Entwicklung von geträgerten protonenleitenden Dünnschichtmembranen für die Wasserstoffabtrennung

Wasserstofftrennmembranen bieten eine vielversprechende Möglichkeit reinen Wasserstoff aus Gasgemischen abzutrennen. Keramische Membranen aus La6-xWO12-δ (LWO) eignen sich besonders, da die Abtrennung in Membranreaktoren ab 900 °C stattfinden kann und sie bei den dort vorherrschenden Betriebsbedingungen thermochemisch stabil sind. Zur Verringerung des Transportwiderstandes in der Membran ist es notwendig ihre Dicke zu reduzieren, was sich jedoch auf die mechanische Stabilität auswirkt. Deshalb wird ein asymmetrischer Aufbau mit einer dünnen und dichten Membranschicht im Verbund mit einer porösen Trägerschicht gewählt. Der Nachteil hierbei ist die Verkrümmung der Bauteile, die während der Sinterung der asymmetrischen Schichtverbunde entstehen kann. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Vorbehandlung der keramischen Ausgangspulver sowie der Herstellung einzelnstehender Membranen und Substrate aus LWO. Die einzelnstehenden Folien werden auf ihr Sinterverhalten hin untersucht. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse werden asymmetrische Schichtverbunde aus Membran- und Substratschichten (Dicke ca. 20 bzw. 200 μm) durch sequentiellen Folienguss hergestellt. Es erfolgen detaillierte Analysen des Sinterverhaltens, der Mikrostruktur sowie ein Vergleich einzelnstehender Folien und Schichtverbunde. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden erfolgreiche Weiterentwicklungen hinsichtlich des Temperaturprogramms und des Substrataufbaus vorgenommen, sodass die Verkrümmung der Schichtverbunde weitestgehend eliminiert wird. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Verwendung von Magnesiumoxid (MgO) als alternativem Substratmaterial, da dies ökonomische Vorteile gegenüber der Herstellung aus reinem LWO bietet. Hierzu werden einzelnstehende Folien und im Verbund gesinterte MgO-Substrate hinsichtlich ihrer Stabilität unter Anwendungsbedingungen, ihrem Sinterverhalten und ihrer Mikrostruktur untersucht. Es wird gezeigt, dass Magnesiumoxid in Zukunft als günstigeres Substratmaterial eingesetzt werden kann. Zur Erhöhung des Wasserstoffflusses wird das Membranmaterial modifiziert, indem das Wolfram durch Mo und Re substituiert wird. Schichtverbunde aus substituierten Membranen und Substraten aus LWO sowie MgO werden auf die Bildung von unerwünschten Nebenphasen untersucht. Einzig die Kombination aus Mo-substituierter LWO-Membran mit reinem LWO-Substrat ist für die weitere Verwendung geeignet. Alle anderen Kombinationen können nicht fehlerfrei hergestellt werden. Um eine Schädigung der Membranen durch die Reaktion mit dem Substrat zu verhindern, müssen bei der Verwendung von MgO Zwischenschichten als Diffusionsbarriere eingesetzt werden.