Neue H+-leitende Membranen und ihre Anwendung im HyS-Prozess

Projektzusammenfassung:

Das Projekt beinhaltet die systematische Forschung an und Entwicklung von neuen Komponenten für den HyS-Elektrolyseprozess. Das Projekt wird vom AK Kerres des Instituts für Chemische Verfahrenstechnik (ICVT) der Universität Stuttgart mit dem AK Krieg der Focus Area Chemical Resource Beneficiation der North-West University (NWU), Potchefstroom Campus, Südafrika durchgeführt.

Abbildung 1: Prinzip des HyS-Elektrolyseprozesses

Dabei beinhalten die Aufgaben des AK Kerres folgende Arbeitspakete/Arbeitsschritte: (1) Synthese neuer teil- und perfluorierter Arylmonomere; (2) Systematische Synthese neuer Arylhauptkettenionomere aus diesen Monomeren; (3) Systematische Synthese von vernetzten protonenleitenden Blendmembranen für den HyS-Elektrolyseprozess; (4) Lieferung der maßgeschneiderten Membranen aus (3) an den Projektpartner.

Der AK Krieg der NWU umfaßt folgende Arbeitsschritte/Arbeitspakete: (1) Charakterisierung der für den HyS-Elektrolyseprozess entscheidenden Eigenschaften der ICVT-Membranen; (2) Charakterisierung der Stabilität der vom ICVT an die NWU gelieferten Membranen im HyS-Elektrolyse-Prozeß; (3) Fertigung von Membran-Elektroden-Einheiten aus den besten ICVT-Membranen und unterschiedlichen katalytischen Elektroden. Als Projektergebnis resultieren neue, preiswertere MEAs mit besserer Performance im HyS-Elektrolyseprozeß, verglichen mit MEAs des Stands der Technik.

Projektziele:

1) (ICVT) Erarbeitung neuer Konzepte für stabile protonenleitende Polymere und Membranen, die im HyS-Prozess eingesetzt werden können und aus diesem Grunde folgende Eigenschaften aufweisen müssen: a) Stabilität in hochkonzentrierter Schwefelsäure (zwischen 30 und 90% Schwefelsäure-Gehalt) und bei Drücken von bis zu 20 bar; b) niedrigere SO2-Permeabilität, verglichen mit Membranen des Stands der Technik, um eine Elektrodenvergiftung durch SO2 und SO2-Reduktionsprodukte zu minimieren und c) hohe Protonenleitfähigkeit.

2) (NWU) Drei Ziele zur Verbesserung (Effizienzsteigerung) des HyS Prozesses werden angestrebt: a) Zur Effizienzsteigerung muβ ein Elektrolysesystem entwickelt werden, das bei 100–120°C und 20 bar arbeiten kann. Bisher waren nur Messungen bei atmosphärischen Druck und 80°C möglich. b) Für die Charakterisierung bestehender sowie auch neuer, vom Projektpartner ICVT zu erforschenden und entwickelnden Membranen für den HyS-Prozess sollen weitere analytische Apparate (durch externe Finanzierung) und analytische Methoden designt werden. c) Für die in-situ Membrancharakterisierung im SO2-Elektrolyseur sollen neuartige MEA-Fertigungstechniken erforscht und entwickelt werden.

Wege zur Erreichung des Projektziels:

Um die Projektziele zu erreichen, sind folgende Arbeiten geplant:

1) Das ICVT wird im Rahmen des Projekts hochstabile Polymere und Membranen erforschen und entwickeln, die unter den Bedingungen des HyS-Prozesses stabil sind und darüber hinaus eine niedrigere SO2-Permeabilität als Membranen des Stands der Technik aufweisen. Der avisierte Polymertyp sind dabei nicht- oder teilfluorierte Arylhauptkettenpolymere (Abbildung 2). Die Zusammensetzung der Polymere soll systematisch variiert werden, um den Einfluß verschiedener Baugruppen der Polymere (Aromatengruppen und Brückengruppen) auf die HyS-Prozeß-relevanten Eigenschaften wie Protonenleitfähigkeit, Stabilität in Schwefelsäure im Konzentrationsbereich 30-90%, im Temperaturbereich 80-130°C und im Druckbereich 1 bis 20 bar zu ermitteln. Lediglich diejenigen Polymere, deren mittels ex-situ Charakterisierung ermittelte Eigenschaften eine erfolgreiche Anwendung im HyS-Prozess erwarten lassen, werden an den Projektpartner NWU weitergereicht und dort weiter charakterisiert und im HyS-Elektrolyseur getestet.

Abbildung 2: Arylpolymere zur Membranherstellung

2) Die NWU wird im Rahmen des Projekts einen SO2 Elektrolyseur konstruieren und bauen (finanziert durch DST, da keine DFG-Fördermittel hierfür vorhanden sind) der im Temperaturbereich 80-130°C und im Druckbereich 1 bis 20 bar einsatzfähig ist. In Abbildung 3 finden sich Kennlinien von Membranen des ICVT im Hys-Elektrolyseur. Weiter sollen Apparate zur Messung der SO2 Permeabilität und der “in-plane“ Leitfähigkeit aufgebaut werden. Die MEA-Fertigung soll mit einem Siebdrucker und ein im Haus gefertigten Spritzverfahren (das in 2011 aufgebaut wird) durchgeführt werden. Die Forschung zur Generierung eines „Molecular modeling“ Verfahrens zur Vorhersage der SO2-Durchlässigkeit der im Rahmen des Projekts verwendeten protonenleitenden Membranen soll weitergeführt werden.

Abbildung 3: Kennlinien der Membranen im Hys-Elektrolyseur (Vergleichsmembran Nafion® 115)