Hochtemperaturmembranen und -speicher

Gruppe

Asymmetrische Membran im Langzeittest

Thema

Langzeitmessung an einer asymmetrischen Membran über 300 Tage bei 850°C, Vakuumbetrieb.

Verformungen an der Membran durch Gewichtseinwirkung während des Langzeittests.

Vergleich der Sauerstoffpermeation eines monolithischen und asymmetrischen Membranrohrs im Vakuumbetrieb.

Bei der Sauerstoff-Abtrennung aus Luft mit mischleitenden keramischen Membranen (MIEC - Mixed Ionic Electronic Conductor) führt eine Verringerung der Membrandicke zu kürzeren Diffusionswegen und zu einer höheren Sauerstoff-Permeation. Um bei sehr geringer Membrandicke eine ausreichende Festigkeit zu erreichen, kombiniert man die dünne Trennschicht mit einem porösen Träger zu einer sogenannten asymmetrischen Membran. Neben der Höhe der Sauerstoff-Permeation ist für einen wirtschaftlichen Einsatz der MIEC-Membranen vor allem die Langzeitstabilität entscheidend. Deshalb wurde ein asymmetrisches Membranrohr in einem über 300 Tage dauernden Test bei konstanter Temperatur von 850°C und einem Vakuumdruck von 50 mbar kontinuierlich vermessen. Dabei zeigte sich entsprechend Bild 1 anfänglich ein Absinken der O2-Permeation, was auf eine Verdichtung des porösen Trägers durch Nachsintern hindeutet. Nach ca. 75 Tagen stieg die O2-Permeation jedoch an und nahm bis zum Versuchsende zu. Als mögliche Ursache kommt ein Kornwachstum der Gefügekörner innerhalb der gasdichten, dünnen Trennschicht in Betracht, da an Tabletten mit unterschiedlicher Gefügestruktur entsprechende Effekte bereits beschrieben wurden.

Der Sauerstoffgehalt des Permeats betrug während des Untersuchungszeitraums stets über 99,5 Vol-%. Die dünne Trennschicht hat demnach während der Langzeitmessung keine zusätzliche Schädigungen erfahren, obwohl es zu vereinzelten Stromausfällen und deshalb mehrfach zum Abkühlen und erneutem Anheizen der Membran kam.

Nach dem Ausbau zeigte sich eine erhebliche Verformung des Membranrohrs im heißen Bereich. Ursache dafür war die Gewichtsbelastung durch einen am oberen Ende des Membranrohrs angeschlossenen Drucksensor, der das Membranrohr permanent mit ca. 750 g belastet hatte. Eine Beschädigung durch Rissbildung o. Ä. konnte hingegen nicht festgestellt werden.