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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Gastrennmembranen

Die Abteilung entwickelt keramische Membranen für die Gastrennung - ein Bereich, in dem die Entwicklungsschwerpunkte in den letzten Jahren erheblich erweitert wurden, da die Membrantechnik eine Erhöhung der Energieeffizienz durch Prozessintensivierung und Potential für Kostenreduzierungen bietet.

Die Versorgung mit reinem Sauerstoff und Wasserstoffgas ist für eine Reihe von Prozessen sehr wichtig. Mögliche Anwendungen sind H2-basierte Systeme für mobile und stationäre Anwendungen, Kraftwerke unterschiedlicher Konzeption (Post- und Pre-Combustion, Oxy Fuel), Zement, chemische und petrochemische Industrie usw. Ein weiterer Schwerpunkt sind Membranreaktoren, in denen diese Gase zusammen mit anderen Ausgangsstoffen (einschließlich CO2-Verwertung) in das gewünschte Produkt umgewandelt werden.

Die Abteilung besteht daher aus zwei Teams, die sich auf die Entwicklung von sauerstoff- und wasserstoffdurchlässigen Membranen spezialisiert haben.

Forschungsziele der beiden Teams sind i) die Entwicklung von Werkstoffen einschließlich der Optimierung konventioneller Materialkandidaten aber auch die Etablierung neuartiger vielversprechender Systeme; ii) die Herstellung dünner asymmetrischer Membranen für die effiziente Gastrennung; iii) der Machbarkeitsnachweis mittels Modulen und Membranreaktoren, bestehend aus skalierbaren Dünnschichtmembranen mit industriell relevanter Geometrie und Größe zur Demonstration der Technologiebereitschaft.

Die Auswahl eines Werkstoffs, der für bestimmte Membrananwendungen geeignet ist, beinhaltet eine Reihe von Fragen wie seine Leistungsfähigkeit, thermo-chemische/mechanische Stabilität und Phasenstabilität, Kompatibilität mit anderen Komponenten usw. und muss einen nennenswerten Kompromiss zwischen verschiedenen Materialeigenschaften unter relevanten Betriebsbedingungen erreichen.

Gastrennmembrane keramische PulverFoto: Beispiel für keramische Pulver auf LaWO-Basis, die mit verschiedenen Elementen in unterschiedlichen Konzentrationen substituiert sind.

Abhängig von der Trennaufgabe und den Eigenschaften des gewählten Materials werden dichte keramische Membranen mit Sauerstoffionen-/Protonenleitfähigkeit oder gemischter Sauerstoffionen-/Protonen-Elektronenleitfähigkeit sowie mikroporöse kristalline oder amorphe anorganische Membranen entwickelt.

Mittels moderner, reproduzierbarer und skalierbarer Fertigungstechniken, die am IEK-1 zur Verfügung stehen, wie z.B. Foliengießen, Siebdruck, Spin- und Tauchbeschichtung im Reinraum, PS-PVD etc. werden Membranen unterschiedlicher Dicke (im Nanometer- bis Mikrometerbereich), Mikrostruktur und Endgeometrie auf keramischen oder metallischen Substraten hergestellt.

Gastrennmembrane FoliengießbankFoto: Demonstration an der Foliengießanlage

Neben diesen Aktivitäten stellen die Mikrostrukturierung (zur Gasströmungsoptimierung) und die Komponentenfertigung (skalierbare Membrankomponenten für den Einsatz in Proof-of-Concept-Modulen) einen wesentlichen Teil unserer F&E-Aktivitäten dar.

Gastrennmembrane KomponentenFoto: OTM-Bauteile mit industriell relevanten Abmessungen von 10x10 cm², die durch Foliengießen und Lamination hergestellt werden.

Neben der Entwicklung von defektfreien und hochleistungsfähigen Membranen für die angestrebten Energie- und Umweltanwendungen führt das Team detaillierte Grundlagenforschung durch, um den Zusammenhang von Eigenschaften wie Zusammensetzung, Mikrostruktur, Leistung und Stabilität zu klären.

mikroporöse GastrennmembranFoto: Eine mikroporöse Gastrennmembran mit einer Dicke von 90 nm, die auf einem gradierten Substrat abgeschieden ist (links) und einer Membranmikrostruktur im Rasterelektronenmikroskop (rechts).

Projekte: Gastrennmembranen

GREEN-CC (Grant 608524) (2015)
Graded membranes for energy efficient new generation carbon capture process

Research Project GREEN-CC


MemKoR (FKZ 03ET7064) (2016)
Membranverfahren für die Abtrennung von Kohlendioxid aus
Kraftwerksrauchgasen

Research Project MemKoR

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

ProtOMem (Grant 03SF0537A) (2016)
Proton conducting membranes with optimized microstructure and improved transport properties for energy and H2 separation applications

Partner: FZJ/IEK-1 Jülich, MPI/FKF Stuttgart, RWTH/GFE Aachen
Laufzeit: 01.07.2016-30.06.2019
Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF

Research Project ProtOMem


PROMETHEUS (Grant 03SF0555A) (2018-2021)
Proton and oxygen co-ionic conductors for CO2/H2O co-electrolysis and intermittent RES conversion to methanol and other chemicals towards EU sustainability.
Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF


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