Bereich Industrielle Gemeinschaftsforschung

Projektliste mit Publikationen

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Nutzung von Brennstoffzellen zur Herstellung hochreiner Chemikalien am Beispiel der Direktsynthese von deuterierter Salzsäure aus den Elementen

AiF-FV Nummer: 79

Laufzeit:

01.04.2002 - 31.03.2004

Forschungsstellen:

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.
    Bliersheimer Str. 60, 47229 Duisburg
    www.iuta.de

  • fem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie
    Katharinenstr. 17, 73525 Schwäbisch Gmünd
    www.fem-online.de

Zusammenfassung:

In dem Vorhaben sollte gezeigt werden, dass Brennstoffzellen für chemische Synthesen genutzt werden können. Zielstellung war dabei die Entwicklung eines Versuchssystems im Labormaßstab, in welchem hochreine deuterierte Salzsäure aus den Elementen hergestellt werden kann. Ein entsprechendes System wurde entwickelt, aufgebaut und betrieben. Kernstücke des Systems waren zwei Brennstoffzellen, in denen schweres Wasser und Deuteriumchlorid zur Darstellung der deuterierten Salzsäure aus Deuterium, Sauerstoff und Chlor gewonnen wurden. Die besondere Schwierigkeit des Vorhabens lag in der Weiterentwicklung der in kommerziell erhältlichen PEM-Brennstoffzellen verwendeten Katalysatormaterialien, so dass ein Betrieb der Brennstoffzellen mit Chlor als Oxidationsmittel möglich ist. An der Forschungsstelle FEM wurden die Platin-Metalle als Katalysatoren bezüglich ihrer Eignung für die Durchführung des Vorhabens untersucht. Iridium und Platin-lridium-Legierungen erwiesen sich als am besten geeignet, sowohl hinsichtlich der geforderten katalytischen Aktivität, als auch hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit gegenüber der in der Brennstoffzelle bei erhöhten Temperaturen auftretenden Mischung aus Chlor, Chlorwasserstoff und Wasser. Als Methode zur Erzeugung der katalytisch aktiven Metallschichten wurde die elektrochemische Abscheidung auf Diffusionslayern gewählt, da nur mit dieser Technik die Möglichkeit gegeben war, die Zusammensetzung, die Beschichtungsmenge und die Oberflächenstruktur der Schicht gezielt zu variieren. Durch Anwendung und Weiterentwicklung der so genannten Pulse-Plating-Technik konnten katalytisch hoch aktive Legierungsschichten mit besonders großen Oberflächen, bestehend aus kugelförmigen Katalysatorpartikeln geringer Größe, hergestellt werden. Die beschichteten Diffusionslayer wurden an der Forschungsstelle IUTA in einer speziellen PEM-Versuchszelle getestet. Prinzipiell stellte es sich als schwierig heraus, die hohen katalytischen Aktivitäten der Schichten in der PEM-Versuchszelle nutzbar zu machen. Das Problem bestand darin, dass der Katalysator und die Membran an der Kathode nur unzureichend den so genannten Dreiphasenraum ausbildeten. In diesem Dreiphasenraum müssen alle Prozesse der kathodischen Brennstoffzellen-Teilreaktion, die Adsorption von Molekülen aus der Gasphase, deren katalytische Spaltung unter Elektronenaufnahme, und die Aufnahme von Protonen aus der Membran an einer Stelle vereint erfolgen können. Um dennoch für den Betrieb der PEM-Brennstoffzelle mit Chlor geeignetes korrosionsbeständiges Katalysatormaterial zur Verfügung zu haben, welches in der Zelle auch genügend Leistung erbringt, wurden die Membranen direkt mit Iridium bzw. Platin-Iridium-Legierungen beschichtet. Neben Versuchen, die Membranen durch Aufbringen leitfähiger Schichten für elektrochemische Abscheidungsversuche elektrisch leitfähig zu machen, wurden Membranen im Sprühverfahren mit Katalysatormaterial beschichtet. Zum Einsatz kam letztlich eine mit geträgertem Iridium-Katalysator kathodenseitig beschichtete PEM-Membran. Der Betrieb der PEM-Brennstoffzelle mit Deuterium (an Stelle von Wasserstoff) und Sauerstoff war problemlos möglich. Die Brennstoffzelle zeigte keinerlei Leistungseinbußen und es konnte schweres Wasser mit dem geforderten Deuterierungsgrad von nahezu 100 Gew.-% und guter, wenn auch nicht höchster Qualität gewonnen werden. Die mit dem Iridium-Katalysator bestückte Brennstoffzelle der Versuchsanlage lieferte im Betrieb mit Deuterium (an Stelle von Wasserstoff) und Chlor (an Stelle von Sauerstoff) zunächst eine gute Leistung, die jedoch schnell abnahm. Das in der Brennstoffzelle kontinuierlich gebildete Deuteriumchlorid wurde durch das schwere Wasser geleitet und bildete das gewünschte Produkt deuterierte Salzsäure. Der Deuterierungsgrad betrug über 99,5 Gew.-%. die sonstigen Verunreinigungen waren gering, so dass die gewonnene deuterierte Salzsäure nahezu die Spezifikationen "für Analyse" des Chemikalienherstellers Merck erfüllte. Die beobachtete Leistungsabnahme der mit Chlor betriebenen Brennstoffzelle war sowohl auf die unzureichende Korrosionsbeständigkeit des Trägermaterials (Kohlenstoff) des kathodenseitig verwendeten Iridium-Katalysators, als auch auf die Korrosion des anodenseitigen Platin-Katalysators nach Diffusion von Chlor und Chlorwasserstoff durch die Membran zurückzuführen. Das Ziel des Projektes, die Demonstration der Eignung von Brennstoffzellen für chemische Synthesen am Beispiel der Erzeugung von deuterierter Salzsäure, wurde erreicht. Die elektrochemische Abscheidung von Metallschichten unter Anwendung der in dem Vorhaben weiterentwickelten Pulse-Plating-Technik hat sich als außerordentlich geeignet erwiesen, um Katalysatorschichten definierter Zusammensetzung, Menge und Oberflächenstruktur zu erzeugen. Sowohl die Nutzbarmachung der mit dieser Technik erzeugbaren katalytisch aktiven Schichten für einen effizienten Brennstoffzellenbetrieb (verbesserte Ausbildung des Dreiphasenraums in der Zelle), als auch die gezielte Weiterentwicklung der Katalysatorschichten (Reduzierung der Katalysator-Partikelgrößen und Optimierung der Partikeldichten), sollten Gegenstand weiterer F&E-Arbeiten sein. Die Forschungsergebnisse können sowohl dazu beitragen, die PEM-Brennstoffzellentechnologie einen Schritt weiter in Richtung Markteinführung zu führen, als auch eine zukünftige kommerzielle Nutzung von Brennstoffzellen für chemische Synthesen zu ermöglichen.

Förderhinweis:

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Abschlussbericht:

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Titel: Optimierung der Brennstoffzelle

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Titel: Die Brennstoffzellentechnologie - eine Chance für die Galvanotechnik?