Suche

zur Hauptseite

Institut für Energie- und Klimaforschung

Navigation und Service


Team Wasserstoffpermeable Membrane

Das Team wasserstoffpermeable Membranen entwickelt keramische Membranen, die in der Lage sind, Wasserstoff entweder in protonischer (H+) oder molekularer Form (H2) mittels ausgewählter Materialien und fortschrittlicher Fertigungstechniken zu transportieren. Abhängig von den strukturellen Anordnungen im atomistischen und mikroskopischen Maßstab, einschließlich des Vorhandenseins von Punktdefekten oder Porositäten und strukturellen Hohlräumen, wird der Transport der gewünschten Spezies durch eine dichte oder mikroporöse Membran durch Gitterdiffusion von Protonen, die häufig mit dem Polaron-Hopping von Elektronen assoziiert sind, oder durch Molekularsiebung und selektive Absorption gesteuert.

Wasserstoffpermeable Membranen

Diese unterschiedlichen Transportmechanismen, die chemische Natur der ausgewählten Membranwerkstoffe, aber auch die Prozessbedingungen eröffnen vielfältige Anwendungsbereiche, die von Trennaufgaben (Extraktion von hochreinem H2 aus Gasgemischen) bis hin zur Durchführung komplexer chemischer Reaktionen in Membranreaktoren unter Beteiligung von z.B. H2 und CO2 oder N2 zu Biokraftstoffen, höheren Kohlenwasserstoffen bzw. Ammoniak reichen. Neben der H2-Trennung, die sowohl von dichten als auch mikroporösen Membranen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen durchgeführt wird, steht eine weitere, in den letzten Jahren stark verfolgte und industriell getriebene Trennaufgabe für mikroporöse Membranen im Vordergrund, nämlich die CO2/N2-Trennung aus dem Rauchgas von Post-Combustion Kraftwerken. Darüber hinaus entwickelt das Team mikroporöse Membranen zur Dehydratisierung von Alkoholen durch Pervaporation und sowohl dichte als auch mikroporöse Membranen zur katalytischen Zersetzung H2-haltiger Verbindungen.

Dichte keramische wasserstoffpermeable Membranen können als Festoxid-Elektrolyte für i) keramische protonenleitende Brennstoffzellen (PCFC) bei mittleren Temperaturen und ii) Trennmembranen für z.B. H2-Extraktion aus Gasgemischen und in Membranreaktoren dienen. Die Funktion solcher Bauteile hängt entscheidend von den intrinsischen Materialeigenschaften wie ionischer und/oder elektronischer Leitfähigkeit, katalytischer Aktivität, chemischer und mechanischer Stabilität sowie von der Fähigkeit ab, eine geeignete Mikrostruktur herzustellen (gasdichte Membranen 5-20 μm dick, auf porösen Trägern, die mechanische Stabilität verleihen aber Gasdiffusion zulassen).

Materialeigenschaften können modifiziert oder neu entwickelt werden, indem verschiedene Strategien wie Dotierung/Substitution und die Bildung von Cer-Cer- oder Cer-Met-Verbundwerkstoffen verfolgt werden. Die Auswahl der Materialien umfasst mehrere Strukturklassen, die von bewährten konventionellen Werkstoffen wie Zirkonaten und Ceraten mit Perowskitstruktur bis hin zu neuartigen, patentierten Eigenkompositionen wie den Seltenerd-Wolframaten mit defekter Fluoritstruktur reichen. Als besonders erfolgreich erwies sich die Bildung einer cer-cer Kompositmembran, die bei 700°C fast 1 ml/min.cm2 erreicht und eine Stabilität von ca. 700h in H2-haltigen Atmosphären bei Temperaturen von bis zu 1000°C aufweist.

Solche Membranen müssen in ausreichend großen Flächen, z.B. 10x10 cm2, in Brennstoffzellen und Membranreaktoren in der Nähe der endgültigen Anwendungsgröße und zu akzeptablen Kosten hergestellt werden. Die Überbrückung der Lücke zwischen keramischen Laborproben und großflächig gestützten Membranen ist entscheidend, um Werkstoffe mit optimierten strukturellen und funktionellen Eigenschaften aus dem Labormaßstab in die Praxis umzusetzen.

Mikroporöse Membranen auf der Basis von Siliziumdioxid weisen ausgezeichnete H2/CO2- oder H2/N2-Trenneigenschaften auf. Durch die Einführung stabiler mesoporöser ZrO2-Zwischenschichten konnte die Stabilität in feuchter Atmosphäre verbessert werden, wobei gute Trenneigenschaften beibehalten wurden. Dieser Membrantyp wird in der Industrie (Pervatech) für Pervaporationsprozesse eingesetzt, z.B. zur Entwässerung von Alkoholen.
Mikroporöse Gastrennmembranen haben in der Regel eine abgestufte Struktur, d.h. ein Substrat mit relativ großen Poren ist der Ausgangspunkt, auf das nacheinander Schichten mit feineren Partikeln aufgetragen werden. Die auf dieser Trägerstruktur aufgebrachte Membranschicht ist nur wenige Nanometer dick.

Herstellungsmethoden: Foliengießen, Siebdruck, Sol-Gel Technologie, Rotations-/Tauchbeschichtung, PS-PVD

Team Wasserstoffpermeable Membrane
Arbeitsgruppe Gastrennmembranen: Dr. Mariya Ivanova
Dr. Eng. Mariya Ivanova
Teamleiterin
Telefon: +49 2461 61-5194
E-Mail: m.ivanova@fz-juelich.de
Arbeitsgruppe Gastrennmembranen: Wendelin Deibert
Dr. Wendelin Deibert
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 2461 61-8968
E-Mail: w.deibert@fz-juelich.de
Team Wasserstoffpermeable Membrane
Lars Petter
Technischer Mitarbeiter
Telefon: +49 2461 61-2069
E-Mail: l.petter@fz-juelich.de
Arbeitsgruppe Gastrennmembranen: Patrick Tchoua
Dr. Patrick Tchoua
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 2461 61-6665
E-Mail: p.tchoua@fz-juelich.de
Arbeitsgruppe Gastrennmembranen: Dr. Tim Van Gestel
Dr. Tim Van Gestel
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 2461 61-5334
E-Mail: t.van.gestel@fz-juelich.de
Arbeitsgruppe Gastrennmembranen: Kai Wilkner
Kai Wilkner
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 2461 61-96768
E-Mail: k.wilkner@fz-juelich.de
Team Wasserstoffpermeable Membrane: Patrick Stollberg
Patrick Stollberg
Technischer Mitarbeiter
Telefon: +49 2461 61-9702
E-Mail: p.stollberg@fz-juelich.de


Anschrift

Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1)
Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren

Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße
52428 Jülich


Servicemenü

Homepage