制氢装置和氢纯化设备的制造方法
【专利说明】制氢装置和氢纯化设备
[0001] 本申请是申请日为2012年7月3日、申请号为201280039436. 0、发明名称为"制 氢装置和氢纯化设备"的专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的夺叉引用
[0003] 本申请要求于2011年7月7日提交的美国专利申请序列号13/178098的优先权， 其通过引用以其整体并入本文用于所有目的。
【背景技术】
[0004]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流的装置。所 述原料可包含含碳原料，并且在某些实施方式中还可包含水。原料可从原料递送系统递送 至制氢装置的产氢区，通常原料在压力和升高温度下递送。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连，所述温度调节装置消耗一个或多个燃料流将产氢区保持在 合适温度范围以有效生产氢气。制氢装置可经由任何合适机制制氢，诸如蒸汽重整、自热重 整、热解和/或催化部分氧化。
[0005] 然而，所制得或生产的氢气可能具有杂质。该气体可称为含有氢气和其它气体的 混合气流。在使用所述混合气流之前，其必需被纯化以便诸如去除至少一部分其它气体。因 此，制氢装置必需包含提高混合气流的氢纯度的氢纯化设备。氢纯化设备可包含至少一个 氢-选择性膜以将混合气流分离为产品流和副产品流。产品流含有来自混合气流的较高浓 度的氢气和/或较低浓度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 是压力驱动的分离方法，其中所述一个或多个氢-选择性膜被包含在压力容器中。混合气 流接触膜的混合气体表面，并且由渗透通过膜的混合气流的至少一部分形成产品流。压力 容器通常被密封以防止气体通过所限定的入口和出口或者输入导管和输出导管进入或离 开该压力容器。
[0006] 产品流可用于多种用途。一种这样的用途是能源生产，诸如在电化学燃料电池。电 化学燃料电池是将燃料和氧化剂转化为电、反应产品和热的设备。例如，燃料电池可将氢和 氧转化为水和电。在那些燃料电池中，氢是燃料，氧是氧化剂，水是反应产品。燃料电池堆 包括多个燃料电池，并且可与制氢装置一起使用以提供能源生产装置。
[0007] 制氢装置、氢处理装置和/或那些装置的部件的例子在美国专利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 和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 中描述。上述专 利和专利申请公开的全部公开内容通过引用在此并入本文用于所有目的。
【发明内容】
[0008] -些实施方式提供了一种蒸汽重整制氢装置，其构造为接收至少一个包含水和含 碳原料的含液体进料流并生成作为主要组分的氢气和其它气体的重整产品。在一些实施方 式中，制氢装置可包含汽化区和产氢区，所述汽化区构造为接收和汽化至少一个含液体进 料流的至少一部分以形成蒸汽进料流，所述产氢区包含重整催化剂并构造为接收蒸汽进料 流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可含有加热装置，其构造为产生用于 将汽化区加热到至少最低汽化温度的加热排出流。汽化区可含有填充材料，其构造为将热 从加热排出流传递到至少一个含液体进料流。
[0009] 在一些实施方式中，制氢装置可包括外壳（enclosure)以及被包含在该外壳内并 包含重整催化剂的产氢区。产氢区可构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整 产品流。制氢装置还可包含加热装置，其构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流以 及在包含在外壳内的燃烧区内燃烧该至少一个燃料流，产生用于至少将产氢区加热到至少 最低产氢温度的加热排出流。制氢装置还可包含绝热底座（insulationbase)，其构造为降 低外壳的外部温度，所述绝热底座临近燃烧区。外壳可被支撑在该绝热底座上，该绝热底座 可包括绝热材料和通过该绝热材料延伸的至少一个通路。所述至少一个通路与燃烧区流体 连通。
[0010] 在一些实施方式中，制氢装置可包含外壳和在该外壳内部并包含重整催化剂的产 氢区，该产氢区构造为接收至少一个进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装 置还可包含与产氢区流体连通的进料流导管和与产氢区热连通的加热装置，所述至少一个 进料流在递送到产氢区之前从该进料流导管穿过。加热装置可包括用于接收至少一个燃料 流和至少一个空气流的入口以及构造为点燃该至少一个燃料流的点火器装置。点火器装置 可包括体部部分、与该体部部分相连的至少一个点火器元件和与该至少一个点火器元件电 连通并且被该体部部分至少部分包封的导线。点火器装置还可包含具有彼此热连通的至少 第一和第二通道的金属冷却块。第一通道可容纳体部部分的至少一部分和导线的至少一部 分，且第二通道可容纳进料流导管的至少一部分。
[0011] 在一些实施方式中，制氢装置可包括包含重整催化剂的产氢区。产氢区可构造为 接收至少一个进料流并经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装置还可包含与产氢区热 连通的加热装置。加热装置可包括点火器装置，其构造为点燃至少一个燃料流。点火器装 置可包括具有催化活性涂层的点火器元件，所述催化活性涂层构造为在氧存在下燃烧氢。
[0012] 在一些实施方式中，制氢装置可包括具有底部部分的外壳和包含在该外壳内并包 含重整催化剂的产氢区。产氢区可构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产 品流。制氢装置还可包含加热装置，其构造为接收至少一个空气流和至少一个燃料流并在 外壳内包含的燃烧区内燃烧该至少一个燃料流，以产生用于至少将产氢区加热到至少最低 产氢温度的加热排出流。制氢装置还可包含与外壳的底部部分相连的燃料分配装置。燃料 分配装置可构造为将至少一个燃料流分配到燃烧区中。燃料分配装置可包括包含与燃烧区 流体连通的至少一个通路的底座和被支撑在该底座上的筛网装置（meshassembly)。燃料 分配装置还可包含具有外周的顶壁和具有顶部部分及底部部分的至少一个侧壁。顶部部分 可被固定在外周周围，且底部部分可被支撑在筛网装置上，由此使得在至少一个侧壁内以 及顶壁和筛网装置之间形成燃料流分配区。燃料分配装置还可包含进入燃料流分配区的入 口和与该入口流体相连并构造为接收至少一个燃烧流的燃料流导管。筛网装置可包括用于 使至少一个燃料流从燃料流分配区流到燃烧区的至少一个路径。
[0013] 在一些实施方式中，制氢装置可包括外壳以及包含在该外壳内并包括重整催化剂 的产氢区。产氢区可构造为从至少一个进料流经由蒸汽重整反应生产重整产品流。制氢装 置还可包含在外壳外部并与该外壳的至少一部分相连的热传导装置。热传导装置可构造为 将热从一个或多个与该热传导装置相连的外部加热器传导到外壳的至少一部分。
[0014] 一些实施方式提供了一种氢纯化设备。在一些实施方式中，氢纯化设备可包括第 一和第二末端框架（endframe)。第一和第二末端框架可包括入口和出口，所述入口构造为 接收包含氢气和其它气体的混合气流的入口，且所述出口构造为接收与混合气流相比包含 较高浓度的氢气和较低浓度的其它气体中的至少一个的渗透流（permeablestream)。第一 和第二末端框架还可包含副产品口（byproductport)，其构造为接收包含至少大部分其它 气体的副产品流。氢纯化设备还可包含布置在第一和第二末端框架之间并固定于其上的至 少一个氢-选择性膜。至少一个氢-选择性膜可包括进料侧和渗透侧。渗透流的至少一部 分可由从进料侧通到渗透侧的混合气流部分形成，且留在进料侧的混合气流的其余部分形 成副产品流的至少一部分。氢纯化设备还包括布置在第一和第二末端框架中至少一个与至 少一个氢选择性膜之间的的多个框架。所述多个框架中的每个可包括限定了开放区和框架 面的外周壳体（perimetershell)。每个框架还可包含延伸到开放区的至少一个第一膜支 撑结构（atleastafirstmembranesupportstructure)。所述至少一个第一膜支撑结构 中的每个可与所述多个框架的其它第一膜支撑结构在第一膜支撑平面（afirstmembrane supportplane)内共平面。第一膜支撑平面可垂直于多个框架的每个框架的框架面。
[0015] 在一些实施方式中，氢纯化设备可包括第一和第二端板。第一和第二端板可包括 入口和出口，所述入口构造为接收包含氢气和其它气体的混合气流，所述出口构造为接收 与混合气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个的渗透流。第一 和第二端板还可包含副产品口，其构造为接收包含至少大部分其它气体的副产品流。氢纯 化设备还可包含布置在第一和第二端板之间的至少一个氢-选择性膜。至少一个氢-选择 性膜具有进料侧和渗透侧。渗透流的至少一部分可由从进料侧通到渗透侧的混合气流部分 形成，且留在进料侧的混合气流的其余部分形成副产品流的至少一部分。氢纯化设备还可 包含微孔筛网（microscreen)结构，其构造为支撑至少一个氢-选择性膜。微孔筛网结构 通常可包括构造为对渗透侧提供支撑的相对表面（opposedsurfaces)和在该相对表面之 间延伸的多个流体通路。微孔筛网结构可包括包含氧化铝层的不锈钢，其构造为防止不锈 钢与至少一个氢-选择性膜之间的金属间扩散。
[0016] -些实施方式提供了一种制造用于氢纯化设备的框架的方法。框架可被布置在第 一和第二末端框架之间并固定在其中的至少一个上。所述方法可包括将框架的第一和第二 部分用至少一种具有恪点的压条金属（layeringmetal)电镀并接合该第一和第二部分。该 方法还可包含将已接合的第一和第二部分的温度升高到高于所述熔点，并使得所述至少一 种压条金属扩散到该第一和第二部分中以形成合金。所述合金的熔点高于所述至少一种压 条金属的恪点。
【附图说明】
[0017] 图1是制氢装置的一个例子的示意图。
[0018] 图2是制氢装置的另一个例子的示意图。
[0019] 图3是制氢装置的又一个例子的等角视图。
[0020] 图4是图3的制氢装置的沿图3上4 一 4线截取的截面图。
[0021] 图5是图3的制氢装置的绝热底座的部分底部等角试图。
[0022] 图6是图4的制氢装置的汽化器线圈（vaporizercoil)的部分视图。
[0023] 图7是图3的制氢装置的催化点火器的部分等角视图。
[0024] 图8是图3的制氢装置沿图3上4 - 4线截取的截面图，显示了该装置同侦^上的 进料流和燃料流导管以及该侧上的点火器装置和冷却块。
[0025] 图9是图8的冷却块的等角视图。
[0026] 图10是图3的制氢装置沿图3上4一4线截取的截面图，显示了燃料分配装置。
[0027] 图11是图10的制氢装置的部分视图。
[0028] 图12是图1的制氢装置的氢纯化设备的示意图。
[0029] 图13是图12的氢纯化设备的一个例子的分解等角视图。
[0030] 图14是图13的氢纯化设备的分解等角示意图，显示了膜支撑平面内框架突起的 示例性取向。
[0031] 图15是图13的氢纯化设备的进料框架的一个例子的顶视图。
[0032] 图16是图13的氢纯化设备的进料框架的另一个例子的顶视图。
[0033] 图17是图13的氢纯化设备的渗透框架的一个例子的顶视图。
[0034] 图18是图13的氢纯化设备的渗透框架的另一个例子的顶视图。
[0035] 图19是图15的进料框架沿图15上19 一 19线截取的截面图。
[0036] 图20是制造用于氢纯化设备的框架的方法的一个例子的流程图。
【具体实施方式】
[0037] 图1显示了制氢装置20的一个例子。除非明确排除，该制氢装置可包括在本公开 中描述的其它制氢装置的一个或多个组件。制氢装置可包括构造为生成产品氢流21的任 何合适结构。例如，制氢装置可包括原料递送系统22和燃料加工装置24。原料递送系统可 包括构造为将至少一个进料流26选择性地递送到燃料加工装置的任何合适结构。
[0038] 在一些实施方式中，原料递送系统22还可包含构造为将至少一个燃料流28选择 性地递送到燃料加工装置24的燃烧器或其它加热装置的任何合适结构。在一些实施方式 中，进料流26和燃料流28可以是被递送到燃料加工装置的不同部分的相同流。原料递送系 统可包括任何合适的递送机构，诸如用于推进流体流的容积式或其它合适的栗或机构。在 一些实施方式中，原料递送系统可构造为递送进料流26和/或燃料流28而无需使用栗和/ 或其它电动流体-递送机构。可与制氢装置20 -起使用的合适原料递送系统的例子包括 在以下中描述的原料递送系统：美国专利7, 470, 293和7, 601，302,以及美国专利申请公开 号2006/0090397。上述专利和专利申请的全部公开内容通过引用并入本文用于所有目的。
[0039] 进料流26可包括至少一个制氢流体30,其可包括一种或多种可被用作生产氢流 21的反应物的流体。例如，制氢流体可包括含碳原料，诸如至少一种烃和/或醇。合适的烃 的例子包括甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油等。合适的醇的例子包括甲醇、乙醇、多元 醇（诸如乙二醇和丙二醇）等。另外，制氢流体30可包括水，诸如当燃料加工装置经由蒸 汽重整和/或自热重整生成产品氢流时。当燃料加工装置24经由热解或催化部分氧化生 成产品氢流时，进料流26不含水。
[0040] 在一些实施方式中，原料递送系统22可构造为递送制氢流体30,所述制氢流体30 包含水和能与水混溶的含碳原料（诸如甲醇和/或另一种水溶性醇）的混合物。在这样的 流体流中水与流体流之比可根据一种或多种因素而变，诸如所用的具体含碳原料、用户喜 好、燃料加工装置的设计、生成产品氢流的燃料加工装置所用的机制等。例如，水与碳的摩 尔比可为约1:1到3:1。另外，水与甲醇的化合物可以1:1或接近1:1的摩尔比（31体积％ 的水，69体积％的甲醇）递送，而烃或其它醇的混合物可以大于1:1的水比碳摩尔比递送。
[0041] 当燃料加工装置24经由重整生成氢流21时，进料流26可包含，例如，约25~75 体积％的甲醇或乙醇（或者另一种合适的能与水混溶的含碳原料）和约25~75体积％的 水。对于