View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

Ergebnisse und Diskussion
Hieraus ergeben sich weitere Anforderungen an die Aktivierungsschicht. Gerade im Hinblick
auf die Fügung (z.B. Herstellung von Modulen) müssen Aktivierungsschichten ausreichend
stabil gegenüber thermischen Einflüssen sein. Weiterhin müssen Aktivierungsschichten auch
bei Langzeitanwendungen bei Betriebstemperaturen ihre Struktur beibehalten. Wichtiger
Punkt für Herstellung und Auslegung solcher offenporösen Aktivierungsschichten ist ein geeignetes
Verfahren zur Charakterisierung der Mikrostruktur. Hierfür eignen sich tomographische
Verfahren zur Ermittlung der tatsächlichen, geometrischen Oberfläche und der Bewertung
der Porenstrukturen.
3.5.7 Einfluss der Betriebsart – Vergleich 3-End- & 4-End-Betrieb
Die Bestimmung der Sauerstoffpermeation erfolgt in den vorangegangenen Untersuchungen
über das Anströmen der Membran mit einem Feed- und einem Sweep-Gas. Dieses Messverfahren
entspricht prinzipiell dem 4-End Betrieb der Membran (Vergleich Kapitel 2.2). Der
Sauerstofftransport durch den Träger wird dabei erheblich von den Anströmungsbedingungen
beeinflusst. Zum jetzigen Zeitpunkt existieren jedoch keine Modelle, die den Zusammenhang
zwischen Anströmbedingungen und Gastransport innerhalb des Trägers präzise
abbilden.
Der Einfluss der Anströmung kann auf der Permeat-Seite durch den 3-End-Betrieb aufgehoben
werden. Hierzu wird der permeierte Sauerstoff durch einen Unterdruck von der Permeat-
Seite abgeführt. Wird die Membran mit dem Träger auf der Permeat-Seite eingebaut, entsteht
beim Abführen des Sauerstoffs durch den Träger ein geringer Druckabfall, der durch
Durchströmungsuntersuchungen bei Raumtemperatur abgeschätzt werden kann (Vergleich
Kapitel 3.3.2). Gasphasenpolarisationen auf der Permeat-Seite sind aufgrund des geringen
Volumenstroms nicht zu erwarten.
Um die Eignung des 3-End-Betriebs zu untersuchen, wurde eine Messung mit einer 20μm
Membranschicht mit M20 Träger durchgeführt. Der Träger M20 zeigte im Sweep-Gas Betrieb
eine deutliche Limitierung des Sauerstoffflusses (Vergleich Kapitel 3.5.3). Der Messaufbau
für den 3-End Betrieb ist in Abb. 2.25 gezeigt und wurde am IEK-2 der FZ-Jülich GmbH
durchgeführt.
Der Vergleich der Messung mit Sweep-Gas und der Messung mit Vakuum ist in Abb. 3.47
dargestellt. Durch den 3-End Betrieb können Konzentrationspolarisationen im Träger erfolgreich
verringert werden. Die Sauerstoffpermeation im 3-End Betrieb liegt bei 900°C, um 30%
höher als im Sweep-Betrieb. Dennoch liegt die Permeation unter den nach Wagner zu erwartenden
Werten. Dies liegt voraussichtlich an der Limitierung durch Oberflächentransportvorgänge,
wobei Konzentrationspolarisationen im Feed-Gas nicht ausgeschlossen werden können.
Die höhere Sauerstoffpermeation im 3-End Betrieb wird bei gleichzeitig niedrigeren scheinbaren
Triebkräften erzielt. Wird die Sauerstoffpermeation auf die scheinbare Triebkraft
ln(p’O2/p’’O2) normiert, so ergibt sich ein weitaus höherer Anstieg durch Verwendung des Va-
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