View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

Grundlagen und theoretische Methoden
sind, wurde durch [LEE97] und [KIM98] geben. Hierbei wird angenommen, dass lediglich
Oberflächenaustauschreaktionen geschwindigkeitsbestimmend sind. Dazu wird die Bilanz
aller Oberflächentransportvorgänge in einem Schritt:
14
2 (Gas)
2-
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O � 2O
( 2.14 )
zusammengefasst. Daraus ergibt sich für das chemische Potenzial am Gas-Feststoff Übergang
1
�(gas)
2
� � 2
�
O
( 2.15 )
mit dem chemischen Potenzial des Sauerstoffs in der Gasphase μ(gas) und dem chemischen
Potenzial im Feststoff μ. Unter der Annahme, dass der Ionenfluss über die Membrandicke
konstant ist, kann die Sauerstoffpermeation jO2 für den Sauerstoffein- und -ausbau
durch ( 2.16 ) beschrieben werden.
j
O2
� k c�
(e
s
v
��O
(gas)/(2RT)
2
� e
��
/(RT)
2 �
O
) � k c �� (e
s
v
���
/(RT)
2 �
O
� e
��O
� (gas)/(2RT)
2
)
( 2.16 )
Vereinfachend wird der Oberflächenaustauschkoeffizient kS als konstant angenommen. c v
ist dabei die Sauerstoffleerstellenkonzentration bei Gleichgewichtsbedingungen in der
Grenzfläche, �O (gas) das chemische Potenzial in der Gasphase und � �
2
O 2 das chemische
Potenzial in der Grenzschicht. Die Indizes ´ und ´´ stehen für die Partialhochdruckseite, bzw.
die Partialniederdruckseite. Ist der Sauerstofftransport rein durch Oberflächenaustauschreaktionen
limitiert, so gilt für jO2 nach [ETCH06]:
j
1 c�v
c�v
�
1/2 1/2
� k s [( p�O
) � ( p�O
� ) ]
2
( 2.17 )
2 c�
� c��
O2 2
v v
Zur Reduzierung des Einflusses von Oberflächentransportvorgängen können katalytisch aktive
Substanzen (z.B. Platin) verwendet werden, um die Oberflächenaustauschrate zur erhöhen
[GERD07]. Eine weitere Möglichkeit ist die Erhöhung der Oberfläche, die für Oberflächenaustauschreaktionen
zur Verfügung steht. Dies kann durch Aufrauen der Oberfläche
[KUSA06] oder offenporöse Aktivierungsschichten erfolgen [BAUM11].
2.3.3 Sauerstofftransport durch einen porösen Träger
Für die Anwendung müssen Membranen zu Sauerstoffabtrennung eine ausreichend hohe
Permeationsrate aufweisen, die entsprechend Gleichung ( 2.8 ) durch eine Verringerung der
Membrandicke erreicht werden kann. Um eine ausreichend hohe mechanische Stabilität für
solch dünne Membranschichten zu gewährleisten, ist ein poröser Träger notwendig. Neben
der Anforderung an die mechanische Stabilität muss der Träger auch einen ausreichenden
Gastransport durch die Poren ermöglichen. Bei Membranen die eine hohe Sauerstoffpermeationsrate
zeigen, wie z.B. dem perowskitischen Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-�, kann es im Träger
zu Konzentrationspolarisationen kommen. Konzentrationspolarisationen treten auf, sobald