DE102006017046A1

DE102006017046A1 - Wasserstoffversorgungseinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102006017046A1
Application number: DE102006017046A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Sato; Takao Ishikawa; Kinya Aota
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: US7896933B2; JP2006290711A; JP4826123B2; US20060231588A1; DE102006017046B4

Abstract

Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Wasserstofftrennmembrane und einer Katalysatorplatte, die durch Bilden einer Katalysatorschicht auf einer Metallplatte hergestellt wird, wobei der Metallwerkstoff der Membrane sich in der Härte von dem der Katalysatorplatte unterscheidet. DOLLAR A Verfahren zur Herstellung der Wasserstoffversorgungseinrichtung mit den Schritten Verbinden einer Katalysatorplatte und einer Wasserstofftrennmembrane miteinander durch Reibrührschweißen, wobei ein Schweißwerkzeug nur gegen die Membrane oder nur gegen die Katalysatorplatte gedrückt wird, Bilden einer Reaktionsschicht zwischen der Membrane und der Katalysatorplatte durch die Reibungswärme und Bilden von Schuppen in dem Schweißübergang.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wasserstoffversorgungseinrichtung, die Automobile oder stationäre Energieversorgungseinrichtungen wie zum Beispiel Hausbrennstoffzellen mit Wasserstoff versorgt, und insbesondere auf eine Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Wasserstofftrennmembrane und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Hintergrund

Verschiedene Arten von Reaktoren sind untersucht worden, bei denen ein Rohgas in einen Reaktor eingeleitet wird, um eine Reaktion zu bewirken und so ein gewünschtes Gas zu erhalten, und das entstandene Gas durch eine Membrane, die nur das gewünschte Gas durchlässt, in einen Gaskanal geführt wird, wobei die Membrane zwischen dem Reaktor und dem Gaskanal angeordnet ist (siehe die Patentdokumente 1 und 2).

Patentdokument 1: japanische Patent-Offenlegungsschrift 2003-10658
Patentdokument 2: japanische Patent-Offenlegungsschrift 2004-8966

Stadtgasreformer, die eine Art von Reaktoren oder Wasserstoffversorgungseinrichtungen sind, die durch Wasserstoffabspaltung Wasserstoff aus organischen Hydriden erzeugen, verwenden eine Wasserstofftrennmembrane, um die Reak tionstemperatur zu senken und Wasserstoff mit hoher Reinheit zu liefern. Die Wasserstofftrennmembrane ist eine Metallfolie, die Pd, Nb oder Zr als Hauptbestandteile enthält. Üblicherweise ist die Membrane auf einem Keramikträger oder dergleichen gebildet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um den Wirkungsgrad bei der Wasserstofftrennung zu erhöhen, wird die Wasserstofftrennmembrane vorzugsweise zwischen dem Reaktionsabschnitt und dem Gaskanal angeordnet.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Wasserstofftrennmembrane, um einen Katalysator ohne die vorstehend erwähnten Probleme wirksam zu halten, und die Bereitstellung eines Verfahren zu deren Herstellung.

Ein Aufbau der Wasserstoffversorgungseinrichtung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Wasserstofftrennmembrane und einer Katalysatorplatte, die durch Bilden einer Katalysatorschicht auf einer Metallplatte hergestellt wird, wobei die Katalysatorplatte und die Wasserstofftrennmembrane durch Reibrührschweißen (FSW – friction stir welding) miteinander verschweißt sind. Alternativ ist ein Aufbau nach der vorliegenden Erfindung zur Lösung der vorstehenden Probleme gekennzeichnet durch eine Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Wasserstofftrennmembrane und einer Katalysatorplatte, die durch Bilden einer Katalysatorschicht auf einer Metallplatte hergestellt wird, wobei die Katalysatorplatte und die Wasserstofftrennmembrane unter Bildung von Schuppen an einem Schweißübergang verschweißt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) zeigt eine Explosionsansicht eines Wasserstoffversorgungsreaktors. 1(b) zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wasserstoffversorgungsstapels.
2(a) zeigt eine Schnittansicht eines Übergangs der geschweißten Elemente nach einer ersten Ausführungsform.
2(b) zeigt eine Draufsicht der geschweißten Elemente.
2(c) zeigt eine vollständige Schnittansicht der geschweißten Elemente.
3 zeigt eine Schnittansicht der Elemente, die nach der ersten Ausführungsform verschweißt werden.
4 zeigt eine perspektivische Außenansicht eines Wasserstoffversorgungsreaktors nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5(a) zeigt eine Außenansicht eines liniengeschweißten Wasserstoffversorgungsreaktors. 5(b) zeigt eine Außenansicht eines punktgeschweißten Wasserstoffversorgungsreaktors.
6 zeigt eine Schnittansicht einer geschweißten Wasserstoffversorgungseinrichtung nach der dritten Ausführungsform.
7 zeigt den Ablauf des Stapelns von Wasserstoffversorgungsreaktoren nach der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine Teilschnittansicht eines Wasserstoffversorgungsmoduls, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 zeigt eine Schnittansicht des rotierenden Schweißwerkzeugs nach der vierten Ausführungsform.
10 zeigt eine Schnittansicht der Fuge eines Schweißbereichs von Rohren nach der vierten Ausführungsform.
11 zeigt eine Schnittansicht der Fuge der geschweißten Rohre nach der vierten Ausführungsform.
12 zeigt eine Außenansicht einer Wasserstoffversorgungseinrichtung.
13 zeigt eine Schnittansicht der Fuge der geschweißten Rohre nach der fünften[GJ1] Ausführungsform.
14 zeigt eine Schnittansicht der Fuge nach der fünften[GJ2] Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vorrichtungsaufbau nach der vorliegenden Erfindung
Nachstehend wird eine Wasserstoffversorgungseinrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Wasserstoffversorgungseinrichtung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht im Wesentlichen aus mehreren Reaktoren, die jeweils ein Metallsubstrat, eine Katalysatorschicht, eine Wasserstofftrennmembrane und eine Wasserstoffkanäle bildende Schicht aufweisen. Die Wasserstoffversorgungseinrichtung ist weiter mit einem Gehäuse und einem Wasserstoffauslassrohr usw. versehen. Das Metallsubstrat kann Wasserstoffquellmaterialkänale aufweisen, durch die das Wasserstoffquellmaterial fließt. Die Kanäle können auf einer oder beiden Flächen des Substrats ausgebildet sein. Es ist möglich, eine Kombination aus einer Katalysatorplatte mit einer Metallplatte (Substrat), auf der die Katalysatorschicht gebildet ist, zu verwenden.
Mehrere Wasserstoffversorgungseinrichtungen werden Seite an Seite auf einem rohr- oder plattenartigen Träger angeordnet, um ein Wasserstoffversorgungsmodul herzustellen.
Nach dieser Erfindung wird die Wasserstofftrennmembrane vorzugsweise durch Reibrührschweißen auf das Substrat geschweißt.
Werden solche Membranen bei hoher Temperatur geschweißt, kann sich der Charakter des Katalysators durch die Wärme verändern und der Katalysator kann an Aktivität verlieren. Beim Hartlöten solcher Membranen können die hartgelöteten Teile verspröden oder den Wasserstoff- oder Wasserstoffquellmaterialkanal durch das Hartlötmaterial einengen.
Es ist möglich, durch Bilden einer Katalysatorschicht auf der Wasserstofftrennmembrane oder Anwenden einer Katalysatorfunktion auf die Wasserstofftrennmembrane einen Wasserstoffversorgungsreaktor ohne Verwendung einer Kanäle bildenden Platte herzustellen. Durch Kombinieren der Kata lysatorschicht und der Wasserstofftrennmembrane in dieser Weise kann der Wasserstoff aus beiden Flächen der Wasserstoffquellmaterialkanäle entnommen werden. Dies kann den Wirkungsgrad bei der Wasserstoffversorgung erhöhen.
Reaktor nach 1
1 zeigt den Aufbau einer Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Wasserstofftrennmembrane. 1(a) zeigt eine Explosionsansicht eines Wasserstoffversorgungsreaktors, der eine Grundeinheit der Wasserstoffversorgungseinrichtung ist. 1(b) zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wasserstoffversorgungsstapels, bei dem es sich um einen Stapel von Wasserstoffversorgungsreaktoren handelt.
Der Wasserstoffversorgungsreaktor 1 umfasst den Abstandshalter 4, die Wasserstofftrennmembrane 3 und die Katalysatorplatte 2, die eine Katalysatorschicht auf der Oberfläche eines Metallsubstrats aufweist. Der Wasserstoffversorgungsstapel 5 wird durch Aufeinanderstapeln und Verbinden der Reaktoren 1 zusammengebaut. Weiter sind die Wasserstoffversorgungsstapel 5 in einem Wasserstoffversorgungsmodul (nicht gezeigt) gestapelt, wenn sie für Automobile oder stationäre Energieversorgungseinrichtungen angewendet werden.
Die Katalysatorplatte 2 weist auf ihrer Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung oder Ätzen gebildete Wasserstoffquellmaterialkanäle auf, durch die Wasserstoffquellmaterial fließt. Jeder Kanal weist eine Katalysatorschicht auf seiner Oberfläche auf, so dass das Wasserstoffquellmaterial bei Kontakt mit dem Katalysator eine chemische Reaktion eingeht, um Wasserstoff zu erzeugen, wenn es durch die Kanäle geleitet wird.
Der Abstandshalter 4 in dem Reaktor ist eine Fließwegschicht für Wasserstoff, wenn der Reaktor als eine Wasserstoffversorgungseinrichtung verwendet wird, und wenn der Abstandshalter 4 als eine Einrichtung zum Speichern von Wasserstoff verwendet wird, arbeitet er als Wasserstoffzufuhranschluss. Die Abstandshalter weisen jeweils Rillen in dem Substrat oder Durchgangslöcher senkrecht zu dem Substrat auf, und mindestens eine Oberfläche des Abstandshalters ist nahe der Wasserstofftrennmembrane vorgesehen.
In 1 verlaufen die Wasserstoffquellmaterialkanäle senkrecht zu den Wasserstoffkanälen.
Reaktor nach 6
Mehrere Wasserstoffversorgungsreaktoren nach der vorliegenden Erfindung können zu einem Wasserstoffversorgungsstapel zusammengestellt werden. Wie in 6 gezeigt, wird eine Katalysatorplatte vorzugsweise sandwich-artig zwischen zwei Wasserstofftrennmembranen unterschiedlicher Größe angeordnet. Weiter weist die Wasserstofftrennmembrane über der Katalysatorplatte vorzugsweise eine andere Schweißposition auf als die Wasserstofftrennmembrane unter der Katalysatorplatte. Dies ermöglicht eine Abweichung einer Reibrührschweißposition (FSW-Position) und die Herstellung einer mehrlagigen Wasserstoffversorgungseinrichtung.
Reibrührschweißen nach der vorliegenden Erfindung
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Schweißen der Elemente beschrieben. Ein vorbestimmtes Reibrührschweißen (FSW) ist optimal zur Herstellung einer Wasserstoffversorgungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Ein Reibrührschweißverfahren (FSW-Verfahren) umfasst die Schritte Übereinanderlegen von zwei oder mehr Elementen, Drücken eines Schweißwerkzeugs, das härter ist als die Elemente, gegen das äußerste Element unter Drehen des Werkzeugs, Erzeugen von Reibungswärme zwischen dem Werkzeug und dem Element und Schweißen der Elemente durch das Phänomen des aufgeschmolzenen Materialstroms (japanische Patent-Offenlegungsschrift Hei 07-505090). Im Gegensatz zu einem Lichtbogenschweißverfahren werden mit diesem Schweißverfahren die zu schweißenden Elemente nicht geschweißt. Außerdem unterscheidet sich dieses Schweißverfahren von einem herkömmlichen Rotationsreib-Druckverfahren, bei dem die zu schweißenden Elemente rotieren und durch die entstehende Reibungswärme miteinander verschweißt werden. Weiter kann dieses Reibrührschweißverfahren (FSW-Verfahren) die Elemente kontinuierlich entlang der Schweißlinie oder in Längsrichtung schweißen. Ein herkömmliches Überlappschweißverfahren nach der Reibrührschweißtechnik (FSW-Technik) ist durch ein Verfahren repräsentiert, bei dem ein Schweißwerkzeug mit flacher oder eingedellter Stirnfläche verwendet wird (japanische Patent-Offenlegungsschrift 2001-314981). Die nach diesem Verfahren geschweißten Elemente weisen typischerweise ein regelmäßiges Schuppenbild auf den Schweißflächen auf, wie in 2(b) gezeigt. Der Schuppenabstand ist abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit und der Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs (10).
Dieses herkömmliche Verfahren stand jedoch für das Schweißen von Membranen wie den Wasserstoffversorgungsreaktoren nach der vorliegenden Erfindung nicht zur Verfügung, weil die Membranen beim Schweißen leicht verformt werden können und weil außerdem der Wasserstoffversorgungsreaktor nach der vorliegenden Erfindung ein Verbundschichtaufbau aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und unterschiedlichen Verformungswiderständen oder unterschiedlicher Härte ist. Wenn zum Beispiel eine obere Aluminiumplatte (Schmelzpunkt von 660°C) und eine untere Palladiumplatte geschweißt werden sollen, entsteht an der unteren Palladiumplatte kein aufgeschmolzener Materialstrom und die Platten können nicht geschweißt werden.
Zur Lösung der vorstehenden Probleme wird bzw. werden bei dem Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung ein rotierendes Schweißwerkzeug nur gegen eines der zu schweißenden Elemente gedrückt (ohne das Schweißwerkzeug in das andere Element einzustecken), Reibungswärme zwischen dem Schweißwerkzeug und dem Element erzeugt, das in Kontakt mit dem Schweißwerkzeug ist, die Grenzfläche zwischen den Elementen durch die Reibungswärme erwärmt, die Werkstoffe der Elemente zur Diffusion gebracht und die Elemente durch die entstehende Reaktionsschicht zwischen diesen miteinander verschweißt.
Wenn unterschiedliche Werkstoffe überlappt und geschweißt werden, muss das Schweißwerkzeug in das Element mit dem niedrigeren Schmelzpunkt eingesteckt werden. Wenn zum Beispiel eine Aluminiumplatte und eine Palladiumplatte geschweißt werden sollen, muss das Schweißwerkzeug in die Aluminiumplatte eingesteckt werden (deren Schmelzpunkt niedriger ist). In diesem Fall wird angenommen, dass Werkstoffe aus einem Element mit niedrigem Schmelzpunkt in ein Element mit hohem Schmelzpunkt diffundieren. Weiter weist das Schweißwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung einen Stiftabschnitt auf, der größer als ein herkömmlicher Stiftabschnitt ist und dessen Oberteil vorsteht.
Dieses Schweißwerkzeug ermöglicht das Schweißen dünner Membranen aus unterschiedlichen Werkstoffen und insbesondere die Bereitstellung einer Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einem Verbundschichtaufbau von Wasserstofftrennmembranen. Ein herkömmliches Schweißwerkzeug ist für dicke Elemente nicht geeignet, weil es schwierig ist, das Werkzeug in das Element einzustecken. Daher ist das herkömmliche Schweißwerkzeug auf Elemente bis zu einer bestimmten Dicke beschränkt. Das Schweißwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung ist jedoch auch zum Schweißen dicker Elemente geeignet.
Zur Erzielung des Schweißverfahrens nach der vorliegenden Erfindung muss das Schweißwerkzeug ausgestattet sein mit mindestens einem rotierenden Schaft zum Drehen des Schweißwerkzeugs, einem Werkzeugbewegungsschaft zum Drücken des Schweißwerkzeugs gegen ein zu schweißendes Element und einem weiteren Werkzeugbewegungsschaft zum Bewegen des Werkzeugs entlang einer Schweißlinie. In diesem Fall ist es möglich, das Schweißwerkzeug allein zu drehen und die Elemente in Richtung des Werkzeugs und entlang der Schweißli nie zu bewegen. Das Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel für Fräsmaschinen, NC-Fräsmaschinen und andere Werkzeugmaschinen verwendet werden.
Die Rotationsgeschwindigkeit und die Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs richten sich nach der Qualität der Werkstoffe und der Dicke der zu schweißenden Elemente. Um zum Beispiel drei Aluminiumplatten von 0,2 mm Dicke zu überlappen und miteinander zu verschweißen, wobei das Schweißwerkzeug nur in die obere Platte eingesteckt wird, rotiert das Schweißwerkzeug mit 18.000 Upm und bewegt sich mit 1.800 mm/min. Es ist wichtig, eine Schweißbedingung zur Steuerung der Dicke einer Reaktionsschicht (8) zu wählen, die beim Binden in der metallischen Grenzfläche zwischen den Elementen gebildet wird. Das Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung kann die Dicke der Reaktionsschicht auf unter 5 μm begrenzen.
Diese Reaktionsschicht besteht aus einer spröden intermetallischen Verbindung und muss möglichst dünn sein, denn wenn sie dick ist, verringert sie die Ermüdungsfestigkeit der Reaktionsschicht und verursacht Risse beim Schweißen. Eine Reaktionsschicht von weniger als 0,1 μm Dicke ist jedoch zum Schweißen nicht geeignet. Eine Reaktionsschicht von mindestens 0,1 μm Dicke reicht aus, um die Elemente fest zu verschweißen.
Die vorliegende Erfindung kann sehr zuverlässige Elemente und Vorrichtungen liefern, denn die Reaktionsschicht 8 wird durch Diffusionsreaktion der Elemente gebildet und kann dünner ausgeführt werden.
Weil das Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung mit lokaler Erwärmung arbeitet, treten bei der Wasserstoffversorgungseinrichtung beim Schweißen keine thermischen Schäden an dem Katalysator auf. Dieses Verfahren kann außerdem thermisches Wachstum von Metallpartikeln in dem Katalysator verhindern. Anders ausgedrückt, die anfänglichen Metallpartikelgrößen können erhalten bleiben. Wenn zum Beispiel der Katalysator anfänglich Metallpartikel bis zu einer Größe von 5 nm enthält, kann die Partikelgröße (5 nm oder kleiner) in dem Katalysator auch nach der Herstellung der Wasserstoffversorgungseinrichtung erhalten bleiben.
Halter entsprechend den Formen der zu schweißenden Elemente werden verwendet, um die Elemente beim Schweißen zu halten. Insbesondere zum Schweißen eines Verbundschichtaufbaus von Membranen wird empfohlen, die Elemente hintereinander entlang der Schweißlinie zu halten, um ein Verformen dünner Elemente durch die Druckkraft des Schweißwerkzeugs zu verhindern.
Das Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung eignet sich auch zum Schweißen von Elementen mit katalysatorbeschichteten Wänden oder Stangen auf den einzelnen Wasserstofftrennmembranen durch Reibrührschweißen (FSW). Als Ergebnis ist der Schweißübergang der Wasserstofftrennmembranen geschuppt, und die kontinuierlich geschweißten Teile und die punktgeschweißten Teile bilden ein Muster von Kanälen, durch die Wasserstoffquellmaterial oder Wasserstoffgas fließt.
Für die vorliegende Erfindung geeignete Verbindungen
Das Substrat besteht aus Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie zum Beispiel Aluminium (Al), weil die Wasserstofferzeugung mittels Katalysatoren eine endotherme Reaktion ist. Insbesondere kann es sich bei diesen Werkstoffen um Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Niob (Nb) und deren Legierungen handeln. Das Substrat enthält Wasserstoffquellmaterialkanäle, die durch spanabhebende Bearbeitung oder Ätzen auf den Oberflächen gebildet werden. Die Kanaloberflächen sind mit einer Katalysatorschicht versehen, so dass Wasserstoffquellmaterial chemisch zu Wasserstoff reagieren kann, wenn das Wasserstoffquellmaterial mit dem Katalysator in Kontakt kommt, während es durch die Kanäle geleitet wird.
Die Katalysatorplatte kann Metallpartikel (als Katalysator) auf der Metallplatte (Substrat) tragen. In diesem Fall sollten die Katalysatorpartikel vorzugsweise eine Größe von bis zu 5 nm aufweisen.
Der Katalysator nach der vorliegenden Erfindung sollte eine Funktion haben, um mit Kohlenwasserstoffen und anderen Wasserstoffquellmaterialien zu Wasserstoff zu reagieren. Die Katalysatorschicht enthält metallische Katalysatoren und Katalysatorträger. Metalle (zum Beispiel Ni, Pd, Pt, Rh, Ir, Re, Ru, Mo, W, V, Os, Cr, Co und Fe) sowie deren Legierungen stehen als metallische Katalysatoren zur Verfügung. Die Katalysatorträger können ausgewählt werden unter Aktivkohle, Kohlenstoffnanoröhren, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidsilikat (z.B. Zeolit), Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Nioboxid und Vanadiumoxid.
Katalysatormaterialien können mit beliebigen Verfahren wie zum Beispiel einem Mitfällungsverfahren und einem thermischen Krackverfahren hergestellt werden. Katalysatorschichten können durch ein Lösungsverfahren wie zum Beispiel ein Sol-Gel-Verfahren oder ein Trockenverfahren wie zum Beispiel ein CVD-Verfahren gebildet werden. Wenn Metalle wie zum Beispiel Al, Zr, Ni und V oder deren Legierungen als Katalysatormaterialien verwendet werden, ist es außerdem möglich, diese Metalle zu Metalloxiden zu anodisieren und die Oxide als Träger direkt auf Metalloberflächen zu bilden.
Für die vorstehenden Metalle kann das Anodisierverfahren eine beliebige Elektrolytlösung verwenden, zum Beispiel eine saure Lösung wie etwa eine wässrige Phosphorsäure-, Chromsäure-, Oxalsäure- oder Schwefelsäurelösung, eine alkalische Lösung wie etwa eine wässrige Lösung von Natriumhydroxid oder Kaliumoxid, oder eine neutrale Lösung wie etwa eine wässrige Lösung von Borsäure-Natrium, Ammoniumtartrat und Ethylenglykol-Ammoniumborat.
Die Wasserstofftrennmembrane kann aus Pd, Nb, Zr, V, Ta oder deren Legierungen bestehen.
Die Wasserstofftrennmembrane sollte vorzugsweise neben einer Katalysatorschicht angeordnet werden, um den Wir kungsgrad der Wasserstofftrennung zu erhöhen, und besonders bevorzugt mit der Katalysatorschicht vereinigt sein. Eine mit einer Katalysatorschicht vereinigte Wasserstofftrennmembrane kann hergestellt werden, indem eine Katalysatorschicht auf einer Wasserstofftrennmembrane gebildet wird oder indem der Wasserstofftrennmembrane eine Katalysatorfunktion vermittelt wird.
Im Einzelnen kann die mit einem Katalysator vereinigte Wasserstofftrennmembrane durch Überlappschweißen (Schweißen) einer Metallfolie (z.B. Zr, Ni, V oder Legierungen) und einer Wasserstofftrennungs-Metallfolie, die hauptsächlich diese Metalle enthält, Anodisieren der Metallfolie (z.B. Zr, Ni oder V) und Produzieren von Metalloxid (als ein Katalysatorträger) auf der Oberfläche der Metallfolie hergestellt werden.
Weiter ist es möglich, als ein Ausgangsmaterial für die mit einem Katalysator vereinigte Wasserstofftrennmembrane einen Plattierungswerkstoff zu verwenden, der zum Beispiel durch Bilden einer Nb-Schicht auf der Oberfläche einer Membrane aus einer Ni-Zr-Nb-Legierung als ein Kernmaterial hergestellt wird. Die Ni-Zr-Nb-Legierung ist beständiger gegen Wasserstoffversprödung als eine Zr-, Nb- oder Legierungsmembrane und weist eine ausgezeichnete Wasserstoffdurchlässigkeit auf. Danach wird der Plattierungswerkstoff anodisiert, um die Nb-Schicht auf der Oberfläche in eine Nioboxidschicht umzuwandeln, wobei das Niob vollständig zu Nioboxid umgesetzt und Platin (Pt) in die Nioboxidschicht eindotiert wird. Durch dieses Verfahren wird die mit einem Katalysator vereinigte Wasserstofftrennmembrane erhalten.
Anstelle der Membrane aus der Ni-Zr-Nb-Legierung kann das Kernmaterial eine Membrane aus eine Legierung auf Palladiumbasis verwenden, die aus Pd, Pd-Ag, Pd-Y, Pd-Y-Ag, Pd-Au, Pd-Cu, Pd-B, Pd-Ni, Pd-Ru oder Pd-Ce hergestellt ist, oder eine Membrane aus einer nicht auf Palladium basierenden Legierung, die aus Ni-Zr, Ni-Nb, Ni-Zr-Nb, Ni-V oder Ni-Ta hergestellt ist. Diese Wasserstofftrennmembranen können durch Walzverfahren, Lösungsverfahren, Vakuumbedampfungsverfahren, Sputterverfahren oder Plattierverfahren (zum Beispiel stromloses Plattieren oder Elektroplattieren) hergestellt werden.
Das Metall (Nb) in der metallischen Schicht auf der Oberfläche der Kernfläche kann durch anodisierbare Metalle wie zum Beispiel Al, Nb, Ta, Zr, Zn, Ti, Y und Mg ersetzt werden. Die metallische Schicht kann auf der Oberfläche der Kernfläche durch Schweißen, Komprimieren, Vakuumbedampfung oder Sputtern gebildet werden.
Die Wasserstoffspeichermaterialien (oder Wasserstoffquellmaterialien) nach der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere aromatische Verbindungen aus einer Gruppe mit unter anderem Benzol, Toluol, Xylol, Mesitylen, Naphthalen, Methylnaphthalen, Anthracen, Biphenyl, Phenanthren und deren Alkylsubstituenten, wässrige Ammoniaklösung, wässrige Hydrazinlösung, Natriumborat oder Sauerstoff/Wasserstoffspeichermaterial sein, das eine Mischung von Wasserstoffperoxidlösung und wässriger Ammoniaklösung oder wässriger Hydrazinlösung ist.
Erste Ausführungsform
Reibrührschweißen
2 zeigt Abbildungen der geschweißten Elemente nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2(a) zeigt eine Schnittansicht des Übergangs der geschweißten Elemente. 2(b) zeigt eine Draufsicht der geschweißten Elemente, und 2(c) zeigt eine vollständige Schnittansicht. Die Reaktionsschicht 8 mit einer Dicke von bis zu ca. 1 μm wird in einem Übergang zwischen einer oberen Platte 6 und einer unteren Platte 7 erzeugt, wodurch diese Platten 6 und 7 verbunden werden. Bei Betrachtung von der oberen Fläche, in die das Schweißwerkzeug eingesteckt wird, sind Schuppen entlang der Schweißlinie zu erkennen. In 2(c) bewegt sich das Schweißwerkzeug nach links.
Nachstehend wird das Schweißverfahren im Detail erläutert. 3 zeigt die Schnittansicht von geschweißten Elementen. Die obere Platte 6 mit einer Dicke von 0,2 mm besteht aus reinem Aluminium (JIS A 1050-0), und die untere Platte 7 mit einer Dicke von 0,1 mm besteht aus einer Pd-Ag-Legierung. Das Schweißwerkzeug 10 besteht aus Werkzeugstahl und weist einen Stift von 4 mm Durchmesser auf, der kleiner als der einer Schulter 13 ist. Die Spitze des Schweißwerkzeugs ist abgerundet mit einem Krümmungsradius von 5 mm. Das Schweißwerkzeug 10 rotiert mit einer Geschwindigkeit von 18.000 Upm und wird mit einer Geschwindigkeit von 300 mm/min nach unten bewegt und in die obere Platte 6 eingesteckt. In diesem Fall wird das Schweißwerkzeug nur in die obere Platte 6 eingesteckt und erreicht die untere Platte 7 nicht. Durch diese Einsteckkraft wird die untere Fläche der oberen Platte 6 am Übergang 11 in engen Kontakt mit der oberen Fläche der unteren Platte 7 gebracht. Das Schweißwerkzeug 10 wird mit einer Geschwindigkeit von 300 mm/min entlang der Schweißlinie bewegt, während das Werkzeug mit einer Geschwindigkeit von 18.000 Upm rotiert. Am Ende des Schweißvorgangs wird das Werkzeug (10) mit einer Geschwindigkeit von 120 mm/min nach oben bewegt. Bei dem vorstehenden Schweißverfahren wird Reibungswärme in dem Übergang 12 zwischen dem Werkzeug (10) und der oberen Platte (6) erzeugt und erhöht die Temperatur des Übergangs (11). Metalle zwischen der oberen und der unteren Platte (6 und 7) werden weich und diffundieren in die Plattenwerkstoffe. Als Ergebnis wird die Reaktionsschicht 8 zwischen der oberen und der unteren Platte (6 und 7) erzeugt, wodurch die obere und die untere Platte metallisch miteinander verbunden werden. Die unter diesen Schweißbedingungen erzeugte Reaktionsschicht (8) ist 1 μm dick.
Die Dicke der Reaktionsschicht (8) ist abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit, der Einsteckgeschwindigkeit und der Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs (10). Die Reaktionsschicht (8) wird wesentlich dicker, wenn die Rota tionsgeschwindigkeit größer, der Einsteckdruck höher und die Bewegungsgeschwindigkeit niedriger ist. Die Reaktionsschicht (8) ist eine spröde intermetallische Verbindung. Sie sollte vorzugsweise möglichst dünn sein, denn wenn sie dick ist, verringert sie die Ermüdungsfestigkeit der Reaktionsschicht. Ohne diese Reaktionsschicht (8) können die Platten jedoch nicht geschweißt werden. Daher ist es wichtig, eine Schweißbedingung zur Steuerung der Dicke der Reaktionsschicht (8) zu wählen.
Das Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung kann Elemente nur durch lokale Erwärmung schweißen. Daher können Katalysatoren der Wasserstoffversorgungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung durch Wärme nicht ernsthaft beschädigt werden. Dieses Verfahren kann außerdem thermisches Wachstum von Metallpartikeln in dem Katalysator verhindern. Anders ausgedrückt, die anfänglichen Metallpartikelgrößen können erhalten bleiben. Die vorliegende Ausführungsform verwendet einen Katalysator, der Metallpartikel mit einer Größe von bis zu 5 nm enthält, und der geschweißte Katalysator in der Wasserstoffversorgungseinrichtung enthält ebenfalls Metallpartikel mit einer Größe von bis zu 5 nm. Mit anderen Worten, ein thermisches Wachstum der Partikel kann verhindert werden.
Vergleichsbeispiel
Eine Probe wurde hergestellt, indem die Oberfläche einer Platte aus reinem Aluminium (JIS A 1050-0) gewellt wurde, die eingedellten Bereiche mit Al₂O₃-Katalysatorpulver beschichtet wurden, das 5 Gewichtsprozent Platin (Platinpartikel mit einer Größe von 3 nm) enthielt, um eine Katalysatorplatte herzustellen, eine Folie aus einer Pd-Ag-Legierung auf die Katalysatorplatte gelegt wurde und die Katalysatorplatte mit der Legierungsfolie bedeckt 5 Stunden bei 580°C in einer Vakuumheißpresse gehalten wurde, um sie zu verschweißen. Diese Probe wurde zerschnitten und einer Zugfestigkeitsprüfung unterzogen. Die Probe wurde in dem Übergang zwischen der Al-Platte und der Folie aus einer Pd-Ag-Legierung gebrochen. Die gemessene Größe der Platinpartikel in dem Katalysator betrug 10 nm im Durchmesser (nach der Röntgenbeugungsmethode). Danach beurteilt ist das Hochdruck-Hochtemperaturschweißen für eine praktische Schweißfestigkeit nicht ausreichend und verursacht außerdem ein Größenwachstum der Platinpartikel von 3 nm auf 10 nm aufgrund der Langzeit-Wärmeeinwirkung. Dies führt zu einer Qualitätsminderung der geschweißten Elemente.
Zweite Ausführungsform
Nachstehend wird ein Wasserstoffversorgungsreaktor beschrieben, der eine zweite Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung ist.
4 zeigt eine Außenansicht eines weiteren Wasserstoffversorgungsreaktors nach der vorliegenden Erfindung. 5 zeigt die Außenansichten geschweißter Wasserstoffversorgungsreaktoren. Die obere und die untere Platte (6 und 7) bestehen beide aus Aluminium und sind 0,2 mm (obere Platte) bzw. 0,1 mm (untere Platte) dick. Die Katalysatorplatte 15 wird durch Beschichten einer Fläche (untere Fläche) der oberen Platte mit einer Katalysatorschicht 14 hergestellt, wobei diese katalysatorbeschichtete obere Platte mit Wellen oder Falten versehen wird, wie in 4 gezeigt.
Die mit Wellen oder Falten versehene Katalysatorplatte (15) wird auf die untere Platte (7) gelegt. Die Räume zwischen der unteren Platte (7) und der Katalysatorplatte (15), deren untere Fläche mit einer Katalysatorschicht versehen ist, dienen als Kanäle für das Durchleiten von Wasserstoffquellmaterial. Diese Platten (7 und 15) werden entlang von Schweißlinien 16 unter denselben Schweißbedingungen wie bei der ersten Ausführungsform geschweißt. Die erhaltenen Wasserstoffversorgungsreaktoren können verformt und zu einem Wasserstoffversorgungsstapel zusammengestellt werden.
Wie in 5(b) gezeigt, ist es auch möglich, die Katalysatorplatte (15) punktzuschweißen, indem für eine festgelegte Zeit eine Druckkraft auf die obere Fläche der Katalysatorplatte ausgeübt wird, ohne das Schweißwerkzeug (10) zu bewegen. Mit anderen Worten, das Punktschweißen 17 wird intermittierend entlang der Schweißlinie ausgeführt.
Dritte Ausführungsform
Stapeln
Das Reibrührschweißverfahren (FSW-Verfahren) ist erforderlich, um das Schweißwerkzeug in einen Werkstoff mit einem niedrigeren Schmelzpunkt einzustecken, wenn Elemente aus unterschiedlichen Werkstoffen geschweißt werden. Daher steht das FSW-Verfahren für herkömmliche Aufbauten mit Substraten und Wasserstofftrennmembranen nicht zur Verfügung.
6 zeigt ein Beispiel einer Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Wasserstofftrennmembrane aus Pd-Ag, einer Katalysatorplatte aus einem Al-Substrat und einem Abstandshalter.
Die Erfinder haben die Schweißposition 18(a) zwischen der Katalysatorplatte und der Wasserstofftrennmembrane gegenüber der Schweißposition 18(b) zwischen dem Abstandshalter und der Wasserstofftrennmembrane verschoben, wie in 6 gezeigt. Jede der Schweißpositionen 18(a) und 18(b) kann außen (oder innen) angeordnet werden, so lange die Schweißpositionen unterschiedlich sind.
7 zeigt ein Beispiel für das Stapeln der Wasserstoffversorgungseinrichtung in 6. Weil das Reibrührschweißen zuerst an dem Al-Substrat ausgeführt werden muss, wie in 6 gezeigt, müssen sich die Größen der Wasserstofftrennmembranen ändern, wenn sie gestapelt werden. Mit anderen Worten, die Wasserstofftrennmembrane über dem Al-Substrat ist größer (oder kleiner) als die Wasserstofftrennmembrane unter dem Al-Substrat.
Die Katalysatorplatte 2 und die Wasserstofftrennmembrane 3 werden an der Schweißposition 18(a) geschweißt, wäh rend der Abstandshalter und die Wasserstofftrennmembrane an der Schweißposition 18(b) geschweißt werden. Diese geschweißten Baugruppen werden überlappt und an der Schweißposition 18(b) geschweißt. In gleicher Weise wird eine weitere Baugruppe aus einer Katalysatorplatte 2 und einer Wasserstofftrennmembrane 3, die an der Schweißposition 18(a) geschweißt sind, auf das vorstehend gestapelte Element gelegt und an der Schweißposition 18(a) zusammengeschweißt. Diese Schritte werden wiederholt, um einen gewünschten Wasserstoffversorgungsstapel zu erhalten. Wie in den Zeichnungen gezeigt, ist das obere Stapelbauteil aus Substrat und Wasserstofftrennmembrane kleiner als das untere Stapelbauteil, so dass ihre Schweißpositionen verschoben werden können.
8 zeigt ein Beispiel des Wasserstoffversorgungsmoduls, bei dem die geschweißten Elemente aus 6 auf der Innenwand eines zylindrischen Teils (oder einer Röhre) angeordnet sind. Das Wasserstoffversorgungsmodul 100 weist einen Wärmeisolator 105 und Wasserstoffversorgungsstapel 101 an der Innenwand des Rohrs 107 auf. Der Wasserstoffversorgungsstapel 101 erhält Wasserstoffquellmaterialdampf (organisches Hydrid) aus dem Vergaser 102 und spaltet ihn in Wasserstoff und Abfallflüssigkeit auf. Der Wasserstoff wird durch die Wasserstofftrennmembrane in dem Wasserstoffversorgungsstapel 101 abgespalten und durch den Wasserstoffzufuhranschluss 104 einem Motor oder einer Brennstoffzelle zugeführt. Die Abfallflüssigkeit wird aus dem Wasserstoffversorgungsstapel 101 abgeleitet und durch den Verteiler 108 und den Abfallanschluss 103 in einen Abfalltank geleitet.
Weil Wasserstofftrennmembranen kleiner sein müssen, wenn sie gestapelt werden (wie bereits erläutert, aber in der Zeichnung nicht gezeigt), weisen die gestapelten Elemente in dem Wasserstoffversorgungsstapel 101 einen trapezförmigen Querschnitt auf. Daher können die Elemente in der Röhre dicht beieinander angeordnet werden. Außerdem kann, wenn heißes Abgas in das Rohr geleitet wird, die Abwärme für die Wasserstoffversorgung verwendet werden.
Vierte Ausführungsform
Reibrührschweißverfahren (FSW-Verfahren), Werkzeugformen und Elementformen nach der Erfindung
Andere Schweißgegenstände wie zum Beispiel die Reaktor-Rohr-Verbindung und die Rohr-Rohr-Verbindung weisen Probleme auf, die gelöst werden müssen.
Rohre werden als Strukturelemente zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Materialien verwendet. Einige flüssige oder gasförmige Materialien können die Innenwand der Rohre korrodieren und die natürlichen Werkstoffeigenschaften vermindern.
Ein allgemeines rotierendes Werkzeug für das Reibrührschweißverfahren (FSW-Verfahren) ist ein Werkzeug mit einer Schulter und einem Stift 10, der im Durchmesser kleiner als die Schulter 13 ist. Beim Reibrührschweißen müssen der gesamte Stift und ein Teil der Schulter in einen Schweißwerkstoff (unter der Oberfläche des Werkstoffs) eingesteckt und das Werkzeug entlang der Schweißlinie bewegt werden. In diese Fall muss der Schweißwerkstoff von einem Grundwerkstoff oder dergleichen gestützt werden, weil eine sehr hohe Belastung auf die untere Fläche des Schweißwerkstoffs (gegenüber der Fläche, in die das Werkzeug eingesteckt wird) einwirkt.
Dieser Grundwerkstoff kann ein Verformen der unteren Fläche des Schweißwerkstoffs verhindern und ein fehlerfreies Schweißen sicherstellen. Wird das Reibrührschweißen jedoch zum Schweißen des Umfangs von Rohren verwendet oder insbesondere wenn das rotierende Schweißwerkzeug von außen in ein Rohr eingesteckt wird, ist es schwierig, einen stützenden Grundwerkstoff in dem Rohr vorzusehen. In diesem Fall ist eine Kraft erforderlich, die gegen das Einstecken des rotierenden Schweißwerkzeugs drückt (oder eine Kraft in Richtung der Rohraußenseite). Insbesondere ist dies sehr schwer zu erreichen, wenn Rohre mit kleinem Durchmesser geschweißt werden.
Nachstehend wird ein zum Schweißen von Rohren mit kleinem Durchmesser geeignetes Schweißverfahren beschrieben. Das Schweißverfahren nach dieser Ausführungsform ist gekennzeichnet durch Reibrühren der Innenwände von zu schweißenden zylindrischen Elementen und Erweichen der inneren Oberflächenschichten der Rohre durch Reibungswärme (um einen aufgeschmolzenen Materialstrom zu bewirken), wodurch die Rohre geschweißt werden.
Das Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass, wenn Elemente mit zylindrischen Innenwänden geschweißt werden, ein nach innen (zur Mittelachse) vorstehender Vorsprung an der zylindrischen Innenwand jedes geschweißten Elements vorgesehen ist und dass der Vorsprung von einer Rille begleitet ist, die unter die zylindrische Innenwand zurückspringt.
Wenn das Schweißwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung in die zylindrische Innenseite von geschweißten Elementen mit diesem Aufbau eingesteckt und dort reibgerührt wird, werden die Vorsprünge durch die Reibungswärme ganz oder teilweise aufgeschmolzen und füllen die vertiefte Rille. Als Ergebnis werden die geschweißten Elemente vollständig ohne Vorsprünge und Vertiefungen auf den zylindrischen Innenwänden geschweißt. Dabei wird angenommen, dass das metallene Schweißteil gegen Wasserstoffversprödung beständig ist.
Im Allgemeinen werden Rohre als Strukturelemente zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Materialien verwendet. Einige flüssige oder gasförmige Materialien können die Innenwand der Rohre korrodieren und die natürlichen Werkstoffeigenschaften vermindern.
Einer der Faktoren für eine Wasserstoffversprödung ist angeblich der, dass gespeicherter Wasserstoff, der einer Schweißbeanspruchung ausgesetzt wird, sich in den Korngrenzen ansammelt und sich von dort Risse ausbreiten. Eine der möglichen Methoden zur Unterdrückung von Wasserstoffversprödung besteht darin, die Werkstoffkristalle kleiner zu machen, die Rissausbreitungspfade kompliziert zu gestalten und Korngrenzen-Peaks zu verhindern.
Vorzugsweise werden die Kristallgrenzen kleiner gestaltet. Beim normalen Schmelzschweißen wachsen die Kristalle in der Richtung, in der das Schmelzgut erstarrt. Daher breiten sich Risse normalerweise von den Korngrenzen aus. Im Gegensatz dazu bewirkt das Reibrührschweißen kein Schmelzen des Schweißteils und hinterlässt Kristallkörner, die nicht gewachsen sind. Es wird angenommen, dass die Empfindlichkeit für Wasserstoffversprödung verringert wird. Daher kann von der vorliegenden Erfindung eine Verringerung der Empfindlichkeit von Schweißwerkstoffen für Wasserstoffversprödung erwartet werden.
Nachstehend wird die vorstehende bevorzugte Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung speziell unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
9 zeigt eine Schnittansicht des Schweißwerkzeugs nach der fünften Ausführungsform. Das Schweißwerkzeug 19 weist eine Schulter 20 mit maximalem Durchmesser und einen Stift 21 auf, der an der Vorderseite der Schulter vorgesehen und im Durchmesser kleiner als die Schulter 20 ist. Die Schulterseite ist mit einem Schraubgewinde versehen, um die Erzeugung von Reibungswärme zwischen der Schulter und den zylindrischen Innenwänden von Rohren und den aufgeschmolzenen Materialstrom in einer bestimmten Richtung zu verstärken.
10 zeigt eine Schnittansicht des Fugenbereichs von Rohren nach dieser Ausführungsform. Bei der Rohrverbindung 22 ist die Rille 23 auf der Innenwand jedes zu verbindenden Rohrs ausgebildet. Der Vorsprung 24 (25), der im Durchmesser kleiner als die Rille (23) ist, ist neben der Rille (23) auf der Innenwand jedes Rohrs vorgesehen.
Als Nächstes wird die Durchführung des Schweißverfahrens nach dieser Ausführungsform beschrieben.
11 zeigt eine Schnittansicht des Fugenbereichs von Rohren, die gerade geschweißt werden. Das zu schweißende Rohr besteht aus reinem Aluminium (JIS A 1050-0) mit einem Außendurchmesser von 6 mm und einem Innendurchmesser von 4 mm. Der Vorsprung auf der zylindrischen Innenwand ist 1 mm dick. Die Schulter (20) des Schweißwerkzeugs (19) hat einen Außendurchmesser von 4 mm. Der Stift (21) hat einen Durchmesser von 3 mm.
Zuerst wird die Fuge (22) von der Außenseite am Umfang geschweißt. Ein beliebiges Schweißverfahren kann verwendet werden: Schmelzschweißen wie TIG-Schweißen oder Reibrührschweißen (FSW). Als Nächstes wird das mit einer Geschwindigkeit von 1.500 Upm rotierende Schweißwerkzeug (19) in das Rohr eingesteckt. Dann wird das rotierende Werkzeug (19) weiter mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/min eingesteckt, bis es den Vorsprung (24) und dann den Vorsprung (25) passiert. Das rotierende Werkzeug wird mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/min zurückgezogen, bis es das Rohr verlässt. Damit ist das Schweißen abgeschlossen. Beim Schweißen wird ein Teil des Vorsprungs (24) durch die Reibungswärme von dem Werkzeug (19) erweicht und aufgeschmolzen und bewegt, um die Rille 23 durch das Rotieren und Bewegen des Werkzeugs (19) zu füllen. In diesem Fall hat der Vorsprung (25) die Wirkung, dass er verhindert, dass das aufgeschmolzene Material des Vorsprungs 24 über die Rille (23) zur Vorderseite des Werkzeugs (19) fließt. Der Vorsprung (24) dient nicht zum Füllen der Rille (23). Die zylindrische Innenwand und die Rille (23) werden durch die rotierende Seite der Schulter 20 vollständig zusammengepresst. Dadurch kann sich eine Schweißschicht (verursacht durch FSW) auf der Innenfläche der Rohre bilden.
Fünfte Ausführungsform
12 zeigt eine Außenansicht einer Wasserstoffversorgungseinrichtung, die eine fünfte[GJ3] Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Wasserstoffversorgungseinrichtung 26 enthält einen Innenaufbau mit mehreren Wasserstoffversorgungsreaktoren. Das Rohr 27 ist mit der Wasserstoffversorgungseinrichtung (26) verbunden.
Jeder Reaktor ist an seinen vier Seiten mit dem Schweißverfahren nach der ersten Ausführungsform kontinuierlich geschweißt. Zwei oder mehr Reaktoren sind übereinander gestapelt, und die Seiten des Wasserstoffversorgungsstapels sind durch Laserschweißen, Schmelzschweißen (z.B. TIG-Schweißen) oder Reibrührschweißen (FSW) geschweißt. Ein Durchgangsloch ist auf der lateralen Seite des Reaktorstapels zum Durchleiten von Wasserstoff gebohrt, und das Rohr 27 ist an dieses Durchgangsloch angeschlossen.
13 zeigt eine Schnittansicht der Fuge des Rohrs mit dem Durchgangsloch 28 auf der lateralen Seite der Wasserstoffversorgungseinrichtung 26. Der Fugenbereich des Durchgangslochs 28 auf der lateralen Seite der Wasserstoffversorgungseinrichtung 26 weist einen vertieften kreisförmigen Bereich, dessen Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Rohrs 27, und einen vertieften kreisförmigen Bereich auf, dessen Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des Rohrs 27 ist. Das Rohr 27 wird in diesen vertieften Bereich eingepasst. Das äußere Ende des Rohrs 27 ist mit einem Vorsprung 29 versehen, so dass die Rille 30 zwischen dem Rohr und dem Einlassteil des Durchgangslochs gebildet werden kann, wenn das Rohr (27) an das Durchgangsloch angeschlossen wird.
Nachstehend wird erläutert, wie das Rohr an das Durchgangsloch des Wasserstoffversorgungsreaktors geschweißt wird.
14 zeigt eine Schnittansicht des Fugenbereichs, der gerade geschweißt wird. Zuerst wird das Rohr 27 in den vertieften Bereich des Durchgangslochs 28 auf der lateralen Seite der Wasserstoffversorgungseinrichtung 26 eingepasst. Die Verbindung 31, an der die Außenfläche des Rohrs 27 mit dem vertieften Teil der lateralen Seite der Wasserstoffver sorgungseinrichtung 26 in Kontakt ist, wird mit einem Laser geschweißt.
Als Nächstes wird das mit einer Geschwindigkeit von 1.500 Upm rotierende Schweißwerkzeug (19) mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/min in Richtung der Wasserstoffversorgungseinrichtung (26) in das Rohr (27) eingesteckt. Wenn das Werkzeug (19) den Vorsprung 29 berührt, wird der Vorsprung durch die Reibungswärme weich (oder verliert an Verformungswiderstand) und wird aufgeschmolzen und beginnt zu fließen. Wird das Werkzeug weiter bewegt, wird das aufgeschmolzene Metall des Vorsprungs in die Rille (30) gedrückt und füllt diese. Bevor die Schulter (20) die Wasserstoffversorgungseinrichtung erreicht, wird das Werkzeug (19) zurückgezogen, und das Schweißen ist abgeschlossen. Bei dem vorstehenden Schweißverfahren wird Reibungswärme an der Stelle erzeugt, an der das aufgeschmolzene Metall des Vorsprungs (29) in Kontakt mit der Rille (30) ist, und erhöht die Temperatur der Verbindungsübergangs 32. An dem aufgeschmolzenen Übergang beginnen die Metalle zu diffundieren und verschweißen die Elemente miteinander.

Claims

Wasserstoffversorgungseinrichtung umfassend einen Reaktor mit einer Wasserstofftrennmembrane, die für Wasserstoffatome durchlässig ist und auf einem ersten Metallelement ruht, und einem Katalysator auf einem zweiten Metallelement, wobei das erste und das zweite Metallelement unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen und mittels einer an der Grenzfläche der ersten und zweiten Metallelemente gebildeten Reaktionsschicht miteinander verbunden sind und wobei das erste und das zweite Metallelement durch Reibrührschweißen verbunden sind.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste oder das zweite Metallelement mit dem niedrigeren Schmelzpunkt eine Wärmeeinflusszone aufweist, während das andere Element im Wesentlichen keine Wärmeeinflusszone aufweist.
Wasserstoffversorgungseinrichtung umfassend einen Stapel von Reaktoren mit mehreren Gruppen von Metallplatten mit einer Katalysatorschicht und einer Wasserstofftrennmembrane, wobei die Metallplatte und die Wasserstofftrennmembrane aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten bestehen und durch Reibrührschweißen miteinander verschweißt sind.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Metallplatte und die Wasserstofftrennmembrane schuppige Oberflächen aufweisen und aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlicher Härte bestehen.
Wasserstoffversorgungseinrichtung mit mehreren Wasserstofftrennmembranen, die jeweils einen Katalysator zum Erzeugen von Wasserstoff tragen, und metallenen Abstandshaltern, die jeweils sandwich-artig zwischen den Wasserstofftrennmembranen angeordnet sind, wobei die Wasserstofftrennmembranen und die Abstandshalter durch Reibrührschweißen miteinander verschweißt sind.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 5 mit einem Verbundschichtaufbau von Wasserstofftrennmembranen und Elementen, die jeweils eine Trennwand oder Säule aufweisen, auf der der Katalysator gebildet ist, wobei die Schweißfläche zwischen der Wand oder Stange und der Wasserstofftrennmembrane geschuppt ist.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Wasserstofftrennmembrane sandwich-artig zwischen den Katalysatorplatten angeordnet ist und wobei sich die Wasserstofftrennmembrane auf einer Seite der Katalysatorplatte in der Größe von der auf der anderen Seite der Katalysatorplatte unterscheidet.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Wasserstofftrennmembrane sandwich-artig zwischen den Katalysatorplatten angeordnet ist und die Wasserstofftrennmembrane auf einer Seite der Katalysatorplatte an einer anderen Stelle als die Wasserstofftrennmembrane auf der anderen Seite der Katalysatorplatte befestigt ist.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Metallplatte Rillen aufweist, durch die Wasserstoffquellmaterial oder Wasserstoffgas geleitet wird, und die Rillen durch den Schweißabschnitt bestimmt werden.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Wasserstofftrennmembrane sandwich-artig zwischen den Katalysatorplatten angeordnet ist und sich die Wasserstofftrennmembrane auf einer Seite der Katalysatorplatte in der Größe von der auf der anderen Seite der Wasserstofftrennmembrane unterscheidet.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wasserstofftrennmembrane sandwich-artig zwischen den Katalysatorplatten angeordnet ist und die Wasserstofftrennmembrane auf einer Seite der Katalysatorplatte an einer anderen Schweißposition als die Wasserstofftrennmembrane auf der anderen Seite der Katalysatorplatte befestigt ist.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Metallplatte Rillen aufweist, durch die Wasserstoffquellmaterial oder Wasserstoffgas geleitet wird, und die Rillen durch den Schweißabschnitt bestimmt werden.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wasserstofftrennmembrane eine Metallfolie aus Pd, Mb, Zr und Ta oder deren Legierungen ist.
Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wasserstofftrennmembrane eine Metallfolie aus Pd, Nb, Zr und Ta oder deren Legierungen ist.
Wasserstoffversorgungsreaktor mit einer Metallplatte, auf der eine Katalysatorschicht ruht, und einer Wasserstofftrennmembrane, wobei die Metallplatte und die Wasserstofftrennmembrane aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlicher Härte bestehen und so geschweißt sind, dass in dem Schweißübergang Schuppen gebildet werden.
Wasserstoffversorgungsmodul mit mehreren Wasserstoffversorgungseinrichtungen nach Anspruch 1, die jeweils zusammen mit einem Wasserstoffquellmaterialeinlass und einem Wasserstoffauslass auf einem Unterteil angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffversorgungseinrichtung mit den Schritten Anordnen einer Wasserstofftrennmembrane und einer Metallplatte, wobei sich die Werkstoffe für die Membrane und die Metallplatte in der Härte voneinander unterscheiden, Anwenden einer Reibkraft mit einem rotierenden Schweißwerkzeug, das einen kleineren Stiftabschnitt aufweist, auf die Wasserstofftrennmembrane oder die Metallplatte, Erzeugen von Reibungswärme zwischen dem Schweißwerkzeug und dem mit diesem in Kontakt befindlichen Element, um dadurch die Temperatur der Grenzfläche zwischen den Elementen zu erhöhen, und Übertragen des Materials des mit dem Schweißwerkzeug in Kontakt befindlichen Elements auf das andere Element, um eine Reaktionsschicht zu bilden, so dass die Elemente miteinander verbunden werden.
Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Reaktionsschicht 0,1 bis 5 μm dick ist.
Verfahren zur Herstellung mehrerer geschweißter Elemente, die jeweils eine zylindrische Innenwand aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte Bilden einer Rille in der Innenumfangswand des Verbindungsteils des Elementes, Bilden eines Vorsprungs (der nach innen über die Innenwand des Elements vorsteht) entlang der Rille und Einstecken eines Schweißwerkzeugs (mit einem Flankenabschnitt und einem Stiftabschnitt, der einen kleineren Durchmesser als der Flankenabschnitt aufweist) in das Element unter Drehen desselben, bis die Rille durch einen aufgeschmolzenen Materialstrom des Vorsprungs ganz oder teilweise mit dem Material des Vorsprungs gefüllt ist.
Reibrührschweißwerkzeug (FSW-Werkzeug) mit einem Flankenabschnitt und einem Stiftabschnitt, der einen kleineren Durchmesser als der Flankenabschnitt aufweist, wobei der Flankenabschnitt des Schweißwerkzeugs mit einem Schraubgewinde versehen ist.