Sauerstofftransport und Degradationsverhalten von Hochtemperaturmembranen für CO 2-freie Kraftwerke

Schlehuber, Dominic; Singheiser, Lorenz

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-32130

Sauerstofftransport und Degradationsverhalten von Hochtemperaturmembranen für CO 2-freie Kraftwerke = Oxygen transport and degradation behaviour of high temperature membranes for CO2-free power plants

Schlehuber, Dominic (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dominic Schlehuber

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangVII, 139 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-03-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32130
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51699/files/3213.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Membran (Genormte SW) ; Perowskit (Genormte SW) ; Degradation (Genormte SW) ; Sauerstofftransport (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; perovskite (frei) ; degradation (frei) ; oxygen transport (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Hochtemperaturmembranen zur Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft untersucht. Ein Anwendungsgebiet der Membranen ist die Abtrennung von CO2 in einem fossilen Kraftwerksprozess über das Oxyfuel-Verfahren. Dafür sind Membranen mit hohen Permeationsraten und chemischer Stabilität unter betriebsrelevanten Bedingungen zu entwickeln. Bei den untersuchten Membranen handelt es sich um keramische Perowskitmembranen mit der allgemeinen Zusammensetzung ABO3-d. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Sauerstofftransport über die Membran. Hierbei wurden sowohl Abhängigkeiten von thermodynamischen Randbedingungen (z. B. Temperatur und Sauerstoffpartialdruck), als auch Einflüsse von Membrandicke und insbesondere von der Oberflächenbeschaffenheit auf den Stofftransport untersucht. Ein Ziel der Membranentwicklung ist es, den Fluss der gewünschten Spezies durch die Membran zu maximieren und eine gute Selektivität zu erreichen. Bei den hier verwendeten Membranen ist eine Maximierung der Flussraten durch die Reduzierung der Membrandicke möglich. Dabei muss jedoch der Einfluss von möglichen Oberflächenprozessen untersucht werden, welche die Permeation bei geringen Membrandicken dominieren können. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass z. B. eine Vergrößerung der relativen Oberfläche zu deutlichen Permeationssteigerungen führen kann. Darüber hinaus wurden Degradationsprozesse beim Betrieb der Membranen untersucht, die für den späteren Einsatz in fossilen Kraftwerken eine entscheidende Rolle spielen können. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit sind ein möglicher Abfall der Sauerstoffpermeation über der Zeit und Veränderungen am Material im Langzeitversuch untersucht worden. Hierbei wurde festgestellt, dass das untersuchte Membranmaterial sich im Betrieb zum Teil entmischt und so eine Degradation zu erwarten ist.

This thesis deals with membranes for oxygen separation from air for high temperature application in fossil power plants within the scope of the oxyfuel-process. Different perovskite membrane materials (ABO3-d) were investigated concerning the oxygen transport and their chemical stability under operation condition. The association between oxygen transport properties and both the thermodynamic boundary conditions as well as the material properties (membrane thickness and surface properties) was studied. One possibility to achieve higher oxygen fluxes through the membrane is to reduce the thickness. In this case the influence of surface processes on the overall permeation becomes noteworthy. The effect of different membrane surface modifications on the permeation rate was investigated. For example it could be confirmed, that a porous layer on the membrane surface significantly increases the permeation flux due to the compensation of surface exchange limitations. Beyond that, degradation processes during the operation under power plant condition were investigated. Special attention was attached to the influence of degradation on the permeation flux during long term operation. Thereby kinetic demixing of the membrane material was observed.

Fulltext:
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