TW495373B - A fuel processor, hydrogen-selective metal membrane modules, method of forming the same and a hydrogen purification assembly comprising the same - Google Patents

A fuel processor, hydrogen-selective metal membrane modules, method of forming the same and a hydrogen purification assembly comprising the same Download PDF

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David J Edlund
William A Pledger
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495373 A7 , · _______ _B7___ 五、發明說明(/ ) 發明領域 本發明係槪括地有關於氫氣純化系統且更特別者有關 於氫氣選擇性薄膜,形成含有眾多氫氣選擇性薄膜的薄膜 模製物之方法,及含有彼的氫氣產生和純化系統。 發明背景 用氫氣穿透性金屬,更顯著地爲鈀和鈀合金,所形成 的氫氣選擇性薄膜係已知者。特別者,已有揭示出使用平 面鈀合金薄膜來純化氫氣體流,例如經由蒸汽重組器,自 熱重組器’部份氧化反應器,熱解反應器和其他燃料處理 器所產生的氫氣體流,包括經構成用來將經純化氫氣供給 到需要高純度氫氣的的燃料電池(fuel cell)或其他程序之燃 料處理器。 爲了經濟原因,鈀和鈀合金薄膜都必須是薄的。例如 ,平面薄膜典型者大約0.001吋厚。不過,彼等極薄的薄 膜會在組裝到含有一或多個氫氣選擇性薄膜的薄膜模製物 之內時都會有皺摺之缺陷。有一或多處皺摺的薄膜會因爲 在皺褶處形成的應力破壞受到過早損壞之患。在發生這種 損壞時,於沒有這種損壞下不會通過薄膜的雜質於此可能 通過薄膜,由是減低產物氫氣流的純度且可能潛在地損及 使用該純化氣流的燃料電池堆或其他氫氣耗用裝置。 因此,有需要一種製備用於燃料處理器或其他氫氣純 化裝置中而不會使薄膜起皺的氫氣選擇性薄膜之方法。 發明槪沭 本發明係有關有含有一或多個氫氣選擇性薄膜的薄膜 3 ‘ 張尺度適用f國國家標率(CNS)A4規格(210 X 297公复了—"—--— -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 - #· _______B7____ 五、發明說明(2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 模製物,製備彼之方法,及包含彼之氫氣純化系統,燃料 處理益及含其之裝置。於某些具體實施例中,該薄膜模製 物包括經支撐在一篩網構造上的一或多個氫氣選擇性薄膜 ,其經揭示出多種具體實施例。於某些具體實施例中,於 組裝中係將該薄膜或多薄膜黏著地安裝在該篩網構造上。 於某些具體實施例中,該篩網構造包括在組裝中經黏著地 安裝在一起的眾多篩網元件。於某些具體實施例中,該篩 網構造包括一塗層。 圖式簡單說明 圖1爲包含一具有根據本發明薄膜模製物的燃料處理 器之燃料電池系統的槪示圖。 圖2爲圖1所示燃料電池系統之另一具體實施例之槪 示圖。 圖3爲適合用於圖1和2中的燃料電池中且包括根據 本發明薄膜模製物的燃料處理器之槪示圖。 圖4爲圖3的燃料處理器之另一具體實例之槪示圖。 圖5爲含有本發明薄膜模製物的氫氣純化器之槪示圖 〇 圖6爲根據本發明所構成且包括篩網構造的薄膜外殼 (envelop)之部份側面前視圖。 圖7爲根據本發明所構成且包括具有數層的篩網構造 之薄膜外殼之另一具體實施例之分解等軸圖。 圖8爲圖7薄膜外殻的剖面圖。 圖9爲適合用於圖7篩網構造中的膨脹金屬篩網元件 4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 495373 A7 , , __—-----— B7____ 五、發明說明(> ) 之部份等軸圖。 圖10爲根據本發明之另一薄膜外殼的分解等軸圖。 圖11爲根據本發明構成的另一薄膜外殼之分解等軸圖 〇 圖12爲根據本發明構成的另一薄膜外殼之分解等軸圖 〇 圖13爲根據本發明構成的另一薄膜外殼之分解等軸圖 〇 圖14爲包括根據本發明構成的薄膜模製物的燃料處理 器之剖面圖。 圖15爲包括根據本發明構成的薄膜模製物的另一燃料 處理器之剖面圖。 發明之詳細說明和最佳樽$ 圖1示出根據本發明的燃料電池系統且整體以1〇表示 。系統10包括至少一燃料處理器丨2和至少一燃料電池堆 22。燃料處理器12係經調整以從含有進料的進料流16產 生含有氫氣的產物氫氣流14。燃料電池堆係經調整成從輸 送到彼的產物氫氣流14之部份中產生電流。於所示範說明 的具體實施例中·,只顯示且說明單一燃料處理器12和單一 燃料電池堆22,不過,要了解者,可以使用一個以上的彼 等組件中之任一者或兩者。也必須了解者這些組件係經槪 略地闡示且該燃料電池系統可包括不在圖式中槪略闡示出 之其他額外組件,例如進料泵,空氣輸送系統,熱交換器 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公愛) -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 · * ___ B7___ 五、發明說明(if ) ,加熱組合和類似者。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 燃料處理器12可透過任何適當機制產生氫氣。適當機 制的例子包括蒸汽重組和自熱重組,其中使用重組觸媒來 從含有碳之進料和水的進料蒸汽中產生氫氣。其他產生氫 氣所用的適當機制包括含碳進料的熱解和催化性部份氧化 ,於此情況中,·進料蒸汽不含水分。又有另一種產生氫氣 所用適當機制爲電解,於此情況中,進料爲水。爲了示範 說明目的,下面的討論係說明作爲蒸汽重組器的燃料處理 器12,其用來接受含有含碳進料18與水20的進料蒸汽16 。不過,在本發明範疇內,燃料處理器12可採用其它形式 ,如上面所討論者。 適當含碳進料的例子包括至少一種烴或醇。適當烴類 的例子包括甲烷,丙烷,天然氣,柴油,煤油,汽油和類 似物。適當醇類之例子包括甲醇,乙醇及多元醇,如乙二 醇和丙二醇。 進料流16可透過任何適當機制輸送到燃料處理器12 。雖然在圖1中可示出單一進料流16,必須了解者可以使 用超過一以上的流16且彼等流可以包含相同或不同的成分 。當含碳進料18爲可與水相混溶時,進料典型地係與進料 流16的水成分一起輸送,如圖1中所示者。當含碳進料爲 與水不混溶或僅稍微混溶時,彼等成分典型地係以分隔的 物流輸送到燃料處理器12。 於圖1和2之中,進料流16係經顯示出以進料流輸送 系統17輸送到燃料處理器12。輸送系統17包括可將進料 6 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) "" 495373* A7 . , —____B7_____ 五、發明說明(仁) 流輸送到燃料處理器12的任何適當機構,裝置或彼等的組 合。舉例而言,該輸送系統可包括一或多個可從供給源輸 送物流16中所含諸成分的泵。附加地,或替代地,系統 17可包括一閥組合,其用來調節來自加壓供給源的諸成分 之流動。該等供給源可被設在燃料電池系統的外面,或可 包含在系統的內部或鄰接該系統。 燃料電地堆22包含至少一,且典型地多個燃料電池 24,其用來從輸送到彼的產物氫氣流14之部份中產生電流 。此電流可用來滿足相關的能量消耗裝置25之能量需求, 或施加負載。裝置25的示範例子包括,但不應限於,馬達 車輛,娛樂車輛,船,工具,光或照明組合,用具(例如 家庭或其他用具),家用、信號或通訊設備等。要了解者 ,裝置25在圖1中係經槪示出且意欲用來代表可從燃料電 池系統中抽出電流的一或更多個裝置或諸裝置之集合。燃 料電池堆典型地包括在共用端板23之間接合在一起的多個 燃料電池,其中包含流體輸送/取出導管(未示出)。適當 燃料電池的例子包括質子交換薄膜(proton exchange membrare)(PEM)燃料電池和鹼性燃料電池。燃料電池堆22 可接收所有的產物氫氣流14。某些或全部的物流14可以 額外地,或替代地,經由適當導管予以輸送而用於另一氫 氣耗用程序中,作爲燃料燃燒或加熱用,或儲存起來供後 面所用。 燃料處理器12爲可產生氫氣的任何適當裝置。較佳者 ,該燃料處理器係用來產生實質純氫氣,且更佳地,燃料 7 -----------裝--------訂---------^9. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 495373 A7 ^ , ____B7_____ 五、發明說明(έ ) 處理器被用來產生純氫氣。爲了本發明目的,實質純氫氣 體爲大於90%純度,較佳者大於95%純度,更佳者大於 99%純度,且甚至更佳者大於99.5%純度。適當的燃料處理 器揭示在美國專利第5,997,594和5,861,137號,申請中的 美國專利申請第09/291,447號(其在1999年4月13日提 出申請、標題爲燃料處理系統(Fuel Processing Sgstem),, ),及在2000年3月8日提出申請,標題爲“燃料處理器 及包含彼之系統和裝置(Fuel Processor and Systems and Devices Containing the Same)之美國專利申請序號 ,彼等分別以其全文爲所有的目的倂於本文中作爲參考。 適當燃料處理器12的一個例子爲蒸汽重組器。適當蒸 汽處理器的一個例子示於圖3中並以30表示。重組器30 包括一重組性’或氫氣產生區32,其包括一蒸汽重組觸媒 34。替代地,重組器30可爲包括自熱性重組觸媒之自熱重 組器。於重組區32中,從水和含碳進料形成性進料流16 中產生重組產物流36。該重組產物流典型地含有氫氣和雜 質,且因此要輸送到一分離區,或純化區38之中,於該處 將氫氣純化。於分離區38內,係經由任何適當的壓力驅動 分離程序將含氫氣流分離成一或多道副產物流(其被整體 地以40表示)及富含氫氣流42。於圖3中,富含氫氣流 42係經顯不爲形成產物氫氣流14。分離區%包括一^根據 本發明的薄膜模製物44且包含一或多張氫氣選擇性薄膜 46。薄膜模製物44要在後面更詳細地討論及示範說明。· · 重組器30可以,但不一定需要,更包括一最後精製區 8 本紙張尺度適甩中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ------- -----------·裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 五、發明說明(1 ) (polishing region)48,如圖4中所示者。最終精製區48接收 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 來自分離區38的富含氫氣流42並經由減低其中所選成份 的濃度’或予以脫除而將該流進一步純化。舉例而言,當 物流42意欲用於燃料電池堆,例如堆22之中時,可以從 富含氫氣流中脫除掉可能損害燃料電池堆的成份,例如一 氧化碳和二氧化碳。一氧化碳的濃度應該低於1〇ppm以防 止控制系統隔離燃料電池堆。較佳者,該系統要將一氧化 碳濃度限制到低於5ppm,且甚至更佳者,低於ippm。二 氧化碳的?辰度可以大於一'氧化碳。例如,低於25%的二氧 化碳濃度係可接受者。較佳者,其濃度低於1〇%,甚至更 佳者低於1%。特別較佳的濃度爲低於5〇ppm。應該了解者 ’本文所提出的可接受最低濃度爲示範例子,且本文呈現 出的以外的濃度也可以使用且都在本發明範圍內。例如, 特殊的使用者或製造商可能要求不同於本文舉出者的最低 或最大濃度含量或範圍。 區48包括要將物流42中所選成份脫除掉或減低其濃 度所用的任何適當構造。例如,當產物流意欲用於若該物 流含有超過所定的一氧化碳或二氧化碳濃度時可能受到損 害的PEM燃料電池堆或其他裝置之時,其可能需要包括至 少一個甲烷化觸媒床50。床50可將一氧化碳和二氧化碳 轉化成甲烷和水,兩者都不會損害到PEM燃料電池堆。最 終精製區48也可以包括另一氫氣產生裝置52,风如另一 重組觸媒床,以將任何未反應的進料轉化成氫氣。於此等 具體實施例中,.較佳者該第二重組觸媒床係位於該甲烷化 9 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 495373 A7 _______B7______ 五、發明說明(《)’ 觸媒床的上游,以便不會將二氧化碳或一氧化碳再導入到 該甲烷化觸媒床的下游處。 蒸汽重組器典型地係在200°C至700°C範圍內的溫度及 50psi至lOOpsi範圍內的壓力下操作,不過在此範圍之外的 溫度也在本發明範圍內,例如決定於所用的燃料處理器之 特殊之類型與組態者。任何適當的加熱機構或裝置都可以 用來提供熱,例如加熱器,燃燒器,燃燒觸媒,或類似者 。該加熱組合可在該燃料處理器的外部或者可形成作爲燃 料處理器的一部件之燃燒室。加熱組合所用的燃料可經由 燃料處理系統,或燃料電池系統,或經由外部來源,或兩 者,予以提供。 於圖3和4中,重組器30係經顯示成包括一殼31, 其中裝有上述諸組件。殻31,也可稱外套,可使燃料處理 益,例如重組器30,如同一單元般移動。其亦可保護燃料 處理器所含諸組件免受到損害,其中係經由提供一保護性 外殻及減少燃料處理器的加熱需求而達到的,因爲燃料處 理器於此狀況中可如單一單元般加熱之故。殼31可以,但 不是一定,包括絕緣材料33,例如固體絕緣材料,毛氈絕 緣材料,或塡充空氣之腔洞。不過,在本發明範圍內,該 重組器也可形成爲沒有外套或殻者。當重組器30包括絕緣 材料33時,該絕緣材料可在殼的內部,殼的外部,或兩者 。當絕緣材料係在包含上文所述重組區,分離區及/或最終 精製區的殼之外部時,該燃料處理器可更包括一在該絕緣 體外部的覆蓋物或套管。 10 Ϊ紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規^7^;_ 297公爱)------ -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 ____________B7 五、發明說明(?) 更有在本發明範圍內者爲有一或更多組件可延伸超過 該殼或位於至少該殼31的外部。例如,且如圖1中所槪示 地闡明者,最終精製區48可在殻31的外部及/或一部份的 重組區32可延伸出該外殼。 雖然燃料處理器12,進料流輸送系統17,燃料電池堆 22及能量消耗裝置25都可以從一或更多個別的組件來形 成’不過,也在本發明範圍內者,這些裝置中的兩者或更 多者可被整合’組合或其他方式地組裝在一外套或外體之 內。例如’可以將燃料處理器與進料流輸送系統組合以提 供具有經整合的進料流輸送系統之能量產生裝置,例如圖 1中27所示意地指明者。 燃料電池系統10可以另外與一能量消耗性裝置,例如 裝置25組合以提供具有整合或倂行的能量源之裝置。例如 ’圖1、中於28處示意地顯示出彼等裝置。彼等裝置的例子 包括馬達車輛,例如休閒車輛,汽車,船或其他航海船, 及類似者’居家,例如房子,公寓,聯式公寓,綜合公寓 ’辦公室’商店或類似者,或自含式設備,例如傢倶,照 明’工具,微波中繼站,傳輸組合,遙控信號傳送或通訊 設備等。 在本發明範圍內者,上述燃料處理器12可與燃料電池 堆獨立地使用。於此種具體實施例中,該系統可稱爲燃料 處理系統’且其可以用來將純或實質純的氫氣供給到氫氣 消耗裝置,例如供加熱、烹煮或其他應用所用的燃燒器中 11 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - - - -----^ ------II 丨. 495373
五、發明說明(/。) 類似於上述有關將燃料電池系統與能量消耗裝置整合 所討論者’該燃料處理器和氫氣消耗裝置也可以合倂或整 合起來。 也在本發明範圍之內者,本發明所揭示的薄膜模製物 可獨1Δ於燃料處理器或燃料電池堆之外來作爲氫氣純化器 。經建構爲氫氣純化器的薄膜模製物之一例子爲顯示於圖 5中且以60表示。如所示者,將含有氫氣62和其他氣體 63的混合氣體流61輸送到純化器6〇 ,其中裝著一根據本 發明構成的薄膜模製物44。該薄膜模製物含有至少一氫氣 選擇性薄膜46,並將該混合氣體流分成〜含有至少實質純 的氫氣之產物k 64和一含有實質其他氣體的副產物流65 。另一種描述該純化器的方式爲該產物流含有在該混合氣 體流中的實質部份之氫氣體,且該副產物流含有至少一實 質部份的其他氣體。類似於上面討論過的燃料處理器和燃 料電池系統者,純化器60可以與氫氣產生裝置整合以提供 具有經整合的氫氣純化器之氫氣消耗裝置。 必須知道者,產物流的氫氣純度,副產物流的氫氣含 量,來自混合氣體流而形成副產物流的氮氣百分比,及產 物流副產物流的類似組成都可以根據薄模製物的構造及/或 使用該薄膜模製物的操作條件等而選擇性地變異。例如, 產物流和副產物流的組成可以至少部份針對至少下列因素 而變異··該薄膜模製物的溫度,該薄膜模製物的壓力,該 氫氣選擇性薄膜的組成,該氫氣選擇性薄膜的耗損狀態, 該氫氣選擇性薄膜的厚度’該混合氣體流的組成,及該混 12 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -------------------訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 ___B7__ 五、發明說明(ll ) 合氣體流、產物流及/或副產物流可能通過的序列薄膜之數 目。 如所討論者,要在分離區38中使用的適當構造爲—薄 膜模製物44,其中包含一或多個氫氣可穿透且具氫氣選擇 性的薄膜46。該薄膜可以用適合於該薄膜模製物於例如純 化器,燃料處理器或類似物之中操作的環境和條件的任何 氫氣選擇性材料來形成。適合用於薄膜46的材料例子爲 和鈀合金,且特別者爲此等金屬和金屬合金的薄膜。銷合 金係經證明爲特別有效者,尤其是有35重量%到45重量% 銅的鈀。這些薄膜典型地係用厚度約0.001吋的薄箱所形 成的。不過,在本發明範圍內者,該薄膜可以用前文討論 者以外的氫氣選擇性金屬和金屬合金來形成且該薄膜可以 具有比上文討論者更大或更小的厚度。例如,可以將該薄 膜製得較薄些,而在氫氣通量上有相稱的增加。減低薄膜 所具厚度的適當機制包括碾軋,濺鍍和蝕刻。一種適用的 蝕刻方法揭示於美國專利申請序號09/274,154中,其係在 1999年3'月22日提出申請,且其標題爲“氫氣穿透性金屬 薄膜及其製法(Hydrogen-Derneahle Metal Membrane and Method for Producing the Same)” ,且其完整揭示內容經倂 於本文作爲參考考。 該氫氣穿透性薄膜可成配對地繞著共同的穿透物通道 排列以形成薄膜封套,如在所倂入的專利申請案中揭示且 在圖6中以66顯示。於彼等組態中,該薄膜對可稱爲薄 膜封套,因彼等界定出一共同的滲透物通道,或收穫導管 13 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -------------------訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 __ B7_ 一 ' ------------ 五、發明說明(θ ) ,透過此可收集到經穿透的氣體並取出以形成富含氫氣流 42(或產物氫氣流14或純化氫氣流64,其是決定於該薄膜 模製物的特殊實施而定)。 須了解者,該薄膜配對可採取多種適當的形狀,例如 平面封套和管狀封套。類似地,該等薄膜可經獨立地支撐 著,例如相對於一端板或繞著一中央通道。爲了闡明起見 ,下面的說明和相關的闡示係將薄膜模製物描述爲包括一 或更多薄膜封套· 66。必須知道者,形成該封套所用的薄膜 可爲兩分隔的薄膜,或可爲單一薄膜經摺疊,捲繞或其他 方式的構造所界定出兩薄膜區或表面,67,其具有穿透物 面68係彼此相對以界定一在彼此之間可用來收集和取出穿 透物氣體的導管69。 要支撐薄膜以對抗高進料壓力時,要使用一支撐體, 或篩網構造70。篩網構造70可提供對於該氫氣選擇性薄 膜之支撐,且更特別者包括表面71以使薄膜的穿透物側 68靠其所支撐。.篩選構造70也界定收穫導管69,經由該 導管可使穿透過來的氣體橫越及平行於氣體通過的薄膜之 表面流過,如圖6中示意地闡明者。爲至少實質純的氫氣 之穿透物氣體可從該薄膜模製物穫得或以其他方式取出, 因而形成物流42,64及/或14。因爲該薄膜係依靠篩網構 造而放置著,所以較佳者爲該篩網構造不會堵塞氣體通過 該氫氣選擇性薄膜的流動。不通過該薄膜的氣體則形成一 或更多的副產物流,如圖6中所示意地闡明者。 再提及者,.本文所討論的薄膜模製物可以包括一或更 14 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) f裝-------訂----------· 495373 A7 _____Β7___ 五、發明說明(〇 ) 多個薄膜封套66,其典型地設有適當的輸入Ο和輸出口, 經由彼等口可將混合氣體流,例如重組物流36或混合氣體 流61輸送到薄膜模製物,且從輸出口取出富含氫氣流和副 產物流。於某些具體實施例中,該薄膜模製物可包括眾多 個薄膜封套。當該薄膜模製物包括有眾多個薄膜封套時, 該模製物可以包括將諸封套相互連通的流體導管,如此可 將混合氣體流輸送到彼等,從彼等抽取出經純化的氫氣, 及/或從該薄膜模製物抽取出不通過該薄膜的氣體。當薄膜 模製物包括眾多個薄膜封套時,來自第一薄膜封套的穿透 物流,副產物流,或兩者可再送到另一薄膜封套作進一步 的純化。 適當篩網構造70的一具體實施例顯示於圖7和8中且 以72表示。篩網構造72包括眾多篩網元件73。於所示具 體實施例中,該篩網元件包括一粗網目篩74,其係夾置於 細網目篩76之間,必須知道爲此處的“細”和“粗”係相 對術語。較佳者,外部的篩網元件係經選擇成可支撐著薄 膜46而不會刺穿該薄膜且沒有足量的銳孔,邊緣或其他突 出物以避免在該薄膜模製物所使用的操作條件下被刺穿, 弱化或以其他方式地損壞該薄膜。因爲篩網構造需要提供 給穿透氣體槪括地平行於該薄膜流動,所以較佳者爲使用 相對較粗的內部篩網元件以提供增強的平行流動管道。換 言之,較細網目的篩對薄膜提供較佳的保護,而較粗網目 的篩則提供槪括地平行於薄膜之較佳流動。 根據本發明方法,係使用一黏著劑,例如接觸型黏著 15 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
_ · I------^ ·111111 I 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 495373 A7 B7 五、發明說明(4 ) 劑,於製造中將薄膜46固著到篩網構造上。適當黏著劑的 一例子爲3M在SUPER77商品名下出售者。於組裝中,$ 以另外或替代地使用黏著劑將細網目篩黏著到粗網目篩74 。於圖7中,元件符號78和80係用於分別指示將薄膜% 與篩網構造70及與個別篩網元件73接合的黏著劑。必_ 了解者,黏著劑78和80可具有相同或不同的組成,摩度 及/或施加方法。 黏著劑78的使用可讓夾層式篩網構造以一單元形武保 留在所選的組態之內,例如圖7和8中所示的扁平, 組態。黏著劑80的使用可使薄膜牢固地黏著到篩網構造而 不會使薄膜中有任何皺紋。重要的是這些組件要在薄膜擒 製的組裝中保持平坦及密切接觸。若薄膜起皺,或若篩,網 構造起皺時,則在使用中的薄膜內會形成皺紋。類似地, 若該薄膜係相對於篩網構造呈不正確地配置,也可能發& 皺紋,例如在將薄膜模製物加壓時。如上文指出者,薄I 中的皺紋會導致應力破壞及疲勞破壞,造成薄膜模製物 損壞及純化氣體流的污染。 實際上,係在粗網目篩74的兩相異主要表面上噴佈或 其他方式地施加一薄的接觸黏著劑78塗層,然後將細網目 篩76接上,於粗篩的每一主表面上各接一片。黏著劑78 可將篩構造72維繫在一起。替代地,可以將黏著劑可被施 加到篩網76上以取代被施加到粗篩網上。類似地,於細網 目篩的相應表面之間施加黏著劑80,且然後將氫氣選擇性 薄膜46黏著劑固著到該等細網目篩的相對表面上。如本文 16 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝--------訂---- 495373 A7 ________B7_______ 五、發明說明(K ) 所討論過者,在製作好薄膜封套及/或薄膜模製物之後,要. 將黏著劑至少實質地或完全地脫除掉以免干擾到薄膜封套 的操作。 於本發明範圍之內者,篩網元件可具有相似或相同的 構成,且可以使用更多或更少的篩網元件。此外也在本發 明範圍之內者,可以使用任何適當支撐性介質,其能夠讓 穿透的氣體槪括地以平行且橫越薄膜的方式在收穫管道內 流動。例如,多孔陶瓷,多孔碳,多孔金屬,陶瓷發泡體 ,碳發泡體,及金屬發泡體,都可單觸地或者與一或更多 個篩網元件73組合地用來形式篩網構造70。又如另一例 子,可以使用網形金屬(expanded metal)取代編織篩網材料 來形成細網目篩76。較佳者係使用抗鈾性材料來形成篩網 構造70,該抗腐蝕性材料不會損及薄膜模製物和使用薄膜 模製物的裝置的操作。金屬篩網元件所用適當材料的例子 包括不銹鋼,钛和其合金,锆和其合金,抗腐蝕性合金, 包括Incnel™合金,例如800H™,及Hastelloy™合金,及銅 /鎳合金,例如Monel™。 網形金屬篩網元件的一例子示於圖9中且以82表示。 網形金屬包括一金屬網格83,其界定眾多個可讓穿透氣體 流過的銳孔84。雖然也可以使用其他方法,不過,網形金 屬片可經由將一金屬片刻劃且接著將該金屬拉伸以產生銳 孔,例如在刻劃處的銳孔84。必須知道者,網形金屬舖元 件係在圖9中顯示,且該等銳孔的實際形狀可以變異且常 具有通常呈菱形,平行四邊形或其他幾合形狀的形狀,如 17 ------------·裝---------訂 i---I ——^#1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) \ 1 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 495373 A7 B7 --------------------- 五、發明說明(U) 圖12中所示者。該片材也包括一實心周緣區86,此係有 利者,因爲其沒有可能以穿刺或其他方式損害到氫氣選擇 性薄膜並存在於編織篩網元件中之突起物,毛邊,或其他 線端等且。雖然在圖9中只顯示出網形金屬篩網元件82的 一部份,不過,該篩網元件的周緣區86可繞著篩網元件四 周延伸。另外,可以只使接觸薄膜46的周緣區爲實心表面 〇 所有前文所述金屬篩網組成物可以包括在表面71上的 塗層85(例如圖8中所示者)。適當塗層的例子包括氧、化鋁 ,碳化鎢,氮化鎢,碳化鈦,氮化鈦,及彼等的混合物。 這些塗層的特徵通常爲與在氫氣存在中的分解作用有關的 熱力學安定性。適當的塗層係從下列材料形成者;例如, 氧化物,氮化物,碳化物,或介金屬化合物,彼等可經施 加爲塗層且在慮及氫氣存在下及薄膜模製物所接受到的操 作參數(溫度,壓力’等)下的分解作用時爲熱力學安定。 另外,可以在用來替代細網目篩的網形金屬篩網元件上施 加塗層,於此等情況中,該塗層可經施加到至少會接觸到 該氫氣選擇性薄膜46的網形金屬篩網之表面上。將此等塗 層施加到篩網或網形金屬篩網元件上的適當方法包括化擧 蒸氣沈積,濺鍍,熱蒸發,熱噴佈,及,在至少氧化鋁的 情況中,將金屬(如鋁)沈積,接著將金屬氧化而得氧化金呂 。於至少某些具體實施例中,塗層可經描述爲防止在該氫 氧選擇性薄膜與該篩網構造之間發生金屬間擴散。 較佳者,該篩網構造和薄膜被併入到包括框元件88的 18 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 X 297公釐) "-—- —--------裝--------訂-----—^9— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 ________Β7__ 五、發明說明(Π ) 薄膜模製物之內,該框元件88被用來密封,支撐及/或互 連用於燃料處理系統,氣體純化系統,和類似物的薄膜封 套。細網目金屬篩76被配裝在穿透物框90之內。網狀金 屬篩網元件86可配裝在穿透物框90之內或者可延伸至少 部份越過該穿透物框90的表面。適當框元件88的例子包 括支撐性框架及/或墊圏。這些框架,墊圏或其他支撐構造 也可以界定,至少部份地,流體導管,其互相連通在包含 兩或更多個薄膜封套的薄膜模製物44的一具體實施例中之 諸薄膜封套。適當墊圈的例子爲撓性石墨墊圏,儘管也可 以使用其他的材料,例如在取決於使用特殊薄膜模製物的 操作條件者。 圖12示出包括有框元件88的薄膜封套66之一例子, 其如所示者,篩網構造70被置放在形成薄膜模製物44的 一部份之穿透物框90之內。篩網構造和框90可以被一起 稱爲篩網框或穿透物框91。較佳者但不一定要經由使用另 一薄黏著劑施加層以將穿透物墊圈92和92,接著到穿透物 框90。接著,使用薄黏著劑施加層將薄膜46接著到篩網 構造70,例如是經由將黏著劑噴佈或其他方式地施加到薄 膜及/或篩網構造的任一者或兩者之上。必須小心地確使該 薄膜爲平坦且爲牢固地接著到相對應的篩網元件73上。最 後,例如是經由使用另一薄接著劑施加層來視情況接著上 進料板或墊圈94和94’。然後將所得薄膜組合與進料板或 端板堆疊起來以形成薄膜模製物44。視需要地,可將二或 更多的薄膜封套堆疊在諸端板之間。 19 --------------------訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 495373 A7 Γ______Β7 ___ 五、發明說明(β ) 視需要地,每一薄膜46可經固定到一框104,例如金 屬框且爲如圖11中所示者。若爲如此時,該薄膜可經由例 如超聲波熔接,或經由另一種適當的接著機制固定到該框 ’且然後使用黏著劑將薄膜4匡組合接著到篩網構造70上 。可達到在形成薄膜封套66的諸板之間以及在薄膜封套之 間的氣密性封合所用的接著機制之另一例子包括一或多種 下述者:銅焊,襯墊和熔接。該薄膜和所接著的框可合稱 爲薄膜板96。 爲闡明目的起見,經由圖10中所示封套66的具體實 施例來說明流經薄膜封套66的流體幾何學。如所示者,一 混合氣體流,例如重組產物流36被輸送到薄膜封套並接觸 該薄膜46的外表面97。穿透經過該薄膜的氫氣會進入收 穫導管69,其係在薄膜的穿透物面68之間形成的。該收 穫導管與可將穿透物流從薄膜封套膜抽出的導管1〇〇流體 相連通。沒有通過薄膜之混合氣流部份則流到一導管98, 經由此導管98,可將該氣體抽取出爲副產物流40。於圖 10中,顯示出單一副產物導管98,而於圖11中,顯示出 一對導管98和102,以闡明本發明所述及的任何導管都可 另外包括一條以上的流體通道。必須知道者,指示物流40 和42流動所用的箭號係示意地闡示者,且通過導管98, 100和102的流動方向可以變異,例如在取決於特殊薄膜 模製物所具組態者。 於圖12中,顯示出適當的薄膜封套66之另一例子。 爲了闡明目的起見,封套66顯示爲具有槪括地長方形者 20 $紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 X 297公釐) : -------------------訂---------V/. (請先閱讀背面之>£意事項再填寫本頁)、 495373 A7 五、發明說明((?) 。圖12的封套也提出具有一對副產物導管98和102及一 對氫氣導管1〇〇的薄膜封套之另一例子。如所示者,封套 66包括墊圏或間隔板94,其作爲堆疊中的最外面板。通常 ,每一間隔板包括界定一內部開放區108的一堆106。每 一內部開放區108係經側向地耦合到導管98和102。不過 ,導管100在相對於開放區108之下爲密閉者,藉此隔離 開富含氫氣流42。薄膜板96存在於鄰近板94及板94之內 。薄膜板96各包括作爲其中央部份的一氫氣選擇性薄膜 46,其可經固著到一外框104,彼等被示出供闡明所用。 於諸板96中,所有開口都相對於薄膜46呈封閉者。每一 薄膜都緊接到相對應的一開放區108,亦即,鄰接到達封 套的混合氣體流而配置著。如此可提供讓氫氣通過薄膜的 機會,而讓剩餘的氣體,亦即形成副產物流40的氣體經由 導管102離開該開放區108。篩網板91係經配置於鄰接薄 膜板96,亦即,在每一薄膜46的內部側或穿透物側。篩 網板91包括一篩網構造70,導管98和102在相對於篩網 板91的中央區爲密閉者,藉此將副產物流40和富重組物 流36與富含氫氣流42隔離開。導管100係對篩網板91的 內部區開放。已通過鄰接薄膜46的氫氣會沿著篩網板70 移動並通過篩網結構70到達導管100並於最後到達輸出口 而成爲富含氫氣流42。 如所討論者,薄膜模製物44可包括一或更多個薄膜封 套,其中諸薄膜係經黏著地黏合到篩網構造,及/或其中該 篩網構造包括二或更多個以黏著劑黏合在一起的篩網元件 21 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 __;_B7 五、發明說明(r° ) 83。典型地,該薄膜模製物更包括端板,其上具有輸入口 和輸出口,讓混合氣體,產物流(或富含氫氣流)及副產物 流通過彼等以從薄膜模製物取出。適當的薄膜模製物之一 例子於圖13中,其係呈板狀薄膜模製物形式。如所示者, 該模製物含有端板110,於諸端板110之間包含著一或更 多個薄膜封套6.6。於所示具體實例中,爲闡明目的顯示出 三個薄膜封套,但必須知道者,可以使用更多或更少個封 套。該等薄膜封套與至少一個端板呈流體相通,透過彼等 輸送入混合氣體流及取出副產物流40和富含氫氣流42。 如在圖13的闡示性具體實施例中所示者,諸端板中的 一者含有供混合氣體流,例如重組產物流36或到達本文所 討論的薄膜模製物之任何其他進料所使用的重組產物輸入 口 112。該等端板更包括一對出口 114以供穿透物流,或 富含氫氣流42所用,及一個出口 116供副產物流40所用 。必須知道者,每一流所用開口的數目和尺寸都可變異, 且諸開口中至少有一者可被包含在另一端板上或在薄膜模 製物上的其他處之上,例如在諸端板之間的外罩118之上 ,例如在圖15中所示者。如所示者,該等薄膜封套包括導 管98,100和102,彼等建立著與諸輸入口和出口及薄膜封 套之間的流體相通。在將諸薄膜封套66堆疊時,彼等開口 會對齊並提供流體導管。 在操作中,.係將重組物氣體透過開口 112導到薄膜模 製物並輸送到薄膜封套。通過氫氣選擇性薄膜46的氫氣會 流到導管100並經由開口 114從薄膜模製物取出。重組物 22 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 ______ B7___ 五、發明說明(vl ) 氣體的其餘部份,亦即沒有通過氫氣選擇性薄膜的部份, 則流到導管102並經由開口 116以副產物流40形式從薄膜 模製物取出。 必須了解者,圖7-13中所示出的框元件,墊圏,薄膜 與篩網元件等之幾何係以示範實施例方式提出者,且必須 知道者,這些組件可具有任何適當形狀。例如,圓形及長 方形板狀薄膜封套的闡示係在圖10-13中爲示範說明目的 而示出。類似地,通過墊圏和各板的通道所具組態和取向 也可變異,其取決於會用到薄膜模製物的特殊應用而定。 含有經由黏著劑黏合到篩網構造70上的鈀合金薄膜之 薄膜模製物較佳在起始薄膜模製物的操作之前施以氧化條 件以脫除掉黏著劑。若在操作之前,黏著劑未被完全地脫 除’則來自黏著劑的碳殘渣可能與鈀合薄膜發生合金化而 促成氫氣穿透率的減低。於極端情況中,與鈀合金薄膜發 生碳合金化可能形成鈀合金,其在操作條件下發生物理性 損壞。 氧化性調理的目的在於燃燒掉黏著劑而不會過份地氧 化鈀合金薄膜。使用上述薄膜組成和黏著劑的一組適當條 件爲將薄膜模製物加熱到20°C,同時將空氣通過薄膜的進 料側和穿透物。一較佳的方法爲將該薄膜模製物加熱到 200°C,同時將進料側用緩慢的空氣沖滌(>1毫升/分)予以 加壓到大於該薄膜的穿透物側之壓力。在約50psig到約 200psig範圍內的壓力經證明係有效者。於約周圍壓力下的 空氣係以>1毫升/分的速率通過薄膜的穿透物側。將這些條 23 Ϊ紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) " --:~ -------------------訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A7 ____B7_____ 五、發明說明(>> ) 件維持約15-25小時。然後將溫度增高到400°C,同時維持 住在薄膜的進料側和穿透物側上之空氣壓力和流速。將溫 度保持在400°C約2-5小時。在完成薄膜模製物的此種氧化 性調理之後,即將黏著劑從薄膜模製物燃燒掉,而該模製 物即可接受要純化的含氫氣進料流。實驗已證明這些方法 可導致包含不具皺紋且沒有過度碳污染的薄膜之薄膜模製 物。 必須知道者上述諸條件係經呈出以提供一示範實施例 且該等操作條件係可變異者。舉例而言,因爲有下列因素 :不同的薄膜組成,不同的薄膜厚度,和不同的黏著劑, 所以可能使用到不同的條件。類似地,使用黏著劑以固定 氫氣選擇性薄膜到一或更多個支撐篩網的本發明方法可以 用於純化組合中·,而非本文及所倂專利申請案所說明的燃 料處理組合。 包含有一根據本發明的薄膜模製物44之燃料處理器 12的一個例子係示於圖14中。於所示範的具體實施例中 ’燃料處理益12係經顯不爲一蒸汽重組器3 0,其中裝有 重組觸媒34。另外,重組器30可爲自熱型重組器,其中 裝有一自熱重組觸媒床。必須知道者,燃料處理器12可爲 用來產生氫氣的任何裝置,例如本文所討論者。 於圖14所示的蒸汽重組器30之具體實施例中,進料 流16被輸送到一蒸發區150中,其顯示包含—蒸發線圏 151 ,於其中將進料流蒸發。對於蒸汽重組器而言,適當 的進料流包括水和含碳進料,例如一或更多種醇或烴類。 -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
495373 A7 ___B7______ 五、發明說明(W ) 當含碳進料與水可混溶時,該進料與水可先混合後再蒸發 。當含碳進料與水不可混溶時,典型地係將水蒸發後再與 含碳進料混合。於所示範的具體實施例中,蒸發線圈151 被包含在重組器的殻31之內。於本發明範圍之內者’該蒸 發區(和管圏)可座落於燃料處理器的外殼之外部’例如繞 著外殼延伸或以另外的方式座落在該殼的外面者。 之後,將蒸發出的進料流輸送到氫氣產生區32 ’其在 重組器範疇內裝有至少一重組觸媒床。重組產物流36 ’其 爲含有氫氣和其他氣體的混合氣體流,然後被輸送到薄膜 模製物44,其可將該混合氣體流分離成富含氫氣流42及 副產物流,如上文討論過者。所示範的重組器被證實爲該 副產流可用來提供重組器的加熱組合152的某些或全部的 燃料。加熱組合152包括一加熱元件153,其在所示範的 具體實施例中係採以火花塞之形式。其他適用的加熱元件 包括熱線點火塞,指示燈,燃燒觸媒,電阻加熱器,及彼 等的組合,例如熱線點火塞與燃燒觸媒之組合。 加熱組合152會消耗燃料流ι54,其可爲可燃燒性燃 料流或爲電流,在取決於加熱組合中所用的加熱元件之類 別而定。於所示範的具體實例中,該加熱組合係形成燃燒 室或區155的部份,且該燃料可來自外部來源,例如在 157所不意地示出者,或可爲至少部份從薄膜模製物44所 來的副產物流40所形成者。在本發明範圍之內者,至少一 部份的燃料流也可爲用產物氫氣流14形成者。於所示範的 具體實施例中,來自燃燒區155的廢氣爲流經重組區32 -------------------訂——------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 25 495373 I 一厂 〜 .. : 也:’:,/货 Ή Α7 ν :_Β7 _ --- 五、發明說明() 的加熱導管158以對該重組區提供額外的加熱。導管158 可以採取多種形式,包括有翼的管和螺管以提供充分的表 面積及在整個重組區32的合意的均勻熱分佈。 於圖15中,顯示另一包含著根據本發明構成的薄膜模 製物44之蒸汽重組器之實例。如所示者,重組區包括眾多 裝著重組觸媒34的重組觸媒管162。來自蒸發區150的蒸 發進料流被輸送到管162,其中經過歧管172,將進料流分 佈在諸重組觸媒管之間。如圖15中的虛線所示者,該歧管 可以另外座落在殻31的外面以能從殻外部進入歧管,藉以 調整蒸發進料流在重組觸媒管之間的相對分佈。類似地重 組觸媒管的部份160也顯示成延展到殼31之外。 圖15的蒸汽重組器也提供一燃料處理器12的例子, 其中副產物流可作用爲燃料流154的一部份以供燃燒區 155所用,排出(例如經由壓力釋放閥組合164),或輸送經 過流體導管168以供貯存或在燃料處理器12的外面使用。 又如圖10中所示者,流量調節器168係用於燃燒區155中 的加熱組合152所產生的。於所示範的具體實施例中,調 節器168係採取在燃燒歧管170中的銳孔形式。該等銳孔 可調節燃燒廢氣從燃燒區155移動及通過重組區32所依循 的途徑。該等銳孔的適當配置例子包括在加熱組合152遠 處的一或多個銳孔,及沿著歧管170的長度分布之眾多銳 孔。在使用間隔銳孔分布時,該等銳孔可經均勻地相隔, 或該等開口可更普遍地遠距離燃燒器。類似地,銳孔的尺 寸可爲一致者,或可變異,例如遠離加熱組合152處使用 — ____26___ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公璧) "一"" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
ίII 訂----------線丨· 495373 A7 五、發明說明(β J 較大的銳孔。 必須知道者’圖Η和15中所示的蒸汽重組器係爲了 示範說明目的而顯示及說明者,且不可視爲提供完盡的可 以使用本發明薄膜模製物的燃料處理器或蒸汽重組器之具 體實施例。取而代之者,包含有本發明薄膜模製物的重組 器和燃料處理器所具構造與組件係可以變異者。 工業應用性 本發明可應用於將含氫氣的物流予以純化以產生純化 氫氣流之任何裝置中。本發明同樣地可應用於燃料處理系 統中,其中從進料流產生氫氣且隨後予以純化,例如輸送 到燃料電池堆或其他氫氣消耗裝置。 據信上面所敘述的揭示內容涵蓋各具獨立用處的多重 個別發明。雖然這些發明都個別地以其較佳形式揭示過, 不過如本文所揭示及示範說明的特定具體實施例不能以限 制性意義來思考,因其可能有眾多變異之故。本發明主體 包括本文所揭示的各種元件,特點,功能及/或性質之所有 新穎及非顯而易見之組合和次組合。類似地’在申請專利 範圍詳述出“一”或“一第一”元件或其等效物時,彼等 申請專利範圍項應該據了解包括組入一或更多個相等元件 ,不要求也排除二或更多個彼等元件。 據信下面的申請專利範圍可特別地指出與所揭示的諸 發明之一相關且皆爲新穎及非顯而易見之某些組合和次組 合。包括在諸特點,功能,元件及/或性質的其他組合和 次組合之內的諸發明可透過本申請專利範圍的修飾或在本 27 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) f靖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝
|訂·——I 華 495373 A7 B7 五、發明說明() 申請案或相關申請案中提出新的申請專利範而予以申請專 利範圍。彼等經修正或新增的申請專利範圍,不論彼等係 與不同的發明相關或與相同的發明相關,不論對原申請專 利範範圍上不同,較廣,較窄或相等,也都視爲包括在本 揭示內容的諸發明之主體內。 圖式主要元件符號說明 10 燃料電池系統 12 燃料處理器 14 產物氫氣流 16 進料流 17 進料流輸送系統 18 含碳進料 20 水 22 燃料電池堆 23 燃料電池堆之端板 24 燃料電池 25 能量消耗裝置 26 具有整合進料流輸送系統之氫氣產生裝置 27 具有整合進料輸送系統之能量產生裝置 28 具有整合能量消耗裝置之燃料電池系統 30 蒸汽重組器 31 殼 32 氫氣產生或重組區 28 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I --I----訂 *-------* 丨· r----------------------, 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 495373 Λ7 五、發明說明() 33 絕緣材料 34 重組觸媒 36 重組產物流 38 分離或純化區 40 副產物流 42 富含氫氣流 44 薄膜模製物 46 氫氣選擇性薄膜 48 最後精製區 50 甲烷化觸媒床 52 氫氣產生裝置 60 氫氣純化器 61 混合氣體流 62 氫氣 63 其它氣體 64 產物流 65 副產物流 66 薄膜封套 67 薄膜區或表面 68 薄膜區或表面之穿透物面或穿透物側 69 收穫導管 70 支撐體 71 支撐體表面 72 篩網構造 29 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i 訂ί 線 — - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 4953ί73 jii fy A7 B7 I参 五、發明說明( 108 開放區 110 端板 112 輸入口 114 穿透物或富含氫氣流之出口 116 副產物流之出口 118 外罩 150 蒸發區 151 蒸發線圏 152 加熱組合 153 加熱元件 154 燃料流, 155 燃燒室或燃燒區 156 空氣流 157 燃料流來源 158 加熱導管 160 重組觸媒管的部份 162 重組觸媒管 164 壓力釋放閥組合 166 流體導管 168 流體調節器 170 燃燒歧管 172 歧管 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i 訂,丨 線—命· 31 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 495373 A7 Β7 五、發明說明() 73 篩網元件 74 粗網目篩 76 細網目篩 78 黏著劑 80 黏著劑 82 網形金屬篩網元件 83 網形金屬篩網元件之網格 84 網形金屬篩網元件之銳孔 85 塗層 86 網形金屬篩網元件之周緣區 88 框元件 90 穿透物框 91 篩網框 92 穿透物墊圈 92, 穿透物墊圈 94 進料板或進料墊圈 94, 進料板或進料墊圈 96 薄膜板 97 薄膜外表面 98 副產物導管 100 穿透物或氫氣導管 102 副產物導管 104 框 106 框 _30 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 χ 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) § 訂------- ---線丨-------------------------

Claims (1)

  1. 495373 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1·一種燃料處理器,其包括: 一氫氣產生區,其用來接受一進料並從其中產生一含 有氫氣和其它氣體的混合氣體流;及 一薄膜模製物,其用來接受該混合氣體流並將該混合 氣體流分成含有至少一實質部份的其它氣體之副產物流與 含有至少實質純的氫氣之產物流,其中該薄膜模製物包括 眾多氫氣選擇性薄膜,每個各具有一進料側和一穿透 物側’其中該等薄膜彼此以定距離相隔開並用彼此面對的 穿透物側定向以界定一延伸於其間的收穫導管,且進一步 其中產物流係從通過薄膜到收穫導管的部份混合氣體流中 形成’而混合氣體流中保留在該等薄膜的進料側上之剩餘 部份則形成副產物流;及 一篩網構造,其係在收穫導管之內且用來支撐該等薄 膜,其中該篩網構造包括一對槪括地相對的表面,彼等表 面用來提供給該等薄膜之個別一穿透物側的支撐且其包括 在該表面的至少一部份上之一塗層;及 一產物輸出口,其與收穫導管呈流體相通且透過該出 口可從薄膜模製物抽出產物流。 2·如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該塗層 在與氫氣存在中的分解作用有關下爲熱力學安定。 3·如申請專利範圍第2項之燃料處理器,其中該塗層 在與低於約700°C溫度下之氫氣存在中的分解作用有關之 下爲熱力學安定。 1 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495373 __g__ 六、申請專利範圍 4·如申請專利範圍第2項之燃料處理器,其中該塗層 在與低於約400°C溫度下之氫氣存在中的分解作用有關之 下爲熱力學安定。 5. 如申請專利範圍第2項之燃料處理器,其中該塗層 在與低於約lOOOpsi壓力下之氫氣存在中的分解作用有關 之下爲熱力學安定。 6. 如申請專利範圍第2項之燃料處理器,其中該塗層 在與低於約500Psi壓力下之氫氣存在中的分解作用有關之 下爲熱力學安定。 7·如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該塗層 係選自包括氧化鋁、碳化鎢、氮化鎢、碳化鈦、氮化鈦, 和彼等的混合物。 8. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該塗層 是從由氧化物、氮化物、碳化物,和金屬間化合物所組成 之族群中的至少一種所形成的。 9. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該塗層 被用來防止在薄膜與表面之間的金屬間擴散。 10. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該塗層 係經由下列至少一者而施加到表面之上:化學蒸氣沉積, 濺鍍,熱蒸發,熱噴佈,及沉積之後氧化。 11·如申請專利範圍第」項之燃料處理器,其中該篩網 構造被用來促成平行及橫越於薄膜的穿透物側之氣體的流 動。 12·如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該篩網 2 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A8 D8 六、申請專利範圍 構造界定一通過收穫導管的氣體流途徑,該氣體流途徑係 平行且橫越於薄膜穿透物側而延伸者。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 13·如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該篩網 構造係用多孔性材料形成。 14. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中等薄膜 在薄膜模製物的製造期間用黏著劑安裝在表面上。 15. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該篩網 構造包括眾多篩網元件。 16. 如申請專利範圍第15項之燃料處理器,其中該眾 多篩網元件在該薄膜模製物的製造期間用黏著劑黏合在一 起者。 17. 如申請專利範圍第15項之燃料處理器,其中該眾 多篩網元件包括一內部篩網元件和一對外部篩網元件,其 形成槪括地相對表面而讓氫氣選擇性薄膜被黏著安裝上。 18. 如申請專利範圍第17項之燃料處理器,其中該外 部鋪網元件係用網狀金屬(expanded metal)形成。 19. 如申請專利範圍第17項之燃料處理器,其中該外 部篩網元件係用線網形成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 20. 如申請專利範圍第19項之燃料處理器,其中該內 部篩網元件係用比外部篩網元件要粗的線網形成。 21·如申請專利範圍第17項之燃料處理器,其中該外 部篩網元件在薄膜模製物的製造期間用黏著劑黏合到內部 篩網元件。 22.如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該篩網 3 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐_) ' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495373 A8 g D8 -—________ 六、申清專利範圍 元件與其穿透物側被篩網構造所支撐的薄膜構成一薄膜封 套’且其中該薄膜模製物包括眾多薄膜封套。 23·如申請專利範圍第22項之燃料處理器,其中該薄 月吴模製物進一步包括端板,且該等眾多薄膜封套被支撐在 於端板之間。 24_如申請專利範圍第23項之燃料處理器,其中每一 薄膜封套包括一輸入口,透過該輸入口至少一部份混合氣 體流被輸送到薄膜封套,包括產物出口,經由該出口可從 收穫導管抽出產物流,及包括副產物口,透過該口可從薄 膜封套抽出副產物流,且進一步其中眾多薄膜封套的相對 應開口爲彼此呈流體相通以分別形成輸入導管,產物導管 和副產物導管。 25·如申請專利範圍第24項之燃料處理器,其中該端 板包括一模製物輸入口,其與輸入導管相通;一模製物產 物口,其與產物導管相通;及一模製物副產物口,其與副 產物導管相通。 26·如申請專利範圍第22項之燃料處理器,其中該燃 料處理器包括眾多氣體輸送導管,彼等導管用於將混合氣 體流選擇性地輸送到薄膜的進料側,從收穫導管中取出產 物流,及從薄膜模製物中取出副產物流。 27. 如申請專利範圍第26項之燃料處理器,其中該燃 料處理器包括一燃燒區,且進一步其中至少一氣體輸送導 管被用來將副產物流輸送到燃燒區。 28. 如申請專利範圍第26項之燃料處理器,其中該燃 4 表紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公Θ ' ------------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 A8 B8 _S_ f、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 料處理器包括最終精製(polishing)觸媒床,且進一步其中 至少一氣體輸送導管被用來將產物流輸送到最終精製觸媒 床。 29. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其與一燃料 電池堆組合,以接收至少一部份產物流並從其中產生電流 〇 30. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中該燃料 處理器包括一含有重組觸媒之重組區,其用來接收一重組 進料並從其中產生混合氣體流。 31. 如申請專利範圍第1項之燃料處理器,其中每一氫 氣選擇性薄膜是從至少一鈀或鈀合金所形成。 32. —種氫氣純化組合,其包括: 一外罩,其包括至少一端板且含有一外罩入口,其用 來接受一含有氫氣和其它氣體的混合氣體流;一產物輸出 口,經由此出口可從外罩取出一產物流;及一副產物輸出 P,經由此出口可從外罩取出一副產物流,其中該產物流 含有至少實質純的氫氣,且進一步其中該副產物流含有至 少一實質部份的其它氣體; 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 眾多薄膜封套,其中每一封套包括: 一氫氣選擇性薄膜區,其具有一進料側和一穿透物側 另一氫氣選擇性薄膜,其具有一進料側和一穿透物側 ,其中該等薄膜彼此以定距離相隔開且以其穿透物側疲此 面相以界定一延伸於其間的收穫導管,且其中收穫導管與 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐^ '~ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495373 A8 B8 C8 ------ D8 六、申請專利範圍 產物輸出Q相連通以使通 過薄膜的氣體透過產物輸出口從 外罩抽取出,且進一步其中進料側與外罩輸入口呈流體相 通;及 〜支撐體,其在收穫導管之內且被用來支撐薄膜區的 穿透物側,其中支撐體包括眾多篩網元件,其中眾多篩網 兀件包培至少一對外部篩網元件,其具有用於支撐該薄膜 的外表面,且進一步其中該外部篩網元件係選自下列所組 成之族群中··在外表面上包括一塗層的篩網元件和用網狀 金屬材料形成的篩網元件。 33·如申請專利範圍第32項之/袓合,其中該外部篩網 兀件係用網狀金屬材料形成且包括在外表面上的一塗層。 34·如申請專利範圍第32項之組合,其中該外部篩網 元件係用線網形成且包括在外表面上的一塗層。 35. 如申請#利範圍第32項之組合,其中該塗層在與 氫氣存在中的分解作用有關下爲熱力學安定。 36. 如申請專利範圍第33項之組合,其中該塗層係選 自包括氧化鋁、碳化鎢、氮化鎢、碳化鈦、氮化鈦,和彼 等的混合物。 37. 如申請專利範圍第33項之組合,其中該塗層是從 由氧化物、氮化物、碳化物,和金屬間化合物所組成之族 群中的至少一種所形成的。 38. 如申請專利範圍第33項之組合,其中該塗層被用 來防止在薄膜與表面之間的金屬間擴散。 39. 如申請專利範圍第32項之組合,其中該外部篩網 6 ^張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐〉^ """ --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 495373 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 元件係用線網形成且包括在其外表面上的一塗層。 40. 如申請專利範圍第39項之組合,其中該塗層在與 氫氣存在中的分解作用有關下爲熱力學安定。 41. 如申請專利範圍第39項之組合,其中該塗層係選 自包括氧化鋁、碳化鎢、氮化鎢、碳化鈦、氮化鈦,和彼 等的混合物。 42. 如申請專利範圍第39項之組合,其中該塗層是從 由氧化物、氮化物、碳化物,和金屬間化合物所組成之族 群中的至少一種所形成的。 43·如申請專利範圍第39項之組合,其中該塗層被用 來防止在薄膜與表面之間的金屬間擴散。 41如申請專利範圍第32項之組合,其中該眾多篩網 元件進一步包括在外部篩網元件之間的一內部篩網元件。 45·如申請專利範圍第44項之組合,其中該內部篩網 元件比該外部篩網元件較爲粗。 46.如申請專利範圍第44項之組合,其中該外部篩網 元件在薄膜封套的製造期間用黏著劑黏合到內部篩網元件 上。 47·如申請專利範圍第32項之組合,其中該薄膜在該 薄膜封套的製造期間用黏著劑黏合到表面上。 48.如申請專利範圍第32項之組合,其中該支撐體能 促使通過該薄膜到達收穫導管的氣體平行及橫越該薄膜的 穿透物側移動。 49·如申請專利範圍第32項之組合,其與用來產生混 7 本紐尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21G X 297公爱) "" " "" --------^--------- (請先閱讀背面之注音?事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495373 A8 g D8 f、申請專利範圍 合氣體流的氫氣產生裝置組合。 50. 如申請專利範圍第49項之組合,其中該氫氣產生 裝置爲一燃料處理器。 51. 如申請專利範圍第49項之組合,其中該氫氣產生 性裝置爲一蒸汽重組器。 52. 如申請專利範圍第49項之組合,其中該組合係耦 合到一氫氣產生裝置。 53. 如申請專利範圍第49項之組合,其中該組合至少 部份包含在該氫氣產生裝置之內。 54. 如申請專利範圍第49項之組合,其中該組合係包 含在該氫氣產生裝置之內。 55. 如申請專利範圍第32項之組合,其與用來接收至 少一部份產物流的氫氣消耗裝置組合。 56. 如申請專利範圍第55項之組合,其中該氫氣消耗 裝置爲一種燃料電池堆。 57. 如申請專利範圍第55項之組合,其中該氫氣消耗 裝置爲一燃燒器。 58. —種形成氫氣選擇性薄膜模製物之方法,其包括: 提供一對氫氣選擇性金屬薄膜,其具有一進料側和一 穿透物側; 提供一支撐體,其包括可讓氫氣流經的外表面; 黏著安裝氫氣選擇性金屬薄膜的穿透物側到支撐體的 外表面之一及用黏著安裝另一氫氣選擇性金屬薄膜的穿透 物側到支撐體的另一外表面以形成具有在氫氣選擇性金屬 8 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) . -----^--------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495373 A8 驾 _____ D8 六、申請專利範圍 薄膜的穿透物側之間延伸的收穫導管之薄膜封套; 將薄膜封套置於具有一對端板的薄膜模製物之內;及 對薄膜模製物施加氧化條件以脫除掉至少一實質部份 的黏著劑。 59· —種薄膜模製物,其係用如申請專利範圍第58項 之方法所製成。 60·如申請專利範圍第58項之方法,其中該施加步驟 包括加熱薄膜模製物,同時將空氣通過薄膜模製物之上及 之內。 61·如申請專利範圍第60項之方法,其中該施加步驟 包括將薄膜的進料側維持在比穿透物側更大的壓力之下。 62·如申請專利範圍第61項之方法,其中該施加步驟 包括於第一溫度下加熱薄膜模製物歷時第一時間,且然後 於第二溫度下加熱薄膜模製物歷時第二時間,且進一步其 中第二溫度高於第一溫度。 63·如申請專利範圍第58項之方法,其進一步包括在 該施加步驟之前重複提供及黏著安裝的步驟多次。 64. —種薄膜模製物,其係用如申請專利範圍第63項 之方法所製成。 65. 如申請專利範圍第58項之方法,其中該支撐體包 括眾多篩網元件。 66. 如申請專利範圍第65項之方法,其中該方法進一 步包括黏著安裝至少一第一和第二篩網元件在一起以形成 該支撐體。 9 本紙張尺度適針酬家鮮(CNS)A4規格⑽X 297^爱1 '" --------^ ------— I— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495373 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 67. 如申請專利範圍第65項之方法,其中該支撐體包 括一內部篩網元件和一對外部篩網元件。 68. 如申請專利範圍第67項之方法,其中該方法進一 步包括黏著安裝外部篩網元件到內部篩網元件上。 69. —種薄膜模製物,其係用如申請專利範圍第68項 之方法所製成。 70. 如申請專利範圍第58項之方法,其中該支撐體用 來促使通過薄膜且進入收穫導管內的氣體槪括地平行及橫 越薄膜移動。 71· —種氫氣選擇性薄膜封套,其包括: 一氫氣選擇性薄膜區’其具有一進料側和一穿透物側 9 另一氫氣選擇性薄膜區,其具有一進料側和一穿透物 側,其中該薄膜區彼此以定距離隔開且以其穿透物側彼此 面向並界定一從其中延伸的收穫導管; 一篩網構造,其在收穫導管之內且用來支撐薄膜區的 穿透物側,其中篩網構造能促使通過薄膜區到達收穫導管 的氣體槪括地橫越及平行薄膜區的滲透物側移動,其中篩 網構造包括一內部篩網元件和一對網狀金屬篩網元件’其 係與內部篩網元件和薄膜區的滲透物側相隔開;及 一輸出口,經由此出口,可從收穫導管收取氣體。 --------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規掐Γ210 x 297公釐)
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI573761B (zh) * 2015-12-30 2017-03-11 中興電工機械股份有限公司 車輛氫氣除碳方法
TWI635893B (zh) * 2016-04-15 2018-09-21 中興電工機械股份有限公司 用於氫氣分離之膜組件及包含其之燃料處理器與燃料電池系統
TWI758779B (zh) * 2019-11-07 2022-03-21 新加坡商鑑鋒國際股份有限公司 一種以等離子處理氣體汙染物的裝置

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