(57)【要約】スィープ膜分離器は、選択されたガスに対して選択的透過性の膜を有し、その膜は未透過物側と透過物側を有する。選択されたガスを含む混合ガスストリームはスィープ膜分離器に入り、膜の未透過物側と接触する。選択されたガスの少なくとも一部は混合ガスストリームから分離し、そして膜の透過物側に向かって膜を通過する。分離されたガスが除かれた混合ガスストリームはスィープ膜分離器から出る。高圧のスィープガスがスィープ膜分離器に入り、そして選択されたガスを膜の透過物側から掃引する。スィープガスと選択されたガスの混合物はスィープ膜分離器から高圧で出る。従って、スィープ膜分離器はガス混合物から選択されたガスを分離し、そしてその選択されたガスを加圧する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
未透過物側と透過物側を有し、選択されたガスに対して選択的透過性の膜；
スィープ膜分離器に入り、そして膜の未透過物側と接触する、選択されたガスを含む混合ガスストリーム；
混合ガスストリームから分離し、そして膜の透過物側に向かって膜を通過する、選択されたガスの少なくとも一部分；
分離されたガスが除かれ、スィープ膜分離器から出る混合ガスストリーム；
スィープ膜分離器に入り、そして選択されたガスを膜の透過物側から掃引する、高圧のスィープガス；および
スィープ膜分離器から高圧で出るスィープガスと選択されたガスの混合物；
を含み、
かかる構成によってガス混合物から選択されたガスを分離し、そしてその選択されたガスを加圧する、スィープ膜分離器。
【請求項２】
前記選択されたガスは水素である、請求項１に記載のスィープ膜分離器。
【請求項３】
前記スィープガスは蒸気である、請求項１に記載のスィープ膜分離器。
【請求項４】
前記混合ガスストリームは炭化水素燃料処理システムにおける改質油である、請求項１に記載のスィープ膜分離器。
【請求項５】
２００〜５００ｐｓｉｇおよび２００〜５００℃で作動する水素化脱硫反応器；
２００〜５００ｐｓｉｇおよび２００〜４００℃で作動する硫黄化合物吸収反応器；
硫黄含有物質を含む炭化水素燃料の供給物；および
水素化脱硫反応器の作動圧力と同等かまたはそれよりも高い圧力の水素の供給物；
を含む、燃料予備処理システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料予備処理システムであって、ここで生成する清浄な燃料は凝縮されずに改質器へ送られる燃料予備処理システム；
燃料予備処理システムに水素を供給するためのスィープ分離器；
改質反応器；
改質器に供給するための一次水気化器；および
スィープ分離器に供給するための二次水気化器；
を含む、燃料処理装置。
【請求項７】
改質のための熱を与えるためのバーナーが前記改質反応器に設けられている、請求項６に記載の燃料処理装置。
【請求項８】
前記バーナーは、過剰量の改質油または水素化脱硫プロセスからのオフガスによって作動する、請求項７に記載の燃料処理装置。
【請求項９】
前記改質反応器はマイクロ技術タイプの反応器である、請求項６に記載の燃料処理装置。
【請求項１０】
前記改質反応器は、燃焼ガスから高い熱伝達量が得られるように設計されている、請求項６に記載の燃料処理装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の燃料予備処理システムであって、ここで生成する清浄な燃料は燃料凝縮器へ送られ、そこで非凝縮性のガスから清浄な燃料が除去される燃料予備処理システム；
改質反応器；
改質反応のための熱を供給するためにバーナーへ送られる、清浄な燃料の凝縮器からの非凝縮性のガス；および
運転のために改質反応器に供給される、清浄な凝縮された燃料の一部；
を含む、燃料処理装置。
【請求項１２】
改質反応器；
請求項５に記載の燃料予備処理システムであって、ここで生成する清浄な燃料のある部分は凝縮されずに改質器へ送られ、そして生成する清浄な燃料のある部分は貯蔵または分配のために燃料凝縮器へ送られる燃料予備処理システム；および
燃料予備処理システムに水素を供給するためのスィープ分離器；
を含む、燃料処理装置。
【請求項１３】
改質反応器；および
改質を行う前に供給原料の水素含有量を増大させるために用いられる、請求項１に記載のスィープ膜分離器；
を含む、前記燃料処理装置。
【請求項１４】
燃料改質油を生成する炭化水素燃料用の改質器を含み、また請求項１に記載のスィープ膜分離器を含み、そして改質油をスィープ膜分離器から固体酸化物燃料電池へ直接送る、固体酸化物燃料電池のための燃料処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概して言えば、膜分離器および燃料処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]炭化水素燃料の処理の分野においては、有機硫黄成分とその他の汚染物質を低減するための効率のよい方法に対する必要性が存在する。新たな脱硫方法に対する必要性の例としては発電を挙げることができる。一つの有望な技術は燃料電池であり、それは低熱特性を有する静かな電源を与えることができる。しかし、大部分の燃料電池は、燃料として水素または水素富化ガス混合物を必要とする。貯蔵された水素ガスを提供することを除いて、水素を供給する主な手段は、炭化水素燃料を改質（リフォーミング）することによるものである。液体燃料とガス燃料の両方を改質することができるが、より複雑な分子と含有されている汚染物質のために、典型的には液体燃料の方が困難である。
【０００３】
[0003]液体を燃料とする燃料電池システムに投入される燃料は一般に、特定の汚染物質を含んでいないことを必要とし、最も問題となるのは硫黄である。しかし、液体の炭化水素燃料は一般に、燃料電池において直接用いるには高すぎるレベルの硫黄を含有する。例えば、典型的な軍用および航空用の燃料の仕様として、ＪＰ８、ＪＰ５およびＪｅｔ-Ａにおいて３０００ｐｐｍまでが許容されている。これらは全て一般的な航空機用燃料であるが、最初の二つはもっぱら軍用の燃料である。米国におけるガソリン燃料、ディーゼル燃料および暖房用燃料はもっと低い硫黄限度（１５ｐｐｍｗ）を有する。しかしこれらの許容された典型的な硫黄限度は、大部分の改質技術を含めて、燃料電池システムに許容される限度よりもなお高い。
【０００４】
[0004]液体炭化水素の供給原料から硫黄を除去するための現行の技術には水素化脱硫（ＨＤＳ）があり、これは商業界で周知の技術である。最も一般的には、ＨＤＳはカスケード式反応器または散水ろ床反応器の中で液体炭化水素燃料に通される高圧の水素ガスを用いて行われる。別の発明として、バテル・メモリアル・インスティチュート（Battelle Memorial Institute）が開発したＨＤＳシステムにおいては、高い分圧の水素を含む水素含有ガス状混合物を気化した原燃料と混合し、そしてこれを選択性触媒と接触させる（米国特許出願２００９／００３５６２２Ａ１号（２００９年２月５日発行、これは参考文献として本明細書に取り込まれる）を参照されたい）。両システムにおいては、次に燃料中の硫黄が水素と結合し、それ自体が燃料から除去され、そして主としてガス状硫化水素となる。次いで、硫化水素を他の手段によって吸収または除去することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開２００９／００３５６２２Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0005]ＨＤＳシステムおよびその他の用途において用いるために、水素を高圧で供給するための改良された装置に対する必要性が存在する。また、そのような装置を含む改良された燃料処理システムに対する必要性も存在する。最も一般的には、多くの異なる用途のために加圧されたガスを供給するための改良された装置に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0006]スィープ膜分離器（sweep membrane separator）は選択されたガスに対して選択的透過性の膜を有し、その膜は未透過物側（retentate side）と透過物側（permeate side）を有する。選択されたガスを含む混合ガスストリームはスィープ膜分離器に入り、膜の未透過物側と接触する。選択されたガスの少なくとも一部は混合ガスストリームから分離し、そして膜の透過物側に向かって膜を通過する。分離されたガスが除かれた混合ガスストリームはスィープ膜分離器から出る。高圧のスィープガスがスィープ膜分離器に入り、そして選択されたガスを膜の透過物側から掃引する。スィープガスと選択されたガスの混合物はスィープ膜分離器から高圧で出る。従って、スィープ膜分離器はガス混合物から選択されたガスを分離し、そしてその選択されたガスを加圧する。特定の態様において、スィープガスは蒸気であり、そして選択されたガスは水素である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0007]図１は高純度の水素を燃料電池スタックに供給するために用いることのできる燃料処理システムの概略図であり、このシステムは本明細書で説明する幾つかの改良された特徴を有するが、しかし水素をＨＤＳシステムに供給するためのスィープ膜分離器を含んでいない。
【図２】[0008]図２は本発明に係るスィープ膜分離器を含む燃料処理システムの概略図である。このシステムにおいて、燃料は改質器に入る前に凝縮されない。
【図３】[0009]図３は本発明に係るスィープ膜分離器を含む別の燃料処理システムの概略図である。このシステムにおいて、燃料は凝縮され、次いで、通常の運転のために改質器に供給される。
【図４】[0010]図４は本発明に係るスィープ膜分離器を含む固体酸化物燃料電池用燃料処理システムの概略図であり、大型の膜分離器または水−ガスシフト反応器を含んでいない。
【図５】[0011]図５は本発明に係る運転中のスィープ膜分離器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0012]本発明は、燃料処理システムにおけるＨＤＳ反応器において用いるために水素を高圧で供給することなど、多くの様々な用途のための加圧ガスを供給するのに適したスィープ膜分離器に関する。本発明はまた、スィープ膜分離器を含む燃料処理システムの様々な態様に関する。本発明は、ＰＥＭ（プロトン交換膜）、ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池またはアルカリ燃料電池など、あらゆる異なるタイプの燃料電池とともに用いることができる。
【００１０】
[0013]本発明はさらに、スィープ膜分離器を含まない燃料処理システムの様々な特徴に関する。例えば、図１は高純度の水素を燃料電池スタックに供給するために用いることのできる燃料処理システムについての基本的なシステムの概略を示す。図１に示される特徴の幾つかの例としては下記を挙げることができる。
−  改質油（reformate）の後流（slipstream）はシフト反応器に入る前にＨＤＳシステムへ送られる。
−  水はＨＤＳシステムに入る前に改質油から凝縮される。改質油は凝縮器を経た後に高温に回復（復熱）される。
−  ＨＤＳシステムから出た燃料はＺｎＯ層を通過し、ここで大部分の硫黄種が除去されるが、しかし、改質油の中にＣＯとＣＯ２が存在するためにＨＤＳ反応によって生じる可能性のある副生物である硫黄カルボニル（ＣＯＳ）は除去されないかもしれない。
−  ＨＤＳシステムとＺｎＯ層を通過した後、清浄な燃料は改質器に供給される前に凝縮される。
−  示された態様において、凝縮された燃料は改質器によって将来使用するために清浄な燃料の貯蔵タンクに移されるが、しかし、あるいはそれは改質器へ直ちに送られてもよい。
【００１１】
[0014]図１に示すものと同類の燃料処理システムの例において、このシステムは清浄で脱硫された燃料を生成することができ、次いで、この燃料は燃料電池への供給と気相水素化脱硫を用いて高硫黄原燃料を浄化することの両方のためのシステムにおいて用いられる。ＨＤＳ反応器のための運転条件の例は約２８０ｐｓｉｇおよび３８０℃である。これらの条件はＺｎＯ層についても用いることができるが、しかしそれよりもわずかに低い温度が好ましいかもしれない。典型的に、ＺｎＯ層から出た高温の燃料と水素の混合物は、凝縮器へ送られる前に別の低温ストリーム（図示せず）を予熱するために復熱されるだろう。ＨＤＳプロセスにおいて消費されなかった改質油は凝縮器において分離され、そして残留する化学エネルギーを利用するために蒸気改質器のための燃焼器へ送られる。図１においては燃料を脱硫するために改質油が用いられるので、清浄な燃料は改質器への供給物よりも低い圧力になっていなければならず、またその燃料を凝縮してポンプで給送する方が、高温の燃料と改質油の混合物を圧縮してそれを改質器へ直接供給することを試みるよりも効率がよい。
【００１２】
[0015]図２は図１に示すものと類似する燃料処理システムを示すが、しかし本発明に係るスィープ膜分離器（この図においては「スィープ分離器」と表示されている）をさらに含む。このシステムにおいては、改質器に入る前に清浄な燃料を凝縮する必要はない。この簡便化された特徴は、スィープ分離器を含めることによってＨＤＳシステムを改質器よりも高圧で運転することができるので、利用可能である。図２に示される特徴点の幾つかの例としては下記を挙げることができる。
−  燃料凝縮器および関連する機器は、それらが必須でないことを示すために点線で示されている。典型的に、この機器は清浄な液体燃料を製造し、起動を支援するための完成されたシステムの中に組み込まれてもよいが、しかしこの機器は通常の運転のためには不必要であり、もし組み込む場合には、少量の燃料を製造するためにだけ必要なものであるため、実質的に小さくすることができる。
−  第二の水分気化器であって、より小さいものが付加されている。
−  第二の膜分離器（スィープ分離器）であって、より小さいものが付加されている。
−  蒸気過熱器から出た改質油は最初にスィープ分離器へ送られ、次いで、水−ガスシフト反応器を通過し、次に図１において存在するものと同じ膜へ送られる。
−  蒸気は小さな気化器から小さな膜分離器の水素側へ送られ、そこで水素が捕捉され、ＨＤＳ蒸気凝縮器へ送られる。そこで、水は大部分が凝縮してシステムから出て、ＨＤＳ反応器へ向かう蒸気の中には高圧の水素だけが残る。
【００１３】
[0016]この方法の利益の幾つかの例としては以下のことがある。
−  このＨＤＳシステムは改質器よりも高い圧力で運転することができる。その理由は、その圧力が小さなＨＤＳ分離器を通る水の流れによって決定され、そしてその圧力は改質油の圧力に依存しないからである。
−  清浄な燃料を凝縮することなく改質器へ送ることができる。すでに示したように、清浄な燃料と水素の混合物が改質器へ直接送られる場合、改質器の圧力とＨＤＳの圧力はラインの圧力降下に関連する。
−  脱硫のために用いられる過剰な水素は燃焼によって「浪費」されず、それは燃料電池において用いるための高圧の流れへ戻される。
−  改質器に入るときに気化した燃料と混合される水素により、炭素が形成する可能性が低下する。
−  ＨＤＳ反応器の供給ストリームの中にＣＯ２とＣＯが存在しないので、ＣＯＳが形成される可能性は最小限である。
−  最初の膜に続くシフト反応器は改質油から除去される水素を補充するために用いられ、そのため他のシステムと比較して全体的な水素の製造量が良好となる。
−  高純度の水素を使用することにより、改質油を用いて処理され得るよりも困難な燃料（例えば、ディーゼル燃料、海軍用燃料）を処理することが可能になる。
−  高純度の水素を使用することにより、幾つかの芳香環構造を水素化および破壊することによって燃料の組成を有益に変化し得る。
−  燃料がＨＤＳシステム（ＺｎＯ層）から改質器へ直接送られる場合、これらの利益はＰＥＭ、ＳＯＦＣまたはその他の燃料電池システムのいずれかに適用される。ＺｎＯ層の後に燃料が凝縮される場合について、上の第二、第三および第四の利益はいずれのシステムにも適用されない。
【００１４】
[0017]図３は本発明に係るスィープ膜分離器を含む別の燃料処理システムを示す。このシステムにおいて、燃料は凝縮され、次いで、起動させるためだけではなく、通常の運転のための燃料電池へ供給される。すなわち、凝縮された燃料のモードで燃料電池のシステムを運転することができる。このようなやり方は、起動と停止が頻繁に行われるシステムに適しているだろう。それは、清浄で脱硫された燃料が他の用途のために必要であり、そのため燃料電池のシステムが電力を生産するためだけではなく他の用途のために清浄な燃料を供給するために用いられる場合にも有用であろう。
【００１５】
[0018]図４は固体酸化物燃料電池用の燃料処理システムを示し、本発明に係るスィープ膜分離器を含むものである。図１〜３に示すシステムと対比して、このシステムは大型の膜分離器または水−ガスシフト反応器を含んでいない。その代わり、改質油はスィープ分離器から制御弁を介してＳＯＦＣスタックへ直接送られる。図４は、燃料が改質器へ送られる前に凝縮されないが、しかしこのようなシステムは図３に類似するやり方で運転することもできて、このとき、燃料は凝縮され、次に改質器へポンプで給送されることを示している。
【００１６】
[0019]本発明のさらなる態様を以下で説明するが、それらの幾つかのものは上記の図面の１つ以上において例示されている。
[0020]本発明は以下の要素を含む燃料予備処理システムに関する。
−  ２００〜５００ｐｓｉｇおよび２００〜５００℃で作動する水素化脱硫（ＨＤＳ）反応器、
−  ２００〜５００ｐｓｉｇおよび２００〜４００℃で作動する硫黄化合物吸収反応器、
−  硫黄含有物質（例えば、ベンゾチオフェン）を含む可能性のある炭化水素燃料の供給、および
−  ＨＤＳ作動圧力と同等かまたはそれよりも高い圧力の水素の供給。
【００１７】
[0021]上記の燃料予備処理システムは、特定の態様において以下の特徴のうちの１つ以上を含んでいてもよい。
ａ．硫黄化合物吸収反応器は酸化亜鉛を含む。
ｂ．ＨＤＳ反応器は当産業において公知の選択性脱硫触媒を含む。
ｃ．炭化水素燃料と水素はＨＤＳ反応器の前に混合される。
ｄ．産生ストリームは、清浄な燃料、水素、およびおそらくは部分的に水素化した燃料または原燃料からの二次分解化合物のような二次的な化合物の混合物である。
【００１８】
[0022]本発明は以下の要素を含む燃料処理装置に関する。
−  上記の燃料予備処理装置。生成する清浄な燃料は凝縮されずに改質器へ送られる。
−  改質反応器
−  改質器に供給するための一次水気化器（蒸気発生器）
−  スィープ分離器に供給するための二次水気化器（蒸気発生器）
−  上記の燃料予備処理装置に水素を供給するためのスィープ分離器。
【００１９】
[0023]上記の燃料処理装置は、特定の態様において以下の特徴のうちの１つ以上を含んでいてもよい。
ａ．改質のための熱を与えるためのバーナーが改質反応器に設けられ、このバーナーは過剰量の改質油、ＨＤＳプロセスからのオフガス、またはその他の供給源によって作動する。
ｂ．改質反応器はマイクロ技術（microtech）タイプの反応器である。
ｃ．改質反応器は燃焼ガスから高い熱伝達量が得られるように設計されている。
ｄ．第一および第二の気化器は異なるサイズのものである。
ｅ．第一および第二の気化器は燃焼ガスから高い熱伝達量が得られるように設計されている。
ｆ．第一および第二の気化器は改質反応器の（燃焼ガスにおける）下流に配置されている。
ｇ．スィープ分離器から出た改質油は燃料電池（例えば、ＳＯＦＣまたは高温ＰＥＭ）に直接供給される。
ｈ．燃料処理装置はスィープ分離器の後に水−ガスシフト反応器を有する。
ｉ．燃料処理装置はシフト反応器の後に主分離器を有する。
ｊ．膜分離器で生成する水素は燃料電池（ＰＥＭ、ＳＯＦＣまたはその他のタイプのもの）へ送られる。
ｋ．膜分離器で生成する未透過物（retentate）は、改質のための熱を与えるためにバーナーへ送られる。
ｌ．蒸発した燃料はスィープガスとして使用される。
ｍ．燃料処理装置は起動のためにシステムを加熱するために第二のバーナーを有する。
【００２０】
[0024]本発明は以下の要素を含む燃料処理装置に関する。
−  上記の燃料予備処理装置。予備処理装置の生成物は燃料凝縮器へ送られ、そこで非凝縮性のガスから清浄な燃料が除去される、
−  改質反応器、
−  改質反応のための熱を供給するためにバーナーへ送られる、清浄な燃料の凝縮器からの非凝縮性のガス、
−  （起動または通常の）運転のために改質器に供給される、清浄な凝縮された燃料の一部、
−  他のデバイスにおいて用いるために別のデバイスまたは貯蔵位置に供給される場合がある、清浄な燃料の一部。
【００２１】
[0025]本発明は以下の要素を含む燃料処理装置に関する。
−  上記の燃料予備処理装置。生成する清浄な燃料のある部分は凝縮されずに改質器へ送られ、そして生成する清浄な燃料のある部分は貯蔵または分配のために燃料凝縮器へ送られる、
−  改質反応器、および
−  燃料予備処理装置に水素を供給するためのスィープ分離器。
【００２２】
[0026]本発明は水素化脱硫反応器と改質反応器を有する燃料処理装置に関し、この燃料処理装置は、凝縮されない清浄な燃料が改質反応器へ直接供給されるように水素化脱硫反応器よりも低い圧力で運転される。特定の態様において、燃料処理装置は１５０〜３００ｐｓｉｇの圧力で運転される。
【００２３】
[0027]本発明はまた、改質反応器とスィープ膜分離器を有する燃料処理装置に関し、スィープ膜分離器は、改質を行う前に供給原料の水素含有量を増大させるために用いられる。幾つかの態様において、スィープ膜分離器の使用は触媒の寿命と性能に有益な影響を及ぼす。
【００２４】
[0028]ここで図５と以下の段落を参照して、スィープ膜分離器とその機能をさらに詳しく説明する。背景技術の項で述べたように、バテル（Battelle）は改質油（reformate）などの水素を含有するガス混合物を用いて作動するＨＤＳシステムを開発した。この新たに開発されたＨＤＳシステムは混合ガスを用いて作動するが、このシステムは供給原料中での水素の高い分圧を必要とする。水素を適当な圧力で得ることができるのであれば、ほぼ水素からなるガスストリームを使用することによって、このようなシステムの性能をさらに向上させることができることを我々は見いだした。ＨＤＳシステムやその他の用途において用いるために水素を高い圧力で供給するために、スィープ膜分離器を用いることができる。
【００２５】
[0029]改質油の代わりに純粋な水素をＨＤＳシステムに供給することができることにより、システムの構成は著しく単純になり、また脱硫プロセスの効率が増大する。また、改質油の代わりに水素をＨＤＳシステムに供給すると、改質油の圧力をＨＤＳの圧力とは比較的に独立して制御することができ、２つのシステムを部分的に切り離し、そして制御の複雑さを低減することができる。
【００２６】
[0030]図５に示すように、スィープ膜分離器は任意の適当な設計を有する外側のハウジングを有し、これは分離器の操作に関連する圧力に耐えられるように構成されている。スィープ膜分離器はまた、ハウジングの内部を貫いて延びていてこれを２つの側に分割している膜を有する。それら２つの側を、以下では未透過物側（retentate side）（図５における左側）と透過物側（permeate side）（右側）と言う。膜は特定の用途に応じて水素またはその他の選択されたガスに対して選択的透過性である。図示されている膜は、未透過物側から透過物側に膜を横切って水素分子を選択的に透過させる。水素に対して選択的透過性の膜は、パラジウム合金またはその他の適当な材料から製造することができる。膜は、この膜を通して水素を所望の速度で拡散させるのに十分な表面積を有する。
【００２７】
[0031]操作において、水素またはその他の選択されたガスを含む混合ガスストリームはスィープ膜分離器に入り、膜の未透過物側と接触する。例えば、スィープ膜分離器が燃料処理システムにおいて用いられる場合、混合ガスストリームは改質油であってもよい。膜は、膜を横切って透過物側に水素を選択的に透過させる。水素の少なくとも一部は混合ガスストリームから分離し、そして透過物側に向かって膜を通過する。
【００２８】
[0032]水素の透過速度は膜を横切っての分圧の差に比例するので、水素は未透過物側よりも低い分圧で透過物側から取り出される。特定の態様において、透過物側での水素の圧力は未透過物側での水素の分圧の１／２０から１／１００である。例えば、混合ガスストリームが改質油であって、これがスィープ膜分離器の未透過物側に３００ｐｓｉｇで入る場合、膜を通過した水素は透過物側で約５〜１５ｐｓｉｇの圧力になるだろう。
【００２９】
[0033]上で説明したように、ＨＤＳシステムは運転するために水素の高い圧力、例えば約２７０ｐｓｉｇ以上の水素圧力を必要とする。ＨＤＳシステムまたはその他の用途において用いるための水素を高い圧力で製造するために、スィープ膜分離器がこれの膜を通過した水素の圧力を増大させる。これは高圧のスィープガスを用いることによって達成され、このスィープガスはスィープ膜分離器に入って膜の透過物側から水素を掃引し、それによって水素が圧縮される。特定の態様において、水素の圧力を約２００ｐｓｉｇ以上の圧力まで増大させることができ、好ましくは約２５０ｐｓｉｇ以上の圧力まで増大させることができる。例えば、わずかに４０％の水素を含む３００ｐｓｉｇの改質油ストリーム（改質油中の水素の分圧は約１２０ｐｓｉｇ）から抜き取る場合、水素を２５０ｐｓｉｇ以上の圧力で製造することができることを我々は見いだした。
【００３０】
[0034]スィープガスが透過物側から水素をスィープするので、膜の透過物側での絶対圧力が未透過物側での絶対圧力よりも高い場合であっても、膜を横切って水素を移動させる水素の分圧の差は存在し続ける。
【００３１】
[0035]スィープ膜分離器とともに任意の適当なスィープガスを用いることができる。例えば、例示された態様においてはスィープガスとして蒸気を用いる。しかし、その他の凝縮性ガス（例えば、冷媒や伝熱性流体）を含めて、水素から容易に分離されるその他のガスも用いることができる。一つの可能性のある態様において、スィープガスとして、気化した燃料が単独で、あるいは別のキャリヤーガスと組み合わせて用いられる。
【００３２】
[0036]例示された態様において、蒸気と水素の混合物が膜分離器から出て、次にこれを冷却することができ、水は凝縮されて除去され、そして水素は硫黄含有燃料と混合される前に再加熱され、それにより高純度の水素と硫黄含有燃料のストリームがＨＤＳシステムに供給される。水凝縮器の温度を調節することによってＨＤＳシステムの中に幾分かの水を存在させることができ、これは反応を助けるのに有益であるかもしれないが、あるいは有益ではないかもしれない。
【００３３】
[0037]要するに、脱硫プロセスに水素を供給するために、蒸気スィープ膜分離器において水素選択性の膜を用いる。この方法においては、膜分離器から水素を掃引するために蒸気を用い、次いで、水の幾分かあるいは全てを凝縮させることによって改質油における水素の分圧よりも高い圧力で水素を供給し、従って、蒸気の流れの速度によって調節できる速度で脱硫プロセスに高純度の水素を供給する。結局のところ、所定の圧力における未透過物側での所定の量の水素に対する透過物側での水素の流量を決定するために、水の流量が用いられる。
【００３４】
[0038]このスィープ膜分離器は自動車、化学およびエネルギーなどの分野での多くの様々な用途において用いることができる。例えば、燃料電池システムにおいてこの分離器を用いると、システムを単純にし、またそのサイズを小さくすることができる。この方法は、他の技術を用いては達成できない小さくて緻密な構成において重い燃料を処理できる可能性を有する。スィープ膜分離器によって製造される加圧された水素は、上述したＨＤＳシステムにおいて有益に用いられる。高温で運転される燃料電池にも加圧された水素を直接供給することができる。
【００３５】
[0039]スィープ膜分離器について詳しく説明したが、もっと一般的には、この発明は機械的な圧縮装置を用いることなく水素を圧縮する方法を提供する。この方法は、水素を供給することと、この水素を圧縮するためにガス状のスィープストリームを用いることを含む。特定の態様において、スィープストリームは加圧された蒸気を含む。この方法は蒸気スィープ膜分離器に関して実施することができるが、しかし他の手段においても実施することができる。
【図１】
2014531386.tif 000002
【図２】
2014531386.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2014531386.tif 000007
2014531386.tif 000008
2014531386.tif 000009
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