Dichte Metallmembranen zur Wasserstoffreinigung

Viele Metalle sind in der Lage, mit Wasserstoff unter Bildung von Metallhydriden zu reagieren. Abhängig von der Temperatur besitzt das Hydrid dabei eine hohe Beweglichkeit. Setzt man nun eine dünne, Gas dichte Schicht eines solchen Metalls ein, kann diese Schicht als selektive Membran genutzt werden, wenn eine Triebkraft für den Wasserstofftransport an die Membran angelegt wird.

Normalerweise werden Palladiumlegierungen für diese Gastrennung bevorzugt, da dünne Schichten der meisten anderen Metalle einer aggressiven Atmosphäre nicht lange genug widerstehen können. Da Palladium sehr teuer ist und die H2-Permeation mit steigender Schichtdicke kleiner wird, sind Schichten mit einer Dicke von weniger als 10 µm notwendig. Andererseits reicht die mechanische Festigkeit solch dünner Schichten für die praktische Anwendung nicht aus. Die Lösung für dieses Problem ist die Abscheidung von Palladiumschichten auf porösen Trägern. Bei Arbeitstemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius eignen sich nur anorganische Materialien als mechanisches Trägermaterial. Deswegen wurde am Fraunhofer IGB eine Technologie zur Herstellung von porösen, keramischen Hohlfasermembranen implementiert. Diese Membranen haben einen Durchmesser von weniger als 2 mm und Wände, die bis zu 100 μm dünn sind. Der größte Vorteil ist die hohe spezifische Oberfläche. So machen sie kompakte Gastrennmodule mit großen Membranflächen möglich.

Durch stromlose Abscheidung haben wir auf asymmetrischen keramischen Hohlfasermembranen 4 μm dünne Palladiumbeschichtungen aufgebracht, was sowohl auf der Außen-, als auch auf der Innenseite möglich ist (Abb. 1). Diese Metallbeschichtungen sind Gas-dicht und ihre Haftung am keramischen Trägermaterial ist hervorragend. Bei 400°C zeigen solche Membranen eine Wasserstoffpermeation von über 8 m3m-2h-1bar-1 (Abb. 2). Die entsprechende N2-Permeationsrate betrug 10 l m-2h-1bar-1, was einen Trennfaktor α (H2/N2) von 1000 ergab (Abb. 3) [1].

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer PdAG-beschichteten Hohlfasermembran.
© Fraunhofer IGB
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer PdAG-beschichteten Hohlfasermembran.
H₂-Permeation als Funktion der Temperatur und des Partialdruckunterschieds einer Pd beschichteten Al₂O₃- Hohlfasermembran.
© Fraunhofer IGB
H₂-Permeation als Funktion der Temperatur und des Partialdruckunterschieds einer Pd beschichteten Al₂O₃- Hohlfasermembran.
Langzeitstabilität und Selektivität der H₂-Permeation einer Pd beschichteten Al₂O₃- Hohlfasermembran
© Fraunhofer IGB
Langzeitstabilität und Selektivität der H₂-Permeation einer Pd beschichteten Al₂O₃- Hohlfasermembran

Publikationen

  1. Pan, X.; Kilgus, M.; Goldbach A., Low-temperature H2 and N2 transport through thin Pd66Cu34Hx layers, Catalysis today 104 (2005) 225.
  2. V. Gepert, V.; Kilgus, M.; Schiestel, T.; Brunner, H.; Eigenberger, G.; Merten, M.; Zhang, C.X.; Yuan, Z.S.; Liu, N.; Wang, S.; Wang, S.D. Ceramics supported capillary Pd membranes for hydrogen separation: potentials and present limitations, Fuel Cells, 2006. 6(6): p. 472-481.