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公開番号2025071098
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-02
出願番号2025009955,2023513482
出願日2025-01-23,2021-08-27
発明の名称水素精製デバイス
出願人エレメント・ワン・コーポレーション
代理人個人,個人,個人
主分類C01B 3/50 20060101AFI20250424BHJP(無機化学)
要約【課題】水素精製デバイスおよびそれらの構成要素が開示される。
【解決手段】いくつかの実施形態において、デバイスは、第1のエンドフレームと第2のエンドフレームとの間に配置され、それらに結合された少なくとも1つの箔マイクロスクリーンアセンブリを含み得る。少なくとも1つの箔マイクロスクリーンアセンブリは、少なくとも1つの水素選択膜と、複数の流体通路を形成する複数のアパーチャを有する非多孔質平面シートを含む少なくとも1つのマイクロスクリーン構造とを含み得る。平面シートは、透過側に対する支持を提供するように構成された概ね対向する平面表面を含み得る。複数の流体通路は、対抗する表面間に延在し得る。少なくとも1つの水素選択膜は、少なくとも1つのマイクロスクリーン構造に冶金学的に接合され得る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１および第２のエンドフレームであって、
水素ガスと他のガスとを含む混合ガスストリームを受け取るように構成された入力ポートと、
前記混合ガスストリームよりも高い濃度の水素ガスおよび前記混合ガスストリームよりも低い濃度の前記他のガスのうちの少なくとも１つを含む透過ストリームを受け取るように構成された出力ポートと、
前記他のガスの少なくとも実質的な部分を含む副生成物ストリームを受け取るように構成された副生成物ポートと、
を含む、第１および第２のエンドフレームと、
前記第１のエンドフレームと前記第２のエンドフレームとの間に配置され、それらに固定された少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリであって、前記少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリが、
供給側と透過側とを有する少なくとも１つの水素選択膜であって、前記透過ストリームの少なくとも一部が前記供給側から前記透過側に通過する前記混合ガスストリームの一部から形成され、前記供給側に残る前記混合ガスストリームの残りの部分が前記副生成物ストリームの少なくとも一部を形成する、少なくとも１つの水素選択膜と、
複数の流体通路を形成する複数のアパーチャを有する非多孔質平面シートを含む少なくとも１つのマイクロスクリーン構造であって、前記複数のアパーチャの各アパーチャが長手方向軸を画定する長さを有し、複数の行の各行における前記複数のアパーチャのうちの前記アパーチャの前記長手方向軸が（１）互いに平行であり、かつ（２）前記複数の行のうちの隣接する行の前記複数のアパーチャのうちの前記アパーチャの前記長手方向軸と平行ではなく、かつ（３）前記複数の行のうちの隣接する行の前記複数のアパーチャのうちの前記アパーチャの前記長手方向軸に対して傾斜して配向されるように、前記複数のアパーチャが前記複数の行において前記非多孔質平面シート上に配置され、前記非多孔質平面シートが前記透過側に対する支持を提供するように構成された概ね対向する平面表面を含み、前記複数の流体通路が前記対向する表面間に延在し、前記少なくとも１つの水素選択膜が前記少なくとも１つのマイクロスクリーン構造に冶金学的に接合された、少なくとも１つのマイクロスクリーン構造と、
を含む、少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリと、
前記第１および第２のエンドフレームと前記少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリとの間に配置され、前記第１および第２のエンドフレームに固定された複数のフレームであって、前記複数のフレームの各フレームが開放領域を画定する周囲シェルを含む、複数のフレームと、
を備える水素精製デバイス。
続きを表示（約 2,300 文字）【請求項２】
前記非多孔質平面シートが、前記複数のアパーチャを有する２つ以上の別個の部分を含み、前記２つ以上の別個の部分の各別個の部分が、前記複数のアパーチャがない少なくとも１つの境界部分によって前記２つ以上の別個の部分のうちの隣接する別個の部分から離間されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの水素選択膜が、２つ以上の水素選択膜を含み、前記２つ以上の水素選択膜のうちの異なる水素選択膜が、前記２つ以上の別個の部分の各別個の部分に冶金学的に接合される、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記２つ以上の水素選択膜の各水素選択膜が、前記水素選択膜の周囲部分が前記複数のアパーチャを含まない前記非多孔質平面シートの１つまたは複数の部分と接触するように、対応する前記別個の部分よりも大きくサイズ決定される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記少なくとも１つの水素選択膜が、前記少なくとも１つのマイクロスクリーン構造に拡散接合される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
第１および第２のエンドフレームであって、
水素ガスと他のガスとを含む混合ガスストリームを受け取るように構成された入力ポートと、
前記混合ガスストリームよりも高い濃度の水素ガスおよび前記混合ガスストリームよりも低い濃度の前記他のガスのうちの少なくとも１つを含む透過ストリームを受け取るように構成された出力ポートと、
前記他のガスの少なくとも実質的な部分を含む副生成物ストリームを受け取るように構成された副生成物ポートと
を含む、第１および第２のエンドフレームと、
前記第１のエンドフレームと前記第２のエンドフレームとの間に配置され、それらに固定された少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリであって、前記少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリが、
供給側と透過側とを有する少なくとも１つの水素選択膜であって、前記透過ストリームの少なくとも一部が前記供給側から前記透過側に通過する前記混合ガスストリームの一部から形成され、前記供給側に残る前記混合ガスストリームの残りの部分が前記副生成物ストリームの少なくとも一部を形成する、少なくとも１つの水素選択膜と、
複数の流体通路を形成する複数のスタジアム形状のアパーチャを有する非多孔質平面シートを含む少なくとも１つのマイクロスクリーン構造であって、前記複数のスタジアム形状のアパーチャの各アパーチャが前記アパーチャの半径の１０倍以上の長さを有し、前記平面シートが前記透過側に対する支持を提供するように構成された概ね対向する平面表面を含み、前記複数の流体通路が前記対向する表面間に延在し、前記少なくとも１つの水素選択膜が前記少なくとも１つのマイクロスクリーン構造に冶金学的に接合された、少なくとも１つのマイクロスクリーン構造と、
を含む、少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリと、
前記第１および第２のエンドフレームと前記少なくとも１つの箔マイクロスクリーンアセンブリとの間に配置され、前記第１および第２のエンドフレームに固定された複数のフレームであって、前記複数のフレームの各フレームが開放領域を画定する周囲シェルを含む、複数のフレームと、
を備え、
前記非多孔質平面シートは長さおよび幅を有し、前記複数のスタジアム形状のアパーチャは、前記非多孔質平面シートの前記長さの実質的な部分に沿っておよび前記幅の実質的な部分に沿って配置され、前記複数のスタジアム形状のアパーチャの各アパーチャは、前記非多孔質平面シートの幅の少なくとも２５％の長さを有する水素精製デバイス。
【請求項７】
前記非多孔質平面シートが、長さと幅とを含み、前記複数のスタジアム形状のアパーチャが、前記非多孔質平面シートの前記長さの実質的な部分と前記幅の実質的な部分とに沿って配置される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記複数のスタジアム形状のアパーチャのうちの１つまたは複数のスタジアム形状のアパーチャが、前記非多孔質平面シートの前記幅の実質的な部分である長さを有する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記複数のスタジアム形状のアパーチャが、（１）複数の列の各列における前記複数のスタジアム形状のアパーチャのうちの前記スタジアム形状のアパーチャの長手方向軸が互いに平行であり、かつ前記複数の列のうちの隣接する列の前記複数のスタジアム形状のアパーチャのうちのスタジアム形状のアパーチャと平行であり、（２）前記複数の列の各列における各スタジアム形状のアパーチャの長さが前記複数の列のうちの隣接する列の１つまたは複数のスタジアム形状のアパーチャの長さとは異なるように、前記複数の列において前記非多孔質平面シート上に配置される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記非多孔質平面シートが、前記複数のスタジアム形状のアパーチャを有する２つ以上の別個の部分を含み、前記２つ以上の別個の部分の各別個の部分が、前記複数のスタジアム形状のアパーチャがない少なくとも１つの境界部分によって前記２つ以上の別個の部分のうちの隣接する別個の部分から離間されている、請求項６に記載のデバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2020年8月27に出願した「Hydrogen Purification Devices」と題する米国仮出願第63/071,139号の利益を主張するものである。本出願は、現在は放棄されている2012年8月30日に出願した「Hydrogen Generation Assemblies」と題する米国特許出願第13/600,096号の一部継続である、現在は米国特許第9,187,324号として発行されている2013年3月14日に出願した「Hydrogen Generation Assemblies and Hydrogen Purification Devices」と題する米国特許出願第13/829,766号の分割である、現在は米国特許9,616,389号として発行されている2015年11月3日に出願した「Hydrogen Generation Assemblies and Hydrogen Purification Devices」と題する米国特許出願第14/931,585号の継続である、現在は米国特許第10,166,506号として発行されている2017年4月10日に出願した「Hydrogen Generation Assemblies and Hydrogen Purification Devices」と題する米国特許出願第15/483,265号の一部継続出願である、現在は米国特許第10,717,040号として発行されている2018年1月4日に出願した「Hydrogen Purification Devices」と題する米国特許出願第15/862,474号の分割出願である、2020年6月18日に出願した「Hydrogen Purification Devices」と題する米国特許出願第16/904,872号の一部継続でもある。上記の出願の完全な開示は、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
水素発生アセンブリは、1つまたは複数の原料を、水素ガスを主成分として含む生成物ストリームに変換するアセンブリである。原料は、炭素含有原料を含み得、いくつかの実施形態において、水も含み得る。原料は、原料送達システムから水素発生アセンブリの水素生成領域に送達され、典型的には、圧力下および高温で送達される。水素生成領域は、しばしば、水素ガスを効果的に生成するための適切な温度範囲内に水素生成領域を維持するために、1つまたは複数の燃料ストリームを消費する加熱アセンブリまたは冷却アセンブリなどの温度調整アセンブリに関連付けられる。水素発生アセンブリは、水蒸気改質、自己熱改質、熱分解、および/または触媒部分酸化などの任意の適切なメカニズムを介して水素ガスを発生させ得る。
【０００３】
しかしながら、発生または生成された水素ガスは、不純物を有し得る。そのガスは、水素ガスと他のガスとを含む混合ガスストリームと呼ばれる場合がある。混合ガスストリームを使用する前に、他のガスの少なくとも一部を除去するなど、精製される必要がある。したがって、水素発生アセンブリは、混合ガスストリームの水素純度を高めるための水素精製デバイスを含み得る。水素精製デバイスは、混合ガスストリームを生成物ストリームと副生成物ストリームとに分離するために少なくとも1つの水素選択膜を含み得る。生成物ストリームは、混合ガスストリームからのより高い濃度の水素ガスおよび/または低減された濃度の1つまたは複数の他のガスを含む。1つまたは複数の水素選択膜を使用する水素精製は、1つまたは複数の水素選択膜が圧力容器内に含まれる圧力駆動分離プロセスである。混合ガスストリームは、膜の混合ガス表面と接触し、生成物ストリームは、膜を透過する混合ガスストリームの少なくとも一部から形成される。圧力容器は、典型的には、画定された入口ポートおよび出口ポートまたは導管を通らない限り、ガスが圧力容器に出入りするのを防止するために密閉される。
【０００４】
生成物ストリームは、様々な用途において使用され得る。1つのそのような用途は、電気化学燃料電池などのエネルギー生産である。電気化学燃料電池は、燃料と、酸化剤とを、電気と、反応生成物と、熱とに変換するデバイスである。例えば、燃料電池は、水素と、酸素とを、水と、電気とに変換し得る。それらの燃料電池において、水素は、燃料であり、酸素は、酸化剤であり、水は、反応生成物である。燃料電池スタックは、複数の燃料電池を含み、エネルギー生成アセンブリを提供するために、水素発生アセンブリと共に利用され得る。
【０００５】
水素発生アセンブリ、水素処理アセンブリ、および/またはそれらのアセンブリの構成要素の例は、米国特許第5,861,137号、米国特許第6,319,306号、米国特許第6,494,937号、米国特許第6,562,111号、米国特許第7,063,047号、米国特許第7,306,868号、米国特許第7,470,293号、米国特許第7,601,302号、米国特許第7,632,322号、米国特許第8,961,627号、ならびに米国特許出願公開第2006/0090397号、米国特許出願公開第2006/0272212号、米国特許出願公開第2007/0266631号、米国特許出願公開第2007/0274904号、米国特許出願公開第2008/0085434号、米国特許出願公開第2008/0138678号、米国特許出願公開第2008/0230039号、および米国特許出願公開第2010/0064887号において記載されている。
【０００６】
上記の特許および特許出願公開の完全な開示は、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
米国特許第5,861,137号明細書
米国特許第6,319,306号明細書
米国特許第6,494,937号明細書
米国特許第6,562,111号明細書
米国特許第7,063,047号明細書
米国特許第7,306,868号明細書
米国特許第7,470,293号明細書
米国特許第7,601,302号明細書
米国特許第7,632,322号明細書
米国特許第8,961,627号明細書
米国特許出願公開第2006/0090397号明細書
米国特許出願公開第2006/0272212号明細書
米国特許出願公開第2007/0266631号明細書
米国特許出願公開第2007/0274904号明細書
米国特許出願公開第2008/0085434号明細書
米国特許出願公開第2008/0138678号明細書
米国特許出願公開第2008/0230039号明細書
米国特許出願公開第2010/0064887号明細書
米国特許第5,997,594号明細書
米国特許第6,221,117号明細書
米国特許第6,537,352号明細書
米国特許第6,152,995号明細書
【図面の簡単な説明】
【０００８】
水素発生アセンブリの一例の概略図である。
図1の水素発生アセンブリの一例の概略図である。
図1の水素発生アセンブリの水素精製デバイスの概略図である。
図3の水素精製デバイスの一例の分解等角図である。
図3の水素精製デバイスの箔マイクロスクリーンアセンブリの一例の上面図である。
図5の箔マイクロスクリーンアセンブリのマイクロスクリーン構造の一例の上面図である。
アパーチャの別の例を有する図6のマイクロスクリーン構造の部分図である。
アパーチャの追加の例を有する図6のマイクロスクリーン構造の部分図である。
アパーチャのさらなる例を有する図6のマイクロスクリーン構造の部分図である。
アパーチャのさらに別の例を有する図6のマイクロスクリーン構造の部分図である。
図3の水素精製デバイスの箔マイクロスクリーンアセンブリの追加の例の上面図である。
図11の箔マイクロスクリーンアセンブリのマイクロスクリーン構造の一例の上面図である。
図3の水素精製デバイスの箔マイクロスクリーンアセンブリの別の例の上面図である。
図3の水素精製デバイスの箔マイクロスクリーンアセンブリのさらなる例の上面図である。
図3の水素精製デバイスの別の例の分解等角図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図1は、水素発生アセンブリ20の一例を示す。特に除外されない限り、水素発生アセンブリ20は、本開示において説明する他の水素発生アセンブリの1つまたは複数の構成要素を含み得る。水素発生アセンブリは、生成物水素ストリーム21を発生するように構成された任意の適切な構造を含み得る。例えば、水素発生アセンブリは、原料送達システム22と、燃料処理アセンブリ24とを含み得る。原料送達システムは、少なくとも1つの供給ストリーム26を燃料処理アセンブリに選択的に送達するように構成された任意の適切な構造を含み得る。
【００１０】
いくつかの実施形態において、原料送達システム22は、少なくとも1つの燃料ストリーム28を燃料処理アセンブリ24のバーナまたは他の加熱アセンブリに選択的に送達するように構成された任意の適切な構造をさらに含み得る。いくつかの実施形態において、供給ストリーム26および燃料ストリーム28は、燃料処理アセンブリの異なる部分に送達される同じストリームであり得る。原料送達システムは、流体ストリームを推進するための容積式または他の適切なポンプまたは機構などの、任意の適切な送達機構を含み得る。いくつかの実施形態において、原料送達システムは、ポンプおよび/または他の電動流体送達メカニズムの使用を必要とすることなく、供給ストリーム26および/または燃料ストリーム28を送達するように構成され得る。水素発生アセンブリ20と共に使用され得る適切な原料送達システムの例は、米国特許第7,470,293号および米国特許第7,601,302号と、米国特許出願公開第2006/0090397号とに記載された原料送達システムを含む。上記の特許および特許出願の完全な開示は、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
（【００１１】以降は省略されています）

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