Elektrolyse von Chlorwasserstoff in einem Polymerelektrolyt-Membranreaktor mit Sauerstoffverzehrkathode
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem DFG-Projekt wurden die verfahrenstechnischen Grundlagen zur Realisierung eines neuen Prozesses zur Elektrolyse von gasförmigem Chlorwasserstoff in einem Polymerelektrolyt-Membranreaktor unter Einsatz einer Sauerstoffverzehrkathode untersucht. Dazu wurden sowohl experimentelle als auch modellgestützte Untersuchungen in enger Kooperation beider Projektpartner durchgeführt. Durch den Aufbau einer Versuchsanlage konnte der elektrochemische Reaktor unter technischen Elektrolysebedingungen getestet und bewertet werden. Für eine Optimierung des Gesamtprozesses wurden optimierte Membran-Elektrode-Einheiten hergestellt und eingesetzt. Durch Halbzellen-Experimente in einer Zyklonzelle konnten die beiden Elektroden getrennt vom Gesamtsystem unter definierten Betriebsbedingungen (isotherm) vermessen werden. Dadurch war eine Optimierung der Beladungen an Katalysator und Ionomer (Nafion) der einzelnen Elektroden möglich. Überraschenderweise wurde für die Anode (HCl-Oxidation) ein großer Einfluss des Nafions auf die Performance der Reaktion gefunden. Diese Beladung liegt deutlich höher als bei bisherigen elektrochemischen Gasphasenprozessen (z.B. H2-Brennstoffzelle). Parallel zu diesen Untersuchungen wurden Experimente im Laborreaktor durchgeführt. Diese zeigten eine überraschend geringe Zellspannung von unter 1 V bei gleichzeitig hohen, technisch angewendeten Stromdichten (4 kA m^-2) und geringen Reaktortemperaturen von 40 °C. Eine derart niedrige Zellspannung wurde bisher weder in wissenschaftlichen Publikationen noch in Patenten veröffentlicht. Diese niedrige Zellspannung führt zu einer Verringerung des elektrischen Energiebedarfs bei der Herstellung von einer Tonne Chlor von ca. 30 %. Die durchgeführten Experimente zeigten jedoch auch weiteren Optimierungsbedarf. So wurden zwar technisch relevante Stromdichten erreicht, jedoch sollten noch höhere Stromdichten (bis zu 10 kA m^-2) möglich sein. Diese konnten bisher nicht erreicht werden, da der Einfluss des Wasserhaushaltes auf diesen Gasphasenprozess sehr groß ist und die ausreichende Wasserversorgung der Membran gegenwärtig noch eine deutliche Limitierung darstellt. Durch die Experimente wurde gezeigt, dass eine Befeuchtung des Kathodengases mit Wasserdampf unbedingt notwendig ist, da es sonst zum Austrocknen der Membran, verbunden mit einer Verringerung der Leitfähigkeit der Membran, kommt. Durch die Halbzellen-Experimente in Verbindung mit dem aufgestellten Reaktormodell konnten die Transportprozesse von HCl und Wasser untersucht und analysiert werden. Diese zeigten, dass die Leitfähigkeit der Membran durch den Transport von HCl durch die Membran bei steigenden Stromdichten sinkt. Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass der Wassertransport durch die Membran auf Grund der Befeuchtung des Kathodengases steigt, da das gasförmig zugeführte Wasser an den Elektroden kondensiert und somit zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit der Membran führen kann. Die Kondensation des Wassers kompensiert den Verlust der Leitfähigkeit durch den Transport von HCl durch die Membran. Mit dem aufgestellten isothermen Reaktormodell konnten die Polarisationskurven bis zu einer Stromdichte von 4 kA m^-2 gut wiedergegeben werden. Der Zellspannungsverlauf bei höheren Stromdichten kann noch nicht beschrieben werden, da sich der Reaktor in diesem Bereich nicht mehr isotherm verhält. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Ergebnisse des Projektes erstmalig zeigen, dass die Gasphasenelektrolyse von Chlorwasserstoff mit einer Sauerstoffverzehrkathode möglich ist. Die erhaltenen Zellspannungen von unter 1 V repräsentieren einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einer möglichen Anwendung des neuen Prozesses für das großtechnische Recycling von Chlor.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Electrochemical Membrane Reactors for Sustainable Chlorine Recycling, Membranes 2012, 2, 510
Vidaković-Koch, T.; Gonzalez Martinez, I.; Kuwertz, R.; Kunz, U.; Turek, T.; Sundmacher, K.
- Elektrolyse von gasförmigem Chlorwasserstoff in einem PEM-Brennstoffzellenreaktor, Jahresstreffen Reaktionstechnik Würzburg, 2012
Kuwertz, R; Gonzalez Martinez, I.; Vidakovic-Koch, T.; Turek, T.; Sundmacher, K; Kunz, U.
