DE112010000826T5 - Elektrisches Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff und Verfahren zum Speichern von elektrischem Strom unter Verwendung von Wasserstoff - Google Patents

Elektrisches Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff und Verfahren zum Speichern von elektrischem Strom unter Verwendung von Wasserstoff Download PDF

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Yoshiyasu Ito
Shigeo Kasai
Yasuo Takagi
Tsuneji Kameda
Kentaro Matsunaga
Masato Yoshino
Daisuke Horikawa
Kazuya Yamada
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Abstract

Elektrisches Stromspeichersystem30, umfassend eine Stromerzeugungseinheit, die Strom unter Verwendung von Wasserstoff und oxidierendem Gas erzeugt, und eine Elektrolyseeinheit (Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung11), die Dampf elektrolysiert. Das elektrische Stromspeichersystem30umfasst eine Wasserstoffspeichereinheit12, die Wasserstoff, der durch die Elektrolyse erzeugt wurde, speichert und Zuführen des Wasserstoffs zu der Stromerzeugungseinheit während der Stromerzeugung, eine Hochtemperaturwärmespeichereinheit13, die Hochtemperaturwärme, die bei der Stromerzeugung erzeugt wurde, speichert und Zuführen der Wärme zu der Elektrolyseeinheit während der Elektrolyse und eine Niedertemperaturwärmespeichereinheit31, die Niedertemperaturwärme speichert, die bei der Hochtemperaturwärmespeichereinheit13ausgetauscht wird, und Erzeugen mit dieser Wärme den Dampf, der zu der Elektrolyseeinheit zugeführt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff und ein Verfahren zum Speichern von elektrischem Strom unter Verwendung von Wasserstoff
  • Hintergrund
  • In dem Fall, bei dem ein hoher Unterschied beim Stromverbrauch zwischen Tagzeit und Nachtzeit vorliegt, oder in dem Fall eines Stromsystems mit zahlreichen miteinander verbundenen Windstromanlagen, dessen Stromerzeugungspotenzial in Abhängigkeit von den Windbedingungen variiert, wird eine Stromspeichervorrichtung benötigt, die überschüssigen Strom in der Nachtzeit oder dergleichen speichert und Elektrizität während der Tagzeit abführt, wenn der Strom knapp wird, um einer Spitzenbelastung zu entsprechen, um eine Stromerzeugungsanlage effektiv zu verwenden. Die repräsentativste Anlage ist eine Pumpspeicherwasserkraftanlage. In dieser Anlage wird Wasser zu einem oberen Staudamm während der Nachtzeit gepumpt, um wirksam überschüssigen Strom während der Nachtzeit zu speichern, und Strom wird mit einem hydraulischen Turbinengenerator unter Verwendung des gespeicherten Wassers in den Tagzeitstunden erzeugt, wenn der Stromverbrauch hoch ist, um der Spitzenbelastung während der Tagzeit zu entsprechen.
  • Die Pumpspeicherwasserkraftanlage weist eine gute Ansprechempfindlichkeit als eine große Stromerzeugungseinrichtung auf und nimmt somit die zentrale Rolle des Ausgleichens von Belastungen der Stromsysteme ein. Allerdings ist die Stromspeichertechnologie, die die Pumpspeicherwasserkraftanlage verwendet, bezüglich geographischer Bedingungen, wie, ob es möglich ist, einen Fluss oder Seewasser zu verwenden, ob es möglich ist, einen Staudamm zu bilden, und so weiter, begrenzt. Es liegt eine weitere Begrenzung insofern vor, dass sie nicht anwendbar ist, es sei denn, die Input/Outputkapazität des Systems beträgt im Minimum 200 MW.
  • Als eine relativ große Stromspeichereinrichtung, die sich von der Pumpspeicherwasserkraftanlage unterscheidet, sind Stromspeichervorrichtungen, die Wasserstoff verwenden, bekannt. Referenzen 1, 2 beschreiben eine Stromspeichervorrichtung, die elektrolysierende und stromerzeugende Mittel umfasst mit einem Festoxidelektrolyten und Kombinieren einer Dampfelektrolysezelle und einer Brennstoffzelle. Eine Festelektrolytbrennstoffzelle kann Strom durch Zugabe von Sauerstoff und Wasserstoff erzeugen. Ferner ist es als Rückreaktion auch möglich, eine Spannung an den zugeführten Dampf anzulegen, um ihn zu elektrolysieren, um Sauerstoff und Wasserstoff zu erhalten. Unter Verwendung dieses Prinzips wird Dampf durch überschüssigen Strom elektrolysiert, um Wasserstoff zu erzeugen, und der Wasserstoff wird verwendet, um Strom zu erzeugen, wenn Strom benötigt wird.
  • Als eine herkömmliche Wärmespeichertechnik sind Techniken, die in Referenz 3 bis Referenz 6 beschrieben werden, bekannt. Referenz 3 und Referenz 4 beschreiben eine Vorrichtung derart, dass Abwärme bei 200°C oder weniger in einem latenten Wärmespeichermaterial, wie Natriumacetat-3-Hydrat oder Magnesiumchlorid-6-Hydrat, gespeichert wird, und Wärme wird zwischen dem latenten Wärmespeichermaterial und einem Wärmemedium ausgetauscht, um die Abwärme zu verwenden. Referenz 5 beschreibt eine Wärmespeichertechnik, die für die Solarstromerzeugung angewendet wird, bei der geschmolzene Salze die jeweiligen Temperaturen von 649°C oder höher, 816°C oder höher, 927°C oder höher und 982°C oder höher entsprechen, als ein Wärmespeichermaterial verwendet werden. Referenz 6 beschreibt eine Wärmespeichereinheit, bei der ein geschmolzenes Salz als ein Wärmespeichermaterial in einen porösen keramischen Behälter gefüllt wird.
  • Bei Stromspeichervorrichtungen, die Wasserstoff verwenden, wird Wärme, die hauptsächlich während der Stromerzeugung erzeugt wird, wirksam verwendet, und es ist wichtig, wie Wärme, die für die Elektrolyse erforderlich ist, zugeführt wird. Bei der Referenz 1 wird Wärme, die hauptsächlich während der Stromerzeugung erhalten wird, für die Klimatisierung verwendet. Allerdings kann bei einer Klimatisierungsvorrichtung Wärme nur in die Nachbarschaft zugeführt werden und Anforderungen für die Klimatisierung stimmen nicht immer mit der erzeugten Wärmemenge überein. Somit kann die Wärme nicht immer wirksam verwendet werden. Referenz 2 beschreibt, dass Wärme, die während der Stromerzeugung erzeugt wird, in einem Wärmeakkumulator gespeichert wird, und die gespeicherte Wärme wird verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen. Auch in diesem Fall kann nicht gesagt werden, dass die wirksame Verwendung der Wärme, die während der Stromerzeugung erzeugt wurde, immer hoch ist.
  • Im Übrigen werden in einer Stromspeichervorrichtung oder einer Wärmespeichervorrichtung keramische Elemente verwendet, die sich bei der Wärmebeständigkeit, Festigkeit, Zähigkeit und so weiter auszeichnen. Ferner werden keramische Elemente in verschiedenen Vorrichtungen als ein wärmebeständiges Element, abrasionsbeständiges Element, Präzisionsmaschinenelement und so weiter verwendet. In den letzten Jahren bezieht sich die Anwendung von hauptsächlich nichtoxid-basierenden keramischen Elementen aus Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), und dergleichen, in Richtung auf Vorrichtungsteile für die Halbleiterherstellung, Teile für Energieausrüstung von Nuklearenergie oder einer Gasturbine, strukturelle Teile für die Raumfahrt, Automobilteile, wie Maschinenteile und Abgasfilter, Wärmetauscherteile, Pumpteile, mechanische Dichtungsteile, Lagerteile, Gleitteile und so weiter.
  • Keramische Elemente kontrahieren im Allgemeinen zu etwa 20% während dem Sintern und somit ist es schwierig, große Teile und komplizierte Formteile damit herzustellen. Dementsprechend wurden Versuche unternommen, eine Vielzahl von keramischen Elementen herzustellen und diese miteinander zu verbinden, um ein großes Teil oder ein Teil mit einer komplizierten Form herzustellen. Als ein Verfahren zum Verbinden von keramischen Elementen wurde ein Verfahren vorgeschlagen, eine Vielzahl von keramischen Elementen unter Verwenden einer Reaktion des Sinterns eines Siliziumkarbids (siehe Referenzen 7, 8) zu verbinden.
  • Referenz 7 und Referenz 8 offenbaren ein Verfahren, um eine Vielzahl von keramischen Elementen zu verbinden, die aus einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper oder dergleichen gebildet sind, über eine Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Materialschicht (Verbindungsschicht). In Referenz 7 werden, nachdem eine Vielzahl der keramischen Elemente miteinander mit einem organischen harz-basierenden Haftstoff verbunden wurden, die verbundenen Teile mit geschmolzenem Silizium imprägniert. Die Verbindungsschicht wird aus Siliziumkarbidteilchen gebildet, die auf der Reaktion zwischen Kohlenstoff in dem organischen Harz und dem geschmolzenen Silizium basieren, und eine Siliziumphase liegt in Zwischenräumen zwischen den Teilchen vor.
  • In der Referenz 8 wird, nachdem eine Vielzahl von keramischen Elementen mit einem Haftstoff, der ein Siliziumkarbidpulver, eine Kohlenstoffpulver und ein organisches Harz enthält, verbunden werden, der verbundene Teil mit geschmolzenem Silizium imprägniert. In diesem Fall enthält zusätzlich zu den Siliziumkarbidteilchen, basierend auf dem Siliziumkarbidpulver in dem Haftstoff, die Verbindungsschicht Siliziumkarbidteilchen, basierend auf der Reaktion zwischen Kohlenstoffinhalten in dem Kohlenstoffpulver und dem organischen Harz und dem geschmolzenen Silizium, und die Siliziumphase wird hergestellt, um in Zwischenräumen unter diesen Siliziumkarbidteilchen vorzuliegen. In jedem Fall wird ein thermohärtbares Harz als organisches Harz als eine Haftvermittlungskomponente und eine viskose Komponente in dem Haftmittel verwendet.
  • Durch das oben beschriebene Verbindungsverfahren existiert eine freie Siliziumphase in Zwischenräumen unter den Siliziumkarbidteilchen, die die Verbindungsschicht (Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Materialschicht) bilden, was die Dichte oder die mechanischen Eigenschaften der Verbindungsschicht verbessert. Somit kann die Verbindungsfestigkeit zwischen einer Vielzahl von keramischen Elementen verstärkt werden. Allerdings ist es, da der Haftstoff nach den Referenzen 7, 8 ein thermohärtbares Harz verwendet, notwendig, das thermohärtbare Harz durch Wärmebehandlung zu härten, wenn ein geformtes Produkt erhalten wird, hergestellt durch zuvoriges Verbinden einer Vielzahl von keramischen Elementen (ein geformtes Produkt, bevor es mit geschmolzenem Silizium imprägniert wird). Das thermohärtbare Harz wird weich, während es erwärmt wird, und somit ist es möglich, dass eine Verschiebung oder dergleichen in einem verbundenen Teil des geformten Produkts auftritt, was es unmöglich macht, dessen beabsichtigte Form beizubehalten.
  • Somit, um die Form eines zuvor geformten Produkts beizubehalten oder insbesondere die Form eines verbundenen Teils durch Verwendung eines Haftmittels während der Härtebehandlung oder für das thermohärtbare Harz ist es notwendig, das zuvor geformte Produkt mit einem Hilfsmittel zu fixieren. Das Hilfsmittel zum Fixieren des zuvor geformten Produkts muss gemäß den Formen und Größen der verschiedenen Typen an Teilen hergestellt werden und wird somit ein Hauptgrund bei der Erhöhung der Herstellungskosten und der Zahl der Herstellungsverfahren von keramischen Kompositelementen, wie Verbundelemente. Ferner, sogar wenn das zuvor geformte Produkt mit einem Hilfsmittel fixiert wird, kann die Dicke des verbundenen Teils unkontrollierbar sein, und eine Dispersion bei der Dicke in dem endgültigen Verbindungsteil kann auftreten, was die Materialeigenschaften, einschließlich der Verbindungsfestigkeit, vermindert.
  • Patentreferenzen
    • Referenz 1: Japanisches Patent Nr. 3253985
    • Referenz 2: JP-A 4-349356 (KOKAI)
    • Referenz 3: JP-A 2007-132568 (KOKAI)
    • Referenz 4: JP-A 2007-132569 (KOKAI)
    • Referenz 5: JP-A 2008-014627 (KOKAI)
    • Referenz 6: US-Patent Nr. 4993481
    • Referenz 7: JP-A 2005-022905 (KOKAI)
    • Referenz 8: JP-A 2008-167830 (KOKAI)
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein elektrisches Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff bereitzustellen und ein Verfahren zum Speichern des elektrischen Stroms unter Verwendung von Wasserstoff, was ermöglicht, die Gesamtwirksamkeit zu erhöhen, indem Wärme, die durch Stromerzeugung in einem elektrischen Stromspeichersystem erzeugt wird, das Wasserstoff speichert, der während der Elektrolyse von Dampf erzeugt wird und anschließend den Wasserstoff für die Stromerzeugung verwendet, wirksam verwendet wird. Eine weitere Aufgabe ist es, ein keramisches Verbindungsmaterial, das bei der Herstellung von Kompositelementen verschiedener Formen anwendbar ist, und zu ermöglichen, die Materialeigenschaften eines Kompositelements zu verbessern, ohne die Herstellungskosten und die Anzahl der Herstellungsschritte eines keramischen Kompositelements zu erhöhen, ein Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements unter Verwendung des keramischen Verbindungsmaterials und ein keramisches Kompositelement, bereitzustellen.
  • Ein elektrisches Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt ein eine Stromerzeugungseinheit, die Strom unter Verwendung von Wasserstoff und oxidierendem Gas erzeugt, eine Elektrolyseeinheit, die Dampf elektrolysiert, um Wasserstoff zu erzeugen, eine Wasserstoffspeichereinheit, die Wasserstoff speichert, der durch die Elektrolyse erzeugt wurde, und Zuführen des Wasserstoffs zu der Stromerzeugungseinheit während der Stromerzeugung, eine Hochtemperaturwärmespeichereinheit, die erste Wärme speichert, die bei der Stromerzeugung erzeugt wurde, und Zuführen der ersten Wärme zu der Elektrolyseeinheit während der Elektrolyse, und eine Niedertemperaturwärmespeichereinheit, die zweite Wärme speichert, die bei der Hochtemperaturwärmespeichereinheit ausgetauscht wurde und die niedriger ist als die Temperatur der ersten Wärme, die bei der Hochtemperaturwärmespeichereinheit gespeichert wird, und die mit der zweiten Wärme den Dampf, der zu der Elektrolyseeinheit zugeführt wird, erzeugt.
  • Ein Verfahren zum Speichern des elektrischen Stroms unter Verwendung von Wasserstoff gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt einen Stromerzeugungsschritt ein des Erzeugens von Strom unter Verwendung von Wasserstoff und oxidierendem Gas, einen Elektrolyseschritt des Elektrolysierens von Dampf, um Wasserstoff zu erzeugen, einen Wasserstoffspeicherschritt des Speicherns von Wasserstoff, der durch den Elektrolyseschritt erzeugt wurde, derart, um den Wasserstoff zu dem Stromerzeugungsschritt zuzuführen, einen ersten Wärmespeicherschritt des Speicherns von erster Wärme, die bei der Stromerzeugung erzeugt wird, derart, um die erste Wärme zu dem Elektrolyseschritt zuzuführen, und einen zweiten Wärmespeicherschritt des Speicherns von zweiter Wärme, die in dem ersten Wärmespeicherschritt ausgetauscht wird und die niedriger ist als die Temperatur der ersten Wärme, die in dem ersten Wärmespeicherschritt gespeichert wird, derart, um den Dampf zu erzeugen, der zu dem Elektrolyseschritt zugeführt wird.
  • Ein keramisches Verbindungsmaterial gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mischung, die ein Siliziumkarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm, ein Kohlenstoffpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm, und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz mit einer Viskosität und Haftfähigkeit, und ein Härtemittel des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes, das die Mischung härtet, enthält, wobei das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers zu allen Pulverkomponenten in dem Verbindungsmaterial im Bereich von 18% bis 60% liegt.
  • Ein Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt ein das Anordnen zwischen/unter einer Vielzahl von keramischen Körpern oder auf einem Teil eines keramischen Körpers ein viskoses Material, hergestellt durch Mischen einer Mischung, die ein Siliziumkarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm, ein Kohlenstoffpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz mit einer Viskosität und Haftfähigkeit enthält, mit einem Härtemittel des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes, das die Mischung härtet, Härten des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes, um ein geformtes Produkt mit einem verfestigten Körper des viskosen Materials, angehaftet an die keramischen Körper, Wärmebehandeln des geformten Produkts, um ein gehärtetes Produkt des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes zu karbonisieren, um zu veranlassen, dass der verfestigte Körper des viskosen Materials porös wird, und Herstellen eines keramischen Kompositelements mit einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körperteil, gebildet durch Imprägnieren von wenigstens des porösen verfestigten Körpers des viskosen Materials mit geschmolzenem Silizium, wodurch veranlasst wird, dass Kohlenstoffkomponenten in dem verfestigten Körper mit dem geschmolzenen Silizium reagieren, und Belassen eines Teils des geschmolzenem Siliziums als eine Siliziumphase.
  • Ein keramisches Kompositelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch das Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung hergestellt.
  • Effekt der Erfindung
  • In einem elektrischen Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff und einem Verfahren zum Speichern des elektrischen Stroms unter Verwendung von Wasserstoff gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nicht nur Wasserstoff, der während der Elektrolyse von Dampf erzeugt wird, gespeichert und während der Stromerzeugung verwendet wird, sondern auch Wärme, die während der Stromerzeugung erzeugt wird, gespeichert und wirksam während der Elektrolyse verwendet. Somit ist es möglich, die Speichereffektivität des Stroms umfangreich zu verbessern.
  • Ein keramisches Verbindungsmaterial gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet ein bei Raumtemperatur härtbares Harz als ein Harz, um Viskosität und Haftfähigkeit hinzuzufügen, und somit kann die Form eines zuvor geformten Produkts leicht aufrechterhalten werden. Somit ist es unter Verwendung von solch einem keramischen Verbindungsmaterial möglich, keramische Kompositelemente bereitzustellen, die sich bei den Materialeigenschaften mit einer guten Reproduzierbarkeit auszeichnen, ohne die Herstellungskosten und die Zahl der Herstellungsverfahren der keramischen Kompositelemente von verschiedenen Formen zu erhöhen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine erste Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer Hochtemperaturwärmespeichervorrichtung in dem elektrischen Stromspeichersystem der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 3 sind Querschnittsansichten, die ein erstes Strukturbeispiel einer Kapsel veranschaulichen, die bei der Hochtemperaturwärmespeichervorrichtung, die in 2 veranschaulicht ist, veranschaulichen, wobei 3A eine Querschnittsansicht ist, die einen Zustand veranschaulicht, bevor ein erstes keramisches Element und ein zweites keramisches Element miteinander verbunden sind, und 3B ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand veranschaulicht, bei dem das erste keramische Element und das zweite keramische Element miteinander verbunden sind.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die ein zweites Strukturbeispiel einer Kapsel, die bei der Hochtemperaturwärmespeichervorrichtung, die in 2 veranschaulicht ist, veranschaulicht.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die ein drittes Strukturbeispiel einer Kapsel, die bei der Hochtemperaturwärmespeichervorrichtung, die in 2 veranschaulicht ist, veranschaulicht.
  • 6 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine dritte Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine vierte Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht, die ein Herstellungsverfahren eines keramischen Verbundelements (keramisches Kompositelement) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, worin 9A eine Querschnittsansicht ist, die einen Zustand veranschaulicht, bei dem der erste keramische Körper und ein zweiter keramischer Körper mit einem viskosen Material verbunden sind, 9B ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand veranschaulicht, bei dem das viskose Material hergestellt wurde, um ein poröser Körper zu sein, und 9C ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand veranschaulicht, bei dem der erste keramische Körper und der zweite keramische Körper durch Imprägnieren des porösen Körpers mit geschmolzenem Silizium miteinander verbunden sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Nachhinein werden Ausführungsformen zum Durchführen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass gleiche oder ähnliche Komponenten durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden und doppelte Beschreibungen weggelassen werden.
  • Zunächst wird eine erste Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Struktur des elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt. Das elektrische Stromspeichersystem (Vorrichtung) 10, veranschaulicht in 1, umfasst eine Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11. Die Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 ist eine Vorrichtung, die befähigt ist, eine Stromerzeugung und eine Elektrolyse von Dampf (Erzeugung von Wasserstoff) durchzuführen, während diese Betriebsvorgänge mit der Zeit umgeschaltet werden. Insbesondere ist sie als eine Festelektrolytbrennstoffzelle mit einem Festoxidelektrolyten gebildet.
  • Die Festelektrolytbrennstoffzelle kombiniert eine Stromerzeugungseinheit, die Strom unter Verwendung von Wasserstoff und oxidierendem Gas erzeugt, und eine Elektrolyseeinheit, die Dampf elektrolysiert. In 1 sind die Richtungen des Elektrizitätsflusses (Strom), Luft (Sauerstoff), Wasserstoff, Wärme in einem Stromerzeugungsbetriebsvorgang durch schwarze Pfeile gekennzeichnet, und die Richtungen der Flüsse der Elektrizität (Strom), Dampf, Wärme, Wasserstoff in einem Elektrolysebetriebsvorgang sind durch weiße Pfeile gekennzeichnet.
  • In dem Stromerzeugungsbetriebsvorgang wird Wasserstoff zu einer Wasserstoffelektrode (Brennstoffelektrode) der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung (Festelektrolytbrennstoffzelle) 11 zugeführt, und oxidierendes Gas (Sauerstoff oder Luft, die Sauerstoff enthält) wird zu einer oxidierenden Elektrode zugeführt, wodurch die Stromerzeugung ausgeführt wird. Auf der anderen Seite wird bei dem Elektrolyse-(Wasserstofferzeugungs)-Betriebsvorgang Dampf zu der Wasserstoffelektrodenseite der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung (Festelektrolytbrennstoffzelle) 11 zugeführt und Strom wird simultan zugeführt, wodurch der Dampf elektrolysiert wird, um Wasserstoff zu erzeugen.
  • Das elektrische Stromspeichersystem 10 schließt eine Wasserstoffspeichereinheit 12 ein, die Wasserstoff, der während dem Elektrolyse-(Wasserstofferzeugung)-Betriebsvorgang erzeugt wird, speichert. Als Wasserstoffspeichereinheit 12 wird beispielsweise ein Wasserstoffspeichertank verwendet. Der Wasserstoff, der in der Wasserstoffspeichereinheit 12 gespeichert wird, wird zu der Wasserstoffelektrode (Brennstoffelektrode) der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung (Festelektrolytbrennstoffzelle) 11 während dem Stromerzeugungsbetriebsvorgang zugeführt.
  • Das elektrische Stromspeichersystem 10 schließt ferner eine Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 ein, die Hochtemperaturwärme von 650°C bis 1.000°C, die bei der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 während dem Stromerzeugungsbetriebsvorgang erzeugt wurde, speichert. Die Hochtemperaturwärme, die in der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 gespeichert wird, wird zu der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 während dem Elektrolysebetriebsvorgang zugeführt. Da Dampfelektrolyse eine wärmeabsorbierende Reaktion ist, ist es notwendig, die Wärme extern zuzuführen. Es ist zu beachten, dass das elektrische Stromspeichersystem 10, obwohl es hier von der Veranschaulichung weggelassen wurde, eine Niedertemperaturwärmespeichereinheit zusätzlich zu der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 einschließt. Details der Hochtemperaturwärmespeichereinheit und der Niedertemperaturwärmespeichereinheit werden später beschrieben.
  • Bei dem elektrischen Stromspeichersystem 10 wird im Allgemeinen beispielsweise ein Dampfelektrolysevorgang unter Verwendung von Strom während der Nachtzeit durchgeführt, wenn der Strombedarf gering ist, und Wasserstoff wird in der Wasserstoffspeichereinheit 12 gespeichert. Während der Tagzeit, wenn der Strombedarf hoch ist, wird der Wasserstoff, der in der Wasserstoffspeichereinheit 12 gespeichert wird, verwendet, um einen Stromerzeugungsvorgang durchzuführen. Wärme, die während des Stromerzeugungsvorgangs erzeugt wurde, wird in der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 durch abgeführten Dampf oder ein Wärmemedium, das die Wärme mit dem abgeführten Dampf austauscht, gespeichert. In der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 wird beispielsweise Wärme von 650°C bis 1.000°C gespeichert.
  • Während dem Elektrolysevorgang wird Wasser (Dampf) zu der Wasserstoffelektrodenseite der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung (Festelektrolytbrennstoffzelle) 11 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird Wärme, die für den Elektrolysevorgang notwendig ist, von der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 über den Dampf oder das Wärmemedium abgeführt. Die Temperatur des Dampfes oder der Wärmemedium abführenden Wärme beträgt beispielsweise 600°C bis 1.000°C. Wasserstoff wird erzeugt und durch Elektrolyse von Dampf auf der Wasserstoffelektrodenseite abgeführt und dieser Wasserstoff wird in der Wasserstoffspeichereinheit 12 gespeichert. Gleichzeitig wird Sauerstoff erzeugt und auf der Sauerstoffelektrodenseite abgeführt.
  • Ein spezielles Strukturbeispiel der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer Wärmespeichervorrichtung zeigt, die die Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 des elektrischen Stromspeichersystems 10 der ersten Ausführungsform zeigt. Die Hochtemperaturwärmespeichereinheit (Hochtemperaturvorrichtung) 13 schließt eine Vielzahl von Kapseln 14 ein, in die ein Wärmespeichermaterial eingekapselt ist, und ein Wärmespeicherbehälter 15, der diese Kapseln 14 beherbergt. Der Wärmespeicherbehälter 15 bildet Fließpfade für eine Wärmemediumfluid, das um die Kapseln 14 fließt.
  • Die Kapseln 14 sind beispielsweise zylindrische Behälter, in die ein Wärmespeichermaterial (nicht veranschaulicht) eingekapselt wird. Das Wärmespeichermaterial, das für die Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 verwendet wird, ist eines mit einem Schmelzpunkt, um zu schmelzen, wenn Wärme gespeichert wird, und um zu verfestigen, wenn Wärme abgegeben wird, und es ist bevorzugt, dass es beispielsweise einen Schmelzpunkt im Temperaturbereich von 650°C bis 1.000°C mit einer Wärmelösung von 200 kJ/kg oder höher und spezifischen Wärme des Feststoffs und der Flüssigkeit von 1 kJ/kg oder höher aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Kapseln 14 eine Korrosionsbeständigkeit zu dem verkapselten Wärmespeichermaterial aufweisen und eine Wärmeleitfähigkeit von 650°C bis 1.000°C bei 10 W/mK oder höher.
  • Während des Stromerzeugungsvorgangs wird Dampf bei einer hohen Temperatur von beispielsweise 650°C bis 1.000°C, durch die Wärme, die bei der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 erzeugt wurde, erhalten, oder das Wärmemediumfluid, das Wärme mit diesem Dampf austauscht wird, wird in den Wärmespeicherbehälter 15 eingeführt und fließt außerhalb der Kapseln 14. Somit werden die Kapseln 14 und das Wärmespeichermaterial in einem festen Zustand eingekapselt darin erwärmt. Das Wärmespeichermaterial wird erwärmt und geschmolzen und verändert sich von fest zu flüssig. Unter Verwendung einer latenten Wärme während diesem Phasenübergang von fest zu flüssig kann eine hohe Wärmemenge in einer relativ kleinen Menge des Wärmespeichermaterials gespeichert werden.
  • Während dem Elektrolysevorgang wird die Hochtemperaturwärme, die erzeugt wurde, wenn sich das Wärmespeichermaterial in einem flüssigen Zustand verfestigt, zu dem Wärmemediumfluid über die Kapseln 14 transferiert. Indem dieses Hochtemperaturwärmemediumfluid zu der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 überführt wird, kann die notwendige Wärme während dem Elektrolysevorgang zugeführt werden. In diesem Fall ist das Wärmemediumfluid, wie Dampf, nicht in direktem Kontakt mit einem geschmolzenen Salz oder dergleichen, wie das Wärmespeichermaterial, und wird durch die Strömungswege außerhalb der Kapseln 14 durchgeleitet.
  • Als Wärmespeichermaterial, das für die Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 verwendet wird, kann zumindest eines, ausgewählt aus Natriumchlorid (NaCl), Kaliumchlorid (KCl), Magnesiumchlorid (MgCl2), Calciumchlorid (CaCl2), Lithiumfluorid (LiF), Natriumfluorid (NaF), Lithiumcarbonat (Li2CO3), Natriumcarbonat (Na2CO3), Kaliumcarbonat (K2CO3) und Lithiumhydroxid (LiH) beispielhaft veranschaulicht werden. Diese können auch in einer Mischung verwendet werden.
  • In Abhängigkeit von dem Typ des Festelektrolyts der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung (Festelektrolytbrennstoffzelle) 11 oder bei Betriebsbedingungen ändert sich die Temperatur der Wärme, die während der Stromerzeugung abgeführt wurde. Somit ist es bevorzugt, dass der Typ des Wärmespeichermaterials in Abhängigkeit von der Temperatur der abgeführten Wärme und einer Wärmespeicherkapazität ausgewählt wird. Unter Verwendung einer einzelnen der oben beschriebenen chemischen Verbindungen (geschmolzene Salze) ist es möglich, die Variation bei der Wärmespeicherung/Abführungseigenschaften zu unterdrücken, was zu einem Problem in Bezug auf die variierenden Temperaturen und der Vergrößerung der Vorrichtung wird. Somit kann die Stabilität des elektrischen Stromspeichersystems 10 verbessert werden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Kapseln von wenigstens einem keramischen Körper, ausgewählt aus einem Siliziumkarbid-(SiC)-gesinterten Körper, einem Siliziumkarbid-Silizium-(SiC-Si)-komposit-gesinterten Körper, einem Siliziumkarbid-basierenden Langfaser-(SiC-Langfaser(SiC-Langfaser oder dergleichen))-Kompositmaterial, einem Borcarbid-(B4C)-gesinterten Körper, einem Siliziumnitrid-(Si3N4)-gesinterten Körper, einem Bornitrit-(BN)-gesinterten Körper und Graphit (C) gebildet werden. Mit den Kapseln 14, die aus einem keramischen Element gebildet sind, kann der Wärmetransfer zwischen dem Wärmespeichermaterial und dem Dampf oder dem Wärmemediumfluid verbessert werden, und eine Gewichtsverminderung und Größenverminderung der Wärmespeichervorrichtung wie auch eine Verbesserung bei der Gesamteffektivität kann erreicht werden.
  • Die Kapseln 14 werden aus einem ersten und einem zweiten keramischen Element gebildet, wobei zumindest eines davon eine Behälterform aufweist. Ein spezielles Beispiel des keramischen Elements ist wie oben beschrieben. 3 veranschaulicht ein erstes Strukturbeispiel der Kapsel 14. Die Kapsel 14, die in 3 veranschaulicht ist, weist ein erstes keramisches Element 16 auf mit einer Behälterform und ein zweites keramisches Element 17 mit einer Deckelform. Zusätzlich können sowohl das erste keramische Element 16 und das zweite keramische Element 17 eine Behälterform aufweisen. Zum Verkapseln des Wärmespeichermaterials in solch einer Kapsel 14 gibt es ein Verfahren wie nachfolgend.
  • Zunächst wird, wie in 3A veranschaulicht, auf einer Öffnung des ersten keramischen Elements 16, in dem das Wärmespeichermaterial (nicht veranschaulicht) beherbergt ist, das zweite keramische Element 17 über ein Verbindungsmaterial 18 angeordnet. Als Verbindungsmaterial 18 wird ein keramischer Vorläufer, ein Kohlenstoffhaftmittel, ein Siliziumhartlötmittel oder dergleichen verwendet. Es ist möglich, einen Siliziumkarbid-Siliziumkompositkörper oder dergleichen anzubringen, um das erste keramische Element 16 und das zweite keramische Element 17 zu verbinden. Als nächstes wird, wie es in 3B veranschaulicht ist, eine Wärmebehandlung bei Temperaturen, die dem Verbindungsmaterial 18 entspricht, durchgeführt, wodurch das erste keramische Element 16 und das zweite keramische Element 17 über eine Verbindungsschicht 19 verbunden werden.
  • Als keramischer Vorläufer wird ein Polycarbosilan, ein Polycarbosilazan, ein Polysilazan, ein Polyborsiloxan, ein Polymetaloxan oder dergleichen verwendet. Nach dem Brennen erzeugen diese Vorläufer eine keramische Schicht, gebildet auf einer Keramik auf Si-C-Basis, einer Keramik auf Si-C-N-Basis, einer Keramik auf Si-O-Basis, einer Keramik auf Si-B-C-Basis oder dergleichen als Verbindungsschicht 19. Das Kohlenstoffhaftmittel enthält ein Graphitpulver und ein Harz oder dergleichen, und nach dem Brennen wird eine Kohlenstoffschicht als Verbindungsschicht 19 erzeugt. Als Siliziumhartlötmaterial wird eine Folie, eine Paste oder dergleichen verwendet und nach dem Brennen (nach dem Hartlöten) bilden diese Materialien eine Siliziumschicht als Verbindungsschicht 19.
  • Ein Verbindungsverfahren, das einen Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körper anwendet, ist derart, dass ein Haftmittel, das Kohlenstoffkomponenten enthält, wie ein Kohlenstoffhaftmittel oder ein Haftmittel auf Basis eines organischen Harzes als Verbindungsmaterial 18 verwendet wird, um das erste keramische Element 16 und das zweite keramische Element 17 zu verbinden, und danach wird eine Wärmebehandlung mit Silizium (Si), welches vorhanden ist, um die Verbindungsschicht 19, gebildet aus einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körper zu bilden, durchgeführt, wodurch das erste keramische Element 16 und das zweite keramische Element 17 verbunden werden. Das Silizium wird beispielsweise durch Imprägnieren der Verbindungsschicht (Verbindungsmaterial 18) mit geschmolzenem Silizium zugeführt. In diesem Moment wird ein Teil des geschmolzenen Siliziums aktiv belassen, derart, um die Verbindungsschicht 19 eines Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körpers zu bilden.
  • Das Wärmespeichermaterial wird in die Kapsel 14, die durch Verbinden des ersten keramischen Elements 16 und des zweiten keramischen Elements 17 gebildet wird, eingekapselt. Wenn das Wärmespeichermaterial in die Kapsel 14 eingekapselt wird, wenn eine Verbindung mit hoher Dichte und Festigkeit nicht durchgeführt wurde, tritt ein Problem auf wie ein Leck des Wärmespeichermaterials von dem Verbindungsteil. Ferner, wenn es ein Unterschied bei der thermischen physikalischen Eigenschaft zwischen den keramischen Elementen 16, 17 gibt, die einen Wärmetransferrohr und das Verbindungsteil kombinieren, tritt leicht ein Schaden oder dergleichen, der von dem Verbindungsteil herrührt, auf, aufgrund eines thermischen Zyklus, während Wärme gespeichert/abgeführt wird. Die Verbindungsschichten 19, die oben beschrieben wurden, sind alle dicht und stark und weisen auch herausragende thermische physikalische Eigenschaften auf. Somit ist es möglich, ein Leck des Wärmespeichermaterials von dem Verbindungsteil, einen Schaden oder dergleichen, der von dem Verbindungsteil herrührt, und dergleichen zu verhindern. Somit kann eine Wärmespeichervorrichtung mit stabilen Wärmespeicherungs-/Abführeigenschaften erhalten werden.
  • Es ist bevorzugt, einen Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körper für die Verbindungsschicht 19 zwischen dem ersten keramischen Element 16 und dem zweiten keramischen Element 17 anzubringen. Es ist bevorzugt, dass der Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körper, der die Verbindungsschicht 19 bildet, eine Struktur mit Siliziumkarbidteilchen aufweist und eine Siliziumphase, die kontinuierlich in einer Netzwerkform in Zwischenräumen zwischen den Siliziumkarbidteilchen vorliegt. Solch ein Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körper kann gebildet werden durch Imprägnieren eines porösen Körpers mit ersten Siliziumkarbidteilchen und Kohlenstoff mit geschmolzenem Silizium, wodurch veranlasst wird, dass der Kohlenstoff in dem porösen Körper mit dem geschmolzenen Silizium reagiert, um zweite Siliziumkarbidteilchen zu erzeugen, und ein Teil des geschmolzenen Siliziums als Siliziumphase belassen wird.
  • Der poröse Körper mit den ersten Siliziumkarbidteilchen und Kohlenstoff wird wie nachfolgend beispielsweise hergestellt. Zunächst wird als Verbindungsmaterial 18 ein viskoses Material hergestellt, das ein Siliziumkarbidpulver, um die ersten Siliziumkarbidteilchen zu bilden, ein Kohlenstoffpulver und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz und ein Härtemittel davon (Verbindungsmaterial) enthält. Es ist bevorzugt, dass das Siliziumkarbidpulver einen mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm aufweist. Es ist bevorzugt, dass das Kohlenstoffpulver einen mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm aufweist. Ferner ist es bevorzugt, dass das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers zu allen Pulverkomponenten in dem viskosen Material im Bereich von 18% bis 60% liegt und dass das Gesamtmassenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers im Bereich von 29% bis 55% des gesamten viskosen Materials liegt. Gründe für die Beschränkungen in diesen Zahlen werden später beschrieben.
  • Anschließend wird auf die Öffnung des ersten keramischen Elements 16, in dem das Wärmespeichermaterial (nicht veranschaulicht) beherbergt ist, das zweite keramische Element 17 über das Verbindungsmaterial 18, das von dem oben beschriebenen viskosen Material gebildet wurde, angeordnet. Eine Siliziumfolie oder dergleichen kann als Zuführquelle des geschmolzenen Siliziums verwendet werden. Wenn das viskose Material auf eine Verbindungsfläche des zweiten keramischen Elements 17 angebracht wird, wird die Siliziumfolie auf eine Verbindungsfläche des ersten keramischen Elements 16 in einer Weise angeordnet, um das viskose Material zu kontaktieren. Alternativ, wenn das viskose Material zwischen dem ersten keramischen Element 16 und dem zweiten keramischen Element 17 angeordnet wird, kann die Siliziumfolie darum in einer Weise eines Einhüllens davon angeordnet werden. Wenn das viskose Material und die Siliziumfolie miteinander in Kontakt stehen, kann das geschmolzene Silizium ausreichend in den porösen Körper während der Wärmebehandlung zugeführt werden.
  • Anschließend wird das bei Raumtemperatur härtbare Harz in dem viskosen Material bei Raumtemperatur gehärtet und wird zu einem verfestigten Körper. Dies führt zu einem vorausgehenden Verbinden des ersten keramischen Elements 16 und des zweiten keramischen Elements 17 und somit kann ein Überlaufen des Wärmespeichermaterials oder dergleichen verhindert werden, während zu einem Wärmebehandlungsofen transferiert wird, oder bei der Handhabung. Anschließend wird durch Durchführen der Wärmebehandlung an dem verfestigten Körper des viskosen Materials ein gehärtetes Produkt des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes karbonisiert. Dies verursacht, dass der verfestigte Körper des viskosen Materials porös wird. Anschließend wird die Verbindungsschicht 19, die von dem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körper gebildet wird, gebildet durch Imprägnieren solch eines porösen Körpers mit geschmolzenem Silizium, wodurch der Kohlenstoff in den porösen Körper veranlasst wird, mit dem geschmolzenen Silizium zu reagieren, um zweite Siliziumkarbidteilchen zu erzeugen und einen Teil des geschmolzenen Siliziums als Siliziumphase zu belassen. Es ist zu beachten, dass Details der Bedingungen zur Bildung der Verbindungsschicht 19, die von dem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-Körper gebildet wird, später beschrieben werden.
  • Die Formen der ersten und zweiten keramischen Elemente 16, 17, die die Kapsel 14 bilden, sind nicht auf die Form beschränkt, die in 3 veranschaulicht ist. Es ist auch effektiv, die Formen der Verbindungsflächen des ersten keramischen Elements 16 mit einer Behälterform und des zweiten keramischen Elements 17 mit einer Deckelform herzustellen, dass sie verbindende Formen sind, wie es in den 4 und 5 veranschaulicht ist. 4 und 5 veranschaulichen Verbindungsflächen derart, dass Projektionen auf der Verbindungsfläche des zweiten keramischen Elements 17 bereitgestellt werden und Vertiefungen, die den Projektionen entsprechen, werden auf der Verbindungsfläche des ersten keramischen Elements 16 bereitgestellt. Mit solchen Formen der Verbindungsflächen kann ein Leck oder dergleichen des Wärmespeichermaterials, das in den Kapseln 14 eingekapselt ist, sicherer verhindert werden.
  • Unter Betrachtung der erneuerbaren Energie, wie der Solarenergie und Windkraft in einer Region, bei der sich das Wetter in einem hohen Ausmaß ändert, ist die Verwendung eines elektrischen Stromspeichersystems mit einer Festelektrolytbrennstoffzelle, die die Stromerzeugung und Dampfelektrolyse durchführt, für die Verbesserung der Stromspeichereffektivität wirksam. Auch unter Betrachtung der erneuerbaren Energie, wie der Solarenergie in einer Region, bei der es weniger Variation bei dem Nachtzeitstrom und Wetter gibt, ist die Verwendung eines elektrischen Stromspeichersystems mit einer Festelektrolytbrennstoffzelle, die eine Stromerzeugung und Dampfelektrolyse durchführt, zur Verbesserung der Stromspeicherwirksamkeit wirksam. Das elektrische Stromspeichersystem 10 dieser Ausführungsform speichert Wärme bei 650°C bis 1000°C, die während der Stromerzeugung abgeführt wird, und verwendet diese Wärme während der Elektrolyse von Dampf und somit kann die gespeicherte Wärme wirksam verwendet werden. Somit kann die Gesamteffektivität des elektrischen Stromspeichersystems in einem hohen Ausmaß erhöht werden.
  • Anschließend wird eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 6 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Struktur des elektrischen Stromspeichersystems zeigt, das Wasserstoff verwendet, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das elektrische Stromspeichersystem 20, das in 6 veranschaulicht ist, schließt eine Stromerzeugungseinheit 21 ein, die Strom unter Verwendung von Wasserstoff und oxidierendem Gas erzeugt, und eine Elektrolyseeinheit 22, die Dampf elektrolysiert. Für die Stromerzeugungseinheit 21 wird beispielsweise eine Festelektrolytbrennstoffzelle mit einem Festoxidelektrolyten verwendet. Für die Elektrolyseeinheit 22 wird eine Dampfelektrolysezelle, die einen Festoxidelektrolyten einschließt, verwendet. Die Dampfelektrolysezelle, die die Elektrolyseeinheit 22 bildet, ist eine Vorrichtung, welche von der Festelektrolytbrennstoffzelle, die die Stromerzeugungseinheit 21 bildet, abgetrennt ist.
  • In der zweiten Ausführungsform wird der Teil, der der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 in der ersten Ausführungsform entspricht, in die Brennstoffzelle, die eine Stromerzeugung (Stromerzeugungseinheit 21) durchführt, und die Dampfelektrolysezelle, die Dampf elektrolysiert (Elektrolyseeinheit 22), abgetrennt, die von jeweils getrennten Vorrichtungen gebildet werden. Die andere Struktur ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist ein Umschalten der Betriebsart zwischen der Stromerzeugung und der Dampfelektrolyse wie in der ersten Ausführungsform nicht notwendig, wodurch ermöglicht wird, eine flexiblere Stromerzeugung und Dampfelektrolyse durchzuführen. Dementsprechend ist es möglich, flexibel einer Variation bei dem Strombedarf oder dergleichen zu entsprechen, was zu einer stabilen Stromzuführung beiträgt. Darüber hinaus kann gleichermaßen wie in der ersten Ausführungsform die Gesamteffektivität des elektrischen Stromspeichersystems, das effektiv Wärme verwendet, verbessert werden.
  • Anschließend wird eine dritte Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 7 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Struktur des elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die dritte Ausführungsform veranschaulicht ein elektrisches Stromspeichersystem 30, das eine Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 und eine Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31 einschließt. Das elektrische Stromspeichersystem 30 der dritten Ausführungsform schließt die Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31 zusätzlich zu der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 der ersten Ausführungsform ein.
  • Bei dem elektrischen Stromspeichersystem 30 der dritten Ausführungsform wird Wärme, die bei der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 während der Stromerzeugung erzeugt wird, in der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 über Dampf oder ein Wärmemedium, welches Wärme mit diesem Dampf austauscht, gespeichert. In der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 wird die Wärme von 650°C bis 1.000°C gespeichert. Ferner wird die Wärme von 100°C bis 600°C, nachdem sie in die Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 ausgetauscht wurde, in das elektrische Stromspeichersystem 30 über Dampf oder ein Wärmemedium gespeichert, welches Wärme mit diesem Dampf austauscht.
  • Während der Elektrolyse von Dampf wird Dampf durch Verdampfen von Wasser mit Wärme, abgeführt von der Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31, erzeugt und dieser Dampf wird zu der Wasserstoffelektrodenseite der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 zugeführt. Darüber hinaus wird Wärme, die während der Elektrolyse von Dampf benötigt wird, durch Abführen von der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 über Dampf oder ein Wärmemedium zugeführt. Die Temperatur des Dampfes oder des Wärmemediums, das Wärme abführt, beträgt beispielsweise 600°C bis 900°C. Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Dampf auf der Wasserstoffelektrodenseite der Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung 11 erzeugt und abgeführt und dieser Wasserstoff wird in der Wasserstoffspeichereinheit 12 aufbewahrt. Gleichzeitig wird Sauerstoff auf der Sauerstoffelektrodenseite erzeugt und abgeführt.
  • Für die Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31 wird eine Wärmespeichervorrichtung mit einer Struktur, die ähnlich ist zu der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13, die in 2 veranschaulicht ist, verwendet. Als Wärmespeichermaterial, das für die Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31 verwendet wird, ist es bevorzugt, eine organische Verbindung oder ein geschmolzenes Salz mit einem Schmelzpunkt in einem Temperaturbereich von 100°C bis 200°C zu verwenden, mit einer Wärme der Lösung von 150 kJ/kg oder höher, und einer spezifischen Wärme des Feststoffs und der Flüssigkeit von 1 kJ/kg·K oder höher. Beispiele der organischen Verbindung, die solch ein Wärmespeichermaterial bilden, schließen Xylitol, Erythrit, Mannit, Sorbitol, Alditol, Harnstoff und dergleichen ein. Beispiele des geschmolzenen Salzes schließen Aluminiumchlorid (AlCl3), Eisenchlorid (FeCl3), Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NeOH), Kaliumhydroxid (KOH), Natriumnitrit (NaNO2), Lithiumnitrat (LiNO3), Natriumnitrat (NaNO3), Kaliumnitrat (KNO3) und dergleichen ein.
  • Anschließend wird eine vierte Ausführungsform eines elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 8 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Struktur des elektrischen Stromspeichersystems unter Verwendung von Wasserstoff gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das elektrische Stromspeichersystem 40 der vierten Ausführungsform schließt gleichermaßen zu der zweiten Ausführungsform eine Stromerzeugungseinheit (Festelektrolytbrennstoffzelle einschließlich eines Festoxidelektrolyten) 21 und eine Elektrolyseeinheit (Dampfelektrolysezelle einschließlich eines Festoxidelektrolyten) 22 ein, die von der Stromerzeugungseinheit abgetrennt ist. Die andere Struktur ist die gleiche wie die der dritten Ausführungsform.
  • Das elektrische Stromspeichersystem 40 der vierten Ausführungsform weist Eigenschaften von sowohl der zweiten Ausführungsform als auch der dritten Ausführungsform auf. In der vierten Ausführungsform ist ein Umschalten der Betriebsart zwischen der Stromerzeugung und der Elektrolyse wie in der dritten Ausführungsform unnötig, wodurch es ermöglicht wird, eine flexiblere Stromerzeugung und Elektrolyse durchzuführen. Dementsprechend ist es möglich, flexibler auf die Variation bei dem Strombedarf oder dergleichen zu korrespondieren, was zu einer stabilen Stromzufuhr beiträgt. Darüber hinaus wird, da die Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31 zusätzlich zu der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13 ähnlich zu der dritten Ausführungsform bereitgestellt wird, die Gesamteffektivität des elektrischen Stromspeichersystems, welches wirksam Wärme verwendet, weiter verbessert.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen das elektrische Stromspeichersystem der vorliegenden Erfindung und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Struktur der Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31 in den dritten und vierten Ausführungsformen eine sein, die der Hochtemperaturwärmespeichereinheit 13, veranschaulicht in 2, nicht ähnelt. Erweiterungen oder Modifikationen können innerhalb des Bereichs der technischen Idee der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, beispielsweise kann die Struktur einer latenten Wärmespeichervorrichtung, die in irgendeiner der oben beschriebenen Referenz 3 bis Referenz 6 beschrieben ist, auf die Niedertemperaturwärmespeichereinheit 31 angewendet werden, und solch erweiterte oder modifizierte Ausführungsformen sind in den technischen Rahmen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
  • Anschließend wird eine Ausführungsform eines keramischen Verbindungsmaterials und ein Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements unter Verwendung des keramischen Verbindungsmaterials beschrieben. Das Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements (Verbindungsverfahren der keramischen Elemente) gemäß dieser Ausführungsform wird auf ein Herstellungsverfahren der Kapseln 14 (Verbindungsverfahren des ersten keramischen Elements 16 und des zweiten keramischen Elements 17) in den oben beschriebenen Ausführungsformen des elektrischen Stromspeichersystems 14 angewendet und spezifiziert spezifische Bedingungen und dergleichen in dieser Anmeldung. Allerdings sind das keramische Verbindungsmaterial und das Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements dieser Ausführungsform nicht darauf beschränkt und sind anwendbar, um zahlreiche keramische Körper zu verbinden oder zu reparieren.
  • Das keramische Verbindungsmaterial dieser Ausführungsform schließt eine erste Komponente ein, die aus einer Mischung gebildet ist, die ein Siliziumkarbidpulver, ein Kohlenstoffpulver und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz enthält, und eine zweite Komponente, die aus einem Härtemittel gebildet ist, welches die erste Komponente (Mischung) (Härtemittel, welches das bei Raumtemperatur härtbare Harz härtet) härtet. Das keramische Verbindungsmaterial als ein viskoses Material, hergestellt durch Mischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente, wird verwendet, um keramische Körper zu verbinden oder zu reparieren. Das heißt, als eine Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente wird das keramische Verbindungsmaterial zum Herstellen eines keramischen Verbundelements, das durch Verbinden einer Vielzahl von keramischen Körpern oder eines keramischen Kompositelements, wie ein keramisches repariertes Element, gebildet ist, indem ein Teil eines keramischen Körpers repariert ist, verwendet.
  • Beispiele der keramischen Körper, für die das keramische Verbindungsmaterial zum Verbinden oder Reparieren angewendet werden, schließen ein geformte Körper oder gesinterte Körper von Silizidkeramiken, wie Siliziumkarbiden, Siliziumnitriden und komplexen chemischen Verbindungen, die hauptsächlich diese enthalten. Ferner ist das Material auch auf Keramiken anwendbar, die sich von den Silizidkeramiken unterscheiden, und ist für Karbidkeramiken, wie Borkabide und Graphit, wirksam. Spezielle Beispiele der keramischen Körper schließen einen Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-geformten Körper, einen Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper, einen Siliziumkarbid-gesinterten Körper, einen Siliziumnitrid-gesinterten Körper und Graphit ein. Das keramische Verbindungsmaterial ist besonders für Siliziumkarbid-basierende keramische Körper wirksam.
  • Das keramische Verbindungsmaterial dieser Ausführungsform bildet einen Siliziumkarbid-(SiC)-Silizium-(Si)-Kompositkörper durch ein Formverfahren, ein Wärmebehandlungsverfahren, ein Imprägnierungsverfahren von geschmolzenem Silizium und so weiter, was später beschrieben werden wird. Der SiC-Si-Kompositkörper schließt erste SiC-Teilchen ein, basierend auf dem Siliziumkarbidpulver in dem Verbindungsmaterial, zweite SiC-Teilchen, hergestellt durch Reaktion zwischen den Kohlenstoffkomponenten (poröser Kohlenstoff, erzeugt durch Durchführen der Wärmebehandlung (Karbonisierungsbehandlung) auf einem Kohlenstoffpulver und einem gehärteten Produkt eines bei Raumtemperatur härtbaren Harzes) in dem Verbindungsmaterial und des geschmolzenen Siliziums, und ein Si (freie Si-Phase), das Zwischenräume zwischen den ersten und zweiten SiC-Teilchen füllt. Solch ein SiC-Si-Kompositkörper bildet einen Verbindungsteil, der eine Vielzahl von keramischen Körpern auf Siliziumbasis verbindet, oder ein Reparierteil zum Reparieren eines Teils eines keramischen Körpers auf Siliziumbasis.
  • Die erste Komponente des keramischen Verbindungsmaterials wird aus einer Mischung gebildet, die ein bei Raumtemperatur härtbares Harz als eine Komponente enthält, um eine Adhäsionsfähigkeit und Viskosität bereitzustellen, und die zweite Komponente wird aus einem Härtemittel gebildet, das die erste Komponente (Mischung) härtet. Das bei Raumtemperatur härtbare Harz und das Härtemittel bilden eine bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung, für die eine Harzzusammensetzung auf Epoxidbasis oder eine Harzzusammensetzung auf Phenolbasis mit einer bei Raumtemperatur härtbaren Eigenschaft verwendet wird. Die bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung wird in zwei Komponenten eines Basisharzes, dessen Hauptkomponente das bei Raumtemperatur härtbare Harz ist, und ein Härtemittel, unterteilt, welche vermischt werden, dass sie direkt vor der Handhabung davon verwendet werden. In dem keramischen Verbindungsmaterial werden beispielsweise ein Siliziumkarbidpulver, ein Kohlenstoffpulver und das Basisharz der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung zuvor gemischt (erste Komponente), und anschließend wird das Härtemittel (zweite Komponente) damit vermischt, dass es zum Verbinden oder Reparieren von keramischen Körpern verwendet wird.
  • Bei der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung auf Epoxidbasis enthält das Basisharz als einen Hauptbestandteil der Harzzusammensetzung auf Epoxidbasis ein Epoxidharz vom Bisphenol-A-Typ, Bisphenol-F-Typ, Cresol-Novolak-Typ, Phenol-Novolak-Typ, Hochpolymertyp, Epoxypolyol oder dergleichen. Zusätzlich zu dem Epoxidharz enthält das Basisharz im Allgemeinen einen anorganischen Füllstoff von Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Talk, Ton, Glimmer, Quarzpulver, Titanoxid, Calciumcarbonat oder dergleichen. Zusätzlich entsprechen das Siliziumkarbidpulver und das Kohlenstoffpulver in der ersten Komponente dem Teil des anorganischen Füllstoffs in der Harzzusammensetzung. Ferner kann das Basisharz verschiedene Füllstoffe und Zusatzstoffe enthalten, wie einen Härtebeschleuniger, ein Farbmittel, ein Kupplungsmittel und dergleichen, die normalerweise zu einer Harzzusammensetzung auf Epoxidbasis zugegeben werden, wie auch ein Lösemittel oder dergleichen für die Verdünnung. Somit kann die erste Komponente des Verbindungsmaterials Füllstoffe und Zusatzstoffe, wie einen anorganischen Füllstoff, einen Härtebeschleuniger, ein Farbmittel, ein Kupplungsmittel und dergleichen, wie auch ein Lösemittel oder dergleichen für die Verdünnung zusätzlich zu dem bei Raumtemperatur härtbaren Epoxidharz enthalten.
  • Beispiele des Härtemittels in der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung auf Epoxidbasis, schließen ein ein Säureanhydrid, ein Polyamin, ein Polyamid, ein Novolak-Harz, ein Epichlorhydrin und dergleichen. Die Menge des Härtemittels (Menge bezüglich des Epoxidharzes in dem Basisharz) wird geeignet gemäß dessen Typ und dem Härtungsreaktionsmechanismus bei Raumtemperatur eingestellt und ferner gemäß dem Härtegrad des viskosen Materials unter Raumtemperatur und so weiter. Solch ein Härtemittel des bei Raumtemperatur härtbaren Epoxidharzes wird als zweite Komponente des Verbindungsmaterials verwendet.
  • In der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung auf Phenolbasis enthält das Basisharz als eine Hauptkomponente der Harzzusammensetzung auf Phenolbasis ein Phenolharz, wie ein Novolak, ein Resol oder dergleichen. Zusätzlich zu dem Phenolharz enthält das Basisharz im Allgemeinen einen anorganischen Füllstoff aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Talg, Ton, Mica, Quarzpulver, Titanoxid, Calciumcarbonat oder dergleichen. Ferner kann das Basisharz zahlreiche Füllstoffe und Zusatzstoffe, wie einen Härtebeschleuniger, ein Farbmittel, ein Kupplungsmittel und dergleichen, enthalten, die normalerweise zu einer Harzzusammensetzung auf Phenolbasis zugegeben werden, wie auch ein Lösemittel oder dergleichen für die Verdünnung. Somit kann die erste Komponente des Verbindungsmaterials Füllstoffe und Zusatzstoffe enthalten, wie einen anorganischen Füllstoff, einen Härtebeschleuniger, ein Farbmittel, ein Kupplungsmittel und dergleichen, wie auch ein Lösemittel oder dergleichen für die Verdünnung, zusätzlich zu dem bei Raumtemperatur härtbaren Phenolharz.
  • Beispiele des Härtemittels in der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung auf Phenolharz schließen ein ein Säureanhydrid, ein Polyamin, ein Polyamid und dergleichen ein. Die Menge des Härtemittels (Menge bezüglich des Phenolharzes in dem Basisharz} wird geeignet gemäß dessen Typ und dem Härtereaktionsmechanismus bei Raumtemperatur und ferner gemäß einem Härtegrad des viskosen Materials bei Raumtemperatur und so weiter eingestellt. Solch ein Härtemittel des bei Raumtemperatur härtbaren Phenolharzes wird als die zweite Komponente des Verdünnungsmaterials verwendet.
  • Das keramische Verbindungsmaterial dieser Ausführungsform ist derart, dass ein Siliziumkarbidpulver und ein Kohlenstoffpulver mit dem Basisharz der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung (erste Komponente) vermischt werden, und ein Härtemittel (zweite Komponente) wird mit dieser Mischung vermischt, um ein viskoses Material (Mischung der ersten Komponente und der zweiten Komponente), das verwendet wird, herzustellen. Das keramische Verbindungsmaterial weist eine Harzkomponente auf, die aus einem bei Raumtemperatur härtbaren Harz (Fluidharzkomponente, wie eine Flüssigharzkomponente) gebildet wird, und eine Pulverkomponente, basierend auf dem Siliziumkarbidpulver und dem Kohlenstoffpulver. Die Pulverkomponente in dem keramischen Verbindungsmaterial bedeutet das Siliziumkarbidpulver und das Kohlenstoffpulver und schließt nicht eine Pulverkomponente ein, die zuvor in dem bei Raumtemperatur härtbaren Harz vermischt ist.
  • Das Siliziumkarbidpulver, das in der ersten Komponente des keramischen Verbindungsmaterials vermischt ist, weist einen mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm auf. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser des Siliziumkarbidpulvers kleiner ist als 0,5 µm, wird ein Verteilungszustand der betreffenden Komponenten (Kohlenstoffgehalt, basierend auf dem Siliziumkarbidpulver, dem Kohlenstoffpulver und dem Harz) in einem porösen Körper, der durch Wärmebehandlung der Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente gebildet wird, und ein Verteilungszustand der Komponenten (der zweiten SiC-Teilchen und der Si-Phase) in dem SiC-Si-Kompositkörper, der durch Imprägnieren des porösen Körpers mit geschmolzenem Si gebildet wird, nicht gleichförmig. Auf der anderen Seite, wenn der mittlere Teilchendurchmesser des Siliziumkarbidpulvers höher ist als 5 µm, tendiert die Größe der Si-Phase dazu, zu groß zu sein. In jedem Fall ist es nicht möglich, die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers zu erhöhen.
  • Das Kohlenstoffpulver weist einen mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 μm bis 3 µm auf. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser des Kohlenstoffpulvers kleiner ist als 0,3 µm, tritt leicht eine Ausflockung auf und der Verteilungszustand der zweiten SiC-Teilchen und der Si-Phase in dem SiC-Si-Kompositkörper wird ungleichförmig. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser des Kohlenstoffpulvers höher ist als 3 μm, tritt leicht ein Verkreidungsphänomen auf, und die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers nimmt ab. Hier ist ein Verkreidungsphänomen derart, dass eine dichte SiC-Schicht auf einer Oberflächenseite aufgrund einer Volumenzunahme während der Erzeugung von SiC durch Reaktion mit geschmolzenem Silizium gebildet wird und die Permeation des geschmolzenen Siliziums zu der Innenseite wird verhindert, was dazu führt, dass der Kohlenstoff innen unverändert verbleibt. Ferner, wenn der mittlere Teilchendurchmesser des Kohlenstoffpulvers zu hoch ist, tendiert der mittlere Durchmesser der Si-Phase dazu, zu hoch zu sein, was zu einer Abnahme oder Dispersion bei der Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers führt, der den Verbindungsteil oder den Reparierteil bildet.
  • Es ist bevorzugt, dass das keramische Verbindungsmaterial, das Siliziumkarbidpulver im Bereich von 18 Volumen-% bis 60 Volumen-% bezüglich der Gesamtpulverkomponente enthält. Wenn das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers weniger ist als 18 Volumen-%, werden die ersten SiC-Teilchen, die fungieren, dass sie in dem SiC-Si-Kompositkörper aggregieren, unzureichend, und der Verteilungszustand der zweiten SiC-Teilchen der Si-Phase kann leicht ungleichförmig werden. Auf der anderen Seite, wenn das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers höher ist als 60 Volumen-%, wird die Si-Phase in dem SiC-Si-Verbundkörper zu hoch. In jedem Fall liegt eine Besorgnis vor, dass die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers nicht ausreichend gezeigt werden kann. Es ist bevorzugt, dass das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers zu der Gesamtpulverkomponente im Bereich von 22% bis 56% liegt.
  • Es ist bevorzugt, dass der Gesamtgehalt des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers in dem keramischen Verbindungsmaterial im Bereich von 29 Massen-% bis 55 Massen-% des gesamten Materials liegt. Indem solch ein Gehalt der Pulverkomponente (das Siliziumkarbidpulver und das Kohlenstoffpulver) angewendet wird, wenn der Verbindungsteil, der eine Vielzahl der keramischen Körper verbindet oder der Reparierteil zum Reparieren eines Teils eines keramischen Körpers gebildet werden, ist es möglich, ein viskoses Material (die Mischung der ersten Komponente und der zweiten Komponente des keramischen Verbindungsmaterials) zu erhalten, bei dem Verbindungsteile oder Reparierteile mit verschiedenen Formen und Größen leicht geformt werden können. Das heißt, die Formbarkeit (Verarbeitbarkeit) des Verbindungsteils und des Reparierteils mit dem keramischen Verbindungsmaterial kann erhöht werden.
  • Wenn der Gesamtgehalt der Pulverkomponente, die von dem Siliziumkarbidpulver und dem Kohlenstoffpulver gebildet wird, höher ist als 55 Massen-%, tendiert die Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente des keramischen Verbindungsmaterials dazu, zu hoch zu sein. Ferner, wenn der Gesamtgehalt der Pulverkomponente weniger ist als 29 Massen-%, treten im Gegenzug Bedenken auf, dass die Viskosität der Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente zu gering wird. In jedem Fall nimmt die Verarbeitbarkeit (Formbarkeit) der Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente ab. Es ist stärker bevorzugt, dass der Gesamtgehalt des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers in dem keramischen Verbindungsmaterial im Bereich von 29 Massen-% bis 40 Massen-% liegt.
  • Ferner, wenn keramische Körper, die verbunden oder repariert werden, ein dichtes Material, wie ein gesinterter Körper sind, ist es bevorzugt, das keramische Verbindungsmaterial mit einem relativ hohen Gehalt der Pulverkomponente (Verbindungsmaterial, dessen Gehalt der Pulverkomponente auf der 55-Massen-%-Seite liegt) zu verwenden. Im Gegenzug, wenn die keramischen Körper porös sind wie ein geformter Körper wie ein Grünlingkompakt oder dergleichen sind, ist es bevorzugt, das keramische Verbindungsmaterial zu verwenden mit einem relativ kleinen Gehalt der Pulverkomponente (Verbindungsmaterial, dessen Gehalt der Pulverkomponente auf der 29-Massen-%-Seite liegt).
  • Wenn die Pulverkomponentmenge des keramischen Verbindungsmaterials relativ hoch ist (der Gehalt der Pulverkomponente liegt auf der 55-Massen-%-Seite), wird die Formbeibehaltung der Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente hoch und es ist leicht, diese zu einem keramischen Körper zu verbinden. Wenn allerdings die keramischen Körper porös wie ein Grünlingkompakt sind, wird eine Harzkomponente (flüssige Komponente) in die keramischen Körper absorbiert und somit ist es beispielsweise schwierig, dass die keramischen Körper miteinander verbunden werden. In solch einem Fall ist es bevorzugt, das keramische Verbindungsmaterial mit einer relativ kleinen Pulverkomponentenmenge (das Verbindungsmaterial, dessen Gehalt der Pulverkomponente auf der 29-Massen-%-Seite liegt) zu verwenden. Mit solch einem Verbindungsmaterial wird die Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente in Vertiefungsabschnitte auf der Oberfläche eines Grünlingkompakts geschnitten, wodurch die Adhäsionsfähigkeit verbessert wird.
  • Unter Bezug auf das keramische Verbindungsmaterial dieser Ausführungsform wird dem viskosen Material, das durch Mischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente hergestellt wird, eine moderate Viskosität, bezogen auf die Fluidität (Liquidität oder dergleichen), die das bei Raumtemperatur härtbare Harz aufweist, der Vermischmenge der Pulverkomponente und dergleichen gegeben und somit kann es leicht auf einer Verbindungsfläche oder einer Reparierfläche eines keramischen Körpers geformt werden. Ferner, da das viskose Material, das aus der Mischung der ersten Komponente und der zweiten Komponente gebildet wird, bei Raumtemperatur härtet, kann eine vorgegebene Form, die für das Verbindungsteil oder Reparierteil erforderlich ist, leicht aufrechterhalten werden. Somit ist es unter Verwendung des keramischen Verbindungsmaterials dieser Ausführungsform möglich, leicht und präzise das Verbindungsteil oder das Reparierteil auf den keramischen Körper verschiedener Formen und Größen zu bilden, insbesondere keramische Körper, die mit einem hohen Strukturelement oder einem komplizierten Formelement gebildet werden.
  • Anschließend wird unter Bezugnahme auf 9 ein Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 9 ist eine Querschnittsansicht, die ein Herstellungsverfahren eines keramischen Verbundelements veranschaulicht, auf die das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Es ist zu beachten, dass ein Herstellungsverfahren eines keramischen reparierten Elements, auf die das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird, implementiert wird, indem die gleichen Verfahren wie das Herstellungsverfahren des Verbundelements angewendet werden mit der Ausnahme, dass die Mischung (viskoses Material) der ersten Komponente und der zweiten Komponente des keramischen Verbindungsmaterials auf einer Reparieranordnung eines keramischen Körpers angeordnet werden. Hier wird nur das Herstellungsverfahren des Verbundelements beschrieben.
  • 9 veranschaulicht Herstellungsverfahren des keramischen Verbundelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zunächst, wie es in 9(a) veranschaulicht wird, werden ein erster und ein zweiter keramischer Körper 51, 52 als Elemente, die miteinander verbunden werden (Basiselemente) hergestellt. Hier können, obwohl Schritte, um die beiden keramischen Körper 51, 52 zu verbinden, beschrieben werden, drei oder mehrere keramische Körper als Elemente, die verbunden werden (Basiselemente, vorliegen. Wenn diese Ausführungsform auf das Herstellungsverfahren des keramischen reparierten Elements angewendet wird, wird ein keramischer Körper, der einer Reparatur bedarf (hauptsächlich ein keramischer Körper) hergestellt.
  • Es ist bevorzugt, dass die ersten und zweiten keramischen Körper 51, 52 geformte Körper oder gesinterte Körper aus Silizidkeramiken, wie Siliziumkarbiden, Siliziumnitriden und komplexen chemischen Verbindungen sind, die hauptsächlich diese oder Karbidkeramiken, wie Graphit, wie oben beschrieben enthalten. Es ist bevorzugt, dass die ersten und zweiten keramischen Körper 51, 52 zumindest eines sind, ausgewählt aus einem Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-geformten Körper, einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper, einem Siliziumkarbid-gesinterten Körper, einem Siliziumnitrid-gesinterten Körper und Graphit. Die ersten und zweiten keramischen Körper 51, 52 können entweder die gleichen Arten von keramischen Körpern oder verschiedene Arten von keramischen Körpern sein. Eine der ersten und zweiten keramischen Körper 51, 52 können ein geformter Körper und das andere kann ein gesinterter Körper sein.
  • Ein Verbindungsverfahren dieser Ausführungsform ist besonders bevorzugt beim Verbinden von Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-geformten Körpern miteinander, beim Verbinden von Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körpern zusammen und beim Verbinden von Siliziumkarbid-gesinterten Körpern zusammen, und es können bessere Ergebnisse in solchen Fällen (Ergebnisse der Verbesserung bei der Verbindungsfestigkeit, bei der Festigkeit in einem keramisch verbundenen Element (Kompositelement), einschließlich eines Verbindungsteils und dergleichen) erhalten werden. Dies ist das gleiche, wenn diese Ausführungsform auf das Herstellungsverfahren des keramischen reparierten Elements angewendet wird, und bessere Ergebnisse können erhalten werden, wenn es angewendet wird, um einen Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper oder einen Siliziumkarbid-gesinterten Körper zu reparieren.
  • Beispiele des Siliziumkarbid-gesinterten Körpers, die die keramischen Körper 51, 52 bilden, schließen einen druckgesinterten Körper und einen flüssigphasegesinterten Körper eines herkömmlichen Siliziumkarbidpulvers, einen reaktionsgesinterten Körper eines Rohmaterialpulvers, enthaltend ein Kohlenstoffpulver (beispielsweise ein gemischtes Pulver eines Kohlenstoffpulvers und eines Siliziumkarbidpulvers) und dergleichen ein. Der Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-geformte Körper, wie die keramischen Körper 51, 52, ist ein Grünlingkompakt eines gemischten Pulvers eines Siliziumkarbidpulvers und eines Kohlenstoffpulvers, und das Imprägnieren davon mit geschmolzenem Silizium führt zu dem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper.
  • Der Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-geformte Körper wird beispielsweise durch Anwenden von Druckbildung, wie Pulverdruckformen oder Pressgießen an ein gemischtes Pulver eines Siliziumkarbidpulvers und eines Kohlenstoffpulvers angewendet. Für das Druckformen des gemischten Pulvers werden metallische Formpressen, Gummipressen, kaltisostatisches Pressen oder dergleichen angewendet. Wenn das Druckgießen angewendet wird, wird eine Aufschlämmung hergestellt durch Dispergieren des gemischten Pulvers in Wasser oder organischem Lösemittel und Druckgießen dieser Aufschlämmung unter einem geeigneten Druck. Indem solch eine Druckbildung angewendet wird, kann ein geformter Körper mit einer moderaten Dichte (Füllzustand des Pulvers) erhalten werden.
  • Wie in 9A veranschaulicht, wird ein viskoses Material 53 zwischen dem ersten und zweiten keramischen Körper 51, 52 angeordnet. Das viskose Material 53 wird hergestellt, indem eine erste Komponente, die aus einer Mischung gebildet wird, die ein Siliziumkarbidpulver, ein Kohlenstoffpulver und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz enthält, und eine zweite Komponente, gebildet aus einem Härtemittel, die die erste Komponente (Mischung) härtet, gemischt wird und weist ein Siliziumkarbidpulver 54, ein Kohlenstoffpulver 55 und eine bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung (Mischung eines Basisharzes und eines Härtemittels) 56 auf. Das bei Raumtemperatur härtbare Harz in dem viskosen Material 53 wird bei Raumtemperatur gehärtet und ein geformtes Produkt 57 mit einer gewünschten Verbindungselementform wird geformt. Das viskose Material 53 wird zu einem verfestigten Körper, der an die Verbindungsflächen der ersten und zweiten keramischen Körper 51, 52, basierend auf dem gehärteten Produkt des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes, das in dem Formverfahren des geformten Produkts 57 gehärtet wird, anhaftet.
  • Somit, da das viskose Material 53 bei Raumtemperatur verfestigt werden kann, ist es möglich, leicht und präzise das geformte Produkt 57 zu erhalten, bei dem der erste keramische Körper 51 und der zweite keramische Körper 52 über den verfestigten Körper des viskosen Materials 53 miteinander verbunden sind, ohne Fixieren der Elemente, dass sie mit einem Hilfsmittel oder dergleichen verbunden werden. Ferner ist es nicht notwendig, das geformte Produkt 57 mit einem Hilfsmittel oder dergleichen in einem Wärmebehandlungsverfahren oder einem Imprägnierungsverfahren vom geschmolzenen Silikon danach zu fixieren, und somit können Restriktionen bei Formen, Größen und dergleichen der keramischen Körper 51, 52 und des Verbundelements vermindert werden. Das heißt, es ist möglich, die keramischen Körper 51, 52 von verschiedenen Formen und Größen durch den verfestigten Körper des viskosen Materials 53 zu verbinden.
  • Ferner, wenn das viskose Material 53 bei Raumtemperatur ein verfestigter Körper werden kann, ist es möglich, präzise beispielsweise den Abstand (Verbindungsabstand) zwischen den ersten und zweiten keramischen Körpern 51, 52 wie auch die Dicke des Verbindungsteils, basierend auf dem verfestigten Körper des viskosen Materials 53, zu kontrollieren. Der Verbindungsabstand wird bezogen auf die Dicke der Verbindungsschicht (der verfestigten Körperschicht des viskosen Materials 53) und entspricht ferner der Dicke der Verbindungsschicht (Schicht, gebildet aus einem SiC-Si-Kompositkörper) nach der Imprägnierung mit geschmolzenem Silizium. Die Dicke des Verbindungsteils (Verbindungsschicht) beeinflusst die Festigkeitseigenschaft und dergleichen des Verbundelements, gebildet durch Verbinden des ersten keramischen Körpers 51 und des zweiten keramischen Körpers 52. Mit anderen Worten, durch präzises Kontrollieren der Dicke des Verbindungsteils ist es möglich, die Festigkeit des Verbundelements zu erhöhen und die Reproduzierbarkeit davon.
  • Anschließend, wie es in 9B veranschaulicht wird, wird eine Wärmebehandlung auf dem geformten Produkt 57 durchgeführt, um das gehärtete Produkt des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes zu karbonisieren. Das gehärtete Produkt des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes wird durch die Wärmebehandlung disintegriert und wird zu einem porösen Kohlenstoffkörper 58, und dieser poröse Körper 58 befindet sich in einem Zustand, dass das Siliziumkarbidpulver 54 und das Kohlenstoffpulver 55 innerhalb dispergiert sind. Bezogen auf solch eine Wärmebehandlung (Karbonisierungsbehandlung) wird der verfestigte Körper des viskosen Materials 53 zu einem porösen Körper 59. Es ist bevorzugt, dass die Wärmebehandlung zum Karbonisieren des gehärteten Produkts des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes bei Temperaturen im Bereich von 400°C bis 1.300°C durchgeführt wird. Wenn die Wärmebehandlung in einer verminderten Druckatmosphäre durchgeführt wird, ist es bevorzugt, dass sie 1 Pa oder weniger ist. Durch Durchführen des Wärmebehandlungsverfahrens unter solchen Bedingungen verbessert sich die Formbarkeit des porösen Körpers 59.
  • Im Nachhinein, wie es in 9C veranschaulicht ist, wird der poröse Körper 59 mit geschmolzenem Silizium imprägniert, um ein keramisch verbundenes Element 61 herzustellen, bei dem erste und zweite keramische Körper 51, 52 über das Verbindungsteil, gebildet aus einem SiC-Si-Kompositkörper 60 verbunden sind. Das Imprägnierungsverfahren des geschmolzenen Siliziums wird durch Erwärmen des geformten Produkts 57 mit dem porösen Körper 59 auf Temperaturen im Bereich von 1.400°C bis 1.500°C in einer reduzierten Druckatmosphäre durchgeführt, und das Imprägnieren (Vakuumimprägnieren) des porösen Körpers 59 in einem erwärmten Zustand mit geschmolzenem Silizium unter reduzierter Druckatmosphäre. Es ist bevorzugt, dass die reduzierte Druckatmosphäre während der Vakuumimprägnierung bei 1 Pa oder niedriger liegt.
  • Wenn das keramisch reparierte Element hergestellt wird, wird das viskose Material (Mischung der ersten Komponente und der zweiten Komponente) auf eine Reparieranordnung aufgetragen, beispielsweise eine Anordnung, bei der ein Splitter oder ein Aufplatzen eines keramischen Körpers, gebildet aus einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper, eines Siliziumkarbid-gesinterten Körpers oder dergleichen, auftrat, und das Material wird geformt. Wenn die Reparierposition eine Tiefe aufweist, wird das viskose Material in diesem Abschnitt gefüllt. Anschließend wird der keramische Körper, auf den das viskose Material aufgetragen wird, dem oben beschriebenen Wärmebehandlungsverfahren (Karbonisierungsverfahren) unterzogen und dem Imprägnierungsverfahren von geschmolzenem Silizium, um dadurch das keramisch reparierte Element mit einer gewünschten Form zu erzeugen.
  • In dem Siliziumkarbidpulver 54, das in dem verfestigten Körper des viskosen Materials 53 vorliegt, das porös eingestellt wurde (poröser Körper 59), wachsen die Partikel kaum während dem Imprägnierungsverfahren des geschmolzenen Siliziums, und werden somit erste SiC-Teilchen 62 mit einem Teilchendurchmesser im Wesentlichen gleich zu dem mittleren Teilchendurchmesser des Siliziumkarbidpulvers 54. Die Kohlenstoffkomponente in dem porösen Körper 59, das heißt Kohlenstoff 58, abstammend von dem Kohlenstoffpulver 55 und der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung 56, kontaktiert und reagiert mit dem geschmolzenen Silizium unter Hochtemperaturen und erzeugt ein Siliziumkarbid (zweite SiC-Teilchen 53). Ferner verbleibt in dem porösen Körper 59 das geschmolzene Silizium teilweise und dieses geschmolzene Silizium liegt als eine Si-Phase 64 in Zwischenräumen zwischen den ersten und zweiten SiC-Teilchen 62, 63 vor.
  • Wenn die keramischen Körper 51, 52 Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-geformte Körper oder dergleichen sind, werden die beiden geformten Körper mit geschmolzenem Silizium gleichzeitig wie der poröse Körper 59 imprägniert. Bei dem Imprägnierungsverfahren des geschmolzenen Siliziums reagieren die beiden Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-geformten Körper mit dem geschmolzenen Silizium und werden zu Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körpern. Das heißt, das keramische Verbindungselement 61 wird hergestellt, bei dem die beiden Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper, die reaktionsgesintert in dem Imprägnierungsverfahren des geschmolzenen Siliziums werden, durch das Verbindungsteil integriert, das aus dem SiC-Si-Kompositkörper 60 gebildet ist, gebildet durch Ermöglichen einer Reaktion simultan damit. Der Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterte Körper weist eine Struktur auf, die ähnlich ist zu dem SiC-Si-Kompositkörper 60 als Verbindungsteil.
  • Das Verbindungsteil, das aus dem SiC-Si-Kompositkörper 60 gebildet wird, schließt erste und zweite SiC-Teilchen 62, 63 und die Si-Phase 64 ein, die kontinuierlich in einer Netzwerkform in Zwischenräumen unter den Teilchen vorliegen. Das heißt, der Verbindungsteil weist eine dichte Struktur auf, in dem Zwischenräume zwischen den SiC-Teilchen 62, 63 mit der Si-Phase 64 gefüllt sind. Wenn das Reparierteil aus dem SiC-Si-Kompositkörper gebildet wird, weist es eine ähnliche Struktur auf. Die zweiten SiC-Teilchen 63, basierend auf einer Reaktion zwischen einer Kohlenstoffkomponente und geschmolzenem Silizium weisen einen mittleren Teilchendurchmesser auf, der kleiner ist als der der ersten SiC-Teilchen 62, basierend auf dem Siliziumkarbidpulver 54, vermischt in dem viskosen Material 53. Bezogen auf die mittleren Teilchendurchmesser des Siliziumkarbidpulvers 54 und des Kohlenstoffpulvers 55 und des mittleren Teilchendurchmessers der ersten und zweiten SiC-Teilchen 62, 63, basierend darauf, wird der SiC-Si-Kompositkörper 60 mit einer gleichförmigen Kompositstruktur (in der die Si-Phase 64 mit einer gleichförmigen Größe kontinuierlich in Zwischenräumen unter den SiC-Teilchen 62, 63 vorliegt) erhalten.
  • Ferner weist der SiC-Si-Kompositkörper 60 erste SiC-Teilchen 62 einer geeigneten Menge, basierend auf einer Vermischmenge (18 bis 60% im Volumenverhältnis) bezüglich der Gesamtpulverkomponente des Siliziumkarbidpulvers 54 in dem viskosen Material 53 auf, das heißt, die ersten SiC-Teilchen 62 weisen einen relativ großen mittleren Teilchendurchmesser auf. Basierend auf dem Gehalt der ersten SiC-Teilchen 62 und des mittleren Teilchendurchmessers der SiC-Teilchen 62 oder dergleichen, basierend auf dem mittleren Teilchendurchmesser des Siliziumkarbidpulvers 54, werden die Verteilungszustände der zweiten SiC-Teilchen 63 in dem SiC-Si-Kompositkörper 60 und der Si-Phase 64 gleichmäßig eingestellt und darüber hinaus verbessert sich auch die Dichte des SiC-Si-Kompositkörpers 60. Auch davon ist es möglich, die Festigkeit und Reproduzierbarkeit des SiC-Si-Kompositkörpers 60 zu erhöhen.
  • In dem SiC-Si-Kompositkörper 60 ist es bevorzugt, dass die Si-Phase 64 nicht nur die Zwischenräume zwischen den SiC-Teilchen 62, 63 füllt, sondern kontinuierlich in einer Netzwerkform in den Zwischenräumen unter den SiC-Teilchen 62, 63 vorliegt. Wenn die Netzwerkstruktur der Si-Phase 64 unterteilt wird, führt dies zu einem Auftreten eines Verkreidungsphänomens (die Zugangsroute zu geschmolzenem Silizium wird unterbrochen und die Reaktion von Kohlenstoff stoppt) und die Restkohlenstoffmenge nimmt zu, wodurch Bedenken vorliegen, dass die Festigkeit des Verbindungsteils, das von dem SiC-Si-Kompositkörpers gebildet wurde, abnimmt. Mit anderen Worten ist es möglich, einen dichten und starken Verbindungsteil zu erhalten, indem es der Si-Phase 64 ermöglicht wird, kontinuierlich in Zwischenräumen unter den SiC-Teilchen 62, 63 vorzuliegen.
  • In dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren des keramischen Verbundelements (Kompositelement) ist es bevorzugt, dass der poröse Körper 49 einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm aufweist. Der mittlere Porendurchmesser des porösen Körpers 59 zeigt einen Mittelwert des Durchmessers an, erhalten unter Verwendung eines Quecksilberintrusionsverfahrens unter der Annahme, dass diese Kolonnen sind. Durch Imprägnieren des porösen Körpers 59 mit solch einem mittleren Porendurchmesser mit geschmolzenem Silizium ist es möglich, die Festigkeitseigenschaften (Verbindungsfestigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers 60, die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers 60 selbst, die Festigkeit des Verbundelements 61, einschließlich des SiC-Si-Kompositkörpers 60 und so weiter) zu verbessern, bezogen auf den Verteilungszustand, dem mittleren Durchmesser und dergleichen der Si-Phase (freie Si-Phase) 64 in dem SiC-Si-Kompositkörper 60.
  • Wenn der mittlere Porendurchmesser des porösen Körpers 59 kleiner ist als 0,5 µm, wird die Zugangsroute des geschmolzenen Siliziums unterbrochen, was dazu führen kann, dass die restliche Kohlenstoffmenge erhöht wird, und ein Sprung kann leicht aufgrund der Volumenexpansion auftreten, wenn ein Siliziumkarbid von Kohlenstoff gebildet wird. Wenn der mittlere Porendurchmesser des porösen Körpers 59 höher ist als 5 µm, nimmt die Menge der Si-Phase 64 zu. Irgendeines davon vermindert die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers 60. Ferner, wenn der mittlere Teilchendurchmesser des porösen Körpers 59 zu hoch ist, kann leicht ein Sprung oder dergleichen auftreten, vor der Imprägnierung mit geschmolzenem Silizium, und die Herstellungsausbeuten und die Festigkeit des keramischen Verbundelements 61 nimmt ab.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass die Si-Phase 54 einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,2 µm bis 2 µm aufweist. Der mittlere Durchmesser der Si-Phase 64 entspricht dem mittleren Abstand zwischen den SiC-Teilchen 62, 63. Der mittlere Durchmesser der SiC-Phase 64 gibt einen Wert an, der wie folgt erhalten wird. Zunächst wird das keramische Verbundelement 61 mit dem SiC-Si-Kompositkörper 60 auf 1.600°C unter einem verminderten Druck erwärmt, um freies Si in dem SiC-Si-Kompositkörper 60 zu entfernen. Der mittlere Durchmesser der Si-Phase 64 zeigt einen mittleren Wert des Durchmessers an, erhalten durch Abschätzen des Durchmessers der kleinen Löcher, die durch das Entfernen von freiem Si gebildet wurden, als Kolonnen unter Verwendung eines Quecksilberintrusionsverfahren. Dieser Wert stimmt mit den Ergebnissen der Querschnittsbeobachtung der minutiösen Struktur des SiC-Si-Kompositkörpers 60 mit einem metallurgischen Mikroskop oder SEM überein.
  • Wenn der mittlere Durchmesser der Si-Phase 64 klein ist, bedeutet dies, dass die Si-Phase 64 mit geringer Festigkeit miniaturisiert ist. Ferner bedeutet dies auch, dass die Si-Phase 64 homogen in Zwischenräumen unter den SiC-Teilchen 62, 63 verteilt ist. Die Zwischenräume unter den SiC-Teilchen 62, 63 sind gleichmäßig mit der Si-Phase 64 gefüllt. Indem somit der mittlere Durchmesser der Si-Phase 64 gesteuert wird, dass er im Bereich von 0,2 μm bis 2 µm liegt, kann die Festigkeit des Verbindungsteils, geformt aus dem SiC-Si-Kompositkörper 60 und ferner die Festigkeit des keramischen Verbundelements 61, einschließlich des Verbindungsteils mit einer guten Reproduzierbarkeit erhöht werden.
  • Wenn der mittlere Durchmesser der Si-Phase 64 höher ist als 2 µm, kommt er nahe an einen Zustand, dass die Si-Phase 64 mit einer geringen Festigkeit abgetrennt ist, und der Einfluss der Si-Phase 64 auf die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers 60 wird hoch. Somit nimmt die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers 60 und die Festigkeit des keramischen Verbundelements 61 leicht ab. Wenn der mittlere Durchmesser der Si-Phase 64 kleiner ist als 0,2 µm, ist es schwierig, die kontinuierliche Struktur in einer Netzwerkform aufrechtzuerhalten. Dementsprechend können Poren oder freier Kohlenstoff leicht in den SiC-Si-Kompositkörper 60 eintreten und eine Dispersion bei der Festigkeit des Verbindungsteils kann leicht auftreten. Dies ist ähnlich dazu, wenn ein Reparierteil von SiC-Si-Kompositkörper gebildet wird.
  • Der mittlere Durchmesser der Si-Phase 64 kann, bezogen auf den mittleren Porendurchmesser des porösen Körpers 59 vor der Imprägnierung mit geschmolzenem Silizium und dem mittleren Teilchendurchmesser des Siliziumkarbidpulvers 54 und des Kohlenstoffpulvers 55, vermischt in dem viskosen Material 53, gesteuert werden. Das heißt, unter Verwendung des Siliziumkarbidpulvers 54 mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm und des Kohlenstoffpulvers 55 mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm und Kontrollieren des mittleren Porendurchmessers des porösen Körpers 59, dass er im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm liegt, kann die Si-Phase 64, welche minutiös und homogen ist (beispielsweise die Si-Phase 64 mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,2 µm bis 2 µm) erhalten werden.
  • Bei dem Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements ist es bevorzugt, dass das Imprägnierungsverfahren von geschmolzenem Silizium bei Temperaturen im Bereich von 1.400°C bis 1.500°C durchgeführt wird. Es ist bevorzugt, dass die verminderte Druckatmosphäre zum Imprägnieren von geschmolzenem Silizium bei 1 Pa oder niedriger liegt. Durch Durchführen des Imprägnierungsverfahrens des geschmolzenen Siliziums unter solchen Bedingungen verbessern sich die Imprägnierungseigenschaften des geschmolzenen Siliziums und die Formbarkeit der SiC-Teilchen 63, und minutiöse Poren (Mikroporen oder Nanoporen) in der Si-Phase 64 können signifikant vermindert werden. Somit können die Festigkeit des SiC-Si-Kompositkörpers 60 und die Reproduzierbarkeit davon verbessert werden.
  • Bei dem Herstellungsverfahren des keramischen Verbundelements 61 in dieser Ausführungsform, wenn zwei keramische Körper 51, 52 mit dem viskosen Material 53 verbunden werden, können sie in einem Zustand gehärtet werden, dass das Verbindungsteil in eine vorgegebene Form geformt wird. Somit ist es zu einem großen Strukturelement, einem komplizierten Formteil und dergleichen anwendbar und die Präzision der Form des Verbindungsteils kann erhöht werden. Somit ist es möglich, ein Verbindungsteil zu erhalten, bei dem die Dispersion in der Festigkeit und die Materialeigenschaften, wie die thermischen Eigenschaften, unterdrückt werden.
  • Mit dem oben beschriebenen Verbindungsteil ist es zusätzlich zu der Verbesserung bei dessen Materialeigenschaften möglich, die Materialeigenschaften des keramischen Verbundelements 61 mit dem Verbindungsteil und die Reproduzierbarkeit davon zu verbessern. Somit ist es nicht notwendig, Elemente, die mit einem Hilfsmittel oder dergleichen verbunden werden, zu fixieren, die Herstellungskosten und die Anzahl der Herstellungsschritte des keramischen Verbundelements 61 können reduziert werden. Es ist zu beachten, dass es nicht vorgesehen ist, die Verwendung eines Hilfsmittels oder dergleichen zu unterbinden, wenn die Formen der Verbundelemente kompliziert sind oder wenn es viele Verbindungspositionen gibt.
  • Ferner zeichnet sich bei dem Herstellungsverfahren des keramischen Verbundelements 61 das Verbindungsteil, das von dem SiC-Si-Kompositkörper 60 gebildet wurde, nicht nur durch die Verbindungsfestigkeit bezüglich der keramischen Körper 51, 52 aus, sondern auch in deren Festigkeit und Reproduzierbarkeit davon. Somit können eine Vielzahl von keramischen Körpern 51, 52 mit hoher Festigkeit verbunden werden und die Festigkeit des keramischen Verbundelements 61 kann mit guter Reproduzierbarkeit erhöht werden. Dies ermöglicht es, das keramische Verbundelement 61 mit hoher Festigkeit bei geringen Kosten bereitzustellen, was für komplizierte Formen und große strukturelle Elemente und Teile bevorzugt ist. Ferner trifft dies auch zu, wenn das Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform angewendet wird auf die Herstellung eines keramischen reparierten Elements und erhöht die Festigkeit des keramisch reparierten Elements, eine Verbesserung bei der Präzision der Form, eine Kostenreduktion und so weiter können erreicht werden.
  • In den oben beschriebenen Kompositelementen, wie dem keramischen Verbundelement 61 und den keramisch reparierten Elementen, können die mechanischen Eigenschaften, wie die Festigkeit, mit guter Reproduzierbarkeit erhöht werden, und somit sind sie auf zahlreiche Elemente und Teile, von denen erforderlich ist, dass sie eine hohe Festigkeit aufweisen, anwendbar. Sie tragen in einem großen Ausmaß zu der Erhöhung der Festigkeit, insbesondere von großen strukturellen Objekten, komplizierten Formteilen und dergleichen bei. Das keramische Kompositelement kann auf verschiedene Vorrichtungsteile und Vorrichtungselemente, wie Halbleiterherstellungsvorrichtungshilfsmittel, halbleiterverbundene Teile (Kühlkörper, Dummy Wafer und dergleichen), hochtemperaturstrukturelle Elemente für die Gasturbine, Hochtemperaturelemente für Wärmeakkumulator, Strukturelemente für die Verwendung in der Raumfahrt und in der Luftfahrt, mechanische Dichtungselemente, Bremselemente, Gleitteile, Spiegelteile, Pumpteile, Wärmetauschteile, chemische Anlagenkomponenten und dergleichen angewendet werden. Insbesondere wird das keramische Kompositelement vorzugsweise für Vorrichtungsteile und Elemente verwendet, von denen erforderlich ist, dass sie eine hohe Festigkeit aufweisen.
  • Beispiele
  • Anschließend werden spezifische Beispiele der vorliegenden Erfindung und Bewertungsergebnisse davon beschrieben.
  • (Viskose Materialien 1 bis 6)
  • Viskose Materialien 1 bis 6 wurden wie nachfolgend hergestellt. Zunächst wurde als die bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung, eine Harzzusammensetzung auf Epoxidharzbasis und eine Harzzusammensetzung auf Phenolbasis, die eine bei Raumtemperatur härtbare Eigenschaft aufweist, hergestellt. Zu dem Basisharz der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung, die in Tabelle 1 veranschaulicht ist, wurde ein Siliziumkarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm und ein Kohlenstoffpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm zugegeben und vermischt. Der mittlere Teilchendurchmesser des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers, das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers in dem viskosen Material und das Gesamtmassenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers sind wie in Tabelle 1 veranschaulicht.
  • Zu jeder Mischung des oben beschriebenen Basisharzes der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung wurden das Siliziumkarbidpulver und das Kohlenstoffpulver, das Härtemittel der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung zugegeben und ausreichend vermischt, wodurch viskose Materialien 1 bis 6 hergestellt wurden. Es ist zu beachten, dass das Härtemittel der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung direkt, bevor das viskose Material in dem Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements (für verbundene Elemente, direkt vor dem Anordnen zwischen den Verbindungsflächen der keramischen Körper und für reparierte Elemente direkt vor dem Anordnen eines Teils eines keramischen Körpers) der Beispiele 1 bis 15 vermischt wurden, was später beschrieben wird. Spezielle Strukturen der viskosen Materialien 1 bis 6 sind wie in Tabelle 1 veranschaulicht. [Tabelle 1]
    Harzkomponente (bei Raumtemperatur härtbares Harz) Pulverkomponente
    Siliziumkarbidpulver Kohlenstoffpulver Gesamtmassenverhältnis (%)
    Mittlerer Teilchendurchmesser (μm) Volumenverhältnis (%) Mittlerer Teilchendurchmesser (μm)
    Viskoses Material 1 Epoxidharz 0,5 18 0,3 29
    Viskoses Material 2 Epoxidharz 1 22 1 44
    Viskoses Material 3 Epoxidharz 2 40 1 47
    Viskoses Material 4 Phenolharz 1 27 0,8 33
    Viskoses Material 5 Phenolharz 2 45 1,5 47
    Viskoses Material 6 Phenolharz 5 60 3 55
  • (Beispiel 1)
  • Das Siliziumkarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,8 µm und das Kohlenstoffpulver (Carbon Black) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,4 µm wurden mit einem Massenverhältnis von 10:3 (= SiC:C) vermischt. Nachdem dieses vermischte Pulver mit einer geeigneten Menge eines organischen Bindemittels vermischt wurde, wurde es in einem Lösemittel dispergiert, wodurch eine Aufschlämmung hergestellt wurde. Diese Aufschlämmung wurde in eine Gießform unter Verwendung einer Druckgießvorrichtung gefüllt, während ein Druck angewendet wurde. Auf diese Weise wurden zwei SiC-C-kompositgeformte Körper (Grünlingkompaktelemente) hergestellt.
  • Anschließend, nachdem das viskose Material 1 in Tabelle 1 zwischen den Verbindungsflächen der zwei SiC-C-kompositgeformten Körper angeordnet wurde, wurde die bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung gehärtet, um ein geformtes Produkt mit einer gewünschten verbundenen Elementform herzustellen. Dieses geformte Produkt wurde auf eine Temperatur von 1.000°C in einer Stickstoff- oder Argonatmosphäre erwärmt, um das gehärtete Produkt der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung zu karbonisieren. Bei dieser Karbonisierungsbehandlung wurde der verfestigte Körper des viskosen Materials ein poröser Körper. Der mittlere Porendurchmesser des porösen Körpers betrug 1,0 µm. Anschließend wurde das geformte Produkt, indem die beiden geformten Körper durch den porösen Körper verbunden sind, auf eine Temperatur von 1.450°C in einer verminderten Druckatmosphäre bei 1 Pa oder weniger erwärmt und währenddessen wurden die beiden geformten Körper und der poröse Körper, der den Verbindungsteil bildet, mit geschmolzenem Silizium imprägniert.
  • Anschließend werden bei dem Imprägnierungsverfahren von geschmolzenem Silizium die beiden geformten Körper hergestellt, um mit geschmolzenem Silizium zu reagieren, derart, um SiC-Si-kompositgesinterte Körper herzustellen, und sie wurden mit dem SiC-Si-Kompositkörper verbunden, was ein Produkt der Reaktion des porösen Körpers und des geschmolzenen Siliziums ist. Unter Berücksichtigung des keramischen Verbundelements, das auf diese Weise erhalten wurde, nachdem die Oberfläche des Verbindungsteils, gebildet von dem SiC-Si-Kompositkörper, poliert wurde, wurde die minutiöse Struktur mit einem Elektronenmikroskop betrachtet. Als ein Ergebnis wurde erkannt, dass das Verbindungsteil eine Struktur aufweist, in der die Si-Phase kontinuierlich in einer Netzwerkform in Zwischenräumen unter den SiC-Teilchen vorliegt. Der mittlere Durchmesser der Si-Phase betrug 0,7 µm. Solch ein keramisches Kompositelement wurde einer genauen Bewertung unterzogen, was später beschrieben werden wird.
  • (Beispiel 2)
  • Zwei SiC-C-kompositgeformte Körper, die ähnlich wie Beispiel 1 hergestellt wurden, wurden auf eine Temperatur von 600°C erwärmt und in einer Inertgasatmosphäre gehalten, um das organische Bindemittel zu entfernen. Nachdem der geformte Körper entfettet wurde, wurde er auf eine Temperatur von 1.450°C in einer verminderten Druckatmosphäre bei 1 × 10–1 Pa erwärmt und der geformte Körper, der diesen erwärmten Zustand hielt, wurde mit geschmolzenem Silizium imprägniert. Indem ein Reaktionssintern des geformten Körpers in dem Imprägnierungsverfahren des geschmolzenen Siliziums (Erzeugung von SiC und Verdichtung durch die Si-Phase) verursacht wurde, wurden zwei SiC-Si-kompositgesinterte Körper hergestellt.
  • Anschließend, nachdem das viskose Material 2 in Tabelle 1 zwischen den Verbindungsflächen der beiden SiC-Si-kompositgesinterten Körper angeordnet wurde, wurde die bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung gehärtet, um ein geformtes Produkt mit einer gewünschten Verbundelementform herzustellen. Dieses geformte Produkt wurde auf eine Temperatur von 800°C in einer Inertatmosphäre erwärmt, um das gehärtete Produkt der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung zu karbonisieren. Bei dieser Karbonisierungsbehandlung wurde der verfestigte Körper des viskosen Materials ein poröser Kärper. Der mittlere Porendurchmesser des porösen Körpers betrug 0,8 µm. Danach wurde das geformte Produkt, bei dem die beiden gesinterten Körper durch den porösen Körper verbunden werden, auf Temperaturen von 1.400°C bis 1.500°C in einer verminderten Druckatmosphäre bei 1 Pa oder weniger erwärmt, und währenddessen wurde der poröse Körper, der das Verbindungsteil bildet, mit geschmolzenem Silizium imprägniert.
  • Anschließend wurden bei dem Imprägnierungsverfahren des geschmolzenen Siliziums die beiden SiC-Si-kompositgesinterten Körper mit dem SiC-Si-Kompositkörper verbunden, was ein Produkt der Reaktion des porösen Körpers und des geschmolzenen Siliziums ist. Unter Berücksichtigung des keramischen Verbundelements, das auf diese Weise erhalten wurde, nachdem die Oberfläche des Verbindungsteils, das von dem SiC-Si-Kompositkörper gebildet wurde, poliert wurde, wurde die minutiöse Struktur mit einem Elektronenmikroskop betrachtet. Als ein Ergebnis wurde erkannt, dass das Verbindungsteil eine Struktur aufweist, bei der die Si-Phase kontinuierlich in einer Netzwerkform in Zwischenräumen unter den SiC-Teilchen vorliegt. Der mittlere Durchmesser der Si-Phase betrug 0,5 μm. Solch ein keramisches Kompositelement wurde einer Eigenschaftenbewertung unterzogen, was später beschrieben werden wird.
  • (Beispiele 3 bis 10)
  • Als Elemente, die verbunden werden, wurden SiC-C-kompositgeformte Körper, SiC-Si-kompositgesinterte Körper, SiC-gesinterte Körper durch Pulversinterverfahren und Si3N4-gesinterte Körper hergestellt. Sie wurden auf Basis von Kombinationen, die in Tabelle 2 veranschaulicht sind, verbunden, um keramische Verbundelemente herzustellen. Das Verbindungsverfahren wurde ähnlich zu den Beispielen 1, 2 durchgeführt. Viskose Materialien, die für das Verbinden verwendet wurden, sind wie in Tabelle 2 veranschaulicht. Tabelle 3 veranschaulicht Strukturen von Verbindungsteilen. Alle Verbindungsteile der entsprechenden keramischen Verbundelemente wiesen eine Struktur auf, bei der eine Si-Phase kontinuierlich in einer Netzwerkform in Zwischenräumen unter SiC-Teilchen vorliegt. Jedes der keramischen Verbundelemente wurde einer genauen Bewertung unterzogen, was später beschrieben werden wird.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Eine Siliziumfolie wurde zwischen zwei SiC-Si-kompositgesinterten Körpern, die ähnlich zu Beispiel 2 hergestellt wurden, sandwichartig angeordnet und sie wurden durch ein Hilfsmittel fixiert. Anschließend wurden sie auf Temperaturen erwärmt, bei denen die Siliziumfolien schmelzen, um sie zu verbinden. Ein keramisches Verbundelement, was auf diese Weise erhalten wurde, wurde einer Eigenschaftsbewertung unterzogen, was später beschrieben wird.
  • (Vergleichsbeispiel 2)
  • Auf den Verbindungsflächen der zwei SiC-Si-kompositgeformten Körper, die ähnlich zu Beispiel 1 hergestellt wurden, wurde eine Aufschlämmung, die hergestellt wurde durch Dispergieren eines Siliziumkarbidpulvers, eines Kohlenstoffpulvers und dergleichen in einem Lösemittel aufgetragen, um diese zu verbinden, und sie wurden mit einem Hilfsmittel fixiert.
  • Danach wurden sie mit geschmolzenem Silizium ähnlich zu Beispiel 1 imprägniert. Ein keramisches Verbundelement, was auf diese Weise erhalten wurde, wurde einer genauen Bewertung unterzogen, was später beschrieben wird. [Tabelle 2]
    Keramischer Körper 1 Keramischer Körper 2 Verbindungsmaterial
    Beispiel 1 SiC-C-kompositgeformter Körper SiC-C-kompositgeformter Körper Viskoses Material 1
    Beispiel 2 SiC-C-kompositgesinterter Körper SiC-Si-kompositgesinterter Körper Viskoses Material 2
    Beispiel 3 SiC-C-kompositgeformter Körper SiC-C-kompositgeformter Körper Viskoses Material 3
    Beispiel 4 SiC-C-kompositgeformter Körper SiC-C-kompositgeformter Körper Viskoses Material 4
    Beispiel 5 SiC-gesinterter Körper SiC-gesinterter Körper Viskoses Material 5
    Beispiel 6 SiC-gesinterter Körper SiC-gesinterter Körper Viskoses Material 6
    Beispiel 7 SiC-Si-kompositgesinterter Körper SiC-gesinterter Körper Viskoses Material 2
    Beispiel 8 SiC-C-kompositgeformter Körper SiC-Si-kompositgesinterter Körper Viskoses Material 3
    Beispiel 9 Si3N4-gesinterter Körper Si3N4-gesinterter Körper Viskoses Material 4
    Beispiel 10 Si3N4-gesinterter Körper Si3N4-gesinterter Körper Viskoses Material 5
    Vergleichsbeispiel 1 SiC-Si-kompositgesinterter Körper SiC-Si-kompositgesinterter Körper Siliziumfolie
    Vergleichsbeispiel 2 SiC-C-kompositgeformter Körper SiC-C-kompositgeformter Körper Aufschläm
  • Die Messung der Verbindungsfestigkeit (4-Punkt-Biegemessung) der jeweiligen keramischen Verbundelemente gemäß den Beispielen 1 bis 10 und Vergleichsbeispielen 1 bis 2 wurde in Übereinstimmung mit JIS R 1624 durchgeführt. Ergebnisse sind in Tabelle 3 veranschaulicht. Tabelle 3 veranschaulicht die mittleren Porendurchmesser der porösen Körper, die im Verlauf der Herstellung der keramischen Verbundelemente gebildet wurden wie auch die mittleren Durchmesser der Si-Phasen in den endgültigen keramischen Verbundelementen. Ferner werden anwendbare Bereiche der Herstellungsverfahren der Beispiele studiert. Eines, das auf ein großes Strukturelement, ein kompliziertes Formteil, anwendbar ist oder dergleichen wird mit „Ja” markiert, und eines, welches in der Praxis schwierig einzusetzen ist, wird mit „Nein” markiert. [Tabelle 3]
    Verbindungsteil
    Mittlerer Porendurchmesser (µm) der porösen Schicht Mittlerer Durchmesser der Si-Phase (µm) Bindungsfestigkeit (MPa) Anwendbarer Bereich
    Beispiel 1 1,0 0,7 600–650 Ja
    Beispiel 2 0,8 0,5 700–750 Ja
    Beispiel 3 0,5 0,2 850–900 Ja
    Beispiel 4 1,5 0,9 550–600 Ja
    Beispiel 5 2,5 1,5 400–450 Ja
    Beispiel 6 4,0 2,5 350–400 Ja
    Beispiel 7 2,0 1,2 600–700 Ja
    Beispiel 8 0,7 0,4 750–800 Ja
    Beispiel 9 3,0 1,8 400–450 Ja
    Beispiel 10 0,9 0,6 650–700 Ja
    Vergleichsbeispiel 1 - - 80 Nein
    Vergleichsbeispiel 2 - 10 100 Nein
  • Wie es von Tabelle 3 klar wird, kann gesehen werden, dass die keramischen Verbundelemente der Beispiele 1 bis 10 alle bei den mechanischen Eigenschaften, wie der Verbindungsfestigkeit im Vergleich zu Vergleichsbeispielen 1 und 2 herausragend sind. Es wurde erkannt, dass das Verbindungsteil Eigenschaften aufweist, die zu denen des SiC-Si-kompositgesinterten Körpers oder dergleichen des Basiselements äquivalent sind. Ferner wurde erkannt, dass die Verbindungsteile nach den Beispielen 1 bis 10 sich auch bei den thermischen Eigenschaften, wie bei der Wärmeleitfähigkeit, auszeichnen. Es ist zu beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit in Übereinstimmung mit JIS R 1611 gemessen wurde. Ferner können die Beispiele 1 bis 10 auf Elemente und Teile von verschiedenen Formen und Größen angewendet werden. Beim Betrachten der Größen wurde erkannt, dass sie auf große strukturelle Elemente, wie Meter-Klassen-Größe anwendbar sind.
  • Bei Vergleichsbeispiel 1 müssen die Elemente mit einem Hilfsmittel oder dergleichen fixiert werden, um die verbundene Form zu halten und um zu verhindern, dass die sandwichartig angeordnete Siliziumfolie herausfällt, während sie erwärmt wird. Ferner muss das Erwärmen in einem Zustand durchgeführt werden, dass das geschmolzene Silizium nicht abtropft. Dementsprechend ist die Anwendung auf Teile von verschiedenen Formen und Größen, insbesondere auf große strukturelle Elemente und komplizierte Formteile schwierig. In einem Zustand, mit der Aufschlämmung von Vergleichsbeispiel 2 verbunden zu werden und getrocknet, weisen die Elemente nahezu keine Festigkeit auf und somit ist die Anwendung des Herstellungsverfahrens von Vergleichsbeispiel 2 auf Teile von verschiedenen Formen und Größen, insbesondere auf große strukturelle Elemente und komplizierte Formteile schwierig.
  • (Beispiel 11)
  • Ein SiC-Si-kompositgesinterter Körper wurde ähnlich zu Beispiel 2 hergestellt und es wurde ein Ausschnitt darauf gebildet, um ein Reparierteil zu bilden. Die Größe des Ausschnitts betrug 20 mm. In dem Ausschnitt von diesem SiC-Si-kompositgesinterten Körper wurde das viskose Material 2 der Tabelle 1 aufgetragen und gefüllt und anschließend wurde die bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung gehärtet. Dieser SiC-Si-komplexgesinterte Körper wurde auf eine Temperatur von 1.000°C in einer Inertatmosphäre erwärmt, um das gehärtete Produkt der bei Raumtemperatur härtbaren Harzzusammensetzung zu karbonisieren. Der verfestigte Körper des viskosen Materials wurde durch diese Karbonisierungsbehandlung zu einem porösen Körper. Der mittlere Porendurchmesser des porösen Körpers betrug 0,5 µm bis 2,0 µm. Danach wurde der SiC-Si-kompositgesinterte Körper auf eine Temperatur von 1.450°C in einer reduzierten Druckatmosphäre bei 1 Pa oder weniger erwärmt und währenddessen wurde der poröse Körper, der das Reparierteil bildet, mit geschmolzenem Silizium imprägniert.
  • Bei dem Imprägnierungsverfahren von geschmolzenem Silizium wurde der Ausschnitt des SiC-Si-kompositgesinterten Körpers mit dem SiC-Si-Kompositkörper, was das Produkt der Reaktion zwischen dem porösen Körper und dem geschmolzenen Silizium ist, repariert. Beim Betrachten des keramischen reparierten Elements, das auf diese Weise erhalten wurde, nachdem die Oberfläche des reparierten Teils, das von dem SiC-Si-Kompositkörper gebildet wurde, poliert wurde, wurde die minutiöse Struktur mit einem Elektronenmikroskop beobachtet. Als Ergebnis wurde erkannt, dass das Reparierteil eine Struktur aufweist, bei der die Si-Phase kontinuierlich in einer Netzwerkform in Zwischenräumen unter den SiC-Teilchen vorliegt. Der mittlere Durchmesser der Si-Phase betrug 0,2 µm bis 1,2 µm. Es wurde die Festigkeit von diesem keramischen reparierten Element gemessen und es wurde erkannt, dass es eine Festigkeit aufweist, die äquivalent ist zu der eines SiC-Si-kompositgesinterten Körpers, welcher kein Reparierteil aufweist.
  • (Beispiele 12 bis 15)
  • Als Elemente, die repariert wurden, wurde ein SiC-Si-kompositgesinterter Körper, ein SiC-Si-kompositgeformter Körper und SiC-gesinterter Körper durch das Pulversinterverfahren hergestellt. Sie wurden auf Basis von Kombinationen, veranschaulicht in Tabelle 4, repariert, um keramisch reparierte Elemente zu erzeugen. Das Reparierverfahren wurde ähnlich zu Beispiel 11 durchgeführt. Viskose Materialien, die zur Reparatur verwendet wurden, sind wie in Tabelle 4 veranschaulicht. Ergebnisse der Messung der Festigkeit von jedem keramischen reparierten Element sind in Tabelle 5 veranschaulicht. Tabelle 5 veranschaulicht auch Strukturen der reparierten Teile. [Tabelle 4]
    Keramischer Körper Repariermaterial
    Beispiel 11 SiC-Si-kompositgesinterter Körper Viskoses Material 2
    Beispiel 12 SiC-gesinterter Körper Viskoses Material 2
    Beispiel 13 SiC-C-Kompositkörper Viskoses Material 2
    Beispiel 14 SiC-Si-Kompositkörper Viskoses Material 5
    Beispiel 15 SiC-gesinterter Körper Viskoses Material 5
    [Tabelle 5]
    Reparierteil
    Mittlerer Teilchendurchmesser (µm) der porösen Schicht Mittlerer Durchmesser der Si-Phase (µm) Bindungsfestigkeit (MPa)
    Beispiel 11 0,5–2,0 0,2–1,2 600–900
    Beispiel 12 1,0–4,0 0,6–2,5 350–600
    Beispiel 13 0,5–2,0 0,2–1,2 600–900
    Beispiel 14 0,8–1,5 0,5–0,9 550–750
    Beispiel 15 2,0–5,0 1,2–2,0 350–600
  • Wie es von Tabelle 5 klar ist, weisen alle keramisch reparierten Elemente, bei denen Reparierteile mit einem SiC-Si-Kompositkörper gebildet werden, eine Festigkeit auf, die äquivalent ist zu der eines gesinterten Körpers ohne Reparierteil, und die Effektivität der Reparierteile, die auf einem SiC-Si-Kompositkörper gebildet wurden, wurde erkannt. Ferner können die viskosen Materialien, die als ein Repariermaterial verwendet werden, während dem Formen verfestigt werden, und somit ist es möglich, die Formpräzision eines Reparierteils zu erhöhen. Somit verbessern sich die Beständigkeit und die Reparierausbeuten der reparierten keramischen Elemente.
  • Erläuterung der Bezugszeichen
    • 10, 20, 30, 40 ... elektrisches Stromspeichersystem, 11 ... Strom/Wasserstoffumwandlungsvorrichtung, 12 ... Wasserstoffspeichereinheit, 13 ... Hochtemperaturwärmespeichereinheit, 14 ... Kapsel, 15 ... Wärmespeicherbehälter, 16 ... erstes keramisches Element, 17 zweites keramisches Element, 18 ... Verbindungsmaterial, 19 ... Verbindungsschicht, 21 ... Festelektrolytbrennstoffzelle, 22 ... Dampfelektrolysezelle, 31 ... Niedertemperaturwärmespeicher, 51, 52 ... keramischer Körper, 53 ... viskoses Material, 54 ... Siliziumkarbidpulver, 55 ... Kohlenstoffpulver, 56 ... bei Raumtemperatur härtbare Harzzusammensetzung, 57 ... geformtes Produkt, 58 ... poröser Körper aus Kohlenstoff, 59 ... poröser Körper, 60 ... SiC-Si-Kompositkörper, 61 ... keramisch verbundenes Element, 62, 63 ... SiC-Teilchen, 64 Si-Phase.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • JIS R 1624 [0125]
    • JIS R 1611 [0126]

Claims (30)

  1. Elektrisches Stromspeichersystem, umfassend: eine Stromerzeugungseinheit, die Strom unter Verwendung von Wasserstoff und oxidierendem Gas erzeugt; eine Elektrolyseeinheit, die Dampf elektrolysiert, um Wasserstoff zu erzeugen; eine Wasserstoffspeichereinheit, die Wasserstoff, der durch die Elektrolyse erzeugt wurde, speichert und den Wasserstoff zu der Stromerzeugungseinheit während der Stromerzeugung zuführt; eine Hochtemperaturwärmespeichereinheit, die erste Wärme speichert, die bei der Stromerzeugung erzeugt wurde und die die erste Wärme zu der Elektrolyseeinheit während der Elektrolyse zuführt; und eine Niedertemperaturwärmespeichereinheit, die zweite Wärme speichert, die in der Hochtemperaturwärmespeichereinheit ausgetauscht wird und die niedriger ist als die Temperatur der ersten Wärme, die in der Hochtemperaturwärmespeichereinheit gespeichert wird, und die mit der zweiten Wärme den Dampf, der zu der Elektrolyseinheit zugeführt wird, erzeugt.
  2. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 1, worin die Stromerzeugungseinheit und die Elektrolyseeinheit aus einer Festelektrolytbrennstoffzelle gebildet sind, die einen Festoxidelektrolyt umfasst und Kombinieren einer Brennstoffzelle und einer Dampfelektrolysezelle und strukturell derart angeordnet sind, um betriebsfähig zu sein, indem zwischen den jeweiligen Betriebsvorgängen der Stromerzeugungseinheit und der Elektrolyseeinheit mit der Zeit umgeschaltet wird.
  3. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 1, worin die Stromerzeugungseinheit aus einer Festelektrolytbrennstoffzelle gebildet ist, die einen Festoxidelektrolyten umfasst, und die Elektrolyseeinheit aus einer Dampfelektrolysezelle gebildet ist, die einen Festoxidelektrolyten umfasst, und die getrennt von der Festelektrolytbrennstoffzelle vorliegt.
  4. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 1, worin wenigstens eine der Hochtemperaturwärmespeichereinheit und der Niedertemperaturwärmespeichereinheit eine Vielzahl von Kapseln, ein Wärmespeichermaterial, eingekapselt in die Vielzahl von Kapseln und mit einem Schmelzpunkt, um zu schmelzen, wenn Wärme gespeichert wird, und um zu verfestigen, wenn Wärme abgegeben wird, und einen Wärmespeicherbehälter, der die Vielzahl der Kapseln aufnimmt, und Bilden von Strömungswegen eines Wärmemediumfluids, das um die Kapseln fließt, umfasst.
  5. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 4, worin die Kapseln aus wenigstens einem, ausgewählt aus einem Siliziumkarbid-gesinterten Körper, einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper, einem Siliziumkarbid-basierenden Langfaserkompositmaterial, einem Borkarbid-gesinterten Körper, einem Siliziumnitrid-gesinterten Körper, einem Bornitrid-gesinterten Körper und Graphit, gebildet sind.
  6. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 4, worin die Kapseln ein erstes keramisches Element und ein zweites keramisches Element aufweisen, wobei zumindest eines davon eine Behälterform aufweist, und das erste keramische Element und das zweite keramische Element über eine Verbindungsschicht in einem Zustand miteinander verbunden sind, dass das Wärmespeichermaterial dazwischen eingeführt ist, wobei die Verbindungsschicht aus einer keramischen Schicht gebildet ist, die durch Brennen eines keramischen Vorläufers, einer Kohlenstoffschicht, geformt durch Brennen eines Kohlenstoffhaftmittels, oder aus einer Siliziumschicht, die durch Brennen eines Siliziumhartlötenden Materials gebildet ist, gebildet ist.
  7. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 4, worin die Kapseln ein erstes keramisches Element und ein zweites keramisches Element aufweisen, wobei zumindest eines davon eine Behälterform aufweist und wobei das erste keramische Element und das zweite keramische Element über eine Verbindungsschicht in einem Zustand miteinander verbunden sind, dass das Wärmespeichermaterial dazwischen eingefügt ist, wobei die Verbindungsschicht aus einem Siliziumkarbid-Siliziumkompositkörper gebildet ist mit Siliziumkarbidteilchen und einer Siliziumphase, die kontinuierlich in Zwischenräumen unter den Siliziumkarbidteilchen vorliegt.
  8. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 7, worin der Siliziumkarbid-Siuziumkompositkörper, der die Verbindungsschicht bildet, gebildet wird, indem ein poröser Körper mit ersten Siliziumkarbidteilchen und Kohlenstoff mit geschmolzenem Silizium imprägniert werden, wodurch bewirkt wird, dass der Kohlenstoff mit dem geschmolzenen Silizium reagiert, um zweite Siliziumkarbidteilchen zu erzeugen, und Belassen eines Teils des geschmolzenen Siliziums als Siliziumphase.
  9. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 8, worin der poröse Körper gebildet wird durch Anordnen eines viskosen Materials, enthaltend ein Siliziumkarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 μm bis 5 µm, ein Kohlenstoffpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm, und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz und ein Härtemittel davon, zwischen dem ersten keramischen Element und dem zweiten keramischen Element, Härten des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes bei Raumtemperatur, um einen verfestigten Körper herzustellen, und Wärmebehandeln des verfestigten Körpers, um ein gehärtetes Produkt des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes zu karbonisieren.
  10. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 9, worin das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers zu allen Pulverkomponenten in dem viskosen Material im Bereich von 18% bis 60% liegt und das Gesamtmassenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers im Bereich von 29% bis 55% des gesamten viskosen Materials liegt.
  11. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 1, worin die Hochtemperaturwärmespeichereinheit ein Wärmespeichermaterial umfasst, gebildet aus wenigstens einem, ausgewählt von Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumchlorid, Calciumchlorid, Lithiumfluorid, Natriumfluorid, Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat und Lithiumhydroxid.
  12. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 1, worin die Niedertemperaturwärmespeichereinheit ein Wärmespeichermaterial umfasst, gebildet von wenigstens einem, ausgewählt von Xylitol, Erythrit, Mannit, Sorbitol, Alditol und Harnstoff.
  13. Elektrisches Stromspeichersystem nach Anspruch 1, worin die Niedertemperaturwärmespeichereinheit ein Wärmespeichermaterial umfasst, gebildet aus zumindest einem, ausgewählt aus Aluminiumchlorid, Eisenchlorid, Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Natriumnitrit, Lithiumnitrat, Natriumnitrat und Kaliumnitrat.
  14. Verfahren zum Speichern von elektrischem Strom unter Verwendung von Wasserstoff, umfassend: einen Stromerzeugungsschritt der Erzeugung von Strom unter Verwendung von Wasserstoff und oxidierendem Gas; einen Elektrolyseschritt der Elektrolyse von Dampf, um Wasserstoff zu erzeugen; einen Wasserstoffspeicherschritt des Speicherns von Wasserstoff, erzeugt durch den Elektrolyseschritt derart, um den Wasserstoff zu dem Stromerzeugungsschritt zuzuführen; einen ersten Wärmespeicherschritt des Speicherns von erster Wärme, die bei der Stromerzeugung erzeugt worden ist, derart, um die erste Wärme zu dem Elektrolyseschritt zuzuführen; und einen zweiten Wärmespeicherschritt des Speicherns von zweiter Wärme, die in dem ersten Wärmespeicherschritt ausgetauscht wird und die niedriger ist als die Temperatur der ersten Wärme, die in dem ersten Wärmespeicherschritt gespeichert wird, derart, um den Dampf zu erzeugen, der zu dem Elektrolyseschritt zugeführt wird.
  15. Keramisches Verbindungsmaterial, umfassend: eine Mischung, enthaltend ein Siliziumkarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 μm, ein Kohlenstoffpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 μm bis 3 μm und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz mit einer Viskosität und Haftfähigkeit; und ein Härtemittel des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes, das die Mischung härtet, worin das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers zu allen Pulverkomponenten in dem Verbindungsmaterial im Bereich von 18% bis 60% liegt.
  16. Keramisches Verbindungsmaterial nach Anspruch 15, worin das Gesamtmassenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers im Bereich von 29% bis 55% des gesamten Verbindungsmaterials liegt.
  17. Keramisches Verbindungsmaterial nach Anspruch 15, worin das bei Raumtemperatur härtbare Harz ein Epoxidharz oder ein Phenolharz mit einer bei Raumtemperatur härtbaren Eigenschaft ist.
  18. Keramisches Verbindungsmaterial nach Anspruch 15, worin das Verbindungsmaterial verwendet wird, um wenigstens zwei keramische Körper zu verbinden.
  19. Keramisches Verbindungsmaterial nach Anspruch 15, worin das Verbindungsmaterial verwendet wird, um einen keramischen Körper zu reparieren.
  20. Keramisches Verbindungsmaterial nach Anspruch 18, worin die keramischen Körper wenigstens welche sind, ausgewählt aus einem Siliziumkarbid-Kohlenstoffkompositgeformten Körper, einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper, einem Siliziumkarbid-gesinterten Körper, einem Siliziumnitrid-gesinterten Körper und Graphit.
  21. Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements, umfassend: Anordnen eines viskosen Materials, das durch Mischen einer Mischung hergestellt wurde, die ein Siliziumkarbidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm, ein Kohlenstoffpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm und ein bei Raumtemperatur härtbares Harz mit einer Viskosität und Haftfähigkeit enthält, mit einem Härtemittel des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes, das die Mischung härtet, zwischen einer Vielzahl von keramischen Körpern oder auf einen Teil eines keramischen Körpers; Härten des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes, um ein geformtes Produkt herzustellen mit einem verfestigten Körper des viskosen Materials, angehaftet an die keramischen Körper; Wärmebehandeln des geformten Produkts, um ein gehärtetes Produkt des bei Raumtemperatur härtbaren Harzes zu karbonisieren, derart, um zu veranlassen, dass der verfestigte Körper des viskosen Materials porös wird; und Herstellen eines keramischen Kompositelements mit einem Siliziumkarbid-Siliziumkompositkörper, gebildet durch Imprägnieren von wenigstens dem porösen verfestigten Körper des viskosen Materials mit geschmolzenem Silizium, Veranlassen der Kohlenstoffkomponenten in dem verfestigten Körper mit dem geschmolzenen Silizium zu reagieren und Belassen eines Teils des geschmolzenen Siliziums als eine Siliziumphase.
  22. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin das Volumenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers zu allen Pulverkomponenten in dem viskosen Material im Bereich von 18% bis 60% liegt.
  23. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin das Gesamtmassenverhältnis des Siliziumkarbidpulvers und des Kohlenstoffpulvers im Bereich von 29% bis 55% des gesamten viskosen Materials liegt.
  24. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin der Siliziumkarbid-Siliziumkompositkörper erste Siliziumkarbidteilchen umfasst, basierend auf dem Siliziumkarbidpulver, zweite Siliziumkarbidteilchen, erzeugt durch Reaktion zwischen den Kohlenstoffkomponenten und dem geschmolzenen Silizium, und wobei die Siliziumphase kontinuierlich in Zwischenräumen zwischen den ersten und zweiten Siliziumkarbidteilchen vorliegt.
  25. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin die keramischen Körper gebildet werden aus zumindest einem, ausgewählt aus einem Siliziumkarbid-Kohlenstoffkomposit-gehärteten Körper, einem Siliziumkarbid-Siliziumkomposit-gesinterten Körper, einem Siliziumkarbid-gesinterten Körper, einem Siliziumnitrid-gesinterten Körper und Graphit.
  26. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin die Vielzahl der keramischen Körper über den Siliziumkarbid-Siliziumkompositkörper verbunden sind.
  27. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin der Teil des keramischen Körpers mit dem Siliziumkarbid-Siliziumkompositkörper repariert wird.
  28. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin ein mittlerer Porendurchmesser des porösen verfestigten Körpers im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm liegt.
  29. Herstellungsverfahren des keramischen Kompositelements nach Anspruch 21, worin ein mittlerer Durchmesser der Siliziumphase in dem Siliziumkarbid-Siliziumkompositkörper im Bereich von 0,2 µm bis 2 µm liegt.
  30. Keramisches Kompositelement, hergestellt durch das Herstellungsverfahren eines keramischen Kompositelements nach Anspruch 21.
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