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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoffbrennmembran mit
einem Träger, eine Brennstoffzelle und ein Wasserstofftrenngerät
mit dieser und ein Verfahren zum Herstellen von dieser.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Eine
Brennstoffzelle ist ein Gerät, das elektrische Energie
im Allgemeinen unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff als
Brennstoff erhält. Weil die Brennstoffzelle im Hinblick
auf die Umwelt überlegen ist und auch einen hohen Energiewirkungsgrad
erreicht, wird eine Brennstoffzellenentwicklung weitläufig
als ein zukünftiges Energieversorgungssystem verfolgt.
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Von
Brennstoffzellen weisen diejenigen, die ein Festelektrolyt verwenden,
eine Festpolymerbrennstoffzelle, eine Festoxidbrennstoffzelle und
eine Wasserstofftrennmembranzelle und dergleichen auf. Der Ausdruck
Wasserstofftrennmembranbrennstoffzelle wird hier verwendet, um eine
Brennstoffzelle zu kennzeichnen, die eine verdichtete Wasserstofftrennmembran
hat. Eine verdichtete Wasserstofftrennmembran ist eine Schicht,
die durch ein wasserstoffdurchlässiges Metall gebildet
ist und die auch als eine Anode funktioniert. Eine Wasserstofftrennmembranzelle
hat einen Aufbau, in dem ein protonenleitendes Elektrolyt auf eine
Wasserstofftrennmembran laminiert ist. Wasserstoff, der zu der Wasserstofftrennmembran
zugeführt wird, wird in Protonen umgewandelt, die innerhalb
des protonenleitenden Elektrolyts wandern und mit Sauerstoff an
der Kathode binden, um Elektrizität in der Wasserstofftrennmembranzelle
zu erzeugen.
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Die
Wasserstofftrennmembran, die in der Wasserstofftrennmembranzelle
verwendet wird, verwendet ein Edelmetall wie Palladium. Um Kosten
zu verringern, ist es aus diesem Grund notwendig, die Wasserstofftrennmembran
so dünn wie möglich zu machen. In diesem Fall
ist es notwendig, die Wasserstofftrennmembran durch Vorsehen eines
Trägerblatts aus rostfreiem Stahl oder dergleichen zu festigen
und auch die Härte der Wasserstofftrennmembran hoch zu
machen. Es gibt eine Offenbarung des Stands der Technik, in der
Japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.
JP-A-2003-95617 ,
zum Bewirken eines Diffusionsfügens zwischen einer Wasserstofftrennmembran
und einem Trägerblatt. Gemäß diesem Stand
der Technik werden die Wasserstofftrennmembran und das Trägerblatt
durch Fügen miteinander fixiert. Weil es kein Schmelzen
des Basismaterials gibt, ist es möglich, das Gesamtgerät
dünn zu machen.
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Wenn
der vorstehend genannte Stand der Technik verwendet wird, ist es
jedoch notwendig, die Wasserstofftrennmembran und das Trägerblatt
zu erwärmen, wenn ein Diffusionsfügen durchgeführt
wird. In diesem Fall kann aufgrund des Unterschieds der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Wasserstofftrennmembran und
dem Trägerblatt eine Beschädigung der Wasserstofftrennmembran
auftreten. Es ist möglich, sich das Fügen der
Wasserstofftrennmembran und des Trägerblatts durch das
Kaltfügeverfahren vorzustellen, wie das Plattierungsverfahren
oder dergleichen. Jedoch ist es schwierig, dass eine Wasserstofftrennmembran
mit einer hohen Härte verformt wird. Als eine Folge gibt
es einen Verlust der Kontaktadhäsion zwischen der Wasserstofftrennmembran
und dem Trägerblatt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung hat eine Aufgabe, eine Wasserstofftrennmembran mit einem
Träger vorzusehen, in der es eine sehr hohe Adhäsion
zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem Trägerblatt
gibt, um eine Beschädigung der Wasserstofftrennmembran
zu verhindern. Die Erfindung hat auch eine Aufgabe, eine Brennstoffzelle,
die diese verwendet, und ein Verfahren zum Herstellen der Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger und der Brennstoffzelle vorzusehen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembran mit einem
Träger gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch Vorsehen einer
Metallmembran mit niedriger Härte, die eine Härte
hat, die niedriger als die Härte der Wasserstofftrennmembran
ist, zwischen der Wasserstofftrennmembran und einem die Wasserstofftrennmembran
abstützenden Träger und Fügen der Wasserstofftrennmembran,
der Metallmembran mit niedriger Härte und des Trägers
durch das Kaltfügeverfahren.
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In
diesem Verfahren zum Herstellen wird eine Metallmembran mit niedriger
Härte, die eine Härte hat, die niedriger als die
Härte der Wasserstofftrennmembran ist, zwischen der Wasserstofftrennmembran
und dem Träger vorgesehen, und die Wasserstofftrennmembran,
die Metallmembran mit niedriger Härte und der Träger werden
durch das Kaltfügeverfahren gefügt. In diesem
Fall ist die Temperatur der Wasserstofftrennmembran, der Metallmembran
mit niedriger Härte und des Trägers niedriger
als die Temperatur in dem Fall, dass ein Heißfügeverfahren
verwendet wird. Aus diesem Grund ist die thermische Last gering
gemacht, die auf die Wasserstofftrennmembran, die Metallmembran
mit niedriger Härte und den Träger aufgebracht
wird. Das heißt, es gibt fast keinen Einfluss von Unterschieden
der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Membranen.
Es ist deshalb möglich, eine Verformung der Wasserstofftrennmembran,
der Metallmembran mit niedriger Härte und des Trägers
zu unterdrücken, und es ist des Weiteren möglich,
eine Metalldiffusion an der Fügegrenze zu unterdrücken.
Als eine Folge ist es möglich, eine Beschädigung
der Wasserstofftrennmembran zu verhindern.
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Weil
die Metallmembran mit niedriger Härte, die eine Härte
hat, die niedriger als die der Wasserstofftrennmembran ist und die
auch leicht verformt wird, sandwichartig zwischen der Wasserstofftrennmembran und
dem Träger angeordnet ist, gibt es eine Verbesserung der
Adhäsion zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem Träger.
Die Folge davon ist, dass es nicht notwendig ist, die Kaltfügebedingungen
zu verschärfen. Das heißt zusätzlich
dazu, dass die Fügetemperatur auf eine niedrige Temperatur
festgesetzt werden kann, ist es möglich, eine niedrige
Fügelast festzusetzen.
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In
dem vorstehend genannten Aufbau kann eine Metallmembran mit niedriger
Härte an wenigstens einer der Fügeflächen
der Wasserstofftrennmembran und des Trägers ausgebildet
sein. Vor dem Fügen der Wasserstofftrennmembran, der Metallmembran
mit niedriger Härte und des Trägers durch ein
Kaltfügeverfahren, können die Fügeflächen
der Wasserstofftrennmembran, der Metallmembran mit niedriger Härte
und des Trägers einem Aktivierungsprozess unterzogen werden.
In diesem Fall gibt es eine Verbesserung der Adhäsion zwischen
der Wasserstofftrennmembran und dem Träger.
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Die
Metallmembran mit niedriger Härte kann eine Wasserstoffdurchlässigkeit
haben. Des Weiteren kann die Wasserstofftrennmembran Palladium oder
eine Palladiumlegierung aufweisen, und die Metallmembran mit niedriger
Härte kann eine Palladiumlegierung oder ein Metall aufweisen,
das eine Härte hat, die niedriger als die Härte
einer Wasserstofftrennmembran ist. Zusätzlich kann die
Wasserstofftrennmembran eine Palladiumlegierung haben, die eine
Härte hat, die höher als die von im Wesentlichen
reinem Palladium ist, und die Metallmembran mit niedriger Härte
kann aus im Wesentlichen reinem Palladium gemacht sein. In diesem Fall
ist es möglich, eine Verringerung der Wasserstoffdurchlässigkeit
der Wasserstofftrennmembran zu unterdrücken.
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In
dem vorstehend genannten Verfahren zum Herstellen kann der Träger
weiter ein Durchgangsloch in der Membrandickenrichtung haben.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine protonenleitende Elektrolytmembran und eine Kathode an
der Wasserstofftrennmembran der Wasserstofftrennmembran mit einem
Träger ausgebildet werden, die durch das vorstehend beschriebene
Herstellverfahren hergestellt wird. In diesem Herstellverfahren
wird eine Metallmembran mit niedriger Härte, die eine Härte
hat, die niedriger ist als die Härte der Wasserstofftrennmembran,
zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem Träger vorgesehen,
die Wasserstofftrennmembran, die Metallmembran mit niedriger Härte
und der Träger werden durch das Kaltfügeverfahren
gefügt, und eine protonenleitende Elektrolytmembran und
eine Kathode werden an der Wasserstofftrennmembran ausgebildet.
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In
diesem Fall ist die Temperatur der Wasserstofftrennmembran, der
Metallmembran mit niedriger Härte und des Trägers
niedriger als die Temperatur des Falls, dass ein Heißfügeverfahren
verwendet wird. Demzufolge ist die thermische Last gering gemacht,
die auf die Wasserstofftrennmembran, die Metallmembran mit niedriger
Härte und den Träger aufgebracht wird. Das heißt,
es gibt fast keinen Einfluss von Unterschieden zwischen den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Membranen. Es ist daher
möglich, die Verformung der Wasserstofftrennmembran, der
Metallmembran mit niedriger Härte und des Trägers
zu unterdrücken. Als eine Folge ist es möglich,
eine Beschädigung der Wasserstofftrennmembran zu verhindern. Des
Weiteren, weil die Metallmembran mit niedriger Härte, die
eine Härte hat, die niedriger als die der Wasserstofftrennmembran
ist, und die auch leicht verformt wird, sandwichartig zwischen der
Wasserstofftrennmembran und dem Träger angeordnet ist,
gibt es eine Verbesserung der Adhäsion zwischen der Wasserstofftrennmembran
und dem Träger. Die Folge davon ist, dass es nicht notwendig
ist, die Kaltfügebedingung zu verschärfen. Das
heißt, zusätzlich dazu, dass die Fügetemperatur
auf eine niedrige Temperatur festgesetzt werden kann, ist es möglich,
eine geringe Fügelast festzusetzen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen eines Wasserstofftrenngeräts gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Gasströmungspassage oberhalb der Wasserstofftrennmembran der
Wasserstofftrennmembran mit einem Träger und unterhalb
des Trägers der Wasserstofftrennmembran mit einem Träger
vorgesehen ist, die durch das vorstehend beschriebene Herstellverfahren
hergestellt ist. In diesem Herstellverfahren wird eine Metallmembran
mit niedriger Härte, die eine Härte hat, die niedriger
als die Härte der Wasserstofftrennmembran ist, zwischen
der Wasserstofftrennmembran und dem Träger vorgesehen,
die Wasserstofftrennmembran, die Metallmembran mit niedriger Härte
und der Träger werden durch das Kaltfügeverfahren
gefügt, und eine Gasströmungspassage wird oberhalb
der Wasserstofftrennmembran und unterhalb des Trägers vorgesehen.
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In
diesem Fall ist die Temperatur der Wasserstofftrennmembran, der
Metallmembran mit niedriger Härte und des Trägers
niedriger als in dem Fall des Verwendens eines Heißfügeverfahrens.
Demzufolge ist die thermische Last gering gemacht, die auf die Wasserstofftrennmembran,
die Metallmembran mit niedriger Härte und den Träger
aufgebracht wird. Das heißt, es gibt fast keinen Einfluss
von Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
den Membranen. Es ist möglich, eine Verformung der Wasserstofftrennmembran,
der Metallmembran mit niedriger Härte und des Trägers
zu unterdrücken. Als eine Folge ist es möglich,
eine Beschädigung der Wasserstofftrennmembran zu verhindern.
Des Weiteren, da eine Metallmembran mit niedriger Härte,
die eine Härte hat, die geringer als die der Wasserstofftrennmembran
ist, und die auch leicht verformt wird, sandwichartig zwischen der
Wasserstofftrennmembran und dem Träger vorgesehen ist, gibt
es eine Verbesserung der Adhäsion zwischen der Wasserstofftrennmembran
und dem Träger. Das Ergebnis davon ist, dass es nicht notwendig
ist, die Kaltfügebedingung zu verschärfen. Das
heißt, zusätzlich dazu, dass die Fügetemperatur
auf eine niedrige Temperatur festgesetzt werden kann, ist es möglich,
eine niedrige Fügelast festzusetzen.
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Eine
Wasserstofftrennmembran mit einem Träger gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine Wasserstofftrennmembran, einen Träger, der
die Wasserstofftrennmembran abstützt, und eine Metallmembran
mit niedriger Härte hat, die auf den Träger geschichtet
ist und eine Härte hat, die niedriger als die Härte
der Wasserstofftrennmembran ist, wobei der Träger, die
Metallmembran mit niedriger Härte und die Wasserstofftrennmembran
durch das Kaltfügeverfahren gefügt werden. In
diesem Aufbau ist eine Metallmembran mit niedriger Härte,
die eine Härte hat, die niedriger als die der Wasserstofftrennmembran
ist, und die auch leicht verformt wird, sandwichartig zwischen der
Wasserstofftrennmembran und dem Träger angeordnet. Demzufolge
gibt es eine Verbesserung in der Kontaktinnigkeit zwischen der Wasserstofftrennmembran
und dem Träger.
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Ein
Wasserstofftrenngerät gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es die vorstehend
genannte Wasserstofftrennmembran mit einem Träger und eine
Gasströmungspassage hat, die oberhalb der Wasserstofftrennmembran
der Wasserstofftrennmembran mit einem Träger und unterhalb
des Trägers der Wasserstofftrennmembran mit einem Träger
ausgebildet ist. In diesem Aufbau ist eine Metallmembran mit niedriger
Härte, die eine Härte hat, die niedriger als die
Wasserstofftrennmembran ist, und die auch leicht verformt wird,
sandwichartig zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem Träger
angeordnet. Demzufolge gibt es eine Verbesserung der Adhäsion
zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem Träger.
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Gemäß der
Erfindung ist es möglich, eine Beschädigung der
Wasserstofftrennmembran zu verhindern, und es gibt eine Verbesserung
der Adhäsion zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem
Träger. Als eine Folge ist es möglich, eine Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger herzustellen, die eine überlegene Haltbarkeit
hat.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Das
Vorstehende und/oder weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher von der folgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen
verwendet werden, um gleiche Bauteile darzustellen, und wobei:
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1 bis 1F Herstellablaufdiagramme
zum Beschreiben eines Verfahrens zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung sind;
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2A bis 2G Herstellablaufdiagramme
zum Beschreiben eines Verfahrens zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung sind;
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3A und 3B Zeichnungen
zum Beschreiben einer Brennstoffzelle gemäß einer
dritten Ausführungsform der Erfindung sind; und
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4A und 4B Zeichnungen
zum Beschreiben eines Wasserstofftrenngeräts gemäß einer
vierten Ausführungsform der Erfindung sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der folgenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung detaillierter
im Hinblick auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben.
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1A bis 1F sind
Herstellablaufdiagramme zum Beschreiben des Verfahrens zum Herstellen
einer Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40 gemäß der
ersten Ausführungsform. Wie in 1A gezeigt
ist, wird zuerst eine Wasserstofftrennmembran 10 bereit
gestellt. Die Wasserstofftrennmembran 10 ist aus einem
wasserstoffdurchlässigen Metall gemacht. Es ist möglich, bspw.
eine Palladiumlegierung oder dergleichen als das wasserstoffdurchlässige
Metall zu verwenden. Die Membrandicke der Wasserstofftrennmembran 10 ist
bspw. 10 μm bis 200 μm, und noch wünschenswerter
ist sie 50 μm bis 100 μm.
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Als
nächstes wird, wie in
1B gezeigt
ist, eine Metallmembran mit niedriger Härte
20,
die eine Wasserstoffdurchlässigkeit hat, an einer Fläche
der Wasserstofftrennmembran
10 durch ein Verfahren des
Plattierens, der Dampfabscheidung oder dergleichen ausgebildet.
Die wasserstoffdurchlässige Metallmembran mit niedriger
Härte
20 kann auf eine Fläche der Wasserstofftrennmembran
10 durch
das Kaltfügeverfahren geschichtet werden. Die Dicke der
Metallmembran mit niedriger Härte
20 ist bspw.
5 μm bis 30 μm und noch wünschenswerter
ist sie 10 μm bis 20 μm. Die Metallmembran mit
niedriger Härte
20 hat eine Härte (Vickershärte, die
auch nachstehend verwendet wird), die niedriger als die der Wasserstofftrennmembran
10 ist.
In dieser Ausführungsform ist die Metallmembran mit niedriger
Härte
20 im Wesentlichen aus reinem Palladium
hergestellt. In diesem Fall wird der Ausdruck im Wesentlichen reines
Palladium verwendet, um Palladium zu bezeichnen, das eine Reinheit
von annähernd 99,9% hat. Beispiele der Härte von
im Wesentlichen reinem Palladium und Palladiumlegierungen, die als
die Wasserstofftrennmembran
10 verwendet werden können,
sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
| Zusammensetzung
(Gewichtsprozent) | Vickershärte |
| Pd | 45 |
| Pd77%
Ag23% | 90 |
| Pd76%
Pt24% | 55 |
| Pd60%
Cu40% | 170 |
| Pd86%
Ni14% | 160 |
| Pd89%
Gd11% | 250 |
| Pd70%
Au30% | 85 |
| Pd45%
Au55% | 90 |
| Pd65%
Au30% Rh5% | 100 |
| Pd70%
Ag25% Rh5% | 130 |
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Als
nächstes wird der Träger 30 bereit gestellt,
wie in 1C gezeigt ist. Der Träger 30 ist
aus einem Metall gemacht, wie bspw. rostfreier Stahl oder dergleichen.
Die Dicke des Trägers 30 ist bspw. 50 μm
bis 300 μm. In dieser Ausführungsform sind eine
Vielzahl von Durchgangslöchern 31 in dem Träger 30 zu
dem Zweck des Zuführens von Wasserstoff zu der Wasserstofftrennmembran 10 ausgebildet.
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Als
nächstes wird, wie in 1D gezeigt
ist, ein Aktivierungsprozess der Fügefläche 32 des
Trägers (eine Fläche des Trägers 30)
und der Fügefläche 21 der Metallmembran
mit niedriger Härte 20 (der Fläche der Metallmembran
mit niedriger Härte 20, die gegenüber
der Wasserstofftrennmembran 10 ist) durchgeführt.
Der Aktivierungsprozess wird durch einen Ionenausstrahlungsprozess
mit einem Inertgas in einer Atmosphäre eines Inertgases,
wie Argon oder dergleichen, durchgeführt. In diesem Fall
werden die Oberflächenabschnitte der Fügefläche 32 und
der Fügefläche 21 entfernt, so dass die
Oxide beseitigt werden, die hauptsächlich in den Oberflächenabschnitten
vorhanden sind.
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Es
ist möglich, Helium, Neon oder Argon oder dergleichen als
das Inertgas zu verwenden, und es ist besonders wünschenswert,
vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit her, Argongas zu verwenden.
Als eine Folge liegen die aktivierten Flächen des Trägers 30 und
der Metallmembran mit niedriger Härte 20 mit fast
keinen Oxiden frei. Die Temperatur der Wasserstofftrennmembran 10,
der Metallmembran mit niedriger Härte 20 und des
Trägers 30 ist ungefähr 200°C,
wobei die Temperatur durch Kollision mit Argonionen bewirkt wird,
wenn ein Aktivierungsprozess unter der Anwendung einer Argonionenausstrahlung
verwendet wird.
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Als
nächstes werden, wie in 1E gezeigt
ist, die Wasserstofftrennmembran 10 und die Metallmembran
mit niedriger Härte 20 auf dem Träger 30 platziert,
so dass die Flügelfläche 21 und die Flügelfläche 32 einander
gegenüber liegen, und das Kaltfügeverfahren wird
verwendet, um die Wasserstofftrennmembran 10, die Metallmembran
mit niedriger Härte 20 und den Träger 30 zu
fügen. Durch diesen Prozess wird, wie in 1F gezeigt
ist, die Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40 fertig
gestellt.
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In
dieser Ausführungsform ist die Temperatur der Wasserstofftrennmembran 10,
der Metallmembran mit niedriger Härte 20 und des
Trägers 30 niedriger als in dem Fall eines Verwendens
des Heißfügeverfahrens. In diesem Fall ist die
thermische Last geringer gemacht, die auf die Wasserstofftrennmembran 10,
die Metallmembran mit niedriger Härte 20 und den
Träger 30 aufgebracht wird. Das heißt,
es gibt fast keinen Einfluss von Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen den verschiedenen Membranen. Dadurch ist es möglich,
eine Verformung der Wasserstofftrennmembran 10, der Metallmembran
mit niedriger Härte 20 und des Trägers 30 zu
unterdrücken, wodurch es möglich ist, eine Beschädigung
der Wasserstofftrennmembran 10 zu verhindern.
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Die
Metallmembran mit niedriger Härte 20, die eine
Härte hat, die niedriger als die der Wasserstofftrennmembran 10 ist
und die auch leicht verformt wird, ist sandwichartig zwischen der
Wasserstofftrennmembran 10 und dem Träger 30 angeordnet.
Aus diesem Grund gibt es eine Verbesserung der Adhäsion
zwischen der Wasserstofftrennmembran 10 und dem Träger 30,
und es gibt keine Notwendigkeit, die Kaltfügebedingung zu
verschärfen. D. h. zusätzlich dazu, dass die Fügetemperatur
auf eine niedrige Temperatur festgesetzt werden kann, ist es möglich,
eine geringer Fügelast festzusetzen.
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In
dieser Ausführungsform hat die Metallmembran mit niedriger
Härte 20 eine Wasserstoffdurchlässigkeit.
Als eine Folge ist es möglich, einen Verlust einer Wasserstoffdurchlässigkeit
der Wasserstofftrennmembran 10 zu unterdrücken.
Die Metallmembran mit niedriger Härte 20 kann
auch innerhalb der Durchgangslöcher 31 des Trägers 30 ausgebildet
sein, wobei es in diesem Fall eine Verbesserung der Festigkeit der
Metallmembran mit niedriger Härte 20 gibt. Demzufolge
ist es möglich, die Dicke der Wasserstofftrennmembran 10 weiter zu
verringern.
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Obwohl
in dieser Ausführungsform reines Palladium als die Metallmembran
mit niedriger Härte 20 verwendet wird und eine
Palladiumlegierung als die Wasserstofftrennmembran 10 verwendet
wird, gibt es in dieser Hinsicht keine besondere Einschränkung.
Solange das Metall eine Wasserstoffdurchlässigkeit hat
und eine Härte hat, die niedriger als die Härte
der Wasserstofftrennmembran 10 ist, kann es als die Metallmembran
mit niedriger Härte 20 verwendet werden. Beispielsweise
ist es möglich, eine Palladiumlegierung anzuwenden, die eine
Härte hat, die niedriger als die der Palladiumlegierung
ist, die in der Wasserstofftrennmembran 10 verwendet wird.
Solange das Metall eine Wasserstoffdurchlässigkeit hat,
kann es als die Wasserstofftrennmembran 10 verwendet werden.
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Das
Verfahren zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembran mit einem
Träger 40a gemäß der zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. 2A bis 2F sind
Herstellablaufdiagramme zum Beschreiben des Verfahrens zum Herstellen
einer Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40a.
Bestandteile, die die selben Bezugszeichen haben, wie es für
die erste Ausführungsform gezeigt ist, sind aus gleichen
Materialien wie in der ersten Ausführungsform gemacht.
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Zuerst
wird, wie in 2A gezeigt ist, die Wasserstofftrennmembran 10 bereit
gestellt. Als nächstes wird, wie in 2B gezeigt
ist, eine Metallmembran mit niedriger Härte 20a,
die eine Wasserstoffdurchlässigkeit hat, an einer Fläche
der Wasserstofftrennmembran 10 durch ein Verfahren des
Plattierens, der Dampfabscheidung oder dergleichen ausgebildet.
Die Metallmembran mit niedriger Härte 20a hat
eine Härte, die niedriger als die der Wasserstofftrennmembran 10 ist.
Es ist möglich, bspw. Kupfer, Nickel, Zinn, Zink oder Aluminium
als die Metallmembran mit niedriger Härte 20a zu
verwenden. In dieser Ausführungsform ist die Metallmembran
mit niedriger Härte 20a aus Kupfer gemacht. Die
Dicke der Metallmembran mit niedriger Härte 20a ist
bspw. ungefähr 10 μm.
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Als
nächstes wird, wie in 2C gezeigt
ist, der Träger 30 bereit gestellt. Als nächstes
wird, wie in 2D gezeigt ist, der Aktivierungsprozess
der Fügefläche 32 des Trägers 30 und
der Fügefläche 21a der Metallmembran
mit niedriger Härte 20a (die Fläche der
Metallmembran mit niedriger Härte 20a, die gegenüber der
Wasserstofftrennmembran 10 ist) durchgeführt.
Der Aktivierungsprozess wird durch einen Ionenausstrahlungsprozess
mit einem Inertgas in einer Atmosphäre eines Inertgases,
wie Argon oder dergleichen, durchgeführt. In diesem Fall
werden die Oberflächenabschnitte der Fügefläche 32 und
der Fügefläche 21a entfernt, so dass
die Oxide entfernt werden, die hauptsächlich in den Oberflächenabschnitten
vorhanden sind. Es ist möglich, Helium, Neon oder Argon
oder dergleichen als das Inertgas zu verwenden, und es ist insbesondere
wünschenswert, von dem Standpunkt der Wirtschaftlichkeit
her, Argon zu verwenden. Als nächstes werden, wie in 2E gezeigt
ist, die Wasserstofftrennmembran 10 und die Metallmembran
mit niedriger Härter 20a auf dem Träger 30 platziert,
so dass die Fügefläche 32 und die Fügefläche 21a,
die aktiviert sind, einander gegenüber liegen. Dann wird
das Kaltfügeverfahren verwendet, um die Wasserstofftrennmembran 10,
die Metallmembran mit niedriger Härte 20a und
den Träger 30 zu fügen.
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Als
nächstes wird, wie in 2F gezeigt
ist, ein Ätzprozess des frei liegenden Bereichs der Metallmembran
mit niedriger Härte 20a durchgeführt,
der über die Durchgangslöcher 31 frei
liegt. Durch diesen Prozess werden eine Vielzahl von Durchgangslöchern 22 für
den Zweck des Zuführens von Wasserstoff zu der Wasserstofftrennmembran 10 in
der Metallmembran mit niedriger Härte 20a ausgebildet.
Durch die vorstehenden Prozessschritte wird, wie in 2G gezeigt
ist, die Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40a fertig gestellt.
In dieser Ausführungsform gibt es keine Notwendigkeit,
ein hochpreisiges, wasserstoffdurchlässiges Metall als
die Metallmembran mit niedriger Härte 20a zu verwenden.
Deshalb ist es möglich, die Kosten der Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger 40a zu verringern. Des Weiteren
kann irgendein Metall, das eine Härte hat, die niedriger
als die Härte der Wasserstofftrennmembran 10 ist,
als die Metallmembran mit niedriger Härte 20a verwendet
werden.
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Obwohl
die Metallmembranen mit niedriger Härte 20 bzw. 20a der
ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform
an den Träger 30 gefügt worden sind,
nachdem sie an der Wasserstofftrennmembran 10 ausgebildet
worden sind, können sie alternativ an die Wasserstofftrennmembran 10 gefügt
werden, nachdem sie an dem Träger 30 ausgebildet
worden sind. Zusätzlich kann die Metallmembran mit niedriger
Härte 20 und 20a an sowohl der Wasserstofftrennmembran 10 als
auch dem Träger 30 ausgebildet werden. In diesem
Fall gibt es auch eine Verbesserung der Adhäsion zwischen
der Wasserstofftrennmembran 10 und dem Träger 30.
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Als
nächstes wird eine Brennstoffzelle 100 gemäß der
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 3A und 3B sind
Zeichnungen zum Beschreiben der Brennstoffzelle 100. 3A ist
eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 100,
und 3B ist eine Zeichnung zum Beschreiben des Verfahrens
zum Herstellen der Brennstoffzelle 100. Bestandteile, die
die selben Bezugszeichen haben, wie es für die erste und
zweite Ausführungsform gezeigt ist, sind aus gleichen Materialien
wie in der ersten und zweiten Ausführungsform gemacht.
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Wie
in 3A gezeigt ist, werden eine Protonenleitende Elektrolytmembran 50 und
eine Kathode 60 der Reihe nach an einer Wasserstofftrennmembran 10 der
Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40 ausgebildet,
die durch das Verfahren zum Herstellen der ersten Ausführungsform
hergestellt wird. Wie in 3B gezeigt
ist, werden eine Protonen leitende Elektrolytmembran 50 und eine
Kathode 60 der Reihe nach auf der Wasserstofftrennmembran 10 durch
Sputtern oder dergleichen ausgebildet, um ein Herstellen der Brennstoffzelle 100 zu
ermöglichen.
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Der
Betrieb der Brennstoffzelle 100 wird nun beschrieben. Zuerst
wird ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas zu der Metallmembran
mit niedriger Härte 20 über eine Vielzahl
von Durchgangslöchern 31 in dem Träger 30 zugeführt.
Der Wasserstoff in dem Brenngas geht durch die Metallmembran mit
niedriger Härte 20 und die Wasserstofftrennmembran 10 hindurch
und erreicht die Protonenleitende Elektrolytmembran 50.
Wasserstoff, der die Protonenleitende Elektrolytmembran 50 erreicht,
wird in Protonen und Elektronen zerlegt. Die Protonen werden durch
die Protonen leitende Elektrolytmembran 50 geleitet und
erreichen die Kathode 60.
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Oxidationsgas,
das Sauerstoff enthält, wird zu der Kathode 60 zugeführt.
An der Kathode 60 wird Wasser synthetisiert und Elektrizität
wird aus dem Sauerstoff in dem Oxidationsgas und Protonen erzeugt,
die die Kathode 60 erreicht haben. Die erzeugte elektrische
Energie wird über einen Separator zurück gewonnen,
der nicht dargestellt ist. Durch den vorstehend genannten Betrieb
erzeugt die Brennstoffzelle 100 elektrische Energie. Eine
Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40a,
die durch das Verfahren zum Herstellen gemäß der
zweiten Ausführungsform hergestellt wird, kann an Stelle
der Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40 verwendet
werden. In diesem Fall wird das Brenngas zu der Wasserstofftrennmembran 10 über
die Vielzahl von Durchgangslöchern 31 und über
die Vielzahl von Durchgangslöchern 22a der Metallmembran
mit niedriger Härte 20a zugeführt.
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Ein
Wasserstofftrenngerät 200 gemäß der
vierten Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. 4A und 4B sind
Zeichnungen zum Beschreiben des Wasserstofftrenngeräts 200. 4A ist
eine schematische Querschnittsansicht des Wasserstofftrenngeräts 200,
und 4B ist eine Zeichnung zum Beschreiben des Verfahrens
zum Herstellen des Wasserstofftrenngeräts 200.
Bestandteile, die die selben Bezugszeichen haben, wie für
die erste und zweite Ausführungsform gezeigt ist, sind
aus den gleichen Materialien wie in der ersten und zweiten Ausführungsform
gemacht.
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Wie
in 4A gezeigt ist, ist eine Strömungspassagenplatte 80 an
der Wasserstofftrennmembranseite der Wasserstofftrennmembran mit
einem Träger 40 ausgebildet, die durch das Verfahren
zum Herstellen gemäß der ersten Ausführungsform
hergestellt worden ist, und eine Strömungspassagenplatte 70 ist
an der Seite des Trägers 30 der Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger 40 ausgebildet, die durch das
Verfahren zum Herstellen gemäß der ersten Ausführungsform
hergestellt worden ist. Die Strömungspassagenplatte 70 ist eine
Platte, in der eine Strömungspassage für den Zweck
des Zuführens von Wasserstoff enthaltendem Gas zu der Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger 40 ausgebildet ist, und die Strömungspassagenplatte 80 ist
eine Platte, in der eine Strömungspassage für
den Zweck des Rückgewinnens von Wasserstoff ausgebildet ist,
der an der Wasserstofftrennmembran mit einem Träger 40 getrennt
wird.
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Wie
in 4B gezeigt ist, ist die Strömungspassagenplatte 70 an
die Fläche des Trägers 30 an der Seite
gegenüberliegend von der Metallmembran mit niedriger Härte 20 gefügt,
und die Strömungspassagenplatte 80 ist an die
Fläche der Wasserstofftrennmembran 10 an der Seite
gegenüber von der Metallmembran mit niedriger Härte 20 gefügt,
wodurch eine Herstellung des Wasserstofftrenngeräts 200 ermöglicht
wird.
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Der
Betrieb der Brennstoffzelle 200 wird nun beschrieben. Zuerst
wird ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas von der Strömungspassage
innerhalb der Strömungspassagenplatte 70 zu der
Metallmembran mit niedriger Härte 20 über
eine Vielzahl von Durchgangslöchern 31 in dem
Träger 30 zugeführt. Der Wasserstoff in
dem Brenngas geht durch die Metallmembran mit niedriger Härte 20 und
die Wasserstofftrennmembran 10 hindurch und erreicht die
Strömungspassagenplatte 80. Wasserstoff, der die
Strömungspassagenplatte 80 erreicht hat, wird über
die Strömungspassage der Strömungspassagenplatte 80 zurück
gewonnen. Durch diesen Betrieb ist es möglich, Wasserstoff
zu trennen, der in dem Brenngas enthalten ist. Eine Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger 40a, die durch ein Verfahren
zum Herstellen gemäß der zweiten Ausführungsform
hergestellt worden ist, kann an Stelle der Wasserstofftrennmembran
mit einem Träger 40 verwendet werden. In diesem
Fall wird das Brenngas zu der Wasserstofftrennmembran 10 über
die Vielzahl von Durchgangslöchern 31 und über
die Vielzahl von Durchgangslöchern 22 der Metallmembran
mit niedriger Härte 20a zugeführt.
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Während
die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen
von dieser beschrieben worden ist, sollte es zu verstehen sein,
dass die Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen
oder Aufbauten beschränkt ist. Im Gegenteil, es ist beabsichtigt,
dass die Erfindung verschiedenen Modifikationen und äquivalente
Anordnungen abdeckt. Zusätzlich, während die verschiedenen
Elemente der beispielhaften Ausführungsformen in verschiedenen
Kombinationen und Aufbauten gezeigt sind, die beispielhaft sind,
sind andere Kombinationen und Aufbauten, einschließlich
mehr, weniger oder nur einem einzelnen Element, auch innerhalb des
Umfangs der Erfindung.
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Zusammenfassung
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Wasserstofftrennmembran mit einem
Träger ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen ersten
Schritt des Vorsehens einer Metallmembran mit niedriger Härte,
die eine Härte hat, die niedriger als die der Wasserstofftrennmembran
ist, zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem die Wasserstofftrennmembran
abstützenden Träger und einen zweiten Schritt
des Fügens der Wasserstofftrennmembran, der Metallmembran
mit niedriger Härte und des Trägers durch ein
Kaltfügeverfahren hat. In diesem Fall ist es möglich,
die Verformung der Wasserstofftrennmembran, der Metallmembran mit
niedriger Härte und des Trägers zu unterdrücken,
und als eine Folge ist es möglich, eine Beschädigung
der Wasserstofftrennmembran zu verhindern. Die Adhäsion
zwischen der Wasserstofftrennmembran und dem Träger ist
auch verbessert. Die Folge ist, dass es nicht notwendig ist, die
Kaltfügebedingungen zu verschärfen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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