TWI700246B - 氫氣淨化裝置 - Google Patents

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羅伯 陶德 史塔克貝克
羅伯 傑卡斯 史塔克貝克
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Abstract

本發明揭示氫氣淨化裝置及其組件。在一些實施例中，該等裝置可包括安置於第一端框架與第二端框架之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架的至少一個箔微孔篩網總成。該至少一個箔微孔篩網總成可包括至少一個氫氣選擇性膜及包括一無孔平面薄片的至少一個微孔篩網結構，該無孔平面薄片具有形成複數個流體通路之複數個孔隙。該平面薄片可包括大體相對之平面表面，其經組態以提供對滲透側的支撐。該複數個流體通路可在該等相對表面之間延伸。該至少一個氫氣選擇性膜可以冶金方式接合至該至少一個微孔篩網結構。在一些實施例中，該等裝置可包括具有至少一個膜支撐結構之一滲透物框架，該至少一個膜支撐結構橫跨一開放區之至少一相當大部分且經組態以支撐至少一個箔微孔篩網總成。

Description

氫氣淨化裝置
本案有關一種氫氣淨化裝置。本案係為2013年3月14日申請且專利名稱為「Hydrogen Generation Assemblies and Hydrogen Purification Devices」且現獲准為美國專利第9,187,324號的美國專利申請案第13/829,766號的部分連續申請案，該美國專利申請案第13/829,766號係為2012年8月30日申請且專利名稱為「Hydrogen Generation Assemblies」之美國專利申請案第13/600,096號的部分連續申請案。以上申請案之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入於本文中。
氫氣產生總成為一種將一或多種原料轉化成含有氫氣作為主要組份之產物流的總成。原料可包括含碳原料且在一些實施例中，亦可包括水。將原料自原料遞送系統遞送至氫氣產生總成之氫氣產生區，其中典型地原料係在壓力及高溫下遞送。氫氣產生區通常與諸如加熱總成或冷卻總成之溫度調變總成相關聯，該氫氣產生區消耗一或多個燃料流以維持氫氣產生區在合適的溫度範圍內以有效地產生氫氣。氫氣產生總成可經由諸如蒸汽重組、自發性熱重組、熱解及/或催化部分氧化之任何合適機制產生氫氣。
然而，所產出或產生之氫氣可具有雜質。彼氣體可被稱作含有氫氣及其他氣體之混合氣流。在使用混合氣流之前，必須對該混合氣流進行淨化以便移除其他氣體的至少一部分。氫氣產生總成因此可包括用於增加混合氣 流之氫氣純度的氫氣淨化裝置。氫氣淨化裝置可包括至少一個氫氣選擇性膜以將混合氣流分離成產物流及副產物流。產物流含有較大濃度之氫氣及/或來自混合氣流的較小濃度之一或多種其他氣體。使用一或多個氫氣選擇性膜進行之氫氣淨化為壓力驅動之分離製程，在該製程中，一或多個氫氣選擇性膜係含有在壓力容器中。混合氣流接觸膜之混合氣體表面，且產物流由穿過膜滲透之混合氣流的至少一部分形成。壓力容器典型地經密封以防止氣體進入或離開壓力容器，除了經由所界定之入口通口及出口通口或管道外。
產物流可用於各種應用中。一種此類應用為能量產生，諸如在電化學燃料電池中。電化學燃料電池為將燃料及氧化劑轉化成電、反應產物及熱之裝置。舉例而言，燃料電池可將氫氣及氧轉換成水及電。在彼等燃料電池中，氫氣為燃料，氧為氧化劑，且水為反應產物。燃料電池堆疊包括複數個燃料電池且可與氫氣產生總成一起使用以提供能量產生總成。
氫氣產生總成、氫氣處理總成及/或彼等總成之組件的實例描述於以下各者中：美國專利第5,861,137號；第6,319,306號；第6,494,937號；第6,562,111號；第7,063,047號；第7,306,868號；第7,470,293號；第7,601,302號；第7,632,322號；第8,961,627號；及美國專利申請案公開案第2006/0090397號；第2006/0272212號；第2007/0266631號；第2007/0274904號；第2008/0085434號；第2008/0138678號；第2008/0230039號；及第2010/0064887號。以上專利及專利申請公開案之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
一些實施例可提供一種氫氣淨化裝置。在一些實施例中，該氫氣淨化裝置可包括第一端框架及第二端框架，第一端框架及第二端框架包括一輸入通口，該輸入通口經組態以接收含有氫氣及其他氣體之一混合氣流。第一 端框架及第二端框架可另外包括一輸出通口，其經組態以接收一滲透物流，該滲透物流相較於該混合氣流含有一較大濃度之氫氣及一較低濃度之該等其他氣體中的至少一者；及一副產物通口，其經組態以接收含有該等其他氣體之至少一相當大部分的一副產物流。該氫氣淨化裝置另外包括至少一個箔微孔篩網總成，其安置於該第一端框架與該第二端框架之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架。該至少一個箔微孔篩網總成包括具有一進料側及一滲透側之至少一個氫氣選擇性膜。該滲透物流之至少部分由該混合氣流的自該進料側傳遞至該滲透側之部分形成，其中該混合氣流之剩餘在該進料側上之剩餘部分形成該副產物流的至少部分。
該至少一個箔微孔篩網總成另外包括：包括一無孔平面薄片之至少一個微孔篩網結構，該無孔平面薄片具有形成複數個流體通路之複數個孔隙。該平面薄片包括經組態以提供對該滲透側之支撐的大體相對之平面表面。該複數個流體通路在該等相對表面之間延伸。該至少一個氫氣選擇性膜以冶金方式接合至至少一個微孔篩網結構。該氫氣淨化裝置進一步包括複數個框架，其安置於該第一端框架及該第二端框架與該至少一個箔微孔篩網總成之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架。該複數個框架中之每一框架包括界定一開放區之一周邊殼層。
在一些實施例中，該氫氣淨化裝置可包括第一端框架及第二端框架，第一端框架及第二端框架包括一輸入通口，該輸入通口經組態以接收含有氫氣及其他氣體之一混合氣流。第一端框架及第二端框架可另外包括一輸出通口，其經組態以接收一滲透物流，該滲透物流相較於該混合氣流含有一較大濃度之氫氣及一較低濃度之該等其他氣體中的至少一者；及一副產物通口，其經組態以接收含有該等其他氣體之至少一相當大部分的一副產物流。該氫氣淨化裝置另外包括至少一個箔微孔篩網總成，其安置於該第一端框架與該第二端 框架之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架。該至少一個箔微孔篩網總成包括具有一進料側及一滲透側之至少一個氫氣選擇性膜。該滲透物流之至少部分由該混合氣流的自該進料側傳遞至該滲透側之部分形成，其中該混合氣流之剩餘在該進料側上之剩餘部分形成該副產物流的至少部分。該至少一個箔微孔篩網總成另外包括至少一個微孔篩網結構，其包括其經組態以提供對該滲透側之支撐的大體相對之平面表面以及在該等相對表面之間延伸的複數個流體通路。該至少一個氫氣選擇性膜以冶金方式接合至至少一個微孔篩網結構。
該氫氣淨化裝置進一步包括複數個框架，其安置於該第一端框架及該第二端框架與該至少一個箔微孔篩網總成之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架。該複數個框架包括安置於該至少一個箔微孔篩網總成與該第二端框架之間的至少一個滲透物框架。該至少一個滲透物框架包括：一周邊殼層，及一輸出管道，其形成於該周邊殼層上且經組態以自該至少一個氫氣選擇性膜接收該滲透物流的該至少部分。該至少一個滲透物框架另外包括：藉由該周邊殼層包圍之一開放區，及至少一個膜支撐結構，其橫跨該開放區之至少一相當大部分且經組態以支撐該至少一個箔微孔篩網總成。該至少一個膜支撐結構不含穿孔。
一些實施例可提供一種箔微孔篩網總成。該箔微孔篩網總成可包括具有一進料側及一滲透側之至少一個氫氣選擇性膜。該至少一個氫氣選擇性膜可經組態以接收一混合氣流、自該混合氣流之自該進料側傳遞至該滲透側之部分形成一滲透物流且自該混合氣流之剩餘在該進料側上的剩餘部分形成一副產物流。該箔微孔篩網總成另外可包括：包括一無孔平面薄片之至少一個微孔篩網結構，該無孔平面薄片具有形成複數個流體通路之複數個孔隙。該平面薄片可包括大體相對之平面表面，其經組態以提供對滲透側的支撐。該複數個流體通路可在該等相對表面之間延伸。該至少一個氫氣選擇性膜之該滲透側可 以冶金方式接合至該至少一個微孔篩網結構。
20:氫氣產生總成
21:產物氫氣流
22:原料遞送系統
24:燃料處理總成
26:進料流
28:燃料流
30:氫氣產生流體
32:氫氣產生區
34:輸出流
36:蒸汽重組催化劑
38:空氣遞送總成
40:淨化(或分離)區
42:富氫氣流
44:副產物流
46:氫氣選擇性膜
48:化學一氧化碳移除總成
50:變壓吸附(PSA)系統
52:加熱總成
54:排出流(或燃燒流)
58:點火器或點火源
60:燃燒器總成
62:空氣流
64:汽化區
66:殼層或外殼
68:絕緣材料
70:外部封皮或護套
72:氫氣產生總成
74:原料遞送系統
76:汽化區
78:氫氣產生區
80:加熱總成
82:淨化區
84:原料槽(或容器)
86:泵
88:氫氣產生流體
90:進料流
92:汽化器
94:氣相進料流
96:輸出流
97:蒸汽重組區
98:重組催化劑
99:排出流
100:燃燒器總成
102:鼓風機
104:點火器總成
106:空氣流
108:燃料流
110:燃燒區
111:流量限制孔口
112:滲透物或富氫氣流
114:過濾器總成
116:膜總成
118:甲烷化反應器總成
120:殼層或外殼
122:排出通口
124:燃燒排出流
126:控制系統
128:控制總成
130:閥
132:泄壓閥
134:溫度量測裝置
136:熱交換總成
138:熱交換器
144:氫氣淨化裝置
146:氫氣分離區
148:殼體
149:主體
150:內部容積
152:內部周邊
154:第一部分
156:第二部分
158:保持機構或結構
160:混合氣體區
162:滲透物區
164:輸入通口
166:流體流
168:混合氣體流
170:氫氣
172:其他氣體
174:產物輸出通口
176:滲透物流
178:殘氣流
180:殘氣通口
182:副產物輸出通口
184:副產物流
186:氫氣選擇性膜
188:第一或混合氣體表面
190:第二或滲透物表面
192:氫氣分離總成
194:膜總成
196:氫氣淨化裝置
198:殼層或殼體
200:第一端板或端框架
202:第二端板或端框架
204:內部隔室
205:箔微孔篩網總成
206:氫氣選擇性膜
208:微孔篩網結構
210:進料側
212:滲透側
213:無孔平面薄片
214:表面
215:表面
216:孔隙
217:流體通路
218:穿孔區域(或部分)
219:非穿孔區域(或部分)
220:周邊區域(或部分)
221:邊界區域(或部分)
222:周邊部分
224:板或框架
226:周邊殼層
228:第一支撐部件
230:開放區
232:框架平面
234:第一相對側
236:第二相對側
238:第三相對側
240:第四相對側
242:第一部分
244:第一支撐平面
246:第二支撐部件
248:第三支撐部件
250:第二部分
252:第三部分
254:第二支撐平面
256:第三支撐平面
258:突出部或指
260:進料框架
262:滲透物框架
264:密封墊或密封墊框架
266:進料框架周邊殼層
268:進料框架輸入管道
270:進料框架輸出管道
272:進料框架開放區
274:第一進料框架支撐部件
276:第二進料框架支撐部件
278:第三進料框架支撐部件
280:第一區段或第一周邊殼層
282:第二區段或第二周邊殼層
284:進料框架密封墊
286:膜支撐結構
288:進料框架支撐平面
290:寬度
292:寬度
294:部分
296:部分
300:進料框架平面
302:進料框架突出部或指狀物
304:滲透物框架周邊殼層
306:滲透物框架輸出管道
308:滲透物框架開放區
310:第一區段或第一周邊殼層
312:第二區段或第二周邊殼層
314:滲透物框架密封墊
316:厚度
318:厚度
320:第一區段
322:第二區段
324:第三區段
326:滲透物框架密封墊
328:膜支撐板
330:第一面(或表面)
332:第二相對面(或相對表面)
334:微凹槽
336:第一邊緣
338:第二相對邊緣
339:單一支撐板
340:第一膜支撐板
342:第二膜支撐板
344:第一面
346:第二相對面
348:第一面
349:第二相對面
350:第三膜支撐板
396:氫氣淨化裝置
398:殼層或殼體
400:第一端板或端框架
402:第二端板或端框架
404:內部隔室
405:箔微孔篩網總成
406:氫氣選擇性膜
408:微孔篩網結構
424:板或框架
426:周邊殼層
430:開放區
434:第一相對側
436:第二相對側
438:第三相對側
440:第四相對側
460:進料框架
462:滲透物框架
464:密封墊或密封墊框架
圖1為氫氣產生總成之實例的示意圖。
圖2為氫氣產生總成之另一實例的示意圖。
圖3為圖1之氫氣產生總成之氫氣淨化裝置的示意圖。
圖4為圖3之氫氣淨化裝置之實例的分解立體圖。
圖5為圖4之氫氣淨化裝置之箔微孔篩網總成之實例的俯視圖。
圖6為圖5之箔微孔篩網總成之微孔篩網結構之實例的俯視圖。
圖7為具有孔隙之另一實例的圖6之微孔篩網結構的局部視圖。
圖8為具有孔隙之又一實例的圖6之微孔篩網結構的局部視圖。
圖9為具有孔隙之另一實例的圖6之微孔篩網結構的局部視圖。
圖10為圖4之氫氣淨化裝置之箔微孔篩網總成之另一實例的俯視圖。
圖11為圖10之箔微孔篩網總成之微孔篩網結構之實例的俯視圖。
圖12為圖4之氫氣淨化裝置之箔微孔篩網總成之另一實例的俯視圖。
圖13為圖4之氫氣淨化裝置之箔微孔篩網總成之另一實例的俯視圖。
圖14為圖4之氫氣淨化裝置的滲透物框架、箔微孔篩網總成、密封墊框架及進料框架之實例的在未展示箔微孔篩網總成與滲透物框架之間的密封墊框架情況下之局部剖面圖。
圖15為圖4之氫氣淨化裝置的展示滲透物框架之周邊殼層及滲透物框架之膜支撐結構之實例的俯視圖。
圖16為圖4之氫氣淨化裝置的滲透物框架之周邊殼層之另一實例的局部剖面圖。
圖17為圖4之氫氣淨化裝置之滲透物框架的膜支撐結構之膜支撐板的實例之立體圖。
圖18為圖4之氫氣淨化裝置之滲透物框架之膜支撐結構的膜支撐板之另一實例的立體圖。
圖19為圖4之氫氣淨化裝置之膜支撐結構的另一實例之剖面圖。
圖20為圖3之氫氣淨化裝置之另一實例的分解立體圖。
圖1展示氫氣產生總成20之實例。除非特定地排除，否則氫氣產生總成20可包括本發明中所述之其他氫氣產生總成之一或多個組件。氫氣產生總成可包括經組態以產生產物氫氣流21之任何合適結構。舉例而言，氫氣產生總成可包括原料遞送系統22及燃料處理總成24。原料遞送系統可包括經組態以選擇性遞送至少一個進料流26至燃料處理總成之任何合適結構。
在一些實施例中，原料遞送系統22可另外包括經組態以選擇性遞送至少一個燃料流28至燃料處理總成24之燃燒器或其他加熱總成的任何合適結構。在一些實施例中，進料流26及燃料流28可為遞送至燃料處理總成之不同部分的相同流。原料遞送系統可包括任何合適之遞送機構，諸如用於推進流體流之正排量或其他合適之泵或機構。在一些實施例中，原料遞送系統可經組態以在不需要使用泵及/或其他電動流體遞送機構之情況下遞送進料流26及/或燃料流28。可與氫氣產生總成20一起使用之合適的原料遞送系統之實例包括美國專利第7,470,293號及第7,601,302號以及美國專利申請公開案第2006/0090397號中所述之原料遞送系統。以上專利及專利申請案之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
進料流26可包括至少一種氫氣產生流體30，其可包括可用作用 以產生產物氫氣流21之反應物的一或多種流體。舉例而言，氫氣產生流體可包括含碳原料，諸如至少一種烴及/或醇。合適烴之實例包括甲烷、丙烷、天然氣、柴油、煤油、汽油等。合適醇之實例包括甲醇、醇、多元醇(諸如乙二醇及丙二醇)等。另外，氫氣產生流體30可包括水，諸如當燃料處理總成經由蒸汽重組及/或自發性熱重組產生產物氫氣流時。當燃料處理總成24經由熱解或催化部分氧化產生產物氫氣流時，進料流26不含水。
在一些實施例中，原料遞送系統22可經組態以遞送含有水及可與水混溶之含碳原料(諸如甲醇及/或另一水溶性醇)之混合物的氫氣產生流體30。此類流體流中水與含碳原料之比率可根據諸如以下各者之一或多個因素發生變化：正使用之特定含碳原料、使用者偏好、燃料處理總成之設計、由燃料處理總成使用以產生產物氫氣流的機構等。舉例而言，水與碳之莫耳比可為約1：1至3：1。另外，水與甲醇之混合物可以1：1或接近1：1之莫耳比(37重量%水，63重量%甲醇)遞送，而烴或其他醇之混合物可以大於1：1之水與碳之莫耳比遞送。
當燃料處理總成24經由重組產生產物氫氣流21時，進料流26可包括例如約25至75體積%甲醇或乙醇(或另一合適的水可混溶性含碳原料)及約25至75體積%水。對於至少實質上包括甲醇及水之進料流，彼等流可包括約50至75體積%甲醇及約25至50體積%水。含有乙醇或其他水可混溶性醇之流可含有約25至60體積%醇及約40至75體積%水。用於利用蒸汽重組或自發性熱重組之氫氣產生總成20的進料流之實例含有69體積%甲醇及31體積%水。
雖然原料遞送系統22展示為經組態以遞送單一進料流26，但該原料遞送系統可經組態以遞送兩個或多於兩個進料流26。彼等流可含有相同或不同原料且可具有不同組成(至少一種常見組份、不常見組份)或相同組成。舉例而言，第一進料流可包括第一組份，諸如含碳原料；且第二進料流可包括 第二組份，諸如水。另外，雖然原料遞送系統22在一些實施例中可經組態以遞送單一燃料流28，但該原料遞送系統可經組態以遞送兩種或多於兩種燃料流。燃料流可具有不同組成(至少一種常見組份、不常見組份)或相同組成。另外，進料流及燃料流可在不同階段自原料遞送系統排出。舉例而言，該等流中之一者可為液流，而其他流為氣流。在一些實施例中，兩個流均可為液流；而在其他實施例中，兩個流均可為氣流。另外，雖然氫氣產生總成20展示為包括單一原料遞送系統22，但該氫氣產生總成可包括兩個或多於兩個原料遞送系統22。
燃料處理總成24可包括氫氣產生區32，其經組態以經由任何合適之氫氣產生機制產生含有氫氣的輸出流34。輸出流可包括氫氣作為至少大部分組份且可包括額外的氣體組份。輸出流34因此可被稱作含有氫氣作為其大部分組份但包括其他氣體之「混合氣流(mixed gas stream)」。
氫氣產生區32可包括任何合適的含催化劑之床或區。當氫氣產生機制為蒸汽重組時，氫氣產生區可包括合適的蒸汽重組催化劑36以促進自含有含碳原料及水之進料流26產生輸出流34。在此類實施例中，燃料處理總成24可被稱作「蒸汽重組器(steam reformer)」，氫氣產生區32可被稱作「重組區(reforming region)」，且輸出流34可被稱作「重組物流(reformate stream)」。可存在於重組物流中之其他氣體可包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、蒸汽及/或未反應的含碳原料。
當氫氣產生機制為自發性熱重組時，氫氣產生區32可包括合適的自發性熱重組催化劑以促進在空氣存在下自含有水及含碳原料之進料流26產生輸出流34。另外，燃料處理總成24可包括空氣遞送總成38，其經組態以遞送空氣流至氫氣產生區。
在一些實施例中，燃料處理總成24可包括淨化(或分離)區 40，其可包括經組態以自輸出(或混合氣)流34產生至少一個富氫氣流42之任何合適的結構。富氫氣流42可包括相較於輸出流34較大的氫氣濃度及/或存在於彼輸出流中的較低濃度之一或多種其他氣體(或雜質)。產物氫氣流21包括富氫氣流42之至少一部分。因此，產物氫氣流21及富氫氣流42可為同一流且具有相同組成及流動速率。替代地，富氫氣流42中之經淨化之氫氣中的一些可儲存在諸如合適之氫氣儲存總成中以供隨後使用及/或由燃料處理總成消耗。淨化區40亦可被稱作「氫氣淨化裝置(hydrogen purification device)」或「氫氣處理總成(hydrogen processing assembly)」。
在一些實施例中，淨化區40可產生至少一種副產物流44，其可不含氫氣或含有一些氫氣。副產物流可排出、傳送至燃燒器總成及/或其他燃燒源、用作經加熱之流體流、經儲存以供隨後使用，及/或以其他方式利用、儲存及/或安置。另外，淨化區40可以回應於輸出流34之遞送發射作為連續流的副產物流，或可間歇地發射該流，諸如在分批法中或當輸出流之副產物部分至少暫時保留在淨化區中時。
燃料處理總成24可包括一或多個淨化區，其經組態以產生含有足夠量氫氣之一或多個副產物流以適用作燃料處理總成之加熱總成的燃料流(或原料流)。在一些實施例中，副產物流可具有足夠的燃燒值或氫氣含量以使得加熱總成能夠將氫氣產生區維持於所需操作溫度下或所選溫度範圍內。舉例而言，副產物流可包括氫氣，諸如10至30體積%氫氣、15至25體積%氫氣、20至30體積%氫氣、至少10或15體積%氫氣、至少20體積%氫氣等。
淨化區40可包括任何合適結構，其經組態以使輸出流21之至少一個組份之濃度富集(及/或增大)。在大部分應用中，富氫氣流42將具有相較於輸出流(或混合氣流)34較大之氫氣濃度。富氫氣流亦可具有存在於輸出流34中之減小濃度的一或多種非氫氣組份，其中富氫氣流之氫氣濃度大於、相同 或小於輸出流的氫氣濃度。舉例而言，在習知燃料電池系統中，若存在一氧化碳，即使以百萬分之幾存在，其仍可損壞燃料電池堆疊；而可存在於輸出流34中之諸如水之其他非氫氣組份將不會損壞該堆疊，即使以大得多之濃度存在亦不會。因此，在此類應用中，淨化區可不增加整體氫氣濃度，但將減小對產物氫氣流之所需應用有害或可能有害之一或多種非氫氣組份的濃度。
淨化區40之合適裝置之實例包括一或多種氫氣選擇性膜46、化學一氧化碳移除總成48及/或變壓吸附(pressure swing adsorption；PSA)系統50。淨化區40可包括多於一種類型之淨化裝置，且裝置可具有相同或不同結構及/或由相同或不同機構操作。燃料處理總成24可在淨化區下游包括至少一個約束性孔及/或其他流量限制器，諸如與一或多個產物氫氣流、富氫氣流及/或副產物流相關聯的約束性孔及/或其他流量限制器。
氫氣選擇性膜46可對於氫氣可滲透，但對於輸出流34之其他組份至少實質上(若不完全)不可滲透。膜46可由適用於操作淨化區40之操作環境及參數之任何氫氣可滲透材料形成。用於膜46之合適材料的實例包括鈀及鈀合金，且尤其是此類金屬及金屬合金之薄膜。鈀合金已證實為特別有效，尤其是具有35重量%至45重量%銅的鈀。含有約40重量%銅之鈀-銅合金已證實為特別有效，但可使用其他相對濃度及組份。三種其他尤其有效之合金為具有2wt%至20wt%金之鈀，尤其是具有5wt%金之鈀；具有3wt%至10wt%銦加上0wt%至10wt%釕之鈀，尤其是具有6wt%銦加0.5wt%釕之鈀；及具有20wt%至30wt%銀的鈀。當使用鈀及鈀合金時，氫氣選擇性膜46有時可被稱作「箔(foil)」。氫氣可滲透金屬箔之典型厚度小於25微米(micron、micormeter)，較佳地小於或等於15微米，且最佳地介於5與12微米之間。箔可為任何合適大小，諸如110mm乘以270mm。
化學一氧化碳移除總成48為使輸出流34之一氧化碳及/或其他不 合需要之組份起化學反應以形成潛在無害之其他組成的裝置。化學一氧化碳移除總成之實例包括：經組態以自水及一氧化碳產生氫氣及二氧化碳的水煤氣轉化反應器；經組態以將一氧化碳及氧(通常來自空氣)轉化成二氧化碳的部分氧化反應器；及經組態以將一氧化碳及氫氣轉化成甲烷及水之甲烷化反應器。燃料處理總成24可包括多於一種類型及/或多於一個化學移除總成48。
變壓吸附(PSA)為氣態雜質基於如下原理自輸出流34移除的化學製程：某些氣體在恰當的溫度及壓力條件下相較於其他氣體將被更強地吸附於吸附材料上。典型地，非氫氣雜質經吸附且自輸出流34移除。雜質氣體之吸附發生於高壓下。當壓力經減小時，雜質自吸附材料解除吸附，因此使吸附材料再生。典型地，PSA為循環製程且需要至少兩個床用於連續(相對於分批)操作。可用於吸附床中之合適的吸附材料之實例為活性碳及沸石。PSA系統50亦提供用於淨化區40中之裝置的實例，在該淨化區中，副產物或經移除組份並不作為氣流與輸出流之淨化並行地自區排出。實情為，此等副產物組份在吸附材料經再生或以其他方式自淨化區移除時被移除。
在圖1中，淨化區40展示為在燃料處理總成24內。淨化區可替代性地分離地定位在燃料處理總成下游，如圖1中之點劃線示意性地圖示。淨化區40亦可包括在燃料處理總成內部及外部之部分。
燃料處理總成24亦可包括呈加熱總成52形式之溫度調變總成。加熱總成可經組態以自至少一個加熱燃料流28產生至少一個經加熱之排出流(或燃燒流)54，典型地在空氣存在下燃燒時。經加熱之排出流54在圖1中示意性地圖示為加熱氫氣產生區32。加熱總成52可包括經組態以產生經加熱之排出流之任何合適結構，諸如與空氣一起燃燒燃料以產生經加熱之排出流的燃燒器或燃燒催化劑。加熱總成可包括點火器或點火源58，其經組態以起始燃料燃燒。合適點火源之實例包括一或多個火花塞、預熱塞、燃燒催化劑、指示燈、 壓電點火器、火花點火器、熱表面點火器等。
在一些實施例中，加熱總成52可包括燃燒器總成60且可被稱作基於燃燒或燃燒驅動之加熱總成。在基於燃燒之加熱總成中，加熱總成52可經組態以接收至少一個燃料流28且在空氣存在下燃燒燃料流以提供熱的燃燒流54，該熱的燃燒流可用於加熱至少燃料處理總成之氫氣產生區。可經由各種機構將空氣遞送至加熱總成。舉例而言，空氣流62可作為分離流遞送至加熱總成，如圖1所示。替代地或另外，空氣流62可與加熱總成52之燃料流28中之至少一者一起遞送至加熱總成及/或自利用加熱總成之環境抽取。
另外或替代地，可使用燃燒流54來加熱使用加熱總成之燃料處理總成及/或燃料電池系統之其他部分。另外，可使用加熱總成52之其他組態及類型。舉例而言，加熱總成52可為電動加熱總成，其經組態以藉由使用至少一個諸如電阻加熱元件之加熱元件產生熱來加熱至少燃料處理總成24之氫氣產生區32。在彼等實施例中，加熱總成52可不接收且不燃燒可燃燃料流來將氫氣產生區加熱至合適的氫氣產生溫度。加熱總成之實例揭示於美國專利第7,632,322號中，其全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入本文中。
加熱總成52可容納在具有氫氣產生區及/或分離區(如下文進一步論述)之常見殼層或外殼中。加熱總成可相對於氫氣產生區32分離地定位但與彼區熱及/或流體連通以提供至少氫氣產生區之所需加熱。加熱總成52可部分或完全位於常見殼層內，及/或至少一部分(或所有)加熱總成可位於彼殼層外。當加熱總成位於殼層外部時，來自燃燒器總成60之熱燃燒氣體可經由合適之熱傳遞管道遞送至該殼層內之一或多個組件。
加熱總成亦可經組態以加熱原料遞送系統22、原料供應流、氫氣產生區32、淨化(或分離)區40或彼等系統、流及區之任何合適之組合。原料供應流之加熱可包括蒸發用於在氫氣產生區中產生氫氣之氫氣產生流體的液 體反應物流或組份。在彼實施例中，燃料處理總成24可描述為包括汽化區64。加熱總成可另外經組態以加熱氫氣產生總成之其他組件。舉例而言，經加熱之排出流可經組態以加熱壓力容器及/或其他罐，該壓力容器及/或其他罐含有形成進料流26及燃料流28之至少數個部分的加熱燃料及/或氫氣產生流體。
加熱總成52可在氫氣產生區32中達成及/或維持任何合適溫度。蒸汽重組器典型地在200℃與900℃範圍內之溫度下操作。然而，超出此範圍之溫度在本發明之範疇內。當含碳原料為甲醇時，蒸汽重組反應將典型地在約200℃至500℃之溫度範圍內操作。該範圍之實例子集包括350至450℃、375至425℃及375至400℃。當含碳原料為烴、乙醇或另一醇時，約400至900℃之溫度範圍將典型地用於蒸汽重組反應。該範圍之例示性子集包括750至850℃、725至825℃、650至750℃、700至800℃、700至900℃、500至800℃、400至600℃及600至800℃。氫氣產生區32可包括兩個或多於兩個區域或部分，該等區域或區各自可在相同或不同溫度下操作。舉例而言，當氫氣產生流體包括烴時，氫氣產生區32可包括兩個不同的氫氣產生部分或區，其中一個氫氣產生部分或區在比另一個氫氣產生部分或區低之溫度下操作以提供預重組區。在彼等實施例中，燃料處理總成亦可被稱作包括兩個或多於兩個氫氣產生區。
燃料流28可包括適用於藉由加熱總成52消耗以提供所需熱輸出之任何可燃液體及/或氣體。一些燃料流在遞送且藉由加熱總成52燃燒時可為氣體，而其他燃料流可以液流形式遞送至加熱總成。燃料流28之合適加熱燃料的實例包括含碳原料，諸如甲醇、甲烷、乙烷、乙醇、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷等。額外實例包括低分子量可冷凝燃料，諸如液化石油氣、氨、輕質胺、二甲醚及低分子量烴。又其他實例包括氫氣及一氧化碳。在包括呈冷卻總成而非加熱總成之形式的溫度調變總成(諸如在發熱氫氣產生製程例如部分氧化經利用而非諸如蒸汽重組之吸熱製程經利用時可使用)之氫氣產生總成20的實施例 中，原料遞送系統可經組態以供應燃料或冷卻劑流至總成。可使用任何合適的燃料或冷卻劑流體。
燃料處理總成24可另外包括殼層或外殼66，在該殼層或外殼中含有至少氫氣產生區32，如圖1所示。在一些實施例中，汽化區64及/或淨化區40可另外含有於該殼層內。殼層66可使蒸汽重組器或其他燃料處理機構之組件能夠作為一單元移動。殼層亦可藉由提供保護性封裝來保護燃料處理總成之組件免遭損壞及/或可降低燃料處理總成之加熱需求，此係因為組件可作為一單元加熱。殼層66可包括絕緣材料68，諸如固態絕緣材料、毯覆式絕緣材料及/或空氣填充腔。絕緣材料可在殼層內部、在殼層外部或既在殼層內部亦在殼層外部。當絕緣材料在殼層外部時，燃料處理總成24可在絕緣材料外部進一步包括外部封皮或護套70，如圖1中示意性地圖示。燃料處理總成可包括不同殼層，該殼層包括燃料處理總成之額外組件，諸如原料遞送系統22及/或其他組件。
燃料處理總成24之一或多個組件可延伸超出殼層或位於殼體外部。舉例而言，可使淨化區40位於在殼層66外部，諸如與殼層間隔開但藉由合適流體傳遞管道流體連通。作為另一實例，氫氣產生區32之一部分(諸如一或多個重組催化劑床之部分)可延伸超出殼層，諸如在圖1中用表示替代性殼層組態之虛線示意性地指示。合適氫氣產生總成及其組件之實例揭示於美國專利第5,861,137號、第5,997,594號及第6,221,117號中，此等專利之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
氫氣產生總成20之另一實例展示於圖2中，且通常以72表示。除非特定地排除，否則氫氣產生總成72可包括氫氣產生總成20之一或多個組件。氫氣產生總成72可包括原料遞送系統74、汽化區76、氫氣產生區78及加熱總成80，如圖2中所示。在一些實施例中，氫氣產生總成20亦可包括淨化區82。
原料遞送系統可包括經組態以遞送一或多個進料及/或燃料流至 氫氣產生總成之一或多個其他組件的任何合適結構。舉例而言，原料遞送系統可包括原料槽(或容器)84及泵86。原料槽可含有任何合適的氫氣產生流體88，諸如水及含碳原料(例如甲醇/水混合物)。泵86可具有經組態以遞送氫氣產生流體至汽化區76及/或氫氣產生區78之任何合適的結構，該氫氣產生流體可呈包括水及含碳原料之含有至少一種液體之進料流90的形式。
汽化區76可包括經組態以接收且汽化含液體進料流(諸如含液體進料流90)之至少一部分的任何合適結構。舉例而言，汽化區76可包括汽化器92，其經組態以將含液體進料流90至少部分轉換成一或多個氣相進料流94。氣相進料流在一些實施例中可包括液體。合適汽化器之實例為盤管汽化器，諸如不鏽鋼盤管。
氫氣產生區78可包括經組態以接收一或多個進料流(諸如來自汽化區之氣相進料流94)從而產生一或多個輸出流96的任何合適結構，該一或多個輸出流含有作為大部分組份之氫氣以及其他氣體。氫氣產生區可經由任何合適機構產生輸出流。舉例而言，氫氣產生區78可經由蒸汽重組反應產生輸出流96。在彼例中，氫氣產生區78可包括具有重組催化劑98之蒸汽重組區97，該重組催化劑經組態以促進及/或促成蒸汽重組反應。當氫氣產生區78經由蒸汽重組反應產生輸出流96時，氫氣產生總成72可被稱作「蒸汽重組氫氣產生總成(steam reforming hydrogen generation assembly)」且輸出流96可被稱作「重組物流(reformate stream)」。
加熱總成80可包括經組態以產生至少一個經加熱之排出流99用於加熱氫氣產生總成72之一或多個其他組件的任何合適結構。舉例而言，加熱總成可將汽化區加熱至任何合適溫度，諸如至少最低汽化溫度或汽化至少一部分含液體進料流以形成氣相進料流之溫度。另外或替代地，加熱總成80可加熱氫氣產生區至任何合適溫度，諸如至少最低氫氣產生溫度或氣相進料流之至少 一部分反應以產生氫氣以形成輸出流的溫度。加熱總成可與氫氣產生總成之一或多個組件諸如汽化區及/或氫氣產生區熱連通。
加熱總成可包括燃燒器總成100、至少一個鼓風機102及點火器總成104，如圖2所示。燃燒器總成可包括經組態以接收至少一個空氣流106及至少一個燃料流108且在燃燒區110內燃燒至少一個燃料流以產生經加熱之排出流99的任何合適結構。燃料流可由原料遞送系統74及/或淨化區82提供。燃燒區可含有在氫氣產生總成之殼體內。鼓風機102可包括經組態以產生空氣流106之任何合適結構。點火器總成104可包括經組態以點燃燃料流108之任何合適結構。
淨化區82可包括經組態以產生至少一個富氫氣流112之任何合適結構，該富氫氣流112可包括比輸出流96大的氫氣濃度及/或存在於彼輸出流中之降低濃度之一或多種其他氣體(或雜質)。淨化區可產生至少一個副產物流或燃料流108，可將該副產物流或燃料流發送至燃燒器總成100且將其用作彼總成之燃料流，如圖2所示。淨化區82可包括流量限制孔口111、過濾器總成114、膜總成116及甲烷化反應器總成118。過濾器總成(諸如一或多個熱氣體過濾器)可經組態以在氫氣淨化膜總成之前移除來自輸出流96之雜質。
膜總成116可包括任何合適結構，其經組態以接收含有氫氣及其他氣體之輸出或混合氣流96且產生相較於混合氣流含有較大濃度之氫氣及/或較低濃度之其他氣體的滲透物或富氫氣流112。膜總成116可併有平面或管狀的氫氣可滲透(或氫氣選擇性)膜，且可將多於一種氫氣可滲透膜併入膜總成116中。滲透物流可用於任何合適應用，諸如用於一或多個燃料電池。在一些實施例中，膜總成可產生包括其他氣體之至少相當大部分的副產物或燃料流108。甲烷化反應器總成118可包括經組態以將一氧化碳及氫氣轉化成甲烷及水之任何合適結構。雖然淨化區82展示為包括流量限制孔口111、過濾器總成114、膜 總成116及甲烷化反應器總成118，但淨化區相較於所有彼等總成可具有較少組件，及/或可替代地或另外包括經組態以淨化輸出流96之一或多個其他組件。舉例而言，淨化區82可僅包括膜總成116。
在一些實施例中，氫氣產生總成72可包括殼層或外殼120，其可至少部分含有彼總成之一或多個其他組件。舉例而言，殼層120可至少部分含有汽化區76、氫氣產生區78、加熱總成80及/或淨化區82，如圖2所示。殼層120可包括經組態以放出由加熱總成80產生之至少一個燃燒排出流124的一或多個排出通口122。
氫氣產生總成72在一些實施例中可包括控制系統126，其可包括經組態以控制氫氣產生總成72之操作的任何合適結構。舉例而言，控制總成126可包括控制總成128、至少一個閥130、至少一個泄壓閥132及一或多個溫度量測裝置134。控制總成128可經由溫度量測裝置134偵測氫氣產生區及/或淨化區中之溫度，該溫度量測裝置可包括一或多個熱電偶及/或其他合適裝置。基於所偵測之溫度，控制總成及/或控制系統之操作者可經由閥130及泵86調整進料流90至汽化區76及/或氫氣產生區78的遞送。閥130可包括螺線管閥及/或任何合適閥。泄壓閥132可經組態以確保減輕系統中之過量壓力。
在一些實施例中，氫氣產生總成72可包括熱交換總成136，其可包括經組態以將熱自一部分氫氣產生總成傳遞至另一部分之一或多個熱交換器138。舉例而言，熱交換總成136可將熱自富氫氣流112傳遞至進料流90，從而在進入汽化區76之前提昇進料流之溫度，以及冷卻富氫氣流112。
圖1之氫氣產生總成20之淨化區40(或氫氣淨化裝置)的實例在圖3中通常以144指示。
除非特定地排除，否則氫氣淨化裝置可包括本發明中描述之其他淨化區的一或多個組件。氫氣淨化裝置40可包括氫氣分離區146及殼體148。 殼體可界定具有內部周邊152之內部容積150。殼體148可包括至少一第一部分154及第二部分156，其耦接在一起以形成呈可包括所界定之輸入通口及輸出通口之密封壓力容器之形式的主體149。彼等通口可界定氣體及其他流體遞送至殼體之內部容積且自該內部容積移除藉由的流徑。
第一部分154及第二部分156可使用任何合適保持機構或結構158耦接在一起。合適保持結構之實例包括焊縫及/或螺釘。可用以在第一部分與第二部分之間提供流體密封界面之密封件的實例可包括密封墊及/或焊縫。另外或替代地，第一部分154及第二部分156可緊固在一起，使得至少一預定量之壓縮施加至各種組件，該等組件界定可併入至氫氣產生總成之殼體及/或其他組件內的氫氣分離區。所施加壓縮可確保，各種組件於殼體內保持於適當位置。另外或替代地，施加至界定氫氣分離區之各種組件及/或其他組件之壓縮可在界定氫氣分離區之各種組件、各種其他組件之間及/或界定氫氣分離區之組件與其他組件之間提供流體密封界面。
殼體148可包括混合氣體區160及滲透物區162，如圖3中所展示。混合氣體區及滲透物區可藉由氫氣分離區146分離。可提供至少一個輸入通口164，流體流166經由該至少一個輸入通口遞送至殼體。流體流166可為混合氣流168，其含有遞送至混合氣體區160之氫氣170及其他氣體172。氫氣可為混合氣流之大部分組份。氫氣分離區146可在混合氣體區160與滲透物區162之間延伸，使得混合氣體區中之氣體必須通過氫氣分離區以便進入滲透物區。舉例而言，可要求氣體通過如文以下進一步論述的至少一個氫氣選擇性膜。滲透物區及混合氣體區可在殼體內具有任何合適相對大小。
殼體148亦可包括至少一個產物輸出通口174，滲透物流176可經由該至少一個產物輸出通口自滲透物區162接收並移除。滲透物流可含有相較於混合氣流一較大濃度之氫氣及一較低濃度之其他氣體中的至少一者。在一些 實施例中，滲透物流176可至少初始地包括載體氣體組份或殘氣氣體組份，諸如可經由與滲透物區流體連通之殘氣通口180作為殘氣流178遞送。殼體亦可包括至少一個副產物輸出通口182，含有其他氣體172之一相當大部分之及一減小濃度之氫氣170(相對於混合氣流)中之至少一者的副產物流184經由該至少一個副產物輸出通口自混合氣體區移除。
氫氣分離區146可包括：具有第一或混合氣體表面188之至少一個氫氣選擇性膜186，該第一或混合氣體表面經定向以與混合氣流168接觸；及第二或滲透物表面190，其與表面188大體相對。混合氣流168可經遞送至殼體之混合氣體區，使得該混合氣流與一或多個氫氣選擇性膜之混合氣體表面接觸。滲透物流176可由混合氣流的通過氫氣分離區至滲透物區162之至少一部分形成。副產物流184可由混合氣流的並不通過氫氣分離區之至少一部分形成。在一些實施例中，副產物流184可含有存在於混合氣流中之氫氣的一部分。氫氣分離區亦可經組態以截獲或以其他方式保留其他氣體的至少一部分，該等其他氣體之至少一部分可接著隨著分離區經替換、再生或以其他方式再裝載而作為副產物流被移除。
在圖3中，流166、176、178及/或184可包括流入或流出氫氣淨化裝置144之多於一個實際流。舉例而言，氫氣淨化裝置可接收複數個混合氣流168、在接觸氫氣分離區146之前劃分成兩個或多於兩個流之單一混合氣流168、經遞送至內部容積150中之單一流等。因此，殼體148可包括多於一個輸入通口164、產物輸出通口174、殘氣通口180及/或副產物輸出通口182。
氫氣選擇性膜可由適用於操作環境及操作氫氣淨化裝置所用之參數的任何氫氣可滲透材料形成。氫氣淨化裝置之實例揭示於美國專利第5,997,594號及第6,537,352號中，該等專利之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。在一些實施例中，氫氣選擇性膜可由鈀及鈀合金中之至少一 者形成。鈀合金之實例包括鈀與銅、銀及/或金之合金。各種膜、膜組態及用於製備膜及膜組態之方法的實例揭示於美國專利第6,152,995號、第6,221,117號、第6,319,306號及第6,537,352號中，該等專利之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
在一些實施例中，複數個隔開之氫氣選擇性膜186可用於氫氣分離區中以形成氫氣分離總成192的至少一部分。在存在時，複數個膜可共同地界定一或多個膜總成194。在此等實施例中，氫氣分離總成可通常自第一部分154延伸至第二部分156。因此，第一部分及第二部分可有效地壓縮氫氣分離總成。在一些實施例中，殼體148可另外或替代地包括耦接至主體部分之相對側的端板(或端框架)。在此等實施例中，端板可有效地壓縮該對相對端板之間的氫氣分離總成(及可容納於殼體內之其他組件)。
使用一或多個氫氣選擇性膜之氫氣淨化典型地為壓力驅動分離製程，在該製程中，混合氣流在高於氫氣分離區之滲透區中之氣體的壓力下經遞送而與膜之混合氣體表面接觸。在一些實施例中，當氫氣分離區用以將混合氣流分離成滲透物流及副產物流時，氫氣分離區可經由任何合適機構加熱至高溫。用於使用鈀及鈀合金膜之氫氣淨化的合適操作溫度之實例包括至少275℃之溫度、至少325℃之溫度、至少350℃的溫度、在275至500℃之範圍內的溫度、在275至375℃之範圍內的溫度、在300至450℃之範圍內的溫度、在350至450℃之範圍內的溫度等。
氫氣淨化裝置144之實例在圖4中通常以196指示。除非具體地排除，否則氫氣淨化裝置196可包括本發明中描述之其他氫氣淨化裝置之一或多個組件及/或淨化區。氫氣淨化裝置196可包括殼層或殼體198，其可包括第一端板或端框架200及第二端板或端框架202。第一端板及第二端板可經組態以緊固及/或壓縮在一起以界定具有一內部隔室204之密封壓力容器，在該內部隔室中 支援氫氣分離區。類似於氫氣淨化裝置144，第一端板及第二端板可包括輸入通口、輸出通口、殘氣通口及副產物通口(圖中未示)。
氫氣淨化裝置196亦可包括至少一個箔微孔篩網總成205，其可安置於第一端板與第二端板之間及/或緊固至該第一端板及該第二端板。箔微孔篩網總成可包括至少一個氫氣選擇性膜206及至少一個微孔篩網結構208，如圖5中所示。氫氣選擇性膜可經組態以自輸入通口接收混合氣流之至少部分且將混合氣流分離成滲透物流之至少部分及副產物流的至少部分。氫氣選擇性膜206可包括一進料側210及一滲透側212。滲透物流之至少部分由混合氣流之自進料側傳遞至滲透側之部分形成，其中混合氣流之剩餘在進料側上之剩餘部分形成副產物流的至少部分。
氫氣選擇性膜中之一或多者可以冶金方式接合至微孔篩網結構208。舉例而言，氫氣選擇性膜之滲透側可以冶金方式接合至微孔篩網結構。在一些實施例中，氫氣選擇性膜206(及/或彼等膜之滲透側)中之一或多者可擴散接合至微孔篩網結構以在膜與微孔篩網結構之間形成固態擴散接合。舉例而言，膜之滲透側及微孔篩網結構可彼此接觸且暴露至高溫及/或高壓以允許膜及微孔篩網結構之表面隨時間自身穿插。
在一些實施例中，微孔篩網結構可塗佈有薄金屬層或輔助擴散接合的中間接合層。舉例而言，鎳、銅、銀、金或其他金屬之薄塗層經受固態擴散接合，但並不(1)在低於或等於700℃下熔融並進入液相及(2)在擴散至氫氣選擇性膜之後便在低於或等於700℃下形成低熔融合金。薄金屬層可經由中間接合層於將與氫氣選擇性膜接觸之微孔篩網結構之表面上的薄塗佈的合適沈積製程(例如，電化學鍍敷、氣相沈積、濺鍍等)來塗覆至微孔篩網結構。在其他實施例中，氫氣選擇性膜可緊固至至少一個膜框架(圖中未示)，其可接著緊固至第一端框架及第二端框架。
微孔篩網結構208可包括經組態以支撐至少一個氫氣選擇性膜之任何合適結構。舉例而言，微孔篩網結構可包括：具有大體相對表面214及215的無孔平面薄片213，該等表面經組態以提供對滲透側212之支撐；及複數個孔隙216，其形成在相對表面之間延伸的複數個流體通路217，該等流體通路允許滲透物流流過微孔篩網結構，如圖6中所示。孔隙可經由電化學蝕刻、雷射鑽孔及諸如衝壓或刀模切割之其他機械成型製程而形成於無孔平面薄片上。在一些實施例中，孔隙中之一或多者(或孔隙之全部)可形成於無孔平面薄片上，使得其(縱向)軸線或流體通路之縱向軸線垂直於無孔平面薄片的平面，如圖6中所示。無孔平面薄片可為任何合適厚度，諸如介於100微米與約200微米之間的厚度。
在一些實施例中，微孔篩網結構208可包括：包括複數個孔隙之一或多個穿孔區域(或部分)218，及不包括(或排除)複數個孔隙之一或多個非穿孔區域(或部分)219。儘管僅少許孔隙216說明於圖6中，孔隙216越過僅穿孔部分之整個長度及寬度分佈。穿孔區域可為離散的或與一或多個其他穿孔區域分隔。非穿孔區域219可包括：在穿孔區域中之一或多者周圍形成框架之周邊區域(或部分)220；及/或分離或界定穿孔區域之多於兩個離散部分的一或多個邊界區域(或部分)221。換言之，每一穿孔部分可藉由不含複數個孔隙之至少一個邊界部分與其他鄰接離散穿孔部分分隔。
孔隙216可包括任何合適圖案、形狀及/或大小。在一些實施例中，孔隙可形成有一或多個圖案，該一或多個圖案使組合式孔隙區域最大化同時維持微孔篩網結構之足夠高的硬度以防止在壓力負載下過度偏轉。孔隙216如圖6中所示可為圓形(環形)，如圖7中所展示為狹長圓形、如圖8中所示為卵形、如圖9中所示為六邊形、三角形、正方形、矩形、八邊形及/或其他合適形狀。在一些實施例中，穿孔區域中之孔隙216可為單一不變形狀。在其他具 體例中，穿孔區域中之孔隙216可為兩個或多於兩個不同形狀之任何合適組合。孔隙可為任何合適大小。舉例而言，當孔隙為圓形時，直徑範圍可為約0.003吋至約0.020吋。另外，當孔隙為卵形時，卵形之修圓末端的半徑範圍可為0.001吋至約0.010吋，且卵形之長度可高達半徑的十倍。在一些實施例中，穿孔區域中之孔隙可為單一不變大小。在其他具體例中，穿孔區域中之孔隙216可為兩個或多於兩個不同大小的任何合適組合。
無孔平面薄片可包括任何合適材料。舉例而言，無孔平面薄片可包括不鏽鋼。不鏽鋼可包括300系列不鏽鋼(例如，不鏽鋼303(經鋁改質)、不鏽鋼304等)、400系列不鏽鋼、17-7PH、14-8 PH及/或15-7 PH。在一些實施例中，不鏽鋼可包括大約0.6wt%至約3.0wt%的鋁。在一些實施例中，無孔平面薄片可包括碳鋼、銅或銅合金、鋁或鋁合金、鎳、鎳-銅合金及/或電鍍有銀、鎳及/或銅的基材金屬。基材金屬可包括上文所述之碳鋼或者不鏽鋼中的一或多者。
氫氣選擇性膜206可經設定為大於微孔篩網結構之穿孔區域或場地(field)，使得當氫氣選擇性膜以冶金方式接合至微孔篩網結構時，氫氣選擇性膜之周邊部分222接觸微孔篩網結構之一或多個非穿孔區域219。在一些實施例中，單一氫氣選擇性膜可以冶金方式接合至單一微孔篩網結構，如圖5中所示。在其他具體例中，兩個或多於兩個氫氣選擇性膜206可以冶金方式接合至單一微孔篩網結構208。舉例而言，兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個或多於十個之氫氣選擇性膜206可以冶金方式接合至單一微孔篩網結構208。圖10展示實例箔微孔篩網總成205，其具有以冶金方式接合至單一微孔篩網結構208的六個氫氣選擇性膜206。圖12展示具有以冶金方式接合至單一微孔篩網結構208之兩個氫氣選擇性膜206的實例箔微孔篩網總成205，而圖13展示具有以冶金方式接合至單一微孔篩網結構208之四個氫氣選擇 性膜206的實例箔微孔篩網總成205。
當兩個或多於兩個氫氣選擇性膜206以冶金方式接合至微孔篩網結構時，微孔篩網結構可包括藉由一或多個非穿孔區域219分離的兩個或多於兩個離散穿孔區域218。在一些實施例中，穿孔區域218可大小設定為與其他穿孔區域218相同。舉例而言，圖11展示大小大約相同之六個離散穿孔區域218。在其他具體例中，一或多個穿孔區域218可設定大小為小於及/或大於其他穿孔區域218。氫氣選擇性膜206可以冶金方式接合至穿孔區域中之每一者，如圖10中所示。替代地或另外，氫氣選擇性膜可以冶金方式接合至兩個或多於兩個離散穿孔區域218。氫氣選擇性膜206可經設定大小，使得當膜以冶金方式接合至一或多個穿孔區域218時，膜之周邊部分222接觸一或多個非穿孔區域219。
微孔篩網結構208可經設定大小為含有於(諸如完全含有於)滲透物框架之開放區內及/或藉由開放區內之膜支撐結構支撐，如圖5中所示。換言之，微孔篩網結構可經設定大小以在微孔篩網結構及滲透物框架緊固或壓縮至第一端框架及第二端框架時並不接觸滲透物框架的周邊殼層。替代地，微孔篩網結構可藉由無孔周邊壁部分或框架(圖中未示)支撐及/或緊固至該無孔周邊壁部分或框架，諸如緊固至滲透物框架之周邊殼層。當微孔篩網結構緊固至無孔周邊壁部分時，微孔篩網結構可被稱作「多孔中心區域部分」。其他微孔篩網結構之實例揭示於美國專利申請公開案第2010/0064887號中，該公開案之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
氫氣淨化裝置196亦可包括複數個板或框架224，其安置於第一端框架及/或第二框架之間且緊固至第一端框架及/或第二框架。框架可包括任何合適結構及/或可為任何合適形狀，諸如正方形、矩形或圓形。舉例而言，框架224可包括周邊殼層226及至少一第一支撐部件228，如圖4中所示.周邊殼層可界定開放區230及框架平面232。另外，周邊殼層226可包括第一相對側234及第 二相對側236以及第三相對側238及第四相對側240，如圖4中所示。
第一支撐部件228可包括經組態以支撐箔微孔篩網總成205之第一部分242的任何合適結構，如圖4中所示。舉例而言，複數個框架之第一支撐部件可在第一支撐平面244內彼此共面(或與複數個框架中之其他框架的其他第一支撐部件共面)以支撐氫氣選擇性膜的第一部分242，如圖4中所示。換言之，複數個框架中之每一框架的第一支撐部件可鏡像複數個框架之其他框架的第一支撐部件。第一支撐部件相對於框架平面232可具有任何合適定向。舉例而言，第一支撐平面244可垂直於框架平面，如圖4中所示。替代地，第一膜支撐平面可與框架平面232相交，但不垂直於該框架平面。
在一些實施例中，框架224可包括第二支撐部件246及/或第三支撐部件248，其可包括經組態以支撐箔微孔篩網總成205之第二部分250及/或第三部分252的任何合適結構，如圖4中所示。舉例而言，複數個框架之第二支撐部件可在第二支撐平面254內彼此共面(或與複數個框架之其他第二支撐部件共面)以支撐箔微孔篩網總成的第二部分250。另外，複數個框架之第三支撐部件可在第三支撐平面256內彼此共面(或與複數個框架之其他第三支撐部件共面)以支撐箔微孔篩網總成的第三部分252。換言之，複數個框架中之每一框架的第二支撐部件可鏡像複數個框架中之其他框架的第二支撐部件，而複數個框架中之每一框架的第三支撐部件可鏡像複數個框架中之其他框架的第三支撐部件。第二支撐平面及/或第三支撐平面相對於框架平面232可具有任何合適定向。舉例而言，第二支撐平面254及/或第三支撐平面256可垂直於框架平面，如圖4中所示。替代地，第二支撐平面及/或第三支撐平面可與框架平面232相交，但不垂直於該框架平面。
第二支撐部件246及/或第三支撐部件248相對於第一支撐部件228可具有任何合適定向。舉例而言，第一支撐部件228可自周邊殼層226之第 三側238延伸至開放區230中；第二支撐部件246可自周邊殼層之第四側240(其與第三側相對)延伸至開放區中；且第三支撐部件248可自第三側延伸至開放區中。替代地，第一支撐部件、第二支撐部件及/或第三支撐部件可自周邊殼層之同一側諸如自第一側、第二側、第三側或第四側延伸至開放區中。在一些實施例中，第一支撐部件、第二支撐部件及/或第三支撐部件可自周邊殼層之第一側及/或第二側(其與第一側相對)延伸至開放區中。
第一支撐部件、第二支撐部件及/或第三支撐部件可例如呈附接至周邊殼層及/或形成有周邊殼層的一或多個突出部或指258的形式。突出部可在任何合適方向上自周邊殼層延伸。突出部可為具有周邊殼層之完整厚度，或可小於該殼層之完整厚度。框架224中之每一框架的突出部可與箔微孔篩網總成相抵地壓縮，藉此將該總成鎖定於適當位置。換言之，框架224之突出部可藉由係第一膜支撐平面及/或第二膜支撐平面內之端框架的堆疊式延伸部支撐箔微孔篩網總成。在一些實施例中，突出部258可包括一或多個插孔或孔隙(圖中未示)，其經組態以收納至少一個扣件(圖中未示)以將框架224緊固至第一端框架及/或第二端框架。
框架224可包括至少一個進料框架260、至少一個滲透物框架262及複數個密封墊或密封墊框架264，如圖4中所示。進料框架260可安置於第一端框架及第二端框架中之一者與至少一個箔微孔篩網總成205之間，或兩個箔微孔篩網總成205之間。進料框架可包括進料框架周邊殼層266、進料框架輸入管道268、進料框架輸出管道270、進料框架開放區272、至少一第一進料框架支撐部件274，如圖4中所示。在一些實施例中，進料框架可包括第二進料框架支撐部件276及/或第三進料框架支撐部件278。
進料框架周邊殼層266可包括任何合適結構。舉例而言，進料框架周邊殼層可包括第一區段或第一周邊殼層280及第二區段或第二周邊殼層 282，如圖14中所示。請注意，圖14之組件已出於說明之目的予以誇示且可能不反映彼等組件之相對尺寸。第一區段及第二區段可為周邊殼層之第一半及第二半，或可為該周邊殼層的任何合適部分。另外，第一區段及/或第二區段可包括彼此處於任何合適關係諸如自彼此偏移的通道或凹槽(圖中未示)。第一區段280及第二區段282可經由任何合適方法結合以在彼等區段之間形成氣密密封。舉例而言，進料框架密封墊284可用於彼等區段之間。替代地，第一區段及第二區段可熔合在一起，或成層金屬可用以結合第一區段與第二區段，如美國專利申請案公開案第2013/0011301號中所描述。該案之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
另外，進料框架周邊殼層266可包括任何合適尺寸，其經組態以支撐氫氣淨化裝置196之其他組件。舉例而言，進料框架周邊殼層可經設定大小，使得其沿著複數個進料框架支撐平面288支撐滲透物框架262之周邊殼層及彼等框架之膜支撐結構286。舉例而言，周邊殼層266可具有大於滲透物框架框架262之周邊殼層之寬度292的寬度290，使得周邊殼層之至少一部分294支撐膜支撐結構286之一部分296，如圖14中所示。換言之，進料框架周邊殼層可將膜支撐結構鎖定於適當位置，且充當該支撐結構之擋止件。進料框架支撐平面相對於進料框架平面300可具有任何合適定向。舉例而言，進料框架支撐平面可垂直於進料框架平面，如圖14中所示。替代地，進料框架支撐平面可相交但不垂直於進料框架平面300。
進料框架輸入管道可形成於進料框架周邊殼層上及/或經組態以自輸入通口接收混合氣流的至少一部分。進料框架輸出管道270可形成於進料框架周邊殼層上及/或經組態以接收混合氣流之剩餘在氫氣選擇性膜206之進料側210上的剩餘部分。進料框架開放區272可安置於進料框架輸入管道與輸出管道之間。進料框架周邊殼層266可包括複數個凹槽或通道(圖中未示)，從而 以流體方式連接輸入管道及輸出管道與進料框架開放區。通道可經由任何合適方法形成於周邊殼層上，及/或可具有任何合適定向，諸如可在進料框架開放區260上引入混合的成角度定向。
第一進料框架支撐部件、第二進料框架支撐部件及/或第三進料框架支撐部件可包括經組態以支撐至少一個氫氣選擇性膜之第一部分、第二部分及/或第三部分的任何合適結構，及/或可鏡像其他框架之第一支撐部件、第二支撐部件及/或第三支撐部件，如上文所論述。另外，第一進料框架支撐部件、第二進料框架支撐部件及/或第三進料框架支撐部件可包括任何合適結構，其經組態以隨著混合氣流流過輸入管道與輸出管道之間的進料框架開放區而改變混合氣流之至少部分的流動方向。第一進料框架支撐部件及/或第二進料框架支撐部件亦可經組態以在進料框架開放區中促成紊流或混合。舉例而言，在無第一進料框架支撐部件及/或第二進料框架支撐部件情況下，混合氣流之越過輸入管道與輸出管道之間的進料框架開放區的至少部分之流動可在至少第一方向(圖中未示)上移動。第一進料框架膜支撐結構及/或第二進料框架膜支撐結構可經組態以將混合氣流之至少部分的流動自至少第一方向改變至不同於第一方向的第二方向(圖中未示)。
第一進料框架支撐部件、第二進料框架支撐部件及/或第三進料框架支撐部件可例如呈附接至進料框架周邊殼層及/或形成有進料框架周邊殼層的至少一個進料框架突出部或指狀物302的形式。進料框架突出部可在任何合適方向上自周邊殼層延伸。舉例而言，進料框架突出部可在一方向上自進料框架周邊殼層延伸，該方向大體上垂直(及/或大體上平行)於混合氣流之至少部分自輸入管道朝向進料框架開放區流動的方向。舉例而言，若混合氣流自輸入管道朝向進料框架開放區之流動大體上係在水平方向上，則進料框架突出部可大體在垂直方向及/或水平方向上自進料框架周邊殼層延伸。
滲透物框架262可經定位，使得至少一個箔微孔篩網總成安置於第一端框架及第二端框架中之一者與滲透物框架之間或兩個箔微孔篩網總成之間。滲透物框架可包括滲透物框架周邊殼層304、滲透物框架輸出管道306、滲透物框架開放區308及膜支撐結構286，如圖15中所示。
滲透物框架周邊殼層可包括任何合適結構。舉例而言，滲透物框架周邊殼層可包括第一區段或第一周邊殼層310及第二區段或第二周邊殼層312，如圖14中所示。第一區段及第二區段可為周邊殼層之第一半及第二半，或可為該周邊殼層的任何合適部分。另外，第一區段及/或第二區段可包括彼此處於任何合適關係諸如自彼此偏移的通道或凹槽(圖中未示)。第一區段310及第二區段312可經由任何合適方法結合以在彼等區段之間形成氣密密封。舉例而言，滲透物框架密封墊314可用於彼等區段之間。滲透物框架密封墊可經組態，使得當滲透物框架262緊固至第一端框架及第二端框架時，滲透物框架周邊殼層之厚度316與膜支撐結構之厚度318匹配或實質上匹配(相同或實質上相同)，如圖14中所示且下文進一步論述。
替代地，第一區段及第二區段可熔合在一起，或成層金屬可用以結合第一區段與第二區段，如美國專利申請案公開案第2013/0011301號中所描述。該案之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
在一些實施例中，滲透物框架周邊殼層304可包括第一區段320、第二區段322及安置於該第一區段與該第二區段之間的第三區段324，如圖16中所示。彼等區段可為周邊殼層之第一區段、第二區段及第三區段，或可為該周邊殼層的任何合適部分。另外，第一區段、第二區段及/或第三區段可包括彼此處於任何合適關係諸如自彼此偏移的通道或凹槽(圖中未示)。請注意，圖16之組件已出於說明之目的予以誇示且可能不反映彼等組件之相對尺寸。
第一區段320、第二區段322及第三區段324可經由任何合適方法結合以在彼等區段之間形成氣密密封。舉例而言，滲透物框架密封墊326可用於彼等區段之間。滲透物框架密封墊可經組態，使得當滲透物框架262緊固至第一端框架及第二端框架時，滲透物框架周邊殼層之厚度316與膜支撐結構之厚度318匹配或實質上匹配(與該厚度相同或實質上相同)，如圖14中所示。替代地，第一區段、第二區段及/或第三區段可經熔合在一起，或成層金屬可用以結合第一區段、第二區段及/或第三區段，如美國專利申請公開案第2013/0011301號中所描述。該案之全部揭示內容出於所有目的特此以引用之方式併入。
輸出管道306可形成於滲透物框架周邊殼層282上及/或經組態以自膜支撐結構286、滲透物框架開放區308及/或氫氣選擇性膜接收滲透物流。周邊殼層282可包括複數個凹槽或通道(圖中未示)，從而以流體方式連接輸出管道284與滲透物框架開放區及/或膜支撐結構。通道可經由任何合適方法形成於周邊殼層282上，及/或可具有任何合適定向，諸如成角度定向。
膜支撐結構286可包括經組態以支撐至少一個箔微孔篩網總成諸如箔微孔篩網總成之第一部分、第二部分、第三部分及/或其他部分的任何合適結構。在一些實施例中，膜支撐結構可包括類似於其他框架中之一或多者的第一支撐部件、第二支撐部件及/或第三支撐部件(圖中未示)。替代地，膜支撐結構288可包括一或多個膜支撐板328，如圖14中所示。膜支撐板可橫跨開放區之任何合適部分，諸如至少開放區的相當大部分。另外，膜支撐板可為實心、平坦或平面的，不含穿孔或孔洞(或無穿孔或孔洞)的，不含凸塊及/或凸出部(或無凸塊及/或凸出部)，及/或可為不可壓縮的(或實質上不可壓縮的)。此外，膜支撐板可能並不附接至滲透物框架周邊殼層(或不含至滲透物框架周邊殼層的附接)。換言之，當進料框架緊固至第一端板及第二端板時，僅進料 框架可在滲透物框架周邊殼層之開放區內將膜支撐結構鎖定於適當位置。
此外，膜支撐板可由諸如不鏽鋼之任何合適材料製成。
膜支撐板328可包括第一面(或表面)330及第二相對面(或相對表面)332，如圖14中所展示。膜支撐板中之任一面或兩面可排除或不含任何或全部凹槽、凸塊、凸出部等，如圖17中所示。在一些實施例中，膜支撐板328之任一面或兩個面可包括複數個微凹槽334，如圖18中所示，該等微凹槽可包括提供用於滲透物流之一或多個流徑的任何合適結構。當膜支撐板328包括表面微凹槽時，彼等板可被稱作「表面凹槽化板」。微凹槽可具有任何合適定向，諸如彼此平行。另外，微凹槽334可自膜支撐板之第一邊緣336延伸至第二相對邊緣338，如圖18中所示(或自第三邊緣延伸至第四相對邊緣)。替代地，微凹槽中之一或多者可自第一邊緣延伸至第二邊緣之前，自第二邊緣延伸至第一邊緣之前，在第一邊緣與第二邊緣之間延伸但不包括第一邊緣及第二邊緣等。此外，微凹槽334可係僅在第一面上、僅第二面上或第一面及第二面兩者上。此外，微凹槽可沿著膜支撐板之整個長度或寬度被包括(如圖18中所示)，或可係沿著長度或寬度之任何合適部分，諸如長度或寬度的25%、50%或75%。
微凹槽334可具有任何合適尺寸。舉例而言，微凹槽可具有介於0.005吋與0.020吋(或較佳地介於0.010吋與0.012吋之間)的寬度，及介於0.003吋至0.020之間(或較佳地0.008吋至0.012吋)的深度。微凹槽可以諸如0.003至0.020吋(或較佳地0.003至0.007吋)之任何合適距離隔開。微凹槽可藉由任何合適方法諸如化學蝕刻、機械加工及/或類似者來製造。
在一些實施例中，膜支撐結構286可包括具有相對面(具具有微凹槽334之任一面或兩個面)的單一支撐板339，如圖14中所示。替代地，膜支撐結構可包括第一膜支撐板340及第二膜支撐板342，如圖14中之虛線所展示。 第一膜支撐板可包括第一面344及第二相對面346。第二膜支撐板342可包括第一面348及第二相對面349。第一膜支撐板及/或第二膜支撐板之第一面可包括或不包括微凹槽334。另外，第一膜支撐板及第二膜支撐板之第二面可面向彼此。換言之，第一膜支撐板及第二膜支撐板可堆疊於膜支撐結構中，使得第一膜支撐板之第二面面向第二膜支撐板之第二面，及/或反之亦然。在一些實施例中，第一膜支撐板之第二面可接觸第二膜支撐板的第二面。
在一些實施例中，膜支撐結構可包括第三膜支撐板350，其可安置於第一膜支撐板與第二膜支撐板之間，如圖19中所示。請注意，圖19之組件已出於說明之目的予以誇示且可能不反映彼等組件之相對尺寸。膜支撐結構可包括第一膜支撐板、第二膜支撐板及第三膜支撐板，其經堆疊使得第三膜支撐板接觸第一膜支撐板及/或第二膜支撐板的第二面。當第三膜支撐板安置於第一膜支撐板與第二膜支撐板之間時，第三膜支撐板有時可被稱作「中心板」。第三膜支撐板可在其面中之任一者或兩者上不含微凹槽。第一膜支撐板、第二膜支撐板及第三膜支撐板可具有任何合適尺寸。舉例而言，第一膜支撐板及第二膜支撐板可為0.060吋，而第三膜支撐板可為0.105吋。
如上文所論述，滲透物框架密封墊314及/或326可經組態，使得當滲透物框架緊固及/或壓縮至第一端框架及第二端框架時，滲透物框架之厚度與膜支撐結構的厚度匹配。彼等密封墊可在壓縮之前產生大於膜支撐結構之厚度的厚度。當可撓性石墨密封墊在15至50%之壓縮限值情況下用於滲透物框架密封墊時，則滲透物框架密封墊在壓縮之前可具有一厚度，該厚度導致係在彼等壓縮限值內的所要最終厚度。當滲透物框架包括此類密封墊時，滲透物框架有時可被稱作「自調整滲透物框架」。當自調整滲透物框架在裝配期間藉由經由進料框架進行壓縮(諸如，在1000至2000psi壓縮)下壓縮以在進料框架與氫氣選擇性膜之間形成氣密密封時，進料框架與滲透物框架相抵之壓縮力在進料 框架接觸氫氣選擇性膜、微孔篩網結構及膜支撐結構時被阻止，氫氣選擇性膜、微孔篩網結構及膜支撐結構可一起形成組件之大體不可壓縮群組或堆疊。
作為一實例，若膜支撐結構具有0.257吋之厚度，則滲透物框架理想地將具有準確為或為約0.257吋的厚度。當滲透物框架周邊殼層包括各自例如為0.120吋厚之兩個區段時，則滲透物框架密封墊應經組態以在壓縮之後為0.017吋厚。舉例而言，在壓縮之前為0.030吋厚之滲透物框架密封墊在壓縮之後可在其壓縮限值內壓縮至0.017吋，此舉將產生與膜支撐結構厚度匹配的滲透物框架厚度。儘管膜支撐結構286展示為包括膜支撐板328，但膜支撐結構可包括金屬絲網及/或穿孔金屬薄片(圖中未示)。
框架224亦可包括密封墊或密封墊框架264，如圖4中所示。密封墊框架可包括任何合適結構，其經組態以在其他框架之間，諸如在第一端板200及第二端板202與進料框架260之間、在框架260與箔微孔篩網總成205之間、在箔微孔篩網總成與滲透物框架262之間提供流體密封界面。用於密封墊框架264之合適密封墊的實例為可撓性石墨密封墊。合適的密封墊材料之另一實例為藉由Flexitallic LP(德克薩斯迪爾派克(Deer Park,Texas))出售的THERMICULITE®866。儘管框架224展示為包括兩個進料框架260及單一滲透物框架262，但框架可包括任何合適數目個進料框架及滲透物框架。另外，儘管氫氣淨化裝置196展示為包括兩個氫氣選擇性膜206，但裝置可包括任何合適數目個彼等膜。
儘管框架224中之一或多者展示為包括僅在垂直方向上或僅在水平方向延伸之突出部，但框架可另外或替代地包括在水平、垂直及/或諸如對角線之其他合適方向等上延伸的突出部。另外，儘管一或多個框架224展示為包括三個突出部，但框架可包括一個、兩個、四個、五個或多於五個突出部。此外，儘管一或多個框架224展示為包括在第一支撐平面、第二支撐平面及/或第 三支撐平面內共面的突出部，但框架可另外或替代地包括在第四支撐平面、第五支撐平面或更多支撐平面內共面的突出部。
氫氣淨化裝置144之另一實例在圖20中通常以396指示。除非具體地排除，否則氫氣淨化裝置396可包括本發明中描述之其他氫氣淨化裝置之一或多個組件及/或淨化區。
氫氣淨化裝置396在許多方面類似於氫氣淨化裝置196但具有不同形狀的框架、無支撐部件、不同化箔微孔篩網總成及較少密封墊框架，如下文進一步描述。氫氣淨化裝置396之組件或部分對應於氫氣淨化裝置196之組件或部分，且圖20中藉由具有通用形式「3XX」而非「1XX」及「4XX」並非「2XX」的附圖標號來標記。因此，特徵398、400、402、404、405、406、408、424、426、434、436、438、440、460、462、464等可與氫氣淨化裝置196中之其各別對應物即特徵198、200、202、204、205、206、208、224、226、234、236、238、240、260、262、264等相同或大體上相同。
氫氣淨化裝置396可包括殼層或殼體398，其可包括第一端板或端框架400及第二端板或端框架402。第一端板及第二端板可經組態以緊固及/或壓縮在一起以界定具有一內部隔室404之密封壓力容器，氫氣分離區於該內部隔室中被支援。
氫氣淨化裝置396亦可包括至少一個箔微孔篩網總成405，其可安置於第一端板與第二端板之間及/或緊固至該第一端板及該第二端板。箔微孔篩網總成可包括至少一個氫氣選擇性膜406及至少一個微孔篩網結構408。氫氣選擇性膜中之一或多者可以冶金方式接合至微孔篩網結構408。舉例而言，氫氣選擇性膜406中之一或多者可擴散接合至微孔篩網結構以在膜與微孔篩網結構之間形成固態擴散接合件。箔微孔篩網總成405經設定大小以適配於滲透物框架之開放區，且因此相較於或相對於箔微孔篩網總成205而言長度及寬度較 小。
氫氣淨化裝置396亦可包括複數個板或框架424，其安置於第一端框架及/或第二框架之間且緊固至第一端框架及/或第二端框架。框架424可包括周邊殼層426。周邊殼層可界定開放區430。另外，周邊殼層426可包括第一相對側434及第二相對側436，以及第三相對側438及第四相對側440。不同於氫氣淨化裝置196之框架224，框架424不包括任何支撐部件。
框架424可包括至少一個進料框架460、至少一個滲透物框架462及複數個密封墊或密封墊框架464。進料框架460可安置於第一端框架及第二端框架中之一者與至少一個箔微孔篩網總成405之間，或兩個箔微孔篩網總成405之間。進料框架可包括與進料框架260至少實質上類似的組件，諸如進料框架周邊殼層、進料框架輸入管道、進料框架輸出管道及/或進料框架開放區。
滲透物框架462可經定位，使得至少一個箔微孔篩網總成安置於第一端框架及第二端框架中之一者與滲透物框架之間或兩個箔微孔篩網總成之間。滲透物框架可包括與滲透物框架262至少實質上類似的組件，諸如滲透物框架周邊殼層、滲透物框架輸出管道、滲透物框架開放區及/或膜支撐結構。
框架424亦可包括密封墊或密封墊框架464。密封墊框架可包括經組態以在其他框架之間，諸如在第一端板400及第二端板402與進料框架460之間及/或進料框架460與箔微孔篩網總成405之間提供流體密封界面的任何合適結構。不同於氫氣淨化裝置196，氫氣淨化裝置396不包括箔微孔篩網總成與滲透物框架462之間的密封墊框架464。類似於氫氣淨化裝置196，進料框架及密封墊框架之寬度大於滲透物框架之寬度(或進料框架及密封墊框架之開放區小於滲透物框架之開放區)，使得額外寬度覆蓋箔微孔篩網總成之邊緣以使自進料側至滲透側或自滲透側至進料側之洩漏消除或最小化(參見例如圖14，該圖展示進料框架及密封墊框架之額外寬度如何覆蓋箔微孔篩網總成之邊緣)。在 一些實施例中，額外寬度對應於箔微孔篩網總成之微孔篩網結構之周邊(非穿孔)部分的寬度。
本發明之氫氣淨化裝置及/或其組件(例如，箔微孔篩網總成)可包括以下(第[0107]至[0188]段)各特徵中之一個或多個特徵： 第一端框架及第二端框架，其包括一輸入通口，該輸入通口經組態以接收含有氫氣及其他氣體之一混合氣流。
第一端框架及第二端框架包括一輸出通口，該輸出通口經組態以接收一滲透物流，該滲透物流相較於該混合氣流含有一較大濃度之氫氣及一較低濃度之該等其他氣體中的至少一者。
第一端框架及第二端框架包括一副產物通口，該副產物通口經組態以接收含有其他氣體之至少一相當大部分的一副產物流。
至少一個箔微孔篩網總成，其安置於該第一端框架與該第二端框架之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架。
至少一個氫氣選擇性膜，其安置於該第一端框架與該第二端框架之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架。
至少一個氫氣選擇性膜，其具有一進料側及一滲透側，滲透物流之至少部分由混合氣流的自該進料側傳遞至該滲透側之一部分形成，其中混合氣流之剩餘在該進料側上之剩餘部分形成副產物流的至少部分。
至少一個氫氣選擇性膜，其以冶金方式接合至至少一個微孔篩網結構。
至少一個氫氣選擇性膜之滲透側以冶金方式接合至該至少一個微孔篩網結構。
至少一個氫氣選擇性膜，其擴散接合至該至少一個微孔篩網結構。
至少一個氫氣選擇性膜之滲透側，其擴散接合至該至少一個微孔篩網結構。
至少一個微孔篩網結構，其安置於至少一個氫氣選擇性膜與至少一個滲透物框架之間。
至少一個微孔篩網結構，其經組態以支撐至少一個氫氣選擇性膜。
至少一個微孔篩網結構包括大體相對表面，其經組態以提供對滲透側之支撐。
至少一個微孔篩網結構包括在相對表面之間延伸的複數個流體通路。
至少一個微孔篩網結構，其經設定大小以不接觸至少一個滲透物框架的周邊殼層。
至少一個微孔篩網結構，其經設定大小以在至少一個微孔篩網結構及至少一個滲透物框架緊固至第一端框架及第二端框架時不接觸周邊殼層。
至少一個微孔篩網結構，其包括無孔平面薄片，該無孔平面薄片具有形成複數個流體通路的複數個孔隙。
一無孔平面薄片，其包括經組態以提供對滲透側之支撐的大體相對之平面表面。
一無孔平面薄片，其包括不含孔隙之至少一周邊部分。
一無孔平面薄片，其包括具有孔隙之兩個或多於兩個離散部分。
至少一個微孔篩網結構，其包括無孔金屬薄片，該無孔金屬薄片具有形成複數個流體通路的複數個孔隙。
界定平面之一無孔金屬薄片，其中該無孔薄片之孔隙包括垂直於平面之軸線。
該無孔薄片之孔隙為圓形。
該無孔薄片之孔隙為狹長圓。
該無孔薄片之孔隙為卵形。
該無孔薄片之孔隙為六邊形。
一無孔金屬薄片包括不鏽鋼。
一無孔金屬薄片，其包括300系列不鏽鋼。
一無孔金屬薄片，其包括400系列不鏽鋼。
一無孔金屬薄片，其包括具有約0.6wt%至約3.0wt%鋁的不鏽鋼。
一無孔金屬薄片，其包括一或多種鎳合金。
一無孔金屬薄片，其包括具有電鍍鎳表面之一或多種鎳合金。
一無孔金屬薄片，其包括具有銅之一或多種鎳合金。
一或多個離散部分，其藉由不含孔隙之至少一個邊界部分與鄰接離散部分分隔。
一不同氫氣選擇性膜以冶金方式接合至一離散部分。
一氫氣選擇性膜經設定大小為大於離散部分，使得氫氣選擇性膜之一周邊部分接觸該無孔平面薄片的不包括孔隙之一或多個部分。
複數個框架，其安置於第一端框架及第二端框架與至少一個箔微孔篩網總成之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架。
複數個框架包括安置於該至少一個氫氣選擇性膜與第二端框架之間的至少一個滲透物框架。
至少一個滲透物框架，其包括周邊殼層。
至少一個滲透物框架，其包括一輸出管道，其形成於周邊殼層上且經組態以自至少一個氫氣選擇性膜接收滲透物流的至少部分。
至少一個滲透物框架，其包括藉由周邊殼層包圍之一開放區。
至少一個滲透物框架，其包括至少一個膜支撐結構。
至少一個膜支撐結構，其橫跨開放區之至少一相當大部分。
至少一個膜支撐結構，其經組態以支撐至少一個氫氣選擇性膜。
至少一個膜支撐結構，其包括單一膜支撐板，單一膜支撐板包括一第一面及與該第一面相對之一第二面。
第一面及/或第二面具有複數個微凹槽，其經組態以提供用於滲透物流之至少部分之流動通道。
第一面及第二面不含微凹槽。
至少一個膜支撐結構，其包括第一膜支撐板及第二膜支撐板。
第一膜支撐板及第二膜支撐板不含穿孔。
第一膜支撐板及第二膜支撐板板具有第一面，該第一面具有經組態以提供用於滲透物流之至少部分之流動通道的複數個微凹槽。
第一膜支撐板及第二膜支撐板，其具有與第一面相對之第二面。
第一膜支撐板及第二膜支撐板堆疊於至少一個膜支撐結構中。
第一膜支撐板及第二膜支撐板，其堆疊於至少一個膜支撐結構中，使得第一膜支撐板之第二面面向第二膜支撐板的第二面。
非可壓縮之第一膜支撐板及第二膜支撐板。
平坦的第一膜支撐板及第二膜支撐板。
至少一個進料框架，其安置於第一端框架與至少一個氫氣選擇 性膜之間。
至少一個進料框架，其包括周邊殼層。
至少一個進料框架，其包括形成於至少一個進料框架之周邊殼層上的輸入管道。
至少一個進料框架，其包括經組態以自輸入通口接收混合氣流之至少部分的輸入管道。
至少一個進料框架，其包括形成於至少一個進料框架之周邊殼層上的輸出管道。
至少一個進料框架，其包括輸出管道，該輸出管道經組態以接收混合氣流的剩餘在至少一個氫氣選擇性膜之進料側上的至少部分之剩餘部分。
至少一個進料框架，其包括進料框架開放區，該開放區藉由進料框架之周邊殼層包圍且安置於輸入管道與輸出管道之間。
至少一個進料框架之周邊殼層，其經設定大小，使得至少一個進料框架之周邊殼層支撐至少一個滲透物框架之周邊殼層以及至少一個膜支撐結構的一部分。
至少一個進料框架之周邊殼層，其經設定大小，使得至少一個進料框架之周邊殼層沿著複數個支撐平面支撐至少一個滲透物框架之周邊殼層及至少一個膜支撐結構的一部分，該複數個支撐平面垂直於複數個框架中每一框架的框架平面。
至少一個膜支撐結構，其包括第三膜支撐板。
第三膜支撐板，其安置於第一膜支撐板與第二膜支撐板之間。
非可壓縮的第三膜支撐板。
平坦的第三膜支撐板。
不含穿孔之第三膜支撐板。
不含微凹槽之第三膜支撐板。
滲透物框架之周邊殼層包括第一周邊殼層及第二周邊殼層。
滲透物框架之周邊殼層，其包括安置於第一周邊殼層與第二周邊殼層之間的密封墊。
密封墊，其經組態，使得滲透物框架周邊殼層之厚度與膜支撐結構之厚度匹配。
密封墊，其經組態使得當滲透物框架緊固至第一端框架及第二端框架時，滲透物框架周邊殼層之厚度與膜支撐結構的厚度匹配。
滲透物框架周邊殼層，其包括第一周邊殼層、第二周邊殼層及第三周邊殼層。
滲透物框架周邊殼層，其包括安置於第一周邊殼層與第二周邊殼層之間的密封墊。
滲透物框架周邊殼層，其包括安置於第二周邊殼層與第三周邊殼層之間的第二密封墊。
第一密封墊及第二密封墊，其經組態使得滲透物框架周邊殼層之厚度與膜支撐結構的厚度匹配。
第一密封墊及第二密封墊，其經組態使得當滲透物框架緊固至第一端框架及第二端框架時，滲透物框架周邊殼層之厚度與膜支撐結構的厚度匹配。
第一膜支撐板及第二膜支撐板，其各自具有相對之第一邊緣及第二邊緣。
複數個微凹槽，其自第一邊緣延伸至第二邊緣。
複數個並行微凹槽。
產業利用性
包括氫氣淨化裝置及彼等裝置之組件的本發明揭示內容適用於氫氣經淨化、產生及/或利用的燃料處理及其他產業。
以上闡明之揭示內容涵蓋具有獨立效用之多個獨特發明。雖然此等發明中之每一者已以較佳形式揭示，但其如本文中所揭示並說明的特定實施例並不在限制性含義上考慮，此係由於大量變化為可能的。本發明之標的包括本文揭示之各種元件、特徵、功能及/或特性之所有新穎及不明顯的組合及子組合。類似地，當任何技術方案敍述「一(a)」或「一第一(a first)」元件或其等效物時，該技術方案應理解為包括併入一或多個該等元件，既不要求亦不排除兩個或多於兩個該等元件。
可經由在相關申請案中呈現新的申請專利範圍來主張在特徵、功能、元件及/或特性之各種組合及子組合中體現的發明。該等新申請專利範圍，無論其係關於不同發明或關於相同發明，無論不同於、大於、小於或相同於原始申請專利範圍之範疇，皆亦視為包括在本發明之申請標的之內。
196:氫氣淨化裝置
200:第一端板或端框架
202:第二端板或端框架
204:內部隔室
205:箔微孔篩網總成
210:進料側
212:滲透側
220:周邊區域(或部分)
221:邊界區域(或部分)
224:板或框架
226:周邊殼層
228:第一支撐部件
230:開放區
232:框架平面
234:第一相對側
236:第二相對側
238:第三相對側
240:第四相對側
242:第一部分
244:第一支撐平面
246:第二支撐部件
248:第三支撐部件
250:第二部分
252:第三部分
254:第二支撐平面
256:第三支撐平面
258:突出部或指
260:進料框架
262:滲透物框架
264:密封墊或密封墊框架
266:進料框架周邊殼層
268:進料框架輸入管道
270:進料框架輸出管道
272:進料框架開放區
274:第一進料框架支撐部件
276:第二進料框架支撐部件
278:第三進料框架支撐部件
300:進料框架平面
302:進料框架突出部或指狀物
340:第一膜支撐板

Claims (22)

  1. 一種氫氣淨化裝置，其包含：第一端框架及第二端框架，其包括：一輸入通口，其經組態以接收含有氫氣及其他氣體之一混合氣流；一輸出通口，其經組態以接收一滲透物流，該滲透物流相較於該混合氣流含有一較大濃度之氫氣及一較低濃度之該等其他氣體中的至少一者；及一副產物通口，其經組態以接收含有該等其他氣體之至少一相當大部分的一副產物流；至少一個箔微孔篩網總成，其安置於該第一端框架與該第二端框架之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架，該至少一個箔微孔篩網總成包括：至少一個氫氣選擇性膜，其具有一進料側及一滲透側，該滲透物流之至少部分由該混合氣流的自該進料側傳遞至該滲透側之部分形成，其中該混合氣流之剩餘在該進料側上之剩餘部分形成該副產物流的至少部分，及包括一無孔平面薄片之至少一個微孔篩網結構，該無孔平面薄片具有形成複數個流體通路之複數個孔隙，該平面薄片包括經組態以提供對該滲透側之支撐的大體相對之平面表面，該複數個流體通路在該等相對表面之間延伸，其中該至少一個氫氣選擇性膜以冶金方式接合至該至少一個微孔篩網結構；及複數個框架，其安置於該第一端框架及該第二端框架與該至少一個箔微孔篩網總成之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架，該複數個框架中之每一框架包括界定一開放區之一周邊殼層，其中該複數個孔隙安置於該無孔平面薄片上，使得該平面薄片之至少一周邊部分不含該複數個孔隙，且其中該無孔平面薄片包括具有該複數個孔隙的兩個或多於兩個離散部分。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該兩個或多於兩個離散部分中之每一離散部分藉由不含該複數個孔隙之至少一個邊界部分與該兩個或多於兩個離 散部分的鄰接離散部分隔開。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個氫氣選擇性膜包括兩個或多於兩個氫氣選擇性膜，且其中該兩個或多於兩個氫氣選擇性膜中之一不同氫氣選擇性膜以冶金方式接合至該兩個或多於兩個離散部分中的每一離散部分。
  4. 如請求項3所述之裝置，其中該兩個或多於兩個氫氣選擇性膜中之每一氫氣選擇性膜經設定大小為大於對應離散部分，使得該氫氣選擇性膜之一周邊部分接觸該無孔平面薄片的不包括該複數個孔隙之一或多個部分。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個氫氣選擇性膜擴散接合至該至少一個微孔篩網結構。
  6. 一種氫氣淨化裝置，其包含：第一端框架及第二端框架，其包括：一輸入通口，其經組態以接收含有氫氣及其他氣體之一混合氣流；一輸出通口，其經組態以接收一滲透物流，該滲透物流相較於該混合氣流含有一較大濃度之氫氣及一較低濃度之該等其他氣體中的至少一者；及一副產物通口，其經組態以接收含有該等其他氣體之至少一相當大部分的一副產物流；至少一個箔微孔篩網總成，其安置於該第一端框架與該第二端框架之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架，該至少一個箔微孔篩網總成包括：至少一個氫氣選擇性膜，其具有一進料側及一滲透側，該滲透物流之至少部分由該混合氣流的自該進料側傳遞至該滲透側之部分形成，其中該混合氣流之剩餘在該進料側上之剩餘部分形成該副產物流的至少部分，及至少一個微孔篩網結構，其包括一無孔金屬薄片，該無孔金屬薄片具有形成該複數個流體通路之複數個孔隙，該無孔金屬薄片包含經組態以提供對該滲 透側之支撐的大體相對之平面表面以及在該等相對表面之間延伸的該複數個流體通路，其中該至少一個氫氣選擇性膜以冶金方式接合至該至少一個微孔篩網結構；及複數個框架，其安置於該第一端框架及該第二端框架與該至少一個箔微孔篩網總成之間且緊固至該第一端框架及該第二端框架，該複數個框架包括安置於該至少一個箔微孔篩網總成與該第二端框架之間的至少一個滲透物框架，該至少一個滲透物框架包括：一周邊殼層，一輸出管道，其形成於該周邊殼層上且經組態以自該至少一個氫氣選擇性膜接收該滲透物流的該至少部分，藉由該周邊殼層包圍之一開放區，及至少一個膜支撐結構，其橫跨該開放區之至少一相當大部分且經組態以支撐該至少一個箔微孔篩網總成，該至少一個膜支撐結構不含穿孔，其中該複數個孔隙安置於該無孔平面薄片上，使得該平面薄片之至少一周邊部分不含該複數個孔隙，且其中該無孔平面薄片包括具有該複數個孔隙的兩個或多於兩個離散部分。
  7. 如請求項6所述之裝置，其中該至少一個膜支撐結構包括一單一膜支撐板，該單一膜支撐板包括一第一面及與該第一面相對之一第二面。
  8. 如請求項7所述之裝置，其中該第一面及該第二面具有經組態以提供用於該滲透物流之至少部分之流動通道的複數個微凹槽。
  9. 如請求項7所述之裝置，其中該第一面及該第二面不含微凹槽。
  10. 如請求項6所述之裝置，其中該至少一個膜支撐結構包括堆疊於該至少一個膜支撐結構中之第一膜支撐板及第二膜支撐板。
  11. 如請求項10所述之裝置，其中該第一膜支撐板及該第二膜支撐 板中之每一者不含穿孔，且包括一第一面及與該第一面相對之一第二面，其中該第一膜支撐板及該第二膜支撐板堆疊於該至少一個膜支撐結構中，使得該第一膜支撐板之該第二面面向該第二膜支撐板之該第二面。
  12. 如請求項11所述之裝置，其中第一膜板及第二膜板中每一者之該第一面包括經組態以提供用於該滲透物流之該至少部分之流動通道的複數個微凹槽。
  13. 如請求項11所述之裝置，其中第一膜板及第二膜板中每一者的該第一面不含微凹槽。
  14. 如請求項6所述之裝置，其中該無孔金屬薄片界定一平面，其中該複數個孔隙中之每一者包括垂直於該平面的一軸線。
  15. 如請求項6所述之裝置，其中該複數個孔隙中之一或多個孔隙為卵形。
  16. 如請求項6所述之裝置，其中該無孔金屬薄片包括不鏽鋼。
  17. 如請求項6所述之裝置，其中該無孔金屬薄片包括一或多種鎳合金。
  18. 一種用於一氫氣淨化裝置之箔微孔篩網總成，其包含：具有一進料側及一滲透側之至少一個氫氣選擇性膜，其中該至少一個氫氣選擇性膜經組態以接收一混合氣流、自該混合氣流之自該進料側傳遞至該滲透側之部分形成一滲透物流且自該混合氣流之剩餘在該進料側上的剩餘部分形成一副產物流；及包括一無孔平面薄片之至少一個微孔篩網結構，該無孔平面薄片具有形成複數個流體通路之複數個孔隙，該平面薄片包括經組態以提供對該滲透側之支撐的大體相對之平面表面，該複數個流體通路在該等相對表面之間延伸，其中該至少一個氫氣選擇性膜之該滲透側以冶金方式接合至該至少一個微孔篩網結 構，其中該複數個孔隙安置於該無孔平面薄片上，使得該平面薄片之至少一周邊部分不含該複數個孔隙，且其中該無孔平面薄片包括具有該複數個孔隙的兩個或多於兩個離散部分。
  19. 如請求項18所述之箔微孔篩網總成，其中該兩個或多於兩個離散部分中之每一離散部分藉由不含該複數個孔隙之至少一個邊界部分與該兩個或多於兩個離散部分的鄰接離散部分隔開。
  20. 如請求項18所述之箔微孔篩網總成，其中該至少一個氫氣選擇性膜包括兩個或多於兩個氫氣選擇性膜，且其中該兩個或多於兩個氫氣選擇性膜中之一不同氫氣選擇性膜以冶金方式接合至該兩個或多於兩個離散部分中的每一離散部分。
  21. 如請求項20所述之箔微孔篩網總成，其中該兩個或多於兩個氫氣選擇性膜中之每一氫氣選擇性膜經設定大小為大於對應離散部分，使得該氫氣選擇性膜之一周邊部分接觸該無孔平面薄片的不包括該複數個孔隙之一或多個部分。
  22. 如請求項18所述之箔微孔篩網總成，其中該至少一個氫氣選擇性膜擴散接合至該至少一個微孔篩網結構。
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