Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Die Sauerstoff-Permeation von MIEC-Membranen (Mixed Ionic Electronic Conductor) kann durch Minimierung der Membrandicke erheblich gesteigert werden. Da eine geringere Wandstärke jedoch die mechanischen Stabilität verringert, benötigen monolithische MIEC-Membranen mindestens eine Membrandicke von ca. 0,2 mm. Eine erhebliche Steigerung der Sauerstoff-Permeation versprechen asymmetrische MIEC-Membranen, also dünne Trennschichten auf porösen Tragstrukturen. Aufgrund des komplexen Dehnungsverhaltens der MIEC-Materialien werden für Schicht und Träger bevorzugt die gleichen Materialzusammensetzungen eingesetzt. Da unterhalb der kritischen Schichtdicke der Oberflächenaustausch des Sauerstoffs die Permeation limitiert, liegen optimale Dicken der dichten Trennschicht im Bereich von 10 – 50 µm. Diese Trennschichten müssen sehr geringe Leckagen aufweisen, um eine ausreichend hohe Reinheit des produzierten Sauerstoffs zu erreichen.
Zur Entwicklung asymmetrischer MIEC-Membranen wurden zwei grundlegende Konzepte verfolgt. Einerseits erfolgte die Herstellung poröser Supporte aus keramischen Pulvern mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung und deren Mehrfachbeschichtung mit Zwischensinterung der einzelnen Schichten. Dabei wurden weitgehend dichte, jedoch nicht vollständig leckagefreie Schichten erreicht.
Zur Vereinfachung dieser aufwändigen Herstellungstechnologie wurden keramische Pulver mit Ausbrennstoffen versetzt, zu Supporten extrudiert, im Grünzustand beschichtet und im Cofiring-Verfahren gesintert. Ausschlaggebend für den Erfolg ist dabei vor allem die Anpassung der Trocken- und Sinterschwindung von Schicht und Träger, um Risse in der Trennschicht zu vermeiden. Insgesamt verringert sich der Herstellungsaufwand für eine solche im Bild 1 abgebildeten BSCF-Membran (BSCF - Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ) dadurch drastisch. Bild 2 zeigt den Sauerstoff-Fluss der asymmetrischen BSCF-Membran mit einer Schichtdicke von 30 µm im Vergleich zu einer monolithischen Membran mit einer Dicke von 1 mm.
Leistungsangebot
- Entwicklung von asymmetrischen Membranen aus verschiedenen Materialien
- Entwicklung von asymmetrischen Membranen verschiedener Geometrien
- Abscheidung von katalytisch aktiven Schichten, Schutzschichten