Thermomechanische Stabilität Sauerstoff-permeabler Membranmaterialien für die schadstoffarme Verbrennung

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Matthias Schulz

Sauerstoffpermeable Membranen sind Oxidkeramiken auf Perowskitbasis (ABO3), die unter bestimm-ten Bedingungen in der Lage sind Sauerstoff aus der Luft zu separieren. Der Anfallende Sauerstoff soll Verbrennungsaggregaten zugeführt werden woraus sich eine Reihe ökologischer und ökonomi-scher Vorteile ergeben. Die Verbrennung mit reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft erhöht die Anlagenwirkungsgrade, verringert den Brennstoffverbrauch, verringert die Schadstoffemis-sionen (insbesondere NOx) etc.Durch kombinierte Ionen- und Elektronen-Leitung (mixed conductor) kommt es zur Diffusion von Sau-erstoff durch das Kristallgitter einer an sich gasdichten Membran. Erforderlich für den gerichteten Transport von O-Ionen ist hierbei ein Sauerstoff-Partialdruck- und ein Temperatur-Gradient zwischen der Luftseite und dem Verbrennungsraum. Durch den sich einstellenden Ionen-Transport ist eine hohe Sauerstoffseparation möglich. Die Anwendung Sauerstoff-permeabler Membranen ist nach dem heutigen Wissenstand über die Wechselwirkungen zwischen Einsatzbedingungen, Materialeigenschaften und Materialzusammenset-zungen nicht beherrschbar. So wurden zwar für ausgewählte Materialzusammensetzungen hohe Permeationsraten erreicht, eine technologische Anwendung dieser Materialien scheitert jedoch an der mangeln den Stabilität unter Einsatzbedingungen (geringe Redoxbeständigkeit, Phasenzerfall etc.).Schwerpunkt des Fördervorhabens ist die Stabilität der Materialien unter Einsatzbedingungen. Das Material muss die aus hohen Drücken und Temperaturen und stöchiometrischen Inhomogenitäten entstehen Spannungen schadfrei über den gesamten Nutzungszeitraum ertragen. Es sollen systema-tische Untersuchungen zur thermomechanischen Stabilität der Membranwerkstoffe vorgenommen werden. An kleinen balkenförmigen Probekörpern werden Kraft-Verformungsmessungen vorgenom-men und makroskopische Materialkennwerte ermittelt (Emodul, Querdehnzahl, Biegezugfestigkeit, ...). Die stöchiometrisch bedingten Eigenspannungen werden röntgenographisch bestimmt. Für die Be-stimmung der hierzu notwendigen röntgenographischen Elastizitätskonstanten ist die Konstruktion einer speziellen Biegevorrichtung erforderlich. Mit den gewonnenen Kennwerten werden FEM-Simulationen zur Spannungsermittlung für unterschiedliche Belastungsszenarien und Geometrien vorgenommen. Neben den Untersuchungen zur thermomechanischen Stabilität sollen die Versuche zur Optimierung des Sauerstoffdurchsatzes fortgesetzt werden.

Förderzeitraum:
01.01.2004 - 31.12.2006

Institut:
Bauhaus-Universität Weimar
Professur Bauchemie
Fakultät Bauingenieurwesen

Betreuer:
Prof. Dr. rer. nat. habil Christian Kaps

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Stabilität Sauertoff-permeabler Membranen
Stabilität Sauertoff-permeabler Membranen