KR100876246B1 - 수소 정제 장치, 구성요소 및 이를 포함하는 연료 처리시스템 - Google Patents

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Abstract

수소 정제 장치, 이에 관한 구성요소 및 이를 포함하는 연료 처리기와 연료 전지 시스템. 상기 수소 정제 장치는 압력하에 있는 수소 기체를 포함하는 혼합 기체 흐름을 수용하고 그로부터 순수 또는 충분한 순수 수소 기체를 포함하는 흐름을 생성하도록 적용된 분리 조립부를 포함하는 압력 용기와 같은 엔클로져를 포함한다. 상기 분리 조립부는 하나 이상의 수소 투과 및/또는 수소 선택 막을 포함하고, 실시형태에서 수소 선택 막은 영구적이고 직접적으로 상기 엔클로져에 결합된다. 실시형태에서 상기 막은 상기 엔클로져에 직접 용접, 확산 접합, 브레이징된다. 실시형태에서 상기 수소 선택 막의 일부분은 상기 밀봉된 엔클로져의 일부분을 형성하고, 몇 가지 실시형태에서 상기 수소 선택 막과 상기 엔클로져의 소모되는 부분으로부터 접촉부가 형성된다.
수소 정제 장치, 개질, 용접, 브레이징, 확산 접합, 수소 선택 막,

Description

수소 정제 장치, 구성요소 및 이를 포함하는 연료 처리 시스템{HYDROGEN PURIFICATION DEVICES, COMPONENTS, AND FUEL PROCESSING SYSTEMS CONTAINING THE SAME}
본 설명은 일반적으로 수소 기체의 정제에 관계되고 더욱 구체적으로는 수소 정제 장치, 구성요소 및 이를 포함하는 연료 처리 및 연료전지 시스템에 관계된다.
정제된 수소는 금속, 식용 지방(edible fats)과 오일, 및 반도체와 마이크로 전자공학을 포함하는 대다수 제품의 제조에 사용된다. 또한 정제된 수소는 대다수 에너지 전환 장치에서 중요한 연료 자원이다. 예를 들어, 연료 전지는 전위를 생성하기 위해 정제된 수소와 산화제(oxidant)를 사용한다. 다양한 과정과 장치가 연료전지에 의해 소모되는 수소 기체를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 대다수의 수소 생성 과정은 오염된 수소 흐름을 생성하며 이는 수소 기체와 다른 기체를 포함하는 혼합 기체 흐름으로 지시될 수 있다. 이러한 흐름을 연료전지 또는 연료전지의 스택(stack)에 전달하기 전에, 혼합 기체 흐름은 바람직하지 않은 오염물질을 제거하도록 정제될 수 있다.
본 발명은 수소 정제 장치, 수소 정제 장치의 구성요소 및 수소정제 장치를 포함하는 연료 처리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 수소 정제 장치는 압력 용기를 형성하는 엔클로져(enclosure)를 포함하며, 상기 엔클로져는 압력하에서 수소 기체와 다른 기체를 함유하는 혼합 기체 흐름을 수용하고, 순수한, 적어도 실질적으로 순수한 수소를 함유하는 흐름을 형성하도록 적용되는 분리 조립부(separation assembly)를 포함한다. 어떤 실시형태에서, 상기 엔클로져는 개스킷 없이 밀봉된다. 상기 분리 조립부는 하나 이상의 수소-투과 및/또는 수소 선택 막을 포함하고, 어떤 실시형태에서, 수소 선택 막은 영구적이고 직접적으로 엔클로져에 고정된다. 어떤 실시형태에서 상기 막은 엔클로져에 직접 용접, 확산 접합(diffusion-bonded) 또는 브레이징(brazed)된다. 어떤 실시형태에서, 수소 선택 막의 일부분은 밀봉된 엔클로져의 부분을 형성하고, 어떤 실시형태에서, 접촉면이 수소 선택 막과 엔클로져의 소모되는 부분에서 형성된다.
본 발명의 원리를 구체화한 바람직한 실시 예를 설명적 예로 보여주는 도면과 다음의 상세한 설명을 참조할 때 본 발명의 다양한 특성은 발명이 속하는 분야의 사람에게 명백해질 것이다.
도 1은 수소 정제 장치의 개략도.
도 2는 수소 선택 막을 포함하는 분리 조립부의 실시예를 설명하는 수소 정제 장치의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따라 구성된 수소 정제 장치의 개략적인 단면도.
도 4는 도 3에서 도시되는 장치의 수소 선택 막, 막 지지부 및 투과측 단부 평판의 일부분을 도시하는 부분 상세 단면도.
도 5는 본 발명에 따라 구성된 다른 수소 정제 장치의 개략적인 단면도.
도 6은 도 5에서 도시되는 장치의 수소 선택 막, 막 지지부, 막 패드 및 투과측 단부 평판을 도시하는 부분 상세 단면도.
도 7은 도 6의 막 패드에 관한 변형을 포함하는 수소 정제 장치를 도시하는 부분 상세 단면도.
도 8은 수소 정제 장치의 엔클로져에 막을 용접하는 것에 의해 형성되는 주변 밀봉부를 개략적으로 설명하는 부분 상세 단면도.
도 9는 수소 정제 장치의 엔클로져에 막을 확산 접합하여 형성하는 밀봉부를 개략적으로 설명하는 부분 상세 단면도.
도 10은 수소 정제 장치의 엔클로져에 막을 브레이징하여 형성되는 밀봉부를 개략적으로 설명하는 부분 상세 단면도.
도 11은 본 발명에 따라 구성된 또 다른 수소 정제 장치의 분해 사시도.
도 12는 본 발명에 따라 구성된 또 다른 수소 정제 장치의 개략적인 단면도.
도 13은 본 발명에 따라 구성된 또 다른 수소 정제 장치의 개략적인 단면도.
도 14는 단열 조립부를 포함하는 본 발명에 따른 수소 정제 장치의 분해 사시도.
도 15는 연료 처리기와 본 발명에 따라 구성된 수소 정제 장치를 포함하는 연료 처리 시스템의 개략적인 다이어그램.
도 16은 본 발명에 따른 수소 정제 장치와 결합된 연료 처리기를 포함하는 연료 처리 시스템의 개략적인 다이어그램.
도 17은 본 발명에 따라 구성된 통합된 수소 정제 장치를 포함하는 또 다른 연료 처리기의 개략적인 다이어그램.
도 18은 본 발명에 따라 구성된 수소 정제 장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 개략적인 다이어그램.
수소 정제 장치는 도 1에 개략적으로 설명되고 10으로 표시된다. 장치(10)는 분리 조립부(20)가 위치하는 내부 구획부(18)를 한정하는 바디 또는 엔클로져(12)를 포함한다. 수소 기체(26)와 다른 기체(28)를 포함하는 혼합 기체 흐름(24)은 압력하에서 내부 구획부로 전달된다. 더욱 구체적으로, 혼합 기체 흐름은 상기 내부 구획부의 혼합 기체 영역(30)으로 전달되고 분리 조립부(20)와 접촉한다. 분리 조립부(20)는 하나 이상의 수소 선택 및/또는 수소 투과 막(46)을 포함하고, 압력받는 상태의 혼합 기체 흐름을 수용하여, 혼합 기체 흐름으로부터 충분한 다른 기체의 부분을 포함하고 있는 부산물(byproduct) 흐름(36)과 혼합 기체 흐름 보다 큰 순도의 수소 기체를 포함하는 투과물 또는 수소가 풍부한 흐름(34)을 형성하도록 적용된다. 그러나, 상기 흐름(34)이 초기에 운반 기체(carrier gas) 또는 청소 기체(sweep gas)성분(청소 기체에 대한 상기 투과 영역에서 하나 이상의 추가적인 입력 포트를 갖는)을 포함하는 것은 본 발명의 범위 내이다.
상기 상세한 예에서, 분리 조립부를 통과하는 혼합 기체 흐름의 제1 부분은 내부 구획부의 투과 영역(32)으로 들어간다. 상기 혼합 기체 흐름의 이러한 부분은 수소가 풍부한 투과 흐름(34)을 형성하고, 상기 분리 조립부를 통과하지 않는 혼합 기체 흐름의 제2부분은 다른 기체를 상당한 부분 포함하는 부산물 흐름(36)을 형성한다. 상기 부산물 흐름에 개별적으로 또는 집합적으로 존재할 수 있는 "다른 기체"의 구체적인 예는 이산화탄소, 일산화 탄소, 상기 혼합 기체를 형성하는 반응하지 않은 공급 원료, 물, 질소와 메탄의 하나 이상을 포함한다. 특유한 혼합기체 흐름에 존재하는 상기 "다른 기체"의 구성은 상기 혼합 기체 흐름이 형성되는 과정, 상기 혼합 기체 흐름으로부터 형성되는 반응물, 상기 혼합 기체 흐름의 형성 동안 작동하는 조건과 같은 요인에 의하여 변하며, 앞서 서술한 예는 모든 혼합 기체 흐름에 존재할 것이 요구되지 않는다. 부산물 흐름(36)에는 전형적으로 상기 혼합 기체 흐름에 존재하는 수소 기체의 일부분을 포함한다. 또한 분리 조립부가 다른 기체를 상당한 부분 보유하고, 다른 기체는 상기 분리 조립부가 바뀌거나 개조되거나 또는 달리 재충전될때 부산물 흐름으로서 제거될 수 있는 것도 본원발명의 범위에 속한다.
도 1에서 흐름(24, 34 및 36)은 그 각각이 도식적으로 장치(10)의 내부 또는 외부로 흐르는 하나 이상의 실제의 흐름을 포함할 수 있는 것을 나타낸다. 예를 들어 장치(10)는 복수의 공급 흐름(24), 분리 조립부(20)에 접촉하기 전에 다수의 흐름으로 나누어지는 하나의 공급 흐름(24) 또는 구획부(18) 안으로 전달되는 단순한 하나의 흐름을 수용할 수 있다. 유사하게, 투과 및 혼합 기체 흐름(34 및 36)은 각각 하나 또는 두 개 이상의 흐름으로 방출될 수 있다.
장치(10)는 전형적으로 상승된 압력 및/또는 온도에서 작동한다. 예를 들어, 장치(10)는 700℃ 또는 그 이상의 주변부 온도 범위(선택된 온도)에서 작동할 수 있다. 다수의 실시형태에서, 선택된 온도는 200℃에서 500℃사이에 있을 것이고, 다른 실시형태에서 선택된 온도는 250℃에서 400℃사이에서 있을 것이다. 그리고 또한 다른 실시형태에서 선택된 온도는 400℃±25℃(또는 50℃ 또는 75℃)일 것이다. 장치(10)는 대략 50psi와 1000psi 또는 그 이상의 (선택된)압력 범위에서 작동할 수 있다. 다수의 실시형태에서, 선택된 압력은 50psi와 250psi 또는 500psi 범위에 있을 것이고, 다른 실시형태에서, 선택된 압력은 300psi 또는 250psi보다 작을 것이고, 또 다른 실시형태에서는, 선택된 압력은 175psi ± 25 psi(또는 50 psi 또는 75 psi)일 것이다.
결과로서, 엔클로져(12)는 전형적으로 위에서 지시한 상기 상승된 온도 및/또는 압력을 지지하도록 구성된 압력용기이다. 추가적으로, 상기 엔클로져는 수소 정제 장치의 적절한 작동을 위해 충분히 밀봉되어야 한다. 상기 엔클로져를 지시하면서 여기에서 사용되는 "밀봉된"이란 용어는 기체 흐름을 포함하고 아래에서 검토하는 것과 같이 입력 포트(64), 생성 포트(66) 및 부산물 포트(68)와 같이 정해진 포트를 통하지 않고 기체 흐름 및/또는 다른 기체 흐름이 상기 엔클로져를 들어가고 나가는 것을 방지하는 엔클로져의 기체의 견고함 또는 엔클로져의 기밀 기능을 가르킨다. 게다가, 온도 또는 압력과 같은 작동 매개 변수를 지시하면서 여기에서 사용되는 "선택된"이란 용어는 장치(10) 또는 모든 상관된 구성 요소가 이러한 선택된 값 또는 그 값 내에서 작동하는 값의 범위 또는 정해진 문턱값(threshold values)을 지시한다. 이러한 선택된 작동 매개변수는 상기 상응하는 구조가 사용되 고 있는 특별한 응용예와, 그 안에 존재하는 유체 흐름의 구성, 상기 상응하는 장치의 구조 및 구성요소, 사용자 선호, 조절 및/또는 안정 요구 등과 같은 요소에 따라 정해진다. 보다 자세한 설명으로서, 선택된 작동 온도는 특정된 온도의 5% 또는 10% 안에서와 같이 특정된 온도 범위 또는 허용 오차에서 특정 온도의 위 아래로 작동하는 온도가 될 수 있다.
상승된 작동 온도에서 작동하는 수소 정제 장치(10)의 실시형태에서, 상기 장치를 선택된 작동 온도로 가열하거나, 이러한 온도 또는 이러한 온도의 선택된 범위에서 장치를 유지하기 위해 열이 장치에 적용될 필요가 있다. 예를 들어, 이와 같은 가열은 적절한 가열 조립부(42)에 의해 공급될 수 있다. 가열 조립부(42)의 설명적인 예가 도 1에 개략적으로 설명되어 있다. 상기 조립부(42)는 혼합 기체 흐름(24) 그 자체를 포함하는 적합한 형태를 취하는 것으로 이해되어야 한다. 다른 적합한 가열 조립부의 구체적인 예는 전열기, 버너, 가열된 배기 흐름을 생성하는 다른 연소 영역, 혼합 기체 흐름(24)과 다른 가열된 유체 흐름을 구비한 열 교환기, 전기 히터(카트리지, 밴드 등)등의 하나 이상을 포함한다. 버너와 다른 연소 체임버(chamber)가 사용될 때, 연료 흐름이 소모된다. 부산물 흐름(36)은 이러한 연료 흐름의 일부분 또는 모든 부분을 포함한다. 예를 들어, 수소 정제 장치는 가능한 최소한의 수소 기체 양을 포함하는 부산물 흐름을 생성하도록 되어 있어 정제된 수소 기체 양을 최대화할 수 있다. 수소 정제 장치는 추가적으로 또는 선택적으로 수소 정제 장치가 바람직한 작동 온도를 유지하도록 버너 조립부에 요구되는 연료를 공급하기 위해 충분한 수소 기체를 포함하는 부산물 흐름을 생성하도록 될 수 있다.
도 1의 42'에 개략적인 서술은 엔클로져를 적어도 부분적으로 둘러싸는 덮개 안에서, 엔클로져 안으로 또는 엔클로져의 통로를 통해 연장되는 흐름에 의해 또는 전기 절연기 또는 전기적으로 생성된 열을 전도하거나 복사하는 다른 장치와 같이 전도에 의해 가열 조립부가 장치(10)의 외부에서 가열 유체 흐름을 전달하는 것을 설명한다. 요구되는 가열은 하나의 가열 조립부에 의해 제공되거나 또는 두 개 이상의 가열원의 조합에 의해 제공될 수 있다.
검토한 것처럼, 분리 조립부(20)는 하나 이상의 수소 투과 및/또는 수소 선택 막(46)을 포함한다. 상기 막은 상기 정제 장치(10)가 작동되고 상기 혼합 기체 흐름의 다른 성분이 상기 막을 통과하는 것을 막으면서 수소 기체가 상기 막을 통과하거나 투과하는 작동 환경이나 매개변수에서 사용하는데 적합한 물질로 형성될 수 있다. 바꾸어 말하면, 상기 막은 장치(10)가 작동되는 작동 온도와 압력, 특히 혼합된 기체, 생성 및 부산물 흐름에 노출되거나 가열 및 압축된 상태로 사용되는 것과 가열되지 않고 감압된 상태로 사용되는 사이클 상태에서 화학적 및 열적으로 안정한 물질로부터 생성되어야 한다.
막(46)의 적합한 물질의 예는 팔라듐 및 팔라듐 합금, 특히 그러한 금속과 금속 합금의 얇은 막을 포함한다. 팔라듐 합금은 특히 40 wt% 구리를 포함하는 막과 같이 35 wt%에서 45 wt%의 구리를 함유하는 팔라듐이 효과적인 것으로 증명되었다. 이러한 막은 전형적으로 대략 0.001 inch 두께의 얇은 호일로부터 형성된다. 상기 막이 비금속과 합성물뿐만 아니라 위에서 지시한 것과 다른 금속과 금속 합금 을 포함하는 수소 투과 및/또는 수소 선택 막으로부터 형성될 수 있고, 상기 막이 위에서 지시한 것보다 크거나 작은 두께를 갖는 것도 본 발명의 범위이다. 예를 들어, 상기 막은 수소 흐름의 증가에 맞추어 더 얇게 만들어질 수 있다. 상기 막의 두께를 감소시키는 적절한 메카니즘의 예는 롤링, 스퍼터링 및 에칭을 포함한다. 적절한 에칭 과정은 미국 특허 6,152,995에 기재되어 있고, 이에 대한 모든 공개는 모든 목적의 참고 자료와 결합된다. 다양한 막, 막 구성 및 막을 준비하는 방법의 예가 미국 특허 제6,221,117호와 제6,319,306호에 기재되어 있고 이에 대한 모든 공개는 모든 목적의 참고 자료와 결합된다.
도 2에서 막(46)에 대한 적절한 구성의 도식적인 예가 보여진다. 도시된 바와 같이, 막(46)은 혼합 기체 흐름(24)에 의해 접촉 되어지는 혼합 기체 표면(48)과 일반적으로 표면(48)과 대향하는 투과 표면(50)을 포함한다. (46')에서, 막(46)은 호일(foil) 또는 필름으로 묘사되어 있다. (46'')에서, 막은 그물(mesh) 또는 확장된 금속 스크린, 또는 세라믹 또는 다른 다공성의 물질과 같은 기초 지지부(54)에 의해 지지된다. (46''')에서, 상기 막은 다공성 소자(56)로 덮여있거나, 다공성 소자(56)에 형성되거나 또는 다공성 소자(56)에 코팅된다. 위에서 지시한 상기 막 구성은 도 2에 개략적으로 설명되어 있고, 본 발명에 대한 모든 가능한 구성을 표현하는 것은 아니다.
예를 들어, 막(46)이 평면 구성을 가지는 것으로 도 2에 설명되어 있음에도 불구하고, 막(46)이 평면이 아닌 구성을 가질 수 있는 것도 본 발명의 범위 내이다. 예를 들어, 상기 막의 형태는 막이 지지되거나 형성되는 지지부(54) 또는 요 소(56)의 형태에 의해 적어도 부분적으로 한정될 수 있다. 그와 같이 막(46)은 특히 장치(10)가 상승된 압력에서 작동될 때, 오목, 볼록 또는 평면이 아닌 구성을 가질수 있다. 또 다른 예에서, 막(46)은 관(tubular) 모양의 구성을 가질 수 있다.
검토한 것처럼, 엔클로져(12)는 분리 조립부(20)가 위치하는 내부 구획부(18)를 한정한다. 도 2의 실시형태에서, 엔클로져(12)는 주변 덮개(62)에 의해 결합되는 한 쌍의 단부 평판(60)을 포함한다. 기하학적 모양, 형태와 크기에 한정되지 않고 상기 장치의 일반적인 구성의 대표적인 예를 보여주도록 하는 장치(10)가 도 2에 개략적으로 설명된 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 단부 평판(60)은 전형적으로 주변 덮개(62)의 벽보다 더 두꺼우나, 이것이 요구되는 것은 아니다. 유사하게, 단부 평판의 두께는 단부 평판 사이의 거리와 같거나 크거나 작거나 할 수 있다. 추가된 예로서, 막의 두께(46)는 설명을 위하여 과장되었다.
도 2에서, 혼합 기체 흐름(24)은 입력 포트(64)를 통해 구획부(18)로 전달되고, 수소가 풍부한(또는 투과한) 흐름(34)은 하나 이상의 출력 또는 생성 포트(66)를 통해 제거되고, 부산물 흐름은 하나 이상의 부산물 포트(68)를 통해 장치(10)로부터 제거되는 것이 도시된다. 기체 흐름이 장치(10)로 전달되거나 제거되는 엔클로져(12)의 특별한 위치가 변할 수 있다는 것을 설명하기 위해 상기 포트가 단부 평판의 다양한 곳을 통해 연장되는 것이 보여진다. 또한, 하나 이상의 흐름이 덮개(62)를 통해 전달되거나 방출되거나 또는 상기 단부 평판의 주변부 가장자리를 통해 전달되거나 방출될 수 있는 것도 본 발명의 범위이다.
게다가, 포트(64, 66 및 68)가 유동 조절 구조 및/또는 연결 구조와 연관되거나 포함될 수 있는 것도 본 발명의 범위이다. 이러한 구조의 예는 상류 또는 하류의 구성요소와 영구적 또는 선택적으로 유동적이게 장치(10)에 연결되도록 구성된 하나 이상의 밸브, 흐름 및 압력 조절기, 커넥터 또는 다른 피팅 및/또는 매니폴드 조립부를 포함한다. 설명을 위하여, 이러한 흐름 조정 및/또는 연결 구조는 도 2의 70으로 지시된다. 간결하게 표현하기 위해, 구조(70)는 모든 실시형태에서 설명되지 않고 있다. 대신에, 장치(10)의 특별한 구조를 위해 몇몇 또는 모든 포트가 이러한 구조의 하나 또는 모든 것을 포함하고, 각각의 포트는 설령 있어도 같은 구조(70)를 지닐 필요는 없고, 2이상의 포트는 실시형태에서 전형적인 집합 또는 전달 매니 폴드, 압력 방출 밸브, 유체 흐름 밸브 등과 같은 구조(70)를 공유하거나 집합적으로 이용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
막(46)은 구획부(18) 내에서 적합한 방식으로 장착되거나 지지되거나 고정되거나 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 장치(10)는 공급측 단부 평판(59)과 투과측 단부 평판(61)을 갖는 엔클로져(12)를 포함한다. 이러한 구성이 도 3 내지 도 11에 기재되어 있으나, 엔클로져가 본 문서에서 묘사되는 압력 구동 분리 과정을 위해 압력 용기를 집합적으로 한정하는 적절한 수의 구성요소로 형성될 수 있는 것도 본 발명의 범위이다. 도 3에서 지시한 것처럼, 각각의 단부 평판은 내부 주변부(72), 외부 주변부(74) 및 내부와 외부주변부에서 연장되는 밀봉부 영역(76)을 포함한다. 도시된 것처럼, 상기 밀봉부 영역은 내부와 외부 주변부 사이에서 선형적으로 연장한다. 다른 구성이 본 발명의 영역을 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 밀봉부 영역(76)은 막(46)과 단부 평판(59, 61)사이에서 밀봉을 위하여 가능성 있는 또는 가능한 위치를 제공한다. 엔클로져를 지시하며 여기에서 사용한 "밀봉"이란 용어는, 상기 엔클로져 구성요소들 사이 및/또는 상기 엔클로져와 상기 막 사이에서 가능성 있는 기체 누출을 방지하는 구조를 지시한다.
단부 평판(59)은 입력 포트(64)와 부산물 포트(68)을 포함하고, 반면에 단부 평판(61)은 방출 포트 또는 생성 포트(66)를 포함한다. 지시한 것처럼 포트의 도시된 방향과 위치는 요구되지 않고 본 발명의 범위에서 변할 수 있다. 도시된 단부 평판(59)은 혼합 기체 흐름(24)을 막(46)의 혼합 기체 표면(48)에 노출시키고 혼합 기체 표면(48)을 따라 흐르도록 허용하는 기체 흐름 통로를 한정하는 체임버(chamber)(84)를 포함하고 이로써 상기 막에 더 많은 혼합 기체의 노출을 촉진시키고, 혼합 기체 안의 더 많은 수소 기체가 엔클로져의 투과 영역을 지나도록 허용한다. 도시된 구성에서, 단부 평판(61)은 막 지지부(54)를 수용하고 막을 통과하는 혼합 기체 흐름의 일부분에 기체 흐름 통로를 제공하도록 구성된 체임버(86)를 포함한다. 또한, 단부 평판(61)은 추가적으로 아래에서 지시되는 하나 이상의 막 패드(94)를 수용하는 것으로 구성되는 제2 체임버(90)를 도 6에서처럼 포함한다. 이러한 체임버들 중 어느것도 모든 실시예에 요구되는 것은 아니나, 상기 엔클로져의 투과 영역은 바람직하게는 상기 막으로부터 투과된 수소 기체가 흐르거나 배출되는 상기 막의 지지부와 기체 통로를 한정하거나 포함한다. 유사하게, 엔클로져의 혼합 기체 영역은 바람직하게는 막을 통과하는 혼합 기체 흐름의 일부분이 생성 포트(66)를 통과하는 것과 같이 엔클로져로부터 제거되거나 모아지기 위한 적절한 기 체 유동 통로를 포함한다.
다음에서, 엔클로져(12)는 단부 평판(59, 61)으로 형성되고, 각각의 단부 평판은 막(46)이 놓여지는 체임버(chamber) 또는 기체 유동 영역을 포함한다. 바꾸어 말하면, 엔클로져를 투과 영역과 혼합 기체 영역으로 나누도록 하나 이상의 단부 평판 또는 엔클로져의 다른 부분과 함께 상기 막은 기체-기밀 밀봉부로부터 연장된다. 엔클로져의 투과 영역과 혼합 기체 영역은 개별적으로 형성된 주변 덮개가 결합되거나 연장되는 단부 평판으로부터 형성될 수 있고, 이러한 덮개는 상기 엔클로져의 대응하는 면의 상기 기체 유동 영역의 하나 이상의 부분을 한정하는 것도 본 발명의 범위이다. 개별적인 주변 덮개를 요구하지 않는 단부 평판으로부터 엔클로져를 형성하는 장점은 엔클로져가 기체 누출을 방지하도록 밀봉될 필요가 있는 접촉부를(상기 엔클로져의 인접 부분 사이에 형성되는)더 적게 갖는다. 단부 평판(59, 61)을 포함하는 엔클로져(12)는 장치(10)의 상승된 작동 온도 및/또는 압력, 특히 연장된 시간 및/또는 반복되는 가열 및 냉각 사이클에서 화학적 및 열적으로 안정한 적절한 재료로 생성될 수 있다. 예를 들어 단부 평판은 스테인레스 강철, MonelTM 합금, IncoloyTM 합금 등으로 형성될 수 있다. 다른 적합한 재료와 구성은 미국 특허 제6,569,227호에 기재되어 있고, 이러한 기재사항은 본 발명의 모든 목적에서 인용자료로 결합된다.
상기 막이 전적으로 상기 엔클로져의 내부 구획부 안에 위치되고 유지되는 종래의 수소 정제 장치와는 달리, 본 발명에 따른 장치(10)는 적어도 단부 평 판(59, 61) 사이에서 연장되는 것과 같이 엔클로져와 함께 기체-기밀 밀봉부를 형성하기 위해 영구적이고 직접적으로 엔클로져에 고정되는 하나 이상의 막(46)을 포함한다. 이러한 구성의 설명적인 예는 도 3과 도 5에 도식적으로 설명된다. 막(46)은 중앙 영역(80)과 외부 주변 영역(82)을 포함한다. 상기 중앙 영역은 수소 투과 영역으로서 지시될 수 있고 단부 평판의 내부 주변부의 내부로 연장하고 엔클로져의 내부 구획부를 투과영역과 혼합기체 영역으로 나누는 수소 선택 막의 일부분을 지시할 수 있다. 바람직하게는, 상기 막의 중앙 영역이 전부는 아니어도 충분한 부분이 수소 정제 장치의 사용 동안 혼합 기체 흐름에 노출되어 있고 혼합기체 흐름을 생산물 흐름과 부산물 흐름으로 분리하는데 도움이 되도록 적용된다.
막(46)의 외부 주변 영역(82)은 단부 평판의 내부 주변부의 외부 또는 이를 넘어 연장되는 상기 막의 일부분과 관계된다. 검토한 것처럼, 외부 주변 영역은 단부 평판(또는 덮개)의 내부 주변부로부터 단부 평판의 외부 주변부로 연장된다. 바꾸어 말하면, 상기 막의 횡단면(막의 연장 길이에 평행한 면에서 얻어진 단면)은 구획부의 횡단면(같은 면을 따라 얻어진)보다 더 크다. 도 3과 도 5의 설명 예에서, 막(46)의 외부 주변 영역 혹은 가장자리는, 단부 평판의 외부 주변부로 연장된다. 상기 가장자리는 도 4와 도 6에 가장 잘 보여지고, 83으로 지시된다. 막(46)의 외부 주변 영역은 단부 평판의 내부와 외부 주변부 사이(즉, 밀봉부를 단지 부분적으로 가로지르는)에만 연장될 수 있거나 상기 막의 외부 주변 영역은 단부 평판의 외부 주변부(즉, 상기 엔클로져의 외부)를 넘어 연장될 수 있는 것은 본 발명의 범위이다. 바꾸어 말하면, 상기 막은 상기 막이 연장되는 내부 구획부의 단면 영역을 넘는 상기 막의 평면에서 또는 표면을 따라 측정된 단면을 가진다.
검토한 것처럼, 장치(10)는 압력 구동 분리 과정을 통해 혼합 기체 흐름을 생성 흐름과 부산물 흐름으로 분리하는 하나 이상의 막(46)을 사용한다. 그와 같이, 혼합 기체 흐름은 생성 흐름이 상기 엔클로져를 떠나는 것보다 높은 압력에서 상기 막의 상기 투과 표면과 접촉하여 전달되는 경향이 있다. 매우 얇은 경향의 상기 막은 막의 투과 표면 위에서 이러한 압력에 대하여 지지부에 의해 지지될 필요가 있다. 막 지지부는 도 3 내지 도 6에서 도식적으로 54로 설명된다.
막 지지부는 상기 막의 중앙 부분의 전부는 아니더라도, 충분한 부분을 가로질러 연장되어야 하고 다공성 또는 기체가 투과할 수 있는 구조로 이루어져 상기 막을 통과하는 기체가 생성 포트(66)로 흐르도록 하여야 한다. 바람직하게는, 상기 기체는 상기 지지부와 평행하거나 관통하는 방향에서 흐를 수 있다. 예를 들어, 지지부(54)는 하나 이상의 메시(mesh), 세라믹, 또는 망상 전신(網狀展伸) 금속판 재료로 형성될 수 있다. 실험에서, 소결(sinster)되거나 달리 함께 고정될 수 있는(요구되는 것은 아니지만) 두 개 이상의 스크린을 포함하는 스크린 조립부를 포함하는 지지부는 효과가 있음이 증명되었다. 예를 들어, 정교한 메시 또는 망상 전신(網狀展伸) 금속판 스크린은 상기 막에 직접적으로 접촉하도록 위치할 수 있고, 이러한 스크린은 하나 이상의 더 거친 스크린에 의해 지지될 수 있다.
도 3에서 막 지지부(54)는 단부 평판(61)의 움푹 들어간 곳(recess), 또는 체임버(chamber)(86)에 수용되는 것이 보여진다. 체임버(86)는 상기 막 지지부를 수용하고 위치시켜 단부 평판의 밀봉부 영역(76)과 막 지지부의 막 결합 면(87)이 서로 동일 평면이 되도록 한다. 이러한 구성은 도 4에 도식적으로 설명된다. 설명되는 것처럼, 상기 막 지지부의 외부 가장자리 또는 주변부(88)는 단부 평판의 내부 주변부(72)와 직면해 있다. 상기 주변부 부분이 직접적으로 서로 접해 있거나 단부 평판의 내부 주변부(또는 주변 덮개)와 막 지지부의 외부 주변부 사이에서 간극(gap), 전형적으로는, 작은 간극이 있을 수 있는 것도 본 발명의 범위이다. 단부 평판이 상기 지지부를 수용하도록 규격이 되어 있는 체임버를 포함하는 것과 관계없이, 막 지지부는 상기 엔클로져의 내부 구획부 안에 위치할 것이고, 따라서 상기 막 지지부는 상기 엔클로져의 단부 평판(또는 주변 덮개)의 내부 주변부에 접하거나 내부 주변부에 가깝게 연장하는 외부 주변부를 포함할 것이다.
단부 평판(61)의 밀봉부 영역(76)과 막 지지부(54)의 막 접촉 면(87)은 바람직하게는 완전히 동일한 평면 관계에 놓여 있기 때문에, 그 결과 상기 막 지지부의 외부 주변부와 단부 평판의 내부 주변부 사이에 틈(seam), 간극, 또는 다른 천이영역(92)이 형성될 것이다. 도 4에서 보여진 것처럼, 상기 막은 이러한 천이영역을 가로질러 연장한다. 수소 정제 장치의 작동 동안에 또는 특히 더욱 중요하게는 장치의 열 압력 사이클 동안에, 이러한 부분의 변형 및/또는 결합은 피어싱(piercing), 주름 현상(winkling), 약해짐(weakening) 또는 상기 막의 손상과 같은 것에 의하여, 상기 막에 누설(leak)을 유발한다. 상기 막 안의 구멍(hole), 베임(cut), 또는 틈(aperature)은 다른 기체가 막을 통해 흐르는 통로를 제공하고 그럼으로써 생성 수소 흐름의 순도를 감소시킨다. 따라서, 이러한 천이영역은 막의 손상 가능성을 줄이도록 가능한 매끄럽고 작은 것이 바람직하다.
도 5와 도 6에서 본 발명에 따른 수소 정제 장치(10)는 상기 막이 천이영역에 직접 맞닿는 것을 방지하도록 천이영역과 상기 막 사이에서 연장되는 하나 이상의 막 패드(94)를 포함할 수 있다. 그와 같이, 패드(94)는 상기 막의 투과 표면(50)에 접촉하고, 추가적으로는 상기 막 지지부와 투과측 단부 평판의 밀봉부 영역과 접촉하여 연장되는 것으로 묘사될 수 있다. 패드(94)는 막 지지부의 한 부분을 통과하고 투과측 단부 평판의 일부분을 통과하는 것으로 묘사될 수 있다.
패드(94)는 상기 엔클로져와 상기 막 지지부 사이의 천이영역에 놓여 상기 막 표면이 천이영역에 결합하는 것을 방지하도록 구성되는 적합한 구조를 포함할 수 있다. 예로서, 도 6에 가장 잘 도시되어 있는 것처럼, 패드(94)는 천이영역(92)에 놓이거나 천이영역을 부드럽게 하고 막(46)이 천이영역과 결합하는 것을 방지하도록 사용된다. 패드(94)는 수소 정제 장치에서 노출되는 작동 환경에서 열적으로나 화학적으로 안정하고 주름지거나, 구멍나거나 또는 천이영역과의 접촉에 의해 손상될 가능성을 줄이는 적합한 재료로 생성될 수 있다.
전형적인 기체 정제 장치에서 사용되고, 상기 막과 접촉구조 사이에서 기체-기밀 또는 기체-비투과성 밀봉부를 형성하도록 요구되는 개스킷 또는 다른 구조와 달리, 패드(94)는 그러한 밀봉부를 생성할 것이 요구되지 않는다. 실제로 장치(10)의 작동은 패드(94)가 상기 막과 엔클로져 또는 지지부 사이에 기체-기밀 밀봉부의 형태를 형성하는 것에 영향받지 않아야 한다. 그런 이유로 막(46)과 엔클로져(12) 또는 지지부(54) 사이에 기체-비투과성 밀봉부를 생성하지 않는 것도 본 발명의 범위이다. 따라서, 패드(94)는 압축성 재료로 형성될 필요는 없고, 압축성 재료로 형 성되더라도, 큰 압력하에 있을 필요는 없다.
예를 들어, 패드(94)는 기체-투과성 재료 또는 기체-비투과성 재료로 형성될 수 있다. 따라서 상기 패드는 수소-선택 또는 수소-투과성이 되거나 아니거나 할 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 패드는 20% 또는 그 이하의 압력과 같은 단지 적은 압력하에 있는 개스킷으로부터 형성될 수 있다(전형적으로, 압축성 개스킷은 적어도 30%압축이 필요하고, 바람직하게는 기체-비투과성 밀봉부를 생성하도록 60% 에 가깝게 압축을 필요하다.). 설명하는 것처럼, 패드(94)에 사용되는 것과 같은 비배타적인 예는 GRAFOILTM이란 상표 이름으로 Union Carbide에 의해 판매되는 것과 같은 흑연 개스킷이다. 실용적인 예로서, 5mil GRAFOILTM 개스킷이 사용되고 4mil로 압축될 때, 이러한 압축 정도가 기체-기밀 밀봉부를 제공하는데 불충분하더라도 상기 막의 바람직한 보호를 제공한다. 추가적인 예로서, 패드(94)는 금속, 강체 및/또는 비압축성 재료로 형성될 수 있다(즉, 두께가 감소되더라도 장치에 조립될 때의 가장자리보다 더 감소되지 않는 재료). 금속 패드가 사용된다면, 적합한 재료의 설명적인(비배타적인) 예는 알루미늄, 구리 및/또는 강철을 포함한다.
도 6에서, 패드(94)는 패드가 천이영역을 포함하고 패드의 막 결합 면(95)을 투과측 단부 평판의 밀봉부 영역(76)과 동일평면관계에 위치시키기 위해 패드를 수용하고 위치시키도록 규격화된 오목한 곳 또는 체임버(90)에 위치되는 것이 보여진다. 그러한 구성에서, 상기 패드의 포함은 상기 지지부의 막-결합 면과 투과측 단부 평판의 밀봉부 영역을 동일 평면상으로 배치시키는 것을 보충(offset)하는 것으 로 이해된다. 패드(94) 및/또는 구획부(90)는 본 발명에 따른 모든 장치(10)에 필요한 것은 아니다.
패드(94)는 적합한 구성과 두께를 가질 수 있다. 도식적인 예에서, 패드는 천이영역을 포함하나 상기 막의 중앙 부분의 대부분을 따라 연장되지 않는다. 상기 막이 장치(10)의 사용 중에 막 지지부를 향하는 경향이 있기 때문에, 바람직하게는 상기 막이 사용중 구부러지는 가파른 가장자리를 제공하지 않게 하기 위해 상기 패드(94)는 상대적으로 얇게 한다. 상기 막에 의한 패드의 결합은 상기 패드가 기체-기밀 밀봉부를 형성하도록 압축되지 않아도 압축성 패드의 사용을 장려할 수 있다. 도 7에서와 같이 또 다른 예에서 상기 패드는 테이퍼되거나, 경사된 내부 주변부(96)를 포함할 수 있다. 이러한 테이퍼된 구성은 상기 막이 접히거나(crease) 또는 장치의 가압과 감압 동안과 같이 상기 패드를(반복적으로) 사용함으로써 손상되는 가능성을 줄일 수 있다.
막(46)은 적절한 방법 및/또는 구조에 의하여 엔클로져(12)에 고정될 수 있다. 예를 들어 막(46)은 단부 평판(59, 61)의 양 쪽 또는 한 쪽에서와 같이, 엔클로져(12)에 영구적이고 직접적으로 결합 될 수 있다. 상기 막을 장착하는 것에 관하여 여기에서 사용한 것으로서 "영구적"이란 용어는 상기 막이 일단 장착되면, 막을 엔클로져에서 분리하는 것은 상기 막 또는 상기 엔클로져를 자르거나 일부를 제거하거나 또는 적어도 일부분을 손상시키는 것과 같은 적절한 방법으로 상기 막을 상기 엔클로져에 장착시키는 것을 지시한다. 추가적으로, 상기 막을 장착하는 것에 관하여 여기에서 사용한 것으로서, "직접적"이란 용어는 상기 막을 상기 엔클로져 에 연결하는 매개 구조의 사용 없이 상기 엔클로져에 상기 막을 장착하는 것을 지시한다. 예를 들어, 그 자체로 상기 엔클로져의 상기 내부 구획부 안에 지지되는 프레임(frame)에 고정되는 막은 엔클로져에 직접적으로 고정되지 않는다. 더욱 직접적인 예로서, 본 발명에 따른 영구적이고 직접적으로 고정되는 막은 수소 정제 장치의 중요한 압력 용기인 엔클로져(12)의 내부 구획부(18)를 혼합 기체 영역(30)과 투과 영역(32)으로 나눌 것이다. 더욱 자세히 검토한 것으로서 밀봉부를 형성하기 위한 개스킷 또는 다른 압축성 밀봉부 요소의 사용을 요구하지 않는 엔클로져에 기체-기밀 밀봉부를 제공하도록 상기 막은 상기 엔클로져에 직접 결부된다.
막(46)은 직접적이고 영구적으로 상기 막과 상기 엔클로져 사이의 기체-기밀 밀봉부와의 접촉부를 형성하는 것으로 엔클로져에 고정된다. 상기 접촉부는 영구적이고 직접적으로 상기 막을 엔클로져에 고정하고 상기 막과 상기 엔클로져 사이에 기체-기밀 밀봉부를 제공한다. "기체-기밀"에 의해, 혼합 기체 흐름이 상기 엔클로져의 내부 구획부의 혼합 기체 영역에서 투과측 단부 평판에서의 지정된 포트를 통하지 않고, 상기 엔클로져의 외부로 흐르거나 수소 선택 막 그 자체를 통해서가 아닌 내부 구획부의 투과 영역으로 흐르는 것을 방지하는 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 바람직하게는, 상기 장착 과정은 상기 혼합 기체와 엔클로져의 투과 영역과의 사이 및 이러한 영역과 엔클로져의 외부 사이에 누수 통로가 발생하는 것을 방지하도록 상기 막과 상기 엔클로져 사이에 밀봉부를 형성한다.
상기 엔클로져에 영구적이고 직접적으로 막(46)을 고정하는 과정에 대한 상세하나 배타적이지 않는 예는 상기 막과 엔클로져 사이에서 기체-기밀 밀봉부를 형 성하기 위해 상기 막과 상기 엔클로져, 둘 다는 아니어도, 적어도 하나의 부분은 소모되는 파괴적인 결합 과정이다. 기체-기밀 밀봉부에 관하여 본 문서에서 사용된 "소모되는"이란 용어는 상기 막 또는 엔클로져의 소모되는 부분으로부터 합금을 형성하거나 상기 막과 상기 엔클로져 사이에서 상호적으로 원자를 확산하는(diffusing) 것을 포함하여 상기 막과 상기 엔클로져 사이에서 접착하거나 밀봉부와 결합을 형성하기 위해 상기 막과 상기 엔클로져에 하나 이상의 물리적 및/또는 화학적 특성을 변화시키는 것을 지시한다. 파괴적인 결합 과정의 설명적인 예는 용접과 확산 접합을 포함한다. 적절한 고정 방법의 또 다른 예는 브레이징(brazing)에 의해 상기 막과 엔클로져가 영구적이고 직접적으로 기체-기밀 밀봉부를 형성하도록 결합되는 것이다. 이러한 설명적인 예 각각은 아래에서 더 자세히 검토되고 도 8 내지 도 10에서 도식적으로 설명되어 있다. 영구적이고 직접적으로 막(46)을 엔클로져(12)에 고정하는 다른 적절한 방법은 레이저 용접, 솔더링, 저온 브레이징과 같은 것을 포함한다.
도 8에서 접촉부(100)는 막(46)을 단부 평판(59, 61)의 밀봉부 영역과 같은 엔클로져의 밀봉부 영역에 용접함으로써 형성된다. 용접 과정은 도 8에서 다소 도식적으로 묘사된 것처럼, 막(46)의 소모 부분(102)과 단부 평판(59, 61)의 소모 부분(104, 106) 사이에서 밀봉부(108)를 생성한다. 용접 과정에서, 합금(109)은 막과 단부 평판의 소모되는 부분으로부터 형성된다. 모든 적절한 용접과정은 막(46)을 단부 평판(59, 61)(또는 하나 이상의 엔클로져의 다른 부분)에 용접하는데 사용될 수 있다. 요구되는 것은 아니나, 용접 과정은 적어도 하나 이상의 추가적인 금속과 다른 성분을 합금(109)에 삽입할 수 있다. 예를 들어, 텅스텐 불활성 기체(TIG) 용접이 사용될 수 있다. TIG과정에서, 전선(wire)(Nichrome 및/또는 Monel 전선과 같은)이 그루부(groove) 또는 용접 접합부(57)에 삽입된다. 용접 과정 중에 액상(liquidus phase)이 상기 막과 엔클로져의 일부분과 상기 전선으로부터 형성된다. 추가적인 성분의 포함은 전선, 막과 엔클로져의 응고된 덩어리의 호환성과 안정성을 향상시킨다. 접촉부(100)는 막(46)과 엔클로져(12)의 외부 주변 영역과 가까운 곳에 있는 것으로 설명되고 있음에도 불구하고, 상기 접촉부가 밀봉부 영역(76)의 하나 이상의 부분 또는 상기 막과 엔클로져 사이에 밀봉 또는 결합을 형성하기 위해 적합한 장소 및/또는 하나 이상의 밀봉부 영역(76)을 따라 막(46)과 엔클로져(12)의 내부 주변부 영역 가까이에 연장되는 것도 본 발명의 범위이다. 바꾸어 말하면, 상기 접촉부는 전형적으로 단부 평판(59, 61)과 같은 엔클로져의 용접부분의 외부 및 내부 주변부 사이에서 적어도 부분적으로 연장될 것이다. 요구되는 것은 아니지만, 용접과정에 의해 생성된 접촉부는 바람직하게는 상기 엔클로져의 내부 주변부 앞에서 멈춘다(즉, 내부 구획부 안으로 연장되지 않는다).
도 9에서 접촉부(110)는 단부 평판(59, 61)에 막(46)의 확산 접합에 의해 형성된다. 확산 접합은 막(46)의 소모되는 부분(112)과 단부 평판(59, 61)의 소모되는 부분 사이에서 이러한 부분에 액상(liquidus phase)을 형성하지 않고 밀봉부(118)를 생성한다. 상기 막과 관련하여 본 발명에 관해 사용한 "확산 접합"이란 용어는 결합되는 물질의 원자 및/또는 분자의 상호적인 확산이 있는 과정을 지시한다. 접촉부(110)가 밀봉부 영역(76)의 전부는 아니어도 적어도 충분한 부분을 따라 형성되더라도, 접촉부가 상기 막과 엔클로져의 외부 주변부 및/또는 상기 막(46)과 엔클로져(12) 사이에서 밀봉부와 결합을 형성하는 다른 적절한 위치 사이에서 밀봉부 영역의 하나 이상 부분을 따라 형성되는 것도 본 발명의 범위이다. 확산 접합과 용접 모두 파괴적인 결합 과정에 앞서 존재하지 않았던 합금 또는 다른 구성을 초래한다.
도 10은 막(46)과 엔클로져(12)가 브레이징 과정을 통해 기체-기밀 밀봉부를 형성하는 것을 설명하고 있다. 브레이징 과정에서 엔클로져나 막 어느 것도 소모되지 않는다. 대신에, 브레이징 재료(126)는 응고하면서 단부 평판(59, 61)의 밀봉부 영역 사이와 같이 상기 막과 엔클로져 사이에서 기체-기밀 밀봉부를 형성하면서 액상을 형성한다. 본 발명에서 사용된 것으로서 "브레이징"이란 용어는 구성요소 사이에 브레이징 물질을 흐르게 하여 상기 구성요소를 결합하는 것을 의미한다. 적절한 브레이징 물질도 사용될 수 있으나, 바람직하게는 막과 단부 평판보다 낮은 온도에서 액상으로 변하는 물질이다. 브레이징 물질은 막(46)과 단부 평판(59, 61)사이(또는 엔클로져의 다른 부분)에 기체-기밀 밀봉부(128)를 형성한다. 밀봉부(128)가 막과 엔클로져의 외부 주변 영역 사이에서 보여지지만, 밀봉부(128)가 밀봉부 영역(76)의 하나 이상의 부분과 막과 엔클로져 사이에서 밀봉부와 결합을 형성하도록 하는 다른 적절한 장소를 따라 위치할 수 있는 것도 본 발명의 범위이다.
도 8 내지 도 10의 설명적인 예는 상기 밀봉된 엔클로져의 부분을 형성하는 막(46)의 예를 제공하는 것으로서 묘사될 수 있다. 이에 의하면 상기 막이 밀봉된 엔클로져(압력 용기)의 내부 구획부 안에서 단순하게 지지되는 대신에, 압력 용기 는 막에 의하여 부분적으로 정해지는 것을 의미한다. 이러한 관계를 묘사하는 또 다른 방법은 상기 막이 밀봉된 엔클로져의 기체-기밀 밀봉부의 부분을 형성하는 것이다.
위에서 지시된 밀봉부는 막(46)(외부 주변 영역(82)와 같은)과 엔클로져(12) 사이에 연속적인 밀봉부처럼 보이지만, 두 개 이상의 구분되는 또는 비연속적인 밀봉부가 사용될 수 있는 것도 본 발명의 범위이다. 예를 들어, 제1 기체-기밀 밀봉부는 단부 평판(59, 61)의 첫번째와 같이 막(46)과 엔클로져의 첫번째 부분 사이에 형성될 수 있다. 그 후, 제2 기체-기밀 밀봉부 부분은 단부 평판(59, 61)의 두번째와 막사이 및/또는 단부 평판의 첫번째와 막 사이에서 형성될 수 있다. 예를 들어 막(46)은 영구적이고 직접적으로 단부 평판 중 하나의 밀봉부 영역 및/또는 엔클로져의 내부 면에 고정될 수 있고, 그 후에 단부 평판 또는 엔클로져의 다른 부분은 압력 용기를 밀봉하기 위해 함께 고정할 수 있다. 그러나 바람직하게는 본 발명에서 기재된 기체-기밀 밀봉부를 형성하도록 막이 엔클로져에 영구적이고 직접적으로 고정되는 단계에서 막과 엔클로져 사이의 기체-기밀 밀봉부가 형성된다.
앞선 설명되는 예가 단부 평판(59, 61)의 밀봉부 영역의 외부 주변부로 또는 그 이상으로 연장되는 막을 설명하고 있으나, 상기 막은 완전히 밀봉부 영역을 가로질러 연장되는 것을 요구하지 않는다. 상기 막이 직접적이고 영구적으로 고정되는 엔클로져 부분의 밀봉부 영역의 외부 주변부로 또는 그 이상으로 연장되는 장점은 밀봉부는 전형적으로 적어도 부분적으로 엔클로져의 내부 쪽으로 연장되는데, 상기 밀봉부가 엔클로져의 외부 부분으로부터 생성될 수 있다는 것이다.
도 11은 내부 구획부(18)를 포함하는 압력 용기를 형성하는 엔클로져(12)를 포함하는 수소 정제 장치(10)의 도식적인 예를 설명하고, 내부 구획부는 내부 구획부에 놓여지고 그와 함께 기체-기밀 밀봉부를 형성하도록 엔클로져에 직접적이고 영구적으로 고정되는 적어도 하나의 수소 선택 막(46)에 의해 혼합 기체 영역(30)과 투과 영역(32)으로 나뉘어진다. 본 발명에 따른 장치(10)에 존재하는 위에 지시한 구성요소와 하위 구성요소가 도 11에서 도식적으로 설명된다. 도 11에서 보여진 실시예는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에서 기재된 변형과 선택적 구조를 포함할 수 있다.
위에서 지시하고 본 명세서에서 도식적으로 설명한 수소 정제 장치의 구조와 그것에 관한 개별적 구성요소의 구성이 본 발명의 모든 가능한 구성을 표현하는 것은 아니다. 유사하게, 상기 설명된 막, 지지부, 엔클로져 등의 두께와 다른 치수(dimensions)는 설명의 목적으로 과장되었고 이러한 구성요소의 상대적인 사이즈(size)를 정확하게 표현하려고 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 막의 두께는 과장되었다. 유사하게, 단부 평판의 모양과 상대적인 치수가 설명의 목적으로 단순화 되었다. 여기서 더욱 자세히 설명하는 것으로서 밀봉부 영역(76)과 근접한 단부 평판의 외부 주변부는 테이퍼 될 수 있거나 달리 기체-기밀 밀봉부를 향상시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 단부 평판은 도 8 내지 도 10에서 설명하는 것처럼 테이퍼된 영역 또는 그루부(groove)를 포함할 수 있다. 이러한 선택적인 영역은 막(46)이 용접이나 브레이징에 의해 엔클로져(12)로 고정될 때 강한 밀봉부를 형성하도록 구성되는 적합한 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 수소 정제 장치(10)의 추가적인 예는 도 12와 도 13에 보여지고 일반적으로 210으로 지시된다. 달리 상술하지 않으면, 장치(210)는 본 문서에서 설명하고 묘사되거나 결합되는 다른장치와 같이 선택적으로 구성요소, 하부구성요소 및 변형의 어느 것을 포함한다. 이렇게 사전에 검토한 구성요소의 설명적인(배타적이지 않은) 예는 도 12와 도 13에 지시된다. 앞서 묘사한 예와 유사하게, 장치(210)는 엔클로져와 함께 기체-기밀 밀봉부를 형성하도록 엔클로져에 영구적이고 직접적으로 고정된 적어도 하나의 수소 선택 막(46)에 의해 혼합 기체 영역(30)과 투과 영역(32)으로 나누어지는 내부 구획부(18)를 갖는 압력 용기를 한정하는 엔클로져(12)를 포함한다.
엔클로져(12)의 상술한 예는 주변 덮개(214)와 한 쌍의 단부 평판(59, 61)을 포함한다. 주변 덮개(214)는 단부 평판 사이를 연장하여 단부 평판과 함께 엔클로져의 내부 구획부(18)를 한정한다. 주변 덮개는 또한 엔클로져의 압력 용기의 부분을 형성하는 프레임(frame)으로서 지시될 수 있다. 상술하는 예에서 막(46)은 주변 덮개에 영구적이고 직접적으로 고정되고, 주변 덮개는 차례로 영구적이고 직접적으로 단부 평판(59, 61)과 같은 엔클로져의 인접 부분에 고정된다. 앞에서 묘사된 기체-기밀 밀봉부를 형성하는 파괴적이면서 다른 과정은 막을 주변 덮개에 고정하고 주변 덮개를 단부 평판에 고정하는데 사용할 수 있다. 따라서, 기체-기밀 밀봉부는 막과 주변 덮개 및/또는 막과 단부 평판 사이에서 및 덮개와 단부 평판 사이에서 위에서 묘사한 파괴적인 결합 과정에 의해서와 같이 형성된다. 이러한 밀봉부는 도 12에서 218로 지시된다.
도 12와 도 13에서 막(46)은 막 지지부(54)에 의해 투과 표면(50)에서 지지되면서, 영구적이고 직접적으로 주변 덮개의 투과 표면(216)에 고정된다.
막(46)이 영구적이고 직접적으로 덮개의 혼합 기체 표면 및/또는 엔클로져의 또 다른 부분에 고정될 수 있는 것은 본 발명의 범위이다. 또한, 2 이상의 주변 덮개가 사용될 수 있는 것도 본 발명의 범위이다. 주변 덮개(214)는 수소 정제 장치가 사용되는 작동 환경에서 안정적인 적절한 재료로 생성될 수 있다. 주변 덮개(214)는 엔클로져의 나머지와 같은 재료로 형성될 수 있으나, 이것이 요구되는 것은 아니다. 그러한 이유로, 덮개(214)는 선택적으로 단부 평판과 다른 구성 요소로 형성될 수 있다.
주변 덮개 부분(214)은 단부 평판을 서로 떨어지게 배치하여, 엔클로져의 압력 용기의 적어도 한 부분과 내부 구획을 한정한다. 도 12에서 보여진 설명적인 예에서, 주변 덮개 부분 또는 프레임(214)은 내부 주변부 또는 내부 표면부(222)를 가지며, 상기 내부 표면부는 상기 단부 평판의 하나(도 13) 또는 양 쪽(도 12)의 내부 주변부와 관련된 엔클로져의 내부 구획부로 돌출되어 있다. 양 쪽의 실시형태에서, 주변 덮개의 내부 주변부(222)는 막 지지부의 외부 주변부 또는 가장자리(88)보다 작다. 다시 말해, 주변 덮개 부분은 막 지지부(54)와 포개진다. 이러한 구성은 개스킷 없는 수소 정제 장치(즉, 상기 엔클로져의 내부 구획을 혼합 기체와 투과 영역으로 나누기 위해 상기 막과 상기 엔클로져 사이에 밀봉부를 형성하기 위한 압축성 또는 다른 개스킷을 요구하지 않는 수소 정제 장치)의 또 다른 실시 예이고, 또한 엔클로져와 상기 막에 직접적으로 결합된 막 지지부 사이에서 천이영역 이 없는 구조를 제공한다.
주변 덮개를 이용하는 가능한 장점은 단부 평판의 적어도 하나가(요구되는 것은 아니지만) 단부 평판의 평면 방향으로 기체가 관통하는 유동을 위한 체임버 또는 오목한 곳 없이 형성될 수 있다는 것이다. 대신에, 주변 덮개 부분은 상기 엔클로져의 내부 구획부의 투과 또는 혼합 기체 영역 각각의 전부는 아니어도, 적어도 충분한 부분을 한정한다. 따라서, 혼합 기체 영역(30) 또는 투과 영역(32)과 같이, 선택된 또는 바람직한 기체 유동 영역을 제공하는 두께(단부 평판 사이의 거리에서 측정된 두께)를 가지도록 주변 덮개(214)를 사이즈(size)하거나 또는 선택하는 것은 본 발명의 범위이다. 도 13은 주변 덮개 부분의 두께(즉, 주변 덮개의 혼합 기체와 투과 표면 사이의 거리)의 증가는 혼합 기체 영역에 관하여 설명한 것처럼, 엔클로져의 기체-유동 통로 또는 영역의 두께 사이즈를 증가시킨다. 이러한 가능성 있는 제조 장점의 교환 조건, 즉, 단부 평판의 하나 안에 이러한 체임버 또는 기체 유동 통로를 형성할 필요가 없다는 것은 주변 덮개 부분을 포함하는 것이 엔클로져의 외부 밀봉부의 수를 증가시킨다는 사실이다. 더욱 특히, 주변 덮개의 포함은 상기 덮개와 제1 단부 평판 사이와, 상기 덮개와 제2 단부 평판 사이에 하나씩 2개의 외부 밀봉부를 요구한다. 밀봉부는 기체 누출 통로로의 가능성을 제공하므로, 밀봉부에 누수가 없도록 확실히 하는 주의가 필요하다.
위에서 검토한 것처럼, 수소 정제 장치(10)는 전형적으로 상승된 온도와 압력에서 작동한다. 이러한 압력은 엔클로져가 이러한 힘에 견디어 낼 수 있도록 내구성 있는 압력 용기일 것을 요구하고, 이러한 힘은 전형적으로 수백 파운드의 힘 으로 엔클로져 구성요소가 서로 분리되도록 가해진다. 상기 엔클로져는 사용시에는 가열 및 가압되고 비사용시에는(not in use) 냉각 및 감압되는 것처럼 반복적으로 엔클로져가 경험하는 열 및 압력 사이클을 견뎌 낼 수 있어야 한다.
검토된 것처럼, 수소 정제 장치를 상승된 온도로 가열하는 것이 바람직할 때, 다양한 가열 조립부가 사용될 수 있다. 또한 요구되는 것은 아니지만, 가열 조건을 감소시키거나, 주변 구조, 운전자 등이 상기 엔클로져의 외부 면에 접촉하는 것을 방지시키기 위하여 상기 장치를 고립시키는 것은 바람직하다. 도 14는 본 발명에 따라 엔클로져(12)를 포함하는 수소 정제 장치(10)와 함께 사용될 수 있는 고립된 가열 조립부(300)의 설명적인 예를 제공한다. 여기에서 사용된 것처럼, "수소 정제 조립부"란 용어는 도 14와 관련하여 기재되거나 설명된 고립된 가열 조립부(300)와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 가열 조립부(42)와 조합하여 이 문헌에서 설명되고 또는 기재된 수소 정제 장치(10)의 하나를 지시하는 것으로 사용된다. 수소 정제 장치(10) 및/또는 엔클로져(12)가 바로 뒤에 묘사되는 고립된 가열 조립부(300) 없이 사용될 수 있다는 것도 본 발명의 범위이다.
보여진 것처럼, 수소 정제 장치(10)는 설명하는 한 쌍의 가열 조립부(42) 사이에 위치하고, 가열 조립부는 구체적으로 322로 지시되고 가열 전도 기구(323)를 포함한다. 가열 전도 기구(323)는 열을 전달하는데 적합한 재료로 형성되고 상기 재료에서 구멍(328)으로 수용되는 전기 히터(326)와 같은 열 공급원(324)을 수용하기에 적합하다. 다른 열 공급원이 상기 상술한 전기 히터를 대신하거나 또는 추가하여 사용될 수 있다. 상기 가열 기구는 수소 정제 장치의 엔클로져(12)의 마주보 는 외부 면 또는 표면(330)을 가로질러 열을 분배한다. 가열 전도 기구는 바람직한 작동 온도로 엔클로져와 그의 내용물을 가열하는데 사용되는 상승된 온도에서와 같이, 외부 엔클로져(12)의 작동 환경에서 열적, 화학적으로 안정한 적합한 가열 전도 물질로 만들어 질 수 있다. 적합한 재료의 예로 다른 것이 널리 사용될 수 있지만 알루미늄이다.
설명적인 예에서, 면(330)과 가열 전도 기구의 상응하는 표면(332)은 평면 구조를 가지고 있어, 이러한 구조는 직접적으로 적어도 포개지는 면의 충분한 부분을 가로질러 서로 결합할 수 있다. 가열 전도 기구 및/또는 단부 평판의 외부는 이러한 구성요소를 서로 상관하여 위치시키거나 이러한 구조를 결합시키는 적절한 장착대(mount)을 포함하거나 적절한 고정대로 결합할 수 있는 것도 본 발명의 범위이다.
또한, 장치(10)와 가열 조립부(322)를 수용하도록 맞춰진 고립 덮개 또는 하우징(housing)(350)이 도 14에 보여진다. 하우징(350)은 내화성 세라믹과 같은 어느 적절한 단열 재료로 형성될 수 있고 바람직하게는 수소 정제 장치를 포함하고 선택적으로는 적어도 가열 조립부 또는 조립부들(조립부들 42 또는 322와 같은)의 일부분을 포함하여, 바람직한 온도를 유지하기 위한 가열 조건을 줄이고(즉, 가열 손실을 줄이고) 낮은 온도 및 바람직하게는 외부 면과 접촉하는 물체에 손상을 가하지 않을 온도의 외부 면(353)를 제공한다. 설명된 예에서, 하우징(350)은 장치(10)와 조립부(322)가 수용되는 내부 구획부(354)를 포함하는 2개의 파트너(halves)(352)에서 형성된다. 2개 이상의 구성 요소, 수소 정제 장치 주변부에 주조 또는 달리 형성된 모놀리식(monolithic) 구조, 다르게 크기가 된 구성 요소 등 보다 더 포함하는 구성과 같은 다른 구성이 사용될 수 있다.
도 14는 또한 밀봉된 수소 정제 장치, 가열 조립부(322)와 하우징(350)을 모두 밀착시키는 선택적인 고정장치(retainer)(360)의 설명적인 예를 제공한다. 보여진 것처럼, 고정자(360)는 적절한 연결자(connector)에 의하여 결합되는 평판(362)을 포함하고 바람직한 연결자는 평판 서로가 편향되게 하는 스프링 또는 다른 연결자이다. 수소 정제 장치는 엔클로져를 분리하거나 열도록 작용하는 내부 힘에 저항하도록 설계되어 있는 밀봉된 엔클로져를 포함하기 때문에, 상기 연결자는 단순히 이러한 구조가 서로 물리적으로 접촉되게 한다.
본 발명에 따라 구성된 수소 정제 장치(10)는 오염된 수소 기체원(source)과 연관되거나 유동적으로 교환한다. 이러한 수소 기체원의 예는 수소화물 층과 압축화된 탱크와 같은 기체 저장 장치를 포함한다. 또 다른 기체원은 수소 기체를 회복하는 배출 또는 폐기 흐름을 생성하는 장치이다. 또 다른 기체원은 연료 처리기이고, 여기에서 사용되는 연료 처리기는 공급 원료를 포함하는 적어도 하나의 공급 흐름으로부터 수소 기체를 포함하는 혼합 기체 흐름을 생성하도록 적용된 장치를 지시한다. 전형적으로 수소 기체는 연료 처리기에 의해 생성되는 혼합 기체 흐름의 대다수 또는 적어도 상당부분을 형성한다.
연료 처리기는 다양한 메카니즘(mechanisms)을 통해 혼합 기체 흐름(24)을 생성할 수 있다. 적절한 메카니즘의 예는 개질 촉매(reforming catalysts)를 탄소 함유한 공급 원료와 물을 포함하는 공급 흐름으로부터 수소 기체를 생산하는데 사 용하는 수증기 개질(steam reforming)과 자동발열 개질(Autothermal Reforming)을 포함한다. 수소 기체를 생산하는 다른 적합한 메카니즘은 열분해와 탄소를 함유하는 공급 원료의 촉매에 의한 부분 산화를 포함하고, 이러한 경우 공급 흐름은 탄소를 포함하는 공급 원료를 포함하나 물은 포함하지 않는다. 수소 기체를 생성하는 또 다른 메카니즘은 전기분해이고, 이러한 경우 공급 재료는 물이고 탄소 함유 공급 재료는 포함하지 않는다. 적절한 탄소 함유 공급원의 예는 적어도 하나의 탄화수소 또는 알코올이다. 적절한 탄화 수소의 예는 메탄, 프로판, 천연 기체, 디젤, 등유 가솔린 및 이와 같은 것을 포함한다. 적절한 알코올의 예는 메탄올, 에탄올과 에틸렌 글리콜과 프로필렌 글리콜 같은 폴리올이다.
혼합 기체 흐름(24)을 연료 처리기로부터 수용하도록 채택된 수소 정제 장치(10)가 도 15에 도식적으로 보여진다. 보여진 것처럼, 연료 처리기는 400으로 표시되고, 연료처리기와 수소 정제 장치의 조합은 연료 처리 시스템(402)으로 표시될 수 있다. 검토한 것처럼 장치(10)에 열을 공급하고 검토된 것 또는 여기에 결합된 것 같은 다양한 형태를 취할 수 있는 열 조립부(42)가 파선에 의해 보여진다. 연료 처리기(400)는 위에서 검토한 형태를 취할 수 있다. 또한 본 발명에 따르는 수소 정제 장치가 연료 처리기(400)와 다른 출처에서 혼합 기체 흐름(24)을 수용한다는 것을 도식적으로 설명하기 위해, 기체 저장 장치가 406으로 표시되어 도식적으로 설명되고, 다른 생성 흐름(408)을 생성하는 과정에서 폐기물 또는 부산물 흐름으로서 혼합 기체 흐름(24)을 생성하는 장치가 410으로 보여진다. 연료 처리기(400)는 관련된 열 조립부, 공급 재료 전달 시스템, 공기 전달 시스템, 공급 흐름원 또는 공급부 등을 포함하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
연료 처리기는 종종 상승된 온도 및/또는 압력에서 작동한다. 결과로서 수소 정제 장치(10)와 연료 처리기(400)가 외부 유체 이송관에 의해 연결되지 않고, 수소 정제 장치(10)를 연료 처리기(400)와 적어도 부분적으로 결합하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 구성의 예가 도 17에 보여지고, 도 17에서 연료 처리 장치는 장치(10)가 일부분을 형성하거나 적어도 장치가 부분적으로 포함되는 덮개 또는 하우징(412)을 포함한다. 그러한 구성에서, 연료 처리기(400)는 장치(10)를 포함하는 것으로서 묘사될 수 있다. 연료 처리기 또는 혼합 기체 흐름(24)의 다른 공급원을 수소 정제 장치(10)와 결합하는 것은 장치가 하나의 단위로서 더욱 용이하게 움직일 수 있다. 그러한 것은 장치(10)를 포함하는 연료 처리기의 구성 요소를 공통된 기체 조립부가 가열할 수 있게 하거나 장치(10)에 요구되는 가열의 전부가 아니더라도 적어도 일부가 처리기(400)에 의해 생성되는 열에 의해 충족될 수 있다.
검토된 것처럼, 연료 처리기(400)는 수소 기체를 포함하는 혼합된 기체 흐름, 바람직하게는 다수의 수소 기체를 포함하는 혼합 기체 흐름을 생성하는 적합한 장치이다. 설명의 목적으로 다음에서 연료 처리기(400)를 도 17에서 보여진 것처럼, 탄소를 함유하는 공급 재료(418)와 물(420)을 포함하는 공급 흐름(416)을 수용하는 것으로 기재될 것이다. 그러나, 연료 처리기(400)가 위에서 검토한 것처럼 다른 형태를 취하고 연료 흐름(416)이 단지 탄소 함유 공급 재료 또는 단지 물을 포함하는 것과 같이 다른 구성을 가질 수 있는 것도 본 발명의 범위이다.
연료 흐름(416)은 적절한 메카니즘에 의해 연료 처리기(400)로 이송될 수 있 다. 하나의 공급 흐름(416)이 도 17에 보여지나 하나의 흐름 이상(416)이 사용될 수 있고 이러한 흐름은 같거나 또는 다른 구성 요소를 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 탄소를 함유한 공급 재료(418)가 물과 혼합할 수 있을 때 전형적으로 도 17에서 보여진 것처럼, 상기 공급 재료는 공급 흐름(416)의 물 성분과 함께 전해진다. 상기 탄소 함유 공급 재료가 물과 혼합할 수 없거나 또는 단지 적은 양만이 혼합할 수 있을 때 이러한 구성 성분은 전형적으로 도 17에서 파선으로 보여진 것처럼, 분리된 흐름으로 연료 처리기(400)에 전달된다. 도 17의 실선에서, 공급 흐름(416)은 공급 흐름 전달 시스템(417)에 의해 연료 처리기(400)로 전달되는 것이 보여지고 있다. 전달 시스템(417)은 연료 흐름을 연료 처리기(400)로 전달하는 적절한 메카니즘, 장치 또는 그것에 대한 조합체를 포함한다. 예를 들어, 전달 시스템은 흐름(416)의 구성 요소를 공급부로부터 전달하는 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 시스템(471)은 압축된 공급부로부터 구성요소의 흐름을 조절하는 밸브 조립부를 포함할 수 있다. 공급부는 연료 전지 시스템 외부에 위치하거나 내부에 포함되거나 또는 시스템 주변부에 있을 수 있다.
도 17의 432에서 지시되는 것처럼, 연료 처리기(400)는 혼합 기체 흐름(24)이 공급 흐름(416)으로부터 생성되는 수소 생성 영역을 포함한다. 검토된 것처럼, 다양한 다른 과정이 수소 생성 영역(432)에서 이용될 수 있다. 그러한 과정의 예는 영역(432)이 수증기 개질 촉매(434)를 포함하는 수증기 개질(steam reforming)이다. 선택적으로, 영역(432)이 자동 발열 개진(autothermal reforming)에 의해 흐름(24)을 생성할 수 있고, 이러한 경우 영역(432)은 적절한 자동 발열 개진 촉매를 포함하고 연료 처리기는 자동 발열 개진에 적절한 온도와 압력에서 작동한다. 수증기 또는 자동 개질 발열기에서 혼합 기체 흐름(24)은 또한 석유 생산 흐름으로 지시 될수 있다. 바람직하게, 연료 처리기는 충분히 순수한 수소 기체를 생성하도록 적용되고, 더욱 바람직하게는, 연료 처리기가 순수한 수소 기체를 생성하도록 적용된다. 본 발명의 목적에 있어서, 충분한 순수 수소 기체는 90%, 바람직하게는 95%, 더욱 바람직하게는 99%, 더욱더 바람직하게는 99.5%이상의 순수이다. 적절한 수소 처리기의 예가 미국 특허 제6,221,117호와 2001년 3월 8일에 출원되고 "연료 처리기 및 시스템 및 이를 포함한 장치"로 명칭되는 출원 계속중인 미국 특허 출원 번호 제09/802,361호와 2001년 3월 19일 출원되고 "수소 선택 금속 막 모듈과 이를 형성하는 방법"으로 명칭되는 미국 특허 제6,319,306호에 기재되어 있고, 이들 각각은 모든 목적 전체에 참조 사항으로 결합된다.
연료 처리기(400)는 필수적인 것은 아니지만, 도 17에서 보여진 것처럼 추가적인 마무리 영역(448)을 포함한다. 마무리 영역(448)은 장치(10)로부터 수소가 풍부한 흐름(34)을 수용하고 그곳에서 선택된 구성 성분의 농도를 감소하거나 제거함으로써 상기 흐름을 더욱 정제한다. 도 17에서 결과적인 흐름은 414로 표시되고, 생산 수소 흐름 또는 정제된 수소 흐름으로 지시될 수 있다. 연료 처리기(400)가 마무리 영역(448)을 포함하지 않을 때는 수소가 풍부한 흐름(34)이 생산 수소 흐름(414)을 형성한다. 예를 들어, 흐름(34)이 연료 전지 스택에서 사용되도록 될 때, 일산화 탄소와 이산화 탄소와 같은 연료 전지 스택을 손상시킬 수 있는 구성성분은 필요하다면 수소가 풍부한 흐름에서 제거될 수 있다. 일산화탄소의 농도는 제 어 시스템이 연료전지 스택을 고립시키는 것을 방지하기 위해 10ppm(parts per million) 이하이어야 한다. 바람직하게, 시스템은 일산화탄소의 농도를 5ppm보다 적게, 더욱 바람직하게는 1ppm보다 적게 한정한다. 이산화 탄소의 농도는 일산화 탄소의 농도보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 25%의 이산화 탄소보다 더 적은 농도는 수용될 수 있다. 바람직하게, 농도는 10%보다 적고 더욱 바람직하게는 1%보다 적다. 특히 바람직한 농도는 50ppm보다 적다. 본 문서에서 제시되는 수용할 수 있는 최소 농도는 설명적인 예이고, 본 문서에서 제시되는 것과 다른 농도가 사용될 수 있고 본 발명의 범위인 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 특정 사용자와 제조자는 최소 또는 최고 농도 단계 또는 본 문서에서 취급한 것과 다른 범위를 요구할 수 있다.
영역(448)은 흐름(34)에서 선택된 구성물의 농도를 제거하거나 감소시키는데 적절한 구조를 포함한다. 예를 들어, 생산물 흐름이 양자 교환 막(proton exchange membrane PEM) 연료 전지 스택 또는 상기 흐름이 일산화탄소 또는 이산화 탄소의 정해진 농도이상을 포함하면 손상되는 장치에 사용될 때, 하나 이상의 메탄화 촉매층(450)을 포함하는 것은 바람직하다. 층(450)은 일산화탄소와 이산화 탄소를 메탄과 물로 바꾸고 메탄과 물은 양자 교환 막 연료 전지 스택을 손상시키지 않을 것이다. 마무리 영역(448)은 모든 반응하지 않은 공급 재료를 수소 기체로 전환하는 또 다른 개질 촉매 층과 같은 수소 생산 영역(452)을 포함한다. 그러한 실시형태에서, 이산화탄소 또는 일산화탄소가 메탄 생성 촉매층의 하류에서 재도입되지 않도록 제2 개질 촉매층은 메탄 생성 촉매층으로부터 상류에 있는 것이 바람직하다.
전형적으로, 수증기 개질 반응기는 200℃와 700℃범위의 온도와 50psi와 1000psi의 범위의 압력에서 작동되나, 사용되는 연료 처리기의 독특한 종류와 구성에 의존하는 것과 같이 이러한 범위 밖의 온도도 본 발명의 범위이다. 히터, 버너, 연소 촉매 등과 같이 적절한 가열 메카니즘이나 장치가 이러한 열을 제공하도록 사용 될 수 있다. 상기 가열 조립부는 연료 처리기의 외부에 있을 수 있고 또는 연료 처리기의 부분을 형성하는 연소 체임버를 형성할 수도 있다. 상기 가열 조립부의 연료는 연료 처리 또는 연료 전지 시스템에 의해 또는 외부 공급원에 의해 또는 두 가지 경우에 의해 제공될 수 있다.
도 17에서 연료 처리기(400)는 상기 묘사된 구성을 포함하는 덮개(412)를 포함하는 것으로 보여진다. 하우징으로 지시될 수 있는 덮개(412)는 연료 처리기의 구성 요소가 하나의 단위로서 이송될 수 있도록 한다. 또한, 그것은 보호 덮개를 제공함으로써 연료 처리기의 구성요소가 손상으로부터 보호할 수 있고 연료 처리기의 구성요소가 하나의 단위로서 가열될 수 있으므로 연료 처리기의 가열 양을 줄일 수 있다. 덮개(412)는 필수적인 것은 아니나, 고체 단열 재료, 담요(blanket) 단열 재료 또는 공기로 가득찬 공동(cavity)과 같은 단열재료(433)를 포함한다. 그러나 연료 처리기는 하우징 또는 덮개 없이 형성될 수 있는 것도 본 발명의 범위이다. 연료 처리기(400)가 단열 재료(433)를 포함할 때, 단열 재료는 덮개 안, 밖, 또는 양쪽에 있을 수 있다. 단열 재료가 상기 묘사된 개질부, 분리부 및/또는 마무리 영역을 포함하는 덮개 외부에 있을 때, 연료 처리기는 추가적으로 고립부 외부에 커버 또는 덮개를 포함할 수 있다.
또한, 연료 처리기(400)의 하나 이상의 구성 요소가 덮개를 넘어 연장되거나 덮개(412) 외부에 위치할 수 있는 것도 본 발명의 범위이다. 예를 들어, 도 16에서 지시되는 것처럼, 장치(10)는 적어도 부분적으로 덮개(412)를 넘어 연장될 수 있다. 또 다른 예로서 도 17에서 도식적으로 설명된 것처럼, 마무리 영역(448)은 덮개(412)의 외부일 수 있고 또는 수소 생성 영역(432)(하나 이상의 개질 촉매 층의 일부분과 같은)의 일부분은 상기 덮개를 넘어 연장될 수 있다.
위에서 지적한 것처럼, 연료 처리기(400)는 수소가 풍부한 흐름(34) 또는 생성 수소 흐름(414)을 하나 이상의 연료 전지 스택에 보내도록 적용될 수 있고, 연료 전지 스택은 그 결과 전류를 생성한다. 그러한 구성에서, 연료 처리기와 연료 전지 스택은 연료 전지 시스템으로서 지시될 수 있다. 그러한 시스템의 예는 도 18에 개략적으로 설명되고, 연료 전지 스택은 일반적으로 422로 지시된다. 연료 전지 스택은 그곳으로 전달되는 생성 수소 흐름(414)의 부분으로부터 전류를 생성하도록 적용된다. 상기 설명적인 실시형태에서, 하나의 연료 처리기(400)와 하나의 연료 전지 스택(422)이 보여지고 묘사된다, 그러나 이러한 구성의 하나 이상 또는 양쪽이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한 이러한 구성은 개략적으로 설명되었고 연료 전지 시스템은 공급 펌프, 공기 전달 시스템, 열 교환기, 열 조립부와 같이 그림에서 구체적으로 설명되지 않은 추가적인 장치를 포함할 수 있는 것도 이해되어야 한다.
연료 전지 스택(422)은 적어도 하나 및 전형적으로는 복수의 연료 전지(424)를 포함하고, 연료 전지는 그곳으로 전달되는 생성 수소 흐름(414)의 부분으로부터 전류를 생성하도록 적용된다. 이러한 전류는 적어도 하나의 연관된 에너지 소모 장치(425)의 에너지 수요 또는 적용되는 부하(load)를 충당하도록 사용될 수 있다. 장치(425)의 설명적인 예는 이에 한정되는 것은 아니지만, 자동차, 레저용 차량, 보트, 공작 기계, 광원, 조명장치, 기구(가정용 또는 다른 기구와 같은), 가정용, 사무실, 사업, 신호 또는 통신 장비 등을 포함한다. 장치(425)는 도 18에서 개략적으로 설명되고 연료 전지 시스템으로부터 전류를 끌어내도록 적용되는 하나 이상의 장치 또는 장치 집합체를 표현한다. 연료 전지 스택은 전형적으로 공통되는 단부 평판(423) 사이에서 함께 합쳐지는 복수의 연료 전지를 포함하고, 단부 평판은 유체 이동/제거 도관을 포함한다. 적절한 연료 전지의 예는 양자 교환 막(PEM) 연료 전지와 알칼린(alkaline) 연료 전지를 포함한다. 연료 전지 스택(422)은 생산 수소 흐름(414) 모두를 포함할 수 있다. 흐름(414)의 일부분 또는 모두는 추가적으로 또는 선택적으로 적절한 도관을 통해 또 다른 수소를 소모하는 과정에서의 사용을 위해 전달되거나, 연료 또는 가열을 위해 연소되거나, 또는 추후 사용하기 위해 저장될 수 있다.
본 명세서에 기재된 상기 수소 정제 장치, 구성요소 및 연료 처리 및 연료 전지 시스템은 수소 기체가 생산되고 또는 이용되는 연료 처리, 연료 전지 및 다른 산업에 적용할 수 있다.
위에 상술된 발명은 독립적인 이용을 갖는 다수의 구분되는 발명을 포함하는 것으로 여겨진다. 이러한 발명 각각이 바람직한 형태로 기재되어 있으나, 본 문서에서 기재되거나 설명된 구체적인 실시형태는 수많은 변화가 가능하므로 제한적 의미로 고려되지는 않는다. 본 발명의 문제는 다양한 요소, 특성, 기능 또는 본 문서에 기재된 특성의 신규하고 진보한 조합 및 서브 조합을 포함한다. 유사하게, "하나" 또는 " 제1의" 요소 또는 이에 상응하는 요소를 기재하는 청구항은 두 개 또는 그 이상의 요소를 배제하거나 요구하는 것이 아닌 하나 이상의 그러한 요소의 결합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
다음의 항은 특히 상기 기재된 발명 중 하나를 지시하고 신규하고 자명하지 않은 특정의 조합 및 서브 조합을 지시하는 것으로 여겨진다. 특징, 기능, 요소 및/또는 특성의 다른 조합 및 서브 조합에서의 구체화된 발명은 현재 청구항의 보정 또는 본 출원 또는 이와 관련된 출원에서 신규 청구항의 제시에 의해 청구될 수 있다. 다른 발명에 관련되거나 같은 발명에 관련되거나, 또는 최초의 청구항의 범위와 다르거나 넓거나 좁거나 대등하거나 보정된 또는 신규의 청구항은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 여겨진다.

Claims (57)

  1. 구획부 내로 수소 기체와 다른 기체를 포함하는 혼합 기체 흐름을 수용하고, 그로부터 적어도 실질적으로 순수한 수소 기체를 함유하는 수소가 풍부한 투과 흐름과 적어도 실질적으로 다른 기체 부분을 함유하는 부산물 흐름을 생성하도록 배치되는 내부 구획부를 갖는 압력 용기를 한정하는 밀봉된 엔클로져; 및
    상기 엔클로져와 함께 밀봉을 형성하기 위해 엔클로져에 영구적이고 직접적으로 고정되고, 상기 구획부를 혼합 기체 영역과 투과 영역으로 나누도록 상기 구획부 내에서 연장되는 수소 선택 막;을 포함하여 구성하되,
    상기 막은 혼합 기체 흐름에 의해 접촉되도록 배치되는 혼합 기체 표면 및 상기 혼합 기체 표면과 일반적으로 대향하는 투과표면으로 구성되고,
    상기 막은 선택적으로 혼합 기체 흐름의 제1 부분이 혼합 기체 영역으로부터 투과 영역으로 막을 통하여 흐르도록 하고, 선택적으로 혼합 기체 흐름의 제2 부분이 혼합 기체 영역으로부터 투과 영역으로 막을 통하여 흐르지 않도록 하며, 그리고 상기 투과 흐름은 상기 혼합 기체 흐름의 제1 부분으로부터 형성되고, 부산물 흐름은 혼합 기체 흐름의 제2 부분으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수소 선택 막과 상기 엔클로져의 소모되는 부분에 형성되는 접촉부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서, 상기 수소 선택 막의 소모되는 부분은 엔클로져의 소모되는 부분과 합금을 형성하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 수소 선택 막은 상기 막과 엔클로져 사이에서 밀봉부를 형성하기 위해 엔클로져에 용접되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 수소 선택 막은 상기 막과 엔클로져 사이에서 밀봉부를 형성하기 위해 상기 엔클로져에 확산-접합되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 장치는 엔클로져의 투과 영역 내에 막 지지부를 포함하고, 상기 막 지지부는 수소 선택 막의 투과 표면을 지지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 엔클로져는 상기 투과 영역 내에서 제1 체임버를 포함하고, 상기 제1 체임버는 막 지지부를 수용하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 막 지지부는 수소 선택 막을 통하여 흐르는 혼합 기체 흐름의 제1 부분이 상기 지지부를 통해 흐르도록 적용된 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 엔클로져와 상기 막 지지부는 그들 사이에 천이부를 한정하고, 상기 장치는 상기 천이부에 놓여지고, 상기 수소 선택 막의 투과 표면이 상기 천이부와 맞닿는 것을 방지하도록 배치되는 하나 이상의 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 패드는 상기 수소 선택 막과 상기 엔클로져 사이에서 기체-비투과성 밀봉부를 생성하지 않는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 패드는 30% 이하 압축상태에서의 개스킷을 구성하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 패드는 상기 장치가 사용될 때 상기 막의 주름을 최소화하기 위해 적용되는 테이퍼된 내부 주변부 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 수소 선택 막의 일부분은 상기 막과 상기 엔클로져 사이에서 밀봉부를 형성하도록 상기 엔클로져에 브레이징되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 수소 선택 막은 외부 주변 영역을 포함하여 구성되고, 상기 외부 주변 영역은 상기 밀봉부의 일부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 밀봉부는 전체적으로 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 엔클로져는 외부 주변부, 내부 주변부 및 내부 주변부와 외부 주변부 사이에서 연장되는 밀봉부 영역을 각각 포함하는 한 쌍의 단부 평판을 포함하여 구성되고, 추가적으로 상기 수소 선택 막은 적어도 부분적으로 상기 단부 평판의 밀봉부 영역을 가로질러 내부 구획부로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 수소 선택 막은 적어도 상기 단부 평판의 외부 주변부로 연장되는 외부 주변 영역을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 수소 선택 막은 외부 주변 영역을 포함하여 구성되고, 상기 장치는 상기 외부 주변 영역과 상기 엔클로져 사이에서 연속적인 밀봉부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 수소 선택 막은 상기 막이 관통하여 연장되는 상기 엔클로져의 내부 주변부에 의해 경계를 이루는 횡단면보다 더 큰 횡단면을 가지는 평면 막인 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 엔클로져는 상기 구획부를 한정하는 내부 주변부를 가지고, 추가적으로 상기 수소 선택 막은 상기 엔클로져의 내부 주변부의 외부로 연장되는 외부 주변 영역을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 수소 선택 막의 외부 주변 영역은 엔클로져의 외부로 연장되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 엔클로져는 상기 막과 주변 덮개 사이에 기체-기밀 밀봉부를 형성하기 위해 상기 수소 선택 막이 영구적이고 직접적으로 결합되는 한 쌍의 단부 평판과 주변 덮개를 포함하여 구성되고, 추가적으로 상기 주변 덮개는 영구적이고 직접적으로 상기 한 쌍의 단부 평판에 결합되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 주변 덮개는 상기 한 쌍의 단부 평판으로부터 개별적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 장치는 수소 선택 막과 주변 덮개의 소모되는 부분으로부터 형성되는 접촉부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 수소 선택 막의 소모되는 부분이 상기 주변 덮개의 소모되는 부분과 합금을 형성하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 수소 선택 막은 상기 주변 덮개에 용접되거나 확산 접합되는 것 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  30. 제25항에 있어서, 상기 수소 선택 막의 일부분은 주변 덮개와 함께 밀봉부를 형성하도록 상기 주변 덮개에 브레이징되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  31. 제1항에 있어서, 상기 엔클로져는 한 쌍의 단부 평판을 포함하여 구성되고, 상기 장치는 한 쌍의 단부 평판과 수소 선택 막 사이에 밀봉부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 막과 상기 엔클로져의 적어도 일부분이 상기 밀봉부를 생성하기 위해 소모되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 엔클로져는 압축성 개스킷의 사용 없이 상기 엔클로져와 상기 수소 선택 막 사이에 기체-기밀 밀봉부를 형성하기 위해 상기 수소 선택 막이 영구적이고 직접적으로 고정되는 프레임을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  34. 구획부 내로 수소 기체와 다른 기체를 포함하는 혼합 기체 흐름을 수용하고, 그로부터 적어도 실질적으로 순수한 수소 기체를 함유하는 수소가 풍부한 투과 흐름과 적어도 실질적으로 다른 기체 부분을 함유하는 부산물 흐름을 생성하도록 배치되고, 내부 구획부를 갖는 압력 용기를 한정하는 한 쌍의 단부 평판을 구비하는밀봉된 엔클로져; 및
    상기 혼합 기체 흐름에 의해 접촉되도록 배치되는 혼합 기체 표면과 상기 혼합 기체 표면에 일반적으로 대향하는 투과 표면을 포함하여 구성되고, 투과 흐름은 상기 수소 선택 막을 통과하여 흐르는 상기 혼합 기체 흐름의 일부분으로부터 상기 투과 표면으로 형성되며, 부산물 흐름은 상기 수소 선택 막을 통과하여 흐르지 않는 상기 혼합 기체 흐름의 일부분으로부터 형성되는, 상기 구획부 내에서 지지되는 수소 선택 막;을 포함하여 구성하되,
    상기 엔클로져는 밀봉부를 형성하기 위해 영구적이고 직접적으로 함께 고정되는 상기 막의 일부분과 상기 한 쌍의 단부 평판으로부터 형성되는 접촉부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  35. 제34항에 있어서, 상기 한 쌍의 단부 평판 각각은 내부 주변부, 외부 주변부, 및 상기 내부 주변부와 상기 외부 주변부 사이에서 연장되는 밀봉부 영역을 포함하여 구성되고, 또한 상기 막의 일부분은 구획부 내에서부터 상기 한 쌍의 단부 평판의 내부 주변부를 넘어 상기 한 쌍의 단부 평판의 밀봉부 영역 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  36. 제34항에 있어서, 상기 막이 용접과 확산-접합 중 어느 하나에 의하여 상기 단부 평판에 고정되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  37. 제34항 내지 제36항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 장치는 상기 수소 선택 막의 투과 표면을 지지하도록 배치되는 막 지지부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 막 지지부는 외부 주변부를 포함하여 구성되고, 추가적으로 상기 장치는 상기 막 지지부의 외부 주변부와 겹치도록 구성된 하나 이상의 패드를 포함하여 상기 수소 선택 막의 상기 투과 표면이 상기 막 지지부의 상기 외부 주변부와 맞닿지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
  39. 제38항에 있어서, 하나 이상의 패드는 상기 막과 상기 밀봉된 엔클로져 사이에 기체-비투과성 밀봉부를 형성하지 않는 하나 이상의 개스킷, 30%이하의 압축하에 있는 개스킷, 및 기체 투과성 물질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제 장치.
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