DE102013009230A1 - Process and membrane reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride gas - Google Patents
Process and membrane reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride gas Download PDFInfo
- Publication number
- DE102013009230A1 DE102013009230A1 DE102013009230.2A DE102013009230A DE102013009230A1 DE 102013009230 A1 DE102013009230 A1 DE 102013009230A1 DE 102013009230 A DE102013009230 A DE 102013009230A DE 102013009230 A1 DE102013009230 A1 DE 102013009230A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- membrane
- gas
- electrode unit
- carbon
- gas diffusion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/24—Halogens or compounds thereof
- C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
- C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Es wird ein verbesserter Prozess für die elektrochemische Produktion von Chlor durch Elektrolyse beschrieben. In einem elektrochemischen Membranreaktor (5) wird eine Elektrodeneinheit (6), die eine mit Katalysator beschichtete Membran (3) und Gasdiffusionsschichten enthält, zur Umwandlung von Chlorwasserstoff zu Chlor verwendet. Die freigesetzten Protonen wandern von der Anode (1) zur Kathode (2), wo sie mit Sauerstoff reagieren und dabei Wasser bilden. In diesem Prozess sind beide Reaktanden gasförmig, dabei wird eine spaltfreie Elektrodenanordnung (6) verwendet, und es wird für eine optimale Befeuchtung der Membran (3) gesorgt. Die verwendeten Apparate sowie die Halbzellenreaktionen werden beschrieben.An improved process for the electrochemical production of chlorine by electrolysis is described. In an electrochemical membrane reactor (5), an electrode unit (6), which contains a membrane (3) coated with catalyst and gas diffusion layers, is used to convert hydrogen chloride to chlorine. The protons released migrate from the anode (1) to the cathode (2), where they react with oxygen and form water. In this process, both reactants are gaseous, a gap-free electrode arrangement (6) is used, and the membrane (3) is optimally moistened. The apparatus used and the half-cell reactions are described.
Description
Einsatzgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff. Der beschriebene Prozess findet in einem elektrochemischen Membranreaktor statt, der eine beidseitige katalysatorbeschichtete Membran und Gasdiffusionsschichten auf beiden Seiten der katalysatorbeschichteten Membran enthält. Auf einer Seite der katalysatorbeschichteten Membran wird gasförmiges HCl zugeführt, während auf der anderen Seite der katalysatorbeschichteten Membran sauerstoffhaltiges Gas durch die Zelle geleitet wird. Die bei der Reduktion des Chlorwasserstoffgases zu Chlor entstehenden Protonen wandern durch die Membran und reagieren mit dort zugeführtem Sauerstoff zu Wasser.The present invention relates to the production of chlorine from hydrogen chloride. The described process takes place in a membrane electrochemical reactor containing a bilateral catalyst coated membrane and gas diffusion layers on both sides of the catalyst coated membrane. Gaseous HCl is fed to one side of the catalyst-coated membrane while oxygen-containing gas is passed through the cell on the other side of the catalyst-coated membrane. The resulting in the reduction of hydrogen chloride gas to chlorine protons migrate through the membrane and react there with oxygen supplied to water.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine für die Durchführung des Verfahrens ausgelegte Elektrodeneinheit und einen damit ausgestatteten Membranreaktor.The invention further relates to an electrode unit designed for carrying out the method and to a membrane reactor equipped therewith.
Stand der TechnikState of the art
Die elektrochemische Umsetzung von Chlorwasserstoff zu Chlor:
Die Elektrolyse nach Gleichung 1 geht in den meisten Fällen von wässrigen Lösungen aus. Die aufzuwendende Spannung ist mit ca. 1,5 V bis 2,0 V pro Zelle recht hoch, was zu einer geringen Energieeffizienz führt.The electrolysis according to
Es existiert eine große Menge an Literatur zur Elektrolyse von Chlorwasserstoff. Dabei bezieht sich der größte Teil auf wässrigen Chlorwasserstofflösungen, wie u. a. in
In
In
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Trotz der in früheren Arbeiten beschriebenen Verbesserungen fehlt es bisher an einem Prozess, der die Anforderungen an eine hohe Energieeffizienz erfüllen kann. Des Weiteren ist eine Verringerung der Zellspannung anzustreben. Das Verfahren soll mit hohem Gasdurchsatz bei hohem Umsatz geführt werden können. Der zugehörige Reaktor soll einen stabilen Langzeitbetrieb ermöglichen.Despite the improvements described in earlier work, there is still a lack of a process that can meet the requirements for high energy efficiency. Furthermore, a reduction of the cell voltage is desirable. The process should be able to be performed with high gas throughput at high sales. The associated reactor should enable stable long-term operation.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorstehend genannten Aufgaben werden mit dem Verfahren nach Anspruch 1, der zugehörigen Elektrodeneinheit nach Anspruch 8 und dem damit ausgestatteten Membranreaktor nach Anspruch 14 gelöst.The above-mentioned objects are achieved by the method according to
Die Lösung der Aufgabe umfasst einen verbesserten Prozess für die elektrochemische Umwandlung von gasförmigem Chlorwasserstoff zu Chlor. Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich die elektrochemische Umwandlung von Chlorwasserstoff mit Sauerstoff bei recht niedrigen Zellspannungen durchführen lässt. Wie schon oben erwähnt wurde, ist die elektrochemische Umsetzung von gasförmigem Chlorwasserstoff in einem Membranreaktor mit katalysatorbeschichteten Membranen in Kontakt mit Gasdiffusionslagen als solches bekannt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Wasserhaushalt der Membran besonders berücksichtigt und kontrolliert eingestellt werden muss, damit sich die Zelle unter Betriebsbedingungen stabil verhält. Durch die hier vorgestellten Untersuchungen wird belegt, dass mit der erfindungsgemäßen Zelle und dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschend niedrige Zellspannungen im Bereich von 0,6 V bis zu 1,6 V bei Stromdichten bis zu 5,5 kA/m2 erreichbar sind.The object of the invention is an improved process for the electrochemical conversion of gaseous hydrogen chloride to chlorine. Surprisingly, it has been found that the electrochemical conversion of hydrogen chloride with oxygen can be carried out at relatively low cell voltages. As already mentioned above, the electrochemical conversion of gaseous hydrogen chloride in a membrane reactor with catalyst-coated membranes in contact with gas diffusion layers as such is known. However, it has been found that the water balance of the membrane must be given special consideration and controlled in order for the cell to behave stably under operating conditions. The investigations presented here prove that surprisingly low cell voltages in the range from 0.6 V to 1.6 V at current densities of up to 5.5 kA / m 2 can be achieved with the cell according to the invention and the method according to the invention.
Die Funktionsprinzipien der Erfindung sollen zunächst mit Hilfe der
In
Auf der Anode
Elektrodendesignelectrode design
Die Elektrodeneinheit
Die protonenleitende Membran
Mit Hilfe der mikroporösen Schichten
Durch diesen Aufbau der Elektrodenschichten ist es möglich den für den hier vorgestellten Prozess wichtigen Wasserhaushalt des Reaktors kontrolliert einzustellen. Dies wurde im Stand der Technik noch nicht erkannt.By means of this structure of the electrode layers, it is possible to set the water balance of the reactor, which is important for the process presented here, in a controlled manner. This has not been recognized in the prior art.
WasserhaushaltskonzeptWater balance concept
Die erzielbare Leistung des elektrochemischen Reaktors hängt stark vom Wassergehalt der Membran ab. Die Produktivität an Chlor ist über die eingestellte Stromdichte durch das Faraday'sche Gesetz gegeben. Jedoch können hohe Stromdichten nur mit gut befeuchteten Membranen erzielt werden. Dabei darf die Befeuchtung aber, wie oben bereits beschrieben, nicht zu einem Fluten oder einem Austrocknen der Elektroden führen.The achievable performance of the electrochemical reactor depends strongly on the water content of the membrane. The productivity of chlorine is given by the set current density by Faraday's law. However, high current densities can only be achieved with well-moistened membranes. However, moistening, as described above, must not lead to flooding or drying out of the electrodes.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht daher darin, das Kathodengas, das aus Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas besteht, gezielt zu befeuchten und in befeuchtetem Zustand an die Membran heranzuführen. Erfindungsgemäß wird die optimale Befeuchtung sichergestellt, indem die Temperatur der Membran in der Elektrodeneinheit und zusätzlich die Temperatur des zugeführten Kathodengases in Abhängigkeit der Stromdichte eingestellt wird. Die Befeuchtung des Kathodengases kann in einem Gasbefeuchter geschehen. Durch die Temperatur kann der Befeuchtungsgrad eingestellt werden. Hinzukommt, dass nach Gleichung 2 Wasser in situ gebildet wird. Diese Wasserproduktionsrate ist stromdichteabhängig und führte bei höheren Stromdichten zu erhöhten Temperaturen an der Membran und einem Austrocknen der Membran, sofern keine zusätzlichen Maßnahmen zur Befeuchtung ergriffen werden. Dieser Effekt muss durch den eintretenden Kathodengasstrom ausgeglichen werden. Im Hinblick auf dieses Wassermanagement ist die Temperaturkontrolle des Elektrolyseprozesses von entscheidender Bedeutung.An essential aspect of the invention is therefore to specifically moisten the cathode gas, which consists of oxygen or an oxygen-containing gas, and to introduce it into the membrane in a moistened state. According to the invention, the optimum humidification is ensured by adjusting the temperature of the membrane in the electrode unit and additionally the temperature of the supplied cathode gas as a function of the current density. The humidification of the cathode gas can be done in a gas humidifier. The temperature can be used to set the degree of humidification. In addition, according to
Es ist bevorzugt, den Membranreaktor bei konstanter Temperatur zu betreiben. Dies bedeutet, dass auch die darin enthaltene Membran bei konstanter Temperatur gehalten wird.It is preferred to operate the membrane reactor at a constant temperature. This means that the membrane contained therein is kept at a constant temperature.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Befeuchtungsgrad des Kathodengases bei 70 bis 100% Wasserdampfsättigung liegt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Befeuchtung so geregelt wird, dass der Massenstrom an Wasser wenigstens 0,1 kg/(h·Nm3), vorzugsweise 0,2 kg/(h·Nm3) und bis zu 0,6 kg/(h·Nm3) ist (Einheit: „Kilogramm pro Stunde und Normkubikmeter”).It is further preferred that the degree of humidification of the cathode gas is at 70 to 100% water vapor saturation. Furthermore, it is preferred that the moistening is controlled so that the mass flow of water is at least 0.1 kg / (h.Nm 3 ), preferably 0.2 kg / (h.Nm 3 ) and up to 0.6 kg / (h · Nm 3 ) (unit: "kilogram per hour and standard cubic meter").
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden daher alle dem Membranreaktor zugeführten Stoffe, insbesondere Sauerstoff, Chlorwasserstoff und Wasser, gasförmig zugeführt. Die gasförmige Zufuhr von Wasser geschieht dabei vorzugsweise wie oben beschrieben, indem das Kathodengas, nämlich der Sauerstoff bzw. das sauerstoffhaltige Gas, mit Wasser befeuchtet werden. Das Kathodengas enthält dann Wasser in der Gasform.In a particularly preferred embodiment, therefore, all the membrane reactor supplied substances, in particular oxygen, hydrogen chloride and water, are supplied in gaseous form. The gaseous supply of Water is preferably carried out as described above by the cathode gas, namely the oxygen or the oxygen-containing gas, are moistened with water. The cathode gas then contains water in the gaseous form.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Arbeitstemperatur des Membranreaktors und damit auch die Temperatur an der Membran selbst 20 bis 80°C beträgt. Dieser Temperaturbereich ist durch die heute verfügbaren Membranen vorgegeben, wünschenswert wären protonenleitende Membranmaterialien, die auch bei 200°C langzeitstabil sind.Furthermore, it is preferred that the working temperature of the membrane reactor and thus also the temperature at the membrane itself is 20 to 80 ° C. This temperature range is given by the membranes available today, would be desirable proton-conducting membrane materials that are long-term stable even at 200 ° C.
Der Arbeitsdruck innerhalb der beiden Elektrodenräume sollte auf 1 bis 3 bar eingestellt sein.The working pressure within the two electrode chambers should be set to 1 to 3 bar.
Das Verfahren arbeitet weiterhin vorzugsweise bei Stromdichten bis zu 10 kA/m2 und weiter vorzugsweise im Bereich von 4 bis 6 kA/m2. Diese Stromdichten werden vorzugsweise bei Zellspannungen unter 2,5 V erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im industriellen Maß anwendbar. Die Umsätze bei mittleren bis großen Volumenströmen lassen dies zu. In bevorzugten Ausführungsformen werden sowohl Kathoden- als auch Anodengas mit Volumenströmen von je ab 0,2 und vorzugsweise bis 25 Nm3/(h·m2) durch den Membranreaktor geführt (Einheit: „Normkubikmeter pro Stunde und Quadratmeter” (Elektrodenfläche)).The method further preferably operates at current densities of up to 10 kA / m 2 and more preferably in the range of 4 to 6 kA / m 2 . These current densities are preferably obtained at cell voltages below 2.5V. The process according to the invention can be used on an industrial scale. Sales at medium to high volume flows allow this. In preferred embodiments, both cathode and anode gases with flow rates of 0.2 and preferably up to 25 Nm 3 / (h · m 2 ) are passed through the membrane reactor (unit: "standard cubic meter per hour and square meter" (electrode area)).
Die für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete erfindungsgemäße Elektrodeneinheit ist eine in Schichten aufgebaute Elektrodeneinheit und zwar vorzugsweise eine spaltfrei aufgebaute Schichtelektrodeneinheit.The electrode unit according to the invention which is particularly suitable for carrying out the method is an electrode unit constructed in layers, preferably a gap-free layer electrode unit.
Die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit für einen Membranreaktor zur Durchführung des neu entwickelten Verfahrens zeichnet sich durch eine Membran aus einem protonenleitenden Polymermaterial aus, die beidseitig geträgerte oder ungeträgerte katalytisch aktive Beschichtungen und darauf angeordnete Gasdiffusionsschichten aufweist. Die Gasdiffusionsschichten wiederum umfassen den katalytisch aktiven Schichten zugewandte mikroporöse Schichten. Auf die mikroporösen Schichten können innerhalb der Gasdiffusionsschichten weitere Schichten folgen, wobei wenigstens eine zusätzliche Schicht zur mikroporösen Schicht vorgesehen ist, die die Struktur zum Gasraum der jeweiligen Halbzelle abschließt. In bevorzugten Ausführungsformen folgt auf die mikroporöse Schicht innerhalb der Gasdiffusionsschicht eine Zwischenschicht, beispielsweise aus PTFE zur unterstützenden Einstellung der Benetzbarkeit der Gasdiffusionsschicht. Die Abschlussschicht besteht vorzugsweise aus einem Kohlenstofftuch, das gasdurchlässig ausgebildet ist und das zusätzlich mit Kohlenstoff, Nafion® und anderen Zusätzen beladen sein kann.The electrode unit according to the invention for a membrane reactor for carrying out the newly developed method is distinguished by a membrane of a proton-conducting polymer material which has supported or unsupported catalytically active coatings on both sides and gas diffusion layers arranged thereon. The gas diffusion layers in turn comprise the microporous layers facing the catalytically active layers. Further layers can follow the microporous layers within the gas diffusion layers, with at least one additional layer being provided to the microporous layer, which closes the structure to the gas space of the respective half cell. In preferred embodiments, the microporous layer within the gas diffusion layer is followed by an intermediate layer, for example of PTFE, to assist in the adjustment of the wettability of the gas diffusion layer. The final layer is preferably made of carbon cloth, which is designed to be gas permeable and additionally with carbon, may be loaded Nafion ® and other additives.
Vorzugsweise sind also die Schichten: Membran, katalytische aktive Beschichtung, mikroporöse Schicht der Gasdiffusionsschicht und ergänzende Schichten der Gasdiffusionsschicht beidseitig der Membran spaltfrei aufeinander angeordnet. Zur Verbesserung der Kontakte zwischen den Schichten, können diese durch Pressen verbunden werden.Preferably, therefore, the layers: membrane, catalytic active coating, microporous layer of the gas diffusion layer and complementary layers of the gas diffusion layer on both sides of the membrane are arranged without gaps on each other. To improve the contacts between the layers, they can be connected by pressing.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen enthalten die Gasdiffusionsschichten ein Kohlenstoffgewebe, das mit PTFE und Kohlenstoff beschichtet ist, wobei die Kohlenstoff/PTFE-Beladung 2 bis 8 mg/cm2 beträgt.In particularly preferred embodiments, the gas diffusion layers include a carbon fabric coated with PTFE and carbon, the carbon / PTFE loading being 2 to 8 mg / cm 2 .
Die mikroporöse Schicht der Gasdiffusionsschichten aus der Elektrodeneinheit besteht vorzugsweise aus einem feinteiligen Kohlenstoff wie z. B. aus Rußen, CNT oder anderen elektronenleitenden Trägermaterialien. Dabei kann die Mikroporosität durch die Korngrößenverteilung der Trägermaterialien eingestellt werden.The microporous layer of the gas diffusion layers of the electrode unit is preferably made of a finely divided carbon such. B. from carbon blacks, CNT or other electron-conducting support materials. In this case, the microporosity can be adjusted by the particle size distribution of the carrier materials.
Die katalytisch aktiven Beschichtungen der Membran der Elektrodeneinheit enthalten vorzugsweise geträgerte oder ungeträgerte Edelmetalle, besonders bevorzugt Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh) oder Iridium (Ir), geträgerte oder ungeträgerte Metallverbindungen wie vorzugsweise Rhodiumsulfid, Zinnoxid, Titanoxid, Rutheniumoxid oder metallorganische Verbindungen, oder sie enthalten metallfreie Katalysatoren, wie z. B. Kohlenstoff oder Polymer-Composite-Verbindungen. Die katalytisch aktiven Beschichtungen können auch Mischungen der vorgenannten Bestandteile enthalten. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Beladung der katalytisch aktiven Beschichtungen mit der katalytisch aktiven Substanz 0,1 bis 5 mg/m2 beträgt.The catalytically active coatings of the membrane of the electrode unit preferably contain supported or unsupported noble metals, more preferably platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh) or iridium (Ir), supported or unsupported metal compounds such as preferably rhodium sulfide, tin oxide, titanium oxide, ruthenium oxide or organometallic compounds, or they contain metal-free catalysts, such as. As carbon or polymer composite compounds. The catalytically active coatings may also contain mixtures of the aforementioned ingredients. It is particularly preferred if the loading of the catalytically active coatings with the catalytically active substance is 0.1 to 5 mg / m 2 .
Weiter vorzugsweise kann zusätzlich eine protonenleitende Verbindung wie z. B. Nafion® in der katalytisch aktiven Beschichtung vorhanden sein, und zwar mit Beladungsgraden von 0,2 bis 5 mg/m2.Further preferably, in addition, a proton-conducting compound such. B. Nafion ® be present in the catalytically active coating, and with degrees of loading of 0.2 to 5 mg / m 2 .
In den Beispielen ist für die katalytisch aktive Schicht vorgesehen, dass wenigstens ein Edelmetall auf einem elektronenleitenden Material geträgert ist, besonders bevorzugt ist Platin auf einem Kohlenstoffmaterial. Als protonenleitende Verbindung, die zusätzlich in der katalytischen Beschichtung vorhanden ist, wird dort Nafion® gewählt.In the examples it is provided for the catalytically active layer that at least one noble metal is supported on an electron-conducting material, platinum on a carbon material is particularly preferred. As a proton-conducting compound, which is additionally present in the catalytic coating, Nafion® is selected there.
Bei den Gasdiffusionsschichten ist es besonders bevorzugt, wenn ein Kohlenstofftuch in einem ersten Schritt mit PTFE und in einem zweiten Schritt mit einer mikroporösen Schicht aus einer Mischung aus elektronenleitendem Kohlenstoff und PTFE beschichtet wird. Die Beschichtung des Kohlenstofftuchs sollte 10 bis 60 Gew.-% PTFE der Mischung aus PTFE und Kohlenstoff (feinteilig) und/oder anderen elektronenleitenden Trägermaterialien bezogen auf das Gesamtgewicht des beschichteten Tuchs betragen. Die Kohlenstoff-PTFE-Beladung der Abschlussschicht, also insbesondere des Kohlenstofftuchs, bewegt sich vorzugsweise im Bereich von 2 bis 8 mg/cm2.In the gas diffusion layers, it is particularly preferred if a carbon cloth is coated in a first step with PTFE and in a second step with a microporous layer of a mixture of electron-conducting carbon and PTFE. The coating of the carbon cloth should be 10 to 60% by weight PTFE of the mixture of PTFE and carbon (finely divided) and / or other electron-conducting support materials based on the total weight of the coated cloth. The carbon-PTFE loading of the outer layer, that is to say in particular of the carbon cloth, preferably ranges from 2 to 8 mg / cm 2 .
BEISPIELTEILEXAMPLE PART
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Untersuchungen näher erläutert, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen und Diagramme. Die Beispiele dienen allein der Illustration der Erfindung und sind nicht beschränkend zu verstehen. Der Fachmann wird weitere Beispiele auf Basis der vorstehend gegebenen allgemeinen Beschreibung und seines Fachwissens auffinden können.In the following the invention will be explained in more detail by means of examples and investigations, reference being made to the attached drawings and diagrams. The examples are merely illustrative of the invention and are not intended to be limiting. The person skilled in the art will be able to find further examples on the basis of the general description given above and his specialist knowledge.
In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:
Zur Charakterisierung des in
HalbzellenexperimenteHalf-cell experiments
Für die Halbzellenexperimente wurde die in
Für die nachfolgenden Beispiele wurde die Versuchseinrichtung nach
BEISPIELEEXAMPLES
In den folgenden Beispielen werden Ergebnisse gezeigt, die die Verbesserungen in der Chlorwasserstoffoxidation aufzeigen.In the following examples, results are shown demonstrating improvements in hydrogen chloride oxidation.
Beispiel 1:Example 1:
Die verwendete Membran-Elektroden-Einheit bestand aus einer vorbehandelten Polymerelektroloytmembran Nafion® 117, den Katalysatorschichten und der Gasdiffusionsbeschichtung. Die Gasdiffusionsschicht bestand aus einem Kohlefasergewebe, welches mit 20 Gew.-% PTFE beschichtet war. Dieses wurde anschließend noch mit einer mikroporösen PTFE-Kohlenstoff-Schicht versehen. Die Beladung dieser Beschichtung betrug 4,5 mg/cm2. Anschließend wurde die Gasdiffusionsschicht gepresst und gesintert. Die Katalysatorschicht bestand aus kohlenstoffgeträgerten Platin und Nafion®. Die Katalysatorbeladung bestand aus einer Mischung von 0,5 mg/cm2 Pt/C und 2,0 mg/cm2 Nafion®. Nach Auftragen der Katalysatorschicht auf die Membran wurde diese heiß gepresst. Die Auftragung der Beschichtungen erfolgte als Suspension in einem Nasssprühverfahren, wie es unter Fachleuten gut bekannt ist. Ein Volumenstrom von 500 NmL/min gasförmigem HCl wurde durch den Arbeitelektrodenraum der Zyklonzelle gefördert, während Perchlorsäure mit 300 NmL/min durch den Gegenelektrodenraum der Zyklonzelle gefördert wurde. Die Anfangstemperatur betrug 25°C und Polarisationskurven wurden potentiostatisch im Spannungsbereich von 0,8 V bis 1,05 V gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektrode mit gesättigter KCl gemessen. Dabei betrug die Temperatur 25°C, 40°C, 50°C und 60°C. Die Ergebnisse sind in
Beispiel 2:Example 2:
Eine Membran-Elektrode-Einheit wie in Beispiel 1 wurde verwendet. Ein Fluss von gasförmigem HCl mit einem Volumenstrom von 500 NmL/min wurde der Zyklonzelle zugeführt. Perchlorsäure wurde mit einer Durchflussrate von 300 NmL/min zugeführt. Die Temperatur wurde auf 60°C eingestellt und Polarisationskurven wurden potentiostatisch in einem Spannungsbereich von 0,8 V bis 1,05 V gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektrode mit gesättigter KCl gemessen. Dabei wurde die volumetrische HCl-Konzentration auf Werte von 100%, 80%, 60%, 40% und 20% eingestellt. Dies wurde erreicht durch Zumischung von Stickstoff. Die Ergebnisse sind in
Beispiel 3:Example 3:
Eine Membran-Elektrode-Einheit (MEA) wie in Beispiel 1 wurde verwendet. Die katalytische Beschichtung bestand aus einem Edelmetall, z. B. Platin, ungeträgert oder auch geträgert auf Kohlenstoff, Nafion® und Kohlenstoff mit Nafion®. Für die trägerfreie Platin-MEA wurde eine Beladung von 5,0 mg/cm2 Pt und 1,0 mg/cm2 Nafion® gewählt. Für die ungeträgerte Kohlenstoff MEA wurde eine Beladung von 0,8 mg/cm2 Kohlenstoff und 0,7 mg/cm2 Nafion® verwendet. Für die kohlenstoffgeträgerten MEA wurde eine Platinbeladung von 0,5 mg/cm2 verwendet. Dabei wurde die Nafion®-Beladung verändert auf 0,5, 1,0 und 2,0 mg/cm2. Die katalysatorbeschichteten Membranen wurden heiß gepresst. Ein Gasvolumenstrom von 500 NmL/min wurde der Zyklonzelle zugeführt, während die Perchlorsäure mit einem Strom von 300 NmL/min zudosiert wurde. Die Temperatur wurde auf 60°C eingestellt, und Polarisationskurven wurden potentiostatisch in einem Spannungsbereich von 0,8 V bis 1,05 V gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektrode mit gesättigter KCl gemessen. Die HCl-Konzentration betrug hierbei 100%. Die Ergebnisse für die ungeträgerten Katalysatoren sind in
Beispiel 4:Example 4:
Beide verwendeten MEA entsprechen denen aus Beispiel 1. Die Katalysatorschicht bestand aus einem Edelmetall, hier Platin, geträgert auf Kohlenstoff und Nafion®. Für die Pt/C-geträgerte MEA für die Sauerstoffreduktion betrug die Beladung 0,5 mg/cm2 Pt bei einer Nafion®-Beladung von 0,5 mg/cm2. Die MEA für die Chlorwasserstoffoxidation hatte eine Beladung von 0,5 mg/cm2 Pt und eine Nafion®-Beladung von 2,0 mg/cm2. Gasförmiges HCl wurde mit einem Volumenstrom von 500 NmL/min in die Zyklonzelle gefördert und Perchlorsäure wurde mit 300 NmL/min gefördert. Die Temperatur wurde auf 60°C eingestellt. Polarisationskurven wurden potentiostatisch gegen eine Ag/AgCl-Referenzelektrode mit gesättigter KCl gemessen. Die Konzentration der Gase HCl und O2 betrug 100%. Wie man in
Der Widerstand der Membran hängt vom Befeuchtungsgrad ab. Nafion® kann mit flüssigem Wasser (im Falle einer mit flüssiger Säure versorgten Halbzelle) oder mit Wasserdampf (im Falle eines mit Gasen versorgten Reaktors) befeuchtet werden. Die abgeschätzten Spannungsverluste für eine Nafion® 117-Membran bei Stromdichten von 3 bis 4 kA/m2 sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden plus den Spannungsverlusten in der mit Wasser equilibrierten Membran liefern eine Reaktorgesamtspannung von 0,92 V bei 4 kA/m2 und ungefähr 0,79 V bei 3 kA/m2 jeweils bei einer Temperatur von 60°C. Dies zeigt deutlich, dass die Chlorwasserstoffelektrolyse bei Spannungen betrieben werden kann, die unterhalb von 1 V liegen. Tabelle 1
Messungen in einem vollständigen elektrochemischen ReaktorMeasurements in a complete electrochemical reactor
Für die folgenden Untersuchungen wurde der in
In den nachfolgenden Beispielen werden einige Resultate gezeigt, die mit diesem Reaktor in der Chlorwasserstoffelektrolyse erzielt wurden.In the following examples, some results are shown, which were achieved with this reactor in the hydrogen chloride electrolysis.
Im Folgenden wurde die in
Beispiel 5:Example 5:
Es wurde eine MEA wie in Beispiel 1 verwendet. Die Katalysatorbeladung für die Anode und die Kathode war jeweils eine Mischung aus 1,0 mg/cm2 Pt und 0,5 mg/cm2 Nafion®. Nach Auftragen der Katalysatorschicht erfolgte ein Heißpressen. Aufgetragen wurden die Schichten durch ein Nasssprühverfahren. Gasförmiger Chlorwasserstoff und ebenso gasförmiger Sauerstoff wurde mit jeweils einem Volumenstrom von 500 NmL/min in den Reaktor dosiert. Die Anfangstemperatur betrug Raumtemperatur. Die Stromdichte wurde in Schritten von 0,1 kA/m2 pro 5 Minuten erhöht. Die erhaltenen Ergebnisse sind in
Solch hohe Stromdichten bei gleichzeitig niedrigen Spannungen (0,95 V bei 4 kA/m2, wie oben beschrieben) konnten bislang im Stand der Technik für Zellen, die mit zwei Gasdiffusionselektroden arbeiten, noch nicht erreicht werden. Es konnte eine erhebliche Verbesserung in der Effektivität der Chlorwasserstoffelektrolyse erzielt werden.Such high current densities with simultaneously low voltages (0.95 V at 4 kA / m 2 , as described above) have so far not been achieved in the prior art for cells which work with two gas diffusion electrodes. A significant improvement in the effectiveness of hydrogen chloride electrolysis could be achieved.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 0785294 A1 [0005] EP 0785294 A1 [0005]
- WO 02/068722 A2 [0005] WO 02/068722 A2 [0005]
- EP 1366213 A2 [0005] EP 1366213 A2 [0005]
- US 4210501 A [0005] US 4210501 A [0005]
- US 2006/249380 A [0005] US 2006/249380 A [0005]
- DE 19755636 A1 [0005] DE 19755636 A1 [0005]
- US 5580437 A [0007] US 5580437 A [0007]
- US 5411641 A [0007] US 5411641 A [0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Journal Electrochem. Soc. Vol. 142, No. 11, November 1995, Seiten 3619 bis 3625 [0006] Journal Electrochem. Soc. Vol. 142, no. 11, November 1995, pages 3619 to 3625 [0006]
- J. Appl. Electrochem. 29 (1999) 919–926 [0055] J. Appl. Electrochem. 29 (1999) 919-926 [0055]
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013009230.2A DE102013009230A1 (en) | 2013-05-31 | 2013-05-31 | Process and membrane reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride gas |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013009230.2A DE102013009230A1 (en) | 2013-05-31 | 2013-05-31 | Process and membrane reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride gas |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102013009230A1 true DE102013009230A1 (en) | 2014-12-04 |
DE102013009230A8 DE102013009230A8 (en) | 2015-02-26 |
Family
ID=51899129
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102013009230.2A Ceased DE102013009230A1 (en) | 2013-05-31 | 2013-05-31 | Process and membrane reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride gas |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102013009230A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3488914A1 (en) | 2017-11-28 | 2019-05-29 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | A method and an apparatus for separating chlorine gas from a gaseous anode outlet stream of an electrochemical reactor |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4210501A (en) | 1977-12-09 | 1980-07-01 | General Electric Company | Generation of halogens by electrolysis of hydrogen halides in a cell having catalytic electrodes bonded to a solid polymer electrolyte |
US5411641A (en) | 1993-11-22 | 1995-05-02 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Electrochemical conversion of anhydrous hydrogen halide to halogen gas using a cation-transporting membrane |
DE19543678A1 (en) * | 1995-11-23 | 1997-05-28 | Bayer Ag | Process for direct electrochemical gas phase phosgene synthesis |
EP0785294A1 (en) | 1996-01-19 | 1997-07-23 | De Nora S.P.A. | Improved method for the electrolysis of aqueous solutions of hydrochloric acid |
DE19755636A1 (en) | 1997-12-15 | 1999-06-17 | Bayer Ag | Process for the electrochemical processing of HCl gas to high-purity chlorine |
WO2002068722A2 (en) | 2001-02-28 | 2002-09-06 | De Nora Elettrodi S.P.A. | Electrocatalytic composition for oxygen-depolarised cathode |
US20060249380A1 (en) | 2003-07-30 | 2006-11-09 | Fritz Gestermann | Electrochemical cell |
-
2013
- 2013-05-31 DE DE102013009230.2A patent/DE102013009230A1/en not_active Ceased
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4210501A (en) | 1977-12-09 | 1980-07-01 | General Electric Company | Generation of halogens by electrolysis of hydrogen halides in a cell having catalytic electrodes bonded to a solid polymer electrolyte |
US5411641A (en) | 1993-11-22 | 1995-05-02 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Electrochemical conversion of anhydrous hydrogen halide to halogen gas using a cation-transporting membrane |
US5580437A (en) | 1993-11-22 | 1996-12-03 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Anode useful for electrochemical conversion of anhydrous hydrogen halide to halogen gas |
DE19543678A1 (en) * | 1995-11-23 | 1997-05-28 | Bayer Ag | Process for direct electrochemical gas phase phosgene synthesis |
EP0785294A1 (en) | 1996-01-19 | 1997-07-23 | De Nora S.P.A. | Improved method for the electrolysis of aqueous solutions of hydrochloric acid |
DE19755636A1 (en) | 1997-12-15 | 1999-06-17 | Bayer Ag | Process for the electrochemical processing of HCl gas to high-purity chlorine |
WO2002068722A2 (en) | 2001-02-28 | 2002-09-06 | De Nora Elettrodi S.P.A. | Electrocatalytic composition for oxygen-depolarised cathode |
EP1366213A2 (en) | 2001-02-28 | 2003-12-03 | De Nora Elettrodi S.P.A. | Electrocatalytic composition for oxygen-depolarised cathode |
US20060249380A1 (en) | 2003-07-30 | 2006-11-09 | Fritz Gestermann | Electrochemical cell |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
J. Appl. Electrochem. 29 (1999) 919-926 |
Journal Electrochem. Soc. Vol. 142, No. 11, November 1995, Seiten 3619 bis 3625 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3488914A1 (en) | 2017-11-28 | 2019-05-29 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | A method and an apparatus for separating chlorine gas from a gaseous anode outlet stream of an electrochemical reactor |
WO2019105955A2 (en) | 2017-11-28 | 2019-06-06 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | A method and an apparatus for separating chlorine gas from a gaseous anode outlet stream of an electrochemical reactor |
US11351497B2 (en) | 2017-11-28 | 2022-06-07 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and an apparatus for separating chlorine gas from a gaseous anode outlet stream of an electrochemical reactor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102013009230A8 (en) | 2015-02-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3583245B1 (en) | Production of gas diffusion electrodes comprising ion transport resins for elctrochemical reduction of co2 to afford chemical products | |
DE2655070C2 (en) | Oxygen concentrator | |
DE2847955C2 (en) | Process for producing halogens by electrolysis of aqueous alkali metal halides | |
DE69608315T3 (en) | THE PRODUCTION OF ISOCYANATES WITH RECOVERY OF CHLORINE | |
DE2951965A1 (en) | ELECTROCHEMICAL CELLS | |
DE102017211930A1 (en) | Membrane-coupled cathode for the reduction of carbon dioxide in acid-based electrolytes without mobile cations | |
DE102013205431B4 (en) | Membrane electrode assemblies and fuel cell systems with surface-modified electrocatalysts and methods for electrocatalyst surface modification | |
DE102015203245A1 (en) | Deposition of a copper-containing, hydrocarbon-developing electrocatalyst on non-copper substrates | |
DE112006001111T5 (en) | Support for fuel cell catalysts | |
DE102009004031A1 (en) | Structured gas diffusion electrode for electrolysis cells | |
DE102017203900A1 (en) | Electrodes comprising metal introduced into solid electrolyte | |
DE112015001452T5 (en) | Oxygen reduction catalyst and manufacturing method therefor | |
DE112010005461B4 (en) | fuel cell | |
EP0108970B1 (en) | Hydrogen-bromine cell | |
EP2886681A1 (en) | Electrochemical electrolytic cell for the electrolysis of water and method for operating the same | |
DE102013009230A1 (en) | Process and membrane reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride gas | |
DE10038862C2 (en) | Process for coating a membrane electrode assembly with a catalyst and device therefor | |
EP3788184A1 (en) | Gas diffusion electrode for carbon dioxide treatment, method for production thereof, and electrolysis cell having a gas diffusion electrode | |
DE102004024844A1 (en) | Electrode paste for producing a catalyst layer for an electrochemical cell and method for producing a catalyst layer | |
DE112018001572T5 (en) | OXYGEN REDUCTION CATALYST, ELECTRODE, MEMBRANE ELECTRODE ARRANGEMENT AND FUEL CELL | |
DE19545332A1 (en) | Electrolytic cell | |
JPS6128493A (en) | Decomposition of halogenated hydrocarbon | |
DE1816371A1 (en) | Fuel cell electrode | |
DE1671826A1 (en) | Fuel electrode for a fuel element | |
EP3577255A1 (en) | Low solubility salts as an additive in gas diffusion electrodes for increasing the co2 selectivity at high current densities |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRAMM, LINS & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAEL, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRAMM, LINS & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAEL, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |