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 PDF

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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: 2HCl → Cl2 + H2 Gleichung 1 ist eine gut bekannte Reaktion und wird für die Umwandlung von Chlorwasserstoff zu Chlor verwendet. Da Chlorwasserstoff als Nebenprodukt in vielen industriellen Prozessen, wie z. B. bei der Herstellung von Isocyanaten, entsteht, ist es als Ausgangsstoff gut verfügbar. Häufig entsteht HCl bei Chlorierungsreaktionen, in denen Chlor als Edukt eingesetzt wird, sodass man bei der industriellen Chlorproduktion nach Gleichung 1 auch von einem Chlor-Recycling sprechen kann.The electrochemical conversion of hydrogen chloride to chlorine: 2HCl → Cl 2 + H 2 Equation 1 is a well known reaction and is used for the conversion of hydrogen chloride to chlorine. Since hydrogen chloride as a byproduct in many industrial processes, such. As in the production of isocyanates, arises, it is readily available as a starting material. Often HCl is formed in chlorination reactions in which chlorine is used as starting material, so that one can also speak of a chlorine recycling in the industrial chlorine production according to equation 1.

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 equation 1 starts in most cases from aqueous solutions. The voltage to be applied is quite high at about 1.5V to 2.0V per cell, resulting in low energy efficiency.

Es existiert eine große Menge an Literatur zur Elektrolyse von Chlorwasserstoff. Dabei bezieht sich der größte Teil auf wässrigen Chlorwasserstofflösungen, wie u. a. in EP 0 785 294 A1 , WO 02/068722 A2 , EP 1 366 213 A2 , US 4,210,501 A und US 2006/249380 A beschrieben. Es gibt zahlreiche Versuche, die Nachteile der existierenden Technologie zu beseitigen. In der DE 197 55 636 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem gasförmiger Chlorwasserstoff in einer elektrochemischen Zelle in zwei Stufen umgesetzt wird. Die Zelle wird in der ersten Stufe (Spannungen von 1,6 bis 1,73 V bei Stromdichten von 6 bis 10 kA/m2) mit gasförmigem Chlorwasserstoff versorgt, aber nicht mit Sauerstoff. In dieser ersten Stufe wird ein geringer Umsatz erzielt. Deshalb wird eine teure zweite Stufe (Spannungen von 1,18 bis 1,36 V bei Stromdichten von 2,8 bis 4,4 kA/m2) zur Erhöhung des Umsatzes benötigt. Die zweite Stufe ist mit einer Sauerstoffverzehrkathode (Gasdiffusionselektrode) ausgestattet, die mit wässriger Chlorwasserstofflösung versorgt wird (siehe Gleichung 2). 4HCl + O2 → 2Cl2 + 2H2O Gleichung 2 There is a great deal of literature on the electrolysis of hydrogen chloride. The largest part relates to aqueous hydrochloric acid solutions, such as in EP 0 785 294 A1 . WO 02/068722 A2 . EP 1 366 213 A2 . US 4,210,501 A and US 2006/249380 A described. There are numerous attempts to eliminate the disadvantages of existing technology. In the DE 197 55 636 A1 describes a method in which gaseous hydrogen chloride is reacted in an electrochemical cell in two stages. The cell is supplied in the first stage (voltages of 1.6 to 1.73 V at current densities of 6 to 10 kA / m 2 ) with gaseous hydrogen chloride, but not with oxygen. In this first stage, a low turnover is achieved. Therefore, an expensive second stage (voltages of 1.18 to 1.36 V at current densities of 2.8 to 4.4 kA / m 2 ) is needed to increase the conversion. The second stage is equipped with an oxygen-consuming cathode (gas diffusion electrode), which is supplied with aqueous hydrogen chloride solution (see Equation 2). 4HCl + O 2 → 2Cl 2 + 2H 2 O Equation 2

In Journal Electrochem. Soc. Vol. 142, No. 11, November 1995, Seiten 3619 bis 3625 wurden Versuche zur Umwandlung von gasförmigem Chlorwasserstoff zu Chlor beschrieben. HCl wurde in die Anode der Zelle geleitet. Auf der Kathode wurde flüssiges Wasser in die Zelle gefördert. Die Halbzellen wurden durch eine polymere protonenleitende Membran (Nafion®) getrennt, die mit Katalysatoren beschichtet war. Chlorwasserstoff wird zu Chlor oxidiert, die Protonen wandern durch die Membran und Wasserstoff entsteht an der Kathode. Die verwendeten Katalysatoren (Kathode/Anode) sind Pt/Pt, RuO2/SnO2 und Pt/RuO2 wobei die Kombinationen Pt/Pt die besten Resultate erzielte.In Journal Electrochem. Soc. Vol. 142, no. 11, November 1995, pages 3619-3625 experiments on the conversion of gaseous hydrogen chloride to chlorine have been described. HCl was directed to the anode of the cell. Liquid water was pumped into the cell on the cathode. The half-cells were separated by a polymeric proton-conducting membrane (Nafion ®), which was coated with catalysts. Hydrogen chloride is oxidized to chlorine, the protons move through the membrane and hydrogen is generated at the cathode. The catalysts used (cathode / anode) are Pt / Pt, RuO 2 / SnO 2 and Pt / RuO 2, with Pt / Pt combinations giving the best results.

In US 5,580,437 A und US 5,411,641 A , beide von Newman und Eames, die Daten aus ihrem o. a. Artikel aus J. Electrochem. Soc. verwenden, wird die Umsetzung von wasserfreiem Chlorwasserstoff zu trockenem Chlor beschrieben (Gleichungen 1 und 2). Dabei wird eine Sauerstoffverzehrkathode benutzt. Allerdings wurden nur für die Gleichung 1 experimentelle Daten vorgestellt. Für Gleichung 2 fehlt der Beweis für das vorgestellte Konzept, experimentelle Daten gibt es nicht. Die Versuche entsprechend Gleichung 1 wurden in einer elektrochemischen Zelle mit einer aktiven Fläche von 1 cm2 durchgeführt. An der Anode der Zelle wird gasförmiger Chlorwasserstoff zugeführt, der zu Chlor oxidiert wird. Dabei wandern Protonen durch eine Kationenaustauschermembran (Nafion®) zur Kathode. Dort werden die Protonen zu Wasserstoff reduziert. Zeitspannungen zwischen 1,1 V und 2,8 V bei Stromdichten bis zu 957 mA/cm2 wurden gemessen. Die tatsächliche Funktionsfähigkeit der Sauerstoffverzehrelektrode für Gleichung 2 wird in dieser Patentanmeldung jedoch nicht belegt.In US 5,580,437 A and US 5,411,641 A , both from Newman and Eames, the data from their above article from J. Electrochem. Soc. The reaction of anhydrous hydrogen chloride to dry chlorine is described (Equations 1 and 2). In this case, an oxygen-consuming cathode is used. However, experimental data were presented only for Equation 1. Equation 2 lacks proof of the proposed concept, experimental data does not exist. The experiments according to equation 1 were carried out in an electrochemical cell with an active area of 1 cm 2 . At the anode of the cell gaseous hydrogen chloride is supplied, which is oxidized to chlorine. Protons pass through a cation exchange membrane (Nafion ® ) to the cathode. There the protons are reduced to hydrogen. Time tensions between 1.1 V and 2.8 V at current densities up to 957 mA / cm 2 were measured. However, the actual operability of the oxygen-consuming electrode for Equation 2 is not established in this patent application.

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 claim 1, the associated electrode unit according to claim 8 and the membrane reactor according to claim 14 equipped therewith.

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 und erläutert werden.The operating principles of the invention will be described first with the aid of and be explained.

In ist das Funktionsprinzip des bei der Erfindung genutzten Prozesses erläutert. Die für die beiden Halbzellen angegebenen Gleichungen 4HCl → 2Cl2 + 4H+ + 4e O2 + 4H+ + 4e → 2H2O ergeben die Gesamtgleichung 4HCl + O2 → 2Cl2 + 2H2O. In the functional principle of the process used in the invention is explained. The equations given for the two half-cells 4HCl → 2Cl 2 + 4H + + 4e - O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O give the overall equation 4HCl + O 2 → 2Cl 2 + 2H 2 O.

Auf der Anode 1 wird gasförmiger Chlorwasserstoff in die Zelle geleitet. Auf der Kathode 2 wird sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Beide Elektroden enthalten einen Edelmetallkatalysator, einen geträgerten Edelmetallkatalysator oder einen metallfreien Katalysator. Zu diesen Ausführungsformen gehörige Testergebnisse sind weiter unten beschrieben. Auf der Anode wird Chlorwasserstoff zu Chlor oxidiert, dabei entstehen Protonen und Elektronen. Durch eine Kationenaustauschermembran 3, hier Nafion®, erfolgt der Transport der Protonen von der Anode 1 zu der Kathode 2. Auf der Kathodenseite werden die Protonen und Elektronen mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt. Der elektrochemische Reaktor 5 insgesamt und die Gasströme können je nach Bedarf geheizt oder gekühlt werden. Die hierfür vorgesehenen Heizer bzw. Wärmetauschereinheiten sind als 4 bezeichnet. Die Bauteile 1 bis 3 bilden die Elektrodeneinheit 6.On the anode 1 gaseous hydrogen chloride is directed into the cell. On the cathode 2 oxygen-containing gas is supplied. Both electrodes contain a noble metal catalyst, a supported noble metal catalyst or a metal-free catalyst. Test results pertaining to these embodiments are described below. At the anode, hydrogen chloride is oxidized to chlorine, resulting in protons and electrons. Through a cation exchange membrane 3 , here Nafion ® , the transport of protons from the anode takes place 1 to the cathode 2 , On the cathode side, the protons and electrons are converted to water with oxygen. The electrochemical reactor 5 in total and the gas streams can be heated or cooled as needed. The designated heater or heat exchanger units are as 4 designated. The components 1 to 3 form the electrode unit 6 ,

zeigt die Elektrodeneinheit 6 aus in einer detaillierteren Ansicht (Explosionsdarstellung). shows the electrode unit 6 out in a more detailed view (exploded view).

Elektrodendesignelectrode design

Die Elektrodeneinheit 6 der Erfindung besteht aus einer protonenleitenden Polymermembran 21, die vorzugsweise aus Nafion® besteht, den katalytisch aktiven Membranbeschichtungen 22 (in den unten näher beschriebenen Beispielen Platin geträgert auf Kohlenstoff) und den Gasdiffusionsschichten 26. Die Gasdiffusionsschichten 26 sind selbst mehrschichtig aufgebaut und umfassen immer eine mikroporöse Schicht 23, die an die katalytisch aktive Schicht 22 angrenzt. Auf diese ist optional eine Zwischenschicht 24 zur weiteren Einstellung der Benetzung der Elektroden aufgetragen, die in den unten näher beschriebenen Beispielen aus einem Polytetrafluorethylen besteht. Hierauf folgt eine elektronenleitende Abschlussschicht 25, die die Gasdiffusionsschicht 26 zum Gasraum der Halbzelle hin begrenzt und die in den Beispielen aus einem Kohlenstofftuch gebildet wird. Es ist charakteristisch für die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit 6, dass sie schichtartig und vorzugsweise spaltfrei aufgebaut ist. Dabei können die Beladungen der genannten Komponenten für die Anoden- und Kathodenseite symmetrisch oder asymmetrisch gestaltet sein. Bezüglich der zentralen protonenleitenden Membran ist die Elektrodeneinheit symmetrisch aufgebaut.The electrode unit 6 The invention consists of a proton-conducting polymer membrane 21 , Which is preferably made of Nafion ®, the catalytically active membrane coatings 22 (in the examples described below, platinum supported on carbon) and the gas diffusion layers 26 , The gas diffusion layers 26 are themselves multi-layered and always include a microporous layer 23 attached to the catalytically active layer 22 borders. On top of this is an optional intermediate layer 24 applied for further adjustment of the wetting of the electrodes, which in the examples described in more detail below a polytetrafluoroethylene. This is followed by an electron-conducting finishing layer 25 containing the gas diffusion layer 26 limited to the gas space of the half-cell out and which is formed in the examples of a carbon cloth. It is characteristic of the electrode unit according to the invention 6 in that it is constructed in a layered and preferably gap-free manner. The loadings of said components for the anode and cathode side can be symmetrical or asymmetrical. With regard to the central proton-conducting membrane, the electrode unit is constructed symmetrically.

Die protonenleitende Membran 21 wird benötigt, um die an der Anode entstehenden Protonen auf die Kathodenseite zu transportieren, damit sie dort mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser reagieren können. Die Leitfähigkeit der Membran hängt dabei im Wesentlichen von dem Befeuchtungsgrad ab. Diese Befeuchtung kann zum Einen durch das in situ produzierte Wasser und zum Anderen durch Zufuhr von mit Wasser befeuchteten Gasen erfolgen. In dem hier vorgestellten Prozess ist dies von besonderer Bedeutung, da nur gasförmige Edukte eingesetzt werden.The proton-conducting membrane 21 is required to transport the protons produced at the anode to the cathode side so that they can react there with the supplied oxygen to form water. The conductivity of the membrane depends essentially on the degree of humidification. This moistening can take place on the one hand by the water produced in situ and on the other hand by supplying water-moistened gases. In the process presented here, this is of particular importance since only gaseous starting materials are used.

Mit Hilfe der mikroporösen Schichten 23 können verschiedene Eigenschaften bzw. Funktionen der Gasdiffusionsschichten eingestellt werden. Generell hat die Gasdiffusionsschicht die Aufgabe eine gute elektrische Kontaktierung der katalytisch aktiven Schicht mit dem Strömungsverteilerfeld sicherzustellen und den Stofftransport der Edukte über die aktive Fläche des Reaktors sowie den Stoffabtransport der Produkte von der aktiven Fläche zu ermöglichen. Eine weitere wichtige Aufgabe der Gasdiffusionsschicht besteht darin, den Reaktor von einem ungewollten „Fluten” also einem Volllaufen des Reaktors mit Wasser zu schützen, sowie den gegenteiligen Effekt, das Austrocknen des Reaktors, zu verhindern. Diese Eigenschaft kann durch die zusätzliche mikroporöse Schicht eingestellt werden. Dabei wird die Benetzungseigenschaft, also die Hydrophobizität bzw. Hydrophilie, der gesamten Gasdiffusionsschicht mit Wasser durch die mikroporöse Schicht 23 beeinflusst. Durch die Variation in der Zusammensetzung und Beladung der mikroporösen Schicht können Wasser-Benetzungswinkel in einem Bereich von 100° bis 150° definiert eingestellt werden.With the help of microporous layers 23 different properties or functions of the gas diffusion layers can be adjusted. In general, the gas diffusion layer has the task to ensure a good electrical contacting of the catalytically active layer with the flow distributor field and to allow the mass transport of the reactants over the active surface of the reactor and the removal of substances from the active surface. Another important task of the gas diffusion layer is to prevent the reactor from an unwanted "flooding" so that the reactor is filled with water, and to prevent the opposite effect, the drying out of the reactor. This property can be adjusted by the additional microporous layer. In this case, the wetting property, ie the hydrophobicity or hydrophilicity, of the entire gas diffusion layer with water through the microporous layer 23 affected. By varying the composition and loading of the microporous layer, water wetting angles in a range of 100 ° to 150 ° can be set in a defined manner.

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 equation 2, water is formed in situ. This rate of water production is current-density dependent and, at higher current densities, results in increased membrane temperatures and membrane dehydration unless additional moistening measures are taken. This effect must be balanced by the incoming cathode gas flow. With regard to this water management, the temperature control of the electrolysis process is of crucial importance.

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:

Funktionsprinzip für die Umsetzung von gasförmigem Chlorwasserstoff mit gasförmigem Sauerstoff in einem elektrochemischen Reaktor; Functional principle for the reaction of gaseous hydrogen chloride with gaseous oxygen in an electrochemical reactor;

schematisch dargestellter Aufbau der Elektrodenschicht für den Membranreaktor; schematically illustrated structure of the electrode layer for the membrane reactor;

Maximaler Massenstrom von Wasserdampf im Kathodengas in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem Kathodengasvolumenstrom von 750 NmL/min.; Maximum mass flow of water vapor in the cathode gas as a function of the temperature at a cathode gas volume flow of 750 NmL / min .;

Maximale Wasserproduktionsrate bei verschiedenen Stromdichten; Maximum water production rate at different current densities;

Temperatur und Zellspannung bei eingestellten konstanten Stromdichten; Temperature and cell voltage at set constant current densities;

Skizze einer Laborzyklonzelle für Halbzellenmessungen in Explosionsdarstellung; Sketch of a laboratory cyclone cell for half-cell measurements in exploded view;

Fließdiagramm für Materialfluss und Ablauf der Halbzellenversuche; Flow chart for material flow and sequence of half cell experiments;

Polarisationskurven für die HCl-Oxidation bei unterschiedlichen Temperaturen; Polarization curves for HCl oxidation at different temperatures;

Polarisationskurven für die HCl-Oxidation bei verschiedenen HCl-Konzentrationen; Polarization curves for HCl oxidation at various HCl concentrations;

Polarisationskurven für die HCl-Oxidation mit verschiedenen ungeträgerten und edelmetallfreien Katalysatoren; Polarization curves for HCl oxidation with various unsupported and noble metal-free catalysts;

Polarisationskurven für die HCl-Oxidation mit auf Kohlenstoff geträgerten Platinkatalysatoren; Polarization curves for HCl oxidation with carbon supported platinum catalysts;

Polarisationskurven für die HCl-Oxidation und Sauerstoffreduktion mit kohlenstoffgeträgerten Platinkatalysatoren; Polarization curves for HCl oxidation and oxygen reduction with carbon-supported platinum catalysts;

Skizze für den Aufbau des elektrochemischen Reaktors in Explosionsdarstellung; Sketch for the construction of the electrochemical reactor in exploded view;

Fließbild für die Elektrolyse von Chlorwasserstoff mit Hilfe des in dargestellten Reaktors; Flow chart for the electrolysis of hydrogen chloride using the in represented reactor;

Strom-Spannungskennlinie für den Chlorwasserstoffelektrolyseprozess. Current-voltage characteristic for the hydrogen chloride electrolysis process.

und wurden oben schon beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. bis beziehen sich auf den Wasserhaushalt der Membran. Es folgt nun die detailliertere Beschreibung der Erfindung anhand von Versuchen und Vorversuchen mit verschiedenen Aufbauten. and have already been described above to illustrate the principles of the invention. to refer to the water balance of the membrane. There now follows the more detailed description of the invention based on experiments and preliminary tests with various structures.

Zur Charakterisierung des in dargestellten Prozesses wurden zwei Versuchsreihen in zwei unterschiedlichen Versuchsaufbauten durchgeführt. In der ersten Versuchsreihe wurden Halbzellenexperimente durchgeführt, während in der zweiten Versuchsreihe Experimente in einem vollständigen elektrochemischen Reaktor durchgeführt wurden. Die erste Versuchsreihe liefert u. a. kinetische Daten und Erkenntnisse zur Wirkung des Katalysators. Die zweite Versuchsreihe demonstriert die technische Machbarkeit des neuen Verfahrens und die mit der Zelle erzielbare Leistung. To characterize the in In this process, two series of experiments were carried out in two different experimental setups. In the first series of experiments half-cell experiments were carried out, while in the second series experiments were carried out in a complete electrochemical reactor. The first series of experiments provides, among other things, kinetic data and insights into the effect of the catalyst. The second series of experiments demonstrates the technical feasibility of the new process and the performance achievable with the cell.

HalbzellenexperimenteHalf-cell experiments

Für die Halbzellenexperimente wurde die in dargestellte Zyklonzelle 100 verwendet. Eine solche Zelle ist in der Literatur schon beschrieben worden ( J. Appl. Electrochem. 29 (1999) 919–926 ). Die Zelle hatte eine aktive Oberfläche von 2 cm2. In der Zelle 100 befand sich eine polymere Elektrolytmembran 40, die auf einer Seite mit Edelmetallkatalysator (geträgert oder auch ungeträgert) oder auch mit einem metallfreien Katalysator ausgestattet war. Darauf befindet sich eine Gasdiffusionsschicht 50. Die Gasdiffusionsschicht 50 bestand aus PTFE-behandeltem Kohlefasergewebe, wobei die Benetzbarkeit durch die zusätzliche Schicht aus Kohlenstoff/PTFE eingestellt wurde. Ein elektronenleitender Träger 80 aus Titan, Kohlenstoff-Polymer-Verbundmaterial oder auch Edelstahl stand in elektrischem Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht 50. In dem Arbeitsraum der Halbzelle 10, die aus Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat, z. B. Makrolon®, gefertigt wurde, können Gase (Sauerstoff, HCl) eingeleitet werden. Im Gegenelektrodenraum 20, ebenfalls aus Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat, wurde eine Gegenelektrode 90 aus Platin verwendet. Der Referenzelektrodenraum 30 wurde elektrolytisch durch eine Kapillare mit dem Gegenelektrodenraum 20 verbunden. Die Kapillare befand sich 2 mm von dem nicht-leitfähigen Träger 70 entfernt, welcher aus PTFE oder Polycarbonat, z. B. Makrolon®, hergestellt wurde. Es wurden Dichtungen 60, die gegenüber den eingesetzten Stoffen bis zu 70°C und den verwendeten Drücken stabil waren, zwischen den einzelnen Bauteilen eingesetzt. Hierfür eignen sich nur (per)fluorierte Polymere wie Teflon®, ETFE oder Viton®. Zur Temperaturkontrolle wurden PTFE-beschichtete Temperatursensoren an Eingang 110 und Ausgang 120 des Gegenelektrodenraumes sowie am Eingang 130 und Ausgang 140 des Arbeitselektrodenraumes 10 verwendet.For half-cell experiments, the in illustrated cyclone cell 100 used. Such a cell has already been described in the literature ( J. Appl. Electrochem. 29 (1999) 919-926 ). The cell had an active surface of 2 cm 2 . In the cell 100 was a polymeric electrolyte membrane 40 , which was equipped on one side with noble metal catalyst (supported or unsupported) or with a metal-free catalyst. On it is a gas diffusion layer 50 , The gas diffusion layer 50 consisted of PTFE-treated carbon fiber fabric, wherein the wettability was adjusted by the additional layer of carbon / PTFE. An electron-conducting carrier 80 made of titanium, carbon-polymer composite or stainless steel was in electrical contact with the gas diffusion layer 50 , In the workspace of the half cell 10 made of polymethylmethacrylate or polycarbonate, e.g. As Makrolon ® was manufactured, gases (oxygen, HCl) can be initiated. In the counter electrode space 20 also made of polymethyl methacrylate or polycarbonate, became a counter electrode 90 used in platinum. The reference electrode space 30 was electrolytically through a capillary with the counter electrode space 20 connected. The capillary was 2 mm from the non-conductive support 70 removed, which of PTFE or polycarbonate, z. B. Makrolon ® was prepared. There were seals 60 , which were stable to the materials used up to 70 ° C and the pressures used, used between the individual components. For this purpose only (per) fluorinated polymers such as Teflon ®, ETFE or Viton ® are. For temperature control, PTFE-coated temperature sensors were connected to the input 110 and exit 120 the counter electrode space and at the entrance 130 and exit 140 of the working electrode space 10 used.

Für die nachfolgenden Beispiele wurde die Versuchseinrichtung nach verwendet. Die Versuchsanlage 200 bestand aus mehreren Massedurchflussreglern 201 mit denen die Gasdurchflüsse durch den Reaktor eingestellt werden konnten. Der flüssige Elektrolyt im Gegenelektrodenraum 20 der Zyklonzelle 206 war Perchlorsäure (HClO4), welche mittels einer Schlauchpumpe 202 gefördert wurde. Der flüssige Elektrolyt wurde in einem Doppelmantelbehälter 203, der durch einen Thermostaten 208 erwärmt wurde, geheizt. Zur Erwärmung der Reaktandengase auf die gewünschte Temperatur wurde die Zyklonzelle 206 in einem Umluftofen 207 mit integriertem Temperaturregler 205 eingebaut. Es können Temperaturen bis maximal 200°C erreicht werden. Die Temperaturen im Eingang und Ausgang der Zyklonzelle 206 wurden durch Thermoelemente 204 gemessen. Zum Einsatz kamen die in gezeigte Zyklonzelle 100.For the following examples, the experimental device was after used. The pilot plant 200 consisted of several mass flow controllers 201 with which the gas flow through the reactor could be adjusted. The liquid electrolyte in the counter electrode space 20 the cyclone cell 206 was perchloric acid (HClO 4 ), which by means of a peristaltic pump 202 was promoted. The liquid electrolyte was placed in a jacketed vessel 203 by a thermostat 208 was heated, heated. The cyclone cell was heated to the desired temperature to heat the reactant gases 206 in a convection oven 207 with integrated temperature controller 205 built-in. Temperatures of up to 200 ° C can be reached. The temperatures in the entrance and exit of the cyclone cell 206 were through thermocouples 204 measured. The were used in the shown cyclone cell 100 ,

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 zu sehen. Es ist zu sehen, dass schon bei Temperaturen von 40°C technisch interessante Stromdichten beobachtet werden können, wie sie in früheren Arbeiten erst bei 70°C berichtet werden. Bei 60°C werden sie bereits deutlich überschritten.The membrane-electrode assembly used consisted of a pretreated Nafion® 117 polymer electrolyte membrane, the catalyst layers and the gas diffusion coating. The gas diffusion layer consisted of a carbon fiber fabric coated with 20% by weight of PTFE. This was then provided with a microporous PTFE carbon layer. The loading of this coating was 4.5 mg / cm 2 . Subsequently, the gas diffusion layer was pressed and sintered. The catalyst layer consisted of carbon-supported platinum and Nafion ®. The catalyst charge consisted of a mixture of 0.5 mg / cm 2 Pt / C and 2.0 mg / cm 2 Nafion ®. After applying the catalyst layer to the membrane, it was hot-pressed. The coating was applied as a suspension in a wet spray process, as is well known to those skilled in the art. A volume flow of 500 NmL / min of gaseous HCl was conveyed through the workspace of the cyclone cell, while perchloric acid was delivered at 300 NmL / min through the cyclone cell's counter electrode space. The initial temperature was 25 ° C and polarization curves were measured potentiostatically in the voltage range of 0.8 V to 1.05 V against an Ag / AgCl reference electrode with saturated KCl. The temperature was 25 ° C, 40 ° C, 50 ° C and 60 ° C. The results are in to see. It can be seen that even at temperatures of 40 ° C technically interesting current densities can be observed, as they are reported in earlier work only at 70 ° C. At 60 ° C they are already clearly exceeded.

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 dargestellt. Es ist erkennbar, dass technisch bedeutsame Stromdichten von 4 kA/m2 bis zu 8 kA/cm2 erreicht werden können und das bei Eingangskonzentrationen von 40 Vol.-% bis 100 Vol.-% HCl bei den genannten Temperaturen.A membrane-electrode assembly as in Example 1 was used. A flow of gaseous HCl at a flow rate of 500 NmL / min was fed to the cyclone cell. Perchloric acid was supplied at a flow rate of 300 NmL / min. The temperature was set at 60 ° C and polarization curves were measured potentiostatically in a voltage range of 0.8V to 1.05V against an Ag / AgCl reference electrode with saturated KCl. The volumetric HCl concentration was adjusted to values of 100%, 80%, 60%, 40% and 20%. This was achieved by admixing nitrogen. The results are in shown. It can be seen that technically significant current densities of 4 kA / m 2 can be achieved up to 8 kA / cm 2 and that at input concentrations of 40 vol .-% to 100 vol .-% HCl at the temperatures mentioned.

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 dargestellt. Die Resultate der geträgerten Katalysatoren finden sich in . Es ist zu sehen, dass auch mit ungeträgerten Katalysatoren solche Stromdichten erreicht werden können wie mit geträgerten Katalysatoren. Allerdings war dabei die Edelmetallbeladung bis zu 10 mal höher.A membrane electrode assembly (MEA) as in Example 1 was used. The catalytic coating consisted of a noble metal, e.g. As platinum, unsupported or supported on carbon, Nafion ® and carbon with Nafion ® . For the unsupported platinum-MEA a loading of 5.0 mg / cm 2 Pt and 1.0 mg / cm 2 Nafion ® was chosen. For the unsupported carbon MEA a loading of 0.8 mg / cm2 carbon and 0.7 mg / cm 2 Nafion ® was used. For the carbon-supported MEA, a platinum loading of 0.5 mg / cm 2 was used. The Nafion ® -load 2 was changed to 0.5, 1.0 and 2.0 mg / cm. The catalyst coated membranes were hot pressed. A gas flow rate of 500 NmL / min was fed to the cyclone cell while the perchloric acid was metered in at a flow of 300 NmL / min. The temperature was set at 60 ° C and polarization curves were measured potentiostatically in a voltage range of 0.8V to 1.05V against an Ag / AgCl reference electrode with saturated KCl. The HCl concentration was 100%. The results for the unsupported catalysts are in shown. The results of the supported catalysts can be found in , It can be seen that even with unsupported catalysts such current densities can be achieved as with supported catalysts. However, the precious metal load was up to 10 times higher.

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 sehen kann, beträgt die Potentialdifferenz der beiden Halbzellenreaktionen bei einer Stromdichte von 4 kA/m2 ca. 0,9 V und bei einer Stromdichte von 3 kA/m2 nur 0,75 V.Both MEA used correspond to those in Example 1. The catalyst layer consisted of a precious metal, here platinum supported on carbon and Nafion ®. For the Pt / C supported MEA for the oxygen reduction, the loading was 0.5 mg / cm 2 Pt at a Nafion ® -load of 0.5 mg / cm 2. The MEA for the oxidation of hydrogen chloride had a loading of 0.5 mg / cm 2 Pt and Nafion ® -load of 2.0 mg / cm 2. Gaseous HCl was fed into the cyclone cell at a flow rate of 500 NmL / min and perchloric acid was delivered at 300 NmL / min. The temperature was adjusted to 60 ° C. Polarization curves were measured potentiostatically against an Ag / AgCl reference electrode with saturated KCl. The concentration of the gases HCl and O 2 was 100%. How to get in can see, the potential difference of the two half-cell reactions at a current density of 4 kA / m 2 is about 0.9 V and at a current density of 3 kA / m 2 only 0.75 V.

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 Stromdichte 3 kA/m2 4 kA/m2 Temperatur Flüssiges Wasser Wasserdampf Flüssiges Wasser Wasserdampf 50°C 0,052 V 0,071 V 0,069 V 0,095 V 60°C 0,042 V 0,058 V 0,056 V 0,078 V 70°C 0,034 V 0,048 V 0,046 V 0,063 V The resistance of the membrane depends on the degree of humidification. Nafion ® can be moistened with liquid water (in the case of a half-cell supplied with liquid acid) or with water vapor (in the case of a gas-supplied reactor). The estimated power loss for a Nafion ® 117 membrane at current densities of 3 to 4 kA / m 2 are shown in Table 1 below. The potential difference between the electrodes plus the voltage losses in the water-equilibrated membrane provide a total reactor voltage of 0.92 V at 4 kA / m 2 and approximately 0.79 V at 3 kA / m 2 each at a temperature of 60 ° C. This clearly shows that hydrogen chloride electrolysis can be operated at voltages below 1V. Table 1 current density 3 kA / m 2 4 kA / m 2 temperature Liquid water Steam Liquid water Steam 50 ° C 0.052 V 0.071V 0.069V 0.095V 60 ° C 0.042V 0.058V 0.056V 0.078 v 70 ° C 0.034V 0.048V 0.046V 0.063V

Messungen in einem vollständigen elektrochemischen ReaktorMeasurements in a complete electrochemical reactor

Für die folgenden Untersuchungen wurde der in dargestellte elektrochemische Reaktor 300 verwendet. Der Reaktor 300 hatte eine aktive Fläche von 30 cm2 und enthielt eine katalysatorbeschichtete Membran 301, wobei der Katalysator geträgert oder ungeträgert zum Einsatz kam. Die Elektroden standen im Kontakt mit Gasdiffusionsschichten 302, die aus Kohlefasergewebe, welches mit PTFE und Kohlenstoff beschichtet war, bestanden. Zur gleichmäßigen Verteilung der Gasströme wurde ein Strömungsverteilerfeld eingesetzt. Dieses Strömungsverteilerfeld 303 wurde aus einem elektronenleitenden und korrosionsfesten Material wie Graphit, Kohlenstoff-Polymer-Verbundmaterial, Metallen oder Metalllegierungen gefertigt. Als chemisch stabile Dichtungen 305 gegenüber den im Reaktor gehandhabten Stoffen wurden PTFE, ETFE oder Viton® eingesetzt. Alle Bauteile wurden durch Endplatten 304 fixiert.For the following investigations the in illustrated electrochemical reactor 300 used. The reactor 300 had an active area of 30 cm 2 and contained a catalyst-coated membrane 301 , The catalyst was used supported or unsupported used. The electrodes were in contact with gas diffusion layers 302 made of carbon fiber cloth coated with PTFE and carbon. For uniform distribution of the gas flows, a flow distributor field was used. This flow distributor field 303 was manufactured from an electron-conducting and corrosion-resistant material such as graphite, carbon-polymer composite material, metals or metal alloys. As chemically stable seals 305 with respect to the handled materials in the reactor PTFE, ETFE or Viton ® were used. All components were made by end plates 304 fixed.

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 dargestellte Versuchsanlage 400 benutzt. Sie besteht aus mehreren Massendurchflussreglern 401, um die Volumenströme der Gase einzustellen. Zur Beheizung der Gasströme wurde beheizte Schläuche 402 und für den Reaktor 403 elektrische Heizpatronen benutzt. Die maximal einstellbare Temperatur beträgt 200°C. Für die Temperaturkontrolle wird die Reaktortemperatur mit dem Temperatursensor 404 gemessen. Zur Erfassung der Drücke werden Druckaufnehmer 405 an Kathoden- und Anodenausgang verwendet. Die Befeuchtung des Kathodengases erfolgte mit einer Gaswaschflasche 406.In the following, the in illustrated experimental plant 400 used. It consists of several mass flow controllers 401 to adjust the volume flows of the gases. To heat the gas streams was heated hoses 402 and for the reactor 403 used electric heating cartridges. The maximum adjustable temperature is 200 ° C. For temperature control, the reactor temperature is measured with the temperature sensor 404 measured. Pressure sensors are used to record the pressures 405 used at cathode and anode output. The humidification of the cathode gas was carried out with a gas washing bottle 406 ,

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 zu sehen. Es ist offensichtlich, dass hohe Stromdichten bei gleichzeitig niedrigen Spannungen (z. B. 0,95 V bei 4 kA/m2) erreicht werden können.An MEA was used as in Example 1. The catalyst loading for the anode and the cathode was a mixture of respectively 1.0 mg / cm 2 Pt and 0.5 mg / cm 2 Nafion ®. After application of the catalyst layer, hot pressing was carried out. The layers were applied by a wet spraying process. Gaseous hydrogen chloride and also gaseous oxygen were metered into the reactor, each with a volume flow of 500 NmL / min. The initial temperature was room temperature. The current density was increased in steps of 0.1 kA / m 2 per 5 minutes. The results obtained are in to see. It is obvious that high current densities can be achieved with simultaneously low voltages (eg 0.95 V at 4 kA / m 2 ).

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.

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Claims (14)

Verfahren zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoffgas in einem elektrochemischen Membran-Reaktor (5, 300, 403) mit einer Elektrodeneinheit (6), die eine katalysatorbeschichtete Membran (3, 21, 301) und Gasdiffusionsschichten (26, 302) umfasst und zwei Halbzellen trennt, wobei in der ersten Halbzelle an die Elektrodeneinheit Chlorwasserstoffgas von einer ersten Membranseite zugeführt und mit Hilfe elektrischer Energie in Chlorgas umgewandelt wird und wobei die entstandenen Protonen durch die Membran in die zweite Halbzelle diffundieren und dort mit Sauerstoff zu Wasser reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodengas, das aus Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas besteht, befeuchtet wird und in befeuchtetem Zustand an die Membran (3, 21, 302) herangeführt wird, wobei die Temperatur der Membran in der Elektrodeneinheit (6) und optional zusätzlich die Temperatur des zugeführten Kathodengases in Abhängigkeit der Stromdichte eingestellt wird.Process for the production of chlorine from hydrogen chloride gas in an electrochemical membrane reactor ( 5 . 300 . 403 ) with an electrode unit ( 6 ) containing a catalyst-coated membrane ( 3 . 21 . 301 ) and gas diffusion layers ( 26 . 302 ) and separates two half cells, wherein in the first half cell to the electrode unit hydrogen chloride gas is supplied from a first membrane side and converted by means of electrical energy into chlorine gas and wherein the resulting protons diffuse through the membrane into the second half cell and react there with oxygen to water , characterized in that the cathode gas, which consists of oxygen or an oxygen-containing gas, is moistened and in the humidified state to the membrane ( 3 . 21 . 302 ), wherein the temperature of the membrane in the electrode unit ( 6 ) and optionally additionally the temperature of the supplied cathode gas is adjusted as a function of the current density. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchtungsgrad des Kathodengases bei 20 bis 100%, bevorzugt 70 bis 100% Wasserdampfsättigung liegt und dass die Befeuchtung entsprechend geregelt wird.A method according to claim 1, characterized in that the degree of humidification of the cathode gas at 20 to 100%, preferably 70 to 100% water vapor saturation and that the humidification is controlled accordingly. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle dem Membran-Reaktor (5, 300, 403) zugeführten Stoffe, insbesondere O2, HCl und H2O, gasförmig zugeführt werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that all the membrane reactor ( 5 . 300 . 403 ), in particular O 2 , HCl and H 2 O, are supplied in gaseous form. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitstemperatur 20°C bis 80°C beträgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the working temperature is 20 ° C to 80 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsdruck innerhalb der Halbzellen auf 1 bis 5 bar eingestellt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the working pressure is set within the half-cells to 1 to 5 bar. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Stromdichten bis zu 10 kA/m2, vorzugsweise von 4 bis 6 kA/m2, bei Zellspannungen unter 2 Volt geführt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the method at current densities up to 10 kA / m 2 , preferably from 4 to 6 kA / m 2 , at cell voltages below 2 volts is performed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kathoden- und Anodengas mit Volumenströmen von je ab 0,2 und vorzugsweise bis 25 Nm3/h·m2 durch den Membran-Reaktor geführt werden.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that cathode and anode gas with volumetric flows of 0.2 and preferably up to 25 Nm 3 / h · m 2 are passed through the membrane reactor. Elektrodeneinheit (6) für einen Membran-Reaktor (5, 300, 403) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Membran (3, 21, 302) aus einem protonenleitenden Polymermaterial, geträgerte oder ungeträgerte katalytisch aktive Beschichtungen (22) auf beiden Seiten der Membran und Gasdiffusionsschichten (26), die den katalytisch aktiven Schichten (22) zugewandte mikroporöse Schichten (23) umfassen.Electrode unit ( 6 ) for a membrane reactor ( 5 . 300 . 403 ) for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, characterized by a membrane ( 3 . 21 . 302 ) of a proton-conducting polymer material, supported or unsupported catalytically active coatings ( 22 ) on both sides of the membrane and gas diffusion layers ( 26 ), the catalytically active layers ( 22 ) facing microporous layers ( 23 ). Elektrodeneinheit (6) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten: Membran (21), katalytisch aktive Beschichtung (22), mikroporöse Schicht (23) der Gasdiffusionsschicht (26) und ergänzende Schicht(en) (24, 25) der Gasdiffusionsschicht (26) spaltfrei aufeinander angeordnet sind.Electrode unit ( 6 ) according to claim 8, characterized in that the layers: membrane ( 21 ), catalytically active coating ( 22 ), microporous layer ( 23 ) of the gas diffusion layer ( 26 ) and supplementary layer (s) ( 24 . 25 ) of the gas diffusion layer ( 26 ) are arranged without gaps on each other. Elektrodeneinheit (6) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht (23) der Gasdiffusionsschicht (26) aus Kohlenstoff besteht oder wenigstens 50 Gew.-% Kohlenstoff und optional zusätzliche Bestandteile zur Einstellung der Benetzbarkeit, wie insbesondere PTFE, enthält.Electrode unit ( 6 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the microporous layer ( 23 ) of the gas diffusion layer ( 26 ) consists of carbon or contains at least 50 wt .-% carbon and optionally additional constituents for adjusting the wettability, in particular PTFE. Elektrodeneinheit (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Gasdiffusionsschichten (26) ein Kohlenstoffgewebe (25) enthält, das zur Bildung der weiteren Schichten (23, 24) einschließlich der porösen Schicht (23) mit PTFE, Kohlenstoff und/oder anderen elektronenleitenden Trägermaterialien beschichtet ist, wobei die Kohlenstoff/PTFE/Trägermaterial-Beladung 2 bis 8 mg/cm2 beträgt.Electrode unit ( 6 ) according to one of claims 8 to 10, characterized in that at least one of the gas diffusion layers ( 26 ) a carbon fabric ( 25 ), which is used to form the further layers ( 23 . 24 ) including the porous layer ( 23 ) is coated with PTFE, carbon and / or other electron-conductive substrates, wherein the carbon / PTFE / substrate loading is 2 to 8 mg / cm 2 . Elektrodeneinheit (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Beschichtungen (22) geträgerte und ungeträgerte Edelmetalle und Metallverbindungen, metallfreie Katalysatoren oder Mischungen daraus enthalten, vorzugsweise mit Beladungen von 0,1 bis 5,0 mg/cm2.Electrode unit ( 6 ) according to one of claims 8 to 11, characterized in that the catalytically active coatings ( 22 ) supported and unsupported precious metals and metal compounds, metal-free catalysts or mixtures thereof, preferably with loadings of 0.1 to 5.0 mg / cm 2 . Elektrodeneinheit (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der katalytisch aktiven Beschichtungen (22) eine polymere protonenleitende Verbindung in einer Menge von 0,2 bis 5,0 mg/cm2 enthält.Electrode unit ( 6 ) according to one of claims 8 to 12, characterized in that at least one of the catalytically active coatings ( 22 ) contains a polymeric proton-conducting compound in an amount of 0.2 to 5.0 mg / cm 2 . Membran-Reaktor (5, 300, 403) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, enthaltend eine Elektrodeneinheit (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 13. Membrane reactor ( 5 . 300 . 403 ) for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, comprising an electrode unit ( 6 ) according to any one of claims 8 to 13.
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