DE102017213473A1

DE102017213473A1 - Electrolysis apparatus and method for operating an electrolyzer

Info

Publication number: DE102017213473A1
Application number: DE102017213473.9A
Authority: DE
Inventors: Manfred Baldauf; Marc Hanebuth; Ralf Krause; Christian Reller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2019-02-07
Also published as: WO2019025136A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs und einen Elektrolyseur mit einer Elektrolysezelle mit einem Kathodenraum und einem Anodenraum. Der Kathodenraum umfasst eine erste Eingangsöffnung und der Anodenraum eine zweite Eingangsöffnung für einen Elektrolyten und/oder ein Edukt. Die erste und/oder zweite Eingangsöffnung umfasst eine Düse, die geeignet ist, den Elektrolyten und/oder das Edukt im Anodenraum und/oder Kathodenraum zu verteilen und zu vermischen.The invention relates to a method for operating an electrolyzer and an electrolyzer with an electrolytic cell having a cathode compartment and an anode compartment. The cathode compartment comprises a first inlet opening and the anode compartment has a second inlet opening for an electrolyte and / or a starting material. The first and / or second inlet opening comprises a nozzle which is suitable for distributing and mixing the electrolyte and / or the educt in the anode space and / or cathode space.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysevorrichtung.The invention relates to an electrolysis apparatus and a method for operating an electrolysis apparatus.

Die Stromerzeugung schwankt mit zunehmendem Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien während des Tagesverlaufs. Um ein Überangebot an Strom in Zeiten mit viel Sonne und starkem Wind bei niedriger Nachfrage nach Strom ausgleichen zu können, benötigt man regelbare Kraftwerke oder Speicher, um diese Energie zu speichern oder einen regelbaren Energieverbraucher, mit dem zweckmäßigerweise die Energie für die Herstellung von Wertprodukten eingesetzt wird.Electricity generation fluctuates with increasing share of electricity from renewable energies during the course of the day. In order to be able to compensate for an excess supply of electricity in times of high sun and strong wind with low demand for electricity, one needs controllable power plants or storage to store this energy or a controllable energy consumer, with which expediently uses the energy for the production of value products becomes.

Die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine im Stand der Technik bekannte Methode dar. Eine weitere Methode ist die elektrolytische Reduktion von Kohlenstoffdioxid zu Wertprodukten. Diese führt zu einer Verringerung der CO₂-Emissionen. Typische Wertprodukte sind insbesondere Substanzen wie Kohlenmonoxid und Ethylen. Eine mögliche Technik zur Umwandlung der elektrischen Energie bei gleichzeitiger Herstellung von Wertprodukten aus Wasser oder Kohlenstoffdioxid stellt die Elektrolyse dar.The electrolysis of water to hydrogen and oxygen is a method known in the art. Another method is the electrolytic reduction of carbon dioxide to value products. This leads to a reduction of CO ₂ emissions. Typical value products are in particular substances such as carbon monoxide and ethylene. One possible technique for converting the electrical energy while simultaneously producing valuable products from water or carbon dioxide is electrolysis.

Ein Elektrolyseur besteht üblicherweise aus mehreren elektrisch in Serie geschalteten, zu einem Elektrolysestack oder jeweils zu mehreren, in Reihe oder parallel verschalteten Elektrolysestacks, zusammengefassten Elektrolysezellen.An electrolyzer usually consists of several electrically connected in series, to an electrolysis stack or each to several, in series or parallel interconnected electrolysis stacks, combined electrolysis cells.

Ein Elektrolyseur, welcher aus Kohlenstoffdioxid Wertstoffe produziert, wird typischerweise mit einem flüssigen Elektrolyt betrieben. Dieser flüssige Elektrolyt wird durch einen Anoden- und/oder Kathodenraum geführt. Eine Elektrolysezelle umfasst dabei einen Anodenraum mit einer Anode und einen Kathodenraum mit einer Kathode. Derzeit werden das Edukt und der Elektrolyt insbesondere über Eingangsöffnungen in den Anodenraum beziehungsweise Kathodenraum zugeführt. Der Elektrolyt und/oder das Edukt verteilen sich dabei ungleichmäßig gemäß der Einströmrichtung in den Zellräumen. Dies führt nachteilig zu einem geringeren Umsatz an den Elektroden und schränkt die Effizienz des Elektrolyseurs ein.An electrolyzer which produces valuable materials from carbon dioxide is typically operated with a liquid electrolyte. This liquid electrolyte is passed through an anode and / or cathode compartment. An electrolytic cell comprises an anode compartment with an anode and a cathode compartment with a cathode. At present, the educt and the electrolyte are supplied in particular via inlet openings in the anode space or cathode space. The electrolyte and / or the educt are distributed unevenly according to the inflow direction in the cell spaces. This disadvantageously leads to a lower conversion at the electrodes and limits the efficiency of the electrolyzer.

Weiterhin weisen die Zellräume der Elektrolysezelle lokal unterschiedliche Nernstspannungen auf. Eine Elektrolyse wird stets bei einer Zellspannung betrieben, die oberhalb der Nernstspannung liegt. Nachteiligerweise wird durch diese Unterschiede eine hohe Spannung zum Durchführen der Elektrolyse benötigt, wodurch die Effizient nachteilig sinkt.Furthermore, the cell spaces of the electrolysis cell have locally different Nernst voltages. An electrolysis is always operated at a cell voltage that is above the Nernst voltage. Disadvantageously, these differences require a high voltage to carry out the electrolysis, as a result of which the efficiency drops disadvantageously.

Weiterhin können in den Zellräumen der Elektrolyse lokal unterschiedliche Leitfähigkeiten der Elektrolyte vorliegen. Auch dieser Effekt führt zu einer verminderten Effizienz der Elektrolyse.Furthermore, locally different conductivities of the electrolytes can be present in the cell spaces of the electrolysis. This effect also leads to a reduced efficiency of the electrolysis.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Elektrolyseur und ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs anzugeben, der eine verbesserte Effizienz der Wertproduktherstellung aufweist.The object of the present invention is therefore to provide an electrolyzer and a method for operating an electrolyzer, which has an improved efficiency of the desired product production.

Die Aufgabe wird mit einem Elektrolyseur gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs gemäß Anspruch 7 gelöst.The object is achieved with an electrolyzer according to claim 1 and a method for operating an electrolyzer according to claim 7.

Der erfindungsgemäße Elektrolyseur umfasst eine Elektrolysezelle mit einem Kathodenraum und einem Anodenraum. Der Kathodenraum weist eine erste Eingangsöffnung auf und der Anodenraum weist eine zweite Eingangsöffnung auf. Beide Eingangsöffnungen sind geeignet, einen Elektrolyten und/oder ein Edukt aufzunehmen. Die erste und/oder zweite Eingangsöffnung umfassen eine Düse, die geeignet ist, den Elektrolyten und/oder das Edukt im Anodenraum und/oder Kathodenraum zu verteilen und zu vermischen.The electrolyzer according to the invention comprises an electrolysis cell with a cathode space and an anode space. The cathode chamber has a first input opening and the anode compartment has a second input opening. Both inlet openings are suitable for receiving an electrolyte and / or a starting material. The first and / or second inlet openings comprise a nozzle which is suitable for distributing and mixing the electrolyte and / or the educt in the anode space and / or cathode space.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mehrere Schritte. Zunächst erfolgt das Bereitstellen eines Elektrolyseurs mit wenigstens einer Elektrolysezelle. Die Elektrolysezelle umfasst einen Kathodenraum und einen Anodenraum, wobei der Kathodenraum eine erste Eingangsöffnung und der Anodenraum eine zweite Eingangsöffnung für einen Elektrolyten und/oder ein Edukt aufweist. Die erste und/oder zweite Eingangsöffnung umfassen eine Düse, die geeignet ist, den Elektrolyten und/oder das Edukt im Anodenraum und/oder Kathodenraum zu verteilen. In den Kathodenraum wird ein erstes Edukt zugeführt. In den Anodenraum wird ein zweites Edukt zugeführt. In dem Kathodenraum wird das erste Edukt zu einem ersten Produkt reduziert und in dem Anodenraum wird das zweite Edukt zu einem zweiten Produkt oxidiert. Das erste und das zweite Edukt können unterschiedliche Substanzen sein, insbesondere bei der Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, dieselbe Substanz, also Wasser.The method according to the invention comprises several steps. First, the provision of an electrolyzer with at least one electrolytic cell takes place. The electrolysis cell comprises a cathode space and an anode space, the cathode space having a first inlet opening and the anode space having a second inlet opening for an electrolyte and / or a starting material. The first and / or second inlet openings comprise a nozzle which is suitable for distributing the electrolyte and / or the educt in the anode space and / or cathode space. In the cathode compartment, a first reactant is supplied. In the anode compartment, a second reactant is supplied. In the cathode space, the first starting material is reduced to a first product and in the anode space, the second starting material is oxidized to a second product. The first and the second educt may be different substances, in particular in the production of hydrogen and oxygen from water, the same substance, ie water.

Vorteilhaft werden das erste und zweite Edukt und der Elektrolyt durch die Düse der Eingangsöffnungen in den Anodenraum oder Kathodenraum geführt und somit gleichmäßig im Anodenraum oder Kathodenraum verteilt. Eine gleichmäßige Verteilung in diesen Räumen führt vorteilhaft dazu, dass die Edukte und der Elektrolyt auch an der Anode und Kathode gleichmäßig verteilt sind. Vorteilhaft erfolgt somit eine optimale Umsetzung der Edukte an den Elektroden. Dies führt vorteilhaft zu einer erhöhten Effizienz des Elektrolyseurs.Advantageously, the first and second starting materials and the electrolyte are guided through the nozzle of the inlet openings into the anode space or cathode space and thus distributed uniformly in the anode space or cathode space. A uniform distribution in these spaces advantageously leads to the educts and the electrolyte are evenly distributed at the anode and cathode. Thus, advantageously, an optimal conversion of the starting materials takes place at the electrodes. This leads advantageously to an increased efficiency of the electrolyzer.

Weiterhin sorgt eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten und/oder Edukts dafür, dass innerhalb der Elektrolysezelle im Wesentlichen eine konstante Nernstspannung herrscht. Eine Elektrolyse wird stets bei einer Zellspannung betrieben, die oberhalb der Nernstspannung liegt. Durch die konstante Nernstspannung ist es nun vorteilhaft möglich, die Elektrolyse bei einer im Vergleich zum Stand der Technik niedrigeren Spannung durchzuführend, wodurch die Effizienz der Elektrolyse vorteilhaft steigt. Furthermore, a uniform distribution of the electrolyte and / or educt ensures that there is essentially a constant Nernst voltage within the electrolysis cell. An electrolysis is always operated at a cell voltage that is above the Nernst voltage. Due to the constant Nernst voltage, it is now advantageously possible to carry out the electrolysis at a lower voltage compared to the prior art, whereby the efficiency of the electrolysis advantageously increases.

Weiterhin wird vorteilhaft vermieden, dass gasförmige Produkte und, insbesondere bei der Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse, auch gasförmige Edukte, vorliegen als inhomogen verteilte Gasvolumenanteile innerhalb der Elektrolysezelle vorliegen. Vorteilhafterweise werden somit lokal unterschiedliche Leitfähigkeiten der Elektrolyte vermieden, was die Effizienz der Elektrolyse weiter verbessert.Furthermore, it is advantageously avoided that gaseous products and, in particular in the case of carbon dioxide electrolysis, also gaseous educts, are present as inhomogeneously distributed gas volume fractions within the electrolysis cell. Advantageously, locally different conductivities of the electrolytes are thus avoided, which further improves the efficiency of the electrolysis.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Düse in die erste und/oder zweite Eingangsöffnung integriert. Vorteilhaft wird der Elektrolyt oder das Edukt direkt an der Eingangsöffnung in den Anodenraum oder Kathodenraum eingedüst.In an advantageous embodiment and development of the invention, the nozzle is integrated in the first and / or second inlet opening. Advantageously, the electrolyte or the starting material is injected directly at the inlet opening into the anode compartment or cathode compartment.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung verjüngt sich eine Zuleitung zur ersten und/oder zweiten Eingangsöffnung derart, dass die Zuleitung selbst eine Düse bildet. Die Düse ist in anderen Worten also kein separates Bauteil, sondern wird durch die Form der Zuleitung ausgebildet. Vorteilhaft wird somit ein Bauteil eingespart, was die Komplexität des Elektrolyseurs vereinfacht.In a further advantageous embodiment and development of the invention, a feed line to the first and / or second input opening tapers such that the feed line itself forms a nozzle. In other words, the nozzle is not a separate component, but is formed by the shape of the feed line. Advantageously, a component is thus saved, which simplifies the complexity of the electrolyzer.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Düse derart ausgerichtet, dass eine planare Kathode in dem Kathodenraum und/oder eine planare Anode in dem Anodenraum parallel anströmbar sind. Typischerweise befindet sich die Eingangsöffnung dann in einer zu der Kathode oder Anode senkrecht stehenden Elektrolysezellenwand. Diese Anordnung eignet sich insbesondere dann, wenn sowohl das Edukt als auch der Elektrolyt flüssig sind. Das Edukt und der Elektrolyt werden dann in der Düse miteinander vermischt und verteilen sich gleichmäßig entlang der planaren Elektrode. An der gesamten Elektrodenfläche kann dann vorteilhaft die Reduktion bzw. Oxidation stattfinden. Dies erhöht vorteilhaft die Effizienz der Elektrolyse.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the nozzle is oriented such that a planar cathode in the cathode space and / or a planar anode in the anode space can be flowed parallel. Typically, the entrance opening is then located in an electrolytic cell wall perpendicular to the cathode or anode. This arrangement is particularly suitable when both the starting material and the electrolyte are liquid. The educt and the electrolyte are then mixed together in the nozzle and spread evenly along the planar electrode. The reduction or oxidation can then advantageously take place on the entire electrode surface. This advantageously increases the efficiency of the electrolysis.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Düse derart ausgerichtet, dass eine planare Kathode im Kathodenraum und/oder eine planare Anode im Anodenraum senkrecht anströmbar sind. Typischerweise befindet sich die Eingangsöffnung mit der Düse dann in einer zur Kathode oder Anode parallel angeordneten Elektrolysezellenwand.In a further alternative embodiment and further development of the invention, the nozzle is oriented such that a planar cathode in the cathode space and / or a planar anode in the anode space can be flowed perpendicularly. Typically, the inlet opening with the nozzle is then located in an electrolytic cell wall arranged parallel to the cathode or anode.

Zweckmäßigerweise umfasst die Düse bevorzugt ein Material, welches im Betrieb der Elektrolyse nicht korrodiert. Es ist also korrosionsbeständig gegenüber den Komponenten, die in der Elektrolyse verwendet werden.Conveniently, the nozzle preferably comprises a material which does not corrode during operation of the electrolysis. It is therefore resistant to corrosion by the components used in electrolysis.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als das erste Edukt Wasser verwendet. Das Wasser wird im Kathodenraum zu Wasserstoff reduziert. Im Anodenraum wird das Wasser zu Sauerstoff oxidiert. Die Düse unterstützt das Vermischen des Elektrolyts mit dem Wasser beim Hineinführen in den Kathoden- bzw. Anodenraum. Weiterhin gewährleistet die Düse eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyts mit Wasser innerhalb des Kathoden- bzw. Anodenraums. Insbesondere unterstützt das Eindüsen eine Durchmischung entlang der Membran, welche zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum angeordnet ist, sodass hier die Bildung von Gradienten, insbesondere von pH-Wert Gradienten, vorteilhaft vermieden wird. Weiterhin wir mittels der Düse vorteilhaft ein Unterdruck aufgebaut, welcher eine Rückführung, in anderen Worten eine Rezirkulation, des Elektrolyten ermöglicht. Das Rezirkulieren wiederum führt vorteilhaft ebenso zu einem Verringern der Gradienten in der Elektrolysezelle und somit zu einer verbesserten Effizienz.In a further advantageous embodiment and development of the invention, water is used as the first educt. The water is reduced to hydrogen in the cathode compartment. In the anode compartment, the water is oxidized to oxygen. The nozzle assists in mixing the electrolyte with the water as it is introduced into the cathode or anode compartment. Furthermore, the nozzle ensures a uniform distribution of the electrolyte with water within the cathode or anode space. In particular, the injection promotes mixing along the membrane, which is arranged between the anode space and the cathode space, so that here the formation of gradients, in particular of pH gradient, is advantageously avoided. Furthermore, we advantageously constructed by means of the nozzle, a negative pressure, which allows a return, in other words, a recirculation of the electrolyte. The recirculation, in turn, advantageously also leads to a reduction of the gradients in the electrolysis cell and thus to an improved efficiency.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als das erste Edukt Kohlenstoffdioxid verwendet. Kohlenstoffdioxid wird insbesondere zu Kohlenstoffmonoxid und/oder Ethylen reduziert. Bei dieser Elektrolyse kann die Düse vorteilhaft eine gasförmige Komponente, dass erste Edukt, und eine flüssige Komponente, den Elektrolyten, vermischen. Das Vermischen erfolgt dabei energiearm, wodurch vorteilhaft die Effizienz des Elektrolyseurs steigt. In a further advantageous embodiment and development of the invention, carbon dioxide is used as the first educt. Carbon dioxide is particularly reduced to carbon monoxide and / or ethylene. In this electrolysis, the nozzle may advantageously mix a gaseous component, the first starting material, and a liquid component, the electrolyte. The mixing takes place low energy, which advantageously increases the efficiency of the electrolyzer.

Ein gutes Vermischen des Elektrolyts mit dem gasförmigen ersten Edukt gewährleistet, dass an der Elektrode sowohl das erste Edukt als auch der Katholyt anwesend sind, um ein Reduzieren des Kohlenstoffdioxids möglichst effizient zu ermöglichen. Die Düse sorgt weiterhin dafür, dass das vermischte Kohlenstoffdioxid mit dem Elektrolyt gleichmäßig im Kathodenraum verteilt wird. Es verhindert somit eine Gradientenbildung, insbesondere hinsichtlich des pH-Wertes. Ein niedriger pH-Wert, d.h. viele Protonen, führen dazu, dass an der Kathode Wasserstoff entstehen kann. Durch eine konstante pH-Wert Verteilung wird vorteilhaft vermieden, dass sich unerwünschter Wasserstoff in dem Kathodenraum bildet.Good mixing of the electrolyte with the gaseous first starting material ensures that both the first starting material and the catholyte are present at the electrode, in order to enable reduction of the carbon dioxide as efficiently as possible. The nozzle also ensures that the mixed carbon dioxide is evenly distributed with the electrolyte in the cathode compartment. It thus prevents a gradient formation, in particular with regard to the pH. A low pH, i. Many protons cause hydrogen to be generated at the cathode. By a constant pH distribution is advantageously avoided that forms undesirable hydrogen in the cathode compartment.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird ein Elektrolyt als Katholyt in den Kathodenraum geführt und wenigstens teilweise aus dem Kathodenraum herausgeführt und wiederum in den Kathodenraum zurückgeführt. Das Zurückführen des Katholyts verhindert zusätzlich das Ausbilden von Gradienten im Kathodenraum. Vorteilhaft wird der zurückgeführte Katholyt mittels einer Düse in den Kathodenraum eingeführt und dort mit dem bereits vorliegenden Katholyt vermischt. Es ist ebenso denkbar, dass eine Düse sowohl den zurückgeführten Katholyt als auch frischen Katholyt und das erste Edukt mischt und in den Kathodenraum eindüst.In a further advantageous embodiment and development of the invention is an electrolyte as a catholyte led into the cathode compartment and at least partially led out of the cathode compartment and in turn returned to the cathode compartment. The recycling of the catholyte additionally prevents the formation of gradients in the cathode space. Advantageously, the recirculated catholyte is introduced into the cathode compartment by means of a nozzle and mixed there with the catholyte already present. It is also conceivable that a nozzle mixes both the recirculated catholyte and fresh catholyte and the first starting material and injected into the cathode compartment.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figuren. Darin zeigen schematisch:

1 eine Kohlenstoffdioxid Elektrolysezelle mit einer Gasdiffusionselektrode nach dem Stand der Technik;
2 eine Kohlenstoffdioxid-Elektrolysezelle mit einer porösen planaren Kathode, einem ersten Kathodenteilraum und einem zweiten Kathodenteilraum;
3 eine Kohlenstoffdioxid-Elektrolysezelle mit einer porösen planaren Kathode, einem ersten Kathodenteilraum, einem zweiten Kathodenteilraum und einer Rückführungsleitung für den Katholyt;
4 eine Kohlenstoffdioxid-Elektrolysezelle mit einer integrierten Rückführungsleitung für den Katholyt und einer Düse.

Further features, characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figures. In it show schematically:

1 a carbon dioxide electrolysis cell with a gas diffusion electrode according to the prior art;
2 a carbon dioxide electrolysis cell having a porous planar cathode, a first cathode compartment and a second cathode compartment;
3 a carbon dioxide electrolysis cell having a porous planar cathode, a first cathode compartment, a second cathode compartment, and a return conduit for the catholyte;
4 a carbon dioxide electrolysis cell with an integrated recycle line for the catholyte and a nozzle.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einer Kohlenstoffdioxid-Elektrolysezelle 3 mit einer Gasdiffusionselektrode 4. Eine Membran 5 trennt den Kathodenraum 7 vom Anodenraum 13. Die Gasdiffusionselektrode 4, also die Kathode, unterteilt den Kathodenraum 7 in eine ersten Kathodenteilraum 24 und einen zweiten Kathodenteilraum 23. Der erste Kathodenteilraum 24 grenzt an die Membran 5. Eine Anode 6 ist direkt auf die Membran 5 aufgebracht. An der Anode wird aus dem flüssigen wässrigen Elektrolyten Wasser zu Sauerstoff oxidiert. Der Sauerstoff verlässt als Anodengas zusammen mit dem Anolyt den Anodenraum 13 und wird in einen Anoden-Gasabscheider 11 geführt. Das Anodengas 12 Sauerstoff wird aus der Vorrichtung hinaus geführt. Der Anolyt wird zurück in den Mischbehälter 10 geführt. Der flüssige Katholyt KL wird in den ersten Kathodenteilraum 24 geführt. Das bedeutet, dass in dem ersten Kathodenteilraum 24 eine Flüssigkeit vorliegt. Das Kohlenstoffdioxid wird in den zweiten Kathodenteilraum 23 gasförmig geführt. In dem zweiten Kathodenteilraum 23 liegt also eine Gasphase vor. Aus dieser Gasphase stammt das für die Reaktion nötige Kohlenstoffdioxid, welches durch die Porenstruktur der Gasdiffusionselektrode diffundiert. An der Dreiphasengrenze von flüssigem Katholyt, gasförmigen Kohlenstoffdioxid und fester Kathode wird Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid reduziert. Das Kohlenstoffmonoxid muss dann im Gegenstrom zum Kohlenstoffdioxid durch das Porensystem zurück in den Gasraum, also in den zweiten Kathodenteilraum 23, diffundieren. 1 shows a device 1 with a carbon dioxide electrolysis cell 3 with a gas diffusion electrode 4 , A membrane 5 separates the cathode compartment 7 from the anode room 13 , The gas diffusion electrode 4 , ie the cathode, divides the cathode space 7 in a first cathode compartment 24 and a second cathode compartment 23 , The first cathode compartment 24 adjoins the membrane 5 , An anode 6 is directly on the membrane 5 applied. At the anode, water is oxidized to oxygen from the liquid aqueous electrolyte. The oxygen leaves as anode gas together with the anolyte the anode compartment 13 and becomes an anode gas separator 11 guided. The anode gas 12 Oxygen is led out of the device. The anolyte is returned to the mixing tank 10 guided. The liquid catholyte KL is in the first cathode compartment 24 guided. This means that in the first cathode compartment 24 a liquid is present. The carbon dioxide becomes the second cathode compartment 23 conducted in gaseous form. In the second cathode compartment 23 So there is a gas phase. The carbon dioxide required for the reaction, which diffuses through the pore structure of the gas diffusion electrode, originates from this gas phase. At the three phase boundary of liquid catholyte, gaseous carbon dioxide and solid cathode, carbon dioxide is reduced to carbon monoxide. The carbon monoxide then has to flow back through countercurrent to the carbon dioxide through the pore system into the gas space, ie into the second cathode compartment 23 , diffuse.

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 20 zur Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse. Die Vorrichtung 20 umfasst eine Kohlenstoffdioxid-Elektrolysezelle 3. Die Kohlenstoffdioxid-Elektrolysezelle 3 umfasst eine Membran 5, welche die Kohlenstoffdioxid-Elektrolysezelle 3 in einen Anodenraum 13 und einen Kathodenraum 7 unterteilt. Der Kathodenraum 7 wiederum wird von einer planaren porösen Kathode 21 in einen ersten Kathodenteilraum 24 und einen zweiten Kathodenteilraum 23 unterteilt. Sowohl im ersten als auch im zweiten Kathodenteilraum 23, 24 liegt eine Flüssigkeit vor. 2 shows a first embodiment of a device 20 for carbon dioxide electrolysis. The device 20 includes a carbon dioxide electrolysis cell 3 , The carbon dioxide electrolysis cell 3 includes a membrane 5 containing the carbon dioxide electrolysis cell 3 in an anode chamber 13 and a cathode compartment 7 divided. The cathode compartment 7 in turn, is made of a planar porous cathode 21 in a first cathode compartment 24 and a second cathode compartment 23 divided. Both in the first and in the second cathode compartment 23 . 24 there is a liquid.

Der erste Kathodenteilraum 24 grenzt an die Membran 5. Der Katholyt KL wird in die Elektrolysezelle 3 geführt. In diesem Beispiel umfasst der Katholyt KL eine Kaliumhydrogencarbonatlösung. Im Bereich der Membran 5 gelangt der Katholyt KL zunächst in Kontakt mit Protonen, sodass Kohlenstoffdioxid entsteht. Zweckmäßigerweise sollte die Pufferkapazität des Hydrogencarbonats im Katholyt KL ausreichen, um sämtliche Protonen, welche über die Membran 5 hinüber gelangen, abzufangen, bevor diese die Kathode berühren. Dort würde sich nachteiligerweise Wasserstoff bilden.The first cathode compartment 24 adjoins the membrane 5 , The catholyte KL is in the electrolytic cell 3 guided. In this example, the catholyte KL comprises a potassium bicarbonate solution. In the area of the membrane 5 The catholyte KL first comes in contact with protons, so that carbon dioxide is formed. Conveniently, the buffering capacity of the bicarbonate in the catholyte KL sufficient to all the protons, which over the membrane 5 get over, intercept, before they touch the cathode. There would disadvantageously hydrogen form.

Bei einer ausreichend hohen Konzentration an Hydrogencarbonat im Katholyt KL, wie sie in diesem Ausführungsbeispiel vorliegt, oder durch einen hinreichend großen Katholytstrom relativ zur Stromdichte, kann diese Pufferkapazität gewährleistet werden. Der pH-Wert im ersten Kathodenteilraum 24 beträgt wenigstens 6, besonders bevorzugt wenigstens 7, aber nicht mehr als 10. Zwischen der Kathode und der Membran in dem ersten Kathodenteilraum bildet sich insbesondere ein pH-Gradient aus, wobei kathodenseitig der höhere pH-Wert vorliegt.At a sufficiently high concentration of bicarbonate in the catholyte KL , as in this embodiment, or by a sufficiently large Katholytstrom relative to the current density, this buffering capacity can be ensured. The pH in the first cathode compartment 24 is at least 6 , more preferably at least 7 but not more than 10 , In particular, a pH gradient is formed between the cathode and the membrane in the first cathode compartment, with the higher pH being present on the cathode side.

Das Gemisch, welches sich durch den Kontakt mit Protonen bildet, enthält neben physikalisch gelöstem Kohlenstoffdioxid auch kleine gasförmige Bläschen aus Kohlenstoffdioxid. Der Katholyt KL mit dem Kohlenstoffdioxid wird dann durch die poröse Kathode 21 geführt. Dies wird durch den Katholytstrom 29 verdeutlicht. An der Kathode 21 wird das erste Produkt, insbesondere Kohlenmonoxid, gebildet. Alternativ kann als erstes Produkt auch Ethen produziert werden. Das erste Produkt umfassend Kohlenstoffmonoxid wird zusammen mit dem Katholyt KL aus den Poren der Kathode 21 im Gleichstrom herausgeführt. Aus dem zweiten Kathodenteilraum 23 wird der Katholyt mit dem Kohlenstoffdioxid KLG über eine erste Leitung 51 in einen Gasabscheider 25 geführt. Dort wird das erste Produkt Kohlenstoffmonoxid abgetrennt. Das erste Produkt verlässt die Vorrichtung 20. Der verbleibende Katholyt KL wird in einer zweiten Leitung 52 im Kreis zurück zur ersten Eingangsöffnung 26 geführt. In die zweite Leitung 52 wird Kohlenstoffdioxid über eine Zuführvorrichtung 2 geführt. In dem Katholyt liegt ein chemisches Gleichgewicht zwischen Carbonat, Hydrogencarbonat und dem Elektrolyten vor. Das Carbonat reagiert mit dem Kohlenstoffdioxid aus der Gasphase zu Hydrogencarbonat. Vorteilhaft muss das Kohlenstoffdioxid nicht mit Überdruck in die Vorrichtung 20 geführt werden.The mixture, which forms by contact with protons, contains not only physically dissolved carbon dioxide but also small gaseous bubbles of carbon dioxide. The catholyte KL with the carbon dioxide is then through the porous cathode 21 guided. This is due to the catholyte flow 29 clarified. At the cathode 21 the first product, in particular carbon monoxide, is formed. Alternatively, ethene can be produced as the first product. The first product comprising carbon monoxide is combined with the catholyte KL from the pores of the cathode 21 taken out in direct current. From the second cathode compartment 23 becomes the catholyte with the carbon dioxide KLG via a first line 51 in a gas separator 25 guided. There, the first product carbon monoxide is separated. The first product leaves the device 20 , The remaining catholyte KL will be in a second line 52 in a circle back to the first entrance opening 26 guided. In the second line 52 Carbon dioxide is delivered via a feeder 2 guided. In the catholyte there is a chemical balance between carbonate, bicarbonate and the electrolyte. The carbonate reacts with the carbon dioxide from the gas phase to bicarbonate. Advantageously, the carbon dioxide does not have to be in the device with overpressure 20 be guided.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 20. Zusätzlich zum den Merkmalen des ersten Ausführungsbeispiels umfasst diese Vorrichtung 20 eine dritte Leitung 31 zum Zurückführen des Katholyts KL aus dem ersten Kathodenteilraum 24 über eine zweite Ausgangsöffnung 32. Vorteilhaft wird durch die teilweise Zurückführung des Katholyts KL verhindert, dass sich ein hoher Gasvolumenanteil an Kohlenstoffdioxid an der der Eingangsöffnung 26 gegenüberliegenden Seite des ersten Kathodenteilraums 24 anreichert. Das Zurückführen des Katholyts KL sorgt für einen konstanten Gasvolumenanteil innerhalb des ersten Kathodenteilraums 24, typischerweise für einen Gasvolumenanteil von 30 %. Die Rückführung sorgt also für eine einheitliche Stromdichte in dem ersten Kathodenteilraum 24, in anderen Worten in dem Kathoden Spalt, entlang der Kathoden Fläche. Die Rückführung sorgt für eine einheitliche Anströmung der Kathode, sodass diese optimal an die herrschenden Bedingungen angepasst werden kann. Vorteilhaft werden dadurch hohe Wirkungsgrade und hohe Selektivitäten ermöglicht. Über die dritte Leitung 31 kann sowohl ein Gemisch aus flüssigem Katholyt und gasförmigem Kohlenstoffdioxid rezykliert werden als auch ausschließlich gasförmiges Kohlenstoffdioxid. 3 shows a second embodiment of a device 20 , In addition to the features of the first embodiment, this device comprises 20 a third line 31 for returning the catholyte KL from the first cathode compartment 24 via a second exit opening 32 , Advantageous is the partial recycling of the catholyte KL prevents a high gas volume fraction of carbon dioxide at the inlet opening 26 opposite side of the first cathode compartment 24 accumulates. Returning the catholyte KL ensures a constant gas volume fraction within the first cathode compartment 24 typically for a gas volume fraction of 30%. The feedback thus ensures a uniform current density in the first cathode compartment 24 in other words in the cathode gap, along the cathode surface. The return ensures a uniform flow of the cathode, so that it can be optimally adapted to the prevailing conditions. This advantageously allows high efficiencies and high selectivities. About the third line 31 Both a mixture of liquid catholyte and gaseous carbon dioxide can be recycled as well as exclusively gaseous carbon dioxide.

4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 20 mit Rückführung. In diesem Ausführungsbeispiel werden die erste, zweite und dritte Leitung 31, 52, 53 teilweise als Aussparungen in die Elektrolysezelle integriert. Der Kathodenraum wird als Aussparung in die Elektrolysezelle eingebettet. Auf derselben Ebene wie der erste Kathodenteilraum 24, werden Aussparungen für eine Rückführung des Katholyts vorgenommen. Die dritte Leitung 31 des zweiten Ausführungsbeispiels wird also vollständig durch eine Aussparung ausgeführt. Beim Verbinden mehrerer Elektrolysezellen muss eine Verteilerleitung 46 zwischen den Elektrolysezellen vorhanden sein. Diese Verteilerleitung 46 wird mittels einer Verbindungsleitung 43 mit der ersten Eingangsöffnung 26 verbunden. Diese Verbindungsleitung 43 ist im dritten Ausführungsbeispiel ebenfalls in die Elektrolysezelle als Aussparung integriert. Das Ende der dritten Leitung, welche als Aussparung ausgeführt ist, verjüngt sich zur ersten Eingangsöffnung 26 hin zu einer Düse 44. 4 shows a third embodiment of a device 20 with return. In this embodiment, the first, second and third lines become 31 . 52 . 53 partially integrated as recesses in the electrolysis cell. The cathode compartment is embedded as a recess in the electrolysis cell. At the same level as the first cathode compartment 24 , recesses are made for recycling the catholyte. The third line 31 of the second embodiment is thus carried out completely by a recess. When connecting multiple electrolysis cells must a distribution line 46 be present between the electrolysis cells. This distribution line 46 is by means of a connecting line 43 with the first entrance opening 26 connected. This connection line 43 is also integrated in the third embodiment in the electrolysis cell as a recess. The end of the third conduit, which is designed as a recess, tapers to the first inlet opening 26 towards a nozzle 44 ,

Der Katholyt KL wird durch die Verteilerleitung 46 in die Verbindungsleitung 43 geführt. Der Transport erfolgt hierbei mittels einer Fördereinrichtung, typischerweise mittels einer Pumpe. Der Katholyt KL wird dann innerhalb der Zelle durch die Aussparungen geleitet. Die Aussparung stellt einen Flusskanal für den Katholyt KL dar und ebenfalls einen elektrischen Widerstand. Der elektrische Widerstand wird benötigt, um bei einer Zusammenschaltung vieler Elektrolysezellen innerhalb eines Elektrolyse-Stacks die Streuströme klein zu halten und so Korrosion zu vermeiden. Der Katholyt KL gelangt dann in den sich verjüngenden Bereich der Düse 44. Durch den Düseneffekt entsteht ein Unterdruck, der eine Zirkulation 45 innerhalb der Zelle ermöglicht. Weiterhin wird ein Teil des Katholyts über die Rückführung 31 rezykliert, sodass der Katholyt mit dem Kohlenstoffdioxid im gesamten Zellvolumen des ersten Kathodenteilraums 26 konstant ist. Die Düse 44 sorgt weiterhin dafür, dass der rezyklierte Katholyt und der frisch zugeführte Katholyt sich gut vermischen. Besonders vorteilhaft lässt sich das Rückführen realisieren, wenn flüssiger Katholyt über die Verbindungsleitung zugeführt wird und über die Rückführung gasförmiges Kohlenstoffdioxid zurückgeführt wird. Besonders vorteilhaft wird dann wenig Energie für das Zirkulieren benötigt. Weiterhin werden vorteilhaft in dieser Anordnung keine zusätzlichen Verrohrungen oder aktive Fördervorrichtungen benötigt. Durch den Wasserstrahlpumpeneffekt wird das gasförmige Kohlenstoffdioxid mit in die Zelle gerissen, wenn der flüssige Katholyt einströmt. Es werden auch keine zusätzlichen Streuströme auftreten, da die flüssigen Katholyten der unterschiedlichen Zellen beim Rückführen aus dem ersten Kathodenteilraum 26 nicht in Verbindung gebracht werden.The catholyte KL is through the distribution line 46 in the connection line 43 guided. The transport takes place here by means of a conveyor, typically by means of a pump. The catholyte KL is then passed through the recesses within the cell. The recess provides a flow channel for the catholyte KL and also an electrical resistance. The electrical resistance is needed to keep the stray currents small when connecting many electrolysis cells within an electrolysis stack, thus avoiding corrosion. The catholyte KL then passes into the tapered region of the nozzle 44 , The nozzle effect creates a negative pressure, a circulation 45 within the cell. Furthermore, part of the catholyte is recycled via the recycle 31 recycled, so that the catholyte with the carbon dioxide in the entire cell volume of the first cathode compartment 26 is constant. The nozzle 44 furthermore ensures that the recycled catholyte and the freshly added catholyte mix well. The recycling can be realized particularly advantageously if liquid catholyte is supplied via the connecting line and gaseous carbon dioxide is returned via the return. Particularly advantageous then little energy is needed for circulating. Furthermore, no additional piping or active conveyors are advantageously required in this arrangement. The water jet pumping effect entrains the gaseous carbon dioxide into the cell as the liquid catholyte flows in. There will also be no additional stray currents as the liquid catholytes of the different cells return from the first cathode compartment 26 not be associated.

Der Einsatz einer Düse ist auch in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel sinnvoll, um eine gleichmäßige Verteilung des Anolyts oder Katholyts im Anoden- oder Kathodenraum zu gewährleisten. Auch in dem in 1 gezeigten Aufbau können jeweils an den Eingängen der Elektrolysezelle Düsen angeordnet sein, um die Verteilung des Elektrolyts oder Edukts zu verbessern. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Düse als Verjüngung der zuführenden Leitung, wie in 4 dargestellt, ausgeführt ist. Vorteilhaft bleibt die Zahl der Bauteile konstant, so dass der Aufbau nicht komplexer wird und dennoch für eine verbesserte Verteilung der Stoffe in der Elektrolysezelle gesorgt ist.The use of a nozzle is also useful in the first and second embodiments in order to ensure a uniform distribution of the anolyte or catholyte in the anode or cathode space. Also in the in 1 In each case, nozzles can be arranged at the entrances of the electrolysis cell in order to improve the distribution of the electrolyte or educt. It is particularly advantageous if the nozzle as a taper of the feeding line, as in 4 shown, is executed. Advantageously, the number of components remains constant, so that the structure is not complex and yet provided for an improved distribution of the substances in the electrolysis cell.

Claims

An electrolyzer (1) comprising: - an electrolytic cell (3) having a cathode compartment (7) and an anode compartment (13), wherein the The cathode compartment (7) comprises a first inlet opening (26) and the anode compartment comprises a second inlet opening for an electrolyte and / or a starting material, wherein the first and / or second inlet opening (26) comprises a nozzle (44) which is suitable for the electrolyte and / or to distribute and mix the starting material in the anode space (13) and / or cathode space (7).

Electrolyzer (1) according to Claim 1 wherein the nozzle (44) is integrated in the first and / or second inlet opening (26).

Electrolyzer (1) according to one of the preceding claims, wherein the nozzle (44) is formed as a taper of a supply line of the first and / or second input opening (26).

Electrolyzer (1) according to one of the preceding claims, wherein the nozzle (44) is designed as a recess (41) in the electrolysis cell (3).

Electrolyzer (1) according to one of the preceding claims, wherein the nozzle (44) is oriented such that a planar cathode (4, 21) in the cathode space (7) and / or a planar anode (6) in the anode space (13) can be flowed in parallel.

Electrolyzer (1) according to one of Claims 1 to 4 , wherein the nozzle (44) is aligned such that a planar cathode (4, 21) in the cathode space (7) and / or a planar anode (6) in the anode space (13) are flowed perpendicularly.

Method for operating an electrolyzer (1) with the following steps: - Providing an electrolyzer (1) with at least one electrolytic cell (3) comprising a cathode compartment (7) and an anode compartment (13), wherein the cathode compartment (7) has a first input port (26) and the anode compartment (13) has a second input port for a Electrolytes and / or a starting material, wherein the first and / or second inlet opening (26) comprises a nozzle (44) which is suitable for the electrolyte and / or the educt in the anode space (13) and / or cathode space (7) to distribute, Feeding a first starting material into the cathode space (7) and feeding a second starting material into the anode space (13), - reducing the first starting material to a first product in the cathode space (7) and oxidizing the second starting material to a second product in the anode space (13).

Method according to Claim 7 wherein water is used as the first reactant.

Method according to Claim 7 , wherein carbon dioxide is used as the first educt.

Method according to Claim 9 in which carbon monoxide and / or ethene is produced as the first product (22).

Method according to one of Claims 7 to 10 in which an electrolyte is conducted as a catholyte into the cathode space (7) and is at least partially led out of the cathode space (7) and returned to the cathode space (7).

Method according to Claim 11 wherein the catholyte and the first starting material are mixed in the nozzle (44).