CN111712593A - 用于电化学转化的无分离器的双gde电解池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电解池、一种包括相应电解池的电解设备以及一种使用电解池或电解设备进行电化学转化的方法，该电解池包括包含阴极的阴极室、包含阳极的阳极室以及布置在阴极与阳极之间的盐桥室，其中阴极室和盐桥室通过阴极彼此隔开，并且盐桥室和阳极室通过阳极彼此隔开，并且阴极和阳极被设计为气体扩散电极。

Description

用于电化学转化的无分离器的双GDE电解池
技术领域
本发明涉及一种电解池、一种包括相应电解池的电解设备以及一种使用电解池或电解设备进行电化学转化的方法，该电解池包括包含阴极的阴极室、包含阳极的阳极室以及布置在阴极与阳极之间的盐桥室，其中阴极室和盐桥室通过阴极彼此隔开，并且盐桥室和阳极室通过阳极彼此隔开，并且阴极和阳极被设计为气体扩散电极。
背景技术
目前，通过燃烧化石燃料覆盖了全球约80％的能量需求。通过这些燃烧过程，2011年全球向大气中排放了约340.327亿吨二氧化碳(CO2)。这种排放是清除大量CO2(褐煤发电厂每天超过5万吨)的最简单的方式。
关于温室气体CO2对气候的负面影响的讨论导致了对CO2的再利用的考虑。由于CO2在热力学上能量很低，因此难以将CO2再次还原为可利用的产物。
在自然界中，通过光合作用将CO2转化为碳水化合物。就时间而言以及在分子水平上就空间而言，该过程被分为许多子步骤，并且难以在工业规模上再现。目前，与纯光催化相比较为高效的方式是电化学还原CO2。一种混合形式是光辅助电解和电辅助光催化。根据观察者的观点，这两个概念作为同义词使用。
与在光合作用中一样，在该过程中通过(必要时，以光辅助的方式)供给电能，将CO2转化成能量价值较高的产物(诸如CO、CH4、C2H4等)，电能从诸如风或太阳的可再生能源中获得。在该还原中所需的能量在理想状况下对应于燃料的燃烧能，并且优选地应当仅来自于可再生来源。然而，可再生能源的生产过剩并不是持续可用的，而是目前仅在具有强烈的太阳辐射和强风时可用。然而，随着可再生能源的进一步发展，这将在不久的将来改善。
在水性电解质溶液中，CO2在固体电极处的电化学还原提供了许多可能的产物，表1中示出了这些可能的产物在不同金属阴极处的示例性法拉第效率，表1引用自Y.Hori发表在C.Vayenas,等人(编辑),Modern Aspects of Electrochemistry,Springer,New York,2008,第89至189页的出版物“Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes”。
表1：在不同电极材料上电解CO2的法拉第效率
Figure BDA0002630303380000021
目前存在关于化学工业的电气化的讨论。这意味着，优选地，应当通过供给优选地来自可再生来源的多余电能，来从CO2(CO)、H2O中制备化学原料或燃料。在这种技术的引入阶段中，目标是使一种物质的经济价值显著高于该物质的热值(燃烧值)。
在过去的几十年中，电解方法得到了显著发展。可以向高电流密度优化PEM水电解。具有兆瓦级功率的大型电解槽已经被引入到市场上。
然而，电解CO2还面临一些其它的特殊挑战。一方面，不同于电解水，电解质介质和底物不相同。因此，可用的CO2电解槽通常必须能够处理较多的组分(额外的气体供给)。另一方面，CO2底物还可以与电解质介质反应，并且与电解质介质中所含有的载流子形成“加合物”，例如，根据操作模式中的pH值而为：
CO2+OH-→HCO3 -或
CO2+2OH-→CO3 2-。
因此，“CO2”可以以(既可以是带电的，也可以是不带电的)不同物种的形式存在于电解槽所含有的多种物质流中，甚至所有物质流中。其它气体例如在制取O2或者制备H2O时也可能出现类似的问题。
因此，就目前而言，高效的物质运输方案对于电解CO2至关重要。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种在转化和/或制取气体时可以实现高效的过程控制的电解池。
发明人已经发现：有利的是，将电解池的两个电极都实施为气体扩散电极(GDE)并且作为气体扩散电极运行。因此，用于分开产物气体的分离器变得多余，特别是膜和隔膜变得多余，因为电极本身就可以承担该功能。通过这种方式，可以避免这些分离器(例如，膜)的额外的离子传导电阻，并且可以避免由呈气泡形式的产物气体导致的对电流的干扰或者对电极表面部分的隔离。与具有实心阳极的电解池或者具有零间隙网格阳极的电解池相比，这是显著的优点。
在第一方面中，本发明涉及一种电解池，包括：
–包含阴极的阴极室；
–包含阳极的阳极室；以及
–布置在阴极与阳极之间的盐桥室，
其中阴极室与盐桥室通过阴极彼此隔开，并且盐桥室与阳极室通过阳极彼此隔开，并且阴极和阳极被设计为气体扩散电极，其中盐桥室没有分离器，并且其中阴极和阳极在盐桥室侧上没有分离器。
本发明还涉及一种包括根据本发明的电解池的电解设备。
还公开了一种用于在根据本发明的电解池或根据本发明的电解设备中电化学转化至少一种反应物气体的方法，其中向电解池的阴极室和/或阳极室供给至少一种反应物气体，并且公开了一种用于在根据本发明的电解池或根据本发明的电解设备中制取至少一种产物气体的方法，其中从盐桥室中的电解质中制备至少一种产物气体，并且将这些产物气体从阴极室和/或阳极室中导出。
可以从从属权利要求和具体实施方式中得到本发明的其它方面。
附图说明
附图旨在说明本发明的实施方式，并且提供对这些实施方式的进一步理解。附图用于结合说明书来解释本发明的方案和原理。参考附图可以得出其它的实施方式和所提及的许多优点。附图的元素不一定相对于彼此按比例绘制。除非另有说明，否则相同的、功能相同的以及作用相同的元素、特征和部件在附图中具有相同的附图标记。
图1示意性地示出了现有技术的电解池布置。
与此相反，图2至图4示意性地示出了根据本发明的电解池布置。
图5示意性地示出了在本发明的一个示例中所使用的电解池。
图6至图10示出了在根据本发明的示例中所得到的结果。
具体实施方式
定义
除非另有定义，否则本文中所使用的技术术语和科学术语具有与这些术语由本领域技术人员通常所理解的含义相同的含义。
除非另有说明或者可以从上下文中看出，否则在本发明的范畴中，计量是wt％。在根据本发明的气体扩散电极中，wt％份额总计为100wt％。
在本发明的范畴中，“疏水的”是指排斥水的。因此，根据本发明，疏水的孔和/或通道是排斥水的孔和/或通道。特别地，根据本发明，疏水性与具有非极性基团的物质或分子相关。
相反地，“亲水的”应当理解为能够与水和其它极性物质相互作用。
气体扩散电极(GDE)通常是其中存在液相、固相和气相的电极，并且特别地，在这样的电极中，导电催化剂可以催化液相与气相之间的电化学反应。
实施方式可以是不同类型的，例如实施为具有可选的用于调节疏水性的辅助层的多孔“实心催化剂”；或者实施为导电多孔载体，催化剂可以以薄层形式被施加到该导电多孔载体上。
特别地，在本发明的范畴中，气体扩散电极(GDE)是气体可以在电极内部通过扩散移动的多孔电极。气体扩散电极分别用于将阳极室与盐桥室分隔开，以及将阴极室与盐桥室分隔开。特别地，根据某些实施方式，气体扩散电极被设计为将气体室和电解质室彼此分隔开。特别地，根据某些实施方式，气体扩散电极还具有如下特征：产物气体可以在背离对电极的一侧从这些气体扩散电极中逸出，即，进入阴极室和/或阳极室。例如，这些气态产物可以从液态的或已溶解的反应物中产生(由液体生成气体的电解，例如，2 H2O→O2+4H++4e-)，或者这些气态产物可以从气态反应物中产生(由气体生成气体的电解，例如，2 CO2→CO+CO3 2-)，特别地，该气态反应物从电极背离对电极的一侧渗入该电极。在这种情况下，在本发明的范畴中，GDE不必在其整个平面上是透气的，因为气体不必进入电解质，并且根据某些实施方式，气体也不会进入电解质——即，不存在流动通过布置(Flow-Trough-Anordnung)。电化学转化的液态的和/或已溶解的产物和/或副产物、特别是在电化学转化中产生的载流子可以由电极释放到电解质中。如果电化学转化在GDE处的主产物是液态的或已溶解的，则该主产物可以从电极转移到电解质中(由气体生成液体的电解，例如，
CO2+2 H2O+2e-→HCOOH+2OH-)。
常压是101325Pa＝1.01325bar。
电渗：
电渗应当理解为一种电动现象，其中朝向阴极的力作用在溶液中的具有正Zeta电位的粒子上，并且朝向阳极的力作用在所有具有负Zeta电位的粒子上。如果在电极处发生转化，即，如果有动电电流流过，则独立于物种是否参与转化，具有正Zeta电位的粒子的物质流流向阴极。这相应地适用于负Zeta电位和阳极。如果阴极是多孔的，则还将介质泵送穿过电极。这也被称为电渗泵。
由电渗引起的物质流还可以逆浓度梯度流动。通过这种方式，可以过度补偿由扩散引起的补偿浓度梯度的流。
在本发明的范畴中，分离器是一个屏障，例如是一层，该屏障可以实现电解池中的不同室(例如，阳极室、盐桥室、阴极室)之间的在空间上的分隔和至少部分地在物质上的分隔，以及阳极与阴极之间的在电学上的分隔，但是该屏障允许不同室之间的离子传输。特别地，分离器不像电极那样具有相应的固定电位。此外，特别地，根据某些实施方式，分离器是如下的屏障，这样的屏障具有均匀的表面涂层并且被设计为是平面的。特别地，膜和隔膜被视为分离器。因此，特别地，在根据本发明的电解池中，盐桥室没有膜和隔膜，并且阴极和阳极在盐桥室的各侧上也都没有膜和隔膜。
根据某些实施方式，根据本发明的电解池不包含如下的固态平面层，这样的固态平面层具有特别是“嵌入的”、位置固定的离子传输。在根据本发明的电解池中，可以由电解质本身承担离子传输。
由于电解质子流中的载流子积累，分离器可能会对电解池的运行带来严重的不利影响。特别是在电解质中含有不在电极处(阳极和/或阴极)分解的离子的情况下，和/或在分离器没有离子选择性或者分离器的离子选择性没有选择好的情况下。在电解质流通过时，阳离子可以进入阴极电解质(与阴极接触的电解质流)和/或阴离子可以进入阳极电解质(与阴极接触的电解质流)。随后，由电极产生这些载流子的反荷离子。因此，在流出电解池时，电解质的成分与在流入电解池时不同。特别是在非常大的电解池中，这可能会产生问题。根据某些实施方式，在特别是仅具有一个电解质流的根据本发明的双GDE电解池方案中不会出现这种问题。
此外，特别地，根据某些实施方式，在盐桥室中不出现气密的分离器或诸如气密的玻料之类的其它气体分离装置。
在第一方面中，本发明涉及一种电解池，包括：
–包含阴极的阴极室；
–包含阳极的阳极室；以及
–布置在阴极与阳极之间的盐桥室，
其中阴极室与盐桥室通过阴极彼此隔开，并且盐桥室与阳极室通过阳极彼此隔开，并且阴极和阳极被设计为气体扩散电极，其中盐桥室没有分离器，并且其中阴极和阳极在盐桥室侧上没有分离器。
在这里，考虑到盐桥室用作阳极或阳极装置与阴极或阴极装置之间的“桥”的功能而使用术语“盐桥室”，在这里，盐桥室具有阳离子和阴离子，但是这些阳离子和阴离子在这里并不一定形成盐。考虑到盐桥室借助于阳极与阴极之间的离子进行电荷交换的功能，还可以将盐桥室称为离子桥室。然而，由于“离子桥室”这一术语并不常用，因此即使在常规意义上在该室中并不一定存在盐，根据本发明仍将该室称为盐桥室。
盐桥室的尺寸不受特别限制，并且盐桥室可以被设计为例如阳极与阴极之间的室或间隙，该阳极和阴极例如相对于彼此平行布置。
只要阴极室、阳极室和盐桥室可以容纳阴极和阳极，并且阴极室、阳极室和盐桥室通过阳极和阴极彼此隔开，即，在空间上分隔开，其中在气体扩散电极内部可以通过呈气体扩散电极形式的阴极和阳极的孔进行物质接触，则在根据本发明的电解池中，阴极室、阳极室和盐桥室在形状、材料、尺寸等方面不受特别限制。
在这里，可以根据待进行的电解为各个室相应地提供用于反应物和产物的给料装置和排料装置，其中必要时还可以分别再循环反应物和产物，反应物和产物例如是液体、气体、溶液、悬浮液等形式。对此同样没有限制，并且可以以平行的流或者以逆流流动通过各个室。例如，在CO2的电解中——其中CO2可以还含有CO，即，含有例如至少20vol％CO2，向阴极以气体形式供给CO2——例如在三室结构的情况下，以相对于盐桥室中的电解质流的逆流。在这里没有限制。
对于阳极室也存在相应的给料可能性，并且将在下文中更详细地说明。相应的供给可以以连续的或不连续的形式(例如以脉冲形式等)而被提供，为此在根据本发明的电解设备中可以相应地提供有泵、阀等——这也将在下面讨论——还可以提供有冷却装置和加热装置，以便可以在阳极处和/或在阴极处相应地催化所期望的反应。根据优选的实施方式，阳极室和阴极室基本上仅包括气态底物，优选地仅包括气态底物(即，气态的反应物和/或产物)，使得如果存在相应的给料装置和/或排料装置，则相应的给料装置和排料装置被设计为供给和/或排出气态物质，和/或液态底物(即，液态的反应物和/或产物)经由盐桥室中的电解质被供给和/或排出，使得相应的给料装置和排料装置被设计为供给和/或排出例如水性电解质的液态电解质。
在这里，相应的室的材料或电解池的材料和/或电解设备的其它组成部分的材料还可以相应地以适当的方式适应于所期望的反应、反应物、产物、电解质等。此外，每个电解池当然还包括至少一个电源。在根据本发明的电解设备或电解池中，还可以提供有在电解池或电解设备中出现的其它设备零件。根据某些实施方式，由这些单个电解池构造包括2个至1000个电解池的电解池堆，优选是包括2个至200个电解池的电解池堆，并且该电解池堆的运行电压优选地在3V至1500V的范围中，特别优选地在200V至600V的范围中。
根据某些实施方式，为了稳定化和确保力配合，例如在电解池堆中，盐桥室可以包含填充介质，该填充介质被设计为非封闭的，例如呈以下形式：填充物、编织物、弹性元件、网、例如海绵状的多孔结构体、和/或例如规则的多孔自支撑结构体。该填充介质还可以进一步官能化(例如，酸性地官能化和/或碱性地官能化)，以便适当地设置盐桥室中电解质的pH，和/或改善盐桥室中的电解质传输，和/或可选地，使所形成的离子进一步反应，例如在电解CO2时的HCO3 -离子，因此又可以回收CO2并且可选地再循环CO2。
根据本发明，只要阴极被设计为气体扩散电极，并且可以例如关于反应产物适于所期望的半反应，则阴极不受特别限制。阴极可以被构造为单层的或多层的，并且可以具有合适的材料作为用于阴极处的反应物的电化学转化的催化剂，特别是至少一种气态反应物的电化学转化的催化剂。当然，在阴极处，盐桥室中的材料还可以转化为气体，随后，该气体可以通过阴极室逸出，例如在将水电解为H2时。
例如，用于还原CO2和可能的CO的阴极可以包含金属，诸如Cu、Ag、Au、Zn、Pb、Sn、Bi、Pt、Pd、Ir、Os、Fe、Ni、Co、W、Mo等或这些金属的混合物和/或这些金属的合金，优选地是Cu、Ag、Au、Zn、Pb、Sn或这些金属的混合物和/或这些金属的合金和/或这些金属的盐，其中合适的材料可以适于所期望的产物。因此，可以根据所期望的产物来选择催化剂。例如，在将CO2还原为CO的情况下，催化剂优选地基于Ag、Au、Zn和/或这些金属的化合物，诸如Ag2O、AgO、Au2O、Au2O3、ZnO。对于制备烃，优选Cu或含Cu的化合物，诸如Cu2O、CuO和/或含其它金属的含铜混合氧化物等。对于制备甲酸，催化剂可以例如基于Pb、Sn和/或Cu，特别是基于Pb、Sn。
阴极是其上发生还原性半反应的电极。阴极可以以单层或多层的方式被实现为气体扩散电极。例如，该气体扩散电极可以被设计为：可选地具有至少一种粘接剂的多孔催化剂结构体；具有多孔催化剂结构体的复合材料；无催化活性的多孔导电结构体，例如，碳纸GDL或Carbon-Paper-GDL(gas diffusion layer，气体扩散层)、碳布GDL或Carbon-Cloth-GDL和/或由颗粒状玻璃碳制成的聚合物结合膜，利用阴极的催化剂浸渍该聚合物结合膜；颗粒状催化剂，借助合适的离聚物将该颗粒状催化剂施加到例如多孔导电载体的合适载体上；多孔导电载体，利用合适的催化剂浸渍该多孔导电载体；非离子传导的气体扩散电极，随后利用合适的离聚物(例如，特别是对于CO2电解，阴离子传导离聚物)浸渍该气体扩散电极；等等。
阴极还可以在GDE的电解质侧上具有开孔离子传导层，例如用于保护催化剂不受机械腐蚀，例如以颗粒状离子交换剂的开孔结合层的形式。根据某些实施方式，阴极没有封闭的离子传导层。
上面所描述的电极结构的各种组合同样可以作为阴极。
在这里，相应的阴极还可以含有阴极中的常用材料，诸如粘接剂、离聚物(例如，阴离子传导离聚物)、填料、亲水性添加剂等，这些材料不受特别限制。根据某些实施方式，除了催化剂之外，阴极还可以含有例如导电的至少一种载体材料(例如，诸如钛之类的金属)；和/或至少一种非金属，诸如碳、Si、氮化硼(BN)、掺硼金刚石等；和/或至少一种导电氧化物，诸如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或氟化氧化锡(FTO)——例如与用于制备光电极相同的导电氧化物；和/或基于聚乙炔、聚乙氧基噻吩、聚苯胺或聚吡咯的至少一种聚合物(例如在阴极是基于聚合物的电极的情况下)；(例如当催化剂层具有足够的电导率时，不导电载体(例如，聚合物网)也是可行的)；粘接剂(例如，亲水聚合物和/或疏水聚合物，例如有机粘接剂，例如选自PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基聚合物)、FEP(氟化乙丙烯共聚物)、PFSA(全氟磺酸聚合物)和以上有机粘接剂的混合物，特别是PTFE)；导电填料(例如，碳)；不导电填料(例如，玻璃)和/或亲水性添加剂(例如，Al2O3、MgO2、亲水材料、诸如聚砜，例如聚苯砜、聚酰亚胺、聚苯并恶唑或聚芳醚酮或通常在电解质中电化学稳定的聚合物、聚合的“离子液体”，和/或有机导体，诸如PEDOT:PSS或PANI(樟脑磺酸掺杂的聚苯胺)，这些组分不受特别限制。
阳极同样是气体扩散电极。此外，根据本发明，阳极同样不受特别限制，并且可以例如关于反应产物适于所期望的半反应。在阳极室中，在阳极处发生物质的氧化，该阳极借助于提供用于电解的电压的电源与阴极电连接。此外，阳极的材料不受特别限制，并且主要取决于所期望的反应。与阴极一样，阳极可以被构造为单层的或多层的，并且可以具有合适的材料作为用于阳极处反应物的电化学转化的催化剂，特别是至少一种气态反应物的电化学转化的催化剂。当然，盐桥室中的材料还可以在阳极处转化为气体，该气体随后可以通过阳极室逸出，例如在将水电解为O2时。
示例性的阳极材料包括铂或铂合金、钯或钯合金以及玻璃碳、铁、镍等。其它的阳极材料还有导电氧化物，诸如掺杂的TiO2或未掺杂的TiO2、铟锡氧化物(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、掺铝氧化锌(AZO)、氧化铱等。可选地，还可以仅通过薄膜技术将这些催化活性化合物施加在表面上，例如施加在钛和/或碳载体上。阳极催化剂不受特别限制。还使用例如IrOx(1.5<x<2)或RuO2作为用于制取O2或Cl2的催化剂。这些还可以作为含其它金属的混合氧化物(例如，TiO2)存在，和/或负载在诸如C(以导电炭黑、活性炭、石墨等的形式)之类的导电材料上。备选地，还可以利用基于Fe-Ni或Co-Ni的催化剂来制取O2。
阳极是其上发生氧化性半反应的电极。阳极可以以单层或多层的方式被实现为气体扩散电极。例如，该气体扩散电极可以被设计为：可选地具有至少一种粘接剂的多孔催化剂结构体；具有多孔催化剂结构体的复合材料；无催化活性的多孔导电结构体，例如，碳纸GDL或Carbon-Paper-GDL(gas diffusion layer，气体扩散层)、碳布GDL或Carbon-Cloth-GDL和/或由颗粒状玻璃碳制成的聚合物结合膜，利用阴极的催化剂浸渍该聚合物结合膜；颗粒状催化剂，借助合适的离聚物将该颗粒状催化剂施加到例如多孔导电载体的合适载体上；多孔导电载体，利用合适的催化剂浸渍该多孔导电载体；非离子传导的气体扩散电极，随后利用合适的离聚物(例如，阴离子传导离聚物或阳离子传导离聚物)浸渍该气体扩散电极；等等。
阳极还可以在GDE的电解质侧上具有开孔离子传导层，例如用于保护催化剂不受机械腐蚀，例如以颗粒状离子交换剂的开孔结合层的形式。根据某些实施方式，阳极没有开孔离子传导层。根据某些实施方式，阴极和阳极都没有封闭的离子传导层。
在这里，不同阳极结构的各种组合同样是可行的。
相应的阳极同样可以含有阳极中的常用材料，诸如粘接剂、离聚物(例如，阳离子传导离聚物，例如含有磺酸基基团和/或磷酸基基团的阳离子传导离聚物)、填料、亲水性添加剂等，这些材料不受特别限制，并且这些材料例如在上文中参考阴极进行了描述。根据某些实施方式，除了催化剂之外，阳极还可以含有例如导电的至少一种载体材料(例如，诸如钛之类的金属)；和/或至少一种非金属，诸如碳、Si、氮化硼(BN)、掺硼金刚石等；和/或至少一种导电氧化物，诸如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)或氟化氧化锡(FTO)——例如与用于制备光电极相同的导电氧化物；和/或基于聚乙炔、聚乙氧基噻吩、聚苯胺或聚吡咯的至少一种聚合物，(例如，在阳极室基于聚合物的电极的情况下)；(例如当催化剂层具有足够的电导率时，不导电载体(例如，聚合物网)也是可行的)；粘接剂(例如，亲水聚合物和/或疏水聚合物，例如有机粘接剂，例如选自PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基聚合物)、FEP(氟化乙丙烯共聚物)、PFSA(全氟磺酸聚合物)和以上有机粘接剂的混合物，特别是PTFE)；导电填料(例如，碳)；不导电填料(例如，玻璃)和/或亲水性添加剂(例如，Al2O3、MgO2、亲水材料、诸如聚砜，例如聚苯砜、聚酰亚胺、聚苯并恶唑或聚芳醚酮或通常在电解质中电化学稳定的聚合物、聚合的“离子液体”，和/或有机导体，诸如PEDOT:PSS或PANI(樟脑磺酸掺杂的聚苯胺)，这些组分不受特别限制。
根据某些实施方式，阳极和/或阴极与导电结构体接触。该导电结构体在这里不受特别限制。在这里，导电结构体可以是例如碳绒、金属泡沫、金属编织物、金属网、石墨结构体或金属结构体。
对于催化剂电极处的电化学转化中的一些电化学转化，水的存在也是有利的。
例如，3 CO2+H2O+2e-→CO+2 HCO3 -
或者根据pH值：2CO2+2e-→CO+CO3 2-
因此，根据某些实施方式，阳极和/或阴极至少在朝向盐桥室的一侧上具有足够的亲水性。可选地，可以通过亲水性添加剂(诸如TiO2、Al2O3或其它电化学惰性的金属氧化物等)来调整亲水性。
如上面所描述的，阳极和/或阴极可以被构造为单层或多层的。在下文中解释可以在呈气体扩散电极形式的阴极和/或阳极中存在的层的实施例。如在上文或下文中所描述的，可以通过挤压、延压、冲压、铸造、刮涂等方式例如在电接触部或其它层上形成这些层。
如果阳极和/或阴极被构造为单层电极，则层可以是例如挤压、延压、冲压或铸造而成的多孔层，该层包含例如呈粉末形式的如上文示例性说明的至少一种电化学活性催化剂，以及如上文说明的至少一种粘接剂。此外，该层还可以含有：如上文说明的用于设置亲水性和/或疏水性的添加剂、用于改善电导率的添加剂、用于改善离子传导性的添加剂、机械支撑结构或电支撑结构和/或填充材料。在这里，还可以例如在如上文示例性说明的载体上使用催化剂。在这里，催化剂的量不受特别限制，并且例如为5％至10％的负载量。
如果阴极和/或阳极被设计为多层GDE，则阴极和/或阳极可以含有例如以下层：
–作为气体扩散层的疏水层：
如果该层存在——例如如果GDE中不存在其它可以阻止气体进入盐桥室的层——则该层优选地是非电化学活性的、疏水的并且非离子传导的。该层用于向电化学活性层中运输气态反应物和从活性层中运走气态产物，以及用于活性催化剂层的电接触。该层还可以附加地用作阻止电解质离子的电渗泵送的阻挡层。根据某些实施方式，疏水层是GDE的结构部件，并且因此也是最厚的层，优选地厚度为50μm至1000μm，更优选地100μm至500μm，例如200μm至300μm。因此，特别地，使用疏水层对于含有很贵的催化剂的GDE是有意义的。
–活性层：
该层含有活性电催化剂，并且优选地是导电的且离子传导的。活性层中的催化剂负载量不受特别限制，并且可以例如是0.5mg/cm-2至10mg/cm-2，优选是1mg/cm-2至4mg/cm-2。有利的是，该层对于在电化学转化中产生的载流子是本征离子传导的。这大幅减少了电解质渗入该层中，并且较好地从电极中运走剩余电荷。根据某些实施方式，为了与水性电解质的良好的润湿性，活性层是亲水的，这可以通过使用相应的粘接剂和/或添加剂设置。根据某些实施方式，该层的表面可以朝着盐桥室中的电解质进行疏水改性，以便改善气体与电解质的分离。活性层是多孔且非气密的。根据某些实施方式，该层比疏水层薄，例如厚度为5μm至500μm，例如10μm至300μm，例如20μm至200μm。
–作为离子传输和载流子生成层的、包含离子交换材料的多孔层：
如果该层存在，则根据某些实施方式，该层以与活性层邻接的方式形成与盐桥室中电解质的边界。该层用于改善GDE的活性层与电解质之间的载流子交换。附加地，该层可以起到保护活性层不被电解质腐蚀或溢流的作用。优选地，该层是本征离子传导的，然而由于多孔性，该层不是分离器，相比于分离器，这可以显著减小电阻。在包含离子交换材料的多孔层中，可以使离子传导的方式特别地与在活性层中进行的转化相匹配。还可以含有在下文中进一步说明的多种离子交换材料。
例如，包含离子交换材料的多孔层可以用于运走在活性层中所产生的载流子，并且同时通过反荷离子阻断备选的、非期望的传输路径。
例如，对于阴极处的二氧化碳电化学转化适用：
3 CO2+2e-+H2O→CO+2 HCO3 2-
如果载流子在活性层处和/或在活性层中被抵消，则包含离子交换材料的多孔层可以改善这些物种的供给。
4 HCO3 -→O2+4 CO2+4e-
为了调整电荷运输路径，包含离子交换材料的多孔层可以被设计为：例如通过离解或质子自递作用从中性物种中产生新载流子。
H2O→OH-+H+
根据某些实施方式，阴极和阳极均不包括包含离子交换材料的多孔层，以便进一步减小电极的电阻并且进一步简化结构。
在下文中详细说明某些实施方式和具有上述层的布置。
根据某些实施方式，阴极和/或阳极具有至少一个活性层，该活性层包含如上文示例性说明的电催化剂。在活性层中，可以例如在合适的粘接剂中引入电催化剂，该粘接剂已经在上文中描述，并且通过该粘接剂可以适当地设置层的亲水性和疏水性，以用于运输气体和/或液体。
根据某些实施方式，阴极和/或阳极被构造为具有至少一个活性层的单层或多层结构。然而，例如，还可以将疏水层连接到该阴极和/或阳极，以用于接触阴极室和/或阳极室。
根据某些实施方式，阴极和/或阳极由活性层组成。根据某些实施方式，特别是在由活性层构成的单层结构中，活性层包含疏水粘接剂，该疏水粘接剂使得能够良好地接触阴极室和/或阳极室，例如用于供给气态反应物和排出气态产物。
根据某些实施方式，阴极在阴极室侧上和/或阳极在阳极室侧上具有如上文说明的疏水层。因此，可以改善气态反应物向阴极室和/或阳极室的供给，和/或气态产物从阴极室和/或阳极室的排出。特别是在具有疏水层和活性层的阴极和/或阳极的双层结构中，这是有利的，在这种情况下，还可以关于亲水性适当地设置活性层，以便良好地接触盐桥室的电解质。
根据某些实施方式，在多层结构中，阴极在阴极室侧上和/或阳极在阳极室侧上同样具有疏水层。在这里，疏水层可以与活性层邻接。在活性层朝向盐桥室的另一侧上还可以连接例如用于接触盐桥室电解质的层和/或用于排出电解时所形成的离子的层，但是该层未被设计成分离器，特别地该层不是平面的。
根据某些实施方式，阴极和/或阳极在盐桥室侧上分别包括包含离子交换材料的多孔层，该离子交换材料不受特别限制，其中阴极上的多孔层优选地含有阴离子交换剂，和/或阳极上的多孔层优选地含有阳离子交换剂。但是，这些层包含离子交换材料，使得离子交换材料不被设计为平面的。例如，可以只在多孔层的孔中和/或还可以在活性层的孔中提供这种离子交换材料。例如，阴极可以含有至少一种离聚物，例如，阴离子传导离聚物或阴离子传输离聚物(例如，阴离子交换树脂、阴离子传输树脂)，该离聚物可以包含例如用于离子交换的各种官能团，这些官能团可以相同或不同，例如，叔胺基团、烷基铵基团和/或磷鎓基团)，和/或阳极可以含有至少一种离聚物，例如，阳离子传导离聚物或阳离子传输离聚物(例如，阳离子交换树脂、阳离子传输树脂)，该离聚物可以包含例如用于离子交换的各种官能团，这些官能团可以相同或不同，例如磺酸基、磷酸基、羧基和/或季硼酸基。
根据某些实施方式，阴极和/或阳极不包含离子交换材料，并且特别地，阴极和阳极都不包含离子交换材料。
在根据本发明的电解池和根据本发明的方法中，上文示例性提及的电极可以以任何方式相互组合。
在根据本发明的电解池中，当然还可以使用市售GDE作为阳极和或阴极。因此，例如，可以将Uhde DeNora的GDE或一般而言所有燃料电池制造商的GDE用于阳极侧上的水氧化。
根据某些实施方式，根据本发明的电解池还包括：
用于第一反应物气体的第一给料装置，该第一给料装置与阴极室连接，并且被设计为向阴极室供给第一反应物气体，
和/或
用于第一产物气体的第一排料装置，该第一排料装置与阴极室连接，并且被设计为从阴极室中排出第一产物气体，
和/或
用于第二反应物气体的第二给料装置，该第二给料装置与阳极室连接，并且被设计为向阳极室供给第二反应物气体，
和/或
用于第二产物气体的第二排料装置，该第二排料装置与阳极室连接，并且被设计为从阳极室中排出第二产物气体。
在这里，各个给料装置和/或排料装置不受特别限制，并且可以以上文描述的方式被设计。在阴极室和/或阳极室处是否存在给料装置和/或排料装置取决于阴极处和/或阳极处的相应的半反应。例如，如果没有气体被转化，例如如果在盐桥室中从电解质形成被排出的气体，则不需要气体供给。如果气体被转化为液体和/或溶于电解质的物质，则在相应的电极室处不需要排料装置。当然，阴极室和/或阳极室还可以分别具有一个给料装置和排料装置，使得可以通过阴极室和/或阳极室向阴极和/或阳极供给反应物，并且可以从阴极室和/或阳极室排出产物。即，可以提供第一给料装置和第一排料装置和/或第二给料装置和第二排料装置。上述布置的组合同样是可行的。
根据某些实施方式，根据本发明的电解池还包括用于电解质的第三给料装置和/或用于电解质的第三排料装置，该第三给料装置被设计为向盐桥室供给电解质，该第三排料装置被设计为从盐桥室中排出电解质。即便是在存在水性电解质的情况下，这也是优选的，以便例如可以补偿产物气体中所夹带的水和/或平衡浓度波动。尽管如此，还可能会出现电解质被消耗的情况，例如在阳极电解水生成O2的情况下，使得仅一个电解质供给部就可以是足够的。同样地，例如在电解时，还可以形成水，使得可以仅需要一个电解质排出部。还可以设想既不需要供给电解质也不需要排出电解质的反应，例如，CO2+SO2→CO+SO3。
在根据本发明的电解池中，根据某些实施方式，至少一种(液态或气态的)流体介质流动通过阴极室、阳极室和/或盐桥室，优选地流动通过所有三个室。然而，根据某些实施方式，阳极室和/或阴极室(特别是阳极室和阴极室)基本上只具有一种气态反应物和/或产物，即，没有液体，因此材料应当被相应地选择。特别地，阴极和/或阳极的朝向阴极室和/或阳极室的一侧因此不被电解质冲刷。
与图1中现有技术的电解设备相比，图2至图4中示出了根据本发明的具有外围设备的电解池的示例性布置。
图1中示出了一种电解设备，该电解设备中电解池1具有阴极K和阳极A以及在阳极处的隔膜DF。在这里，图1中所示的设备示例性地将CO2转化为CO——具有副产物H2和未转化的CO2，将H2和CO2从电解池中排出以便进一步处理，并且在进一步处理后以主要为CO2和H2、CO以及其它产物4的形式再循环。为了进一步转化，再次供给CO2和用于润湿的H2O。H2O在阳极侧上被转化为O2，其中CO2还可以在阳极侧通过并且与O2分开。在图1中，为了稳定的操作模式，从共同的容器3中供给阳极侧上的阳极电解质以及阴极K与隔膜DF之间的电解质，并且在通过电解池后再次混合，以便保持pH、阳离子浓度和阴离子浓度长期恒定。
与此相反，根据某些实施方式，本文所描述的方案仅需要一个电解质回路，使得可以省略用于确保离子传输的措施。
图2示例性地示意性示出根据本发明的电解池，该电解池由于存在两个GDE还可以被称为双GDE电解池。
图2中所示的双GDE电解池由三个室构成——阴极室I、盐桥室II和阳极室III，这些室通过两个GDE——阴极GDE-K和阳极GDE-A——彼此分隔开。在这里，至少一种(液态或气态的)流体介质流动通过所有三个室，其中优选地，阴极室I和阳极室III基本上仅包含气体。
阴极室I位于阴极气体扩散电极GDE-K的背离对电极或盐桥室II的一侧，在该阴极室I中导入用作阴极底物的反应物E-K，例如CO2和/或例如还有CO。如果阴极侧上的电化学转化的产物P-K是气态的，则从该室中排出该产物P-K。这同样适用于竞争性反应的产物，例如H2。
阳极室III用于作为阳极GDE-A的气态反应物E-A和产物P-A的流室。由于阳极反应以及阴极反应在本发明的意义上不受其它限制，可以不需要相应的进气口或出气口，特别是在阳极处。例如，在阳极处生产O2的情况下，不需要进气口，因为可以通过水的氧化产生O2(H2O-2e-→2H++1/2 O2)。
含有至少一种液态组分的电解质位于盐桥室II中，例如从容器R中循环泵送该组分。该电解质一方面用于在电解池中运输载流子，另一方面用于冷却电极。根据GDE电极的某些实施方式，电解质的液态部分可以含有痕量的已溶解的气态产物，并且随后应当被脱气。
不排除在盐桥室II中存在气体，特别是当这些气体由电解质中的化学反应产生时，例如当可以来自CO2电解的HCO3 -与电解质中的质子反应时。
图2中示出从下方的容器R中向电解池中泵送电解质的结构，但是例如在降膜电极的情况下，如DE19954247C2中示例性地示出的，还可以将电解质从上方引入到电解池中。这意味着在电解池运行时不会出现静水压力。在这里，盐桥室的出口或排料装置优选是无回流的，例如具有较粗的管线和相应的容积。优选地，盐桥室的入口或给料装置被设计为使得液体通过其自重流过例如呈间隙形式的盐桥室。在考虑大于1m的高的电解池时，特别是当在盐桥室中不产生气体时，该电解池设计是特别有利的，而根据本发明的电解池和根据本发明的方法可以实现在盐桥室中不产生气体。
具有降膜电极的示例性设计方案在图3和图4中示出。除了如上面所描述的，在降膜电极情况下向盐桥室II的电解质供给之外，图3中的结构与图2中的结构相对应，而图4中示出了在阳极侧不提供反应物入口或不提供反应物供给部的示例性情况，其中例如阳极的产物气体P-A从盐桥室II中的电解质中产生，例如在电解水的情况下。示例性地给出了CO2作为阴极侧的反应物气体，其中还可以是其它反应物气体(诸如CO、CO2与CO的混合物等)。由于在该结构中消耗水，需要外部的供水部(未示出)。
另一示例性的实施方式在图5中示出，该实施方式还用于根据本发明的一个示例中，并且该实施方式直到电解质供应(如图2中)与图4中所示电解池的实施方式相对应。
还公开了一种包括根据本发明的电解池的电解设备。电解池的相应实施方式以及根据本发明的电解设备的其它示例性部件已经在上文中讨论，并且因此还可以用于根据本发明的电解设备。根据某些实施方式，根据本发明的电解设备包括多个根据本发明的电解池，其中不排除除此之外还存在其它电解池。
根据某些实施方式，根据本发明的电解设备还包括至少一个再循环装置，例如对于盐桥室的电解质、阳极室和/或阴极室各一个再循环装置，该再循环装置与盐桥室的排出部和/或阳极室的排出部和/或阴极室的排出部连接，并且该再循环装置与盐桥室的供给部和/或阳极室的供给部和/或阴极室的供给部连接，该再循环装置被配置为用于将阴极反应的反应物可选地在提纯之后再次导入到阴极室中，该阴极反应的反应物可以在盐桥室中形成和/或可以从阴极室和/或阳极室中逸出(还作为未转化的反应物)。根据反应，对于阳极室的反应物还可以相应地考虑通向阳极室的再循环装置。在这里，各个再循环装置不受特别限制，并且可以例如通过管线、管道等实现，只要这些管线、管道适合于对阳极侧和/或阴极侧上的相应的反应物和/或产物——优选地基本上是气体——和/或可能含有所形成的产物的电解质进行再循环。
根据某些实施方式，根据本发明的电解设备还包括用于处理电解质的外部装置，特别是用于除去已溶解的气体的设备，特别地，可以利用该外部装置处理盐桥室中电解质，以便例如除去诸如CO2或O2的气体，从而实现盐桥室中电解质的再循环。根据某些实施方式，根据本发明的电解设备包括用于电解质的再循环装置，该再循环装置与用于电解质的第三给料装置和用于电解质的第三排料装置连接，并且该再循环装置被设计为将电解质在通过电解池之后再循环。根据某些实施方式，用于电解质的再循环装置包括用于处理电解质的装置和/或用于新电解质的输入管线，该输入管线被设计为向经再循环的电解质供给新电解质，以补偿系统中的电解质损耗。
与截至目前的电解设备相比，根据本发明的电解设备可以具有显著较少的、诸如泵、相分离器之类的“外围设备”。
在又一方面中，本发明涉及根据本发明的电解池或根据本发明的电解设备的用于电解CO2和/或CO的用途，该电解设备还可以包括多个根据本发明的电解池。
本发明还涉及一种用于在根据本发明的电解池或根据本发明的电解设备中电化学转化至少一种反应物气体的方法，其中向电解池的阴极室和/或阳极室供给至少一种反应物气体。在这种方法中，还可以从盐桥室中的电解质中产生至少一种产物气体和/或从阴极室和/或阳极室中排出至少一种产物气体，即，既可以向电解池的阴极室和/或阳极室供给反应物气体(例如，向阴极室供给CO2和/或CO)，并且同时又可以从盐桥室中的电解质中获得产物气体和/或从阴极室和/或阳极室中排出产物气体(例如，在以水为电解质电解水时，从阳极室中排出O2)。当然，例如，还可以产生不溶于盐桥室的电解质中的产物，该产物随后通过阴极室和/或阳极室被排出，例如作为气体或液体或可选地还作为固体(例如，取决于电解温度)。相应地，根据本发明的这两种方法并不互相排斥，而是可以互相补充。此外，当然，还可以向阴极室和阳极室供给至少一种反应物气体。
根据某些实施方式，至少一种反应物气体是CO2和/或CO，并且被供给到阴极室。例如，在阳极侧上，可以从HCl中制备氯或从水中制备O2等，并且阳极反应不受特别限制，使得在这里，可以设想在阳极侧上具有或没有给料装置或者具有或没有排料装置的实施方式，其中存在至少一个给料装置或排料装置。用于CO2和/或CO的至少一个给料装置位于在阴极侧上。
本发明的另一方面涉及一种用于在根据本发明的电解池或根据本发明的电解设备中制取至少一种产物气体的方法，其中从盐桥室中的电解质中制备至少一种产物气体，并且从阴极室和/或阳极室中排出这些产物气体。例如，在该方法中，例如在从作为盐桥室电解质的成分的水中制备H2或O2的情况下，在阴极侧和/或阳极侧上并不一定需要给料装置。但是，根据某些实施方式，根据本发明的方法不是酸中的水电解，因为对于酸中的水电解，电解池过于复杂。但是，根据本发明的方法还适用于碱性水电解。如果根据本发明的方法被实现为碱性水电解，则与目前常用的栅网电极和孔板电极相比，在根据本发明的电解池中使用两个气体扩散电极(GDE)可以显示出明显的改善，这两个气体扩散电极应用于根据本发明的方法中并且在这里，例如，这两个气体扩散电极可以含有镍基催化剂。在这里，这种GDE-碱电解槽可以在高的电流密度下运行，因为可以避免电极结构被反应气体隔离和隔膜的额外的电阻。
可以利用根据本发明的电解池和根据本发明的电解设备来执行根据本发明的方法，使得关于根据本发明的电解池和根据本发明的电解设备所描述的方面、设计方案和实施方式还涉及根据本发明的方法。
在根据本发明的方法中，只要盐桥室中的电解质不损害电极、允许电荷运输并且含有至少一种液态组分，则该电解质不受特别限制。例如，如在关于电解质所参考的DE102017223521.7和US2017037522 A1中所说明的，液态电解质和固态电解质的组合同样是可行的。
根据某些实施方式，在根据本发明的方法中，特别是在制取至少一种产物气体的第二种方法中，电解质包含水。根据某些实施方式，盐桥室被电解质基本上完全填充，并且优选地被充满。
根据某些实施方式，电解质在通过电解池后被再循环到电解池。特别地，在这里，有利的是，通过两个气体扩散电极可以充分地保护电解质不被污染，从而还可以再次使用电解质而无需高成本的净化。但是，可选地，还可以净化电解质。同样不排除在再循环时，例如由电解质反应引起的电解质损耗被代替。
根据某些实施方式，在根据本发明的方法中，阳极室和阴极室基本上没有液体，优选地没有液体，这可以例如通过气体扩散电极中的相应的层来实现。因此，特别地，例如在腐蚀防护方面，阳极侧和/或阴极侧上的再循环回路可以被设计得较简单。
在下文中，将示例性地以图2和图5中所示的双GDE电解池中的CO2电解作为根据本发明的方法的示例进行说明。
在CO2电解中，通过阴极室I向阴极GDE供给CO2作为反应物气体E-K，CO2例如在阴极GDE的活性层中优选地被转化为气态产物。例如：
3 CO2+H2O+2e-→CO+2HCO3 -
气态产物可以在阴极GDE的背离对电极的一侧再次被释放到阴极室I中。
作为副产物产生的阴离子可以被释放到盐桥室II的电解质中。
阳极处的反应不受其它限制。
例如，在最简单的情况下，即当在室III中不向阳极提供气态底物时(如图5中所示)，并且在GDE中的一个GDE(或两个GDE)上的电荷运输层不改变电荷运输路径时，可以在阳极处分解在阴极处产生的载流子(和水)：
4 HCO3 -→O2+4CO2+4e-
还在实施例中示出该情况。
备选地，在图2中所示的设计方案中，可以从HCl中制备Cl2。
公开了三室电解池方案和该电解池的操作模式，该三室电解池方案或该操作模式无需较高的——额外的——开发成本就可以实现，不需要诸如膜和隔膜之类的分离器，并且因此还可以仅包括单个电解质回路。
上述实施方式、设计方案和改进可以根据需要以任何可行的方式彼此组合。本发明的其它可能的设计方案、改进和实施方式还包括上文或下文中参照实施例所描述的本发明的特征的未明确提及的组合。特别地，本领域技术人员还可以添加单独的方面作为对本发明的相应基本形式的改善或补充。
随后将参照本发明的不同的示例来详细阐释本发明。但是本发明并不限于这些示例。
示例
示例1：
在该实施例中说明双GDE电解池的工作原理。使用了图5中示意性示出的测试结构。
图5中所示的结构与图2所示的结构相对应，其中与图2不同的是，删除了阳极侧的进气口E-A，因为没有供给气态阳极底物。
阳极的成分如下：
·气体扩散层：Freudenberg的H23C2碳GDL
·催化剂涂层：2mg/cm2 IrO2、0.3mg/cm2 Nafion作为粘接剂
阴极具有以下成分：
·气体扩散层：填充有多孔PTFE的银网
·催化剂涂层：由26wt％PTFE/74wt％银碾轧而成的薄层
对于阴极，设置了以下的CO2气流和电流密度：
100mA/cm2|1A：60ml/min
200mA/cm2|2A：120ml/min
300mA/cm2|3A：180ml/min
如图5中所示，该结构不含分离器。还省去了电极上的离子传导层和载流子生成层，因为对于这种电解池的运行不需要气密层，但是仍然可以确保适当地分离产物气体。如所说明的，两个GDE被构造为双层的，并且分别含有一个气体扩散层和一个活性层。在这里，阴极的活性层含有银催化剂，并且阳极的活性层含有IrO2催化剂。
在阴极室I的气体入口处，根据用于在给定电流强度下完全产生CO的值，导入相对于所施加的电流密度过量7倍(λ＝8)的CO2。室I和室III的产物气体在通过电解池一次之后被收集在单独的气袋中，并且进行气相色谱分析。
此外，持续地监控电解质的pH值。
电极的间距是6mm。两个GDE的有效面积是10cm2。
首先进行了两个小时的初步试验，以便确定电解液的自调节pH值。作为起始电解质使用了蒸馏水中的1M K2CO3。由于观察到pH值持续地向中性移动，因此在试验的随后过程中使用蒸馏水中的2MKHCO3作为电解质，并且以120ml/min循环泵送。
为了证明双GDE电解池的功能，分别在100mA/cm2、200mA/cm2和300mA/cm2的电流密度J下进行一个小时的CO2电解。在15min和60min之后，分别测量阴极侧和阳极侧的产物气体的成分。在每次实验之前更换电解液。图6示出了在双GDE电解池中对于CO和H2所确定的选择性S。在图6中可以看出，双GDE电解池适合于CO2还原，并且可以获得非常好的选择性。
图7以vol％为单位示出了阳极产物气体(余量为O2)中的CO2份额x(CO2)，在阴极处所形成的CO3 2-离子和HCO3 -离子的运输的情况下，该CO2份额在预期产量的范围中，(大约在67％和80％之间)。
图8示出了在所测试的电流密度下的电解质pH值的平均值。
如前所述，如果在电极上没有电荷传输层并且不存在气态阳极底物，则由阴极生成的阴离子在阳极处分解。在这种情况下，阳极气体的成分表明碳酸根CO3 2-是阴极的主要副产物。
在这里，阴极处的净反应方程是：
2CO2+2e-→CO+CO3 2-
但是电解质的pH值为8至8.5，这意味着电解质对CO2达到物理饱和。在较高的电流密度下，在管线中和在电解质容器中偶尔观察到有气泡形成。对此应当说明的是，可以例如通过例如在阳极上引入离子传输层来防止阳极处释放CO2。
图9示出了电解池中的电解池电压U与电流密度的关系。
通过线性拟合这些数据得到：与Y轴的交点是-2.31V，并且欧姆近似的电解池电阻是0.77Ω。对于在应用中较实际的电极间距2mm，在300mA/cm-2下预测电解池电压是-3.1V。在从25℃到60℃的温度变化的情况下，如在电堆电解槽的情况下所预期的，电解质的电导率从120mScm-1上升至200mScm-1。在这种情况下，预期电解池电压大约是-2.8V。
为了证明通过GDE可以有效地分开产物气体，检查阳极气体中是否有痕量的阴极产物气体。
图10示出了在阳极产物气体中发现的阴极产物痕量WP-K，其中H2值在探测器的灵敏度下限附近，因此是有偏差的。
在阳极产物气体中发现的阴极产物痕量少于200ppm。因此，该简单的双GDE电解池与图1中所示的结构是等价的，图1中所示的结构具有来自共同的容器的两个电解质回路和隔膜。由于浓度不取决于电流密度，可能会通过以物理方式溶解在电解质中的气体发生交叉污染，并且因此可以通过对电解质流进行脱气(例如，通过超声波)来防止交叉污染。
因此，为了维持气体分离，利用电解质将盐桥室II填满同样是有意义的，因为GDE不一定被设计为将两个气室彼此分开。
通过本发明，介绍了一种一般性的新电解池方案，使得可以避免由使用第二个气体扩散电极而导致的电解槽中不同相的混合。因此，没有必要再使用目前常见的诸如膜的分离器。

Claims (15)

1.一种电解池，包括：
–一个阴极室，包括一个阴极；
–一个阳极室，包括一个阳极；以及
–一个盐桥室，所述盐桥室布置在所述阴极与所述阳极之间，
其中所述阴极室与所述盐桥室通过所述阴极彼此隔开，并且所述盐桥室与所述阳极室通过所述阳极彼此隔开，并且所述阴极和所述阳极被设计为气体扩散电极，其中所述盐桥室没有分离器，并且其中所述阴极和所述阳极在盐桥室侧上没有分离器。
2.根据权利要求1所述的电解池，其中所述阴极和/或阳极具有至少一个活性层，所述至少一个活性层包含电催化剂。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电解池，其中所述阴极在阴极室侧上具有一个疏水层，和/或所述阳极在阳极室侧上具有一个疏水层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电解池，其中所述阴极和/或所述阳极分别在盐桥室侧上包括包含离子交换材料的一个多孔层，其中所述阴极上的所述多孔层优选地含有阴离子交换剂，和/或所述阳极上的所述多孔层优选地含有阳离子交换剂。
5.根据权利要求2所述的电解池，其中所述阴极和/或阳极由所述活性层构成。
6.根据权利要求5所述的电解池，其中所述活性层包含疏水粘接剂。
7.根据权利要求5或6所述的电解池，其中所述阴极在阴极室侧上具有一个疏水层，和/或所述阳极在阳极室侧上具有一个疏水层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电解池，包括：
一个用于第一反应物气体的第一给料装置，所述第一给料装置与所述阴极室连接，并且被设计为向所述阴极室供给第一反应物气体，
和/或
一个用于第一产物气体的第一排料装置，所述第一排料装置与所述阴极室连接，并且被设计为从所述阴极室中排出第一产物气体，
和/或
一个用于第二反应物气体的第二给料装置，所述第二给料装置与所述阳极室连接，并且被设计为向所述阳极室供给第二反应物气体，
和/或
一个用于第二产物气体的第二排料装置，所述第二排料装置与所述阳极室连接，并且被设计为从所述阳极室中排出第二产物气体。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电解池，包括：
一个用于电解质的第三给料装置，所述第三给料装置被设计为向所述盐桥室供给电解质，以及
一个用于电解质的第三排料装置，所述第三排料装置被设计为从所述盐桥室中排出电解质。
10.一种电解设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的电解池。
11.一种用于电化学转化至少一种反应物气体的方法，所述电化学转化在根据权利要求1至9中任一项所述的电解池中或者在根据权利要求10所述的电解设备中进行，其中向所述电解池的阴极室和/或阳极室供给至少一种反应物气体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中至少一种反应物气体是CO2和/或CO，并且所述至少一种反应物气体被供给至所述阴极室。
13.一种用于制取至少一种产物气体的方法，所述制取在根据权利要求1至9中任一项所述的电解池中或者在根据权利要求10所述的电解设备中进行，其中从所述盐桥室中的电解质中制备至少一种产物气体，并且从所述阴极室和/或阳极室中排出所述至少一种产物气体。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中将所述电解质在通过所述电解池之后再循环至所述电解池。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述阳极室和所述阴极室基本上没有液体。
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