DE102009038814A1

DE102009038814A1 - Verfahren zur Pottung keramischer Kapillarmembranen

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Publication number: DE102009038814A1
Application number: DE102009038814A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Schirrmeister; Bernd Dr. Langanke; Thomas Dr. Schiestel; Björn Dr. Hoting
Original assignee: Uhde GmbH; Borsig Process Heat Exchanger GmbH
Current assignee: Borsig Process Heat Exchanger GmbH; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-10
Also published as: EP2473253A2; WO2011023371A3; WO2011023371A4; US8840711B2; JP2013503028A; US20130042763A1; WO2011023371A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modulelement, umfassend einen Hochtemperatur-stabilen Grundkörper, wobei der Hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens einen metallischen oder keramischen Boden enthält, der mindestens eine durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist und mindestens eine als hinreichend gasdichte und Hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung, wobei die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens auf mindestens einer Seite des metallischen oder keramischen Bodens eine Erweiterung zur Aufnahme der hinreichend gasdichten und Hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modulelement, umfassend einen hochtemperatur-stabilen Grundkörper, wobei der hochtemperatur-stabile Grundkörper, mindestens einen metallischen oder keramischen Boden enthält, der mindestens eine durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist und mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung aufweist. Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der beanspruchten Modulelemente. Diese Modulelemente eignen sich hervorragend zur Anreicherung von Sauerstoff aus Sauerstoff enthaltenden Fluiden oder zur Durchführung von Oxidationsreaktionen.
Keramische sauerstofftransportierende Membranen finden insbesondere bei Hochtemperaturprozessen Anwendung. Sie stellen beispielsweise eine preiswerte Alternative zur kryogenen Luftzerlegung bei der Sauerstoffgewinnung dar und werden bei der Darstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie etwa Methan genutzt, die nach folgender Reaktionsgleichung abläuft: 2CH₄ + O₂ → 2CO + 4H₂ (1)
Andere Anwendungsmöglichkeiten liegen beispielsweise in der Gewinnung von sauerstoffangereichter Luft, wie z. B. in der DE 102005 006 571 A1 beschrieben, der oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffderivaten, der oxidativen Kopplung von Methan zu C₂₊, sowie der Wasser- und Lachgaszersetzung.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt Oxidationsreaktionen unter Nutzung sauerstoffionen- und elektronenleitender (gemischtleitender) keramischer Materialien durchzuführen, wobei ein Reaktor eingesetzt wird, welcher durch eine gemischtleitende Membran in zwei Räume oder Bereiche unterteilt ist. Grundlage sind dabei gasdichte Membranen, welche bei Temperaturen > 800°C die Fähigkeit zur selektiven Leitung von Sauerstoffionen und Elektronen zeigen, wie sie beispielsweise in der WO 2005/081959 A1 genannt werden. Im Betrieb wird auf einer Seite der Membran (Feedseite) ein sauerstofflieferndes Gas oder Gasgemisch vorgelegt, während auf der gegenüberliegenden Seite der Membran (Permeatseite) ein zu oxidierendes Medium vorgelegt wird. Derartige Membranreaktoren werden beispielsweise in US 5,820,655 A , DE 10 2005 005 464 , DE 10 2005 006 571 und DE 10 2006 060 171 beschrieben.
Die Sauerstoffpermeation erfolgt von der Seite des höheren Partialdruckes (Feedseite) zur Seite des niedrigeren Partialdruckes (Permeatseite). Da der Sauerstoff dabei in ionischer Form, nach nachstehender Gleichung (2) durch die Membran transportiert wird O₂ + 4e^– → 2O² (2) ergibt sich eine hochselektive Abtrennung des Sauerstoffes aus dem Feedgas, welcher im Permeatgas ohne Verunreinigungen wie Stickstoff oder Edelgase, nach Gleichung (3) anfällt. 2O^2– → O₂ + 4e^– (3)
Dieser kann dann nach Gleichung (1) abreagieren, wodurch durch den ständigen Verbrauch des Sauerstoffs ein treibendes Gefälle für die Sauerstoffpermeation erhalten bleibt.
Die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation ist neben der Zusammensetzung der Membran stark von den Betriebsbedingungen abhängig (T. Schiestel, M. Kilgus, S. Peter, K. J. Capary, H. Wang, J. Caro, Journal of Membrane Science 2005, 258, 1-4). Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Temperatur, welche im Allgemeinen einen linearen bis exponentiellen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation hat.
Typische Membranmaterialen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, stammen beispielsweise aus der Gruppe der Perowskit- (ABO₃) bzw. der perowskitverwandten Strukturen, der Fluoritstrukturen (AO₂), der Aurivilliusstrukturen ([Bi₂O₂][A_n-1BnO_x]) oder der Brownmilleritstrukturen (A₂B₂O₅). Typische Beispiele für in der Literatur als sauerstoffleitende Materialien bzw. Materialklassen aufgeführte Systeme sind La_1-x(Ca,Sr,Ba)_xCo_1-yFeyO_3-δ, Ba(Sr)Co_1-xFexO_3-δ, Sr(Ba)Ti(Zr)_1-x-y, CoFe_xO_3-δ, La_1-xSr_xGa_1-yFe_yO_3-δ, La_0,5Sr_0,5MnO_3-δ, LaFe(Ni)O_3-δ, La₀ _, ₉Sr_0,1FeO_3-δ oder BaCo_xFe_yZr_1-x-yO_3-δ (A. Thursfield et al, Journal of Material Science 2004, 14, 275-285; Y. Teraoka et al, Chemistry Letters 1985, 1743-1746; Y. Teraoka et al, Solid State Ionics 1991, 48, 207-212; J. Tong et al, Journal of Membrane Science 2002, 203, 175-189).
Für den Einsatz dieser keramischen Kapillarmembranen ist es wichtig diese einzeln oder in großer Stückzahl in Modulelemente zu integrieren. Derartige Membranmodule müssen den Ansprüchen genügen, während des Betriebs eine hohe chemische und thermische Belastbarkeit aufzuweisen. Zudem müssen sie sich durch mechanische Stabilität auszeichnen und gasdicht abdichten. Die Integration von Kapillarmembranen in Modulelemente kann durch die Bildung einer Einbettung, auch Pottung genannt, aus einer Vergussmasse, auch Pottungsmasse genannt, erfolgen. Bei dieser Vorgehensweise ist die Anpassung von Pottmaterialien und Potttechniken erforderlich.
Eine optimale Kompatibilität zur keramischem Membran bietet eine Vergussmasse aus dem gleichen Material wie die keramische Membran selbst. Allerdings lässt sich diese, verwendet man sie allein in einer einzigen Schicht, nicht gasdicht sintern, da dann auch die keramischen Hohlfasermembranen irreversibel verändert werden.
Aus der EP 0 941 759 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlfasermembranmoduls bekannt, bei dem gesinterte Hohlfasern in eine Vergussform, die als Lochplatte ausgebildet ist, eingebracht werden. Als Vergussmaterial dient eine keramikhaltige Masse, die anschließend in einem geeigneten Temperaturschritt ausgehärtet wird und eine Schicht bildet, die die gesinterten Hohlfasern nach Entfernung der Vergussform in der gewünschten Position hält.
Ein Verfahren zur Herstellung von Membranmodulen ist aus der EP 0 938 921 A1 bekannt, in der Hohlfaserbündel in einer Vergussform platziert werden, ein Gießharz injiziert wird und das Ganze währenddessen mittels Ultraschall behandelt wird.
Beide Verfahren bringen den Nachteil mit sich, dass es leicht zu Hohlfaserbrüchen kommen kann, insbesondere bei Entfernung der Vergussform.
Die DE 101 12 863 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlfaser- oder Kapillarmembranmoduls, wobei die Hohlfasern oder Kapillaren aus einem keramischen oder keramikhaltigen Material in ungesintertem Zustand in eine zur Aufnahme der Hohlfasern oder Kapillaren strukturierte Form eingebracht und in der Form mit einer einschichtigen Vergussmasse vergossen wird. Dabei verschließt die Vergussmasse die eingebetteten Hohlfaser- oder Kapillarmembranen jedoch nicht gasdicht. Dazu müssten in einem weiteren aufwendigen Schritt zusätzliche Beschichtungen aufgetragen werden oder das Modul in eine aufwendige Vorrichtung mit Dichtungselementen integriert werden. Das hier beschriebene Modul weist also keine langzeitstabile Verbindung zwischen den keramischen Membranen und dem Reaktormantel auf.
In der DE 44 25 209 A1 wird ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von kompakten gesinterten Keramikkörpern beschrieben, indem zwischen die zwei Fügeflächen der Keramikkörper eine Folie aus grüner Keramik gelegt wird. Die DE 10 2005 005 464 A1 offenbart Membranreaktoren, deren kapillarförmige Membranen als Verbunde geformt sind. Die Einzelfasern liegen im Verbund eng aneinander und versintern an der Oberfläche ohne zusätzlich Hilfsstoffe oder Klebstoffe.
Die WO 2006/089616 beschreibt Module und deren Herstellung, die temperaturbelastbar, mechanisch stabil und/oder gasdicht sind. Diese Module umfassen Hohlfaser- oder Kapillarmembranen, einen Formkörper und aus Vergussmassen bestehende Einbettungen, die die Hohlfaser- oder Kapillarmembranen in den Formkörper einbetten, wobei die Pottung mindestens drei Schichten aus mindestens zwei unterschiedlichen Vergussmassen umfasst. Nachteilig an diesem Modul ist die aufwendige Schichtung der Pottung, die notwendig ist, um die zu erzielenden Eigenschaften des Moduls zu erreichen.
Eine weitere Herangehensweise temperaturbelastbare, mechanisch stabile und gasdichte Modulelemente zu fertigen, ist es die keramischen Kapillarmembranen direkt mit einem Lochboden über eine Pottung miteinander zu verbinden, die auf der gesamten Oberfläche des Formkörpers aufgebracht wird, wobei der Lochboden einen festen Bestandteil des Moduls bildet und nicht wieder entfernt wird. Das damit verbundene Problem ist dabei die Langzeitstabilität solcher Module. Oftmals weisen die verwendeten Materialen ein unterschiedliches thermisches Dehnungsverhalten auf, was zu Spannungen zwischen den Materialen und somit zu Brüchen und zur Zerstörung des Moduls führt.
Dadurch, dass das Dehnungs- und Schrumpfungsverhalten des äußeren metallischen Materials und der fest eingespannten Hohlfaser oder des Bündels aus Hohlfasern oftmals stark differiert, wird das spröde und nur geringfügig dehnbare Keramikmaterial bei Aufheiz- und Abkühlvorgängen stark belastet und immer wieder beschädigt. Der Einsatz bestimmter Dichtungssysteme aus Silikon zur Problemminderung bringt den Nachteil mit sich, dass derartige Dichtungen nicht hochtemperaturbeständig sind, wodurch der dichtungsnahe Teil der Fasern in einer kühleren Reaktorzone verbleiben muss. Hierdurch wird die Konstruktion erheblich erschwert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, Module mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen, die insbesondere unter Betriebsbedingungen eine hohe Langzeitstabilität aufweisen, temperatur- und mechanisch-belastbar sind und zudem gasdicht abdichten.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass langzeitstabile Modulelemente insbesondere dadurch entstehen, wenn die durchgehenden Öffnungen des in den hochtemperatur-stabilen Grundkörper einzubringenden Bodens eine Erweiterung zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und der keramischen Kapillarmembran aufweisen und die Aufbringung der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung, die der Pottung dient, nur in diese entsprechende Erweiterung der durchgehenden Öffnung eingebracht wird und keine durchgängige Schicht auf dem Lochboden bildet.
Die Erfindung betrifft ein Modulelement, umfassend einen hochtemperatur-stabilen Grundkörper, wobei der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens einen metallischen oder keramischen Boden enthält, der mindestens eine durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist, und mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung, wobei die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens auf mindestens einer Seite des metallischen oder keramischen Bodens eine Erweiterung zur Aufnahme der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist.
Dabei wird unter dem Ausdruck hinreichend Temperatur-stabil die Stabilität bis zum Schmelzpunkt verstanden. Der Ausdruck hinreichend gasdicht definiert in dieser Anmeldung die Zulässigkeit von Leckageraten für ein technisches System. Die Festlegung einer maximal zulässigen Leckagerate kann dabei z. B. über eine Sicherheitsbetrachtung im Hinblick auf Explosionsgrenzen o. ä. oder die Vorgabe erzielbarer Stoffreinheiten für ein konkretes verfahrenstechnisches System erfolgen. Unter dem Ausdruck keramische Kapillarmembran versteht man im Rahmen dieser Erfindung dichte Membranen, bei denen die Menge an Gas, welche bei einem Differenzdruck von 1 bar durch die verbleibende Porenstruktur der Membran strömt, weniger als 30%, bevorzugt weniger als 5%, der unter Betriebsbedingungen mittels Ionenleitung permeierenden Gasmenge beträgt. Die ungesinterten Membranen werden im Zuge dieser Erfindung als grüne Membranen bezeichnet.
Unter keramischen Kapillarmembranen können im Zuge dieser Erfindung unter anderem Hohlfasern verstanden werden. Darunter sind Gebilde zu verstehen, die einen hohlen Innenraum aufweisen und deren äußere Dimensionen, also Durchmesser oder andere lineare Dimensionen beliebig sein können. Die Hohlfasern können beliebige Querschnitte aufweisen, beispielsweise eckige, ellipsenförmige oder insbesondere kreisförmige Querschnitte. Die Hohlfasern können auch mit einem geeigneten Material beschichtet sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der mindestens eine metallische oder keramische Boden eine Dicke von 0,5 bis 50 mm auf und ist mit mindestens einer durchgehenden Öffnung versehen, die das 1,2 bis 2,9 fache der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran aufweist. Dabei besitzt die keramische Kapillarmembran bevorzugt eine äußere Querschnittsfläche von 0,5 bis 25 mm². Mit Vorteil ist die durchgehende Öffnung des metallischen oder keramischen Bodens dabei als Bohrung oder Stanzloch ausgestaltet.

Beispielhaft sind nachfolgend in Tabelle 1 für eine kreisförmige durchgehende Öffnung und eine quadratische durchgehende Öffnung die optimalen Flächenfaktoren in Abhängigkeit der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran angegeben: Tabelle 1:

Membrandurchmesser, [mm] Flächenfaktor	1 1	1 1,1	1 1,5	2 1	2 1,1	2 1,5	3 1	3 1,1	3 1,5
Kreisfläche, mm²	0,79	0,95	1,77	3,14	3,80	7,07	7,07	8,55	15,90
Quadratfläche, mm²	1,00	1,21	2,25	4,00	4,84	9,00	9,00	10,89	20,25

Fächenfaktor Kreis		1,21	2,25		1,21	2,25		1,21	2,25
Fächenfaktor Quadrat		1,54	2,86		1,54	2,86		1,54	2,86

Mit Vorteil weist die Erweiterung der mindestens einen im metallischen oder keramischen Boden enthaltenen durchgehenden Öffnung eine Querschnittsfläche auf, die das 2,5 bis 20 fache der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran beträgt. Vorzugsweise weist die durchgehende Öffnung der mindestens einen im metallischen oder keramischen Boden eine kegelförmige, kugelförmige, elliptische, sternförmige, pyramidenförmige, trichterförmige, trompetenförmige oder glockenförmige Erweiterung auf oder ist als versenkter Kegel ausgestaltet.
Vorzugsweise weist der mindestens eine metallische oder keramische Boden bevorzugt eine Dicke von 5 mm auf und ist mit mindestens einer durchgehenden kreisrunden Öffnung versehen, die einen Durchmesser des 1,1 bis 1,5 fachen des Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran aufweist, wobei die kreisrunde, kegelförmige Erweiterung einen Durchmesser des 1,5 bis 4 fachen des Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran und eine Höhe von 2 mm aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung aus 10–80 mg, vorzugsweise aus 45 bis 55 mg einer Glaskeramik ausgebildet.
Optional weist der mindestens eine metallische oder keramische Boden 10 bis 100000 durchgehende Öffnungen, bevorzugt 50 bis 5000 durchgehende Öffnungen und besonders bevorzugt 500 durchgehende Öffnungen und am bevorzugsten 50 durchgehende Öffnungen auf. Dabei umfasst der hochtemperatur-stabile Grundkörper mit Vorteil bevorzugt zwei metallische oder keramische Böden, von denen mindestens einer schwimmend gelagert ist. Optional können auch beide metallische oder keramische Böden auf einer Seite des Modulelements angebracht sein.
Der ideale Abstand der durchgehenden Öffnungen des metallischen oder keramischen Bodens zueinander ergibt sich durch Ermittlung des Hüllkreisdurchmessers. Dabei ist sowohl eine quadratische als auch eine Dreieckteilung des metallischen oder keramischen Bodens möglich. Bei einer quadratischen Anordnung der durchgehenden Öffnungen zueinander kann dies in einer Art und Weise geschehen, dass der Anströmwinkel 45° oder 90° beträgt. Bei einer Dreieckteilung sind 30°- oder 60°-Anströmungen denkbar. Der Hüllkreisdurchmesser D_H lässt sich nach folgender Formel abschätzen:
Die Konstante f₁ hat den Wert 1,1 für eine Dreieck- und 1,3 für eine quadratische Teilung. Die Konstante t₂ kann aus Tabellen, die dem Fachmann beispielsweise aus dem VDI-Wärmeatlas, Ausgabe 2006 zugänglich sind, entnommen werden. d_A stellt den Faserdurchmesser in mm dar, z ist die Faseranzahl, und t die Teilung in mm.

Die optimale maximale Faseranzahl z kann nun nach oben stehender Gleichung berechnet werden. Beispielhaft soll eine solche Berechnung in nachstehender Tabelle 2 aufgezeigt werden. Dabei wurde eine Dreiecksteilung von 60°C angenommen, wobei die Strömung axial parallel zu den Kapillarfasern im Gleich- oder Gegenstrom verläuft. Tabelle 2: Berechnung der optimalen maximalen Faseranzahl z

Geometrie	max.Faseranzahl z
Faserdurchmesser d_A [mm]	1						2					3
Erweiterung		1,5 x d_A	2,0 x d_A	2,5 x d_A	3,0 x d_A	4,0 x d_A	1,25 x d_A	1,5 x d_A	2,0 x d_A	2,5 x d_A	3,0 x d_A	1,25 x d_A	1,5 x d_A	2,0 x d_A	2,5 x d_A
Teilung t [mm] (minimum)		1,5	2	2,5	3	4	2,5	3	4	5	6	3,75	4,5	6	7,5
Rohrplatte D_H [mm]	15	79	44	28	19	11	28	19	11	7	4	12	8	4	3
	25	232	130	83	58	32	83	58	32	20	14	37	25	14	9
	40	613	344	220	153	86	220	153	86	55	38	98	68	38	24
	50	967	544	348	241	136	348	241	136	87	60	154	107	60	38

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der hochtemperatur-stabile Grundkörper bevorzugt zwei metallische oder keramische Böden. Optional sind die zwei metallischen oder keramischen Böden des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers gegenüberliegend angeordnet sind und weisen einen Neigungswinkel von 0 bis 179 Grad auf.
Optional ist es auch möglich, beide metallische oder keramische Böden auf einer Seite des Modulelements angebracht sind.
Weiterhin wird beansprucht, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers schwimmend gelagert ist.
Der hochtemperatur-stabile Grundkörper des Modulelements weist erfindungsgemäß einen beliebigen geometrischen Querschnitt auf und ist bevorzugt zylinderförmig ausgebildet. Vorzugsweise besteht der hochtemperatur-stabile Grundkörper aus einem Material, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Keramiken, Glaskeramiken und metallische Legierungen enthält. Dabei beruht die hochtemperatur-stabile metallische Legierung bevorzugt auf einer Ni-Basis.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens eine metallische Kapillare aufweist, die in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens eingebracht wird, wobei die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen metallischen Kapillare ausgebildeten Pottung aus einer Legierung besteht, wobei die mindestens eine metallische Kapillare die mindestens eine keramische Kapillarmembran aufnimmt und wobei die mindestens eine metallische Kapillare an mindestens einem Ende eine Erweiterung zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist, die eine Glaskeramik ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik, die 20–45 Mol% BaO, 40–60 Mol% SiO₂, 0–30 Mol% ZnO, 0–10 Mol% Al₂O₃, 0–5 Mol% BaF₂, 0–2 Mol% MgO, 0–2 Mol% CaO, 0–2 Mol% TiO₂, 0–10 Mol% B₂O₃ sowie 0,5–4 Mol% M₂O₃ (M = Y, La oder Seltenerdmetalle) und/oder 0,5–4 Mol% ZrO₂ enthält. Bevorzugt wird eine Glaskeramik mit nachfolgender Zusammensetzung: 26 Gew.-% BaO, 54 Gew.-% SiO₂, 1 Gew.-% B₂O₃, 1 Gew.-% ZrO₂, 1 Gew.-% La₂O₃ und 17 Gew.-% ZnO verwendet. Besonders bevorzugt wird eine Zusammensetzung der Glaskeramik, die 36,25 Gew.-% BaO, 44,25 Gew.-% SiO₂, 5,0 Gew.-% B₂O₃, 2,0 Gew.-% ZrO₂, 2,0 Gew.-% La₂O₃, 2,0 Gew.-% BaF₂ _, 7,5 Gew.-% Al₂O₃ und 1,0 Gew.-% MgO enthält, eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die mindestens eine keramische Kapillarmembran aus einer Oxidkeramik gebildet und diese weist bevorzugt eine Perowskitstruktur, eine Brownmilleritstruktur, eine Aurivilliusstruktur oder eine Composiststruktur auf. Dabei wird unter Compositstruktur eine keramische Kapillarmembran verstanden, auf die eine Beschichtung aufgebracht ist. Dabei können verschiedene keramische und nicht-keramische Materialien miteinander kombiniert werden.
Vorzugsweise sind die Ausdehnungskoeffizienten aller eingesetzten Materialen bevorzugt dem Ausdehnungskoeffizienten der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ähnlich oder gleich.
Eine beispielhafte Messung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren ist in 1 über eine Temperaturspanne von 400°C bis 800°C gezeigt. Dabei stellt Graph a die keramische Kapillarmembran dar, an die der thermische Ausdehnungskoeffizient der anderen Materialien angepasst werden soll. Dieser liegt hier zwischen 14·10^–6K^–1 und 15·10^–6K^–1. Graph b stellt in dieser Figur den hochtemperatur-stabilen Grundkörper dar und Graph c bildet den thermischen Ausdehnungskoeffizienten über die Temperatur der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung ab. Bei dieser Messung bestand die verwendete keramische Kapillarmembran aus dem Material BaCo_0,40Fe_0,48Zr_0,12O_3-δ. Der Grundkörper bestand aus dem Werkstoff 2.4633 (Handelsname Nicrofer 6025 H/HT oder Alloy 602/602CA) und die hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung bestand aus der Zusammensetzung: 36,25 Gew.-% BaO, 44,25 Gew.-% SiO₂, 5,0 Gew.-% B₂O₃, 2,0 Gew.-% ZrO₂, 2,0 Gew.-% La₂O₃, 2,0 Gew.-% BaF₂, 7,5 Gew.-% Al₂O₃ und 1,0 Gew.-% MgO.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn sämtliche eingesetzten Materialen, die mit der mindestens einen keramischen Kapillarmembran in Kontakt stehen, hinreichend chemisch inert gegenüber der mindestens einen keramischen Kapillarmembran sind. Dabei wird unter hinreichend chemisch inert der reversible Prozess der Strukturänderung der Membran verstanden.
Das entsprechende Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Modulelements, beinhaltet die folgenden Schritte.
Herstellung eines hochtemperatur-stabilen Grundkörpers

a) Aktivierung der mindestens einen keramischen Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden durch Ätzen oder Aufrauhen
b) Ein- oder mehrmaliges Aufbringen einer Schutzschicht aus inerten keramischen oder metallischen Materialien auf die keramische Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
c) Vorbehandlung des metallischen oder keramischen Bodens durch Ätzen, Aufrauen, oder thermischer Voroxidation an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
d) Verarbeitung eines amorphen Glaspulvers mit Additiven zu einem Gießschlicker
e) Aufbringung des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
f) Einbringung von mindestens einer keramischer Kapillarmembran in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers, und
g) Sinterung

Zweckmäßig können die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers in geeigneter Reihenfolge vertauscht und/oder wiederholt werden. Vorteilhaft erfolgt die Sinterung an verschiedenen geeigneten Stellen des Verfahrens zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers. Damit ist gemeint, dass die keramische Kapillarmembran sowohl in gesintertem als auch grünem Zustand eingesetzt werden kann, was auch für den metallischen oder keramischen Boden gilt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers als Schutzschicht auf die keramische Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden bevorzugt Edelmetalle und besonders bevorzugt Au aufgebracht.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die thermische Voroxidation bei der Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers für 36 bis 60 Stunden, bei 800°C bis 1000°C in Luftatmosphäre durchgeführt.
Mit Vorteil werden zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die Additive zur Verarbeitung des amorphen Glaspulvers aus einer Gruppe ausgewählt, die Polyvinylalkohole, Polyethylenglykol, Polyvinylpyrrolidon und Agar enthält.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens beziehen sich auf die Aufbringung des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden. In einer ersten Verfahrensvariante werden die keramischen Kapillarmembranen einzeln unter Rotation mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen. In einer weiteren Verfahrensvariante werden die keramischen Kapillarmembranen in eine Gussform eingebracht und mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen. Eine weitere Möglichkeit der Aufbringung des Gießschlickers ist, dass die Pfropfen aus Gießschlicker gegossen oder gespritzt werden und anschließend auf die keramischen Kapillarmembranen aufgefädelt werden. Optional wird der Gießschlicker in die mindestens eine Erweiterung der durchgehenden Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens gegossen und anschließend durchstochen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden 10–80 mg, vorzugsweise 45 bis 55 mg des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht.
In weitere Ausgestaltung des Verfahrens wird nach Durchlaufen der Verfahrensschritte 1a) bis g) erneut Gießschlicker auf eine vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht, wobei sich diese Kontaktstelle auf der gegenüberliegenden Seite der durch die Verfahrensschritte 1a) bis g) entstandenen Pottung befindet, woraufhin erneut gesintert wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass nachträglich Undichtigkeiten ausgemerzt werden können. Optional kann dieser Vorgang auch mehrfach wiederholt werden.
Des Weiteren kann das Verfahren so ausgestaltet werden, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkörper diese stehend oder liegend gesintert werden. Dabei erfolgt die Sinterung vorteilhaft in einer kontrollierten Argon-Atmosphäre mit 0,05 bis 0,2% Sauerstoff mittels eines definierten Temperaturanstiegs und Temperaturabfalls von in einem Bereich, der sich von Raumtemperatur bis zur Sintertemperatur des Gießschlickers, die sich unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen Kapillarmembran befindet, und die Heizrate dabei in einem Bereich von 0,5–2 K/min liegt. Bevorzugt liegt die Sintertemperatur dabei zwischen 950°C und 1100°C.
Die Erfindung beansprucht des Weiteren eine Vorrichtung enthaltend mindestens ein erfindungsgemäßes Modulelement.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von 5 Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: Beispielhafte Messung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten über eine Temperaturspanne von 400°C bis 800°C.
2: Erfindungsgemäße Ausgestaltungen einer durchgehenden Öffnung, die eine Erweiterung besitzt, im metallischen oder keramischen Boden
3: Querschnitt eines hochtemperatur-stabilen Grundkörpers mit zweiseitig gepotteten keramischen Kapillarmembranen
4: Modulelement mit zweiseitig eingepotteten keramischen Kapillarmembranen, das einseitig schwimmend gelagert ist
5: Gasdichtigkeit des Verbundes zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper nach einem 10-maligem Zyklus von Aufheizen auf 850°C und Abkühlen auf 100°C
In 2 sind verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten einer durchgehenden Öffnung im metallischen oder keramischen Boden gezeigt. So ist beispielsweise in 2A eine durchgehende Öffnung dargestellt, die als Bohrung 3 eingebracht ist, wobei die Erweiterung als kegelförmige Senke 2 in den metallischen oder keramischen Boden 1 ausgestaltet ist. In 1B ist eine gestanzte durchgehende Öffnung 4 gezeigt, die in den metallischen oder keramischen Boden 1 eingearbeitet ist. 2C zeigt eine Draufsicht auf einen mit einer durchgehenden Öffnung versehenen metallischen oder keramischen Boden 1, die hier beispielhaft sternförmig 5 ausgestaltet ist.
3A zeigt einen Querschnitt durch einen hochtemperatur-stabilen Grundkörper 6, der hier beispielhaft aus zwei metallischen oder keramischen Böden 1 besteht, die mit durchgehenden Öffnungen 8 versehen sind. Durch diese durchgehenden Öffnungen 8 werden die keramischen Kapillarmembranen 7 eingebracht, wobei die durchgehenden Öffnungen 8 eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung 9 in der Erweiterung der durchgehenden Öffnungen 8 enthalten. Damit befindet sich die hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung 9, die die keramischen Kapillarmembranen 7 mit dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper 6 verbinden nur in den Erweiterungen der durchgehenden Öffnungen 8, womit die Pottung somit nur punktuell ausgestaltet ist, was die Stabilität eines solchen Grundkörpers positiv beeinflusst. 3B zeigt eine Draufsicht auf einen metallischen oder keramischen Boden 1, der mit durchgehenden Öffnungen 8 ausgestattet ist, die wiederum Erweiterungen zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Modulelement ist in 4 dargestellt. Der hochtemperatur-stabile Grundkörper 6, dessen Aufbau in 3 beschrieben ist, verfügt über einen Gaseinlass 11 über den ein sauerstoffreiches Gas, das beispielsweise aus Luft, H₂O oder N₂O besteht, einströmt. Das sauerstoffreiche Gas gelangt anschließend bei einem Druck von ca. 4 bar in die keramischen Kapillarmembranen 7, wobei der Sauerstoff in ionischer Form durch die keramischen Kapillarmembranen 7 transportiert wird, wodurch sich eine hochselektive Abtrennung des Sauerstoffes aus dem sauerstoffreichen Gas ergibt. Das Sauerstoff-abgereicherte Gas wird über den Gasauslass 12 wieder aus dem Modulelement entfernt. Der somit gewonnene Sauerstoff kann dann beispielsweise mit Methan 13 abreagieren, wodurch durch den ständigen Verbrauch des Sauerstoffs ein treibendes Gefälle für die Sauerstoffpermeation erhalten bleibt. Bei dieser Reaktion, die bei einer Temperatur von 850°C durchgeführt wird, entsteht ein Synthesegas 14.
In 5 ist die Gasdichtigkeit eines Verbundes zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper nach einem 10-maligen Zyklus von Aufheizen auf 850°C und Abkühlen auf 100°C dargestellt. Aus der Abbildung geht hervor, dass auch nach 10maligem Wiederholen des Aufheiz- und Abkühlvorgangs keine wesentliche Verschlechterung der Leckrate auftritt. Damit ist ein wesentlicher Fortschritt in der Fügetechnik bei der Herstellung von Modulelementen erreicht worden.
Die erfindungsgemäß hergestellte Fügung kann über einen Zeitraum von 1000 Stunden bei Betriebstemperatur und einer Druckdifferenz von 6 bar zwischen den beiden Seiten der Fügung betrieben werden. Die über den gesamten Zeitraum ermittelte Leckrate liegt unterhalb von 1%. Dies entspricht einer Reinheit des über die Membran abgetrennten Sauerstoffes von > 95%.
Alternativ kann das Modulelement auch aus einem Grundkörper mit nur einseitig eingepotteten keramischen Kapillarmembranen bestehen.
Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben:

– verbesserte Sauerstofftransportraten
– verminderte Leckraten des Verbundes zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper
– Erhöhung der Langzeitstabilität im Betrieb
– mechanisch stabil unter Temperaturwechselbeanspruchung bei Aufheiz- und Abkühlvorgängen
– Keine oder vernachlässigbare chemische Reaktivität zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper

Bezugszeichenliste

1: metallischer oder keramischer Boden
2: kegelförmige Senke
3: Bohrung
4: gestanzte durchgehende Öffnung
5: sternförmige durchgehende Öffnung
6: hochtemperatur-stabilen Grundkörper
7: keramische Kapillarmembranen
8: durchgehende Öffnungen
9: hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung
11: Gaseinlass
12: Gasauslass
13: Methan
14: Synthesegas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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WO 2005/081959 A1 [0004]
US 5820655 A [0004]
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DE 102005006571 [0004]
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EP 0941759 A1 [0011]
EP 0938921 A1 [0012]
DE 10112863 C1 [0014]
DE 4425209 A1 [0015]
DE 102005005464 A1 [0015]
WO 2006/089616 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Y. Teraoka et al, Chemistry Letters 1985, 1743-1746 [0008]
Y. Teraoka et al, Solid State Ionics 1991, 48, 207-212 [0008]
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VDI-Wärmeatlas, Ausgabe 2006 [0031]

Claims

Modulelement, umfassend i) einen hochtemperatur-stabilen Grundkörper, ii) wobei der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens einen metallischen oder keramischen Boden enthält, der mindestens eine durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist, und iii) mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens auf mindestens einer Seite des metallischen oder keramischen Bodens eine Erweiterung zur Aufnahme der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist.
Modulelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden eine Dicke von 0,5 bis 50 mm aufweist und mit mindestens einer durchgehenden Öffnung versehen ist, die das 1,2 bis 2,9fache der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran aufweist.
Modulelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine durchgehende Öffnung des metallischen oder keramischen Bodens eine Bohrung oder ein Stanzloch ist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung der mindestens eine im metallischen oder keramischen Boden enthaltene durchgehende Öffnung eine Querschnittsfläche aufweist, die das 2,5 bis 20 fache der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran beträgt.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung der mindestens einen im metallischen oder keramischen Boden enthaltenen durchgehenden Öffnung kegelförmig, kugelförmig, elliptisch, sternförmig, pyramidenförmig, trichterförmig, trompetenförmig, glockenförmig oder versenkter Kegel ausgestaltet ist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden bevorzugt eine Dicke von 5 mm aufweist und mit mindestens einer durchgehenden Öffnung versehen ist, die einen Durchmesser des 1,1 bis 1,5 fachen des Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran aufweist, wobei die kreisrunde, kegelförmige Erweiterung einen Durchmesser des 1,5 bis 4 fachen des Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran und eine Höhe von 2 mm aufweist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung aus 10–80 mg, vorzugsweise aus 45 bis 55 mg einer Glaskeramik ausgebildet ist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden 10 bis 100000 durchgehende Öffnungen, bevorzugt 50 bis 5000 durchgehende Öffnungen und besonders bevorzugt 500 durchgehende Öffnungen und am bevorzugsten 50 durchgehende Öffnungen aufweist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper bevorzugt zwei metallische oder keramische Böden umfasst.
Modulelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei metallischen oder keramischen Böden des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers gegenüberliegend angeordnet sind und einen Neigungswinkel von 0 bis 179 Grad aufweisen.
Modulelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide metallische oder keramische Böden auf einer Seite des Modulelements angebracht sind.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers schwimmend gelagert ist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper einen beliebigen geometrischen Querschnitt aufweist und bevorzugt zylinderförmig ausgebildet ist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Keramiken, Glaskeramiken und metallische Legierungen enthält.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens eine metallische Kapillare aufweist, die in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens eingebracht wird, wobei die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen metallischen Kapillare ausgebildeten Pottung aus einer Legierung besteht, wobei die mindestens eine metallische Kapillare die mindestens eine keramische Kapillarmembran aufnimmt und wobei die mindestens eine metallische Kapillare an mindestens einem Ende eine Erweiterung zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist, die eine Glaskeramik ist.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik ist, 20–45 Mol% BaO, 40–60 Mol% SiO₂, 0–30 Mol% ZnO, 0–10 Mol% Al₂O₃, 0–5 Mol% BaF₂, 0–2 Mol% MgO, 0–2 Mol% CaO, 0–2 Mol% TiO₂, 0–10 Mol% B₂O₃ sowie 0,5–4 Mol% M₂O₃ (M = Y, La oder Seltenerdmetalle) und/oder 0,5–4 Mol% ZrO₂.
Modulelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik ist, 26 Gew.-% BaO, 54 Gew.-% SiO₂, 1 Gew.-% B₂O₃, 1 Gew.-% ZrO₂, 1 Gew.-% La₂O₃ und 17 Gew.-% ZnO enthält.
Modulelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik ist, 36,25 Gew.-% BaO, 44,25 Gew.-% SiO₂, 5,0 Gew.-% B₂O₃, 2,0 Gew.-% ZrO₂, 2,0 Gew.-% La₂O₃, 2,0 Gew.-% BaF₂, 7,5 Gew.-% Al₂O₃ und 1,0 Gew.-% MgO enthält.
Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine keramische Kapillarmembran aus einer Oxidkeramik gebildet wird und diese bevorzugt eine Perowskitstruktur, eine Brownmilleritstruktur, eine Aurivilliusstruktur oder eine Compositstruktur aufweist.
Modulelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungskoeffizienten aller eingesetzten Materialen bevorzugt dem Ausdehnungskoeffizienten der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ähnlich oder gleich ist.
Modulelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche eingesetzte Materialen, die mit der mindestens einen keramischen Kapillarmembran in Kontakt stehen, hinreichend chemisch inert gegenüber der mindestens einen keramischen Kapillarmembran sind.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach Anspruch 1, beinhaltend die folgenden Schritte Herstellung eines hochtemperatur-stabilen Grundkörpers a) Aktivierung der mindestens einen keramischen Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden durch Ätzen oder Aufrauhen b) Ein- oder mehrmaliges Aufbringen einer Schutzschicht aus inerten keramischen oder metallischen Materialien auf die keramische Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden c) Vorbehandlung des metallischen oder keramischen Bodens durch Ätzen, Aufrauen, oder thermischer Voroxidation an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden d) Verarbeitung eines amorphen Glaspulvers mit Additiven zu einem Gießschlicker e) Aufbringung des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden f) Einbringung von mindestens einer keramischer Kapillarmembran in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers, und g) Sinterung
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers in geeigneter Reihenfolge vertauscht und/oder wiederholt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung an verschiedenen geeigneten Stellen des Verfahrens zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers als Schutzschicht auf die keramische Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden bevorzugt Edelmetalle und besonders bevorzugt Au aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Voroxidation bei der Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers für 36 bis 60 Stunden, bei 800°C bis 1000°C in Luftatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die Additive zur Verarbeitung des amorphen Glaspulvers aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Polyvinylalkohole, Polyethylenglykol, Polyvinylpyrrolidon und Agar enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die keramischen Kapillarmembranen einzeln unter Rotation mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die keramischen Kapillarmembranen in eine Gussform eingebracht werden und mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die Pfropfen aus Gießschlicker gegossen oder gespritzt werden und anschließend auf die keramischen Kapillarmembranen aufgefädelt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers der Gießschlicker in die mindestens eine Erweiterung der durchgehenden Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens gegossen und anschließend durchstochen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers 10–80 mg, vorzugsweise 45 bis 55 mg des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchlaufen der Verfahrensschritte 1a) bis g) erneut Gießschlicker auf eine vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht wird, wobei sich diese Kontaktstelle auf der gegenüberliegenden Seite der durch die Verfahrensschritte 1a) bis g) entstandenen Pottung befindet, woraufhin erneut gesintert wird und dieser Prozess mehrfach wiederholbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkörper diese stehend oder liegend gesintert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkörper diese in einer kontrollierten Argon-Atmosphäre mit 0,05 bis 0,2% Sauerstoff gesintert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkörper diese mittels eines definierten Temperaturanstiegs und Temperaturabfalls in einem Bereich, der sich von Raumtemperatur bis zur Sintertemperatur des Gießschlickers, die sich unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen Kapillarmembran befindet, gesintert werden und die Heizrate dabei in einem Bereich von 0,5–2 K/min liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers zwischen 950°C und 1100°C liegt.
Vorrichtung enthaltend mindestens ein Modulelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21.