專利名稱：氫分離基材的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從含有氫的含氫氣體中提取氫的氫透過性基材。
背景技術(shù)：
近年來，利用氫和空氣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池作為能量來 源引人注目。燃料電池通過氫與空氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢。供給 燃料電池的氫通過，例如，使用氫分離單元從由烴類原料重整得到的 重整氣體中分離氫而得到。
已知的氫分離單元包括，例如，利用具有選擇性地使氫透過的性 質(zhì)的氫透過性金屬如鈀或鈀合金的裝置。通過這樣的裝置，當(dāng)重整氣 體供給氫透過性金屬的第一面時，在另一面提取氫。常規(guī)的氫分離單 元通過，例如，首先制造在釩(其也是氫分離金屬)上形成鈀涂層的 氫透過性基材，然后在該氫透過性基材上層疊各種部件如流道板(flow channel plates)和頂板(top panel)然后通過擴散結(jié)合、激光結(jié)合或其 它接合方法將其接合來制造。

發(fā)明內(nèi)容
但是，現(xiàn)有技術(shù)的缺點是由于在接合時產(chǎn)生的熱的影響造成的氫 透過性基材的翹曲可能使氫透過性金屬的組成發(fā)生變化，從而分離能 力下降。另外的問題是，除氫透過性基材本身之外，流道板等由于熱 也可能變形，導(dǎo)致組裝性能下降。
鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種在低溫下制造氫透過性 基材的方法。
為了至少部分解決這些問題，本發(fā)明具有以下結(jié)構(gòu)。具體地，在 氫透過性基材的制造方法中，包括在第一基材中形成通孔；通過在 第一基材的所述通孔中嵌入氫透過性金屬而形成組合構(gòu)件；和利用包 覆法將所述組合構(gòu)件與第二基材接合。
根據(jù)本發(fā)明的氫分離基材的制造方法，可以在低溫和低壓下制造 氫透過性基材，從而可以抑制由熱造成的翹曲。因此，可以抑制氫透 過性金屬的組成變化，性能的下降減輕。另外，可以防止氫透過性金 屬和與氫透過性金屬接合的基材的變形，從而可以抑制組裝性能的下 降。通過利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，在制造時，可以在增強氫分離金屬的同 時制造氫透過性基材。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征、方面和優(yōu)點通過以下結(jié)合附圖 對優(yōu)選實施方式的說明將更加明顯。


圖1是用于說明實施方式中的氫透過性基材的一般配置的分解透 視圖。
圖2是用于說明實施方式中的氫透過性基材的透視圖。
圖3是實施方式中的氫分離構(gòu)件的斷面圖。
圖4是用于說明實施方式中的氫透過性基材制造方法的流程圖。
圖5A、5B和5C是顯示實施方式中的氬離子照射方法的工序的圖。
圖6是顯示實施例中的通過包覆法進(jìn)行接合的說明圖。
圖7是變形實施方式中氫透過性基材的配置的斷面圖。
圖8A是變形實施方式中氫透過性基材的配置的說明圖。
圖8B是變形實施方式中氫透過性基材的配置的斷面圖。
圖9A是變形實施方式中燃料電池的簡化配置的圖。
圖9B是變形實施方式中不銹鋼板200的配置圖。
具體實施例方式
以下將基于特定的優(yōu)選實施方案說明本發(fā)明的實施方式。 A.實施方案
AL氫透過性基材的一般配置
圖l是用于說明實施方案中氫透過基材的一般配置的分解透視圖。 該實施方案的氫透過性基材20由銅板100、不銹鋼板200、絕緣構(gòu)件 300和氫透過性金屬IO構(gòu)成。另外示于圖中的是沿線A-A的氫透過性 金屬10的斷面圖。
氫透過性金屬10由表面涂覆有鈀層11的釩層12構(gòu)成。代替釩， 釩層12也可以由鈮、鉭或其它V族金屬或V族金屬合金構(gòu)成。代替鈀， 鈀層11也可以涂覆鈀合金或其它具有氫透過性的金屬。鈀涂層可以通 過化學(xué)氣相淀積(CVD)、物理氣相淀積(PVD)等形成。
通常，V族金屬和V族金屬合金比鈀具有高得多的氫選擇透過性， 但是由于V族金屬和V族金屬合金易于氧化，因此V族金屬和V族金 屬合金具有由于氧化膜的形成而失去氫透過性的特性。在該實施方案 中，通過用鈀層11涂覆釩層12的表面，可以抑制氧化膜的形成，同 時確保高氫透過性。
銅板IOO上形成有六個與氫透過性金屬IO相同形狀的通孔110。 不銹鋼板200具有多個孔210，其形成在當(dāng)重疊于銅板100上時與通孔 IIO對應(yīng)的位置。
絕緣構(gòu)件300具有與通孔110相同形狀的通孔310，其形成在當(dāng)絕 緣構(gòu)件300重疊于銅板100上時與通孔110對應(yīng)的位置。另外圖中還 示出了沿線B-B的構(gòu)件300的斷面圖。絕緣構(gòu)件300具有設(shè)置在絕緣 材料302兩面上的金屬層301。絕緣材料302由具有絕緣性的陶瓷或者 樹脂構(gòu)成。金屬層301由鎳構(gòu)成。在該實施方案中，為了說明方便，
絕緣構(gòu)件300表示為具有某種程度的厚度，但是，在實際應(yīng)用中，絕
緣構(gòu)件300是極薄的。
氫透過性基材20通過將絕緣構(gòu)件300設(shè)置在不銹鋼板200和由嵌 入銅板100的通孔110中的氫透過性金屬10構(gòu)成的組合構(gòu)件之間，將 構(gòu)件層疊并通過包覆法將其接合在一起而形成。
包覆法是通過將不同材料的薄板重疊并將其軋制而將其接合的方 法。在本實施方案中，銅板IOO、不銹鋼板200和絕緣構(gòu)件300的那些 與其它構(gòu)件接合的面上照射氬離子，從而將接合面上的任何氧化膜剝 離而將表面活化，然后通過使用包覆法軋制而將表面接合。由于絕緣 構(gòu)件300不是金屬，因此絕緣構(gòu)件300的兩個面上可以設(shè)置鎳等的金 屬層301，并且在金屬層301上照射氬離子將接合面活化。通過氬離子 照射將接合面活化的過程是在真空下進(jìn)行的。通過這樣進(jìn)行包覆法， 可以在低溫低壓下進(jìn)行接合。另外，通過借助于氬離子進(jìn)行接合面的 表面活化過程，因此可以在不產(chǎn)生合金層的情況下進(jìn)行接合。這樣接 合的氫透過性基材20如圖2所示。
圖2是在該實施方案中氫透過性基材20的說明圖。氫透過性基材 20通過利用包覆法將氫透過性金屬10、銅板100、不銹鋼板200和絕 緣構(gòu)件300接合而形成。在該實施方案中，氫透過性基材20形成為具 有六個氫透過性金屬10。氫透過性基材20沿切斷線120切斷從而各部 分包含一個氫透過性金屬10，從而形成氫分離構(gòu)件30。在圖3中，氫 分離構(gòu)件30如沿線B-B的斷面圖所示。
圖3是在該實施方案中氫分離構(gòu)件30的斷面圖。在氫分離構(gòu)件30 中，銅板100與絕緣構(gòu)件300接合，并且絕緣構(gòu)件300與不銹鋼板200 接合。氫分離構(gòu)件30通過將氫透過性金屬10嵌入銅板100的通孔110 中和絕緣構(gòu)件300的通孔320中，然后將其接合在不銹鋼板200上而 形成。在與通孔110對應(yīng)的位置形成多個通孔210，以平滑地供給含氫
氣體。作為含氫氣體，可以使用，例如，通過將各種氫燃料如汽油、
甲醇或天然氣重整制造的富氫重整氣體。氫透過性基材30經(jīng)由孔210 被供給含氫氣體，利用氫透過性金屬10的特性，氫透過性基材30分離氫。
A2.制造方法
圖4是說明該實施方案中氫透過性基材30的制造方法的流程圖。 在銅板100中形成通孔110 (步驟S10)。在通孔110中嵌入氫透過性 金屬10，形成組合構(gòu)件(步驟Sll)。
在絕緣構(gòu)件300中形成通孔310 (步驟S12)，并且在與通孔IIO 對應(yīng)的位置在不銹鋼板200中形成多個孔210 (步驟S13)。
在絕緣構(gòu)件300設(shè)置于銅板100和不銹鋼板200之間時，其用于 與其它構(gòu)件接合的接合面進(jìn)行氬離子照射，從而將氧化膜從表面上除
去(步驟S14)。該過程示意地示于圖5中。
圖5A、5B和5C是顯示在該實施方案中氬離子照射過程的示意圖。 圖5A是用氬離子照射銅板IOO的例示說明。如該圖所示，銅板100的 用于與絕緣構(gòu)件300接合的接合面上利用照射機400照射氬離子410。 同樣地，圖5B是用氬離子照射絕緣構(gòu)件300的例示說明。如該圖所示， 絕緣構(gòu)件300的用于與銅板100和不銹鋼板200接合的接合面即鎳的 金屬層上利用照射機400照射氬離子410。圖5C是用氬離子照射不銹 鋼板200的例示說明。如該圖所示，不銹鋼板200的用于與絕緣構(gòu)件 300接合的接合面上利用照射機400照射氬離子410。
銅板100、不銹鋼板200和絕緣構(gòu)件300用氬離子照射，并且通過 包覆法將其層疊和接合(步驟S15)。該過程示意示于圖6中。
圖6是在實施方案中通過包覆法進(jìn)行接合的說明圖。如該圖所示， 銅板100、絕緣構(gòu)件300和不銹鋼板200層疊并通過一對輥500之間而 被軋制。輥500沿箭頭X所示的方向旋轉(zhuǎn)，并且氫透過性基材30沿箭 頭Y所示的方向移動。當(dāng)利用軋制將通過氬離子活化的接合面接合時， 由于可以在低溫進(jìn)行接合，因此不同金屬之間的擴散不易發(fā)生，因此 可以在不會由于金屬結(jié)合形成合金的情況下進(jìn)行接合。因此，附加的 優(yōu)點是可以抑制氫透過性下降。
利用包覆法接合的氫透過性基材20沿切斷線20切斷，從而多個 氫透過性金屬IO被各自分離(步驟S16)。通過上述過程，制造氫透 過性基材30。
根據(jù)以上實施方案的氫透過性基材30制造方法，通過制造在銅板 上形成有通孔的框架，將氫透過性金屬嵌入該框架中制造組合構(gòu)件， 并且將該組合構(gòu)件重疊于不銹鋼板上，可以使用包覆法制造氫透過性 基材。g卩，可以在低溫低壓下制造氫透過性基材，并且可以抑制由于 熱造成的氫透過性基材的翹曲。因此，可以抑制由于翹曲造成的氫透 過性金屬的組成變化，并且氫透過性基材的性能下降減輕。另外，氫 透過性金屬和與氫透過性金屬接合的基材的變形可以防止，因此可以 抑制組裝性能下降。另外，通過利用氬離子照射除去氧化膜而進(jìn)行接 合面的表面活化工序，因此可以在接合區(qū)域不產(chǎn)生合金層的情況下進(jìn) 行接合，從而可以抑制氫透過性下降。
根據(jù)該實施方案，通過一次軋制操作可以制造多個氫透過性基材， 因此可以提高制造效率。
另外，根據(jù)該實施方案，通過在銅板和不銹鋼板之間設(shè)置絕緣構(gòu) 件，可以消除銅板和不銹鋼板之間的電連接。因此，可以適合地將該 氫透過性基材作為燃料電池陽極側(cè)的電極使用。
另外，根據(jù)該實施方案，由于可以僅在發(fā)生氫分離反應(yīng)的區(qū)域設(shè)
置氫透過性金屬，因此可以提高成本性能。
B.變形例
盡管以上通過特定實施方案說明了本發(fā)明，但是，本發(fā)明不限于 該實施方案，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下可以進(jìn)行各種替代配置。
例如，以下配置是可能的
(1) 在上述實施方案中，在銅板100和不銹鋼板200之間設(shè)置了 絕緣構(gòu)件300，但是，例如當(dāng)在氫分離單元中使用本發(fā)明的氫透過性基 材時，不需要設(shè)置絕緣構(gòu)件。
(2) 在上述實施方案中，在不銹鋼板200上形成了多個孔210， 但是其配置不限于此。假設(shè)與不銹鋼板200相當(dāng)?shù)牟考闅渫高^性部 件，則不需要形成孔。但是，即使當(dāng)部件是具有氫透過性的部件，也 優(yōu)選形成孔，因為該部件可以平滑地向氫透過性金屬io供給氫。
(3) 圖7是變形實施方案中氫透過性基材40的配置的斷面圖。 氫透過性基材40包括氫透過性金屬10、銅板100和不銹鋼板200，其 通過上述實施方案中所述的包覆法接合，并且氫透過性基材40的表面 上涂布有絕緣涂層材料600。涂層材料600可以是，例如，有機硅橡膠、 玻璃涂層。僅僅需要該材料是絕緣體。
涂布涂層材料600的時間可以是，例如，圖4的步驟S15后，或 者步驟S16的切斷后?；蛘撸~板100和不銹鋼板200可以預(yù)先具有 涂布到其上的涂層材料600。
通過采用這樣的配置，在氫透過性基材40的層疊期間和與其它基 材的接合期間可以提高氣密性。通過在氫透過性基材40的表面涂布具 有絕緣功能的涂層材料，該基材可以作為燃料電池陽極側(cè)的電極使用。
(4) 圖8A是變形實施方案中氫透過性基材50的配置的說明圖。 圖8A是從銅板100 —側(cè)觀看氫透過性基材50的平面圖。在氫透過性 基材50中在氫透過性金屬10的周圍形成焊道(bead) 700。圖8B中 示出了沿C-C線切斷的斷面圖。
圖8B是沿線C-C切斷的氫透過性基材50的斷面圖。氫透過性基 材50包括設(shè)置在不銹鋼板200和在銅板100中嵌入了氫透過性金屬10 而形成的組合構(gòu)件之間設(shè)置的絕緣構(gòu)件，這些通過上述實施方案中所 述的包覆法接合。如該圖中的虛線圓所示，在氫透過性基材50上形成 了凸焊道700。
通過采用這種配置，在氫透過性基材50的層疊期間和在與其它基 材接合期間可以提高氣密性。通過在銅板100和不銹鋼板200之間設(shè) 置具有絕緣功能的涂層材料，該基材可以作為燃料電池陽極側(cè)的電極 使用。
(5) 圖9A是變形實施方案中燃料電池60的簡化配置圖。燃料電 池60被提供了空氣和含氫氣體并且發(fā)電。燃料電池具有陽極70、陰極 80、和設(shè)置于陽極70和陰極80之間的質(zhì)子傳導(dǎo)性電解質(zhì)900。
陰極80具有與電解質(zhì)900相鄰設(shè)置的多孔電極820和隔板800。 如該圖中所示，在隔板800中形成多個溝作為向電極S20 —側(cè)供給空 氣的流道810。
陽極70具有銅板100、不銹鋼板200和絕緣構(gòu)件300，其通過上 述實施方案中所述的包覆法接合。陽極70和陰極80利用絕緣構(gòu)件300 而絕緣。通過如該變形實施方案中那樣形成絕緣構(gòu)件300作為氫透過 性基材的一部分，絕緣構(gòu)件300可以利用包覆法接合，因此可以容易 地定位。圖9B說明了不銹鋼板200的結(jié)構(gòu)。 圖9B是變形實施方案中不銹鋼板200的配置圖。圖9B顯示了從 氫透過性金屬10觀看的不銹鋼板200。不銹鋼板200包括含氫氣體入 口 220、含氫氣體出口 230和流道240。含氫氣體入口 220和含氫氣體 出口 230形成為貫通不銹鋼板200。含氫氣體入口 220、含氫氣體230 和流道240通過腐蝕形成。
以下簡要說明通過燃料電池60發(fā)電的原理。首先，當(dāng)含氫氣體從 含氫氣體入口 220供給流道240時，含氫氣體中所含的氫通過氫透過 性金屬10而解離為質(zhì)子和電子。解離的質(zhì)子透過氫透過性金屬10并 借助于通過電解質(zhì)900的傳導(dǎo)而移動到陰極80。另一方面，解離的電 子供給在陽極70和陰極80之間連接的預(yù)定電路1000,然后移動到陰 極SO。在流道S10中，供給的空氣中存在的氧、通過電解質(zhì)900傳導(dǎo) 到達(dá)電極S20的質(zhì)子和經(jīng)由電路1000到達(dá)隔板800的電子反應(yīng)而形成 水。燃料電池60通過該原理發(fā)電。
通過利用這樣的配置，可以形成不銹鋼板200作為流道板，并且 燃料電池可以制造得更緊湊。
權(quán)利要求
1.一種氫透過性基材的制造方法，包括在第一基材中形成通孔；通過在所述第一基材的所述通孔中嵌入氫透過性金屬而形成組合構(gòu)件；和利用包覆法將所述組合構(gòu)件與第二基材接合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其進(jìn)一步包括在所述接合前，通過表面活化法將所述組合構(gòu)件與所述第二基材 的接合面活化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述表面活化法包括照射氬離子的方法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中 在所述第一基材中形成多個所述通孔；所述組合構(gòu)件的形成是通過將氫透過性金屬嵌入所述多個通孔中 的每一個中而實現(xiàn)的；該方法進(jìn)一步包括在所述接合后，將所述氫透過性基材切斷使得所述氫透過性金屬 分離成單件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述接合前，在所述組合構(gòu)件和所述第二基材之間設(shè)置絕緣層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其進(jìn)一步包括 在所述氫透過性基材的表面設(shè)置絕緣材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括 在所述接合后，將所述接合的氫透過性基材的氫透過性金屬的周 圍形成凸?fàn)睢?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述第二基材的與所述第一基材的所述通孔對應(yīng)的部位形成至 少一個孔，其中所述第二基材的孔比所述第一基材的通孔小。
9.根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其迸一步包括在所述第二基材上形成反應(yīng)氣體流通的流道，其中所述反應(yīng)氣體 用于所述氫透過性基材中的氫分離反應(yīng)。
全文摘要
一種氫透過性基材，包括銅板、不銹鋼板、絕緣構(gòu)件和氫透過性金屬。該氫透過性基材通過如下形成將絕緣構(gòu)件設(shè)置于不銹鋼板和通過將氫透過性金屬嵌入在銅板中形成的通孔中而形成的組合構(gòu)件之間；將各部件的用于與其它部件接合的接合面進(jìn)行氬離子照射，以從其上除去氧化膜并活化表面；和將部件層疊和軋制。通過這樣做，其可以在低溫低壓下接合。一旦接合，通過將氫透過性基材沿切斷線切斷為單件，可以一次制造多個氫透過性基材。
文檔編號C01B3/00GK101102833SQ20058002333
公開日2008年1月9日 申請日期2005年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月18日
發(fā)明者木村憲治 申請人:豐田自動車株式會社