KR100929351B1 - 콤팩트한 순수소 발생 장치 - Google Patents

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토마스 알 벤실
마이클 알 포우엘
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Abstract

수소 발생기는 수소 멤브레인 반응기, 연료 공급원, 반응 연료 공급 라인, 공기 공급원, 공기 공급 라인, 연소 연료 공급 라인, 테일 가스 공급 라인, 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 연소 부산물 라인 및 반응 생성물 라인을 포함한다. 수소 발생기의 반응기 챔버에 접합될 멤브레인 조립체는 멤브레인 및 소결된 다공성 금속을 포함하는 멤브레인 지지체를 포함한다. 반응기 조립체는 다공성 금속 기판을 포함하는 반응 챔버, 두 개의 멤브레인 조립체, 연료 공급원, 반응 연료 공급 라인, 테일 가스 공급 라인 및 반응 생성물 라인을 포함한다. 방법들은 수소 발생기, 멤브레인 조립체 및 반응기 조립체와 연관된다.
수소 발생기, 반응 챔버, 연소 챔버, 멤브레인 조립체, 멤브레인, 멤브레인 지지체

Description

콤팩트한 순수소 발생 장치{COMPACT DEVICE FOR GENERATING PURE HYDROGEN}
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 명세서는 미국 국방성에 의한 계약서 번호 DAAD19-01-C-0002호 하에서 정부의 지원에 의해 부분적으로 이루어졌다. 정부는 본 개시 내용에 특정의 권리를 갖는다.
본 발명은 수소 발생 반응기 및 수소 분리 멤브레인에 관한 것이다.
휴대용 전자 디바이스의 증가하는 대중성은 이들 디바이스를 여기(energize)하기 위한 콤팩트한(compact) 및 따라서 휴대용 전원에 대한 증가된 요구를 발생시키고 있다. 로봇식 및 다른 신흥 기술 적용의 개발은 소형의 독립형 전원에 대한 요구를 더 증가시키고 있다. 현재, 저장 또는 재충전 배터리가 휴대용 장치용 독립형 전원을 제공하는데 일반적으로 사용된다. 그러나, 저장 또는 재충전 배터리에 저장될 수 있는 에너지의 양은 특정 적용의 요구에 부합하기에 불충분하다.
수소/공기 연료 전지(H/AFC)가 배터리의 대체물로서 상당한 가능성을 갖는다. 이들은 높은 에너지 밀도 연료 상에서 작동할 수 있기 때문에, 연료 전지 기반 전원(power supply)은 종래의 배터리에 비교하여 높은 에너지-중량비를 제공한다. 연료 전지는 군대에서 특히 관심이 있는데, 여기서는 군인이 첨단 기술의 야 전 휴대용 설비를 지원하도록 휴대해야 하는 전원의 중량을 감소시키기 위해 상당한 노력이 이루어지고 있다. 상업적인 적용, 특히 소형 크기 및 낮은 중량이 바람직한 휴대용 기기 적용을 위해 연료 전지 기반 전원을 이용하기 위한 상당한 가능성이 또한 존재한다.
통상의 H/AFC는 폴리머 전해질 멤브레인(PEM) 연료 전지이다. PEM 연료 전지는 폴리머 전해질 멤브레인에 의해 분리된 애노드 및 캐소드로 구성된다. 기능적으로, 연료 전지는 물을 생성하도록 산소와 수소를 반응시킴으로써 전기를 발생시킨다. 산소는 일반적으로 대기로부터 얻어질 수 있기 때문에, 단지 수소원만이 연료 전지를 작동하도록 제공되어야 한다. 단지 압축 수소를 제공하는 것은 심지어 고도로 압축된 가스가 점유하는 상당한 체적에 기인하여 항상 존립 가능한 선택은 아니다. 적은 체적을 점유하는 액체 수소는 극저온 액체이고, 상당한 양의 에너지가 기체 수소를 액화하기 위해 요구되는 극히 낮은 온도를 성취하는데 요구된다. 더욱이, 압축 가스 형태 또는 액체 형태의 수소의 취급 및 저장에 수반되는 안전 문제가 있다.
수소를 생성하는 일 방법은 메탄(천연 가스), 프로판, 부탄과 같은 탄화수소와, 가솔린, 디젤 및 JP-8 또는 메탄올과 같은 함산소제(oxygenate)와 같은 액체 연료를 처리하는 것이다. 연료의 선택 및 증기 개질(steam reforming), 부분 산화 및 자기 발열 개질(autothermal reforming)과 같은 처리 방법의 선택은 휴대용 기기, 고정형 기기 또는 자동차와 같은 서비스의 유형에 크게 의존한다.
수소는 또한 암모니아를 분해(cracking)함으로써 생성될 수 있다. 탄화수소 연료가 사용될 때의 연료 프로세서로부터의 생성물 스트림은 미반응 탄화수소에 부가하여 수소와, CO, CO2 및 질소와 같은 희석제와 같은 다른 생성물을 포함한다. 본질적으로, 생성물 스트림 내의 수소 농도는 연료의 유형 및 처리 방법에 따라 40 내지 75 체적 백분율 범위에 있을 수 있다. 수성 가스 전환(water gas shift) 및 선택적 산화(preferential oxidation)와 같은 방법이 50 백만분율(ppm) 이하의 허용 가능한 레벨로 CO 농도를 감소시키는데 사용되지만, 시스템의 복잡성을 증가시킨다.
따라서, 연료 전지 및 다른 적용을 위한 순수소(pure hydrogen)의 효율적이고 저비용의 공급을 제공하는 방법을 개발하는 것이 바람직하다.
제1 양태에 따르면, 수소 발생기가 개시되고, 수소 발생기는, 반응 챔버와 연소 챔버를 갖는 수소 멤브레인 반응기와, 연료 공급원와, 반응 연료 공급 라인과, 공기 공급원와, 공기 공급 라인과, 연소 연료 공급 라인과, 테일 가스 공급 라인과, 연소 부산물 라인과, 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 반응 생성물 라인을 포함한다.
수소 발생기에서, 수소 멤브레인 반응기의 반응 챔버는 연소 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있고, 반응 연료 공급 라인은 연료 공급원으로부터 반응 챔버에 연료를 운반하기 위한 것이고, 공기 공급 라인은 공기 공급원으로부터 연소 챔버에 산소를 운반하기 위한 것이고, 연소 연료 공급 라인은 연료 공급원으로부터 연소 챔버에 연료를 운반하기 위한 것이고, 테일 가스 공급 라인은 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 연소 부산물 라인은 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 것이고, 반응 생성물 라인은 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 것이다.
일 실시예에서, 연료 공급원은 반응 연료 공급원 및 연소 연료 공급원으로 대체되고, 반응 연료 공급 라인은 반응 연료 공급원으로부터 반응 챔버로 반응 연료를 운반하기 위한 것이고, 연소 연료 공급 라인은 연소 연료 공급원으로부터 연소 챔버로 연소 연료를 운반하기 위한 것이다.
제2 양태에 따르면, 수소 발생기가 개시되고, 수소 발생기는 수소 멤브레인 반응기, 단부 플레이트, 멤브레인 조립체 및 수소 플레넘을 포함한다.
수소 발생기에서, 수소 멤브레인 반응기는 분리 플레이트와 분리 플레이트의 양 측면의 두 개의 챔버를 포함하고, 하나의 챔버는 다공성 금속 기판에 코팅된 반응 촉매를 포함하는 반응 챔버를 형성하고, 다른 챔버는 다공성 금속 기판에 코팅된 연소 촉매를 포함하는 연소 챔버를 형성한다. 수소 발생기에서, 단부 플레이트는 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 연소 챔버에 근접한다.
수소 발생기에서, 멤브레인 조립체는 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 반응 챔버에 근접하도록 멤브레인 및 멤브레인 지지 부조립체를 포함하고, 지지 부조립체와 접촉하지 않는 멤브레인 표면은 촉매 기판에 근접하지만 촉매 기판으로부터 분리되어 위치된다. 수소 발생기에서, 수소 플레넘은 수소를 수집하기 위한 플레넘을 제공하도록 멤브레인 조립체의 다른 측면에 위치된다.
제3 양태에 따르면, 누출 방지 반응기 부조립체를 형성하기 위해 수소 플레넘을 갖는 수소 발생기의 반응 챔버에 결합되는 멤브레인 조립체가 개시된다. 멤브레인 조립체는 멤브레인과, 소결된 다공성 금속을 포함하는 멤브레인 지지체를 포함한다.
멤브레인 조립체에서, 멤브레인은 멤브레인 지지체의 제1 표면과 프레임 사이에 밀봉된다. 멤브레인 조립체에서, 멤브레인 지지체의 제2 표면은 수소 플레넘에 접속된다.
제4 양태에 따르면, 수소 발생기가 개시된다. 수소 발생기는 수소 멤브레인 반응기와, 공급물 전처리 챔버(본 명세서에서 또한 예비 개질기라 칭함)와, 연료 공급원과, 반응 연료 공급 라인과, 공급물 공급 라인과, 공기 공급원과, 공기 공급 라인과, 연소 연료 공급 라인과, 테일 가스 공급 라인과, 연소 부산물 라인과, 반응 생성물 라인을 포함한다.
수소 발생기에서, 수소 멤브레인 반응기는 반응 챔버와 연소 챔버를 포함하고, 연소 챔버는 반응 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있다. 수소 발생기에서, 공급물 전처리 챔버는 연소 챔버와 열 교환 관계에 있고 반응 챔버와 유체 연통한다.
수소 발생기에서, 반응 연료 공급물 라인은 연료 공급원으로부터 공급물 전처리 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고, 공급물 공급 라인은 전처리 챔버로부터 반응 챔버로 처리된 연료를 운반하기 위한 것이고, 공기 공급 라인은 공기 공급원으로부터 연소 챔버로 산소를 운반하기 위한 것이고, 연소 연료 공급 라인은 연료 공급원으로부터 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고, 테일 가스 공급 라인은 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 연소 부산물 라인은 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 것이고, 반응 생성물 라인은 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 것이다.
제5 양태에 따르면, 수소 발생기가 개시된다. 수소 발생기는 수소 멤브레인 반응기와, 단부 플레이트와, 전처리 챔버와, 멤브레인 조립체와, 수소 플레넘을 포함한다.
수소 발생기에서, 수소 멤브레인 반응기는 분리 플레이트와, 분리 플레이트의 양 측면 상의 두 개의 챔버를 포함하고, 하나의 챔버는 다공성 금속 기판에 코팅된 개질 촉매를 포함하는 반응 챔버를 형성하고, 다른 챔버는 다공성 금속 기판에 코팅된 연소 촉매를 포함하는 연소 챔버를 형성한다. 수소 발생기에서, 단부 플레이트는 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 연소 챔버에 근접한다.
수소 발생기에서, 전처리 챔버는 일 측면에서 연소 챔버에 의해 그리고 다른 측면에서 저부 플레이트에 의해 경계 형성되고, 다공성 금속 기판에 코팅된 반응 촉매를 포함한다. 수소 발생기에서, 저부 플레이트는 증기로의 물의 증발을 용이하게 하도록 외부면 상의 금속 배관의 권취부를 포함한다.
수소 발생기에서, 멤브레인 조립체는 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 반응 챔버에 대향하도록 멤브레인 및 멤브레인 지지 부조립체를 포함하고, 지지 부조립체와 접촉하지 않는 멤브레인 표면은 촉매 기판에 근접하지만 촉매 기판으로부터는 분리되어 위치된다.
수소 발생기에서, 수소 플레넘은 수소를 수집하기 위한 플레넘을 제공하도록 멤브레인 조립체의 다른 측면에 위치된다.
제6 양태에서, 수소 발생기가 개시되고, 수소 발생기는 수소 멤브레인 반응기와, 내부 커넥터와, 연료 공급원과, 반응 연료 공급 라인과, 공기 공급원과, 공기 공급 라인과, 연소 연료 공급 라인과, 테일 가스 공급 라인과, 연소 부산물 라인과, 반응 생성물 라인을 포함한다.
수소 발생기에서, 수소 멤브레인 반응기는 제1 반응 챔버와 제2 반응 챔버 사이에 개재된 연소 챔버를 갖고, 연소 챔버는 제1 및 제2 반응 챔버와 유체 연통하여 이들과 열 교환 관계에 있다. 수소 발생기에서, 내부 커넥터는 제1 및 제2 반응 챔버를 접속하고, 제1 반응 챔버를 나오는 유체는 제2 반응 챔버 내로 유입된다.
수소 발생기에서, 반응 연료 공급 라인은 반응 연료 공급원으로부터 제1 반응 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고, 공기 공급 라인은 공기 공급원으로부터 연소 챔버로 산소를 운반하기 위한 것이고, 연소 연료 공급 라인은 연료 공급원으로부터 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고, 테일 가스 공급 라인은 제2 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 연소 부산물 라인은 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 것이고, 반응 생성물 라인은 제1 및 제2 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 것이다.
제7 양태에 따르면, 멤브레인 조립체가 개시되고, 멤브레인 조립체는 멤브레인 지지 부조립체 및 멤브레인을 포함한다.
멤브레인 조립체에서, 멤브레인 지지 부조립체는 천공된 금속 플레이트에 밀봉된 소결된 다공성 금속을 포함하고, 가스켓이 프레임과 멤브레인 사이에 배치되고, 멤브레인은 지지 부조립체의 제1 표면과 프레임 사이에 밀봉되고, 지지 부조립체의 제2 표면은 멤브레인 조립체를 형성하도록 수소 플레넘에 용접되거나 또는 브레이징(brazing)된다.
제8 양태에 따르면, 반응기 부조립체가 개시되고, 반응기 부조립체는 다공성 금속 기판을 포함하는 반응 챔버와, 두 개의 멤브레인 조립체와, 연료 공급원과, 반응 연료 공급 라인과, 테일 가스 공급 라인과 반응 생성물 라인을 포함한다.
반응기 부조립체에서, 기판을 갖는 반응 챔버는 두 개의 멤브레인 조립체 사이에 개재되어, 수소 분리를 위한 두 개의 멤브레인 표면을 제공한다. 반응기 부조립체에서, 연료 공급 라인은 반응 챔버로 연료 또는 수소 함유 공급물을 운반하기 위한 것이고, 테일 가스 공급 라인은 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 반응 생성물 라인은 각각의 멤브레인 조립체로부터 순수소를 운반하기 위한 것이다.
제9 양태에 따르면, 수소 발생기가 개시되고, 수소 발생기는 수소 멤브레인 반응기와, 연료 공급원과, 반응 연료 공급 라인과, 공기 공급원과, 공기 공급 라인과, 연소 연료 공급 라인과, 테일 가스 공급 라인과, 연소 부산물 라인과, 반응 생성물 라인을 포함한다.
수소 발생기에서, 수소 멤브레인 반응기는 제1 반응 챔버와 제2 반응 챔버 사이에 개재된 연소 챔버를 갖고, 연소 챔버는 제1 및 제2 반응 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있다.
수소 발생기에서, 반응 연료 공급 라인은 연료 공급원으로부터 반응 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고, 공기 공급 라인은 공기 공급원으로부터 연소 챔버로 산소를 운반하기 위한 것이고, 연소 연료 공급 라인은 연료 공급원으로부터 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고, 테일 가스 공급 라인은 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 연소 부산물 라인은 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 것이고, 반응 생성물 라인은 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 것이다.
제10 양태에 따르면, 반응기 부조립체가 개시되고, 반응기 부조립체는 반응 챔버와 멤브레인 조립체를 포함한다.
반응기 부조립체에서, 멤브레인 조립체는 반응 챔버의 전체 길이의 부분에 걸치고, 반응 챔버의 무멤브레인 섹션은 반응 챔버의 입구에 배치되고 멤브레인 조립체에 노출된 반응 챔버의 섹션 내로 유입하는 수소 함유 가스를 생성하기 위한 연료의 전처리에 사용된다.
제11 양태에 따르면, 반응 연료로부터 수소를 발생시키는 방법이 개시되고, 이 방법은 반응 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있는 연소 챔버를 갖는 수소 멤브레인 반응기를 제공하는 단계와, 반응 연료 공급원을 제공하는 단계와, 반응 연료 공급원으로부터 제1 공급 라인을 통해 반응 챔버로 반응 연료를 운반하는 단계와, 공기 공급원을 제공하는 단계와, 공기 공급원으로부터 공기 공급 라인을 통해 연소 챔버로 산소를 운반하는 단계와, 연소 연료 공급원을 제공하는 단계와, 연소 연료 공급원으로부터 연소 연료 공급 라인을 통해 연소 챔버로 연소 연료를 운반하는 단계와, 열 및 연소 부산물을 제공하도록 연소 챔버에서 연소 연료 공급물을 반응시키는 단계와, 수소 및 테일 가스를 제공하도록 반응 챔버 내에서 반응 연료 공급물과 물을 반응시키는 단계와, 반응 챔버로부터 테일 가스 공급 라인을 통해 테일 가스를 운반하는 단계와, 연소 챔버로부터 연소 부산물 라인을 통해 연소 부산물을 운반하는 단계와, 반응 챔버로부터 반응 생성물 라인을 통해 수소를 운반하는 단계를 포함한다.
제12 양태에 따르면, 반응 연료로부터 수소를 발생시키는 방법이 개시되고, 이 방법은 누출 방지 반응기 부조립체를 형성하도록 수소 플레넘을 갖는 수소 발생기의 반응 챔버에 접합되는 멤브레인 조립체를 제공하는 단계를 포함하고, 멤브레인 조립체는 멤브레인과 소결된 다공성 금속을 포함하는 멤브레인 지지체를 포함하고, 멤브레인은 멤브레인 지지체의 제1 표면과 프레임 사이에 밀봉되고, 멤브레인 지지체의 제2 표면은 수소 플레넘에 접속된다.
이 방법은 수소 및 테일 가스를 포함하는 반응 생성물을 제공하도록 반응 챔버 내에서 반응 연료를 반응시키는 단계와, 멤브레인 조립체를 통해 반응 생성물 내의 테일 가스로부터 수소를 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 본 발명의 바람직한 실시예에 개시되고 도시되어 있는 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에서 설명될 것이다. 부가의 상세는 첨부 도면과 연계하여 취한 상세한 설명의 설명시에 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백해질 것이고 또는 본 발명을 실시함으로써 습득될 수 있을 것이다. 본 발명의 장점은 첨부된 청구범위에서 특히 지적된 수단 및 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.
도 1은 예시적인 반응기 부조립체를 도시하고 있는 도면.
도 2는 예시적인 양면 반응기 부조립체를 도시하고 있는 도면.
도 3a는 예시적인 멤브레인 조립체의 분해 사시도.
도 3b는 도 3a의 멤브레인 조립체의 조립 사시도.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같은 두 개의 멤브레인 조립체를 포함하는 예시적인 반응기 부조립체를 도시하고 있는 도면.
도 5는 도 1의 반응기 부조립체의 예시적인 무플레넘(plemum-less) 변형예를 도시하고 있는 도면.
도 6은 도 5의 반응기 부조립체의 예시적인 지지 요소를 도시하고 있는 도면.
도 7은 도 5의 무플레넘 반응기 부조립체의 예시적인 변형예를 도시하고 있는 도면.
도 8은 연소 챔버를 갖는 도 1의 반응기 부조립체를 일체화한 예시적인 멤브레인 반응기를 도시하고 있는 도면.
도 9는 연소 챔버를 갖는 도 2의 반응기 부조립체를 일체화한 예시적인 멤브레인 반응기를 도시하고 있는 도면.
도 10은 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 멤브레인 조립체를 구비하는 도 9 의 멤브레인 반응기의 예시적인 변형예를 도시하고 있는 도면.
도 11은 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같은 다수의 멤브레인 조립체를 구비하는 도 8의 멤브레인 반응기의 예시적인 변형예를 도시하고 있는 도면.
도 12는 두 개의 챔버 사이에 내부 커넥터를 구비하는 도 9의 멤브레인 반응기의 예시적인 "절첩형" 변형예를 도시하고 있는 도면.
도 13은 도 5에 도시되어 있는 바와 같은 두 개의 반응 부조립체를 구비하는 도 12의 멤브레인 반응기의 예시적인 무플레넘 변형예를 도시하고 있는 도면.
도 14는 일체형 공급 가스 예열기를 갖는 도 13의 무플레넘 "절첩형" 멤브레인 반응기를 도시하고 있는 도면.
도 15a는 도 13의 "절첩형" 멤브레인 반응기의 예시적인 가스켓 장착형 변형예의 분해도.
도 15b는 도 15a의 예시적인 "절첩형" 가스켓 장착형 멤브레인 반응기의 조립도.
도 16은 도 15a 및 도 15b의 가스켓 장착형 멤브레인 반응기의 단면도.
도 17은 일체형 물 증발기 및 공급물 예열 챔버를 구비하는 도 8에 도시되어 있는 멤브레인 반응기의 예시적인 변형예를 도시하고 있는 도면.
도 18은 도 17에 도시되어 있는 멤브레인 반응기의 단면도.
도 19는 예열 챔버가 반응 챔버로부터 분리되지 않은 도 17 및 도 18의 멤브레인 반응기의 변형예의 단면도.
도 20a는 일체형 가스켓을 구비하는 예시적인 멤브레인 조립체의 분해 사시 도.
도 20b는 도 20a의 멤브레인 조립체의 조립 사시도.
도 21은 도 20a 및 도 20b에 도시되어 있는 멤브레인 조립체의 단면도.
도 22는 관형 멤브레인 요소로 이루어진 멤브레인 조립체를 도시하고 있는 도면.
도 23은 도 22의 관형 멤브레인 조립체로 이루어진 멤브레인 반응기를 도시하고 있는 도면.
도 24는 암모니아계 수소 발생기에서의 도 8의 멤브레인 반응기의 개략도.
도 25는 탄화수소계 수소 발생기에서의 도 8의 멤브레인 반응기의 개략도.
도 26은 예 1에 설명되어 있는 도 1의 반응기 부조립체를 통한 수소 플럭스(sccm/cm2)의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 수소 플럭스가 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 27은 예 2에 설명되어 있는 도 1의 반응기 부조립체의 변형예를 통한 수소 플럭스(sccm/cm2)의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 수소 플럭스가 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 28은 예 3에 설명되어 있는 도 5의 반응기 부조립체를 통한 순수소 생성율(sccm)의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 생성율이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 29는 예 5에 설명되어 있는 도 13 및 도 14의 반응기 부조립체를 통한 암 모니아의 유량의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 유량이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 30은 예 5에 설명되어 있는 멤브레인 거절 스트림의 열 함량을 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 열 함량이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 31은 예 6에 설명되어 있는 바와 같은 도 15a, 도 15b 및 도 16의 반응기 부조립체를 통한 암모니아 및 순수소의 유량의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 유량이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 32는 예 7에 설명되어 있는 도 8의 반응기 부조립체를 통한 수소 생성율(sccm)의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 생성율이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 33은 예 8에 설명되어 있는 도 5의 반응기 부조립체를 통한 순수소 생성율(sccm)의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 생성율이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 34는 예 9에 설명되어 있는 도 17 및 도 18의 반응기 부조립체를 통한 순수소 생성율(sccm)의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 생성율이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도 35는 예 10에 설명되어 있는 도 17 및 도 18의 반응기 부조립체를 통한 순수소 생성율(sccm)의 측정치를 기록하는 다이어그램으로서, y-축에는 생성율이 기록되어 있고, x-축에는 테스트 시간이 기록되어 있는 다이어그램.
도시의 간단화 및 명료화를 위해 도면에 도시되어 있는 요소들은 반드시 축적대로 도시되어 있는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 요소들 중 일부의 치수는 명료화를 위해 서로에 대해 과장되어 있다.
도 1은 멤브레인 반응기 부조립체(10)의 일 실시예의 단면도를 도시하고 있다. 멤브레인 반응기 부조립체(10)는 반응기 챔버(2), 수소 배기 챔버 또는 플레넘(plenum)(4) 및 챔버(2)와 플레넘(4) 사이에 배치된 멤브레인 조립체(3)를 포함한다.
반응 챔버(2)는 촉매를 함유하고 반응기 입구 포트(14)와 거절 포트(16)를 포함한다. 플레넘(4)은 출구 포트(18)를 구비한다.
멤브레인 조립체(3)는 멤브레인 포일(8)의 형태의 수소 분리 멤브레인과, 천공부(perforation)(7) 및 금속 유지 프레임(12)을 갖는 멤브레인 지지체(6)를 구비하는 멤브레인 지지 부조립체를 포함한다. 멤브레인 조립체(3)에서, 멤브레인 포일(8)은 멤브레인 지지체(6)에 의해 지지되고, 금속 유지 프레임(12)을 사용하여 멤브레인 지지 플레이트(6) 상에서 적소에 유지된다.
포일(8)의 형태의 수소 분리 멤브레인은 촉매 함유 반응 챔버(2) 상에 직접 배치된다.
공급물(feed)은 반응기 입구 포트(14)를 통해 반응 챔버(2)로 진입한다. 수소는 반응 챔버에서 발생되고, 멤브레인 포일(8)을 통해 침투하여, 멤브레인 지지 플레이트(6) 내의 천공부(7)를 통해 플레넘(4) 내로 유동하고, 수소 출구 포트(18)를 통해 반응 챔버를 나온다. 멤브레인에 의해 거절된 가스 혼합물을 구성하는 반응 챔버 테일 가스(tail gas)는 거절 포트(16)를 통해 나온다.
멤브레인 포일(8)은 바람직하게는 팔라듐 또는 팔라듐의 합금, 더 바람직하게는 70 내지 80 원자% 팔라듐을 함유하는 팔라듐과 은의 합금으로 구성된다. 멤브레인 포일(8)의 두께는 바람직하게는 10 내지 30 미크론 범위이지만, 다른 두께의 포일이 또한 사용될 수도 있다.
멤브레인 지지체(6)와 금속 유지 프레임(12)을 포함하는 멤브레인 지지 부조립체는 또한 소결된 다공성 금속 기판(substrate) 또는 소결된 다공성 금속 기판과 천공부를 포함하는 고형 금속 플레이트의 조합 또는 금속 프레임에 수용된 소결된 다공성 금속 기판의 조합으로 이루어질 수 있다. 기판은 금속 발포체, 금속 모노리스(monolith), 금속 메시, 세라믹 발포체 및 세라믹 모노리스로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 오스테나이트 스테인레스강(예를 들면, 등급 303, 304 및 316) 또는 고온 니켈계 합금[예를 들면, 인코넬(Inconel)
Figure 112007082153875-pct00001
600 시리즈]과 같은 금속이 도 1에 구체화된 금속 부품을 제조하는데 사용된다. 부품은 약 2.5 mm의 벽 두께를 가질 수 있다. 이러한 금속의 사용은 수소를 생성하기 위해 바람직한 높은 온도(450℃ 내지 700℃)에서의 작동을 허용한다. 바람직하게는, 모트 코포레이션(Mott Corp.)(미국 코네티컷주, 파밍턴 소재) 또는 폴 코포레이션(Pall Corporation)(미국 뉴욕주 이스트 힐즈 소재)에 의해 공급되는 것들과 같은 소결된 다공성 금속 기판은, 이들이 일반적으로 고형 금속 플레이트 스톡 내로의 천공부 가공의 비용이 20% 미만이고 천공된 플레이트에 비교하여 향상된 수소 운반을 제공하기 때문에 얇은 포일 멤브레인을 지지하는데 사용된다. 소결된 다공성 금속은 1.0 mm 내지 6.5 mm, 더 바람직하게는 1.0 mm 내지 1.5 mm의 범위의 두께를 가질 수 있다.
천공된 금속 플레이트는 상이한 크기의 천공부를 가질 수 있고, 천공부의 크기는 수소를 수소 배기 챔버로 운반하기 위한 적절한 다공성 체적 및 멤브레인을 지지하기 위한 적절한 지지를 제공한다. 다공도(porosity)는 5% 내지 58%, 바람직하게는 20% 내지 50%의 범위일 수 있다. 천공부는 바람직하게는 약 2.5 mm로 이격된다. 천공된 금속 플레이트는 15% 내지 50% 개방 체적을 가질 수 있고, 소결된 다공성 금속은 천공된 금속 플레이트에 밀봉될 수 있다.
멤브레인 포일(8)은 브레이징, 용접(TIG, MIG, 전자 빔, 레이저), 또는 확산 접합(diffusion bonding)과 같은 방법을 사용하여 프레임(12)과 지지체(6) 사이에 접합되어 밀봉될 수 있다. 더 바람직하게는, 포일 멤브레인은 옴리 인더스트리즈(Omley Industries)(미국 오레곤주 그랜츠 패스 소재) 및 아메리칸 브레이징(American Brazing)(미국 오하이오주 윌로우비 소재)에 의해 실시되는 바와 같은 브레이징에 의해 접합된다. 브레이징 프로세스를 위한 바람직한 합금은 웨스고, 인크.(Wesgo, Inc.)(미국 캘리포니아주 벨몬트 소재)에 의해 공급되는 니오로(Nioro)
Figure 112007082153875-pct00002
합금과 같은 82% 금/18% 니켈이다. 브레이즈(braze)의 형태는 바람직하게는 압출성 페이스트이지만, 포일, 플렉시브레이즈(flexibraze), 와이어 또는 분말 형태일 수도 있다. 브레이징은 바람직하게는 시간당 200℃의 램프율(ramp rate)로 960℃의 피크 온도를 갖는 진공로에서 수행된다. 브레이즈 프로세스 중 에, 사중량(dead weight)이 포일과 지지체 사이의 접촉을 유지하기 위해 그리고 포일의 주계(perimeter) 둘레에 누출 방지 밀봉을 제공하기 위해 유지 프레임에 인가된다. 포일과 지지체 사이의 밀봉은 또한 금속 프레임의 사용 없이 성취될 수도 있다.
예를 들면, 흑연 정착물(fixture) 또는 브레이징에 저항성이 있는 다른 재료가 브레이즈 프로세스 중에 압력을 인가하도록 사용될 수 있고 이어서 제거될 수 있다. 후속의 도면에서는, 프레임은 멤브레인 조립체 내에 도시되어 있지 않을 수 있지만, 금속 프레임은 브레이징 중에 사용될 수도 있고 사용되지 않을 수도 있으며, 사용되는 경우에는 멤브레인 조립체에 단지 흔적 방식(vestigial manner)으로만 존재한다는 것을 이해해야 한다. 즉, 프레임은 일단 멤브레인 조립체가 반응 챔버에 밀봉되어 반응기 부조립체를 형성하면 어떠한 기능도 하지 않는다. 지지체로서 천공된 플레이트 또는 다공성 금속을 사용할 때의 브레이징 중의 문제점은 브레이즈 합금의 기공 내로의 침입(wicking) 및 침투 경로의 폐색 및 브레이즈 재료의 고갈이다. 이 문제점을 제거하기 위한 바람직한 방법은 월 콜모노이 코포레이션(Wall Colmonoy Corp.)(미국 마이애미주 매디슨 하이츠 소재)에 의해 제조되는 니크로브라즈(Nicrobraz)
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그린(Green) 덧붙임부(stop-off)와 같은 덧붙임 재료를 브레이즈 영역과 천공된 또는 다공성 지지체 사이에 도포하는 것이다. 다공성 부품에 브레이즈가 유동하는 것을 방지하는 다른 방법은 과잉 브레이즈가 천공된 또는 다공성 지지체 자체 내로 유입하지 않고 흘러가기 위한 저장조를 제공하도록 브레이즈 영역과 천공된 또는 다공성 지지체 사이에 채널을 가공하는 것이다.
수소 분리 멤브레인은 얇은 멤브레인 포일(8)로서 전술하였지만, 방법은 반드시 포일에만 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 수소 분리 멤브레인은 퇴적 기술을 사용하여 다공성 기판의 면에 도포될 수 있다. 이들 방법에서, 팔라듐 또는 팔라듐 멤브레인의 전구체가 기판의 면에 도포되고 이어서 무결함 멤브레인 막을 제공하도록 이들의 금속 성분으로 분해된다. 기판을 포함하는 이들 박막은 이어서 브레이징, 용접 및 확산 접합과 같은 적합한 접합 기술을 사용하여 장치 내에 일체화될 수 있다. 다공성 세라믹 매트(mat)가 반응 챔버 내의 기판과 멤브레인 표면 사이에 배치될 수 있다. 유지 프레임은 또한 멤브레인 표면과 기판 사이의 접촉을 배제하도록 매트를 기판과 접촉 유지하도록 구성될 수 있다.
반응 챔버(2)는 탄화수소 또는 암모니아와 같은 비탄화수소 또는 알코올과 같은 함산소제로부터 수소를 발생시키기 위한 적절한 촉매 재료를 함유한다. 탄화수소의 경우에, 575 내지 650℃ 및 0.5 내지 1 MPa(5 내지 10 bar)의 전형적인 작동 조건을 갖는 증기 개질이 바람직한 루트이다. 촉매는 분말 형태(45 내지 140 메시)일 수 있고, 반응기 본체 내로 가공될 수 있는 메소채널(mesochannel) 내에 로딩된다. 메소채널의 유동 치수는 일반적으로는 0.5 내지 2 mm이다. 더 바람직하게는 촉매 재료는, 발포체 내의 불규칙적 유동 채널의 치수가 여전히 0.5 내지 2 mm 범위의 메소스케일 범위에 있는 상태로, 포베어(Porvair)(미국 노스캐롤라이나주 헨더슨빌 소재)에 의해 공급되는 바와 같은 페크랄로이(Fecralloy)
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또는 인코넬
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과 같은 합금의 금속 발포체와 같은 기판 상에 코팅된다. 다음, 촉매 코팅된 기판은 반응기 본체 내로 삽입된다. 바람직하게는, 다공성 유연성 재료가 얇은 멤 브레인 포일로의 임의의 손상(스크래치, 구멍 등)을 방지하도록 촉매와 멤브레인 포일 표면 사이에 위치한다. 유연성 재료의 바람직한 후보는 3M 코포레이션(미국 미네소타주 미네아폴리스 소재)에 의해 공급된 바와 같은 인터램(Interam)TM 1101 HT 세라믹 매트이다. 이하에 설명되는 예 1은 멤브레인 포일을 지지하기 위해 천공된 플레이트 대신에 다공성 금속 지지체를 포함하는 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 반응기 부조립체를 사용하는 순수소 생성을 설명하고 있다. 이하에 설명되는 예 2는 포일을 위한 지지체로서 천공된 플레이트를 포함하는 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 반응기 부조립체를 사용하는 순수소 생성을 설명하고 있다. 예 1 및 2에 나타낸 결과는 소결된 다공성 금속 기판이 수소 분리 멤브레인 포일을 지지하기 위한 바람직한 지지체라는 것을 교시한다. 도 1의 입구 및 출구 포트의 위치는 단지 예로서 도시되어 있다. 반응기 조립체 내의 촉매, 팔라듐 및/또는 임의의 다른 성분은 본 명세서에 참조로서 인용되어 있는 PCT/US04/37620호에 설명되어 있는 냉각 스프레이 기술과 같은 기술을 사용하여 표면 상에 퇴적될 수 있다.
도 2는 반응기 부조립체(10)의 양면 변형예인 반응기 부조립체(20)의 단면도를 도시하고 있다.
반응기 부조립체(20)에서, 멤브레인 지지 부조립체 및 포일(8)로 구성되는 멤브레인 조립체가 촉매를 함유하는 반응 챔버(2)의 양 측면에 위치된다. 반응 챔버 내에 발생된 수소는 멤브레인 포일(8)과 지지체(6)를 통해 침투하고, 지지체 내의 천공부(7)를 통해 유동하고, 반응 챔버(2)의 양 측면 상의 수소 플레넘(4)에 수 집된다.
멤브레인을 통한 수소 침투율은 소정 세트의 작동 조건에 대한 이용 가능한 멤브레인 표면적에 따라 증가되기 때문에, 이 실시예는 도 1의 반응기 부조립체와 비교할 때 단지 30% 만큼만 유닛 질량을 증가시키면서 100% 만큼 수소 침투를 위해 이용 가능한 표면적을 효과적으로 증가시킨다. 따라서, 이 실시예는 기본 유닛의 풋프린트(footprint)를 증가시키지 않고 수소 생성율을 증가시키도록 허용한다. 도 2의 입구 및 출구 포트의 위치는 단지 예시일 뿐이고, 다른 변형예가 가능하다.
도 3a(분해 사시도) 및 도 3b(조립 사시도)는 예시적인 양면 수소 분리 멤브레인 조립체(30)를 도시하고 있다.
멤브레인 조립체(30)에서, 소결된 지지체(24) 및 하우징(26)을 포함하는 멤브레인 지지 부조립체는 하나 이상의 멤브레인(22)과 일체화된다. 하우징(26)은 수소 출구 포트(28)를 구비한다. 멤브레인 조립체(30)에서, 소결된 다공성 지지체(24)는 하우징(26)의 내부에 수납되고 양 측면의 멤브레인(22) 사이에 개재된다.
수소 함유 가스가 적절한 작동 조건 하에서 멤브레인 표면에 노출될 때, 수소는 멤브레인 표면을 통해 침투하고, 다공성 지지체를 통해 그리고 수소 출구 포트(28)를 통해 하우징의 외부로 유동한다. 지지체(24)는 멤브레인을 위한 지지체로서 기능할 뿐만 아니라 멤브레인의 표면으로부터 출구 포트(28)로 수소를 운반하기 위한 유동 채널의 기능을 한다.
이 멤브레인 조립체 실시예의 특정 장점은 부품의 양 측면이 동일한 압력에 있고 따라서 지지체의 강도가 금속 및 세라믹의 인장 강도보다 훨씬 높은 지지체의 압축 항복 강도에 의해서만 제한된다는 것이다. 이 방식으로 배열된 멤브레인 조립체는 멤브레인의 지지체 상의 응력이 양 측면 상에서 압력에 의해 평형화되기 때문에 고압 적용에 매우 적합하다.
지지체(24)는 바람직하게는 다공성 소결된 금속 또는 다공성 금속 발포체와 같은 본질적으로 사실상 다공성이다. 다공성 금속 기판은 부품이 브레이징, 용접 등과 같은 통상의 기술을 사용하여 즉시 접합될 수 있기 때문에 세라믹 기판보다 바람직하다. 멤브레인 조립체를 구성하는 하우징, 프레임 및 포일은 브레이징, 용접, 확산 접합 또는 다른 적용 가능한 접합 기술과 같은 기술을 사용하여 누출 방지 방식으로 접합될 수 있다.
도 4는 도 3a 및 도 3b의 단면도에 도시되어 있는 양면 멤브레인 조립체(30)를 구비하는 도 2에 도시되어 있는 반응기 부조립체(20)의 예시적인 변형예를 구성하는 반응기 부조립체(40)를 도시하고 있다.
반응기 부조립체(40)에서, 양면 멤브레인 조립체(30)는 반응 챔버(2)의 양 측면에 배치되어 테일 가스 플레넘을 구비하는 두 개의 플레넘(34)으로부터 반응 챔버(2)를 분리한다. 따라서, 각각의 멤브레인 조립체(30)는 반응 챔버에 대면하는 제1 멤브레인(22a)과 플레넘(34)에 대면하는 제2 멤브레인(22b)을 포함한다.
개질될 필요가 있는 수소 함유 공급물 또는 연료는 입구 포트(14)를 통해 반응 챔버(2)에 진입한다. 수소 및 가능하게는 CO, CH4, CO2와 같은 다른 성분을 포함하는 테일 가스가 반응 챔버(2) 내에 발생되어 멤브레인(22a)을 통해 멤브레인 부조립체(30)에 침투한다. 입구 포트(14)의 단부에 대향하는 단부에서 반응 챔버를 나오는 대신에, 테일 가스는 내부 거절 포트(32)를 통해 유도되어 제2 세트의 멤브레인 표면(22b)에 의해 접촉된다. 멤브레인을 통해 침투함으로써 계속 수집되는 수소는 다공성 지지체(24) 내로 유입되고 수소 출구 포트(28)를 통해 나온다. 멤브레인(22a, 22b)에 의해 거절된 테일 가스는 각각의 멤브레인 조립체 내에 위치된 거절 출구 포트(36)를 통해 나온다.
반응기 부조립체(40)는 도 2에 도시되어 있는 반응기 부조립체(20)와 비교할 때 반응기 풋프린트의 최소 증가로 순수소 생성율의 부가의 증가를 제공한다.
지지 재료에 의해 멤브레인을 통한 임의의 유동 제한 또는 방해를 방지하기 위해, 소결된 다공성 기판의 다공도는 20% 내지 50%인 것이 바람직하다. 게다가, 지지체의 두께는 멤브레인을 분리하는 더 큰 유동 구역을 허용하도록 증가될 수 있다. 도 4에 도시되어 있는 반응기 부조립체(40) 내의 두 개의 멤브레인 조립체(30) 각각은 4개의 멤브레인 포일 표면을 구비하고, 따라서 단지 40% 만큼만 중량을 증가시키면서 도 1에 도시되어 있는 반응기 부조립체와 비교할 때 400% 만큼만 노출된 멤브레인 면적을 증가시킨다.
도 1, 도 2 및 도 4에 도시되어 있는 반응기 부조립체는 또한 이하에 설명되는 예에 의해 나타내는 바와 같이 독립형 수소 정화기로서 사용될 수 있다. 정화기는 반도체 산업과 같은 적용을 위해 불순물 수소 공급물로부터 순수소를 생성하는데(예를 들면, 99% 이하) 이용될 수 있다. 이러한 적용에서, 촉매는 촉매 코팅을 함유하지 않는 다공성 매체로 대체될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시되어 있는 반응기 부조립체(10)의 예시적인 무플레넘 변형예를 구성하는 반응기 부조립체(50)를 도시하고 있다. 여기서, 멤브레인 조립체(55)는 플레이트(38) 내로 삽입되는 소결된 다공성 금속 지지체(42) 상에 지지된 멤브레인 포일(44)로 구성된다. 소결된 다공성 금속 지지체(42)는 멤브레인을 위한 지지를 제공하고 멤브레인 표면으로부터 출구 포트(48)로 수소를 운반하기 위한 채널로서 거동하는 이중 용도로 기능한다. 부가의 수집 채널(46)이 플레이트(38) 내에 포함될 수 있다. 따라서, 최종 반응기 부조립체는 매우 콤팩트하다.
도 6은 다공성 금속 기판(44)을 수용하기 위한 리세스와 다공성 금속 기판에 대면하여 플레이트의 표면 상에 가공된 수소 수집 채널(46)을 포함하는 플레이트(38)의 예시적인 변형예를 도시하고 있다. 이들 채널의 패턴은 단지 예시로서만 도시되어 있다.
도 5에 도시되어 있는 반응기 부조립체(50)에서, 개질될 필요가 있는 수소 함유 공급물 또는 연료는 입구 포트(14)를 통해 반응 챔버(2)에 진입한다. 수소가 반응기 챔버 내에 발생되고, 멤브레인 포일(44)을 통해 침투하고, 다공성 금속 인서트(insert)(42)를 통해 유동하고, 플레이트(38) 내로 가공된 채널(46)을 통해 유도된다. 순수소는 출구 포트(48) 중 하나 또는 양자를 통해 반응기 부조립체를 나온다. 멤브레인에 의해 거절된 테일 가스는 포트(16)를 통해 반응 챔버를 나온다.
반응기 부조립체(50)와 유사한 무플레넘 변형예가 본 명세서의 내용에 기초하여 당 기술 분야의 숙련자에 의해 반응기 조립체(20, 30, 40)와 같은 다른 반응기 부조립체로부터 유도될 수 있고 본 명세서에서는 더 상세하게 설명되지 않을 것 이다.
도 7은 도 5에 도시되어 있는 무플레넘 반응기 부조립체(50)의 변형예를 구성하는 반응기 부조립체(60)를 도시하고 있다. 반응기 부조립체(60)에서, 헤더(52)가 반응기 부조립체의 수소 출구 포트(48)에 위치된다. 이 헤더는 출구 포트의 부근에 수소 수집을 위한 더 큰 체적을 형성함으로써 수소 제거를 용이하게 한다. 몇몇 실시예에서, 헤더는 또한 유동 방해물의 제거를 허용한다.
당 기술 분야의 숙련자들에게 공지된 바와 같이, 팔라듐계 멤브레인을 통한 수소 분리는 350℃ 이상의 온도에서 실행된다. 증기 개질 또는 다른 방법에 의한 수소 발생은 350℃를 초과하는 온도, 바람직하게는 대략 550 내지 650℃ 정도의 온도를 요구한다. 따라서, 열이 전술한 반응기 부조립체에 제공될 필요가 있다. 열은 저항 와이어 또는 다른 전기 수단(예 1 및 2에서와 같이)을 사용하여 외부에서 제공될 수 있다. 대안적인 바람직한 실시예는 멤브레인 반응기를 형성하도록 반응기 부조립체와 연소 챔버를 일체화하는 것일 수 있다. 본 명세서에 설명되어 있는 내용에서, 수소 발생기는 멤브레인 반응기의 내외로 적절한 스트림의 운반을 위해, 공기 공급원, 반응 연료 공급원 및 연소 연료 공급원과 같은 관련 유체 라인을 갖는 멤브레인 반응기로 구성된다.
도 8은 연소 챔버(62)가 일체화된 도 1에 도시되어 있는 반응기 부조립체(10)를 구비하는 예시적인 멤브레인 반응기(70)를 도시하고 있다. 반응기 부조립체 내의 반응 챔버(2)와 연소 챔버(62)는 분리 플레이트(15)의 양 측면 상에 배치된다. 단부 플레이트(17)가 분리 플레이트(15)에 대향하는 측면에서 연소 챔버 에 근접한다. 멤브레인 반응기(70)에서, 연소 챔버(62)는 수소 발생 및 분리를 추진하기 위해 열을 제공한다.
연소 챔버(62)는 연소 챔버 기판을 포함하고, 반응 챔버(2)는 멤브레인(8)에 의해 형성된 촉매 코팅된 반응 챔버 기판을 포함한다. 기판의 대략적인 기공 직경 또는 유동 치수는 0.2 내지 3.0 mm 범위일 수 있다.
연소 연료 및 공기는 입구 포트(64)에서 연소 챔버에 진입하고 열을 발생하면서 CO2 및 H2O로 변환된다. 반응 챔버로의 연료(예를 들면, 탄화수소의 증기 개질의 경우에는 연료 및 물, 암모니아 분해의 경우에는 암모니아)는 입구 포트(14)를 통해 반응 챔버(2)에 진입하고, 반응 테일 가스는 포트(16)를 통해 나온다. 발생된 수소는 멤브레인(8)을 통해 그리고 다공성 지지체(7)로 구성된 멤브레인 지지 부조립체, 천공된 플레이트(6)를 통해 지지체(7)로, 그리고 플레넘(4) 내로 침투하고, 출구 포트(18)를 통해 유닛을 나온다. 연소 챔버로부터의 테일 가스 또는 연소 부산물 가스는 출구 포트(66)를 통해 나온다.
연소는 바람직하게는 촉매 연소를 계속하고, 이에 의해 열이 무화염 방식(flameless fashion)으로 발생된다. 이 방법은 본질적으로 안전하고 광범위한 적용, 특히 휴대용 서비스를 위한 연료 전지 적용에 적합하다. 촉매는 분말 형태(45 내지 140 메시)일 수 있고, 반응기 본체 내로 가공될 수 있는 메소채널 내로 로딩될 수 있다. 메소채널의 유동 치수는 일반적으로 0.5 내지 2 mm이다. 더 바람직하게는, 촉매 재료는 발포체 내의 불규칙적 유동 채널의 치수가 여전히 0.5 내 지 2 mm 범위의 메소스케일 범위에 있는 상태로, 포베어(미국 노스캐롤라이나주 헨더슨빌 소재)에 의해 공급되는 바와 같은 페크랄로이
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, FeCrAlY, 오스테나인트 강 또는 인코넬
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과 같은 합금의 금속 발포체와 같은 기판 상에 코팅된다. 다음, 촉매 함유 기판은 반응기 본체 내로 삽입된다. 반응 챔버와는 대조적으로, 세라믹 매트는 연소 챔버와 접촉하고 있는 반응 챔버의 표면과 촉매 사이에 배치될 필요는 없다.
촉매 연소는 특정 촉매에 대한 "활성화(light-off)" 온도로서 통상적으로 나타내는 온도에서 개시된다. 탄화수소에 대해서, 이 활성화 온도는 일반적으로 150 내지 350℃ 범위인데, 예를 들면 귀금속 함유 촉매 상의 프로판에 대한 활성화 온도는 대략 175℃이다. 촉매는 배터리 또는 다른 전원에 의해 전력 공급되는 저항 와이어를 통해서와 같은 보조 가열 방법을 사용하여 이 온도로 가열될 수 있다. 대안적으로, 수소는 특정 귀금속 함유 촉매 상에서 실온에서 활성화될 수 있기 때문에, 소형 수화물 캐니스터(hydride canister)에, 압축 실린더에 또는 액화 상태로 저장된 수소는 시동 중에 실온으로부터 활성화 온도로 촉매의 온도를 증가시키는데 사용될 수 있다.
연소를 위한 연료는 수소 발생을 위해 공급물과 동일한 사용되는 연료의 분율을 구성할 수 있다. 대안적으로, 외부 연료 또는 보조 연료가 또한 공급될 수 있다. 또한, 반응 챔버 및 연소 챔버 양자에 연료를 제공하는 연료 공급원이 제공될 수 있다. 대안적으로, 반응 연료 공급원은 연소 연료 공급원과는 별도로 제공될 수 있다. 더 바람직하게는, 도 8의 포트(16)를 통해 나오는 멤브레인에 의해 거절된 CO 및 탄화수소와 같은 가연물(combustible)과 H2를 함유하는 반응 챔버 테일 가스가 포트(64)를 통해 연소 챔버 내로 유도될 수 있다. 따라서, 반응 챔버 테일 가스는 흡열 수소 발생 반응을 위한 단독의 열원으로서 또는 시스템 효율을 향상시키기 위해 현존하는 2차 연료원에 대한 보충물로서 이용될 수 있다.
도 9는 연소 챔버(62)가 일체화된 도 2에 도시되어 있는 반응기 부조립체(20)를 구비하는 예시적인 멤브레인 반응기(80)를 도시하고 있다. 멤브레인 반응기(80)에서, 연소 챔버(62)는 하나 이상의 멤브레인 표면이 수소 분리를 위해 제공되어 있는 구조로 두 개의 반응 챔버(2a, 2b) 사이에 위치된다.
특히, 이 실시예에서, 연소 챔버(62)는 도 8에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(70)보다 100% 큰 멤브레인 표면적으로 수소 발생 및 분리 양자를 추진하도록 열을 발생시키는 콤팩트한 방식으로 두 개의 반응 챔버(2) 사이에 개재된다. 연소 연료 및 공기는 입구 포트(64)를 통해 진입한다. 연소 챔버로부터의 테일 가스는 출구 포트(66)를 통해 나온다.
도 10은 멤브레인 포일(8)과 지지 플레이트(6)로 구성된 멤브레인 조립체가 도 3a 및 도 3b에 설명되어 있는 바와 같은 멤브레인 조립체(30)로 대체되어 있는 도 9에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(80)의 예시적인 변형예인 멤브레인 반응기(90)를 도시하고 있다. 이 효과는 멤브레인 반응기(90)의 멤브레인 표면적이 멤브레인 반응기(80) 중 하나에 대해 증가된다는 것이다. 실제로, 수소 분리를 위해 이용 가능한 멤브레인 표면적은 단지 반응기 풋프린트의 무시 가능한 증가를 보장 하면서 도 9에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(80)의 표면적의 두 배이다.
도 11은 도 8에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(70)의 변형예를 구성하는 멤브레인 반응기(100)를 도시하고 있다. 멤브레인 반응기(100)에서, 멤브레인 포일(8) 및 지지 플레이트(6)로 구성되는 멤브레인 조립체는 적층 방식으로 배열된 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같은 다수의 멤브레인 조립체(30)로 대체된다. 이 방식으로, 멤브레인 반응기(100)의 멤브레인 표면적은 반응기의 치수를 증가시키지 않고 증가된 수소 발생 및 생성율을 훌륭하게 제공하도록 멤브레인 반응기(70) 중 하나에 대해 증가될 수 있다. 멤브레인 조립체의 수는 목표 순수소 생성율을 만족시키도록 선택될 수 있다. 공급물 및 생성물 유동 경로는 공급물 스트림을 도입하고 멤브레인 반응기로부터 생성물 스트림을 제거하도록 적합하게 분기되어야 한다.
도 12는 두 개의 반응 채널(2a, 2b) 사이에서 반응기 내에 위치된 내부 커넥터(112)를 구비하는 도 9에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(80)의 예시적인 바람직한 변형예를 구성하는 멤브레인 반응기(110)를 도시하고 있다.
멤브레인 반응기(80)에서, 두 개의 반응 챔버(2a, 2b)는 연소 챔버(62)의 측면에 위치되고, 개별의 입구 포트(14) 및 출구 포트(16)를 갖는다. 따라서, 멤브레인 반응기(80)에서, 반응 챔버(2a, 2b)는 서로 유체 연통하지 않는다.
멤브레인 반응기(110)에서, 내부 커넥터(112)는 연소 챔버(62)를 통해 반응 챔버(2a, 2b)를 접속하고, 두 개의 반응 챔버 사이의 유체 연통을 용이하게 한다.
멤브레인 반응기(110)에서, 내부 커넥터(112)는 도 9에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기(80)와 같은 멤브레인 반응기의 반응 챔버 내로 공급하는 동안 요구될 수도 있는 유동을 균등한 부분으로 분할하는 필요성을 제거한다. 게다가, 내부 커넥터(112)는 또한 반응 챔버를 나오는 반응 챔버 테일 가스 스트림을 분기하기 위한 필요성을 제거한다.
멤브레인 반응기(110)에서, 반응 챔버(2a, 2b)는 노출된 고온 표면을 감소시켜서 이에 의해 대기로의 열 손실을 최소화하는 연소 유닛(62)의 양 고온 표면을 사용하도록 연소 챔버 둘레에서 본질적으로 "절첩"된다. 연소를 위한 연료는 탄화수소(예를 들면, 프로판, 메탄, 부탄, 가솔린, JP-8, 디젤 연료, 케로신, 바이오디젤 등)와 같은 임의의 연소성 연료 또는 암모니아로 구성될 수 있고, 반응 챔버로 공급된 연료와 동일할 수 있다. 연소를 위한 1차 연료는 연소 챔버(62)로 외부에서 또는 내부에서 유도되는 반응 챔버(2a, 2b)로부터의 테일 가스 스트림으로 구성될 수 있다. 연소를 위한 연료 및 공기는 포트(64)를 통해 연소 챔버에 진입하고, 출구 포트(66)를 통해 연소 챔버에서 연소 챔버의 양 단부에서 나온다.
수소가 그로부터 생성되는 연료 공급물은 입구 포트(14)를 통해 반응 챔버 내로 유도된다. 이는 입구 포트(14) 내로 공급되기에 앞서 별도의 가열 유닛을 통해 외부적으로 또는 열 교환기에 의해 예열되는 것이 바람직하다. 반응 챔버 내의 적합한 촉매의 존재 하에서, 공급물은 수소 함유 스트림으로 변환된다. 수소 함유 가스는 반응 챔버(2a)를 통해, 이어서 커넥터(112)를 통해, 그리고 2차 반응 챔버(2b) 내로 유동하고, 여기서 미반응 공급물이 수소로 더 변환된다. 이 커넥터는 반응기 챔버와 연소 챔버 사이의 공통 인터페이스 및 분리 분할기로서 작용하는 다 른 고형 벽의 부분이다. 커넥터(112)는 다른 고형 분할벽 내로 가공된 구멍 내로 삽입되어 용접 또는 브레이징을 포함하는 기술을 사용하여 밀봉되는 튜브로 구성될 수 있다. 커넥터는 또한 반응제 스트림이 누출 없이 연소 챔버를 내부에서 바이패스하도록 허용되는 한 제조/가공 프로세스 중에 반응 챔버 내로 가공되거나 다른 방식으로 형성된 채널일 수 있다. 반응기 챔버(112)는 또한 두 개의 반응 챔버(2a, 2b) 사이에 외부에서 배관 접속될 수 있다. 수소는 가스가 반응 챔버를 통해 유동하고 반응 챔버 테일이 거절 포트(16)를 통해 챔버를 나올 때 멤브레인을 통해 분리된다.
멤브레인 반응기(110)에서, 반응기 챔버와 연소 챔버(62) 사이의 분할벽에 대향하는 반응기 챔버(2a, 2b)의 측면은 멤브레인 지지 부조립체 상에 지지된 멤브레인(8)으로 이루어진 멤브레인 조립체를 포함한다. 포일 형태일 수 있는 멤브레인은, 천공부(7)를 포함하는 지지 플레이트(6)로 구성되거나 또는 더 바람직하게는 부가의 구조적 강성을 제공하도록 천공된 금속 지지체 내에 더 고정되는 다공성 금속 플레이트로 구성되는 멤브레인 지지 부조립체에 의해 지지된다.
멤브레인은 또한 무전해 도금, 전기 도금, 스퍼터링, 스핀 코팅, 화학 기상 증착 또는 다른 기술 또는 이들 기술의 조합의 수단을 통해 다공성 금속, 세라믹 또는 복합 금속/세라믹 지지체 상에 퇴적된 복합 멤브레인으로 구성될 수 있다. 이 복합 멤브레인은 마찬가지로 천공된 또는 다른 방식의 거시 투과성(macro-permeable) 지지 구조체에 의해 또한 지지될 수 있다. 이 경우, 멤브레인은 바람직하게는 산화층, 세라믹 또는 내화 금속층으로 이루어진 확산 배리어 또는 지지체 로부터 멤브레인 내로의 원하지 않는 확산을 방지하기 위한 다른 적합한 재료로 구성된 배리어에 의해 지지 금속으로부터 격리될 수 있다.
멤브레인 조립체 내의 멤브레인은 반응기 챔버의 전체 길이에 걸치고 반응기 챔버 내에 생성된 수소를 활발하게 제거할 수 있다. 멤브레인을 통해 침투하는 수소는 수소 플레넘(4) 내에 수집되고 두 개의 포트(18)에서 유닛을 통해 나오고, 이어서 예를 들면 PEM 연료 전지를 사용하여 전기를 발생시키는데 사용되고, 저장 용기로 유도되거나 또는 다른 방식으로 이용될 수 있다.
도 13은 도 5에 설명되어 있는 바와 같은 멤브레인 조립체를 구비하는 멤브레인 반응기(110)의 예시적인 무플레넘 변형예인 멤브레인 반응기(120)를 도시하고 있다. 멤브레인 반응기는 도 12에 설명되어 있는 바와 같이 멤브레인 반응기(110)와 다른점에서 유사하다. 멤브레인 반응기(120)의 두 개의 반응 챔버(2a, 2b)는 서로 내부 유체 연통한다. 이하에 설명되는 예 4는 도 13에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기(120)를 포함하는 수소 발생기를 사용하여 75% H2/25% N2 공급물 비율을 갖는 순수소 생성 프로세스의 예를 나타낸다. 이하에 설명되는 예 5는 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 멤브레인 반응기(120)를 포함하는 수소 발생기를 사용하는 암모니아 분해로부터의 순수소 생성율을 설명하고 있다.
도 13에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(120)는 각각의 멤브레인 표면의 하류측(저압측)에 순수소 수집 플레넘을 포함한다. 도 5에서 설명되어 있는 바와 같이, 반응기 부조립체는, 멤브레인이 금속 지지 플레이트에 의해 직접 지지된 다공 성 금속 기판 상에 지지되어 있는 수소 플레넘을 포함할 필요가 없고, 이에 의해 다공성 금속 기판은 또한 멤브레인 표면으로부터 반응 챔버의 출구 포트로 순수소를 운반하기 위한 커넥터를 제공한다.
도 14는 공급물 예열기를 구비하는 멤브레인 반응기(120)의 예시적인 변형예를 도시하고 있다. 도 14에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(120)의 변형예에서, 권취편(winding piece) 금속 배관(12)이 공급물 예열기 또는 증기 발생기로서 기능하도록 연소 챔버의 외부면 둘레에 권취된다. 배관은 양호한 열 전달을 보장하도록 가접 용접(tack welding)될 수도 있다. 공급물(예 5의 경우에는 암모니아)은 반응 챔버 내로 공급되기 전에 이 배관을 통해 유동하여 분위기 온도로부터 반응 온도에 근접하여 가열된다. 이 실시는 예열이 반응 챔버의 외부에서 성취되기 때문에 수소 생성을 위한 촉매 체적의 최대 이용을 보장한다.
전술한 예에서, 퇴적된 멤브레인을 포함하는 멤브레인 포일 또는 다공성 기판은 브레이징과 같은 "무가스켓(gasketless)" 접합 기술에 의해 밀봉된다. 몇몇 서비스에서는, 검사, 촉매 교환 및 멤브레인 교환을 위해 또는 다른 목적으로 반응 챔버의 비파괴 개방을 허용하는 가스켓을 사용하여 멤브레인을 밀봉하는 것이 유리할 수 있다. 가스켓 재료는 약간의 산화 조건에서 최대 600℃를 견디는 것이 가능한 임의의 재료로 제조될 수 있다. 후보 재료는 갈록(Garlock)(미국 뉴욕주 팔마이라 소재)에 의해 제조된 바와 같은 흑연, 플렉시탈릭 그룹 인크.(Flexitallic Group, Inc.)(미국 텍사스주 휴스턴 소재)에 의해 제조된 바와 같은 질석(vermiculite) 또는 코트로닉스 코포레이션(Cotronics, Corp.)(미국 뉴욕주 브룩 클린 소재)에 의해 제조된 바와 같은 세라믹이다. 일반적으로, 가스켓 부착 장치는 가스켓을 수용하여 압축하기 위한 플랜지 부착 구조에 대한 필요성에 기인하여 무가스켓 장치보다 무겁다.
도 15a(분해 사시도), 도 15b(조립 사시도) 및 도 16(조립 단면도)은 멤브레인 포일이 가스켓을 사용하여 밀봉되어 있는, 서로 유체 연통하는 반응 챔버를 갖는 하나의 연소 챔버와 두 개의 반응 부조립체를 구비하는 멤브레인 반응기(130)를 도시하고 있다.
멤브레인 반응기의 기초 구성은 두 개의 반응 챔버와 하나의 연소 챔버를 구비하고, 반응 챔버들이 커넥터(112)를 통해 서로 유체 연통하고 있는 도 13에 설명되어 있는 "절첩형" 멤브레인 반응기 구성이다. 가스켓(132a, 132b) 각각은 멤브레인 포일(8a, 8b) 중 하나와 각각의 반응 챔버(2a, 2b) 사이에 배치된다. 소결된 다공성 지지체(42a, 42b) 각각은 포일 중 하나와 각각의 천공된 플레이트(6a, 6b) 중 하나 사이에 배치되고, 천공된 플레이트는 소결된 다공성 지지체에 구조적 지지를 제공한다. 반응 챔버(2a, 2b) 내에 생성된 수소는 다공성 금속 지지체(42a)를 통해 그리고 천공된 지지 플레이트(6a, 6b) 내의 천공부(7a, 7b)를 통해 수소 플레넘(4a, 4b) 내로 유동한다. 조립체는 플레넘 하우징(4a, 4b), 천공된 지지 플레이트(6a, 6b), 가스켓(132a, 132b)을 통과하는 볼트(134)를 사용하여 함께 유지되고, 반응기 하우징(2a, 2b) 내로 고정된다. 가스켓(132a, 132b)은 또한 일 측면에서 멤브레인 포일(8a, 8b)과 수소 플레넘(4a, 4b) 사이, 그리고 다른 측면에서 멤브레인 포일(8a, 8b)과 수소 반응기 챔버 사이의 누출 방지 밀봉을 형성하도록 압축될 수 있다. 연소 챔버(62)는 흡열 수소 발생 반응을 위한 열을 제공한다. 두 개의 반응 챔버(2a, 2b)가 브레이징 또는 용접과 같은 접합 방법을 사용하여 연소기(62)에 접합된다. 유체 입구 및 출구 포트는 도 16에는 도시되어 있지 않지만, 이들은 본 명세서의 다른 부분에서 설명되어 있는 바와 같이 적합하게 위치될 수 있다.
가스켓(132a, 132b)은 그라포일(Grafoil), 금속 강화 그라포일, 세라믹 및 질석으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조될 수 있다. 가스켓(132a, 132b)은 또한 1.5 mm 내지 6.5 mm의 범위의 두께를 가질 수 있다.
이하에 설명되는 예 6은 도 15a, 도 15b 및 도 16에 설명되어 있는 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기를 사용하는 암모니아로부터의 순수소 생성을 예시한다. 예 6에서 알 수 있는 바와 같이, 약 4ppm의 암모니아가 반응기를 나오는 순수소 스트림 내의 불순물로서 검출된다. 이 암모니아 불순물은 분자체(molecular sieve) 4A 흡수제의 베드[25/35 메시 입자, 등급 514, 그레이스 데이비슨(Grace Davison)]를 통해 수소 스트림을 유동시킴으로써 용이하게 제거된다.
부품이 가스켓을 통해 밀봉되어 있는 도 15a, 도 15b 및 도 16에 개시된 것과는 상이한 구성으로 배치된 부품을 갖는 반응기 조립체의 변형예가 또한 본 발명에 따라 제공될 수 있다. 예로서, 도 8에 설명되어 있는 멤브레인 반응기(70)의 기초 구성을 갖는 가스켓 부착 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기가 본 발명에 따라 제공될 수 있다.
이하에 설명되는 예 7은 멤브레인 반응기(70)의 이 가스켓 부착 변형예, 즉 하나의 반응기 부조립체가 하나의 연소 챔버와 일체화된 변형예를 사용하는 증기 개질에 의한 합성 케로신 연료[클리어라이트(ClearLite)TM 엑슨(Exxon) 제품]로부터의 순수소 생성을 예시한다.
예 7에 교시된 설명에서, 탄화수소 공급물은 먼저 수소 함유 가스를 생성하도록 멤브레인 반응기 유닛의 외부에 위치된 공급물 전처리 챔버에서 처리된다. 공급물 예열 챔버에 위치된 촉매 코팅된 기판은 반응기 챔버에 위치된 촉매와는 상이할 수 있다.
연소 챔버로부터 이용 가능한 열을 이용하기 위해 멤브레인 반응기와 공급물 전처리 챔버를 일체화하는 것이 유리할 수 있다. 더욱이, 전처리 챔버 내로 공급하기 전에 물을 증발시키는 것이 유리할 수 있다.
도 17 및 도 18은 물 증발기 및 전처리 챔버를 갖는 도 8에 설명되어 있는 반응기 부조립체(70)를 구비하는 예시적인 멤브레인 반응기를 구성하는 멤브레인 반응기(140)를 설명하고 있다.
멤브레인 반응기(140)는 도 8에 설명되어 있는 것과 동일하지만, 전처리 챔버(142)가 전처리 프로세스를 추진시키기 위해 연소 챔버(62)로부터 발생된 열을 이용하도록 연소 챔버와 일체화된다. 물은 증발기 배관(144)에서 멤브레인 반응기에 진입하고 전처리 챔버(142)의 외부면과 긴밀하게 접촉하고 있는 코일을 통과한다. 이 코일은 최선의 열 조건을 위한 가장 친밀한 접촉을 제공하도록 브레이징 또는 용접을 통해 접합된다. 물은 코일을 통과하고 입구 포트(147)에서 전처리 챔버에 진입한다. 연료는 연료 입구 포트(146)를 통해 전처리 챔버에 진입한다. 연 료 입구 포트는 증발기 본체의 측면에 있는 것으로 도시되어 있지만, 증발된 물의 입구점의 부근에 연료의 분사를 제공하는 임의의 방식으로 위치될 수 있다. 이제 소정의 수소를 함유하는 전처리된 연료는 출구 포트(148)를 통해 전처리 챔버-반응 챔버 접속 배관(143) 내로 유동한다. 이 배관은 도시되어 있는 바와 같이 반응기의 외부에 또는 바람직하게는 도 12, 도 13 및 도 16에 도시되어 있는 커넥터 요소(112)와 유사한 방식으로 반응기의 내부에 위치될 수 있다. 이하에 설명되는 예 9는 케로신으로부터의 순수소 생성을 설명하고, 이하에 설명되는 예 10은 도 18에 설명되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기를 사용하는 프로판으로부터의 순수소를 설명하고 있다. 예 10에서 설명되어 있는 바와 같이, 도 18에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기는 멤브레인 반응기가 고온인 동안에 하나의 연료로부터 다른 연료로 변화하는 것을 수반하는 연료의 "고온-스왑(hot-swap)" 동안에도 중단되지 않는 순수소 생성을 허용한다. 이하에 설명되는 예 11은 도 18에 설명되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기를 사용하는 알코올-물 혼합물로부터의 순수소 생성을 설명하고 있다.
도 18에 도시되어 있는 바와 같은 구성을 제공하기 위한 도 8에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기 구성으로의 증발기 및 전처리 챔버의 일체화는 단지 예시적인 것이다. 동일한 절차가 적층형 또는 모듈형 순수소 생성 패키지를 허용할 수 있는 다른 멤브레인 반응기에서 실시될 수 있다. 또한, 반응 챔버와 분리된 전처리 챔버의 존재가 반드시 필요한 것은 아니다.
도 19는 전처리 챔버가 반응 챔버와 분리되지 않은 도 18에 도시되어 있는 반응기 부조립체(140)의 예시적인 변형예인 반응기 부조립체(200)를 도시하고 있다.
반응기 부조립체(200)에서, 개질기 챔버의 입구 포트에 근접하여 위치된 반응 챔버의 부분은 전처리 챔버를 구성할 수 있다. 반응기 챔버의 부분의 이 전처리는 멤브레인의 부재(absence)에 의해 반응 챔버의 나머지와는 상이할 수 있다. 달리 말하면, 멤브레인을 포함하는 멤브레인 조립체는 도 19에 예시되어 있는 바와 같이 전처리 챔버 내로 연장되지 않을 수 있다.
도 19에 도시되어 있는 멤브레인 반응기(190)에서, 전처리 챔버 섹션(196)은 멤브레인 조립체 반응 영역(202)에 노출된 반응 챔버(202)의 전방에 위치되어 있는 멤브레인 희소부(membrane less portion)이다. 예를 들면 탄화수소의 증기 개질 중에, 물이 연소 챔버(62)의 외부면과 접촉하고 있는 금속 배관(194)을 통과함으로써 증발된다. 이 금속 배관은 최선의 열 전도를 위한 가장 친밀한 접촉을 제공하도록 브레이징 또는 용접을 통해 접합될 수 있다. 물이 금속 배관에서 증발되고 표준 비등점 미만으로 더 가열될 수 있고 개질기 챔버(196)의 전처리 섹션에 진입한다. 연료는 포트(198)를 통해 개질기 챔버의 전처리 챔버에 진입한다. 연료 입구 포트는 증발기 본체의 측면에 있는 것으로서 도시되어 있지만, 일단 이들이 전처리 챔버에 진입하면 증발된 물과 연료 사이의 긴밀한 접촉을 제공하는 임의의 방식으로 위치될 수도 있다. 전처리 챔버에서, 연료는 수소를 함유하는 기체 혼합물로 부분적으로 변환되고, 이 기체 혼합물은 멤브레인을 포함하는 반응 챔버(202) 내로 유입된다. 이는 멤브레인 표면이 산화에 의한 멤브레인의 열화를 방지할 수 있는 환원 혼합물(수소의 존재에 기인함)에 노출되는 것을 보장한다. 수소는 멤브레인 조립체를 통해 유동하고, 수소 플레넘(192)에 수집되고, 수소 출구 포트(18)를 통해 나온다. 도 19에 도시되어 있는 멤브레인 반응기의 멤브레인 조립체의 구성은 도 18에 설명되어 있는 바와 유사하다.
도 19에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 제공하기 위한 도 18에 도시되어 있는 멤브레인 반응기 구성으로의 증발기 및 예비 개질기(pre-reformer)의 일체화는 단지 예시적인 것이다. 동일한 절차가 일체화된 증발 및 예비 개질 능력을 포함하는 적층형 또는 모듈형 순수소 생성 패키지를 형성하도록 본 명세서에 설명되어 있는 다른 멤브레인 반응기 구성에 실시될 수 있다.
상업적인 스케일로 수소 분리 멤브레인을 사용할 때의 중요한 문제점은 신뢰성, 수명 및 다중 열 사이클을 견디는 능력과 관련된 열적 문제점에 관한 것이다. 본 명세서에서 교시된 바와 같이, 멤브레인은 가스켓 부착, 브레이징, 용접(전자 빔, 레이저, TIG 등), 확산 접합에 의해 밀봉될 수 있다. 실온과 660 내지 650℃(개질 중의 멤브레인 온도)의 열 사이클은 얇은 포일 형태일 수 있는 얇은 멤브레인 상의 응력을 증가시킨다. 수소의 도입은 팔라듐계 멤브레인이 수소를 흡수하여 체적을 팽창(체적의 증가)시키기 때문에 부가의 어려움을 생성한다. 팔라듐 포일은 특히 접합부의 주위 둘레에서 큰 응력을 받게 된다. 이는 특히 브레이징 및 용접(가스켓 부착과 대비하여)과 같은 기술을 사용하는 것으로부터 초래되는 강성 조인트에서 심각하다.
가스켓 부착의 경우에, 얇은 포일은 플랜지 부착 조립체 내에 수용된 제거 가능한 가스켓을 사용함으로써 밀봉된다. 모든 가스켓 재료는 시간 경과에 따라 열화되고(특히 불활성 환경이 아닐 때 흑연의 산화의 경우), 볼트 및 스크류와 같은 기계적 접합 부품이 고온에서 증가된 크리프율(creep rate)을 경험하여 따라서 밀봉부를 더 약화시킨다. 열 사이클링 효과는 볼트와 같은 기계적 체결구에 피로를 유도함으로써 파괴율을 증폭시킨다. 가스켓을 사용하는 밀봉은 수소 스트림을 오염시킬 수 있는 가스켓 둘레의 소정의 누출을 허용한다. 더욱이, 플랜지의 사용은 반응기의 중량을 증가시키는데, 이는 콤팩트한 휴대용 전원 시스템에 바람직하지 않다.
가스켓에 의해 제공되는 가요성과 영구 접합 기술에 의해 제공되는 누출 방지 밀봉 및 낮은 중량을 조합하는 것이 가능하다. 지지 구조체에 포일을 밀봉하는 이 혼성 접합 기술은 멤브레인 파괴를 감소시키고 멤브레인과 지지 구조체 사이에 신뢰적인 밀봉을 제공할 수 있다.
도 20a, 도 20b 및 도 21은 가스켓이 지지 프레임 내에 수용되어 있는 멤브레인 조립체 및 수소 플레넘(150)의 분해도, 조립도 및 단면도를 각각 도시하고 있다. 흑연, 세라믹, 질석과 같은 재료 또는 다른 적절한 재료로 제조된 고온 가스켓(158)이 멤브레인 포일(156)의 계면에 합체되고 지지체에 포일을 고정하는 프레임(162)이 상부에 배치된다. 다음, 이 조립체는 천공된 또는 다른 방식의 다공성 지지체(154)의 상부에 배치된다. 다음, 조립체는 클램프를 사용하여 압축될 수 있다. 가스켓의 외부의 영역은 가스켓을 적소에 압축하기 전에 접합될 영역에 브레이즈가 도포되는 진공 브레이징 또는 다른 적절한 브레이징법을 사용하여 브레이징 될 수 있다. 대안적으로, 멤브레인 조립체의 요소는 포일에 손상을 주지 않도록 주의하는 적절한 용접 기술을 사용하여 주계 둘레에 용접될 수 있다. 밀봉 후에, 클램프는 제거되고, 멤브레인 조립체는 브레이징 또는 용접을 사용하여 수소 플레넘(152)에 일체화된다. 도 21은 수소 플레넘과 일체화된 멤브레인 조립체의 단면도를 도시하고 있다. 적절한 조건에서 수소 함유 가스 혼합물에 노출될 때, 수소는 멤브레인 포일(156)을 통해 침투하고 멤브레인 지지 플레이트(154)의 천공부(166) 또는 다공성 구조체를 통해 수소 플레넘(152) 내로 유동한다. 다음에, 수소는 수소 출구 포트(164)를 통해 플레넘을 나온다. 도 20a, 도 20b 및 도 21에 설명되어 있는 멤브레인 조립체는 본 명세서에 설명되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 제공하도록 반응 챔버 및 연소 챔버와 일체화될 수 있다.
도 22는 본 명세서의 다른 부분에서 설명되어 있는 멤브레인 부품이 관형 부품으로 대체되어 있는 예시적인 멤브레인 조립체(180)를 도시하고 있다. 이 대체의 효과는 증가된 수소 생성율이 비관형 멤브레인 부품을 포함하는 멤브레인 조립체에 대해 성취될 수 있다는 것이다. 도 22에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 조립체(180)는 관형 멤브레인 부품(182)용 하우징(184)으로 구성되고, 도 23에 도시되어 있는 위치될 관형 멤브레인을 위한 폐쇄 단부형 캐비티(181)를 갖는 플레이트로 구성된다. 발생된 수소는 튜브의 표면을 통해 침투하여 수집 영역(186) 내로 유입된다. 튜브는 도 23에 도시되어 있는 바와 같이 캐비티(181)에 대향하여 위치되어 수집 헤더(186) 내로 개방되어 있는 개구(183) 내에 위치된다. 수소는 사용 지점으로 수소 출구 포트(188)를 나온다. 튜브는 바람직하게는 전술한 진공 브레 이징 조건 하에서 브레이징법을 사용하여 하우징 내에 밀봉될 수 있다.
도 23은 연소 챔버와 일체화된 도 22에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 부조립체(180)를 구비하는 예시적인 멤브레인 반응기(190)를 도시하고 있다. 멤브레인 조립체의 차이 이외에는, 이 멤브레인 반응기는 도 8에 도시되어 있는 멤브레인 반응기와 유사하다. 도 22에 도시되어 있는 멤브레인 조립체(180)는 110 cm2의 총 멤브레인 표면적을 갖는 7개의 관형 요소를 포함한다. 튜브를 수용하는 공간에 적합화되도록 치수 설정된 평면형 멤브레인은 58 cm2의 표면적을 가질 수 있다. 따라서, 표면적의 거의 2배의 증가가 도 22에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 조립체를 사용하여 실현될 수 있고, 이는 멤브레인 두께가 동일하다고 가정하는 경우 수소 침투율의 2배의 증가로 해석될 수 있다.
관형 멤브레인 부품의 말단부는 멤브레인 조립체와 튜브의 밀봉을 허용하도록 수소가 투과할 수 없는 재료로 구성될 수 있다. 따라서, 관형 멤브레인 부품은 부품의 일 단부에서 막다른 단부형 또는 폐쇄 단부형일 수 있다.
이하에 교시되는 예에서, 수소 분리 멤브레인은 25 미크론 두께의 Pd/Ag 포일을 구성한다. 여기서 상이한 두께의 멤브레인 포일은 또한 25 미크론 두께의 포일에 대해 추종되는 바와 동일한 방식으로 구현될 수 있다는 것을 언급한다.
본 명세서에 설명되어 있는 멤브레인 반응기, 반응기 부조립체 및 멤브레인 조립체는 수소 반응기 내에, 특히 암모니아계 또는 탄화수소계 수소 반응기에 포함될 수 있다.
도 24는 도 8의 멤브레인 반응기를 포함하는 예시적인 암모니아계 수소 발생기를 도시하고 있다. 멤브레인 반응기(70)는 반응 연료 공급 라인(205A)을 통해 연료 공급원(204)에, 그리고 연소 공급 라인(211)을 통해 연소 연료 공급원(207)에 접속된다. 멤브레인 반응기(70)는 또한 공기 공급 라인(206)을 통해 공기 공급원(203)에 접속된다. 수소 발생기는 또한 연소 부산물 라인(208) 및 테일 가스 공급 라인(209)을 구비한다.
도 25는 도 8의 멤브레인 반응기를 구비하는 예시적인 탄화수소계 수소 발생기를 도시하고 있다. 탄화수소계 수소 발생기에서, 멤브레인 반응기(70)가 반응 연료 공급 라인(205)을 통해 연료 공급원(204)에, 그리고 연소 공급 라인(211)을 통해 연소 연료 공급원(207)에 접속된다. 멤브레인 반응기(70)는 또한 공기 공급 라인(206)을 통해 공기 공급원(203)에 접속된다. 멤브레인계 탄화수소 발생기는 또한 연소 부산물 라인(208) 및 테일 가스 공급 라인(209)을 포함한다. 물 공급 라인(213)을 통해 멤브레인 반응기(70)에 접속되는 물 공급원(212)이 또한 포함된다.
이하의 예는 본 발명을 더 상세히 설명하기 위해 제공된다. 본 발명을 실시하기 위해 현재 고려되는 특정 모드를 설명하는 이들 예는 본 발명을 예시하고 한정하지 않도록 의도된다.
예
예 1: 멤브레인이 소결된 다공성 금속 기판 상에 지지되어 있는 개질기 부조 립체를 통한 수소 플럭스
75% H2 및 25% N2의 공칭 체적비, 1500 sccm의 공칭 유량의 수소 및 질소로 이루어진 가스 혼합물이 약 450℃로 가열된 후에 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 반응 챔버 내로 공급된다. 반응 부조립체는 SS 304로 구성된다. 멤브레인은 75% Pd/25% Ag의 공칭 조성의 Pd/Ag 포일로 구성되고 23 cm2의 표면적을 갖는다.
25 미크론의 공칭 두께의 멤브레인 포일이 41%의 공칭 다공도를 갖는 소결된 다공성 스테인레스강(모트 코포레이션) 상에 지지된다. 반응기 부조립체는 적합한 온도 제어기(오메가)를 사용하여 노의 온도를 증가시키는 것을 허용하는 와트로우(Watlow) 전기로에 배치된다. 반응 챔버는 균일한 유동 및 열 분포를 제공하도록 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다.
가스 혼합물은 또한 와트로우로 내에 위치되는 3.175 mm(1/8 in) 외경의 SS 316 배관 코일을 통해 유동함으로써 예열된다. 반응기 부조립체가 600℃의 공칭 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)의 공칭 압력에서 작동하는 동안 반응기 부조립체를 통한 수소 플럭스(sccm/cm2)가 측정된다. 따라서 멤브레인의 침투물측 상의 압력이 대기압으로 유지된다. 플럭스의 안정성이 측정된다.
도 26에 기록되어 있는 결과는 50시간의 연속적인 작동에 걸친 테스트 기간 동안 관찰된 안정한 수소 플럭스를 나타낸다.
예 2: 멤브레인이 천공부를 포함하는 고형 플레이트 상에 지지되어 있는 반 응기 부조립체를 통한 수소 플럭스
멤브레인 포일이 1.48 cm2(0.23 in2)의 총 노출 표면적을 갖는 0.79 mm(1/32") 직경의 소형의 균등하게 이격된 구멍을 포함하는 고형 SS 304 플레이트 상에 지지되는 것을 제외하고는, 예 1에 설명되어 있는 바와 같은 테스트가 예 1에 사용된 것과 동일한 반응기 부조립체를 사용하여 반복되었다. 특히, 수소 플럭스(sccm/cm2)가 다양한 온도 사이클에서 두 개의 동일하게 구성된 유닛 1 및 2를 통해 600℃에서 그리고 0.58 MPa(5.8 bar)의 공칭 압력에서 통과되었다. 각각의 온도 사이클은 분위기 온도와 660℃ 사이이다.
멤브레인의 침투물측 상의 압력은 대기압으로 유지된다. 도 27에 기록되어 있는 결과는 수소 플럭스의 대략 30%의 감소가 시간에 따라 관찰되는 것을 나타낸다. 멤브레인은 수소의 순도의 감소가 관찰되지 않기 때문에 분위기 온도와 600℃ 사이의 열 사이클링에 대해 매우 안정한 것으로 판명되었다. 시마즈(Shimadzu) GC 17 가스 크로마토그래프를 사용하여 평가된 바와 같은 공칭 수소 순도는 >99.99% (존재하는 경우 불순물은 가스 크로마토그래프의 검출 한계 미만임)인 것으로 판명되었다. 플럭스의 감소는 온도에서 지지체의 구멍 내로의 멤브레인 포일의 점진적인 크리프에 기인하고, 이는 수소 운반에 이용 가능한 멤브레인의 유효 표면적의 감소를 초래한다. 테스트는 동일한 유닛(유닛 2)에 대해 반복되었고, 양 유닛은 전술한 평가를 받을 때 동일한 플럭스 감소 거동을 나타냈다(도 27 참조).
예 3: 멤브레인이 소결된 다공성 기판 상에 지지되어 있는 반응기 부조립체 를 통한 수소 플럭스
기판은 또한 장치의 출구 포트로의 수소의 운반을 위한 유동 채널로서 거동한다.
75% H2 및 25% N2의 공칭 체적비 및 3600 sccm의 공칭 유량의 수소 및 질소로 이루어진 가스 혼합물이 약 450℃로 반응기를 가열한 후에 도 5에 도시되어 있는 바와 같은 반응기 부조립체로 공급된다. 반응기 부조립체는 304L 스테인레스강으로 구성된다. 멤브레인은 75% Pd/25% Ag의 Pd/Ag 포일로 구성되고 55 cm2의 표면적을 갖는다. 멤브레인 포일은 41%의 공칭 다공도를 갖는 소결된 다공성 316 스테인레스강 기판(모트 코포레이션) 상에 지지된다. 멤브레인 반응기는 적합한 온도 제어기(오메가)를 사용하여 노의 온도를 증가시키는 것을 허용하는 와트로우 전기로 내에 배치된다. 반응 챔버는 균일한 유동 및 열 분포를 제공하도록 40 ppi 인코넬
Figure 112007082153875-pct00008
625 금속 발포체 기판을 포함한다.
가스 혼합물은 또한 와트로우로 내에 위치되는 3.175 mm(1/8 in) 외경의 SS 316 배관 코일을 통해 유동함으로써 예열되고, 600℃ 내지 625℃의 공칭 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)의 공칭 압력에서 작동하는 동안 반응기 부조립체 내로 도입된다. 분위기 온도와 625℃ 사이의 4개의 열 사이클이 수행되었다. 멤브레인의 침투물측 상의 압력은 대기압으로 유지된다. 도 28에 도시되어 있는 바와 같이, 공칭 순수소 생성율은 1500 sccm(27 sccm/cm2의 공칭 플럭스)으로 측정되었고, 분위기 온도와 625℃ 사이의 열 사이클링에 의해 영향을 받지 않는다. 시마즈 GC 17 가스 크로마토그래프를 사용하여 평가된 바와 같은 공칭 수소 순도는 >99.99% (존재하는 경우 불순물은 가스 크로마토그래프의 검출 한계 미만임)인 것으로 판명되었다. 멤브레인 밀봉법은 순수소 생성율 및 수소 순도가 시간에 따라 안정한 것으로 유지되어 열 사이클링에 대해 매우 안정한 것으로 판명되었다.
예 4: 도 13 및 도 14에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기를 사용하는 H 2 / N 2 로부터의 순수소 생성
75% H2 및 25% N2의 공칭 체적비 및 3800 sccm의 공칭 유량의 수소 및 질소로 이루어진 가스 혼합물이 약 550℃로 반응기를 가열한 후에 도 13 및 도 14에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기 내로 공급된다. 멤브레인 반응기는 304L 스테인레스강으로 구성되고, 서로 유체 연통하는 두 개의 반응기 챔버 사이에 개재된 연소 챔버를 포함한다. 각각의 반응 챔버는 공칭 조성 75% Pd/25% Ag의 Pd/Ag 포일[존슨 매티(Johnson Matthey)]로 구성되고 55 cm2의 표면적을 갖는 멤브레인을 포함한다. 멤브레인 포일은 41%의 공칭 다공도를 갖는 소결된 다공성 316 기판(모트 코포레이션) 상에 지지된다. 각각의 반응기 챔버는 40 ppi 인코넬
Figure 112007082153875-pct00009
625 금속 발포체 기판을 포함한다. 금속 발포체 기판은 분해에 의해 암모니아로부터 수소를 생성하기 위해 효율적인 적합한 촉매 재료로 코팅된다.
연소 챔버는 적합한 연소 촉매로 코팅된 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 9.525 mm(0.375 in) 외경의 인코넬
Figure 112007082153875-pct00010
600 배관이 도 14에 도시되어 있 는 바와 같이 연소 챔버 둘레에 권취되어 연소 챔버에 가접 용접되어 반응 챔버 내로의 진입 전에 공급물 스트림에 소정 정도의 예열을 제공한다. 연소는 수소/공기 혼합물을 사용하여 실온 활성화에 의해 개시되고, 촉매 온도가 약 200℃에 도달할 때, 수소 연료가 프로판으로 대체된다. 프로판의 촉매 및 무화염 연소가 반응 챔버 내의 촉매 온도가 575 내지 625℃인 방식으로 실행된다. 멤브레인 반응기는 써모다인 코포레이션(Thermodyne Corporation)(미국 인디애나주 엘크하트 소재)에 의해 시판되는 바와 같은 다이나가드(Dynaguard)TM 미공성 실리카 절연체를 사용하여 절연된다.
2400 내지 2700 sccm의 순수소 생성율이 0.58 MPa(5.8 bar)의 공칭 반응 챔버 압력에서 이 테스트 중에 측정되었다. 시마즈 GC 17 가스 크로마토그래프를 사용하여 평가된 바와 같은 공칭 수소 순도는 >99.99% (존재하는 경우 불순물은 가스 크로마토그래프의 검출 한계 미만임)인 것으로 판명되었다. 30 체적% H2 및 70 체적% N2로 이루어진 테일 가스 스트림이 반응 챔버를 나온다.
예 5: 도 13 및 도 14에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기를 사용하는 무수 암모니아로부터의 순수소 생성
예 4에서 설명되어 있는 바와 같은 H2/N2로부터의 순수소 생성을 설명한 후에, H2/N2 공급 혼합물은 무수 암모니아로 대체된다. 암모니아로부터의 순수소의 생성 중의 암모니아 공급, 멤브레인 거절 및 순수소의 유량이 테스트 시간의 함수 로서 측정되었다. 결과는 도 29에 기록되어 있다.
도 29에 도시되어 있는 바와 같이, 2000 sccm의 유량의 순수소가 매우 안정한 방식으로 생성된다. 시마즈 GC 17 가스 크로마토그래프를 사용하여 평가된 바와 같은 공칭 수소 순도는 >99.99%(존재하는 경우 불순물은 가스 크로마토그래프의 검출 한계 미만임)인 것으로 판명되었다.
이제, 수소 및 질소와 미량의 암모니아(<4000 ppm 암모니아)를 함유하는 반응기 테일 가스는 반응기 챔버에 열을 공급하도록 연소 챔버로 복귀 유도될 수 있다. 이 작용은 연소 챔버 내로 공급될 필요가 있는 프로판과 같은 외부 연료의 양을 감소시킬 수 있다. 실제로, 그의 열 함량이 큰 분율에 또는 암모니아 공급물의 유량을 변경하거나 "조정"함으로써 심지어는 수소 발생 프로세스의 전체 열 요건에 동등한 테일 가스 스트림을 발생시키는 것이 매우 가능하다.
도 30은 순수소 생성 프로세스 중의 저위 발열량(lower heating value)에 기초하는 멤브레인 거절 스트림의 열 함량을 도시하고 있다. 도 29 및 도 30을 비교하면, 약 180 W의 열 함량을 갖는 테일 가스 스트림이 2000 sccm의 일정한 순수소 생성을 유지하면서 발생될 수 있다는 것이 명백해진다. 연소 챔버 내로의 이러한 테일 가스 스트림의 복귀 유도는 60%의 전체 열 효율을 초래하고, 여기서 열 효율은 반응 챔버 및 연소 챔버 양자로의 공급 스트림의 저위 발열량에 대한 순수소의 저위 발열량의 비로서 정의된다.
예 6: 도 15a, 도 15b 및 도 16에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기 를 포함하는 수소 발생기를 사용하는 무수 암모니아로부터의 순수소 생성
500 sccm 내지 1200 sccm의 유량의 무수 암모니아가 575℃로 반응기를 가열한 후에 도 17에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기 내로 공급된다. 멤브레인 반응기는 304L 스테인레스강으로 구성되고 서로 유체 연통하고 있는 두 개의 반응 챔버 사이에 개재된 연소 챔버를 포함한다. 각각의 반응 챔버는 공칭 조성 75% Pd/25% Ag의 Pd/Ag 포일(존슨 매티)로 구성되고 90 cm2의 표면적을 갖는 멤브레인을 포함한다. 멤브레인 포일의 공칭 두께는 25 미크론이다. 멤브레인 포일은 41%의 공칭 다공도를 갖는 소결된 다공성 316 스테인레스강 기판(모트 코포레이션) 상에 지지된다. 각각의 반응 챔버는 적합한 촉매로 코팅되어 있는 40 ppi 인코넬
Figure 112007082153875-pct00011
625 금속 발포체 기판을 포함한다. 금속 발포체 기판은 분해에 의해 암모니아로부터 수소를 생성하기 위해 효율적인 적합한 촉매 재료로 코팅되어 있다.
연소 챔버는 적합한 연소 촉매로 코팅되어 있는 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 연소는 촉매의 선단 에지와 접촉하고 있는 니크롬(Nichrome) 저항 와이어를 사용하여 촉매의 선단 에지를 먼저 가열함으로써 개시된다. 촉매의 선단 에지의 온도가 약 200℃에 도달할 때, 저항 와이어로의 충전이 중지되고, 프로판과 공기의 혼합물이 촉매 연소에 의해 열을 발생시키도록 연소 챔버로 공급된다.
대안적으로, 촉매의 실온 활성화가 수소/공기 혼합물을 사용하여 성취되고, 촉매 온도가 약 200℃에 도달할 때, 수소 연료가 프로판으로 대체된다. 프로판의 촉매 및 무화염 연소가 반응 챔버 내의 촉매 온도가 575 내지 625℃에 있는 방식으로 수행되었다. 멤브레인 반응기는 써모다인 코포레이션(미국 인디애나주 엘크하트 소재)에 의해 시판되는 바와 같은 다이나가드TM 미공성 실리카 절연체를 사용하여 절연된다.
1500 sccm의 순수소 생성율이 도 31에 도시되어 있는 바와 같이 0.58 MPa(5.8 bar)의 공칭 반응 챔버 압력에서 이 테스트 중에 측정되었다. 시마즈 GC 17 가스 크로마토그래프를 사용하여 평가된 바와 같은 공칭 수소 순도는 99.7%인 것으로 판명되었다. 수소 스트림 내의 불순물은 가스켓 둘레의 누출 또는 흑연 가스켓의 탈가스로부터 기인하는 것으로 고려되는 미량의 N2(2000 ppm), CO(100 ppm), CH4(150 ppm) 및 CO2(200 ppm)이다. 게다가, 4 ppm[드래거 튜브(Drager tubes)를 사용하여 측정됨]의 공칭 농도의 미량의 암모니아가 수소 스트림 내에 존재한다. 이 암모니아 불순물은 분자체 4A 흡수제의 베드(25/35 메시 입자, 등급 514, 그레이스 데이비슨)를 통해 수소 스트림을 유동시킴으로써 용이하게 제거된다.
반응 챔버를 나오는 테일 가스 스트림은 22 내지 28 체적% H2, 72 내지 77 체적% N2 및 300 내지 1000 ppm 암모니아로 이루어진다. 이 테일 가스는 반응 챔버에 열을 공급하도록 연소 챔버 내로 복귀 유도된다. 연소 챔버 내로의 이러한 테일 스트림의 복귀 유도는 63%의 전체 열 효율을 초래하고, 여기서 열 효율은 반응 챔버 및 연소 챔버 양자로의 공급물 스트림의 저위 발열량에 대한 순수소의 저위 발열량의 비로서 정의된다.
예 7: 도 8에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기에서의 합성 케로신으로부터의 순수소 생성
0.16 ml/min의 공칭 유량으로 유동하는 합성 케로신 연료가 0.55 ml/min의 공칭 유량으로 유동하는 증류수와 접촉되고, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 멤브레인 반응기의 전처리 챔버 내로 공급된다. 이 예에서의 전처리 챔버는 적합한 촉매로 코팅되어 있는 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 전처리 챔버는 전기 가열 테이프에 의해 가열되고, 전처리 챔버는 550 내지 580℃ 및 0.58 MPa(5.8 bar)로 유지된다. 전처리 챔버는 경탄화수소(light-hydrocarbon) 및 탄소 산화물과 함께 수소를 함유하는 혼합물로 케로신 연료를 변환하는데 사용된다.
다음에, 고온의 수소 함유 가스 스트림이 그의 구성이 도 8에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기의 반응 챔버 내로 공급된다. 반응기 내의 수소 멤브레인은 25 미크론의 공칭 두께 및 45 cm2의 표면적을 갖는 75% Pd/25% Ag 포일(존슨 매티)로 구성된다. 멤브레인 포일은 41%의 공칭 다공도를 갖는 소결된 다공성 316 스테인레스강 기판(매트 코포레이션) 상에 지지된다.
반응 챔버 및 연소 챔버는 각각 적합한 촉매로 코팅되어 있는 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 610℃의 공칭 반응 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)에서 작동할 때, 순수소는 도 32에 도시되어 있는 바와 같이 1000 h 동안 300 sccm의 공칭 유량으로 생성된다.
연소는 수소/공기 혼합물을 사용하여 실온 활성화에 의해 개시되고, 촉매 온도가 약 200℃에 도달할 때 수소 연료가 프로판으로 대체된다.
프로판의 촉매 및 무화염 연소는 반응기 챔버 내의 촉매 온도가 575 내지 625℃인 방식으로 수행되었다. 반응기(메탄화기 앞에)를 나오는 순수소는 표 1에 나타낸 바와 같이 불순물로서 미량의 CO, CO2 및 CH4를 포함한다.
수소 침투물의 순도
샘플 TOS (h) CH4 (ppm) CO2 (ppm) CO (ppm) H2 순도 (%)
메탄화기 전 980 285 271 206 99.92
메탄화기 후 981 820 51 비검출 99.91
수소 생성물 조성은 펄스식 헬륨 이온화 검출기 및 화염 이온화 검출기를 사용하여 평가되었다.
수소 스트림이 175℃ 및 2000 h-1의 공칭 공간 속도로 유지된 메탄화 촉매[T-4308 촉매, 쉬드 케미(Sued Chemie)]의 베드를 통해 통과될 때, CO 및 큰 분율의 CO2 모두가 CH4로 변환되어, PEM 연료 전지 적용에 적합한 99.91% 순도의 수소 스트림을 발생시킨다. CCO + CO2/C생성물로서 계산된 탄화수소 변환은 78%이고, 탄소 균형은 10% 이내이다.
반응기 테일 가스 스트림의 공칭 분자 조성은 건조 기준으로 48.4% H2, 3.7% CO, 11.7% CH4 및 36.2% CO2이다. 55 내지 60 W의 공칭 가열값을 갖는 이 테일 가스 스트림은 개질 반응을 추진하기 위해 열을 제공하도록 연소기로 복귀 유도된다.
따라서, 순수소 스트림이 CH4, CO2 및 CO와 같은 불순물을 포함한다. 이들 불순물은 적합한 수소 연마 단계를 사용함으로써 요구된 바와 같이 제거될 수 있다. 예를 들면, PEM 연료 전지로 공급되는 수소 스트림 내의 CO의 존재는 연료 전지 성능의 열화를 초래할 수 있다. 표 1에 나타낸 바와 같이, CO는 반응기 출구에 근접하여 위치된 메탄올 촉매 베드(예를 들면, 쉬드 케미에 의해 공급되는 T-4308 촉매)를 통해 반응기를 나오는 수소 가스 스트림을 유동시킴으로써 제거된다. 약 1010 h의 스트림 상의 시간(time on stream)(TOS) 후에, 합성 케로신이 차단되고 프로판으로 교체된다.
이하의 예 8은 동일한 수소 발생기를 사용하는 프로판으로부터의 순수소 생성을 나타내고 다중 연료 개질, 즉 단일 멤브레인 반응기 유닛에서의 상이한 연료로부터의 수소 생성을 예시한다.
예 8: 도 8에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기를 포함하는 수소 발생기에서의 프로판으로부터의 순수소 생성
예 7에서 설명되어 있는 바와 같이 약 1010 h 동안 케로신으로부터의 순수소 생성을 설명한 후에, 케로신 공급물이 차단되고 프로판으로 대체되었다. 수행된 측정의 결과는 도 33에 기록되어 있다.
100 sccm의 공칭 유량으로 유동하는 프로판이 0.7 ml/min의 공칭 유량으로 유동하는 증류수와 접촉되고, 전처리 챔버 내로 공급되고, 이어서 예 7에서 설명되어 있는 바와 동일한 방식으로 반응기 챔버 내로 공급된다. 610℃의 동일한 공칭 반응 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)에서 작동하는 동안, 도 8에 도시되어 있는 멤브레인 반응기를 사용하여 다중 연료 개질 능력을 설명하는 도 31에 도시되어 있는 바와 같이 순수소가 350 sccm의 공칭 유량으로 생성되었다. CCO + CO2/C생성물로서 계산된 탄화수소 변환은 70%이고, 탄소 균형은 10% 이내이다. 멤브레인 거절 스트림의 공칭 분자 조성은 건조 기준으로 49.7% H2, 4.2% CO, 14.4% CH4 및 31.7% CO2이다. 106 내지 110 W의 공칭 가열값을 갖는 이 멤브레인 거절 스트림은 개질 반응을 추진하기 위해 열을 제공하도록 연소기로 복귀 유도될 수 있다.
예 9: 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 바와 같은 일체형 증발기 및 전처리 챔버를 포함하는 멤브레인 반응기에서의 케로신으로부터의 순수소 생성
0.68 ml/min의 공칭 유량으로 유동하는 물이 전처리 챔버의 외장에 용접되어 있는 배관에서 증기로 증발되고 전처리 챔버에서 0.22 ml/min의 공칭 유량으로 유동하는 합성 케로신 연료와 접촉되었다. 이 예에서의 전처리 챔버는 적합한 촉매로 코팅되어 있는 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 전처리 챔버는 연소 챔버와 일체화되고 연소 챔버와의 열 교환에 의해 가열된다. 공급물 예열 및 예비 개질이 555℃의 평균 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)에서 실현된다. 다음, 고온의 예비 개질된 스트림이 그의 구성이 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기의 반응 챔버 내로 공급된다. 반응기의 수소 멤브레인은 25 미크론의 공칭 두께 및 45 cm2의 표면적을 갖는 75% Pd/25% Ag 포일(존슨 매티)로 구성된다. 멤브레인 포일은 41%의 공칭 다공도를 갖는 소결된 다공성 316 스테인레스강 기판(모트 코포레이션) 상에 지지된다. 반응 챔버 및 연소 챔버 각각은 적합한 촉매로 코팅된 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 610℃의 공칭 반응 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)에서 작동하는 동안, 순수소가 도 34에 도시되어 있는 바와 같이 460 내지 470 sccm의 공칭 유량에서 생성된다.
연소는 수소/공기 혼합물을 사용하여 실온 활성화에 의해 개시되었고, 촉매 온도가 200℃에 도달할 때, 수소 연료가 프로판으로 대체된다.
수소 침투물의 순도
TOS (h) CH4 (ppm) CO2 (ppm) CO (ppm) H2 순도 (%)
42 3.58 9.98 2.71 99.998
113 5.99 22.31 3.06 99.996
187 9.28 47.83 3.7 99.994
CCO + CO2/C생성물로서 계산된 탄화수소 변환은 73%이고 탄소 균형은 5% 이내이다.
프로판의 촉매 및 무화염 연소가 챔버 내의 촉매 온도가 575 내지 630℃인 방식으로 실행되었다. 반응기를 나오는 수소의 순도는 99.998%로 평가되었고 표 2에 나타낸 바와 같이 불순물로서 미량의 CO, CO2 및 CH4를 포함한다. 수소 생성물 조성은 펄스식 헬륨 이온화 검출기 및 화염 이온화 검출기를 사용하여 평가된다. 테일 가스 스트림의 공칭 분자 조성은 건조 기준으로 38.33% H2, 3.74% CO, 16,98% CH4 및 40.95% CO2이다. 84 W의 공칭 가열값을 갖는 이 테일 가스 스트림은 개질 반응을 추진하기 위한 열을 제공하도록 연소기로 복귀 유도된다.
예 10: 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 바와 같은 일체형 증발기 및 전처리 챔버를 포함하는 멤브레인 반응기에서의 케로신으로부터 프로판의 연료의 "고온- 스왑핑 " 중의 순수소 생성
예 9에 계속하여, 다른 작동 파라미터는 변경하지 않고 케로신 연료가 약 210h에서 프로판으로 대체되어 테스트되었다. 즉, 연료는 반응기가 정상 상태에 있을 때 수소 발생 연료의 대체인 "고온 스왑" 중에 대체되었다. 목표는 케로신이 연료로서 사용될 때 측정된 바와 동일한 레벨로 수소 생성율을 유지하기 위한 것이다. 0.8 ml/min의 공칭 유량으로 유동하는 물이 증발되어 200 sccm의 공칭 유량으로 유동하는 프로판과 접촉된다. 도 35에 도시되어 있는 바와 같이, 이 목표는 연료 스왑에도 불구하고 매우 평탄하게 잔류하는 수소 생성율로서 실현된다.
수소 침투물 샘플이 수집되어 매트슨 트리가스(Matheson Trigas)의 연구실에 보내져서 분석되었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 수소 순도는 약 99.99%이다. 수소 생성물 조성은 펄스식 헬륨 이온화 검출기 및 화염 이온화 검출기를 사용하여 평가된다. 이들 순도 레벨에서, 수소 생성물 가스는 PEM 연료 전지에 직접 공급될 수 있다.
케로신으로부터 프로판으로의 스왑 후의 수소 침투물의 순도
TOS (h) CH4 (ppm) CO2 (ppm) CO (ppm) H2 순도 (%)
279 15.05 30.23 5.72 99.995
354 26.26 106.4 12.14 99.986
CCO + CO2/C생성물로서 계산된 탄화수소 변환은 58%이다. 테일 가스 스트림의 공칭 분자 조성은 건조 기준으로 42.19% H2, 2.64% CO, 24.82% CH4 및 30.35% CO2이다.
예 11: 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 바와 같은 일체형 증발기 및 전처리 챔버를 포함하는 멤브레인 반응기에서의 알코올-물 혼합물로부터의 순수소 생성
1.0 내지 1.5 ml/min의 공칭 유량으로 유동하는 알코올-물 혼합물(알코올=에탄올, 메탄올)이 전처리 챔버로 공급된다. 이 예에서의 전처리 챔버는 적합한 촉매로 코팅되어 있는 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 전처리 챔버는 연소 챔버와 일체화되고 연소 챔버와의 열 교환에 의해 가열된다. 공급물 예열 및 예비 개질이 555℃의 평균 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)에서 실현된다. 다음에, 고온의 예비 개질된 스트림이 그의 구성이 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 바와 같은 멤브레인 반응기의 반응 챔버 내로 공급된다. 반응기 내의 수소 멤브레인은 25 미크론의 공칭 두께 및 45 cm2의 표면적을 갖는 75% Pd/25% Ag 포일(존슨 매티)로 구성된다. 멤브레인 포일은 41%의 공칭 다공도를 갖는 소결된 다공성 316 스테인레스강 기판(모트 코포레이션) 상에 지지된다. 반응 챔버 및 연소 챔버는 각각 적합한 촉매로 코팅된 40 ppi FeCrAlY 금속 발포체 기판을 포함한다. 625℃의 공칭 반응 온도 및 0.58 MPa(5.8 bar)에서 작동하는 동안, 순수소는 표 4에 요약된 바와 같이 약 400 sccm의 공칭 유량으로 생성된다.
알코올-물 혼합물로부터의 순수소 생성
공급물 증기:탄소 공급 속도 (ml/min) 순수 H2 유량 (sccm) XHC (%) 테일 가스 조성(건조, %)
에탄올-물 3.2 1.52 389 66.1 H2:48.0%; CO=2.9%; CH4=17.7%; CO2=31.4%
메탄올-물 2.0 1.08 390 68.4 H2:48.0%; CO=5.9%; CH4=18.9%; CO2=34.4%
표 4에서, 탄화수소 변환(XHC)은 이하와 같이 계산된다.
CCO + CO2/C생성물
순수소 생성 장치에 팔라듐계 수소 분리 포일을 통합하는 방법이 본 명세서에 설명되었지만, 절차는 또한 다공성 기판, 바람직하게는 다공성 금속 기판 상에 퇴적되어 있는 멤브레인에 적용 가능할 것이다.
요약하면, 수소 발생기는 수소 멤브레인 반응기, 연료 공급원, 반응 연료 공급 라인, 공기 공급원, 공기 공급 라인, 연소 연료 공급 라인, 테일 가스 공급 라인, 연소 챔버로부터의 연소 부산물을 운반하기 위한 연소 부산물 라인 및 반응 생성물 라인을 포함한다. 수소 발생기의 반응기 챔버에 접합되는 멤브레인 조립체는 멤브레인과, 소결된 다공성 금속을 포함하는 멤브레인 지지체를 포함한다. 반응기 조립체는 다공성 금속 기판을 포함하는 반응 챔버, 두 개의 멤브레인 조립체, 연료 공급원, 반응 연료 공급 라인, 테일 가스 공급 라인 및 반응 생성물 라인을 포함한다. 방법들은 수소 발생기, 멤브레인 조립체 및 반응기 조립체와 연관된다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되었다. 다른 실시예가 상기의 설명의 견지에서 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 본 발명의 보호 범주는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.

Claims (88)

  1. 반응 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있는 연소 챔버를 갖는 수소 멤브레인 반응기와,
    연료 공급원과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 반응 챔버로 연료를 운반하기 위한 반응 연료 공급 라인과,
    공기 공급원과,
    상기 공기 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 산소를 운반하기 위한 공기 공급 라인과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 연소 연료 공급 라인과,
    상기 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 테일 가스 공급 라인과,
    상기 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 연소 부산물 라인과,
    상기 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 반응 생성물 라인을 포함하는 수소 발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수소 멤브레인 반응기는,
    분리 플레이트의 양 측면에 배치되어, 하나의 챔버가 상기 반응 챔버를 형성하고 다른 챔버는 상기 연소 챔버를 형성하는 두 개의 챔버와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 연소 챔버에 근접하는 단부 플레이트와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 반응 챔버에 근접하는 멤브레인 조립체와,
    수소를 수집하기 위한 수소 플레넘을 제공하도록 상기 멤브레인 조립체의 다른 측면에 위치된 수소 배기 챔버를 포함하는 수소 발생기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인 조립체는 하나 이상의 관형 멤브레인 부품을 지지하는 하우징을 포함하고, 상기 관형 멤브레인 부품은 일 단부에서 폐쇄 단부형인 수소 발생기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 관형 멤브레인 부품의 폐쇄 단부형 섹션은 브레이징에 의해 상기 하우징 내로 밀봉되고, 상기 관형 멤브레인 부품의 개방 단부형 섹션은 수소 출구 포트에 근접하여 수집 영역에 위치되는 수소 발생기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 멤브레인 조립체는 누출 방지 반응기 부조립체를 형성하도록 브레이징 또는 용접에 의해 상기 반응 챔버에 접합되는 수소 발생기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 관형 멤브레인 부품의 단부 섹션들은 수소를 투과하지 않는 재료로 제조되는 수소 발생기.
  7. 제2항에 있어서, 상기 단부 플레이트, 상기 연소 챔버를 형성하는 외피 및 상기 분리 플레이트는 상기 반응 챔버를 형성하는 외피에 용접되는 수소 발생기.
  8. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인 조립체는 멤브레인 지지 부조립체 및 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인 지지 부조립체의 제1 표면은 상기 멤브레인의 제1 표면과 접촉하고, 상기 멤브레인 지지 부조립체의 제2 표면은 상기 멤브레인 지지 부조립체와 수소 플레넘 사이에 밀봉을 형성하도록 제1 가스켓과 접촉하고, 상기 멤브레인의 제2 표면은 상기 반응 챔버와 상기 멤브레인 사이에 밀봉을 형성하도록 제2 가스켓과 접촉하는 수소 발생기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스켓은 일 측면에서 상기 멤브레인과 상기 수소 플레넘 사이에, 그리고 다른 측면에서 상기 멤브레인과 상기 반응 챔버 사이에 누출 방지 밀봉을 형성하도록 압축되는 수소 발생기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 멤브레인 지지 부조립체는 천공된 금속 플레이트를 포함하는 수소 발생기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 멤브레인 지지 부조립체는 천공된 금속 플레이트의 적층체를 포함하고, 상기 천공된 금속 플레이트는 상이한 크기의 천공부를 갖고, 상 기 천공부의 크기는 상기 멤브레인에 대한 적절한 지지 및 수소를 상기 수소 배기 챔버로 운반하기 위한 적절한 다공성 체적을 제공하는 수소 발생기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 천공된 금속 플레이트는 소결된 다공성 금속을 지지하는 수소 발생기.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스켓은 그라포일, 금속 강화 그라포일, 세라믹 및 질석으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 수소 발생기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스켓은 1.5 mm 내지 6.5 mm의 범위의 두께를 갖는 수소 발생기.
  15. 제12항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 오스테나이트강, 인코넬 600 시리즈 또는 하스텔로이 X(Hastelloy X)로 제조되는 수소 발생기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 1.0 mm 내지 6.5 mm의 범위의 두께를 갖는 수소 발생기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 1.0 mm 내지 1.5 mm의 범위의 두께를 갖는 수소 발생기.
  18. 제15항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 5% 내지 58%의 범위의 다공도를 갖는 수소 발생기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 20% 내지 50%의 범위의 다공도를 갖는 수소 발생기.
  20. 제12항에 있어서, 상기 천공된 금속 플레이트는 0.5 mm 내지 1.5 mm의 크기의 천공부를 갖는 오스테나이트강으로 제조되는 수소 발생기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 천공부는 약 2.5 mm 이격되는 수소 발생기.
  22. 제20항에 있어서, 상기 천공된 금속 플레이트는 15% 내지 50% 개방 체적을 갖는 수소 발생기.
  23. 제12항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 상기 천공된 금속 플레이트에 접합되는 수소 발생기.
  24. 제23항에 있어서, 상기 접합은 일체화 멤브레인 지지 부조립체를 형성하도록 용접 또는 브레이징에 의해 실시되는 수소 발생기.
  25. 제2항에 있어서, 상기 연소 챔버는 연소 챔버 기판을 포함하고, 상기 반응 챔버는 촉매 코팅된 반응 챔버 기판을 포함하는 수소 발생기.
  26. 제25항에 있어서, 상기 기판의 대략의 기공 직경 또는 유동 치수는 0.2 내지 3.0 mm 범위인 수소 발생기.
  27. 제26항에 있어서, 상기 기판의 대략의 기공 직경 또는 유동 치수는 0.5 내지 2.0 mm의 메소채널 범위인 수소 발생기.
  28. 제25항에 있어서, 상기 기판은 금속 발포체, 금속 모노리스, 금속 메시, 세라믹 발포체 및 세라믹 모노리스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 형태인 수소 발생기.
  29. 제25항 또는 제28항에 있어서, 상기 기판은 촉매 코팅된 기판인 수소 발생기.
  30. 제29항에 있어서, 상기 반응 챔버 내의 기판과 멤브레인 표면 사이에 배치된 다공성 세라믹 매트를 추가로 포함하는 수소 발생기.
  31. 제30항에 있어서, 상기 멤브레인 표면과 상기 기판 사이의 접촉을 배제하기 위해 상기 매트를 상기 기판에 접촉하여 유지하기 위한 유지 프레임을 추가로 포함하는 수소 발생기.
  32. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인은 얇은 포일의 형태인 수소 발생기.
  33. 제32항에 있어서, 상기 얇은 포일은 10 미크론 내지 30 미크론의 범위의 두께를 갖는 수소 발생기.
  34. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인은 팔라듐과 은의 합금을 포함하는 수소 발생기.
  35. 제34항에 있어서, 상기 팔라듐은 70% 내지 80%의 백분율인 수소 발생기.
  36. 제25항에 있어서, 상기 멤브레인 및 촉매 기판 이외의 상기 수소 발생기의 금속 부품들은 오스테나이트강 또는 인코넬 600 시리즈로부터 구성되는 수소 발생기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 부품들은 약 2.5 mm의 벽 두께를 갖는 수소 발생기.
  38. 제25항에 있어서, 상기 연소 챔버 기판 및 반응 챔버 기판은 다공성 금속 발포체로 제조되는 수소 발생기.
  39. 제38항에 있어서, 상기 다공성 금속 발포체는 FeCrAlY, 인코넬 600 시리즈 및 오스테나이트강으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 수소 발생기.
  40. 분리 플레이트와, 하나의 챔버가 다공성 금속 기판에 코팅된 개질 촉매를 포함하는 반응 챔버를 형성하고 다른 챔버는 다공성 금속 기판에 코팅된 연소 촉매를 포함하는 연소 챔버를 형성하는 상기 분리 챔버의 양 측면 상의 두 개의 챔버를 포함하는 수소 멤브레인 반응기와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면 상에서 상기 연소 챔버에 근접하는 단부 플레이트와,
    멤브레인 및 멤브레인 지지 부조립체를 포함하고 상기 분리 플레이트에 대향하는 측면 상에서 상기 반응 챔버에 근접하는 멤브레인 조립체로서, 상기 지지 부조립체와 접촉하지 않는 멤브레인 표면은 상기 반응 촉매 기판에 근접하지만 상기 촉매 기판으로부터는 분리되어 위치되는 멤브레인 조립체와,
    수소를 수집하기 위한 플레넘을 제공하도록 상기 멤브레인 조립체의 다른 측면 상에 위치된 수소 플레넘을 포함하는 수소 발생기.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 멤브레인 지지 부조립체는 브레이징 또는 용접에 의해 천공된 금속 플레이트에 접속되는 소결된 다공성 금속을 포함하고,
    상기 지지 부조립체의 제1 표면은 상기 멤브레인의 제1 표면과 접촉하고,
    상기 지지 부조립체의 제2 표면은 브레이징 또는 용접에 의해 상기 수소 플레넘에 접속되고,
    상기 멤브레인의 제2 표면은 상기 반응 챔버와 상기 멤브레인 사이에 밀봉을 형성하도록 가스켓과 접촉하고, 상기 가스켓은 반응기 부조립체를 형성하기 위해 상기 멤브레인 조립체와 상기 반응 챔버 사이에 누출 방지 밀봉을 형성하도록 압축되고, 상기 연소 챔버는 상기 반응기 부조립체에 접속되고,
    연소 촉매 코팅된 다공성 금속 기판을 포함하는 상기 연소 챔버는 상기 반응기 부조립체에 용접되거나 또는 브레이징되고,
    반응 연료 공급 라인이 상기 반응 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고,
    연소 연료 공급 라인이 상기 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고,
    테일 가스 공급 라인이 상기 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고,
    반응 생성물 라인이 상기 수소 플레넘으로부터 수소를 운반하기 위한 것인 수소 발생기.
  42. 제40항에 있어서, 상기 지지 부조립체와 접촉하지 않는 멤브레인 표면은 세 라믹 매트 및 유지 프레임을 사용하여 상기 촉매 기판으로부터 분리되는 수소 발생기.
  43. 누출 방지 반응기 부조립체를 형성하기 위한 수소 플레넘을 갖는 수소 발생기의 반응 챔버에 접합되는 멤브레인 조립체에 있어서,
    멤브레인과,
    소결된 다공성 금속을 포함하는 멤브레인 지지체를 포함하고,
    상기 멤브레인은 상기 멤브레인 지지체의 제1 표면과 프레임 사이에서 밀봉되고, 상기 멤브레인 지지체의 제2 표면은 상기 수소 플레넘에 접속되는 멤브레인 조립체.
  44. 제43항에 있어서, 상기 반응 챔버는 촉매 코팅된 기판을 포함하는 멤브레인 조립체.
  45. 제43항에 있어서, 상기 멤브레인 지지체는 상기 멤브레인으로부터 수소 생성물을 운반하기 위한 유동 채널로서 작용하여 이에 의해 상기 수소 플레넘으로서 작용하는 소결된 다공성 금속을 포함하는 멤브레인 조립체.
  46. 제45항에 있어서, 상기 멤브레인 지지체는 고형 금속 플레이트의 리세스 내에 위치되는 멤브레인 조립체.
  47. 제45항에 있어서, 유동 방해물을 제거하기 위해 출구 포트에 근접하여 위치된 헤더를 추가로 포함하는 멤브레인 조립체.
  48. 제45항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 오스테나이트강, 인코넬 600 시리즈 또는 하스텔로이 X로 제조되는 멤브레인 조립체.
  49. 제48항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 5% 내지 58%의 범위의 다공도를 갖는 멤브레인 조립체.
  50. 제49항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 20% 내지 50%의 범위의 다공도를 갖는 멤브레인 조립체.
  51. 제48항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 가공된 채널을 포함하는 멤브레인 조립체.
  52. 제43항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 천공된 금속 플레이트에 접합되는 멤브레인 조립체.
  53. 제43항에 있어서, 상기 소결된 다공성 금속은 다공성 금속 발포체 지지체에 접합되는 멤브레인 조립체.
  54. 반응 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있는 연소 챔버를 갖는 수소 멤브레인 반응기와,
    상기 연소 챔버와 열 교환 관계에 있고 상기 반응 챔버와 유체 연통하는 공급물 전처리 챔버와,
    연료 공급원과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 공급물 전처리 챔버로 연료를 운반하기 위한 반응 연료 공급 라인과,
    상기 전처리 챔버로부터 상기 반응 챔버로 처리된 연료를 운반하기 위한 공급물 공급 라인과,
    공기 공급원과,
    상기 공기 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 산소를 운반하기 위한 공기 공급 라인과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 연소 연료 공급 라인과,
    상기 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 테일 가스 공급 라인과,
    상기 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 연소 부산물 라인과,
    상기 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 반응 생성물 라인을 포함하는 수소 발생기.
  55. 제54항에 있어서, 상기 수소 멤브레인 반응기는,
    분리 플레이트의 양 측면에 배치되어, 하나의 챔버가 상기 반응 챔버를 형성하고 다른 챔버는 상기 연소 챔버를 형성하는 두 개의 챔버와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 연소 챔버에 근접하는 단부 플레이트와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 반응 챔버에 근접하는 멤브레인 조립체와,
    수소를 수집하기 위한 플레넘을 제공하도록 상기 멤브레인 조립체의 다른 측면에 위치된 수소 배기 챔버를 포함하고,
    상기 공급물 전처리 챔버는 상기 분리 플레이트에 대향하는 상기 연소 챔버의 측면에서 상기 연소 챔버의 단부 플레이트와 접촉하여 배치되는 수소 발생기.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 공급물 전처리 챔버는 상기 연소 챔버에 대향하는 측면에서 저부 플레이트를 사용하여 폐쇄되고,
    상기 반응 연료 공급 라인은 상기 공급물 전처리 챔버에 연료를 운반하기 위한 것이고, 상기 공급물 공급 라인은 상기 공급물 전처리 챔버로부터 상기 반응 챔버로 연료를 운반하기 위한 것이고, 상기 연소 연료 라인은 상기 연소 챔버에 연료를 운반하기 위한 것이고, 상기 테일 가스 공급 라인은 상기 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 상기 반응 생성물 라인은 상기 수소 배기 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 것인 수소 발생기.
  57. 제55항에 있어서, 상기 공급물 전처리 챔버는 오스테나이트강 및 인코넬 600 시리즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 구성되는 수소 발생기.
  58. 제55항에 있어서, 상기 공급물 전처리 챔버는 촉매 코팅된 다공성 금속 기판을 포함하는 수소 발생기.
  59. 제58항에 있어서, 상기 공급물 전처리 챔버 내에 위치된 촉매 코팅된 기판은 상기 반응 챔버 내에 위치된 촉매와 동일한 수소 발생기.
  60. 제58항에 있어서, 상기 공급물 전처리 챔버 내에 위치된 촉매 코팅된 기판은 반응기 챔버 내에 위치된 촉매와 상이한 수소 발생기.
  61. 제55항에 있어서, 상기 공급물 전처리 챔버는 저부 플레이트를 포함하고, 상기 저부 플레이트의 외부면은 금속 배관의 권취편을 포함하는 수소 발생기.
  62. 제61항에 있어서, 상기 금속 배관의 권취편은 상기 저부 플레이트에 직접 용접되는 수소 발생기.
  63. 제61항에 있어서, 상기 금속 배관의 권취편은 상기 배관을 수용하도록 상기 저부 플레이트에 제공된 리세스 내에 먼저 배치되고 이어서 상기 저부 플레이트에 용접되는 수소 발생기.
  64. 제61항에 있어서, 상기 금속 배관의 권취편은 증기 발생기로서 작용하는 수소 발생기.
  65. 분리 플레이트와, 하나의 챔버가 다공성 금속 기판에 코팅된 반응 촉매를 포함하는 반응 챔버를 형성하고 다른 챔버는 다공성 금속 기판에 코팅된 연소 촉매를 포함하는 연소 챔버를 형성하는 상기 분리 챔버의 양 측면 상의 두 개의 챔버를 포함하는 수소 멤브레인 반응기와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면 상에서 상기 연소 챔버에 근접하는 단부 플레이트와,
    일 측면에서 상기 연소 챔버에 의해 그리고 다른 측면에서 저부 플레이트에 의해 경계 형성되고, 다공성 금속 기판에 코팅된 반응 촉매를 포함하는 전처리 챔버로서, 상기 저부 플레이트는 증기로의 물의 증발을 용이하게 하도록 외부면 상에 금속 배관의 권취부를 포함하는 전처리 챔버와,
    멤브레인 및 멤브레인 지지 부조립체를 포함하고 상기 분리 플레이트에 대향하는 측면 상에서 상기 반응 챔버에 근접하는 멤브레인 조립체로서, 상기 지지 부 조립체와 접촉하지 않는 멤브레인 표면은 상기 촉매 기판에 근접하지만 상기 촉매 기판으로부터는 분리되어 위치되는 멤브레인 조립체와,
    수소를 수집하기 위한 플레넘을 제공하도록 상기 멤브레인 조립체의 다른 측면 상에 위치된 수소 플레넘을 포함하는 수소 발생기.
  66. 제65항에 있어서,
    상기 멤브레인 지지 부조립체는 천공된 금속 플레이트에 접속되는 소결된 다공성 금속을 포함하고,
    상기 지지 부조립체의 제1 표면은 상기 멤브레인의 제1 표면과 접촉하고,
    상기 지지 부조립체의 제2 표면은 상기 수소 플레넘에 접속되고,
    상기 멤브레인의 제2 표면은 상기 반응 챔버와 상기 멤브레인 사이에 밀봉을 형성하도록 가스켓과 접촉하고, 상기 가스켓은 반응기 부조립체를 형성하기 위해 상기 멤브레인 조립체와 상기 반응 챔버 사이에 누출 방지 밀봉을 형성하도록 압축되고, 상기 연소 챔버는 상기 반응기 부조립체에 접속되는 수소 발생기.
  67. 제65항에 있어서, 상기 지지 부조립체와 접촉하지 않는 멤브레인 표면은 세라믹 매트 및 유지 프레임을 사용하여 상기 촉매 기판으로부터 분리되는 수소 발생기.
  68. 제1 반응 챔버와 제2 반응 챔버 사이에 개재되고 상기 제1 및 제2 반응 챔버 와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있는 연소 챔버를 갖는 수소 멤브레인 반응기와,
    상기 두 개의 제1 및 제2 반응 챔버를 접속하는 내부 커넥터로서, 상기 제1 반응 챔버를 나오는 유체는 상기 제2 반응 챔버 내로 유입되는 내부 커넥터와,
    연료 공급원과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 제1 반응 챔버로 연료를 운반하기 위한 반응 연료 공급 라인과,
    공기 공급원과,
    상기 공기 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 산소를 운반하기 위한 공기 공급 라인과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 연소 연료 공급 라인과,
    상기 제2 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 테일 가스 공급 라인과,
    상기 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 연소 부산물 라인과,
    상기 제1 및 제2 반응 챔버로부터 수소를 운반하기 위한 반응 생성물 라인을 포함하는 수소 발생기.
  69. 제68항에 있어서, 상기 수소 멤브레인 반응기는,
    분리 플레이트의 양 측면에 배치되어, 하나의 챔버가 상기 반응 챔버를 형성하고 다른 챔버는 상기 연소 챔버를 형성하는 두 개의 챔버와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 연소 챔버에 근접하는 단부 플레이트와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 반응 챔버에 근접하는 멤브레인 조립체와,
    수소를 수집하기 위한 수소 플레넘을 제공하도록 상기 멤브레인 조립체의 다른 측면에 위치된 수소 배기 챔버를 포함하고,
    상기 제2 반응 챔버는 상기 분리 플레이트에 대향하는 상기 연소 챔버의 측면에서 상기 연소 챔버의 단부 플레이트에 접촉하여 배치되고,
    상기 제2 반응 챔버는 상기 연소 챔버에 대향하는 측면에서 제2 멤브레인 조립체를 사용하여 폐쇄되고,
    상기 연료 공급 라인은 상기 제1 반응 챔버의 출구 단부에 위치된 내부 커넥터에 의해 상기 제2 반응 챔버에 접속된 상기 제1 반응 챔버에 연료를 운반하기 위한 것이고, 2차 연료 라인은 상기 연소 챔버에 연료를 운반하기 위한 것이고, 상기 테일 가스 공급 라인은 상기 제2 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 상기 반응 생성물 라인은 각각의 반응 챔버와 연관된 수소 배기 구역으로부터 수소를 운반하기 위한 것인 수소 발생기.
  70. 제69항에 있어서,
    상기 멤브레인 조립체는 멤브레인 지지 부조립체 및 프레임을 구비하고, 상기 멤브레인 지지 부조립체는 천공된 금속 플레이트에 밀봉되는 소결된 다공성 금 속을 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 멤브레인 조립체를 포함하도록 브레이징에 의해 상기 멤브레인 지지 부조립체의 제1 표면과 상기 프레임 사이에서 밀봉되고,
    상기 지지 부조립체의 제2 표면은 멤브레인 조립체를 형성하도록 수소 플레넘에 접속되고,
    상기 멤브레인 조립체는 누출 방지 반응기 부조립체를 형성하도록 촉매 코팅된 기판을 포함하는 반응 챔버에 접합되는 수소 발생기.
  71. 제70항에 있어서, 상기 멤브레인 지지 부조립체는 상기 멤브레인으로부터 수소 생성물을 운반하기 위한 유동 채널로서 작용하여 이에 의해 수소 플레넘으로서 작용하는 소결된 다공성 금속을 포함하는 수소 발생기.
  72. 제70항에 있어서, 상기 멤브레인 지지 부조립체는 고형 금속 플레이트의 리세스 내에 위치되는 수소 발생기.
  73. 제70항에 있어서, 상기 멤브레인 지지 부조립체는 천공된 금속 플레이트에 밀봉되는 수소 발생기.
  74. 제69항에 있어서,
    상기 멤브레인 조립체는 천공된 금속 플레이트 상에 지지된 소결된 다공성 금속을 포함하고, 상기 소결된 다공성 금속은 상기 천공된 금속 플레이트에 밀봉되 고,
    상기 지지 부조립체의 제1 표면은 상기 멤브레인의 제1 표면과 접촉하고,
    상기 지지 부조립체의 제2 표면은 상기 수소 플레넘에 밀봉되고,
    상기 멤브레인의 제2 표면은 상기 반응 챔버와 상기 멤브레인 조립체 사이에 밀봉을 형성하도록 가스켓과 접촉하고, 상기 가스켓은 반응기 부조립체를 형성하기 위해 상기 멤브레인과 상기 반응 챔버 사이에 누출 방지 밀봉을 형성하도록 압축되는 수소 발생기.
  75. 제69항에 있어서, 상기 연소 챔버의 외부면은 금속 배관의 권취편을 포함하고, 상기 금속 배관은 공급물 예열기로서, 또는 증기 발생기로서 작용하도록 제공되는 수소 발생기.
  76. 멤브레인 지지 부조립체 및 멤브레인을 포함하는 멤브레인 조립체에 있어서,
    상기 멤브레인 지지 부조립체는 천공된 금속 플레이트에 밀봉된 소결된 다공성 금속을 포함하고,
    가스켓이 프레임과 상기 멤브레인 사이에 배치되고,
    상기 멤브레인은 상기 지지 부조립체의 제1 표면과 상기 프레임 사이에 밀봉되고,
    상기 지지 부조립체의 제2 표면은 멤브레인 조립체를 형성하도록 수소 플레넘에 용접되거나 또는 브레이징되는 멤브레인 조립체.
  77. 다공성 금속 기판을 포함하는 반응 챔버, 두 개의 멤브레인 조립체, 연료 공급원, 반응 연료 공급 라인, 테일 가스 공급 라인 및 반응 생성물 라인을 포함하는 반응기 부조립체에 있어서,
    반응 기판이 두 개의 멤브레인 조립체 사이에 개재되어 이에 의해 수소 분리를 위한 두 개의 멤브레인 표면을 제공하고, 상기 연료 공급 라인은 상기 반응 챔버에 공급물을 포함하는 연료 또는 수소를 운반하기 위한 것이고, 상기 테일 가스 공급 라인은 상기 반응 챔버로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 상기 반응 생성물 라인은 각각의 멤브레인 조립체로부터 순수소를 운반하기 위한 것인 반응기 부조립체.
  78. 제77항에 있어서, 상기 반응 챔버 내의 다공성 금속 기판은 연료가 수소를 발생시키도록 개질될 필요가 있는 경우 촉매 코팅되는 반응기 부조립체.
  79. 제77항에 있어서, 상기 반응 챔버 내의 다공성 금속 기판은 연료가 생성된 순수소로 정화될 필요가 있는 수소 함유 혼합물인 경우 촉매 코팅되지 않는 반응기 부조립체.
  80. 제1 반응 챔버와 제2 반응 챔버 사이에 개재되고 상기 제1 및 제2 반응 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있는 연소 챔버를 갖는 수소 멤브레인 반응기와,
    연료 공급원과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 반응 챔버들로 연료를 운반하기 위한 반응 연료 공급 라인과,
    공기 공급원과,
    상기 공기 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 산소를 운반하기 위한 공기 공급 라인과,
    상기 연료 공급원으로부터 상기 연소 챔버로 연료를 운반하기 위한 연소 연료 공급 라인과,
    상기 반응 챔버들로부터 테일 가스를 운반하기 위한 테일 가스 공급 라인과,
    상기 연소 챔버로부터 연소 부산물을 운반하기 위한 연소 부산물 라인과,
    상기 반응 챔버들로부터 산소를 운반하기 위한 반응 생성물 라인을 포함하는 수소 발생기.
  81. 제80항에 있어서, 상기 수소 멤브레인 반응기는,
    분리 플레이트의 양 측면에 배치되어, 하나의 챔버가 상기 반응 챔버를 형성하고 다른 챔버는 상기 연소 챔버를 형성하는 두 개의 챔버와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 연소 챔버에 근접하는 단부 플레이트와,
    상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 반응 챔버에 근접하는 멤브레인 조립체와,
    상기 멤브레인 조립체의 다른 측면에 위치된 수소 배기 챔버를 포함하고,
    상기 제2 반응 챔버는 상기 분리 플레이트에 대향하는 상기 연소 챔버의 측면에서 상기 연소 챔버의 단부 플레이트에 접촉하여 배치되고, 상기 제2 반응 챔버는 상기 연소 챔버에 대향하는 측면에서 제2 멤브레인 조립체를 사용하여 폐쇄되는 수소 발생기.
  82. 제80항에 있어서,
    상기 수소 멤브레인 반응기는, 분리 플레이의 양 측면에 배치되어 하나의 챔버가 상기 반응 챔버를 형성하고 다른 챔버가 상기 연소 챔버를 형성하는 두 개의 챔버와, 상기 분리 플레이에 대향하는 측면에서 상기 연소 챔버에 근접하는 단부 플레이트와, 두 개의 멤브레인을 포함하고 상기 분리 플레이트에 대향하는 측면에서 상기 반응 챔버에 근접하는 멤브레인 조립체와, 상기 멤브레인 조립체의 다른 측면에 배치된 테일 가스 구역을 포함하고,
    상기 제2 반응 챔버는 상기 분리 플레이트에 대향하는 상기 연소 챔버의 측면에서 상기 연소 챔버의 단부 플레이트와 접촉하여 배치되고, 상기 제2 반응 챔버는 상기 연소 챔버에 대향하는 측면에서 제2 멤브레인 조립체를 사용하여 폐쇄되고,
    상기 연료 공급 라인은 상기 반응 챔버들에 연료를 운반하기 위한 것이고, 2차 연료 라인은 상기 연소 챔버에 연료를 운반하기 위한 것이고, 상기 테일 가스 공급 라인은 상기 반응 챔버들로부터 테일 가스를 운반하기 위한 것이고, 상기 반 응 생성물 라인은 각각의 반응 챔버와 연관된 수소 배기 구역으로부터 수소를 운반하기 위한 것인 수소 발생기.
  83. 제82항에 있어서,
    상기 멤브레인 조립체는 멤브레인 지지 부조립체 및 두 개의 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인 지지 부조립체는 다공성 금속의 양 표면에 배치된 멤브레인을 갖는 금속 하우징 내에 수납된 소결된 다공성 금속을 포함하고, 각각의 멤브레인은 브레이징에 의해 그와 접촉하는 지지체의 표면과 프레임 사이에 밀봉되고, 상기 지지 부조립체의 일 표면은 멤브레인 조립체를 형성하도록 테일 가스 플레넘에 용접되거나 또는 브레이징되고,
    상기 멤브레인 조립체는 누출 방지 반응기 부조립체를 형성하도록 촉매 코팅된 기판을 포함하는 반응기 챔버에 접합되고,
    상기 지지체와 접촉하지 않는 멤브레인의 표면은 상기 반응기 챔버로부터 상기 테일 가스 챔버로의 테일 가스 유동을 허용하는 내부 커넥터를 통해 서로 유체 연통하고,
    상기 다공성 금속 지지체는 상기 멤브레인 표면으로부터 상기 반응기 생성물 라인으로 순수소를 운반하기 위한 유동 채널로서 또한 거동하고,
    상기 테일 가스는 테일 가스 공급 라인을 통해 상기 테일 가스 플레넘을 나오는 수소 발생기.
  84. 제83항에 있어서, 다수의 멤브레인 조립체가 상기 수소 발생기의 풋프린트를 증가시키지 않고 수소 생성율을 증가시키도록 적층 방식으로 배치되는 수소 발생기.
  85. 반응 챔버 및 멤브레인 조립체를 포함하는 반응기 부조립체에 있어서,
    상기 멤브레인 조립체는 상기 반응 챔버의 전체 길이의 부분에 걸치고, 상기 반응 챔버의 무멤브레인 섹션은 상기 반응 챔버의 입구에 배치되고, 상기 멤브레인 조립체에 노출된 반응 챔버의 섹션 내로 유입하는 수소 함유 가스를 생성하도록 연료의 전처리를 위해 사용되는 반응기 부조립체.
  86. 반응 연료로부터 수소를 발생시키는 수소 발생 방법에 있어서,
    반응 챔버와 유체 연통하여 열 교환 관계에 있는 연소 챔버를 갖는 수소 멤브레인 반응기를 제공하는 단계와,
    반응 연료 공급원을 제공하는 단계와,
    상기 반응 연료 공급원으로부터 제1 공급 라인을 통해 상기 반응 챔버로 반응 연료를 운반하는 단계와,
    공기 공급원을 제공하는 단계와,
    상기 공기 공급원으로부터 공기 공급 라인을 통해 상기 연소 챔버로 산소를 운반하는 단계와,
    연소 연료 공급원을 제공하는 단계와,
    상기 연소 연료 공급원으로부터 연소 연료 공급 라인을 통해 상기 연소 챔버로 연소 연료를 운반하는 단계와,
    열 및 연소 부산물을 제공하도록 상기 연소 챔버에서 상기 연소 연료를 반응시키는 단계와,
    수소 및 테일 가스를 제공하도록 상기 반응 챔버 내에서 상기 반응 연료와 물을 반응시키는 단계와,
    상기 반응 챔버로부터 테일 가스 공급 라인을 통해 테일 가스를 운반하는 단계와,
    상기 연소 챔버로부터 연소 부산물 라인을 통해 연소 부산물을 운반하는 단계와,
    상기 반응 챔버로부터 반응 생성물 라인을 통해 수소를 운반하는 단계를 포함하는 수소 발생 방법.
  87. 제1 반응 연료로부터 수소를 발생시키는 수소 발생 방법에 있어서,
    누출 방지 반응기 부조립체를 형성하도록 수소 플레넘을 갖는 수소 발생기의 반응 챔버에 접합되는 멤브레인 조립체를 제공하는 단계와,
    수소 및 테일 가스를 포함하는 반응 생성물을 제공하도록 반응기 챔버 내에서 상기 제1 반응 연료를 반응시키는 단계와,
    상기 멤브레인 조립체를 통해 상기 반응 생성물 내의 테일 가스로부터 수소를 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 멤브레인 조립체는 멤브레인과 소결된 다공성 금속을 포함하는 멤브레인 지지체를 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 멤브레인 지지체의 제1 표면과 프레임 사이에 밀봉되고, 상기 멤브레인 지지체의 제2 표면은 수소 플레넘에 접속되는 수소 발생 방법.
  88. 제87항에 있어서, 상기 반응기 챔버 내의 제1 반응 연료를 제2 반응 연료로 대체하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제1 반응 연료를 상기 제2 반응 연료로 대체하는 것은 중단되지 않는 수소 생성을 초래하는 수소 발생 방법.
KR1020077026650A 2005-04-18 2006-04-12 콤팩트한 순수소 발생 장치 KR100929351B1 (ko)

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US11/109,186 US7527661B2 (en) 2005-04-18 2005-04-18 Compact devices for generating pure hydrogen
PCT/US2006/014502 WO2006113680A2 (en) 2005-04-18 2006-04-12 Compact device for generating pure hydrogen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080012876A KR20080012876A (ko) 2008-02-12
KR100929351B1 true KR100929351B1 (ko) 2009-12-03

Family

ID=37108661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077026650A KR100929351B1 (ko) 2005-04-18 2006-04-12 콤팩트한 순수소 발생 장치

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7527661B2 (ko)
EP (2) EP2578532A1 (ko)
JP (2) JP4890538B2 (ko)
KR (1) KR100929351B1 (ko)
WO (1) WO2006113680A2 (ko)

Families Citing this family (53)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7527661B2 (en) * 2005-04-18 2009-05-05 Intelligent Energy, Inc. Compact devices for generating pure hydrogen
US8795926B2 (en) 2005-08-11 2014-08-05 Intelligent Energy Limited Pump assembly for a fuel cell system
JP4255941B2 (ja) * 2005-10-19 2009-04-22 独立行政法人科学技術振興機構 酸素透過膜を用いた炭化水素改質方法及び炭化水素改質装置
US7824654B2 (en) * 2005-11-23 2010-11-02 Wilson Mahlon S Method and apparatus for generating hydrogen
CN101528336B (zh) * 2006-04-07 2013-05-29 查特股份有限公司 用于制氢的超临界方法、反应器和系统
EP2099709A4 (en) * 2006-12-21 2012-02-08 Ceramatec Inc CATALYTIC MICRO CHANNEL REFORMER
JP4876970B2 (ja) * 2007-02-28 2012-02-15 株式会社日立製作所 積層部材の摩擦攪拌接合方法及び水素反応装置
DE102007027837A1 (de) * 2007-06-13 2008-12-18 Eads Deutschland Gmbh Verfahren zur Herstellung einer metallischen Mikrostruktur für einen Mikroreaktor
JP5132996B2 (ja) * 2007-06-19 2013-01-30 本田技研工業株式会社 排ガス処理装置
US9034531B2 (en) * 2008-01-29 2015-05-19 Ardica Technologies, Inc. Controller for fuel cell operation
US8962518B2 (en) 2009-03-17 2015-02-24 Nippon Shokubai Co., Ltd. Catalyst for production of hydrogen and process for producing hydrogen using the catalyst, and catalyst for combustion of ammonia, process for producing the catalyst and process for combusting ammonia using the catalyst
US20110047788A1 (en) * 2009-07-20 2011-03-03 Durr Ecoclean, Inc. Manufacturing system including modular assembly station for flexible manufacturing and optional automated component part feed system therefor
US8741004B2 (en) 2009-07-23 2014-06-03 Intelligent Energy Limited Cartridge for controlled production of hydrogen
US8808410B2 (en) * 2009-07-23 2014-08-19 Intelligent Energy Limited Hydrogen generator and product conditioning method
US8815183B2 (en) 2009-08-31 2014-08-26 Corning Incorporated Zoned monolithic reactor and associated methods
EP2317187A1 (en) * 2009-10-30 2011-05-04 Alfa Laval Corporate AB A gasket and gasket locating arrangements
US8691182B2 (en) 2010-05-27 2014-04-08 Shawn Grannell Ammonia flame cracker system, method and apparatus
US8623285B2 (en) 2010-05-27 2014-01-07 Shawn Grannell Ammonia flame cracker system, method and apparatus
US8961923B2 (en) 2010-05-27 2015-02-24 Shawn Grannell Autothermal ammonia cracker
US8940458B2 (en) 2010-10-20 2015-01-27 Intelligent Energy Limited Fuel supply for a fuel cell
WO2012099287A1 (ko) * 2011-01-21 2012-07-26 대우조선해양 주식회사 상선의 전기 생산 장치 및 방법
US8961627B2 (en) 2011-07-07 2015-02-24 David J Edlund Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices
KR101336764B1 (ko) * 2011-10-28 2013-12-05 한국에너지기술연구원 반응분리동시공정에 의한 수소제조모듈 및 이를 이용한 수조제조반응기
JP2013095618A (ja) * 2011-10-28 2013-05-20 Jfe Steel Corp 水素の製造方法及び製造装置
US9169976B2 (en) 2011-11-21 2015-10-27 Ardica Technologies, Inc. Method of manufacture of a metal hydride fuel supply
US11738305B2 (en) 2012-08-30 2023-08-29 Element 1 Corp Hydrogen purification devices
US20140065020A1 (en) 2012-08-30 2014-03-06 David J. Edlund Hydrogen generation assemblies
US10717040B2 (en) * 2012-08-30 2020-07-21 Element 1 Corp. Hydrogen purification devices
US9187324B2 (en) 2012-08-30 2015-11-17 Element 1 Corp. Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices
JP5991934B2 (ja) * 2013-02-15 2016-09-14 株式会社日本触媒 水素製造用触媒及びその触媒の製造方法
US9492795B2 (en) * 2013-02-22 2016-11-15 Battelle Memorial Institute Membrane device and process for mass exchange, separation, and filtration
WO2014165037A1 (en) * 2013-03-12 2014-10-09 Battelle Memorial Institute Heat exchanger
US20140360373A1 (en) * 2013-06-11 2014-12-11 Hamilton Sundstrand Corporation Air separation module with removable core
EP2830135A1 (en) * 2013-07-26 2015-01-28 NIM Energy Catalyzer body and hydrogen generator device
US10081543B2 (en) * 2015-10-23 2018-09-25 Horizon Fuel Cell Technologies Pte. Ltd. Integrated reformer and purifier
JP6241803B1 (ja) 2017-01-30 2017-12-06 国立大学法人岐阜大学 水素生成装置
US20180292133A1 (en) * 2017-04-05 2018-10-11 Rex Materials Group Heat treating furnace
JP6241804B1 (ja) 2017-04-28 2017-12-06 国立大学法人岐阜大学 水素生成装置
JP6900004B2 (ja) * 2017-04-28 2021-07-07 国立大学法人東海国立大学機構 水素生成装置
EP3790598A4 (en) * 2018-05-08 2022-01-19 Trece, Inc. CHEMICAL DISPENSER
DE102019112518A1 (de) * 2019-05-14 2020-11-19 Karlsruher Institut für Technologie Membranreformer
DE202019102695U1 (de) 2019-05-14 2019-05-29 Karlsruher Institut für Technologie Membranreformer
US11492255B2 (en) 2020-04-03 2022-11-08 Saudi Arabian Oil Company Steam methane reforming with steam regeneration
US11322766B2 (en) 2020-05-28 2022-05-03 Saudi Arabian Oil Company Direct hydrocarbon metal supported solid oxide fuel cell
US11639290B2 (en) 2020-06-04 2023-05-02 Saudi Arabian Oil Company Dry reforming of methane with carbon dioxide at elevated pressure
US11492254B2 (en) 2020-06-18 2022-11-08 Saudi Arabian Oil Company Hydrogen production with membrane reformer
US11583824B2 (en) 2020-06-18 2023-02-21 Saudi Arabian Oil Company Hydrogen production with membrane reformer
US11787759B2 (en) 2021-08-12 2023-10-17 Saudi Arabian Oil Company Dimethyl ether production via dry reforming and dimethyl ether synthesis in a vessel
US11718575B2 (en) 2021-08-12 2023-08-08 Saudi Arabian Oil Company Methanol production via dry reforming and methanol synthesis in a vessel
US11578016B1 (en) 2021-08-12 2023-02-14 Saudi Arabian Oil Company Olefin production via dry reforming and olefin synthesis in a vessel
EP4197625A1 (de) * 2021-12-14 2023-06-21 hte GmbH Membranreaktor
US11617981B1 (en) 2022-01-03 2023-04-04 Saudi Arabian Oil Company Method for capturing CO2 with assisted vapor compression
CN114772550B (zh) * 2022-03-29 2024-03-29 北京东方华氢科技有限公司 一种氢气制备系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010000380A1 (en) * 1995-11-06 2001-04-26 Buxbaum Robert E. Hydrogen generator
US20040191137A1 (en) * 2003-03-31 2004-09-30 Anand Chellappa Catalyst incorporation in a microreactor
US20050022448A1 (en) * 2003-06-27 2005-02-03 Ultracell Corporation Planar micro fuel processor

Family Cites Families (132)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3682142A (en) 1971-05-06 1972-08-08 Intern Materials Method and means for generating hydrogen and a motive source incorporating same
US4106439A (en) 1975-05-27 1978-08-15 Mitsuhiro Kanao Internal combustion engine
JPS5231995A (en) 1975-09-08 1977-03-10 Nissan Motor Co Ltd Gas generator
US4155712A (en) 1976-04-12 1979-05-22 Taschek Walter G Miniature hydrogen generator
CA1103428A (en) 1976-12-22 1981-06-23 George R. Krar Compact multi-tube catalytic reaction apparatus
CA1095696A (en) 1976-12-22 1981-02-17 Richard F. Buswell Catalytic reaction apparatus
CA1101194A (en) 1976-12-22 1981-05-19 Richard F. Buswell Multi-tube catalytic reaction apparatus
US4113838A (en) 1976-12-30 1978-09-12 Mitsubishi Chemical Industries, Ltd. Method of treating combustion exhaust gas containing nitrogen oxides
US4157270A (en) 1977-09-12 1979-06-05 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Hydrogen gas generator from hydrazine/ammonia
US4211537A (en) 1978-07-24 1980-07-08 Teitel Robert J Hydrogen supply method
US4293315A (en) 1979-03-16 1981-10-06 United Technologies Corporation Reaction apparatus for producing a hydrogen containing gas
US4248941A (en) 1979-12-26 1981-02-03 United Tecnologies Corporation Solid electrolyte electrochemical cell
US4465118A (en) 1981-07-02 1984-08-14 International Telephone And Telegraph Corporation Process and apparatus having improved efficiency for producing a semi-solid slurry
US4438082A (en) 1982-09-30 1984-03-20 Engelhard Corporation Platinum gold catalyst for removing NOx and NH3 from gas streams
US4454207A (en) 1983-07-13 1984-06-12 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Steam reforming of fuel to hydrogen in fuel cells
US4670359A (en) 1985-06-10 1987-06-02 Engelhard Corporation Fuel cell integrated with steam reformer
US4650727A (en) 1986-01-28 1987-03-17 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fuel processor for fuel cell power system
US4692306A (en) 1986-03-24 1987-09-08 Kinetics Technology International Corporation Catalytic reaction apparatus
US4746329A (en) 1986-11-26 1988-05-24 Energy Research Corporation Methanol fuel reformer
US4861347A (en) 1986-12-29 1989-08-29 International Fuel Cells Corporation Compact chemical reaction vessel
US4737161A (en) 1987-01-27 1988-04-12 International Fuel Cells Corporation Compact hydrogen generator
JPH0422827Y2 (ko) 1987-09-25 1992-05-26
JPH07109773B2 (ja) 1989-02-28 1995-11-22 石川島播磨重工業株式会社 燃料電池を用いた発電装置
JP2835851B2 (ja) 1989-06-23 1998-12-14 ヤマハ発動機株式会社 燃料電池用改質装置
US5084363A (en) 1990-01-10 1992-01-28 International Fuel Cells Corp. Molten carbonate fuel cell power plant
US5215729A (en) 1990-06-22 1993-06-01 Buxbaum Robert E Composite metal membrane for hydrogen extraction
US5645626A (en) * 1990-08-10 1997-07-08 Bend Research, Inc. Composite hydrogen separation element and module
JP2755804B2 (ja) 1990-08-27 1998-05-25 株式会社東芝 水素製造方法
DK0615949T3 (da) * 1993-03-16 2000-04-03 Tokyo Gas Co Ltd Hydrogenproducerende apparatur
JP3406021B2 (ja) * 1993-06-11 2003-05-12 東京瓦斯株式会社 水素製造装置
JP3403494B2 (ja) 1994-05-23 2003-05-06 日本碍子株式会社 改質反応器
JPH07315801A (ja) 1994-05-23 1995-12-05 Ngk Insulators Ltd 高純度水素製造システム、高純度水素の製造方法及び燃料電池システム
JP3432892B2 (ja) 1994-06-08 2003-08-04 日本碍子株式会社 改質ガスのｃｏ除去方法
JPH0812303A (ja) 1994-07-05 1996-01-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレートリフォーマ
US6126723A (en) 1994-07-29 2000-10-03 Battelle Memorial Institute Microcomponent assembly for efficient contacting of fluid
US5811062A (en) 1994-07-29 1998-09-22 Battelle Memorial Institute Microcomponent chemical process sheet architecture
JPH0878037A (ja) 1994-08-31 1996-03-22 Aqueous Res:Kk 燃料電池発電システム及びその運転方法
US5601937A (en) 1995-01-25 1997-02-11 Westinghouse Electric Corporation Hydrocarbon reformer for electrochemical cells
US5641585A (en) 1995-03-21 1997-06-24 Lockheed Idaho Technologies Company Miniature ceramic fuel cell
US5593640A (en) 1995-06-07 1997-01-14 Ball Corporation Portable hydrogen generator
JP3553210B2 (ja) 1995-06-26 2004-08-11 本田技研工業株式会社 燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システム
JPH0930801A (ja) 1995-07-19 1997-02-04 Mitsubishi Electric Corp 改質反応器
US5939025A (en) 1995-08-23 1999-08-17 The University Of Chicago Methanol partial oxidation reformer
US5631099A (en) 1995-09-21 1997-05-20 Hockaday; Robert G. Surface replica fuel cell
US6045933A (en) 1995-10-11 2000-04-04 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Method of supplying fuel gas to a fuel cell
US5888273A (en) 1996-09-25 1999-03-30 Buxbaum; Robert E. High temperature gas purification system
US5733347A (en) 1995-12-27 1998-03-31 International Fuel Cells Corp. Compact fuel gas reformer assemblage
EP0788172B1 (en) 1996-02-05 2001-12-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell for mounting on equipment
US5858314A (en) 1996-04-12 1999-01-12 Ztek Corporation Thermally enhanced compact reformer
US6129861A (en) 1996-05-10 2000-10-10 Forschungszentrum Julich Gmbh Membrane reactor for producing CO- and CO2 -free hydrogen
EP0813264A3 (en) 1996-06-14 2004-02-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell system, fuel feed system for fuel cell and portable electric appliance
DE19624433C1 (de) 1996-06-19 1997-12-11 Daimler Benz Ag Reformierungsreaktor, insbesondere zur Wasserdampfreformierung von Methanol
US6183895B1 (en) 1996-07-02 2001-02-06 Matsushita Electric Works, Ltd. Fuel-cell power generating system
US6245303B1 (en) 1998-01-14 2001-06-12 Arthur D. Little, Inc. Reactor for producing hydrogen from hydrocarbon fuels
US6126908A (en) 1996-08-26 2000-10-03 Arthur D. Little, Inc. Method and apparatus for converting hydrocarbon fuel into hydrogen gas and carbon dioxide
US6171574B1 (en) 1996-09-24 2001-01-09 Walter Juda Associates, Inc. Method of linking membrane purification of hydrogen to its generation by steam reforming of a methanol-like fuel
US5686196A (en) 1996-10-09 1997-11-11 Westinghouse Electric Corporation System for operating solid oxide fuel cell generator on diesel fuel
US5997594A (en) 1996-10-30 1999-12-07 Northwest Power Systems, Llc Steam reformer with internal hydrogen purification
US6152995A (en) 1999-03-22 2000-11-28 Idatech Llc Hydrogen-permeable metal membrane and method for producing the same
US6376113B1 (en) * 1998-11-12 2002-04-23 Idatech, Llc Integrated fuel cell system
US5861137A (en) 1996-10-30 1999-01-19 Edlund; David J. Steam reformer with internal hydrogen purification
US6319306B1 (en) 2000-03-23 2001-11-20 Idatech, Llc Hydrogen-selective metal membrane modules and method of forming the same
US6221117B1 (en) 1996-10-30 2001-04-24 Idatech, Llc Hydrogen producing fuel processing system
US6537352B2 (en) * 1996-10-30 2003-03-25 Idatech, Llc Hydrogen purification membranes, components and fuel processing systems containing the same
JP4000608B2 (ja) 1996-11-07 2007-10-31 トヨタ自動車株式会社 水素製造充填装置および電気自動車
FR2757499B1 (fr) 1996-12-24 2001-09-14 Etievant Claude Generateur d'hydrogene
US5759712A (en) 1997-01-06 1998-06-02 Hockaday; Robert G. Surface replica fuel cell for micro fuel cell electrical power pack
JP3129670B2 (ja) 1997-02-28 2001-01-31 三菱電機株式会社 燃料改質装置
JPH10330101A (ja) 1997-05-27 1998-12-15 Sanyo Electric Co Ltd 水素製造装置及び水素製造方法
US6244367B1 (en) 1997-06-02 2001-06-12 The University Of Chicago Methanol partial oxidation reformer
US5904754A (en) 1997-06-20 1999-05-18 Walter Juda Associates Diffusion-bonded palladium-copper alloy framed membrane for pure hydrogen generators and the like and method of preparing the same
US5961932A (en) 1997-06-20 1999-10-05 Eastman Kodak Company Reaction chamber for an integrated micro-ceramic chemical plant
US6200536B1 (en) 1997-06-26 2001-03-13 Battelle Memorial Institute Active microchannel heat exchanger
DE19727589B4 (de) 1997-06-28 2004-07-08 Ballard Power Systems Ag Vorrichtung und Verfahren zum Starten der Vorrichtung zur Erzeugung von wasserstoffreichem Gas
US6299744B1 (en) 1997-09-10 2001-10-09 California Institute Of Technology Hydrogen generation by electrolysis of aqueous organic solutions
DE19746251C2 (de) 1997-10-20 1999-09-09 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Anlage zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs und Betriebsverfahren hierfür
JPH11139802A (ja) 1997-11-04 1999-05-25 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用改質装置
US5938800A (en) 1997-11-13 1999-08-17 Mcdermott Technology, Inc. Compact multi-fuel steam reformer
US6232005B1 (en) 1997-11-20 2001-05-15 General Motors Corporation Fuel cell system combustor
US6190124B1 (en) * 1997-11-26 2001-02-20 United Technologies Corporation Columnar zirconium oxide abrasive coating for a gas turbine engine seal system
US6007606A (en) 1997-12-09 1999-12-28 Praxair Technology, Inc. PSA process and system
US6152987A (en) 1997-12-15 2000-11-28 Worcester Polytechnic Institute Hydrogen gas-extraction module and method of fabrication
EP0924162A3 (de) * 1997-12-16 1999-10-20 dbb fuel cell engines GmbH Wasserstoffabtrennmembran, damit ausgerüstete Methanolreformierungsanlage und Betriebsverfahren hierfür
US5980726A (en) 1998-05-05 1999-11-09 Proton Energy Systems Hydrogen electrochemical system environment
US6348278B1 (en) 1998-06-09 2002-02-19 Mobil Oil Corporation Method and system for supplying hydrogen for use in fuel cells
US6274093B1 (en) 1998-08-06 2001-08-14 Ball Aerospace & Technologies Corp. Self-regulating hydrogen generator
US6180846B1 (en) 1998-09-08 2001-01-30 Uop Llc Process and apparatus using plate arrangement for combustive reactant heating
US6190624B1 (en) 1998-09-08 2001-02-20 Uop Llc Simplified plate channel reactor arrangement
US6296814B1 (en) 1998-11-10 2001-10-02 International Fuel Cells, L.L.C. Hydrocarbon fuel gas reformer assembly for a fuel cell power plant
US6103441A (en) * 1998-11-12 2000-08-15 Ricoh Company, Ltd. Color toner for electrophotography
KR100286572B1 (ko) * 1998-11-19 2001-04-16 남창우 금속박막을 이용한 연료전지 자동차용 소형연료개질기 및 그시스템
US6207132B1 (en) 1998-12-04 2001-03-27 Chinese Petroleum Corporation Process for producing high purity hydrogen
US6326097B1 (en) 1998-12-10 2001-12-04 Manhattan Scientifics, Inc. Micro-fuel cell power devices
US6238465B1 (en) 1998-12-31 2001-05-29 Walter Juda Associates, Inc. Method of producing thin palladium-copper and the like, palladium alloy membranes by solid-solid metallic interdiffusion, and improved membrane
US6103143A (en) 1999-01-05 2000-08-15 Air Products And Chemicals, Inc. Process and apparatus for the production of hydrogen by steam reforming of hydrocarbon
US6268077B1 (en) 1999-03-01 2001-07-31 Motorola, Inc. Portable fuel cell power supply
US6192596B1 (en) 1999-03-08 2001-02-27 Battelle Memorial Institute Active microchannel fluid processing unit and method of making
US6280864B1 (en) 1999-06-18 2001-08-28 Uop Llc Control system for providing hydrogen for use with fuel cells
US6190623B1 (en) 1999-06-18 2001-02-20 Uop Llc Apparatus for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
US6299994B1 (en) 1999-06-18 2001-10-09 Uop Llc Process for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
US6375906B1 (en) * 1999-08-12 2002-04-23 Idatech, Llc Steam reforming method and apparatus incorporating a hydrocarbon feedstock
US6383670B1 (en) * 1999-10-06 2002-05-07 Idatech, Llc System and method for controlling the operation of a fuel processing system
US6242120B1 (en) * 1999-10-06 2001-06-05 Idatech, Llc System and method for optimizing fuel cell purge cycles
DE10007764A1 (de) * 2000-02-20 2001-08-23 Gen Motors Corp Brennerelement
US6352792B1 (en) 2000-03-17 2002-03-05 Clean Fuel Generation, Llc Portable congeneration fuel-cell power generator for recreational vehicles
US6670058B2 (en) * 2000-04-05 2003-12-30 University Of Central Florida Thermocatalytic process for CO2-free production of hydrogen and carbon from hydrocarbons
US6329091B1 (en) 2000-04-14 2001-12-11 Ford Global Technologies, Inc. Fuel reformer system for a fuel cell
US6372363B1 (en) * 2000-04-24 2002-04-16 Walter Juda Associates, Inc. Method of improving and optimizing the hydrogen permeability of a palladium-copper membrane and novel membranes manufactured thereby
DE10028865C2 (de) * 2000-06-10 2002-09-26 Xcellsis Gmbh Vorrichtung zur katalytischen Wasserstofferzeugung aus Kohlenwasserstoffen
DE60113596T2 (de) * 2000-06-27 2006-06-22 Nisshin Steel Co., Ltd. Gasreformer zur Rückgewinnung von Wasserstoff
JP4742405B2 (ja) * 2000-06-28 2011-08-10 トヨタ自動車株式会社 燃料改質装置
EP1294637A2 (en) * 2000-06-29 2003-03-26 ExxonMobil Research and Engineering Company Heat exchanged membrane reactor for electric power generation
US6923944B2 (en) * 2000-07-07 2005-08-02 Robert E. Buxbaum Membrane reactor for gas extraction
US6338913B1 (en) 2000-07-24 2002-01-15 Microcell Corporation Double-membrane microcell electrochemical devices and assemblies, and method of making and using the same
US20020071976A1 (en) * 2000-11-03 2002-06-13 Edlund David J. Sulfur-absorbent bed and fuel processing assembly incorporating the same
US7201783B2 (en) * 2000-11-13 2007-04-10 Idatech, Llc Fuel processing system and improved feedstock therefor
US6652830B2 (en) * 2001-02-16 2003-11-25 Battelle Memorial Institute Catalysts reactors and methods of producing hydrogen via the water-gas shift reaction
US20020114984A1 (en) * 2001-02-21 2002-08-22 Edlund David J. Fuel cell system with stored hydrogen
US7811529B2 (en) * 2001-04-23 2010-10-12 Intelligent Energy, Inc. Hydrogen generation apparatus and method for using same
JP4267325B2 (ja) * 2001-03-02 2009-05-27 インテリジェント・エネルギー・インコーポレーテッド アンモニアベース水素発生装置および同装置の使用方法
US6821501B2 (en) * 2001-03-05 2004-11-23 Shell Oil Company Integrated flameless distributed combustion/steam reforming membrane reactor for hydrogen production and use thereof in zero emissions hybrid power system
EP1384280A2 (en) * 2001-04-27 2004-01-28 Alberta Research Council, Inc. Metal-supported solid electrolyte electrochemical cell and multi cell reactors incorporating same
JP3778038B2 (ja) * 2001-09-19 2006-05-24 日産自動車株式会社 燃料改質システム
KR100715103B1 (ko) * 2001-10-26 2007-05-07 에스케이 주식회사 수소정제모듈
US7182132B2 (en) * 2002-01-15 2007-02-27 Independant Energy Partners, Inc. Linearly scalable geothermic fuel cells
US7527661B2 (en) * 2005-04-18 2009-05-05 Intelligent Energy, Inc. Compact devices for generating pure hydrogen
JP2004307328A (ja) * 2003-03-25 2004-11-04 Sanyo Electric Co Ltd 水素製造方法、水素製造装置およびこれを備えた発動機
US7077889B2 (en) * 2003-04-04 2006-07-18 Intelligent Engery, Inc. Surface modification of porous metal substrates
US8075958B2 (en) * 2003-07-29 2011-12-13 Intelligent Energy, Inc. Methods for providing thin hydrogen separation membranes and associated uses
US20050039400A1 (en) * 2003-08-22 2005-02-24 Francis Lau Hydrogen production process from carbonaceous materials using membrane gasifier
JP4590202B2 (ja) * 2004-04-02 2010-12-01 日産自動車株式会社 燃料改質反応器
EP1669323B1 (en) * 2004-12-08 2017-07-05 Karlsruher Institut für Technologie Reactor and method for the production of hydrogen

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010000380A1 (en) * 1995-11-06 2001-04-26 Buxbaum Robert E. Hydrogen generator
US20040191137A1 (en) * 2003-03-31 2004-09-30 Anand Chellappa Catalyst incorporation in a microreactor
US20050022448A1 (en) * 2003-06-27 2005-02-03 Ultracell Corporation Planar micro fuel processor

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