ISBN 9783843919852

978-3-8439-1985-2, Reihe Verfahrenstechnik

Florian Verfuß
Ausnutzung der Gleichrichterrestwelligkeit zur Charakterisierung und Überwachung von Chlor-Alkali-Elektrolysezellen

169 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Da die eingesetzte Menge an elektrischer Energie die Herstellungskosten von Chlor und Natronlauge bestimmt, wird die Chlor-Alkali-Elektrolyse hinsichtlich eines effektiveren Energieverbrauchs stets optimiert und kontrolliert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Messverfahren entwickelt, um Neuentwicklungen wie die Sauerstoffverzehrkathode (SVK) in technischen Pilotelektrolyseuren zu charakterisieren, aber auch um Elektrolyseure in der Produktion zur frühzeitigen Schadensdiagnose online überwachen zu können. Dabei beeinträchtigt das System den Elektrolysebetrieb nicht.

Ähnlich der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) beruht das Verfahren auf der Auswertung von Strom- und Spannungsoberwellen. Als Anregungssignal wird jedoch kein zusätzliches Signal, sondern die Restwelligkeit genutzt, welche durch die Gleichstromerzeugung verursacht wird. Der apparative Aufwand ist folglich auf eine hochauflösende Messeinrichtung für Zellstrom (umgerechnet in die Stromdichte i) und Zellspannung U begrenzt. Deren Zeitverläufe werden gegeneinander, ähnlich wie eine Lissajous-Figur, als Restwelligkeits-i-U-Kurve (RW-i-U-Kurve) aufgetragen und durch lineare Regression sowie mithilfe eines Modells ausgewertet. Im Gegensatz zur herkömmlichen Einzelzellspannungsmessung liefert die Restwelligkeitsmessung somit weitere Informationen über das elektrochemische System.

Getestet wurde das Messverfahren zunächst an Laborzellen mit unterschiedlichen Kathoden und Membranen und durch Vergleich mit etablierten Messmethoden (stationäre i-U-Kurve, Abschaltmessungen, Einzelpotentialerfassung). Ein speziell angefertigter Sechspuls-Gleichrichter, der im Aufbau technischen Gleichrichtern entspricht, diente als Stromversorgung. Anhand von Restwelligkeitsmessungen war es letztlich möglich, gezielt verursachte Störungen des Elektrolysebetriebes wie Manipulationen der SVK und Membranschäden zu identifizieren.

Die abschließende Übertragung der Restwelligkeitsmessung auf großtechnische Pilotelektrolyseure sowohl mit Wasserstoff-entwickelnden Kathoden als auch mit SVKs bestätigte, dass ein industrieller Einsatz des Messverfahrens mit bestehender Technik prinzipiell möglich ist. Durch die Auswertung der RW-i-U-Kurven mittels linearer Regression konnten Unterschiede der Elektrolysezellen nachgewiesen werden. Für komplexere Auswertungen, beispielsweise mit einem Modell, sind die durch hohe Stromstärken von mehr als 16000 A auftretenden elektromagnetischen Phänomene zusätzlich zu berücksichtigen.