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Switchable oxygen depolarized cathodes in flexible electrolysis operation = Schaltbare Sauerstoffverzehrkathoden in Flexiblen Elektrolyseverfahren
2023 & 2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-02
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09734
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/995130/files/995130.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
electrochemical cell design (frei) ; industrial-scale investigation (frei) ; multiphysics simulation (frei) ; oxygen depolarized cathode (frei) ; switchable Chlor-Alkali electrolysis (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die fortschreitende Umstellung der Energieversorgung von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energiequellen wird zu erheblichen Schwankungen im Stromnetz führen. Diese Fluktuationen beeinflussen insbesondere energieintensive Fertigungsprozesse und erfordern gegebenenfalls kurzfristige Anpassungen der Produktion. Die Chlor-Alkali-Elektrolyse kann als ein energieintensiver Verbraucher durch schaltbare Sauerstoffverzehrkathoden dieses Lastmanagement gezielt nutzen. 86 % der industriellen Chlorproduktion basiert auf membranbasierter Elektrolyse mit Chlorentwicklung auf der Anodenseite und Wasserstoffentwicklung auf der Kathodenseite. Die Integration einer schaltbaren Sauerstoffverzehrkathode ersetzt die konventionelle Wasserstoffentwicklung durch die Sauerstoffreduktion, was etwa 25 % Energie einspart. Eine gründliche Spülung des gemeinsamen Gasraums zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffreaktion ist unerlässlich, um Knallgasbildung auszuschließen. Bislang gibt es keine experimentellen Untersuchungen des Schaltens zwischen den Kathodenreaktionen und möglichen Auswirkungen auf den Langzeitbetrieb. Ziel dieser Arbeit ist der Betrieb beider Kathodenreaktionen an ein und derselben schaltbaren Sauerstoffverzehrkathode sowie die detaillierte Analyse des Schaltvorgangs. Dafür wurden in einer elektrochemischen Laborzelle das Zell- und Kathodenpotential in einer Drei-Elektroden-Anordnung untersucht. Bis zu 1.600 Schaltzyklen simulierten den Langzeitbetrieb. Mit Ex-situ Kontaktwinkelmessungen vor und nach den Schaltzyklen wird die materielle Abnutzung bewertet, während Kennzahlen wie die Faraday-Effizienz die elektrochemische Leistungsfähigkeit beurteilen. Die Experimente zeigten einen deutlichen Zusammenhang zwischen Zellpotentialanstieg und unerwünschtem Elektrolytdurchbruch zur Gasseite. Modifikationen am Zelldesign und im Betriebsablauf konnten den Elektrolytdurchbruch nur teilweise reduzieren. Zusätzlich wurde der Spülprozess zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffreaktion analysiert, wobei der Fokus auf den Stützstrukturen im Gasraum und deren Einfluss auf die Konzentrationsverteilung lag. Ziel der Untersuchungen waren eine Verbesserung des Stofftransports, die Eliminierung von Totzonen und letztendlich die Ermittlung der minimalen Spülzeit. CFD-Simulationen und Nebelexperimente visualisierten die Gasverteilung und zeigten dabei signifikante Totzonen aufgrund ungünstiger Zellgeometrie auf. Transiente Konzentrationsmessungen der Spülvorgänge mit verschiedenen Gaskombinationen bestätigten den unerwartet starken Einfluss des Zelldesigns auf die Spüleffizienz. Schließlich lieferte eine algorithmengestützte Optimierung, bei der die Geometrie der Stützstrukturen variiert wurde, einen ersten Ansatz zur automatisierten Verbesserung des Zelldesigns für kürzere Spülzeiten. Diese Arbeit verdeutlicht das beträchtliche Potenzial der schaltbaren Sauerstoffverzehrkathode für flexible Elektrolyseprozesse. Die Kombination aus Modellierung und experimentellen Methoden legt die Grundlage für eine ganzheitliche Bewertung eines optimierten Zelldesigns, um einen sicheren und effizienten Spülprozess zu gewährleisten.The transition of the energy supply from fossil fuels to renewable energy sources will result in significant fluctuations in the power grid. These fluctuations particularly affect energy-intensive manufacturing processes, requiring short-term adaptation of their production volume. Chlor-alkali electrolysis, as an example for an energy-intensive consumer, can benefit from such demand-side management. Currently, 86 % of industrial chlorine production is conducted via the membrane-based electrolysis process with chlorine evolution reaction on the anode side and hydrogen evolution reaction on the cathode side. By incorporating a switchable oxygen depolarized cathode, the oxygen reduction reaction substitutes the conventional hydrogen evolution, leading to approximately 25 % savings in energy costs. A thorough flushing of the shared gas compartment between hydrogen and oxygen reactions is necessary to avoid dangerous oxyhydrogen formation. To date, there have been no experimental investigations regarding the switching between the two cathode reactions and their potential effects on long-term operation. This work aims to comprehend the interaction of both cathode reactions on a single switchable oxygen depolarized cathode and enable a safe switching operation. Investigations of the cell potential and the cathode potential were conducted in an electrochemical lab cell using a three-electrode setup. Additionally, up to 1,600 switching cycles between hydrogen and oxygen reactions were performed to mimic long-term operation. Ex-situ contact angle measurements before and after the switching cycles provided insights into material degradation, while key figures such as the Faraday efficiency indicated the electrochemical performance. The electrochemical experiments revealed a significant correlation between the increase in cell potential and the undesired electrolyte breakthrough to the gas side of the oxygen depolarized cathode. Modifications to the cell design and operational procedures could only partially reduce electrolyte breakthroughs. Further analysis of the flushing step between hydrogen and oxygen reactions focused on the support structures in the gas compartment. The investigations aimed to enhance mass transfer, eliminate dead zones between the structures, and eventually find the shortest flushing time. CFD simulations and fog experiments visualized the gas distribution. This approach unveiled significant dead zones resulting from a disadvantageous cell geometry. Time-dependent concentration measurements of flushing procedures with different gas combinations confirmed the unexpectedly strong influence of the cell design on flushing efficiency. Finally, an algorithm-supported optimization modifying the gas compartment geometry provided a first approach toward automated cell design improvement for faster flushing. This thesis highlights the high potential of the switchable oxygen depolarized cathode for flexible electrolysis. The combination of modeling and experimental approaches lays the basis for a holistic evaluation of optimized cell design to ensure a safe and efficient flushing process.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030894252
Interne Identnummern
RWTH-2024-09734
Datensatz-ID: 995130
Beteiligte Länder
Germany
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