AT528226A1 - Spiralförmiges Elektrolysemodul zur Konvertierung von Kohlenstoffdioxid und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Konvertierung von CO2 durch Elektrolyse, umfassend zumindest eine Baugruppe (2) mit zumindest einem 5 Anodenraum mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung (41) für einen Anolyt, zumindest einem Kathodenraum mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung (51) für einen Katholyt und optional zumindest einem an den Kathodenraum anschließenden und mit diesem in Verbindung stehenden Gasraum mit zumindest einer Zuleitung, über welche ein Gas wie CO2 in den Kathodenraum (5) 10 und/oder Gasraum (6) einspeisbar ist, sowie Ableitungen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zumindest eine Baugruppe (2) spiralförmig angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Konvertierung eines Gases wie CO2 durch Elektrolyse sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle.

Description

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Spiralförmiges Elektrolysemodul zur Konvertierung von Kohlenstoffdioxid und

Verfahren zur Herstellung desselben

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Konvertierung von CO» durch Elektrolyse, umfassend zumindest eine Baugruppe mit zumindest einem Anodenraum mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung für einen Anolyt, zumindest einem Kathodenraum mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung für einen Katholyt und optional zumindest einem an den Kathodenraum anschließenden und mit diesem in Verbindung stehenden Gasraum mit zumindest einer Zuleitung, über welche ein Gas wie CO, in den Kathodenraum und/oder

Gasraum einspeisbar ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Konvertierung eines Gases wie CO» durch Elektrolyse, insbesondere mit einer Elektrolysezelle der vorstehend genannten Art, wobei das Gas wie CO, in einem Kathodenraum oder einen mit einem solchen in

Verbindung stehenden Gasraum eingespeist und reduziert wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle zur Konvertierung eines Gases wie CO>, durch Elektrolyse, insbesondere einer Elektrolysezelle der vorstehend genannten Art, wobei zumindest eine Baugruppe mit zumindest einem Anodenraum mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung für einen Anolyt, zumindest einen Kathodenraum mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung für einen Katholyt und optional zumindest einem an den Kathodenraum anschließenden und mit diesem in Verbindung stehenden Gasraum mit zumindest einer Zuleitung, über welche das Gas wie CO-, in den

Kathodenraum und/oder Gasraum einspeisbar ist, gebildet wird, sowie Ableitungen.

Der in den letzten Jahrzehnten steigende Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (CO) in die Atmosphäre wird als eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung angesehen. Wie für andere klimarelevante Gase ist man bestrebt, Lösungen für diese Problematik zu finden. Ein erster Ansatzpunkt besteht darin, den CO2-AusstoRß zu verringern. Dies lässt sich allerdings kaum in kurzer Zeit umsetzen, insbesondere auf internationaler Ebene. Darüber hinaus lassen sich einzelne Industriezweige nicht ohne Weiteres auf eine CO>2-

freie Produktion oder zumindest eine Produktion mit verringertem CO2-Ausstoß umstellen.

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Daher besteht ein zweiter Ansatzpunkt darin, die anfallenden CO2-Emissionen dadurch gering zu halten, dass das Kohlenstoffdioxid am Ort der Entstehung durch Reaktion in Stoffe umgewandelt wird, die nicht klimaschädlich sind und vorteilhafterweise in anderen Reaktionen wieder eingesetzt werden können. Da eine Reduktion von CO2-Emissionen möglicherweise nicht ausreichend sein wird, um die globale Erwärmung zu stoppen,

kommt diesem zweiten Ansatz eine große Bedeutung zu.

Unter den verschiedenen Möglichkeiten, CO2 am Ort von dessen Entstehung sogleich zu verwerten, stellt die elektrochemische Reduktion von CO, zu Brennstoffen eine besonders interessante Möglichkeit dar. Im Stand der Technik wird seit Jahrzehnten daran geforscht, CO-, zu Verbindungen wie Methan, Methanol und/oder Ethanol in einer sogenannten „dream reaction“ umzuwandeln. Würde dies mit Energieeffizienz und für die Umwelt sauber gelingen, könnte klimaschädliches CO, in nutzbare Stoffe umgewandelt werden, sodass es sich in der Tat um eine für die Umwelt perfekte Reaktion handeln würde. Anfallende CO2-Emissionen aus der Industrie, beispielsweise Rauchgas, Abgase aus Heizungsanlagen, Abgase aus biotechnologischen Anlagen und dergleichen könnten zu nützlichen Produkten verwertet werden, die entweder weiter umgesetzt oder

gegebenenfalls zwischenzeitlich gespeichert werden.

Wenngleich eine wie vorstehend dargelegte Umsetzung von CO-, viele Vorzüge bietet und deswegen bereits seit Jahrzehnten erforscht wird, ist bislang kein entscheidender Durchbruch bei der elektrochemischen Umsetzung von CO, gegeben. Für eine solche elektrochemische Umsetzung ist eine Elektrolysezelle erforderlich, die es erlaubt, eine entsprechende Reaktion effizient im großtechnischen Maßstab durchführen zu können. Einzelne Erfolge auf Labormaßstab mit einer Elektrolysezelle der eingangs genannten Art können zwar theoretische Ansätze bestätigen, erlauben aber keine effiziente Umsetzung

in größerem Maßstab.

In der österreichischen Patentanmeldung AT525988 A4 der Anmelderin ist eine Elektrolysezelle beschrieben, welche aus einem Stapel von einer sich wiederholenden Abfolge von Anodenraum, Kathodenraum und Gasraum, welcher an den Kathodenraum anschließt, gebildet ist. Der Stapel kann beispielsweise 20 derartige Abfolgen umfassen. Gemäß der erwähnten Patentanmeldung ist vorgesehen, dass die einzelnen Lagen des

Stapels sowie auch eine Strombeaufschlagung so geführt sind, dass lediglich eine einzige

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Zuleitung für einen Anolyt sowie eine Zuleitung für den Katholyt und/oder eine Zuleitung für die Gasräume sowie entsprechende Ableitungen und zwei Stromanschlüsse erforderlich sind. Die Lagen sind dabei aufeinander in Form von runden Teilelementen angeordnet und bilden insgesamt einen Zylinder. Das entsprechende System ist äußerst leistungsstark, da eine Vielzahl von Anodenräumen sowie Kathodenräumen und optionalen Gasräumen parallel angeordnet und gleichzeitig mit einem Medium

beaufschlagbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrolysezelle der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese eine möglichst hohe Gaskonvertierung, insbesondere CO2-

Konvertierung, pro Zeiteinheit ermöglicht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Konvertierung eines Gases, insbesondere von CO», durch Elektrolyse derart

weiterzubilden, dass eine möglichst hohe Konvertierungsrate für das Gas gegeben ist.

Schließlich ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle zur eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine besonders

leistungsfähige Elektrolysezelle hergestellt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, wenn bei einer Elektrolysezelle der eingangs

genannten Art die zumindest eine Baugruppe spiralförmig angeordnet ist.

Im Rahmen von Arbeiten wurde erkannt, dass durch die spiralförmige Anordnung der zumindest einen Baugruppe mehrere Vorteile erreichbar sind: Zunächst ist eine günstige Bauweise gegeben, da die spiralförmige Anordnung kompakt und platzsparend ist. Sind mehrere Elektrolysezellen vorgesehen, multipliziert sich dieser Effekt. Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, dass aufgrund der abwechselnden Schichten von Anodenräumen und Kathodenräumen samt Membranen und gegebenenfalls Gasräumen einerseits und der spiralförmigen Anordnung andererseits die Schichten quasi doppelt in jeweils wiederholender Anordnung aufeinandertreffen, sodass mehr Kontaktfläche gegeben ist. Dies führt zu einer verbesserten Konversionseffizienz. Die abwechselnden Schichten von Elektroden und Membranen im spiralförmigen Modul fördern eine verbesserte Verteilung

von Reaktanten und Produkten. Darüber hinaus ist schließlich eine entsprechende

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Elektrolysezelle im Aufbau relativ einfach, da die Elektrolysezelle mit wenigen

Komponenten und erforderlichen Verbindungen derselben auskommt.

Die Elektrolysezelle kann auf mehrere Arten gestaltet sein. In einer besonders einfach umzusetzenden und daher auch bevorzugten Variante ist die spiralförmige Anordnung durch eine einzige aufgerollte Baugruppe umfassend den Anodenraum und den Kathodenraum sowie gegebenenfalls den optionalen Gasraum gebildet. Die entsprechenden Räume können durch hierfür geeignet ausgelegte Schichten bereitgestellt werden, welche zusammen mit den erforderlichen Zuleitungen und Ableitungen aufgerollt werden. Die einzelnen Räume selbst umfassen weitere Komponenten und sind insbesondere auch durch Membranen abgeschlossen, sodass sich beim Aufrollen bzw. Aufwickeln die Situation ergibt, dass für jeden Raum doppelte

Berührungsflächen geschaffen werden.

Ist das zu konvertierende Gas CO», führt dies neben dem einfachen Aufbau auch zur Ausbildung einer Elektrolysezelle mit sehr hoher CO2-Konversionseffizienz. Dabei ist es, wie auch bei den nachstehend erläuterten Varianten, von Vorteil, wenn der Gasraum zwingend vorgesehen ist. Insbesondere kann eine Gasdiffusionselektrode vorliegen. Zwar ist es auch möglich, CO, in einen Kathodenraum einzuleiten, allerdings ist eine Leistungsfähigkeit der Elektrolysezelle dann auch durch eine Löslichkeit von CO, im Katholyt bestimmt. Ist hingegen ein Gasraum vorgesehen, in welchen CO, eingeführt und über eine mit einem Katalysator versehenen porösen Verbindungsbereich mit dem Katholyt in Kontakt treten kann, ist eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit der Elektrolysezelle gegeben, da die Löslichkeit von CO2 im Katholyt eine untergeordnete Rolle spielt. Neben der Konvertierung von CO, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aber auch für andere Applikationen eingesetzt werden, beispielsweise zur

Elektrosynthese oder zur Konvertierung anderer Gase.

Alternativ zu einer Variante mit lediglich einem einzigen Anodenraum sowie einem einzigen Kathodenraum und gegebenenfalls einem einzigen Gasraum, welche eine einzige Baugruppe bilden, kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die spiralförmige Anordnung durch mehrere gebogene Baugruppen umfassend jeweils einen Anodenraum und einen Kathodenraum sowie gegebenenfalls einen optionalen Gasraum gebildet ist,

wobei die Baugruppen versetzt zueinander und aneinander anliegend angeordnet sind.

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Dadurch ergeben sich ebenfalls die zuvor beschriebenen Vorteile, allerdings sind die einzelnen Baugruppen gesondert herzustellen und müssen lagemäßig so angepasst werden, dass die Zuleitungen für die einzelnen Räume geeignet angebracht werden können. Bei dieser Variante sind auch für jede einzelne Baugruppe gesonderte Zuleitungen und Ableitungen vorgesehen, was den Vorteil einer individuellen Anspeisung

einzelner Baugruppen mit sich bringt.

Die Baugruppe oder gegebenenfalls die Baugruppen sind bevorzugt zu einem Zylinder angeordnet. Ist eine einzige Baugruppe vorgesehen, so ist die Baugruppe spiralförmig um eine Zylinderlängsachse gewickelt. Analog erstrecken sich bei mehreren Baugruppen die einzelnen Baugruppen um die Zylinderlängsachse herum, sodass in der entsprechenden spiralförmigen Anordnung wie auch bei einer einzelnen Baugruppe eine effektive Ausnutzung des gegebenen Platzes vorliegt. In beiden Fällen kann ein Zentrum des Zylinders entlang der Zylinderachse frei bleiben. Bei lediglich einer Baugruppe kann dies erforderlich sein, um die Baugruppe durch Wicklung im Zentrum nicht zu stark mechanisch zu belasten. Bei mehreren Baugruppen trifft dies ebenfalls zu. In diesem Fall kann ein freies Zentrum des Zylinders insbesondere auch für mehrere Zuleitungen oder Ableitungen erforderlich sein. In beiden Fällen können die Zuleitungen sowie die Ableitungen einerseits außenseitig am Zylinder und andererseits im freien Zentrum des Zylinders angeordnet sein. Diese Anordnung erlaubt neben einer einfachen Anspeisung der gegebenen Räume auch eine platzsparende Ausbildung der Elektrolysezelle. Dabei sind die Baugruppe oder die Baugruppen vorzugsweise aus Schichten gebildet. Die Zuleitungen sind zur seitlichen Anspeisung der Schichten eingerichtet. Analoges trifft für die Ableitungen zu. Seitlich umfasst in dabei auch eine stirnseitige und/oder eine

fußseitige Anspeisung der Schichten.

Besonders vorteilhaft ist der zumindest eine Anodenraum und/oder der zumindest eine Kathodenraum mit einem Blech mit Kanälen ausgebildet, wobei die Kanäle zur Leitung des Anolyten oder des Katholyten eingerichtet sind. Ein entsprechendes Blech lässt sich relativ einfach herstellen, beispielsweise durch Prägen, Tiefziehen oder andere Fertigungsprozesse. Mit entsprechenden Blechen kann insbesondere eine Flussrichtung für den Anolyt sowie den Katholyt vorgegeben werden. Dadurch ist es möglich, die voneinander durch eine Membran oder eine andere Kammertrennschicht getrennten

Medien entweder in die gleiche Richtung oder gegenläufige Richtung, aber auch

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senkrecht zueinander laufen zu lassen. Letztlich können im Zylinder beliebige Strömungsrichtungen für den Anolyt einerseits und den Katholyt andererseits eingestellt

werden. Dies erlaubt es beispielsweise, eine CO2-Konversion weiter zu optimieren.

Im Zusammenhang damit kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass in dem zumindest einen Anodenraum und/oder dem zumindest einen Kathodenraum im Anschluss an das Blech ein Streckgitter vorgesehen ist. Das Streckgitter ermöglicht eine gleichmäßige Zuführung des Mediums zur entsprechenden Reaktionsfläche und auch eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte auf die Trennschichten, insbesondere Membranen. Dementsprechend überbrückt das Streckgitter mit Vorteil eine Distanz zu

einer Kammertrennschicht wie einer Membran, welche an den nächsten Raum anschließt.

In allen Ausbildungsvarianten kann mit Vorteil außenseitig ein Gehäuse vorgesehen sein, welches vorzugsweise auf die Baugruppe oder die Baugruppen aufgepresst ist. Dadurch

werden die Baugruppen stabil in Form gehalten.

Im Übrigen sind außenseitig geeignete Dichtungen an den Schichten vorgesehen. Die Dichtungen werden zusammen mit den Schichten bereitgestellt und in die finale Form gebracht. Dabei kann die spiralförmige Anordnung auch verspannt werden, sodass

insbesondere die Dichtungen besonders fest und damit dauerhaft dichtend sitzen.

Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zur Konvertierung eines Gases wie CO>, durch Elektrolyse vorgesehen ist, dass das Gas wie CO- in eine spiralförmige Anordnung mit zumindest einem Anodenraum und zumindest

einem Kathodenraum sowie optional zumindest einem Gasraum eingespeist wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere von Vorteil, dass Austauschflächen bzw. Interfaces zwischen einzelnen Räumen wie Anodenraum einerseits und Kathodenraum andererseits, gegebenenfalls aber auch Kathodenraum und Gasraum, maximiert sind, was sich durch die spiralförmige Anordnung der entsprechenden Kompartimente ergibt. Dies führt zu einem besonders effizienten

Verfahren.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kommt insbesondere zur Konvertierung von CO» zur Anwendung, kann aber auch für andere Anwendungen wie eine Elektrosynthese oder zur

Konvertierung anderer Gase eingesetzt werden.

Es kann vorgesehen sein, dass ein Anolyt in einem Anodenraum und/oder ein Katholyt in einem Kathodenraum durch ein Blech mit Kanälen geleitet wird, wobei die Fließrichtung innerhalb des Anodenraums bzw. des Kathodenraums durch die Kanäle bestimmt wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass Anolyt und/oder Katholyt über ein Streckgitter an eine Kammertrennschicht wie eine Membran anströmen gelassen wird. Über ein vorgesehenes Blech kann eine Strömungsrichtung der entsprechenden Fluide gesteuert werden. Über eine danach folgende Verteilung über ein Streckgitter kann eine gleichmäßige Anströmung insbesondere einer Membran erreicht werden. Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, dass eine Membran in diesem Fall auch kräftemäßig gleichmäßig beaufschlagt

wird.

In einer Variante sind der Anodenraum und der Kathodenraum schichtförmig aufgebaut und wird der Anolyt und der Katholyt seitlich in die jeweilige Schicht zugeführt. Dadurch ist

eine einfache Einbringung der Fluide in die hierfür vorgesehenen Räume möglich.

Das weitere Ziel der Erfindung wird erreicht, wenn bei einem Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle zur Konvertierung eines Gases wie CO, der eingangs genannten Art den Anodenraum und den Kathodenraum sowie optional den Gasraum bildende Komponenten als Schichten bereitgestellt und spiralförmig angeordnet, insbesondere

aufgewickelt, werden.

Mit einem derartigen Verfahren kann auf besonders einfache Weise eine hocheffiziente Elektrolysezelle zur Konvertierung von insbesondere CO, hergestellt werden. Eine spiralförmige Aufwicklung kann dabei bevorzugt so erfolgen, dass lediglich die jeweiligen Schichten für einen einzelnen Anodenraum, einen einzelnen Kathodenraum sowie optional einen einzelnen Gasraum zur Verfügung gestellt und anschließend spiralförmig aufgewickelt werden. Eine Alternative besteht darin, mehrere kürzere Einheiten zur Verfügung zu stellen und diese spiralförmig durch Aneinanderlegen anzuordnen. Die einzelnen Komponenten haben im gebogenen Zustand dann verschiedene Radien, je

nachdem, an welcher Stelle der Elektrolysezelle diese positioniert sind.

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Es ist von Vorteil, wenn die Schichten sogleich mit Zuleitungen und Ableitungen bereitgestellt werden. Neben den Zuleitungen können auch die erforderlichen Ableitungen sogleich bereitgestellt werden. Die Zuleitungen und die Ableitungen sind mit den jeweiligen Schichten verbunden und können mit diesen zusammen zu einer spiralförmigen Anordnung verarbeitet werden. Die Schichten können auch mit außenseitig

angeordneten Dichtungen angeordnet bzw. aufgewickelt werden.

Die einzelnen Schichten können zumindest teilweise mit Blechen mit Kanälen und mit Streckgitter sowie Membranen gebildet werden. Durch die Ausbildung mit Kanälen lässt sich eine Zufuhr gezielt steuern. Die Anordnung von Streckgittern, insbesondere zwischen einem Blech und einer Membran, bringt Vorteile in Bezug auf eine gleichmäßige

Anströmung der benachbarten Membran.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Schichten zu einem Zylinder geformt und außenseitig mit einem Gehäuse ummantelt werden. Das Gehäuse bringt zusätzliche Stabilität und Sicherheit gegenüber einem unerwünschten Austritt eines Fluids. Darüber hinaus kann das Gehäuse so angeordnet werden, dass außenseitig ein Druck auf den Zylinder aus den Schichten gegeben ist, was die Dichtigkeit der Elektrolysezelle begünstigt. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Gehäuse aufgepresst

wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Anlage mit einer entsprechenden

Elektrolysezelle zur Konvertierung eines Gases, insbesondere CO-..

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug

genommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Elektrolysezelle mit einem Gehäuse;

Fig. 2 eine erste Variante einer spiralförmigen Aufwicklung einer Elektrolysezelle;

Fig. 3 eine zweite Variante einer spiralförmigen Aufwicklung einer Elektrolysezelle;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des inneren Aufbaus einer Elektrolysezelle gemäß Fig. 2;

Fig. 5a einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 4;

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Fig. 5b bis Fig. 5d verschiedene Einbringungsmöglichkeiten für Fluid im Detail;

Fig. 6 eine Darstellung verschiedener Möglichkeiten einer Fluidführung in einer Elektrolysezelle gemäß Fig. 2 oder Fig. 3;

Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch eine Elektrolysezelle mit einer Anordnung von Kammern und einer Stromzuführung;

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie VIN-VII in Fig. 9;

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Elektrolysezelle;

Fig. 10 eine Anlage mit einer Elektrolysezelle zur Konvertierung von CO».

In Fig. 1 ist eine Elektrolysezelle 1 dargestellt, welche einen Zylinder 3 umfasst. Außenseitig sind schematisch Zuleitungen 41, 51, 61 sowie Ableitungen 42, 52, 62 angedeutet. Diese Leitungen können beispielsweise wie dargestellt über einen Deckel in den Zylinder 3 treten bzw. aus diesem herausführen. Möglich ist es auch, dass die Leitungen über den Mantel des Zylinders 3 selbst ein- und/oder ausgeführt sind. Der Zylinder 3 bildet zusammen mit dem Deckel ein Gehäuse 13, welches den aktiven Teil der Elektrolysezelle 1 umgibt, welcher für die Konvertierung von CO, ausgelegt ist. Dies bedeutet, dass CO, elektrolytisch zu Produkten wie Ameisensäure, Methanol oder dergleichen konvertiert wird. Sofern mehrere Konvertierungsprodukte gegeben sind, können diese nachfolgend getrennt werden, sofern dies erforderlich ist. Die Elektrolysezelle 1 lässt sich neben einer Konvertierung von CO, auch zur Umsetzung anderer Edukte verwenden, beispielsweise zur Herstellung von Synthesegas,

Kohlenmonoxid oder Ethylen.

Im Inneren des Zylinders 3 ist der aktive Teil der Elektrolysezelle 1 angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausbildung ist dieser beispielsweise wie stark schematisiert in Fig. 2 dargestellt ausgebildet. In dieser Variante besteht das Innenleben der Elektrolysezelle 1 aus einer Baugruppe 2, welche aus einem Anodenraum 4 sowie einem Kathodenraum 5 und einem mit dem Kathodenraum 5 in Verbindung stehenden Gasraum 6 gebildet ist, der durch nicht ersichtliche seitlich durch den Mantel des Zylinders 3 verlaufende Leitungen versorgt wird. Die entsprechenden Räume liegen als Schichten 7 vor. Die Schichten 7 werden zur Erstellung einer spiralförmigen Anordnung in der Elektrolysezelle 1 übereinandergelegt und anschließend aufgerollt. Dabei können auch Dichtungen 12 miteingelegt und sogleich mitaufgewickelt werden. Die einzelnen Schichten 7 sind als rechteckige Schichten 7 ausgebildet, die zur Bildung der

spiralförmigen Anordnung mit den Dichtungen 12 aufgewickelt werden. Dabei können

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sogleich auch Zuleitungen 41, 51, 61 sowie Ableitungen 42, 52, 62 mitangeordnet werden. Die einzelnen Leitungen können dabei auch als Hilfe beim Aufwickelprozess dienen, indem eine der Leitungen festgehalten und der Rest um diese festgehaltene

Leitung aufgewickelt wird.

In Fig. 3 ist eine alternative Anordnung zu einer spiralförmigen Elektrolysezelle 1 dargestellt, wobei die spiralförmige Anordnung in diesem Fall durch mehrere

Baugruppen 2 hergestellt ist und nur zwei Kammern vorliegen. Ähnlich wie in der Variante gemäß Fig. 2 ergibt sich ein gewickelter Aufbau, in diesem Fall besteht der Aufbau aber aus einer Vielzahl von Baugruppen 2, die jeweils mit einem vorbestimmten Krümmungsradius gebogen und dann aneinander anliegend angeordnet sind. In diesem Fall sind für jede einzelne Schicht 7 einer Baugruppe 2 gesonderte Zuleitungen 41, 51, 61 sowie Ableitungen 42, 52, 62 erforderlich, wodurch der Aufbau weniger kompakt als jener gemäß Fig. 2 ist. Dennoch kann auch in diesem Fall eine relativ platzsparende Bauweise erreicht werden, indem ein Teil der Leitungen zentral im Zylinder 3 vorgesehen ist. Der entsprechende Platz bleibt ansonsten gemäß Fig. 2 weitgehend frei. Von Vorteil bei dieser Variante ist, dass jede Baugruppe 2 gesondert mit Fluiden (Anolyt, Katholyt, Gas) beaufschlagt werden kann. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität der Elektrolysezelle 1 in

Bezug auf bestimmte Betriebsparameter.

In Fig. 4 sowie insbesondere Fig. 5a ist der Aufbau einer Schicht 7 durch einen Teilschnitt näher dargestellt. Die Schichten 7, welche bei einer Ausbildung gemäß Fig. 2 den einzigen Anodenraum 4, den einzigen Kathodenraum 5 sowie den einzigen Gasraum 6 bilden, können in Bezug auf den Anodenraum 4 sowie Kathodenraum 5 mit Blechen 8 ausgebildet sein, welche wie ersichtlich Kanäle 9 ausbilden, in welchen der Anolyt oder der Katholyt geleitet werden können. Durch die Orientierung der Kanäle 9 relativ zu einer Achse des Zylinders 3 wird letztlich eine Richtung des sich in der Schicht 7 bewegenden Fluids vorgegeben. Dabei sind in Bezug auf eine Membran als Trennschicht zwischen dem Anodenraum 4 sowie dem Kathodenraum 5 verschiedene Flussrichtungen möglich. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Die durchgezogenen Pfeile entsprechen dabei einem Medium, die strichlierten Pfeile einem anderen Medium, das sich hinter der trennenden Membran 11 oder Gasdiffusionselektrode (GDE 11a) befindet. Die Fluide können in die gleiche Richtung, gegenläufig oder auch senkrecht zueinander geführt werden. Die

Führung der Fluide kann insbesondere so eingestellt werden, dass eine

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Konvertierungsrate von CO, zu Folgeprodukten wie Ameisensäure maximiert ist. Für eine entsprechende Fluideinspeisung kann ebenso wie für eine Fluidabfuhr beispielsweise auf Ausbildungen gemäß Fig. 5b bis Fig. 5d zurückgegriffen werden. Fig. 5b zeigt dabei eine Anspeisung über eine als Rohr ausgebildete Zuleitung 41 mit Bohrungen, über welche ein Fluid (Anolyth oder Katholyt) einem Strömungsleitblech einer (in Fig. 5b zur Sichtbarkeit teilweise offengelegten) Schicht 7 zugeführt werden kann. Eine Ableitung über ein weiteres Rohr kann analog ausgebildet sein. Gemäß Fig. 5b erfolgt die Mediumzufuhr ebenso wie die Medienabfuhr seitlich des Zylinders 3. In Fig. 5c ist eine Ausbildung dargestellt, in welcher eine Verteilung sowie ein späteres Sammeln in stirnseitigen Vorkammern erfolgt, wobei eine Fluidzufuhr sowie eine Fluidabfuhr parallel zur Strömungsachse in den Strömungsleitblechen erfolgt. In ähnlicher Weise kann dies in

seitlicher Anströmung erfolgen, wie dies in Fig. 5d exemplarisch ersichtlich ist.

In Fig. 7 ist der mögliche Aufbau von Schichten 7 für den Anodenraum 4, den Kathodenraum 5 sowie den Gasraum 6 näher dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Schnitt senkrecht zu einem Zylinderbogen bzw. parallel zur Längsachse des Zylinders 3; im weiteren Querschnitt (es ist nur ein zentraler Teil dargestellt) erstreckt sich die in Fig. 7 gezeigte Ausbildung wiederholend nach links und rechts und würden außenseitig zunächst wieder Gasräume 6 anschließen. Anodenraum 4 und Kathodenraum 5 (Ausbildung gemäß Variante Fig. 2) können dabei im Zentrum jeweils mit einem Blech 8 ausgebildet sein, welches wie erläutert die Fließrichtung des jeweiligen Fluids bestimmt. Zur Membran 11 oder GDE 11a hin ist ein Streckgitter 10 vorgesehen. Dieses Streckgitter 10 überbrückt den Raum zwischen Blech 8 mit den Kanälen 9 und der benachbarten Membran 11 oder GDE 11a. Das Streckgitter 10 ist so gestaltet, dass dieses für Turbulenzen und damit eine möglichst gleichmäßige Anströmung der benachbarten Membran 11 oder GDE 11a sorgt. Dadurch werden punktuelle Kraftspitzen vermieden. Noch wichtiger ist, dass aufgrund der gleichmäßigen Anströmung optimale Ausgangsbedingungen für eine möglichst vollständige Umsetzung von CO, gegeben sind. Gleichzeitig kann über das Blech 8 auch eine Strombeaufschlagung erfolgen. Der Gasraum 6 erfordert in diesem Zusammenhang keine besonderen Maßnahmen und kann beispielsweise über eine GDE 11a gebildet sein. Sowohl das Blech 8 mit den Kanälen 9 als auch das Streckgitter 10 lassen sich leicht umformen, sodass die Ausbildung der Elektrolysezelle 1 mit einer einzigen Schicht 7 bzw. einer einzigen Baugruppe 2 ohne

Weiteres möglich ist, auch wenn ein Biegeradius insbesondere zu Beginn eines

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Aufwickelvorganges besonders klein ist. Bei einer Ausführung als 2-Kammer-System (sogenannte Zero-Gap-Zelle oder „membrane electrode assembly“, kurz MEA) kann der

Gasraum 6 entffallen.

Zur Herstellung einer Elektrolysezelle 1 mit dem Aufbau gemäß Fig. 7 werden die entsprechenden Schichten 7 bereitgestellt und aufeinandergelegt. Soweit erforderlich, werden dabei auch außenseitige Dichtungen 12, wie diese ebenfalls in Fig. 7 angedeutet sind, zur Stromisolierung miteingelegt. Des Weiteren wird zur Abdichtung der Kammern auch eine Medienabdichtung mitangeordnet. Durch das Aufrollen der Schichten 7 zu einer Spirale wird der Kern der Elektrolysezelle 1 gebildet. Die Dichtungen 12 werden dabei mitaufgerollt und damit auch eingepresst, was für eine exzellente Dichtwirkung bei Betrieb der Elektrolysezelle 1 sorgt. Anschließend kann ein Zylinder 3 aufgepresst und dieser mit einem kopfseitigen Deckel verbunden werden. Zuleitungen 41, 51, 61 sowie

Ableitungen 42, 52, 62 werden bei diesem Vorgang an der geeigneten Stelle seitlich positioniert und mitaufgerollt. Wenn die Schichten 7 zur Bildung eines Zylinders 3 rechteckig ausgebildet sind, können die Zuleitungen 41, 51, 61 sowie die Ableitungen 42, 52, €2 seitlich an der Breitseite der jeweiligen Schicht 7 angebracht werden. Im finalen Zustand verlaufen somit diese Leitungen parallel zu einer Längsachse des Zylinders 3. Alle Leitungen können über den Deckel, der am Zylinder 3 befestigt ist, nach außen geführt werden. Die Elektrolysezelle 1 ist somit insgesamt dicht und auch dichtend

umgeben und kann für den Einsatz mit Fluiden beaufschlagt werden.

In Fig. 8 ist eine Elektrolysezelle 1 in einer weiteren Ausführungsvariante dargestellt. Die Elektrolysezelle 1 ist in Fig. 9 dargestellt. Die Darstellung in Fig. 8 entspricht einem Schnitt entlang der Linie VIN-VIIl in Fig. 9. WMe in Fig. 8 ersichtlich ist, ist die Elektrolysezelle 1 grundsätzlich etwa zylinderförmig aufgebaut. Die Elektrolysezelle 1 ist zur Konvertierung von CO» in ein Produktgas ausgelegt. Grundsätzlich kann die Elektrolysezelle 1 aber auch für andere Elektrolyseverfahren eingesetzt werden. Elektrolysezelle 1 weist im Inneren den erläuterten schichtförmigen bzw. spiralförmigen Aufbau auf und ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 und Fig. 9 als Drei-KammerSystem aufgebaut. CO>, wird seitlich zugeführt, ebenso wie ein Anolyt. Katholyt wird ebenfalls seitlich zugeführt, und kopfseitig ebenfalls seitlich abgeführt. Der Anolyt wird durch die Elektrolysezelle 1 nach der seitlichen Einführung durch den Mantel des

Zylinders 3 bodenseitig abgeführt, das Produktgas hingegen kopfseitig. Der Aufbau der

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Elektrolysezelle 1 ist kompakt und kann beispielsweise bei der nachstehend erläuterten und in Fig. 10 ersichtlichen Anlage eingesetzt werden. Die Kathodenan- und -abströmung bzw. ist dabei gemäß Fig. 5c und die Anodenan- und -abströmung gemäß Fig. 5d

aufgebaut.

In Fig. 10 ist eine Anlage 14 mit einer Elektrolysezelle 1 dargestellt. Die Anlage 11 umfasst neben der Elektrolysezelle 1 einen Anolytbehälter 15 und einen

Katholytbehälter 16 sowie einen Produktbehälter 17, aus dem beispielsweise Methanol und/oder Ameisensäure abgenommen werden können. Die entsprechenden Behälter stehen mit der Elektrolysezelle 1 in Verbindung. Insbesondere sind geeignete Leitungen vorgesehen, die dazu eingerichtet sind, Anolyt in die Elektrolysezelle 1 einzubringen und aus dieser wieder zurückzuführen. Analoges ist in Bezug auf eine Umwälzung des Katholyten vorgesehen. Darüber hinaus ist für die Gaszufuhr eine entsprechende Leitung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, Kohlenstoffdioxid oder gegebenenfalls ein Gas enthaltend Kohlenstoffdioxid in die jeweiligen Gasräume 6 der Elektrolysezelle 1 zuzuführen. Das Gas wird hierbei mit einem Druck im Bereich von beispielsweise 1,5 bar oder mehr zugeführt. Dabei kann das Gas im Kreislauf geführt werden, wie dies in Fig. 10 ersichtlich ist. Dadurch kann CO>, im Kreis geführt werden, sodass dieses bestmöglich umgesetzt werden kann. Gasförmige Produkte können in einem Behälter 18 gesammelt werden. Hierfür wird durch eine entsprechende Trenneinrichtung das umgesetzte Produkt aufgetrennt und zum Beispiel in dem Behälter 18 gespeichert. Nicht umgesetztes CO,

wird wieder dem Kreislauf zugeführt.

Auch wenn die Erfindung vorstehend exemplarisch für Ausführungsbeispiele zur Konversion von CO-‚ in ein Synthesegas dargestellt wurde, lässt sich eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle 1 auch für die Elektrolyse anderer Edukte und auch

zur Elektrosynthese einsetzen und ist nicht auf eine Konversion von CO>, beschränkt.

Claims (20)

15 20 25 30 14 Patentansprüche

1. Elektrolysezelle (1), insbesondere zur Konvertierung von CO, durch Elektrolyse, umfassend zumindest eine Baugruppe (2) mit zumindest einem Anodenraum (4) mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung (41) für einen Anolyt, zumindest einem Kathodenraum (5) mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung (51) für einen Katholyt und optional zumindest einem an den Kathodenraum (5) anschließenden und mit diesem in Verbindung stehenden Gasraum (6) mit zumindest einer Zuleitung (61), über welche ein Gas wie CO, in den Kathodenraum (5) und/oder Gasraum (6) einspeisbar ist, sowie Ableitungen (42, 52, 62), dadurch

gekennzeichnet, dass die zumindest eine Baugruppe (2) spiralförmig angeordnet ist.

2. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmige Anordnung durch eine einzige aufgerollte Baugruppe (2) umfassend den Anodenraum (4) und den Kathodenraum (5) sowie gegebenenfalls den optionalen

Gasraum (6) gebildet ist.

3. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmige Anordnung durch mehrere gebogene Baugruppen (2) umfassend jeweils einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (5) sowie gegebenenfalls einen optionalen Gasraum (6) gebildet ist, wobei die Baugruppen (2) versetzt zueinander und

aneinander anliegend angeordnet sind.

4. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

dass die Baugruppe (2) oder die Baugruppen (2) zu einem Zylinder (3) angeordnet sind.

5. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

dass die Baugruppe (2) oder die Baugruppen (2) aus Schichten (7) gebildet sind.

6. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zuleitungen (41, 51, 61) und/oder Ableitungen (42, 52, 62) zur seitlichen Anspeisung der Schichten (7) eingerichtet sind.

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7. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Anodenraum (4) und/oder der zumindest eine Kathodenraum (5) mit einem Blech (8) mit Kanälen (9) ausgebildet ist, wobei die Kanäle (9) zur Leitung des

Anolyten oder des Katholyten eingerichtet sind.

8. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Anodenraum (4) und/oder dem zumindest einen Kathodenraum (5) im

Anschluss an das Blech (8) ein Streckgitter (10) vorgesehen ist.

9. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckgitter (10) eine Distanz zu einer Kammertrennschicht wie einer Membran (11)

überbrückt, welche an den nächsten Raum anschließt.

10. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass außenseitig ein Gehäuse (13) vorgesehen ist, welches vorzugsweise auf die

Baugruppe (2) oder die Baugruppen (2) aufgepresst ist.

11. Verfahren zur Konvertierung eines Gases wie CO, durch Elektrolyse, insbesondere mit einer Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gas wie CO- in einen Kathodenraum (5) oder einen mit einem solchen in Verbindung stehenden Gasraum (6) eingespeist und reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas wie CO, in eine spiralförmige Anordnung mit zumindest einem Anodenraum (4) und zumindest einem Kathodenraum (5) sowie optional zumindest einem Gasraum (6)

eingespeist wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anolyt in einem Anodenraum (4) und/oder ein Katholyt in einem Kathodenraum (5) durch ein Blech (8) mit Kanälen (9) geleitet wird, wobei eine Fließrichtung innerhalb des Anodenraums (4) bzw.

des Kathodenraums (5) durch die Kanäle (9) bestimmt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Anolyt

und/oder Katholyt über ein Streckgitter (10) an eine Kammertrennschicht wie eine

Membran (11) anströmen gelassen wird.

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14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenraum (4) und der Kathodenraum (5) schichtförmig aufgebaut sind und der

Anolyt und der Katholyt seitlich in die jeweilige Schicht (7) zugeführt werden.

15. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle (1) zur Konvertierung eines Gases wie CO, durch Elektrolyse, insbesondere einer Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest eine Baugruppe (2) mit zumindest einem Anodenraum (4) mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung (41) für einen Anolyt, zumindest einem Kathodenraum (5) mit zumindest einer mit diesem in Verbindung stehenden Zuleitung (51) für einen Katholyt und optional zumindest einem an den Kathodenraum (5) anschließenden und mit diesem in Verbindung stehenden Gasraum (6) mit zumindest einer Zuleitung (61), über welche das Gas wie CO, in den Kathodenraum (5) und/oder Gasraum (6) einspeisbar ist, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass den Anodenraum (4) und den Kathodenraum (5) sowie optional den Gasraum (6) bildende Komponenten als Schichten (7) bereitgestellt und spiralförmig

angeordnet, insbesondere aufgewickelt, werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (7) mit Zuleitungen (41, 51, 61) und Ableitungen (42, 52, 62) bereitgestellt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (7) mit außenseitig angeordneten Dichtungen (12) angeordnet bzw.

aufgewickelt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (7) zumindest teilweise mit Blechen (8) mit Kanälen (9) und mit Streckgitter (10)

sowie Kammertrennschichten wie Membranen (11) gebildet werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (7) zu einem Zylinder geformt und außenseitig mit einem Gehäuse (13)

ummantelt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (13)

aufgepresst wird.