Long term stability and permeability of mixed ion conducting membranes under oxyfuel conditions

  • Langfristige Stabilität und Permeabilität von mischionenleitenden Membranen unter Oxyfuel-Bedingungen

Li, Xiaoyu; Markus, Torsten (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die thermochemischen Eigenschaften von mischionenleitenden Membranmaterialien zur Abtrennung von Sauerstoff aus Luft untersucht. Zur Gruppe der sauerstoffdurchlässigen Membranmaterialien gehören unter anderem perowskitische Oxide, die eine auffallend hohe Permeationsleistung aufweisen. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit sind umfangreiche Untersuchungen über den Abfall der Langzeitstabilität der Perowskitmembranen bei mittleren Temperaturen (500-800°C) unternommen worden. Der Abfall der Membraneigenschaften, der durch thermodynamische Zersetzung verursacht wird, ist ein großer Nachteil für ihren Einsatz in kohlegefeuerten Kraftwerken. Außerdem müssen mischionenleitende Membranmaterialien einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizient aufweisen. Die perowskitstrukturierten Materialien BaxSr1-xCoyFe1-yO3-d (BSCF), wobei x und y im Rahmen der Dissertation variiert wurden, sind mit Hilfe der Festköperreaktion hergestellt worden. Vor der Herstellung der gasdichten Membranen wurde das Sinterverhalten untersucht. Zur Bewertung dieser Membranmaterialien bezüglich ihres zukünftigen Einsatzpotentials wurden ihre Eigenschaften, wie Schmelztemperatur, Änderung der Sauerstoffstöchiometrie und thermisches Ausdehnungsverhalten in synthetischer Luft entsprechend experimentell bestimmt. Weiterhin wurde der Zusammenhang zwischen den thermochemischen Eigenschaften der Membranmaterialien und der Änderung der Zusammensetzungen durch Dotierungen in BSCF untersucht. Darüber hinaus wurde die Degradation der Membranmaterialien während des Langzeitbetriebs in Oxyfuel-Prozess ähnlichen Bedingungen betrachtet. Die Variation des Sauerstoffsflusses durch BSCF-Membranen unter einem Luft/He Druckgradienten wurde aufgezeichnet. Eine langsame exponentielle Abnahme des Flusses wurde bei 800°C beobachtet, verglichen mit der stabilen Permeationsleistung der Membranen bei höheren Temperaturen. Der Grund für den Abfall der Membranpermeabilität wird hauptsächlich in der Zersetzung der kubischen Phase in hexagonale Polymorphe gesehen. Bei 850°C wurde eine Erhöhung des gemessenen Sauerstoffflusses der Ba0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3-d Membran nachgewissen, obwohl eine kinetische Zersetzung in diesem Material auftritt. Untersuchungen der BSCF-Membranen während zyklischer Permeationsversuche zeigen, dass die kubisch-hexagonale Phasenumwandlung reversibel ist und die Membranleistung durch die periodische Variation der Temperatur oberhalb 850°C relaxiert. Die Kinetik für die kubisch-hexagonale Phasenumwandlung wurde gemäß der Langzeit-Auslagerungsversuche in dieser Studie diskutiert. Zusammenfassend wird die Sauerstoffdurchlässigkeit und Stabilität der Membranen und deren starke Abhängigkeit von der Temperatur, dem Partialdruck des Sauerstoffs und der chemischen Zusammensetzung, insbesondere hinsichtlich des Kobaltgehalts untersucht.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]

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