CN110650788B - 用于制造膜片载体结构部件的方法和用于分离氢气的膜片载体结构部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造膜片载体结构部件的方法，所述膜片载体结构部件带有由烧结金属构成的膜片载体，所述膜片载体具有膜片层，所述方法至少包括如下步骤：a.提供由多孔的烧结金属构造的带有如下表面的面式的或管形的膜片载体，所述表面设置成用于以所述膜片层来涂覆；b.提供用于将所述膜片载体连结到引导气体的管路处的金属的连接元件；c.将膜片载体和连接元件利用焊缝连接成所述膜片载体结构部件并且形成在焊缝与膜片载体之间的第一连接区以及在焊缝与连接元件之间的第二连接区；d.将金属层布置在所述表面和所述焊缝上，从而使得所述金属层至少覆盖所述第一连接区；e.将所述金属层至少与所述表面和所述焊缝材料配合地连接。

Description

用于制造膜片载体结构部件的方法和用于分离氢气的膜片载 体结构部件

技术领域

本发明涉及一种用于制造膜片载体结构部件的方法和一种用于将氢气从含有氢气的气体混合物中透过地（permeativen）脱离的膜片载体结构部件。所述膜片载体结构部件包括由多孔的烧结金属构成的膜片载体，其能够经由金属的连接元件连结到反应器处。

背景技术

由WO 2010/115562 A1已知这样的、在那儿被称为膜片管的膜片载体结构部件。所述膜片管包括由烧结金属构成的带有含有钯的或由钯构成的膜片的多孔的管，其中，烧结金属管在一端部处具有由气体密封的材料构成的接头。所述接头用于连结到反应器处。接头和烧结金属管通过烧结、钎焊或摩擦焊接相互连接。由此，烧结金属管和反应器的焊接技术的连接（例如经由WIG焊接）应被替代，由所述连接已知，在短的运行时间之后会产生裂纹。

发明内容

由此出发，本发明的任务是，至少部分地解决结合现有技术描绘的问题。尤其应提出连接元件与膜片载体的一种焊接技术的连接，其中应防止由于在焊接连接中可能产生的裂纹而妨碍所述膜片载体的功能。

一种根据专利权利要求1的特征的用于制造膜片载体结构部件的方法和一种根据专利权利要求10的特征的膜片载体结构部件有助于此。有利的改进方案是从属专利权利要求的主题。在专利权利要求中单个地举出的特征能够以技术上有意义的方式相互组合并且能够通过来自说明书的阐释性的事实和来自附图的细节来补充，其中，本发明的另外的实施变型方案被示出。

提出一种用于制造膜片载体结构部件的方法，所述膜片载体结构部件带有由烧结金属构成的膜片载体，其中，所述膜片载体具有（气体密封的）膜片层。所述方法包括至少如下步骤：

a.提供由多孔的烧结金属构造的面式的或管形的膜片载体，带有设置成用于以膜片层来涂覆的表面；

b.提供用于将所述膜片载体连结到引导气体的管路处的金属的连接元件；

c.将膜片载体和连接元件利用焊缝连接成所述膜片载体结构部件并且形成在焊缝与膜片载体之间的第一连接区以及在焊缝与连接元件之间的第二连接区；

d.将金属层布置在所述表面和所述焊缝上，从而使得所述金属层至少覆盖所述第一连接区；

e.将所述金属层至少与所述表面和所述焊缝材料配合地连接；

f.至少将所述表面的部分区域以及至少将膜的部分区域以所述膜片层涂覆。

优选地，所述膜片载体及由此尤其还有所述连接元件管形地实施，从而能够将气体混合物阻挡在所述膜片载体结构部件之内并且经由所述膜片载体和所述气体密封的膜片层能够将氢气分离到在所述膜片载体结构部件之外的周围环境处。所述管形的膜片载体尤其通过环绕地实施的焊缝与所述管形的连接元件连接。

所述膜片层尤其（仅仅）由钯或由含钯的合金构成。优选地，所述膜片层经由无电流的金属沉积或利用喷镀技术以已知的方式和方法沉积在所述膜片载体上。

所述膜片载体结构部件和所述膜片层的工作温度尤其高于350摄氏度、优选地高于400摄氏度。

通常在将所述膜片层施加到所述膜片载体上之前进行连接元件和膜片载体的焊接技术的连接。然而在这种接合操作时观察到了会产生如下间隙，所述间隙使得以所述膜片层对这区域的涂覆变得困难。此外，正是在使用由烧结金属构成的膜片载体的情况下，在所述连接元件与所述膜片载体之间的焊缝经常是粗糙的并且部分地多孔或在所述焊缝的热影响区（Wärmeeinflusszone）的区域中具有裂纹。这种情况也使应满足分派给其的气体密封的膜片层的功能的膜片层的施加变得困难。

因此现在提出，将金属层至少布置在所述膜片载体的表面上并且布置在所述焊缝上，从而所述金属层至少覆盖所述第一连接区。

所述金属层尤其含有最高50%在步骤f.中施覆的膜片层具有的份额的钯。

通过所述金属层尤其能够弄平（ausgeglichen）或遮盖在所述第一连接区和/或所述第二连接区和/或所述焊缝中的不平度或裂纹。由此，能够实现连接元件和膜片载体的完全地气体密封的连接（也相对于氢气气体密封），从而能够避免经由所述膜片载体分离的氢气的污染。

所述膜片载体尤其在步骤d.之前、优选地在此在步骤c.之后至少部分地以扩散阻挡层涂覆，所述扩散阻挡层至少部分地或完全地形成所述膜片载体的表面。优选地，至少所述表面的在步骤f.中设置用于以所述膜片层进行涂覆的区域以所述扩散阻挡层涂覆。

所述扩散阻挡层尤其应防止或至少限制所述膜片层由于与所述膜片载体扩散相互作用而退化。在此，尤其涉及由利用钇部分稳定的二氧化锆或纯的二氧化锆或二氧化钛或氧化铝构成的（陶瓷的）扩散阻挡层。

所述扩散阻挡层尤其从所述膜片载体出发至少延伸直到所述第一连接区的区域中。

在此，所述扩散阻挡层能够钻入到在所述焊缝的区域中的孔隙或裂纹中并且在此具有局部提高的厚度。正是在所述膜片载体结构部件在运行中随后的热负载的情况下亦或在制造所述膜片载体结构部件的过程中的热处理的范围内会由此基于扩散阻挡层和焊缝的不同的热膨胀系数而出现裂纹，所述裂纹会妨碍所述膜片载体结构部件的功能性。

所述金属层尤其如下地施覆，使得所述金属层从所述焊缝出发经过所述连接区延伸到所述膜片载体的区域中并且在此至少部分地遮盖所述扩散阻挡层。

所述扩散阻挡层尤其也布置在所述金属层与所述膜片载体之间，从而所述金属层放置在所述膜片载体的具有所述扩散阻挡层的表面上。

在步骤d.中尤其布置如下金属层，所述金属层包括原料银[Ag]、铜[Cu]、钇[Y]、铈[Ce]、金[Au]、钌[Ru]、铟[In]和钯[Pd]中的至少一种。

优选地，所述金属层至少95质量百分比地由银[Ag]或由铜[Cu]构成。

在步骤d.中尤其布置如下金属层，所述金属层具有最高50μm[微米]、优选地最高20μm、特别优选地最高10μm的厚度。优选地，所述金属层具有至少5μm的厚度。

所述金属层尤其以已知的方式和方法经由无电流的金属沉积或利用喷镀技术以已知的方式和方法沉积在所述表面和所述焊缝上。

所述金属层尤其是在步骤d.中布置在所述表面和所述焊缝上的金属的膜。也就是说，优选地，所述金属层在布置在所述表面和所述焊缝上之前具有面式的形状并且尤其一件式地实施。

在步骤d.中尤其布置具有经退火的状态的金属的膜。

所述经退火的状态尤其实现膜的良好的可变形性，从而其能够被置于尽可能大面积地贴靠在所述连接元件、所述焊缝和/或所述膜片载体的表面处。

根据有利的设计方案，所述金属的膜在步骤d.中借助于至少一个能弹性地变形的辊子至少按压到所述焊缝和所述表面处（必要时也按压到所述连接元件处）。

优选地，所述金属的膜也借助于滚缝焊接（Rollnahtschweißen）至少与所述表面（必要时也与所述焊缝和/或尤其与所述连接元件）材料配合地连接。

根据另外的有利的设计方案，所述金属层在步骤e.中借助于烧结材料配合地至少与所述表面和所述焊缝（必要时也与所述连接元件）连接。

如下的所有的连接称为材料配合的连接，其中连接副（Verbindungspartner）通过原子的或分子的力保持在一起。其同时是只有通过破坏所述连接介质才能分离的不能脱开的连接。

此外，提出一种膜片载体结构部件，所述膜片载体结构部件尤其通过之前描述的方法制造。所述膜片载体结构部件具有至少一个由多孔的烧结金属构成的膜片载体和用于将所述膜片载体连结到引导气体的管路处的金属的连接元件。所述膜片载体和所述连接元件经由焊缝相互连接，其中，所述膜片载体具有以膜片层来涂覆的表面。所述焊缝（至少部分地）以及所述表面的与所述焊缝邻接的区域由金属层覆盖，其中，所述膜片层至少部分地布置在所述金属层上。

所述金属层尤其通过在所提出的方法的范围内施加的膜或通过无电流的金属沉积或利用喷镀技术以已知的方式和方法形成。对于所述方法的实施方案同样适用于所述膜片载体结构部件。

所述金属层尤其包括原料银[Ag]、铜[Cu]、钇[Y]、铈[Ce]、金[Au]、钌[Ru]、铟[In]和钯[Pd]中的至少一种。

优选地，所述金属层至少95质量百分比地由银[Ag]或由铜[Cu]构成。

所述膜片载体的表面的由所述金属层覆盖的区域尤其延伸直到与所述焊缝最高5mm[毫米]的第一间距。

优选地，所述金属层（附加地）在所述连接元件上延伸直到从所述焊缝出发最高5mm[毫米]的第二间距。

所述金属层尤其从所述膜片载体出发并且向着所述连接元件至少经过所述第一连接区且优选地直到所述焊缝的中间地以所述膜片层来涂覆。由此保证，所述膜片载体结构部件总体上气体密封地（在所述膜片载体的区域中至少相对于气体混合物，但是在此对于氢气而言可透过地；在所述连接元件和所述焊缝的区域中完全地气体密封地）实施。

尤其，至少部分地在所述金属层与所述焊缝之间、至少部分地（优选地完全地）在所述膜片层与所述膜片载体的多孔的烧结金属之间以及至少部分地（优选地完全地）在所述金属层与所述膜片载体的多孔的烧结金属之间布置有扩散阻挡层。

对于所述方法的实施方案同样地适用于所述膜片载体结构部件并且反之亦然。

此外，提出一种用于产生氢气的反应器，其中，所述反应器具有至少一个如之前描述的膜片载体结构部件，其中，所述膜片载体结构部件的膜片载体经由所述连接元件固定在所述反应器处并且气体密封地与所述反应器连接。

此外提出，使用之前描述的膜片载体结构部件用于将氢气从气体混合物中脱离。

附图说明

接下来根据附图更详细地阐释本发明以及技术环境（Umfeld）。要指出的是，本发明不应通过所示出的实施例而受限制。尤其，只要没有明确地另外地示出，也可行的是，提取在附图中所阐释的事实的部分方面并且将其与来自本说明书和/或附图的其它组成部分和认识相组合。相同的附图标记表示相同的物体，从而必要时来自其它附图的阐释能够补充地考虑。其中示意性地：

图1以侧向的剖视图示出根据所述方法的步骤d.的膜片载体结构部件；

图2以侧向的剖视图示出根据所述方法的步骤f.的膜片载体结构部件；

图3以侧向的剖视图示出根据所述方法的步骤f.的膜片载体结构部件；附加地带有扩散阻挡层；

图4以侧向的剖视图示出根据图3的膜片载体结构部件的细节；以及

图5示出反应器。

具体实施方式

图1以侧向的剖视图示出根据所述方法的步骤d.的膜片载体结构部件1。膜片载体2及由此还有连接元件5管形地实施。膜片载体结构部件1具有由多孔的烧结金属构成的膜片载体2和用于将膜片载体1连结到引导气体的管路6处的金属的连接元件5。膜片载体1和连接元件5经由焊缝7相互连接。在此，第一连接区8在焊缝7与膜片载体2之间形成以及第二连接区9在焊缝7与连接元件5之间形成。焊缝7和表面4的与焊缝7邻接的区域由金属层15覆盖。金属层15通过在步骤d.中施加的膜10形成。

在此，金属的膜10在步骤d.中借助于能弹性地变形的辊子13按压到焊缝7、表面4处并且也按压到连接元件5处。

图2以侧向的剖视图示出根据方法的步骤f.的膜片载体结构部件1。管形的膜片载体2通过环绕地实施的焊缝7与管形的连接元件5连接，从而能够将气体混合物21阻挡在膜片载体结构部件1之内并且经由膜片载体2和气体密封的膜片层3能够将氢气20分离到在膜片载体结构部件1之外的周围环境处。根据方法的步骤f.，金属层15从膜片载体2出发并且向着连接元件5经过第一连接区8地且在此大约直到焊缝7的中间18地以膜片层3涂覆。由此保证，膜片载体结构部件1总体上气体密封地（在膜片载体2的区域中至少相对于气体混合物21，但是在此对于氢气20而言可透过地；在连接元件5和焊缝7的区域中完全地气体密封地）实施。

膜片载体2的表面4的由金属层15或膜10覆盖的区域14延伸直到与焊缝7的第一间距16。金属层15附加地在连接元件5上延伸直到从焊缝7出发的第二间距17。

图3以侧向的剖视图示出根据方法的步骤f.的膜片载体结构部件1；附加地带有扩散阻挡层11。膜片载体2在步骤d.之前至少部分地涂覆了扩散阻挡层11，扩散阻挡层至少部分地形成膜片载体2的表面4。扩散阻挡层11应防止或至少限制膜片层3由于与膜片载体2扩散相互作用而退化。扩散阻挡层11也布置在膜10与膜片载体2之间，从而膜10放置在膜片载体2的具有扩散阻挡层11的表面4上。

也就是说，扩散阻挡层11至少部分地在金属层15与焊缝7之间、至少部分地在膜片层3与膜片载体2的多孔的烧结金属之间并且完全地在金属层15与膜片载体2的多孔的烧结金属之间布置。

图4以侧向的剖视图示出根据图3的膜片载体结构部件1的细节。扩散阻挡层11布置在膜片载体2上，其在此形成膜片载体2的表面4。膜10布置在扩散阻挡层上，膜具有厚度12。在膜10上并且延伸超过膜10地布置有膜片层3。膜片层3与膜片载体2通过扩散阻挡层11完全地隔开地布置。

图5示出反应器19，反应器具有膜片载体结构部件1，其中，膜片载体结构部件1的膜片载体2经由连接元件5与反应器19中的引导气体的管路6连接。膜片载体结构部件1经由连接元件5固定在反应器19处并且与其气体密封地连接。在此，膜片载体结构部件1用于将氢气20从气体混合物21中脱离。

附图标记列表

1 膜片载体结构部件

2 膜片载体

3 膜片层

4 表面

5 连接元件

6 管路

7 焊缝

8 第一连接区

9 第二连接区

10 膜

11 扩散阻挡层

12 厚度

13 辊子

14 区域

15 金属层

16 第一间距

17 第二间距

18 中间

19 反应器

20 氢气

21 气体混合物。

Claims (19)

1.用于制造膜片载体结构部件（1）的方法，所述膜片载体结构部件具有由烧结金属构成的膜片载体（2），所述膜片载体具有膜片层（3），所述方法至少包括如下步骤：

a. 提供由多孔的烧结金属构成的具有如下的表面（4）的面式的或管形的膜片载体（2），所述表面设置成用于以所述膜片层（3）涂覆；

b. 提供用于将所述膜片载体（2）连结到引导气体的管路（6）处的金属的连接元件（5）；

c. 将膜片载体（2）和连接元件（5）利用焊缝（7）连接成所述膜片载体结构部件（1）并且形成在焊缝（7）与膜片载体（2）之间的第一连接区（8）以及在焊缝（7）与连接元件（5）之间的第二连接区（9）；

d. 将金属层（15）布置在所述表面（4）和所述焊缝（7）上，从而使得所述金属层（15）至少覆盖所述第一连接区（8）；

e. 将所述金属层（15）至少与所述表面（4）和所述焊缝（7）材料配合地连接；

f. 至少将所述表面（4）的部分区域以及至少将所述金属层（15）的部分区域以所述膜片层（3）涂覆。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述膜片载体（2）在步骤d.之前至少部分地以扩散阻挡层（11）涂覆，所述扩散阻挡层至少部分地形成所述膜片载体（2）的表面（4）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤d.中布置如下的金属层（15），所述金属层包括原料银、铜、钇、铈、金、钌、铟和钯中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述金属层（15）至少95质量百分比地由银或由铜构成。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤d.中布置如下的金属层（15），所述金属层具有最高50 μm的厚度（12）。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述金属层（15）是金属的膜（10），其在步骤d.中布置在所述表面（4）和所述焊缝（7）上。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述金属的膜（10）在步骤d.之前具有经退火的状态。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述金属的膜（10）在步骤d.中借助于至少一个能弹性地变形的辊子（13）至少按压到所述焊缝（7）和所述表面（4）处。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述金属的膜（10）借助于滚缝焊接至少与所述表面（4）材料配合地连接。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述金属层（15）在步骤e.中借助于烧结材料配合地至少与所述表面（4）和所述焊缝（7）连接。

11.膜片载体结构部件（1），至少具有由多孔的烧结金属构成的膜片载体（2）和用于将所述膜片载体（2）连结到引导气体的管路（6）处的金属的连接元件（5），其中，所述膜片载体（2）和所述连接元件（5）经由焊缝（7）相互连接，其中，所述膜片载体（2）具有以膜片层（3）涂覆的表面（4），其中，所述焊缝（7）至少部分地以及所述表面（4）的与所述焊缝（7）邻接的区域（14）由金属层（15）覆盖，其中，所述膜片层（3）至少部分地布置在所述金属层（15）上。

12.根据权利要求11所述的膜片载体结构部件（1），其中，所述金属层（15）包括原料银、铜、钇、铈、金、钌、铟和钯中的至少一种。

13.根据权利要求12所述的膜片载体结构部件（1），其中，所述金属层（15）至少95质量百分比地由银或由铜构成。

14.根据权利要求11或12所述的膜片载体结构部件（1），其中，所述膜片载体（2）的表面（4）的由所述金属层（15）覆盖的区域（14）延伸直到与所述焊缝（7）最高5 mm的第一间距（16）。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的膜片载体结构部件（1），其中，所述金属层（15）在所述连接元件（5）上延伸直到与所述焊缝（7）最高5 mm的第二间距（17）。

16.根据权利要求11至13中任一项所述的膜片载体结构部件（1），其中，所述金属层（15）从所述膜片载体（2）出发并且向着所述连接元件（5）至少直到所述焊缝（7）的中间（18）地以所述膜片层（3）涂覆。

17.根据权利要求11至13中任一项所述的膜片载体结构部件（1），其中，

- 至少部分地在所述金属层（15）与所述焊缝（7）之间，

- 至少部分地在所述膜片层（3）与所述膜片载体（2）的多孔的烧结金属之间，以及

- 至少部分地在所述金属层（15）与所述膜片载体（2）的多孔的烧结金属之间

布置有扩散阻挡层（11）。

18.用于产生氢气（20）的反应器（19），所述反应器至少具有根据权利要求11至16中任一项所述的膜片载体结构部件（1），其中，所述膜片载体结构部件（1）的膜片载体（2）经由所述连接元件（5）固定在所述反应器（19）处并且气体密封地与所述反应器连接。

19.将根据权利要求11至16中任一项所述的膜片载体结构部件（1）用于将氢气（20）从气体混合物（21）脱离的应用。

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