[发明专利]制氢装置和氢纯化设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月14日提交的名为“制氢装置和氢纯化设备”的美国专利申请序列号13/829,766的优先权。上述申请的全部公开内容在此通过引用并入用于所有目的。

背景技术

制氢装置是将一种或多种原料转化为包含氢气作为主要组分的产品物流的装置。所述原料可包括含碳原料，并且在一些实施方式中还可包括水。将原料从原料递送系统递送到制氢装置的产氢区中，且原料通常在压力和升高温度下递送。所述产氢区通常与诸如加热装置或冷却装置的温度调节装置相关联，后者消耗一种或多种燃料物流以将产氢区保持在有效产生氢气的合适温度范围内。所述制氢装置可经由合适的机制(诸如蒸汽重整、自热重整、热解和/或催化部分氧化)生成氢气。

然而，所生成或产生的氢气可能具有杂质。该气体可被称为包含氢气和其它气体的混合气体物流。在使用该混合气体物流之前，其必须被纯化，诸如去除至少一部分其它气体。因此，制氢装置可包括用于提高混合气体物流的氢纯度的氢纯化设备。氢纯化设备可包括至少一个将混合气体物流分离为产品物流和副产品物流的氢选择性膜。所述产品物流含有较高浓度的氢气和/或较低浓度的来自混合气体物流的一种或多种其它气体。使用一个或多个氢选择性膜的氢纯化是压力驱动型分离方法，其中一个或多个氢选择性膜被收纳在压力容器中。混合气体物流与膜的混合气体表面接触，且产品物流由渗透通过该膜的混合气体物流的至少一部分形成。压力容器通常被密封以防止气体除了通过所限定的输入口和输出口部分或导管之外进入或离开该压力容器。

产品物流可用于多种应用中。一种这样的应用是能源生产，诸如在电化学燃料电池中。电化学燃料电池是将燃料和氧化剂转化为电力、反应产物和热的设备。例如，燃料电池可将氢和氧转化为水和电力。在那些燃料电池中，氢是燃料，氧是氧化剂，水是反应产物。燃料电池堆包含多个燃料电池，并且可与制氢装置一起使用以提供能源生产装置。

制氢装置和/或那些装置的组件的例子在以下文献中描述：美国专利号5,861,137；6,319,306；6,494,937；6,562,111；7,063,047；7,306,868；7,470,293；7,601,302；7,632,322；美国专利申请公开号2006/0090397；2006/0272212；2007/0266631；2007/0274904；2008/0085434；2008/0138678；2008/0230039；2010/0064887；和2013/0011301。上述专利和专利申请公开的全部公开内容在此通过引用并入用于所有目的。

发明内容

一些实施方式可提供氢纯化设备。在一些实施方式中，所述氢纯化设备可包括第一和第二端框架(endframes)。所述第一和第二端框架可包括构造为接收包含氢气和其它气体的混合气体物流的输入口以及构造为接收与混合气体物流相比包含较高浓度的氢气和较低浓度的其它气体中的至少一种的渗透物流的输出口。所述第一和第二端框架可额外包含构造为接收包含至少大部分其它气体的副产品物流的副产品口。所述氢纯化设备可额外包含至少一个布置在第一和第二端框架之间并固定于其上的氢选择性膜。所述至少一个氢选择性膜可具有进料侧和渗透侧，至少一部分渗透物流由从进料侧穿过到渗透侧的混合气体物流的一部分形成，而留在进料侧的混合气体物流的其余部分形成副产品物流的至少一部分。

所述氢纯化设备可还包括布置在第一和第二端框架与至少一个氢选择性膜之间并固定在第一和第二端框架上的多个框架。所述多个框架可包括布置在至少一个氢选择性膜与第二端框架之间的至少一个渗透框架。所述至少一个渗透框架可包括外周壳体(peripheryshell)和形成于该外周壳体上并构造为接收至少一部分来自所述至少一个氢选择性膜的渗透物流的输出导管。所述至少一个渗透框架可额外包含被所述外周壳体所围绕的开放区和跨越至少大部分所述开放区并构造为支撑至少一个氢选择性膜的的至少一个膜支撑结构。所述至少一个膜支撑结构可包括第一和第二膜支撑板。所述第一和第二膜支撑板中的每个都不含穿孔。所述第一和第二膜支撑板中的每个均可包括具有多个构造为提供用于所述至少一部分渗透物流的流道的微槽(microgrooves)的第一面和与该第一面相对的第二面。所述第一和第二膜支撑板可在所述至少一个膜支撑结构中堆叠为使得第一膜支撑板的第二面面对第二膜支撑板的第二面。