TW563270B - Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same - Google Patents

Description

563270 玖、發明說明 發明所屬之技術領域 本發明之領域 本發明通常乃關於氫氣之純化、且更明確地係關於氫 氣之純化裝置、元件與含其之燃料處理與燃料電池系統。 先前技術 本發明之背景 純化氫氣可使用於許多產品的製造，其包括金屬、食 品脂肪與油類與半導體與微電子。對許多能量變換設備而 言，純化氫氣亦是一種重要的燃料來源。/例如燃料電池係 使用純化氫氣與氧化劑以製造電位。有各種不同的方法與 裝置可以用於製造被燃料電池所消耗之氫氣。不過，許多 氫氣製造方法係製造不純的氫氣物流，其亦可稱爲含有氫 氣之混合氣體物流。在將此物流輸送至燃料電池或燃料電 池堆之前，混合氣體物流需加以純化以移除不欲之雜質。 發明內容 本發明之槪要 本發明乃關於氫氣純化裝置、氫氣純化裝置之元件與 包括氫氣純化裝置之燃料處理與燃料電池系統。氫氣純化 裝置包括一含有分離組件之外罩，其用以接收含有氫氣之 混合氣體物流且從其製造含有純化或至少本質上爲純的氫 氣之物流'。分離組件包括至少一個氫氣可透過及/或氫氣選 擇性薄膜，且在某些具體實施例中包括至少一個薄膜包封 ，其包括一對在其間定義出採收導管且被支撐物所分離之 563270 大致上相對之薄膜區域。裝置包括一或多個從作爲薄膜或 多個薄膜之具有相似或相同熱膨脹係數之材料所形成之元 件。在某些具體實施例中，這些元件包括至少一支撐部分 、且在某些具體實施例中，這些元件包括至少一外罩部分 〇 對熟習該項技藝之人士在參考下述詳細之描述與所附 之圖式後將對本發明之許多其他特徵更爲淸楚，其中與本 發明之原則結合之較佳具體實施例係只以說明例之方式揭 示。 實施方式 本發明之詳細描述與最佳模式 一氫氣純化裝置係圖示說明於圖1中且通常係指示爲 10。裝置10包括一主體、或外罩12，其係定義出分離組件 20所放置之內部隔間18。含有氫氣26與其他氣體28之混 合氣體物流24係輸送至內部隔間。更明確地，混合氣體物 流係輸送至內部隔間之混合氣體區域30且與分離組件20 接觸。分離組件20包括可用於接收混合氣體物流且從其中 製造一滲透或富含氫氣之物流之任何適當的結構。物流34 典型上將含有純的或至少本質上爲純的氫氣。不過，物流 34可以至少在起始時亦包括承載或沖洗氣體元件亦是在本 發明之範疇中。 在說明之具體實施例中，通過分離組件之混合氣體物 流之部分係進入內部隔間之滲透區域32。混合氣體物流之 此部分將形成富含氫氣之物流34,且不通過分離組件之混 563270 合氣體物流之部分將形成副產品物流36,其將含有至少可 觀部分之其他氣體。在某些具體實施例中，副產品物流36 可以含有一部分存在於混合氣體物流中之氫氣。亦在本發 明範疇中的是分離組件可用以捕捉或是至少保有可觀部分 之其他氣體，當組件被替換、再生或再塡充時、其將被移 除而成爲副產品物流。在圖1中，物流24-28係以圖示說 明物流24-28之任一者可以包括超過一個之流進或流出裝 置10之真實物流。例如，裝置10可以接收數個進料物流 24、在與分離組件20接觸前已區分爲數個物流之單一物流 24、或只是輸送至隔間18之單一物流。 裝置10典型上係在高溫及/或壓力下操作。例如，裝 置10可以操作在常溫至700°C或更高之（選擇）溫度範圍中) 。在許多具體實施例中，選擇之溫度將是在200°C與 500°C之範圍中，在其他具體實施例中，選擇之溫度將是 在250°C與400°C之範圍中。且仍是在其他之具體實施例 中，選擇之溫度將是400°C±25°C、或50°C或75QC。裝置 10可以操作在每平方英吋約50磅與每平方英吋1000磅或 更高之（選擇）壓力範圍中。在許多具體實施例中，選擇之壓 力將是在每平方英吋50磅與每平方英吋250磅或每平方英 吋500磅之範圍中，在其他的具體實施例中，選擇之壓力 將低於每平方英吋300磅或低於每平方英吋250磅，且仍 是在其他之具體實施例中，選擇之壓力將是每平方英吋175 磅±每平方英吋25磅、或每平方英吋50磅或每平方英吋 75磅。結果，外罩必須充份地良好密封以達成且承受操作 563270 壓力。 應該瞭解的是對此處所使用之如溫度或壓力之操作參 數，術語’’選擇π係指定義或預決定之臨限値或數値範圍， 且裝置10與任何相關之元件係配置以操作在這些選擇之數 値下或中。爲了進一步說明，選擇之操作溫度可以是高於 或低於特定溫度、在特定之溫度範圍中、或對特定之溫度 係在定義之容忍度中，例如爲特定溫度之5%、10%等之操 作溫度。 在裝置是操作在高操作溫度下之氫氣純化裝置之具體 實施例中，熱量需要施加至裝置以提昇裝置之溫度至選擇 之操作溫度。例如，此熱量可以藉任何適當之加熱組件42 以提供。加熱組件42之說明例曾圖示說明於圖1中。應該 瞭解的是組件42可以具有任何適當之形式，包括混合氣體 物流24本身。其他適當之加熱組件之說明例包括一或多個 電阻加熱器、可製造加熱過之排氣物流之加熱爐或其他燃 燒區域、與非混合氣體物流24等之加熱流體物流熱交換。 當加熱爐或其他燃燒室被使用時，將會消耗燃料物流，且 副產品物流36可以形成此燃料物流之全部或一部分。在圖 1之42’中，曾圖示表示以說明加熱組件可以輸送在裝置10 外部、例如在包圍或至少部份包圍外罩之套筒內之加熱過 之液體物流，其係藉延伸進入外罩或通過外罩之物流、或 藉傳導、例如以電阻加熱器或其他可輻射或傳導電能所產 生之熱量之裝置。 用於分離組件20之適當結構是一或多個氫氣可透過及 10 563270 /或氫氣選擇性薄膜46。〕薄膜可以是由任何適合使用於純化 裝置1〇所操作之操作環境與參數之氫氣可透過之材料所形 成。薄膜46之適當材料之例子係包括鈀與鈀合金、尤其是 此金屬與金屬合金之薄膜'。鈀合金已證明特別有效’尤其 是具有35重量％至45重量°/。銅之纟E ’例如是含有4G重量 %銅之薄膜。這些薄膜典型上是從約0·001英吋厚之薄箱片 所形成。不過，亦在本發明範H壽中可以從#他氫 氣可透過及/或氫氣選擇性材料所形成’包括非上述所討論 之金屬與金屬合金以及非金屬材料與組成物’且薄膜可以 具有高於或低於上述所討論者之厚度。例如’薄膜可以製 作成更薄以配合增加氫氣之通量°降低1薄肖吴厚度之適當機 制之例子係包括輾壓、濺散與蝕刻。適當之蝕刻方法係揭 示於美國專利第6，152,995號中’其全部之揭示係收錄於此 以完全作爲參考之用。各種不同之薄膜、薄膜組態與其之 製備方法之例子係揭示於美國專利第6,221，117號與美國專 利申請案第09/812,499號中’其全部之揭示係收錄於此以 完全作爲參考之用。 用於薄膜46之適當組態之說明例子係顯示於圖2中。 如所示，薄膜46包括定向以接觸混合氣體物流24之混合 氣體表面48，以及通常與表面48相對之滲透表面50。亦 顯示在52是底座之圖示表示’其可以是用於支撑及/或放 置薄膜或隔間1 8中之其他分離組件之任何適當之結構。上 述所引入之專利與專利申請案亦揭示適當之底座52之說明 例子。在46,處，薄膜46係以箔片或薄膜說明。在46"處， 563270 薄膜係藉底下之支撐物54以支撐，其例如爲篩網或擴充之 金屬篩網或陶瓷或其他之多孔性材料。在46”’處，薄膜係 在多孔性元件56上塗覆或形成或黏合至其上。應該瞭解的 是上述所討論之薄膜組態已圖示說明於圖2中，且不可意 圖去代表本發明範疇中之每一個可能組態。 例如，雖然圖2中所說明之薄膜46係具有平面之組態 ，但薄膜46可以具有非平面之組態亦是在本發明之範疇中 。例如，薄膜之形狀可以至少部份藉薄膜被支撐及/或形成 之支撐物54或元件56之形狀以定出。同樣地，薄膜46可 以具有凹、凸或其他非平面之組態，尤其是當裝置10是操 作在高壓時。如另外一個實例，|薄膜46可以具有管狀之組 態，如圖3與4中所示。〗 管狀薄膜之實例係顯示在圖3中，其中混合氣體物流 係輸送至薄膜管之內部。在此組態中，薄膜管之內部定義 出內部隔間之區域30,以及擺在管子外部之隔間之滲透區 域32。額外之薄膜管係以虛線顯示於圖3中，以圖示表示 裝置10可以包括超過一個之薄膜及/或超過一個之混合氣 體表面48亦是在本發明之範疇中。就是在本發明之範疇中 的是裝置10亦可以包括超過二個之薄膜，且薄膜之相對間 距及/或組態亦可以改變。 包括管狀薄膜之氫氣純化裝置10之另外一個實例係顯 示於圖4中。在此說明組態中，裝置10係配置以使混合氣 體物流輸送至薄膜管或管外部之隔間18中。在此一組態中 ，薄膜管之混合氣體表面是在對應之滲透表面之外部，且 12 563270 滲透區域係位於薄膜管或管之內部。 管狀薄膜可以具有各種不同之組態與構造，如上述關 於圖2所示之平面薄膜所討論者。例如，各種不同之底座 52、支撐物54與多孔元件56之說明例係顯示於圖3與4 中，包括曾圖示說明過之彈簧58。其進一步是在本發明範 疇中的是管狀薄膜可以具有非圖3所示之直圓筒管之組態 。其他組態之例子係包括U形管與螺旋線或螺線管。 根據討論，外罩12定義出其中分離組件20所放置之 加壓隔間18。在圖2-4所示之具體實施例中，外罩12包括 一對藉周邊外殻62所結合之末端板60。應該瞭解的是裝置 10曾圖示說明於圖2-4中以顯示裝置之一般元件之代表實 例、而非限制在幾何形狀、形狀與大小上。例如，末端板 60典型上是較周邊外殻62壁爲厚，但此並非必須的。同樣 地，末端板厚度可以大於、小於或等於末端板間之距離。 在另外之實例中，爲說明之目的，薄膜46之厚度曾誇大。 在圖2-4中，可以看到混合氣體物流24係經由輸入口 64輸送至隔間18，富含氫氣（或滲透）之物流34係經由一或 多個產品出口 66以從裝置10移除，且副產品物流係經由 一或多個副產品出口 68以從裝置10移除。在圖2中，所 示之出入口係延伸穿過各種不同之末端板以說明在外罩12 上氣體物流輸送至裝置10且從裝置10移除之特定位置是 可以改變的。亦是在本發明範疇中的是一或多個物流可以 穿過外殼62以輸送或取出，如圖3中之虛線所說明。進一 步在本發明範疇中的是出入口 64-68可以包括或與流量調 13 563270 節及/或耦合結構一起結合。這些結構之例子包括一或多個 閥門、流量與壓力調節器、連接器或其他配件及/或歧管組 件，其係建構以永久或選擇地將裝置10與上流或下游之元 件流動連接。爲了說明之目的，這些流量調節及/或耦合結 構在圖2中通常係以70指示。爲了簡化之目的，結構70 並未在每個具體實施例中說明。但應該瞭解的是對用於裝 置10之特定具體實施例之某些或所有的出入口可以包括任 何或所有的這些結構，每一個出入口不需要具有相同的任 一個結構70，且在某些具體實施例中、二或多個出入口可 以共用或集體地使用結構70,例如爲共用之收集或輸送歧 管、釋壓閥、液體流量閥等。 末端板60與周長外殼62係藉保留結構72以固定在一 起。結構72是可以在裝置10所使用之操作參數與條件下 能夠以液體密封或本質上液體密封之組態維持外罩12之元 件在一起之任何適當之形式。適當之結構72之例子包括焊 接74與螺栓76，如圖2與3中所示。在圖3中，所顯示之 螺栓76係延伸穿過從欲結合之外罩12之元件所延伸出之 法蘭78。在圖4中，所顯示之螺栓76係延伸穿過隔間18 。應瞭解的是螺栓之數目係可以改變的，且典型上將包括 數個螺栓或在外罩18周長附近延伸之相似固應機制。螺栓 76應該選擇可以承受裝置10之操作參數與條件，包括當裝 置10加壓時施加至螺栓之張力。 在圖3與4之下半部中，塡塞物80係顯示以說明外罩 12可以、但並非必須包括密封元件82，其係互相連接或連 14 563270 結欲連結之表面以提高外罩之防漏性。當使用在裝置之操 作參數與操作條件下時，密封元件應選擇以降低或消除洩 漏。因此，在許多具體實施例中應該選擇高壓及/或高溫之 密封。此密封結構之說明、非排他性實例是石墨塡塞物、 例如Union Carbide公司以商標名GRAFOILTM所銷售者。 如此處所用，”密封元件"與"封閉元件’’係指施加至金屬末端 板與外殻（或外殼部分）上、放置至金屬末端板與外殼（或外 殼部分）其間、或與其接觸之結構或材料以提高其間所建立 之密封。塡塞物或其他封閉元件亦可以使用於內部隔間18 ，以提供相鄰薄膜、液體導管、底座或支撐物、及/或上述 任何者與外罩12內表面間之密封。 在圖2-4中，示範之外罩係包括一對末端板60與外殼 62。參考圖4,可以看出末端板係包括密封區域90,其係 與對應之外殻62之密封區域92形成一界面94。在許多具 體實施例中，末端板60之密封區域將是周邊區域，且因此 密封區域90在此處將通常稱爲末端板之周邊區域90。不過 ，如此處所使用，周邊區域係指末端板通常沿著中央區域 延伸之區域，且其會與外罩之一部分形成界面，甚至可能 會有突出超過此周邊部分之末端板的額外部分或邊緣。同 樣地，外殼62之密封區域92典型上是外罩之末端區域。 因此，外罩之密封區域在此通常係稱爲外罩之末端區域92 。不過，亦在本發明範疇中的是末端板60可以具有向外突 出超過密封區域90之部分且與外殻62形成界面94，且外 殻62可以具有突出超過末端板60之區域且與其形成界面 15 563270 。爲了圖示說明之目的，這些部分在圖4中係以虛線說明 在91與93中。 對藉分開之周邊外殼62所結合之一對末端板60之替 代物，外罩12可以包括至少與一或兩個末端板部份整合之 外殻。例如在圖5中，外殻62之部份63係與每一個末端 板60 —體成型。以另外一種方式描述，每一個末端板60 包括從末端板之周邊區域90延伸之外殻部分或軸環63。如 所示，外殼部分係包括與界面94相交之末端區域92。在說 明之具體實施例中，彼此鄰接之末端區域並未有重疊之區 域；不過，亦是在本發明範疇中的是界面94可以具有其他 之組態，例如那些隨後所說明及/或描述者。末端區域92 係經由任何適當之機制以固定在一起，例如是任何前述所 討論之保留結構72，且除了末端區域之結合表面92外，可 以（但並非必須）包括一密封元件82。 與至少一個末端板一體成型之外殻62之利益爲外罩具 有較少之必須密封之界面。此利益可以藉降低洩漏以實現 ，此係由於降低會失誤之密封數目、較少之元件及/或降低 裝置10之安裝時間所造成。用於外罩12之此一結構之另 外一個實例係如圖6所示，其中外殼62係與末端板之其中 之一一體成型，且外殻部份63係從末端板之其中之一之周 邊區域90整合延伸。外殼部份63包括經由任何適當之保 留結構72、如上所描述者、以與其他末端板之周邊區域90 形成界面94之末端區域92。在圖5與6中所顯示之合倂之 末端板與外殻元件可以經由任何適當之機制以形成、包括 16 563270 從固體棒材或塊材機器製造。爲了簡化之目的，分離組件 2〇與輸入與輸出口並未在圖5與6中說明且只有顯示適當 之保留結構72之說明、非排他性實例。類似於此處所說明 與描述之另外一個外罩’應該瞭解的是外罩之相對大小可 以加以改變且仍是在本發明之範疇中。例如，外殻部份63 可以具有較圖5與ό中所說明者較長或較短之長度。 在進行末端板60之額外說明組態前’應澄淸的是此處 所使用與裝置1 〇之外罩關聯之術語π界面”係用以指在外罩 12之部分間延伸之互相連接與密封區域’外罩12之部分係 分開地形成且其後固定在一起、例如（但並非必須）則述所討 論之保留結構72之其中之一。界面94之特定幾何形狀與 大小將是可以改變的，例如根據所結合之元件之大小、組 態與性質。因此，界面94可以包括在對應之末端區域與周 邊區域間所形成之金屬對金屬的密封、在對應之一對末端 區域間所形成之金屬對金屬的密封、金屬對塡塞物（或其他 密封元件82)及對金屬的密封等。同樣地’界面可以具有各 種不同之形狀、包括線形、弓形與直線構成之組態’其主 要是藉由結合在一起之元件之形狀與相對應之位置來定義 〇 例如在圖6中’界面94係在外殼部份63之末端區域 92與末端板60之周邊區域90間延伸。如所示’區域90與 92係以平行之邊緣相交。根據討論，塡塞物或其他之密封 元件可以在這些邊緣間延伸。在圖7_10中’顯示在本發明 範疇中之額外界面94的非排他性例子。包括在相鄰之外殼 17 563270 區域之間形成界面94之外罩12的具體實施例亦可以具有 這些組態中的任何一個。在圖7中，周邊區域90係定義一 凹處或角落，外殼62之末端區域92係延伸進入其中以形 成沿著此角落延伸之界面94。亦顯示於圖7中者是末端板 60之中央區域96，其係在外殻62中延伸且與其定義出重 疊區域。 在圖8中，周邊區域90係定義出一通常開口朝向隔間 18之角落，而與圖7之角落相反，圖7爲通常開口背對隔 間18。在圖8所示之組態中，周邊區域90包括至少部份沿 著外殻62之外部表面100延伸以定義出重疊區域之軸環部 份98。以實線顯示之板60之中央區域96係沿著末端區域 92延伸而非延伸進入外殻62中，以虛線延伸進入外殻62 中，且以點虛線包括至少部份沿著外殻60之內部表面104 延伸之內部支撐物102。圖9與10類似於圖7與8，差別 處爲周邊區域90與末端區域92係彼此以螺紋接合，且因 此包括對應之螺紋106與108。在圖9之虛線中，其係顯示 一末端板60之周邊區域90之適當組態之額外實例。如所 示，末端板之外部邊緣110並未徑向（或向外地）延伸至或超 過外殻62之外部表面。 應該瞭解的是這些界面中之任何一個都可以與根據本 發明所建構之外罩一起使用。不過，爲了簡化之目的，外 罩12之每一個具體實施例將不會與每一個這些界面一起顯 示。因此，雖然隨後描述於圖11-31中顯示之末端板係與 圖7之界面組態一起顯示，亦在本發明範疇中的是末端板 18 563270 與對應之外殼可以配置成具有此處所描述及/或說明之任何 一種界面，以及具有與圖5與6說明有關之經整合的外殼 組態。同樣地，應該瞭解的是根據本發明所建構之裝置可 以具有此處所討論、描述及/或合併之外罩組態、界面組態 、保留結構組態、分離組件組態、流量調節及/或耦合結構 、密封元件組態與出入口組態之任何一個。同樣地，雖然 下述之末端板組態係以圓周說明，但亦是在本發明範疇中 的是末端板可以配置成具有任何其他幾何組態之周邊、包 括弓形組態、直線構成之組態，與角形組態以及彼等之組 合。 根據討論，裝置10與外罩12之大小亦可以變化。例 如，設計成裝設管狀分離薄膜之外罩可能需要比設計成裝 設平面分離薄膜之外罩更長（即在末端板間具有較大距離）可 提供相差不大之曝露於混合氣體物流之薄膜表面積（即相同 之有效薄膜表面積的數量）。同樣地，建構成裝設平面分離 薄膜之外罩傾向於較設計成裝設管狀分離薄膜之外罩爲寬（ 即具有通常平行於末端板所測量之較大的截面積）。不過， 應該瞭解的是這些關係都不是必須的，且裝置及/或外罩之 特定大小係可以改變的。可能影響外罩之特定大小之因數 包括欲安裝之分離組件之型式與大小、裝置將要使用之操 作參數、混合氣體物流24之流率、與裝置一起使用或在裝 置內部使用之例如爲加熱組件、燃料處理器等之裝置的形 狀與組態、以及在某些程度上使用者之偏好。 根據前述之討論，氫氣純化裝置可以在高溫及/或高壓 19 563270 下操作。此二操作參數將影響外罩12與裝置之其他元件之 設計。例如，考慮一在高於常溫之選擇操作溫度下操作之 氫氣純化裝置10、例如在400°c下操作之裝置。開始時， 包括外罩12與分離組件20必須從能夠承受所選擇之操作 溫度之材料來建構，且尤其是經歷延長之時間及/或重複之 加熱與冷卻循環。同樣地，暴露於氣體物流之材料較佳是 不會與氣體反應或至少不會有害地反應。一適當材料之實 例是不銹鋼，例如304型號不銹鋼，雖然其他亦可以使用 〇 除了上述所描述之熱與反應穩定性外，在選擇之高溫 下操作之裝置10將需要一或多個加熱組件42以將裝置加 熱至選擇之操作溫度。當裝置最初從停工或未加熱之狀態 下開始操作時，將會有起始或預熱階段以使裝置加熱至選 擇之操作溫度。在此過程中，裝置可能會製造含有超過可 接受程度之其他氣體的富含氫氣物流、與副產品物流相比 之下具有降低之流率的富含氫氣物流（意即較大百分比之氫 氣係以副產品而非產品之方式耗盡）、或甚至是完全沒有富 含氫氣物流。除了加熱裝置之時間外，吾人亦必須考慮的 是將裝置加熱至選擇溫度所需要之熱或熱量。加熱組件可 能會增加操作成本、材料成本、及/或裝置之設備成本。例 如，簡化之末端板60是具有均勻厚度之相當厚之平板。事 實上，具有0.5或0.75英吋均勻厚度之304型號不銹鋼板 已證明可有效地支撐且承受裝置10之操作參數與條件。不 過，這些板子的大小會對裝置10增加相當的重量，且在許 20 563270 多具體實施例中需要相當的熱量以加熱至所選擇之操作溫 度。此處所使用之術語”均勻厚度”係指裝置具有固定或至 少本質上固定之厚度，包括那些沿著其長度而在厚度上有 差異（低於5%)者。相反地且如此處所使用之”可變厚度”將 指至少改變10%、且在某些具體實施例中係至少25%、 40%或50%之厚度。 裝置10之操作壓力亦可以影響裝置10之設計，包括 外罩12與分離組件20。例如考慮一在每平方英吋175磅之 選擇壓力下操作之裝置。當在所選擇之壓力下操作時，裝 置10必須建構成能承受所遭遇之應力。此強度之需求將不 僅影響外罩12之元件間所形成之密封，且應力亦會施加至 元件本身。例如，末端板及/或外罩之歪斜或其他之變形可 能會造成隔間18中之氣體從外罩洩漏。同樣地’裝置之元 件歪斜及/或變形亦可會造成二或多個氣體物流24、34與 36之無意混合。例如，當承受裝置1〇所使用之操作參數時 ，末端板可能會塑形或彈性地變形。塑形變形會造成末端 板永久變形，其之缺點係顯而易見的。不過’彈性變形亦 會損害裝置之操作，因爲變形可能會造成內部及/或外部之 洩漏。更明確地，末端板或外罩12之其他元件之變形可能 會使氣體通過先前已存在之液體密峰的密封區域。根據討 論，裝置10可以包括塡塞物或其他之密封元件以降低追些 密封洩漏之傾向，不過塡塞物具有有限之尺寸，在其間其 可以有效地防止或限制表面間之洩漏。例如，在具體實施 例中，內部洩漏可能會發生在包括一或多個薄膜包封或薄 21 563270 膜板被壓縮在末端板（具或不具有塡塞物）之間。當末端板變 形且彼此偏斜遠離時，在那些區域中之板及/或塡塞物可能 不會處於變形前所存在之相同張力或壓力下。塡塞物或塡 塞物板可能會位於薄膜包封與相鄰之進料板、末端板、及/ 或其他相鄰之薄膜包封間。同樣地，塡塞物或塡塞物板亦 可以放置於薄膜包封中以提供包封中之額外洩漏防護。 根據上述，其可以看到有二或三個競爭因數會影響裝 置10。對於外罩12，當使用形成外罩之材料變厚時，外罩 之加熱需求將傾向於增加。就某些程度而言，使用較厚之 材料可以增加外罩之強度，不過其亦可能增加加熱與材料 之需求，且在某些具體實施例中與較薄之外罩相比，其實 際上將會產生較大應力所施加之區域。在末端板上檢測之 區域包括末端板之歪斜、尤其是在形成界面94之周邊區域 ，以及施加至末端板之應力。 例如考慮一從304型號不銹鋼形成且具有0.75英吋均 勻厚度之圓形末端板。此一末端板重7.5磅。含有此末端 板之氫氣純化裝置將暴露於400°C與每平方英吋175磅之 操作參數。每平方英吋最大25，900磅之應力係施加至末端 板上且具有0.0042英吋之最大歪斜，在周邊區域90處具 有0.0025英吋之歪斜。 根據本發明所建構之其他末端板60係顯示於圖11與 12中且通常標示爲120。如所示，末端板120具有內部與 外部表面122與124。內部表面122包括中央區域96與周 邊區域90。外部表面124具有中央區域126與周邊區域 22 563270 128，且在說明之具體實施例中，板120具有在內部與外部 表面之周邊區域90與128之間延伸的周邊130。如上所討 論，周邊區域90可以具有如上所說明或描述之任何一種組 態，包括其中密封區域係至少部份或完全地沿著周邊130 配置之組態。在所說明之具體實施例中，周邊130具有圓 形之組態。不過，亦在本發明範疇中的是其形狀是可以改 變的，包括直線與其他之弓形、幾何形狀、線性及/或有角 之組態。 不過，不像前述所說明之末端板，末端板之中央區域 在其內部與外部表面間是具有可變之厚度，其也許最佳係 顯示於圖12中。不像均勻之片材，板120之外部表面係具 有包括外部空腔、或移除區域132之中央區域126，其係延 伸進入板中且通常係朝向內部表面122之中央區域96。以 另外一種方式描述，末端板具有非平面之外部表面、且更 明確地具有其中中央區域之至少一部分爲延伸朝向末端板 之內部表面相對應之中央區域之外部表面。與不包括區域 132之類似建構之末端板相比，區域132可降低末端板之總 重。如此處所使用，移除區域132必須排除完全延伸穿過 末端板之出入口或其他之鑽孔。而是指區域132係延伸進 入、但未穿過末端板。 重量上之降低是指包括末端板之純化裝置10將比對應 之包括同樣建構、但未形成區域132之末端板的純化裝置 更輕。藉由重量上之降低亦可得到必須施加至末端板以將 末端板加熱至選擇操作溫度之熱（熱量）量的對應降低。在說 23 563270 明之具體實施例中，區域132亦可增加外部表面124之表 面積。與對應之末端板相比，可增加末端板之表面積、但 在所有具體實施例中並非必須增加末端板之熱傳表面，其 依次可以降低含有末端板120之裝置之加熱需求及/或時間 〇 在某些具體實施例中，板120亦可以描述成具有對應 至、或包括其中空腔不存在之同樣地建構之末端板上最大 應力區域之空腔。因此，當曝露於相同之操作參數與條件 下，與未具有區域132而形成之實心末端板相比，較低之 應力將施加至末端板120上。例如，在具有均勻厚度之實 心末端板上，最大之應力區域係發生在末端板120中之移 除區域132所佔據之末端板之部分。因此，具有區域132 之末端板可以額外或替代地被描述成具有應力緩和結構134 ，其中將會施加至末端板之最大應力區域已被移除。 爲比較之目的，考慮具有圖11與12所顯示之組態、 從304型號不銹鋼所形成且具有6.5英吋直徑之末端板120 。此組態對應至0.75英吋之最大板厚度以及具有3英吋長 度與寬度之移除區域132。當使用於400°C與每平方英吋 175磅下操作之裝置10中時，板120係具有施加至其上之 每平方英吋36,000磅之最大應力、0.0078英吋之最大歪斜 、在周邊區域90處0.0055英吋之位移以及5.7磅之重量。 應該瞭解的是上述所描述之大小與性質係用以提供根據本 發明之末端板所承受之重量、應力與位移之組合之說明實 例，且特定之周邊形狀、建構之材料、周邊大小、厚度的 24 563270 、移除區域形狀、移除區域深度與移除區域周邊全部都可 以在本發明之範疇中改變。 在圖11中，可以看見的是區域132(及/或應力緩和結 構134)具有通常爲正方形或直線所構成之組態且整齊地橫 過表面122與124。根據討論，亦可以使用其他幾何形狀與 大小且係在本發明之範疇中。爲說明此點，末端板120之 變形係顯示於圖13-16中且通常指示爲120’與120”。在這 些圖示中，所顯示之區域Π2具有圓形之周邊，且區域之 大小在圖13與14中較圖15與16中者爲小。 爲比較之目的，考慮具有在圖13與14中所顯示之組 態且具有與圖11以及12所顯示之末端板相同之建構材料 、周長與厚度之末端板120。 不過除了通常爲正方形之圖11與12之移除區域外， 末端板120’具有通常爲圓形之周邊以及3.25英吋之直徑之 移除區域。末端板120’具有與末端板120相同之重量，但 具有降低之最大應力與歪斜。更明確地，雖然末端板120 具有每平方英吋大於35,000磅之最大應力，但當承受上述 所討論之關於板120之操作參數時，末端板120’具有每平 方英吋低於30,000磅之最大應力，且在說明之組態中係每 平方英吋低於25,000磅。事實上，與板120相比，板120’ 在最大應力上係展示約35%之降低。板120’之最大與周邊 區域歪斜亦低於板120，且測量之最大歪斜係0.007英吋且 周邊區域90處之測量歪斜係0.0050英吋。 圖15與16中所顯示之末端板120”係類似於末端板 25 563270 120’，差別處爲區域132(及/或結構134)係具有3.75英吋、 而非3.25英吋之直徑。此移除區域大小之改變可將末端板 重量減少至5.3磅且得到相同之最大歪斜。末端板120”亦 展示每平方英吋低於25,000磅之最大應力，雖然約5%大 於末端板120’(每平方英吋24,700磅，相對於每平方英吋 23,500磅）。在周邊區域90處，末端板120”係展示0.0068 英吋之最大歪斜。' 在圖13-16中，顯示所說明之出入口組態。在圖13與 14中，以虛線顯示之出入口 138係從內部表面122穿過末 端板以延伸至外部表面124。因此，藉著此一組態，氣體物 流係經由裝置10之末端板之外部表面輸送或移除。在此一 組態中，液體導管及/或流量調節及/或耦合結構70典型上 將會從末端板之外部表面124突出。另外一個適當之組態 係在圖15與16中以虛線標示爲140。如所示，出入口 140 係從末端板之內部表面延伸然後穿過周邊Π0而非外部表 面124。因此，出入口 140准許氣體從末端板之周邊、而非 末端板之外部表面輸送或移除。應該瞭解的是出入口 64-68 可以具有藉出入口 138與140所說明之這些組態。當然， 出入口 64-68亦可以具有任何其他適當之出入口組態，包 括延伸穿過外殼62或外殼部分之出入口。爲了簡化之目的 ，在隨後所描述之許多末端板中，出入口將不會說明，正 如其未顯示於圖5與6中。 亦以虛線顯示於圖13-15者是引導結構144。引導結構 144係延伸進入隔間18且提供可以用於放置及/或排列例如 26 563270 爲薄膜46之分離組件20之支撐物。在某些具體實施例中 ，引導結構144本身可以形成用於分離組件之底座52。在 其他具體實施例中，裝置包括非引導結構144之底座。引 導結構可以與任何於此處所說明、合倂及/或描述之末端板 一起使用，不論是否任何此引導結構係以特定之圖示顯示 。不過，亦應該可以瞭解的是根據本發明之氫氣純化裝置 亦可以不用引導結構144而形成。在包括延伸進入或穿過 隔間18之引導結構144之裝置10之具體實施例中，此結 構之數目可以從單一支撐物變化至二或多個支撐物。同樣 地，雖然引導結構144係以圓筒形彎樑或突出物以說明， 但其他之形狀與組態亦可以在本發明之範疇中使用。 :引導結構144可以從與相對應之末端板相同之材料來 形成。額外或選用地，引導結構可以包括塗覆物或不同材 料層。引導結構144可以與末端板呈分開之形成且隨後連 結至其上，與其一體成形。引導結構144可以藉任何適當 之機制連結至末端板上，包括將引導結構連結至末端板之 內部表面上、將引導結構插入從末端板之內部表面部份延 伸穿過末端板之鑽孔中、或將引導結構插入完全延伸穿過 末端板之鑽孔中。在末端板包括完全延伸穿過末端板（爲了 說明之目的，其係圖解說明於圖14之146中）之鑽孔之具 體實施例中，引導結構可以隨後附著至末端板上。此外， 引導結構可以插入穿過隔間18直到分離組件適當地分配且 固定於其中，且然後引導結構可以移除，且將鑽孔密封（例 如藉由焊接）以避免洩漏。: 27 563270 在圖17與18中，顯示根據本發明所建構之其他末端 板60且通常標示爲150。除非另有敘述，否則應該瞭解的 是末端板150可以具有如此處所顯示、描述及/或合倂之任 何其他末端板之任何一個元件、次元件與變形。類似於末 端板120’，板150包括具有移除區域132(及/或應力緩和結 構134)之外部表面124且具有直徑爲3.25英吋之圓周。外 部表面124進一步包括從中央區域126延伸至周邊部份128 之外部移除區域152。外部移除區域152之厚度隨其接近周 邊130而減小。在說明之具體實施例中，區域152具有通 常爲線性遞減之厚度，雖然其他線性與弓形之變化亦可以 使用。例如，末端板150之變化顯示於圖19與20中且通 常係標示爲150’。末端板150’亦包括中央與外部移除區域 132與152，且外部表面124具有當其從中央區域126延伸 至周邊區域128時通常爲半超環面之組態。爲了說明區域 132(其亦將會稱爲一中央的移除區域，例如當在一末端板 上具體表達亦包括一外部的移除區域）之大小可以變化，末 端板1501包括具有3英吋直徑之中央移除區域。 爲了比較之目的，與末端板120、1201與120”比較，末 端板150與150’兩者皆具有降低之重量。板150係重4.7 磅，且板150’係重5·1磅。當承受上述所討論之操作參數 (400°C與每平方英吋175磅）時，末端板150與150’兩者皆 承受每平方英吋25,000磅或更少之最大應力，且板150’具 有較板150低5%之應力（每平方英吋23,750磅對每平方英 吋25,000磅）。板的最大歪斜分別是0.0098英吋與0.008 28 563270 英吋，且在周邊區域90處之位移分別是0.0061英吋與 0.0059 英吋。 根據本發明所建構之其他末端板60係顯示於圖21-24 中且通常標示爲16〇。除非另有敘述，末端板160可以具有 如此處所說明、描述及/或合倂之其他末端板之元件、次元 件與變形。末端板160可以稱爲構架硬化之末端板，因爲 其包括從末端板之外部表面124延伸之構架組件162。如所 示’末端板160具有通常爲平面組態之底板164，類似於圖 2一5中所顯示之末端板。不過，構架組件162可以、但未必 須使底板可以具有較薄之構造且仍然可提供相當、若未降 低之最大應力與歪斜。在本發明範疇中的是此處所說明、 插遮及/或合倂之任何一個其他之末端板亦可以包括構架組 件 162。 樽架組件162係從底板164之外部表面124延伸且包 數個從外部表面I24延伸之突出彎樑1 %。在圖Ζ1_24中 ’以看到的是彎樑166係沿著表面124徑向間隔。九根 變橡Ί /Γ — 6係於圖21與23中，但亦是在本發明範疇中 、疋構架組件162可以以更多或更少之彎樑形成。同樣地 在β兌明之具體實施例中，彎樑166係具有弓形之組態， 、匕括在彎樑與表面124間延伸之法蘭168。法蘭168亦可 ^插述成熱傳鰭片，因爲其將可觀之熱傳面積加入至末端 反中。構架組件162進一步包括互相連接彎樑之張力環ι7〇 如所示，環Π0通常係平行表面底板164延伸且具有開 放之中央區域Π2。環Π0可以以封閉或內部或外部突出之 29 563270 中央部分形成而不偏離本發明。爲了說明此點，在圖21中 以虛線顯示之元件174係延伸穿過環170。同樣地，環170 可以具有非圖21-24中所顯示之圓形組態之組態。作爲進 一步之替代例，底板164曾以部份虛線顯示於圖22中以圖 解說明底板可以具有多種組態，例如那些在此處所描述、 說明與合倂者，包括所顯示之若虛線區域已移除之組態。 末端板160可以額外或選用地描述成具有支撐物170， 其以隔開之關係延伸超過底板164之外部表面124且其用 來提供額外之硬度及/或強度給底板。末端板160之其他額 外或替代之描述是末端板包括延伸離開底板之外部表面之 熱傳結構162，且熱傳結構包括與表面124隔開之表面170 以使加熱液體物流可以從表面間通過。 構架組件162亦可以爲歪斜緩和結構之實例，因爲其 會降低若底板164未具備以構架組件形成時所發生之歪斜 。同樣地，構架組件162亦可以提供應力緩和結構之其他 實例，因爲其會降低施加至底板上之最大應力。此外，構 架組件之開放設計可以增加底板之熱傳面積、而不會顯著 地增加底板之重量。' 繼續末端板間之前述比較，板160係承受與前述所描 述之末端板相同之操作參數。施加至底板164之最大應力 是每平方英吋1〇,〇〇〇磅或更少。同樣地，底板之最大歪斜 是0.0061英吋，且在周邊區域90處之歪斜是0.0056英吋 。應該注意的是，底板160達成此最大應力上之顯著降低 且只重3.3磅。同樣地，底板164承受較小之最大位移與 30 563270 相差不多或降低之周邊位移、但卻只是0.25英吋厚之底板 。當然，板160亦可以較厚之底板建構，但是測試板已證 明在其所使用之操作參數下具有足夠堅固與堅硬。 根據討論，外罩12可以包括一對末端板60與一個周 邊外殻。在圖25中，由一對末端板160所形成之外罩12 之實例係爲了說明之目的而顯示且通常標示爲180。雖然外 罩180具有一對構架硬化之末端板160，但亦是在本發明範 疇中的是外罩可以具有不同構造及/或組態之末端板。事實 上，在某些操作環境中，形成具有二個不同類型末端板之 外罩12是有益的。在其他方面，末端板具有相同之構造是 有益的。 在圖26與27中顯示外罩12之另外一個實例且通常標 示爲190且包括末端板120”’。末端板120”’具有類似於圖 13-16之組態，差別處爲所顯示之移除區域132具有4英吋 之直徑以進一步說明移除區域之形狀與大小是可以在本發 明之範疇中改變。兩個末端板包括整體從其延伸出之外罩 部分63以說明此處所說明、描述及/或合倂之任何一個末 端板皆可以包括整體從其延伸出之外罩部分63。爲了說明 此處所說明、描述及/或合倂之任何一個末端板可以包括構 架組件（或熱傳結構）162及/或突出支撐物170或歪斜緩和 結構，所顯示之元件194係以隔空之組態從末端板之外部 表面124突出越過移除區域132。； 亦是在本發明範疇中的是外罩12可以包括延伸進入隔 間18中之應力及/或歪斜緩和結構，其係相對於或加上從 31 563270 末端板之外部表面延伸之對應結構。在圖28-30中，所顯 示之末端板60係用於說明這些結構之例子。例如在圖28 中，末端板60包括從末端板之內部表面122延伸進入末端 板之移除區域132。應該瞭解的是區域132可以具有此處關 於從底板之外部表面延伸之移除區域所描述、說明及/或合 倂之任何一個組態。同樣地，在圖28中之虛線170，所顯 示之支撐物係延伸穿過區域132以對末端板提供額外之支 撐物及/或硬度。在圖29中，末端板60包括內部支撐物 196,其用來延伸進入隔間18以將末端板與隔間另一端之 相對應末端板互相連接。根據討論，引導結構144可以形 成此一支撐物。在圖30中，顯示內部突出之構架組件162 〇 雖然對本發明爲非必須或必要的，但在某些具體實施 例中，由與末端板60爲相同材料之均勻厚度的固體片材所 形成且曝露於相同操作參數下之末端板相比，包括末端板 60之裝置10可以展示下述性質或性質組合之至少其中之一 -突出之構架組件； -內部突出之支撐物； -外部突出之支撐物； -外部之移除區域； -內部之移除區域； -整體外殻部分； -整體外殻； -降低質量且降低最大應力； 32 563270 -降低質量且降低最大位移 -降低質量且降低周邊位移 -降低質量且增加熱傳面積 -降低質量以及內部突出之支撐物； -降低質量以及外部突出之支撐物； -降低最大應力且降低最大位移； -降低最大應力且降低周邊位移；

-降低最大應力且增加熱傳面積； -降低最大應力以及突出之構架組件； -降低最大應力與移除區域； -降低最大位移且降低周邊位移； -降低最大位移且增加熱傳面積； -降低周邊位移且增加熱傳面積； -降低周邊位移以及突出之構架組件； -降低周邊位移與移除區域；

-質量/最大位移比値是低於1500磅/平方英吋磅； -質量/最大位移比値是低於1000磅/平方英吋磅； -質量/最大位移比値是低於750磅/平方英吋磅； -質量/最大位移比値是低於500磅/平方英吋磅； -質量/周邊位移比値是低於2000磅/平方英吋磅 -質量/周邊位移比値是低於1500磅/平方英吋磅 -質量/周邊位移比値是低於1〇〇〇磅/平方英吋磅 _質量/周邊位移比値是低於800磅/平方英吋磅； -質量/周邊位移比値是低於600磅/平方英吋磅； 33 563270 -截面積/質量比値至少是6平方英吋/磅； -截面積/質量比値至少是7平方英吋/磅；及/或 -截面積/質量比値至少是10平方英吋/磅。 如所討論，外罩12含有一個用於安裝分離組件20之 內部隔間18，以使一或多個分離薄膜46藉適當之底座52 以支撐在外罩中。在圖2與4所顯示之說明例子中，分離 薄膜46係描述成獨立之平面或管狀薄膜。亦是在本發明範 疇中的是薄膜可以成對安置以在其間定義出滲透區域32。 在此一組態中，薄膜對可以稱爲薄膜包封，在其間可定義 出形式爲獲取導管、或流動路徑之共用滲透區域32，其係 在其間延伸且從此可以收集富含氫氣之物流34。 薄膜包封之實例是顯示於圖31中且通常係標示爲200 。應該瞭解的是薄膜對可以具有多種適當之形狀、例如爲 平面包封與管狀包封。同樣地，薄膜可以獨立地支撐，例 如係關聯至末端板或沿著中央通道。爲了說明之目的，下 述之描述與相關之說明將描述包括一或多個薄膜包封200 之分離組件。應該瞭解的是形成包封之薄膜可以是二個分 離之薄膜、或可以是單一之薄膜，其係藉摺疊、捲製或其 他之配置以定義出二個薄膜區域、表面202以及朝向彼此 以於其間定義出富含氫氣之滲透氣體可以從其中被收集且 取出之導管204的滲透表面50。導管204本身可以形成滲 透區域32、或根據本發明之裝置1〇可以包括數個薄膜包封 200與集體定義滲透區域32之對應導管204。 爲了支撐薄膜以抵抗高進料壓力，使用支撐物54。支 34 563270 撐物54應可使氣體穿過滲透薄膜46以流過其中。支撐物 54包括表面211，薄膜之滲透表面50係緊靠其以支撐。在 一對薄膜形成薄膜包封之範疇中，支撐物54亦可以描述成 定義出獲取導管204。在導管204中，滲透氣體較佳是可以 同時正交與平行氣體通過之薄膜表面，例如圖31中所圖示 說明。至少本質上爲純化氫氣之滲透氣體可以然後從包封 中獲取或取出以形成富含氫氣之物流34。因爲薄膜緊靠著 支撐物放置，較佳是支撐物不會阻隔氣體流經氫氣選擇薄 膜之流動。未通過薄膜之氣體將形成一或多個副產品物流 3 6，如圖3 1中所圖示說明。 、用於薄膜包封200之適當支撐物54之實例係如圖32 所示之形式爲篩網結構210者。篩網結構210包括數個篩 網元件212。在說明之具體實施例中，篩網元件包括夾在細 網目篩網216間之粗網目篩網214。應該瞭解的是術語”細” 與’’粗’’是比較之術語。較佳地是選擇外部篩網元件以支撐 薄膜46而不會刺穿薄膜且在操作裝置10之操作條件下不 會具有足夠之孔洞、邊緣或其他之突出物而因此可能刺穿 、弱化或損害薄膜。因爲篩網結構需要提供通常平行薄膜 之滲透氣體之流動，其較佳使用相當粗糙之內部篩網元件 以提供提高、或較大之平行流動導管。換句話說，較細網 目篩網可提供薄膜較佳之保護，而較粗網目篩網可提供通 常平行薄膜之較佳流動且在某些具體實施例中可以被選擇 成與較細網目之篩網相較下具有更硬或較不具有彈性。 篩網元件可以是相似或相同之構造且可以較圖32所示 35 563270 者使用更多或更少之篩網元件。較佳是支撐物54是從抗腐 蝕性材料所形成，該抗腐蝕性材料不會損害氫氣純化裝置 以及與裝置10 —起使用之其他裝置的操作。用於金屬篩網 元件之適當材料之例子包括不銹鋼、鈦與其之合金、锆與 其之合金、抗腐蝕性合金、包括例如爲800HTM之 InconelTM合金、與HastelloyTM合金、以及例如爲MonelTM 之銅與鎳之合金。1^8〖611〇7^與InconelTM合金是以鎳爲基 礎之合金。InconelTM合金典型上含有摻雜鉻與鐵之鎳合金 。M〇nelTM合金典型上是鎳、銅、鐵與錳之合金。用於支撐 物54之結構之額外例子包括多孔性陶瓷、多孔性碳、多孔 性金屬、陶瓷泡沬、碳泡沫與金屬泡沬，可以是單獨的或 與一或多個篩網元件212組合。作爲另外一個實例，篩網 元件之某些或全部可以從擴充金屬形成而非編織網目材料 〇 在薄膜包封之製造過程中，可以使用膠黏劑以將薄膜 46固定至篩網結構及/或將篩網結構210之元件固定在一起 ，如在上述所引述之美國專利申請案第09/812,499號中.更 詳細地討論。爲了說明之目的，膠黏劑在圖32中通常係以 虛線218標示。適當膠黏劑之實例是3M以商標名SUPER 77所銷售者。典型上在薄膜包封製造後，膠黏劑至少在本 質上、即使並非完全移除，避免干擾薄膜包封之穿透率、 選擇性與流動路徑。從薄膜及/或篩網結構或其他支撐物上 移除膠黏劑之適當方法之實例是在裝置10操作前先將其曝 光在氧化條件下。氧化條件之目的是燒光膠黏劑而不會過 36 563270 度地氧化鈀合金薄膜。用於此氧化之適當程序係揭示在上 述所引述之專利申請案中。 包括篩網結構210之支撐物54可以包括表面71上之 塗覆物219，其係與薄膜46咬合，如圖32中之點虛線所示 。適當塗覆物之例子包括氧化鋁、碳化鎢、氮化鎢、碳化 鈦、氮化鈦與其之混合物。這些塗覆物通常之特性爲其對 氫氣存在下之分解是熱穩定的。適當之塗覆物係從例如爲 氧化物、氮化物、碳化物或金屬與金屬元素化合成之化合 物材料所形成，其可以應用來作爲塗覆物且其在氫氣純化 裝置將操作之操作參數（溫度、壓力等）下，對氫氣存在下之 分解是熱穩定的。將此塗覆物施加至篩網或擴充金屬篩網 元件上之適當方法包括化學氣相沉積法、濺鍍法、熱蒸發 法、熱噴灑法，以及在至少氧化鋁之例子中，金屬（例如爲 鋁）沈積後跟隨金屬氧化作用以產生氧化鋁。在至少某些具 體實施例中，塗覆物可以描述成避免氫氣選擇性薄膜與篩 網結構間之金屬與金屬元素間之擴散。 此處所描述、說明及/或合倂之氫氣純化裝置10可以 包括一或多個薄膜包封200、典型上連同適當之輸入與輸出 口，混合氣體物流係穿過其中輸送且富含氫氣與副產品物 流是從其中移除。在某些具體實施例中，裝置可以包括數 個薄膜包封。當分離組件包括數個薄膜包封時，其可以包 括互相連接包封之液體導管，以將混合氣體物流輸送至此 、從其中取出富含氫氣之物流、及/或取出未從混合氣體區 域30穿過薄膜之氣體。當裝置包括數個薄膜包封時，來自 37 563270 第一薄膜包封之滲透物流、副產品物流或兩者可以送至另 外一個薄膜包封以進一步純化。包封或數個包封與其相關 之出入口、支撐物、導管等可以稱爲薄膜模組220。 使用在特定裝置10之薄膜包封200之數目係根據混合 氣體物流24之進料流速。例如，含有4個包封200之薄膜 模組220已證明對以20升/分鐘之流速輸送至裝置10之混 合氣體物流係有效的。當流速增加時，薄膜包封之數目通 常可以例如線性之關係增加。例如，用來接收30升/分鐘 流速之混合氣體物流24之裝置10較佳是包括6個薄膜包 封。不過，提供這些示範之包封數目以用於說明之目的， 且可以使用較多或較少之包封數目。例如，可能影響所使 用之包封數目之因數包括氫穿過薄膜之通量、薄膜之有效 表面積、混合氣體物流24之流速、富含氫氣物流34之所 欲純度、氫氣從混合氣體物流24移除之所欲效率、使用者 之偏好、裝置10與隔間18之可得大小等。 較佳、但並非必須地是與薄膜包封200合倂之篩網結 構薄膜可以包括框架元件230或板，其用來密封、支撐及/ 或互相連接薄膜包封。適當之框架元件230之說明實例是 如圖33所示。如所示，篩網結構210係安裝在形式爲滲透 框架232之框架元件230之內部。篩網結構與框架232可 以集體地稱爲篩網板或滲透板234。當篩網結構210包括擴 充金屬元件時，擴充金屬篩網元件可以安裝在滲透框架232 之內部或在框架表面上至少部份地延伸。框架元件230之 額外實例包括支撐框架、進料板及/或塡塞物。在含有二或 38 563270 較多薄膜包封之分離組件20之具體實施例中，這些框架、 塡塞物或其他之支撐結構亦可以、至少部份定義出互相連 接薄膜包封之流體導管。適當塡塞物之例子是有彈性之石 墨塡塞物，包括Union Carbide以GRAFOILTM之商標名所 銷售者，不過其他材料亦可以使用，例如根據裝置10所使 用之操作條件。 繼續示範框架元件230的上述說明，滲透塡塞物236 與236,係附著至滲透結構232，較佳但非必須是藉使用膠黏 劑之其他薄塗覆。然後，薄膜46係靠著篩網結構210以支 撐及/或使用膠黏劑之薄塗覆以連結至篩網結構210,例如 係藉由將膠黏劑噴灑或施加至薄膜及/或篩網結構之其中之 一或兩者。應該小心以確定薄膜是平坦的且堅實地附著至 對應之篩網元件212上。進料板、或塡塞物238與238,係 選用地附著至塡塞物236與236,上，例如藉由使用膠黏劑 之其他薄塗覆。所生成之薄膜包封200然後係例如藉適當 之底座52以放置在隔間18中。選用地是，二或多個薄膜 包封可以在隔間1 8中堆疊或一起支撐。 作爲進一步之替代，每一個薄膜46可以安裝至如圖34 中所示之例如爲金屬框架240與240,之框架元件230中。 若如此，薄膜例如係藉超音波焊接或其他適當之附著機制 以安裝至框架中。薄膜-框架組件可以、但未必須得使用膠 黏劑以附著至篩網結構210。達成形成薄膜包封2〇〇之板子 間以及薄膜包封間之氣密密封之附著機制之其他例子包括 一或多個銅焊、塡塞與焊接。薄膜與連結框架可以集體地 39 563270 稱爲薄膜板，例如一 〜士 如® 34中標示爲242與242,者。在本發明 軔IW中的疋在此處所討論之各種不同之框架並不全部需商 疋k相同之材料所形成及/或框架可以不需具龍同之大小 ，例如相_⑼度。麵，獅賴賴框架可以從不㉗ 鋼或其他適當❻構元件所形成， 而薄膜板可以從不同之 材料、例如銅與其之合金、與上述所引述之專利與申請案 中所g寸論之其他材料所形成。額外及/或選用地是薄膜板可 以、但未必需要比進料及/或滲透板薄。 爲了說明之目的，流體流過薄膜包封200之適當幾何 結構係梦考例如圖33中所示之包封200之具體實施例以插 述。如所示，混合氣體物流24係輸送至薄膜包封且與薄膜 46之外部表面50接觸。滲透穿過薄膜之富含氫氣之氣體係 進入獲取導管204。獲取導管係與導管250流體相通以從其 將滲透物流從薄膜包封中取出。未通過薄膜之混合氣體物 流之部分將流至導管252，經此，氣體可取出以作爲副產品 物流36。在圖33中係顯示單一之副產品導管252，而在圖 34中係顯示一對導管252以說明此處所描述之任何一個導 管可以選用地包括超過一個之液體通道。應該瞭解的是用 於指示物流34與36流動之箭號係圖示說明’且流動穿過 導管250與252之方向可以改變，例如根據特定之薄膜包 封200、模組220及/或裝置10之組態。 在圖35中顯示適當之薄膜包封2〇〇之另外一個實例。 爲了圖示說明末端板60與外殼62可以有多種組態’所顯 示之包封200具有通常爲矩形之組態。圖35之包封亦提供 563270 具有一對副產品導管252與一對氫氣導管250之薄膜包封 之另外一個實例。如所示，包封200包括進料、或隔間、 板238以作爲包封中之最外部之框架。通常，每一個板238 包括定義出內部開放區域262之框架260。每一個內部開放 區域262從側面結合至導管252。不過，導管250相對於開 啓區域262是關閉的，以藉此隔離富含氫氣之物流34。薄 膜板242是緊鄰板238且在其內部。薄膜板242每一個在 其中央部分可包括一氫氣選擇性薄膜46,其可以固定至外 部框架240，其係爲了圖示說明之目的而顯示。在板242中 ’所有導管相對於薄膜46是關閉的。每一個薄膜緊鄰開放 區域262之相對應之一來放置，即緊鄰抵達包封之混合氣 體之流動。此提供一氫氣通過薄膜之機會，且非滲透氣體 ’即形成副產品物流36之氣體將經導管252以離開開放區 域262。篩網板234係放置在薄膜46及/或薄膜板242之中 間’即在每一個薄膜46之內部或滲透側面上。篩網板234 可包括篩網結構210或其他之適當支撐物54。導管252相 對於篩網板234之中央區域是關閉的，以藉此將富含氫氣 物流34與副產品物流36以及混合氣體物流24隔離。導管 250對篩網板234之內部區域是開放的。已通過鄰接薄膜 46之氫氣係通過篩網結構210以輸送至導管25〇且最後至 輸出口以成爲富含氫氣之物流34。 根據討論’裝置1〇可以包括外殼62內之單一薄膜46 、外威62內之數個薄膜、外殼62及/或其他分離組件2〇 內之一或多個薄膜包封200。在圖36中，類似於圖34所示 41 563270 者之薄膜包封200係顯示放置於外殼62內以說明此點。應 該瞭解的是包封200亦可以圖示地表示含有數個薄膜包封 及/或單一薄膜板242之薄膜模組220。亦爲了說明之目的 而顯示的是引導結構144之適當位置之實例。根據討論， 結構144亦代表內部支撐物196之實例。圖36亦圖式地說 明用於出入口 64-68之適當位置之實例。爲進一步地說明 含有根據本發明末端板之裝置10中之薄膜板及/或薄膜包 封之適當位置，圖37與38分別以虛線說明放置於包括圖 13-14與21-25所顯示之末端板之裝置10中之薄膜板242、 薄膜包封200及/或薄膜模組220。 外殼62已描述爲互相連接末端板以在其間定義出隔間 1 8。亦是在本發明範疇中的是外殻可以從數個互相連接之 板子230所形成。例如，包括一或多個薄膜包封200之膜 模組220可以形成外殻62，因爲每一個板子之周邊區域可 以在其間形成液體密封、或至少本質上液體密封之密封。 此一結構之實例是如圖39所示，其中顯示包括三個薄膜包 封200之薄膜模組220。應該瞭解的是薄膜包封之數目可以 改變，從單一包封或甚至單一薄膜板242至十二個或更多 。在圖39中，所圖示之通常具有矩形組態之末端板60係 用以說明除了 Η形組駿外之組態亦是在本發明之範禱中。 應該瞭解的是圖示描述之末端板60可以具有此處所討論、 說明及/或合倂之任何一種末端板組態。 在前述之討論中，根據本發明之氫氣純化裝置之元件 之建構與製造方法之適當材料之說明例子已加以討論。應 42 563270 該瞭解的是實例並非用以代表排他性、或封閉之、 與方法之表列，且是在本發明範疇中的是其他材料及. 法亦可以使用。例如，在許多上述之例子中，提m所^欠& 特性或性質以提供用於選擇額外方法及/或材料之^旨弓丨。 指引亦意指說明之輔助，而非對所有具體實施例詳歹^必胃 之需求。 根據討論，在包括包含氫氣可透過及/或氫氣睾丨生_ 膜46之分離組件之裝置ίο之具體實施例中，用於薄膜^ 之適當材料係包括鈀與鈀合金。亦如所討論，薄膜亦^以 · 藉如前述所描述之框架24〇、支撐物54與篩網結構21〇之 框架及/或支撐物以支撐。此外’裝置10通常係操作在包 括高溫與壓力之選擇參數操作下。在此一應用中，裝置典 型上係從啓動、或開始之操作狀態開始，其中裝置典型上 是在常溫與常壓，例如大氣壓與約25。(：之溫度。從此狀態 ’裝置是加熱（例如藉加熱組件42)且加壓（經由任何適當之 機制）至選擇之操作參數，例如20(TC或更高之溫度例 如爲每平方英吋50磅或更高壓力之選擇操作壓力，。 當裝置10加熱時，裝置之元件將會膨脹。元件麵或 膨脹之程度主要是藉由元件所形成之材料的熱膨脹（CTE)係 數以定義。因此，CTE之這些差異將傾向於造成元件以不 同之速率膨脹，藉此會對某些元件造成頟外之張力或壓縮 及/或對其他元件造成降低之張力或壓縮。 例如，考慮從60重量％鈀與40重毚％銅（pd_4〇Cu)i 合金所形成之氫氣選擇性薄膜46。此一薄膜亘有1 * 9(微米 43 563270 /米）/°C之熱膨脹係數。再者考慮固定薄膜至結構框架230 或其他之底座、或靠著支撐物54以維持，其係從具有不同 於Pd-40Cu之CTE或薄膜46所形成之其他材料之材料所 形成。當其中操作這些元件之裝置10從環境或休息之組態 加熱時，元件將會以不同之速率膨脹。典型上，裝置10係 在至少200°C、且通常爲至少250°C、300°C或更高之範圍 之溫度範圍中熱循環。若薄膜之CTE是低於鄰接結構元件 之CTE，則當元件加熱時薄膜將傾向被伸展。 此外此起始之伸展外，應該瞭解的是氫氣純化裝置典 型上當其加熱以使用、然後冷卻或當其不使用時允許冷卻 、然後再加熱、再冷卻等時會經歷熱循環，在此一應用中 ，被伸展之薄膜當薄膜與其他結構元件冷卻時可以因其被 壓縮而回到最初組態而起皺。 另一方面，若薄膜之CTE是大於鄰接結構元件之CTE ，則薄膜在裝置之加熱過程中將傾向於被壓縮，且此壓縮 可能會造成薄膜之起皺。在冷卻過程中、或當元件冷卻時 ，薄膜然後會回到其最初之組態。 作爲一說明之實例，考慮如圖34中所示之薄膜板242 。若薄膜46之CTE是大於框架元件230之CTE，其典型 上具有不同於薄膜46之組成，當加熱時薄膜將傾向於較框 架膨脹地更快。因此，壓縮作用力將會從框架230施加至 薄膜上，且這些作用力將造成薄膜上之皺紋。相反地，若 薄膜46之CTE是低於結構230之CTE，則當加熱時，框 架將較薄膜46膨脹地更快。當此發生時，膨脹作用力將施 44 563270 加至薄膜上，框架之膨脹本質上將會去伸展薄膜。與其中 框架與薄膜具有相同的或本質上相同之CTE之具體實施例 相比，雖然這些情形都不是所欲的，但前者在某些具體實 施例中是兩者中較爲所欲的，因爲其可能較不會在薄膜上 造成皴紋。 薄膜46之起皴可以造成薄膜上之孔洞與破裂’尤其是 沿著薄膜疲乏之皺紋。在二或多個皺紋相交之區域中，孔 洞及/或破裂之可能性將會增加，此係因爲薄膜之部分已在 至少二個不同之方向上起皺。應該瞭解的是孔洞與破裂將 減少薄膜對氫氣之選擇性，因爲孔洞及/或破裂對氫氣係不 具選擇性的且允許混合氣體物流的任一成份通過其中。在 薄膜之重複熱循環操作過程中，這些失誤點或區域將傾向 於增大其大小，藉此將進一步降低富含氫氣、或滲透物流 之純度。應該進一步瞭解的是這些皺紋可以是由裝置10與 薄膜直接接觸之部分、且其因此稱爲接觸薄膜之部分或結 構施加至薄膜上之作用力、或裝置不與薄膜接觸之其他部 分、但其在膨脹或冷卻時會產生傳送至薄膜之作用力所造 成。接觸薄膜之結構之例子包括框架或其他之底座52與支 撐物54，薄膜可以安置在其上或藉此薄膜46可以保持接觸 ，即使薄膜實際上未固定或安裝在其上。裝置10至少在某 些具體實施例中可以施加導致起皴之作用力至薄膜46之部 分之例子係包括外罩12、以及其之部分、例如爲一或多個 末端板60及/或外殻62。其他之例子包括在末端板與框架 或用於薄膜之其他底座間之間隔物與塡塞物，且在裝置10 45 563270 之具體實施例中係包括數個薄膜，在用於薄膜之相鄰框架 或其他支撐物或底座間。 制止由於薄膜與鄰接結構元件間之CTE差異所造成之 薄膜失誤之一方法係在薄膜與裝置10之任何元件間放置可 變形之塡塞物，裝置10之任何元件係與薄膜接觸且具有足 夠之硬度或結構以將可能使薄膜起皺之壓縮或張力施加至 薄膜上。例如在圖33中，所顯示之薄膜46係夾在進料板 238與滲透塡塞物236間，兩者可以從可變形之材料所形成 。在此一具體實施例與此一構造中，可變形之塡塞物可緩 衝或吸收否則將施加至薄膜46上之壓縮或張力之至少一大 部分。 在這些框架之一或兩者係從可變形材料所形成之具體 實施例中（當作用力施加至其上時會被壓縮或膨脹且當那些 作用力移除時可以回至其最初組態之具有彈性的材料），當 薄膜46係安裝在具有可能會施加上述所描述之起皺張力或 壓縮力至薄膜46之厚度及/或組成之板子242上，或當支 撐物54係與薄膜46結合（或在選擇之操作壓力下固定）時， 可以額外或選用地使用不同之方法。更明確地，薄膜的壽 命可以藉由從具有與形成薄膜46所用之材料相同或相似之 CTE材料所生成之裝置10的元件以提高，否則其將會施加 起皺作用力、可能是張力或壓縮力至薄膜46上。 例如304型號不銹鋼係具有17.3之CTE且316型號不 銹鋼係具有16.0之CTE。因此，304型號不銹鋼具有較 Pd-40Cii者大約15%之CTE，且型式316型號不銹鋼具有 46 563270 較Pd_4〇Cu者大約8%之CTE。此並非思s目姐些材料不可以 用於形成此處所討論之各種不同之支撐物、框架、板、外 殻等。不過，在本發明之某些具體實施例中’其可能需要 從具有與形成薄膜46之材料者相同或更類似之CTE之材 料形成這些元件之至少某些。更明確地’其可能需要具有 與形成薄膜46之材料之CTE相同之CTE、或是具有在薄 膜46所選擇之材料之CTE之選擇範圍、例如在±0.5%、1% 、2%、5%、10%或15%中之CTE之材料。以另外一種方式 表示，至少在某些具體實施例中，其可能需要從具有比薄 膜46至少本質上形成之CTE之土 1.2、1、〇.5、0.2或〇·1 低於0.1微米/米/°C之CTE之材料形成接觸薄膜部分或裝 置之其他元件。具有上述組成之其中之一及/或關於薄膜46 之CTE之CTE之材料，在此處可以稱爲具有在此揭示之範 疇中之選擇CTE之其中之一。 在下述表，示範之合金與其對應之CTE與組成係加以 顯示。應該瞭解的是下表中所列出之材料係提供以用於說 明之目的，且其他之材料亦可以在不_本發明之範禱下 使用，包括下述所列之出材料及/或其他材料之組合。 563270 合金 CTE 名目上的組成 型號/等級 微米/米/oc C Μη Ni Cr Co Mo W Nb Cu Ti A1 Fe Si Pd-40Cu 14.9 Monel 400 (UNS N04400) 13.9 .02 1.5 65 32 2.0 Monel 401 (UNS N04401) 13.7 .05 2.0 42 54 0.5 Monel 405 (UNS N04405) 13.7 .02 1.5 65 32 2.0 Monel 500 (UNS N05500) 13.7 .02 1.0 65 32 0.6 1.5 304型號不銹鋼 (UNS S30400) 17.3 .05 1.5 9.0 19.0 差額 0.5 316型號不銹鋼 (UNS S31600) 16.0 .05 1.5 12.0 17.0 2.5 差額 0.5 310S型號不銹鋼 (UNS S31008) 15.9 .05 1.5 20.5 25.0 差額 1.1 330型號不銹鋼 (UNS N08330) 14.4 .05 1.5 35.5 18.5 差額 1.1 661 AISI型號不銹鋼 (UNSR30155) 14.0 .1 1.5 20.0 21.0 20.5 3.0 2.5 1.0 31.0 0.8 Inconel 600 (UNS N06600) 13.3 •08 76.0 15.5 8.0 Inconel 601 (UNS N06601) 13.75 .05 60.5 23.0 0.5 1.35 14.1 Inconel 625 (UNS N06625) 12.8 .05 61.0 21.5 9.0 3.6 0.2 0.2 2.5 Incoloy 800 (UNS N08800) 14.4 .05 0.8 32.5 0.4 0.4 0.4 46.0 0.5 Nimonic 合金 901 (UNS N09901) 13.5 .05 42.5 12.5 60 2.7 36.2 Hastelloy X (UNS N06002) 13.3 .15 49.0 22.0 1.5 9.0 0.6 2 15.8 Inconel 718 (UNS N07718) 13.0 .05 52.5 19.0 3.0 5.1 0.9 0.5 18.5 Haynes 230 (UNS N06002) 12.7 0.1 55.0 22.0 5.0 2.0 14 0.35 3.0 48 563270 從上述之資訊可以看出例如爲330型號不銹鋼與 Incoloy 800之合金係具有與Pd40Cu之CTE偏差約3%之 CTE，且MoneMOO與310S型號不銹鋼係具有偏離Pd40Cu 之CTE低於7%之CTE。 爲了說明材料之選擇可以隨所使用之特定薄膜之CTE 而變化，考慮具有13.8微米/米/°C之熱膨脹係數以用於薄 膜46之材料。從上述之表列，其可以看出Monel與Inconel 600合金具有與薄膜之CTE偏離或差異0.1微米/米/°C之 CTE。作爲另外一個實例，考慮具有13.4微米/米/°C之 CTE之薄膜。Hastelloy X係具有符合薄膜者之CTE，與 Monel與Inconel 601合金具有偏離薄膜之CTE約1%之CTE 。在表中所列出之材料之說明實例中，除了 Hastelloy X、 Incoloy 800與300型號不銹鋼合金系列外，所有合金都具 有偏離薄膜CTE2%之CTE，且除了 304、316與310S不銹 鋼合金外，所有合金具有偏離薄膜CTE5%之CTE。 可以從具有關於薄膜46之選擇CTE、例如對應至薄膜 46之CTE或在薄膜46之CTE之選擇範圍中之CTE之材料 所形成之裝置1〇之元件之例子係包括一或多個下述者：支撐 物54、篩網元件212、精密或外部篩網或膨脹金屬元件216 、內部篩網元件214、薄膜框架240、滲透框架232、滲透 板234、進料板238。藉著上述所討論者，應該瞭解的是上 述元件之其中之一可以從此材料形成，超過上述元件之其 中之一可以從此材料形成；但沒有任何一個上述元件需要 從此材料形成。同樣地，薄膜46可以從非pd_4〇Cii之材料 49 563270 形成，且因此所選擇之CTE將根據薄膜46之特定元件而改 變〇 藉著進一步之說明，裝置10可以與薄膜模組220 —起 形成，薄膜模組220包括一或多個具有支撐物之薄膜包封 200，該支撐物包括具有經選擇之CTE其中之一的材料所完 全形成之篩網結構。在另外一個實例中，只有外部、或接 觸薄膜之篩網元件（例如元件216)可以從具有經選擇之CTE 其中之一之材料所形成，且內部元件係從不具有經選擇之 CTE其中之一之材料所形成。在仍是其他之說明實例中， 內部篩網元件214可以從具有經選擇之CTE其中之一之材 料所形成，且接觸薄膜元件係從不具有經選擇之CTE其中 之一之材料所形成。 在某些具體實施例中，對於具有足夠硬度而可以在熱 循環操作以及純化裝置之其他預期使用中造成薄膜起皺之 支撐物之部分，是從具有經選擇之CTE其中之一之材料所 形成係足夠的。在一說明之實例中，考慮如圖32所示之篩 網結構210。在說明之具體實施例中，篩網結構係用來放置 在一對薄膜46間，且篩網結構包括一對外部、或接觸薄膜 之篩網元件216、以及一不接觸薄膜之內部篩網元件214。 典型、但非排他地是外部篩網元件是從較不堅硬之材料所 形成且通常較內部篩網元件更細密，內部篩網元件係傾向 於具有較硬且通常較粗之結構。在此一具體實施例中，內 部篩網元件可以從具有經選擇之CTE其中之一的材料所形 成、例如包括鎳與銅之例如爲Monel合金之合金，且外部 50 563270 篩網元件係從傳統不銹鋼、例如爲304型號或316型號之 不銹鋼所形成。此一篩網結構亦可以描述成具有接觸薄膜 之篩網元件，此篩網元件係具有與薄膜46之CTE差異較內 部篩網元件所形成之材料之CTE更大之CTE。不過如所討 論，亦是在本發明範疇中的是所有篩網元件可以從例如爲 Monel合金之包括鎳與銅之合金、或是具有經選擇之CTE 其中之一之其他材料所形成。 此結構亦可以應用於包括超過一個篩網元件或層、但 其只支撐一個薄膜之支撐物上。例如且參考圖2，支撐物可 以包括接觸薄膜層或篩網元件214’，其可以具有類似篩網 元件214之結構。層214’咬合且至少延伸穿過薄膜表面之 大部分，但當純化裝置加壓且使用時，典型上其本身並不 對薄膜提供足夠之支撐。支撐物可以進一步包括第二層或 第二篩網元件216'，其可以具有類似於篩網元件216之結 構且其通常係平行第一層以延伸、但是在第一層之相反側 面上。此第二層是較第一層爲硬以使其可提供複合之篩網 結構以具有足夠之強度、或硬度以支撐使用中之薄膜。當 此結構使用時，其可以（但非必要）配合從例如爲Monel合金 之鎳與銅合金、或具有選擇之CTE之其他材料所形成之第 二層或篩網元件，且配合從具有與薄膜CTE之差異較第二 層所形成之材料者更大之CTE之材料所形成之接觸薄膜層 或篩網元件以實施。額外地，接觸薄膜層可以描述成從不 包括鎳與銅之合金之材料所形成。 示範組態之其他實例，裝置10可以具有藉由一或多個 51 563270 底座52及/或一或多個支撐物54以在外罩之末端板60間支 撐之單一薄膜46。底座及/或支撐物可以從具有經選擇之 CTE其中之一之材料所形成。同樣地，至少外罩12之一部 分、例如末端板6〇之其一或兩者或外殼62可以從具有選 擇CTE其中之一之材料所形成。 在裝置10中裝置之元件未直接與薄膜46接觸之具體 實施例中，這些元件可以從具有經選擇之CTE其中之一之 材料所形成。例如外罩12之一部分或全部、例如末端板60 之其一或兩者或外殼62可以從包括在表1所列出之合金之 其一之材料所形成，具有關於薄膜46所形成之材料之CTE 之選擇CTE之其一、即使這些部分未直接與薄膜46接觸。 根據本發明所建構之氫氣純化裝置丨〇可以與任何未純 化之氫氣來源連結或流體相通。這些來源之例子包括氣體 儲存設備、例如爲氫化物床與加壓槽。另外一個來源是以 副產品、廢氣或廢料物流之形式製造氫氣可以回收之氣體 流之裝置。尙是其他之來源是燃料處理器，在此處所使用 者係指採用於從含有進料之至少一個進料物流製造含有氫 氣之混合氣體物流之任何裝置。典型上’氫氣將會形成藉 燃料處理器所製造之混合氣體物流之主要部份或至少一大 部份。 燃料處理器可以經由多種機制以製造混合氣體物流24 。適當機制之例子係包括蒸汽重組與自熱重組，其中重組 觸媒係便用以從含有含碳進料與水之進料物流中製造氫氣 。用於製造氫氣之其他適當之機制包括含碳進料之熱解與 52 563270 催化部份氧化作用，在每一例子中進料物流並不含水。用 於製造氫氣之其他適當之機制是電解、在此例子中進料是 水。適當之含碳進料之例子係至少包括一個烴類或醇。適 當之烴類之例子係包括甲烷、丙烷、天然氣、柴油、煤油 、汽油等。適當醇類之例子係包括甲醇、乙醇與多元醇、 例如爲乙二醇與丙二醇。 採用以從燃料處理器收來混合氣體物流24之氫氣純化 裝置10係圖示於圖40中。如所示，燃料處理器通常係標 示爲300，且燃料處理器與氫氣純化裝置之組合可以稱爲燃 料處理系統302。亦以虛線在42顯示的是加熱組件，其以 討論過係用以提供熱至裝置10且可以具有多種形式。燃料 處理器300可以具有上述所討論之任何一種形式。爲了圖 解說明根據本發明之氫氣純化裝置亦可以從非燃料處理器 300之來源接收混合氣體物流24，一氣體儲存設備係圖示 說明於306、且在不同產品物流308之製造過程中會以廢料 或副產品物流之方式製造混合氣體物流24之裝置係顯示在 310處。應該瞭解的是燃料處理器300之圖示表示係用以包 括任何一個相關之加熱組件、進料輸送系統、空氣輸送系 統、進料物流來源或供應等。 燃料處理器通常係操作在高溫及/或高壓下。結果，將 氫氣純化裝置10與燃料處理器300至少部份整合是所欲的 ，此係不同於使裝置10與燃料處理器300藉外部之液體傳 輸導管以連接。此一組態之實例是如圖42所示，其中燃料 處理器係包括外殼或套殼312,其中裝置10係形成其之一 53 563270 部分及/或至少部份延伸進入其中。在此一組態中，燃料處 理器300可以描述成包括裝置10。將燃料處理器或混合氣 體物流24之其他來源與氫氣純化裝置10整合將可准許裝 置以成套之方式更便於移動。其亦可以使燃料處理器之元 件、包括裝置10可以藉共用之加熱組件以加熱、及/或即使 並非裝置10之所有加熱需求、但至少其之某些可以藉處理 器300所產生之熱量以滿足。 根據討論，燃料處理器300是任何可以製造含有氫氣 之混合氣體物流、且較佳是含有大部份爲氫氣之混合氣體 物流之適當裝置。爲了說明之目的，下述之討論將描述採 用以接收含有含碳進料318與水320之進料物流316之燃 料處理器300，如圖42中所示。不過，亦是在本發明範疇 中的是燃料處理器300可以如上所討論具有其他之形式， 且進料物流316可以具有其他之組成、例如只含有含碳進 料或是只有水^ 進料物流316可以經由任何適當之機制以輸送至燃料 處理器300。單一之進料物流316係顯示於圖42中，但應 該瞭解的是超過一個之物流316亦可以使用且這些物流可 以含有相同或不同之組成。當含碳進料318係可溶於水時 ，進料典型上係與進料物流316之水成份一起輸送，例如 圖42中所示。當含碳進料係不溶或稍溶於水時，這些成份 典型上係以分開物流之方式輸送至燃料處理器300，例如以 虛線顯示於圖42中者。在圖42中，所示之進料物流316 係進料物流輸送系統317以輸送至燃料處理器300。輸送系 54 563270 統317包括可將進料物流輸送至燃料處理器300之任何適 當之機制、裝置、或其之組合。例如，輸送系統可以包括 一或多個泵浦以從來源輸送物流316之成份。額外或選用 地，系統317可以包括用來調節來自加壓供給源之成份流 動之閥門組件。供給源可以位於燃料電池系統之外部，或 其亦可以包含於系統中或與系統相鄰。 如通常在圖42中標示爲332，燃料處理器300包括一 氫氣製造區域，其中混合氣體物流24係從進料物流316製 造。根據討論，有多種不同之方法可使用於氫氣製造區域 332中。此一方法之實例是蒸汽重組，其中區域332將包括 蒸汽重組觸媒334。選用地，區域332可以藉自熱重組以製 造物流24，在此例子中區域332將包括自熱重組觸媒。在 蒸汽或自熱重組之範疇中，混合氣體物流24亦可以稱爲重 組物物流。較佳地是，燃料處理器係用以製造本質上純化 之氫氣，且甚至更佳地是燃料處理器係用以製造純化之氫 氣。爲了本發明之目的，本質上純化之氫氣是大於90%之 純度、較佳是大於95%之純度，更佳是大於99%之純度， 且甚至更佳是大於99.5%之純度。適當之燃料處理器之例子 係揭示於美國專利第6,221，117號中，審查中之美國專利申 請案第09/802,361號，其係在2001年3月8日申請且標題 爲”燃料處理器與含其之系統與裝置π，與審查中之美國專 利申請案第09/812,499號，其係在2001年3月19日申請且 標題爲π氫氣選擇性金屬薄膜模組與形成其之方法"爲了所 有目的，其之每一個係收錄於此以作爲參考之用。 55 563270 燃料處理器300可以、但並非必須進一步包括最終精 製區域348、此係在圖42中以虛線表示。最終精製區域 348係接收來自裝置10之富含氫氣之物流34且進一步藉由 降低或移除其中所選擇之成份之濃度以純化物流。在圖42 中，所生成之物流係標示爲314且可以稱爲產品氫氣物流 或純化之氫氣物流。當燃料處理器300未包括最終精製區 域348時，富含氫氣之物流34將形成產品氫氣物流314。 例如，當物流34係打算用於燃料電池堆時，例如爲一氧化 碳與二氧化碳之可能會損害燃料電池堆之成份、若有需要 可以從富含氫氣之物流中移除。一氧化碳之濃度應該低於 10 ppm(每百萬分之一份）以阻止控制系統隔離燃料電池堆。 較佳地是，系統可限制一氧化碳之濃度至低於5 ppm，且更 佳係低於1 ppm。二氧化碳之濃度可以大於一氧化碳者。例 如，低於25%之二氧化碳濃度是可以接受的。較佳地是濃 度是低於10%、更佳係低於1%。特佳之濃度是低於50 ppm 。應該瞭解的是此處所存在之可接受之最低濃度是說明之 實例，且非此處所出現之濃度亦可以使用且是在本發明之 範疇中。例如，特定之使用者或製造者可能需要不同於此 處所標識者之最低或最高濃度或範圍。 區域348包括任何可以用於移除或降低物流34之選擇 成份濃度之適當結構。例如，當產品物流係打算用於當物 流中含有高於決定好之一氧化碳或二氧化碳濃度時將會受 損之PEM燃料電池堆或其他裝置時，其至少包括一個甲烷 化作用觸媒床350是所欲的。床350可以將一氧化碳與二 56 563270 氧化碳轉化成甲烷與水，此兩者在PEM燃料電池堆中將不 會造成損害。最終精製區域348亦可以包括另外一個氫氣 製造區域352，例如爲另外一個重組觸媒床，以將任何未反 應之進料轉化成氫氣。在此一具體實施例中，其較佳係第 二重組觸媒床係位於甲烷化作用觸媒床之上游，以不會在 甲烷化作用觸媒床之下游處再導入二氧化碳或一氧化碳。 蒸汽重組器典型上係操作在200°C與700°C之溫度範 圍以及每平方英吋50磅與每平方英吋1000磅之壓力範圍 中，但在此範圍外之溫度亦是在本發明之範疇中，例如係 根據所使用之燃料處理器之特定型式與組態。任何適當之 加熱機制或裝置可以用於提供此加熱，例如爲加熱器、加 熱爐、燃燒觸媒等。加熱組件可以在燃料處理器之外部或 可以形成爲形成燃料處理器之一部份之燃燒室。用於加熱 組件之燃料可以藉燃料處理或燃料電池系統、外部來源或 兩者以提供。 在圖42中，所顯示之燃料處理器300係包括外殼312 ，其中係包含上述所描述之元件。外殻312，其亦可以稱爲 套殻，可使燃料處理器之元件以成套之方式移動。其亦藉 由提供保護外罩以保護燃料處理器之元件以免於損害且降 低燃料處理器之加熱需求量，因爲燃料處理器之元件可以 整體之方式加熱。外殼312可以、但並非必須包括絕緣材 料333，例如爲固態絕緣材料、覆蓋絕緣材料、或充滿空氣 之空腔。不過，亦是在本發明範疇中的是燃料處理器亦可 以不具有套殻或外罩以形成。當燃料處理器300包括絕緣 57 563270 材料333時，絕緣材料可以是在外殼之內部、外殻之外部 或兩者皆是。當絕緣材料是在含有上述所描述之重組、分 離及/或最終精製區域之外殼之外部時，燃料處理器可以進 一步包括外部之蓋子或絕緣物外部之護套。 進一步在本發明範疇中的是燃料處理器300之一或多 個元件可以延伸超過外殻或至少位於外殼312之外部。例 如，裝置10可以至少部份延伸超過外殻312，如圖41中所 示。在另外一個實例且係圖示說明於圖42中，最終精製區 域348可以是在外殼312之外部及/或氫氣製造區域332之 一部分（例如一或多個重組觸媒床之部分）可以延伸超過外殻 〇 根據上述之指示，燃料處理器300可以採用於將富含 氫氣之物流34或產品氫氣物流314輸送至至少一個燃料電 池堆，以從其製造電流。在此一組態中，燃料處理器與燃 料電池堆亦可以稱爲燃料電池系統。此系統之一實例係圖 示說明於圖43中，其中燃料電池堆通常係標示爲322。燃 料電池堆係採用以從輸送至此之產品氫氣物流314之部分 製造出電流。在說明之具體實施例中，其係顯示且描述單 一之燃料處理器300與單一之燃料電池堆積322，不過應該 可以瞭解的是超過一個之這些元件之任一或兩者亦可以使 用。其亦應該瞭解的是這些元件曾圖示以說明且燃料電池 系統可以包括未明確說明於圖中之額外元件，例如爲進料 栗浦、空氣輸送系統、熱交換器、加熱組件等。 燃料電池堆322係至少含有一個、且典型上是多個燃 58 563270 料電池324，係採用以從輸送至此之產品氫氣物流314之部 分製造出電流。此電流可以使用於滿足相關之能量消耗裝 置325之能量需求或施加負載。裝置325之說明實例包括 、但非僅限制於機動車輛、休旅車、船、工具，照明或照 明組件、用具（例如家用或其他用具）、家用、通信或通信設 備等。應該瞭解的是裝置325係圖示說明於圖43中且係用 以代表一或多個裝置或裝置之集合，其係採用以從燃料電 池系統中取出電流。燃料電池堆典型上包括在共用之末端 板323間結合之多個燃料電池，其含有液體輸送/移除導管( 未示）。適當燃料電池之例子係包括質子交換薄膜（PEM)燃 料電池與鹼性燃料電池。燃料電池堆322可以接收所有的 產品氫氣物流314。物流314之某些或全部可以額外或選用 地經由適當之導管輸送以用於另外之氫氣消耗方法、燃燒 以用於燃料或加熱、或儲存以備日後之使用。 工業的適用件 本發明之氫氣純化裝置、元件與燃料處理系統可以應 用於其中氫氣係製造及/或利用之燃料處理與其他工業中。 一般相信上述所列出之揭示係包含具有獨立效用之多 個不同之發明。雖然這些發明之每一個曾以其較佳之形式 揭示，但其在此處所揭示與說明之特定具體實施例不可以 限制之方式考慮，因爲許多變化是可能的。本發明之標題 內容包括此處所揭示之各種不同之元件、特徵、功能及/或 性質之所有新穎與非明顯之組合與次組合。同樣地，申請 專利範圍詳述”一”或’’第一"元件或其之同等物，此申請專利 59 563270 範圍應該瞭解係包括一或多個此元件之結合，而非需要或 是排除二或多個此元件。 一般相信下述之申請專利範圍特別指出關於所揭示之 發明之某些組合與次組合且其是新潁且非顯而易知的。在 特徵、功能、元件及/或性質之其他組合與次組合中具體表 現之本發明可以經由在此或相關應用中之本申請專利範圍 之修改或新申請專利範圍之提出來主張。此修正或新申請 專利範圍，不論其係關於不同之發明或關於相同之發明， 不論其係不同於、較寬、較窄或等於原始申請專利範圍之 範疇，亦被視爲包含在本揭示之本發明主題內容中。 圖式簡單說明 圖1是氫氣純化裝置之示意圖。 圖2是具有平面分離薄膜之氫氣純化裝置之截面示意 圖。 圖3是具有管狀分離薄膜之氫氣純化裝置之截面示意 圖。 •圖4是具有管狀分離薄膜之努外一個氫氣純化裝置之 截面示意圖。 圖5是根據本發明所建構之氫氣純化裝置之另外一個 外罩之截面示意圖。 圖6是根據本發明所建構之氫氣純化裝置之另外一個1 外罩之截面示意圖。 圖7是顯示用於根據本發明之純化裝置之外罩元件間 之另一個適當界面之片段截面明細。 563270 圖8是顯示用於根據本發明之純化裝置之外罩元件間 之另一個適當界面之片段截面明細。 圖9是顯示用於根據本發明之純化裝置之外罩元件間 之另一個適當界面之片段截面明細。 圖10是顯示用於根據本發明之純化裝置之外罩元件間 之另一個適當界面之片段截面明細。 圖11是根據本發明所建構之氫氣純化裝置之末端板之 上視平面圖5包括圖1 - 6所顯τκ者。 圖12是圖11之末端板之截面圖。 圖13是根據本發明所建構之氫氣純化裝置之末端板之 上視平面圖，包括圖1-6所顯示者。 圖14是圖13之末端板之截面圖。 圖15是根據本發明所建構之氫氣純化裝置之末端板之 上視平面圖，包括圖1-6所顯示者。 圖16是圖15之末端板之截面圖。 圖17是根據本發明所建構之氫氣純化裝置之末端板之 上視平面圖，包括圖1-6所顯示者。 圖18是圖17之末端板之截面圖。 圖19是用於根據本發明所建構之氫氣純化裝置外罩之 末端板之上視平面圖，包括圖1-6所顯示者。 圖20是圖19之末端板之截面圖。 圖21是用於根據本發明所建構之氫氣純化裝置外罩之 末端板之上視平面圖，包括圖1-6所顯示者。 圖22是圖21之末端板之側面上視圖。 61 563270 圖23是圖21之末端板之空視圖。 圖24是圖21之末端板之截面圖。 圖25是用於以圖21-24所顯示之一對末端板所建構之 氫氣純化裝置之外罩之部份截面側面上視圖。 圖26是根據本發明所建構之另外一個氫氣純化裝置之 空視圖。 圖27是圖26之裝置之截面圖. 圖28是用於根據本發明所建構之氫氣純化裝置之另外 一個末端板之側面正視圖，包括圖1-6所顯示者。 圖29是用於根據本發明所建構之氫氣純化裝置之另外 一個末端板之側面正視圖，包括圖1-6所顯示者。 圖30是用於根據本發明所建構之氫氣純化裝置之另外 一個末端板之側面正視圖，包括圖1 -6所顯示者。 圖31是被支撐物所分隔之一對分離薄膜之片段側面正 視圖。 圖32是根據本發明所建構且包括形式爲具有數層之篩 網結構之支撐物之薄膜包封之分解空視圖。 圖33是根據本發明之另外一個薄膜包封之分解空視圖 〇 圖34是根據本發明所建構之另外一個薄膜包封之分解 空視圖。 圖35是根據本發明所建構之另外一個薄膜包封之分解 空視圖。 圖36是用於根據本發明所建構且具有以虛線所顯示之 62 563270 示範薄膜框架與薄膜模組之氫氣純化裝置之外罩之表殼之 截面圖。 圖37是具有以虛線所顯示之示範分離薄膜與框架之圖 13之末端板之上視圖。 圖38是具有以虛線所顯示之示範分離薄膜與框架之圖 21之末端板之上視圖。 圖39是根據本發明所建構之另外一個氫氣純化裝置的 分解空視圖。 圖40是包括根據本發明所建構之燃料處理器與氫氣純 化裝置之燃料處理系統之示意圖。 圖41是包括與根據本發明之氫氣純化裝置整合之燃料 處理器之燃料處理系統之示意圖。 圖42是包括根據本發明所建構之整合氫氣純化裝置之 另外一個燃料處理器之示意圖。 圖43是包括根據本發明所建構之氫氣純化裝置之燃料 電池系統之示意圖。 元件符號說明 10 氫氣純化裝置 12 外罩 18 內部隔間 20 分離組件 24 物流 26 氫氣 28 其他氣體 63 563270 30 混合氣體區域 32 滲透區域 34 富含氫氣之物流 36 副產品物流 42 加熱組件 42， 加熱過之液體物流 46 薄膜 46， 薄膜 46，， 薄膜 46”， 薄膜 48 混合氣體表面 50 滲透表面 52 底座 54 支撐物 56 多孔性元件 58 彈簧 60 末端板 62 周邊外殻 63 軸環 64 輸入口 66 產品出口 68 副產品出口 70 流量調節及/或耦合結構 72 保留結構

64 563270 74 焊接 76 螺栓 78 法蘭 80 塡塞物 82 密封元件 90 密封區域 91 向外突出超過密封區域之部分 92 密封區域 93 向外突出超過密封區域之部分 94 界面 96 中央區域 98 軸環 100 外部表面 102 內部支撐物 104 內部表面 106 螺紋 108 螺紋 110 外部邊緣 120 末端板 120, 末端板 122 內部表面 124 外部表面 126 中央區域 128 周邊區域

65 563270 130 周邊 132 移除區域 134 應力緩和結構 138 出入口 140 出入口 144 引導結構 146 鑽孔 150 末端板 152 外部移除區域 160 末端板 162 構架組件 164 底板 166 突出彎樑 168 法蘭 170 張力環 172 中央區域 174 元件 180 外罩 190 外罩 194 元件 196 內部支撐物 200 薄膜包封 202 表面 204 導管

66 563270 211 表面 212 篩網元件 214 粗網目篩網 214’ 篩網元件 216 細網目篩網 216’ 第二篩網元件 218 膠黏劑 219 塗覆物 220 薄膜模組 230 框架元件 232 滲透框架 234 篩網板或滲透板 236 滲透塡塞物 236, 滲透塡塞物 238 塡塞物 238, 塡塞物 240 金屬框架 240, 金屬框架 242 薄膜板 242, 薄膜板 250 導管 252 副產品導管 260 框架 262 內部開放區域

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Claims (1)

1. 563270 拾、申請專利範圍 1.一種燃料處理器，其含有： 一用來接收進料物流且用來從進料物流製造含有氫氣 之混合氣體物流與其他氣體之氫氣製造區域； 一用來接收混合氣體物流之至少一部分且從其製造含 有至少本質上爲氫氣之富含氫氣物流之分離區域，其中分 離區域係含有： 一定義出內部隔間之外罩，其中外罩包括至少一個可 供含有氫氣之混合氣體物流通過以輸送至外罩之入口，至 少一個可供含有至少本質上爲純的氫氣之滲透物流通過以 從外罩移除之產品輸出口，以及至少一個可供含有至少一 大部分之其他氣體之副產品物流通過以從外罩移除之副產 品輸出口，其中富含氫氣之物流包括至少一部分之滲透物 流； 一位在隔間中之氫氣選擇性薄膜，其中氫氣選擇性薄 膜具有熱膨脹係數、具有用來與混合氣體物流接觸之第一 表面、通常面對第一表面之滲透表面、且至少本質上是從 含有鈀與銅之合金所形成其中滲透物流包括通過氫氣選 擇性薄膜至滲透表面之混合氣體物流之部分，且更進一步 地其中副產品物流包括未通過氫氣選擇性薄膜之混合氣體 物流之部分；以及 用於支撐外罩中之氫氣選擇性薄膜之裝置，其中用於 支撐外罩中之氫氣選擇性薄膜之裝置包括至少部份從包含 鎳與銅之合金所形成的接觸薄膜結構，且接觸薄膜結構具 68 563270 有的熱膨脹係數與氫氣選擇性薄膜之熱膨脹係數相同或在 至少約10%範圍內。 2. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中接觸 薄膜結構之熱膨脹係數是在薄膜熱膨脹係數的5%範圍內， 且選用地是在薄膜熱膨脹係數的2%範圍內，且進一步選用 地是在薄膜熱膨脹係數的1%範圍內。 3. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中接觸 薄膜結構之熱膨脹係數以不大於約1微米/米/°C偏離薄膜 熱膨脹係數，且選用地爲不大於約0.2微米/米/°C，且進一 步選用地爲不大於約0.1微米/米/°C。 4. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中接觸 薄膜結構具有低於16微米/米/°C且高於13微米/米/°C之 熱膨脹係數。 5. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中接觸 薄膜結構具有低於薄膜熱膨脹係數之熱膨脹係數。 6. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中用於 支撐氫氣選擇性薄膜之裝置係至少本質上從包括鎳與銅之 合金所形成。 7·根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中支撐 氫氣選擇性薄膜之裝置係至少本質上從一或多個具有低於 薄膜熱膨脹係數之熱膨脹係數之材料所形成。 8·根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中接觸 薄膜結構係非氫氣選擇性的。 9·根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中薄膜 69 563270 係安裝在接觸薄膜結構上。 1 0 ·根據申I靑專利軔圍弟1項之燃料處理器，其中薄膜 係與接觸薄膜結構接觸但未安裝在其上。 11·根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中接觸 薄膜結構包括一用於將薄膜放置在外罩中之底座。 12.根據申請專利範圍第11項之燃料處理器，其中薄 膜包括一周邊區域且底座包括一固定至薄膜周邊區域之框 架。 13·根據申請專利範圍第12項之燃料處理器，其中框 架係形成外罩之一部分。 14·根據申請專利範圍第12項之燃料處理器，其中框 架具有的熱膨脹係數爲等於或低於薄膜熱膨脹係數。 15. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中接觸 薄膜結構包括延伸越過第一表面或薄膜滲透表面之至少一 大部份之支撐物。 16. 根據申請專利範圍第15項之燃料處理器，其中支 撐物具有的熱膨脹係數爲等於或低於薄膜熱膨脹係數。 17. 根據申請專利範圍第15項之燃料處理器，其中支 撐物係延伸越過薄膜滲透表面之至少一大部份 18. 根據申請專利範圍第Π項之燃料處理器，其中薄 膜之滲透表面係與支撐物接觸但未安裝在支撐物上’且進 一步其中通過薄膜之混合氣體物流之部分係可以通過支撐 物。 19. 根據申請專利範圍第18項之燃料處理器，其中薄 563270 膜是第一氫氣選擇性薄膜，其中外罩係進一步包括具有熱 膨脹係數爲至少本質上等於第一薄膜之第二氫氣選擇性薄 膜、用來與混合氣體物流接觸之第一表面、以及通常面對 第一薄膜之滲透表面之滲透表面、且進一步其中支撐物係 在第一與第二薄膜間延伸以定義出位於薄膜之滲透表面間 之獲取導管，並且通過薄膜之混合氣體物流之部分可以在 獲取導管中流過。 20. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中一或 多個材料之熱膨脹係數是在薄膜熱膨脹係數之1微米/米/°C 的範圍內、且選用地是在薄膜熱膨脹係數之0.2微米/米/°C 的範圍內、且進一步選用地是在薄膜熱膨脹係數之約0.1 微米/米/°C的範圍內。 21. 根據申請專利範圍第20項之燃料處理器，其中外 卓包括含有鎮與銅之合金。 22. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中薄膜 具有的熱膨脹係數是在約13.6微米/米/°C至約16微米/米 rc範圍中。 23. 根據申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中燃料 處理器包括至少一個重組觸媒床且用於藉蒸汽重組以製造 混合氣體物流。 24. —種氫氣純化裝置，其是在至少200°C之選擇溫度 與每平方英吋至少50磅之選擇壓力下操作，且其包括一種 具有內部、至少本質上爲液體密封之含有至少一個氫氣選 擇性薄膜之隔間的外罩，該薄膜具有熱膨脹係數，且是從 71 563270 鈀與銅之合金所形成、並且包括用來與含有氫氣與其他氣 體之混合氣體物流接觸之第一表面、進一步包括一用來將 混合氣體物流分離成富含氫氣之物流及副產品物流之滲透 表面、該富含氫氣之物流包括至少大量的氫氣且係至少部 份從通過至少一個氫氣選擇性薄膜之混合氣體物流之部分 所形成，該副產品物流係至少部份從未通過薄膜之混合氣 體物流之部分所形成，'該改良包括： 該裝置包括與薄膜之第一或滲透表面之至少一個接觸 之接觸薄膜結構，且進一步其中該裝置包括與至少一個與 氫氣選擇性薄膜接觸之至少一個接觸薄膜結構、且進一步 其中選擇至少一個接觸薄膜結構使其具有的熱膨脹係數爲 足夠接近或等於至少一個氫氣選擇性薄膜之熱膨脹係數， 以便在至少200°C之溫度範圍內之裝置熱循環操作中，至 少一個接觸薄膜結構不會施加皺紋至至少一個氫氣選擇性 薄膜。 25.根據申請專利範圍第24項之裝置，其中接觸薄膜 結構包括一含有鎳與銅之合金。 26·根據申請專利範圍第24項之裝置，其中接觸薄膜 結構具有的熱膨脹係數等於或低於至少一個薄膜之熱膨脹 係數。 27·根據申請專利範圍第24項之裝置，其中外罩是從 一或多個選擇的材料所形成，以使得在溫度範圍中裝置之 熱循環操作時、外罩不會施加起皺作用力至至少一個氫氣 選擇性薄膜。 72 563270 28. 根據申請專利範圍第27項之裝置，其中外罩包括 一含有鎳與銅之合金。 29. 根據申請專利範圍第28項之裝置，其中外罩具有 的熱膨脹係數爲等於或低於至少一個薄膜之熱膨脹係數。 30. 根據申請專利範圍第24項之裝置，其中合金包括 約40重量％之銅。 31. 根據申請專利範圍第24項之裝置，其係與接收進 料物流且從其製造混合氣體物流之燃料處理組件合併。 32. 根據申請專利範圍第31項之裝置，其中燃料處理 組件包括至少一個重組觸媒床且進一步其中進料物流含有 水與含碳進料。 33. 根據申請專利範圍第32項之裝置，其中重組區域 與外罩爲至少部份安裝在共用之外殻中。 34. 根據申請專利範圍第31項之裝置，其係與接收富 含氫氣物流之至少一部分且從其製造電流之燃料電池堆合 倂。 35. —種氫氣純化裝置，其含有： 一定義出內部隔間之外罩，其中外罩包括至少一個可 供含有氫氣與其他氣體之混合氣體物流通過以輸送至外罩 之入口，至少一個可供含有至少本質上爲純的氫氣之滲透 物流通過以從外罩移除之產品輸出口，以及至少一個可供 含有至少一大部分之其他氣體之副產品物流通過以從外罩 移除之副產品輸出口； 在隔間中之至少一個薄膜包封，其中每一個薄膜包封 73 563270 是從一對氫氣選擇性薄膜所形成，其中每一個薄膜包括一 用來與混合氣體物流接觸之第一表面以及一通常面對第一 表面之滲透表面，其中該對薄膜之朝向係使該對氫氣選擇 性薄膜以其通常面對彼此之滲透表面彼此隔開以定義出在 其間延伸之獲取導管，其中每一個薄膜包封進一步包括在 獲取導管中之支撐物且其用來支撐該對氫氣選擇性薄膜， 其中支撐物包括一對通常相對之表面以分別用來對該對氫 氣選擇性薄膜之滲透表面提供支撐，其中滲透物流係從通 過薄膜至獲取導管之混合氣體物流之部分所形成，且未通 過薄膜之混合氣體物流之至少一部分係形成副產品物流之 至少一部分；與進一步其中每一個氫氣選擇性薄膜具有熱 膨脹係數；以及 用於支撐外罩中之至少一個薄膜包封之裝置，其中用 於支撐外罩中之至少一個薄膜包封之裝置包括接觸薄膜結 構及包括含有鎳與銅之合金的組成，該接觸薄膜結構具有 與氫氣選擇性薄膜不同之組成以及具有至少一個熱膨脹係 數爲低於氫氣選擇性薄膜之熱膨脹係數。 36. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中接觸薄膜 結構包括含有鎳與銅之合金。 37. 根據申請專利範圍第36項之裝置，其中接觸薄膜 結構具有的熱膨脹係數是在薄膜熱膨脹係數的10%範圍內 ，且選用地是在薄膜熱膨脹係數的2%範圍內，且進一步選 用地是在薄膜熱膨脹係數的1%範圍內。 38. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中接觸薄膜 74 563270 結構具有的熱膨脹係數爲低於薄膜熱膨脹係數。 39. 根據申請專利範圍第38項之裝置’其中接觸薄膜 結構具有大於約13微米/米/°c之熱膨脹係數。 40. 根據申請專利範圍第38項之裝置，其中接觸薄膜 結構是金屬。 41 ·根據申請專利範圍第3 5項之裝置’其中薄膜係至 少本質上從包括約40重量％銅之鈀合金所形成。 42. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中薄膜通常 具有平面組態。 43. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中接觸薄膜 結構爲非氫氣選擇性。 44. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中接觸薄膜 之結構包括支撐物。 45. 根據申請專利範圍第44項之裝置，其中支撐物被 用來允許進入獲取導管之混合氣體物流之部分可同時橫貫 或平行薄膜之滲透表面以流動。 46. 根據申請專利範圍第45項之裝置，其中支撐物包 括至少一個篩網元件。 47. 根據申請專利範圍第46項之裝置，其中支撐物包 括數個篩網元件。 48·根據申請專利範圍第47項之裝置，其中數個篩網 元件包括至少一個形成接觸薄膜結構之至少一部分之篩網 元件，且進一步其中數個篩網元件包括至少一個未接觸薄 膜之篩網元件。 75 563270 49. 根據申請專利範圍第47項之裝置，其中至少一個 篩網元件具有的熱膨脹係數是在薄膜熱膨脹係數的10%範 圍內，且選用地是在薄膜熱膨脹係數的2%範圍內，且進一 步選用地是在薄膜熱膨脹係數的1 %範圍內。 50. 根據申請專利範圍第49項之裝置，其中數個篩網 元件包括至少二個包含通常相對之表面之篩網元件，且進 一步其中數個篩網元件包括至少一個未接觸薄膜之篩網元 件。 51·根據申請專利範圍第49項之裝置，其中至少二個 篩網元件係從未包括含有鎳與銅之合金之材料所形成。 52.根據申請專利範圍第49項之裝置，其中至少二個 篩網(元件係從具有熱膨脹細數爲大於薄膜熱膨脹係數之材 料所形成。 53·根據申請專利範圍第49項之裝置，其中至少二個 舖網元件係從不銹鋼所形成，且至少一個未接觸薄膜之篩 ，網％件係從一或多個含有鎳與銅之合金以及具有未大於薄 膜熱膨脹係數之熱膨脹係數之材料所形成。 54·根據申請專利範圍第47項之裝置，其中數個篩網 Εί牛之至少其中一個是從具有大於薄膜熱膨脹係數之熱膨 脹係數之材料所形成。 55·根據申請專利範圍第47項之裝置，其中數個篩網 元^牛t至少其中一個是從未包括含有銅與鎳之合金之材料 所形成。 56·根據申請專利範圍第35項之裝置，其中每一個氫 76 563270 氣選擇性薄膜包括一邊緣區域，且進一步其中邊緣區域係 安裝在包括至少一個框架之框架組件上，且進一步其中接 觸薄膜結構係包括框架組件。 57. 根據申請專利範圍第56項之裝置，其中框架組件 形成外罩之一部分。 58. 根據申請專利範圍第56項之裝置，其中框架組件 係從氫氣不可透過之材料所形成。 59. 根據申請專利範圍第56項之裝置，其中框架組件 係從包括鎳與銅之合金所形成。 60. 根據申請專利範圍第56項之裝置，其中框架組件 係具有低於薄膜熱膨脹係數之熱膨脹係數。 61. 根據申請專利範圍第56項之裝置，其中框架組件 係具有低於16微米/米/°C之熱膨脹係數。 62. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中氫氣純化 裝置包括互相連接至少一個薄膜包封之數個氣體輸送導管 以選擇地將混合氣體物流輸送至薄膜之第一表面，從獲取 導管將滲透物流移除，且移除副產品物流。 63. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中氫氣純化 裝置係包括數個薄膜包封。 64. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中用於支撐 至少一個薄膜包封之裝置係至少本質上從鎳與銅之合金所 形成。 65. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中用於支撐 至少一個薄膜包封之裝置係至少本質上從一或多個具有低 77 563270 於薄膜熱膨脹係數之熱膨脹係數之材料所形成。 66. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中外罩至少 本質上係從鎳與銅之合金所形成。 67. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中外罩係具 有低於16微米/米/°C之熱膨脹係數。 68. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其中外罩係具 有低於薄膜熱膨脹係數之熱膨脹係數。 69. 根據申請專利範圍第35項之裝置，其係與製造混 合氣體物流之燃料處理組件合倂。 70. 根據申請專利範圍第69項之裝置，其中燃料處理 組件係包括至少一個重組觸媒床且被用來藉蒸汽重組製造 混合氣體物流。 71. —種氫氣純化裝置，其含有： 具有一對隔開之末端板與在其間延伸之周邊外殻以與 末端板定義出內部隔間之外罩；其中外罩包括至少一個含 有氫氣之混合氣體物流可經其輸送至外罩之輸入口，含有 至少本質上爲純的氫氣之滲透物流可經其從外罩移除之至 少一個產品輸出口，以及含有至少大部分之其他氣體之副 產品物流可經其從外罩移除之至少一個副產品輸出口； 在隔間中之至少一個氫氣選擇性薄膜，其中至少一個 氫氣選擇性薄膜包括用來與混合氣體物流接觸之第一表面 以及通常與第一表面相對之滲透表面，其中滲透物流係從 通過至少一個氫氣選擇性薄膜至滲透表面之混合氣體物流 之部分所形成，且副產品物流係從未通過至少一個氫氣選 78 563270 擇性薄膜之混合氣體物流之部分所形成； 其中每一個末端板包括通常面對隔間之內部表面，通 常背對外罩之外部表面，以及與周邊外罩形成密封之至少 一部分之密封區域；且 其中末端板之至少其中之一包括含有密封區域之底板 以及從底板突出之構架組件。 72. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中構架組件 係用來支撐至少一個末端板以對抗偏離周邊外殼之歪斜。 73. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中構架組件 係用來增加至少一個末端板之熱傳表面。 74. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中構架組件 包括數個從底板延伸之彎樑。 75. 根據申請專利範圍第74項之裝置，其中構架組件 包括互相連接彎樑末梢底板之支撐物。 76. 根據申請專利範圍第74項之裝置，其中構架組件 進一步包括數個在彎樑與底板間延伸之鰭片。 77. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中構架組件 係從至少一個末端板之內部表面延伸。 78. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中構架組件 係從至少一個末端板之外部表面延伸。 79. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中外殼之至 少一部分係與末端板之至少一部份一體成型。 80. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中當裝置是 在至少200°C之選擇溫度與每平方英吋至少50磅之選擇壓 79 563270 力下操作時，至少一個末端板之底板係用來接收每平方英 吋低於12,000磅之應力。 81. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中當裝置是 在至少3〇〇aC之選擇溫度與每平方英吋至少125磅之選擇 壓力下操作時，至少一個末端板之底板係用來接收每平方 英吋低於12,000磅之應力。 82. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中當裝置是 在至少400°C之選擇溫度與每平方英吋至少175磅之選擇 壓力下操作時，至少一個末端板之底板係用來接收每平方 英吋低於12,000磅之應力。 83. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 末端板之重量係低於4磅。 84. 根據申請專利範圍第83項之裝置，其中至少一個 末端板係進一步具有至少1〇平方英吋、且選用地至少20 平方英吋之截面積。 85. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 末端板之重量係低於5磅，且進一步其中當裝置在至少 200°C之選擇溫度與每平方英吋至少50磅之選擇壓力下操 作時，至少一個末端板之底板係用來接收每平方英吋低於 12,000磅之應力。 86. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 末端板之重量係低於5磅，且進一步其中當裝置在至少 300°C之選擇溫度與每平方英吋至少100磅之選擇壓力下 操作時，至少一個末端板之底板係用來接收每平方英吋低 563270 於12,000磅之應力。 87. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中裝置在 25°C之溫度與1大氣壓之隔間中之壓力下係具有第一組態 ，且400°C之溫度與每平方英吋175磅之隔間中之壓力下 係具有第二組態，且進一步在第二組態中，至少一個末端 板之底板係具有來自第一組態之低於0.001英吋、且選用 地係低於0.0008英吋、且進一步選用地係低於0.00065英 吋之最大位移。 88. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中裝置在 25Y之溫度與1大氣壓之隔間中之壓力下係具有第一組態 ，且400°C之溫度與每平方英吋175磅之隔間中之壓力下 係具有第二組態，且進一步在第二組態中，至少一個末端 板之底板係用以在其密封區域具有與第一組態相比爲低於 0.001英吋、且選用地與第一組態相比爲低於0.0008英吋 、且進一步選用地與第一組態相比爲低於0.0006英吋之位 移。 89. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 末端板係具有相對於在25°C之溫度與1大氣壓之壓力下之 至少一個末端板之組態所測量之最大位移，且進一步其中 當裝置係在至少200°C之選擇溫度與每平方英吋至少50磅 之選擇壓力下操作時，至少一個末端板具有低於1000磅/ 平方英吋磅、且選用地係低於800磅/平方英吋磅、且進 一步選用地係低於600磅/平方英吋磅之質量/最大位移 比値。 81 563270 90. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 末端板係具有相對於在25°C之溫度與1大氣壓之壓力下之 至少一個末端板之組態所測量之最大位移，且進一步其中 當裝置係在至少300°C之選擇溫度與每平方英吋至少125 磅之選擇壓力下操作時，至少一個末端板係具有低於800 磅/平方英吋磅之質量/最大位移比値。 91. 根據申請專利範圍第90項之裝置，其中至少一個 末端板之底板係具有低於1/3英吋之厚度。 92. 根據申請專利範圍第91項之裝置，其中至少一個 末端板之底板係具有至少10平方英吋、且選用地至少20 平方英吋之截面積。 93. 根據申請專利範圍第92項之裝置，其中至少一個 末端板之底板係具有至少20平方英吋之截面積。 94. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 末端板係具有相對於在25°C之溫度與1大氣壓之壓力下之 至少一個末端板之組態所測量之最大位移，且進一步其中 當裝置在至少300°C之選擇溫度與每平方英吋至少125磅 之選擇壓力下操作時，至少一個末端板係具有低於600磅 /平方英吋磅之質量/最大位移比値。 95. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 末端板係具有相對於在25°C之溫度與1大氣壓之壓力下之 至少一個末端板之組態所測量之最大位移，且進一步其中 當裝置在至少400°C之選擇溫度與每平方英吋至少175磅 之選擇壓力下操作時，至少一個末端板係具有低於600磅 82 563270 /平方英吋磅之質量/最大位移比値。 96. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 氫氣選擇性薄膜係安裝在框架上。 97. 根據申請專利範圍第96項之裝置，其中框架係安 裝在外罩中。 98. 根據申請專利範圍第97項之裝置，其中框架形成 至少一外罩的部分。 99. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中裝置包括 至少一個由一對氫氣選擇性薄膜所形成之薄膜包封，該對 氫氣選擇性薄膜係朝向以使該對氫氣選擇性薄膜以通常面 對彼此之滲透表面彼此隔開以定義出在其間延伸之獲取導 管，且進一步其中滲透物流係從混合氣體物流通過薄膜至 獲取導管之部分所形成，且混合氣體物流仍停留在薄膜第 一表面之剩餘部分將形成副產品物流之至少一部分。 100. 根據申請專利範圍第99項之裝置，其中至少一個 薄膜包封係包括在獲取導管中之支撐物且係用以支撐一對 氫氣選擇性薄膜，其中支撐物包括一對用以對一對氫氣選 擇性薄膜之各個滲透側面提供支撐之通常相對之表面。 101. 根據申請專利範圍第1〇〇項之裝置，其中支撐物 係用以允許氣體同時以平行與橫貫薄膜滲透側面之方式流 動。 102. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其中至少一個 氫氣選擇性薄膜係從鈀與鈀合金之至少一個、且選用地係 從含有鈀與銅之合金、且進一步選用地係從含有鈀與約40 83 563270 重量％銅之合金所形成。 103. 根據申請專利範圍第71項之裝置，其係與製造混 合氣體物流之燃料處理器合倂。 104. 根據申請專利範圍第103項之裝置，其中燃料處 理器係包括至少一個重組觸媒床且係用以藉蒸汽重組製造 混合氣體物流。 105. —種氫氣純化裝置，其含有： 一定義出內部隔間之外罩，其中外罩包括至少一個可 供含有氫氣之混合氣體物流通過以輸送至外罩之入口，至 少一個可供含有至少本質上爲純的氫氣之產品氫氣物流通 過以從外罩移除之產品輸出口，以及至少一個可供含有其 他氣體之至少一大部份之副產品物流通過以從外罩移除之 副產品輸出口； 在隔間中之至少一個氫氣選擇性薄膜，其中至少一個 氫氣選擇性薄膜係包括用以與混合氣體物流接觸之第一表 面以及通常與第一表面相對之滲透表面，其中滲透物流係 從通過至少一個氫氣選擇性薄膜至滲透表面之混合氣體物 流之部分所形成，且副產品物流係從未通過至少一個氫氣 選擇性薄膜之混合氣體物流之部分所形成；且 其中外罩包括一對末端板與至少在末端板間部份延伸 以定義出外罩之至少一部分之外殼部分，且進一步其中外 殻部分係與至少一個末端板一體成型。 106. 根據申請專利範圍第105項之裝置，其中外殼部 分係與一對末端板之第一個一體成型且包括遠離末端板之 84 563270 第一個之末梢部分，其係用與末端板之第二個上之密封區 域形成至少本質上液體密封之界面。 107. 根據申請專利範圍第105項之裝置，其中外殼部 分是與一對末端板之第一個一體成型之第一外殻部分，其 中外罩進一步包括與末端板之第二個一體成型之第二外殼 部分。 108. 根據申請專利範圍第107項之裝置，其中外殻部 分包括用以集體地形成至少本質上爲液體密封界面之末端 區域。 109. 根據申請專利範圍第108項之裝置，其中該裝置 進一步包括至少一個在末端區域間延伸之密封元件。 110. 根據申請專利範圍第105項之裝置，其中外罩在 末端板與外罩間只包括單一界面。 111. 根據申請專利範圍第105項之裝置，其進一步包 括至少一個由一對氫氣選擇性薄膜所形成之薄膜包封，該 對氫氣選擇性薄膜係朝向以使該對氫氣選擇性薄膜以通常 面對彼此之滲透側面彼此隔開以定義出在其間延伸之獲取 導管，且進一步其中產品氫氣物流係從混合氣體物流通過 薄膜至獲取導管之部分所形成，且混合氣體物流仍停留在 薄膜第一表面之剩餘部分將形成副產品物流之至少一部分 〇 112. —種氫氣純化裝置，其在至少200°C之選擇溫度 與每平方英吋至少50磅之選擇壓力下操作且包括具有含有 至少一個氫氣選擇性薄膜之內部、至少本質上爲液體密封 85 563270 之隔間之外罩之氫氣純化裝置，其改良包括：至少一個構 架硬化之末端板以形成外罩之一部分。 113. 根據申請專利範圍第112項之裝置，其中選擇之 溫度係至少300°C且選擇之壓力係至少每平方英吋150磅 〇 114. 根據申請專利範圍第112項之裝置，其係與採用 以製造第一物流之燃料處理器合倂。 115. 根據申請專利範圍第114項之裝置，其中該裝置 係至少部份安裝在燃料處理器中。 拾壹、圖式 如次頁

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