Effect of atmosphere change paths on the induced chemical expansion

• Autorzy: Valentin O. , Blond E. , Julian A. , Richet N.

Warianty tytułu

PL

Wpływ sposobu zmiany atmosfery na wywoływaną ekspansję chemiczną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study presents the relevant aspects of the approach developed at Institut PRISME to model strain in the mixed ionic and electronic conductors (MIEC) membrane for reforming of methane into synthesis gas (H2/CO). This macroscopic approach is based on the assumption of strain partition and on the choice of oxygen activity as a state variable. It leads to a thermo-chemo-mechanical model taking into account oxygen diffusion as well as elastic, thermal and chemical expansion phenomena. A chemical expansion model is proposed. The kinetics of a macroscopic bulk diffusion model has been fitted by simulation to chemical dilatometry tests. The transient and the steady-state stress distribution in a membrane reactor for partial oxidation of methane (POM) have been simulated in various conditions.

PL

Niniejsze praca przedstawia stosowne aspekty podejścia do modelowania odkształcenia w membranie z mieszanych przewodników jonowych i elektronowych (MIEC) dla reformingu metanu w procesie syntezy gazu (H2/CO), rozwiniętego w Instytucie PRISME. To makroskopowe podejście opiera się na założeniu o podziale odkształcenia i na wyborze aktywności tlenu jako parametru stanu. Prowadzi to do termo-chemo-mechanicznego modelu biorącego pod uwagę dyfuzję tlenu, a także zjawiska ekspansji sprężystej, cieplnej i chemicznej. Zaproponowano model rozszerzalności chemicznej. Kinetyka w makroskopowym modelu dyfuzji objętościowej została dopasowana za pomocą symulacji do testów chemicznej dylatometrii. Rozkład naprężeń w stanie nieustalonym i ustalonym w reaktorze membranowym do częściowego utleniania metanu (POM) został zasymulowany w różnych warunkach.

Słowa kluczowe

EN

mixed conductors; membrane; chemical expansion model; oxygen vacancy

PL

przewodniki mieszane; membrana; model rozszerzalności chemicznej; wakancja tlenowa

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 3
• Strony: 283--287
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Valentin O.

autor

Blond E.

autor

Julian A.

autor

Richet N.

• Institut PRISME EA 4229, University of Orléans, Polytech'Orléans, 8 rue L. de Vinci, 45072 Orléans, France,

Bibliografia

• 1. Atkinson A., Ramos T. M. G. M.: „Chemically-induced stress in ceramic oxygen ion-conducting membranes”, Solid State Ionics, 129, (2000), 259-269.
• 2. Miyoshi S., Hong J.-O., Yashiro K., Kaimai A., Nigara Y., Kawamura K., Kawada T., Mizusaki J.: „Lattice expansion upon reduction of perovskite-type LaMnO3 with oxygen-deficit nonstoichiometry”, Solid State Ionics, 161, (2003), 209-217.
• 3. Kharton V. V., Yaremchenko A. A., Patrakeev M. V., Naumovich E. N., Marques F. M. B.: „Thermal and chemical induced expansion of La0.3Sr0.7(Fe,Ga)O3-δ ceramics”, J. Eur. Ceram. Soc., 23, (2003), 1417-1426.
• 4. Yakabe H., Yasuda I.: “Model Analysis of the expansion behavior of LaCrO3-δ interconnector under solid oxide fuel cell operation”, J. Electrochem. Soc., 150, (2003), A35-A45.
• 5. Fu Q.X., Tietz F., Lersch P., Stover D.: „Evaluation of Sr- and Mn-substituted LaAlO3-δ as potential SOFC anode materials”, Solid State Ionics, 177, (2006), 1059-1069.
• 6. Pei S., Kleefisch M.S., Kobylinski T.P., Faber J., Uudovich C.A., Zhang-McCoy V., Dabrowski B., Balachandran U., Mieville R. L., Poeppel R.B.: „Failure mechanisms of ceramic membrane reactors in partial oxidation of methane to synthesis gas”, Catal. Lett., 30, (1995), 201-212.
• 7. Hendriksen P. V., Larsen P. H., Mogensen M., Poulsen F. W., Wiik K.: „Prospects and problems of dense oxygen permeable membranes”, Catal. Today, 56, (2000), 283-295.
• 8. Adler S. B.: „Chemical expansivity of electrochemical ceramics”, J. Am. Ceram. Soc., 84, (2001), 2117-2119.
• 9. Julian A., Juste E., Geffroy P.M., Tessier-Doyen N., Del Gallo P., Richet N. , Chartier T.: „Thermal behaviour of La0.8Sr0.2Fe1-xGaxO3-δ (x = 0 or x = 0.3)”, J. Eur. Ceram. Soc., 29, (2009), 2603-2610.
• 10. Krishnamurthy R.,  Sheldon B. W.: „Stresses due to oxygen potential gradients in non-stoichiometric oxides”, Acta Mater., 52, (2004), 1807-1822.
• 11. Larché F. C., Cahn J. W.: „Overview no. 41 the interactions of composition and stress in crystalline solids”, Acta Metall., 33, (1985), 331-357.
• 12. Larsen P. H., Hendriksen P. V., Mogensen M.: „Dimensional stability and defect chemistry of doped lanthanum chromites”, J. Thermal Anal. Calor., 49, (1997), 1263-1275.
• 13. Boroomand F., Wessel E., Bausinger H., Hilpert K.: „Correlation between defect chemistry and expansion during reduction of doped LaCrO3 interconnects for SOFCs”, Solid State Ionics, 129, (2000), 251-258.
• 14. Hilpert K., Steinbrech R. W., Boroomand F., Wessel E., Meschke F., Zuev A., Teller O., Nickel H., Singheiser L.: „Defect formation and mechanical stability of perovskites based on LaCrO3 for solid oxide fuel cells (SOFC)”, J. Eur. Ceram. Soc., 23, (2003), 3009-3020.
• 15. Li Y., Maxey Evan R., Richardson Jr J. W., Ma B., Lee T. H., Song S.-J.: „Oxygen non-stoichiometry and thermal-chemical expansion of Ce0.8Y0.2O1.9-δ electrolytes by neutron diffraction”, J. Am. Ceram. Soc., 90, (2007), 1208-1214.
• 16. Blond E., Richet N.: „Thermomechanical modelisation of ion-conducting membrane for oxygen separation”, J. Eur. Ceram. Soc., 28, (2008), 793-801.
• 17. Valentin O., Blond E., Julian A., Richet N.: „Loading path effect on the chemical expansion in substoichiometric LSF based perovskite”, Comp. Mater. Sci., 46, (2009), 912-920.
• 18. Adler S. B., Chen X.Y., Wilsona J.R.: „Mechanisms and rate laws for oxygen exchange on mixed-conducting oxide surfaces”, J. Catal., 245, (2007), 91-109.