[发明专利]具有接合层的膜布置

说明书

本发明涉及一种用于从流体混合物中渗透分离流体的膜布置，所述膜布置包括多孔的、流体可渗透的、金属支撑衬底(2)；膜(8)，所述膜位于支撑衬底(2)上并且可选择的使要分离的流体渗透；连接部(6)，所述连接部至少构成在流体密封的表面上；金属材料，其中支撑衬底(2)沿金属材料的外围部分(3)粘接至连接部(6)；陶瓷的、流体可渗透的、多孔的第一中间层(10)，所述第一中间层位于支撑衬底(2)和膜(8)之间。在此，至少一个陶瓷接合层(14)直接位于连接部(6)和粘接部(4)上，并且至少在粘接部(4)和连接部(6)的接合部分上延伸。第一中间层(10)在接合层(14)上结束，并且第一中间层的平均孔尺寸大于接合层(14)。

本发明涉及一种用于从流体混合物中渗透分离流体的膜布置，特别是从气体混合物中渗透分离气体，所述膜布置包括多孔的、流体可渗透的，特别是气体可渗透的、金属支撑衬底；膜，所述膜位于支撑衬底上并且可选择的使要分离的流体(特别是气体)渗透；连接部，所述连接部至少构成在流体密封(特别是气密)的表面上；金属材料，其中支撑衬底沿金属材料的外围部分粘接至连接部；以及还包括陶瓷的、流体可渗透的(特别是气体可渗透的)、多孔的第一中间层，所述第一中间层位于支撑衬底和膜之间。本发明进一步涉及一种用于生产这种膜布置的方法。

这种类型的膜布置通常用于从流体混合物中可选择的分离流体(液体，气体)，特别是从气体混合物中可选择的分离气体，特别是从包含氢气的气体混合物(例如水蒸气重整的天然气)中分离氢气。本文的属于流体指代液体，气体，或者液体和气体的混合物。已知，能够利用仅对于特别原子或分子(例如H₂)可选择的渗透的特别材料的性质，将特别材料作为薄片(“膜”使用)，例如，作为支撑件上的层或作为自立膜，用于细分来自要分离的流体(特别是气体)的流体空间(特别是气体空间)的流体混合物的流体空间(特别是气体空间)。例如，如果具有特别的要分离的气体的分压(例如具有特别的H₂分压)的气体混合物被供应至膜的一侧，要分离的气体的原子/分子尝试通过膜以到达膜的另一侧直到两侧的要分离的气体的分压相同。膜区域能够将要分离的气体的特定气体流量指定为所谓的性能参数。通常真实的是，至少在金属膜的情况下，膜越薄，操作温度越高，分离的气体(例如H₂)的特定气体流量就越高。当要分离的是液体时，应用大致相似的要求。为此原因，需要使用非常薄的膜，以便在理想的空气流量下保持设备尽可能的小，并因此减小设备的成本。由于在几个μm(微米)的区域中的薄膜具有极小的形状稳定性和刚度，薄膜经常被配置为多孔的、流体可渗透的(特别是气体可渗透的)、管状的或平坦的支撑衬底上的层，这保证了流体供应至膜和/或远离膜的流体传输(特别是气体传输)并且提供了用于膜应用的平面表面。与陶瓷材料相比，用于支撑衬底的金属材料具有低生产成本并且相对简单的(例如通过焊接或钎焊)接合至金属连接部，所述金属连接部至少在表面上是流体密封的(特别是气密)。这样，膜布置能够经由连接部集成至模块(具有多个膜布置的类型)或者更通常集成至其中进行流体分离的设备。在支撑衬底和膜之间具有陶瓷的、流体可渗透的(特别是气体可渗透的)、多孔的第一中间层，所述第一中间层用于避免扩散效应，并且在多种情况下，还用于实现从技术支撑衬底至膜的孔尺寸的逐步减小。

从多孔的支撑衬底经由粘接至不可渗透的连接部的金属表面的过渡在上述层的应用中存在很大的挑战。在该过渡区域中，需要保证两个流体空间(特别是气体空间)的流体密封(特别是气密)分离，除了要分离的流体(特别是气体)，至少在流体混合物(特别是气体混合物)中没有另外流体(特别是气体)。然而，由于多种材料过渡和不时持续发生层的剥落，该过渡区域具有机械弱点。

专利US8,753,433B2中描述了一种用于生产该不可渗透的过渡区域的变型例。在此，膜从支撑衬底伸出至连接部之上并且在连接部上直接结束。设置在支撑衬底和膜之间的中间层延伸至支撑衬底和连接部之间的接合区域之上，但是在膜之前，在连接部的方向上的延伸结束。如专利JP2014-046229A中所述，膜布置中的不可渗透层在过渡区域中在多孔的，陶瓷支撑衬底和气密的、陶瓷连接部上延伸，并且在结束之前，膜在连接部上延伸。