He-Gas GmbH
Wilhelm-Conrad-Röntgen-Str. 5
07629 Hermsdorf
Anlass:
Bei der Hochdruckelektrolyse steht Wasserstoff bereits unter hohem Druck (400 bar im Konsortium, bis 163 bar bei anderen Herstellern). Dieser Druck soll künftig direkt als Triebkraft für die Wasserstofftrocknung genutzt werden, um ohne zusätzliche Wirkungsgradverluste Wasserstoff in der jeweils benötigten Reinheit bereitzustellen. Als technologisch geeignetes Verfahren wurde die Trocknung mittels Palladium(Pd)-Membranen identifiziert – darauf basieren auch die eigenen Vorarbeiten des IKTS.
Zielsetzung (vier Kernpunkte):
Technologieübertragung: Die Herstellung ultradünner Pd-Membranen von der bisherigen Einkanalgeometrie (Ø 10 mm) auf die Kapillargeometrie (Ø 3 mm) übertragen.
Leistungsnachweis: Die Leistungsfähigkeit der Kapillarmembranen (H₂-Permeanz von 1 m³/(m²·h·bar) und ideale Permselektivität H₂/N₂ ≈ 100) bei Differenzdrücken bis 200 bar experimentell nachweisen.
Modul- und Dichtungstechnik: Neue Membranmodule mit geeigneten Hochdruck‑Dichtungstechnologien designen, fertigen und testen.
Testinfrastruktur: Einen Laborteststand aufbauen, der diese Hochdruckbedingungen abbildet.
Ergänzender Hintergrund:
Durch einfache Kondensation ist nur eine Reinheit von >99,9 % (Qualität „3.0“) erreichbar; mit der Pd‑Membran wird theoretisch 99,999 % (Qualität „5.0“) möglich.
In Projektphase 1 wird auf aufwändige Messungen an Gas‑Flüssig‑Gemischen verzichtet; die ideale Permselektivität wird vereinfacht über H₂/N₂ bestimmt.
Die erste Projektphase umfasst fünf Arbeitspakete (AP), die iterativ und eng verzahnt von IKTS und He-GAS bearbeitet werden. Ziel ist die Übertragung der Pd-Membrantechnologie auf Kapillaren und der Nachweis der Hochdrucktauglichkeit.
AP1 (IKTS): Übertragung der Beschichtung vom Einkanalrohr auf die Kapillare (Ø 3 mm). Methode: Electroless Plating zur Abscheidung dichter Pd-Schichten; Erweiterung durch Pd-Ag-Legierungsbildung mittels optimierter Lösung und thermischer Nachbehandlung. Begleitend: Struktur-Eigenschaftscharakterisierung (z. B. REM, XRD).
AP2 (IKTS): Extrusion und Bereitstellung der keramischen Kapillaren, Übertragung der Pd- und Pd-Ag-Beschichtung, Charakterisierung der Schichten (Dichtheit, Permeanz, Mikrostruktur) zur Syntheseoptimierung.
AP3 (He-GAS): Konzeption, Fertigung und Drucktest eines Membranmoduls für 3-mm-Kapillaren bei bis zu 200 bar und ≥400 °C. Methode: iterative Prototypenentwicklung mit mehreren Optimierungsstufen. Das Modul wird für 400 bar ausgelegt, intern getestet, aber in Phase 1 ohne Abnahme nach Druckgeräterichtlinie betrieben (daher Betriebsgrenze 200 bar).
AP4 (He-GAS, IKTS): Aufbau eines Hochdruck-Teststands. Methode: Druckabfallmethode zur Messung der Einzelgaspermeanzen (H₂, N₂) bei bis zu 200 bar und ≥400 °C. Umfasst Feinplanung, elektrisch-mechanischen Aufbau und SPS-Programmierung.
AP5 (IKTS, He-GAS): Inbetriebnahme des Teststands, Testung der Einkanalrohre und Kapillaren. Methode: Druckanstiegsmethode zur indirekten Bestimmung der Permeanz und idealen Permselektivität (H₂/N₂). Vorbereitung der Anlage für die Folgephase (höhere Skalierung).
Die Teststrategie reduziert Aufwand und Risiko, indem bewusst auf die vereinfachte Messung der idealen Permselektivität gegenüber komplexen Gas-Flüssig-Gemischen verzichtet wird. Der erreichte Testbereich (200 bar) stellt eine signifikante Erweiterung gegenüber der bisherigen Messtechnik (<15 bar) dar und erlaubt belastbare Aussagen zum Hochdruckverhalten für die spätere Skalierung.
Zielerreichung und Anwendung:
Hauptziel erreicht: Der Wasserstoff-Fluss steigt linear mit dem Druck (kein Abfall der H2-Permeanz). Dies bestätigt die Eignung für Hochdruckanwendungen wie die H2-Trocknung.
Nebenziele erfüllt: Aufbau des Teststands und Entwicklung des Eindichtungskonzepts wurden erfolgreich umgesetzt.
Weiterverfolgung: He-GAS und IKTS verfolgen gemeinsam die Anwendungen „H2-Trocknung für Hochdruckelektrolyse“ und „H2-Membranreaktoren“.
Nebenbefund und Schadensanalyse:
Neues Versagensverhalten: Bei Hochdruck-Belastung mit Gasen wurde ein bisher unbekanntes Versagen beobachtet, das den möglichen Analysedruckbereich einschränkte (deutlich stärker bei Kapillaren als bei Einkanalrohren).
Vorteil für die Entwicklung: Die Beobachtung liefert Hinweise auf dynamische Schadensmechanismen in der Anwendung und ermöglicht eine frühzeitige Optimierung der keramischen Träger.
Folgeschritte:
IKTS und He-GAS bearbeiten die Themen nach Projektabschluss gemeinsam weiter.
Ein Teststand zur schnellen Ermittlung der Zeitstandfestigkeit von Membrankörpern unter Hochdruck ist bereits konzipiert und teilweise aufgebaut.
Das Projekt war erfolgreich, da das Hauptziel – der lineare Anstieg des Wasserstoff-Flusses auch bei hohen Drücken – erreicht wurde. Dies bestätigt die prinzipielle Eignung der Membranen für Hochdruckanwendungen wie die H2-Trocknung. Gleichzeitig lieferte das Projekt wertvolle, wenn auch unerwartete Erkenntnisse über neue Versagensmechanismen, die nun gezielt zur Optimierung der keramischen Träger genutzt werden können