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Dokumentenidentifikation DE60033571T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001258283
Titel VERBUNDMATERIAL ZUR ERZEUGUNG VON BRENNSTOFF FÜR EINE BRENNSTOFFZELLE SOWIE HERSTELLUNGSVERFAHREN HIERFÜR
Anmelder Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota, Aichi, JP
Erfinder SATO, Hiromichi, Toyota-shi, Aichi 471-8571, JP;
IGUCHI, Satoshi, Toyota-shi, Aichi 471-8571, JP;
NAKATA, Toshihide, Toyota-shi, Aichi 471-8571, JP;
AOYAMA, Satoshi, Toyota-shi, Aichi 471-8571, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60033571
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.11.2000
EP-Aktenzeichen 009748922
WO-Anmeldetag 09.11.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/JP00/07915
WO-Veröffentlichungsnummer 2001036077
WO-Veröffentlichungsdatum 25.05.2001
EP-Offenlegungsdatum 20.11.2002
EP date of grant 21.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse B01D 71/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B01D 69/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C01B 3/50(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 53/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01J 35/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brenngas erzeugende Vorrichtung, welche zu Brennstoffzellen zugeführte, wasserstoffreiche Brenngase aus einem festgelegten Rohmaterial erzeugt, welches Wasserstoffatome enthält, wie etwa Kohlenwasserstoff, Alkohol, Ether und Aldehyd, und sie bezieht sich auf Verbünde zur Wasserstoffabtrennung, welche eingesetzt werden, um Wasserstoff aus einem Gas abzutrennen, welches durch die Brenngas erzeugende Vorrichtung erzeugt worden ist.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Es ist eine Brennstoffzelle vorgeschlagen worden, welche eine elektromotorische Kraft erzeugt, indem sie einen Wasserstoffpol und einen Sauerstoffpol aufweist, die eine Elektrolytschicht sandwichartig einschließen, die Wasserstoffionen weiterleitet, und die mit dem Wasserstoffpol bzw. dem Sauerstoffpol Reaktionen hervorruft, welche durch die folgenden Reaktionsgleichungen ausgedrückt werden. Wasserstoffpol: H2 -> 2H+ + 2e Sauerstoffpol: (1/2)O2 + 2H+ + 2e -> H2O

Für ein System, welches diese Art von Brennstoffzelle als Energiezufuhr einsetzt, muss Wasserstoffgas zu der Seite des Wasserstoffpols zugeführt werden. Um Wasserstoffgas zuzuführen, gibt es ein Verfahren, welches direkt ein Reservewasserstoffgas einsetzt, bei dem eine Legierung, welche Wasserstoff einschließen kann, oder dergleichen eingesetzt wird, und ein Verfahren, welches Wasserstoff einsetzt, der durch eine chemische Reaktion wie etwa eine Reformierungsreaktion aus einem festgelegten Rohmaterial wie etwa Methanol und als Brennstoff zubereitetem Erdgas gewonnen wird. Ein Brennstoff wie etwa Erdgas wird im Allgemeinen durch eine Reaktion wie etwa jene, die durch die folgenden Formeln gezeigt ist, in eine Gasmischung zersetzt, welche Wasserstoff enthält. CnHm + nH2O -> nCO + (n + m/2)H2; CnHm + 2nH2O -> nCO2 + (2n + m/2)H2;

Es ist zudem möglich, direkt eine Gasmischung zu einer Brennstoffzelle zuzuführen, aber zusätzlich zu einer Behinderung der Reaktionen an der Elektrode aufgrund eines Abfalls des Wasserstoffpartialdrucks an der Elektrode gibt es zudem das Risiko weiterer nachteiliger Wirkungen, wie etwa dass aufgrund einer Vergiftung durch Kohlenmonoxid an der Elektrode stabile Reaktionen behindert werden, sodass normalerweise die Gasmischung zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, nachdem ein Verfahren zum Verringern der Kohlenmonoxidkonzentration oder ein Verfahren zum Abtrennen nur des Wasserstoffs durchgeführt wurde.

Für diese Reaktionen wird zum Abtrennen von Wasserstoff aus dem erzeugten Gas eine dünne Wasserstofftrennschicht eingesetzt, welche die Eigenschaft aufweist, dass sie nur Wasserstoff selektiv weiterleitet. Gegenstände, die als dünne Wasserstofftrennschichten bekannt sind, sind dünne Schichten, die aus Palladium oder einer Palladiumsilberlegierung gebildet sind, oder sind Gegenstände, für welche ein poröses Trägermedium wie etwa eine Keramik mit diesen Metallen beschichtet ist. Eine dünne Wasserstofftrennschicht weist die Eigenschaft auf, dass sich aufgrund des Unterschieds im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Vorderseite und der Rückseite der dünnen Schicht Wasserstoff in der dünnen Schicht bewegt, und sie kann durch Einsatz dieser Eigenschaft Wasserstoff aus Gasmischungen abtrennen.

Speziell gibt es als Methode, welche sich auf einen dünnen Wasserstofftrennfilm bezieht, der ein poröses Trägermedium einsetzt, und sich auf dessen Herstellungsverfahren bezieht, jene Technologien, die z. B. in JP-A-1-266833 und JP-A-63-171617 angegeben sind. Die erstere ist eine Technologie, welche sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Wasserstofftrennschicht bezieht, welche die Erzeugung von Nadellöchern unterdrückt, wobei eine dünne Metallschicht aus LaNi5, welche Wasserstoff abtrennende Eigenschaften aufweist, durch Einsatz eines Sputterverfahrens auf einem porösem Substrat ausgebildet wird, welches durch einen gesinterten Körper aus rostfreiem Stahlpulver, etc. gebildet ist. Bei dieser Technologie wird dabei durch Einstellen der Sputteremissionsrichtung auf der Oberflächenschicht des porösen Substrats eine dünne Wasserstofftrennschicht ohne Nadellöcher ausgebildet.

Die letztere ist eine Technologie, welche versucht, solche Aspekte wie die Durchlässigkeit, die Hitzebeständigkeit und die Trenneigenschaften bei hohen Temperaturen zu verbessern, indem eine dünne Wasserstofftrennschicht auf einer dünnen anorganischen porösen Schicht mit geträgertem Palladium ausgebildet wird. Durch Aufbringen von Palladium unter Einsatz eines entgasenden Verfahrens unter reduziertem Druck auf einer dünnen, anorganischen, porösen Schicht, auf der vorausgehend aus der Dampfphase Palladium abgeschieden worden ist, wird Palladium in den Poren geträgert, und eine dünne Wasserstofftrennschicht wird ausgebildet. Spezieller werden etwa eine dünne Schicht mit einer dünnen Palladiumschicht, welche auf der Oberfläche einer dünnen porösen Schicht ausgebildet ist, wobei ein Teil von dieser als Anker in die Poren eindringt, und eine dünne Schicht vorgeschlagen, für welche feine Palladiumteilchen auf den Innenwänden der Poren geträgert werden.

Allerdings wiesen die dünnen Wasserstofftrennschichten des Stands der Technik die Probleme auf, dass die dünne Schicht dick war und dass die Geschwindigkeit des Wasserstofftransports gering war. Zudem gab es die Probleme, dass leicht Nadellöcher in der dünnen Wasserstofftrennschicht auftreten und eine Gasmischung auf der Spülseite austreten konnte.

Z. B. ist bei der vorstehend beschriebenen, in JP-A-1-266833 angegebenen Technologie eine dünne Wasserstofftrennschicht auf der Oberfläche eines porösen Substrats ausgebildet, sodass die Gesamtdicke des Wasserstoff abtrennenden Teils unvermeidbarer Weise größer wurde. Als zudem ein Versuch unternommen wurde, Nadellöcher auf effiziente Weise zu verhindern, wurde die Schichtdicke der dünnen Wasserstofftrennschicht wiederum unvermeidbarer Weise größer. Die in JP-A-63-171617 angegebene dünne Wasserstofftrennschicht weist in den Poren der dünnen porösen Schicht geträgertes Palladium auf, aber da eine dünne Palladiumschicht auf der Oberfläche ausgebildet ist, wobei ein Teil von dieser in die Poren eindringt, oder da feine Palladiumteilchen auf den Innenwänden der Poren geträgert sind, geht es nicht über dieses Niveau hinaus, sodass die Wirkung unzureichend war.

Allerdings sind in den letzten Jahren Studien darin vorgenommen worden, Brennstoffzellen in Vorrichtungen wie etwa Fahrzeuge einzubauen, sodass die Nachfrage nach Brennstoffzellensystemen mit kompakterer Ausgestaltung besonders deutlich ist. Es ist bekannt, dass die Weiterleitungsgeschwindigkeit für die dünne Wasserstofftrennschicht proportional zur Oberfläche der dünnen Trennschicht und umgekehrt proportional zur Dicke der dünnen Schicht ist, und wenn eine dünne Wasserstofftrennschicht des Stands der Technik eingesetzt wird, wird es zusätzlich zu einer Vergrößerung der Vorrichtungen aufgrund einer großen Dicke der dünnen Schicht notwenig, die Dicke der dünnen Schicht, welche die Oberfläche einsetzt, auszugleichen, sodass es nicht möglich war, den abtrennenden Teil ausreichend kompakt auszubilden. Um Gaslecks aufgrund von Nadellöchern zu verhindern, wird zudem die Dicke der dünnen Schicht leicht größer, was ein Hindernis dabei darstellt, den abtrennenden Teil kompakter auszubilden. Wenn darüber hinaus eine Brenngas erzeugende Vorrichtung hergestellt wird, ohne eine dünne Wasserstofftrennschicht einzusetzen, ist es notwenig, so etwas wie einen Teil vorzusehen, welcher die Konzentration von in der Gasmischung enthaltenem Kohlenmonoxid verringert, was dazu führt, dass die Vorrichtung noch größer wird. Um zu versuchen, diese Art von Brennstoffzellensystem kompakter auszubilden, ist es notwenig, in der Brenngas erzeugenden Vorrichtung eine dünne Wasserstofftrennschicht einzusetzen, und um das Erfordernis der letzten Jahre zu erfüllen, die Vorrichtungen deutlich kompakter auszubilden, ist es notwenig geworden, die Wasserstofftrennleistung weiter zu erhöhen und nachteilige Wirkungen aufgrund von Nadellöchern auf verlässliche Weise zu vermeiden.

EP-A-0 818 233 beschreibt eine Gastrennvorrichtung, welche ein poröses Substrat mit zu seiner Oberfläche hin geöffneten feinen Poren und ein Metall zum Abtrennen eines Gases einschließt, wobei das poröse Substrat einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,4 bis 0,9 &mgr;m aufweist und wobei das Metall zum Abtrennen eines Gases in die Poren des porösen Substrats eingefüllt ist, um diese zu verschließen.

WO 89/04556 bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem eine Palladium/Silber-Schicht elektrolytisch auf einer Seite einer Legierungsfolie abgeschieden wird, welche aus einem Edelmetall und einem weniger edlen Metall besteht. Die andere Seite wird über mehrere Stunden elektrolytisch behandelt, wobei die weniger edlen Komponenten allmählich und scheinbar vollständig beseitigt werden, sodass ein poröses Metallelement als Träger für die Palladium/Silber-Membran zurückbleibt.

Im Journal of Membrane Science, 120 (1996) 261–272, berichten G. Xomeritakis und Y. S. Lin über eine Schichtstruktur, welche aus einem zweischichtigen porösen keramischen Träger und einer darauf durch CVD abgeschiedenen gasdichten Pd-Membran besteht. Der keramische Träger besteht aus einer oberen Schicht aus &ggr;-Al2O3 mit feinen Poren und einem &agr;-Al2O3-Substrat mit groben Poren. Der Permeationsstrom von H2 dieser Membranen wurde ebenfalls gemessen.

JP-A-63-079701 offenbart eine pulverförmige Wasserstoffeinschlusslegierung, welche mit einer porösen Metallschicht beschichtet ist, die für gasförmigen Wasserstoff durchlässig ist, wobei die poröse Metallschicht z. B. aus Cu oder Ni besteht. Diese Legierung ist mit einem Material mit einem größeren elektrischen Widerstand als jenem der Legierung vermengt, und die Mischung ist zu einem festen Körper geformt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas für Brennstoffzellen eine Technologie bereitzustellen, welche die Brenngas erzeugende Vorrichtung kompakter ausgestaltet.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird bei der vorliegenden Erfindung erstens ein Verbund zur Wasserstoffabtrennung eingesetzt, welcher eine hervorragende Wasserstoff abtrennende Leistung aufweist. Zweitens wird eine Struktur, welche die Wasserstoff abtrennende Leistung verbessert, für die Brenngas erzeugende Vorrichtung eingesetzt. Mit diesen Erfindungen ist es möglich, die Geschwindigkeit der Wasserstoffabtrennung zu vergrößern, während nachteilige Wirkungen wie etwa Durch- bzw. Nadellöcher vermieden werden, und zu versuchen, die Brenngas erzeugende Vorrichtung kompakter auszugestalten. Von diesen Erfindungen weist die für die Brenngas erzeugende Vorrichtung eingesetzte Struktur den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung nicht als absolutes Erfordernis auf, aber wenn der Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Verbindungen eingesetzt wird, ist es offensichtlich, dass sich der Vorteil ergibt, die Brenngas erzeugende Vorrichtung kompakter auszugestalten. Im Folgenden werden wir den Wasserstofftrennverbund und sein Herstellungsverfahren sowie die für die Brenngas erzeugende Vorrichtung eingesetzte Struktur aufeinander folgend für die vorliegende Erfindung erläutern, und darüber hinaus werden wir ein Brennstoffsystem erläutern, welches diese Brenngas erzeugende Vorrichtung einsetzt. Es ist anzumerken, dass auf dem Gebiet der auf Brennstoffzellen bezogenen industriellen Anwendungen diese Erfindungen in Beziehung zu den üblichen Problemen der Vergrößerung der Wasserstoff abtrennenden Leistung und des kompakteren Ausbildens der Vorrichtung stehen.

Der zuerst beschriebene Wasserstofftrennverbund ist kein Bestandteil der vorliegenden Erfindung, erlaubt aber ein besseres Verständnis von ihr, und er ist ein Wasserstofftrennverbund, welcher so aufgebaut ist, dass wenigstens ein Wasserstofftrennmetall auf einem porösen Trägermedium geträgert ist, und welcher Wasserstoff in einem Gas selektiv weiterleitet, und er ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstofftrennmetall kleiner als der Durchmesser der Poren des porösen Trägermediums ausgebildet und so geträgert ist, dass die Poren des porösen Trägermediums innerhalb des porösen Trägermediums gefüllt sind.

In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Wasserstofftrennmetall innerhalb der Poren in Form einer dünnen Schicht geträgert ist.

Wenn eine Gasmischung, welche Wasserstoff, Kohlenmonoxid etc. enthält, von einer Oberfläche dieses Wasserstofftrennverbundes eindringt, versucht die Gasmischung, durch die Poren des Wasserstofftrennverbundes hindurch zu treten und zu der anderen Oberfläche zu gelangen. Hierbei sind bei diesem Wasserstofftrennverbund die Poren mit dem Wasserstofftrennmetall gefüllt, sodass es möglich ist, nur den Wasserstoff selektiv weiterzuleiten. Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit der Weiterleitung des Wasserstoffs auf der Grundlage der dünnen, unter Einsatz eines Wasserstofftrennmetalls ausgebildeten Schicht im Allgemeinen proportional zu der Oberfläche, mit welcher das Metall mit der Gasmischung in Kontakt tritt, und zu der Schichtdicke der dünnen Trennschicht ist. Der vorstehende Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung kann die Kontaktfläche zwischen dem Wasserstofftrennmetall und dem Wasserstoff stark vergrößern, indem das Wasserstofftrennmetall innerhalb der Poren geträgert ist. Daher ist es möglich, die Geschwindigkeit der Weiterleitung des Wasserstoffs zu vergrößern und die Dicke der Schicht zu verkleinern, auf welcher das Wasserstofftrennmetall geträgert ist. Wenn Palladium oder eine Palladiumlegierung für das Wasserstofftrennmetall eingesetzt wird, ist es möglich, die Dicke der Schicht auf 1/10 oder weniger zu verringern. Dadurch ist es möglich, dazu beizutragen, die Brenngas erzeugende Vorrichtung kompakter auszugestalten, wobei zudem das Volumen des Wasserstofftrennmetalls verringert wird, was zudem zu dem Vorteil führt, dass die Herstellungskosten für den Wasserstofftrennverbund verringert werden können. Wenn das Wasserstofftrennmetall innerhalb der Poren in Form einer dünnen Schicht geträgert ist, ist es zudem möglich, die Dicke einer jeden dünnen Schicht geringer auszubilden und zudem die Kontaktfläche des Wasserstofftrennmetalls und der Gasmischung zu vergrößern, sodass die Geschwindigkeit der Weiterleitung des Wasserstoffs noch weiter erhöht werden kann.

Der vorstehende Wasserstofftrennverbund trägert das Wasserstofftrennmetall so, dass die Poren gefüllt sind, sodass sich zudem der Vorteil ergibt, dass sich so genannte Nadellöcher nicht leicht ausbilden. Wenn im Allgemeinen die Dicke der dünnen Schicht aus dem Wasserstofftrennmetall gering ausgebildet wird, gibt es das Problem, dass Nadellöcher leicht auftreten, aber das vorstehende Wasserstofftrennmetall ist in den porösen Poren geträgert, sodass es möglich ist, die dünne Schicht dünner auszubilden, ohne dieses Problem hervorzurufen.

Hier werden wir eine speziellere Erläuterung der Signifikanz des vorstehenden Wasserstofftrennverbundes geben, indem er mit dem Stand der Technik verglichen wird. Als Stand der Technik können wir die in JP-A-1-266833 und die in JP-A-63-171617 aufgeführten Technologien angeben, wie sie vorstehend erläutert wurden. Die Gemeinsamkeit dieser Technologien und des vorstehend beschriebenen Verbundes besteht darin, dass eine dünne Wasserstofftrennschicht auf der Grundlage eines porösen Trägermediums ausgebildet ist, aber im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem ein Teil des Wasserstofftrennmetalls nicht in den Poren des porösen Trägermediums geträgert ist, besteht hier der Unterschied darin, dass das Wasserstofftrennmetall innerhalb des porösen Trägermediums in solch einem Ausmaß geträgert ist, dass die Poren gefüllt sind, und hauptsächlich ist das Wasserstofftrennmetall innerhalb des porösen Trägermediums geträgert.

Bei der in dem japanischen Patent JP-A-1-266833 angegebenen dünnen Wasserstofftrennschicht, wie sie in der 2(b) der Schrift gezeigt ist, ist das Wasserstofftrennmetall auf der Oberflächenschicht des porösen Trägermediums ausgebildet. Zudem ist bei der in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 63-171617 angegebenen dünnen Wasserstofftrennschicht, wie es in dem Arbeitsbeispiel der Schrift angegeben ist, eine dünne Palladiumschicht auf der Oberfläche ausgebildet, wobei ein Teil von dieser in die Poren als ein Anker eindringt, und wobei Palladium auf den Innenwänden der Poren geträgert ist. In jedem Fall erreicht das Wasserstofftrennmetall nicht den Punkt, dass es die Poren dem porösen Inneren ausfüllt, und während Nadellöcher im Wesentlichen durch die Schicht aus Wasserstofftrennmetall an der Oberfläche verhindert werden, ergibt sich hier nicht mehr, als dass die Wasserstoffabtrennung im Wesentlichen durch die Oberflächenschicht aus Wasserstofftrennmetall erfolgt. Bei den in den Beispielen des Stands der Technik offenbarten dünnen Wasserstofftrennschichten können wir, wenn die Schicht aus Wasserstofftrennmetall, welche auf der Oberfläche ausgebildet ist, entfernt wird, erkennen, dass es nicht möglich sein wird, eine ausreichende Wasserstoffabtrennung durchzuführen. Im Stand der Technik wird das poröse Trägermedium nur dafür eingesetzt, die mechanische Festigkeit bei dem Vorgang des Ausbildens einer dünnen Schicht zu gewährleisten.

Im Gegensatz dazu besteht ein großer Unterschied zwischen dem vorstehenden Wasserstofftrennaverbund und dem Stand der Technik darin, dass die den Wasserstoff abtrennende Schicht hauptsächlich im Inneren des porösen Trägermediums ausgebildet ist. Anders gesagt wurde der vorstehend beschriebene Verbund mit dem Ziel kreiert, die Kontaktfläche zwischen dem Wasserstofftrennmetall und der Gasmischung stark zu vergrößern, wenn das Wasserstofftrennmetall mit solch einem Ausmaß geträgert ist, dass es die Poren ausfüllt, und der Wasserstoff wird hauptsächlich innerhalb der porösen Struktur abgetrennt, und dieser Aspekt ist in klarer Weise ein grundlegender Unterschied zum Stand der Technik, in welchem die Wasserstoffabtrennung an der Oberflächenschicht erfolgt, welche nur durch ein Wasserstofftrennmetall gebildet ist. Bei dem vorstehend beschriebenen Verbund besteht im Gegensatz zum Stand der Technik, welcher versuchte, lediglich die dünne Schicht dünner auszubilden, während die mechanische Festigkeit beibehalten wurde, um die Wasserstofftrennleistung zu verbessern, ein großer technischer Unterschied darin, dass der vorstehend beschriebene Verbund eine andere Herangehensweise bei der Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Gasmischung und dem Wasserstofftrennmetall verfolgt. Als ein spezielles Mittel für diese Herangehensweise trägert der vorstehende Wasserstofftrennverbund ein Wasserstofftrennmetall im Inneren des porösen Trägermediums, und dadurch zeigt er eine hervorragende Wirkung dabei, Nadellöcher weitergehend zu verhindern, während die mechanische Festigkeit beibehalten wird.

Es ist anzumerken, dass "gefüllt" hier bedeutet, dass das Wasserstofftrennmetall mit einer ausreichend hohen Dichte in den Poren geträgert ist. Es ist bevorzugt, dass das Wasserstofftrennmetall so in den Poren geträgert ist, dass es vollständig luftdicht ist.

Unter diesem Gesichtspunkt kann für den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung oder anders gesagt für das Wasserstofftrennmetall gesagt werden, dass es dadurch, dass es feiner als der Durchmesser der Poren des porösen Trägermediums ausgebildet ist, und dadurch, dass es im Wesentlichen in den Poren im Inneren des porösen Trägermediums geträgert ist, gekennzeichnet ist. Im Stand der Technik gab es nicht mehr, als dass ein Teil des Wasserstofftrennmetalls im Inneren der Poren geträgert war, und im Gegensatz dazu ist es möglich, die vorstehend erwähnte Wirkung zu erzielen, indem der Hauptteil im Inneren der Poren geträgert ist.

Der vorstehende Wasserstofftrennverbund kann z. B. durch das folgende Herstellungsverfahren hergestellt werden.

Das erste Herstellungsverfahren ist ein Herstellungsverfahren, welches das so genannte Imprägnier-Träger-Verfahren einsetzt, welches ein Herstellungsverfahren ist, das aufweist:

einen Vorgang des Ausbildens des porösen Trägermediums,

einen Vorgang des Herstellens einer Lösung, welche die zu trägernde Substanz enthält, um in den Poren geträgert zu werden,

und einen Vorgang des Abscheidens der zu trägernden Substanz hauptsächlich in den Löchern des porösen Trägermediums, nachdem das poröse Trägermedium mit der Lösung imprägniert wurde.

Die zu trägernde Substanz enthält wenigstens ein Wasserstofftrennmetall, ist aber nicht nur auf Wasserstofftrennmetalle beschränkt. Das poröse Trägermedium kann aus einer Vielzahl von Materialien gebildet sein, wobei es möglich ist, z. B. Keramiken zu verwenden. Gemäß dem Wasserstofftrennmetall kann eine Vielzahl von Lösungen ausgewählt werden, und wenn z. B. Palladium als Wasserstofftrennmetall eingesetzt wird, ist es z. B. möglich, Palladiumnitrat für die vorstehend erwähnte Lösung einzusetzen. Für die Vorgänge, mit welchen die Lösung in das poröse Trägermedium einzubringen ist, ist es zudem möglich, das poröse Trägermedium einfach in die Lösung einzutauchen, oder eine Seite in die Lösung einzutauchen, während von der anderen Seite her entgast wird.

Das zweite Herstellungsverfahren ist ein Herstellungsverfahren, welches aufweist:

einen Vorgang des Ausbildens des porösen Trägermediums,

einen Vorgang des Herstellens einer viskosen Paste, welche in die Poren eindringen kann, indem die zu trägernde Substanz in den Poren geträgert wird, wobei diese gleich zu oder kleiner als der Porendurchmesser des porösen Trägermediums gehalten und mit einem organischen Lösungsmittel vermengt wird,

und einen Vorgang des Brennens, nachdem die Paste auf das poröse Trägermedium aufgebracht wurde, und des hauptsächlichen Trägerns der zu trägernden Substanz in den Löchern des porösen Trägermediums.

Durch den Brennvorgang wird das organische Lösungsmittel ausgebrannt, sodass die zu trägernde Substanz auf dem porösen Trägermedium geträgert werden kann. Bei dem Vorgang des Aufbringens der vorstehend erwähnten Paste ist zudem, um das Eindringen in die Poren zu unterstützen, ein Vorgang wie etwa ein Entgasen von der Seite her, welcher der beschichteten Seite gegenübersteht, ebenfalls geeignet. Es ist möglich, für dieses organische Lösungsmittel viele unterschiedliche Lösungsmittel gemäß der Art der zu trägernden Substanz etc. einzusetzen, z. B. kann ein Polymer eingesetzt werden.

Das dritte Herstellungsverfahren ist ein Herstellungsverfahren, welches aufweist:

einen Vorgang des Erzeugens feiner Teilchen, welche das poröse Trägermedium bilden, feiner Teilchen der zu trägernden Substanz, welche geträgert wird, und einer organischen Lösungsmittelverbindung,

und einen Vorgang des Trägerns der zu trägernden Substanz in den Löchern des porösen Trägermediums durch Formen und Brennen der Verbindung.

Bei dem Herstellungsverfahren B ist es durch Ausbrennen des organischen Lösungsmittels möglich, den vorstehenden Wasserstofftrennverbund herzustellen.

Bei dem dritten Herstellungsverfahren ist es für die feinen Teilchen, welche das poröse Trägermedium bilden, zudem möglich, vorausgehend die feinen Teilchen der zu trägernden Substanz zu trägern und dies mit dem organischen Lösungsmittel zu vermengen. Ein Beispiel für ein Verfahren, bei dem vorausgehend geträgert wird, schließt ein Verfahren des Eintauchens der feinen Teilchen, welche das poröse Trägermedium bilden, in das Lösungsmittel der zu trägernden Substanz und dann des Trocknens ein. Wenn die feinen Teilchen der zu trägernden Substanz im Voraus auf den feinen Teilchen geträgert werden, welche das poröse Trägermedium bilden, weist der Aspekt der Trägerung der zu trägernden Substanz für den Wasserstofftrennverbund, welcher schließlich erhalten wird, den Vorteil auf, das sie relativ eingestellt werden kann, wie es nachstehend gezeigt ist. Erstens ist es möglich, dass Trägervolumen der zu trägernden Substanz einzustellen. Wenn es eine Vielzahl an zu trägernden Substanzen gibt, ist es zweitens möglich, das Trägervolumen für jede zu trägernde Substanz einzustellen. Zudem ist es durch unsymmetrische Einstellung durch zentrifugale Trennung etc. einer jeden zu trägernden Substanz der feinen Teilchen des trägernden porösen Trägermediums möglich, jeden der Verbünde, welcher in der Form einer Schicht geträgert ist, vergleichsweise einfach auszubilden. Wenn es eine Vielzahl an Arten sowohl der zu trägernden Substanz als auch des porösen Trägermediums gibt, können drittens die geträgerten Kombinationen eingestellt werden. Die zu trägernde Substanz kann auf dem porösen Trägermedium vorausgehend in Kombinationen geträgert werden, an welche leicht eine Anpassung erfolgt, oder in Kombinationen, welche spezielle Wirkungen zeigen.

In Verfahren wie etwa den vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Herstellungsverfahren ist es möglich, des Weiteren einen Vorgang vorzusehen, welcher das Wasserstofftrennmetall innerhalb der Poren ausbildet, indem nach Ausbilden eines porösen Trägermediums, bei dem ein Wassstofftrennmetall in den Poren geträgert wird, dann das poröse Trägermedium zu brennen.

Dadurch ist es möglich, eine dünne Schicht auszubilden, welche die Poren mit dem Wasserstofftrennmetall auffüllt, welches als feine, miteinander verbundene Teilchen im Inneren der Poren geträgert ist. Dabei muss die Brenntemperatur gemäß Aspekten wie etwa der Art des Wasserstofftrennmetalls und dem Durchmesser der Poren geeignet eingestellt werden. Allerdings wird das Wasserstofftrennmetall extrem fein ausgebildet, sodass es nicht absolut notwendig ist, die Temperatur bis zum Schmelzpunkt zu erhöhen.

Der Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 definiert und ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Poren im Inneren des porösen Trägermediums ein Katalysator geträgert ist, welcher in geeigneter Weise für eine Reformierreaktion eingesetzt werden kann, welche aus einem festgelegten Rohmaterial Wasserstoff erzeugt.

In diesem Fall ist es noch mehr bevorzugt, dass das Wasserstofftrennmetall und der Katalysator im Inneren des porösen Trägermediums in Schichtform geträgert sind.

Ein Katalysator ist in dem Wasserstofftrennverbund enthalten, sodass es möglich ist, mit diesem allein eine Reformierreaktion und eine Wasserstoffabtrennung durchzuführen, was es möglich macht, die Brenngas erzeugende Vorrichtung kleiner auszugestalten. Wenn das Wasserstofftrennmetall und der Katalysator im Inneren des porösen Trägermediums vermengt sind, ist es, obwohl die betrachtete Wirkung erzielt werden kann, da beide in Schichtform vorgesehen sind, möglich, die Reformierreaktion und die Wasserstoffabtrennung aufeinander folgend durchzuführen, sodass es möglich ist, den Einsatz des Wasserstofftrennmetalls noch effektiver zu machen. Zudem gibt es bei dem zweiten Wasserstofftrennverbund zudem den Vorteil, dass der Katalysator mit der Gasmischung über eine breite Fläche in Kontakt tritt, was es möglich macht, die Reformierreaktion zu befördern.

Bei dem zweiten Wasserstofftrennverbund, bei dem das Wasserstofftrennmetall und der Katalysator im Inneren des porösen Trägermediums in Schichtform geträgert sind, ist es zudem möglich, den Katalysator mit geringerer Dichte als das Wasserstofftrennmetall in dem porösen Trägermedium zu trägern.

Anders gesagt bedeutet dies, dass die Diffusionseigenschaften des Katalysators besser sind als jene des Wasserstofftrennmetalls. Dadurch wird es möglich, die Kontaktfläche des Katalysators und des Rohmaterialgases zu vergrößern, was es möglich macht, die Reformierreaktion weiter zu befördern.

Wenn bei der betrachteten Ausführungsform z. B. eine Schicht, in welcher das Wasserstofftrennmetall geträgert ist, und eine Schicht, in welcher der Katalysator geträgert ist, geträgert sind, ist es möglich, dass das poröse Trägermedium unterschiedliche physikalische Strukturen aufweist.

Bezüglich der physikalischen Struktur gibt es z. B. die Aspekte einschließlich des Durchmessers der Poren der porösen Struktur oder des Prozentsatzes, welcher pro Flächeneinheit durch Poren eingenommen wird (hiernach als Porosität bezeichnet). Wenn z. B. der Durchmesser der Poren auf der einen Seite, auf welcher der Katalysator geträgert ist, größer ausgebildet ist, ist es dann möglich, den Katalysator stark zu dispergieren. Es ist zudem möglich, die Porosität auf der Seite zu erhöhen, auf welcher der Katalysator geträgert ist.

Bei dem Wasserstofftrennverbund, bei dem das Wasserstofftrennmetall und der Katalysator im Inneren des porösen Trägermediums in Schichtform geträgert sind, ist es zudem geeignet, die Schicht, auf welcher das Wasserstofftrennmetall geträgert ist, und die Schicht, auf welcher der Katalysator geträgert ist, unter Verwendung von porösen Trägermedien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auszubilden.

Es ist allgemein bekannt, dass es Fälle gibt, in denen sich die Eigenschaften der zu trägernden Substanz in Abhängigkeit von der Kombination aus der zu trägernden Substanz und der Zusammensetzung des porösen Trägermediums verbessern. Daher ist es auf der Seite, auf welcher der Katalysator geträgert ist, durch Verwendung eines porösen Trägermediums, welches die Wirkung der Vergrößerung der katalytischen Wirkung zeigt, möglich, die Reformierreaktion zu befördern. Wenn als Beispiel Rhodiumedelmetall für den Katalysator eingesetzt wird, ist es möglich, die katalytische Wirkung zu verbessern, indem für den porösen Körper Ceroxidteilchen eingesetzt werden. Andererseits ist es auf der Seite, auf welcher das Wasserstofftrennmetall geträgert ist, durch Verwendung eines porösen Trägermediums, mit dem das Wasserstofftrennmetall einen guten Abgleich zeigt, leichter, das Wasserstofftrennmetall innerhalb der Poren in dichter Form zu trägern und das Wasserstofftrennmetall in der Form einer dünnen Schicht zu trägern. Wenn für das Wasserstofftrennmetall Palladiumedelmetall eingesetzt wird, ist es leichter, durch Verwendung von Aluminiumoxidteilchen in dem porösen Trägermedium das Wasserstofftrennmetall in der Form einer dünnen Schicht anzubringen.

Bei dem vorausgehend erläuterten ersten bis dritten Herstellungsverfahren bezüglich des Wasserstofftrennverbundes, welcher nur zu Referenzzwecken verwendet wird, kann der Wasserstofftrennverbund unter Verwendung eines Wasserstofftrennmetalls und eines Katalysators als zu trägernder Substanz hergestellt werden. Wenn darüber hinaus beide in der Form einer Schicht vorgesehen werden, ist es zudem möglich, diesen unter Einsatz des nachstehend angegebenen vierten bis sechsten Herstellungsverfahrens herzustellen.

Das vierte Herstellungsverfahren für einen Wasserstofftrennverbund ist ein Herstellungsverfahren aufweisend:

  • (a) einen Vorgang des Ausbildens eines ersten porösen Trägermediums, bei dem das Wasserstofftrennmetall innerhalb der Poren geträgert ist,
  • (b) einen Vorgang des Ausbildens eines zweiten porösen Trägermediums, bei dem der Katalysator innerhalb der Poren geträgert ist, und
  • (c) einen Vorgang des Vereinigens des ersten und des zweiten porösen Trägermediums, indem sie verbunden werden.

Anders gesagt ist dies ein Verfahren, bei dem die Schicht, welche das Wasserstofftrennmetall trägert, und die Schicht, welche den Katalysator trägert, durch getrennte Vorgänge hergestellt und diese zu einer Einheit verbunden werden. Dadurch ist es nicht nur möglich, das Wasserstofftrennmetall und den Katalysator leichter in Schichtform zu trägern, sondern es ist zudem einfach möglich, den Katalysator mit geringerer Dichte als das Wasserstofftrennmetall zu trägern und das geträgerte Volumen von diesen beiden zu verändern. Es ist bei dem betrachteten Herstellungsverfahren daher möglich, relativ leicht einen Wasserstofftrennverbund auszubilden, welcher Eigenschaften hat, die für Reformierreaktionen und für die Wasserstoffabtrennung geeignet sind.

Bei dem betrachteten Herstellungsverfahren ist es zudem möglich, das erste poröse Trägermedium vor dem Vorgang (c) zu brennen, und einen Vorgang zu haben, durch den eine dünne Schicht aus dem Wasserstofftrennmetall in den Poren des porösen Trägermediums ausgebildet wird.

Dadurch ist es möglich, das Wasserstofftrennmetall in der Form einer dünnen Schicht im Inneren des porösen Trägermediums zu trägern und die Geschwindigkeit der Wasserstoffabtrennung weiter zu erhöhen.

Das fünfte Herstellungsverfahren für einen Wasserstofftrennverbund ist ein Herstellungsverfahren aufweisend:

einen Vorgang des Erzeugens einer Mischung aus feinen Teilchen, welche das poröse Trägermedium bilden, feinen Teilchen des Wasserstofftrennmetalls, feinen Teilchen des Katalysators und einem organischen Lösungsmittel,

einen Vorgang des unsymmetrischen Ausbildens der Verteilung eines jeden der feinen Teilchen innerhalb der Mischung unter Verwendung zentrifugaler Abtrennung und

einen Vorgang des Formens und Brennens der Mischung.

Bei dem betrachteten Herstellungsverfahren ist es zudem möglich, wenigstens zwei Arten feiner Teilchen mit unterschiedlichen spezifischen Gewichten für die feinen Teilchen einzuschließen, welche das poröse Trägermedium bilden.

Bei dem betrachteten Herstellungsverfahren ist es möglich, gleichzeitig die Schicht, welche den Katalysator trägert, und die Schicht, welche das Wasserstofftrennmetall trägert, durch einen Vorgang auszubilden, was es möglich macht, den Herstellungsvorgang zu vereinfachen. Zudem ist es durch Einschluss von zwei unterschiedlichen Arten feiner Teilchen mit unterschiedlichen spezifischen Gewichten für das poröse Trägermedium möglich, die Zusammensetzung des porösen Trägermediums durch die Schicht, welche den Katalysator trägert, und die Schicht, welche das Wasserstofftrennmetall trägert, zu verändern. Darüber hinaus ist es durch Einstellen des spezifischen Gewichtes des organischen Lösungsmittels auf etwa das Gleiche wie jenes des Katalysators als Ergebnis davon, dass das organische Lösungsmittel sich der Schicht zuneigt, welche den Katalysator trägert, zudem möglich, die Porosität dieser Schicht zu erhöhen und den Durchmesser der Poren zu vergrößern. Wie es vorausgehend für das dritte Herstellungsverfahren erläutert wurde, ist es für das betrachtete Herstellungsverfahren bevorzugt, feine Teilchen des Wasserstofftrennmetalls und feine Teilchen des Katalysators jeweils im Voraus in den feinen Teilchen zu trägern, welche das poröse Trägermedium bilden. Dadurch ist es möglich, die vorausgehend bei dem dritten Herstellungsverfahren beschriebenen verschiedenen Wirkungen zu erzielen.

Das sechste Herstellungsverfahren für einen Wasserstofftrennverbund ist ein Herstellungsverfahren aufweisend:

einen Vorgang, bei dem das poröse Trägermedium mit einer Lösung imprägniert wird, welche eines von dem Wasserstofftrennmetall oder dem Katalysator enthält,

einen Vorgang, bei dem die in der Lösung enthaltenen Elemente nach Neigung der Verteilung der Lösung in der Dickenrichtung durch eine Umgebung, welche wenigstens eine der Bedingungen erfüllt, dass das poröse Trägermedium mit der Lösung mit einem Unterschied zwischen dem Flüssigkeitsdruck, welcher auf einer Oberfläche in der Dickenrichtung wirkt, und dem Flüssigkeitsdruck, welcher auf die andere Oberfläche wirkt, imprägniert wird, oder der Bedingung, dass eine Zentrifugalkraft in der Dickenrichtung wirkt, erfüllt, ausgefällt werden und

einen Vorgang des Ausfällens innerhalb der Poren nach dem Imprägnieren des porösen Trägermediums mit einer Lösung, welche das andere von dem Wasserstofftrennmetall und dem Katalysator enthält.

Die Bedingung, dass im Flüssigkeitsdruck ein Unterschied vorliegt, kann z. B. durch Einblasen von Luft auf eine Seite des porösen Trägermediums realisiert werden. Selbstverständlich muss der Luftdruck mit einer Stärke eingeblasen werden, die groß genug ist, um die Lösung in die Poren zu bewegen, und innerhalb eines Bereichs liegt, welcher auf ein Niveau unterdrückt ist, dass Luft nicht zu der anderen Seite des porösen Trägermediums geblasen wird. Es ist zu beachten, dass das eingeblasene Fluid nicht Luft sein muss, sodass es möglich ist, ein Inertgas einzusetzen, welches das Wasserstofftrennmetall oder den Katalysator nicht beeinflusst, sodass verschiedene Fluide eingesetzt werden können. Neben dem Verfahren des Einblasens von einer Seite ist es bezüglich eines Druckunterschieds im Fluid zudem möglich, den Druck auf der anderen Seite zu verringern.

Für den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung ist es zudem möglich, dass eine dünne Schicht mit einer Dicke von ungefähr 0,1 mm bis 5 mm ausgebildet ist, aber es ist bevorzugt, eine Form auszubilden, welche in der Dickenrichtung Vorsprünge bzw. Hügel aufweist. Wenn z. B. die zu trägernde Substanz, die feinen Teilchen des porösen Trägermediums und das organische Lösungsmittel vermengt und nach dem Formen zu einer Gestalt mit Hügeln gebrannt werden, ist es möglich, die betrachtete Gestalt auszubilden. Es ist zudem möglich, die zu tägernde Substanz zu trägern, indem ein Verfahren eingesetzt wird, wie etwa ein Verfahren, bei dem ein poröses Trägermedium imprägniert wird, welches vorausgehend mit einer hügelförmigen Gestalt ausgebildet wurde. Wenn diese Art von hügelförmiger Gestalt eingesetzt wird, ist es möglich, die Kontaktfläche des Rohmaterialgases und der Gasmischung pro Flächeneinheit für den Wasserstofftrennverbund zu vergrößern, sodass es möglich ist, die Brenngas erzeugende Vorrichtung kompakter auszugestalten.

Für den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung ist es unabhängig davon, ob dieser in einer hügelförmigen Gestalt gebildet ist, möglich, ein poröses Material mit einer Dicke, welche es möglich macht, die mechanische Festigkeit zu gewährleisten, auf wenigstens einer Seite in der Dickenrichtung anzubinden. In diesem Fall kann das poröse Material die gleiche oder eine unterschiedliche Zusammensetzung wie das poröse Trägermedium haben, welches den Wasserstofftrennverbund bildet. Zum Verbinden dieser Teile ist es möglich, verschiedene Verfahren einzusetzen, welche verschiedene Gase zu dem Wasserstofftrennverbund zuführen und eine Extraktion nicht behindern.

Als Nächstes werden wir die Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erläutern.

Eine Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche aus einem vorgegebenen Rohmaterial ein wasserstoffreiches Brenngas erzeugt, weist auf:

den Wasserstofftrennverbund vorliegenden Erfindung,

eine Zufuhreinheit, welche eine Gasmischung, die Wasserstoff enthält, welcher durch eine chemische Reaktion aus dem Rohmaterial erzeugt wurde, zu dem Wasserstofftrennverbund zuführt, und

eine Extraktionseinheit, welche Wasserstoff extrahiert, der von dem Wasserstofftrennverbund abgetrennt wird. Mit dem betrachteten Aufbau ist es möglich, in der Extraktionseinheit unter Einsatz des Wasserstofftrennverbundes Wasserstoff auf effiziente Weise abzutrennen und die Effizienz der Brenngaserzeugung zu vergrößern.

Bei den Wasserstofftrennverbünden der vorliegenden Erfindung, d. h. wenn ein Wasserstofftrennverbund eingesetzt wird, welcher mit einem Katalysator und einem Wasserstofftrennmetall in Metallform ausgerüstet ist, ist es bevorzugt, dass die Schicht, in welcher der Katalysator geträgert ist, auf der Zufuhrseite angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, den Erzeugungsvorgang auf effiziente Weise zu realisieren, welcher ein Vorgang des Reformierens des von der Zufuhrseite zugeführten Rohmaterialgases an der Schicht, in welcher der Katalysator geträgert ist, und dann des Abtrennens des Wasserstoffes an der Schicht ist, in welcher das Wasserstofftrennmetall geträgert ist.

Für die Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass sie einen Aufbau aufweist, bei dem der Strömungspfad, der die Gasmischung entlang der Zufuhroberfläche auf der Zufuhrseite zuführt, einen Querschnitt aufweist, der in der stromabwärtigen Richtung enger wird, und einen Aufbau aufweist, bei dem der Strömungspfad, der das Brenngas entlang der Extraktionsoberfläche auf der Seite der Extraktionsoberfläche transportiert, einen Querschnitt aufweist, der in der stromabwärtigen Richtung breiter wird.

Wenn sich die Querschnittsfläche des Strömungspfades nicht ändert, wird dann der Druck auf der Zufuhrseite in stromabwärtiger Richtung abnehmen und der Druck auf der Extraktionseite wird in stromabwärtiger Richtung um das Ausmaß zunehmen, mit welchem sich Wasserstoff von der Zufuhrseite zu der Extraktionsseite hin bewegt. Indessen ist der Fluiddruck umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Strömungspfades, sodass ein mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau ausgebildeter Strömungspfad die Wirkung, dass der Druck der Gasmischung in stromabwärtiger Richtung auf der Zufuhrseite zunimmt, und die Wirkung zeigt, dass der Druck des Brenngases auf der Extraktionsseite abnimmt. Im Ergebnis ist es möglich, den Druckabfall auf der Zufuhrseite und die Druckzunahme auf der Extraktionsseite auszugleichen. Daher kann durch Vorsehen eines Strömungspfades mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau eine Brenngas erzeugende Vorrichtung eine Schwankung im Unterschied zwischen dem Druck auf der Zufuhrseite und dem Druck auf der Extraktionsseite entlang des gesamten Bereiches des Wasserstofftrennverbundes unterdrücken, sodass dieser zum Konstruktionszeitpunkt der Querschnittsgestalt nahezu gleichmäßig ausgebildet werden kann. Typischerweise wird bei einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung das Volumen des erzeugten Brenngases eingeregelt, indem der Druck des Rohmaterialgases oder der Gasmischung geregelt wird, sodass, wenn ein ungefähr gleichmäßiger Druck entlang der gesamten Fläche des Wasserstofftrennverbundes erzielt wird, sich der Vorteil ergibt, dass die betrachtete Regelung einfach ist. Es ist zudem möglich, eine unsymmetrische Gewichtsverteilung, welche durch den Druckunterschied auf den Wasserstofftrennverbund übertragen wird, zu unterdrücken, was den Vorteil ergibt, dass eine Verformung und eine Beschädigung des Verbundes leicht verhindert werden können.

Zudem ist es für die Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bevorzugt, eine Trägergas zuführende Einheit aufzuweisen, welche das Trägergas, welches den Wasserstoff trägt, zu der Extraktionseinheit transportiert, und das Trägergas in einer Richtung entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Gasmischung in der Zufuhreinheit strömen zu lassen.

Zusammen mit der Extraktion von Wasserstoff nimmt der Druck des Wasserstoffes der Zufuhreinheit in stromabwärtiger Richtung ab. Im Gegensatz dazu nimmt der Wasserstoffdruck der Extraktionseinheit in stromabwärtiger Richtung zu. Wenn sich die Strömungsrichtungen von diesen einander gegenüberstehen, stehen sich die Positionen, an denen der Wasserstoffpartialdruck gering ist, und die Positionen, an denen er hoch ist, einander gegenüber, wobei der Wasserstofftrennverbund sandwichartig eingeschlossen wird. Selbst an der stromabwärtigen Seite der Zufuhreinheit, wo der Wasserstoffpartialdruck niedrig ist, ist es daher möglich, einen höheren Wasserstoffpartialdruck als in der Extraktionseinheit beizubehalten, sodass es möglich ist, über die gesamte Fläche des Wasserstofftrennverbundes eine Wasserstoffabtrennung vorzunehmen. Im Ergebnis ist es möglich, die Effizienz der Wasserstoffabtrennung zu verbessern und die Brenngas erzeugende Vorrichtung kleiner auszugestalten.

Wenn zudem eine chemische Reaktion durchgeführt wird, um auf der Zufuhrseite zum gleichen Zeitpunkt Wasserstoff zu erzeugen, gibt es zudem die folgende Wirkung. In diesem Fall wird aufgrund der Erzeugung einer Gasmischung durch die chemische Reaktion der Wasserstoffpartialdruck auf der Zufuhrseite in stromabwärtiger Richtung größer. Wenn ein Trägergas zu der Extraktionsseite strömt, sodass es der Strömungsrichtung des Rohmaterialgases entlang der Zufuhrseite gegenübersteht, stehen daher dann der Abwärtsstrom der Zufuhrseite und der Aufwärtsstrom der Extraktionsseite einander gegenüber, wobei der Wasserstofftrennverbund sandwichartig eingeschlossen wird. Als Ergebnis davon gibt es im betrachteten Bereich einen großen Unterschied im Wasserstoffpartialdruck. Im Allgemeinen ist die Geschwindigkeit der Wasserstoffweiterleitung für einen Wasserstofftrennverbund proportional zu dem Wasserstoffpartialdruck der gegenüberliegenden Oberfläche, sodass die Wasserstoffweiterleitung in diesem Bereich auf extrem wirksame Weise erfolgt.

Wenn auf diese Weise Gas zu der Zufuhrseite und der Extraktionsseite strömt, kann eine Vielzahl von Gasen der Extraktionsseite ausgewählt werden, und als ein Beispiel kann für die Zufuhreinheit als Mechanismus (Mittel) zum Vermengen von Rohmaterialgas und Dampf und zum Erzeugen der Gasmischung für das Trägergas Dampf eingesetzt werden.

Es ist zudem möglich, das zu der chemischen Reaktionseinheit zuzuführende Rohmaterialgas direkt für das Trägergas einzusetzen. Das Rohmaterialgas ist ein vorgegebenes Gas, welches Wasserstoffatome enthält, und es gibt kein Risiko einer Vergiftung der Elektrode der Brennstoffzelle, selbst wenn dieses mit dem Brenngas vermengt wird, sodass dieses für das Trägergas eingesetzt werden kann. Im Falle der Verwendung von Dampf gibt es den Vorteil, dass das Rohmaterialgas, welches von der Extraktionsseite zu der Zufuhrseite weitergeleitet wird, für eine Reformierreaktion eingesetzt werden kann. Wenn Dampf eingesetzt wird, ist zudem eine beträchtliche Wärmemenge erforderlich, um für das Trägergas Dampf zu erzeugen, aber wenn Rohmaterialgas eingesetzt wird, ist die betrachtete Wärmeenergie nicht notwendig, sodass sich im Vergleich zur Verwendung von Dampf der Vorteil einer größeren Energieeffizienz ergibt.

Für die Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit der Zufuhreinheit und der Extraktionseinheit ist es bevorzugt, den Druck so einzustellen, dass der Wasserstoffpartialdruck der Zufuhreinheit höher liegt als der Wasserstoffpartialdruck der Extraktionseinheit, und so, dass der Gesamtdruck der Zufuhroberfläche niedriger liegt als der Gesamtdruck der Extraktionsoberfläche.

Indem der Gesamtdruck der Zufuhroberfläche niedriger als der Gesamtdruck der Extraktionsfläche eingestellt wird, ist es, selbst wenn in dem Wasserstofftrennverbund Nadellöcher vorliegen, möglich, ein Austreten von Rohmaterialgas oder Gasmischung von der Zufuhrseite zu der Extraktionsseite zu verhindern. Der Unterschied im Gesamtdruck wird unter der Bedingung eingestellt, dass der Wasserstoffpartialdruck der Zufuhrseite höher liegt als der Wasserstoffpartialdruck der Extraktionsseite, sodass wie in normalen Fällen eine Weiterleitung des Wasserstoffs im Wasserstofftrennverbund erzielt wird. Der betrachtete Druckunterschied kann erzielt werden, indem ein Gas mit hohem Druck zu der Wasserstoffextraktionsseite zugeführt wird, welches keinen Wasserstoff enthält. Die betrachtete Druckeinstellung ist wirksam, wenn sie nicht nur für eine Brenngas erzeugende Vorrichtung, welche den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung einsetzt, sondern zudem für eine eingesetzt wird, welche einen Wasserstofftrennverbund des Stands der Technik einsetzt.

Die vorstehend beschriebenen Nadellöcher schließen sowohl Nadellöcher, welche als eine Art Fehler beim Herstellungsvorgang des Wasserstofftrennverbunds auftreten, als auch Lücken ein, welche vorausgehend auf der Grundlage des Aufbaus des Wasserstofftrennverbundes geplant sind. Z. B. schließt dies wie vorstehend beschrieben für den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung nicht nur Aspekte, bei denen die Poren durch Wasserstofftrennmetall luftdicht versiegelt sind, sondern zudem Ausführungsformen ein, bei denen Wasserstofftrennmetall geträgert ist, während solch eine Lücke beibehalten wird, dass Luft hindurch dringen kann. Die betrachtete Lücke ist auch in die vorstehend beschriebenen Nadellöcher eingeschlossen. Bei dem vorstehend angegebenen Aufbau ist es, wenn der Gesamtdruck auf der Extraktionsseite hoch eingestellt wird, selbst wenn ein Wasserstofftrennmetall so geträgert ist, dass im Voraus auf diese Weise eine Lücke beibehalten wird, dann möglich, Wasserstoff abzutrennen, während Gaslecks verhindert werden.

Es ist anzumerken, dass wenn ein Brenngas, welches mit Dampf als Trägergas erzeugt wurde, zu einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle zugeführt wird, es bevorzugt ist, dieses über einen Entfeuchter zuzuführen, welcher den Partialdruck des Dampfes im Brenngas auf einen vorgegebenen Wert oder darunter verringert. Ein Beispiel für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle vom Typ mit einer dünnen festen Polymerschicht.

Bei einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle kondensiert, wenn ein Brenngas zugeführt wird, welches eine große Menge an Dampf enthält, Wasser innerhalb der Anodenelektrode, und es ist möglich, dass die Effizienz der Elektrizitätserzeugung verschlechtert wird. Wenn wie vorstehend beschrieben ein Entfeuchter zwischen der Brenngas erzeugenden Vorrichtung und der Brennstoffzelle vorgesehen ist und der Partialdruck des Dampfes verringert wird, können dann die betrachteten nachteiligen Wirkungen vermieden werden. Für den Entfeuchter ist es z. B. möglich, eine Vorrichtung einzusetzen, welche einen Wärmetauscher einsetzt und den Dampf im Brenngas als Kondenswasser zurückholt. Es ist anzumerken, dass wenn für die Niedertemperatur-Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle vom Typ mit dünner fester Polymerschicht eingesetzt wird, eine Befeuchtung der dünnen Elektrolytschicht erforderlich ist, sodass es bevorzugt ist, dass der Partialdruck des Dampfes auf ein Niveau verringert wird, welches ermöglicht, dass die für diese Befeuchtung erforderliche Feuchtigkeit im Entfeuchter beibehalten wird.

Wenn ein Brennstoffzellensystem ohne Entfeuchter hergestellt wird, ist es bevorzugt, für diese Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp einzusetzen. Eine Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp meint eine Brennstoffzelle, bei der die Betriebstemperatur 150°C oder mehr erreicht, und bekannte Beispiele für diese schließen Brennstoffzellen vom Phosphorsäuretyp und vom geschmolzenen Carbonattyp ein. Wenn diese Brennstoffzellen eingesetzt werden, tritt eine Kondensation des Dampfes in dem Brenngas nicht auf, sodass es nicht notwendig ist, einen Entfeuchter vorzusehen, was es möglich macht, den Aufbau der Vorrichtung zu vereinfachen.

Durch die Verwendung des Wasserstofftrennverbundes der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Vielzahl von Aufbauten für eine Brenngas erzeugende Vorrichtung zu erhalten, die Brenngas für eine Brennstoffzelle aus einem vorgegebenen Rohmaterial erzeugt.

Z. B. ist es möglich, eine chemische Reaktionseinheit einzuschließen, welche aus dem Rohmaterial eine Gasmischung erzeugt, welche Wasserstoff enthält, sowie einen Trägerströmungspfad, welcher den von der Gasmischung abgetrennten Wasserstoff trägt, indem man ein festgelegtes Trägergas strömen lässt, und für eines von der chemischen Reaktionseinheit und dem Trägerströmungspfad ein Strömungspfadrohr zu haben, welches in dem anderen ausgebildet ist, das den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung einsetzt.

Als einen ersten Aufbau kann das Strömungspfadrohr einen Aufbau aufweisen, bei dem eines von der chemischen Reaktionseinheit oder dem Trägerströmungspfad ein Rohr sein kann, welches durch den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, wobei dieses so ausgestaltet ist, dass es durch das Innere des anderen Elements hindurch dringt. Der Querschnitt des Rohrs muss nicht kreisförmig sein.

Dies ist ein vergleichsweise einfacher Aufbau, welcher den Vorteil hat, dass er leicht hergestellt und gewartet werden kann. Für den vorstehend erwähnten Aufbau gibt es zwei Aufbauten, wobei einer ein Aufbau ist, bei dem das Innere des Rohrs der Trägerströmungspfad ist, und der andere einer ist, bei dem dieses die chemische Reaktionseinheit ist. Bei dem ersteren Aufbau ist die chemische Reaktionseinheit, durch welche das Rohr hindurch tritt, aus einem ungefähr luftdichten Behälter gebildet, und dieser kann so ausgebildet sein, dass das Innere des Behälters mit einem Katalysator befüllt ist, welcher die chemische Reaktion befördert. Wenn in diesem Fall der Katalysator in Teilchenform eingefüllt ist, gibt es den Vorteil, dass das Rohmaterialgas verteilt werden kann, was es möglich macht, die Reaktion zu befördern. Zudem ist es bei dem ersteren Aufbau, wobei ein Katalysator geträgert ist, möglich, die chemische Reaktionseinheit als Monolithen aus porösem Material auszubilden, welcher mit einem Loch versehen ist, um das Rohr einzuführen, welches den Trägerströmungspfad bildet. Wenn der Katalysator in Teilchenform eingefüllt wird, gibt es das Risiko, dass bei der aus dem Wasserstofftrennverbund auf der Oberfläche des Rohrs ausgebildeten dünnen Trennschicht aufgrund eines Kontakts mit dem Katalysator eine Reibung auftritt, aber es gibt den Vorteil, dass die betrachteten nachteiligen Wirkungen vermieden werden können, wenn ein poröses Material eingesetzt wird, in welchem ein Katalysator geträgert ist. Es ist zu beachten, dass bei diesen Aufbauten zur Vergrößerung der Festigkeit der Strömungspfad für das Trägergas selber als poröser Monolith ausgebildet ist, und eine säulenförmige Komponente, auf deren Oberfläche eine dünne Wasserstofftrennschicht ausgebildet ist, kann für das Rohr eingesetzt werden. Die betrachtete Komponente zeigt zudem die gleichen Wirkungen wie das Rohr bezüglich des Ausbildens eines Strömungspfades für das Trägergas, sodass sie in einem breiten Sinne zu dem Rohr der vorliegenden Erfindung äquivalent ist.

Der letztere Aufbau, anders gesagt der Aufbau, welcher das Rohrinnere für die chemische Reaktionseinheit einsetzt, kann hergestellt werden, indem ein Katalysator innerhalb des Rohrs geträgert wird. Das Rohrinnere kann mit dem Katalysator in Teilchenform gefüllt sein. Es ist zudem möglich, das Rohr herzustellen, indem eine dünne Wasserstofftrennschicht um ein poröses Material herum ausgebildet wird, in welchem ein Katalysator geträgert ist. Bei einem Aufbau, bei dem der Katalysator in Teilchenform eingefüllt ist, gibt es den Vorteil, dass die Wartung der chemischen Reaktionseinheit einfach ist, indem der Katalysator ausgetauscht wird. Da zudem die auf der äußeren Oberfläche des Rohrs ausgebildete dünne Wasserstofftrennschicht nicht mit dem eingefüllten Katalysator in Kontakt steht, gibt es den Vorteil, dass die dünne Wasserstofftrennschicht geschützt werden kann. Bei einem Aufbau, welcher ein poröses Material einsetzt, in dem ein Katalysator geträgert ist, gibt es den Vorteil, dass die Katalysatorverteilung gleichmäßig gehalten werden kann, den Vorteil, dass die Herstellung der Brenngas erzeugenden Vorrichtung einfach ist, und den Vorteil, dass die Festigkeit des Rohrs gewährleistet werden kann.

Bei der Brenngas erzeugenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann das Rohr zudem ein gerades Rohr sein, aber es kann zudem solch eine Gestalt aufweisen, dass es im Inneren der anderen Komponente, durch welche das Rohr hindurch tritt, einen gekrümmten Abschnitt aufweist. Ein gekrümmter Abschnitt meint einen Abschnitt, in welchem sich die Richtung des Gasstromes verändert. Es ist nicht absolut notwendig, dass sich das Rohr selber krümmt. Indem ein gekrümmter Abschnitt vorliegt, ist es möglich, das Rohr auf effiziente Weise in der anderen Komponente zu verlegen, und es ist möglich, das Volumen des weitergeleiteten Wasserstoffs zu vergrößern. Ein gekrümmter Abschnitt hat zudem einigen Freiraum bezüglich der Wärmeverteilung, sodass sich zudem der Vorteil ergibt, dass die Wirkungen von Wärme während des Betriebes vermieden werden können. Wenn ein Rohr eingesetzt wird, das auf diese Weise einen gekrümmten Abschnitt aufweist, ist es bevorzugt, einen Verbund einzusetzen, welcher für das poröse Trägermedium ein poröses Metallmaterial aufweist. Metall ist duktil, sodass es möglich ist, eine Schädigung des Wasserstofftrennverbundes aufgrund von Schwingung etc. zu unterdrücken.

Wenn in dem Rohr ein gekrümmter Abschnitt vorgesehen ist, ist es möglich, die Wartungsfähigkeit zu verbessern, indem ein Mechanismus vorgesehen wird, welcher ermöglicht, dass der gekrümmte Teil entfernt wird. Dieser Aufbau ist insbesondere wirksam, wenn das Innere des Rohrs als chemische Reaktionseinheit eingesetzt wird, und indem man es möglich macht, den gekrümmten Teil zu entfernen, ergibt sich der Vorteil, dass es einfach ist, den Katalysator zu ersetzen, welcher in das Rohr eingefüllt oder in diesem geträgert ist. Die Wartungsfähigkeit wird noch weiter verbessert, wenn es zwei Positionen gibt, eine stromaufwärtig und eine stromabwärtig des gekrümmten Teils, an denen er entfernt werden kann.

Für die Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das Rohr ein doppeltes Rohr ist, bei dem ein inneres Rohr, dessen beiden Enden offen sind, in ein äußeres Rohr eingesetzt ist, von dem ein Ende offen ist. Gas wird von dem inneren Rohr eingeführt, wird an dem geschlossenen Ende des äußeren Rohrs umgekehrt und wird an der Öffnung des äußeren Rohrs ausgestoßen. Es ist zudem möglich, eine Strömung einzusetzen, welche dieser entgegengesetzt ist. Für die Verwendung des betrachteten Aufbaus ist es möglich, einem Wärmeverzug sowohl des äußeren Rohrs als auch des inneren Rohrs Freiraum zu geben, was den Vorteil ergibt, dass die Wirkungen der Wärme leicht unterdrückt werden können.

Wenn das vorstehend erwähnte doppelte Rohr verwendet wird, ist es zudem möglich, die mit einem Katalysator für Reformierreaktionen versehene chemische Reaktionseinheit im inneren Rohr und einen Katalysator für Reaktionen zur Verringerung von Kohlenmonoxid in dem äußeren Rohr vorzusehen. Wenn dies erfolgt, können dann zwei Arten von chemischen Reaktionseinheiten als eine Einheit ausgestaltet werden, was es möglich macht, die Vorrichtung kompakter auszugestalten. Beispiele für Reaktionen zur Verringerung von Kohlenmonoxid schließen eine Verschiebungsreaktion und eine Reaktion ein, welche auf selektive Weise Kohlenmonoxid oxidiert. Der Katalysator kann in Teilchenform eingefüllt sein oder kann in dem porösen Material geträgert sein.

Bei dem vorstehend angegebenen Aufbau ist es insbesondere bevorzugt, in dem äußeren Rohr eine Verschiebungsreaktion durchzuführen. Im Allgemeinen ist die Reaktionstemperatur von Reformierreaktionen sehr hoch, und die Reaktionstemperatur von Verschiebungsreaktionen liegt geringfügig niedriger als jene. Die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle liegt niedriger als die Reaktionstemperatur einer Verschiebungsreaktion. Wenn in dem äußeren Rohr eine Verschiebungsreaktion vorzunehmen ist, ist es dann möglich, dass sich die Temperatur des abgetrennten Wasserstoffs der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle annähert, während die Reaktionstemperatur der Reformierreaktion und der Verschiebungsreaktion beibehalten wird.

Bei der Brenngas erzeugenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, im Inneren des anderen Rohrs, durch welches dieses Rohr hindurch tritt, einen Unterdrückungsmechanismus vorzusehen, welcher die Geschwindigkeitskomponente in der gleichen Richtung wie der Strömungsrichtung im Inneren des Rohrs für die Strömung des Inneren unterdrückt. Z. B. ist es bevorzugt, i einen Mechanismus vorzusehen, welcher einen Strom senkrecht zu dem Rohr erzielt, oder einen Mechanismus, welcher einen Strom erzielt, der dem Strom in dem Rohr entgegensteht. Eine Trennung oder Ebene etc. kann für den Unterdrückungsmechanismus verwendet werden. Durch Verwendung des betrachteten Aufbaus ist es möglich, den Unterschied im Wasserstoffpartialdruck der dünnen Wasserstofftrennschicht auszudehnen und die Geschwindigkeit der Wasserstoffabtrennung zu vergrößern.

Für die Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, einen Rührmechanismus vorzusehen, welcher das Gas im Inneren des anderen Elements rührt, durch welches das Rohr hindurch tritt. Wenn das Gas gerührt wird, ist es möglich, die Effizienz der Wasserstoffabtrennung zu vergrößern. Wir werden ein Beispiel für einen Fall erläutern, wenn ein Trägergas im Inneren eines Rohrs strömt. Eine Reformierreaktion oder dergleichen wird in der chemischen Reaktionseinheit durchgeführt, welche das andere Element bildet, und eine Gasmischung, welche Wasserstoff enthält, wird erzeugt. Wenn kein solcher Rührmechanismus vorliegt, wird Wasserstoff aus der Gasmischung in das Rohr extrahiert, sodass die Wasserstoffverteilung innerhalb der chemischen Reaktionseinheit nahe des Rohrs abnimmt und somit die Effizienz der Wasserstoffabtrennung abnimmt. Im Gegensatz dazu ist es, wenn die Gasmischung der chemischen Reaktionseinheit durch einen Rührmechanismus gerührt wird, möglich, eine extreme Verringerung der Wasserstoffverteilung nahe des Rohrs selbst nach dem Extrahieren von Wasserstoff in das Rohr zu vermeiden, sodass es möglich ist, eine Verschlechterung der Effizienz der Wasserstoffabtrennung zu unterdrücken. Das gleiche gilt, wenn das Innere des Rohrs für die chemische Reaktionseinheit eingesetzt wird. In diesem Fall ist es möglich, eine Zunahme des Wasserstoffpartialdrucks auf der Extraktionsseite durch die Extraktion des Wasserstoffs zu vermeiden und die Effizienz der Wasserstoffabtrennung zu verbessern.

Für den ersten Aufbau ist es, wenn ein Rohr mit zwei offenen Enden verwendet wird, bevorzugt, an beiden Enden des Rohrs einen Isolationsmechanismus, welcher die Gasmischung und das Trägergas isoliert, und an wenigstens einem Ende einen Unterdrückungsmechanismus vorzusehen, welcher eine thermische Spannung des Rohrs unterdrückt. Durch Unterdrücken der thermischen Spannung, welche in dem Rohr durch Hitze während des Betriebes erzeugt wird, ist es möglich, solche Folgen wie etwa eine Schädigung des Rohrs zu vermeiden. Ein Teil des durch den Wasserstofftrennverbund gebildeten Rohrs kann einen Aufbau aufweisen, welcher als Unterdrückungsmechanismus arbeitet, oder das getrennt an das Rohr angebrachte Material kann einen Aufbau haben, welcher als Unterdrückungsmechanismus arbeitet.

Wenn z. B. ein Rohr so getragen wird, dass ein Ende ein freies Ende ist, welches durch den Isolationsmechanismus hindurch tritt, dann arbeitet das freie Ende als der Unterdrückungsmechanismus. Das freie Ende tritt durch den Isolationsmechanismus hindurch, sodass es, selbst wenn die Position des freien Endes aufgrund des Vorliegens eines Wärmeverzuges schwankt, möglich ist, ein Austreten von Gasmischung und Trägergas zu vermeiden. Für den Isolationsmechanismus kann z. B. eine Dichtung verwendet werden, welche um das Rohr herum abdichtet. Es ist zudem möglich, eine Hochdruckgasschicht einzusetzen, welche Inertgas mit einem höheren Druck als dem der Gasmischung und des Trägergases zwischen die zwei zuführt. Bei der letzteren Ausführungsform ist es möglich, auf verlässlichere Weise zu verhindern, dass Gasmischung und Trägergas austreten, indem der Druck des Inertgases ausgenutzt wird. Für das Inertgas kann Dampf eingesetzt werden.

Für den Unterdrückungsmechanismus kann als ein weiterer Aufbau ein Expansionsmechanismus eingesetzt werden, welche die Wärmeversetzung absorbiert, sodass die gesamte Länge einschließlich des Rohrs und des Unterdrückungsmechanismus ungefähr konstant bleibt. Wenn dies erfolgt, ist es, selbst wenn beide Enden des Rohrs an dem Isolationsmechanismus befestigt sind, möglich, eine Wärmespannung zu unterdrücken. Für den betrachteten Aufbau kann z. B. ein Aufbau eingesetzt werden, welcher einen Faltenbalg mit einem Ende des Rohres verbindet. Ein Gleitrohr kann ebenfalls eingesetzt werden. Anders gesagt besteht das Rohr aus einer Kombination aus einem äußeren Rohr und einem inneren Rohr, wobei ein Ende des äußeren Rohrs an einem Isolationsmechanismus befestigt ist und das andere Ende ein freies Ende ist, und wobei das innere Rohr ein Ende aufweist, welches mit dem anderen Isolationsmechanismus verbunden ist, und wobei das andere Ende das freie Ende ist, wobei der Aufbau so ist, dass das freie Ende des inneren Rohrs in das freie Ende des äußeren Rohrs eingeführt ist. Indem die freien Enden des äußeren Rohrs und des inneren Rohrs gleiten, ist es möglich, eine Wärmespannung zu unterdrücken. Es ist bevorzugt, den Spalt zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr abzudichten.

Im rohrförmigen Strömungspfad ist es neben der Verwendung eines unter Einsatz eines Wasserstofftrennverbundes ausgebildeten Rohrs als zweiter Aufbau möglich, einen Aufbau einzusetzen, bei dem ein Monolith bestehend aus einem porösen Material, in welchem Durchlöcher ausgebildet sind, eine Wasserstofftrennschicht, für welche ein Wasserstofftrennmetall geträgert ist, die in dem porösen Material um die Durchlöcher herum ausgebildet ist, eine Katalysatoreinheit, in welcher der Katalysator geträgert ist, der für die chemische Reaktion verwendet wird, und die in den Bereichen mit der Ausnahme der Wasserstofftrennschicht in dem porösen Material ausgebildet ist, und ein katalytisches Trägerteil die chemische Reaktionseinheit bilden, während die Wasserstofftrennschicht und die Durchlöcher den Trägerströmungspfad bilden.

Für den Monolithen aus porösem Material wird ein festes poröses Material oder ein Block mit einer geeigneten Größe eingesetzt, der als Wasserstoff erzeugende Einheit eingesetzt werden kann. Die Erzeugung einer dünnen Trennschicht auf der Oberfläche eines Monolithen aus porösem Material kann vergleichsweise einfach erzielt werden, indem verschiedene Verfahren wie etwa ein Imprägnieren des Trägers, eine physikalische Abscheidung oder eine chemische Abscheidung eingesetzt werden. Es ist möglich, eine Einheit unter Einsatz eines Einzelteiloberflächenverfahrens auszubilden, sodass es den Vorteil gibt, dass die Herstellung vergleichsweise einfach ist. Bei der Verwendung des Monolithen ergibt sich durch Ausbilden einer dünnen Wasserstofftrennschicht auf der Oberfläche der Vorteil, dass es möglich ist, die Festigkeit der Einheit zu gewährleisten. Für die dünne Wasserstofftrennschicht ist es möglich, eine dünne Schicht wie etwa aus Palladium einzusetzen, welche im Stand der Technik verwendet wurde, aber es ist bevorzugt, den Wasserstofftrennverbund der vorliegenden Erfindung einzusetzen.

Für die Brenngas erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die einen Rohmaterial zuführenden Mechanismus, welcher ein Rohmaterialgas zuführt, für das das Rohmaterial in der chemischen Reaktionseinheit verdampft worden ist, und einen Trägergas zuführenden Mechanismus aufweist, welcher das Trägergas zu dem Trägerströmungspfad zuführt, ist es bevorzugt, dass bei wenigstens einem von dem Rohmaterial zuführenden Mechanismus und dem Trägergas zuführenden Mechanismus ein das Strömungsvolumen mittelnder Mechanismus vorgesehen ist, welcher eine Neigung der Verteilung des Strömungsvolumens zu der chemischen Reaktionseinheit oder zu dem Trägerströmungspfad hin unterdrückt. Für die Rohmaterialien und das Trägergas ist es durch gleichmäßiges Zuführen von Rohmaterialgas und Trägergas möglich, die Effizienz der Wasserstofferzeugung und der Wasserstoffabtrennung zu verbessern. Eine Ungleichmäßigkeit bzw. Neigung in der Verteilung des Strömungsvolumens tritt leichter auf, wenn der Querschnittsbereich des Einlasses der chemischen Reaktionseinheit und des Trägerströmungspfades breiter ist als der Querschnittsbereich der Rohre, welche das Rohmaterialgas und das Trägergas zuführen. Nahe der Vorderseite des Rohrauslasses ist die Verteilung des Strömungsvolumens üblicherweise groß, und die Verteilung des Strömungsvolumens nimmt ab, wenn der Abstand von dem Auslass zunimmt.

Als ein das Strömungsvolumen mittelnder Mechanismus ist es z. B. möglich, einen Mechanismus einzusetzen, der den zugeführten Teil des Gases zu der chemischen Reaktionseinheit und dem Trägerströmungspfad verteilt. Als ein Beispiel ist es möglich, einen Aufbau einzusetzen, bei dem eine mit vielzähligen Öffnungen versehene Drosselplatte nahe dem Auslass des Rohrs angeordnet ist. Es ist möglich, dies noch gleichmäßiger auszubilden, indem der Öffnungsdurchmesser nahe der Vorderseite des Auslasses kleiner und mit zunehmendem Abstand von der Vorderseite größer eingestellt wird.

Es ist zudem möglich, einen Mechanismus einzusetzen, welcher den dynamischen Druck des zugeführten Gases verteilt. Z. B. ist es möglich, einen Aufbau einzusetzen, welcher mit einer ablenkenden Platte versehen ist, welche die Strömung zu der Vorderseite des Rohrauslasses ablenkt. Es ist möglich, durch die Wirkung der Ablenkplatte zu vermeiden, dass der dynamische Druck des Gasmittelpunkts auf der Vorderseite des Auslasses vorliegt. Unter dem Gesichtspunkt der Verteilung des dynamischen Drucks ist es wirksam, eine ablenkende Platte in einer Richtung vorzusehen, welche den Strom um 90° ablenkt. Es ist zudem möglich, mehrzählige Ablenkplatten einzusetzen, anstatt nur eine zu verwenden. Es ist zudem möglich, den Rohrauslass so vorzusehen, dass das Gas ungefähr parallel zu dem Einlass der chemischen Reaktionseinheit und dem Trägerströmungspfad zugeführt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die 1 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems als ein Bezugsbeispiel zeigt.

Die 2 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den inneren Aufbau einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 zeigt.

Die 3 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 12 als ein Bezugsbeispiel.

Die 4 ist ein Verfahrensdiagramm, welches das Herstellungsverfahren für ein Herstellungsverfahren A des Wasserstofftrennverbundes 12 zeigt.

Die 5 ist ein Verfahrensdiagramm, welches das Herstellungsverfahren für ein Herstellungsverfahren B des Wasserstofftrennverbundes 12 zeigt.

Die 6 ist ein Verfahrensdiagramm, welches den Herstellungsvorgang für ein Herstellungsverfahren C des Wasserstofftrennverbundes 12 zeigt.

Die 7 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Strömungspfades einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 zeigt.

Die 8 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Wasserstoffpartialdruck auf der Seite der chemischen Reaktionseinheit und der Spülseite zeigt.

Die 9 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Bedingungen bezüglich des Drucks auf der Reformierseite und der Spülseite zeigt.

Die 10 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 12A eines ersten variierten Bezugsbeispiels.

Die 11 ist ein Verfahrensdiagramm, welches das Herstellungsverfahren des Wasserstofftrennverbundes 12A zeigt.

Die 12 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 12B als ein zweites variiertes Bezugsbeispiel.

Die 13 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes als ein drittes variiertes Bezugsbeispiel.

Die 14 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Strömungspfad des Spülgases als ein erstes variiertes Bezugsbeispiel zeigt.

Die 15 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Strömungspfad des Spülgases als ein zweites variiertes Bezugsbeispiel zeigt.

Die 16 ist ein erläuterndes Diagramm, welches das Brennstoffzellensystem als ein variiertes Bezugsbeispiel zeigt.

Die 17 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems als ein Arbeitsbeispiel zeigt.

Die 18 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den schematischen Aufbau der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10A zeigt.

Die 19 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 22.

Die 20 ist ein Verfahrensdiagramm eines Herstellungsverfahrens D des Wasserstofftrennverbundes 22.

Die 21 ist ein Verfahrensdiagramm eines Herstellungsverfahrens E des Wasserstofftrennverbundes 22.

Die 22 ist ein Verfahrensdiagramm eines Herstellungsverfahrens F des Wasserstofftrennverbundes 22.

Die 23 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Kategorien der Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismen zeigt.

Die 24 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 100 als Struktur 1 zeigt.

Die 25 ist ein erläuterndes Diagramm, das den Aufbau des Trennrohrs 110 zeigt.

Die 26 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 150 als Struktur 2 zeigt.

Die 27 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Trennrohrs 160 zeigt.

Die 28 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 200 als Struktur 3 zeigt.

Die 29 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 250 als Struktur 4 zeigt.

Die 30 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 300 als Struktur 5 zeigt.

Die 31 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 350 als Struktur 6 zeigt.

Die 32 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 400 als Struktur 7 zeigt.

Die 33 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 450 als Struktur 8 zeigt.

Die 34 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 500 als Struktur 9 zeigt.

Die 35 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 550 als Struktur 10 zeigt.

Die 36 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 600 als Struktur 11 zeigt.

Die 37 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des erzeugenden und trennenden Rohrs 610 zeigt.

Die 38 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 650 als Struktur 12 zeigt.

Die 39 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 700 als Struktur 13 zeigt.

Die 40 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 750 als Struktur 14 zeigt.

Die 41 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Wirkung des Rührens unter Verwendung eines Ventilators 755 zeigt.

Die 42 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 800 als Struktur 15 zeigt.

Die 43 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 900 als Struktur 16 zeigt.

Die 44 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 900A als Struktur 17 zeigt.

Die 45 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 900B als Struktur 18 zeigt.

46 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus als Struktur 19 zeigt.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Wir werden Arbeitsausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutern, welche in die folgenden Abschnitte eingeteilt sind.

  • A. Aufbau eines Brennstoffzellensystems
  • B. Aufbau und Herstellungsverfahren eines Verbunds für die Wasserstoffabtrennung
  • C. Aufbau des Strömungspfades einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung
  • D. Variiertes Beispiel für einen Wasserstofftrennverbund
  • E. Variiertes Beispiel eines Gasströmungspfades [Sic]
  • F. Variiertes Beispiel eines Brennstoffzellensystems
  • G. Zweites Arbeitsbeispiel
  • H. Beispiele für den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus

A. Aufbau eines Brennstoffzellensystems (Bezugsbeispiel)

Die 1 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems als ein Arbeitsbeispiel zeigt. Das Brennstoffzellensystem ist mit den Hauptelementen einer Brennstoffzelle 4, welche eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion unter Einsatz von Wasserstoff und Sauerstoff liefert, und einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 aufgebaut, welche aus einem Rohmaterialgas das Brenngas erzeugt, welches zu der Brennstoffzelle 4 zugeführt wird.

Die Brennstoffzelle 4 ist eine Brennstoffzelle vom Typ mit einer dünnen festen Polymerschicht und besteht aus zahlreichen Zellschichten, welche eine dünne elektrolytische Schicht, eine Katode, eine Anode und einen Separator aufweisen. Die dünne elektrolytische Schicht ist eine dünne protonenleitfähige und ionentauschende Schicht, welche aus einem festen Polymermaterial wie etwa einem Fluorkohlenstoffharz besteht. Die Kathode und die Anode werden beide durch ein Kohlenstoffgewebe gebildet, welches aus Kohlefasern gewoben ist. Der Separator besteht aus einem leitfähigen Material, welches für Gas undurchlässig ist, wie etwa aus dichtem Kohlenstoff, für den der Kohlenstoff verdichtet wird und welcher für Gas undurchlässig ist. Ein Strömungspfad für Brenngas und für Oxidationsgas ist zwischen der Kathode und der Anode ausgebildet. Für das Oxidationsgas wird verdichtete Luft eingesetzt, und Brenngas wird unter Verwendung des nachstehend gezeigten Vorrichtungsaufbaus aus Rohmaterialien erzeugt, welche in einem Brennstofftank 1 gelagert sind.

Bei diesem Arbeitsbeispiel wurde Erdgas für das Rohmaterial eingesetzt. Rohmaterialgas wird zusammen mit Wasser und Luft zu der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 zugeführt. Die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10 zersetzt unter Einsatz der folgenden Reaktionen zunächst das Erdgas und erzeugt eine Gasmischung, welche Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält. CH4 + H2O -> CO + 3H2; CH4 + 2H2O -> CO2 + 3H2;

Indem eine auf diese Weise erzeugte Gasmischung durch einen Wasserstofftrennverbund geführt wird, welcher im Inneren der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 vorgesehen ist, wird der Wasserstoff, welcher das Brenngas ist, abgetrennt. Hierbei wird in diesem Arbeitsbeispiel Dampf, welcher durch Verdampfung des Wassers in der Verdampfereinheit 2 erhalten wird, als Spülgas eingesetzt, welches die Aufgabe hat, nur Wasserstoff auf stabile Weise zu extrahieren und diesen dann zu tragen. Es ist anzumerken, dass die Wärmequelle, um an der Verdampfereinheit 2 Dampf zu erhalten, erhalten wird, indem in dem Rest der Gasmischung enthaltener Wasserstoff und Kohlenmonoxid verbrannt werden.

Durch den betrachteten Vorgang wird von der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 ein Gas ausgestoßen, welches Dampf als Spülgas und Wasserstoff als Verbrennungsgas enthält. Es ist akzeptabel, dieses Gas direkt zu der Brennstoffzelle 4 zuzuführen, aber in diesem Arbeitsbeispiel wird die Temperatur des Gases unter Einsatz des Wärmetauschers 3 verringert, der Dampf wird als Kondenswasser abgezogen und nach Verringerung der Feuchtigkeit wird es zur Brennstoffzelle 4 zugeführt. Der Grund ist, dass die Brennstoffzelle 4 vom Typ mit einer dünnen festen Polymerschicht beim Betrieb eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist, sodass wenn ein Gas zugeführt wird, welches ein großes Dampfvolumen enthält, an dem Anodenteil der Brennstoffzelle 4 Dampf kondensiert und das Risiko auftritt, dass ein stabiler Betrieb behindert wird. Durch Verringerung der Feuchtigkeit ist es möglich, die betrachtete Kondensation zu unterdrücken und einen stabilen Betrieb der Brennstoffzelle 4 zu erzielen. Es ist anzumerken, dass, obwohl wir eine Veranschaulichung weggelassen haben, der Betrieb eines jeden dieser Bauelemente durch eine Regelvorrichtung geregelt wird, welche eine CPU aufweist.

Die 2 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den inneren Aufbau einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 zeigt. Dies wird auf der Grundlage der Reaktion des Rohmaterialgases angegeben. Die Brenngas erzeugende Vorrichtung ist mit einer chemischen Reaktionseinheit 11 und einem Wasserstofftrennverbund 12 ausgestattet. Ein Katalysator, welcher eine Reformierreaktion befördert, ist gemäß dem Rohmaterialgas in der chemischen Reaktionseinheit 11 geträgert. Wenn für das Rohmaterialgas Erdgas eingesetzt wird, ist es möglich, für den Katalysator Rhodiumedelmetall einzusetzen, und wenn für das Rohmaterial Methanol verwendet wird, ist es bekannt, dass CuO-ZnO-Katalysatoren und Cu-ZnO-Katalysatoren etc. wirksam sind.

Wenn für das Rohmaterialgas Methan eingesetzt und Dampf zu der chemischen Reaktionseinheit 11 zugeführt wird, treten die vorausgehend erläuterten Reformierreaktionen auf, und es wird eine Gasmischung erzeugt, welche Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid enthält. Wenn eine auf diese Weise erzeugte Gasmischung zu dem Wasserstofftrennverbund 12 zugeführt wird, wird nur der Wasserstoff in der Gasmischung selektiv weitergeleitet. Dabei wird auf der Seite, auf welcher der Wasserstoff extrahiert wird, Dampf als Spülgas zugeführt. Auf diese Weise wird der Wasserstoff als ein Brenngas zusammen mit dem Spülgas aus der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 ausgestoßen.

B. Aufbau und Herstellungsverfahren eines Verbundes für die Wasserstoffabtrennung (Bezugsbeispiel)

Als Nächstes werden wir eine detaillierte Erläuterung eines Wasserstofftrennverbundes 12 geben, welcher in einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 vorgesehen ist. Die 3 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 12 als ein Arbeitsbeispiel. Dies entspricht dem Querschnitt A-A in der 2. Der Wasserstofftrennverbund 12 dieses Arbeitsbeispiels ist ein poröses Trägermedium mit einer Dicke von 0,1 mm bis 5 mm, in welchem ein Wasserstofftrennmetall geträgert ist. Wie es in der Figur gezeigt ist, weisen im Inneren des Wasserstofftrennverbundes 12 die keramischen feinen Teilchen 13, die das poröse Trägermedium bilden, Lücken von ungefähr einigen Hundert A auf, sodass Poren ausgebildet werden. Im Inneren dieser Poren sind feine Palladiumteilchen 14 geträgert, welche das Wasserstofftrennmetall bilden. Zu Veranschaulichungszwecken sind die feinen Palladiumteilchen 14 verstreut gezeigt, aber in der Wirklichkeit sind sie mit solch einer Dichte geträgert, dass sie das Innere der Poren des porösen Trägermediums ausfüllen. Allerdings sind nicht notwendigerweise alle Poren gefüllt. Wenn die von einer Seite zugeführte Gasmischung durch die Lücken der keramischen feinen Teilchen 13 hindurch tritt, ist es ausreichend, dass die feinen Palladiumteilchen 14 in solch einem Ausmaß geträgert sind, dass das Gas durch einige der mit den feinen Palladiumteilchen 14 gefüllten Poren wie erforderlich durchtreten. Einige Aspekte, die den verschiedenen hiernach erläuterten Ausführungsformen gemeinsam sind, sind, dass verschiedene Substanzen für das geträgerte Metall verwendet werden können, welche die Eigenschaft des selektiven Weiterleitens von Wasserstoff aufweisen, und es ist möglich, eine Palladium- und Silberlegierung oder eine Lanthan- und Nickellegierung, etc. einzusetzen. Es ist zudem möglich, für die feinen keramischen Teilchen Aluminiumoxid, Siliciumnitrid oder Siliciumoxid etc. einzusetzen.

Der Wasserstofftrennverbund 12 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels kann durch eines der folgenden drei Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die 4 ist ein Verfahrensdiagramm, welches den Herstellungsvorgang des Herstellungsverfahren A des Wasserstofftrennverbundes 12 zeigt. Das Herstellungsverfahren A ist ein Herstellungsverfahren, welches als so genanntes Verfahren mit Imprägnieren des Trägers bezeichnet wird. Wie es in der Figur gezeigt ist, wird bei diesem Herstellungsverfahren zuerst ein poröses Trägermedium hergestellt, welches für den Wasserstofftrennverbund verwendet wird (Schritt S10). Bei diesem zusätzlichen Bezugsbeispiel werden feine keramische Teilchen mit einem organischen Lösungsmittel vermengt, und der Formling wird gebrannt und geformt. Als Nächstes wird eine Palladiumnitratlösung zum Imprägnieren des erzeugten porösen Trägermediums hergestellt (Schritt S12). Da Palladium für das Wasserstofftrennmetall eingesetzt wird, wird bei diesem Arbeitsbeispiel eine wässrige Palladiumnitratlösung eingesetzt, aber die Art der Lösung kann geeignet gemäß der Art des Wasserstofftrennmetalls, welches geträgert wird, ausgewählt werden. Zudem muss bezüglich der Konzentration genug Palladium eingeschlossen sein, welches in ausreichender Weise in den Poren zu trägern ist, und dies wird gemäß der Aspekte wie etwa dem Volumen, der Porosität und dem Porendurchmesser des zu imprägnierenden porösen Trägermediums eingestellt.

Wenn das poröse Trägermedium mit einer auf diese Weise hergestellten wässrigen Lösung imprägniert (Schritt S14) und dann das poröse Trägermedium getrocknet wird, wird das vormals in der Lösung gelöste Palladium abgeschieden und innerhalb der Poren geträgert (Schritt S16). Es ist zudem möglich, zusammen damit einen Entgasungsvorgang durchzuführen, um die Poren mit ausreichend wässriger Lösung zu imprägnieren.

Die 5 ist ein Verfahrensdiagramm, welches den Herstellungsvorgang des Herstellungsverfahrens B des Wasserstofftrennverbundes 12 zeigt. Zuerst wird unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie im Herstellungsverfahren A ein poröses Trägermedium ausgebildet (Schritt S20). Als Nächstes werden Palladium und ein organisches Lösungsmittel zu einer Paste vermengt (Schritt S22). Das Palladium wird vorausgehend so fein ausgebildet, dass es möglich ist, dass es in den Poren des porösen Trägermediums geträgert wird. Das organische Lösungsmittel unterliegt keinen speziellen Beschränkungen, und eine Vielzahl von Harzen kann eingesetzt werden, aber wenn es mit Palladium vermengt wird, ist es bevorzugt, ein Material auszuwählen, welches eine Viskosität aufweist, die ein ausreichendes Eindringen in die Poren des porösen Trägermediums ermöglichen wird. Wenn ein auf diese Weise hergestelltes organischen Lösungsmittel auf die Oberfläche des porösen Trägermediums aufgebracht wird (Schritt S24), wird eine organische Lösungsmittelschicht auf der Oberfläche ausgebildet, und das organische Lösungsmittel füllt zudem das Innere der Poren. Ebenfalls ist es in diesem Fall, um das organische Lösungsmittel auf verlässlichere Weise einzufüllen, bevorzugt, von der mit dem organischen Lösungsmittel beschichteten Oberfläche her ein Gas einzublasen und von der Seite, welche der beschichteten gegenübersteht, eine Entgasung vorzunehmen. Nach ausreichendem Befüllen des Inneren der Poren mit einem organischen Lösungsmittel auf diese Weise wird, wenn das poröse Trägermedium gebrannt wird (Schritt S26), das organische Lösungsmittel ausgebrannt, sodass ein poröses Trägermedium ausgebildet wird, bei dem Palladium im Inneren der Poren geträgert ist.

Die 6 ist ein Verfahrensdiagramm, welches den Herstellungsvorgang für das Herstellungsverfahren C des Wasserstofftrennverbundes 12 zeigt. Mit dem Herstellungsverfahren A und dem Herstellungsverfahren B haben wir Beispiele angegeben, bei denen nach zunächst Ausbilden eines porösen Trägermediums ein Wasserstofftrennmetall geträgert wurde. Das Herstellungsverfahren C ist ein Verfahren, bei dem beide gleichzeitig hergestellt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren wird zuerst eine Substanzmischung aus keramischen feinen Teilchen, feinen Palladiumteilchen und einem organischen Lösungsmittel hergestellt (Schritt S30). Das organische lösungsmittel unterliegt keiner speziellen Beschränkung und jedes mit einer Viskosität, welche die spätere Erzeugung einfach machen wird, kann ausgewählt werden. Z. B. kann ein Polymer verwendet werden.

Als Nächstes wird diese Mischung geformt (Schritt S32) und gebrannt (Schritt S34). Das organische Lösungsmittel wird ausgebrannt, und es wird ein poröses Trägermedium ausgebildet, in welchem feine Palladiumteilchen in den Poren der Keramik geträgert sind. Das Herstellungsverfahren C ermöglicht die Vervollständigung der Erzeugung des porösen Trägermediums und die Trägerung des Palladiums mit dem gleichen Herstellungsvorgang, sodass es den Vorteil aufweist, dass es möglich ist, die Herstellungskosten des porösen Trägermediums zu verringern. Es ist zu beachten, dass es bei dem Herstellungsverfahren C vor dem Herstellen der Mischung im Schritt 30 möglich ist, einen Vorgang des Trägerns von feinen Palladiumteilchen in den feinen Keramikteilchen vorzusehen. Z. B. ist es möglich, die feinen Keramikteilchen in eine Palladiumlösung einzutauchen und diese zu trocknen, um die Teilchen zu trägern.

Bei dem Wasserstofftrennverbund 12 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels ist es durch Trägern des Palladiums im Inneren der Poren möglich, die Geschwindigkeit des bloßen Weiterleitens von Wasserstoff der Gasmischung zu vergrößern. Es ist bekannt, dass im Allgemeinen die Geschwindigkeit der Wasserstoffweiterleitung proportional zu dem Oberflächenbereich ist, mit welchem das Palladium mit der Gasmischung in Kontakt tritt, und umgekehrt proportional zu der Dicke der dünnen Schicht ist, und bei diesem Arbeitsbeispiel ist es, da es möglich ist, den Kontaktbereich für die Gasmischung und das Palladium durch Trägern des Palladiums im Inneren der Poren stark zu vergrößern, möglich, die Geschwindigkeit der Wasserstoffweiterleitung stark zu erhöhen. Zudem weist ein Wasserstofftrennverbund 12 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels den Vorteil auf, dass Nadellöcher nicht leicht auftreten, da Palladium im Inneren der Poren geträgert ist, sodass die dünne Schicht für den Wasserstofftrennverbund 12 dünner ausgebildet werden kann. Durch die betrachtete Wirkung ist es, wenn eine Brenngas erzeugende Vorrichtung unter Verwendung des Wasserstofftrennverbundes 12 dieses zusätzlichen Bezugsbeispieles hergestellt ist, möglich, die Vorrichtung kompakter auszubilden.

C. Aufbau des Strömungspfades einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung (Bezugsbeispiel)

Die 7 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Strömungspfades der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 zeigt. In der 2 haben wir den Aufbau der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 so gezeigt, dass die Gasreaktion als typisches Beispiel den Mittelpunkt bildet, aber in der Realität ist die chemische Reaktionseinheit 11 so vorgesehen, dass sie mit dem Wasserstofftrennverbund 12 in Kontakt steht. Wie es in der Figur gezeigt ist, wird, wenn ein Rohmaterialgas von einem Einlass einströmt und eine Reformierreaktion im Inneren der chemischen Reaktionseinheit 11 auftritt, sodass Wasserstoff erzeugt wird, auf der Spülseite durch den Wasserstofftrennverbund 12 Wasserstoff ausgestoßen.

Hier ist bei der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels ein Strömungspfad so ausgebildet, dass ein Spülgas in der Richtung strömt, welcher der Richtung entgegensteht, in der das Rohmaterialgas strömt. Wir werden den Grund dafür erläutern. Die 8 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Wasserstoffpartialdruck auf der Seite der chemischen Reaktionseinheit und auf der Spülseite zeigt. Für die horizontale Achse, die in 7 gezeigte Richtung, anders gesagt die Richtung, in welcher das Rohmaterialgas strömt, wird die x-Achse verwendet, und der Ursprung 0 bezeichnet den Einlassteil für das Rohmaterialgas, während der Punkt L den Auslassteil bezeichnet. Die 8 ist eine Figur, welche den Wasserstoffpartialdruck für jede Position auf der x-Achse zeigt. 8(a) zeigt den Wasserstoffpartialdruck, wenn der Gasstrom für die Seite der chemischen Reaktionseinheit und die Spülseite entgegengesetzt ist. Die 8(b) zeigt als Vergleichsbeispiel den Wasserstoffpartialdruck, wenn beide Gase in der gleichen Richtung strömen.

An der Seite der chemischen Reaktionseinheit geht die Reformierreaktion in stromabwärtiger Richtung voran, sodass der Wasserstoffprozentsatz zunimmt und der Wasserstoffpartialdruck zunimmt. Es ist bekannt, dass im Allgemeinen nahe des Einlasses für das Rohmaterialgas die Reformierreaktion schnell abläuft, wonach der Wasserstoff in der Gasmischung extrahiert und das chemische Gleichgewicht gebrochen wird, sodass sich in Reaktion darauf der Trend zeigt, dass die Reaktion allmählich fortschreitet. Im Gegensatz dazu nimmt auf der Spülseite in stromabwärtiger Richtung das Volumen des extrahierten Wasserstoffs zu, sodass der Wasserstoffpartialdruck allmählich zunimmt.

Wie es in 8(a) gezeigt ist, ist daher, wenn sich der Gasstrom auf der Seite der chemischen Reaktionseinheit dem auf der Spülseite entgegensteht, der Wasserstoffpartialdruck auf der Seite der chemischen Reaktionseinheit und der Spülseite auf der Auslassseite der Seite der chemischen Reaktionseinheit, anders gesagt, nahe des Punkts L der x-Achse, extrem groß. Wie es in 8(b) gezeigt ist, nimmt im Gegensatz dazu, wenn der Strom der beiden in der gleichen Richtung erfolgt, der Wasserstoffpartialdruck sowohl für die chemische Reaktionseinheit als auch die Spülseite in Richtung des Punktes L zu, sodass der Unterschied im Wasserstoffpartialdruck der beiden vergleichsweise klein bleibt. Es ist bekannt, dass im Allgemeinen die Geschwindigkeit, mit welcher Wasserstoff von dem Wasserstofftrennverbund 12 weitergeleitet wird, mit größer werdendem Unterschied im Wasserstoffpartialdruck schneller wird. Daher ist es mit der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels möglich, die Geschwindigkeit der Wasserstoffweiterleitung zu vergrößern, wenn sich der Gasstrom der Seite der chemischen Reaktionseinheit und jener der Spülseite einander gegenüber stehen. Dies bedeutet, dass es möglich ist, auf effiziente Weise Wasserstoff abzutrennen und in effizienter Weise Wasserstoffgas zu erzeugen, sodass, wenn der Strömungspfadaufbau dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels eingesetzt wird, es dann möglich ist, die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10 kompakter auszubilden.

Zudem ist bei der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels der Strömungspfad der chemischen Reaktionseinheit 11 so ausgestaltet, dass die Querschnittsfläche von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite enger wird. In der 7 haben wir ein Beispiel für einen Zustand mit einer linearen Veränderung in der Querschnittsfläche gezeigt, aber diese muss nicht notwendigerweise linear sein. Indessen ist der Strömungspfad der Spülseite so ausgestaltet, dass die Querschnittsfläche von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite breiter wird. Im Allgemeinen ist der Gasdruck umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Strömungspfades. Daher ist bei der Brenngas erzeugenden Vorrichtung dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels der Strömungspfad so ausgebildet, dass der Druck der chemischen Reaktionseinheit stromabwärtig zunimmt und der Druck der Spülseite stromabwärtig abnimmt. Indessen wird bei der chemischen Reaktionseinheit Wasserstoff extrahiert, je weiter er stromabwärts gelangt, sodass der Druck um diese Menge abnimmt. Auf der Spülseite nimmt der extrahierte Wasserstoff in stromabwärtiger Richtung zu, sodass der Druck um diese Menge zunimmt. Bei diesem zusätzlichen Bezugsbeispiel sind diese beiden gegeneinander versetzt, und der Strömungspfad ist so ausgestaltet, dass der Gesamtdruck entlang der gesamten Fläche sowohl auf der Seite der chemischen Reaktionseinheit als auch auf der Spülseite ungefähr konstant gehalten wird. Das Volumen des in der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 erzeugten Brenngases wird oftmals auf der Grundlage des Druckes von Rohmaterialgas und Spülgas geregelt, sodass sich der Vorteil ergibt, dass die Regelung vergleichsweise einfach ist, indem der Gesamtdruck für den gesamten Bereich der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 ungefähr konstant gehalten wird.

Wie es vorstehend beschrieben wurde, wird bei der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels Wasserstoff unter Verwendung eines Spülgases extrahiert. Wenn Wasserstoff unter Verwendung des Wasserstofftrennverbundes 12 abgetrennt wird, ist das Spülgas nicht absolut notwenig, aber bei diesem zusätzlichen Bezugsbeispiel wird durch Verwendung von Spülgas unter den hiernach angegebenen Bedingungen eine effiziente und stabile Wasserstoffextraktion erzielt. 9 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Bedingungen zeigt, die sich auf den Druck auf der Reformierseite und der Spülseite beziehen. Wie es in der Figur gezeigt ist, wird in diesem zusätzlichen Bezugsbeispiel Spülgas so zugeführt, dass gleichzeitig die Bedingung, dass der Gesamtdruck auf der Reformierseite niedriger als der Gesamtdruck der Spülseite liegt, ebenso wie die Bedingung, dass der Wasserstoffpartialdruck auf der Reformierseite höher ist als der Wasserstoffpartialdruck auf der Spülseite, erfüllt sind. Die betrachteten Bedingungen können eingehalten werden, indem ein Spülgasdampf mit solch einem Volumen zugeführt wird, dass der mit einer Schraffierung in 9 gezeigte Wasserstoffpartialdruck ergänzt wird.

Der Wasserstofftrennverbund 21 zeigt die Wirkung, dass auf selektive Weise Wasserstoff von der Seite mit einem hohen Wasserstoffpartialdruck zu der Seite mit einem niedrigen Druck weitergeleitet wird, sodass die Bedingung, dass der Wasserstoffpartialdruck auf der Spülseite niedriger liegt als auf der Reformierseite, eine wesentliche Bedingung zum Abtrennen von Wasserstoff ist. Indessen zeigt die Bedingung, dass der Gesamtdruck der Spülseite höher liegt als der Gesamtdruck der Reformierseite, die Wirkung, dass ein Austreten von Gasmischung auf der Spülseite verhindert wird. Selbst wenn in dem Wasserstofftrennverbund 12 Nadellöcher vorliegen, ist es z. B. dann, wenn die betrachteten Druckbedingungen eingehalten werden, möglich, ein Austreten von Gasmischung auf der Spülseite zu vermeiden.

Daher ist es möglich, eine Vergiftung der Elektrode der Brennstoffzelle 4 durch Vermengung von Kohlenmonoxid in dem Brenngas zu vermeiden, sodass ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 4 möglich ist.

Wenn Spülgas nicht unter den betrachteten Druckbedingungen zugeführt wird, ist es für Fälle, bei denen Kohlenmonoxid in das Brenngas hineingemengt wird, notwendig, eine Kohlenmonoxid reduzierende Einheit vorzusehen oder den Wasserstofftrennverbund 2 so dick auszubilden, dass Nadellöcher auf verlässliche Weise verhindert werden. Im Gegensatz dazu ist es bei diesem zusätzlichen Bezugsbeispiel durch Zuführen von Spülgas unter den vorstehend beschriebenen Druckbedingungen möglich, Gaslecks selbst bei Vorliegen von Nadellöchern zu verhindern, sodass Gegenmaßnahmen wie etwa das Vorsehen einer Kohlenmonoxid reduzierenden Einheit nicht notwendig sind, und es ist möglich, die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10 kompakter auszugestalten. Es ist zu beachten, dass im Falle dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels ein Teil des mit einem höheren Druck als jenem der Seite der chemischen Reaktionseinheit zugeführten Spülgases aufgrund des in 7 gezeigten Druckunterschieds zu der Seite der chemischen Reaktionseinheit weitergeleitet wird, sodass es möglich ist, auch dieses zum Reformieren von Rohmaterialgas einzusetzen.

Mit dem Wasserstofftrennverbund 12 dieses zusätzlichen Bezugsbeispiels und der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10, welche diesen einsetzt, wie sie vorstehend beschrieben wurden, ist es möglich, die Vorrichtung kompakter auszugestalten, wobei zudem Brenngas auf effiziente Weise erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass wir mit diesem zusätzlichen Bezugsbeispiel ein Beispiel für einen Fall der Verwendung eines Wasserstofftrennverbundes gezeigt haben, bei dem Palladium in dem porösen Trägermedium geträgert ist, aber für den Strömungspfadaufbau, die Richtung des Gasstroms und die Druckbedingungen, wie in den 7 bis 9 gezeigt, ist es möglich, diese individuell unabhängig von der Art des Wasserstofftrennverbundes 12 einzusetzen, sodass es zudem möglich ist, eine nur durch Palladium gebildete so genannte Wasserstofftrennschicht des Stands der Technik einzusetzen.

D. Variiertes Bezugsbeispiel eines Wasserstofftrennverbundes

Die 10 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 12A als ein erstes variiertes Beispiel. Die Tatsache, dass der Aufbau in dem porösen Trägermedium geträgertes Palladium aufweist, ist die gleiche wie bei dem Wasserstofftrennverbund 12 des zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels, aber wie die Trägerung ausgeführt ist, ist unterschiedlich. Wie es in 3 gezeigt ist, ist bei diesem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel Palladium im Inneren der feinen Poren in der Form feiner Teilchen geträgert. Im Gegensatz dazu ist bei dem Wasserstofftrennverbund 12A des variierten Beispiels Palladium 14A innerhalb der Poren der feinen Keramikteilchen 13 in der Form einer dünnen Schicht geträgert.

Die 11 ist ein Verfahrensdiagramm, welches das Herstellungsverfahren des Wasserstofftrennverbundes 12A zeigt. Der Wasserstofftrennverbund 12A des variierten Beispiels wird, nachdem ein poröses Trägermedium hergestellt wurde, in welchem Palladium geträgert ist (Schritt S40), ausgebildet, indem das poröse Trägermedium durch Brennen ausgebildet wird (Schritt S42). Das in dem Schritt S40 hergestellte poröse Trägermedium kann durch irgendeines der Herstellungsverfahren A bis C hergestellt werden, welche in dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel erläutert wurden (siehe 4 bis 6). Wenn ein auf diese Weise hergestelltes poröses Trägermedium gebrannt wird, werden die geträgerten feinen Palladiumteilchen teilweise gelöst und bilden im Inneren der Poren einen dünnen Film aus. Zu Beginn ist das Palladium in der Form extrem feiner Teilchen geträgert, sodass, wenn es gebrannt wird, bestätigt wurde, dass eine dünne Schicht ausgebildet wird, selbst wenn die Temperatur nicht notwendigerweise bis zum Schmelzpunkt erhöht wird.

Obwohl ein Vorgang des Brennens des porösen Trägermediums neuerlich erforderlich ist, ist es mit dem Wasserstofftrennverbund 12A des variierten Bezugsbeispiels durch Trägern von Palladium in der Form einer dünnen Schicht im Inneren der Poren möglich, Nadellöcher weitergehend zu unterdrücken und die Geschwindigkeit der Wasserstoffweiterleitung zu erhöhen.

Die 12 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 12B als ein zweites variiertes Bezugsbeispiel. Mit dem Bezugsbeispiel haben wir ein Beispiel gezeigt, bei dem ein Wasserstofftrennverbund auf einer flachen Platte ausgebildet ist. Im Gegensatz dazu besteht der Unterschied bei dem Wasserstofftrennverbund 12B darin, dass er zu einer Form ausgebildet ist, welche in der Dickenrichtung Hügel (bzw. Vorsprünge) aufweist. Der betrachtete Wasserstofftrennverbund 12B kann unter Verwendung eines porösen Trägermediums, welches vorausgehend so geformt wurde, dass es Hügel aufweist, unter Verwendung des in dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels erläuterten Herstellungsverfahrens A und Herstellungsverfahrens B hergestellt werden (siehe 4 und 5). Es ist zudem möglich, eine Substanzmischung aus feinen Keramikteilchen, feinen Palladiumteilchen und einem organischen Lösungsmittel, nachdem diese zu einer Form mit Hügeln geformt wurde, unter Verwendung des in dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels erläuterten Herstellungsverfahren C zu brennen (siehe 6).

Bei dem zweiten variierten Bezugsbeispiel ist es durch die Verwendung einer hügeligen Gestalt möglich, die Kontaktfläche pro Breite W zwischen dem Wasserstofftrennverbund 12B und der Gasmischung zu vergrößern. Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit, mit welcher der Wasserstofftrennverbund Wasserstoff weiterleitet, proportional zu der Kontaktfläche mit der Gasmischung ist, sodass es bei dem zweiten variiertem Bezugsbeispiel möglich ist, die Weiterleitungseffizienz pro Breiteneinheit zu vergrößern. Daher ist es mit diesem Wasserstofftrennverbund 12B möglich, die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10 kompakter auszugestalten. Es ist anzumerken, dass die Hügel nicht auf die in 12 gezeigte Wellenformen beschränkt sind.

Die 13 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes eines dritten variierten Bezugsbeispiels. Bei dem dritten variierten Beispiel ist das poröse Trägermedium 17 mit einer Seite des Wasserstofftrennverbundes 12 des zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels verbunden. Das poröse Trägermedium 17 setzt Keramiken mit der gleichen Zusammensetzung wie jener des porösen Trägermediums ein, welches den Wasserstofftrennverbund 12 bildet, und feine Keramikteilchen 13 bilden so wie bei dem Wasserstofftrennverbund 12 Poren aus. Für das poröse Trägermedium 17 ist es möglich, ein von dem Wasserstofftrennverbund 12 verschiedenes Material einzusetzen, aber wenn das gleiche Material eingesetzt wird, ergibt sich der Vorteil, dass die Herstellungsvorgänge verringert werden können.

Wie vorstehend beschrieben wurde, ist die Porosität des Wasserstofftrennverbundes 12 des zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels groß, sodass es Fälle gibt, in denen die mechanische Festigkeit unzureichend ist. Mit dem dritten variierten Bezugsbeispiel ist es durch Vereinigen mit dem porösen Trägermedium 17 möglich, die mechanische Festigkeit zu vergrößern. Für das poröse Trägermedium 17 ist es notwendig, eine Dicke vorzusehen, welche die mechanische Festigkeit gewährleisten kann, die für den Wasserstofftrennverbund erforderlich ist.

Das Verbinden des Wasserstofftrennverbundes 12 und des porösen Trägermediums 17 muss so erfolgen, dass ein Gasaustausch zwischen diesen beiden möglich ist. Z. B. können feine Keramikteilchen und ein organisches Lösungsmittel zu einer Paste vermengt werden, welche auf beide Teile aufgebracht wird, und dies wird gebrannt. Es ist zudem möglich, vor dem Brennen ein poröses Trägermedium 17 auf dem Wasserstofftrennverbund 12 zu formen und dann die gesamte Anordnung zu Brennen. Hier haben wir ein Beispiel des Verbindens des Wasserstofftrennverbundes 12 des zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels mit dem porösen Trägermedium 17 beschrieben, aber es ist zudem möglich, den Wasserstofftrennverbund des ersten und des zweiten variierten Bezugsbeispiels einzusetzen. Es ist zudem möglich, das poröse Trägermedium mit beiden Seiten des Wasserstofftrennverbundes zu verbinden.

E. Variiertes Bezugsbeispiel eines Gasströmungspfades

Die 14 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Strömungspfad eines Spülgases als ein erstes variiertes Bezugsbeispiel zeigt. Im Unterschied zu 7 zeigt dies das Spülgas in einem Zustand, dass es über die obere Oberfläche des Wasserstofftrennverbundes 12 strömt. Bei dem ersten variierten Bezugsbeispiel strömt das Spülgas in einer rückgeschalteten bzw. spitzkehrenartigen Weise entlang des Wasserstofftrennverbundes 12. In Bereichen wie etwa einem Bereich, der in der Figur mit einer Schraffierung gezeigt ist, stehen der Strom des Spülgases und der Strom der Gasmischung teilweise einander gegenüber. Es ist nicht notwendig, dass das Spülgas und die Gasmischung so strömen, dass sie entlang des gesamten Bereiches des Wasserstofftrennverbundes 12 einander gegenüberstehen, und es ist akzeptabel, dass sie auf diese Weise teilweise einander gegenüberliegend strömen.

Die 15 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Strömungspfad des Spülgases als ein zweites variiertes Bezugsbeispiel zeigt. Bei dem zweiten variierten Bezugsbeispiel ist der Wasserstofftrennverbund 12D in röhrenförmiger Gestalt ausgebildet, und eine Gasmischung tritt durch sein Inneres hindurch. Spülgas tritt so hindurch, dass die Peripherie des Wasserstofftrennverbundes 12D eingeschlossen wird. In den Bereichen b1 und b2 in der Figur strömen das Spülgas und die Gasmischung in entgegengesetzten Richtungen. Es ist zudem möglich, einen Strömungspfad auf diese Weise dreidimensional auszubilden. Es ist zudem möglich, dass Spülgas in Spiralenform durchzuführen. Zudem ist es, wie es in der 15 mit einer Punkt-Strich-Linie gezeigt ist, möglich, dass das Spülgas in einer Richtung senkrecht zu dem Strom der Gasmischung ausströmt.

Bei all den vorstehend beschriebenen variierten Bezugsbeispielen ist es so wie bei dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel möglich, einen großen Unterschied im Wasserstoffpartialdruck zu gewährleisten. Um den Unterschied im Wasserstoffpartialdruck zu gewährleisten, ist es möglich, verschiedene Strömungspfadanordnungen einzusetzen, wobei die Gasmischung und das Spülgas einander gegenüber stehen, insbesondere nahe dem Auslass der Gasmischung.

F. Variiertes Bezugsbeispiel eines Brennstoffzellensystems

Die 16 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Brennstoffzellensystem als ein variiertes Bezugsbeispiel zeigt. Für das Brennstoffzellensystem des zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels (siehe 1) haben wir ein Beispiel gezeigt, welches als Brennstoffzelle 4 einen Typ mit fester dünner Polymerschicht einsetzt, und um an der Anode eine Kondensation zu verhindern, ist der Aufbau mit einem Wärmetauscher 3 versehen. Im Gegensatz dazu wurde für das Brennstoffzellensystem des variierten Bezugsbeispiels als Brennstoffzelle 4A eine Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp eingesetzt, bei der die Betriebstemperatur 150°C oder mehr erreicht. Dies ist für Brennstoffzellen wie etwa eine Brennstoffzelle vom Phosphorsäuretyp oder eine Brennstoffzelle vom geschmolzenen Carbonattyp anwendbar.

Wenn diese Art Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp eingesetzt wird, ist die Möglichkeit gering, dass an der Anode ein Wassertropfen kondensiert. Daher wird, wie es in dem variierten Beispiel gezeigt ist, der Wärmetauscher weggelassen, und die Brenngas-Gasmischung, welche unter Einsatz der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10 erhalten wurde, und Dampf können direkt zu der Brennstoffzelle 4A zugeführt werden. Durch derartige Verwendung eines Brennstoffzellensystems des variierten Beispiels ergibt sich durch Verwendung einer Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp der Vorteil, dass der Aufbau des Systems vereinfacht werden kann.

G. Arbeitsbeispiel

Die 17 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den schematischen Aufbau einer Brennstoffzelle als ein Arbeitsbeispiel zeigt. Mit dem ersten Arbeitsbeispiel haben wir ein Beispiel der Verwendung von Dampf für das Spülgas für die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10 gezeigt. Bei dem Arbeitsbeispiel wird ein Rohmaterialgas für das Spülgas eingesetzt. Zusammen damit werden die für das Bezugsbeispiel vorgesehenen Elemente wie etwa ein Verdampfer 2 zur Erzeugung von Dampf und ein Wärmetauscher 3 zum Kondensieren von Dampf des zu der Brennstoffzelle 4 zugeführten Gases. unnötig (siehe 1), sodass der Gesamtaufbau des Systems vereinfacht werden kann.

Bei dem Arbeitsbeispiel ist der Aufbau der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10A ebenfalls unterschiedlich zu dem Bezugsbeispiel. Mit dem Bezugsbeispiel haben wir ein Beispiel gezeigt, bei dem eine Gasmischung unter Verwendung der chemischen Reaktionseinheit 11 erzeugt wurde, und nur der Wasserstoff in dieser wurde unter Einsatz des Wasserstofftrennverbundes extrahiert. Speziell haben wir mit dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel ein Beispiel gezeigt, bei dem die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10 hauptsächlich aus zwei Bauelementen bestand. Im Gegensatz dazu werden wir mit dem Arbeitsbeispiel ein Beispiel für einen Fall zeigen, dass sowohl der Vorgang der Reformierreaktion als auch der Wasserstoffabtrennung im Inneren des Wasserstofftrennverbundes erfolgen. Es ist zu beachten, dass der Aufbau, welcher Rohmaterialgas für das Spülgas einsetzt, nicht einzigartig für die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10A des zweiten Arbeitsbeispiel ist, sondern er kann zudem für das zuerst beschriebene Bezugsbeispiel eingesetzt werden. Im Gegensatz ist es wie bei dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel ebenfalls möglich, in dem Arbeitsbeispiel ebenso Dampf für das Spülgas einzusetzen.

Die 18 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den schematischen Aufbau einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10A zeigt. Die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10A ist unter Verwendung des Wasserstofftrennverbunds 22 ausgebildet, welcher ein einzelnes Bauelement ist. Wie es in der Figur gezeigt ist, ist der Wasserstofftrennverbund 22 des Arbeitsbeispiels in einer Form ausgestaltet, in welcher zwei Schichten, die Reformierschicht und die Wasserstofftrennschicht, intern miteinander verbunden sind. Wenn Rohmaterialgas und Dampf zu diesem Wasserstofftrennverbund 22 zugeführt werden, tritt in der Reformierschicht eine Reformierreaktion auf, und Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid werden erzeugt. Die auf diese Weise erzeugte Gasmischung wird zu der Wasserstofftrennschicht zugeführt und nur Wasserstoff wird extrahiert. Bei dem Arbeitsbeispiel wird das Rohmaterialgas für das Spülgas zum Extrahieren von Wasserstoff eingesetzt, sodass ein Gas, welches Brenngas und Rohmaterialgas enthält, von der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10A ausgestoßen wird. Die Tatsache, dass durch die zwei Wirkungen einer Reformierreaktion und einer Wasserstoffabtrennung an dem Rohmaterialgas im Inneren des Wasserstofftrennverbundes 22, welcher als einzelne Einheit ausgebildet ist, auf diese Weise das Brenngas erzeugt wird, ist der charakteristische Aspekt der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10A des zweiten Arbeitsbeispiels.

Die 19 ist ein Querschnittsdiagramm eines Wasserstofftrennverbundes 22. Wie vorstehend beschrieben, besteht der Wasserstofftrennverbund 22 aus einer Reformierschicht und einer Wasserstofftrennschicht. Die Wasserstofftrennschicht weist den gleichen Aufbau wie der Wasserstofftrennverbund des ersten Arbeitsbeispiels auf, wobei feine Palladiumteilchen 14, welche ein Wasserstofftrennmetall bilden, in den Poren eines porösen Trägermediums geträgert sind, das durch feine Keramikteilchen 13 aufgebaut ist. Zu Veranschaulichungszwecken sind die feinen Palladiumteilchen 14 mit offenen Lücken gezeigt, aber in der Realität sind sie wie bei dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel mit solch einer Dichte geträgert, dass die Poren des porösen Trägermediums angefüllt sind.

Für die Reformierschicht sind feine Rhodiumteilchen 16, welche den Katalysator bilden, in den Poren eines porösen Trägermediums geträgert, welches auf die gleiche Weise unter Einsatz der feinen Keramikteilchen 15 ausgebildet ist. Die Reformierschicht ist so ausgestaltet, dass die Größe der feinen Keramikteilchen 15 kleiner als jene der Wasserstofftrennschicht ist, und so, dass der Durchmesser der Poren und die Porosität größer als jene der Wasserstofftrennschicht sind. Zudem sind die feinen Rhodiumteilchen 16 nicht mit solch einer hohen Dichte geträgert, dass sie die Poren vollständig füllen würden, sondern sind indessen in einem weniger dichten Zustand als bei der Wasserstofftrennschicht geträgert. Auf diese Weise ist es möglich, Rohmaterialgas im Inneren der Reformierschicht durch Einstellen des Porendurchmessers, der Porosität und der Dichte der feinen Rhodiumteilchen 16 in der Reformierschicht ausreichend zu verteilen. Durch diese Ausgestaltung, bei der die Dispergierbarkeit der feinen Rhodiumteilchen 16 erhöht und das Rohmaterialgas auf diese Weise ausreichend verteilt wird, ist es möglich, die Möglichkeit für einen Kontakt zwischen dem Rohmaterialgas und den feinen Rhodiumteilchen zu vergrößern und somit die Reformierreaktion zu befördern. Hier haben wir ein Beispiel mit unterschiedlichem Porendurchmesser und unterschiedlicher Porosität für die Reformierschicht und die Wasserstofftrennschicht gezeigt, aber der Wasserstofftrennverbund 22 ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und es ist offensichtlich, dass es zudem akzeptabel ist, beide Schichten unter Einsatz eines porösen Trägermediums mit dem gleichen Aufbau auszubilden.

Darüber hinaus, wird bei dem Wasserstofftrennverbund 22 die Zusammensetzung der feinen Keramikteilchen für die Reformierschicht und für die Wasserstofftrennschicht ebenfalls verändert. Bei der Wasserstofftrennschicht sind feine Palladiumteilchen verlässlich so geträgert, dass die Poren angefüllt sind, sodass Aluminiumoxidteilchen, welche die Eigenschaft haben, sich sehr gut an die feinen Palladiumteilchen 14 anzupassen, für die feinen Keramikteilchen 13 verwendet werden. Indessen werden für die Reformierschicht als feine Keramikteilchen 15 Ceroxidteilchen eingesetzt, welche die Eigenschaften haben, die katalytische Aktivität der feinen Rhodiumteilchen zu vergrößern und die Reformierreaktion zu befördern. Dadurch werden sich die Reformierwirkung und die Wasserstofftrennwirkung der Schichten in effektiverer Weise ergeben. Die hier angegebene Information ist nicht mehr als ein Beispiel, und es ist für jede Schicht zudem möglich, feine Keramikteilchen auszuwählen, welche gemäß der Substanzart, welche die feinen Keramikteilchen trägern, die vorstehend beschriebenen Wirkungen aufweisen. Es ist anzumerken, dass es zudem akzeptabel ist, die Reformierschicht und die Wasserstofftrennschicht unter Verwendung feiner Keramikteilchen mit der gleichen Zusammensetzung auszugestalten.

Der Wasserstofftrennverbund 22 kann unter Verwendung eines der drei nachstehen beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die 20 ist ein Verfahrensdiagramm eines Herstellungsverfahrens D des Wasserstofftrennverbunds 22. Bei diesem Herstellungsverfahren werden ein poröses Trägermedium, in welchem Wasserstofftrennmetall geträgert ist, und ein poröses Trägermedium, in welchem ein Katalysator geträgert ist, getrennt hergestellt (Schritte S50 und S52), und diese werden miteinander zu einer einzigen Einheit verbunden (Schritt S54). Zum Verbinden können die zwei Arten von porösen Trägermedien zusammen gegeben und gebrannt werden. Für das Herstellungsverfahren für das poröse Trägermedium, in welchem das Wasserstofftrennmetall geträgert ist, und für das poröse Trägermedium, in welchem ein Katalysator geträgert ist, ist es möglich, die bei dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel beschriebenen Herstellungsverfahren A bis C einzusetzen (siehe 4 bis 6). Bei den betrachteten Herstellungsverfahren werden die Wasserstofftrennschicht und die Reformierschicht getrennt hergestellt, sodass sich der Vorteil ergibt, dass es einfacher ist, den Zustand einzusetzen, welcher für die Wirkung für die Herstellung einer jeden Schicht geeignet ist.

Die 21 ist ein Verfahrensdiagramm des Herstellungsverfahrens E des Wasserstofftrennverbunds 22. Bei diesem Herstellungsverfahren ist der Unterschied zu dem Herstellungsverfahren D, dass die Wasserstofftrennschicht und die Reformierschicht zusammen hergestellt werden. Speziell wird bei dem Herstellungsverfahren E zuerst eine Mischung aus einem Wasserstofftrennmetall, einem Katalysator, feinen Keramikteilchen und einem organischen Lösungsmittel hergestellt (Schritt S60). Wenn die Zusammensetzung der feinen Keramikteilchen für die Wasserstofftrennschicht und für die Reformierschicht verändert wird, werden die zwei Arten feiner Keramikteilchen, welche für jede von diesen eingesetzt werden, vermengt. Hierbei ist es bevorzugt, dass die zwei Arten feiner Keramikteilchen ein unterschiedliches spezifisches Gewicht aufweisen.

Es ist anzumerken, dass es vor diesem Vorgang bevorzugt ist, ein Wasserstofftrennmetall und einen Katalysator im Voraus in den feinen Keramikteilchen zu trägern. Wenn die Zusammensetzung einer jeden Schicht verändert wird, wie etwa wenn ein poröses Trägermedium unter Verwendung von Palladium und Aluminiumoxidteilchen für die Wasserstofftrennschicht und unter Verwendung von Rhodium und Ceroxidteilchen für die Reformierschicht hergestellt wird, wird, wenn diese Zusammensetzung eingesetzt wird, ein organisches Lösungsmittel vermengt, nachdem im Voraus Palladium und Rhodium geträgert wurden, wobei sich der Vorteil ergibt, dass es möglich ist, diese beiden vergleichsweise einfach in der Form einer Schicht auszubilden.

Nach einer zentrifugalen Abtrennung der auf diese Weise erzeugten Mischung, um das Wasserstofftrennmetall und den Katalysator abzutrennen (Schritt S62), wird dies geformt und gebrannt (Schritt S64). Wenn in der Mischung zwei unterschiedliche Arten feiner Keramikteilchen mit unterschiedlichem spezifischen Gewicht vorliegen, werden diese feinen Teilchen ebenfalls zusammen mit dem Wasserstofftrennmetall und dem Katalysator getrennt. Obwohl dies offensichtlich ist, ist es, wenn das spezifische Gewicht des Wasserstofftrennmetalls größer als das spezifische Gewicht des Katalysators ist, notwendig, das spezifische Gewicht der feinen Keramikteilchen der Wasserstofftrennschicht größer als das spezifische Gewicht der feinen Keramikteilchen der Reformierschicht einzustellen, und wenn die Beziehung zwischen dem spezifischen Gewicht des Wasserstofftrennmetalls und jenem des Katalysators umgekehrt ist, muss dann die Beziehung des spezifischen Gewichts der feinen Keramikteilchen einer jeden Schicht so eingestellt werden, dass ein Abgleich erfolgt. Bei dem Herstellungsverfahren E ist es möglich, sowohl die Wasserstofftrennschicht als auch die Reformierschicht auf einmal herzustellen, sodass es möglich ist, das Herstellungsverfahren für den Wasserstofftrennverbund 22 zu vereinfachen, was den Vorteil ergibt, dass die Herstellungskosten verringert werden können.

Die 22 ist ein Verfahrensdiagramm des Herstellungsverfahrens F des Wasserstofftrennverbundes 22. Bei diesem Herstellungsverfahren wird ein poröses Trägermedium nacheinander mit einem Wasserstofftrennmetall und einem Katalysator imprägniert. Zuerst wird ein poröses Trägermedium hergestellt (Schritt S70), und dann wird es mit einer Lösung des Wasserstofftrennmetalls imprägniert (Schritt S72). Als Nächstes wird das Wasserstofftrennmetall im Inneren des porösen Körpers unter Einsatz eines Fluiddrucks bewegt (Schritt S74). Bei diesem Arbeitsbeispiel haben wir von einer Seite des porösen Trägermediums her Gas eingeblasen. Wenn Gas eingeblasen wird, wird durch diesen Druck imprägnierte Lösung in die Poren des porösen Trägermediums bewegt und sammelt sich auf der Oberfläche gegenüberliegend zu jener Seite, auf welcher das Gas eingeblasen wurde, an. Das poröse Trägermedium wird in diesem Zustand getrocknet, und eine Wasserstofftrennschicht wird durch Abscheiden des Wasserstofftrennmetalls ausgebildet (Schritt S76).

Der Schritt S74 ist ein Vorgang, welcher mit dem Ziel durchgeführt wird, die imprägnierte Lösung im Inneren des porösen Trägermediums mit einer Neigung zu versehen, sodass, wenn ein Gas eingeblasen wird, es notwendig ist, mit einem Druck einzublasen, welcher ausreicht, um die Lösung zu bewegen, und mit solch einem Druck, dass das Gas nicht irgendwo anders ausgeblasen wird. Neben diesem Verfahren kann der Vorgang des Schritts S74 zudem durch Entgasen von einer Oberfläche her und durch Einstellen einer Umgebung erzielt werden, in welcher sich ein Druckunterschied auf beiden Seiten des porösen Trägermediums ergibt.

Nachdem auf diese Weise eine Wasserstofftrennschicht ausgebildet wurde, wird das poröse Trägermedium mit einer Katalysatorlösung imprägniert (Schritt S78), und wenn dies getrocknet und der Katalysator ausgefällt wird, ist es möglich, eine Reformierschicht auszubilden (Schritt S80). Es ist anzumerken, dass, wenn eine Reformierschicht ausgebildet wird, es nicht notwendig ist, den Vorgang des Bewegens der Lösung unter Einsatz eines Fluiddrucks durchzuführen.

Für die Brenngas erzeugende Vorrichtung 10A, welche den auf diese Weise hergestellten Wasserstofftrennverbund 22 einsetzt, ist es bevorzugt, einen Gasströmungspfad vorzusehen, welcher den gleichen Aufbau wie jenen des ersten Arbeitsbeispiels einsetzt. In diesem Fall ist es selbstverständlich, dass es bevorzugt ist, den Wasserstofftrennverbund 22 so anzuordnen, dass die Reformierschicht mit der Seite in Kontakt steht, auf welcher das Rohmaterialgas zugeführt wird.

Mit dem vorstehend erläuterten Brennstoffzellensystem des Arbeitsbeispiels ist es möglich, sowohl eine Reformierreaktion als auch eine Wasserstoffabtrennung im Inneren des Wasserstofftrennverbundes 22 vorzunehmen, sodass es möglich ist, den Aufbau der Brenngas erzeugenden Vorrichtung 10A zu vereinfachen und die Vorrichtung kompakter auszugestalten. Zudem weist, wie bei dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel, der Wasserstofftrennverbund 22 eine hohe Fähigkeit zur Wasserstoffabtrennung auf, sodass die gleichen Wirkungen wie beim Einsatz des zweiten Arbeitsbeispiels erzielt werden können.

Es ist anzumerken, dass es zudem möglich ist, für das Arbeitsbeispiel die verschiedenen variierten Beispiele des zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels einzusetzen. Zum Beispiel ist es zudem möglich, für die Wasserstofftrennschicht den Aufbau einzusetzen, welcher für das erste variierte Beispiel gezeigt wurde (siehe 10). Der betrachtete Wasserstofftrennverbund kann zudem unter Einsatz des Herstellungsverfahrens D hergestellt werden, zum Beispiel durch Ausbilden eines porösen Trägermediums, in welchem ein Wasserstofftrennmetall geträgert ist, dann Brennen dieses porösen Trägermediums und, nachdem das Wasserstofftrennmetall in der Form einer dünnen Schicht geträgert wurde, Verbinden von diesem mit der Reformierschicht. Es ist zudem geeignet, den Wasserstofftrennverbund 22 des Arbeitsbeispiels in einer Gestalt mit Hügeln wie jener in 12 gezeigten auszubilden oder mit einem porösen Trägermedium zu verbinden, mit welchem die mechanische Festigkeit gewährleistet werden kann, wie es in 13 gezeigt ist.

Mit dem Arbeitsbeispiel haben wir ein Beispiel eines Wasserstofftrennverbunds 22 gezeigt, bei dem ein Wasserstofftrennmetall und ein Katalysator in Schichtform geträgert sind. Um eine Reformierreaktion und eine Wasserstoffabtrennung gleichzeitig in einem porösen Trägermedium durchzuführen, ist es nicht absolut notwendig, das Wasserstofftrennmetall und den Katalysator in Schichtform vorzusehen, und es ist zudem möglich, einen Wasserstofftrennverbund in solch einer Ausführungsform auszugestalten, dass beide Bestandteile statistisch im Inneren des porösen Trägermediums vermengt sind. Dies kann einfach erzielt werden, indem der Vorgang mit Einsatz zentrifugaler Abtrennung in dem Herstellungsverfahren E weggelassen wird.

H. Beispiele für den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus

Für die oben angegebenen Bezugs- und Arbeitsbeispiele werden wir detaillierter den inneren Aufbau der als Reformiervorrichtung erläuterten Einheit erläutern. In der 2 haben wir ein typisches Beispiel gezeigt, bei dem der innere Aufbau der Reformiervorrichtung 10 aus der Reformiereinheit 11 und dem Trennverbund 12 gebildet ist.

In der nachfolgenden Erläuterung werden wir ein Beispiel des Ausbilden einer einzelnen Einheit zeigen, aus einem Teil, welcher unter Einsatz einer Reformierreaktion aus einem Rohmaterialgas etc. eine Gasmischung erzeugt, die Wasserstoff enthält, und aus einem Teil, welcher aus der Gasmischung Wasserstoff abtrennt (hiernach als „Wasserstoff erzeugender und abtrennender Mechanismus" bezeichnet). Bei dem erzeugenden und abtrennenden Mechanismus als Kernaspekt ist die Reformiervorrichtung ausgestaltet, indem Aspekte wie etwa ein Mechanismus, welcher nach der Zufuhr bzw. Reaktion von Rohmaterialgas und Spülgas eine Gasmischung und Brenngas ausstößt, und ein Mechanismus, welcher die für die chemische Reaktion erforderliche Temperatur beibehält, vorgesehen sind.

Die 23 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Kategorien des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus zeigt. Im oberen Bereich haben wir die Kategorien gemäß Aspekten wie etwa dem Aufbau des Strömungspfades und der Gasart, welche in dem Strömungspfad strömt, gezeigt. Im unteren Bereich haben wir Kategorien gemäß des Typs zusätzlicher Mechanismen gezeigt. Wie es in der 1 gezeigt ist, kann der Aufbau des Strömungspfads grob in die Fälle der Verwendung eines einzelnen Rohrs, eines doppelten Rohrs mit einem dualen Aufbau oder eines in einem porösen Monolithen ausgebildeten Strömungspfad eingeteilt werden, und für jeden von diesen ist es möglich, die Fälle des Ausbildens eines Strömungspfades als grades Rohr ohne Kurven und des Ausbildens eines Strömungspfades als gebogenes Rohr mit Kurven zu unterscheiden. Zudem ist es für jeden Aufbau des Strömungspfades möglich, die Fälle zu unterscheiden, dass Spülgas und dass Rohmaterialgas im Inneren des Strömungspfads strömt. Im ersteren Fall extrahiert der Aufbau den Wasserstoff von der Außenseite des Strömungspfades in den Strömungspfad, indem im Inneren des Strömungspfades Spülgas strömt. Im letzteren Fall extrahiert der Aufbau Wasserstoff, indem in dem Strömungspfad unter Einsatz einer Reformierreaktion etc. eine Wasserstoff erzeugende Reaktion abläuft und indem Spülgas außerhalb des Strömungspfades strömt. In den nachstehenden Arbeitsbeispielen werden wir spezielle Beispiele für den Aufbau repräsentativer Bestandteile der vorstehend beschriebenen Kategorien angeben. Die 32 zeigt das Verhältnis zwischen den als Beispielen angegebenen Aufbauten und den Kategorien. Die nicht ausgefüllten Kategorien in 23 sind Aspekte, für welche Beispiele weggelassen wurden, da sie Aufbauten sind, für welche es möglich ist, dass sie von Aufbauten abweichen, welche speziell als Beispiele gezeigt sind. Dies bedeutet nicht, dass diese Kategorien nicht realisiert werden können.

Als zusätzliche Mechanismen gibt es eine Trennung, welche den Strom regelt, eine Rührvorrichtung und einen entfernbaren Teil. Es gibt zudem eine Einteilung basierend auf Fällen, wenn die Gasart, welche zu den Positionen strömt, an denen jeder dieser Mechanismen vorgesehen ist, Spülgas ist, und wenn es das Rohmaterialgas ist. In den nachstehend angegebenen Arbeitsbeispielen zeigen wir Beispiele repräsentativer Aufbauten in diesen Kategorien gemäß der in 23 gezeigten Beziehung.

H1. Struktur 1 (Struktur 1, die ein einzelnes Rohr ohne Kurven einsetzt)

Die 24 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 100 als Struktur 1 zeigt. 24(a) ist eine Schrägansicht der äußeren Ansicht des Mechanismus. Die 24(b) ist ein Querschnittsdiagramm, welches in der Symmetrieebene herausgeschnitten ist. Wie es in der Figur gezeigt ist, besteht der Wasserstoff erzeugende und abtrennende Mechanismus 100 aus einem Hauptkörper 101 und zahlreichen Abtrennrohren 110. Der Hauptkörper 101 ist als Monolith aus porösem Material in zylindrischer Form ausgestaltet. Ein Reformierkatalysator ist in dem porösen Material geträgert. Ein Rohmaterialgaszufuhranschluss 102 ist mit dem Hauptkörper 101 verbunden, und ein Rohmaterialgas wie etwa ein Kohlenwasserstoff wird zu den porösen Poren zugeführt. Durch die Wirkung des in dem porösen Material geträgerten Reformierkatalysators führt dieses Rohmaterialgas zu einer Reformierreaktion und erzeugt eine Gasmischung, welche Wasserstoff enthält.

Zahlreiche Löcher 105 sind in dem Hauptkörper 101 vorgesehen, welche den Monolithen in der Axialrichtung von der Endfläche 104 her durchstoßen. Diese Löcher 105 haben einen Durchmesser mit einem leichten Spielraum im Bezug auf den Durchmesser des Trennrohrs 110. Trennrohre 110 sind in diese Löcher 105 eingeführt. Die 25 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Trennrohres 110 zeigt. Ein Trennrohr 110 besteht aus dem Wasserstofftrennverbund, welcher vorstehend bei dem ersten Arbeitsbeispiel und dem zweiten Arbeitsbeispiel erläutert wurde. Speziell ist, wie es in der 25(a) gezeigt ist, bei dem Trennrohr 110 eine dünne Trennschicht 112, in welcher Palladium geträgert ist, auf der Oberfläche des zylindrischen porösen Trägermediums 111 vorgesehen. Die verschiedenen, vorstehend bei den Bezugs- und Arbeitsbeispielen erläuterten Verfahren können für das Verfahren zur Herstellung der dünnen Trennschicht 112 eingesetzt werden. Wie es in 25(a) gezeigt ist, wird bei der Struktur 1 ein hohles Trennrohr 110 eingesetzt, aber wie es in 25(b) gezeigt ist, ist es zudem möglich, das Rohrinnere mit einem porösen Material auszubilden. Wie es in der Figur gezeigt ist, ist als ein variiertes Beispiel das Trennrohr 110A durch Vorsehen einer dünnen Trennschicht 112 auf der Oberfläche des in Zylinderform ausgestalteten porösen Trägermediums 111A ausgebildet. Bei dem variierten Beispiel ergeben sich die Vorteile, dass die Herstellung des Trennrohrs 110A einfach ist, und es ist möglich, die Festigkeit zu vergrößern. Bei der Struktur 1 ist es zudem möglich, entweder das Trennrohr 110 oder 110A einzusetzen.

Wie es in 24(b) gezeigt ist, wird der Wasserstoff in der durch den Hauptkörper 101 erzeugen Gasmischung in das Trennrohr 110 im Inneren des Lochs 105 extrahiert. Dieser Wasserstoff wird zusammen mit dem Spülgas als Brenngas stromabwärts geführt. Das Gas, welches im Inneren des Körpers 110 zurückbleibt, anders gesagt das Gas, nachdem Wasserstoff aus der Gasmischung abgetrennt wurde, wird aus dem Ausstoßanschluss 103 ausgestoßen.

Um den vorstehend beschriebenen Strom zu erreichen, ist bei der ersten Struktur in 24, obwohl dies nicht veranschaulicht ist, die Oberfläche des Hauptkörpers 101 abgedichtet, sodass keine Gasmischung ausströmt. Die Verbindungsstelle des Rohmaterialgaszufuhranschlusses 102 (in der Figur die Fläche A), die Verbindungsstelle des Ausstoßanschlusses 103 und der Spalt zwischen dem Loch zum Einführen des Trennrohrs 110 und dem Trennrohr 110 (in der Figur die Fläche B) sind ebenfalls abgedichtet, um Gaslecks zu vermeiden. Es ist zudem möglich, den Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 100 mit einem luftdichten Gehäuse abzudecken.

Die Struktur 1 ist so ausgestaltet, dass das einzelne Trennrohr 110 ohne Kurven eingeführt ist, sodass sich der Vorteil ergibt, dass die Herstellung einfach ist. Es ist möglich, Wasserstoff an dem Trennrohr 110 zu extrahieren, während im Hauptkörper 101 reformiert wird, sodass sich zudem der Vorteil ergibt, dass die Vorrichtung kompakter ausgestaltet werden kann. Wie unter Verwendung des zuerst beschriebenen Bezugsbeispiels etc. erläutert wurde, ergibt sich durch Verwendung des Spülgases zudem der Vorteil, dass die Effizienz der Wasserstoffabtrennung groß ist.

Mit der Struktur 1 haben wir ein Beispiel für einen Fall gezeigt, dass der Hauptkörper 101, welcher die Reformierreaktion durchführt, durch einen Monolithen aus porösem Material gebildet ist. Verschiedene Strukturen können für den Hauptkörper 101 verwendet werden. Ebenso ist das Trennrohr 110 nicht auf einen Zylinder beschränkt, und eine Vielzahl von Querschnittsgestallten kann eingesetzt werden. Die Anzahl und die Anordnung der Trennrohre 110 ist nicht auf das in 24 gezeigte Beispiel beschränkt.

H2. Struktur 2 (Struktur 2, die ein einzelnes Rohr ohne Kurven einsetzt)

Die 26 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 150 als Struktur 2 zeigt. Ein Querschnittsdiagramm der Symmetrieebene ist gezeigt. Die äußere Ansicht ist die gleiche wie jene der Struktur 1. Bei der Struktur 2 sind die Strömungspositionen des Spülgases und des Rohmaterialgases umgekehrt zu jenen der Struktur 1. Die Vorrichtung selber ist die gleiche wie die Struktur 1, und Trennrohre 160 sind in Löcher 155eingeführt, welche in einem Hauptkörper 151 vorgesehen sind, der aus einem Monolithen aus porösem Material gebildet ist. Dampf wird als Spülgas von dem Zufuhranschluss 152 zugeführt, welcher mit dem Hauptkörper 151 verbunden ist, und nachdem Wasserstoff aus den Trennrohren 160 extrahiert wurde, wird dieser von dem Ausstoßanschluss 153 als Brenngas ausgestoßen. In dem Hauptkörper 151 tritt keine chemische Reaktion auf, sodass kein Katalysator geträgert ist.

Die 27 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Trennrohrs 160 zeigt. Bei der Struktur 2 wird Rohmaterialgas in das Innere der Trennrohre 160 zugeführt, um eine Reformierreaktion durchzuführen, sodass das Vorsehen eines Katalysators sich von der Struktur 1 unterscheidet. Das Trennrohr 160 ist unter Verwendung des Wasserstofftrennverbunds ausgestaltet, welcher bei dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel etc. erläutert wurde. Wie es in 27(a) gezeigt ist, ist eine dünne Trennschicht 162 auf der Oberfläche des porösen Trägermediums 161 vorgesehen. Das Innere der Trennrohre 160 ist mit einem granularen Reformierkatalysator 163 befüllt. Da ein poröses Trägermedium 161 vorliegt, tritt der Reformierkatalysator 163 nicht direkt mit der dünnen Trennschicht 162 in Kontakt. Daher ergibt sich der Vorteil, dass kein Risiko dahingehend besteht, dass die Teilchen des Reformierkatalysators 163 aufgrund einer Vibration während des Betriebs etc. eine Schädigung der dünnen Trennschicht 162 hervorrufen. Zudem kann der granulare Reformierkatalysator 163 leicht erneut gefüllt bzw. ersetzt werden, sodass sich der Vorteil ergibt, dass die Wartung des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus einfach ist.

Der Katalysator des Trennrohrs 160 kann zudem in einem porösen Trägermedium geträgert sein. Die 27(b) zeigt die Struktur des Trennrohrs 160A als ein variiertes Beispiel. Wie es in der Figur gezeigt ist, ist bei dem Trennrohr 160A des variierten Beispiels die dünne Trennschicht 162A auf der Oberfläche eines in Zylinderform ausgebildeten porösen Trägermediums ausgebildet. Ein Reformierkatalysator ist in dem porösen Trägermedium 161A geträgert. Wenn die betrachtete Struktur eingesetzt wird, ergibt sich der Vorteil, dass ein gleichmäßiges Trägern des Reformierkatalysators einfach ist, und dass es möglich ist, die Festigkeit des Trennrohrs 160 zu gewährleisten.

Bei der Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Vorrichtung 150 der Struktur 2 ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei der Struktur 1. Ebenso ist es für die Struktur 2 möglich, die gleichen variierten Beispiele wie bei der Struktur 1 zu realisieren.

H3. Sturktur 3 (Struktur 1, die ein einzelnes Rohr mit Kurven einsetzt)

Die 28 ist ein erläuterndes Diagramm, dass den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus als Struktur 3 zeigt. Diese zeigt eine Schrägansicht mit einem Schnitt in der Symmetrieebene. Der Wasserstoff erzeugende und abtrennende Mechanismus 200 der Struktur 3 weist ein U-förmiges Trennrohr 210 auf, welches durch den Hauptkörper 201 hindurch läuft. Der Aufbau des Trennrohrs 210 ist der gleiche wie jener des Trennrohrs 110 der Struktur 1 (siehe 25). Ein Rohmaterialgas zuführender Anschluss 202 und ein Ausstoßanschluss 203 sind mit dem Hauptkörper 201 verbunden. Der Hauptkörper 201 ist ein luftdichter Behälter, und das Innere (der in der Figur mit einer Schraffierung gezeigte Teil) ist mit einem Reformierkatalysator befüllt. Das von dem Zufuhranschluss 202 zugeführte Rohmaterialgas wird im Inneren des Hauptkörpers 201 reformiert. Spülgas wird in das Trennrohr 210 geleitet, und der durch den Hauptkörper 201 erzeugte Wasserstoff wird in das Trennrohr 210 extrahiert.

Der Wasserstoff erzeugende und abtrennende Mechanismus 200 der Struktur 3 weist die gleichen Vorteile wie die Struktur 1 auf, wie etwa dass die Herstellung vergleichsweise einfach ist. Das Trennrohr 210 ist zu einer U-Gestalt gekrümmt, sodass sich zudem der Vorteil ergibt, dass es gegenüber Wärmeverzug beständig ist. Im Allgemeinen werden Reformierreaktionen bei hohen Temperaturen durchgeführt, sodass ein großer Temperaturunterschied bei dem Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 200 zwischen dem Betrieb und dem Nichtbetrieb vorliegt. Diese Temperaturunterschiede führen zu einer Ausdehnung und einem Zusammenziehen des Trennrohrs 210. Bei der Struktur 3 ist der gekrümmte Teil des Trennrohrs 210 ein freies Ende, welches nicht mit dem Hauptkörper 201 verbunden ist, sodass sich das Trennrohr 210 mit relativer Freiheit in der Achsenrichtung aufgrund von Wärme ausdehnen und zusammenziehen kann. Daher weist die Struktur 3 den Vorteil auf, dass sie die Möglichkeit einer an dem Trennrohr 210 aufgrund von Wärmespannung auftretenden Schädigung unterdrücken kann. Es gibt zudem den Vorteil, dass das Trennrohr 210 mit einer Krümmung die Kapazitätseffizient vergrößern kann. Anders gesagt ist es durch die Krümmung für das Trennrohr 210 möglich, in effizienter Weise in dem Hauptkörper 201 eingehaust zu sein. Im Ergebnis ist es möglich, den Bereich zu vergrößern, in welchem das Trennrohr 210 mit der Gasmischung in Kontakt tritt, sodass es möglich ist, die Effizienz der Wasserstoffabtrennung zu verbessern.

Mit der Struktur 3 haben wir ein Bezugsbeispiel eines Falls gezeigt, wenn der Hauptkörper 210 aus einem luftdichten Behälter besteht. Der Hauptkörper 210 kann zudem unter Verwendung eines porösen Materials ausgebildet sein, in welchem ein Reformierkatalysator geträgert ist, was zu einer Ausführungsform der Erfindung führt.

H4. Struktur 4 (Struktur 2, welche ein einzelnes Rohr mit Kurven einsetzt)

Die 29 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 250 als Struktur 4 zeigt. Diese zeigt eine Schrägansicht mit einem Schnitt in der Symmetrieebene. Der Wasserstoff erzeugende und abtrennende Mechanismus 250 der Struktur 4 unterscheidet sich von der Struktur dahingehend, dass Spülgas in den Hauptkörper 251 strömt und eine Reformierung des Rohmaterialgases im Inneren des Trennrohrs 260 erfolgt. Im Inneren des Hauptkörpers 251 ist kein Katalysator geträgert. Der Aufbau des Trennrohrs 260 ist der gleiche wie jener des Trennrohrs 160 der Struktur 2 (siehe 27). Bei der Struktur 4 ergeben sich ebenfalls die Vorteile wie etwa eine einfache Herstellung, Beständigkeit gegenüber Wärmeverzug und hervorragende Kapazitätseffizienz sowie Effizienz der Wasserstoffabtrennung. Ebenso ist es wie bei der Struktur 2 möglich, einen Kontakt zwischen dem Katalysator und der dünnen Wasserstofftrennschicht zu vermeiden, sodass es zudem den Vorteil gibt, dass die dünne Wasserstofftrennschicht geschützt werden kann.

H5. Struktur 5 (Struktur 3, die ein einzelnes Rohr mit Kurven einsetzt)

Ein Aufbau, welcher in dem Trennrohr eine Krümmung (Kurve) aufweist und die Kapazitätseffizienz ebenso wie die Effizienz der Wasserstoffabtrennung vergrößert, kann in verschiedenen Formen realisiert werden. Die 30 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 300 als Struktur 5 zeigt. Diese zeigt eine Schrägansicht mit einem Schnitt in der Symmetrieebenen. Bei dem Mechanismus der Struktur 5 dringen zahlreiche Trennrohre 210 mit einer Krümmung in den Hauptkörper 301 ein. Der Aufbau der Trennrohre 310 ist der gleiche wie jener des Trennrohrs 160 der Struktur 2 (siehe 27). Ein Zufuhranschluss 302 und ein Ausstoßanschluss 303 sind mit dem Hauptkörper 301 verbunden. Der Wasserstoff, welcher im Inneren der Trennrohre 310 durch das von dem Zufuhranschluss 302 zugeführte Spülgas erzeugt wird, wird in den Hauptkörper 301 extrahiert. Auf diese Weise ist es, wenn die Struktur zahlreiche Krümmungen aufweist, möglich, die Kapazitätseffizienz der Trennrohre 310 weiter zu erhöhen und zudem die Vorrichtung dünner auszubilden. Es ist anzumerken, dass es zudem möglich ist, eine Struktur zu haben, bei der Spülgas in die Trennrohre 310 strömt, um im Hauptkörper 301 eine Reformierung durchzuführen. Zudem ist die Anzahl und Gestalt der Krümmungen der Trennrohre 310 nicht auf jene in der Figur gezeigten beschränkt.

H6. Struktur 6 (Struktur 4, die ein einzelnes Rohr mit Krümmungen einsetzt)

Die 31 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 350 als Struktur 6 zeigt. Sie zeigt ein von oben betrachtetes Querschnittsdiagramm: Der Hauptkörper 351 ist ein kreisförmiger Behälter, und ein Zufuhranschluss 352 und ein Ausstoßanschluss 353 sind daran angebracht. Der Hauptkörper 351 weist einen darin geträgerten Reformierkatalysator zur Verwendung beim Reformieren des von dem Zufuhranschluss 352 zugeführten Rohmaterialgases auf. Das Trennrohr 360 ist in einer spiralförmigen Gestalt ausgebildet, und Spülgas wird in sein Inneres zugeführt. Der Aufbau des Trennrohrs 360 ist der gleiche wie jener der Struktur 1 (siehe 25).

Auf diese Weise ist es, wenn die Struktur mit kontinuierlichen Krümmungen ausgebildet wird, möglich, die Kapazitätseffizienz des Trennrohrs 360 weiter zu erhöhen und die Vorrichtung dünner auszubilden. Es ist anzumerken, dass es zudem möglich ist, eine Struktur zu haben, bei welcher das Reformieren im Inneren des Trennrohrs 360 erfolgt und Spülgas in das Innere des Hauptkörpers 351 zugeführt wird.

H7. Struktur 7 (Struktur 5, welche ein einzelnes Rohr mit Krümmungen einsetzt)

Die 32 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 400 als Struktur 7 zeigt. Der Hauptkörper 401 ist ein luftdichter Behälter, und ein Zufuhranschluss 402 und ein Ausstoßanschluss 403 sind damit verbunden. Der Hauptkörper 401 weist einen darin geträgerten Reformierkatalysator zur Reformierung des Rohmaterialgases auf, welches von dem Zufuhranschluss 402 zugeführt wird. Das Trennrohr 410 ist mit einer spiralförmigen Gestalt ausgestaltet, und Spülgas wird in sein Inneres eingeleitet. Der Aufbau des Trennrohrs 410ist der gleiche wie jener der Struktur 1 (siehe 25).

Wenn das Trennrohr 410 auf diese Weise dreidimensional angeordnet wird, ist es dann möglich, die Kapazitätseffizienz des Trennrohrs 410 weiter zu verbessern, und es ist möglich, die Effizienz der Wasserstoffabtrennung zu vergrößern. Es ist zu beachten, dass, wenn ein Trennrohr 410 mit vielen Krümmungen ausgebildet ist, es bevorzugt ist, für das poröse Trägermedium ein poröses Metallmaterial einzusetzen. Die Duktilität des Metalls macht es einfacher, dass Trennrohr 410 auszuformen und weist zudem den Vorteil auf, dass es einfacher wird, eine Schädigung aufgrund einer Vibration während des Betriebs zu vermeiden. Die Verwendung eines porösen Metallmaterials ist nicht auf die Struktur 7 beschränkt und ist wirksam, wenn Krümmungen in Trennrohren vorgesehen werden.

H8. Struktur 8 (Struktur 1, die ein Doppelrohr ohne Krümmungen einsetzt)

Die 33 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 450 als Struktur 8 zeigt. Der Mechanismus der Struktur 8 ist mit einem Trennrohr 460 ausgestaltet, welches als Doppelrohr ausgebildet und in den Hauptkörper 451 eingeführt ist. Ein Zufuhranschluss 452 und ein Ausstoßanschluss 453 sind mit dem Hauptkörper 451 verbunden. Zu Bezugszwecken ist der Hauptkörper 451 ein luftdichter Behälter, welcher mit einem Reformierkatalysator befüllt ist, und das von dem Zufuhranschluss 452 zugeführte Rohmaterial wird hier reformiert. Gemäß der Erfindung ist der Hauptkörper 451aus einem porösen Material ausgebildet, in welchem ein Reformierkatalysator geträgert ist.

Das Trennrohr 460 ist mit einem inneren Rohr 461 ausgestaltet, dessen beide Enden geöffnet sind und in das äußere Rohr 462 eingeführt ist, von dem nur ein Ende offen ist. Das äußere Rohr 462 und das innere Rohr 461 sind auf die gleiche Weise wie das Trennrohr 110 der Struktur 1 ausgebildet (siehe 25). Das äußere Rohr 462 und das innere Rohr 461 sind in der Figur auf der rechten Seite befestigt. Spülgas wird in das innere Rohr 461 zugeführt, und von dem äußeren Rohr 462 wird ein Brenngas extrahiert, für welches der von dem Hauptkörper 451 erzeugte Wasserstoff extrahiert wird. Die Strömung des inneren Rohrs 461 und des äußeren Rohrs 462 können ebenfalls umgekehrt sein.

Bei dem Mechanismus der Struktur 8 ist das Trennrohr 460 als ein doppeltes Rohr ausgebildet, bei dem für das innere Rohr 461 und das äußere Rohr 462 ein freies Ausdehnen und Zusammenziehen aufgrund von Wärme möglich ist, sodass sich der Vorteil ergibt, dass es möglich ist, die durch Wärmeverzug verursachten Wirkungen weiter zu verkleinern. Wenn zum Beispiel Dampf für das Spülgas eingesetzt wird, wird anstatt von Dampf Wasser in das Innenrohr 461 gesprüht. Wenn im Hauptkörper 451 reformiert wird, ist das Trennrohr 460 einer Umgebung mit hoher Temperatur ausgesetzt, sodass das versprühte Wasser durch die Wärme verdampft wird. Das Wasser wird durch die Wärme verdampft, welche von dem Brenngas in dem äußeren Rohr 462 absorbiert wird, sodass die Brenngastemperatur entsprechend der Verdampfungswärme abnimmt. Mit der Struktur 8 ist es durch diese Wirkung möglich, dass sich die Temperatur des Brenngases der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle enger annährt.

H9. Struktur 9 (Struktur 2, die ein Doppelrohr ohne Krümmungen einsetzt)

Die 34 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 500 als Struktur 9 zeigt. Der Unterschied zur Struktur 8 besteht darin, dass Spülgas in den Hauptkörper 501 strömt und Reformierreaktionen etc. in dem Trennrohr 510 ablaufen, welches als doppeltes Rohr ausgebildet ist. Der Hauptkörper 501 ist ein luftdichter Behälter, in welchem kein Katalysator geträgert ist. Der Hauptkörper 501 ist unter Verwendung eines porösen Materials ausgebildet. Spülgas wird von dem Zufuhranschluss 502 zugeführt, und in dem Trennrohr 510 erzeugter Wasserstoff wird extrahiert und von dem Ausstoßanschluss 503 ausgestoßen.

Wie bei der Struktur 8 bildet das Trennrohr 510 eine doppelte Struktur aus einem inneren Rohr 511 und einem äußeren Rohr 512 aus. Rohmaterialgas wird in das innere Rohr 511 zugeführt und von dem äußeren Rohr 512 ausgestoßen. Das innere Rohr 511 und das äußere Rohr 512 weisen den gleichen Aufbau wie das Trennrohr 16 der 2 auf (siehe 27). Das innere Rohr 511 und das äußere Rohr 512 sind mit einem Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff aus Rohmaterialgas befüllt. Bei der Struktur 9 ist ein Katalysator für Reformierreaktionen in dem inneren Rohr 511 geträgert, und ein Katalysator für Verschiebungsreaktionen ist in dem äußeren Rohr 512 geträgert. Rohmaterialgas wird sowohl durch Reformierreaktionen als auch Verschiebungsreaktionen ausgestoßen.

Mit der Struktur 9 ist es möglich, eine Einheit zu erreichen, welche zwei Arten chemischer Reaktionen, Reformierreaktionen und Verschiebungsreaktionen, in einer einzelnen Struktur durchführt, was es möglich macht, die Vorrichtung kompakter auszugestalten. Es gibt zudem einen Vorteil unter dem Gesichtspunkt der Reaktionswärme. Im Allgemeinen erfolgen Reformierreaktionen bei hohen Temperaturen von ungefähr 600 bis 800°C, und Verschiebungsreaktionen werden bei Temperaturen von ungefähr 200 bis 400°C durchgeführt. Die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle liegt geringfügig niedriger als die Temperatur einer Verschiebungsreaktion. Bei der Struktur 9 ist der Teil, welcher mit dem Spülgas in Kontakt tritt, das äußere Rohr 512, in welchem die Verschiebungsreaktion erfolgt, und das innere Rohr 511, welches die Reformierreaktionen durchführt, ist im Inneren von diesem vorgesehen. Anders gesagt ist die Struktur so, dass die Gastemperatur in der Abfolge des inneren Rohrs 511, des äußeren Rohrs 512 und des Hauptkörpers 501 absinkt. Daher hat die Struktur 9 Vorteile unter dem Gesichtspunkt des Beförderns sowohl der Reformier- als auch der Verschiebungsreaktionen und unter dem Gesichtspunkt, dass die Temperatur des extrahierten Wasserstoffs sich der Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle annährt. Es ist anzumerken, dass es für die Struktur 9 neben einer Kombination aus Reformierreaktionen und Verschiebungsreaktionen zudem möglich ist, in dem äußeren Rohr 512 Reaktionen zu einer selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid durchzuführen.

H10. Sturktur 10 (Struktur 3, die ein doppeltes Rohr ohne Krümmungen einsetzt)

Die 35 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 550 als Struktur 10 zeigt. Bei dem Mechanismus der Struktur 10 besteht der Unterschied zur Struktur 9 darin, dass einzelne chemische Reaktionen im Inneren des Trennrohrs 560 erfolgen. Der Hauptkörper 551, der Zufuhranschluss 552 und der Ausstoßanschluss 553 weisen die gleichen Aufbauten wie jene der Struktur 9 auf. Das Trennrohr 560 ist aus einem inneren Rohr 561 und einem äußeren Rohr 562 aufgebaut, und der Unterschied zu Struktur 9 besteht darin, dass ein Reformierkatalysator in diesen beiden geträgert ist. Selbst bei der betrachteten Struktur ergeben sich die Vorteile einer leichten Herstellung, der Möglichkeit, dass sich die Reformiereinheit und die Wasserstofftrenneinheit in einer einzelnen Einheit befinden, sodass es möglich ist, die Vorrichtung kompakter auszugestalten, und dass sie für Wärmeverzug nicht anfällig ist.

H11. Struktur 11 (Struktur, welche einen Strömungspfad in einem porösen Monolithen einsetzt)

Die 36 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 600 als Struktur 11 zeigt. Diese zeigt eine Schrägansicht eines Querschnitts in der Symmetrieebene. Die Struktur 11 ist mit einem erzeugenden und abtrennenden Rohr 610 ausgestaltet, welches durch einen Monolithen aus porösem Material gebildet wird, der an einem luftdichten Gehäuse 601 angebracht ist.

Die 37 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des erzeugenden und abtrennenden Rohrs 610 zeigt. Wie es in der Figur gezeigt ist, ist der Hauptkörper 611 des erzeugenden und abtrennenden Rohrs 610 durch einen porösen Monolithen in Zylinderform ausgebildet. Im Inneren des Hauptkörpers 611 sind zahlreiche Löcher 613vorgesehen, welche den Strömungspfad für das Spülgas bilden. Wie es in der 36 gezeigt ist, sind die Löcher 613 ohne jegliche Krümmungen ausgebildet, aber es ist auch akzeptabel, diese mit Krümmungen auszubilden.

In den Löchern 613 und an der Endoberfläche 612 des Hauptkörpers 611 ist eine dünne Wasserstofftrennschicht durch den vorausgehend bei dem zuerst beschriebenen Bezugsbeispiel etc. erläuterten Wasserstofftrennverbund ausgebildet. Die in der 36 mit dicken Linien angegebenen Teile sind die dünne Wasserstofftrennschicht. Wie es in der Figur gezeigt ist, ist die dünne Wasserstofftrennschicht so ausgebildet, dass sie die innere Peripherie der Löcher 613 und der Endoberfläche 612 bedeckt. Die dünne Trennschicht kann unter Einsatz verschiedener Verfahren einschließlich eines Verfahrens des Imprägnierens eines Trägers, eines Verfahrens mit physikalischer Dampfabscheidung oder eines Verfahrens mit chemischer Dampfabscheidung ausgebildet werden. Die in 37 mit einer Schraffierung angegebenen Teile geben Bereiche an, in denen keine dünne Wasserstofftrennschicht ausgebildet ist, und man kann das poröse Material erkennen.

In dem Gehäuse 601 der Struktur 11 sind Rohre zum Zuführen von Gas zu dem erzeugenden und abtrennenden Rohr 610 vorgesehen. Wie es in 36 gezeigt sind, sind diese der Zufuhranschluss 602 und der Ausstoßanschluss 603, welche ein Rohmaterialgas zu der Seitenoberfläche des erzeugenden und abtrennenden Rohrs 610 zuführen und ausstoßen. Das Gehäuse 601 ist an seiner Verbindung mit dem erzeugenden und abtrennenden Rohr 610 versiegelt, sodass das Rohmaterialgas, welches von dem Zufuhranschluss 602 zugeführt wird, an der Endoberfläche 612 des erzeugenden und abtrennenden Rohrs 610 nicht austritt. Es ist zudem ein Mechanismus vorgesehen, welcher ein Austreten des von dem Zufuhranschluss 602 zugeführten Gases über die Peripherie des erzeugenden und abtrennenden Rohrs 610 zu dem Ausstoßanschluss 603 hindert. In der Achsenrichtung des Gehäuses 601 sind Verteiler 604 und 605 vorgesehen, um Spülgas zuzuführen und auszustoßen. Wie es durch den Pfeil in der 36 gezeigt ist, tritt das von dem Verteiler 604 zugeführte Spülgas aus den Löchern 613 des erzeugenden und trennenden Rohrs 610 aus, und mit dem extrahierten Wasserstoff, welcher durch Reformierung in dem Hauptkörper 611 erzeugt wird, wird es von dem Verteiler 605 ausgestoßen.

Mit dem Mechanismus der Struktur 11 ist es möglich, eine Erzeugung und Abtrennung von Wasserstoff mit dem erzeugenden und trennenden Rohr 610 als einer einzelnen Einheit durchzuführen, sodass es möglich ist, die Vorrichtung kompakter auszugestalten. Das Ziel wird erreicht, indem eine dünne Wasserstofftrennschicht in den Löchern des porösen Monolithen ausgebildet ist, sodass sich zudem der Vorteil ergibt, dass die Herstellung einfach ist. Der Hauptkörper 611 ist unter Verwendung eines porösen Monolithen ausgebildet, sodass sich zudem der Vorteil einer hervorragenden Festigkeit ergibt. Es ist anzumerken, dass es für die Struktur 11 zudem möglich ist, Spülgas zu dem Hauptkörper 611 zuzuführen und im Inneren der Löcher 613 zu reformieren. In diesem Fall ist es wie bei der Struktur 2 möglich, die Löcher 613 mit einem Reformierkatalysator zu befüllen.

H12. Struktur 12 (Struktur 1, die eine Trennung einsetzt)

Die 38 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 650 als Struktur 12 zeigt. Die Hauptaspekte der Struktur sind die gleichen wie bei der Struktur 4. Der Unterschied zur Struktur 4 besteht darin, dass in dem Hauptkörper 651 eine Trennung 654 vorgesehen ist, um die Strömung des Spülgases zu regeln.

Wie es in der Figur mit weißen Pfeilen gezeigt ist, wird bei der Struktur 12 Spülgas von dem Zufuhranschluss 653 zugeführt und wird, nachdem es entlang der Trennung 654 geströmt ist, von dem Ausstoßanschluss 652 ausgestoßen. Indessen strömt das Rohmaterialgas im Inneren des Trennrohrs 660 in der Richtung, welche in der Figur mit ausgefüllten Pfeilen angezeigt ist. In dem Bereich, wo das Spülgas entlang der Trennung 654 strömt, strömen die Gasmischung im Inneren des Trennrohrs und das Spülgas in entgegengesetzten Richtungen. Wie es vorausgehend bei der 7 erläutert wurde, ist es, wenn die Strömung der Gasmischung und des Spülgases in entgegengesetzten Richtungen erfolgt, dann möglich, den Wasserstoffpartialdruck von beiden zu vergrößern und die Effizienz der Wasserstoffabtrennung zu verbessern. Durch Ausnutzung dieser Wirkung weist die Struktur 12 den Vorteil auf, dass Wasserstoff auf effiziente Weise abgetrennt werden kann. Es ist anzumerken, dass es bei der Struktur 12 zudem möglich ist, Spülgas zu dem Trennrohr 660 zuzuführen und Rohmaterialgas zu dem Hauptkörper 651 zuzuführen.

H13. Struktur 13 (Struktur 2, die eine Trennung einsetzt)

Die 39 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 700 als Struktur 13 zeigt. Die Hauptteile der Struktur sind die gleichen wie jene der Struktur 8. Der Unterschied zur Struktur 8 besteht darin, dass eine Trennung 704 in dem Hauptkörper 701 vorgesehen ist, um die Strömung des Spülgases zu regeln.

Wie es in der Figur mit weißen Pfeilen angezeigt ist, strömt Spülgas von dem inneren Rohr zu dem äußeren Rohr in dem Trennrohr 710, welches als doppeltes Rohr ausgestaltet ist. Wie es durch die Pfeile in der Figur gezeigt ist, wird das Rohmaterialgas von dem Zufuhranschluss 702 zugeführt und wird, nachdem die Strömungsrichtung durch die Trennung 704 mehrere Male umgekehrt wurde, von dem Ausstoßanschluss 703 ausgestoßen. Die Anzahl und Gestalt der Trennung 704 ist nicht auf das in der Figur gezeigte Beispiel beschränkt.

Bei der Struktur 13 strömt das Rohmaterialgas in einer Richtung senkrecht zu dem Trennrohr 710. Es ist durch Experimente bestätigt worden, dass sich durch Strömung in dieser Richtung eine Verbesserung in der Effizienz der Wasserstoffabtrennung ergibt. Es ist anzumerken, dass es bei der Struktur 13 zudem möglich ist, im Inneren des Trennrohrs 710 zu reformieren und Spülgas zu dem Hauptkörper 701 zuzuführen. Die Struktur ist nicht darauf beschränkt, dass das Rohmaterialgas in einer streng senkrechten Richtung zu dem Trennrohr 710 strömt, sondern es kann zudem in einer Richtung mit einer Neigung gegenüber dem Trennrohr 710 strömen. Als Mechanismus zum Einregeln der Strömung des Rohmaterialgases ist es zudem möglich, anstelle der Trennung 704 eine Schaufel bzw. einen Flügel einzusetzen.

H14. Struktur 14 (Struktur, welche einen Mischer einsetzt)

Die 40 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 750 als Struktur 14 zeigt. Diese zeigt eine Schrägansicht des Querschnitts bei Schnitt in der Symmetrieebene. Die Hauptaspekte der Struktur sind die gleichen wie jene der Struktur 3. Der Unterschied zur Struktur 3 besteht darin, dass ein Ventilator 755 im Inneren des Hauptkörpers 751 vorgesehen ist, der das Gas rührt bzw. umwälzt.

In den Hauptkörper 751 ist ein Reformierkatalysator eingefüllt oder darin geträgert, und das von dem Zufuhranschluss 752 zugeführte Rohmaterialgas wird im Inneren des Hauptkörpers 751 reformiert und wird, nachdem der Wasserstoff extrahiert wurde, von dem Ausstoßanschluss 753 ausgestoßen. Das Spülgas wird zu dem Trennrohr 760 zugeführt und Wasserstoff wird von dem Hauptkörper 751 extrahiert.

Um eine Behinderung der Drehung des Ventilators 755 durch den Reformierkatalysator zu vermeiden, welcher den Hauptkörper 751 anfüllt, ist an der Vorderseite des Ventilators 755 eine Schablone 754 vorgesehen. Der Ventilator 755 wird durch einen Motor 756 angetrieben, welcher außerhalb des Hauptkörpers 751 vorgesehen ist. Hier haben wir ein Beispiel gezeigt, bei dem während des Betriebs der Brennstoffzelle 4 erzeugte überschüssige Wärme durch ein Peltier-Element 757 in Energie umgewandelt wird, um den Motor 756 anzutreiben. Der Motor 756 ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt und kann zudem unter Verwendung der Ausgabe von einer Batterie oder einer Brennstoffzelle angetrieben werden.

Wir werden die Wirkungen der Struktur 14 erläutern. Die 41 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Rührwirkung des Ventilators 755 zeigt. Diese zeigt die Veränderung über die Zeit im Wasserstoffpartialdruck nahe des Trennrohrs 760. Die durchgezogene Linie zeigt die Veränderungen, wenn der Ventilator 755 betrieben wird, und die gestrichelte Linie zeigt die Veränderungen, wenn der Ventilator 755 nicht betrieben wird.

Zu Beginn des Betriebs (Zustand A in der Figur) werden die Rohmaterialien in dem Hauptkörper 751 reformiert und Wasserstoff und Kohlenmonoxid werden erzeugt. An diesem Punkt ist der Wasserstoffpartialdruck nahe des Trennrohrs 760 relativ groß. Wasserstoff wird allmählich durch den Unterschied im Wasserstoffpartialdruck zwischen der Innenseite und der Außenseite des Trennrohrs 760 in das Trennrohr 760 extrahiert. Die Zustände B und C zeigen die Verteilung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, nachdem eine festgelegte Zeitspanne vergangen ist. Da Wasserstoff aus der Nähe des Trennrohrs 760 allmählich extrahiert wird, wenn der Ventilator 755 nicht betrieben wird (Zustand B), liegt nahe des Trennrohrs 760 hauptsächlich Kohlenmonoxid vor. Wie es in der Figur durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, nimmt anders gesagt der Wasserstoffpartialdruck nahe des Trennrohrs 760 über die Zeit allmählich ab. Wenn indessen die Gasmischung in dem Hauptkörper 751 unter Verwendung des Ventilators 755 gerührt wird, liegt selbst nachdem eine festgelegte Zeitspanne vergangen ist, ungefähr die gleiche Menge Wasserstoff wie zu Betriebsbeginn nahe des Trennrohrs 760 vor (Zustand C), und der Wasserstoffpartialdruck nimmt nicht ab. Bei der Struktur 14 ist es durch Rühren der Gasmischung in dem Hauptkörper 751 auf diese Weise möglich, einen Abfall im Wasserstoffpartialdruck nahe des Trennrohrs 760 zu unterdrücken, und es ist möglich, die Effizienz der Wasserstoffabtrennung beizubehalten.

Für die Struktur 14 ist es zudem möglich, Rohmaterialgas zu dem Trennrohr 760 zuzuführen und Spülgas zu dem Hauptkörper 751 zuzuführen. Der Hauptkörper 751 ist nicht mit einem Katalysator etc. befüllt, sodass es zudem akzeptabel ist, die Schablone 754 wegzulassen. Bei diesem Aufbau zeigt der Ventilator 755 die Wirkung, dass immer ein niedriger Wasserstoffpartialdruck nahe der Trennung 760 beibehalten wird, sodass es möglich ist, die Effizienz der Wasserstoffabtrennung beizubehalten.

H15. Struktur 15 (Struktur mit einem abnehmbaren Teil)

Die 42 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 800 als Struktur 15 zeigt. Diese zeigt eine Schrägansicht mit einem Schnitt in der Symmetrieebene. Die Hauptaspekte der Struktur sind die gleichen wie jene der Struktur 4. In dem Hauptkörper 801 strömt Spülgas von dem Zufuhranschluss 802 zu dem Ausstoßanschluss 803. Ein Reformierkatalysator ist in das Trennrohr 810 eingefüllt, und dieser reformiert das Rohmaterialgas. Allerdings besteht bei der Struktur 15 der Unterschied zur Struktur 4 darin, dass für die Wartung des Trennrohrs 810 ein abnehmbarer Teil 811 vorgesehen ist. Wie in der Figur gezeigt ist, kann der gekrümmte Teil des Trennrohrs 810 in der Achsenrichtung von der Verbindung mit dem geraden Teil herausgezogen werden. Durch Herausziehen des entfernbaren Teils 811 ist es möglich, eine Wartung wie etwa ein Austauschen des in diesen Teil eingefüllten Katalysators in einfacher Weise vorzunehmen. Wenn der entfernbare Teil 811 herausgezogen wird, ist es zudem einfach, den Katalysator im Inneren des geraden Teils des Trennrohrs 811 auszutauschen.

Der Körper 801 ist mit einem Deckel 804 auf der Seite versehen, an welcher der entfernbare Teil 811 herausgezogen wird, um diese Wartung möglich zu machen.

Während der Wartung wird der Deckel 804 entfernt und der entfernbare Teil 811 wird herausgezogen. Um den Luftabschluss beizubehalten, ist der Raum zwischen dem Deckel 804 und dem Hauptkörper 801 abgedichtet.

Zusätzlich zu den gleichen Vorteilen der Struktur 4 wie etwa einer Verbesserung der Effizienz der Wasserstoffabtrennung ergibt sich bei dem Mechanismus der Struktur 15 zudem der Vorteil einer hervorragenden Wartbarkeit. Dieser kann in effektiver Weise für Strukturen eingesetzt werden, bei denen im Trennrohr 810 ein Katalysator eingefüllt oder darin geträgert ist. Es ist zudem möglich, diesen für einen Aufbau einzusetzen, bei dem Spülgas zu dem Trennrohr 810 strömt und bei dem im Hauptkörper 801 reformiert wird. Es ist anzumerken, dass die Struktur 15 zudem für verschiedene Strukturen eingesetzt werden kann, bei denen ein Entfernen stromaufwärtig oder stromabwärtig des gekrümmten Teils möglich ist. Mit 42 haben wir ein Beispiel einer Struktur gezeigt, bei der das Herausziehen in der Achsenrichtung erfolgt, aber die Struktur ist nicht darauf beschränkt.

H16. Struktur 16 (Struktur, die einen Mechanismus zum Unterdrücken von thermischer Spannung einsetzt)

Die 43 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 900 als Struktur 16 zeigt. Diese zeigt ein Querschnittsdiagramm mit dem Schnitt in der Symmetrieebene. Wir haben ein Beispiel der Verwendung eines Faltenbalgs als Mechanismus zum Unterdrücken von Wärmespannung gezeigt, um eine Schädigung des Wasserstoff abtrennenden Rohrs aufgrund von Wärme während des Betriebs zu vermeiden.

Der Wasserstoff erzeugende und abtrennende Mechanismus 900 ist ausgestaltet, indem ein poröser Monolith 950 und ein Wasserstofftrennrohr 910 in ein Gehäuse eingebracht sind. Der poröse Monolith 950 weist darin geträgert einen Reformierkatalysator auf. Das Wasserstofftrennrohr 910 ist ein Rohr, welches durch ein poröses Trägermedium gebildet ist, in welchem ein Wasserstofftrennmetall geträgert ist. Die Strukturen von diesen sind die gleichen wie jene der Struktur 1 (siehe 24).

Das Gehäuse ist mit Befestigungsabdeckungen 901A und 901B an beiden Enden des Hauptkörpers 901 ausgestaltet, welcher an beiden Enden unter Verwendung des Bolzens 901C geöffnet ist. Zwischen die Hauptkörpern 901 und die Abdeckungen 901A und 901B sind Separatoren 930 und 931 eingeschoben, welche ein Austreten von Spülgas und Gasmischung verhindern. Das Wasserstofftrennrohr 910 weist ein SUS-Rohr 911 auf, welches an die Öffnungen beider Enden angebracht ist, und dies ist mit den in den Separatoren 930 und 931 vorgesehenen Löchern verbunden. Die Verbindung erfolgt über Faltenbälge 920 am Separator 930 auf der Seite, wo Spülgas zugeführt wird.

Der durch die Separatoren 930 und 931 abgetrennte Innenbereich wird zu dem Strömungspfad für das Rohmaterialgas. Wie es in der Figur gezeigt ist, tritt das von dem Zufuhranschluss 902M zugeführte Rohmaterialgas durch die Peripherie der Faltenbälge 920 und wird zu dem porösen Monolithen 950 zugeführt. Um eine Unsymmetrie in der Verteilung des Strömungsvolumens nahe des Einlasses des porösen Monolithen 950 zu unterdrücken, ist eine Drosselplatte 906 vorgesehen, welche zahlreiche Öffnungen aufweist. Das Rohmaterialgas, welches durch den porösen Monolithen 950 durchtritt, wird von dem Ausstoßanschluss 903M ausgestoßen. Die Drosselplatte 906 erzielt eine Führung, sodass der festgelegte Bewegungsbereich des SUS-Rohrs 911 geregelt ist. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Vibration.

Der von den Separatoren 930 und 931 abgetrennte Außenbereich wird zu dem Strömungspfad für das Spülgas. Wie es in der Figur gezeigt ist, wird das von dem Zufuhranschluss 902P zugeführte Spülgas durch die Faltenbälge 920 zu dem Wasserstofftrennrohr 910 zugeführt und wird von dem Ausstoßanschluss 903P ausgestoßen. Um eine Unsymmetrie in der Verteilung des Strömungsvolumens des Spülgases nahe des Einlasses der Faltenbälge 920 zu vermeiden, ist eine Drosselplatte 905 mit zahlreichen Öffnungen vorgesehen. Es ist anzumerken, dass die Durchmesser der Öffnungen der Drosselplatten 905 und 906 an jeder Stelle durch Experimentieren etc. eingestellt sind, um eine ungefähr gleichmäßige Verteilung des Strömungsvolumens zu erreichen. Die Öffnungsdurchmesser müssen nicht konstant sein.

Mit dem Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 900 der Struktur 16 ist es möglich, durch Einsatz der Faltenbälge 920 Wärmespannung zu unterdrücken. Dieser Mechanismus wird beim Betrieb heiß, sodass an dem Wasserstofftrennrohr 910 ein Wärmeverzug auftritt. Wenn beide Enden des Wasserstofftrennrohrs 910 eingeengt sind, tritt aufgrund dieses Wärmeverzugs eine Wärmespannung auf. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der Struktur 16 entsprechend dem Wärmeverzug ein Ausdehnen und Zusammenziehen der Faltenbälge 920, sodass es möglich ist, eine Wärmespannung zu unterdrücken. Daher ist es möglich, eine Schädigung etc. der Wasserstoffabtrennung 910 aufgrund von Wärmespannung zu vermeiden.

Bei dem Wasserstoff erzeugenden und trennenden Mechanismus 900 der Struktur 16 ist es durch die Wirkung der Drosselplatten 905 und 906 möglich, Spülgas und Rohmaterialgas ohne Unsymmetrie zuzuführen. Wenn die Querschnittsfläche des porösen Monolithen 950 und des Wasserstofftrennrohrs 910 größer als die Querschnittsfläche der Spülgas- und Rohmaterialgasrohre ist, gibt es viele Fälle, in denen in Abhängigkeit von der Position leicht ein Unterschied im Gasstrom auftritt. Dieser Unterschied führt zu einer Unsymmetrie in der Verteilung des Strömungsvolumens. Diese Unsymmetrie kann durch Vorsehen der Drosselplatten 905 und 906 unterdrückt werden. Durch ungefähr gleichmäßiges Zuführen von Gas ist es möglich, die Effizienz der chemischen Reaktionen und der Wasserstoffabtrennung zu verbessern.

Die Flatenbälge 920 und die Drosselplatten 905 und 906 der Struktur 16 können wie erforderlich selektiv eingesetzt werden. Es ist möglich, die Struktur ohne die Faltenbälge 920 auszugestalten, oder die Struktur ohne die Drosselplatten 905 und 906 auszugestalten. Bei der Struktur 16 ist es anstelle der Faltenbälge 920 zudem möglich, einen weiteren Mechanismus des Ausdehnens und Zusammenziehens vorzusehen.

H17. Struktur 17 (Variiertes Beispiel eines Mechanismus zum Unterdrücken von thermischer Spannung)

Die 44 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau des Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 900A als Struktur 17 zeigt. Diese zeigt ein Beispiel, bei dem eine Hochdruckdampfschicht als Mechanismus zum Unterdrücken von Wärmespannung anstelle der Faltenbälge der Struktur 16 vorgesehen ist.

Zwei Separatoren 930A und 930B sind auf der Gaszufuhrseite für den Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 900A vorgesehen. Der Hauptkörper 901 und ein Verbindungselement 901D sind verbunden, wobei ein Separator 930B sandwichartig eingeschlossen ist. Das Verbindungselement 901D und die Abdeckung 901A sind verbunden, wobei ein Separator 930A sandwichartig eingeschlossen ist. Dampf wird zu dem Verbindungselement 901D zugeführt. Der Druck dieses Dampfes ist höher eingestellt als der Druck des Spülgases oder des Rohmaterialgases.

Das Wasserstofftrennrohr 910 wird auf einer Seite durch den Separator 931 auf der Abgasseite gehalten. Das andere Ende ist ein freies Ende, und dieses durchdringt die Separatoren 930A und 930B und ist geöffnet. Wie es in der Figur gezeigt ist, strömt das von dem Zufuhranschluss 902P zugeführte Spülgas von jeder Öffnung des Wasserstofftrennrohrs 910 in ein Rohr. Der Aufbau der anderen Teile ist der gleiche wie jener der Struktur 16.

Die Dampfschicht des Verbindungselements 901D wirkt als Trennmechanismus, welcher ein Austreten von Spülgas und Rohmaterialgas zusammen mit den Separatoren 930A und 930B verhindert. Selbst wenn zwischen dem Wasserstofftrennrohr 910 und den Separatoren 930A und 930B ein Spalt existiert, ist der Druck des Dampfes höher als jener des Spülgases und des Rohmaterialgases, sodass diese Gase nicht in die Dampfschicht strömen.

Bei der Wasserstofferzeugung der Struktur 17 ist ein Ende des Wasserstofftrennrohrs 910 ein freies Ende, sodass keine Wärmespannung auftritt. Zudem ist es durch Ausnutzung der Wirkung der Dampfschicht möglich, ein Austreten von Spülgas und Rohmaterialgas leicht zu verhindern, während ein Ende des Wasserstofftrennrohrs 910 ein freies Ende ist.

Bei der Struktur 17 ist es zudem akzeptabel, Rohre aus einem anderen Material mit dem Wasserstofftrennrohr 910 zu verbinden und eine Länge einzusetzen, welche durch die Separatoren 930B und 930A hindurch treten kann. Zahlreiche, von Dampf verschiedene Inertgase können am Verbindungsstück 901D eingesetzt werden. Es ist zudem möglich, anstelle des Verbindungselements 901D eine Dichtung unter Verwendung eines Dichtungsrings, etc. einzusetzen.

Mit der Struktur 17 haben wir ein Beispiel für eine Struktur gezeigt, bei welcher die Drosselplatte weggelassen ist. Um eine gleichmäßige Verteilung des Strömungsvolumens zu halten, ist es zudem möglich, wie erforderlich eine Drosselplatte vorzusehen.

H18. Struktur 18 (Variiertes Beispiel eines Mechanismus zur Unterdrückung von thermischer Spannung)

Die 45 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 900B als Struktur 18 zeigt. Als Mechanismus zur Unterdrückung von Wärmespannung haben wir ein Beispiel gezeigt, bei dem anstelle der Faltenbälge der Struktur 16 ein Gleitrohr eingesetzt wird.

Wie es in der Figur gezeigt ist, ist ein äußeres Rohr 910C mit einem geringfügig größeren Durchmesser als jenem des Wasserstofftrennrohrs 910B mit einem Separator 930 verbunden, welcher zwischen den Hauptkörper 901 und die Abdeckung 901A eingesetzt ist. Ein Ende des Wasserstofftrennrohrs 910B ist in das äußere Rohr 910C eingeführt, und das andere Ende ist mit dem Separator 931 auf der Ausstoßseite verbunden. Der Raum zwischen dem äußeren Rohr 910C und dem Wasserstoffabtrenner 910B ist abgedichtet. Das Material des äußeren Rohrs 910C kann das gleiche Material wie jenes des Wasserstofftrennrohrs 910B oder ein anderes Material sein. Das von dem Zufuhranschluss 902P zugeführte Spülgas tritt durch das äußere Rohr 910C vom Separator 930 hindurch und wird zu dem Wasserstofftrennrohr 910B zugeführt. Die Struktur der anderen Teile bzw. Positionen ist die gleiche wie in der Struktur 16.

Bei dem Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus 900B der Struktur 18 kann das freie Ende des Wasserstofftrennrohrs 910B im Inneren des äußeren Rohrs 910C gleiten. Selbst wenn bei dem Wasserstofftrennrohr 910B Wärmeverzug auftritt, tritt daher keine Wärmespannung auf.

Mit der Struktur 18 haben wir eine Struktur gezeigt, bei der die Drosselplatte weggelassen ist. Es ist zudem möglich, wie erforderlich eine Drosselplatte vorzusehen, um eine gleichmäßige Verteilung des Strömungsvolumens zu erzielen.

H19. Struktur 19 (Variiertes Beispiel für einen Mechanismus zum Ausgleichen des Strömungsvolumens)

Die 46 ist ein erläuterndes Diagramm, welches den Aufbau eines Wasserstoff erzeugenden und abtrennenden Mechanismus als Struktur 19 zeigt. Die 19 zeigt nur den Bereich nahe des Zufuhranschlusses für Spülgas. Die anderen Teile sind die gleichen wie in Struktur 16.

Als Mechanismus zum Ausgleichen der Verteilung des Strömungsvolumens des zugeführten Gases ist bei der Struktur 19 anstelle der Drosselplatte der Struktur 16 eine Ablenkplatte 905A vorgesehen. Die Strömungsrichtung des von dem Zufuhranschluss 902P zugeführten Spülgases wird aus der Achsenrichtung durch die Ablenkplatte 905A um ungefähr 90 Grad in eine Seitenrichtung abgelenkt. Ablenkplatten 905A sind auf verschiedenen Niveaus vorgesehen, und die Verteilung des Strömungsvolumens des Spülgases wird durch Einsatz dieser Ablenkplatten 905A ausgeglichen. Daher wird ungefähr äquivalentes Spülgas zu jedem Wasserstofftrennrohr zugeführt.

Mit der Struktur 19 haben wir ein Beispiel gezeigt, bei dem Ablenkplatten 905A an drei Positionen vorgesehen sind. Unter dem Gesichtspunkt des Ausgleichens der Verteilung des Strömungsvolumens ist eine Vielzahl von Anordnungen für die Anzahl und die Position der Ablenkplatten 905A möglich. Bei der Struktur 19 war eine Ablenkplatte auf der Zufuhrseite des Spülgases vorgesehen, aber es ist zudem möglich, eine auf der Zufuhrseite des Rohmaterialgases vorzusehen.

Mit der Struktur 19 haben wir ein Beispiel gezeigt, bei dem Spülgas in der Achsenrichtung zugeführt wird. Es ist zudem möglich, dies im Falle des Zuführens aus einer seitlichen Richtung wie bei der Struktur 16 einzusetzen. Umgekehrt ist es bei der Struktur 16 zudem möglich, einen Zufuhranschluss in der Achsenrichtung vorzusehen, wie es in der 46 gezeigt ist. Für den Mechanismus zum Ausgleichen des Strömungsvolumens und den Mechanismus zum Unterdrücken von Wärmespannung ist es möglich, geeignete Kombinationen der verschiedenen Mechanismen einzusetzen, wie sie in den Strukturen 16 bis 19 gezeigt sind.

Vorstehend haben wir verschiedene Bezugs- und Arbeitsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt, und es ist offensichtlich, dass verschiedene Strukturen eingesetzt werden können.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT

Die vorliegende Erfindung kann eingesetzt werden, um die Abtrennleistung für Wasserstoff zu verbessern und die Vorrichtung für Vorrichtungen kompakter auszugestalten, welche aus festgelegten Rohmaterialien, die Wasserstoffatome enthalten, wie etwa Kohlenwasserstoff, Alkohol, Ether und Aldehyd, ein wasserstoffreiches Brenngas erzeugen.


Anspruch[de]
Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22), der in einem Gas enthaltenen Wasserstoff selektiv weiterleitet, wobei der Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) dadurch gekennzeichnet ist, dass:

er ein poröses Trägermedium (17) und ein im Inneren der Poren des porösen Trägermediums (17) geträgertes Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) aufweist und

dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Katalysator, welcher für eine chemische Reaktion eingesetzt werden kann, welche aus einem vorgegebenen Wasserstoffrohmaterial Wasserstoff erzeugt, des Weiteren in den Poren im Inneren des porösen Trägermediums (17) geträgert ist.
Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) das Innere des porösen Trägermediums (17) füllt. Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) im Inneren der Poren in der Form einer dünnen Schicht geträgert ist. Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten aus dem Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) und dem Katalysator im Inneren des porösen Trägermediums (17) ausgebildet sind. Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator größere Diffusionseigenschaften als das Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) aufweist. Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Struktur des porösen Trägermediums (17) sich bezüglich der Schicht, in welcher das Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) geträgert ist, und der Schicht, in welcher der Katalysator geträgert ist, unterscheidet. Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht, in welcher das Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) geträgert ist, und die Schicht, in welcher der Katalysator geträgert ist, aus porösen Trägermedien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gebildet sind. Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in der Dickenrichtung uneben ausgebildete Oberfläche. Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Oberfläche in der Dickenrichtung mit einem porösen Material verbunden ist, welches eine Dicke aufweist, die eine mechanische Festigkeit sicherstellen kann. Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftrennverbunds (12, 12A, 12B, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welcher selektiv Wasserstoff in einem Gas weiterleitet, wobei das Herstellungsverfahren aufweist:

einen Vorgang des Ausbildens eines porösen Trägermediums (17),

einen Vorgang des Erzeugens einer Lösung, welche das Wasserstofftrennmetall und den Katalysator enthält, und

einen Vorgang des Imprägnierens des porösen Trägermediums (17) mit der Lösung und dann des Abscheidens des Wasserstofftrennmetalls und des Katalysators in den Poren des porösen Trägermediums (17).
Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftrennverbunds (12, 12A, 12B, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der selektiv Wasserstoff in einem Gas weiterleitet, wobei das Herstellungsverfahren aufweist:

einen Vorgang des Ausbildens eines porösen Trägermediums (17),

einen Vorgang des Verfeinerns des Katalysators und des Wasserstofftrennmetalls (14, 14A, 14B) zu einem Durchmesser gleich zu oder kleiner als jenem der Poren des porösen Trägermediums (17), des Vermengens mit einem organischen Lösungsmittels und des Erzeugens einer viskosen Paste, welche in die Poren eindringen kann, und

einen Vorgang des Auf- bzw. Einbringens der Paste auf und in das poröse Trägermedium (17), gefolgt von Glühen, und dann des Trägerns des Wasserstofftrennmetalls und des Katalysators im Inneren der Poren des porösen Trägermediums (17).
Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftrennverbunds (12, 12A, 12B, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der selektiv Wasserstoff in einem Gas weiterleitet, wobei das Herstellungsverfahren aufweist:

einen Vorgang des Erzeugens einer Mischung aus den feinen Teilchen (13), welche das poröse Trägermedium (17) ausbilden, feiner Teilchen des Katalysators und des Wasserstofftrennmetalls (14, 14A, 14B) sowie eines organischen Lösungsmittels und

einen Vorgang des Formens der Mischung, ihres Glühens und des Trägerns des Wasserstofftrennmetalls und des Katalysators im Inneren der Poren des porösen Trägermediums (17).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, wobei es vor dem Vorgang des Erzeugens der Mischung einen Vorgang des Trägerns der feinen Teilchen aus der zu trägernden Substanz in den feinen Teilchen (13) gibt, welche das poröse Trägermedium (17) ausbilden. Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftrennverbunds (12, 12A, 12B, 22) nach Anspruch 10, der selektiv Wasserstoff in einem Gas weiterleitet, wobei das Herstellungsverfahren einen weiteren Vorgang des Ausbildens einer dünnen Schicht aus dem Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) im Inneren der Poren durch Glühen des porösen Trägermediums (17) aufweist. Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftrennverbunds (12, 12A, 12B, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der selektiv Wasserstoff in der Gasmischung weiterleitet, wobei das Herstellungsverfahren aufweist:

(a) einen Vorgang des Ausbildens eines ersten porösen Trägermediums, in welchem das Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) in den Poren geträgert wird,

(b) einen Vorgang des Ausbildens eines zweiten porösen Trägermediums, in welchem der Katalysator, welcher für die chemische Reaktion eingesetzt wird, in den Poren geträgert wird, und

(c) einen Vorgang des Verbindens des ersten und des zweiten porösen Trägermediums zu einem Körper.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, wobei es vor dem Vorgang (c) einen Vorgang des Glühens des ersten porösen Trägermediums und des Ausbildens einer dünnen Schicht aus dem Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) im Inneren der Poren des ersten porösen Trägermediums gibt. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, wobei das Herstellungsverfahren aufweist:

einen Vorgang unter Einsatz einer zentrifugalen Trennung, um die Verteilung einer jeden Art der feinen Teilchen in der Mischung zu beeinflussen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 17, wobei wenigstens zwei Arten von feinen Teilchen mit unterschiedlichem spezifischen Gewicht in den feinen Teilchen enthalten sind, welche den porösen Träger bilden. Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftrennverbunds (12, 12A, 12B, 22) nach einen der Ansprüche 1 bis 9, welcher selektiv Wasserstoff in der Gasmischung weiterleitet, wobei das Herstellungsverfahren aufweist:

einen Vorgang des Ausbildens eines porösen Trägermediums (17),

einen Vorgang des Imprägnierens des porösen Trägermediums (17) mit einer Lösung, die entweder das Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) oder den Katalysator enthält,

einen Vorgang des Beeinflussens der Verteilung der Lösung in der Dickenrichtung und dann des Ausfällens des Wasserstofftrennmetalls und des Katalysators durch Einstellen einer Umgebung, welche wenigstens eine der folgenden zwei Bedingungen erfüllt, für das mit der Lösung imprägnierte poröse Trägermedium (17): die Bedingung, dass es zwischen dem Flüssigkeitsdruck, welcher auf einer Seite der Dickenrichtung wirkt, und dem Flüssigkeitsdruck, welcher auf der anderen Seite wirkt, einen Unterschied gibt, und die Bedingung, dass eine Zentrifugalkraft in der Dickenrichtung ausgeübt wird, und

einen Vorgang des Imprägnierens des porösen Trägermediums mit einer Lösung, welche das andere von dem Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) und dem Katalysator enthält, und dann des Abscheidens von diesem im Inneren der Poren.
Brenngas erzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Brenngases aus vorgegebenen Wasserstoffrohmaterialien, wobei die Brenngas erzeugende Vorrichtung aufweist:

einen Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der selektiv Wasserstoff in einem Gas weiterleitet,

eine Zufuhreinheit, welche eine Gasmischung zuführt, die Wasserstoff enthält, der in dem Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) unter Einsatz einer chemischen Reaktion aus den Wasserstoffrohmaterialien erzeugt wurde, und

eine Extraktionseinheit, welche Wasserstoff extrahiert, der von dem Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) abgetrennt wurde,

wobei der Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) ein poröses Trägermedium (17) und ein in den Poren im Inneren des porösen Trägermediums (17) geträgertes Wasserstofftrennmetall (14, 14A, 14B) aufweist,

die Zufuhreinheit einen Aufbau aufweist, bei dem die Querschnittsfläche des Strömungspfades, welcher die Gasmischung zuführt, in stromabwärtiger Richtung enger wird, und

die Extraktionseinheit einen Aufbau aufweist, bei dem die Querschnittsfläche des Strömungspfades, welcher das Brenngas trägt, sich in stromabwärtiger Richtung aufweitet.
Brenngas erzeugende Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei

der Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) des Weiteren mit einer Katalysatorschicht ausgerüstet ist, in welcher ein Katalysator geträgert ist, der für die chemische Reaktion eingesetzt wird, welche aus den vorgegebenen Wasserstoffrohmaterialien Wasserstoff erzeugt, und

der Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) auf solch eine Weise angeordnet ist, dass sich die Schicht, in welcher der Katalysator geträgert ist, im Kontakt mit der Seite der Zufuhreinheit befindet.
Brenngas erzeugende Vorrichtungen nach Anspruch 20, wobei

die Brenngas erzeugende Vorrichtung mit einer ein Trägergas zuführenden Einheit ausgerüstet ist, in welcher Trägergas, welches Wasserstoff trägt, zu der Extraktionseinheit strömt, und

die Strömungsrichtung des Trägergases der Strömungsrichtung der Gasmischung in der Zufuhreinheit entgegengesetzt ist.
Brenngas erzeugende Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei

die Zufuhreinheit ein Mechanismus ist, welcher die Gasmischung durch Vermengen von Wasserstoffrohmaterialien und Dampf erzeugt, und

wobei das Trägergas Dampf ist.
Brenngas erzeugende Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei

die Zufuhreinheit ein Mechanismus ist, welcher die Gasmischung aus Wasserstoffrohmaterialien erzeugt, und

das Trägergas ein Gas ist, welches durch Verdampfen der Wasserstoffrohmaterialien erzeugt wird.
Brenngas erzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Brenngases aus vorgegebenen Wasserstoffrohmaterialien, wobei die Brenngas erzeugende Vorrichtung aufweist:

einen Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der selektiv Wasserstoff in einem Gas weiterleitet,

eine Zufuhreinheit, welche eine Gasmischung, die Wasserstoff enthält, welcher unter Verwendung einer chemischen Reaktion aus dem Wasserstoffrohmaterial erzeugt wurde, zu dem Wasserstofftrennverbund (12, 12A, 12B, 22) zuführt, und

eine Extraktionseinheit, welche Wasserstoff extrahiert, der unter Verwendung des Wasserstofftrennverbunds (12, 12A, 12B, 22) abgetrennt wird, und

wobei die Zufuhreinheit und die Extraktionseinheit dazu geeignet sind, den Druck so einzustellen, dass der Wasserstoffpartialdruck der Zufuhreinheit höher ist als der Wasserstoffpartialdruck der Extraktionseinheit und dass der Gesamtdruck auf der Zufuhrseite niedriger ist als der Gesamtdruck auf der Extraktionsseite.
Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Elektrizität unter Verwendung von Brenngas, welches Wasserstoff enthält, das durch Zersetzen von vorgegebenen Wasserstoffrohmaterialien unter Verwendung einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung erzeugt wurde, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist:

die Brenngas erzeugende Vorrichtung nach Anspruch 20,

eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle und

eine Entfeuchtungseinheit, welche den Partialdruck des Dampfes in dem durch die Brenngas erzeugende Vorrichtung erzeugten Brenngas auf einen vorgegebenen Wert oder niedriger verringert und diesen zu der Brennstoffzelle zuführt.
Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Elektrizität unter Verwendung von Brenngas, welches Wasserstoff enthält, das durch Zersetzen von vorgegebenen Wasserstoffrohmaterialien unter Verwendung einer Brenngas erzeugenden Vorrichtung erzeugt wurde, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist:

die Brenngas erzeugende Vorrichtung nach Anspruch 20 und

eine Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp.






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