터페이스(94)의 특정한 형상 및 크기는 서로 연결된 부품의 크기, 형상 및 특성 등에 따라 변할 수 있다. 따라서, 상기 인터페이스(94)는 대응의 단부영역과 주위 영역 사이에 형성된 금속-금속 밀봉부와, 단부영역의 대응쌍들 사이에 형성된 금속-금속 밀봉부와, 금속-가스켓[또는 기타 다른 밀봉부(82)]-금속 밀봉부 등을 포함할 수도 있다. 이와 마찬가지로, 인터페이스는 선형, 아치형, 및 사각형 등과 같이 서로 연결된 부품들의 형상과 상대적 위치에 의해 주로 한정되어 다양한 형상을 취할 수 있다.
예를 들어, 도6에 있어서, 인터페이스(94)는 쉘(63)의 단부영역(92)과 단부판(60)의 주위영역(90) 사이로 연장된다. 도시된 바와 같이, 영역(90, 92)은 평행한 엣지에 의해 교차된다. 상술한 바와 같이, 가스켓 또는 기타 다른 밀봉부재는 이러한 엣지들 사이로 연장된다. 도7 내지 도10에는 본 발명의 범주에 속하는 또 다른 인터페이스(94)의 비배타적인 실시예가 도시되어 있다. 인접한 쉘영역 사이에 형성된 인터페이스(94)를 포함하는 포위부(12)의 실시예는 이러한 형상들을 취할 수 있다. 도7에 있어서, 주위영역(90)은 오목부나 코너를 형성하며, 이러한 코너 주위로 연장되는 인터페이스(94)를 형성하도록 쉘(62)의 단부영역(92)이 연장된 다. 또한, 도7에는 쉘(62)의 내부로 연장되어 오버랩영역을 한정하는, 단부판(60)의 중앙영역(96)이 도시되어 있다.
도8에 있어서, 주위영역(90)은 통상적으로 격실(18)로부터 멀어지는 방향으로 개방되는 도7의 코너와는 달리, 일반적으로 격실(18)을 향해 개방되는 코너를 형성한다. 도8에 도시된 바와 같이, 주위영역(90)은 오버랩 영역을 형성하기 위하여, 쉘(62)의 외측면(100)을 따라 적어도 부분적으로 연장되는 컬러부(98)를 포함한다. 판(60)의 중앙영역(96)은 쉘(62)의 내부로 연장되지 않고 단부영역(92)을 따라 실선과, 쉘(62)의 내부로 연장되는 점선과, 쉘(60)의 내측면(104)을 따라 적어도 부분적으로 연장되는 내부 지지체(104)를 포함하는 쇄선으로 도시되었다. 도9 및 도10은 주위영역(90)과 단부영역(92)이 서로 나선형으로 결합되고 이에 따라 대응의 나선(106, 108)을 포함한다는 점을 제외하고는 도7 및 도8과 유사하다. 도9에는 단부판(60)의 주위영역의 적절한 형태에 대한 실시예가 점선으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 단부판의 외측 엣지(110)는 쉘(62)의 외측 표면으로 또는 이를 지나 방사방향으로(또는 외측방향으로) 연장되지 않는다.
이러한 인터페이스들은 본 발명에 따라 구성된 포위부에 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 그러나, 간략함을 위하여, 포위부(12)의 모든 실시예는 이러한 각각의 인터페이스를 갖는 것으로 도시되지 않았다. 따라서, 도11 내지 도31에 도시된 단부판에 대한 일련의 서술은 도7의 인터페이스 형상으로 도시되었지만, 상기 단부판 및 대응의 쉘은 도5 및 도6을 참조하여 서술된 일체형 쉘과 마찬가지로, 서술 및/또는 도시된 인터페이스를 갖도록 형성되는 것도 본 발명의 범주내에 속한 다. 또한, 본 발명에 따라 구성된 장치는 그 어떠한 포위부 형태, 인터페이스 형태, 지지구조체 형태, 분리조립체 형태, 유동제어 및/또는 커플링 구조체, 밀봉부재 형태, 및 포트 형태라도 무방하다. 또한, 하기의 단부판 형태를 원형의 외주를 갖는 것으로 도시되었지만, 단부판이 아치형, 직선형 및 각형 등과 같은 다른 기하학적 형태를 갖는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
상술한 바와 같이, 장치(10) 및 포위부(12)의 칫수는 변할 수 있다. 예를 들어, 관형 분리조립체를 수용하도록 설계된 포위부는 혼합가스 스트림에 노출된 멤브레인의 표면적에 필적할 수 있는 표면적(즉, 동일한 양의 효과적인 멤브레인 표면적)을 제공하기 위해, 평탄형 분리조립체를 수용하도록 설계된 포위부 보다 길어야 한다(즉, 단부판 사이의 거리가 긴). 또한, 평탄형 분리조립체를 수용하도록 설계된 포위부는 관형 분리조립체를 수용하도록 설계된 포위부 보다 넓어야 한다(즉, 일반적으로 단부판에 평행하게 측정된 보다 큰 단면적을 갖도록). 그러나, 이에 한정되지 않으며, 장치 및/또는 포위부의 크기는 변할 수 있다. 포위부의 크기에 영향을 미치는 요소는 수용될 분리조립체의 형태 및 크기와, 장치가 사용될 작동변수와, 혼합가스 스트림(24)의 유동율, 가열조립체 등과 같은 장치의 형상, 장치가 사용될 연료처리기 등을 사용자의 선호에 따라 어느 정도 포함한다.
상술한 바와 같이, 수소정화 장치는 상승 온도 및/또는 압력에서 작동될 수 있다. 이러한 두 작동변수는 포위부(12)의 디자인 및 장치의 다른 부품에 영향을 미친다. 예를 들어, 400℃에서 작동되는 장치처럼, 대기온도 이상의 작동에서 작동되는 것으로 가정한다. 먼저 포위부(12)와 분리조립체(20)를 포함하는 장치는 선택된 작동온도, 특히 연장된 시간주기 및/또는 반복되는 가열 및 냉각 사이클에 견딜 수 있는 물질로 구성되어야만 한다. 또한, 가스스트림에 노출되는 물질은 불활성이거나 또는 적어도 가스와의 반응이 불리하지 않아야 한다. 적절한 물질의 실시예로는 304 스텐레스 스틸 등과 같은 스텐레스 스틸이 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다른 물질도 사용될 수 있다.
상술한 바와 같은 열안정성 및 반응안정성 이외에도, 설정의 상승 온도에서 장치(10)를 작동시키는 것은 장치를 설정의 작동온도로 가열하기 위하여 하나이상의 가열조립체를 필요로 한다. 장치가 정지, 비가열 상태로부터 초기작동될 때에는 설정의 작동온도로 장치를 가열하는 초기시동 예비가열 주기가 있다. 이러한 주기중, 장치는 다른 가스를 허용가능한 수준 이상으로 포함하는 수소풍부 스트림과, 부산물 스트림 또는 스트림들(제품 대신에 부산물로서 보다 많은 비율의 수소가스가 배출되는 것을 의미하는)에 비해 감소된 유동율을 갖는 수소풍부 스트림을 생성하거나, 또는 수소풍부 스트림을 전혀 생성하지 않는다. 장치를 가열하는 시간과 함께, 작업자는 장치를 설정의 온도로 가열하는데 필요한 열에너지를 고려해야만 한다. 가열조립체는 작동비용과, 물질비용과, 및/또는 장치의 설비비를 증가시킨다. 예를 들어, 단순화된 단부판(60)은 균일한 두께를 갖는 매우 두꺼운 슬래브 이다. 실제로, 장치의 작동변수 및 작동조건을 지지 및 견디는데는 0.5인치 또는 0.75인치의 균일한 두께를 갖는 304 스텐레스 스틸판이 적절한 것으로 판명되었다. 그러나, 이러한 판 칫수는 장치(10)의 중량을 상당히 증가시키며, 여러 실시예에서는 설정의 작동온도로 가열하기 위하여 상당한 열에너지를 필요로 한다. 본 발명의 기재에 있어서, "균일한 두께"는 그 길이를 따라 두께가 약간(5% 이하) 이탈된 장치를 포함하여, 일정하거나 적어도 실질적으로 일정한 두께를 갖는 장치를 의미한다. 이와는 달리, "가변성 두께"는 적어도 10%, 일부 실시예에서는 적어도 25%, 40%, 또는 50%로 변하는 두께를 의미한다.
장치(10)가 작동되는 압력은 포위부(12) 및 분리조립체(20) 뿐만 아니라, 장치(10)의 디자인에 의해서도 영향을 받는다. 예를 들어, 장치가 175psi의 설정압력에서 작동중인 것으로 가정할 경우, 장치(10)는 설정압력에서 작동될 때 만나게 되는 응력에 견딜 수 있도록 구성되어야만 한다. 강도에 대한 이러한 요구사항은 포위부(12)의 부품들 사이에 형성된 밀봉부 뿐만 아니라 이러한 부품들 자체에 부여된 응력에도 영향을 미친다. 예를 들어, 단부판 및/또는 쉘의 편향이나 기타 다른 변형은 격실(18)내의 가스가 포위부로부터 누설되게 한다. 이와 마찬가지로, 장치의 부품의 편향 및/또는 변형 또한 2개 이상의 가스 스트림(24, 34, 36)의 불필요한 혼합을 유발한다. 예를 들어, 단부판은 장치가 사용되는 작동변수에 노출되었을 때 소성적으로 또는 탄성적으로 변형된다. 소성 변형은 단부판의 영구적 변형을 유발하며, 그 단점이 매우 명확하게 나타난다. 그러나, 탄성 변형 또한 장치의 작동을 악화시키는데, 그 이유는 이러한 변형이 내부 및/또는 누설로 나타나기 때문이다. 특히, 단부판 또는 포위부(12)의 기타 다른 부품들의 변형에 의해 가스는 이미 유체밀봉부가 존재하였던 영역을 통과할 수 있다. 상술한 바와 같이, 장치(10)는 이와 같은 밀봉부의 누설을 감소시키기 위해 가스켓 또는 기타 다른 밀봉부재를 포함하며; 상기 가스켓은 한정된 크기를 갖기 때문에, 대향면들 사이의 누설을 효과적으로 방지하거나 제한할 수 있다. 예를 들어, 하나이상의 멤브레인 덮개 또는 멤브레인 판이 단부판들 사이에서 압축되는(가스켓이 제공되거나 제공되지 않는) 실시예에서는 내부 누설이 발생될 수 있다. 단부판이 변형되어 서로 멀어짐에 따라, 판 및/또는 가스켓은 이러한 영역에서 변형전에 이미 존재하였던 인장력이나 압축력과 동일한 힘하에 놓이지 않는다. 가스켓 또는 가스켓판은 멤브레인 덮개와, 인접한 공급판과, 단부판과, 및/또는 기타 다른 인접한 멤브레인 덮개들 사이에 위치될 수도 있다. 또한, 가스켓 또는 가스켓판은 덮개내에서의 또 다른 누설을 방지하기 위해 멤브레인 덮개내에 위치될 수도 있다.
상술한 바에 따르면 장치(10)에 대해 고려된 2개 또는 3개의 경쟁요소가 있음을 알 수 있다. 포위부(12)의 내용에 있어서, 포위부의 가열 요구사항은 포위부를 형성하기 위해 사용된 물질이 두꺼워짐에 따라 증가하려는 경향을 띈다. 두꺼운 재료를 사용면 포위부의 강도를 어느 정도 증가시킬 수 있지만, 그러나 가열 및 물질에 대한 요구사항도 증가되며, 일부 실시예에서는 얇아진 포위부에 비해 보다 큰 응력이 부여되는 영역을 실제로 생성하기도 한다. 단부판에서 관찰할 부분은 특히 인터페이스(94)를 형성하는 외주영역에서 단부판의 변형과, 단부판에 부여된 응력이다.
304 스텐레스 스틸로 제조되고 0.75인치의 균일한 두께를 갖는 원형 단부판을 가정하면 다음과 같다. 이러한 단부판의 무게는 7.5파운드 이다. 이러한 단부판이 포함된 수소정화 장치는 400℃ 및 175psi의 작동변수에 노출된다. 단부판에는 25.900의 최대 응력과, 0.0042인치의 최대 변형과, 외주영역(90)에서 0.0025인 치의 최대 변형이 부여된다.
도11 및 도12에는 본 발명에 따라 구성된 또 다른 단부판이 도면부호 120으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 단부판(120)은 내측면 및 외측면(122, 124)을 포함한다. 내측면(122)은 중앙영역(96)과 외주영역(90)을 포함한다. 외측면(124)은 중앙영역(126)과 외주영역(128)을 포함하며; 도시된 실시예에서 판(120)은 내외측면의 외주영역(90, 128) 사이로 연장되는 외주(130)를 갖는다. 상기 외주영역(90)은 밀봉영역이 외주(130)를 따라 완전히 또는 적어도 부분적으로 위치되는 형태를 포함하여, 상술한 바와 같은 형태를 취할 수 있다. 도시된 실시예에서, 외주(130)는 원형의 형태를 취하고 있다. 그러나, 이러한 형태는 직선형이나 아치형, 기하학적 선형 및/또는 코너형 등과 같이 변할 수 있으며, 이러한 것도 본 발명의 범주에 속한다.
그러나, 이전에 도시된 단부판과는 달리, 단부판의 중앙영역은 그 내측면과 외측면 사이에서 가변적인 두께를 가지며, 이러한 내용이 도12에 도시되어 있다. 균일한 물질의 슬래브와는 달리, 판(120)의 외측면은 외측의 공동을 갖는 중앙영역(126) 또는 내측면(122)상에서 일반적으로 중앙영역(96)을 향하여 판으로 연장되는 제거된 영역(132)을 포함한다. 다른 방식으로 서술하면, 상기 단부판은 비평탄한 외측면, 특히 중앙영역의 적어도 일부가 단부판 내측면의 대응의 중앙영역을 향하여 연장되는 외측면을 포함한다. 상기 영역(132)은 영역(132)을 포함하지 않는 유사하게 구성된 단부판에 비해 단부판의 전체 중량을 감소시킨다. 사용된 바와 같이, 상기 제거된 영역(132)은 단부판을 관통하여 연장되는 보어 또는 포 트는 배제된다는 것을 의미한다. 그대신에, 영역(132)은 단부판으로 연장되지만, 완전히 관통하는 것은 아니다.
중량의 감소는 단부판을 포함하는 정화 장치(10)가 영역(132)없이 유사하게 형성된 단부판을 포함하는 대응의 정화장치에 비해 가볍다는 것을 의미한다. 중량의 감소에 의해, 단부판을 설정의 작동온도로 가열하는데 인가되어야 할 열(열에너지)도 감소되게 된다. 도시된 실시예에서, 영역(132)은 외측면(124)의 표면적을 증가시킨다. 대응의 단부판에 비해 표면적이 증가된 단부판은 단부판의 열전달 표면을 증가시킨 후 단부판(120)이 내장된 장치의 가열 요구사항 및/또는 시간을 감소시킬 수 있지만, 이러한 실시예에서는 필수적인 것이 아니다.
일부 실시예에 따르면, 판(120)은 공동이 제공되지 않는 유사하게 구성된 단부판에서 최대 응력영역을 포함하거나 이에 대응하는 공동을 갖는 것으로 서술된다. 따라서, 동일한 작동변수 및 조건에 노출되었을 때 단부판에는 영역(132)이 형성되지 않는 중실 단부판에 비해 낮은 응력이 부여될 것이다. 예를 들어 두께가 균일한 중실 단부판에 있어서, 최대 응력 영역은 단부판(120)에서 제거된 영역(132)에 의해 점유된 단부판 부분 내부에서 발생된다. 따라서, 영역(132)을 갖는 단부판은 제거된 단부판에 부여될 최대 응력 영역에서 선택적으로 또는 부가적으로 응력 완화 구조체(134)를 갖는 것으로 서술된다.
비교를 위하여, 도11 및 도12에 도시된 형태를 취하며 304 스텐레스 스틸로 제조되고 직경이 6.5인치인 단부판을 가정한다. 이러한 형태는 3인치의 폭 및 길이를 갖는 제거 영역(132) 및 0.75인치의 최대 판두께에 대응한다. 400℃ 및 175psi에서 작동되는 장치(10)에 사용되었을 때, 판(120)에는 주위영역에서 0.0055인치의 변위와, 0.0078인치의 최대 편향과, 36.000psi의 최대 응력이 부여되며, 5.7파운드의 중량을 갖는다. 상술한 바와 같은 특성 및 칫수는 본 발명에 따른 단부판에 의해 경험하게 되는 중량, 응력 및 변위의 조합적인 실시예이며, 특정한 외주 형성, 구성물질, 외주 크기, 두께, 제거 영역의 형태, 제거 영역의 깊이 및 제거 영역의 외주 등은 본 발명의 범주내에서 변할 수 있음을 인식해야 한다.
도11에 있어서, 영역(132)[및/또는 응력 완화 구조체(134)]는 표면(122, 124)을 가로질러 측정된, 일반적으로 정방형이나 직선형 형태를 취한다. 상술한 바와 같이, 다른 형태 및 칫수도 사용될 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 범주에 속한다. 이러한 점을 나타내기 위하여, 도13 내지 도16에는 단부판(120)의 변형예가 도면부호 120' 및 120"으로 도시되어 있다. 이러한 도면에 있어서, 영역(132)은 원형의 외주를 갖는 것으로 도시되어 있으며, 상기 영역의 칫수는 도13 및 도14에서는 도15 및 도16 보다 작게 도시되었다.
비교를 위하여, 도13 및 도14에 도시된 단부판(120)은 도11 및 도12에 도시된 단부판과 동일한 구성물질과, 외주 및 두께를 갖는 것으로 가정한다. 그러나, 도11 및 도12의 정방형 제거영역 대신에, 단부판(120')은 외주가 원형이며 직경이 3.25인치인 제거영역을 갖는다. 단부판(120')의 중량은 단부판(120)의 중량과 동일하지만, 최대 응력 및 편향이 감소되었다. 특히 단부판(120)이 35.000psi 보다 큰 최대 응력을 갖는 반면, 단부판(120')은 30.000psi 이하의 최대 응력을 가지며, 단부판(120)에 대해 상술한 작동변수에 노출되었을 때 도시된 형태에서는 25.000psi 이하이었다. 실제로, 판(120')은 판(120)에 비해 최대 응력이 약 35% 감소된 것으로 나타났다. 판(120')의 최대 및 외주영역 편향은 판(120) 보다는 작으며, 측정된 최대 편향은 0.007인치이고, 외주영역(90)에서 측정한 편향은 0.0050인치 이었다.
도15 및 도16에 도시된 단부판(120")은 영역(132)[및/또는 구조체(134)]의 직경이 3.25인치가 아닌 3.75인치인 점을 제외하고는 단부판(120')과 유사하다. 제어영역 크기의 이러한 변화는 단부판의 중량을 5.3파운드로 감소시키고, 동일한 최대 편향을 생성한다. 단부판(120")은 단부판(120') 보다 약 5% 큰(23.500psi에 비해 24.700psi) 25.000psi의 최대 응력을 나타낸다. 외주영역(90)에서, 단부판(120")은 0.0068인치의 최대 편향을 나타낸다.
도13 내지 도16에는 예시적인 포트 형태가 도시되어 있다. 도13 및 도14에 있어서, 포트(138)는 점선으로 도시되어, 내측면(122)으로부터 단부판을 통해 외측면(124)으로 연장된다. 따라서, 이러한 형태에 의해, 가스 스트림은 장치(10)의 단부판의 외측면을 통해 분배되거나 제거된다. 이러한 형태에 있어서, 유체도관 및/또는 유동제어 및/또는 커플링 구조체(70)는 전형적으로 단부판의 외측면(124)으로부터 돌출될 것이다. 도15 및 도16에는 다른 적절한 형태가 도면부호 140으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 포트(140)는 단부판의 내측으로부터 외측면(124) 대신에 외주(130)를 통해 연장된다. 따라서, 포트(140)는 단부판의 외측면 대신에 단부판의 외주로부터 가스가 분배되거나 제거될 수 있게 한다. 포트(64-68)는 포트(138, 140)에 의해 도시된 형태를 갖는다는 것을 인식해야 한다. 물론, 상기 포트(64-68)는 쉘(62)을 통해 또는 쉘부분을 통해 연장되는 포트를 포함하여, 다른 적절한 포트 형태를 취할 수도 있다. 간단명료함을 위하여, 포트는 도5 및 도6에서도 도시되지 않은 것처럼 단부판에서도 도시되지 않는다.
도13 내지 도15에는 가이드구조체(144)가 점선으로 도시되어 있다. 상기 가이드구체(144)는 격실(18)내로 연장되며, 멤브레인(46) 처럼 분리조립체(20)를 위치 및/또는 정렬시키는데 사용되는 지지체를 제공한다. 일부 실시예에서, 가이드구조체(144) 자체는 분리조립체를 위한 장착부(52)를 형성한다. 또 다른 실시예에서, 장치는 가이드구조체(144)가 아닌 장착부를 포함한다. 도면에는 특정한 가이드구조체만 도시되었지만, 상기 가이드구조체는 본 발명에 도시된, 연합된 및/또는 서술된 그 어떤 단부판에도 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 수소정화 장치는 가이드구조체(144) 없이 형성될 수도 있음을 인식해야 한다. 격실(18)내로 연장되거나 격실을 통과하는 가이드구조체(144)를 포함하는 장치(10)의 실시예에 있어서, 이러한 구조체의 갯수는 하나의 지지체로부터 2개 이상의 지지체로 변할 수 있다. 이와 마찬가지로, 가이드구조체(144)는 원통형 리브 또는 돌출부로서 도시되었지만, 본 발명의 범주내에서 다른 형태도 사용될 수 있다.
가이드구조체(144)는 대응의 단부판과 동일한 물질로 형성된다. 선택적으로 또는 부가적으로, 상기 가이드구조체는 상이한 물질의 코팅 또는 층을 포함한다. 가이드구조체(144)는 단부판과 분리되거나 단부판에 부착될 수 있으며, 단부판과 일체로 형성될 수도 있다. 상기 가이드구조체(144)는 가이드구조체를 단부판의 내측면에 부착시키는 단계와, 부분적으로 단부판을 통하여 그 내측면으로 연장되는 보어에 가이드구조체를 삽입하는 단계와, 단부판을 관통하는 보어를 통해 가이드구조체를 삽입하는 단계 등을 포함하여, 적절한 구조에 의해 단부판에 연결될 수 있다. 단부판이 단부판을 통해 완전히 통과하는 보어를 포함하는 실시예에 있어서(도14에서는 도면부호 146으로 개략적으로 도시), 가이드구조체는 단부판에 연속적으로 고정된다. 선택적으로, 가이드구조체는 분리조립체가 적절히 정렬된 후 고정될 때까지, 격실(18)을 통해 삽입될 수 있으며, 그후 누설을 방지하기 위해 가이드구조체는 제거되고 보어는 밀봉된다(예를 들어, 용접 등에 의해).
도17 및 도18에는 본 발명에 따른 또 다른 단부판이 도면부호 150으로 도시되어 있다. 특정하지 않는한, 상기 단부판(150)은 다른 단부판에 도시된 바와 같이 요소, 차요소(subelement), 및 변형부를 포함 및 연합할 수 있다. 단부판(120')과 마찬가지로, 판(150)은 직경이 3.25인치 원형 외주를 갖는 제거영역(132)[및/또는 응력 완화 구조체(134)]이 구비된 외측면(124)을 포함한다. 외측면(124)은 중앙영역(126)으로부터 외주부분(128)으로 연장되는 외측 제거영역(152)을 부가로 포함한다. 상기 외측 제거영역(152)의 두께는 외주(130)를 향해 감소되고 있다. 도시된 실시예에서, 영역(152)의 두께는 일반적으로 선형적으로 감소되며, 상이한 선형 및 아치형 천이부가 사용된다. 예를 들어, 도19 및 도20에는 단부판(150)의 변형예가 도면부호 150'으로 도시되어 있다. 단부판(150')은 외측 제거영역(132, 152)을 포함하며, 외측면(124)은 중앙영역(126)으로부터 외주영역(128)으로 연장됨에 따라 일반적으로 세미토로이탈 형태를 취한다. 영역(외측 제거영역을 포함하는 단부판에 매립되었을 때, 중앙 제거영역으로도 언급되 는)(132)의 크기가 변화될 수 있음을 나타내기 위하여, 단부판(150')은 직경이 3인치인 중앙 제거영역을 포함한다.
비교를 위하여, 단부판(150, 150')은 단부판(120, 120', 120")에 비해 중량이 감소되었다. 판(150)의 중량은 4.7파운드이고, 판(150')의 중량은 5.1파운드 이다. 단부판(150, 150')은 상술의 작동변수(400℃ 및 175psi)에 노출되었을 때 25.000psi 이하의 최대 응력을 경험하며, 판(150')은 판(150)(25.000psi과 비교되는 23750psi) 보다 약 5% 낮은 응력을 갖는다. 판들의 최대 편향은 각각 0.0098인치 및 0.008인치이며, 외주영역(90)에서의 편향은 각각 0.0061인치 및 0.0059인치 이었다.
도21 내지 도24에는 본 발명에 따라 구성된 또 다른 단부판이 도면부호 160으로 도시되어 있다. 특정하지 않는한, 단부판(160)은 다른 단부판에 도시된 바와 동일한 요소, 차요소, 및 변형부를 포함한다. 상기 단부판(160)은 단부판의 외측면(124)으로부터 연장되는 트러스조립체(162)를 포함하기 때문에, 트러스강화 단부판으로 언급된다. 도시된 바와 같이, 단부판(160)은 도2 내지 도5에 도시된 단부판과 마찬가지로, 일반적으로 평탄한 형태를 취하는 베이스판(164)을 포함한다. 그러나, 트러스조립체(162)는 최대 응력 및 편향이 감소되지 않을 경우 이에 필적하면서 베이스판이 보다 얇은 구조를 취할 수 있게 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 도시된 그 어떤 단부라도 트러스조립체(162)를 포함하는 것은 본 발명의 범주에 포함된다.
트러스조립체(162)는 베이스판(164)의 외측면(124)으로부터 연장되며; 상기 외측면(124)으로부터 돌출되는 다수의 돌출 리브(166)를 포함한다. 도21 내지 도24에 있어서, 상기 리브(166)는 표면(124) 주위에서 방사방향으로 이격되는 것을 알 수 있다. 도21 및 도23에서는 9개의 리브(166)가 도시되었지만, 트러스조립체(162)가 이 보다 많거나 적은 갯수의 리브로 형성되는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 이와 마찬가지로, 도시된 실시예에서, 리브(166)는 아치형 형태를 취하며, 리브와 표면(124) 사이에서 연장되는 플랜지(168)를 포함한다. 상기 플랜지(168)는 열전달 핀(fin)으로 도시되는데, 그 이유는 이러한 핀이 단부판에 상당한 열전달 면적을 부가하기 때문이다. 트러스조립체(162)는 리브들을 상호연결하는 인장 컬러(170)를 부가로 포함한다. 도시된 바와 같이, 상기 컬러(170)는 표면에 평행하게 연장되며, 베이스판(164)은 개방된 중앙영역(172)을 포함한다. 컬러(170)는 폐쇄된 상태로 형성되거나, 또는 본 발명으로부터의 일탈없이 돌출된 중앙부분의 내외측에 형성된다. 이러한 점을 나타내기 위하여, 도21에서는 컬러(170)를 횡단하여 연장되는 부재(174)가 점선으로 도시되었다. 또한, 상기 컬러(170)는 도21 내지 도24에 도시된 원형이 아닌 형태로 형성될 수도 있다. 선택적으로, 베이스판(164)은 점선 영역이 제거된 경우를 도시한 형태를 포함하여, 상술한 바와 같이 베이스판이 다양한 형태를 갖는다는 것을 나타내기 위하여 도22에 부분점선으로 도시되었다.
선택적으로, 단부판은 베이스판(164)의 외측면을 지나 이격된 상태로 연장되어, 베이스판에 부가적인 강화 및/또는 강도를 제공하는 지지체(170)를 포함하는 것으로 도시되었다. 또한, 단부판(160)은 베이스판의 외측면으로 연장되는 열전달 구조체(162)를 포함하는 것으로 도시될 수도 있으며, 상기 열전달 구조체는 가열된 유체 스트림이 표면들을 통과할 수 있도록 표면(124)으로부터 이격된 표면(170)을 포함한다.
상기 트러스조립체(162)는 편향 완화 조립체의 실시예로 언급되는데, 그 이유는 베이스판(164)이 트러스조립체없이 형성될 경우 발생할 수도 있는 편향을 감소시키기 때문이다. 또한, 트러스조립체(162)는 응력 완화 구조체의 다른 실시예를 제공하는데, 그 이유는 베이스판에 부여될 수도 있는 최대 응력을 감소시키기 때문이다. 또한, 트러스조립체의 개방된 디자인은 베이스판에 상당한 중량을 부가하지 않고 베이스판의 열전달 면적을 증가시킨다.
단부판들간의 상술한 비교에 이어서, 판(160)은 상술한 단부판과 동일한 작동변수에 노출된다. 베이스판(164)에 부여된 최대 응력은 10.000psi 이하이다. 또한, 베이스판의 최대 편향은 단지 0.0061인치이고, 외주영역(90)에서의 편향은 0.0056인치 이었다. 베이스판(160)은 중량이 3.3파운드이지만, 최대 응력에서는 상당한 감소를 달성할 수 있었다. 또한, 작은 최대 응력 변위 및 이에 필적하거나 감소된 외주 변위를 경험한 베이스판(164)은 0.25인치 두께의 베이스판을 포함한다. 물론, 판(160)은 두꺼운 베이스판으로 구성될 수도 있지만, 검사된 판은 사용될 작동변수하에서 충분히 강하고 단단한 것으로 판명되었다.
상술한 바와 같이, 포위부(12)는 한쌍의 단부판(60)과 외주 쉘을 포함한다. 도25에 있어서, 한쌍의 단부판(160)으로 형성된 포위부의 실시예는 단지 예시적인 것으로서 도면부호 180으로 도시되었다. 포위부(180)가 한쌍의 트러스강화 단부판(160)을 포함하더라도, 포위부가 상이한 구성 및/또는 형상을 갖는 단부판을 구비하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 실제로, 일부 작동환경에서는 포위부(12)를 2가지 다른 형태의 단부판으로 형성하는 것이 바람직한 경우가 있다. 또 다른 작동환경에서는 단부판이 동일한 구성을 갖는 것이 바람직한 경우도 있다.
도26 및 도27에는 포위부의 또 다른 실시예로서 단부판(120"')을 포함하는 포위부가 도시되어 있다. 상기 단부판(120"')은 제거영역의 형태 및 크기가 본 발명의 범주내에서 변화될 수 있다는 것을 나타내기 위하여, 제거영역(132)이 4인치의 직경을 갖는다는 점을 제외하고는 도13 내지 도16과 동일한 형태를 취한다. 두 단부판은 이로부터 일체로 연장되는 쉘부분(63)을 포함하므로, 도시된 그 어떤 단부판이라도 이로부터 일체로 연장되는 쉘부분(63)을 포함한다는 것을 나타내게 된다. 도시된 그 어떤 단부판이라도 트러스조립체(또는 열전달 구조체)(162) 및/또는 돌출 지지체(170) 또는 편향 완화 구조체를 포함한다는 것을 나타내기 위하여, 부재(194)는 단부판의 외측면(124)으로부터 이격된 형태로 제거영역(132)을 횡단하여 돌출된 상태로 도시되어 있다.
포위부는 단부판의 외측면으로 연장되는 대응의 구조체와는 대향인 또는 이러한 구조체와 함께 격실(18)로 연장되는 응력 및/또는 편향 완화 구조체를 포함하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 도28 내지 도30에 있어서, 단부판(60)은 이러한 구조체의 실시예들을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 도28에서, 단부판(60)은 단부판의 내측면(122)으로부터 단부판으로 연장되는 제거영역(132)을 포함한다. 상기 영역(132)은 베이스판의 외측면으로 연장되는 제거영역에 대해 서 술된 그 어떤 형태라도 취할 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 도28에서 점선으로 도시된 지지체(170)는 단부판에 부가적인 지지 및/또는 강성을 제공하기 위해 영역(132)을 횡단하여 연장되는 것으로 도시되었다. 도29에 있어서, 단부판(60)은 격실의 다른쪽 단부에서 단부판을 대응의 단부판과 상호연결하기 위해, 격실(18)로 연장되는 내측 지지체(196)를 포함한다. 상술한 바와 같이 가이드구조체(144)는 지지체 등을 형성한다. 도30에는 내측으로 돌출되는 트러스조립체(162)가 도시되어 있다.
본 발명에 있어서 기본적이거나 필수적이지는 않지만, 일부 실시예에서 장치(10)는 단부판(60)과 동일한 물질의 균일한 두께를 갖는 중실 슬래브로 형성되어 동일한 작동변수에 노출되는 단부판에 비해, 하기에 같은 적어도 하나의 특성 또는 특성들의 조합을 나타내는 단부판(60)을 포함한다.
- 돌출 트러스조립체;
- 내측으로 돌출되는 지지체;
- 외측으로 돌출되는 지지체;
- 외측의 제거영역;
- 내측의 제거영역;
- 일체형 쉘부분;
- 일체형 쉘;
- 감소된 질량 및 감소된 최대 응력;
- 감소된 질량 및 감소된 최대 변위;
- 감소된 질량 및 감소된 외주 변위;
- 감소된 질량 및 증가된 열전달 면적;
- 감소된 질량 및 내측으로 돌출되는 지지체;
- 감소된 질량 및 외측으로 돌출되는 지지체;
- 감소된 최대 응력 및 감소된 최대 변위;
- 감소된 최대 응력 및 감소된 외주 변위
- 감소된 최대 응력 및 증가된 열전달 면적;
- 감소된 최대 응력 및 돌출된 트러스조립체;
- 감소된 최대 응력 및 제거영역;
- 감소된 최대 변위 및 감소된 외주 변위;
- 감소된 최대 변위 및 증가된 열전달 면적;
- 감소된 외주 변위 및 돌출된 트러스조립체;
- 감소된 외주 변위 및 제거영역;
- 1500 lb/psi 이하의 질량/최대 변위율
- 750 lb/psi 이하의 질량/최대 변위율
- 500 lb/psi 이하의 질량/최대 변위율
- 2000 lb/psi 이하의 질량/외주 변위율
- 1500 lb/psi 이하의 질량/외주 변위율
- 1000 lb/psi 이하의 질량/외주 변위율
- 800 lb/psi 이하의 질량/외주 변위율
- 600 lb/psi 이하의 질량/외주 변위율
- 적어도 6 in2/파운드의 단면적/질량 비율
- 적어도 7 in2/파운드의 단면적/질량 비율
- 적어도 10 in2/파운드의 단면적/질량 비율
상술한 바와 같이, 포위부(12)는 적절한 장착부(52)에 의해 포위부내에 지지되는 하나이상의 분리 멤브레인(46) 등과 같이, 분리조립체(20)를 수용하는 내부 격실(18)을 포함한다. 도2 및 도4에 도시된 예시적인 실시예에서, 상기 분리조립체(46)는 별개의 평탄형 또는 관형 멤브레인으로 도시되었다. 상기 멤브레인들은 쌍으로 형성되어, 그 사이에 투과영역(32)을 형성하도록 배치되는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 이러한 형태에 있어서, 멤브레인 쌍은 멤브레인 덮개로 언급되며, 이들은 수집도관 또는 유동 통로의 형태로 공통의 투과영역(32)을 한정하여 그 사이로 연장되며, 이로부터 수소풍부 스트림(34)이 수집된다.
도31에는 멤브레인 엔빌로트(200)가 도시되어 있다. 멤브레인 쌍은 평탄형 덮개 및 관형 덮개처럼 다양한 형태를 취할 수 있다. 또한, 멤브레인은 단부판에 대해 또는 중앙통로 주위 주위에서처럼 독립적으로 지지된다. 하기의 서술 및 이와 연관된 서술은 하나이상의 멤브레인 덮개(200)를 포함하는 분리조립체에 대해 이루어지는 것을 인식해야 한다. 엔빌로프를 형성하는 멤브레인은 2개의 분리된 멤브레인이거나 또는 접혀지거나 롤링된 단일의 멤브레인일 수 있으며, 또는 2개의 멤브레인 영역이나 표면(202)을 형성하는 형태를 취할 수 있으며, 이러한 표면은 서로를 향하도록 지향되어 그 사이에 도관(204)을 형성하므로써 수소풍부 투과가스가 수집되어 배출되는 투과 표면을 포함한다. 도관(204) 그 자체는 투과영역(32)을 형성하며; 본 발명에 따른 장치(10)는 다수의 멤브레인 덮개(200)와, 투과영역(32)을 수집가능하게 형성하는 대응의 도관(204)을 포함한다.
높은 공급압력으로부터 멤브레인을 지지하기 위하여, 지지체(54)가 사용된다. 상기 지지체(54)는 멤브레인(46)을 통해 투과된 가스가 이를 통과하여 흐를 수 있게 한다. 지지체(54)는 멤브레인의 투과표면(50)이 지지되는 표면(211)을 포함한다. 멤브레인 덮개르 형성하는 한쌍의 멤브레인에 있어서, 지지체(54)는 수집도관(204)을 형성하는 것으로 도시되었다. 도관(204)에 있어서, 투과가스는 도31에 개략적으로 도시된 바와 같이 가스가 통과하는 멤브레인 표면에 평행하게 또는 이를 횡단하여 흐르는 것이 바람직하다. 적어도 부분적으로 순수 수소가스인 투과가스는 수소풍부 스트림(34)을 형성하기 위하여, 덮개로부터 수집되거나 배출된다. 멤브레인이 지지체에 놓여지기 때문에, 상기 지지체는 수소선택 멤브레인을 통한 가스흐름을 방해하지 않는 것이 바람직하다. 멤브레인을 통과하지 않는 가스는 도31에 개략적으로 도시된 바와 같이 하나이상의 부산물 스트림(36)을 형성한다.
멤브레인 덮개(200)를 위한 지지체(54)의 적절한 실시예가 도32에 스크린구조체(210)의 형태로 도시되어 있다. 스크린구조체(210)는 다수의 스크린부재(212)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 상기 스크린구조체는 미세한 메시스크린(216) 사이에 샌드위치된 거친 메시스크린(214)을 포함한다. 상기 "미세한" 및 "거친"이라는 용어는 상대적인 용어임을 인식해야 한다. 외측 스크린부재는 멤브레인을 관 통하지 않고 또한 충분한 개구를 갖지 않고 멤브레인(46)을 지지하도록 선택되는 것이 바람직하며, 관통할 수도 있는 엣지 또는 기타 다른 돌출부는 장치(10)가 작동되는 작동조건하에서 멤브레인을 약화시키거나 손상시킬 것이다. 스크린구조체는 투과된 가스흐름을 멤브레인에 평행하게 제공할 필요가 있기 때문에, 강화되거나 대형인 평행 흐름도관을 제공하기 위해서는 매우 거친 내측 스크린부재를 사용하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 미세한 메시스크린은 멤브레인을 양호하게 보호하며, 거친 메시스크린은 일반적으로 흐름을 멤브레인에 평행하게 제공하며, 일부 실시예에서는 미세한 메시스크린 보다 강하거나 가요성이 덜하도록 선택되어야 한다.
스크린부재는 도32에 사용된 스크린부재와 유사하거나 동일한 구성을 취할 수도 있으며, 이러한 스크린부재 보다 많거나 적은 갯수가 사용될 수 있다. 지지체(54)는 수소정화 장치 및 장치(10)가 사용되는 기타 다른 장치의 작동을 악화시키지 않는 내식성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 금속 스크린부재에 적절한 물질로는 800HTM 등의 인코넬TM 합금, 하스텔로이TM 합금, 모넬TM 등의 구리 및 니켈의 합금을 포함하여, 스텐레스 스틸, 티타늄 및 그 합금, 지르코늄 및 그 합금, 내식성 합금이 포함된다. 상기 하스텔로이TM 합금 및 인코넬TM 합금은 니켈계 합금이다. 인코넬TM 합금은 전형적으로 철과 크롬이 합금된 니켈을 포함한다. 모넬TM 합금은 전형적으로 니켈, 구리, 철 및 망간의 합금이다. 지지체(54)를 위한 또 다른 실시예는 다공성 세라믹, 다공성 카본, 다공성 금속, 세라믹 발포체, 카본 발포체, 금속 발포체, 하나이상의 스크린부재(212) 또는 이와의 조합체를 포함한다. 또 다른 실시예로서, 스크린부재의 일부 또는 전부는 직조된 메시물질 대신에 팽창금속으로 형성된다.
멤브레인 덮개 제조시, 멤브레인(46)을 스크린구조체에 고정하거나 및/또는 스크린구조체(210)의 부품들을 서로 고정하기 위하여, 상기 미국 특허출원 제09/812.499호에 상세히 개시된 바와 같이 접착제가 사용된다. 도32에서 접착제(218)는 점선으로 도시되었다. 적절한 접착제의 실시예로는 쓰리엠에 의해 슈퍼77이라는 상표명으로 판매되고 있다. 전형적으로, 상기 접착제는 멤브레인 덮개의 유동 통로와, 선택성과, 투과성을 간섭하지 않도록 멤브레인 덮개의 제조후 실질적으로 제거되지만, 완전히 제거되지 않아도 무방하다. 멤브레인 및/또는 스크린구조체 또는 기타 다른 지지체로부터 접착제를 제거하는 적절한 방법의 실시예로는 장치(10)를 시동하기 전에 산화조건에 노출시키는 것이다. 산화조건의 목적은 팔라듐 합금 멤브레인을 과도하게 산화시키지 않고 접착제를 태우기 위한 것이다. 이러한 산화에 적절한 처리과정이 미국 특허출원 제09/812.499호에 개시되어 있다.
스크린지지체(210)를 포함하여, 지지체(54)는 도32에 쇄선으로 도시된 바와 같이 멤브레인(46)과 결합하는 표면(71)상에 코팅(219)을 포함한다. 코팅의 적절한 실시예로는 알루미늄 산화물, 텅스텐 탄화물, 텅스텐 질화물, 티타늄 탄화물, 티타늄 질화물 및 이들의 혼합물이 포함된다. 이러한 코팅들을 일반적으로 수소하에서의 분해에 대해 열역학적으로 안정하다는 것을 특징으로 한다. 코팅으로서 인 가될 수 있으며, 수소정화 장치가 작동될 작동변수에서 수소하에서의 분해에 대해 열역학적으로 안정한 산화물, 질화물, 탄화물 또는 금속간 화합물로부터 적절한 코팅이 형성된다. 이러한 코팅을 스크린이나 팽창금속에 인가하는 적절한 방법은 화학 증착, 스퍼터링, 열 증발, 열 분무 등이 포함되며, 적어도 알루미늄 산화물인 경우는 알루미늄 산화물을 제공하기 위해 금속의 산화에 이어 금속(예를 들어, 알루미늄)의 침착 등이 포함된다. 적어도 일부 실시예에서, 코팅은 수소선택 멤브레인과 스크린구조체 사이에서 금속간 확산을 방지한다.
도시 및 서술된 수소정화 장치(10)는 전형적으로 혼합가스 스트림이 분배되고 수소풍부 및 부산물 스트림이 제거되는 적절한 입출력 포트와 함께, 하나이상의 멤브레인 덮개(200)를 포함한다. 일부 실시예에서, 장치는 다수의 멤브레인 덮개를 포함할 수도 있다. 장치가 다수의 멤브레인 덮개를 포함할 때, 제1멤브레인 덮개로부터 투과 스트림이나 부산물 스트림 또는 이 두 스트림 모두는 또 다른 정화를 위하여 다른 멤브레인 덮개로 전송된다. 덮개(들)와 이와 연관된 포트, 지지체, 도관 등은 멤브레인 모듈로서 언급된다.
특정의 장치(10)에 사용된 멤브레인 덮개(200)의 갯수는 혼합가스 스트림(24)의 공급율에 따른 정도에 의존한다. 예를 들어, 4개의 덮개(200)를 포함하는 멤브레인 모듈(220)은 약 20 리터/분 이라는 유동율로 장치(10)에 분배된 혼합가스 스트림에 효과적인 것으로 판명되었다. 상기 유동율이 증가할 때, 멤브레인 덮개의 갯수는 일반적으로 선형인 상태로 증가한다. 예를 들어, 30 리터/분 의 유동율로 혼합가스 스트림(24)을 수용하는 장치(10)는 6개의 멤브레인 덮개를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 덮개 갯수는 예시적인 것으로서, 이보다 많거나 적은 갯수의 덮개가 사용될 수 있다. 예를 들어, 사용된 덮개의 갯수에 영향을 미치는 요소는 멤브레인을 통하는 수소 플럭스, 멤브레인의 유효표면적, 혼합가스 스트림(24)의 유동율, 수소풍부 스트림(34)의 희망 순도, 혼합가스 스트림(24)으로부터 가스가 제거되는 희망 효율, 사용자 선호도, 장치 및 격실(18)의 가용 칫수 등을 포함한다.
필수적인 사항은 아니지만, 멤브레인 덮개(200)에 내장되어 있는 멤브레인과 스크린구조체는 프레임 부재(230) 또는 밀봉과 지지 및/또는 멤브레인 덮개의 상호연결용 판을 포함한다. 도33에는 프레임 부재(230)의 적절한 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 스크린구조체(210)는 투과 프레임(230) 형태로 프레임 부재(230)에 끼워진다. 상기 스크린구조체 및 프레임(232)은 종합적으로 스크린판 또는 투과판(234)으로 언급된다. 스크린구조체(210)가 팽창금속 부재를 포함할 때, 상기 팽창금속 스크린부재는 투과 프레임(232)내에 끼워지거나 프레임 표면 위로 적어도 부분적으로 연장된다. 프레임 부재(230)의 또 다른 실시예로는 지지프레임, 공급판 및/또는 가스켓을 포함한다. 이러한 프레임, 가스켓 또는 기타 다른 지지구조체는 2개 이상의 멤브레인 덮개가 내장된 분리조립체(20)의 실시예에서 멤브레인 덮개들을 상호연결하는 유체도관을 적어도 부분적으로 형성한다. 가스켓의 적절한 실시예로는 유니온 카바이드에 의해 그라포일TM 이라는 상표명으로 판매되는 것을 포함하여, 가요성 그라파이트 가스켓을 들 수 있으며; 장치(10)가 사용되는 작동조건에 따라, 이 외의 다른 물질도 사용될 수 있다.
예시적인 프레임부재(230)의 서술에 이어, 투과 가스켓(236, 236')은 또 다른 접착제를 얇게 인가하므로써 상기 투과 프레임(232)에 부착되지만, 이에 한정되지 않는다. 이어서, 멤브레인(46)은 분무, 또는 접착제를 멤브레인 및/또는 스크린구조체의 어느 한쪽 또는 전부에 인가하는 등의 처리에 의해, 접착제를 얇게 인가하므로써 스크린구조체(210)에 지지되거나 부착된다. 멤브레인이 평탄하거나 대응의 스크린부재(212)에 단단히 부착되는 것을 보장하기 위해 세심한 주의가 요망된다. 접착제를 얇게 인가하므로써, 공급판 및 가스켓(238, 238')은 가스켓(236, 236')에 선택적으로 부착된다. 그후, 최종적인 멤브레인 덮개(200)가 적절한 장착부(52)에 의해 격실(18)내에 위치된다. 선택적으로, 격실(18)내에서는 2개 이상의 멤브레인 덮개가 적층되거나 지지된다.
또 다른 실시예에서, 각각의 멤브레인(46)은 도34에 도시된 바와 같이 금속 프레임(240)과 같은 프레임부재(230)에 고정된다. 이럴 경우, 멤브레인은 예를 들어 초음파용접이나 기타 다른 부착기구에 의해 프레임에 고정된다. 멤브레인-프레임 조립체는 접착제를 사용하여 스크린구조체(210)에 부착되지만, 이에 한정되지 않는다. 멤브레인 덮개(200)를 형성하는 기밀식 밀봉부를 달성하는 부착기구의 다른 실시예는 멤브레인 덮개들 사이와 마찬가지로, 브레이징(brazing), 가스켓팅(gasketing), 및 용접을 한가지 이상 포함한다. 부착된 프레임과 멤브레인은 총칭적으로 멤브레인 판(242)으로 언급된다. 상술한 바와 같은 다양한 프레임은 모두 동일한 물질로 형성될 필요가 없으며 프레임은 동일 두께 및 동일 칫수를 가질 필요도 없다. 예를 들어, 투과 및 공급 프레임은 스텐레스 스틸 또는 다 른 적절한 구조적 부재로 형성되며, 멤브레인 판은 구리, 그 합금, 및 상술한 바와 같은 특허출원 및 특허명세서에 개시된 다른 물질로 형성될 수도 있다. 선택적으로, 멤브레인 판은 공급 및/또는 투과 판 보다 얇지만, 이에 한정되지 않는다.
멤브레인 덮개(200)를 통과한 유체 흐름의 적절한 형상이 도33에 도시된 덮개(200)의 실시예를 참조로 서술되었다. 도시된 바와 같이, 혼합가스 스트림(24)은 멤브레인 덮개로 분배되어, 멤브레인(46)의 외측면(50)과 접촉한다. 멤브레인을 투과하는 수소풍부 가스는 수집도관(204)으로 인입된다. 상기 수집도관은 도관(250)과 유체연결되어 있으며, 이를 통해 투과 스트림이 멤브레인 덮개로부터 배출될 수 있다. 멤브레인을 통과하지 않는 혼합가스 스트림의 일부는 도관(252)으로 흐르며, 이를 통해 이러한 가스가 부산물 스트림(36)으로서 배출된다. 도33에는 단일의 부산물 도관(252)이 도시되어 있으며, 도34에서 한쌍의 도관(252)은 상술한 그 어떤 도관이라도 하나이상의 유체 통로를 포함한다는 것을 나타내도록 도시되었다. 스트림(34, 36)의 흐름을 표시하기 위해 사용된 화살표는 개략적으로 도시되었으며; 특정한 멤브레인 덮개(200)의 형상, 모듈(220) 및/또는 장치(10)에 따라, 도관(250, 252)을 통과하는 흐름 방향은 변할 수 있다.
도35에는 적절한 멤브레인 덮개(200)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 단부판(60) 및 쉘(62)이 다양한 형상을 취한다는 것을 나타내기 위하여, 덮개(200)는 일반적으로 직사각형 형태를 취하는 것으로 도시되었다. 도35의 덮개는 한쌍의 부산물 도관(252)과 한쌍의 수소 도관(250)을 구비한 멤브레인 덮개의 다른 실시예를 제공한다. 도시된 바와 같이, 덮개(200)는 공급부, 스페이서, 덮개에서 최외측 프 레임으로서 판(238)을 포함한다. 일반적으로, 각각의 판(238)은 내측 개방영역(262)을 형성하는 프레임(260)을 포함한다. 각각의 내측 개방영역(262)은 도관(252)에 측방향으로 연결된다. 그러나, 상기 도관(250)은 개방영역(262)에 인접하고 있기 때문에, 수소풍부 스트림(34)을 이격시킨다. 멤브레인 판(242)은 판(238)의 내측에 인접하게 놓인다. 멤브레인 판(242)은 그 중앙부에 수소선택 멤브레인(46)을 포함하며, 이것은 개략적으로 도시된 외측 프레임(240)에 고정된다. 판(242)에 있어서, 모든 도관은 멤브레인(46)에 인접하게 놓인다. 각각의 멤브레인은 대응하는 하나의 개방영역(262)에 인접하여 즉, 덮개에 도달하는 혼합가스의 흐름에 인접하여 놓인다. 이것은 수소가스가 멤브레인을 통과할 기회를 제공하며; 비투과가스 즉, 부산물 스트림(36)을 형성하는 가스는 도관(252)을 통해 개방영역(262)을 남긴다. 스크린판(234)은 중간부재(46) 및/또는 멤브레인 판(242)에 즉, 각각의 멤브레인(46)의 투과측이나 내측에 위치된다. 스크린판(234)은 스크린구조체(210) 또는 기타 다른 적절한 지지체(54)를 포함한다. 도관(252)은 스크린판(234)의 중앙영역에 인접하게 놓이므로, 부산물 스트림(36)과 혼합가스 스트림(24)을 수소풍부 스트림(34)으로부터 이격시킨다. 도관(250)은 스크린판(234)의 내측 영역으로 개방된다. 인접한 멤브레인(46)을 통과한 수소가스는 스크린구조체(210)를 따라 스크린구조체 및 도관(250)을 통과하며, 궁국적으로는 수소풍부 스트림(34)으로서 출구포트로 이동한다.
상술한 바와 같이, 장치(10)는 쉘(62)의 내부에 단일의 멤브레인(46)과, 쉘(62)의 내부에 다수의 멤브레인과, 쉘(62)이 내부에 하나이상의 멤브레인 덮개와 및/또는 분리조립체(20)를 포함한다. 도36에 있어서, 도34와 유사한 멤브레인 덮개(200)는 이러한 점을 나타내기 위하여 쉘(62)의 내부에 위치되도록 도시되었다. 상기 덮개(200)는 다수의 멤브레인 덮개 및/또는 단일의 멤브레인 판(242)을 포함하는 멤브레인 모듈(220)을 개략적으로 제공하고 있음을 인식해야 한다. 또한, 가이드구조체(144)의 적절한 위치에 대한 실시예도 도시되었다. 상술한 바와 같이, 구조체(144)는 내측 포트(196)의 실시예를 제공한다. 도36은 포트(64-68)에 적절한 위치의 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 본 발명에 따른 단부판이 내장된 장치(10)내에서 멤브레인 판 및/또는 멤브레인 덮개의 적절한 위치를 도시하기 위하여, 도37 및 도38은 멤브레인 판(242)과, 멤브레인 덮개(200)와, 도13-14 및 도21-25에 도시된 단부판을 포함하는 장치(10)내에 위치된 멤브레인 모듈(220)을 쇄선으로 도시하고 있다.
쉘(62)은 단부판을 상호연결하여 내부 격실(18)을 형성하는 것으로 도시되어 있다. 쉘이 다수의 상호연결된 판(230)으로 형성되는 것도 본 발명의 범주내에 속한다. 예를 들어, 하나이상의 멤브레인 덮개(200)를 포함하는 멤브레인 모듈(220)은 쉘(62)을 형성하는데, 그 이유는 각각의 판의 외주영역이 그 사이에 유체기밀식 또는 적어도 유체밀봉식 밀봉부를 형성하기 때문이다. 이러한 구조의 실시예가 도39에 도시되어 있으며, 이러한 도면에는 3개의 멤브레인 덮개(200)를 포함하는 멤브레인 모듈(220)이 도시되어 있다. 멤브레인 덮개의 갯수는 단일의 덮개 또는 심지어 단일의 멤브레인 판(242)으로부터 12개 이상까지도 변할 수 있다. 도39에서, 단부판(60)은 원형 이외의 형태도 본 발명의 범주내에 속하는 것임을 나타내기 위해 사각형태를 취하는 것으로 도시되었다. 상기 개략적으로 도시된 단부판(60)은 상술한 그 어떤 단부판 형태라도 취할 수 있음을 인식해야 한다.
본 발명에 따른 장치의 수소정화 장치 부품의 제조방법 및 구성물질의 적절한 실시예가 서술되었다. 이러한 실시예는 예시적인 것으로서 다른 물질 및/또는 방법도 사용될 수 있다. 예를 들어, 상술한 여러 실시예에 있어서, 선택된 방법 및/또는 물질에 대한 안내를 제공하기 위해 바람직한 특징이나 특성이 제공된다. 이러한 안내는 단지 예시적인 것으로서, 모든 실시예에 기본적으로 해당되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 수소투과 및/또는 수소선택 멤브레인(46)을 포함하는 분리조립체가 구비된 장치(10)의 실시예에 있어서, 멤브레인(46)에 적절한 물질로는 팔라듐 및 팔라듐 합금이 있다. 상술한 바와 같이, 멤브레인은 상술한 프레임(240), 지지체(54) 및 스크린구조체(210) 등과 같이, 프레임 및/또는 지지체에 의해 지지된다. 또한, 장치(10)는 상승 온도 및 압력을 포함하는 설정의 작동변수로 작동된다. 이러한 용도에 있이서, 장치는 전형적으로 시동 또는 초기 작동상태에서 시동되며, 이때 장치는 대기 압력 및 약 25℃의 온도 처럼 전형적으로 주위 온도 및 압력으로 유지된다. 이러한 상태로부터, 장치는 200℃ 이상의 온도와 같은 설정의 작동변수와 50psi 이상의 설정 작동압력으로, 가열[가열조립체(42)에 의해] 및 압축된다(적절한 기구에 의해).
장치(10)가 가열될 때, 장치의 부품은 팽창될 것이다. 부품이 팽창하는 정도는 주로 부품을 형성하고 있는 물질의 열팽창계수(CTE)에 의해 결정된다. 따라 서, 이러한 CTE의 편차로 인해 부품이 상이한 비율로 팽창되고, 이에 따라 부가적으로 인장이나 압축이 가감된다.
예를 들어, 60중량%의 팔라듐과 40중량%의 구리를 갖는 합금(Pd-40Cu)을 가정하자. 이러한 멤브레인은 14.9(㎛/m)/℃의 열팽창계수를 갖는다. 또한, 멤브레인은 구조적 프레임(230) 또는 기타 다른 장착부에 고정되어, Pd-40Cu 와는 상이한 CTE를 갖는 물질이나 멤브레인(46)을 형성하는 물질로 형성된 지지체(54)에 대해 유지된다. 이러한 부품들이 사용되는 장치(10)가 주위 또는 휴지 형태로부터 가열될 때, 부품들은 상이한 비율로 팽창될 것이다. 전형적으로, 장치(10)는 적어도 200℃의 온도범위내에서, 주로 적어도 250℃, 300℃ 또는 이 이상의 온도범위에서 열역학적으로 순환된다. 만일 멤브레인의 CTE가 인접한 구조적 부품의 CTE 보다 작을 경우, 멤브레인은 부품이 가열됨에 따라 펼쳐지려는 경향을 띄게 될 것이다.
이러한 초기 펼쳐짐과 함께, 수소정화 장치는 사용을 위해 가열된 후 냉각됨에 따라 전형적으로 열사이클링을 경험할 것으로 여겨지며, 사용하지 않을 때는 냉각된 후 재가열되고 다시 냉각된다. 이러한 적용에 있어서, 펼쳐진 멤브레인은 멤브레인과 기타 다른 구조적 부품(들)이 냉각되면서 그 본래의 형태로 압축됨에 따라 주름이 잡힌다.
한편, 만일 멤브레인의 CTE가 인접한 구조적 부품의 CTE 보다 크다면, 멤브레인은 장치의 가열중 압축되려는 경향을 띄며, 이러한 압축은 멤브레인의 주름을 초래할 것이다. 냉각중 또는 부품들의 냉각중, 멤브레인은 그 본래의 형태로 되돌아온다.
예시적인 실시예로서, 도34에 도시된 멤브레인 판(242)을 가정하자. 만일 멤브레인(46)의 CTE가 프레임부재(230)의 CTE 보다 크다면, 그리고 이것이 전형적으로 멤브레인(46)과는 상이한 조성물을 갖는다면, 멤브레인은 프레임 가열시보다 빨리 확장되려는 경향을 띈다. 따라서, 프레임(230)으로부터 멤브레인에 압축력이 가해지고, 이러한 힘은 멤브레인에 주름을 생성하게 될 것이다. 이와는 달리, 만일 멤브레인(46)의 CTE가 프레임(230)의 CTE 보다 적다면, 프레임은 멤브레인(46)이 가열될 때 보다 빨리 팽창될 것이다. 이러한 상황이 발생되면, 멤브레인에 팽창력이 부여되고, 프레임의 팽창은 기본적으로 멤브레인을 펼칠 것이다. 프레임과 멤브레인이 동일하거나 또는 기본적으로 동일한 CTE를 갖는 실시예에 비해, 이러한 상황은 바람직하지 않으며, 오히려 일부 실시예에서는 멤브레인에서의 주름 생성이 적기 때문에 이전의 실시예가 훨씬 바람직하다.
멤브레인(46)의 주름은 특히 피로화된 멤브레인에서 주름을 따라 멤브레인에 구멍과 균열을 초래한다. 2개 이상의 주름이 교차하는 영역에서, 구멍 및/또는 균열의 가능성이 증가하는데, 그 이유는 멤브레인의 일부가 적어도 2개의 다른 방향으로 주름지기 때문이다. 이러한 구멍과 균열은 수소가스에 대해 선택적이지 않은 대신에 혼합가스 스트림의 모든 성분을 통과하게 하기 때문에, 수소가스를 위한 멤브레인의 선택성을 약화시키는 것을 인식해야 한다. 멤브레인의 반복되는 열사이클링중, 이러한 손상 포인트나 영역은 크기를 크게 하려는 경향을 띄기 때문에, 수소풍부 또는 투과 스트림의 순도를 더욱 감소시킨다. 또한, 이러한 주름은 멤브레인과 직접 접촉하고 있어 멤브레인-접촉부 또는 구조체로 언급되는 장치(10)의 부 분, 또는 멤브레인과 접촉하지 않지만 팽창 및/또는 냉각에 따라 멤브레인으로 전송되는 힘을 부여하는 장치의 다른 부분으로부터 멤브레인에 가해진 힘에 의해 유발되는 것을 인식해야 한다. 상기 멤브레인-접촉 구조체의 실시예로는 멤브레인이 실제로 고정되지 않았거나 장착되지 않은 경우에도, 멤브레인이 장착되거나 이에 의해 멤브레인(46)이 접촉하는 프레임 또는 장착부(52, 54)를 들 수 있다. 적어도 일부 실시예에서 멤브레인(46)에 주름유발력을 부여하는 장치(10)의 부분에 대한 실시예는 포위부(12)와, 하나이상의 단부판(60) 및/또는 쉘(62)을 예로 들 수 있다. 다른 실시예에서는 단부판과 프레임 또는 멤브레인을 위한 기타 다른 장착부 사이와, 다수의 멤브레인을 포함하는 장치(10)의 실시예에서는 인접한 프레임이나 기타 다른 장착부 또는 멤브레인을 위한 장착부 사이에서 스페이서와 가스켓을 포함한다.
멤브레인과 인접한 구조적 부품들 사이에서 CTE의 편차로 인한 멤브레인 손상을 보호하기 위한 한가지 방법은 멤브레인과 접촉하고 충분한 경도를 갖거나 멤브레인에 압축력이나 인장력을 부여하여 멤브레인을 주름지게 하는 구조체를 갖는 장치(10)의 부품과 멤브레인 사이에 변형가능한 가스켓을 위치시키는 것이다. 예를 들어, 도33에 있어서, 멤브레인(46)은 공급판(238)과 투과가스켓(236) 사이에 샌드위치된 상태로 도시되어 있으며, 상기 공급판과 투과가스켓은 변형가능한 물질로 형성된다. 이러한 실시예에서는 상술한 바와 같은 구성에 의해, 변형가능한 가스켓은 멤브레인(46)상에 발휘될 수도 있는 압축력이나 인장력의 적어도 상당부분을 완화시키거나 흡수한다.
프레임이 변형가능한 물질(즉, 힘이 가해졌을 때 압축되거나 팽창되고 이러한 힘이 제거되면 본래의 형태로 복귀하려는 탄성물질)로 형성되지 않은 실시예에서, 멤브레인(46)이 멤브레인(46)에 인장력이나 압축력을 발휘하는 조성물 및/또는 두께를 갖는 판(242)에 장착될 때, 지지체(54)가 멤브레인(46)에 접합될 때(또는 설정의 작동압력으로 고정될 때), 다른 접근방법이 선택적으로 사용될 수 있다. 특히, 멤브레인의 내구성은 주름 형성력인 인장력이나 압축력을 멤브레인(46)이 형성되는 물질의 CTE와 동일하거나 이와 유사한 CTE를 갖는 물질로 이루어진 멤브레인(46)에 가하는 장치의 성형부품에 의해 증가된다.
예를 들어, 304 스텐레스 스틸은 17.3의 CTE를 가지며, 316 스텐레스 스틸은 Pd-40Cu 보다 15% 큰 CTE를 가지며, 316 스텐레스 스틸은 Pd-40Cu 보다 8% 큰 CTE를 갖는다. 이것은 이러한 물질이 다양한 지지체, 프레임, 판, 쉘 등의 부품에 사용되지 않음을 의미하는 것이 아니다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예에서, 이러한 부품들의 적어도 일부는 멤브레인(46)이 형성된 물질의 CTE와 동일하거나 이와 비슷한 CTE를 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 특히, ±0.5%, ±1%, ±2%, ±5%, ±10%, 또는 ±15% 등과 같이, 멤브레인(46)이 형성된 물질이나, 또는 멤브레인(46)이 선택된 물질의 CTE 설정범위내의 CTE를 갖는 물질의 CTE와 동일한 CTE를 갖는 것이 바람직하다. 적어도 일부 실시예에서, 멤브레인-접촉부 또는 장치의 기타 다른 요소들은 멤브레인(46)이 적어도 부분적으로 형성된 CTE의 0.1㎛/m/℃ 이하 또는 ±1.2, 1, 0.5, 0.2, 0.1 내의 범위에 있는 CTE를 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 상술한 조성물 및/또는 멤브레인(46)의 CTE에 대한 CTE를 갖는 물질은 상술한 바와 같이 서술된 범위내에서 설정된 적어도 하나의 CTE를 갖는 것으로 언급된다.
하기의 표에는 예시적인 합금과 이에 대응하는 CTE 및 조성물이 제공된다. 하기의 표에 도시된 물질은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명의 범주로부터의 일탈없이 하기에 도시된 물질의 조합 및/또는 기타 다른 물질 등을 포함하여, 기타 다른 물질도 사용될 수 있음을 인식해야 한다.
Figure 112004012228553-pct00001
Figure 112004012228553-pct00002
상술한 바에 따르면, 330 스텐레스 스틸 및 인콜로이 800 등과 같은 합금은 Pd40Cu의 약 3% 범위에 있는 CTE를 가지며, 모넬400 및 310S 스텐레스 스틸은 Pd40Cu의 CTU로부터 약 7% 이탈된 CTE를 갖는 것을 알 수 있다.
물질 선택은 사용된 특정 멤브레인의 CTE에 따라 변한다는 것을 나타내기 위하여, 13.8㎛/m/℃의 열팽창계수를 갖는 멤브레인(46)을 위한 물질을 가정하여, 상 기 표로부터, 모넬 및 인코넬 600 합금은 멤브레인의 CTE로부터 약 0.1㎛/m/℃만큼 이탈되거나 상이한 CTE를 갖는다는 것을 알 수 있다. 또 다른 실시예로서, 13.4㎛/m/℃의 CTE를 갖는 멤브레인을 가정하자. 하스텔로이 X는 멤브레인의 CTE에 대응하는 CTE를 가지며, 모넬 및 인코넬 601은 멤브레인의 CTE의 약 1%에 속하는 CTE를 갖는다. 표1에 도시된 물질의 예시적인 실시예에서, 하스텔로이 X, 인코넬 800 및 300 시리즈 스텐레스 스틸 합금 이외의 모든 합금은 멤브레인의 CTE의 2%내에 속하는 CTE를 가지며, 304 및 316 및 310S 스텐레스 스틸 이외의 모든 합금은 멤브레인의 CTE의 5%에 속하는 CTE를 갖는다.
멤브레인(46)의 CTE의 설정범위중 한가지에 대응하거나 이러한 범위에 속하는 CTE처럼, 멤브레인(46)에 대해 설정의 CTE를 갖는 물질로 형성된 장치(10)의 부품의 실시예는 지지체(54), 스크린부재(212), 미세한 외측 스크린 또는 팽창된 금속부재(216), 내측 스크린부재(214), 멤브레인 프레임(240), 투과프레임(232), 투과판(234), 공급판(238) 등과 같은 부품을 적어도 하나이상 포함한다. 상술한 부품들중 한가지는 이러한 물질로 형성될 수 있고, 상술한 부품들중 하나이상은 이러한 물질로 형성될 수 있지만, 상술한 부품들중 그 어떤 부품이라도 이러한 물질로 형성될 필요는 없음을 인식해야 한다. 또한, 멤브레인(46)은 Pd-40Cu 이외의 물질로 형성될 수 있으며, 따라서 그 설정된 CTE는 멤브레인(46)의 특정 조성물에 따라 변할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 장치(10)는 하나이상의 멤브레인 덮개(200)를 포함하는 멤브레인 모듈(220)로 형성되며, 상기 덮개는 설정된 하나의 CTE를 갖는 물질로 완 전히 형성된 스크린구조체가 구비된 지지체를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 외측의 멤브레인-접촉 스크린부재[부재(216) 등과 같은]는 설정의 CTE중 하나를 갖는 물질로 형성되며, 내측 부재(들)는 설정의 CTE중 하나를 갖지 않는 물질로 형성된다. 또 다른 실시예에서, 내측 스크린부재(214)는 설정의 CTE중 하나를 갖는 물질로 형성되며, 멤브레인-접촉부재는 설정의 CTE중 하나를 갖지 않는 물질로 형성된다.
일부 실시예에서, 충분한 경도를 갖는 지지체의 일부만이 열사이클링중 멤브레인에 주름을 유발할 수 있으며, 다른 것은 선택된 CTE중 하나를 갖는 물질로 형성되는 정화장치로 사용된다. 예시적인 실시예로서 도32에 도시된 스크린구조체(210)를 가정하자. 예시적인 실시예에서, 스크린구조체는 한쌍의 멤브레인(46) 사이에 위치되며; 스크린 구조체는 한쌍의 외측 또는 멤브레인-접촉 스크린부재(216)와, 멤브레인과 접촉하지 않는 내측 스크린부재(214)를 포함한다. 전형적으로 그러나 배타적으로, 상기 외측 스크린부재는 단단하고 거친 구성을 갖는 내측 스크린부재 보다 덜 단단하고 미세한 물질로 형성된다. 이러한 실시예에서, 내측 스크린부재는 모넬처럼 니켈과 구리가 함유된 합금 처럼 설정의 CTE중 하나를 갖는 물질로 형성되며; 외측 스크린부재는 304 스텐레스 스틸 또는 316 스텐레스 스틸 등과 같은 종래 스텐레스 스틸로 형성된다. 이러한 스크린구조체는 내측 스크린구조체가 형성되는 물질의 CTE가 아니라, 멤브레인(46)의 CTE와는 상이한 CTE를 갖는 멤브레인-접촉 스크린부재를 갖는 것으로 서술된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 모든 스크린구조체는 모넬이나 또는 설정의 CTE중 하나를 갖는 기타 다 른 물질처럼, 니켈과 구리가 함유된 합금으로 형성되는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
이러한 구성은 하나이상의 스크린부재 또는 층을 포함하는 지지체에도 적용될 수 있지만, 오직 하나의 멤브레인만을 지지한다. 예를 들어 도2에 있어서, 지지체는 스크린부재(214)와 같은 구성을 구비한 멤브레인-접촉층 또는 스크린부재(214')를 포함한다. 정화장치가 가압되어 사용될 때, 상기 층(214')은 멤브레인 표면의 적어도 하나의 실질적인 부분과 결합하여 이를 횡단하여 연장되지만, 전형적으로 그 자체가 멤브레인에 충분한 지지를 제공하는 것은 아니다. 상기 지지체는 제2층 또는 제2스크린부재(216')를 부가로 포함하며; 이러한 부재는 스크린부재(216)와 유사한 구조를 가지며, 멤브레인이 아니라 제1층의 대향측에서 일반적으로 제1층에 대해 평행하게 연장된다. 상기 제2층은 제1층 보다 단단하므로, 사용시 멤브레인을 지지하는데 충분한 강도나 경도를 갖는 복합 스크린구조체를 제공할 수 있다. 이러한 구성이 사용되었을 때, 모넬처럼 니켈 및 구리 합금으로 형성된 스크린부재나 제2층 또는 설정의 CTE를 갖는 기타 다른 물질이 제공될 수 있으며, 멤브레인-접촉층이나 스크린부재는 멤브레인의 CTE와는 상이한 CTE를 갖는 물질로 제2층이 형성된 물질 보다 많은 양으로 형성된다. 또한, 상기 멤브레인-접촉층은 니켈 및 구리의 합금을 포함하지 않는 물질로 형성될 수도 있다.
예시적인 형상의 다른 실시예로서, 장치(10)는 포위부의 단부판(60)과 하나이상의 장착부(52) 및/또는 하나이상의 지지체(54) 사이에 지지된 단일 멤브레인(46)을 포함한다. 장착부 및/또는 지지체는 하나의 설정된 CTE를 갖는 물 질로 형성된다. 또한, 포위부(12)의 적어도 일부는 단부판(60) 또는 쉘(62)의 한쪽이나 양쪽 처럼 하나의 설정된 CTE를 갖는 물질로 형성된다.
멤브레인(46)과 직접 접촉하지 않는 장치의 부품들이 구비된 장치(10)의 실시예에서, 이러한 부품들은 하나의 설정된 CTE를 갖는 물질로 형성된다. 예를 들어, 포위부(12)의 일부 또는 전부는 이러한 부분들이 멤브레인(46)과 직접 접촉하지 않는다해도, 단부판(60) 또는 쉘(62)의 한쪽이나 양쪽 처럼 표1에 도시된 합금중 하나를 포함하여, 멤브레인(46)이 형성된 물질의 CTE에 대해 설정된 하나의 CTE를 갖는 물질로 형성된다.
본 발명에 따라 구성된 수소정화 장치(10)는 순수 수소가스의 소스와 연결되거나 유체연결된다. 이러한 소스의 실시예로는 하이브리드 베드 및 가압 탱크 처럼 가스 저장장치를 포함한다. 또 다른 소스는 부산물로서 배출물이나 폐기스트림, 수소가스가 수용되는 가스흐름을 생성하는 장치이다. 또한 또 다른 소스는 공급스톡을 함유하는 적어도 하나의 공급스트림으로부터 수소가스가 함유된 혼합가스 스트림을 생성하는 장치로 언급되는 연료처리기 이다. 전형적으로는 연료처리기에 의해 생성된 혼합가스 스트림의 대부분 또는 적어도 일부를 혼합가스가 형성한다.
연료처리기는 다양한 메카니즘을 통해 혼합가스 스트림(24)을 생산한다. 적절한 메카니즘의 실시예로는 스팀 리포밍 및 자열 리포밍(autothermal reforming)이 있으며, 탄소함유 공급스톡 및 물을 함유하는 공급 스트림으로부터 수소가스를 생성하기 위해 리포밍 촉매가 사용된다. 수소가스를 생성하기에 적합한 메카니즘으로는 탄소함유 공급스톡의 촉매 부분산화 및 열분해가 있으며, 이 경우 공급 스 트림은 물을 함유하지 않는다. 수소가스를 생성하기 위한 또 다른 적절한 메카니즘으로는 전기분해가 있으며, 이 경우 공급스톡은 물이다. 탄소함유 공급스톡의 적절한 실시예는 적어도 하나의 탄화수소 및 알콜을 포함한다. 탄화수소의 적절한 실시예는 메탄, 프로판, 천연가스, 디젤, 케로신, 가솔린 등을 포함한다. 적절한 알콜의 실시예는 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜 처럼 메탄올, 에탄올, 폴리올을 포함한다.
도40에는 연료처리기로부터 혼합가스 스트림(24)을 수용하는 수소정화 장치(10)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 연료처리기는 일반적으로 도면부호 300으로 도시되어 있으며, 연료처리기와 수소정화 장치의 조합은 연료처리 시스템(302)으로 언급된다. 점선으로 도시된 가열조립체(42)는 장치(10)에 열을 제공하며, 다양한 형태를 취할 수 있다. 연료처리기(300)는 상술한 바와 같은 그 어떤 형태라도 취할 수 있다. 본 발명에 따른 수소정화 장치가 연료처리기(300)가 아닌 다른 소스로부터 혼합가스 스트림(24)을 수용한다는 것을 나타내기 위하여, 가스저장장치가 도면부호 306으로 개략적으로 도시되었으며, 상이한 산물 스트림(308)을 생성하는 도중에 폐기물이나 부산물로서 혼합가스 스트림(24)을 생성하는 장치는 도면부호 310으로 도시되었다. 개략적으로 도시된 연료처리기(300)는 이러한 장치와 연관된 가열조립체, 공급스톡 분배시스템, 에어 분배시스템, 공급 스트림 소스 또는 전원부 등을 포함한다는 것을 의미한다.
연료처리기는 상승 온도 및/또는 압력에서 자주 작동된다. 그 결과, 장치(120)와 연료처리기(300)가 외부 유체 수송도관에 의해 연결되는 것과는 달리, 수소정화 장치(10)와 연료처리기(300)를 적어도 부분적으로 일체화하는 것이 바람직하다. 이러한 형태의 실시예가 도42에 도시되어 있으며, 이에 따르면 연료처리기는 쉘 또는 하우징(312)을 포함하며, 장치(10)는 그 일부를 형성하고 및/또는 그 내부에서 적어도 부분적으로 연장된다. 이러한 형태에 있어서, 연료처리기(300)는 장치(10)를 포함하는 것으로 서술된다. 연료처리기 또는 기타 다른 혼합가스 스트림(24)의 소스를 수소정화 장치(10)와 일체화시키면, 장치는 하나의 유닛으로서 보다 자유롭게 이동될 수 있다. 장치(10)를 포함하여, 연료처리기의 부품들은 통상의 가열조립체에 의해 가열될 수 있으며 장치(10)의 가열에 대한 모든 요구사항은 아닐지라도 적어도 일부는 처리기(300)에 의해 발생된 열에 의해 만족될 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료처리기(300)는 수소가스를 함유한 혼합가스 스트림, 양호하기로는 수소가스를 대부분 함유한 혼합가스 스트림을 생성하는데 적합한 장치이다. 하기의 설명에 있어서, 연료처리기(300)는 도42에 도시된 바와 같이 탄소함유 공급스톡(318) 및 물(320)을 함유한 공급스트림을 수용한다. 그러나, 상기 연료처리기(300)가 오직 탄소함유 공급스톡만을 함유하거나 또는 오직 물만을 함유하는 것처럼 다른 조성물을 포함하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
공급스트림(316)은 적절한 메카니즘을 거쳐 연료처리기(300)로 분배된다 도42에는 단지 하나의 공급스트림(316)만 도시되어 있지만, 이러한 스트림(316)은 하나이상 사용될 수도 있으며, 동일한 성분이나 상이한 성분을 함유할 수도 있음을 인식해야 한다. 탄소함유 공급스톡(318)이 물과 혼합할 수 있을 때, 도42에 도시된 바와 같이 공급스톡은 전형적으로 공급 스트림(316)의 물 성분으로 분배된다. 탄소함유 공급스톡이 물에 혼합될 수 없거나 단지 소량만 혼합될 때, 이러한 성분들은 도42에 점선으로 도시된 바와 같이, 전형적으로 분리된 스트림으로 연료처리기(300)에 분배된다. 도42에 있어서, 공급스트림(316)은 공급스트림 분배시스템(317)에 의해 연료처리기(300)로 분배된다. 상기 분배시스템(317)은 공급스트림을 연료처리기(300)에 분배하는데 적절한 메카니즘, 장치 또는 이들의 조합체를 포함한다. 예를 들어, 분배시스템은 스트림(316)의 성분들을 공급원으로부터 분배하는 하나이상의 펌프를 포함한다. 또한, 그리고 선택적으로, 시스템(317)은 가압공급원으로부터 성분들의 유동을 제어하는 밸브조립체를 포함한다. 상기 공급원은 연료전지 시스템의 외부에 위치되거나, 또는 시스템에 인접하거나 시스템에 내장될 수도 있다.
도42에 도면부호 312로 도시된 바와 같이, 연료처리기(300)는 혼합가스 스트림(24)이 공급스트림(316)으로부터 생산되는 수소생산 영역을 포함한다. 상술한 바와 같이, 수소생산 영역에는 다양한 처리과정이 이용된다. 이러한 처리과정의 실시예로는 스팀 리포밍이 있으며, 이러한 영역(312)은 스팀 리포밍 촉매(334)를 포함한다. 선택적으로, 영역(312)은 자열 리포밍에 의해 스트림(24)을 생산하며, 이 경우 영역(312)은 자열 리포밍 촉매를 포함한다. 스팀 또는 자열 리포머에 있어서, 혼합가스 스트림(24)은 리포메이트 스트림(reformate stream)으로 언급된다. 상기 연료처리기는 거의 순수한 수소가스 또는 순수 수소가스를 생산한다. 본 발명의 목적을 위하여, 거의 순수한 수소가스는 90% 이상 순수한, 양호하기로는 95% 이상, 더욱 양호하기로는 99% 이상, 또한 더욱 양호하기로는 99.5% 이상 순수하다. 적절한 연료처리기의 실시예는 본 발명에 참조인용된 미국특허 제6.221.117호와, 2001년 3월 8일자 출원되었으며 발명의 명칭이 "연료처리기 및 시스템과 이를 포함하는 장치"인 계류중인 미국 특허출원 제09/12,499호와, 또한 2001년 3월 19일자 출원되었으며 발명의 명칭이 "수소선택 금속 멤브레인 모듈 및 그 제조방법"인 미국 특허출원 09/812,499호에 기재되어 있다.
연료처리기(300)는 도42에 점선으로 도시된 바와 같이 폴리싱영역(348)을 부가로 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 상기 폴리싱영역(348)은 장치(10)로부터 수소풍부 스트림(34)을 수용하며, 이러한 스트림의 농도를 감소시키거나 내부의 성분을 제거하거나 선택하므로써 스트림을 정화시킨다. 도42에 있어서, 최종 스트림은 도면부호 314로 도시되어 있으며, 산물 수소 스트림 또는 정화된 수소 스트림으로 언급된다. 연료처리기(300)가 폴링싱 영역(348)을 포함하지 않을 때, 수소풍부 스트림(34)은 산물 수소 스트림(314)을 형성한다. 예를 들어, 스트림(34)이 연료전지 스택에 사용될 때, 일산화탄소 및 이산화탄소처럼 연료전지 스택에 손상을 가하는 성분은 필요할 경우 수소풍부 스트림으로부터 제거된다. 일산화탄소의 농도는 제어시스템이 연료전지 스택을 절연하는 것을 방지하기 위하여, 10ppm 이하이어야 한다. 시스템은 일산화탄소의 농도를 5ppm으로 제한하며, 심지어는 1ppm 이하로도 제한한다. 이산화탄소의 농도는 일산화탄소의 농도 보다 높다. 예를 들어, 25% 이하의 이산화탄소의 농도는 허용된다. 농도는 10% 이하가 바람직하며, 1% 이하가 더욱 양호하다. 특히, 양호한 농도는 50ppm 이하이다. 본 발명에 제공된 허용가능한 최소한 농도는 예시적인 것으로서, 제시된 농도 이외의 농도도 사용 될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범주에 속한다. 예를 들어 특정 사용자 또는 제조자는 이러한 농도와는 달리 최소 또는 최대 농도수준이나 범위를 요구할 수도 있다.
영역(348)은 스트림(34)에 선택된 조성물의 농도를 제거하거나 감소시키는 적절한 구조체를 포함한다. 예를 들어, 산물 스트림이 PEM 연료전지 스택이나 스트림이 설정된 농도의 일산화탄소나 이산화탄소를 많이 함유하는 경우 손상되는 기타 다른 장치에 사용될 때, 적어도 하나의 메탄화 촉매베드(350)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 베드(350)는 일산화탄소 및 이산화탄소를 PEM 연료전지 스택에 손상을 끼치지 않는 메탄 및 물로 전환시킨다. 폴리싱영역(348)은 반응하지 않은 공급스톡을 수소가스로 전환하기 위해, 다른 리포밍 촉매베드 처럼 또 다른 수소생산 영역(352)도 포함한다. 이러한 실시예에서, 제2리포밍 촉매베드는 메탄화 촉매베드의 이산화탄소 또는 일산화탄소 다운스트림을 재도입하지 않도록 메탄화 촉매베드로부터 업스트림인 것이 바람직하다.
스팀 리포머는 전형적으로 200℃와 700℃ 범위의 온도와 50psi와 1000psi 범위의 압력에서 작동되며, 사용되는 연료처리기의 특정 형상에 따라, 이러한 범위를 벗어난 온도 또한 본 발명의 범주에 속한다. 이러한 열을 제공하기 위해, 히터, 버너, 연소촉매 등과 같은 적절한 가열 메카니즘이나 장치가 사용된다. 가열조립체는 연료처리기 외부에 위치되거나, 연료처리기의 일부를 형성하는 연소실을 형성할 수 있다. 가열조립체를 위한 연료는 연료처리 또는 연료전지 시스템 또는 외부원 또는 이들 모두에 의해 제공된다.
도42에 있어서, 연료처리기(300)는 상술한 성분들이 함유된 쉘(312)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 하우징으로도 언급되는 쉘(312)은 연료처리기의 부품들이 하나의 유닛으로 이동될 수 있게 한다. 이것은 보호 포위부를 제공하므로써 연료처리기의 부품이 손상되는 것을 방지하며, 연료처리기의 열 요구사항을 감소시키는데, 그 이유는 연료처리기의 부품들이 하나의 유닛으로서 가열되기 때문이다. 그러나 쉘(312)은 고형 절연물질 등과 같은 물질(333)과, 블랭킷 절연 물질 또는 공기충진 공동을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 그러나, 연료처리기가 하우징이나 쉘 없이 형성되는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 연료처리기(300)가 절연 물질(333)을 포함할 때, 절연 물질은 쉘의 내측, 쉘의 외측, 또는 내외측 모두에 위치될 수 있다. 절연 물질이 상술의 리포밍, 분리 및/또는 폴리싱 영역을 포함하는 쉘의 외측에 있을 때, 연료처리기는 절연부의 외측에 외측 커버 또는 재킷을 부가로 포함한다.
연료처리기(300)의 하나이상의 부품이 쉘을 지나서 연장되거나 적어도 쉘이 외측에 위치되는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 예를 들어, 장치(10)는 도41에 도시된 바와 같이 쉘(312)을 지나 적어도 부분적으로 연장된다. 다른 실시예인 도42에 개략적으로 도시된 바와 같이, 폴리싱 영역(348)은 외측 쉘(312)이며, 수소생성 영역(312)의 일부(하나이상의 리포밍 촉매 베드의 일부 등과 같은)는 쉘을 지나 연장된다.
상술한 바와 같이, 연료처리기(300)는 수소풍부 스트림(34) 또는 산물 수소스트림(314)을 전류를 생산하는 적어도 하나의 연료전지 스택으로 분배한다. 이러 한 형태에서, 연료처리기 및 연료전지 스택은 연료전지 시스템으로 언급된다. 이러한 시스템의 실시예는 도43에 개략적으로 도시되어 있으며, 연료전지 스택은 도면부호 322로 도시되어 있다. 상기 연료전지 스택은 분배된 산물 수소풍부 스트림(314)의 일부로부터 전류를 생산한다. 도시된 실시예에서는 단일의 연료처리기(300) 및 단일의 연료전지 스택(322)이 도시되어 있지만, 이러한 부품들중 어느 하나만 사용되거나 이들 모두 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 이러한 부품들은 개략적으로 도시되어 있으며, 연료전지 시스템은 공급펌프, 에어분배 시스템, 열교환기, 가열조립체 등과 같이 도면에는 도시되지 않은 부품들을 부가로 포함할 수도 있음을 인식해야 한다.
연료전지 스택(322)은 분배된 산물 수소스트림(314)의 일부로부터 전류를 생산하는 적어도 하나의 연료전지(324), 전형적으로는 다수의 연료전지를 포함한다. 이러한 전류는 에너지 요구사항을 만족시키는데 사용되거나, 관련의 에너지 소비장치의 부하 인가에 사용된다. 장치(325)의 예시적인 실시예로는 동력차, 레크레이션 차량, 보트, 공구, 조명조립체, 설비(가정용 또는 기타 기구), 가정용, 경보 또는 통신설비 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 도43에 개략적으로 도시된 장치(325)는 하나이상의 장치 또는 연료전지 시스템으로부터 전류를 끌어내는 장치의 집합체를 제공한다는 것을 의미한다. 연료전지 스택은 전형적으로 유체 분배/제거 도관(도시않음)을 포함하는 공통의 단부판(323) 사이에 서로 접합된 다수의 연료전지를 포함한다. 연료전지의 적절한 실시예로는 양성자 교환 멤브레인(PEM) 연료전지 및 알칼리 연료전지 등을 포함한다. 연료전지 스택(322)은 모든 산물 수 소스트림(314)을 수용한다. 스트림(314)의 일부 또는 전부는 다른 수소소비 처리과정에 사용하기 위해 연료를 태우거나 가열하며, 또는 나중에 사용하기 저장되는 적절한 도관을 통해 선택적으로 분배된다.
본 발명의 수소정화 장치, 부품 및 연료처리 시스템은 수소가스가 생성 및/또는 이용되는 연료처리 및 다른 산업에도 적용될 수 있다.
상술한 바는 독립적인 이용가능성으로 다수의 독특한 발명을 포함하고 있다. 이러한 각각의 발명은 양호한 실시예로 서술되었으며, 이에 대한 특정 실시예는 예시적인 것으로서 이에 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다. 본 발명의 주안점은 다양한 상술한 바와 같은 요소, 특징, 기능 및/또는 특성의 모든 신규한 그리고 불분명한 조합 및 차조합을 포함한다. 또한, 청구범위에서 "제1"요소는 2개 이상의 요소를 배제하는 것이 아니라 하나이상의 요소들의 연합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (115)

  1. 공급스트림을 수용하고 이러한 공급스트림으로부터 수소가스 및 기타 다른 가스를 함유한 혼합가스 스트림을 생성하는 수소생산 영역과,
    혼합가스 스트림의 적어도 일부를 수용하고 이로부터 수소가스가 함유된 수소풍부 스트림을 생산하는 분리영역을 포함하며,
    상기 분리영역은 내부 격실을 형성하는 포위부와, 상기 격실내의 수소선택 멤브레인과, 상기 포위부내에 수소선택 멤브레인을 지지하는 수단을 포함하며;
    상기 포위부는 수소가스가 함유된 혼합가스 스트림을 포위부로 분배되게 하는 적어도 하나의 입력 포트와, 상기 혼합가스 스트림보다 높은 순도의 수소가스를 함유한 투과 스트림이 포위부로 제거되는 적어도 하나의 산물 출력포트와, 다른 가스의 적어도 일부를 함유하는 부산물 스트림이 상기 포위부로 제거되는 적어도 하나의 부산물 출력포트를 포함하며, 상기 수소풍부 스트림은 투과 스트림의 적어도 일부를 포함하며;
    상기 수소선택 멤브레인은 열팽창계수와, 혼합가스 스트림과 접촉하는 제1표면과, 일반적으로 상기 제1표면과 대향하는 투과 표면을 포함하며; 상기 수소선택 멤브레인은 팔라듐과 구리가 함유된 합금으로부터 형성되며; 상기 투과 스트림은 수소선택 멤브레인을 통해 투과 표면을 통과하는 혼합가스 스트림의 일부를 포함하며; 상기 부산물 스트림은 수소선택 멤브레인을 통과하지 않는 혼합가스 스트림의 일부를 포함하며,
    상기 포위부내에 수소선택 멤브레인을 지지하는 수단은 니켈과 구리가 함유된 합금으로 적어도 부분적으로 형성되고, 수소선택 멤브레인의 열팽창계수와 동일하거나 이러한 열팽창계수의 적어도 10% 이내에 속하는 열팽창계수를 갖는 멤브레인-접촉 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  2. 제1항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체의 열팽창계수는 멤브레인의 열팽창계수의 5% 이내인 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  3. 제1항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체의 열팽창계수는 1㎛/m/℃를 넘지 아니하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  4. 제1항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 16㎛/m/℃ 보다는 작고 13㎛/m/℃ 보다는 큰 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  5. 제1항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 멤브레인의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  6. 제1항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체의 열팽창계수는 멤브레인의 열팽창계수의 2% 이내인 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  7. 제1항에 있어서, 멤브레인은 13.6㎛/m/℃ 내지 16㎛/m/℃ 범위의 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수소선택 멤브레인을 지지하는 수단은 니켈과 구리가 함유된 합금을 함유하는 하나이상의 물질로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수소-선택 멤브레인을 지지하는 수단은 멤브레인의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는 하나이상의 물질로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  10. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 수소선택적이지 않은 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 멤브레인-접촉 구조체상에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  12. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 멤브레인-접촉 구조체와는 접촉하지만 멤브레인-접촉 구조체상에는 장착되지 않는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  13. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인-접촉 구조체는 포위부내에 멤브레인을 위치시키는 장착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  14. 제13항에 있어서, 멤브레인은 외주 영역을 포함하며, 장착부는 멤브레인의 외주 영역에 고정된 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 프레임은 포위부의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  16. 제14항에 있어서, 상기 프레임은 멤브레인의 열팽창계수 보다 작거나 같은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  17. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 멤브레인의 투과 표면이나 제1표면을 횡단하여 연장되는 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제17항에 있어서, 멤브레인은 제1수소선택 멤브레인이며; 상기 포위부는 제1멤브레인과 동일한 열팽창계수를 갖는 제2수소선택 멤브레인과, 상기 혼합가스 스트림에 의해 접촉되는 제1표면과, 일반적으로 제1멤브레인의 투과표면과 대향하는 투과 표면을 부가로 포함하며; 상기 지지체는 멤브레인의 투과 표면들 사이에 수집도관을 형성하여 멤브레인을 통과한 혼합가스 스트림의 일부가 이를 통과할 수 있도록, 제1멤브레인과 제2멤브레인 사이로 연장되는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  22. 삭제
  23. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 연료처리기는 적어도 하나의 리포밍 촉매 베드를 포함하며, 스팀 리포밍에 의해 혼합가스 스트림을 생산하는 것을 특징으로 하는 연료처리기.
  24. 적어도 200℃의 설정온도와 적어도 50psi의 설정압력에서 작동되며 내부가 구비된 포위부를 포함하는 수소정화 장치에서, 팔라듐 및 구리의 합금으로 형성되며 열팽창계수를 갖는 적어도 하나의 수소선택 멤브레인이 내장된 기밀식 격실은, 수소가스 및 기타 다른 가스를 함유한 혼합가스 스트림에 의해 접촉되는 제1표면을 포함하고, 혼합가스 스트림을 수소풍부 스트림과 부산물 스트림으로 분리하는 투과 표면을 부가로 포함하며; 상기 수소풍부 스트림은 적어도 실질적으로 수소가스를 포함하고 적어도 하나의 수소선택 멤브레인을 통과하는 혼합가스 스트림의 적어도 일부로 형성되며; 상기 부산물 스트림은 멤브레인을 통과하지 않는 혼합가스 스트림의 적어도 일부로 형성되는 수소정화 장치에 있어서,
    상기 장치는 멤브레인의 제1표면이나 투과 표면중 적어도 하나와 접촉하는 멤브레인-접촉 구조체를 포함하며,
    상기 장치는 적어도 하나의 수소선택 멤브레인과 접촉하는 적어도 하나의 멤브레인-접촉 구조체를 포함하며,
    적어도 200℃내에서 장치의 열사이클링에 따라 적어도 하나의 멤브레인-접촉 구조체가 적어도 하나의 수소선택 멤브레인에 주름을 부여하지 않도록, 적어도 하나의 멤브레인-접촉 구조체는 적어도 하나의 수소선택 멤브레인의 열팽창계수와 같거나 매우 근접한 열팽창계수를 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 멤브레인-접촉 구조체는 니켈과 구리가 함유된 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  26. 제24항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 적어도 하나의 멤브레인의 열팽창계수 보다 작거나 같은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 포위부는 장치의 온도범위내 열사이클링에 따라 포위부가 적어도 하나의 수소선택 멤브레인에 주름을 부여하지 않도록 선택되는 하나이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  28. 제24항 내지 제27항중 어느 한 항에 있어서, 상기 포위부는 니켈과 구리가 함유된 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 포위부는 적어도 하나의 멤브레인의 열팽창계수 보다 작거나 같은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  30. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 35 내지 45중량%의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  31. 제24항 내지 제27항중 어느 한 항에 있어서, 공급스트림을 수용하고 이로부터 혼합가스 스트림을 생산하는 연료처리 조립체와 조합되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 연료처리 조립체는 적어도 하나의 리포밍 촉매를 포함하며, 상기 공급스트림은 물과 탄소함유 공급스톡을 함유하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  33. 삭제
  34. 제31항에 있어서, 수소풍부 스트림의 적어도 일부를 수용하고 이로부터 전류를 생산하는 연료전지 스택과 조합되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  35. 내부 격실을 형성하는 포위부와,
    상기 격실내의 적어도 하나의 멤브레인 덮개와,
    상기 포위부내에 적어도 하나의 멤브레인 덮개를 지지하는 수단을 포함하며;
    상기 포위부는 수소가스와 기타 다른 가스가 함유된 혼합가스 스트림을 포위부로 분배되게 하는 적어도 하나의 입력 포트와, 수소가스를 함유한 투과 스트림이 포위부로부터 제거되는 적어도 하나의 산물 출력포트와, 다른 가스의 적어도 일부를 함유하는 부산물 스트림이 상기 포위부로 제거되는 적어도 하나의 부산물 출력포트를 포함하며,
    각각의 멤브레인 덮개는 한쌍의 수소선택 멤브레인으로 형성되며; 각각의 멤브레인은 혼합가스 스트림에 의해 접촉되는 제1표면과, 일반적으로 상기 제1표면과 대향하는 투과 표면을 포함하며; 상기 쌍으로 이루어진 멤브레인은 수소선택 멤브레인의 쌍이 서로 이격되도록 지향되고, 그 투과 표면은 그 사이로 연장되는 수집도관을 형성하기 위해 일반적으로 서로 대향하도록 형성되며; 각각의 멤브레인 덮개는 수소선택 멤브레인의 쌍을 지지하도록 수집도관내에 지지체를 포함하며; 상기 지지체는 쌍으로 이루어진 수소선택 멤브레인의 투과 표면에 각각 지지체를 제공하는, 일반적으로 대향하는 한쌍의 표면을 포함하며; 상기 투과 스트림은 수집도관쪽으로 멤브레인을 통과하는 혼합가스 스트림의 일부로 형성되며, 멤브레인을 통과하지 않는 혼합가스 스트림의 적어도 일부는 부산물 스트림의 적어도 일부를 형성하며; 각각의 수소선택 멤브레인은 열팽창계수를 가지며,
    포위부내에 적어도 하나의 멤브레인 덮개를 지지하는 수단은 수소선택 멤브레인과는 상이한 조성물을 갖는 멤브레인-접촉 구조체와, 수소선택 멤브레인의 열팽창계수 보다 작은 적어도 하나의 열팽창계수와, 니켈과 구리가 함유된 합금을 포함하는 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  36. 제35항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 니켈과 구리를 함유한 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  37. 제36항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 멤브레인의 열팽창계수의 10% 이내의 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  38. 제35항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 멤브레인의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  39. 제38항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 13㎛/m/℃ 보다 큰 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  40. 제38항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 금속인 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  41. 제35항에 있어서, 멤브레인은 35 내지 45중량% 구리를 함유하는 팔라듐으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  42. 제35항에 있어서, 멤브레인은 일반적으로 평탄한 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  43. 제35항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 수소선택적이지 않은 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  44. 제35항 내지 제43항중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인-접촉 구조체는 지지체를 포함하며, 상기 지지체는 수집도관으로 흐르는 혼합가스 스트림의 일부를 멤브레인의 투과 표면을 횡단하거나 이에 평행하게 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  45. 삭제
  46. 제44항에 있어서, 지지체는 적어도 하나의 스크린부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  47. 제35항에 있어서, 지지체는 다수의 스크린부재를 포함하며, 상기 다수의 스크린부재는 멤브레인-접촉 구조체의 적어도 일부를 형성하는 적어도 하나의 스크린부재를 포함하며, 상기 다수의 스크린부재는 멤브레인과 접촉하지 않는 적어도 하나의 스크린부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  48. 삭제
  49. 삭제
  50. 삭제
  51. 삭제
  52. 삭제
  53. 삭제
  54. 제47항에 있어서, 다수의 스크린부재중 적어도 하나는 멤브레인의 열팽창계수 보다 큰 열팽창계수를 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  55. 삭제
  56. 제35항 내지 제43항중 어느 한 항에 있어서, 수소선택 멤브레인은 엣지 영역을 포함하며, 상기 엣지 영역은 적어도 하나의 프레임을 포함하는 프레임조립체상에 장착되며, 상기 멤브레인-접촉 구조체는 프레임조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  57. 제56항에 있어서, 상기 프레임조립체는 포위부의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  58. 제56항에 있어서, 프레임조립체는 수소투과 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  59. 제56항에 있어서, 프레임조립체는 니켈과 구리가 함유된 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  60. 제56항에 있어서, 프레임조립체는 멤브레인의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  61. 제56항에 있어서, 프레임조리체는 16㎛/m/℃ 보다 작은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  62. 제35항 내지 제43항중 어느 한 항에 있어서, 수소정화 장치는 다수의 가스 이송 도관을 포함하며; 이러한 도관은 적어도 하나의 멤브레인 덮개를 상호연결하여 혼합가스 스트림을 멤브레인의 제1표면으로 선택적으로 분배하고, 수집도관으로부터 투과 스트림을 제거한 후, 부산물 스트림을 제거하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  63. 제35항 내지 제43항중 어느 한 항에 있어서, 수소정화 장치는 다수의 멤브레인 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  64. 제35항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 멤브레인 덮개를 지지하는 수단은 니켈과 구리의 합금으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  65. 제35항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 멤브레인 덮개를 지지하는 수단은 멤브레인의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는 하나이상의 물질로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  66. 제35항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 포위부는 니켈과 구리의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  67. 제35항 내지 제43항중 어느 한 항에 있어서, 상기 포위부는 16㎛/m/℃ 보다 작은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  68. 제35항 내지 제43항중 어느 한 항에 있어서, 상기 포위부는 멤브레인의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  69. 제35항 내지 제43항중 어느 한 항에 있어서, 혼합가스 스트림을 생산하는 연료처리 조립체와 조합되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  70. 제69항에 있어서, 상기 연료처리 조립체는 적어도 하나의 촉매 베드를 포함하며, 스팀 리포밍에 의해 혼합가스 스트림을 생산하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  71. 한쌍의 이격된 단부판과 그 사이로 연장되어 단부판에 의해 내부 격실을 형성하는 외주 쉘을 포함하는 포위부와,
    상기 격실내의 적어도 하나의 수소선택 멤브레인을 포함하며,
    상기 포위부는 수소가스가 함유된 혼합가스 스트림을 포위부로 분배되게 하는 적어도 하나의 입력 포트와, 수소가스를 함유한 투과 스트림이 포위부로 제거되는 적어도 하나의 산물 출력포트와, 다른 가스의 적어도 일부를 함유하는 부산물 스트림이 상기 포위부로 제거되는 적어도 하나의 부산물 출력포트를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 수소선택 멤브레인은 혼합가스 스트림에 의해 접촉되는 제1표면과, 상기 제1표면과 대향하는 투과 표면을 포함하며; 상기 투과 스트림은 적어도 하나의 수소선택 멤브레인을 통해 투과 표면을 통과하는 혼합가스 스트림의 일부로 형성되며; 상기 부산물 스트림은 적어도 하나의 수소선택 멤브레인을 통과하지 않는 혼합가스 스트림의 일부로 형성되며,
    상기 각각의 단부판은 일반적으로 격실과 대면하는 내측면과, 상기 포위부와는 대면하는 외측면과, 외주 쉘로 밀봉부의 적어도 일부를 형성하는 밀봉영역을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 단부판은 밀봉영역을 포함하는 베이스판과, 상기 베이스판으로부터 돌출되는 트러스조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  72. 제71항에 있어서, 상기 트러스조립체는 외주 쉘로부터의 편향에 대해 적어도 하나의 단부판을 지지하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  73. 제71항에 있어서, 상기 트러스조립체는 적어도 하나의 단부판의 열전달 표면을 증가시키는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  74. 제71항에 있어서, 상기 트러스조립체는 베이스판으로부터 연장되는 다수의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  75. 제74항에 있어서, 상기 트러스조립체는 리브 말단과 베이스판을 연결하는 적어도 하나의 지지체 및 리브와 베이스판 사이에서 연장되는 다수의 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
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  77. 제71항에 있어서, 상기 트러스조립체는 적어도 하나의 단부판의 내측면으로 부터 연장되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  78. 제71항에 있어서, 상기 트러스조립체는 적어도 하나의 단부판의 외측면으로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  79. 제71항에 있어서, 쉘의 적어도 일부는 적어도 하나의 단부판과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
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  87. 제71항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 1atm의 격실내 압력과 25℃의 온도에서 제1형태를 취하며, 175psi의 격실내 압력과 400℃의 온도에서 제2형태를 취하며; 상기 제2형태에서 적어도 하나의 단부판의 베이스판은 제1형태로부터 0.001인치 이하의 최대변위를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  88. 제71항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 1atm의 격실내 압력과 25℃의 온도에서 제1형태를 취하며, 175psi의 격실내 압력과 400℃의 온도에서 제2형태를 취하며; 상기 제2형태에서 적어도 하나의 단부판의 베이스판은 그 밀봉 영역에서 제1형태에 비해 0.001인치 이하의 변위를 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  89. 제71항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단부판은 25℃의 온도와 1atm의 압력에서 적어도 하나의 단부판의 형태에 대해 측정한 최대 변위를 가지며; 상기 적어도 하나의 단부판은 장치가 적어도 200℃의 설정온도와 50psi의 설정압력에서 작동될 때, 1000 lb/psi 이하의 중량/최대 변위 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  90. 제71항 내지 제79항중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단부판은 25℃의 온도와 1atm의 압력에서 적어도 하나의 단부판의 형태에 대해 측정한 최대 변위를 가지며; 상기 적어도 하나의 단부판은 장치가 적어도 300℃의 설정온도와 125psi의 설정압력에서 작동될 때, 800 lb/psi 이하의 중량/최대 변위 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
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  96. 제71항 내지 제79항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 수소선택 멤브레인은 프레임상에 장착되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  97. 제96항에 있어서, 프레임은 쉘내에 수용되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  98. 제97항에 있어서, 프레임은 쉘의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  99. 제71항 내지 제79항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 쌍으로 이루어진 수소선택 멤브레인이 서로 이격되도록 지향된 한쌍의 수소선택 멤브레인으로 형성되는 적어도 하나의 멤브레인 덮개를 포함하며, 그 투과 표면들은 그 사이로 연장되는 수집도관을 형성하기 위하여 일반적으로 서로 대면하며; 투과 스트림은 수집도관으로 멤브레인을 통과하는 혼합가스 스트림의 일부로 형성되며, 멤브레인의 제1표면상에 남아있는 혼합가스 스트림의 나머지 부분은 부산물 스트림의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  100. 제99항에 있어서, 적어도 하나의 멤브레인 덮개는 쌍으로 이루어진 수소선택 멤브레인을 지지하는 지지체를 수집도관내에 포함하며; 상기 지지체는 쌍으로 이루어진 수소선택 멤브레인의 각각의 투과측에 지지를 제공하는, 일반적으로 대향하는 한쌍의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  101. 삭제
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  103. 제71항 내지 제79항중 어느 한 항에 있어서, 혼합가스 스트림을 생성하기 위하여 연료처리기와 조합되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  104. 제103항에 있어서, 상기 연료처리기는 적어도 하나의 리포밍 베드를 포함하며, 스팀 리포밍에 의해 혼합가스 스트림을 생산하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  105. 내부 격실을 형성하는 포위부와,
    상기 격실내의 적어도 하나의 수소선택 멤브레인을 포함하며,
    상기 포위부는 수소가스가 함유된 혼합가스 스트림을 포위부로 분배되게 하는 적어도 하나의 입력 포트와, 수소가스를 함유한 산물 수소 스트림이 포위부로부터 제거되는 적어도 하나의 산물 출력포트와, 다른 가스의 적어도 일부를 함유하는 부산물 스트림이 상기 포위부로 제거되는 적어도 하나의 부산물 출력포트를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 수소선택 멤브레인은 혼합가스 스트림에 의해 접촉되는 제1표면과, 일반적으로 상기 제1표면과 대향하는 투과 표면을 포함하며; 산물 스트림은 적어도 하나의 수소선택 멤브레인을 통해 투과 표면을 통과하는 혼합가스 스트림의 일부로 형성되고, 부산물 스트림은 적어도 하나의 수소선택 멤브레인을 통과하지 않는 혼합가스 스트림의 일부로 형성되며,
    상기 포위부는 한쌍의 단부판과, 포위부의 적어도 일부를 형성하기 위해 단부판들 사이로 적어도 부분적으로 연장되는 쉘 부분을 포함하며; 상기 쉘 부분은 적어도 하나의 단부판과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  106. 제105항에 있어서, 상기 쉘 부분은 쌍으로 이루어진 제1단부판과 일체로 형성되며, 제2단부판상에서 밀봉영역과 유체기밀식 인터페이스를 형성하는 제1단부판으로 이격된 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  107. 제105항에 있어서, 상기 쉘 부분은 쌍으로 이루어진 제1단부판과 일체로 형성된 제1쉘 부분이며, 포위부는 제2단부판과 일체로 형성된 제2쉘 부분을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
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  110. 제105항에 있어서, 상기 포위부는 단부판과 쉘 사이에 오직 하나의 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  111. 제105항 내지 제110항중 어느 한 항에 있어서, 쌍으로 이루어진 수소선택 멤브레인이 서로 이격되도록 지향된 한쌍의 수소선택 멤브레인으로 형성되는 적어도 하나의 멤브레인 덮개를 부가로 포함하며, 그 투과측은 그 사이로 연장되는 수집도관을 형성하기 위하여 일반적으로 서로 대면하며; 산물 수소 스트림 수집도관으로 멤브레인을 통과하는 혼합가스 스트림의 일부로 형성되며, 멤브레인의 제1표면상에 남아있는 혼합가스 스트림의 나머지 부분은 부산물 스트림의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  112. 적어도 200℃의 설정온도와 적어도 50psi의 설정압력에서 작동되며, 내부가 구비된 포위부와 적어도 하나의 수소선택 멤브레인이 구비된 유체기밀식 격실을 포함하는 수소정화 장치에 있어서,
    포위부의 일부를 형성하는 적어도 하나의 트러스강화된 단부판을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  113. 제112항에 있어서, 설정온도는 적어도 300℃이고, 설정압력은 적어도 150psi인 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  114. 제112항 또는 제113항에 있어서, 수소 가스와 다른 가스를 포함하며 수소 정화 장치로 수송되는 혼합가스 스트림을 생산하도록 적용된 연료처리기와 조합되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
  115. 제114항에 있어서, 상기 장치는 연료처리기에 적어도 부분적으로 수용되는 것을 특징으로 하는 수소정화 장치.
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