Jürgen Kintrup

Gasdiffusionselektroden, die aus der Brennstoffzellentechnik stammen, bieten das Potenzial, bei etablierten Elektrolyseverfahren den Energiebedarf deutlich herabzusetzen. Ermöglicht wird das durch die gezielte Beeinflussung der chemischen Reaktion bei einer Elektrolyse, was am Beispiel der Chlorherstellung verdeutlicht werden soll.

Bei der heute üblichen Chlorherstellung durch die Chlor-Alkali-Elektrolyse (s. Beitrag "Chlor, Natronlauge und anderes aus Elektrolyseverfahren" ) oder die Salzsäure-Elektrolyse entsteht an der Anode das gewünschte Hauptprodukt Chlor gemäß:

Aufgrund der geringeren Spannungsdifferenz dieser beiden kathodischen Reaktionen (Gl. (4) u. (5)) ohne Wasserstoffbildung zur Anodenreaktion (Gl. (1)) kann die Zersetzungsspannung für die Chlorerzeugung theoretisch um 1,23 V gegenüber Herstellverfahren mit Wasserstoff-Entwicklung verringert werden.
Wegen der verglichen mit der Wasserstofferzeugung größeren Überspannung für die Sauerstoff-Reduktion erzielt man praktisch bislang nur bis zu 1,0 V Energieeinsparung (s. Abb. 1 und 2).
Die als Kathode geschaltete, Sauerstoff verbrauchende Gasdiffusionselektrode wird auch als Sauerstoffverzehrkathode (Abkürzung: SVK) oder im englischen Sprachraum als Oxygen Depolarized Cathode (Abkürzung ODC) bezeichnet.

Abbildung 1: Zellspannung bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse mit und ohne Sauerstoffverzehrkathode

Abbildung 2: Zellspannung bei der Salzsäure-Elektrolyse mit und ohne Sauerstoffverzehrkathode

Die Idee der Chlorherstellung ohne Wasserstoff-Erzeugung an der Kathode unter Nutzung einer Gasdiffusionselektrode als Sauerstoffverzehrkathode ist schon älter. Bislang mangelte es aber an der Langzeitstabilität und der Verfügbarkeit entsprechender Elektroden in technischer Größe.
Die erste technische Salzsäureelektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathoden konnte Ende 2003 bei der Bayer AG in Brunsbüttel mit einer Chlorkapazität von 20.000 t/a realisiert werden (s. Abb. 3).

Abbildung 3: Elektrolyseur mit Sauerstoffverzehrkathoden in Brunsbüttel (Foto: Bayer MaterialScience AG)

Die Sauerstoffverzehrkathode (s. Abb. 4) muss dabei auf der einen Seite den Zutritt der H⁺-Ionen hinein in die Elektrodenstruktur zu den katalytisch aktiven Zentren ermöglichen, auf der anderen Seite muss gasförmiger Sauerstoff von der Elektrodenrückseite her an die elektrokatalytisch aktiven Zentren diffundieren können. Daher rührt übrigens die Bezeichnung Gasdiffusionselektrode.
Gleichzeitig muss das durch Reduktion des Sauerstoffs in Anwesenheit der Protonen erzeugte Reaktionsprodukt Wasser aus der Elektrodenstruktur rückseitig abgeführt werden. Weiterhin müssen die katalytisch aktiven Zentren säurebeständig sein und auch gegen typische Verunreinigungen technischer Salzsäurequalitäten beständig sein, was durch Verwendung eines speziellen Edelmetall-haltigen Katalysators gelingt.
An der Anode entsteht Chlor und eine Kationen-Austauschermembran bewirkt die Gastrennung und ermöglicht die Diffusion von H⁺-Ionen zur Katalysatorschicht der Sauerstoffverzehrkathode.

Abbildung 4: Prinzip der Salzsäure-Elektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode

Die bisher realisierte Energieeinsparung bei der Salzsäure-Elektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathoden liegt in der Größenordnung von 30%.

Angesichts aktueller steigender Energiekosten kommt energie- und ressourcensparenden Verfahren eine wachsende Bedeutung zu. So ist beispielsweise die Chlor-Alkali-Elektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathoden aktuell Gegenstand intensiver Entwicklungsarbeiten.

Neben der Chlorherstellung kann der Einsatz von Gasdiffusionselektroden auch bei anderen Elektrolyseverfahren sinnvoll sein, als Beispiele seien hier die Sauerstoffverzehrkathoden zur Herstellung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) oder aber Wasserstoffverzehranoden bei der Natriumsulfatelektrolyse genannt.