專利名稱：氫氣純化裝置、構(gòu)件和包括該裝置、構(gòu)建的燃料處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般而言，本發(fā)明關(guān)于氫氣的純化，尤其是涉及氫氣純化裝置、構(gòu)件和包括該裝置、構(gòu)件的燃料處理系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
純氫可用于制備許多產(chǎn)物，包括金屬、食用油脂、半導(dǎo)體、微電子。純氫還是許多能量轉(zhuǎn)換裝置的重要燃料源。例如，燃料電池利用純氫和一種氧化劑能產(chǎn)生出一電動(dòng)勢(shì)。不同的工藝和裝置都可以生產(chǎn)燃料電池需要消耗的氫氣。但是，許多氫氣生產(chǎn)工藝只能產(chǎn)出不純的氫氣，這種不純的氫氣還可以被稱為是含有氫氣的混合氣流。在將這種氣流輸送至燃料電池或燃料電池組之前，可以純化該混合氣體，例如除去不良雜質(zhì)。
發(fā)明概要本發(fā)明提供氫氣純化裝置、氫氣純化裝置的構(gòu)件以及包括氫氣純化裝置的燃料處理系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)。該氫氣純化裝置包括一個(gè)含有一個(gè)分離組件的蓋體，其中分離組件是用來接收含有氫氣的混合氣流以產(chǎn)生一含有純氫氣或至少實(shí)質(zhì)純的氫氣的氣流。分離組件至少包括一個(gè)透氫膜和/或氫氣選擇性薄膜，在一些實(shí)施例中，其包括至少一個(gè)薄膜封套，該薄膜封套有一對(duì)一般相對(duì)著的薄膜區(qū)以界定一延伸于其間的收獲導(dǎo)管，且這對(duì)薄膜區(qū)由一個(gè)支撐體所隔離。裝置包括的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件由熱膨脹系數(shù)與薄膜熱膨脹系數(shù)相似或相同的材料制成。在一些實(shí)施例中，這些構(gòu)件包括至少支撐體的一部分，在一些實(shí)施例中，這些構(gòu)件包括至少蓋體的一部分。
對(duì)于那些善于利用以下描述的具體實(shí)施方案和結(jié)合發(fā)明原則且以說明性例子揭示較佳實(shí)施例的簡圖的人而言，本發(fā)明的許多其它特征將變得一目了然。
附圖簡述

圖1是氫氣純化裝置的示意圖。
圖2是一個(gè)帶有平面型分離膜的氫氣純化裝置的示意剖面圖。
圖3是一個(gè)帶有管狀分離膜的氫氣純化裝置的示意剖面圖。
圖4是另一個(gè)帶有一個(gè)管狀分離膜的氫氣純化裝置的示意剖面圖。
圖5是依照本發(fā)明構(gòu)成的一個(gè)氫氣純化裝置的一個(gè)蓋體的示意剖面圖。
圖6是依照本發(fā)明構(gòu)成的一個(gè)氫氣純化裝置的一個(gè)蓋體示意剖面圖。
圖7是依照本發(fā)明的一個(gè)氫氣純化裝置的蓋體的構(gòu)件之間一個(gè)合適界面的局部剖面圖。
圖8是依照本發(fā)明的一個(gè)氫氣純化裝置的蓋體的構(gòu)件之間一個(gè)合適界面的局部剖面圖。
圖9是依照本發(fā)明的一個(gè)氫氣純化裝置的蓋體的構(gòu)件之間一個(gè)合適界面的局部剖面圖。
圖10是依照本發(fā)明的一個(gè)氫氣純化裝置的蓋體的構(gòu)件之間一個(gè)合適界面的局部剖面圖。
圖11是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的一個(gè)氫氣純化裝置的一個(gè)端板的頂視圖。
圖12是圖11中所示端板的剖面圖。
圖13是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的一個(gè)氫氣純化裝置的一個(gè)端板的頂視圖。
圖14是圖13所示端板的剖面圖。
圖15是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的一個(gè)氫氣純化裝置的一個(gè)端板的頂視圖。
圖16是圖15所示端板的剖面圖。
圖17是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的一個(gè)氫氣純化裝置的一個(gè)端板的頂視圖。
圖18是圖17所示端板的剖面圖。
圖19是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的一個(gè)氫氣純化裝置的蓋體的一個(gè)端板的頂視圖。
圖20是圖19所示端板的剖面圖。
圖21是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的一個(gè)氫氣純化裝置的蓋體的一個(gè)端板的頂視圖。
圖22是圖21所示端板的側(cè)視圖。
圖23是圖21所示端板的等角視圖。
圖24是圖21所示端板的剖面圖。
圖25是圖21-24中所示的帶有一對(duì)端板構(gòu)成的一個(gè)氫氣純化裝置的蓋體的部分剖面?zhèn)纫晥D。
圖26是依照本發(fā)明構(gòu)成的另一個(gè)氫氣純化裝置的等角視圖。
圖27是圖26所示裝置的剖面圖。
圖28是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的氫氣純化裝置另一個(gè)端板的側(cè)視圖。
圖29是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的氫氣純化裝置另一個(gè)端板的側(cè)視圖。
圖30是依照本發(fā)明構(gòu)成的包括圖1-6中所示的氫氣純化裝置另一個(gè)端板的側(cè)視圖。
圖31是由一個(gè)支撐體隔離的一對(duì)分離膜的局部側(cè)視圖。
圖32是依照本發(fā)明構(gòu)成的且包括一個(gè)多層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式的支撐體的薄膜封套的分解等角視圖。
圖33是依照本發(fā)明的又一個(gè)薄膜封套的分解等角視圖。
圖34是依照本發(fā)明的又一個(gè)薄膜封套的分解等角視圖。
圖35是依照本發(fā)明的又一個(gè)薄膜封套的分解等角視圖。
圖36是依照本發(fā)明構(gòu)成的帶有一個(gè)以虛線示出的薄膜框架和薄膜模制物的氫氣純化裝置的蓋體外殼的剖面圖。
圖37是帶有一個(gè)以虛線示出的分離膜以及框架圖13所示的端板的頂視圖。
圖38是帶有一個(gè)以虛線示出的分離膜以及框架圖21所示的端板的頂視圖。
圖39是依照本發(fā)明構(gòu)成的又一種氫氣純化裝置的分解等角視圖。
圖40是包括依照本發(fā)明構(gòu)成的一個(gè)燃料處理器和一個(gè)氫氣純化裝置的燃料處理系統(tǒng)的示意圖。
圖41是包括一個(gè)與依照本發(fā)明的一個(gè)氫氣純化裝置結(jié)合的燃料處理器的燃料處理系統(tǒng)的示意圖。
圖42是包括一個(gè)依照本發(fā)明構(gòu)成的完整氫氣純化裝置的又一個(gè)燃料處理器的示意圖。
圖43是包括一個(gè)依照本發(fā)明構(gòu)成的氫氣純化裝置的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述和最佳模式圖1中10所示的是一種氫氣凈化裝置。裝置10包括一個(gè)界定的實(shí)體或蓋體12，其中內(nèi)室18內(nèi)裝置有分離組件20。含有氫氣26和其它氣體28的混合氣流24被輸送至內(nèi)室。更具體地說，混合氣流被輸送至內(nèi)部分離室的混合氣區(qū)30，并與分離組件20接觸。分離組件20包括能夠接收混合氣流并可產(chǎn)生一種穿透氣流或富氫氣流的任何適用結(jié)構(gòu)。氣流34一般含有純氫或者至少實(shí)質(zhì)純氫的氣體。但是，在本發(fā)明的范圍之內(nèi)氣流34至少還包括一個(gè)載體、或清掃器(sweep)、氣體構(gòu)件。
在示范實(shí)施例中，穿過分離組件的部分混合氣流進(jìn)入內(nèi)室的穿透區(qū)32。這部分混合氣流形成富氫氣流34，不穿過分離組件的那部分混合氣流形成至少含有大量其它氣體的副產(chǎn)物流36。在一些實(shí)施例中，副產(chǎn)物流36可以包含存在于混合氣流中的部分氫氣。本發(fā)明范圍還包括，分離組件還可以吸收或保留至少很大一部分其它氣體，一旦分離組件被替換、更新或者再裝載時(shí)，這部分氣體會(huì)被作為副產(chǎn)物流會(huì)而除去。圖1中，氣流24-28的示意圖代表24-28中每一種氣流可能包括多于一個(gè)流入或流出裝置10的實(shí)際氣流。例如，裝置10可以接收多支原料流24，在與分離組件20接觸之前被分為多支氣流的單支氣流24，或者僅僅是一支被輸送至內(nèi)室18的氣流。
裝置10一般是在高溫和/或高壓下操作。例如，裝置10可以在環(huán)境溫度至700℃或更高溫度的范圍內(nèi)的(選定)溫度下操作。在一些實(shí)施例中，選定溫度可以在200℃至500℃范圍之內(nèi)。在又一些實(shí)施例中，選定溫度可以在250℃至400℃范圍之內(nèi)。還有些實(shí)施例中，選定溫度可以為400℃±25℃、50℃或75℃。裝置10可以在在約50psi至1000psi或者更高壓力的范圍內(nèi)的(選定)壓力下操作。在一些實(shí)施例中，選定壓力可以在50psi至250psi或500psi范圍之內(nèi)。又一些實(shí)施例中，選定壓力可以低于300psi或者250psi。還有些實(shí)施例中選定壓力為175psi±25psi、50psi或75psi。所以，蓋體必須密封的足夠好才能夠達(dá)到和承受此操作壓力。
應(yīng)該理解，此處使用的關(guān)于諸如溫度或壓力的操作參數(shù)術(shù)語″選定值″是指界定的或預(yù)定的臨界值或范圍值，當(dāng)?shù)扔诨蛐∮谶x定值時(shí)，裝置10和關(guān)聯(lián)構(gòu)件在這些選定值中進(jìn)行操作。再進(jìn)一步說明，一個(gè)選定操作溫度可以大于或小于一個(gè)特定溫度，在特定溫度范圍之內(nèi)，或者在特定溫度的給定容差范圍之內(nèi)，例如在特定溫度的5％、10％等之內(nèi)。
氫氣純化裝置在一定高溫下操作的實(shí)施例中，需要加熱裝置將其溫度升高至選定操作溫度。例如，可以通過適當(dāng)?shù)募訜峤M件42提供熱源。圖1是加熱組件42示范例的示意圖。應(yīng)該理解，加熱組件42可以采用任何適當(dāng)?shù)男问?，包括混合氣?4本身。其它適用的加熱組件的示范例包括電阻加熱器、燃燒器或能產(chǎn)生一個(gè)熱耗氣流且與加熱氣流而不是混合氣流24發(fā)生換熱的其它燃燒區(qū)的其中之一或一個(gè)以上。使用燃燒器或者其它燃燒室時(shí)，燃料氣流被消耗掉，這部分燃料氣流可能全部或者部分形成副產(chǎn)物流36。圖1中的42’說明加熱組件可以將熱氣流傳輸至裝置10的外部，例如在環(huán)繞蓋體或至少部分環(huán)繞蓋體的外殼中，且可以通過延伸進(jìn)蓋體或穿過一段蓋體的氣流，或通過譬如電阻加熱器或其它能夠輻射或者傳導(dǎo)電力產(chǎn)生的熱的設(shè)備來傳輸。
分離組件20的一種適用結(jié)構(gòu)是一種或多種透氫膜和/或選擇性透氫膜46。制成薄膜的材料可以是任何適用于氫氣純化裝置10的操作環(huán)境和參數(shù)的氫穿透材料。對(duì)薄膜46這些適用材料的實(shí)例包括鈀和鈀合金，尤其是這些金屬和金屬合金的薄膜。鈀合金已經(jīng)被證明是非常有效的，尤其是含有35wt％～45wt％銅的鈀，例如含有40wt％銅的薄膜。這些薄膜一般由厚約0.001英寸的薄錫箔制成。但是在本發(fā)明允許范圍還包括，這種薄膜可以由其它透氫和/或選擇氫的材料制成，包括不同于上述討論的金屬和金屬合金，以及非金屬材料和化合物，而且這些薄膜的厚度可以大于或者小于上述所討論的厚度。例如，薄膜可以做的更薄些，相應(yīng)地氫氣流量就有所增加。降低薄膜厚度的合理機(jī)制包括軋制、濺射和蝕刻。美國專利US6,152,995就揭露了一種適用的蝕刻工藝，在本發(fā)明中引用參考。本發(fā)明還引用了美國專利號(hào)6,221,117和美國專利申請(qǐng)?zhí)?9/812,499中披露的各種薄膜，薄膜構(gòu)件和薄膜制備方法。
圖2示出了薄膜46適用結(jié)構(gòu)的示范例。如圖所示薄膜46包括混合氣面48和穿透面50，其中混合氣面48的取向使其能與混合氣流24接觸，穿透面50一般與混合氣面48相對(duì)著。圖中的52還代表了支架的示意例，其任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)是用于支撐和/或定位分離室18中的薄膜或其他分離組件。上述剛剛提到的所參考的專利和專利申請(qǐng)還披露了適用支架52的示范例。46’例舉的薄膜46是錫箔或薄膜。46”示出的薄膜由一個(gè)下面的支撐體54所支撐，例如一個(gè)網(wǎng)孔或金屬網(wǎng)篩或陶瓷或其它多孔材料。46示出的薄膜涂覆于或形成于或粘結(jié)于一個(gè)多孔元件56上。應(yīng)該理解，上述討論的薄膜結(jié)構(gòu)示于圖2，但其并不一定代表本發(fā)明允許范圍之內(nèi)所有的可行結(jié)構(gòu)。
例如，盡管圖2所示薄膜46具有平面結(jié)構(gòu)，但是非平面結(jié)構(gòu)的薄膜46也屬本發(fā)明范圍。例如，薄膜46的形狀至少部分決定于支撐體54或薄膜支撐和/或形成在其上的薄膜元件56的形狀。同樣的，薄膜46可以有凹的、凸的或其它非平面型結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)裝置10在一高溫下操作時(shí)。另一例是，薄膜46的結(jié)構(gòu)也可以是如圖3和圖4所示的管狀結(jié)構(gòu)。
圖3示出一種管狀薄膜的示范例，其中混合氣流被傳輸至薄膜管的內(nèi)部。這種結(jié)構(gòu)中，薄膜管內(nèi)部界定了內(nèi)室的區(qū)域30，分離室的穿透區(qū)32位于管外。圖3虛線所示的是另一種薄膜管，其表示本發(fā)明允許裝置10可以包括一個(gè)以上的薄膜和/或一個(gè)以上混合氣面48。本發(fā)明還允許裝置10可以兩個(gè)以上薄膜，而且相關(guān)的空間和/或薄膜的結(jié)構(gòu)可以有所變化。
圖4示出的是另一種包括管狀膜的氫氣凈化裝置10。在此例舉的結(jié)構(gòu)中，裝置10的這種結(jié)構(gòu)能使得混合氣流被傳輸至膜管或管外的分離室18內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)中，膜管的混合氣面在相應(yīng)穿透面的外部，穿透區(qū)位于膜管或管內(nèi)部。
管狀膜可以有各種結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，譬如上述討論的關(guān)于圖2所示的平面薄膜。例如，圖3和圖4示出的各種支架52，支撐體54和多孔元件56的示范例，包括一個(gè)以圖示出的彈簧58。本發(fā)明范圍還包括，管狀膜可以由一種不同于圖3所示的直排式圓柱管狀結(jié)構(gòu)。其他結(jié)構(gòu)的示例包括U型管和螺旋管。
正如所述，蓋體12界定了一個(gè)內(nèi)置分離組件20的加壓室18。圖2～4的實(shí)施例中，蓋體12包括一對(duì)由周邊外殼62連接的端板60。應(yīng)該理解，圖2～4中例舉的裝置10是裝置一般構(gòu)件的代表性例子，但并不限定其幾何形狀、外形和尺寸。例如，端板60一般比周邊外殼62的壁厚大，但是并不局限于此。同樣地，端板60厚度可以大于、小于或等于端板間距離。再舉一例，為了說明的目的薄膜46的厚度還可以更厚些。
圖2～4中，可以看到混合氣流24通過一個(gè)輸入口64被傳輸至分離室18，富氫氣流(或穿透氣流)34通過一個(gè)或更多產(chǎn)物口66排出在裝置10之外，副產(chǎn)物流通過一個(gè)或多個(gè)副產(chǎn)物口68排出在裝置10之外。圖2中，伸穿不同終板之一的端口說明了蓋體12的特殊位置可以有所不同，其中通過該位置氣流可以被輸送至裝置10或排出在裝置10之外。如3中虛線所示，本發(fā)明范圍還包括一支和多支氣流可以通過外殼62被輸送和排出去。本發(fā)明范圍還進(jìn)一步包括端口64～68可以包括或者附聯(lián)流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和/或耦合結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的示例包括一個(gè)或多個(gè)閥、流量和壓力調(diào)節(jié)器、連接器或其他配件、和/或其他能將裝置10與上下游元件固定地相互連接或選定性地流動(dòng)連接著的管道裝置。為了例證，圖2中70一般性地示出了這些流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和/或耦合結(jié)構(gòu)。為了簡便，結(jié)構(gòu)70并沒有示于每個(gè)實(shí)施例中。但是應(yīng)該理解，特殊實(shí)施例中裝置10的一些或所有端口可以包括任何或全部這樣的結(jié)構(gòu)，每個(gè)端口的結(jié)構(gòu)不一定與結(jié)構(gòu)70相同，有些實(shí)施例中兩個(gè)或多個(gè)端口可以共享或共用結(jié)構(gòu)70，例如一個(gè)通用收集或傳輸通道、壓力緩解閥、流量閥等。
端板60和周邊外殼62由一種保持結(jié)構(gòu)72固定在一起。結(jié)構(gòu)72可以采取任何形式，只要其能夠在使用裝置10的操作參數(shù)和條件下，以流體密封或充分地流體密封的結(jié)構(gòu)將蓋體12的元件固定在一起。適當(dāng)結(jié)構(gòu)72的示例包括焊接74和螺栓76，如圖2和圖3所示。圖3中螺栓76穿過法蘭78，法蘭78從蓋體12的連接著的元件中延伸出。圖4中，螺栓76穿過分離室18。應(yīng)該理解，螺栓的數(shù)目可以有變化，一般包括多個(gè)螺栓或延伸在蓋體18周邊的類似固定機(jī)件。選定的螺栓76應(yīng)該能夠承受裝置10的操作參數(shù)和條件，包括當(dāng)裝置10被加壓時(shí)傳輸給螺栓的張力。
圖3和圖4的下半部分中示出的墊圈80說明蓋體可以包括，但不是必須，一個(gè)連接表面的密封元件82，以提高蓋體的防漏性能。選定的密封元件應(yīng)該能夠降低或消除操作參數(shù)和操作條件下使用裝置時(shí)的泄漏現(xiàn)象。所以在許多實(shí)施例中，應(yīng)該選定高壓和/或高溫密封。這種密封結(jié)構(gòu)的一個(gè)非專指的示范例是諸如Union Carbide銷售的商標(biāo)為GRAFOILTM的石墨墊圈。此處所用的“密封元件”是指與施加給金屬端板和外殼(或外殼部分)、置于金屬端板和外殼(或外殼部分)之間或與金屬端板和外殼(或外殼部分)接觸，以提高兩者之間密封性能的結(jié)構(gòu)或材料。墊圈或其他密封元件還可用于內(nèi)室18，例如用于提供毗鄰薄膜間、流體導(dǎo)管間、支架或支撐體間，和/或上述蓋體12的內(nèi)表面間的密封。
圖2-4中例舉的蓋體包括一對(duì)端板60和一個(gè)外殼62。由圖4中可看出，端板包括密封區(qū)90，它與外殼62的相應(yīng)密封區(qū)形成截面94。許多實(shí)施例中，端板60的密封區(qū)將是周邊區(qū)，同樣地，密封區(qū)90通常是指端板的周邊區(qū)90。但是，此處所指的周邊區(qū)是指一般延伸在中央部分周圍并且與外殼的一部分形成介面的端板一個(gè)區(qū)域，即使端板還有超出周邊區(qū)的其他部分或邊界。同樣地，外殼62的密封區(qū)92一般是外殼的一個(gè)端區(qū)。所以，這所指的外殼密封區(qū)一般就是指外殼的端區(qū)92。但是本發(fā)明范圍還包括，端板60有超出密封區(qū)90和與外殼62形成的界面94的部分，外殼62也有超出端板60和與之形成的界面的區(qū)域。圖4中虛線表示的91和93就是用圖例說明的這些部分。
作為一個(gè)獨(dú)立周邊外殼62連接的一對(duì)端板60的替代，蓋體12可以包括一個(gè)至少部分與兩個(gè)端板或者端板之一結(jié)合的外殼。例如圖5所示的，外殼62的一部分63與每個(gè)端板60結(jié)合在一起。換一種描述方式，即每個(gè)端板60包括由端板的周邊區(qū)90延伸出的外殼部分或軸環(huán)部分。如圖所示，外殼部分包括在界面94處交叉的端區(qū)92。在例舉的實(shí)施例中，端區(qū)相互毗鄰但沒有重疊。但是，本發(fā)明還允許界面94可以有其他結(jié)構(gòu)，例如之后將要例舉的和/或描述的結(jié)構(gòu)。端區(qū)92通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)制固定在一起，例如通過上述討論的保持結(jié)構(gòu)72，而且除端區(qū)92的嚙合面之外，其還可以包括(但不是必須包括)一個(gè)密封元件82。
外殼62與至少一個(gè)端板結(jié)合在一起的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是蓋體少一個(gè)必須被密封的界面。這種優(yōu)勢(shì)可以通過降低泄漏而實(shí)現(xiàn)，這歸因于減少了的可能失敗的泄漏數(shù)目、較少的元件和/或降低了的裝置10的裝配時(shí)間。圖6給出的是蓋體12結(jié)構(gòu)的另一例，其中外殼62與端板之一結(jié)合，以及與從端板之一的周邊區(qū)90整體延伸出的一部分外殼63結(jié)合。外殼部分63包括一個(gè)端區(qū)92，該端區(qū)與一個(gè)通過諸如上述的任何合適的保持結(jié)構(gòu)72與另一個(gè)端板的周邊區(qū)90形成界面94。圖5和圖6給出端板和外殼構(gòu)件的組合結(jié)構(gòu)可以通過任何適合的機(jī)制形成，包括由一個(gè)實(shí)心棒或方塊材料加工成。為了簡便，圖5和圖6未給出分離組件20和輸入輸出口，只是舉例說明了適用的但不是專指的保持結(jié)構(gòu)72。與此處描述和例舉的其他蓋體結(jié)構(gòu)一樣，應(yīng)該理解蓋體的相對(duì)尺度是可以變化的，而且仍屬于本發(fā)明范圍。例如，外殼部分63的長度可以大于或小于圖5和圖6所示的長度。
在繼續(xù)介紹端板60其它的結(jié)構(gòu)之前，應(yīng)該說明此處所用的與裝置10的蓋體相關(guān)的術(shù)語“界面”是指互連區(qū)和密封區(qū)，其延伸在單獨(dú)形成的之后又通過(但不是必須)諸如上述保持結(jié)構(gòu)72連在一起的部分蓋體12之間。界面94的特定形狀和尺寸可以變化，例如其可以決定于連接在一起的構(gòu)件的大小、結(jié)構(gòu)和特性。所以，界面94可以包括一個(gè)形成在對(duì)應(yīng)的端區(qū)和周邊區(qū)之間的金屬-金屬封口，一個(gè)形成在對(duì)應(yīng)的一對(duì)端區(qū)之間的金屬-金屬封口，一個(gè)金屬-墊圈(或其它密封元件82)-金屬封口等等。同樣地，界面的形狀也可以變化，包括線性的、弓形和直線結(jié)構(gòu)，其很大程度上決定于連接在一起的構(gòu)件的形狀和相對(duì)位置。
例如，圖6所示的界面94延伸在外殼部分63的端區(qū)92和端板60的周邊區(qū)90之間。如圖所示，區(qū)域90和92與平行邊緣相互交叉。正如所述，墊圈或其他密封元件可以延伸在這些邊緣之間。圖7～10是本發(fā)明允許范圍之內(nèi)的其它界面94的非特定示例。包括一個(gè)形成于毗鄰?fù)鈿^(qū)域之間的界面的蓋體12的實(shí)施例也可以具有任何一個(gè)這種結(jié)構(gòu)。圖7中，周邊區(qū)90界定了一個(gè)凹進(jìn)處或拐角處，外殼62的端區(qū)92延伸進(jìn)其中形成一個(gè)延伸在該拐角處周圍界面94。圖7中還示出端板60的中央部分96，其延伸進(jìn)外殼62并與之界定了一個(gè)重疊區(qū)。
圖8中，周邊區(qū)90界定了一個(gè)開口朝向分離室18的拐角，與圖7中的拐角相對(duì)，其開口一般背對(duì)分離室18。圖8中示出的結(jié)構(gòu)中，周邊區(qū)90包括一個(gè)軸環(huán)(collar)98，其至少部分沿著外殼62外表面100延伸以界定一個(gè)與之重疊的區(qū)域。端板60的中央部分96以實(shí)線示出的沿著端區(qū)92延伸的但沒有伸進(jìn)外殼62，以虛線示出的則伸進(jìn)外殼62，以點(diǎn)劃線示出的包括一個(gè)至少部分沿著外殼60的內(nèi)表面104延伸的一個(gè)內(nèi)部支撐體102。圖9和圖10類似于圖7和圖8，除了周邊區(qū)90和端區(qū)92互相以螺紋嚙合，所以相應(yīng)地包括螺紋106和108。圖9中的虛線表示的是具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)的端板60的周邊區(qū)90的另一個(gè)示例。如圖所示，端板的外邊緣110沒有放射狀地(或向外地)延伸至或超過外殼62的外表面。
應(yīng)該理解，任何一種界面可以與依照本發(fā)明構(gòu)建的蓋體一起使用。但是，為了簡便，沒有示出每個(gè)帶有這樣界面的蓋體12。所以，盡管圖11～31示出了以下將要描述的帶有圖7所示結(jié)構(gòu)界面的端板，但是本發(fā)明還允許所構(gòu)建的端板及相應(yīng)外殼可以具有此處所描述和/或例舉的界面結(jié)構(gòu)，以及圖5和圖6例舉和描述的集成外殼結(jié)構(gòu)。同樣地，應(yīng)該理解根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的裝置可以具有此處討論的、描述的和/和引用的任何的蓋體構(gòu)造、界面構(gòu)造、保持結(jié)構(gòu)構(gòu)造、分離組件構(gòu)造、流量調(diào)節(jié)和/或耦合構(gòu)造、密封元件構(gòu)造和端口構(gòu)造。同樣地。盡管下述端板結(jié)構(gòu)以圓形周邊示出，但是本發(fā)明范圍還包括，端板的周邊結(jié)構(gòu)可以是其它任何幾何形狀，包括弓形、直線形和角形，以及這些形狀的結(jié)合。
正如所討論的，裝置10和蓋體12的尺寸也可以變化。例如，為覆蓋管狀分離膜而設(shè)計(jì)的蓋體可以比為覆蓋平面狀分離膜而設(shè)計(jì)的蓋體長(即端板間的距離較大)，從而有相當(dāng)數(shù)量的薄膜面暴露于混合氣流中(即具有相同數(shù)量的有效薄膜表面區(qū)域)。同樣地，覆蓋平面形分離膜的蓋體可以比覆蓋管狀分離膜的蓋體寬(即平行于端板的橫截面可以寬些)。但是應(yīng)該理解，這兩種關(guān)系不是必須的，裝置和/或蓋體的特定尺寸可以變化。影響蓋體特定尺寸的因素包括被覆蓋分離組件的類型和尺寸、裝置使用時(shí)的操作參數(shù)、混合氣流24的流速、器件的形狀和結(jié)構(gòu)，其中器件的示例包括加熱元件、燃料處理器和裝置與之或在內(nèi)一起使用的類似器件，而且在一定程度上取決于使用者的喜好。
如前所述，氫氣凈化裝置可以在高溫和/或高壓下操作。這兩種操作參數(shù)可以影響蓋體12和裝置的其它構(gòu)件的設(shè)計(jì)。例如，一個(gè)在超過環(huán)境溫度的選定操作溫度下工作的氫氣純化裝置10，例如一個(gè)在400℃下操作的裝置。首要的是，包括蓋體12和分離組件20的裝置必須由一種能夠經(jīng)受的住選定操作溫度的材料來構(gòu)造，這種材料尤其是要能承受長周期和/或重復(fù)加熱和冷卻的循環(huán)。同樣地，暴露于氣流的較為理想的材料不能是活性的，或至少不會(huì)與氣體發(fā)生有害反應(yīng)。一種合適材料的示例是不銹鋼，如304型不銹鋼，盡管也可以使用其它種類的材料。
除了上述熱穩(wěn)定性和反應(yīng)穩(wěn)定性，在一選定高溫下操作裝置10還要求一個(gè)或多個(gè)加熱元件42將裝置加熱至選定的操作溫度。當(dāng)裝置由停止?fàn)顟B(tài)或未加熱狀態(tài)開始操作時(shí)，將有一個(gè)啟動(dòng)期或預(yù)熱期，在此階段裝置被加熱至選定的操作溫度。在此階段期間，裝置產(chǎn)出包含一種超過可接受水平的其它氣體的富氫氣流，與副產(chǎn)物流相比有較低流速的富氫氣流(這意味著較大比例氫氣被消耗為副產(chǎn)物而不是產(chǎn)物)，或甚至根本不產(chǎn)生富氫氣流。除了加熱裝置所需的時(shí)間，還必須考慮加熱裝置至選定溫度所需要的熱量或熱能。加熱組件可以增加操作成本、材料成本和/或裝置的設(shè)備成本。例如，一個(gè)簡化的端板60是一種具有均勻厚度的相關(guān)厚板。事實(shí)上，具有0.5″或0.75in均勻厚度的304型不銹鋼鋼板能有效承受裝置10的操作溫度和條件。但是，這些鋼板的尺寸為裝置10增加了相當(dāng)可觀的重量，許多實(shí)施例要求可觀的熱能加熱裝置至所選定的操作溫度。此處所用的術(shù)語“均勻厚度”是指具有固定或至少大致固定厚度的裝置，包括那些度厚度沿其長度偏離少許的裝置(低于5％)。相比較而言，此處所用的“可變厚度”是指變化至少10％的厚度，在一些實(shí)施例中，至少25％、40％或50％。
裝置10操作時(shí)的壓力還影響裝置10的設(shè)計(jì)，包括蓋體12和分離組件20的設(shè)計(jì)。例如在175psi的選定壓力下操作的裝置，構(gòu)建的裝置10必須能夠承受選定壓力下操作時(shí)遇到的壓力。該強(qiáng)度要求不僅因影響蓋體12的構(gòu)件間形成的密封性，而且影響傳輸至元件自身的壓力。例如，端板和/或外殼的偏差或其它變形可能引起分離室18內(nèi)的氣體由蓋體中泄漏。同樣地，該裝置的元件的偏差和/或變形也可能引起兩種或多種氣流24、34和36的無意混合。例如，當(dāng)裝置10在操作參數(shù)下使用時(shí)，一個(gè)端板可能發(fā)生塑性變形或彈性變形。塑性變形導(dǎo)致端板的永久變形，其缺點(diǎn)顯而易見。但是，彈性變形也損害裝置的操作，因?yàn)檫@種變形會(huì)導(dǎo)致內(nèi)室和/或外室的滲漏。更具體地講，端板或蓋體的其它構(gòu)件的變形可能使得氣體穿過之前存在的流體密封區(qū)。正如所討論的，裝置10包括墊圈或其它密封元件以降低這些封口泄漏的趨勢(shì)，但是墊圈有限定的大小，以能有效阻止和限制相對(duì)面之間的泄漏。例如，內(nèi)部泄漏可能會(huì)發(fā)生在包括一個(gè)或多個(gè)壓縮在端板之間的薄膜封套或薄膜板(有或沒有墊圈)的實(shí)施例中。當(dāng)端板變形或互相偏離時(shí)，那些區(qū)域的端板和/或墊圈不會(huì)處于與變形之前相同的張力或壓縮力之下。墊圈或墊圈板可以位于薄膜封套和鄰近的進(jìn)料板、端板和/或其它鄰近的薄膜封套之間。同樣地，墊圈或墊圈板還可以位于一個(gè)薄膜封套中，以能阻止薄膜的泄漏。
由上述可以看出，關(guān)于裝置10有兩個(gè)或三個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性因素是有影響的。關(guān)于蓋體12，對(duì)蓋體的加熱要求隨著制作蓋體材料的厚度增加而提高。在一定程度上，所用材料越厚要求蓋體的強(qiáng)度就越高，但是對(duì)加熱和材料的要求也要提高。在一些實(shí)施例中，與一個(gè)較薄的蓋體相比較，實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生被傳輸較大壓力的區(qū)域。對(duì)端板的監(jiān)測(cè)范圍包括端板的偏差，尤其是形成界面94的周邊區(qū)的偏差，以及傳輸至端板的壓力。
舉例如一種304型不銹鋼形成的均勻厚度為0.75英寸的圓形端板。這樣的端板重7.5磅。包含這種端板的氫氣凈化裝置暴露于400℃和175psi的操作參數(shù)下。25900psi的最大壓力施加于端板，最大偏差為0.0042英寸，周邊區(qū)90的偏差為0.0025英寸。
依照本發(fā)明構(gòu)造的另一個(gè)端板60示于圖11和圖12的120。如圖所示，端板120有內(nèi)表面122和外表面124。內(nèi)表面122包括中央部分96和周邊區(qū)90。外表面124有一個(gè)中央部分126和一個(gè)周邊區(qū)128。在圖示的實(shí)施例中，端板120有一個(gè)延伸在內(nèi)外表面的周邊區(qū)90和128之間的周邊130。如上所述，周邊區(qū)90的結(jié)構(gòu)可以如同以上例舉或描述的結(jié)構(gòu)，包括一種結(jié)構(gòu)，其中密封區(qū)至少部分或完全順著周邊130。例舉的實(shí)施例中，周邊130的結(jié)構(gòu)為圓形。但是，本發(fā)明范圍還允許該形狀可以隨意變化，如可以包括直線形和其它弓形、幾何形、線性和/或有角結(jié)構(gòu)。
但是，不同于前述例舉的端板，該端板中央部分的內(nèi)外表面間的厚度可以變化，圖12最能說明問題。不同于均勻的板料，板120的外表面有一個(gè)中央部分126，該中央部分有一個(gè)延伸進(jìn)端板并且一般朝向內(nèi)表面122的中央部分96的外部腔體，或移去的區(qū)域132。換一種說法就是，端板有一個(gè)非平面狀外表面，更具體而言，一個(gè)外表面，其中至少一部分中央部分延伸至端板內(nèi)表面的相應(yīng)中央部分的。與具有相似結(jié)構(gòu)但并不包括區(qū)域132的端板相比較，區(qū)域132減少這種端板的總重量。正如此處所用的，移去區(qū)域132不包括完全穿過端板的端口或其它孔。相反，區(qū)域132延伸進(jìn)但并不穿過端板。
重量的減少意味著包括該端板的氫氣純化裝置10比包括一個(gè)類似結(jié)構(gòu)但沒有區(qū)域132的端板的純化裝置要輕些。重量的減小還伴隨著必須施加于端板以加熱端板至選定的操作溫度的熱量(熱能)的減少。在圖示實(shí)施例中，區(qū)域132還增加了外表面124的表面積。與相應(yīng)的端板相比較，表面積的增加可以增加，但并不是在所有實(shí)施例中必須增加，端板表面的換熱，然后降低含有端板120的裝置的加熱要求和/或時(shí)間。
在一些實(shí)施例中，端板120可以有一個(gè)空穴，該空穴對(duì)應(yīng)著或包括一個(gè)具有類似結(jié)構(gòu)的但不帶有空穴的端板上的最大壓力區(qū)域。所以，當(dāng)暴露與相同的操作參數(shù)和條件下時(shí)，傳輸至端板120的比不帶有區(qū)域132的實(shí)心端板的壓力低些。例如，在厚度均勻的實(shí)心端板中，最大壓力區(qū)域是端板120中被移去的區(qū)域132所占有的部分之內(nèi)。因此，既然可能被傳輸至端板的最大壓力的區(qū)域被移去，帶有區(qū)域132的端板還可以額外地或交替地具有一個(gè)壓力消除結(jié)構(gòu)134。
為了作比較，例舉一個(gè)有圖11和圖12所示結(jié)構(gòu)的端板120，其由304型不銹鋼制成，直徑6.5英寸。這種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的最大端板厚度為0.75英寸，移去區(qū)域132長度和寬度為3英寸。當(dāng)使用在400℃和175psi下操作的裝置10，傳輸給端板120的最大壓力為36000psi，最大偏差為0.0078英寸，周邊區(qū)90的偏差為0.0055英寸，重量為5.7磅。應(yīng)該理解，上述的尺寸和性能提供了根據(jù)本發(fā)明的端板的重量、壓力和偏差結(jié)合的示范性例子，本發(fā)明范圍還允許特定的周邊形狀、結(jié)構(gòu)材料、周邊尺寸、厚度、移去區(qū)域形狀、移去區(qū)域深度和移去區(qū)域周邊都可以變化。
圖11中可以看到，區(qū)域132(和/或壓力消除結(jié)構(gòu)134)通常為方形或直線形結(jié)構(gòu)，且橫越表面122和124。正如所述，本發(fā)明范圍還包括其它幾何形狀和尺寸。為了說明這一點(diǎn)，圖13～16中的120’和120”示出了端板120的變化。這些圖中示出的區(qū)域132有一個(gè)圓形周邊，圖13和14中區(qū)域的尺寸比圖15和16中的小些。
為了比較，例舉一個(gè)端板120，其結(jié)構(gòu)如圖13和14中所示，其結(jié)構(gòu)材料、周邊和厚度與圖11和12中所示的相同。但是，不同于圖11和12中一般方形的移去區(qū)域，端板120’的移去區(qū)域帶有一基本圓形周邊，直徑為3.25英寸。端板120’的重量等于端板120的重量，但是最大壓力和偏差較小些。更具體些，在上述端板120的操作參數(shù)中，端板120的最大壓力大于35,000psi，而端板120’的最大壓力小于30,000psi，在例舉的結(jié)構(gòu)中最大壓力壓力小于25,000psi。實(shí)際上，與端板120相比，端板120’的最大壓力大約降低35％。端板120’最大偏差和周邊區(qū)域偏差也比端板120小，其最大偏差為0.007英寸，周邊區(qū)90測(cè)量的偏差為0.0050英寸。
圖15和圖16示出的端板120”類似于端板120’，除了區(qū)域132(和/或結(jié)構(gòu)134)的直徑為3.75英寸而不是3.25英寸。移去區(qū)域尺寸的變化使端板重量降低至5.3磅，并形成相同的最大偏差。端板120”最大壓力小于25,000psi，盡管比端板120’約大于5％(24,700psi，與23,500psi相比較)。在周邊區(qū)90處，端板120″最大偏差為0.0068英寸。
圖13～16示出的是端口結(jié)構(gòu)。圖13和14中的虛線表示的是端口138，由內(nèi)表面122延伸出，穿過端板，再至外表面124。所以，這樣的結(jié)構(gòu)中氣流通過裝置10的端板的外表面被輸送或被排出。此結(jié)構(gòu)中，流體導(dǎo)管和/或流量調(diào)節(jié)和/或耦合結(jié)構(gòu)70一般由端板的外表面124突出。另一個(gè)適當(dāng)結(jié)構(gòu)示于圖15和16的虛線表示的140。如圖所示，端口140由端板的內(nèi)表面延伸出，然后穿過周邊130，而不是穿過外表面124。所以，端口140使得氣體由端板的周邊而不是端板的外表面被輸送或被排出。應(yīng)該理解，端口64～68可以具有端口138和140例舉的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，端口64-68還可以有其它任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，包括一個(gè)伸穿外殼62或外殼的一部分的端口。為了簡便，下面描述的端板不再例舉端口，正如圖5和圖6未例舉一樣。
圖13～15中虛線還示出了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144。該結(jié)構(gòu)延伸進(jìn)分離室18，提供了支撐體，用于定位和/或排列諸如薄膜46的分離組件20。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以形成分離組件的支架52。其它實(shí)施例中，裝置包括支架而不是導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以與此處例舉的、引用的和/或描述的任何端板一起使用，而不管這種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是否示于圖中。但是，應(yīng)該理解依照本發(fā)明的氫氣純化裝置可以不帶有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144。在帶有延伸進(jìn)或伸穿分離室18的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144的裝置10的實(shí)施例中，這樣的結(jié)構(gòu)的數(shù)目可以有所變化，由一個(gè)支撐體至兩個(gè)或多個(gè)支撐體。同樣地，盡管例舉的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144為圓柱臺(tái)，其它形狀和結(jié)構(gòu)也屬于本發(fā)明范圍。
制成導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144的材料與相應(yīng)的端板材料一致。另外，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以包括一層具有不同材料的涂層或?qū)?。?dǎo)向結(jié)構(gòu)144可以與端板單獨(dú)形成，然后再附在其上，也可以與端板集成在一起。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144可以通過任何適當(dāng)機(jī)制與端板耦合，包括將導(dǎo)向結(jié)構(gòu)固定在端板內(nèi)表面，將導(dǎo)向結(jié)構(gòu)插入部分從內(nèi)表面射穿端板的孔中，或者插入完全射穿端板的孔中。在其孔完全射穿端板的實(shí)施例中(圖14中146示出)，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以隨后附加在端板上。或者，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以插入分離室18，直至分離組件被正確地排列和固定在那里，然后導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以移去，密封孔以防泄漏(例如通過焊接)。
圖17和18中150示出的是依照本發(fā)明構(gòu)建的另一個(gè)端板60。除非詳細(xì)說明，應(yīng)該理解，端板150可以有與此處示出的、描述的和/或引用的其它端板相同的元件、子元件和變化。與端板120’類似，端板150包括一個(gè)帶有移去區(qū)域132(和/或壓力消除結(jié)構(gòu)134)的外表面124，其中移去區(qū)域132有一個(gè)直徑為3.25英寸的圓形周邊。外表面124還進(jìn)一步包括一個(gè)由中央部分126延伸至周邊部分128的外部移去區(qū)域152。外部移去區(qū)域152在接近周邊130處厚度減少。在例舉的實(shí)施例中，區(qū)域152厚度一般線性地減少，盡管也可以使用其它線性或弓形變化。例如，圖19和20中的150’給出了端板150的一種改變。端板150’還包括中間移去區(qū)132和外部移去區(qū)域152，且?guī)в杏芍醒氩糠?26延伸至周邊區(qū)128的半環(huán)形結(jié)構(gòu)外表面124。為了說明區(qū)域132的尺寸可以變化(例如在包括一個(gè)外部移去區(qū)域的端板的實(shí)施例中，區(qū)域132是指中間移去區(qū))，端板150’包括一個(gè)直徑為3英寸的中間移去區(qū)域。
為了比較，端板150和150’的重量與端板120、120’和120”的重量相比較都有所減少。端板150重4.7磅，端板150’重5.1磅。當(dāng)處在上述操作參數(shù)下時(shí)(400℃和175psi)，端板150和150’的最大壓力為25,000psi或更小些，端板150’的壓力比端板150的壓力低5％(23,750psi與25000psi相比)。端板各自的最大的偏差為0.0098英寸和0.008英寸，每個(gè)周邊區(qū)90的偏差為0.0061英寸和0.0059英寸。
圖21～24的160示出的是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的另一種端板60。除非加以詳細(xì)說明，端板160可以有與此處例舉的、描述的和/或引用的其它端板相同的元件、子元件和變化。端板160可以被認(rèn)為是桁架式端板，因?yàn)樗ㄒ粋€(gè)由端板的外表面124延伸出的桁架組件162。如圖所示，端板160有一個(gè)基本平面結(jié)構(gòu)的基板164，類似于圖2～5所示的端板。但是，桁架組件162可以使得基板可以更薄些，但不是必須薄些，而仍能提供相當(dāng)?shù)臎]有降低的最大壓力和偏差。本發(fā)明范圍允許，此處所例舉的、描述的和/或引用的其它端板還可以包括桁架組件162。
桁架組件162由基板164的外表面124延伸出，并且包括多個(gè)由外表面124伸出的突肋166。圖21～24中，可以看出突肋166呈發(fā)射狀分布在表面124的周圍。圖21和23示出了九根突肋，但本發(fā)明允許桁架組件162可以帶有更多或較少的突肋。同樣地，在例舉的實(shí)施例中，突肋166可以是弓形結(jié)構(gòu)，可以包括延伸在突肋和表面124之間的凸緣168。凸緣168可以被認(rèn)為是換熱翅片，因?yàn)樗麄優(yōu)槎税逶黾恿讼喈?dāng)可觀的的換熱區(qū)。桁架組件162還可包括一個(gè)與突肋相互連接的張力環(huán)。如圖所示，張力環(huán)170一般平行延伸至基板164的表面，且有一個(gè)敞開的中央部分172。張力環(huán)170可以帶有一個(gè)閉合的或內(nèi)或外的突出的中央部分，這沒有脫離本發(fā)明。為了說明這一點(diǎn)，圖21中虛線示出了橫穿張力環(huán)170的元件174。同樣地，張力環(huán)170可以具有除了圖21～24所示環(huán)形結(jié)構(gòu)之外的其它結(jié)構(gòu)。另外，圖22中部分虛線示出的基板164表明基板可以具有不同的結(jié)構(gòu)，諸如此處所描述的、例舉的和引用的那些結(jié)構(gòu)，包括圖中虛線部分去掉所表示的結(jié)構(gòu)。
端板160還可以另外包括一個(gè)支撐體170，其以定距離與基板164的外表面124相隔開，且用于增加基板的硬度和/或強(qiáng)度。還有一種端板160，該端板包括由基板外表面伸展開的換熱結(jié)構(gòu)162，該換熱結(jié)構(gòu)包括一個(gè)與表面124定距離的隔開表面170，以使得熱流體氣流可以穿過表面之間。
桁架組件162還可以認(rèn)為是偏差消除結(jié)構(gòu)的一例，因?yàn)樗鼤?huì)降低沒有該桁架組件的基板164會(huì)出現(xiàn)的偏差。同樣地，桁架組件162還可以提供一種壓力消除結(jié)構(gòu)的另一例，因?yàn)樗鼤?huì)降低可能被傳輸給基板的最大壓力。而且，桁架組件的開放式設(shè)計(jì)在沒有明顯增加基板重量的情況下增加了基板的換熱面積。
繼續(xù)前述的端板間的比較，端板160處于與前述端板相同的操作參數(shù)。傳輸至基板164的最大壓力為10,000psi或更低些。同樣地，基板的最大偏差僅為0.0061英寸，周邊區(qū)域90的偏差為0.0056英寸。應(yīng)該注意到，基板160的最大壓力有相當(dāng)?shù)慕档?，而其重量卻僅為3.3磅。同樣地，基板164有較小的最大偏差，可觀的或減小的周邊偏差有0.25英寸厚的基板。當(dāng)然，基板160可以厚些，但是，在其使用的操作參數(shù)下，已證明其足夠強(qiáng)和足夠硬。
正如所述，蓋體12可以包括一對(duì)端板60和一個(gè)周邊外殼。圖25中的180說明了一例帶有一對(duì)端板160的蓋體12。盡管蓋體180包括一對(duì)桁架固定的端板160，但是本發(fā)明范圍還包括蓋體的端板可以具有不同結(jié)構(gòu)和/或外形。實(shí)際上，在一些操作環(huán)境中，帶有兩種類型端板的蓋體12是有優(yōu)勢(shì)的。在其它操作環(huán)境中，有相同結(jié)構(gòu)的端板是有優(yōu)勢(shì)的。
圖26和27中的190示出了蓋體12的另一例，并且包括端板120。端板120的結(jié)構(gòu)類似于圖13～16所示，除了示出的移去區(qū)域132的直徑為4英寸，這進(jìn)一步說明本發(fā)明范圍允許移去區(qū)域的形狀和尺寸可以有所變化。兩個(gè)端板都包括有由此整體延伸出的外殼部分63，這證明此處例舉的、描述的和/或引用的任何端板都可以包括由此整體延伸出的外殼部分63。為了說明此處所描述的、例舉和/或引用的端板還可以包括桁架組件162(或換熱結(jié)構(gòu))和/或突出支撐體170或偏差消除結(jié)構(gòu)，圖示的元件194由端板的外表面124以定距離與移去區(qū)域132隔開。
本發(fā)明范圍包括，蓋體12可以包括伸進(jìn)分離室18的壓力和/或偏差消除結(jié)構(gòu)，與伸出端板外表面的相應(yīng)結(jié)構(gòu)相對(duì)著或之外的。圖28～30中的端板60是這些結(jié)構(gòu)的示例。例如圖28中，端板60包括一個(gè)由端板內(nèi)表面122伸進(jìn)端板的移去區(qū)域132。應(yīng)該理解，關(guān)于由基板的外表面伸出的移去區(qū)域，區(qū)域132可以具有此處描述的、例舉的和/或引用的任何結(jié)構(gòu)。同樣地，圖28中的虛線表示的170支撐體穿過區(qū)域132，并為端板提供附加的支撐和/或硬度。圖29中，端板60包括內(nèi)支撐體196，其伸進(jìn)分離室18，使得端板與分離室另一端的端板相互連接。正如所述，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)144可以形成這樣一種支撐體。圖30中示出了一個(gè)內(nèi)部突出桁架組件162。
盡管本發(fā)明沒有要求或?qū)Ρ景l(fā)明不關(guān)鍵，但在一些實(shí)施例中，與暴露在相同的操作參數(shù)中且由與端板60相同材料的具有均勻厚度的實(shí)心板坯制成的端板60相比較，裝置10包括的端板60至少具有以下性能之一或這些性能的綜合一個(gè)突出桁架組件；一個(gè)內(nèi)部突出支撐體；一個(gè)外部突出支撐體；一個(gè)外部移去區(qū)域；一個(gè)內(nèi)部移去區(qū)域；一個(gè)內(nèi)殼部分；一個(gè)內(nèi)殼；一個(gè)降低的質(zhì)量和減小的最大壓力；一個(gè)降低的質(zhì)量和減小的最大偏差；一個(gè)降低的質(zhì)量和減小的周邊偏差；
一個(gè)降低的質(zhì)量和增加的換熱面積；一個(gè)降低的質(zhì)量和內(nèi)部突出支撐體；一個(gè)降低的質(zhì)量和外部突出支撐體；一個(gè)減小的最大壓力和減小的最大偏差；一個(gè)減小的最大壓力和減小的周邊偏差；一個(gè)減小的最大壓力和增加的換熱面積；一個(gè)減小的最大壓力和一個(gè)突出桁架組件；一個(gè)減小最大壓力和一個(gè)移去區(qū)域；一個(gè)減小的最大偏差和減小周邊偏差；一個(gè)減小的最大偏差和增加的換熱面積；一個(gè)減小的周邊偏差和增加的換熱面積；一個(gè)減小的周邊偏差和一個(gè)突出的桁架組件；一個(gè)減小的周邊偏差和一個(gè)移去區(qū)域；一個(gè)小于1500lb/psi的質(zhì)量/最大偏差比；一個(gè)小于1000lb/psi的質(zhì)量/最大偏差比；一個(gè)小于750lb/psi的質(zhì)量/最大偏差比；一個(gè)小于500lb/psi的質(zhì)量/最大偏差比；一個(gè)小于2000lb/psi的質(zhì)量/周邊偏差比；一個(gè)小于1500lb/psi的質(zhì)量/周邊偏差比；一個(gè)小于1000lb/psi的質(zhì)量/周邊偏差比；一個(gè)小于800lb/psi的質(zhì)量/周邊偏差比；一個(gè)小于600lb/psi的質(zhì)量/周邊偏差比；
一個(gè)至少是6in2/磅的橫截面積/質(zhì)量比；一個(gè)至少是7in2/磅的橫截面積/質(zhì)量比；和/或一個(gè)至少是10in2/磅的橫截面積/質(zhì)量比。
正如所討論的，蓋體12包括一個(gè)覆蓋著分離組件20的內(nèi)室18，分離組件是諸如由一個(gè)適當(dāng)支架52支撐在蓋體內(nèi)的一種或多種分離膜46。圖2和圖4中的示例中，分離膜46可以是獨(dú)立的平面型薄膜或管狀薄膜。本發(fā)明還允許薄膜成對(duì)排列，在其間形成穿透區(qū)32。這樣的結(jié)構(gòu)中，薄膜對(duì)可以被看作是一個(gè)薄膜封套，因?yàn)檠由煸谄溟g的收獲導(dǎo)管或氣流通道界定了穿透區(qū)32，通過它可以收集富氫氣流34。
圖31中的200是薄膜封套的一個(gè)示例。應(yīng)該理解，薄膜對(duì)可以采取多種適當(dāng)?shù)男螤?，例如平面狀和管狀。同樣地，例如在一個(gè)端板中或圍繞中央通道周圍，薄膜可以被獨(dú)立支撐。為了說明問題，下面的描述和附帶簡圖描述的分離組件包括一種或多種薄膜封套200。應(yīng)該理解，形成封套的薄膜可以是兩個(gè)分離的薄膜，或者是一個(gè)折疊的、碾壓的薄膜，或是一個(gè)其結(jié)構(gòu)可被設(shè)計(jì)為能界定兩個(gè)帶有穿透區(qū)50的薄膜區(qū)或表面202的薄膜，其中穿透區(qū)互相面對(duì)，在其之間形成一個(gè)可收集或排出富氫氣流導(dǎo)管204。導(dǎo)管204自身可以形成穿透區(qū)32，或者根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)裝置10包括多個(gè)薄膜封套200和相應(yīng)的導(dǎo)管204以共同形成穿透區(qū)32。
為了使得薄膜能承受高原料氣壓，使用了支撐體54。支撐體54應(yīng)該能使透過薄膜46的氣體流過。支撐體54包括表面211，薄膜的穿透面50靠著它被支撐著。在形成薄膜封套的一對(duì)薄膜空間中，支撐體54也可界定形成收獲導(dǎo)管204。導(dǎo)管204中，穿透氣體可以橫越且平行于氣體穿過的薄膜表面，如圖31所示。至少是實(shí)質(zhì)純氫氣體的穿透氣體可以被由薄膜封套中獲取或由被排出，形成富氫氣流34。因?yàn)楸∧け硨?duì)著支撐體，所以理想的是，支撐體不會(huì)阻礙氣流穿過氫氣選擇性薄膜。未通過薄膜的氣體形成一支或多支副產(chǎn)物流36，如圖31所示。
圖32給出的是薄膜封套200的適當(dāng)結(jié)構(gòu)的支撐體54的一種篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210的示例。篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210包括多個(gè)篩網(wǎng)元件212。圖中所示的實(shí)施例中，篩網(wǎng)元件包括一個(gè)夾在細(xì)篩網(wǎng)216之間的粗篩網(wǎng)214。應(yīng)該理解，術(shù)語“細(xì)”和“粗”是有相對(duì)性的。較理想的是，所選的支撐薄膜46的外部篩網(wǎng)元件不會(huì)刺穿薄膜且不帶有在裝置10的操作條件下可能刺穿、削弱或損壞薄膜的孔、邊或其它突出物。因?yàn)楹Y網(wǎng)結(jié)構(gòu)需要能使穿透氣體平行于薄膜流動(dòng)，所以更為合適的是，利用一個(gè)相對(duì)較粗的內(nèi)篩網(wǎng)元件以提供提高的、或擴(kuò)大的平行的流動(dòng)導(dǎo)管。換句話說，細(xì)篩網(wǎng)能為薄膜提供更好的保護(hù)，而粗篩網(wǎng)能提供更好的平行于薄膜的流程。在一些實(shí)施例中，所選粗篩網(wǎng)可以比細(xì)篩網(wǎng)更堅(jiān)硬或更不易變形。
篩網(wǎng)元件可以具有相似或相同的結(jié)構(gòu)，其數(shù)量可以多于或少于圖32所示的。較為理想的是，支撐體54由一種抗腐蝕材料形成，它不會(huì)影響氫氣純化裝置和與裝置10一起使用的其它裝置的運(yùn)行。制作金屬篩網(wǎng)的合適材料包括不銹鋼、鈦及其合金、鋯及其合金、抗腐蝕合金，包括諸如800HTM的InconelTM合金，HastelloyTM合金，諸如MonelTM的銅鎳合金。HastelloyTM和InconelTM合金是鎳基合金。InconelTM合金一般包含鎳用鉻和鐵合金化。MonelTM合金一般是鎳、銅、鐵和錳的合金。支撐體54結(jié)構(gòu)的其它示例包括多孔陶瓷、多孔碳、多孔金屬、陶瓷泡沫、碳泡沫和金屬泡沫，他們可以單獨(dú)制成，也可以與一個(gè)或多個(gè)篩網(wǎng)元件212結(jié)合制成。另一例，部分或所有篩網(wǎng)元件可以由網(wǎng)狀金屬替代織網(wǎng)材料而制成。
在薄膜封套的制備中，可以用粘合劑將薄膜46固定至篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)和/或?qū)⒑Y網(wǎng)結(jié)構(gòu)210的構(gòu)件固定在一起，正如上述引用的申請(qǐng)?zhí)枮?9/812,499的美國專利詳細(xì)描述的。為了例證，圖32中虛線218示出了這種粘結(jié)劑。3M銷售的商標(biāo)為SUPER 77是一種合適的粘結(jié)劑的示例。一般而言，制作薄膜封套之后，如果不完全去掉粘結(jié)劑，至少應(yīng)該大致去掉粘結(jié)劑，以不致干擾薄膜封套的穿透性、選擇性和流體通道。將粘結(jié)劑由薄膜和/或篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)或其它支撐體去除的適當(dāng)方法的一個(gè)例子是在裝置10開始操作前將其暴露于氧化條件下。氧化條件的目的是在不過分氧化鈀合金薄膜情況下燃燒粘結(jié)劑。這樣氧化的一種適當(dāng)工藝過程披露于上面所引用的專利申請(qǐng)中。
包括篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210的支撐體54包括與薄膜46結(jié)合的表面71上的一涂層219，如圖32中點(diǎn)劃線所示。適當(dāng)涂層的示例包括氧化鋁、碳化鎢、氮化鎢、碳化鈦、氮化鈦和這些化合物的混合物。該涂層通常的特征是在氫氣存在的分解作用中有熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。適當(dāng)?shù)耐繉邮怯芍T如氧化物、氮化物、碳化物或金屬間化合物制成，他們可應(yīng)用于涂層，在氫氣純化裝置的運(yùn)作的操作參數(shù)下(溫度、壓力等)，氫氣存在的分解作用中有熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。將該涂層系施加到篩網(wǎng)或金屬篩網(wǎng)元件適當(dāng)方法包括化學(xué)氣相沉積法、濺射法、熱蒸發(fā)、熱噴鍍以及至少對(duì)于氧化鋁的形成應(yīng)采用金屬沉積(例如鋁)之后氧化金屬，以形成氧化鋁。至少在一些實(shí)施例中，涂層可以阻止氫氣選擇性薄膜和篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)之間金屬間化合物的擴(kuò)散。
此處描述的、例舉的和/或引用的氫氣純化裝置10可包括一個(gè)或多個(gè)薄膜封套200，一般還帶有輸送混合氣流以及排出富氫氣流和副產(chǎn)物流的適當(dāng)入口和出口。在一些實(shí)施例中，裝置包括多個(gè)薄膜封套。當(dāng)分離組件包括多個(gè)薄膜封套時(shí)，它可以包括與薄膜封套相互連接的流體導(dǎo)管，例如將一支混合氣流輸送至此，將富氫氣流由此排出，和/或排出不由混合氣區(qū)30穿過薄膜的氣體。當(dāng)裝置包括多個(gè)薄膜封套時(shí)，穿透氣流、副產(chǎn)物流或兩者都由第一薄膜封套被輸送至另一薄膜封套以進(jìn)一步凈化。封套或多個(gè)封套和附加端口、支撐體、導(dǎo)管和類似元件可以認(rèn)為是一薄膜模制物220。
一種特殊裝置10使用的薄膜封套200的數(shù)量在一定程度上決定于混合氣流24的原料流速。例如，含有4個(gè)薄膜封套200的薄膜模制物220已證明能有效地將混合氣流以流速20升/分鐘的流速傳輸至裝置10。隨著流速的增加，薄膜封套數(shù)量也要增加，如一種通常的線性關(guān)系增加。例如，用以接受混合氣流24的裝置10以30升/分鐘的流速最好應(yīng)包括6個(gè)薄膜封套。但是，這些實(shí)例中薄膜封套數(shù)量僅是例舉而已，也可以使用更多數(shù)或較少數(shù)的薄膜封套。影響所使薄膜封套數(shù)量的因素包括穿過薄膜封套的氫氣流量、薄膜的有效表面積、混合氣流24的流速、富氫氣流34的所需純度、由混合氣流24中排出氫氣的所需效率、使用者的喜好、裝置10和分離室18的可用尺度等。
較為理想的但不是必須的是，合并在一個(gè)薄膜封套200中的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)和薄膜包括用于密封、支撐和/或連接薄膜封套的框架組件230或框架板。圖33中給出了一種適當(dāng)框架組件230的一個(gè)示例。如圖所示，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)以穿透框架232的形式裝配在框架組件230內(nèi)。篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)和框架232可一起被稱為是一個(gè)篩網(wǎng)板或穿透板234。當(dāng)篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210包括網(wǎng)狀金屬元件時(shí)，網(wǎng)狀金屬篩網(wǎng)元件可裝配在穿透框架232中或至少部分延伸在框架表面?？蚣芙M件230的其它例子包括支撐框架、輸氣板和/或墊圈。在含有兩個(gè)或多個(gè)薄膜封套的分離組件20的實(shí)施例中，這些框架、墊圈或其它支撐結(jié)構(gòu)可以形成，至少部分形成，與的薄膜封套相互連接的流體導(dǎo)管。適當(dāng)墊圈的例子是靈活的石墨墊圈，包括Union Carbide銷售的商標(biāo)為GRAFOILTM的墊圈，盡管也可以使用其它材料，例如這可以根據(jù)裝置10使用時(shí)操作條件而定。
繼續(xù)上述的框架組件230示例，較為理想但不是必須用另一種粘結(jié)劑將穿透墊圈236和236’附在穿透框架232上。然后，應(yīng)用薄薄的一種粘結(jié)劑將薄膜46撐于篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210上和/或黏附在篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210上，例如可以通過濺射法或?qū)⒄辰Y(jié)劑施加在單個(gè)薄膜或兩個(gè)薄膜和/或篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)上。應(yīng)該注意，薄膜是扁平的，能夠牢固附著在相應(yīng)的篩網(wǎng)元件212上?？赏ㄟ^諸如使用一種粘結(jié)劑的使用，將輸氣板或墊圈238和238’任選性地附在墊圈236和236’上。最終的薄膜封套200置于分離室18內(nèi)，例如可通過適當(dāng)支架52達(dá)到目的。兩個(gè)或多個(gè)薄膜封套可任選性地堆積在或支撐在分離室18內(nèi)。
如圖34所示的另一例，每個(gè)膜元件46可以固定在諸如金屬框架240的框架組件230上。假如這樣的話，通過例如超聲焊接或另一種適合附加機(jī)制，將薄膜固定在框架上。薄膜-框架組件可以使用，但不是必須使用，粘結(jié)劑附加在篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210上。在形成薄膜封套200的板之間以及薄膜封套之間獲得氣密封接的附加機(jī)制的其它示例包括一種或多種銅焊、襯墊和焊接。薄膜和其黏附的框架一起被稱為薄膜板242。本發(fā)明范圍包括，此處討論的多種框架不需要由相同的材料和/或諸如相同厚度的尺度制成。例如，穿透框架和輸氣框架可以由不銹鋼或另一種適合的結(jié)構(gòu)元件制成，而薄膜板可以由不同材料制成，例如銅、銅合金以及其它上述引用專利和申請(qǐng)中討論的其它材料。另外，薄膜板可以但不是必須比輸氣板和/或穿透板薄。
為了說明，針對(duì)于圖33中的薄膜封套200，描述了一種穿過薄膜封套200的具有適當(dāng)幾何形狀的流體。如圖所示，混合氣流24被輸送至薄膜封套，并且與薄膜封套46的外表面50接觸。透過薄膜的富氫氣流進(jìn)入收獲導(dǎo)管204。收獲導(dǎo)管與導(dǎo)管250保持流動(dòng)性連接關(guān)系，其中穿透氣流可通過導(dǎo)管250被排出薄膜封套外的。沒有通過薄膜的那部分混合氣流流至導(dǎo)管252，通過導(dǎo)管252該氣體可以作為副產(chǎn)物流36被排出去。圖33示出了一個(gè)副產(chǎn)物導(dǎo)管252，而圖34示出了一對(duì)導(dǎo)管252，以說明該處描述的任何導(dǎo)管都可以包括一個(gè)以上的流體通道。應(yīng)該理解，箭頭表示的是氣流34和36流動(dòng)，流經(jīng)導(dǎo)管250和252的方向可以有所變化，例如其可以取決定于一個(gè)特定薄膜封套200、模制物220和/或裝置10的結(jié)構(gòu)。
圖35示出了一個(gè)適當(dāng)薄膜封套200的示例。為了以圖說明端板60和62可以有不同的結(jié)構(gòu)，圖示的薄膜封套200為矩形結(jié)構(gòu)。圖35中的薄膜封套也提供了另一例具有一對(duì)副產(chǎn)物導(dǎo)管252和一對(duì)氫氣導(dǎo)管250的薄膜封套。如圖所示，薄膜封套200包括輸氣口、或分離器和作為薄膜封套中外框架的板238。一般而言，每個(gè)板238包括一個(gè)界定內(nèi)部敞開區(qū)域262的框架260。每個(gè)內(nèi)部敞開區(qū)域262與導(dǎo)管252橫向結(jié)合。但是，導(dǎo)管250相對(duì)于開區(qū)域262是閉合的，由此隔離富氫氣流34。薄膜板242毗鄰于板238且位于板238的內(nèi)部。每個(gè)薄膜板242的中間部分包括固定在外框架240上的氫氣選擇性薄膜。如圖例所示，板242中所有的導(dǎo)管對(duì)于薄膜46都是閉合的。每個(gè)薄膜鄰近于一個(gè)相應(yīng)的敞開區(qū)域262，即鄰近于達(dá)到薄膜封套的流動(dòng)混合氣流。這就為氫氣穿過薄膜提供了機(jī)會(huì)，且?guī)в蟹谴┩笟怏w，即形成副產(chǎn)物流36的氣體，穿過導(dǎo)管252，離開敞開區(qū)域262。篩網(wǎng)板234置于薄膜46和/或薄膜板242的中間，即在每個(gè)薄膜46的內(nèi)部或穿透?jìng)?cè)。篩網(wǎng)板234包括一個(gè)網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)210或另一個(gè)適當(dāng)?shù)闹误w54。導(dǎo)管252對(duì)于篩網(wǎng)板234的中央部分是閉合的，由此，將副產(chǎn)物流36和混合氣流24與富氫氣流34隔離開。導(dǎo)管250對(duì)于篩網(wǎng)板234的中央部分是敞開的。通過鄰近薄膜46的氫氣穿過篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210至導(dǎo)管250，并最終至輸出口，形成富氫氣流34。
正如所述，裝置10可以包括一個(gè)帶有外殼62的薄膜46，多個(gè)帶有外殼62的薄膜，一個(gè)或多個(gè)帶有外殼62和/或分離組件20的薄膜封套200。圖36中，類似于圖34所示的薄膜封套200置于外殼62內(nèi)說明了這一點(diǎn)。應(yīng)該理解，薄膜封套200還可以表示含有多個(gè)薄膜封套和/或單個(gè)薄膜板242的一個(gè)薄膜模制物220。還例舉了一個(gè)具有適當(dāng)位置的導(dǎo)向裝置144。正如所述，結(jié)構(gòu)144還代表了內(nèi)部支撐體196的一例。圖36還例舉了具有適當(dāng)位置的端口64～68。為了進(jìn)一步說明依據(jù)本發(fā)明的含有端板的裝置10的薄膜板和/或薄膜封套的適當(dāng)位置，圖37和38中分別以虛線示出了薄膜板242、薄膜封套200和/或薄膜模制物220置于圖13～14和21～25所示的包括端板的裝置10中。
外殼62與端板連接，并與之形成內(nèi)室18。本發(fā)明范圍還允許外殼可以由多個(gè)相互連接的板230形成。例如，包括一個(gè)或多個(gè)薄膜封套200的薄膜模制物220可以形成外殼62，因?yàn)槊總€(gè)板的周邊區(qū)可以在之間形成一種流體密封，或至少大體流體密封的封接。圖39示出的就是這樣一種結(jié)構(gòu)，其中示出了包括三個(gè)薄膜封套200的薄膜模制物220。應(yīng)該理解，薄膜封套的數(shù)量可以變化，由單個(gè)薄膜封套，或單個(gè)薄膜板242，直至十二個(gè)或更多個(gè)。圖39中，以矩形結(jié)構(gòu)示出的端板60表示圓形結(jié)構(gòu)之外的其它結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明范圍之內(nèi)。應(yīng)該理解，圖述端板60可以具有此處所描述的、例舉的和/或引用的任何一種端板結(jié)構(gòu)。
前面已經(jīng)討論過根據(jù)本發(fā)明的氫氣純化裝置的元件的適當(dāng)構(gòu)建材料和制造方法的示例。應(yīng)該理解，這些示例不只表示唯一的、或有限的、羅列的材料和方法，本發(fā)明范圍之內(nèi)，也可使用其它方法和/或材料。例如，在上述的許多例子中，描述了理想的特性或性能為選定其它方法和/或材料提供指導(dǎo)。這種指導(dǎo)也只是提供說明性幫助，而不是描述所有實(shí)施例的實(shí)質(zhì)需求。
正如如述，在包括一個(gè)分離組件的裝置10的實(shí)施例中，其中該分離組件包括透氫膜和/或氫氣選擇性薄膜46，薄膜46的適當(dāng)材料包括鈀和鈀合金。還有，薄膜可以由框架和/或支撐體所支撐，例如前述的框架240、支撐體54和篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210。而且，通常在包括高溫和高壓的選定操作參數(shù)下操作裝置10。在這樣的應(yīng)用中，裝置一般在啟動(dòng)的或初始的操作狀態(tài)開始，其中裝置一般處于周圍溫度和壓力中，例如大氣壓力和約25℃的溫度。由這種狀態(tài)，裝置被加熱(例如由加熱元件42)和加壓(通過任何適當(dāng)機(jī)制)至選定操作參數(shù)，例如200℃的溫度或更高，以及選定操作壓力，例如50psi或更高。
加熱裝置10時(shí)，裝置的構(gòu)件會(huì)膨脹。構(gòu)件的擴(kuò)大和膨脹度很大程度上取決于制成構(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)。所以，不同的CTE使得構(gòu)件以不同的速率膨脹，所以會(huì)對(duì)一些構(gòu)件施加附加張力或壓力，和/或降低其它構(gòu)件的張力和壓力。
例如，由60wt％鈀和40wt％銅(Pd-40Cu)制成的氫氣選擇性薄膜46。這種薄膜的熱膨脹系數(shù)為14.9(μm/m)/℃。再者，薄膜被固定至一個(gè)結(jié)構(gòu)框架230或其它支架上，或者保持倚著一個(gè)支撐體54，其中撐體54由一種CTE不同于Pd-40Cu或另一種制成薄膜46的材料制成。當(dāng)將裝置10由環(huán)境狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)開始加熱時(shí)，其中在運(yùn)作的構(gòu)件會(huì)以不同速率膨脹。一般而言，裝置10在至少200℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生熱循環(huán)，還經(jīng)常在至少250℃、300℃或更高的溫度范圍內(nèi)循環(huán)。如果薄膜的CTE小于鄰近結(jié)構(gòu)構(gòu)件的CTE，那么構(gòu)件被加熱時(shí)，薄膜會(huì)趨于伸長。
除了初始的伸長，應(yīng)該考慮到氫氣純化裝置在加熱使用時(shí)一般會(huì)發(fā)生熱循環(huán)，然后不用時(shí)將其冷卻，然后再加熱，再冷卻等。在這樣的應(yīng)用中，伸長的薄膜會(huì)變皺，因?yàn)楫?dāng)薄膜和其它構(gòu)件冷卻時(shí)，薄膜會(huì)收縮至其初始結(jié)構(gòu)。
另一方面，如果薄膜的CTE大于鄰近結(jié)構(gòu)元件CTE，那么在加熱裝置期間，薄膜會(huì)收縮，該收縮會(huì)引起薄膜起皺。在冷卻階段或構(gòu)件冷卻時(shí)，薄膜會(huì)縮回至其起始結(jié)構(gòu)。
圖34是薄膜板242的示例。如果薄膜46的CTE大于框架組件230的CTE，其中框架的成分不同于薄膜46，那么當(dāng)加熱框架46，薄膜會(huì)膨脹的較快。所以，壓縮力會(huì)由框架230傳輸至薄膜，而且這些壓縮力會(huì)使薄膜起皺。相反，如果薄膜46的CTE低于框架230的CTE，那么當(dāng)加熱薄膜46時(shí)，框架膨脹的較快。如此以來，膨脹力會(huì)傳輸至薄膜，同時(shí)，框架的膨脹會(huì)盡力伸展薄膜。盡管這兩種狀態(tài)都不是理想的，但是與具有相同CTE或基本上相同CTE的框架和薄膜相比較，在一些實(shí)施例中更希望前者發(fā)生，因?yàn)樗a(chǎn)生薄膜皺紋的可能性較小些。
薄膜46的起皺現(xiàn)象會(huì)使薄膜有空洞和裂縫，尤其是沿著薄膜疲勞的起皺處。在兩個(gè)或多個(gè)皺紋相互交接處，出現(xiàn)空洞和/或裂縫的可能性會(huì)增加，因?yàn)檫@部分薄膜在至少兩個(gè)不同的方向起皺。應(yīng)該理解，空洞和裂縫消弱了薄膜的擇氫性，因?yàn)榭斩春?或裂縫不具有擇氫性，相反其允許混合氣流的任何成分通過之。在薄膜的重復(fù)熱循環(huán)期間，這些疲勞點(diǎn)或區(qū)域的尺寸趨于增長，所以進(jìn)而降低了富氫氣流或穿透氣流的純度。還應(yīng)該理解，這些皺紋可能是由與薄膜直接接觸的裝置10的一部分傳輸給薄膜的力所引起，所以裝置10的該部分被認(rèn)為是薄膜接觸部分或結(jié)構(gòu)，這些皺紋或者是由裝置中不與薄膜接觸部分引起，但當(dāng)膨脹和/或冷卻時(shí)該部分將會(huì)傳輸力至薄膜。薄膜接觸結(jié)構(gòu)的示例包括框架或其它支架52和支撐體54，薄膜固定在其上，或者如果薄膜沒有實(shí)際固定在其上或支撐在其上，但薄膜46卻與其接觸。至少在一些實(shí)施例中傳輸誘發(fā)皺紋的力給薄膜46的裝置10的部分的示例包括蓋體12和諸如一個(gè)或多個(gè)端板60和/和外殼62的部分。其它例子包括端板和薄膜的框架或其它支架之間的墊圈和分離器，在一些包括多個(gè)薄膜的裝置10的實(shí)施例中，包括毗鄰框架或薄膜的其它支撐體或支架之間的墊圈和分離器。
一種防止薄膜和鄰近構(gòu)件之間CTE不同而導(dǎo)致薄膜失效的方法是在薄膜和裝置10的任何構(gòu)件之間放置可變形的墊圈，其中裝置10的構(gòu)件與薄膜接觸，且有足夠硬度和結(jié)構(gòu)以傳輸壓縮力或張力至可能起皺的薄膜。例如圖33中薄膜46夾在輸氣板238和穿透墊圈236之間，兩者都是由可變形材料制成。在這樣的實(shí)施例中或這樣的結(jié)構(gòu)中，可變形墊圈緩沖或吸收至少很大一部分壓縮力或張力，否則這些力可能被施加至薄膜46上。
在任一個(gè)或兩個(gè)框架由不變形材料制成的實(shí)施例中(即一種彈性材料，有力施加時(shí)它可以被壓縮或膨脹，當(dāng)這些力去除時(shí)其又恢復(fù)原始結(jié)構(gòu))，當(dāng)薄膜46固定在一個(gè)板242上時(shí)，其中該板的厚度和/或成分能施加上述起皺張力或壓縮力給薄膜46，或者當(dāng)支撐體54粘合在薄膜46上時(shí)(或者固定在選定操作壓力下)，可以使用不同的方法。更確切地講，延長薄膜的壽命可以通過與制得薄膜46材料的CTE相同或相似的材料制成的裝置10的構(gòu)件達(dá)到，否則裝置10的構(gòu)件會(huì)傳輸起皺力，張力或壓縮力，至薄膜46。
例如，304型不銹鋼的CTE為17.3，316型不銹鋼的CTE為16.0。所以，304型不銹鋼的CTE比Pd-40Cu大約15％，316型不銹鋼的CTE比Pd-40Cu大約8％。這并不意味著這些材料不能被用于形成不同的支撐體、框架、板和外殼以及此處討論的類似元件。但是，在本發(fā)明的有些實(shí)施例中，希望能形成至少一些構(gòu)件，其由一種與形成薄膜46的CTE相同和相似的材料制成。更具體地講，期望其CTE與制得薄膜46的材料CTE相同，或期望一種材料，該材料的CTE在薄膜46主體材料的CTE選定范圍內(nèi)，例如±0.5％、1％、2％、5％、10％或15％。以另一種方式表述，至少在一些實(shí)施例中，期望制得薄膜接觸部分或裝置的其它元件的材料的CTE是形成薄膜46材料的CTE的±1.2、1、0.5、0.2、0.1或小于0.1μm/m/℃。具有上述成分之一和/或與薄膜46的CTE相關(guān)的CTE的材料認(rèn)為是具有本發(fā)明披露的選定CTE。
下表列出了示范例合金和他們相應(yīng)的CTE和成分。應(yīng)該理解下表列出的材料用于例證，其它材料也可被使用，包括下列材料和/或其它材料的結(jié)合，這些都不偏離發(fā)明范圍。
表1
由上述信息可以看出，諸如330型不銹鋼和Incoloy 800合金的CTE大約在Pd40Cu CTE的3％之內(nèi)，Monel 400和310S型不銹鋼的CTE比Pd40Cu的CTE小7％。
為了證明所選材料可以隨著所使薄膜CTE而變化，例舉一種制作薄膜46的熱膨脹系數(shù)為13.8μm/m/℃的材料。由上表可知，Monel和Inconel 600合金的CTE偏離或不同于薄膜CTE 0.1μm/m/℃。再舉一例，CTE為13.4μm/m/℃的薄膜。Hastelloy X的CTE符合于薄膜的CTE，Monel和Inconel 601合金的CTE大約在薄膜CTE的1％之內(nèi)。上表例舉的材料中，Hastelloy X、Incoloy 800和300型系列不銹鋼合金之外的所有合金的CTE在薄膜CTE的2％之內(nèi)，除了304型、316型和310S型不銹鋼合金的CTE之內(nèi)薄膜CTE的5％之內(nèi)。
一種其CTE與薄膜46有一定關(guān)系的材料，例如其CTE符合薄膜46CTE的選定范圍或在薄膜46CTE的選定范圍之內(nèi)，制成的裝置10的元件包括以下一個(gè)或多個(gè)元件支撐體54、篩網(wǎng)元件212、細(xì)的或外部篩網(wǎng)或網(wǎng)狀金屬元件216、內(nèi)部篩網(wǎng)元件214、薄膜框架240、穿透框架232、穿透板234和輸氣板238。通過上述內(nèi)容，應(yīng)該理解上述元件之一可以由這樣一種材料制成，上述一種以上元件可以由這樣材料制成，但是沒有要求上述元件必須由這樣一種材料制成。同樣地，薄膜46可以由Pd-40Cu之外的材料制成，所選CTE隨著薄膜46的特定成分而變化。
進(jìn)一步講，裝置10可以由一個(gè)薄膜模制物220制成，該薄膜模制物包括帶有支撐體的一個(gè)或多個(gè)薄膜封套220，該支撐體包括一種完全由CTE為選定值的材料制成的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。另一例，只有外部的、或薄膜接觸的、篩網(wǎng)元件(例如元件216)可以由一種CTE為選定值的材料制成，內(nèi)部元件由一種CTE不是選定值的材料制成。再舉一例，內(nèi)部篩網(wǎng)元件214可以由一種CTE為選定值的材料制成，薄膜接觸元件由一種CTE不是選定值的材料制成，等等。
在一些實(shí)施例中，在熱循環(huán)和CTE為選定值的材料制成的凈化裝置的其它使用期間，對(duì)于具有足夠硬度的支撐體足以能引起薄膜起皺。圖32示出的是篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)210。在圖示的實(shí)施例中，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)位于一對(duì)薄膜46之間，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括一對(duì)外部的或薄膜接觸的篩網(wǎng)元件216以及一個(gè)不接觸薄膜的內(nèi)部篩網(wǎng)元件214。一般情況下，但不是專指，外部篩網(wǎng)元件是由一種比內(nèi)部篩網(wǎng)元件硬度低且較細(xì)些的材料制成，內(nèi)部篩網(wǎng)元件的結(jié)構(gòu)一般較硬、較粗。在這樣的實(shí)施例中，內(nèi)部篩網(wǎng)元件可以由一種CTE為選定值的材料制成，例如一種像Monel的包括鎳和銅的合金，外部篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的不銹鋼制成，例如304型或316型不銹鋼。這樣的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)還可以具有一個(gè)其CTE不同于薄膜46CTE的薄膜接觸篩網(wǎng)元件，其CTE大于制成內(nèi)部篩網(wǎng)元件材料的CTE。但是，正如所述，本發(fā)明范圍還允許所有篩網(wǎng)元件可以由一種包括鎳和銅的合金制成，例如Monel，或另一種CTE為選定值的材料。
這種結(jié)構(gòu)也可用作支撐體，包括一篩網(wǎng)元件和篩網(wǎng)層，但是其只支撐一個(gè)薄膜。例如圖2中，支撐體包括一薄膜接觸層或篩網(wǎng)元件214’，214’的結(jié)構(gòu)類似于篩網(wǎng)元件214。層214’跨過至少薄膜表面的一實(shí)質(zhì)部分，但是當(dāng)凈化裝置被壓縮和使用時(shí)，其一般不會(huì)為薄膜提供足夠的支撐。支撐體還可以包括第二層或第二篩網(wǎng)元件216’，其結(jié)構(gòu)類似于篩網(wǎng)元件216，一般平行地延伸至第一層，但是與薄膜相比較，其在第一層的對(duì)面。第二層比第一層硬些，所以它提供的復(fù)合篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度或硬度以支撐使用時(shí)的薄膜。利用該結(jié)構(gòu)時(shí)，其可以(但不是必須)實(shí)施為，第二層或篩網(wǎng)元件由一種鎳和銅合金制成的，例如Monel，或另一種CTE為選定值的材料制成，以及薄膜接觸層或篩網(wǎng)元件由CTE不同于薄膜CTE的材料制成，篩網(wǎng)元件的CTE比第二層材料的CTE大些。另外，薄膜接觸層可以由一種不包括鎳和銅合金的材料制成。
示范結(jié)構(gòu)的另一例，裝置10可以包括一個(gè)支撐在蓋體端板60之間的薄膜46，且由一個(gè)或多個(gè)支架52和/或一個(gè)或多個(gè)支撐體54支撐著。支架和/或支撐體可以由一種CTE為選定值的材料制成。同樣地，至少蓋體12的一部分，例如一個(gè)或兩個(gè)端板60或外殼62，可由一種CTE為選定值的材料制成。
在有不直接與薄膜46接觸的元件的裝置10的實(shí)施例中，這些元件仍然可由一種CTE為選定值的材料制成。例如，蓋體的一部分或所有，諸如一個(gè)或兩個(gè)端板或外殼62，可以由一種包括表1列出的合金中的一種的材料制成的，其CTE與制成薄膜46的材料的CTE相關(guān)的選定值，即使這些部分不直接與薄膜46接觸。
依照本發(fā)明構(gòu)建的氫氣純化裝置10與不純氫氣源耦合或保持流體連接。這些氣源示例包括氣體存儲(chǔ)裝置，例如氫化物床和壓縮油箱。另一種氣源是將可回收氫氣的氣流產(chǎn)為副產(chǎn)物、廢氣或廢氣流的裝置。還有一種來源是燃料處理器，其在本文中被使用，它指能夠由至少含有原料的原料流中生產(chǎn)出含有氫氣的混合氣流。一般而言，氫氣會(huì)占由燃料處理器生產(chǎn)出混合氣流的主體或至少一大部分。
燃料處理器可以由不同機(jī)制生產(chǎn)混合氣流24。適當(dāng)機(jī)制的示例包括蒸汽重整和自熱重整，其中重整催化劑可用于由包括含碳進(jìn)料和水的原料流中生產(chǎn)出氫氣。其它能夠生產(chǎn)氫氣的適當(dāng)機(jī)制包括含碳進(jìn)料的高溫分解和部分催化氧化，其中原料流不含水。還有一種生產(chǎn)氫氣的適當(dāng)機(jī)制是電解，其中原料是水。適當(dāng)?shù)暮歼M(jìn)料包括至少一種碳?xì)浠衔锘虼?。合適的碳?xì)浠衔锇淄?、丙烷、天然氣、柴油、煤油、汽油和相似物。合適的醇包括甲醇、乙醇和諸如乙烯基乙二醇和丙二醇的多羥基化合物。
適于接受來自燃料處理器的混合氣流24的氫氣純化裝置10的簡圖見圖40。如圖所示，300表示燃料處理器，一個(gè)燃料處理器和一個(gè)氫氣純化裝置的結(jié)合可以被認(rèn)為是一個(gè)燃料處理系統(tǒng)302。圖42的虛線所示是一個(gè)加熱元件，正如討論的，其能夠?yàn)檠b置10提供熱量，而且可以采取各種形式。燃料處理器300可以采用任何上述討論的形式。依照本發(fā)明的氫氣純化裝置還可以接受源自燃料處理器300之外的混合氣流24。306說明的是一個(gè)氣體存儲(chǔ)裝置，以及310示出的是在生產(chǎn)不同產(chǎn)物流308的過程中能由混合氣流24生產(chǎn)出廢氣或副產(chǎn)物流的裝置。應(yīng)該理解，圖示的燃料處理器300包括任何附加的加熱元件、原料傳輸系統(tǒng)、空氣輸送系統(tǒng)、原料流或供給等。
燃料處理器常在高溫和/或高壓下操作。所以，較為理想的是氫氣純化裝置10與燃料處理器300至少部分集成，與由外部流體傳輸導(dǎo)管連接裝置10和燃料處理器300相反。圖42示出的是這樣一種結(jié)構(gòu)，其中燃料處理器包括一個(gè)外殼或外罩312，裝置10形成其的一部分和/或至少部分延伸至其中。在這樣的結(jié)構(gòu)中，燃料處理器300可以包括裝置10。將燃料處理器或其它混合氣流24的氣源與氫氣純化裝置10集成能使其以一個(gè)單元的形式更容易移動(dòng)。其還能夠通過一個(gè)共用加熱元件使得燃料處理器的元件包括裝置10被加熱，和/或如果不是所有裝置10的加熱要求但至少一些被加熱的要求通過處理器300產(chǎn)生的熱量得到滿足。
正如所討論的，燃料處理器300是能夠產(chǎn)生含有氫氣的混合氣流的任何適用裝置，較為理想的是含有很大一部分氫氣的混合氣流。為了說明問題，下面討論中描述的燃料處理器300用于接受包括含碳進(jìn)料318和水320的原料流316，如圖42所示。但是，本發(fā)明范圍還允許燃料處理器300可以采取如上所討論的其它形式，原料流316可以包含其它組分，例如只含有含碳的原料或只含有水。
原料流316可以通過任何適當(dāng)機(jī)制傳輸至燃料處理器300。圖42示出的是一支原料流316，但是應(yīng)該理解可以使用多支氣流316，這些氣流可以含有相同的或不同組分。當(dāng)含碳進(jìn)料318易溶于水時(shí)，原料一般與原料流316的水分一起被輸送，如圖42所示。當(dāng)含碳進(jìn)料不溶于水時(shí)或微溶于水時(shí)，這些組分一般以單獨(dú)的氣流被輸送至燃料處理器300，如圖42的虛線所示。圖42中，原料流316通過一個(gè)原料流輸送系統(tǒng)317被輸送至燃料處理器300。傳輸系統(tǒng)317包括任何傳輸原料流至燃料處理器300的適當(dāng)機(jī)制、裝置或其結(jié)合體。例如，傳輸系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)傳輸源自供給的氣流成分316的泵。另外，系統(tǒng)317還可包括一個(gè)閥元件以調(diào)整源自壓縮供給的組分流量。該供給可以位于燃料電池系統(tǒng)的外部，或可以包括在系統(tǒng)中或鄰近系統(tǒng)。
如圖42中312所示，燃料處理器300包括一個(gè)氫氣產(chǎn)生區(qū)，其中混合氣流24由原料流316產(chǎn)生。正如所述，氫氣產(chǎn)生區(qū)中可以利用多種不同工藝。這種工藝的一個(gè)示例即是蒸汽重整，其中區(qū)域312包括一種蒸汽重整催化劑334?；蛘?，區(qū)域312可以通過自熱重整生產(chǎn)氣流24，在這種情況下，312包括一自熱重整催化劑。對(duì)于蒸汽重整劑或自熱重整劑，混合氣流24可以認(rèn)為至一種重整氣流。較為理想的是，燃料處理器可以生產(chǎn)大致純的氫氣，甚至更為理想的是，燃料處理器可以生產(chǎn)純氫氣。對(duì)于本發(fā)明的目的而言，大致純氫氣的純度大于90％，較為理想的是純度大于95％，更為理想的是，純度大于99％，甚至更為理想的是，純度大于99.5％。美國專利6,221,117、2001年3月8號(hào)申請(qǐng)的題為“燃料處理器和系統(tǒng)以及包括該系統(tǒng)的裝置”的美國待授權(quán)專利申請(qǐng)09/802,361，2001年3月19號(hào)申請(qǐng)的題為“氫氣選擇性金屬薄膜模制物和制作該模制物的方法”的美國待授權(quán)專利申請(qǐng)09/812,499公開了適當(dāng)?shù)娜剂咸幚砥鞯氖纠?，在此引用其所有的披露作為參考?br> 如圖42中虛線所示，燃料處理器300還可以包括，但不是必須，一個(gè)精制區(qū)348。精制區(qū)348接受來自裝置10的富氫氣流34，通過降低或去除選定組分的濃度進(jìn)一步凈化氣流。圖42中，314表示最終氣流，可以是產(chǎn)物氫氣流或凈化氫氣氣流。當(dāng)燃料處理器300不包括精制區(qū)348時(shí)，富氫氣流34形成產(chǎn)物氫氣流314。例如，當(dāng)氣流34用于一個(gè)燃料電池組中時(shí)，如果有必要的話，可能損壞電池組的諸如一氧化碳和二氧化碳的組分可由富氫氣流中除去。一氧化碳的濃度應(yīng)該低于10ppm(百萬分之一)以防止控制系統(tǒng)與燃料電池組絕緣。較為理想的時(shí)，系統(tǒng)限制一氧化碳的濃度至低于5ppm，甚至更為理想的是，濃度低于1ppm。二氧化碳的濃度可以比一氧化碳濃度大，例如，小于25％二氧化碳是可以接受的.較為理想的是，小于10％，甚至小于1％。尤其較為理想的是，濃度低于50ppm。應(yīng)該理解，此處例舉了可接受的最低濃度，也可利用此處陳述之外的濃度，這些濃度也在本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如，特殊用戶和制造商可以要求不同于此處描述的最低或最高濃度水平或范圍。
區(qū)域348包括任何適用排出和降低氣流34中選定組分濃度的結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)產(chǎn)物流用于如果氣流含有大于選定濃度的一氧化碳或二氧化碳即被損壞的PEM燃料電池組或其它裝置中時(shí)，可以期望包括至少一種甲烷催化床350。床350將一氧化碳和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷和水，這兩者都不會(huì)損壞PEM燃料電池組。精制區(qū)348還可以包含另一個(gè)氫氣產(chǎn)生區(qū)352，例如另一個(gè)重整催化劑床，其將未反應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化為氫氣。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，較為理想的是，第二個(gè)重整催化劑床在甲烷催化劑的上游，以便不會(huì)將甲烷催化床下游的二氧化碳或一氧化碳再次引入。
蒸汽重整劑一般在200℃和700℃的溫度范圍和50psi和1000psi壓力范圍之內(nèi)操作，盡管本發(fā)明還允許此范圍之外的溫度，例如其決定于所使燃料處理器的特殊類型和結(jié)構(gòu)。任何適當(dāng)?shù)募訜釞C(jī)制或裝置可用于提供熱量，例如加熱器、燃燒器、燃料催化劑或類似裝置。加熱元件可以是外部燃料處理器，或形成一個(gè)燃料室，其中該燃料室為燃料處理器一部分。加熱元件的燃料可以由燃料處理器或燃料電池系統(tǒng)提供，也可以由外部能源獲得，也可由兩者獲得。
圖42中示出的燃料處理器300包括一個(gè)含有上述元件的外殼312。也可以是外罩的外殼312使得燃料處理器的多個(gè)元件以一個(gè)單元而移動(dòng)。它還保護(hù)燃料處理器元件使其免受損壞，是通過提供一個(gè)保護(hù)性蓋體以及降低燃料處理器的加熱需求，因?yàn)槿剂咸幚砥鞯臉?gòu)件可以作為一個(gè)單元被加熱。外殼312可以包括但不是必須包括絕緣材料333，例如固體絕緣材料、覆蓋絕緣材料或一個(gè)充氣孔。但是本發(fā)明還允許燃料處理器可以不帶有外罩或外殼。當(dāng)燃料處理器300包括絕緣材料333時(shí)，絕緣材料可以是外殼的內(nèi)部材料、外殼的外部材料或者兩者皆可。絕緣材料是含有上述重整區(qū)、分離區(qū)和/或精制區(qū)的外殼的外部材料時(shí)，燃料處理器可包括一個(gè)外蓋或外部絕緣套。
本發(fā)明范圍還允許燃料處理器300的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件可以延伸在外殼之外或至少位于外殼312的外部。例如圖41所示，裝置10可以至少部分延伸在外殼312之外。另一例如圖42所示，精制區(qū)348可以在外殼312外部，和/或氫氣產(chǎn)生區(qū)312的一部分(例如一個(gè)或多個(gè)催化床的一部分)可以延伸在外殼之外。
如上所述，燃料處理器30可以用于傳輸富氫氣流34或產(chǎn)物氫氣流314至至少一個(gè)能產(chǎn)生電流的燃料電池組。這樣的結(jié)構(gòu)中，燃料處理器和燃料電池組可以指一個(gè)燃料電池系統(tǒng)。圖43給出的是一個(gè)該系統(tǒng)的示例，其中322示出的是一個(gè)燃料電池組。燃料電池組能夠由輸送至該處的部分產(chǎn)物氫氣流314產(chǎn)生電流。在所示實(shí)施例中，可以示出和陳述一個(gè)燃料處理器300和一個(gè)燃料電池組322，但是，應(yīng)該理解也可以使用一個(gè)或兩個(gè)以上這樣的構(gòu)件。還應(yīng)該理解，這些構(gòu)件已示于圖例中，其它圖中未示出的元件也可以包括于燃料電池系統(tǒng)中，例如輸氣泵、空氣傳輸系統(tǒng)、換熱元件、加熱元件以及類似物。
燃料電池組322包括至少一個(gè)燃料電池324，一般包括多個(gè)燃料電池324，這些電池能夠由傳輸至此的產(chǎn)物氫氣流314產(chǎn)生電流。此電流可用于滿足附加能耗裝置325的能源需求或載荷。裝置325的示例包括，但并不限機(jī)動(dòng)車輛、休閑車輛、船、工具、燈或照明裝配、器件(例如家用電器或其它電器)、家用設(shè)備、信號(hào)設(shè)備或通訊設(shè)備等。應(yīng)該理解，圖43中所示的裝置325代表能由燃料電池系統(tǒng)獲得電流的一個(gè)或多個(gè)裝置或裝置的集合。一個(gè)燃料電池組一般包括多個(gè)公用端板323之間連接在一起的多個(gè)燃料電池，其中端板含有流體輸送導(dǎo)管和/或流體排出導(dǎo)管(圖中未示出)。適合燃料電池的示例包括質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池和堿性燃料電池。燃料電池組322可以接受所有產(chǎn)物氫氣流314。一部分或所有氣流314可額外地或交替地通過一個(gè)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管輸送，以用于另一個(gè)耗氫工藝中，或被燃燒以用于燃料或加熱，或被存儲(chǔ)起來以備后用。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的氫氣純化裝置、構(gòu)件和燃料處理系統(tǒng)適用于燃料處理和其它能生產(chǎn)和/或利用氫氣的工業(yè)中。
可以相信，上述披露包括多個(gè)能獨(dú)立使用的獨(dú)特發(fā)明。盡管每個(gè)發(fā)明被以較為理想的形式披露，但其在此披露和示例的具體實(shí)施例并不僅限于此，其存在盡可能多的變化形式。本發(fā)明主題包括所有新穎的和在此披露的不同器件、特征、功能和/或性能的不顯著結(jié)合與亞結(jié)合。同樣地，權(quán)利要求中陳述的″一個(gè)″或″第一個(gè)″或其他類似的陳述應(yīng)理解為包括一種或一種以上這樣元件的結(jié)合，既不需要也不排出兩種或兩種以上的元件。
可以相信，以下權(quán)利要求會(huì)顯著地指出所披露的發(fā)明、新穎的和不明顯的結(jié)合與局部結(jié)合。發(fā)明的其他特征、功能、器件和/或性能的結(jié)合與局部結(jié)合的具體實(shí)施例可以通過修正本發(fā)明專利要求或再該申請(qǐng)或相關(guān)申請(qǐng)的新的權(quán)利要求中提出權(quán)利要求。這樣的修正或新權(quán)利要求，不管他們是否是指不同的發(fā)明或相同的發(fā)明，與原始權(quán)利要求相比他們的范圍無論是不同的、拓寬的、變窄的或是相同的，都將被認(rèn)為是屬于現(xiàn)在所披露的發(fā)明主題。
權(quán)利要求
1.一個(gè)燃料處理器，包括一個(gè)氫氣產(chǎn)生區(qū)，用于接受原料流并從原料流中產(chǎn)生含有氫氣和其它氣體的混合氣流；一個(gè)分離區(qū)，用于接受至少一部分混合氣流并由此產(chǎn)生含有至少實(shí)質(zhì)部分為氫氣的富氫氣流，其中分離區(qū)包括一個(gè)界定內(nèi)室的蓋體，其中蓋體包括至少一個(gè)用以將含有氫氣的混合氣流輸送至蓋體的輸入口，至少一個(gè)用以將含有實(shí)質(zhì)純的氫氣的穿透氣流排出在蓋體之外的輸出口，至少一個(gè)用以將含有至少一實(shí)質(zhì)部分其它氣體的副產(chǎn)物流排出在蓋體之外的副產(chǎn)物輸出口，其中富氫氣流包括至少一部分穿透氣流；一個(gè)在分離室內(nèi)的氫氣選擇性薄膜，其中氫氣選擇性薄膜有一個(gè)熱膨脹系數(shù)，與混合氣流接觸的第一面，與第一面通常相對(duì)的穿透面，氫氣選擇性薄膜至少很大一部分由含有鈀和銅的合金制成；其中穿透氣流包括一部分通過氫氣選擇性薄膜至穿透面的混合氣流，而且副產(chǎn)物流包括一部分不通過氫氣選擇性薄膜的混合氣流；以及支撐蓋體內(nèi)氫氣選擇性薄膜的構(gòu)造，其中支撐蓋體內(nèi)氫氣選擇性薄膜的構(gòu)造包括一種薄膜接觸結(jié)構(gòu)，其至少部分由一種包括鎳和銅的合金制成，其熱膨脹系數(shù)與氫氣選擇性薄膜的熱膨脹系數(shù)相同或者至少是氫氣選擇性薄膜熱膨脹系數(shù)的至少大約10％之內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)在薄膜熱膨脹系數(shù)的5％以內(nèi)，或可選擇地在薄膜熱膨脹系數(shù)的2％以內(nèi)，還可以可選擇地在薄膜熱膨脹系數(shù)的1％以內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)偏離薄膜熱膨脹系數(shù)不超過約1μm/m/℃，或可選擇地不超過約0.2μm/m/℃，還可以可選擇地不超過約0.1μm/m/℃。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)小于16μm/m/℃，大于13μm/m/℃。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)小于薄膜熱膨脹系數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中支撐氫氣選擇性薄膜的構(gòu)造至少一部分由一種包含鎳和銅的合金制成。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中支撐氫氣選擇性薄膜的構(gòu)造至少一實(shí)質(zhì)部分由一種或多種熱膨脹系數(shù)小于薄膜熱膨脹系數(shù)的材料制成。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)是非氫氣選擇性的。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜固定在薄膜接觸結(jié)構(gòu)上。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜與薄膜接觸結(jié)構(gòu)接觸，但不是固定在薄膜接觸結(jié)構(gòu)上。
11.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)包括一個(gè)定位薄膜在蓋體內(nèi)的支架。
12.如權(quán)利要求11所述的燃料處理器，其中薄膜包括一個(gè)周邊區(qū)，支架包括一個(gè)穩(wěn)固在薄膜周邊區(qū)的框架。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料處理器，其中框架形成蓋體的一部分。
14.如權(quán)利要求12所述的燃料處理器，其中框架的膨脹系數(shù)與薄膜的膨脹系數(shù)相同或小于薄膜的膨脹系數(shù)。
15.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)包括一個(gè)支撐體，該支撐體延伸穿過薄膜的第一面或穿透面的至少一個(gè)實(shí)質(zhì)部分。
16.如權(quán)利要求15所述的燃料處理器，其中支撐體的膨脹系數(shù)與薄膜的膨脹系數(shù)相同或小于薄膜的膨脹系數(shù)。
17.如權(quán)利要求15所述的燃料處理器，其中支撐體延伸穿過薄膜的穿透面的至少一個(gè)實(shí)質(zhì)部分。
18.如權(quán)利要求17所述的燃料處理器，其中薄膜的穿透面與支撐體接觸而不是固定在支撐體上，而且穿過薄膜的那部分混合氣流可以穿過支撐體。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料處理器，其中薄膜是一個(gè)氫氣選擇性薄膜，蓋體還包括熱膨脹系數(shù)與第一薄膜的熱膨脹系數(shù)至少大致相同的第二氫氣選擇性薄膜，第一面用于與混合氣流接觸，穿透面通常面對(duì)第一薄膜的穿透面，而且支撐體延伸在第一和第二薄膜之間以在薄膜的穿透面之間形成一個(gè)收獲導(dǎo)管，穿過薄膜的那部分混合氣流可以通過它流動(dòng)。
20.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中一種或多種材料的熱膨脹系數(shù)在薄膜的熱膨脹系數(shù)的1μm/m/℃之內(nèi)，或可選擇地在薄膜的熱膨脹系數(shù)的0.2μm/m/℃之內(nèi)，而且還可以可選擇地在薄膜的熱膨脹系數(shù)的約0.1μm/m/℃之內(nèi)。
21.如權(quán)利要求20所述的燃料處理器，其中蓋體包括一種含鎳和銅的合金。
22.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中薄膜的熱膨脹系數(shù)在約13.6μm/m/℃和約16μm/m/℃范圍之內(nèi)。
23.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中燃料處理器包括至少一個(gè)重整催化劑床，且用于通過蒸汽重整生產(chǎn)混合氣流。
24.一個(gè)氫氣純化裝置，用于在至少200℃的選定溫度和至少50psi的選定壓力下操作，而且它包括一個(gè)帶有一個(gè)內(nèi)部的、至少大體流體密封的、至少含有一個(gè)氫氣選擇性薄膜的分離室的蓋體，其中該氫氣選擇性薄膜有熱膨脹系數(shù)，由鈀和銅的合金制成，包括一個(gè)與含有氫氣和其它氣體的混合氣流接觸的第一面，還包括一個(gè)穿透面，用于將混合氣流分離成富氫氣流和副產(chǎn)品氣流，富氫氣流含有至少大致純的氫氣，且至少部分由通過至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜的那部分混合氣流形成，副產(chǎn)品氣流至少部分由不穿過薄膜的那部分混合氣流形成，改進(jìn)包括裝置包括一個(gè)至少與薄膜的第一面或穿透面其中之一接觸的薄膜接觸結(jié)構(gòu)，而且裝置還包括至少一個(gè)至少與一個(gè)氫氣選擇性薄膜接觸的薄膜接觸結(jié)構(gòu)，而且其中選定的至少一個(gè)薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)與至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜的熱膨脹系數(shù)足夠接近或相同，以便在改裝置的至少200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱循環(huán)下，至少一個(gè)薄膜接觸結(jié)構(gòu)不會(huì)將皺紋傳輸給至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)包括一種含有鎳和銅的合金。
26.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)與至少一個(gè)薄膜的熱膨脹系數(shù)相同或較低。
27.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中蓋體由一種或多種所選材料制成，以便在裝置的溫度范圍內(nèi)的熱循環(huán)下，蓋體不會(huì)將誘發(fā)皺紋的力傳輸給至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中蓋體包括一種含有鎳和銅的合金。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中蓋體的熱膨脹系數(shù)與至少一個(gè)薄膜的熱膨脹系數(shù)相同或較低。
30.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中合金包括約40wt％的銅。
31.如權(quán)利要求24所述的裝置，其與一個(gè)燃料處理組件聯(lián)合用于原料流并由其產(chǎn)生混合氣流。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其中燃料處理組件包括至少一個(gè)重整催化劑床，而且其中原料流含有水和一種含碳原料。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中重整區(qū)和蓋體至少部分由公用外殼的覆蓋著。
34.如權(quán)利要求31所述的裝置，進(jìn)一步與一個(gè)燃料電池組聯(lián)合用于接受至少一部分富氫氣流并由其產(chǎn)生電流。
35.一個(gè)氫氣凈化裝置，包括一個(gè)界定內(nèi)室的蓋體，其中蓋體包括至少一個(gè)用以將含有氫氣和其它氣體的混合氣流輸送至蓋體的輸入口，至少一個(gè)用以將含有至少大致純的氫氣的穿透氣流排出在蓋體之外的輸出口，至少一個(gè)用以將含有至少一實(shí)質(zhì)部分其它氣體的副產(chǎn)物流排出在蓋體之外的副產(chǎn)物輸出口；至少一個(gè)分離室內(nèi)薄膜封套，其中每個(gè)薄膜封套由一對(duì)氫氣選擇性薄膜組成，每個(gè)薄膜包括一個(gè)與混合氣流接觸的第一面以及一般與第一面相對(duì)的穿透面，其中這對(duì)薄膜的位置能使得這對(duì)氫氣選擇性薄膜相互分離，且他們的穿透面一般互相對(duì)著以形成一個(gè)延伸在他們之間的收獲導(dǎo)管，每個(gè)薄膜封套還包括一個(gè)處在收獲導(dǎo)管內(nèi)部、能支撐這對(duì)氫氣選擇性薄膜的支撐體，其中該支撐體包括一對(duì)一般相對(duì)著的面，其分別用于支撐這對(duì)氫氣選擇性薄膜的穿透面，其中穿透氣流由通過薄膜至收獲導(dǎo)管的那部分混合氣流形成，且至少不通過薄膜的一部分混合氣流形成至少一部分副產(chǎn)物流；而且其中每個(gè)氫氣選擇性薄膜有一個(gè)熱膨脹系數(shù)；支撐蓋體內(nèi)至少一個(gè)薄膜封套的構(gòu)造，其中支撐蓋體內(nèi)至少一個(gè)薄膜封套的構(gòu)造包括一個(gè)薄膜接觸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的成分不同于氫氣選擇性薄膜，至少有一個(gè)小于氫氣選擇性薄膜的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)，以及包括一種含有鎳和銅的合金的成分。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)包括一種含有鎳和銅的合金。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)在薄膜熱膨脹系數(shù)的10％以內(nèi)，或可選擇地在薄膜熱膨脹系數(shù)的2％以內(nèi)，還可選擇地在薄膜熱膨脹系數(shù)的1％以內(nèi)。
38.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)小于薄膜的熱膨脹系數(shù)。
39.如權(quán)利要求38所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)大于約13μm/m/℃。
40.如權(quán)利要求38所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)為金屬質(zhì)。
41.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中薄膜至少一實(shí)質(zhì)部分由一種含有約40wt％銅的鈀合金
42.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中薄膜為通常的平面結(jié)構(gòu)。
43.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)是非氫氣選擇性的。
44.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)包括支撐體。
45.如權(quán)利要求44所述的裝置，其中支撐體允許進(jìn)入收獲導(dǎo)管的那部分混合氣流橫越和平行地流至薄膜的穿透面。
46.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中支撐體包括至少一個(gè)篩網(wǎng)元件。
47.如權(quán)利要求46所述的裝置，其中支撐體包括多個(gè)篩網(wǎng)元件
48.如權(quán)利要求47所述的裝置，其中多個(gè)篩網(wǎng)元件包括至少一個(gè)形成至少一部分薄膜接觸結(jié)構(gòu)的篩網(wǎng)元件，而且其中多個(gè)篩網(wǎng)元件包括至少一個(gè)不接觸薄膜的篩網(wǎng)元件。
49.如權(quán)利要求47所述的裝置，其中至少一個(gè)篩網(wǎng)元件的熱膨脹系數(shù)在薄膜熱膨脹系數(shù)的10％以內(nèi)，或可選擇地在薄膜熱膨脹系數(shù)的2％以內(nèi)，還可選擇地在薄膜熱膨脹系數(shù)的1％以內(nèi)。
50.如權(quán)利要求49所述的裝置，其中多個(gè)篩網(wǎng)元件包括至少兩個(gè)含有一般相對(duì)著的面的篩網(wǎng)元件，而且其中多個(gè)篩網(wǎng)元件包括至少一個(gè)不接觸薄膜的篩網(wǎng)元件。
51.如權(quán)利要求49所述的裝置，其中至少兩個(gè)篩網(wǎng)元件是由不包含帶有鎳和銅的合金材料制成。
52.如權(quán)利要求49所述的裝置，其中至少兩個(gè)篩網(wǎng)元件的制作材料的熱膨脹系數(shù)大于薄膜的熱膨脹系數(shù)。
53.如權(quán)利要求49所述的裝置，其中至少兩個(gè)篩網(wǎng)元件是由不銹鋼制成，至少一個(gè)不與薄膜接觸的篩網(wǎng)元件是由一個(gè)或多個(gè)含有鎳和銅的合金以及不比薄膜的熱膨脹系數(shù)大的材料制成。
54.如權(quán)利要求47所述的裝置，其中多個(gè)篩網(wǎng)元件中的至少一個(gè)是由一種比薄膜的熱膨脹系數(shù)大的材料制成。
55.如權(quán)利要求47所述的裝置，其中多個(gè)篩網(wǎng)元件中的至少一個(gè)是由一種不包括含有銅和鎳的合金制成。
56.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中每個(gè)氫氣選擇性薄膜包括一個(gè)周邊區(qū)，而且周邊區(qū)是固定在一個(gè)框架組件上的，框架組件包括至少一個(gè)框架，而且其中薄膜接觸結(jié)構(gòu)包括該框架組件。
57.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中框架組件形成蓋體的一部分。
58.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中框架組件是由一種非透氫性材料制成。
59.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中框架組件是由一種包括鎳和銅的合金制成。
60.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中框架組件的熱膨脹系數(shù)小于薄膜的熱膨脹系數(shù)。
61.如權(quán)利要求56所述的裝置，其中框架組件的熱膨脹系數(shù)小于16μm/m/℃。
62.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中氫氣凈化裝置包括多個(gè)氣體傳輸導(dǎo)管，這些導(dǎo)管與至少一個(gè)薄膜封套相互連接，以選擇性地輸送混合氣流至薄膜的第一面，將穿透氣流排出在收獲導(dǎo)管外，并且排出副產(chǎn)物流。
63.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中氫氣凈化裝置包括多個(gè)薄膜封套。
64.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中支撐至少一個(gè)薄膜封套的構(gòu)造的至少大致由鎳和銅合金制成。
65.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中支撐至少一個(gè)薄膜封套的構(gòu)造的至少大致由一個(gè)或多個(gè)熱膨脹系數(shù)小于薄膜熱膨脹系數(shù)的材料制成。
66.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中蓋體至少大致由鎳和銅合金制成。
67.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中蓋體的熱膨脹系數(shù)小于16μm/m/℃。
68.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中蓋體的熱膨脹系數(shù)小于薄膜的熱膨脹系數(shù)。
69.如權(quán)利要求35所述的裝置，其與一個(gè)燃料處理組件聯(lián)合用于生產(chǎn)混合氣流。
70.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中燃料處理組件包括至少一個(gè)重整催化劑床，并用于通過蒸汽重整生產(chǎn)混合氣流。
71.一個(gè)氫氣凈化裝置，包括一個(gè)蓋體，其含有一對(duì)空間分離端板和一個(gè)延伸在端板之間并與端板形成一個(gè)內(nèi)室的周邊外殼；其中蓋體包括至少一個(gè)用以將含有氫氣的混合氣流輸送至蓋體的輸入口，至少一個(gè)用以將含有實(shí)質(zhì)純的氫氣的穿透氣流排出在蓋體之外的輸出口，至少一個(gè)用以將至少含有一實(shí)質(zhì)部分其它氣體的副產(chǎn)物流排出在蓋體之外的副產(chǎn)物輸出口；至少一個(gè)在分離室內(nèi)的氫氣選擇性薄膜，其中至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜包括一個(gè)與混合氣流接觸的第一面和一般與第一面相對(duì)的穿透面，其中穿透氣流由至少穿過一個(gè)氫氣選擇性薄膜至穿透面的那部分混合氣流形成，副產(chǎn)物流是由不通過至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜的那部分混合氣流形成；其中每個(gè)端板包括一個(gè)面對(duì)分離室的內(nèi)表面，一個(gè)背對(duì)蓋體的外表面，以及與周邊外殼形成的至少部分密封的一個(gè)密封區(qū)；和其中至少一個(gè)端板包括一個(gè)基板，該基板含有密封區(qū)和一個(gè)由基板突出的桁架組件。
72.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中桁架組件用于支撐至少一個(gè)端板使其不偏離周邊外殼。
73.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中桁架組件用于增加至少一個(gè)端板的換熱面。
74.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中桁架組件包括由基板伸出的多個(gè)突肋。
75.如權(quán)利要求74裝置，其中桁架組件包括一個(gè)在基板末梢處與突肋連接的支撐體。
76.如權(quán)利要求74裝置，其中桁架組件還包括延伸在突肋和基板之間的多個(gè)翅片。
77.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中桁架組件由至少一個(gè)端板的內(nèi)表面伸出。
78.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中桁架組件由至少一個(gè)端板的外表面伸出。
79.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少外殼的一部分與至少一個(gè)端板集成。
80.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中當(dāng)裝置在至少200℃的選定溫度和至少50psi的選定壓力下操作時(shí)，其中至少一個(gè)端板的基板能承受低于12000psi的壓力。
81.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中當(dāng)裝置在至少300℃的選定溫度和至少125psi的選定壓力下操作時(shí)，其中至少一個(gè)端板的基板能承受低于12000psi的壓力。
82.如權(quán)利要求71所述的裝置，當(dāng)裝置在至少400℃的選定溫度和至少175psi的選定壓力下操作時(shí)，其中至少一個(gè)端板的基板能承受低于12000psi的壓力。
83.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)端板的重量小于4磅。
84.如權(quán)利要求83所述的裝置，其中至少一個(gè)端板的橫截面積至少為10英寸2，也可選擇地至少為20英寸2。
85.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)端板重量小于5磅，而且當(dāng)裝置在至少200℃的選定溫度和至少50psi的選定壓力下操作時(shí)，其中至少一個(gè)端板的基板能承受低于12,000psi的壓力。
86.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)端板重量小于4磅，而且當(dāng)裝置在至少300℃的選定溫度和至少100psi的選定壓力下操作時(shí)，其中至少一個(gè)端板的基板能承受低于12000psi的壓力。
87.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中裝置有一種25℃的溫度和1atm分離室內(nèi)的氣壓下的第一結(jié)構(gòu)，400℃的溫度和175psi分離室的氣壓下的第二結(jié)構(gòu)，而且在第二結(jié)構(gòu)中，至少一個(gè)端板的基板與第一結(jié)構(gòu)的最大偏差小于0.001英寸，該偏差還可以可選擇地小于0.0008英寸，也可以可選擇地小于0.00065英寸。
88.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中裝置有一種25℃的溫度和1atm分離室的氣壓下的第一結(jié)構(gòu)，400℃的溫度和175psi分離室的氣壓下的第二結(jié)構(gòu)，而且在第二結(jié)構(gòu)中，與第一結(jié)構(gòu)相比至少一個(gè)端板的基板在其的密封區(qū)的偏差小于0.001英寸，該偏差還可以可選擇地小于0.0008英寸，也可以可選擇地小于0.0006英寸。
89.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)端板有一個(gè)最大偏差，該偏差與25℃的溫度和1atm氣壓下的至少一個(gè)端板的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且當(dāng)裝置在至少200℃的選定溫度和至少50psi的選定壓力下操作時(shí)，至少一個(gè)端板的質(zhì)量/最大偏差比小于1000lb/psi，也可以可選擇地小于800lb/psi，還可以可選擇地小于600lb/psi。
90.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)端板有一個(gè)最大偏差，該偏差與25℃的溫度和1atm氣壓下的至少一個(gè)端板的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且當(dāng)裝置在至少300℃的選定溫度和至少125psi的選定壓力下操作時(shí)，至少一個(gè)端板的質(zhì)量/最大偏差比小于800lb/psi。
91.如權(quán)利要求90所述的裝置，其中至少一個(gè)端板的基板的厚度小于1/3英寸。
92.如權(quán)利要求91所述的裝置，其中至少一個(gè)端板的基板的橫截面積至少為10英寸2，還可以可選擇地至少為20英寸2。
93.如權(quán)利要求92所述的裝置，其中至少一個(gè)端板的基板的橫截面積至少為20英寸2。
94.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)端板有一個(gè)最大偏差，該偏差與25℃的溫度和1atm氣壓下的至少一個(gè)端板的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且當(dāng)裝置在至少300℃的選定溫度和至少125psi的選定壓力下操作時(shí)，至少一個(gè)端板的質(zhì)量/最大偏差比小于600lb/psi。
95.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)端板有一個(gè)最大偏差，該偏差與25℃的溫度和1atm氣壓下的至少一個(gè)端板的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且當(dāng)裝置在至少400℃的選定溫度和至少175psi的選定壓力下操作時(shí)，至少一個(gè)端板的質(zhì)量/最大偏差比小于600lb/psi。
96.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜固定在一個(gè)框架上。
97.如權(quán)利要求96所述的裝置，其中框架被外殼所覆蓋著。
98.如權(quán)利要求97所述裝置，其中框架形成至少一部分外殼。
99.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中裝置包括至少一個(gè)薄膜封套，該薄膜封套由一對(duì)氫氣選擇性薄膜形成，這對(duì)氫氣選擇性薄膜彼此以定距離相隔開并用彼此面對(duì)的穿透面界定一個(gè)延伸于其間的收獲導(dǎo)管，而且穿透氣流由通過薄膜至收獲導(dǎo)管的部分混合氣流形成，保留在薄膜第一面的混合氣流的剩余部分形成至少一部分副產(chǎn)物流。
100.如權(quán)利要求99所述的裝置，其中至少一個(gè)薄膜封套包括一個(gè)在收獲導(dǎo)管內(nèi)的支撐體，并用于支撐這對(duì)氫氣選擇性薄膜，其中該支撐體包括一對(duì)一般相對(duì)的表面，其能支撐這對(duì)氫氣選擇性薄膜的穿透?jìng)?cè)。
101.如權(quán)利要求100所述的裝置，其中支撐體允許氣流平行和橫越地至薄膜的穿透?jìng)?cè)。
102.如權(quán)利要求71所述的裝置，其中至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜由鈀和鈀合金中至少一種形成，也可以由一種包括鈀和銅的合金的形成，還可以由一種包括鈀和約40wt％銅的合金的形成。
103.如權(quán)利要求71所述的裝置，其與一個(gè)燃料處理器結(jié)合能產(chǎn)生混合氣流。
104.如權(quán)利要求103所述的裝置，其中燃料處理器包括至少一個(gè)重整催化劑床，而且能通過蒸汽重整生產(chǎn)混合氣流。
105.一個(gè)氫氣凈化裝置，包括一個(gè)界定內(nèi)室的蓋體，其中蓋體包括至少一個(gè)用以將含有氫氣的混合氣流輸送至蓋體的輸入口，至少一個(gè)用以將含有實(shí)質(zhì)純的氫氣的產(chǎn)物氫氣流排出在蓋體之外的產(chǎn)物輸出口，至少一個(gè)用以將至少含有一實(shí)質(zhì)部分的其它氣體的副產(chǎn)物流排出在蓋體之外的副產(chǎn)物輸出口；至少一個(gè)在分離室內(nèi)的氫氣選擇性薄膜，其中至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜包括一個(gè)與混合氣流接觸的第一面和一般與第一面相對(duì)的穿透面，其中產(chǎn)物流由至少穿過一個(gè)氫氣選擇性薄膜至穿透面的那部分混合氣流形成，副產(chǎn)物流是由不通過至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜的那部分混合氣流形成；以及其中蓋體包括一對(duì)端板和一個(gè)至少部分延伸在端板間界定至少一部分蓋體的外殼；而且其中外殼部分與至少一個(gè)端板集成在一起。
106.如權(quán)利要求105所述的裝置，其中外殼部分與一對(duì)端板的第一端板集成形成，且包括第一端板的末梢部分，該部分能與第二端板形成至少大致上流體密封的界面。
107.如權(quán)利要求105所述的裝置，其中外殼部分是與一對(duì)端板的第一端板集成形成的第一部分，其中蓋體還包括與第二端板集成形成的第二部分外殼。
108.如權(quán)利要求107所述的裝置，其中外殼部分包括能選擇性形成至少大致上流體密封的界面的端區(qū)。
109.如權(quán)利要求108所述的裝置，其中裝置還包括至少一個(gè)延伸在端板之間的密封元件。
110.如權(quán)利要求105所述的裝置，其中蓋體包括僅僅在一個(gè)端板和外殼之間的界面。
111.如權(quán)利要求105所述的裝置，其裝置包括至少一個(gè)薄膜封套，該薄膜封套由一對(duì)氫氣選擇性薄膜形成，這對(duì)氫氣選擇性薄膜彼此以定距離相隔開并用彼此面對(duì)的穿透面界定一個(gè)延伸于其間的收獲導(dǎo)管，而且其中產(chǎn)物流由通過薄膜至收獲導(dǎo)管的部分混合氣流形成，保留在薄膜第一面的混合氣流的剩余部分形成至少一部分副產(chǎn)物流。
112.一個(gè)氫氣純化裝置，其能在至少200℃的選定溫度和至少50psi的選定壓力下操作，其包括一個(gè)蓋體，該蓋體帶有一個(gè)內(nèi)部的、至少大致上流體密封的內(nèi)室，該內(nèi)室含有至少一個(gè)氫氣選擇性薄膜，改進(jìn)包括至少一個(gè)桁架支撐的端板形成蓋體的一部分。
113.如權(quán)利要求112所述的裝置，其中選定溫度至少是300℃，選定壓力至少是150psi。
114.如權(quán)利要求112所述的裝置，其與一個(gè)燃料處理器結(jié)合能產(chǎn)生第一氣流。
115.如權(quán)利要求114所述的裝置，其中裝置至少部分被燃料處理器覆蓋著。
全文摘要
一個(gè)氫氣純化裝置(10)包括一個(gè)蓋體(12)，該蓋體含有一個(gè)分離膜組件(20)，其用來接收含有氫氣的混合氣流(24)以產(chǎn)生一含有純氫氣或至少實(shí)質(zhì)純的氫氣的氣流(34)。分離膜組件(20)至少包括一個(gè)透氫膜和/或氫氣選擇性薄膜(46)，在一些實(shí)施例中，其包括至少一個(gè)薄膜封套，該薄膜封套有一對(duì)一般相對(duì)著的薄膜區(qū)以界定一延伸于其間的收獲導(dǎo)管，且這對(duì)薄膜區(qū)由一個(gè)支撐體隔離。蓋體(12)包括的構(gòu)件由熱膨脹系數(shù)與薄膜(46)熱膨脹系數(shù)相似或相同的材料制成。在一些實(shí)施例中，這些構(gòu)件包括至少支撐體的一部分，在一些實(shí)施例中，這些構(gòu)件包括至少蓋體的一部分(12)。
文檔編號(hào)B01J8/00GK1558789SQ02818765
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2002年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月27日
發(fā)明者戴維·J·埃德倫, 查爾斯·R·希爾, 威廉·A·布拉格, 托德·R·斯多德巴克爾, R 希爾, A 布拉格, R 斯多德巴克爾, 戴維 J 埃德倫 申請(qǐng)人:益達(dá)科技有限責(zé)任公司