KR20180096642A - 본딩층이 구비된 멤브레인 조립체 - Google Patents

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마르쿠스 하이든
슈테판 훔멜
마르코 브란트너
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플란제 에스이
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Abstract

본 발명은, 다공성, 유체-투과성의, 금속 지지 기판(2), 상기 지지 기판 상에 형성되는, 분리되어야 할 유체에 대해 선택적으로 투과성인, 멤브레인(8), 적어도 표면 상에서 유체-기밀인 금속 재료로 이루어지고, 상기 지지 기판(2)이 그 주변부(3)를 따라 연결부(6)에 접착 결합되어 있는, 연결부(6), 및 지지 기판(2)과 멤브레인(8) 사이에 형성되는 세라믹, 유체-투과성, 다공성, 제1 중간층(10)을 포함하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 조립체에 관한 것이다. 적어도 하나의 세라믹 본딩층(14)이 접착 결합부(4)와 연결부(6)의 직접 위에 형성되며, 적어도 연결부(6)의 인접 부분과 접착 결합부(4)에 걸쳐 연장된다. 제1 중간층(10)은 본딩층(14) 상에서 연장되고 본딩층(14)보다 큰 평균 기공 크기를 갖는다.

Description

본딩층이 구비된 멤브레인 조립체
본 발명은, 다공성, 유체-투과성의, 특히 가스-투과성의, 금속 지지 기판, 상기 지지 기판 상에 위치되고 분리되어야 할 유체(특히 가스)에 대해 선택적으로 투과성인 멤브레인(membrane), 적어도 표면 상에서 유체-기밀의 (특히 가스 기밀의) 금속 재료로 이루어진 연결부를 포함하고, 지지 기판과 멤브레인 사이에 위치되는 세라믹, 유체-투과성(특히 가스-투과성), 다공성, 제1 중간층을 또한 포함하며, 지지 기판은 그 주변부(peripheral section)를 따라 연결부에 접착 결합되어 있는, 유체 혼합물로부터 유체의, 특히 가스 혼합물로부터 가스의, 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 멤브레인 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
이러한 유형의 멤브레인 장치는 일반적으로 유체 혼합물로부터 유체(액체, 가스)의 선택적 분리를 위해, 특히 가스 혼합물로부터 가스의 선택적 분리를 위해, 특히 수소-함유 가스 혼합물로부터 (예를 들어 스팀-개질 천연 가스(steam-reformed natural gas)로부터) 수소의 분리를 위해, 사용된다. 여기서 유체라는 용어는 액체, 가스 또는 액체와 가스의 혼합물을 지칭한다. 특정 원자 또는 분자(예를 들어, H2)에 대해서 단지 선택적으로 투과성인 특정 물질의 특성은, 분리되어야 할 유체(특히 가스)에 대한 유체 공간(특히 가스 공간)으로부터 유체 혼합물에 대한 유체 공간(특히 가스 공간)을 세분하기 위해, 얇은 시트("멤브레인(membrane)")로서, 예를 들어 지지체 상의 층으로서 또는 자립형 필름으로서, 그것들을 이용함으로써 여기에 이용될 수 있다는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 분리될 가스의 특정 분압을 갖는, 예를 들어 특정 H2 분압을 갖는, 가스 혼합물이 멤브레인의 한쪽 면에 제공되는 경우, 분리될 가스의 원자들/분자들은, 분리될 가스의 동일한 분압이 양쪽 면에 형성될 때까지, 다른 쪽으로 멤브레인을 통과하려고 한다. 멤브레인 영역에는 분리될 가스의 특정 가스 유동이, 특히 특정 H2 가스 유동이, 이른바 성능 파라미터로서 할당될 수 있다. 일반적으로, 적어도 금속 멤브레인의 경우, 멤브레인이 얇을수록 그리고 작동 온도가 높을수록, 분리될 가스의 특정 가스 유동이 높아진다. 대체로 유사한 요구사항들이 액체가 분리되어야 하는 경우에 적용된다. 이러한 이유로, 원하는 가스 유동에서 설비를 가능한 한 작게 유지하고 설비 비용을 줄이기 위해 매우 얇은 멤브레인을 사용할 필요가 있다. 수 ㎛(미크론) 범위의 얇은 멤브레인은 매우 작은 형상 안정성과 강성을 갖기 때문에, 멤브레인에 유체 공급(특히 가스 공급) 및/또는 멤브레인으로부터 멀리 유체 이송(특히 가스 이송)을 가능하게 하며 멤브레인의 적용을 위해 평평한 표면을 제공하는, 다공성, 유체-투과성의(특히 가스-투과성의) 튜브형 또는 평면형 지지 기판 상에 층으로서 흔히 구성된다. 지지 기판용 금속 재료는 세라믹 재료에 비해 낮은 제조 비용을 갖고, 예를 들어 용접(welding) 또는 솔더링(soldering)에 의해, 적어도 표면 상에서 유체-기밀(특히 가스 기밀)인 금속 연결부에 결합하기가 비교적 간단하다. 이러한 방식으로, 멤브레인 장치는, 연결부를 통해, (이러한 유형의 복수의 멤브레인 장치들을 구비하는) 모듈 안으로, 또는 보다 일반적으로는 내부에서 유체 분리(특히 가스 분리)가 수행되는 설비 안으로, 통합될 수 있다. 지지 기판과 멤브레인 사이에는, 확산 효과를 방지하는 기능을 하고 많은 경우에 금속 지지 기판으로부터 멤브레인으로 기공 크기의 단계적 감소를 일으키는 기능을 또한 하는, 세라믹, 유체-투과성(특히 가스-투과성), 다공성, 제1 중간층이 존재한다.
접착 결합(예를 들어 용접 심(welding seam))를 통한 다공성 지지 기판으로부터 연결부의 불투과성 금속 표면으로의 전이는 전술한 층들의 적용에 큰 도전이 된다. 이러한 전이 영역에서는, 적어도 분리될 유체(특히 가스) 외에도 또 다른 유체들(특히 가스들)이 유체 혼합물(특히 가스 혼합물) 내에 존재하는 한, 2개의 유체 공간(특히 가스 공간)의 유체-기밀(특히 가스 기밀) 분리를 보장할 필요가 있다. 그러나, 이러한 전이 영역은 상이한 재료 전이 때문에 기계적 취약점을 나타내며, 반복적으로 층들의 박리(spalling)가 계속 발생한다.
그러한 불투과성 전이 영역을 제조하기 위한 하나의 변형 형태가 US　8,753,433　B2에 기재되어 있다. 거기에서, 멤브레인은 지지 기판으로부터 연결부 위로 드로잉되며 후자 바로 위에서 끝난다. 지지 기판과 멤브레인 사이에 제공되는 중간층은 지지 기판과 연결부 사이의 결합 영역 위로 연장되지만, 연결부의 방향으로 멤브레인 전에 끝난다. 불투과성 층이 다공성 세라믹 지지 기판 및 가스 기밀 세라믹 연결부에 걸쳐 전이 영역에서 연장되며, 그 위에 멤브레인이 끝나기 전에 연장되는, 멤브레인 장치가 JP　2014-046229　A에 기재되어 있다.
본 발명의 목적은, 지지 기판과 연결부 사이의 전이 영역에서 층 구조체가 장기간의 사용에 걸쳐 각각의 기판에 그 영역에 걸쳐 결합된 채로 유지되는, 전술한 유형의 멤브레인 장치와 그러한 멤브레인 장치를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에서 청구된 멤브레인 장치에 의해 그리고 청구항 19에서 청구된 멤브레인 장치를 제조하기 위한 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시형태들은 종속항들에 기재된다.
본 발명에 따르면, 유체 혼합물로부터 유체의, 특히 가스 혼합물로부터 가스의 (예를 들어 H2-함유 가스 혼합물로부터 H2의), 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치(유체 분리 멤브레인 장치, 특히 가스 분리 멤브레인 장치)가 제공된다. 멤브레인 장치는 다공성, 유체-투과성의 (특히 가스-투과성의) 금속 지지 기판, 상기 지지 기판 상에 위치되고, 분리되어야 할 유체(특히 가스)에 선택적으로 투과성인, 투과성 멤브레인(유체 분리 멤브레인, 특히 가스 분리 멤브레인), 적어도 표면 상에서 유체-기밀의 (특히 가스 기밀의) 금속 재료로 이루어진 연결부를 포함하고, 지지 기판과 멤브레인 사이에 위치되는 세라믹, 유체-투과성(특히 가스-투과성), 다공성, 제1 중간층을 또한 포함하며, 지지 기판은 그 주변부를 따라 연결부에 접착 결합된다. 적어도 하나의 세라믹 본딩층이 연결부와 접착 결합부 직접 위에서 접착 결합부의 전체 결합부 길이의 적어도 일부를 따라 위치되며, 적어도 접착 결합부와 연결부의 인접 부분에 걸쳐 연장된다. 제1 중간층은 본딩층 상에서 또는 본딩층에서 끝나고, 본딩층보다 큰 평균 기공 크기를 갖는다. 상이한 층들은, 그들 사이에 일반적으로 형성되는, 층별로 소결된 층들의 경우에 특히 뚜렷한, 경계면들과 상이한 기공 크기의 도움으로, 횡방향 연마된 부분의 전자 현미경 사진에서 서로 구별 가능하다. 본 출원 발명의 설명과 청구범위에서 "직접" 연속하는 층들/구성요소들이 참조되는 경우, 그것들 사이에 위치되는 층들/구성요소들의 존재는 배제된다. 반면, "직접"이라는 용어가 사용되지 않는 경우, 기술적으로 실현 가능한 한, 그 사이에 추가 층들/구성요소들이 제공되는 것이 가능하다. 범위가 표시되는 경우, 표시된 한계값들은 각각의 경우 포함되도록 의도된다. 여기서 용어 "유체"는 액체, 가스 또는 액체와 가스의 혼합물을 지칭한다. 유체는 바람직하게는 각각의 경우에 가스이며, 유체 혼합물은 각각의 경우에 바람직하게는 가스 혼합물이다. 이에 따라 "유체-기밀" 또는 "유체-투과성" 특성이 참조되는 경우, 각각의 경우에 명백히 언급되지 않는 한, 바람직한 실시형태에 따르면 각각의 경우에 "가스 기밀" 또는 "가스-투과성" 특성이다.
청구된 멤브레인 장치의 구조는 다수의 이점과 관련되며, 이는 이하에서 개개의 구성요소들의 기능 면에서 설명될 것이다. 멤브레인이라는 용어는 유체의 특정 유형에 대해, 특히 가스의 유형에 대해 (특히 H2에 대해), 선택적으로 투과성인 재료의 얇은 시트를 지칭한다. 멤브레인은 (또는 그 재료는) 분리될 유체, 특히 가스(예를 들어 H2),에 따라 선택된다. 예를 들어, 구성요소가 유체 혼합물(특히 가스 혼합물)의 이러한 유체들(특히 기체들) 모두에 대해 유체-기밀(특히 가스 기밀)이 되어야 하는 경우, 각각의 유체 혼합물(특히 가스 혼합물)에 존재하는 추가 유체들(특히 가스들)이 멤브레인 장치의 구성요소들의 재료의 선택 및 디자인에 또한 경우에 따라 고려될 수 있다. 멤브레인은 원칙적으로 자립형 필름으로서 또는 지지체 상의 (적어도 하나의) 층으로서 구성될 수 있다. 매우 높은 성능 파라미터를 위해, 일반적으로 평평한 지지 기판이 그 위에 얇은 층으로서 멤브레인을 제공하기 위해 본 발명의 멤브레인 장치에서 멤브레인을 위해 사용된다. 지지 기판은, 지지 기판이 사용되는 멤브레인의 면(튜브형 구조의 경우, 바람직하게는 멤브레인의 안쪽 면)에 따라, 멤브레인에 유체 공급 또는 멤브레인으로부터 멀리 유체 이송을 보장하기 위해 다공성 및 유체-투과성이어야 한다. 지지 기판에 대한 그리고 이에 따라 또한 거기에 적용되는 멤브레인에 대한 2개의 통상적인 기본 형상이, 즉 평면형 기본 형상과 튜브형 기본 형상이, 존재하며, 튜브형 또는 튜브-형상 기본 형상에 점점 더 초점이 맞춰지고 있다. 금속 및 세라믹 재료 둘 모두 지지 기판에 사용되며, 여기서 청구되는 금속 지지 기판은 세라믹 지지 기판에 비해, 제조하기가 더 저렴하고, 연결부에 대해 전이 영역에서 밀봉하기가 더 용이하며, 예을 들어 용접 공정에 의해, 연결부에 연결하기가 비교적 간단하다는, 장점을 갖는다. 이러한 다공성, 액체-투과성, 금속 지지 기판의 제조는 특히 분말-야금 제조 공정에 의해 수행되며, 이는 형상화(예를 들어 프레싱(pressing)) 단계와 금속 출발 분말의 소결 단계를 포함하며, 그 결과 분말-야금 제조에 전형적인 미세구조를 갖는 다공성 지지 기판이 얻어진다. 이러한 미세구조는 식별 가능한 금속 분말의 개개의 입자들에 의해 구별되며, 이러한 개개의 입자들은, 소결 정도에 따라, (예를 들어 연마된 부분의 전자 현미경 사진으로부터 식별 가능한) 다소 강하게 뚜렷한 소결 넥(sinter neck)들에 의해 결합된다. 그러나, 다공성, 유체-투과성, 금속 지지 기판은, 특히 분말 야금에 의해 제조된 이러한 유형의 지지 기판은, 비교적 큰 기공 크기(때때로 최대 50 ㎛까지)를 갖고, 이는 통상적으로 단지 수 미크론의 두께(특히 5-15 ㎛ 범위의 가스 분리 멤브레인의 두께)를 갖는 멤브레인으로 밀봉하는 것을 더 어렵게 한다. 지지 기판에 적합한 재료는, 특히, 높은 비율의 크롬(chromium: Cr)(예를 들어 적어도 16 중량％의 Cr)을 함유하는 철(Fe)-계 (즉, 적어도 50 중량％의, 특히 적어도 70 중량％의, Fe를 함유하는) 합금이며, 이에는 추가 첨가물들이, 예를 들어 (내산화성을 증가시키기 위한) 이트륨 산화물(Y2O3), 티타늄(Ti) 및 몰리브덴(Mo)이 첨가될 수 있으며, 이러한 첨가물들의 총 비율은 바람직하게는 3 중량％ 미만이다 (참고로, 예를 들어, Plansee SE사의 ITM이라고 하는 재료는 71.2 중량％의 Fe, 26 중량％의 Cr, 그리고 총 3 중량％ 미만의 Ti, Y2O3 및 Mo를 함유한다). 또한, 높은 작동 온도에서 (통상적으로 가스 분리에서 작동 온도는 450-900℃ 범위 내임) 금속성 지지 기판과 (H2의 분리의 경우 일반적으로 마찬가지로 금속성인) 멤브레인 사이에서 상호 확산 효과가 일어나며, 이는 시간이 지남에 따라 멤브레인의 열화 또는 파괴로 이어질 것이다. 이러한 단점들을 피하기 위해, 적어도 하나의 세라믹, 유체-투과성, 다공성 중간층(예를 들어 8YSZ로, 즉 8　mol％의 이트륨 산화물(Y2O3)을 이용하여 완전히 안정화된 지르코늄 산화물로, 구성된 것)이 지지 기판과 멤브레인 사이에 삽입된다. 이러한 중간층은 지지 기판과 멤브레인 사이에서 상호 확산 효과를 억제한다. 또한, 기공 크기는 이러한 중간층에 의해, 경우에 따라 또한 단계적으로 (특히 복수의 중간층들의 적용에 의해, 즉 "단계적인 층 구조(gradated layer structure)"에 의해), 수 ㎛로, 특히 0.03-0.50 ㎛ 범위에서 가스 분리에 적합한 평균 기공 크기로, 감소될 수 있다. 제1 중간층(그리고 경우에 따라 추가 중간층들)과 멤브레인은 바람직하게는 유체 분리(특히 가스 분리)를 위해 제공된 지지 기판의 전제 영역에 걸쳐 연장된다. 튜브형 구조의 경우, 이는 지지 기판의 원통형 외부 표면(또는 경우에 따라서는 원통형 내부 표면)에 대응하며, 적어도 하나의 축방향 주변 영역에는 경우에 따라서 (예를 들어 밀봉 단부(sealing end) 또는 연결 요소의 부착을 위해) 리세스(recess)가 구비될 수 있다. 층 구조의 영역에서 (분리될 유체에 대한 투과성을 제외하고) 밀봉은 멤브레인에 의해 일어난다. 공정 유체(특히 공정 가스)의 완전한 유체-기밀 공급 또는 배출을 위해, 층 구조체는 설비(예를 들어 반응기)의 적절한 연결 도관에 결합되어야 한다. 연결 도관에 대한 층 구조체의 그러한 완전한 유체-기밀 연결을 위해, 적어도 표면 상에서 유체-기밀의 금속 재료로 이루어진 연결부는 이 경우에 지지 기판에 직접 인접하여 사용된다. 연결부는, 예를 들어 복수의 연결 도관들의 결합 또는 분할과 같은, 추가 기능들을 수행할 수도 있다. 이러한 목적을 위해, 적절히 기능화된 부분이 연결부에 성형되고/성형되거나 연결부에 결합될 수 있다. 지지 기판은 그 주변부를 따라 연결부에 (예를 들어 용접 결합에 의해) 접착 결합된다. 연결부의 유체-기밀의 금속 영역은 인접 지지 기판상의 멤브레인과 동일한 면에, 튜브형 기본 형상의 경우 특히 외부면에, 바람직하게는 제공된다. 특히, 연결부는 고체 금속 구성요소이다. 튜브형 구성의 경우, 연결부는 적어도 지지 기판에 인접한 영역에서 또한 튜브형이며, 접착 결합부는 인접 구성요소의 전체 둘레 주위로 연장된다.
연결부와 지지 기판 사이의 전이 영역은 적어도 분리될, 유체(특히 가스) 이외에 유체 혼합물 내에 존재하는, 추가 유체들 또는 가스들(이하에서: "추가 유체들" 특히 "추가 가스들")에 대해 유체-기밀(특히 가스 기밀)이 되어야 한다. 이러한 목적을 위해, 특히, 멤브레인 자체가, 또는 대안으로서 유체 혼합물의 추가 또는 모든 유체들에 유체-기밀이고 멤브레인에 결합되거나 중첩되는 층이 또한, 이후에 (유체 혼합물의 추가 또는 모든 유체들에 대해) 유체-기밀하게 연결부 상에서 끝나기 위해, 연결부에 걸쳐 연장되는 것이 가능하다. 그러나, 상호 확산 효과를 억제하고 다공도를 감소시키기 위해, 제1 중간층이 연결부의 방향으로 다공성 지지 기판의 적어도 단부까지, 바람직하게는 연결부의 인접 영역에까지, 또한 연장되어야 한다.
본 발명은, 이러한 전이 영역에서 일어나고 맴브레인 장치의 고장(failure)으로 이어지는, 층들의 박리가 다음의 원인에 기인한다는 인식에 기초한다: 특히 금속 고체 재료(예를 들어 강철)로 제조되는 연결부의 유체-기밀 금속 재료와 제1 중간층 사이에 만족스럽지 못한 접착력만 존재한다. 이는, 불안정한 전이부를 형성하고 특히 용접 밀봉부의 경우에 평평하지 않은, 접착 결합부의 영역에 또한 적용된다. 또한, 연결부, 지지 기판 및 세라믹 중간층에 사용되는 재료의 상이한 열팽창계수는, 특히 층 구조체의 소결 중에 또는 이후 멤브레인 장치의 사용 중에, 층 구조체 내의 응력으로 이어진다. 결과적으로 제1 중간층 내에 크랙이 형성되거나 박리가 일어나는 경우, 이는 층 구조체의 또 다른 층들을 통해 전파되며 맴브레인 장치의 고장으로 이어진다. 이러한 문제가 되는 전이 영역에서 제1 중간층의 접착력을 증가시키기 위해, 적어도 하나의 (특히 정확히 하나의) 세라믹 본딩층이 접착 결합부의 전체 결합부 길이의 적어도 일부를 따라, 바람직하게는 전체 결합부 길이에 걸쳐, 연결부와 접착 결합부에 직접 적용된다. 튜브형 구조의 경우 축방향에 대응하는, 접착 결합부에 수직인 방향에 기초하여, 본딩층은 연결부의 인접 부분과 접착 결합부에 적어도 걸쳐 연장된다. 그것은 본딩층 상에서 끝나는 제1 중간층보다 작은 평균 기공 크기를 갖는다. 이렇게 해서, 접착 결합부의 그리고 연결부의 문제 영역을 갖는 제1 중간층의 직접 접촉이 감소되며, 바람직하게는 심지어 완전히 제거된다. 본딩층이 제1 중간층 아래의 또는 제1 중간층에 직접 이웃하는 접착 결합부와 연결부에 직접 적용되는 결과로서, 보다 낮은 다공성 때문에 상당히 더 나은 접착력이 달성된다. 본딩층 형태의 이러한 중간층은 상이한 열팽창계수에 의해 유발되는 응력을 또한 감소시킨다. 특히 세라믹 본딩층의 소결의 경우, 금속 표면과 제1 중간층 사이의 경우보다, 이러한 본딩층의 비교적 미세한 세라믹 입자들과 (특히 접착 결합부의 그리고 연결부의) 아래에 놓이는 금속 표면 사이에서, 상당히 더 많은 소결 넥들이 형성된다. 그 결과, 금속 표면에 대한 본딩층의 접착력은 향상된다. 2개의 세라믹 재료가 서로에 비교적 잘 부착되고, 특히 서로에 잘 소결될 수 있는 결과로서, 제1 중간층의 적용은 문제가 되지 않으며 마찬가지로 양호한 접착으로 이어진다. 제조 과정 중의 소결 중에 그리고 또한 이후의 사용에서, 박리의 발생은 이에 의해 회피될 수 있었다. 특히 제1 중간층 및 지지체의 재료보다 더 미세한 입자 구조를 갖는 경우, 경우에 따라 지지 기판의 재료 안으로 스며들 수 있는 후속 층들에 대한 우수한 기판을 제공하기 위해, 제1 중간층은 연결부의 방향으로 적어도 지지 기판의 단부에까지, 경우에 따라서는 또한 연결부의 인접 영역에 걸쳐서까지, 바람직하게는 연장된다. 제1 중간층은 본딩층 상에서, 즉, 층 표면에 수직인 방향(튜브형 기본 형상의 경우 반경 방향에 해당)으로 본딩층과 제1 중간층 사이에 중첩 영역이 형성되도록, 바람직하게는 끝난다 (도 1, 도 3 참조). 그러나, 제1 중간층이, 본딩층에 직접 인접하는 한, 본딩층에 걸쳐 축방향으로 드로잉 되지 않거나 매우 작은 정도로만 드로잉되는 결과로서, 중첩 영역이 존재하지 않거나 매우 작은 중첩 영역만 존재하는 것이 원칙적으로 또한 가능하다 (도 2 참조).
일 실시형태에서, 본딩층의 평균 기공 크기는 제1 중간층의 평균 기공 크기로부터 적어도 0.10 ㎛ 만큼, 특히 적어도 0.15 ㎛ 만큼, 바람직하게는 심지어 적어도 0.20 ㎛ 만큼, 벗어난다. 그로부터 결과하는 본딩층의 상당히 미세한 입자 구조는 연결부에 대한 특히 우수한 접착력을 촉진한다.
일 실시형태에서, 본딩층은 소결된 세라믹 층이다. 세라믹 소결 층은, 소결의 정도에 따라 다소 강하게 뚜렷한 소결 넥들에 의해 서로 결합되는 개개의 세라믹 입자들을 식별하는 것이 가능한 전형적인 미세구조를 보인다 (본 세라믹 소결 층의 경우 소결 넥들은 또한 매우 약하게만 뚜렷할 수도 있다). 전형적인 미세구조는, 예를 들어, 연마된 부분의 전자 현미경 사진에서 식별 가능하다. 작은 입자 크기 및 기공 크기로 인해, 소결 과정 중에 본딩층으로부터 아래에 놓이는 금속 표면에 많은 소결 넥들이 마찬가지로 형성되며, 그 결과 층들 사이의 접착력이 향상된다. 이는 박리되기 쉬운 접착 결합부 및 인접 연결부의 영역에서 특히 유리하다. 일 실시형태에서, 제공되는 제1 중간층 및 경우에 따라 추가 중간층들은 각각 소결된 세라믹 층(들)이다. 개개의 세라믹 층들은, 특히 본딩층과 적어도 하나의 중간층은, 습식-화학 공정(예를 들어 스크린프린팅(screenprinting), 습식 분말 코팅, 딥 코팅(dip coating), 등)에 의해, 특히 튜브형 기본 형상의 경우 딥 코팅에 의해, 각각 바람직하게는 적용되며, 층별로 소결된다. 층별 소결은 예를 들어, 개개의 층들 사이의 계면이 그린 상태(green state)에 원래 존재하는 모든 층들의 동시 소결(cosintering)의 경우보다 더 뚜렷한 것에 의해, 소결된 층 구조체의 연마된 부분의 전자 현미경 사진에서 식별될 수 있는데, 후자의 제조 경로에서 층들 사이의 계면은 확산 효과로 인해 더 흐려지기 때문이다.
일 실시형태에서, 본딩층은 지지 기판 직접 위의 접착 결합부로부터 접착 결합부에 인접하는 지지 기판의 부분에 걸쳐서까지 연장된다. 본딩층이 접착 결합부로부터 양측으로, 즉 연결부 측으로 그리고 또한 지지 기판 측으로 연장되는 경우, 양측의 방향에서 접착 결합부의 영역에서의 불안정성이 대체로 연속적인 전이의 생성에 의해 보상되며 제1 중간층을 위한 균일한 기판이 제공된다. 그 결과, 층 구조체의 접착력이 향상되고, 크랙 형성의 위험이 감소된다.
일 실시형태에서, 본딩층은 각각의 경우 0.2 - 3.0 ㎝ 범위의 길이에 걸쳐 연결부의 방향으로 그리고/또는 지지 기판의 방향으로 접착 결합부로부터 연장된다. 튜브형 또는 튜브-형상 구조의 경우 축방향으로 연장하는 이러한 길이는 접착 결합부의 이러한 방향으로 인접 단부로부터 연결부의 방향으로 (일반적으로 그 자체는 소정의 결합부 길이에 걸쳐 연장됨, 도 1 내지 도 3에서 "d"로 표시된 영역 참조) 그리고 이러한 방향으로 인접하는 접착 결합부의 단부로부터 지지 기판의 방향으로 측정된다. 특히, 이러한 길이는 각각의 경우에 0.2 - 2.0 ㎝ 범위 내에 있으며, 한층 더 바람직하게는 0.3 - 1.0 ㎝ 범위 내에 있다. 첫째로 층들 사이의 우수한 접착력을 달성하기 위해 그리고 둘째로 유체 분리를 위해 이용가능한 공간의 매우 효율적인 이용을 위해 추가 범위 및 좁은 범위들이 선택된다.
일 실시형태에서, 본딩층은 1 - 50 ㎛ 범위의 두께를 갖는다. 특히, 층 두께는 2 -20 ㎛ 범위 내에 있으며, 한층 더 바람직하게는 3 - 10 ㎛ 범위 내에 있다. 추가 범위 내에서 그리고 특히 더 좁은 범위 내에서, 첫째로 아래에 놓이는 구성요소들에 대한 층들의 우수한 접착력 그리고 또한 제1 중간층을 위한 우수한 기판이 제공되며, 둘째로 본딩층의 적용에 의해 어떠한 과도하게 큰 요철(unevenness)도 도입되지 않는다. 여기서 층 두께는, 특히 접착 결합부의 영역에서, 다양할 수 있다는 것을 주의해야 한다 (용접 심의 영역에서, 예를 들어, 더 두꺼울 수 있다). 또한, 그것은 주변 영역의 방향으로 점점 더 얇아지고 거기에서 끝나며 또한 지지 기판의 영역 안으로 스며들 수 있다. 따라서, 연결부의 방향으로 접착 결합부의 단부로부터 1 ㎜의 거리가 층 두께에 대한 기준으로서 선택된다 (즉, 도 1 내지 도 3에서 각각의 경우에 연결부의 방향으로 "d"로 표시된 영역으로부터 1 ㎜ 만큼 변위됨). 연결부의 방향으로 이러한 거리로부터, 본딩층은 그 단부 쪽으로 얇아질 때까지 대체로 일정한 층 두께를 바람직하게는 갖는다. 일반적으로, 층 두께에 대해 주어지는 값들, 기공 크기에 대한 값들 그리고 입자 크기에 대한 값들은 각각의 경우에 사용할 준비가 된 상태(ready-to-use state)에서의 이러한 파라미터들에 관한 것이며, 즉 소결되어야 할 층들의 경우 소결된 상태에 관한 것이다.
일 실시형태에서, 본딩층은 다공성이고 유체-투과성이며, 특히 가스-투과성이다. 그 결과, 본딩층을 통한 멤브레인으로의 또는 멤브레인으부터의 유체 이송은, 특히 가스 이송은, 본딩층의 영역에서 또한 가능하게 된다. 작은 층 두께 때문에 그리고 개개의 세라믹 입자들의 일반적으로 각진 형상 때문에 다공성의 측정이 비교적 큰 측정 오차를 겪지만, 본딩층의 다공도는 바람직하게는 적어도 20％ 이다. 그러나, 다공성 및 유체-투과성 본딩층이 절대적으로 필요한 것은 아니다. 특히, 그것은 작은 기공을 가질 수 있으며, 이는 이하에서 설명되는 실시형태에서 0 ㎛의 평균 기공 길이에 대응한다. 일 실시형태에서, 본딩층은 0 - 0.50 ㎛ 범위의, 특히 0.01 - 0.30 ㎛ 범위의, 한층 더 바람직하게는 0.03 - 0.25 ㎛ 범위의, 평균 기공 크기를 갖는다. 특히, 본딩층의 기공 크기 분포는 0.01 - 10.00 ㎛ 범위 내에 있다. 일 실시형태에서, 본딩층은 0.01 - 1.00 ㎛ 범위의, 특히 0.01 - 0.75 ㎛ 범위의, 한층 더 바람직하게는 0.03 - 0.50 ㎛ 범위의, 평균 입자 크기를 갖는다. 특히, 본딩층의 입자 크기 분포는 0.01 - 25.00 ㎛ 범위 내에 있다. 첫째로 기판에 대한 본딩층의 우수한 접착력을 달성하기 위해 그리고 둘째로 그 위에서 끝나고 더 큰 평균 기공 크기와 경우에 따라서는 더 큰 평균 입자 크기를 갖는 제1 중간층에 우수한 전이부를 제조하기 위해, 평균 기공 및 입자 크기들에 대한 그리고 또한 대응하는 크기 분포들의 추가 범위들 및 특히 더 좁은 범위들이 선택된다. 제1 중간층의 층 두께는, 일 실시형태에 따르면, 5 - 120 ㎛ 범위 내에, 특히 10 - 100 ㎛ 범위 내에, 한층 더 바람직하게는 20 - 80 ㎛ 범위 내에, 있다. 제1 중간층 및 이하에서 언급되는 제2 중간층에 대해 표시된 층 두께는 대체로 일정한 층 두께를 갖는 지지 기판의 영역에 관한 것이지만, 요철로 인해 연결로의 전이 영역에서는 층 두께 변동이 일어날 수 있다.
개별 기공의 기공 크기 또는 기공 길이는 다음과 같이 측정된다: 연마된 부분에서 각각의 기공의 면적이 측정되고, 동일한 면적을 갖는 원형 형상의 경우에 얻어질, 그것의 등가 직경이 이어서 측정된다. 입자 크기는 이에 따라 측정된다. 기공 크기와 입자 크기를 측정하기 위해, 검사될 층에 수직하여 연장되는 멤브레인 장치를 통한 단면이 형성되고, 적절히 준비된 연마된 단면이 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 상에서 검사된다. 분석은 각각의 SEM-BSE (BSE: back scattered electrons, 후방 산란 전자) 이미지로부터 상이한 회색 음영의 임계값(threshold value)에 의해 수행된다. 여기서, SEM-BSE 이미지의 휘도(brightness) 및 대비(contrast)는 기공들과 입자들이 이미지 내에서 서로 용이하게 식별가능하고 구별가능하도록 설정된다. 적절한 회색 음영 값은 회색 음영의 함수로서 기공들과 입자들을 구별하는 슬라이더 컨트롤(slider control)에 의해 임계값으로서 선택된다. 평균 기공 크기를 측정하기 위해, 연마된 부분에서 이전에 선택된 관련 층의 대표 영역에서 모든 기공들의 기공 크기가 측정되고, 그 평균이 이어서 형성된다. 평균 입자 크기의 측정은 유사하게 수행된다. 각각의 경우에 측정될 개개의 입자들에 대해, 결합되어 입자들을 형성하고 각각 상이한 결정학적 방향을 갖는 경우에 따라 복수의 입자들의 결정립계보다 그것의 기하학적 윤곽이 결정적인 인자이다. 선택된 영역 내에 완전히 놓이는 기공들 또는 입자들만 평가에 포함된다. 층의 다공성은 이러한 선택된 영역의 총 면적에 대한 선택된 영역 내에 놓이는 기공들의 면적 부분을 측정함으로써 연마된 부분(SEM-BSE 이미지)에서 측정될 수 있으며, 선택된 영역 내에 부분적으로만 놓이는 기공들의 면적 부분도 포함된다. 본 경우에, 분석 모듈 "Partikel Analyse"와 함께 프로그램 Imagic ImageAccess (version: 11 release 12.1)가 사용되었다.
일 실시형태에서, 제1 중간층은 지지 기판보다 작은 평균 기공 크기를 갖는다. 일 실시형태에 따르면, 제1 중간층은 0.20 - 2.00 ㎛ 범위의, 특히 0.31 - 1.20 ㎛ 범위의, 한층 더 바람직하게는 0.31 - 0.80 ㎛ 범위의, 평균 기공 크기를 갖는다. 특히, 제1 중간층의 기공 크기 분포는 0.01 - 25.0 ㎛ 범위 내에 있다. 일 실시형태에서, 제1 중간층은 0.70 - 3.50 ㎛ 범위의, 특히 0.76 - 2.50 ㎛ 범위의, 한층 더 바람직하게는 0.80 - 1.80 ㎛ 범위의, 평균 입자 크기를 갖는다. 특히, 제1 중간층의 입자 크기 분포는 0.01 - 100.00 ㎛ 범위 내에 있다. 제1 중간층의 다공도는 바람직하게는 적어도 20％ 이며, 작은 층 두께 때문에 그리고 개개의 세라믹 입자들의 일반적으로 각진 형상 때문에 다공성의 측정은 비교적 큰 측정 오차를 겪는다. 언급된 특징들의 결과로서, 각각의 경우에 단독으로 또는 조합으로, 지지 기판으로부터 멤브레인으로 평균 기공 크기의 단계적인 감소가 달성된다.
일 실시형태에서, 제1 중간층보다 작은 평균 기공 크기를 갖는, 세라믹, 유체-투과성, 특히 가스-투과성, 다공성, 제2 중간층이 제1 중간층과 멤브레인 사이에 연장된다. 제2 중간층의 제공은, 특히, 가스 분리 멤브레인 장치의 경우에 유리하며, 그러나 액체 분리의 경우 제2 중간층은 많은 경우 생략될 수 있다. 일 실시형태에서, 제2 중간층은 0.03 - 0.50 ㎛ 범위의, 특히 0.03 - 0.30 ㎛ 범위의, 한층 더 바람직하게는 0.03 - 0.25 ㎛ 범위의, 평균 기공 크기를 갖는다. 일 실시형태에서, 제2 중간층은 0.01 - 1.00 ㎛ 범위의, 특히 0.01 - 0.75 ㎛ 범위의, 한층 더 바람직하게는 0.03 - 0.50 ㎛ 범위의, 평균 입자 크기를 갖는다. 입자 크기 분포 및 기공 크기 분포에 있어서, 본딩층에 대해 표시된 범위들이 바람직하다. 제2 중간층의 층 두께는, 일 실시형태에 따르면, 5 - 75 ㎛ 범위 내에, 특히 5 - 50 ㎛ 범위 내에, 한층 더 바람직하게는 10 - 25 ㎛ 범위 내에, 있다. 감소된 기공 크기와 바람직하게는 감소된 입자 크기를 갖는 제2 중간층의 제공은 멤브레인의 적용을 위한 충분히 매끄러운 표면을 제공하며 확산 장벽을 또한 제공한다. 그 조성 및 미세구조가 본딩층의 것과 동일하도록, 본딩층에 대한 것과 동일한 출발 재료 및 동일한 소결 단계가 제2 중간층에 사용되는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 제2 중간층은 제1 중간층에 걸쳐 연결부의 방향으로 연장된다. 그것은, 특히, 본딩층 상에서 또는 대안으로 연결부 상에서 끝날 수 있으며, 비슷한 특징들로 인해 본딩층에서와 유사하게 연결부에 잘 부착된다. 이렇게 해서, 맴브레인의 적용을 위한 충분히 매끄러운 표면이 곧바로 연결부에 제공된다. 일 실시형태에서, 멤브레인은 본딩층과 적어도 하나의 중간층에 걸쳐 그리고 본딩층과 적어도 하나의 중간층을 넘어서 연결부의 방향으로 연장되며, 연결부 직접 위에서 끝난다. 이렇게 해서, 적어도 유체 혼합물의 추가 유체들(특히 가스 혼합물의 추가 가스들)에 대해 유체-기밀인 장치가 전이 영역에서 달성된다. 일반적으로, 제2 중간층은 멤브레인에 직접 인접할 수 있다. 그러나, 대안으로, 하나 이상의 추가, 세라믹, 유체-투과성(특히 가스-투과성), 다공성 중간층(들)이 제2 중간층과 멤브레인 사이에 제공될 수 있으며, 이러한 추가 중간층(들)의 평균 기공 크기는 제2 중간층에서 멤브레인으로 바람직하게는 추가로 감소한다.
일 실시형태에서, 본딩층의, 그리고 적어도 하나의 중간층의, 재료들은 다음의 재료들로 이루어지는 군으로부터 선택된다:
a. 이트륨 산화물(Y2O3)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2),
b. 칼슘 산화물(CaO)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2),
c. 마그네슘 산화물(MgO)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2), 및
d. 알루미늄 산화물(Al2O3).
이트륨 산화물을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(줄여서 YSZ)이 바람직하며, 특히 8　mol％의 이트륨 산화물(Y2O3)을 이용하여 완전히 안정화된 지르코늄 산화물(줄여서 8YSZ)이 바람직하다. 일 실시형태에서, 본딩층과 적어도 하나의 중간층은 하나의 동일한 재료(또는 조성)로 제조된다. 이렇게 해서, 비슷한 열팽창계수가 달성되고 저비용 제조가 가능하게 된다. YSZ가, 특히 8YSZ가, 여기서 바람직하다. 그러나, 개별 층들은, 특히 한편으로 본딩층 및 제2 중간층과 다른 한편으로 제1 중간층은, 미세구조 면에서, 예를 들어 평균 기공 크기, 평균 입자 크기 및 다공성에 있어서, 상이할 수 있다. 완전히 안정화된 지르코늄 산화물(예를 들어, Y2O3가 안정제로서 사용되는 경우 통상적으로 8 mol％의 이트륨 산화물의 첨가) 대신에 부분적으로 안정화된 지르코늄 산화물(예를 들어, Y2O3가 안정제로서 사용되는 경우 통상적으로 3 mol％의 이트륨 산화물의 첨가)이 또한 사용될 수 있다. 지르코늄 산화물에 대한 또 다른 가능한 안정제들로는 세륨 산화물(CeO2), 스칸듐 산화물(ScO3) 또는 이테르븀 산화물(YbO3)이 있다.
일 실시형태에서, 지지 기판과 연결부는 각각 튜브-형상 또는 튜브형이다. 그것들의 단면은 바람직하게는 축방향을 따라 일정한 직경을 갖는 원형이다. 그러나, 대안으로, 상이하게 폐쇄된 단면이, 예를 들어 타원형 단면, 또는 축방향을 따라 확대되는 단면이, 제공될 수도 있다. 원칙적으로, 접착 결합부는, 솔더링 접합부에 의해 또는 용접 결합부에 의해, 지지 기판과 연결부의 일체형 구조로 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 접착 결합부는 용접 결합부에 의해 형성되며, 이는 튜브형 기본 형상의 경우에 각각의 튜브형 주변 부분의 전체 둘레 주위로 바람직하게는 연장된다. 용접 결합부는 저비용으로 그리고 신뢰성 있게 제조될 수 있다. 지지 기판의 다공성 때문에, 용접 결합부의 영역에는 통상적으로 오목부(depression)가 형성된다.
수소 분리의 경우, 수소에 대해 일정한 투과성을 갖지만 다른 원자들/분자들에 대해 장벽을 형성하는 순수한 금속들이 멤브레인용 재료로서 원칙적으로 매우 적합하다. 이러한 선택적 투과성을 손상시킬 수 있는 산화물 층의 형성을 피하기 위해, 귀금속을, 특히 팔라듐, (특히 50 중량％ 이상의 팔라듐을 함유하는) 팔라듐-함유 합금, 예를 들어 팔라듐-바나듐, 팔라듐-금, 팔라듐-은, 팔라듐-구리, 팔라듐-루테늄, 또는 그 밖의 팔라듐-함유 복합재 멤브레인, 예를 들어 층 순서 팔라듐, 바나듐, 팔라듐을 갖는 멤브레인을, 수소(H2)의 분리에 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 일 실시형태에서, 멤브레인은 팔라듐 또는 팔라듐-계 금속 재료(예를 들어, 합금, 복합재 등)로 제조된다. 이러한 멤브레인의 Pd 함량은, 특히, 적어도 50 중량％이며, 바람직하게는 적어도 80 중량％이다. 본딩층 및/또는 적어도 하나의 중간층은 이트륨 산화물(Y2O3)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2)로, 특히 8YSZ로, 제조되는 것이 또한 바람직하다. 지지 기판과 연결부 각각은 철-계 재료로 제조되는 것이 또한 바람직하다. 다양한 구성요소들의 이러한 특징들은 각각 그 자체로 유리하며, 조합하여 특히 유리한 효과를 나타낸다.
본 발명은, 유체 혼합물로부터 유체의, 특히 가스 혼합물로부터 가스의, 투과성 분리를 위한, 특히 H2-함유 가스 혼합물로부터 H2의 분리를 위한, 멤브레인 장치를 제조하기 위한 방법을 또한 제공하며, 이는, 다공성, 유체-투과성의 (특히 가스-투과성의) 금속 지지 기판과, 적어도 표면 상에서 유체-기밀의 (특히 가스 기밀의) 금속 재료로 이루어진 연결부를 포함하며, 지지 기판은 그 주변부를 따라 연결부에 접착 결합된다. 본 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
a. 접착 결합부의 전체 결합부 길이의 적어도 일부를 따라 접착 결합부에 직접, 그리고 연결부의 인접 부분에 직접, 적어도 하나의 세라믹 본딩층을 형성시키는 단계;
b. 지지 기판에 직접 적용되는 중간층이 본딩층 상에서 또는 본딩층에서 끝나고 본딩층보다 큰 평균 기공 크기를 갖는, 적어도 하나의 세라믹, 유체-투과성(특히 가스-투과성), 다공성 중간층을 지지 기판(및 본딩층의 겹치는 영역)에, 그리고 분리될 유체(특히 기체)에 대해 선택적으로 투과성인 멤브레인을 적어도 하나의 중간층에, 순차적으로 형성시키는 단계.
앞서 설명된 본 발명에 따른 멤브레인 장치의 경우와 본질적으로 동일한 이점들이 본 발명의 방법에 의해 달성된다. 앞서 설명된 실시형태들과 변형 형태들은 상응하는 이점들을 달성하면서 본 발명의 방법의 경우에도 그에 따라 실현될 수 있다. 본딩층 및 적어도 하나의 중간층의 경우, 형성시키는 단계는, 특히, 습식-화학 공정에 의해 유기 결합제(organic binder)와 세라믹 입자들을 함유하는 층들 형성시키는 단계와, 이어서 이 층을 소결하는 단계와, 그 이후에만 (경우에 따라 상응하는 방식으로) 거기에 다음 층을 형성시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 이점들과 유용한 태양들은 첨부 도면을 참조하여 후속하는 실시예들의 설명으로부터 도출될 수 있다.
본 발명에 의하면, 지지 기판과 연결부 사이의 전이 영역에서 층 구조체가 장기간의 사용에 걸쳐 각각의 기판에 그 영역에 걸쳐 결합된 채로 유지되는, 전술한 유형의 멤브레인 장치와 그러한 멤브레인 장치를 제조하기 위한 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 축방향으로 본 발명에 따른 멤브레인 장치의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 축방향으로 본 발명에 따른 멤브레인 장치의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 축방향으로 본 발명에 따른 멤브레인 장치의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 본딩층의 기공 크기 분포를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 본딩층의 입자 크기 분포를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제1 중간층의 기공 크기 분포를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제1 중간층의 입자 크기 분포를 도시한다.
도 1 내지 도 3은 가스 혼합물(예를 들어, CH4, H2O, CO2, CO, H2 등을 함유하는 스팀-개질 천연 가스)로부터 분리되어야 할 가스(예를 들어, H2)의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치의, 구조면에서 서로 상이한, 다양한 실시형태를 도시하며, 각각의 경우에 지지 기판으로부터 연결부로의 전이 영역만 도시되어 있다. 도 1에서는, 튜브형, 다공성, 가스-투과성의, (예를 들어 ITM으로 구성된) 금속 지지 기판(2)이 그 (원형) 주변부(3)를 따라, 본 경우에 용접 결합부에 의해 형성되는, 접착 결합부(4)를 통해 튜브형 연결부(6)에 결합되어 있으며, 연결부의 고체 재료는 금속(예를 들어, 강철)으로 구성된다. 접착 결합부(4)의 용접 심은, 길이(d)에 걸쳐 축방향(a)으로 연장되는, 원주방향 오목부를 형성한다. 분리될 가스에 대해 선택적으로 투과성인 (예를 들어, Pd로 이루어진) 멤브레인(8)은 (지지 기판(2)의 원위 단부(미도시)에서 경우에 따라 오목한 주변 영역을 제외하고는) 지지 기판의 영역에 걸쳐 연장된다. 제1의 세라믹, 가스-투과성, 다공성의 (예를 들어, 소결된 8YSZ로 이루어진) 중간층(10)과 제2의 세라믹, 가스-투과성, 다공성의 (예를 들어, 소결된 8YSZ로 이루어진) 중간층(12)이 지지 기판(2)과 멤브레인(8) 사이에 연장된다. 접착 결합부(4)로부터 거리를 둔 영역에서, 제1 중간층(10)은 지지 기판(2)에 직접 인접하며, 지지 기판(2)보다 작은 평균 기공 크기를 갖는다. 이러한 영역에서, 제2 중간층(12)은 제1 중간층(10)에 직접 인접하며, 다른 면에서는 멤브레인(8)에 직접 인접한다. 그것은 제1 중간층(10)보다 작은 평균 기공 크기를 갖는다. 접착 결합부(4)의 영역에는, (예를 들어, 소결된 8YSZ로 이루어진) 세라믹 본딩층(14)이 연결부(6)와 접착 결합부(4) 직접 위에 존재하고, 이러한 세라믹 본딩 층은 적어도 접착 결합부(4)와 연결부(6)의 인접 부분에 걸쳐 연장되며, 제1 중간층(10)은 본딩층(14) 상에서 끝난다. 제1 실시형태에서, 본딩층(14)은 접착 결합부(4)로부터 또한 지지 기판(2)의 인접 부분에 걸쳐서도 연장된다 (개략적인 도면으로부터 벗어난 형태로서, 지지 기판(2)의 영역 내의 기공 안으로 스며들 수도 있다). 본딩층(14)은 본 경우에 다공성이고 가스-투과성이며, 접착 결합부(4)의 전체 (원형) 결합부 길이(그리고 또한 지지 기판(2)과 연결부(6)의 인접 영역들)에 걸쳐 연장된다. 제2 중간층(12)은 연결부(6)의 방향으로 그리고 제1 중간층(10)을 넘어 연장되어서, 멤브레인(8)을 위한 충분히 매끄러운 표면이 제공된다. 제2 중간층(12)은 마찬가지로 본딩층(14) 상에서 끝나며, 본딩층(14)은, 제1 중간층(10)에 비해 감소된 평균 기공 길이 때문에, 멤브레인(8)을 위한 충분히 매끄러운 표면을 또한 제공한다. 멤브레인(8)은 본딩층(14)(그리고 2개의 중간층들(10, 12))에 걸쳐 그리고 본딩층(14)(그리고 2개의 중간층들(10, 12))을 넘어 연결부(6)의 방향으로 연장되고 연결부(6) 직접 위에서 끝나며, 이로써, 분리될 가스(예를 들어, H2)에 대해 가스 기밀인, 결합부를 형성한다.
도 2와 도 3에 도시된 제2 및 제3 실시형태의 다음의 설명에서, 동일한 도면 부호가 동일한 구성요소에 사용된다. 제1 실시형태로부터의 차이점들만 여기서 상세히 논의될 것이다. 제2 실시형태(도 2)에서, 본딩층(14')은 접착 결합부(4)와 연결부(6)의 인접 부분에 걸쳐서만 (접착 결합부(4)의 전체 결합부 길이에 걸쳐) 연장된다. 따라서, 접착 결합부(4)의 시작부까지, 제1 중간층(10)은 지지 기판(2) 직접 위에서 연장되며, 지지 기판에 비교적 잘 부착된다. 제3 실시형태(도 3)에서, 연결부(6'')는 다공성, 가스-투과성의 기초 재료로, 특히 지지 기판(2)과 동일한 재료(예를 들어, ITM)로, 제조되고, 그것의 외부 표면 상에서만 가스 기밀 표면 영역(16)을 갖는다. 가스 기밀 표면 영역(16)은, 예를 들어, 코팅 또는 밀봉 조성물의 적용에 의해 또는 연결부(6'')의 다공성 기초 재료의 표면 용융에 의해 제조될 수 있다. 또한, 제3 실시형태는, 제2 중간층(12'')이 본딩층(14)에 걸쳐 그리고 본딩층(14)을 넘어 연장되고 연결부(6'') 상에서 끝난다는 점에서 제1 실시형태와 상이하다.
이하에서는 본 발명에 따른 멤브레인 장치의 제조의 실시예가 설명될 것이다. ITM으로 제조되고 6 ㎜의 외경, 200 ㎜의 길이, 약 40％의 다공도 및 ＜ 50 ㎛의 평균 기공 크기를 갖는 다공성 튜브 형태의 지지 기판이 그 축방향 단부에서, 그것의 고체 재료가 강철로 구성되고 동일한 외경을 갖는, 튜브형 연결부에 레이저 용접에 의해 용접된다. 용접된 전이부의 균질화를 보장하기 위해, 얻어진 구성요소는 수소 분위기에서 1200℃의 온도에서 열-처리된다. 용접된 결합부 영역에서의 표면은 보다 균일한 표면을 달성하기 위해 이어서 샌드 블라스팅 된다. 다음으로, 용접된 결합부 영역에 본딩층이 적용된다. 이러한 목적을 위해, 습식-화학 코팅 공정에 적합하고, 예를 들어 분산제(dispersants), 용매(예를 들어, Merck KGaA Darmstadt사로부터 입수가능한 BCA [2-(2-부톡시에톡시)에틸] 아세테이트(BCA [2-(2-butoxyethoxy)ethyl] acetate)) 및 결합제(binder)의 첨가와 함께, 상이한 입자 크기를 갖는 2가지 8YSZ 분말로부터, 특히 약 2㎛의 d80(그리고 약 1㎛의 d50)을 갖는 한 가지 분말과 약 25 ㎚(나노미터)의 입자 크기(결정 크기)를 갖는 매우 미세한 분말로부터, 얻어지는, 현탁액(suspension)이 제조된다. 본딩층은 용접된 결합부 상으로 그리고 지지 기판과 연결부 주위의 인접 영역들 상으로 브러싱 된다. 용접 심은 전체 둘레 주위로 연장되는 본딩층의 중간에 위치되며, 층의 폭은 연결부의 방향으로 그리고 지지 기판의 방향으로 용접 심의 각각의 단부로부터 각각의 경우에 1 ㎝ 연장된다. 얻어진 구성요소는 이어서 수소 분위기에서 1200℃의 온도에서 소결되며, 그 결과 유기 성분들은 연소되고, 세라믹 층의 소결이 일어나며, 다공성, 소결된, 세라믹 본딩층이 얻어진다. 이렇게 제조된 본딩층의 전형적인 기공 크기 분포와 입자 크기 분포가 도 4와 도 5에 도시된다. 특히, 기공 크기 분포는 도 4(더 큰 직경을 갖는 몇 개의 기공들은 더이상 도시되어 있지 않음)에서 볼 수 있듯이 0.03 내지 5.72 ㎛ 범위 내에 있고 (평균 기공 크기는 0.13 ㎛), 입자 크기 분포는 도 5(더 큰 직경을 갖는 몇 개의 입자들은 더이상 도시되어 있지 않음)에서 볼 수 있듯이 0.03 내지 18.87 ㎛ 범위 내에 있다 (평균 입자 크기는 0.24 ㎛). 다음 단계에서, 제1 중간층을 위해 8YSZ 분말의 현탁액이 다시 제조되며, 전체적으로 더 굵은 8YSZ 분말이 사용되고 현탁액 점도가 본딩층의 경우보다 다소 더 높게 설정된다는 것을 제외하고는, 앞서 본딩층에 대해 나타낸 데이터가 유사하게 적용된다. 특히, 약 2㎛의 d80(그리고 약 1㎛의 d50)을 갖는 8YSZ 분말이 전적으로 세라믹 분말로서 사용된다. 제1 중간층은 딥 코팅에 의해, 즉 튜브형 구성요소를 현탁액에 디핑(dipping)함으로써, 적용되며, 본딩층 상에서 끝난다. 얻어진 구성요소는 이어서 수소 분위기에서 1300℃의 온도에서 소결되며, 그 결과 유기 성분들은 연소되고, 세라믹 층의 소결이 일어나며, 다공성, 소결된, 세라믹 제1 중간층이 얻어진다. 이렇게 제조된 제1 중간층의 전형적인 기공 크기 분포와 입자 크기 분포가 도 6과 도 7에 도시된다. 특히, 기공 크기 분포는 도 6(더 큰 직경을 갖는 몇 개의 기공들은 더이상 도시되어 있지 않음)에서 볼 수 있듯이 0.08 내지 12.87 ㎛ 범위 내에 있고 (평균 기공 크기는 0.55 ㎛), 입자 크기 분포는 도 7(더 큰 직경을 갖는 몇 개의 입자들은 더이상 도시되어 있지 않음)에서 볼 수 있듯이 0.08 내지 61.37 ㎛ 범위 내에 있다 (평균 입자 크기는 1.27 ㎛). 이어서 적용될 제2 중간층을 위해, 본딩층의 경우와 동일한 현탁액이 사용되고, 딥 코팅에 의해 적용된다. 제2 중간층은 제1 중간층을 완전히 덮는다. 얻어진 구성요소는 이어서 수소 분위기에서 1200℃의 온도에서 소결되며, 그 결과 유기 성분들은 연소되고, 세라믹 층의 소결이 일어나며, 다공성, 소결된, 세라믹 제2 중간층이 얻어진다. 이어서 Pd 멤브레인이 스퍼터링 공정에 의해 적용된다. 그것은 제2 중간층과 그리고 또한 아래에 위치되는 본딩층 및 제1 중간층을 완전히 덮는다. 마지막으로, 스퍼터링된 Pd 층을 밀봉하고 필요한 가스 기밀을 달성하기 위해, 스퍼터링된 Pd 층 상에 추가 Pd 층이 전기 화학 공정(electrochemical process)에 의해 적용된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시형태들에 제한되지 않는다. 특히, 접착 결합부는 반드시 용접 결합부로서 구현되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 그것은 접착제를 이용하여 제조된 본드 또는 솔더링 결합부의 형태일 수도 있다. 또한, 연결부와 지지 기판은 일체형 또는 단일형 구조를 가질 수도 있으며, 접착 결합부는 적어도 표면 상에서 가스 기밀인 연결부와 가스-투과성 지지 기판 사이에 전이부를 형성한다. 예를 들어, 연결부와 지지 기판의 단일형 구성은 제3 실시형태(도 3)에서 또한 가능할 것이다. 또한, 설명된 구조체는 H2를 분리하기에 적합할 뿐만 아니라 다른 가스들(예를 들어, CO2, O2 등)을 분리하기에도 적합하다. 미세다공성 세라믹 멤브레인(Al2O3, ZrO2, SiO2, TiO2, 제올라이트(zeolite) 등) 또는 치밀한 양자-전도 세라믹(SrCeO3-δ, BaCeO3-δ 등)과 같은 대체 멤브레인을 사용하는 것도 또한 가능하다. 액체(예를 들어, 물-함유 액체 혼합물로부터 알코올, 폐수 처리 등)의 분리는 멤브레인으로서, 특히, 탄소, 제올라이트 등으로 구성된 나노다공성 멤브레인(nanoporous membrane)을 이용하여 수행될 수 있다.

Claims (19)

  1. 다공성, 유체-투과성, 금속 지지 기판(2),
    상기 지지 기판(2) 상에 위치되고, 분리될 유체에 대해 선택적으로 투과성인, 멤브레인(8),
    적어도 표면 상에서 유체-기밀의 금속 재료로 이루어지고, 상기 지지 기판(2)이 그 주변부(3)를 따라 연결부(6; 6'')에 접착 결합되어 있는, 연결부(6; 6''),
    상기 지지 기판(2)과 상기 멤브레인(8) 사이에 위치되는, 세라믹, 유체-투과성, 다공성, 제1 중간층(10)
    을 포함하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치로서,
    적어도 하나의 세라믹 본딩층(14; 14')이 접착 결합부(4)의 전체 결합부 길이의 적어도 일부를 따라 접착 결합부(4)와 연결부(6; 6'')의 직접 위에 위치되고, 적어도 연결부(6; 6'')의 인접 부분과 접착 결합부(4)에 걸쳐 연장되며, 제1 중간층(10)은 본딩층(14; 14') 상에서 또는 본딩층(14; 14')에서 끝나고 본딩층(14; 14')보다 큰 평균 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    본딩층(14; 14')의 평균 기공 크기는 제1 중간층(10)의 평균 기공 크기로부터 적어도 0.10 ㎛ 만큼 벗어나는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    본딩층(14; 14') 및/또는 제1 중간층(10)은 소결된, 세라믹 층인 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩층(14)은 지지 기판(2) 직접 위의 접착 결합부(4)로부터 접착 결합부(4)에 인접하는 지지 기판(2)의 부분에 걸쳐서까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩층(14; 14')은 접착 결합부(4)로부터 연결부(6; 6'')의 방향으로 그리고/또는 지지 기판(2)의 방향으로 각각의 경우에 0.2 ㎝ 이상 3.0 ㎝ 이하 범위의 길이에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩층(14; 14')은 1 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩층(14; 14')은 다공성이고 액체-투과성인 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩층(14; 14')은 0 이상 0.50 ㎛ 이하 범위의 평균 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 중간층(10)은 지지 기판(2)보다 작은 평균 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 중간층(10)은 0.20 ㎛ 이상 2.00 ㎛ 이하 범위의 평균 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 중간층(10)과 멤브레인(8) 사이에, 제1 중간층(10)보다 작은 평균 기공 크기를 갖는, 세라믹, 유체-투과성, 다공성, 제2 중간층(12; 12'')이 연장되는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    제2 중간층(12; 12'')은 제1 중간층(10)을 넘어서 연결부(6; 6'')의 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    멤브레인(8)은 본딩층(14; 14')과 적어도 하나의 중간층(10, 12; 12'')을 넘어서 연결부(6; 6'')의 방향으로 연장되고 연결부(6; 6'')의 직접 위에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩층(14; 14')과 적어도 하나의 중간층(10, 12; 12'')의 재료들은 다음의 재료들:
    a. 이트륨 산화물(Y2O3)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2),
    b. 칼슘 산화물(CaO)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2),
    c. 마그네슘 산화물(MgO)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2), 및
    d. 알루미늄 산화물(Al2O3)
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩층(14; 14')과 적어도 하나의 중간층(10, 12; 12'')은 하나의 동일한 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지 기판(2)과 연결부(6; 6'')는 각각 튜브형인 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    접착 결합부(4)는 용접된 결합부에 의해 형성된 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    멤브레인(8)은 팔라듐 또는 팔라듐-계 금속 재료로 제조되고,
    본딩층(14; 14') 및/또는 적어도 하나의 중간층(10, 12; 12'')은 이트륨 산화물(Y2O3)을 이용하여 안정화된 지르코늄 산화물(ZrO2)로 제조되고,
    지지 기판(2)과 연결부(6; 6'')는 각각의 경우에 철-계 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치.
  19. 다공성, 유체-투과성, 금속 지지 기판(2), 및
    적어도 표면 상에서 유체-기밀의 금속 재료로 이루어지고, 상기 지지 기판(2)이 그 주변부(3)를 따라 연결부(6; 6'')에 접착 결합되어 있는, 연결부(6; 6'')
    를 포함하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치를 제조하기 위한 방법으로서, 다음의 단계들:
    a. 접착 결합부(4)의 전체 결합부 길이의 적어도 일부를 따라 접착 결합부(4)에 직접, 그리고 연결부(6; 6'')의 인접 부분에 직접, 적어도 하나의 세라믹 본딩층(14; 14')을 형성시키는 단계;
    b. 지지 기판(2)에 직접 적용되는 중간층(10)이 본딩층(14; 14') 상에서 또는 본딩층(14; 14')에서 끝나고 본딩층(14; 14')보다 큰 평균 기공 크기를 갖는, 적어도 하나의 세라믹, 유체-투과성, 다공성 중간층(10, 12; 12'')을 지지 기판(2)에, 그리고 분리될 유체에 대해 선택적으로 투과성인 멤브레인(8)을 적어도 하나의 중간층(10, 12; 12'')에, 순차적으로 형성시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 혼합물로부터 유체의 투과성 분리를 위한 멤브레인 장치를 제조하기 위한 방법.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT15435U1 (de) * 2016-06-22 2017-08-15 Plansee Se Membrananordnung
DE102017105607A1 (de) * 2017-03-16 2018-09-20 Gkn Sinter Metals Engineering Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Membranträgerbauteils und ein Membranträgerbauteil zur Abscheidung von Wasserstoff
IT201700057132A1 (it) * 2017-05-25 2018-11-25 Getters Spa Assemblaggio tubolare composito ceramico-metallo con giuntura a tenuta di gas e un purificatore di idrogeno che lo comprende
EP3669973A1 (de) * 2018-12-20 2020-06-24 Evonik Operations GmbH Verbundkörper

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3442391A (en) * 1967-02-13 1969-05-06 Bendix Corp Filter element
JPS5457474A (en) * 1977-10-17 1979-05-09 Nitto Electric Ind Co Ltd Manufacture of separating pipe using permeable membrane
US5498278A (en) * 1990-08-10 1996-03-12 Bend Research, Inc. Composite hydrogen separation element and module
US5162987A (en) * 1990-12-28 1992-11-10 Leslie Controls, Inc. Controller which uses pulse width and pulse frequency modulated signals to control a variable
JP2991609B2 (ja) 1993-10-18 1999-12-20 日本碍子株式会社 ガス分離体と金属との接合体および水素ガス分離装置
JP3207635B2 (ja) 1993-10-18 2001-09-10 日本碍子株式会社 水素ガス分離装置
US5663488A (en) * 1995-05-31 1997-09-02 Hewlett-Packard Co. Thermal isolation system in an analytical instrument
US5725621A (en) * 1995-07-07 1998-03-10 Flair Corporation Filter end cap attachment
JP2003144859A (ja) * 2001-11-16 2003-05-20 Nissan Motor Co Ltd ガス分離装置
US20030180711A1 (en) 2002-02-21 2003-09-25 Turner Stephen W. Three dimensional microfluidic device having porous membrane
JP2006520686A (ja) * 2003-03-21 2006-09-14 ウスター ポリテクニック インスティチュート 中間金属層を有する複合ガス分離モジュール
US7125440B2 (en) * 2003-06-04 2006-10-24 Bossard Peter R Composite structure for high efficiency hydrogen separation and its associated methods of manufacture and use
US20060192107A1 (en) 2004-10-07 2006-08-31 Devoe Donald L Methods and apparatus for porous membrane electrospray and multiplexed coupling of microfluidic systems with mass spectrometry
US7611565B1 (en) * 2005-10-20 2009-11-03 Los Alamos National Security, Llc Device for hydrogen separation and method
US7655183B2 (en) * 2005-12-23 2010-02-02 Utc Power Corporation Durable pd-based alloy and hydrogen generation membrane thereof
US8163064B2 (en) * 2006-09-29 2012-04-24 Sinvent As Leak-proof membrane element and method of manufacturing such an element
CN101371972B (zh) * 2008-07-20 2011-09-14 大连理工大学 一种制备无机膜中间层的方法
CN102170962B (zh) * 2008-10-01 2016-01-06 日立造船株式会社 沸石分离膜、其制造方法及粘结剂
WO2010099634A1 (en) 2009-03-06 2010-09-10 Institute Of Metal Research, Chinese Academy Of Sciences Sealing technology
DE102009016694A1 (de) * 2009-04-07 2010-10-14 Linde Aktiengesellschaft Membranrohr und Reaktor mit Membranrohr
CN101940881B (zh) * 2009-07-07 2012-05-30 上海斯纳普膜分离科技有限公司 平片式滤膜元件封接方法
US20110042299A1 (en) 2009-08-20 2011-02-24 General Electric Company Composite membrane assemblies and methods of making and using the same
JP5888188B2 (ja) * 2012-08-29 2016-03-16 日本特殊陶業株式会社 水素分離体
US10029207B2 (en) 2013-11-14 2018-07-24 The University Of Melbourne Composite gas separation membrane
CN105126636A (zh) * 2015-09-06 2015-12-09 中国船舶重工集团公司第七一二研究所 支撑型管式钯膜、钯合金膜的制备方法
AT15435U1 (de) * 2016-06-22 2017-08-15 Plansee Se Membrananordnung

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