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.

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.

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.

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.

Letzte Änderung: 22.05.2022