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Dokumentenidentifikation DE112005001199T5 20.09.2007
Titel Verfahren zum Herstellen eines Wasserstofftrennsubstrats
Anmelder Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota, Aichi, JP
Erfinder Kimura, Kenji, Toyota, Aichi, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005001199
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 15.08.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2005/015176
WO-Veröffentlichungsnummer 2006019168
WO-Veröffentlichungsdatum 23.02.2006
Date of publication of WO application in German translation 20.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse B01D 67/00(2006.01)A, F, I, 20070620, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01D 69/10(2006.01)A, L, I, 20070620, B, H, DE   B01D 71/02(2006.01)A, L, I, 20070620, B, H, DE   B01D 63/08(2006.01)A, L, I, 20070620, B, H, DE   C01B 3/50(2006.01)A, L, I, 20070620, B, H, DE   B01D 53/22(2006.01)A, L, I, 20070620, B, H, DE   H01M 8/06(2006.01)A, L, I, 20070620, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein wasserstoffdurchlässiges Substrat zum Extrahieren von Wasserstoff aus Wasserstoff enthaltenden Gasen, die Wasserstoff enthalten.

Stand der Technik

In vergangenen Jahren haben Brennstoffzellen als Energiequelle Aufmerksamkeit erregt, die mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Luft Elektrizität erzeugen. Eine Brennstoffzelle erzeugt mittels einer elektrochemischen Reaktion aus Wasserstoff und Luft eine elektromotorische Kraft. Zu einer Brennstoffzelle zuzuführender Wasserstoff wird z.B. durch Verwendung einer Wasserstofftrenneinheit zum Trennen von Wasserstoff aus reformierten Gasen erhalten, die durch das Reformieren eines Rohstoffs aus Kohlenwasserstoff erhalten werden.

Bekannte Wasserstofftrenneinheiten sind z.B. Geräte, die ein wasserstoffdurchlässiges Metall einsetzen, das die Qualität aufweist, Wasserstoff ausgewählt durchtreten zu lassen, wie z.B. Palladium oder eine Palladiumlegierung. Wenn reformierte Gase zu einer ersten Seite des Wasserstoff trennenden Metalls zugeführt werden, wird mit solch einem Gerät auf der anderen Seite Wasserstoff extrahiert. Bekannte Wasserstofftrenneinheiten werden z.B. dadurch hergestellt, dass anfangs ein wasserstoffdurchlässiger Träger hergestellt wird, der aus einer Palladiumbeschichtung auf Vanadium (das ebenfalls ein Wasserstoff trennendes Metall ist ausgebildet ist, und danach Stapeln verschiedene Teile wie z.B. Strömungskanalplatten und ein oberes Paneel auf dem wasserstoffdurchlässiges Substrat gestapelt werden und diese mittels Diffusionsbonden, Laserbonden oder anderen Fügevorgängen gefügt werden.

Offenbarung der Erfindung

Ein Nachteil des Stands der Technik ist jedoch, dass ein Verziehen des wasserstoffdurchlässigen Trägers wegen Auswirkungen von während des Bondens erzeugter Wärme verursachen kann, dass sich die Zusammensetzung des wasserstoffdurchlässigen Metalls ändert, so dass die Trennfähigkeit sich verschlechtert. Ein zusätzliches Problem ist, dass neben dem wasserstoffdurchlässigen Substrat selbst die Strömungskanalplatten und ähnliches durch Wärme verformt werden können, was in einer verschlechterten Zusammenbauleistung resultiert.

Unter Betrachtung des Vorangehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines wasserstoffdurchlässigen Substrats bei niedriger Temperatur bereit zu stellen.

Um solche Probleme zumindest teilweise zu lösen, weist die Erfindung folgende Zusammensetzung auf. Insbesondere besteht sie in einem Verfahren zum Herstellen eines wasserstoffdurchlässigen Substrats mit: Ausbilden eines Durchgangslochs in einem ersten Substrat; Ausbilden eines kombinierten Teils durch das Einbetten eines wasserstoffdurchlässigen Metalls in das Durchgangsloch; Fügen des kombinierten Teils mit einem zweiten Substrat mittels einem Einhüllungsvorgang.

Gemäß dem Verfahren zum Herstellen einer Wasserstofftrennung der Erfindung können wasserstoffdurchlässige Substrate bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck hergestellt werden, so dass ein Verzug wegen Wärme unterdrückt ist. Entsprechend kann eine Änderung der Zusammensetzung des wasserstoffdurchlässigen Metalls unterdrückt werden, und ein Abfall der Fähigkeiten verringert werden.

Zusätzlich kann eine Verformung des wasserstoffdurchlässigen Metalls und des mit dem wasserstoffdurchlässigen Metall gefügten Substrats verhindert werden, so dass eine verringerte Zusammenbauleistung unterdrückt werden kann. Durch das Einsetzen der Zusammensetzung der Erfindung können während der Herstellung wasserstoffdurchlässige Substrate hergestellt werden, während das Wasserstoff trennende Metall verstärkt ist.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den anhängenden Zeichnungen deutlicher werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die allgemeine Anordnung des wasserstoffdurchlässigen Substrats in ausgeführter Form gezeigt.

2 ist eine perspektivische Ansicht, die das wasserstoffdurchlässige Substrat in ausgeführter Form zeigt.

3 ist eine Schnittansicht des Wasserstofftrennteils in der Ausführungsform.

4 ist ein Prozessdiagramm, das das Verfahren zum Herstellen des wasserstoffdurchlässigen Substrats in ausgeführter Form zeigt.

5A, 5B und 5C sind Ansichten, die ein Rahmenformat der Darstellung des Vorgangs der Bestrahlung mit Argonionen in ausgeführter Form zeigt.

6 ist eine Ansicht, die das Fügen mittels dem Einhüllungsvorgang in ausgeführter Form zeigt.

7 ist eine Schnittansicht einer Anordnung des wasserstoffdurchlässigen Substrats in einer unterschiedlichen Ausführungsform.

8A ist eine Ansicht, die die Anordnung eines wasserstoffdurchlässigen Substrats in einer unterschiedlichen Ausführungsform zeigt.

8B ist eine Schnittansicht einer Anordnung des wasserstoffdurchlässigen Substrats in einer unterschiedlichen Ausführungsform.

9A ist eine Ansicht einer vereinfachten Anordnung einer Brennstoffzelle in einer unterschiedlichen Ausführungsform.

9B ist eine Ansicht der Anordnung einer rostfreien Stahlplatte 200 in einer unterschiedlichen Ausführungsform.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

Die Art zum Ausführen der Erfindung wird im Folgenden auf Basis einer bestimmten bevorzugten Ausführungsform beschrieben.

A. Ausführungsform A1. Allgemeine Anordnung des wasserstoffdurchlässigen Substrats:

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die allgemeine Anordnung des wasserstoffdurchlässigen Substrats in der Ausführungsform darstellt. Das wasserstoffdurchlässige Substrat 20 der Ausführungsform ist aus einer Kupferplatte 100, einer rostfreien Stahlplatte 200, einem isolierendem Teil 300, und einem wasserstoffdurchlässigen Metall 10 zusammengesetzt. In der Zeichnung ist ebenfalls eine Schnittansicht des wasserstoffdurchlässigen Metalls 10 entlang einer Linie A-A gezeigt.

Das wasserstoffdurchlässige Metall 10 besteht aus einer Vanadiumschicht 12, deren Oberflächen mit einer Palladiumschicht 11 beschichtet sind. Anstelle von Vanadium kann die Vanadiumschicht 12 aus Niob, Tantal oder anderen Metallen der Gruppe V oder Metalllegierungen der Gruppe V zusammengesetzt sein. Anstelle von Palladium kann die Palladiumschicht 11 mit einer Palladiumlegierung oder einem anderen Metall mit Wasserstoffdurchlässigkeit beschichtet sein. Die Palladiumbeschichtung kann mittels chemischer Dampfablagerung (CVD), physikalischer Dampfablagerung (PVD) oder Ähnlichem ausgebildet sein.

Typischerweise weisen die Metalle der Gruppe V und den Metalllegierungen der Gruppe V eine viel höhere ausgewählte Durchlässigkeit für Wasserstoff auf, aber da die Metalle der Gruppe V und die Metalllegierungen der Gruppe V schnell oxidieren, weisen die Metalle der Gruppe V und die Metalllegierungen der Gruppe V die Charakteristik auf, eine Wasserstoffdurchlässigkeit wegen der Ausbildung eines Oxidfilms zu verlieren. In dieser Ausführungsform ist es durch das Beschichten der Oberflächen der Vandadiumschicht 12 mit einer Palladiumschicht 11 möglich, eine Ausbildung eines Oxidfilms zu verhindern, während eine hohe Wasserstoffdurchlässigkeit sichergestellt ist.

Die Kupferplatte 100 weist in sich 6 Durchgangslöcher 110 auf, die in gleicher Form wie das wasserstoffdurchlässige Metall 10 ausgebildet sind. Die rostfreie Stahlplatte 200 weist eine Vielzahl von Löchern 210 auf, die bei Stellen entsprechend denen der Durchgangslöcher 110 ausgebildet sind, wenn sie über die Kupferplatte 100 überlagert ist.

Das isolierende Teil 300 weist Durchgangslöcher 310 von der gleichen Form wie die Durchgangslöcher 110 auf, die bei Stellen entsprechend denen der Durchgangslöcher 110 ausgebildet sind, wenn das isolierende Teil 300 über die Kupferplatte 100 überlagert ist. Ebenfalls aus der Zeichnung ersichtlich ist eine Schnittansicht des isolierenden Teils 300 entlang der Linie B-B. Das isolierende Teil 300 weist eine Metallschicht 301 auf, die auf beiden Seiten eines isolierenden Materials 302 vorgesehen ist. Das isolierende Material 302 ist aus Harz oder Keramik zusammengesetzt, die isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Metallschichten 301 sind aus Nickel zusammengesetzt. In der Ausführungsform ist das isolierende Teil 300 als eine bestimmte Dicke aufweisend dargestellt, tatsächlich ist das isolierende Teil 300 jedoch ausgesprochen dünn.

Das wasserstoffdurchlässige Substrat 20 wird ausgebildet, indem das isolierende Teil 300 zwischen die rostfreie Stahlplatte 200 und das kombinierte Teil angeordnet wird, das aus dem wasserstoffdurchlässigen Metall 10 zusammengesetzt ist, das in die Durchgangslöcher 110 der Kupferplatte 100 eingebettet ist, die Teile gestapelt und mittels einem Einhüllungsvorgang zusammengefügt werden.

Der Einhüllungsvorgang ist ein Verfahren dünne Platten eines unterschiedlichen Materials durch Überlagern und Drücken von diesen zu Fügen. In der Ausführungsform sind jene Flächen der Kupferplatte 100, der rostfreien Stahlplatte 200 und des isolierenden Teils 300, die zu anderen Teilen zu fügen sind, mit Argonionen bestrahlt, um jeglichen Oxidfilm auf den Füge-Flächen abzuschälen und die Flächen zu aktivieren, und die Flächen werden dann durch Drücken unter Einsatz eines Einhüllungsvorgangs gefügt. Da das isolierende Teil 300 nicht aus Metall ist, können zwei Flächen des isolierenden Teils 300 mit Metallschichten 301 aus Nickel oder ähnlichem bereitgestellt werden, und die Metallschichten 301 mit Argonionen bestrahlt werden, um die Füge-Flächen zu aktivieren. Der Vorgang der Argonionenbestrahlung zur Aktivierung der Füge-Flächen wird unter einem Vakuum ausgeführt. Durch das Implementieren des Einhüllungsvorgangs auf diese Weise, kann das Fügen bei niedriger Temperatur und bei niedrigem Druck ausgeführt werden. Zusätzlich kann durch das Ausführen eines Oberflächenaktivierungsvorgangs der Füge-Flächen mittels der Bestrahlung mit Argonionen ein Fügen ausgeführt werden, ohne eine Legierungsschicht herzustellen. Ein wasserstoffdurchlässiges Substrat 20, das auf diese Weise gefügt ist, ist in 2 abgebildet.

2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein wasserstoffdurchlässiges Substrat 20 der Ausführungsform darstellt. Das wasserstoffdurchlässige Substrat 20 ist durch Fügen mittels einem Einhüllungsvorgang des wasserstoffdurchlässigen Metalls 10, der Kupferplatte 100, der rostfreien Stahlplatte 200 und des isolierenden Teils 300 ausgebildet. In der Ausführungsform ist das wasserstoffdurchlässige Substrat 20 so ausgebildet, dass es 6 wasserstoffdurchlässige Metalle 10 aufweist. Das wasserstoffdurchlässige Substrat 20 wird entlang Linien 120 so geschnitten, dass jeder Abschnitt ein wasserstoffdurchlässiges Metall 10 enthält, um Wasserstofftrennteile 30 auszubilden. In 3 ist ein Wasserstofftrennteil 30 im Querschnitt entlang der Linie B-B dargestellt.

3 ist eine Schnittansicht eines Wasserstofftrennteils 30 in der Ausführungsform. In dem Wasserstofftrennteil 30 ist die Kupferplatte 100 mit dem isolierenden Teil 300 gefügt, und das isolierende Teil 300 wird mit der rostfreien Stahlplatte 200 gefügt. Das Wasserstofftrennteil 30 ist mittels Einbetten des wasserstoffdurchlässigen Metalls 10 in das Durchgangsloch 110 in der Kupferplatte 100 und das Durchgangsloch 120 in dem isolierenden Teil 300, und danach Fügen von diesen zu der rostfreien Stahlplatte 200 ausgebildet. Eine Vielzahl von Löchern 210 sind bei Stellen entsprechend dem Durchgangsloch 110 ausgebildet, um eine gleichmäßige Zufuhr von Wasserstoff enthaltendem Gas bereitzustellen. Als Wasserstoff enthaltendes Gas können z. B. wasserstoffreiche reformierte Gase verwendet werden, die durch das Reformieren von Kohlenwasserstofftreibstoffen verschiedener Arten wie z. B. Benzin, Methan oder Erdgas erzeugt werden. Das wasserstoffdurchlässige Substrat 30 wird mit den Wasserstoff enthaltenden Gasen über die Löcher 210 versorgt, das wasserstoffdurchlässige Substrat 30 trennt den Wasserstoff wegen der Charakteristiken des wasserstoffdurchlässigen Metalls 10.

A2. Herstellungsverfahren

4 ist ein Prozessdiagramm, das das Verfahren zum Herstellen des wasserstoffdurchlässigen Substrats 30 in der Ausführungsform darstellt. In der Kupferplatte 100 (Schritt S10) sind Durchgangslöcher 110 ausgebildet. Ein wasserstoffdurchlässiges Metall 10 ist in die Durchgangslöcher 110 eingebettet, um ein kombiniertes Teil auszubilden (Schritt S11).

Durchgangslöcher 310 sind in dem isolierenden Teil 300 (Schritt S12) ausgebildet, und eine Vielzahl von Löchern 210 sind in der rostfreien Stahlplatte 200 bei Stellen ausgebildet, die den Durchgangslöchern 110 entsprechen (Schritt S13).

Wo das isolierende Teil 300 zwischen der Kupferplatte 100 und der rostfreien Stahlplatte 200 angeordnet ist, sind deren Füge-Flächen zum Fügen mit den anderen Teilen einer Bestrahlung Argonionen ausgesetzt, um den Oxidfilm von den Oberflächen zu entfernen (Schritt S14). Der Prozess ist in dem Musteransichten in 5 dargestellt.

5A, 5B und 5C sind Ansichten, die ein Rahmenformat der Darstellung des Vorgangs der Bestrahlung mit Argonionen in der Ausführungsform zeigen. 5A ist eine beispielhafte Darstellung der Bestrahlung der Kupferplatte 100 mit Argonionen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die Füge-Fläche der Kupferplatte 100 zum Fügen zu dem isolierenden Teil 300 mittels einer Bestrahlungsmaschine 400 mit Argonionen 410 bestrahl. Ähnlich ist 5B eine beispielhafte Darstellung der Bestrahlung des isolierenden Teils 300 mit Argonionen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind die Füge-Flächen zum Fügen der Kupferplatte 100 und der rostfreien Stahlplatte 200 d. h. die Nickelmetallschichten des isolierenden Teils 300 mit Argonionen 410 mittels der Bestrahlungsmaschine 400 bestrahlt. 5C ist eine beispielhafte Darstellung der Bestrahlung der rostfreien Stahlplatte 200 mit Argonionen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die Füge-Fläche der rostfreien Stahlplatte 200 zum Fügen des isolierenden Teils 300 mittels der Bestrahlungsmaschine 400 mit Argonionen 410 bestrahlt.

Die Kupferplatte 100, die rostfreie Stahlplatte 200 und das isolierende Teil 300 werden mit den Argonionen bestrahlt, und diese werden gestapelt und mittels einem Einhüllungsvorgang gefügt (Schritt S15). Der Vorgang ist in Musteransichten in 6 dargestellt.

6 ist eine Ansicht, die das Fügen mittels dem Einhüllungsvorgang der Ausführungsform darstellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, werden die Kupferplatte 100, das isolierende Teil 300 und die rostfreie Stahlplatte 200 gestapelt und gedrückt, indem sie zwischen einem Paar Rollen 500 durchgeführt werden. Die Rollen 500 drehen in die durch den Pfeil X bezeichnete Richtung, und das wasserstoffdurchlässige Substrat 30 bewegt sich in die durch den Pfeil Y bezeichnete Richtung. Wenn die zu fügenden Flächen, die mittels Argonionen aktiviert wurden, mittels Drücken gefügt werden, tritt unter den unterschiedlichen Metallen nicht sofort eine Diffusion auf, da das Fügen bei niedriger Temperatur ausgeführt werden kann, und so kann das Fügen ausgeführt werden, ohne dass eine Ausbildung von Legierungen wegen des Bondens des Metalls entsteht. Entsprechend entsteht ein zusätzlicher Vorteil, dass ein Abfallen der Wasserstoffdurchlässigkeit unterdrückt werden kann.

Das wasserstoffdurchlässige Substrat 20, das mittels dem Einhüllungsvorgang gefügt wurde, wird entlang von Schnittlinien 120 geschnitten, so dass eine Vielzahl von wasserstoffdurchlässigem Metall 10 einzeln getrennt wird (Schritt S16). Mittels dem obigen Vorgang werden wasserstoffdurchlässige Substrate 30 hergestellt.

Gemäß dem Herstellungsverfahren für wasserstoffdurchlässige Substrate 30 der obigen Ausführungsform kann mittels einer Herstellung eines in einer Kupferplatte Durchgangslöcher aufweisenden Rahmens, Einbetten von wasserstoffdurchlässigem Metall in dem Rahmen zum Erzeugen eines kombinierten Teils, und Überlagern dieses kombinierten Teils auf einer rostfreien Stahlplatte das wasserstoffdurchlässige Substrat unter Einsatz eines Einhüllungsvorgangs hergestellt werden. Das wasserstoffdurchlässige Substrat kann bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck hergestellt werden und ein Verziehen des wasserstoffdurchlässigen Substrats wegen Wärme kann unterdrückt werden. Entsprechend kann eine Änderung der Zusammensetzung des wasserstoffdurchlässigen Metalls wegen Verzugs unterdrückt werden, und ein Abfallen der Fähigkeiten des wasserstoffdurchlässigen Substrats ist verringert. Außerdem kann eine Verformung des wasserstoffdurchlässigen Metalls und des Substrats verhindert werden, das mit dem wasserstoffdurchlässigen Metall gefügt ist, so dass eine verschlechterte Zusammenbaufähigkeit beschränkt werden kann. Außerdem kann durch das Ausführen eines Oberflächenaktivierungsvorgangs der zu fügenden Flächen mittels Bestrahlung mit Argonionen zum Entfernen des Oxidfilms ein Fügen ausgeführt werden, ohne eine Legierungsschicht in den gefügten Regionen zu erzeugen, so dass ein Abfallen der Wasserstoffdurchlässigkeit unterdrückt werden kann.

Gemäß der Ausführungsform kann eine Vielzahl von wasserstoffdurchlässigen Substraten mit einem einzelnen Drückvorgang hergestellt werden, so dass ein Herstellungswirkungsgrad verbessert werden kann.

Ebenfalls kann gemäß der Ausführungsform durch das Anordnen eines isolierenden Teils zwischen der Kupferplatte und der rostfreien Stahlplatte eine elektrische Leitfähigkeit zwischen der Kupferplatte und der rostfreien Stahlplatte ausgeschlossen werden. Entsprechend kann das wasserstoffdurchlässige Substrat auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle als Elektrode verwendet werden.

Zusätzlich können gemäß der Ausführungsform die Herstellungskosten verbessert werden, da wasserstoffdurchlässiges Metall nur in den Bereichen vorgesehen sein kann, in denen die Wasserstofftrennreaktion stattzufinden hat.

B. Unterschiedliche Ausführungsform

Während die Erfindung bis hier mit einer bestimmten bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsform beschränkt, da verschiedene alternative Anordnungen möglich sind, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Die folgenden Anordnungen sind z.B. möglich.

  • (1) In der obigen Ausführungsform ist ein isolierendes Teil 300 zwischen der Kupferplatte 100 und der rostfreien Stahlplatte 200 angeordnet, aber dort wo z.B. das wasserstoffdurchlässige Substrat der Erfindung in einer Wasserstofftrenneinheit zu verwenden ist, muss ein isolierendes Teil 300 nicht unbedingt angeordnet sein.
  • (2) In der obigen Ausführungsform ist eine Vielzahl von Löchern 210 in der rostfreien Stahlplatte 200 angeordnet, aber die Anordnung ist nicht darauf beschränkt. Vorausgesetzt, dass das Bauteil, das zu der rostfreien Stahlplatte 200 äquivalent ist, ein wasserstoffdurchlässiges Bauteil ist, besteht keine Notwendigkeit, ein Loch auszubilden. Wenn jedoch ein Bauteil nicht wasserstoffdurchlässig ist, ist es bevorzugt, ein Loch auszubilden, da das Bauteil eine gleichmäßige Zufuhr von Wasserstoff enthaltenden Gasen zu dem wasserstoffdurchlässigen Metall 10 bereitstellt.
  • (3) 7 ist eine Schnittansicht einer Anordnung eines wasserstoffdurchlässigen Substrats 40 in einer unterschiedlichen Ausführungsform. Das wasserstoffdurchlässige Substrat 40 umfasst wasserstoffdurchlässiges Metall 10, eine Kupferplatte 100 und eine rostfreie Stahlplatte 200, die mittels dem in der obigen Ausführungsform beschriebenen Einhüllungsprozess gefügt sind und ist mit einem isolierenden Beschichtungsmaterial 600 auf Oberflächen des wasserstoffdurchlässigen Substrats 40 beschichtet. Das Beschichtungsmaterial 600 kann z.B. organischer Silikongummi; eine Glasbeschichtung sein. Es ist lediglich notwendig, dass das Material isoliert.

Die Zeit zum Beschichten des Beschichtungsmaterials 600 kann z.B. nach Schritt S15 oder nach dem Schneiden in Schritt S16 in 4 sein. Alternativ können die Kupferplatte 100 und die rostfreie Stahlplatte 200 das Beschichtungsmaterial 600 davor auf sich beschichtet bekommen.

Durch das Aufnehmen von solch einer Anordnung kann eine Gasdichtheit während des Stapelns des wasserstoffdurchlässigen Substrats 40 und während des Fügens mit anderen Substraten verbessert werden. Durch das Beschichten von eine isolierende Funktion aufweisendem Beschichtungsmaterial auf die Oberflächen des wasserstoffdurchlässigen Substrats 40, kann das Substrat als Elektrode auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle verwendet werden.

  • (4) 8A ist ein Diagramm, das die Anordnung eines wasserstoffdurchlässigen Substrats 50 in einer unterschiedlichen Ausführungsform darstellt. 8A zeigt das wasserstoffdurchlässige Substrat 50 in einer Draufsicht von der Seite der Kupferplatte 100. Ein Wulst 700 ist um den Umfang des wasserstoffdurchlässigen Metalls 10 in dem wasserstoffdurchlässigen Substrat 50 ausgebildet. Eine Schnittansicht entlang der Linie C-C ist aus 8B ersichtlich.

8B ist eine Schnittansicht des wasserstoffdurchlässigen Substrats 50, die entlang der Linie C-C geschnitten ist. Das wasserstoffdurchlässige Substrat 50 umfasst ein isolierendes Teil 300, das zwischen einer rostfreien Stahlplatte 200 angeordnet ist und ein kombiniertes Teil einer Kupferplatte 100, das in sich eingebettet ein wasserstoffdurchlässiges Metall 10 aufweist und die mittels dem Einhüllungsvorgang gefügt sind, der in der obigen Ausführungsform beschrieben ist.

Wie durch die gestrichelten Kreise in der Zeichnung bezeichnet ist, ist ein konvexer Wulst 700 auf dem wasserstoffdurchlässigen Substrat 50 ausgebildet.

Durch das Aufnehmen von solch einer Anordnung kann die Gasdichte während des Stapelns des wasserstoffdurchlässigen Substrats 50 und während des Fügens mit anderen Substraten verbessert werden. Durch das Vorsehen eines eine isolierende Funktion aufweisenden Beschichtungsmaterials zwischen der Kupferplatte 100 und der rostfreien Stahlplatte 200 kann das Substrat als Elektrode auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle verwendet werden.

  • (5) 9A ist eine Ansicht einer vereinfachten Anordnung einer Brennstoffzelle 60 in einer unterschiedlichen Ausführungsform. Die Brennstoffzelle 60 ist mit Luft und Wasserstoff enthaltendem Gas versorgt und erzeugt Elektrizität. Die Brennstoffzelle 60 weist eine Anode 70, eine Kathode 80 und ein Protonen leitendes Elektrolyt 900 auf, das zwischen der Anode 70 und der Kathode 80 angeordnet ist.

Die Kathode 80 weist eine poröse Elektrode 820 auf, die angrenzend an das Elektrolyt 900 angeordnet ist, und einen Separator 800. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist eine Vielzahl von Nuten in dem Separator 800 als Strömungskanäle 810 zum Zuführen von Luft zu der Seite der Elektrode 820 ausgebildet.

Die Anode 70 weist eine Kupferplatte 100, eine rostfreie Stahlplatte 200 und ein isolierendes Teil 300 auf, die durch den Einhüllungsvorgang gefügt sind, der in der obigen Ausführungsform beschrieben wurde. Die Anode 70 und die Kathode 80 werden mittels dem isolierenden Teil 300 isoliert. Durch das Ausbilden des isolierenden Teils 300 als Teil des wasserstoffdurchlässigen Substrats wie in dieser unterschiedlichen Ausführungsform kann das isolierende Teil 300 mittels einem Einhüllungsvorgang gefügt werden und somit einfach positioniert werden. 9B erläutert die Struktur der rostfreien Stahlplatte 200.

9B ist ein Diagramm der Anordnung der rostfreien Stahlplatte 200 in der unterschiedlichen Ausführungsform. 9B zeigt die rostfreie Stahlplatte 200 von dem wasserstoffdurchlässigen Metall 10 aus betrachtet. Die rostfreie Stahlplatte 200 umfasst eine Einlassöffnung 220 für Wasserstoff enthaltendes Gas, eine Auslassöffnung 230 für Wasserstoff enthaltendes Gas und einen Strömungskanal 240. Die Einlassöffnung 220 für Wasserstoff enthaltendes Gas und die Auslassöffnung 230 für Wasserstoff enthaltendes Gas werden durch das Durchdringen durch die rostfreie Stahlplatte 200 ausgebildet. Die Einlassöffnung 220 für Wasserstoff enthaltendes Gas, die Auslassöffnung 230 für Wasserstoff enthaltendes Gas und der Strömungskanal werden durch Ätzen ausgebildet.

Es folgt eine kurze Beschreibung der Grundlage der Elektrizitätserzeugung durch die Brennstoffzelle 60. Wenn Wasserstoff enthaltendes Gas aus der Auslassöffnung 230 für Wasserstoff enthaltendes Gas zu dem Strömungskanal 240 zugeführt wird, wird zuerst der in dem Wasserstoff enthaltenden Gas enthaltene Wasserstoff durch das wasserstoffdurchlässige Metall 10 in Protonen und Elektronen getrennt. Getrennte Protonen treten durch das wasserstoffdurchlässige Metall 10 und sickern mittels Leitung durch das Elektrolyt 900 in die Kathode 80 ein. Getrennte Elektronen werden andererseits zu einem vorbestimmten elektrischen Schaltkreis 1000 geliefert, der zwischen der Anode 70 und der Kathode 80 verbindet, und sickern dann in die Kathode 80 ein. In dem Strömungskanal 810 reagieren in der zugeführten Luft vorhandener Sauerstoff, durch den Elektrolyt 900 geleitete Protonen zum Erreichen der Elektrode 820 und den Separator 800 über den elektrischen Schaltkreis 1000 erreichende Elektronen und bilden Wasser. Die Brennstoffzelle 60 erzeugt Elektrizität auf dieser Grundlage.

Mittels Einsatz von solch einer Anordnung kann die rostfreie Stahlplatte 200 ausgebildet sein, um als Strömungskanalplatte zu dienen, und die Brennstoffzelle kann kompakter hergestellt werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Das wasserstoffdurchlässige Substrat umfasst eine Kupferplatte, eine rostfreie Stahlplatte, ein isolierendes Teil und ein wasserstoffdurchlässiges Metall. Das wasserstoffdurchlässige Metall ist durch das Anordnen des isolierenden Teils zwischen der rostfreien Stahlplatte und einem kombinierten Teil ausgebildet, das durch Einbetten des wasserstoffdurchlässigen Metalls in Durchlöcher ausgebildet wird, die in der Kupferplatte hergestellt sind, Aussetzten der Fügeflächen von jedem Bauteil zum Fügen mit anderen Bauteilen einer Bestrahlung mit Argonionen, um den Oxidfilm darauf zu entfernen und die Oberfläche zu aktivieren; und stapeln und drücken der Bauteile. Dadurch können diese bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck gefügt werden. Sobald sie gefügt sind, kann durch schneiden des wasserstoffdurchlässigen Metalls in einzelne Stücke entlang von Schnittlinien eine Vielzahl von wasserstoffdurchlässigen Substraten auf einmal hergestellt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen eines wasserstoffdurchlässigen Substrats mit:

Ausbilden eines Durchgangslochs (110) in einem ersten Substrat (100);

Ausbilden eines kombinierten Teils durch Einbetten eines wasserstoffdurchlässigen Metalls (10) in das Durchgangsloch (110) des ersten Substrats (100);

gekennzeichnet durch

Ausbilden von zumindest einem Loch (210) bei einem Abschnitt eines zweiten Substrats (200) entsprechend dem Durchgangsloch (110) des ersten Substrats (100), wobei das Loch (210) des zweiten Substrats (200) kleiner als das Durchgangsloch (110) des ersten Substrats (100) ist; und

Fügen des kombinierten Teils mit dem zweiten Substrat (200) mittels einem Einhüllungsvorgang.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem mit:

Aktivieren der zu fügenden Flächen vor dem Fügen des kombinierten Teils und des zweiten Substrats (200) durch einen Oberflächenaktivierungsvorgang.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Oberflächen-Aktivierungsvorgang einen Bestrahlungsvorgang mit Argonionen hat Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der Durchgangslöcher (110) in dem ersten Substrat (100) ausgebildet wird;

Das Ausbilden des kombinierten Teils durch das Einbetten von wasserstoffdurchlässigem Metall (10) in jedes der Vielzahl von Durchgangslöcher (110) implementiert wird; und

Das Verfahren außerdem umfasst;

Schneiden des wasserstoffdurchlässigen Substrats (100) folgend auf das Fügen so, dass das wasserstoffdurchlässige Metall (10) in einzelne Stücke getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem mit:

Anordnen einer isolierenden Schicht (300) zwischen dem kombinierten Teil und dem zweiten Substrat (200) vor dem Fügen, wobei die isolierende Schicht (300) eine auf beiden Seiten eines isolierenden Materials (302) vorgesehene Metallschicht (301) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem mit:

Anordnen eines isolierenden Materials auf der Oberfläche des wasserstoffdurchlässigen Substrats (100).
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem mit:

Ausbilden einer konvexen Form bei dem Umfang des wasserstoffdurchlässigen Metalls (10) des gefügten wasserstoffdurchlässigen Substrats folgend auf das Fügen.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem mit:

Ausbilden eines Strömungskanals für einen Kanal eines reagierenden Gases auf dem zweiten Substrat (200), wobei das reagierende Gas für die Wasserstofftrennwirkung in dem wasserstoffdurchlässigen Substrat verwendet wird (100).






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