Entwicklung eines metallbasierten Substratkonzepts für energieeffiziente Gastrennmembranen

wichtigen Beitrag für die energieeffiziente Bereitstellung technischer Gase wie H2 zu leisten. Weiterhin wird ein Einsatz für CCS/CCU–Technologien in modernen fossil befeuerten Kraftwerken diskutiert. Die Motivation für die Anwendung von Metallsubstraten, ist eine höhere Stabilität und eine erleichterte Fügetechnik im Vergleich zu den derzeit parallel entwickelten keramikgestützten Membranen. Gegenwärtig fehlt der Funktionsnachweis von solchen Konzepten unter Realbedingungen. Ferner steht, in Bezug auf die CO2–selektiven Membranen, der Nachweis der chemischen Stabilität noch aus. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit die Entwicklung eines neuartigen Substratkonzepts, bestehend aus einem porösen Stahlsubstrat und einer keramischen Zwischenschicht aus 8YSZ untersucht. Dieses Konzept ist für zwei Membranarten vorgesehen. Einerseits dient sie als Trägerstruktur für eine H2–selektive Pd– Membran, die bei Prozesstemperaturen zwischen 400–550 und Betriebsdrücken über 20 bar betrieben werden soll. Die zweite Anwendungsfall ist die Abstützung einer CO2–selektiven SiO2–Membran, die in fossil befeuerten Kraftwerken unter stark korrosiven Betriebsbedingungen von nahezu 100 % rel. Feuchte und Temperaturen bis 70 angewendet werden soll. Im Fokus der Arbeit lag der sogenannte „Proof of concept“ für die zwei oben beschriebenen Membranarten. Zuerst wurde die Substratherstellung ausgehend von Crofer22APU–Pulvern optimiert. Der Ansatz war die Entwicklung und Umsetzung des Foliengießens mit einer angepassten Dicke von 1 mm. Die Porosität des Metallsubstrats sollte ca. 30 % betragen und wurde durch die Auswahl von geeignetem Pulver (Partikelgröße < 20 μm) und die Einstellung der Sinterparameter erreicht. Es wurden zusätzlich Strukturierungsversuche am IMVT, KIT in Karlsruhe und am Fraunhofer Institut IFAM in Dresden realisiert. Ergänzend zu den schon genannten Fertigungskonzepten wurden für die Charakterisierung der Langzeitstabilität, auch Stabilitätstests unter Rauchgasbedingungen im Kraftwerk durchgeführt. Untersucht wurden kommerzielle Substrate der Fa. Plansee (ITM 26) und der Fa. GKN (316 L) sowie der im Haus entwickelten Crofer22APU–Substrate.