DE102017223521A1 - Flow-through anion exchanger fillings for electrolyte gaps in the CO2 electrolysis for better spatial distribution of gas evolution - Google Patents

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Günter Schmid
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit Mehrkammeraufbau, wobei sich an einen Kathodenraum eine erste Ionenaustauschermembran umfassend einen Anionenaustauscher anschließt, wobei sich an diese erste Ionenaustauschermembran ein Salzbrückenraum anschließt, welcher einen festen Anionenaustauscher umfasst; eine Elektrolyseanlage mit solch einer Elektrolysezelle; sowie ein Verfahren zur Elektrolyse von COunter Verwendung einer solchen Elektrolysezelle oder Elektrolyseanlage.The present invention relates to an electrolysis cell having a multi-chamber structure, wherein a first ion exchange membrane comprising an anion exchanger adjoins a cathode space, with a salt bridge space adjoining this first ion exchange membrane comprising a solid anion exchanger; an electrolysis plant with such an electrolysis cell; and a method of electrolysis of CO using such an electrolytic cell or electrolysis plant.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit Mehrkammeraufbau, wobei sich an einen Kathodenraum eine erste Ionenaustauschermembran umfassend einen Anionenaustauscher anschließt, wobei sich an diese erste Ionenaustauschermembran ein Salzbrückenraum anschließt, welcher einen festen Anionenaustauscher umfasst; eine Elektrolyseanlage mit solch einer Elektrolysezelle; sowie ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2 unter Verwendung einer solchen Elektrolysezelle oder Elektrolyseanlage.The present invention relates to an electrolysis cell having a multi-chamber structure, wherein a first ion exchange membrane comprising an anion exchanger adjoins a cathode space, with a salt bridge space adjoining this first ion exchange membrane comprising a solid anion exchanger; an electrolysis plant with such an electrolysis cell; and a method for electrolysis of CO 2 using such an electrolytic cell or electrolysis plant.

Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wird momentan etwa 80% des weltweiten Energiebedarfs gedeckt. Durch diese Verbrennungsprozesse wurden im Jahr 2011 weltweit circa 34.032,7 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid (CO2) in die Atmosphäre emittiert. Diese Freisetzung ist der einfachste Weg, auch große Mengen an CO2 (Braunkohlekraftwerke über 50000t pro Tag) zu entsorgen.The burning of fossil fuels currently covers about 80% of global energy needs. In 2011, these combustion processes emitted around 34,032.7 million tonnes of carbon dioxide (CO 2 ) into the atmosphere worldwide. This release is the easiest way to dispose of even large amounts of CO 2 (lignite power plants over 50000 tons per day).

Die Diskussion über die negativen Auswirkungen des Treibhausgases CO2 auf das Klima hat dazu geführt, dass über eine Wiederverwertung von CO2 nachgedacht wird. Thermodynamisch gesehen liegt CO2 sehr niedrig und kann daher nur schwer wieder zu brauchbaren Produkten reduziert werden.The discussion about the negative effects of the greenhouse gas CO 2 on the climate has led to a reflection on the recycling of CO 2 . Thermodynamically, CO 2 is very low and can therefore be reduced back to useful products.

In der Natur wird das CO2 durch Photosynthese zu Kohlenhydraten umgesetzt. Dieser zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgegliederte Prozess ist nur sehr schwer großtechnisch kopierbar. Den im Vergleich zur reinen Photokatalyse momentan effizienteren Weg stellt die elektrochemische Reduktion des CO2 dar. Eine Mischform ist die lichtunterstütze Elektrolyse bzw. die elektrisch unterstützte Photokatalyse. Beide Begriffe sind synonym zu verwenden, je nach Blickwinkel des Betrachters.In nature, CO 2 is converted into carbohydrates by photosynthesis. This temporally and on a molecular level spatially divided into many sub-steps process is very difficult to copy on an industrial scale. The currently more efficient way compared to pure photocatalysis is the electrochemical reduction of CO 2. A mixed form is light-assisted electrolysis or electrically assisted photocatalysis. Both terms are synonymous to use, depending on the perspective of the viewer.

Wie bei der Photosynthese wird bei diesem Prozess unter Zufuhr von elektrischer Energie (ggf. photounterstützt), welche aus regenerativen Energiequellen wie Wind oder Sonne gewonnen werden kann, CO2 in ein energetisch höherwertiges Produkt (wie CO, CH4, C2H4, etc.) umgewandelt. Die bei dieser Reduktion erforderliche Energiemenge entspricht im Idealfall der Verbrennungsenergie des Brennstoffes und sollte nur aus regenerativen Quellen stammen. Eine Überproduktion von erneuerbaren Energien steht jedoch nicht kontinuierlich zur Verfügung, sondern momentan nur zu Zeiten mit starker Sonneneinstrahlung und kräftigem Wind. Dies wird sich mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energie jedoch in naher Zukunft weiter verstärken.As with photosynthesis, CO 2 is transformed into an energetically higher-value product (such as CO, CH 4 , C 2 H 4 , in this process with the supply of electrical energy (possibly photo-assisted), which can be obtained from regenerative energy sources such as wind or sun, etc.) converted. The amount of energy required in this reduction ideally corresponds to the combustion energy of the fuel and should only come from renewable sources. An overproduction of renewable energies is not continuously available, but currently only at times with strong sunlight and strong wind. However, this will continue to increase in the near future as renewable energy continues to expand.

Die elektrochemische Reduktion von CO2 an Festkörperelektroden bietet in wässrigen Elektrolytlösungen eine Vielzahl an Produktmöglichkeiten, für welche beispielhafte Faraday Effizienzen an unterschiedlichen Metallkathoden in Tabelle 1, entnommen aus „Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes“ von Y. Hori, veröffentlicht in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189, dargestellt sind. Tabelle 1: Faraday-Effizienzen bei der Elektrolyse von CO2 an verschiedenen Elektrodenmaterialien Elektrode CH4 C2H4 C2H5OH C3H7OH CO HCOO- H2 Total Cu 33.3 25.5 5.7 3.0 1.3 9.4 20.5 103.5 Au 0.0 0.0 0.0 0.0 87.1 0.7 10.2 98.0 Ag 0.0 0.0 0.0 0.0 81.5 0.8 12.4 94.6 Zn 0.0 0.0 0.0 0.0 79.4 6.1 9.9 95.4 Pd 2.9 0.0 0.0 0.0 28.3 2.8 26.2 60.2 Ga 0.0 0.0 0.0 0.0 23.2 0.0 79.0 102.0 Pb 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 97.4 5.0 102.4 Hg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.5 0.0 99.5 In 0.0 0.0 0.0 0.0 2.1 94.9 3.3 100.3 Sn 0.0 0.0 0.0 0.0 7.1 88.4 4.6 100.1 Cd 1.3 0.0 0.0 0.0 13.9 78.4 9.4 103.0 Tl 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 95.1 6.2 101.3 Ni 1.8 0.1 0.0 0.0 0.0 1.4 88.9 92.4 Fe 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 94.8 94.8 Pt 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 95.7 95.8 Ti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.7 99.7 The electrochemical reduction of CO 2 to solid-state electrodes offers in aqueous electrolyte solutions a variety of product possibilities, for which exemplary Faraday efficiencies on different metal cathodes in Table 1, taken from "Electrochemical CO 2 reduction on metal electrodes" by Y. Hori, published in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189, are shown. Table 1: Faraday efficiencies in the electrolysis of CO 2 on various electrode materials electrode CH 4 C 2 H 4 C 2 H 5 OH C 3 H 7 OH CO HCOO - H 2 Total Cu 33.3 25.5 5.7 3.0 1.3 9.4 20.5 103.5 Au 0.0 0.0 0.0 0.0 87.1 0.7 10.2 98.0 Ag 0.0 0.0 0.0 0.0 81.5 0.8 12.4 94.6 Zn 0.0 0.0 0.0 0.0 79.4 6.1 9.9 95.4 Pd 2.9 0.0 0.0 0.0 28.3 2.8 26.2 60.2 ga 0.0 0.0 0.0 0.0 23.2 0.0 79.0 102.0 pb 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 97.4 5.0 102.4 hg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.5 0.0 99.5 In 0.0 0.0 0.0 0.0 2.1 94.9 3.3 100.3 sn 0.0 0.0 0.0 0.0 7.1 88.4 4.6 100.1 CD 1.3 0.0 0.0 0.0 13.9 78.4 9.4 103.0 tl 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 95.1 6.2 101.3 Ni 1.8 0.1 0.0 0.0 0.0 1.4 88.9 92.4 Fe 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 94.8 94.8 Pt 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 95.7 95.8 Ti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.7 99.7

Derzeit wird die Elektrifizierung der chemischen Industrie diskutiert. Dies bedeutet, dass chemische Grundstoffe oder Treibstoffe bevorzugt aus CO2 (CO), H2O unter Zuführung überschüssiger elektrischer Energie bevorzugt aus regenerativen Quellen hergestellt werden sollen. In der Einführungsphase einer solchen Technologie wird angestrebt, dass der ökonomische Wert eines Stoffes deutlich größer ist als sein Heizwert (Brennwert).Currently, the electrification of the chemical industry is discussed. This means that chemical precursors or fuels are preferably to be produced from CO 2 (CO), H 2 O while supplying excess electrical energy, preferably from regenerative sources. In the introductory phase of such a technology, the aim is that the economic value of a substance is significantly greater than its calorific value (calorific value).

Elektrolyse-Verfahren haben sich in den letzten Jahrzehnten deutlich weiterentwickelt. Die PEM-Wasserelektrolyse konnte beispielsweise zu hohen Stromdichten hin optimiert werden. Große Elektrolyseure mit Leistungen im Megawatt Bereich werden auf dem Markt eingeführt.Electrolysis processes have evolved significantly in recent decades. For example, the PEM water electrolysis could be optimized to high current densities. Large electrolysers with megawatts of capacity are being launched on the market.

In der CO2 Elektrolyse hat sich gezeigt, dass eine Ankopplung der Kathode an eine Anionenaustauschermembran (anion exchange membrane; AEM) mit signifikanten Vorteilen bezüglich Selektivität, Stabilität und technischer Realisierbarkeit verbunden ist.In CO 2 electrolysis it has been found that coupling of the cathode to an anion exchange membrane (AEM) is associated with significant advantages in terms of selectivity, stability and technical feasibility.

Weiterhin ist bekannt, dass durch die AEM an der Kathode als Nebenprodukt erzeugtes HCO3 - in Richtung der Anode weiter transportiert werden kann und an einem vom Zelldesign abhängigen Ort, beispielsweise von anodenseitig gebildeten Protonen, zu CO2 zersetzt werden kann. Es wurde gezeigt, dass es von Vorteil sein kann, Drei-Kammer-Zellen zu verwenden, in denen das CO2 getrennt von den Produkten der Elektroden freigesetzt wird, da dies eine Rückführung erleichtert.Furthermore, it is known that by the AEM generated at the cathode as a byproduct HCO 3 - can be transported further in the direction of the anode and at a time dependent on cell design location, such as from the anode side formed protons, can be decomposed to CO 2. It has been shown that it may be advantageous to use tri-cell cells in which the CO 2 is released separately from the products of the electrodes as this facilitates feedback.

Entsprechende Zellkonzepte können beispielsweise der US 2017037522 A1 , der DE 102017208610.6 , der DE 102017211930.6 entnommen werden.Corresponding cell concepts can, for example, the US 2017037522 A1 , the DE 102017208610.6 , the DE 102017211930.6 be removed.

In diesen Zellen wird die Kathodenraum üblicherweise durch eine AEM begrenzt. Hierdurch können kathodisch erzeugten Anionen wie HCO3 -, CO3 2-, OH- in Richtung Anode abtransportiert werden. Bezüglich der Ausgestaltung des Anodenraumes sowie des Spaltes zwischen Anoden- und Kathodenraum variieren die genannten Quellen stark. Ihnen gemein ist aber ein Bereich zwischen der AEM, die den Kathodenraum begrenzt, und der Anode, der ein stark saures Medium enthält bzw. Protonen erzeugt, in dem HCO3 -, CO3 2- durch Protonierung zu CO2 zersetzt werden. Weiterhin kann der Ladungstransport in all diesen Zellen abschnittsweise von verschieden Ladungsträgern getragen werden. Im Unterschied zu anderen elektrochemischen Aufbauten werden die Ladungsträger dabei gewöhnlich nicht zwischen den Halbzellen ausgetauscht, sondern in dem zusätzlichen Spalt zwischen ihnen vernichtet.In these cells, the cathode compartment is usually limited by an AEM. As a result, cathodically generated anions such as HCO 3 - , CO 3 2- , OH - can be transported away in the direction of the anode. With respect to the configuration of the anode space and the gap between the anode and cathode space, the sources mentioned vary greatly. Common to them, however, is a region between the AEM, which delimits the cathode space, and the anode, which contains a strongly acidic medium or generates protons in which HCO 3 - , CO 3 2- are decomposed by protonation to CO 2 . Furthermore, the charge transport in all these cells can be carried in sections by different charge carriers. In contrast to other electrochemical structures, the charge carriers are usually not exchanged between the half cells, but destroyed in the additional gap between them.

In der US 2017037522 A1 und der DE 102017211930.6 enthält der zentrale Spalt ausschließlich stark saure Medien. Die Freisetzung des CO2 erfolgt daher üblicherweise direkt auf der Oberfläche der AEM, wobei in der US2017037522A1 das Medium des Spalts fest ist, während es in DE 102017211930.6 flüssig ist. Die Oberfläche der AEM kann dabei stark mit Gasblasen belastet werden, was zu einer teilweisen Isolation der Membran und damit zu höheren elektrischen Verlusten in der Zelle führen kann. Ein direkter Kontakt stark saurer fester Medien mit der AEM sollte zudem vermieden werden, da die festen Medien dem an dieser pH-Grenze freigesetzten CO2 nicht ausweichen können.In the US 2017037522 A1 and the DE 102017211930.6 the central cleft contains only strongly acidic media. The release of CO 2 is therefore usually directly on the surface of the AEM, wherein in the US2017037522A1 the medium of the gap is fixed while it is in DE 102017211930.6 is liquid. The surface of the AEM can be heavily loaded with gas bubbles, which can lead to a partial isolation of the membrane and thus to higher electrical losses in the cell. A direct contact strong acid solid media with the AEM should also be avoided because the solid media can not escape the released at this pH limit CO 2 .

In der DE 102017208610.6 enthält der Spalt einen neutral bis schwach basischen Elektrolyten, der i.d.R. Karbonate enthält. Die CO2 Freisetzung findet daher üblicherweise auf der Oberfläche der zweiten Separator-Membran statt, was ebenso problematisch sein kann. Zudem hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Salzen, insbesondere mit Metall-Kationen, in Elektrolytspalten mit Nachteilen verbunden sein kann.In the DE 102017208610.6 the gap contains a neutral to weakly basic electrolyte, which usually contains carbonates. The CO 2 release therefore usually takes place on the surface of the second separator membrane, which may also be problematic. In addition, it has been found that the use of salts, in particular with metal cations, can be associated with disadvantages in electrolyte columns.

Derzeit sind keine Lösungen für das beschriebene Problem bekannt. Sein Ausmaß kann, wie in DE 102017208610.6 beschrieben, durch Erhöhung des Systemdrucks reduziert werden. Eine übermäßige Druckerhöhung ist aufgrund der gesteigerten Löslichkeit von Gasen in Wasser jedoch nicht wünschenswert.At present, no solutions to the problem described are known. Its extent can, as in DE 102017208610.6 be reduced by increasing the system pressure. However, excessive pressure increase is undesirable because of the increased solubility of gases in water.

Es besteht somit ein Bedarf an einer verbesserten Elektrolysezelle bzw. einem verbesserten Elektrolysesystem, bei dem effektiv die Bildung von Gasblasen an einer Membran in einem Mehr-Kammer-System vermieden werden kann.There is thus a need for an improved electrolysis cell or an improved electrolysis system, in which the formation of gas bubbles on a membrane in a multi-chamber system can be effectively avoided.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass mit einer zusätzlichen Elektrolyseur-Komponente insbesondere die Zellspannung, die Betriebsstabilität und die Energieeffizienz verbessert werden können. Dabei wird diese Komponente bevorzugt so integriert, dass in der resultierenden gesamten Zelle weder Salzverkrustungen der Elektroden noch CO2 Entwicklung im Anodenraum möglich sind. Die vorliegende Erfindung stellt dabei eine signifikante Verbesserung bereits offengelegter Zellkonzepte dar. The inventors have found that with an additional electrolyzer component, in particular cell voltage, operational stability and energy efficiency can be improved. In this case, this component is preferably integrated so that in the resulting entire cell neither salt incrustations of the electrodes nor CO 2 development in the anode compartment are possible. The present invention represents a significant improvement of already disclosed cell concepts.

Dies wird insbesondere erreicht, indem ein Salzbrückenraum in einer Elektrolysezelle mit einem festen Anionenaustauscher gefüllt wird, welcher mindestens in der Nähe der Kathode/AEM einen, z.B. Hydrogencarbonat, Carbonat und/oder Hydroxid leitfähigen, beispielsweise stark basischen, Anionenaustauscher umfasst. Der Anionenaustauscher führt dazu, dass eine Gasentwicklung, beispielsweise die CO2-Entwicklung bei der CO2-Elektrolyse, im Salzbrückenraum in das Volumen verteilt werden kann und nicht nur an der AEM-Salzbrückenraum-Grenzfläche stattfindet.This is achieved in particular by filling a salt bridge space in an electrolysis cell with a solid anion exchanger which comprises at least in the vicinity of the cathode / AEM an, for example bicarbonate, carbonate and / or hydroxide conductive, for example strongly basic, anion exchanger. The anion exchanger causes a gas evolution, for example, the CO 2 evolution in the CO 2 electrolysis, can be distributed in the salt bridge space in the volume and not only takes place at the AEM salt bridge space interface.

Im Folgenden werden die Begriffe Anionenaustauscher und Anionentransporter synonym verwendet. Die Transportfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anionenaustausch-/ Anionentransportmaterial Kationen bereitstellt, die die Ladung der Anionen kompensieren. Das Anion an sich ist gemäß bestimmten Ausführungsformen nur so leicht gebunden, dass ein dynamischer Austausch ermöglicht wird und so ein Transportpfad für das Anion im Elektrolyten bereitgestellt wird. Gleichzeitig ist das Kation am Polymerrückrad des Anionentauschermaterials immobilisiert, sodass es selbst nicht an Ladungstransportprozessen teilnehmen kann.In the following, the terms anion exchanger and anion transporter are used interchangeably. The transport function is characterized in that the anion exchange / anion transport material provides cations that compensate for the charge of the anions. The anion itself is, according to certain embodiments, only so easily bound that a dynamic exchange is made possible, thus providing a transport path for the anion in the electrolyte. At the same time, the cation is immobilized on the polymer back wheel of the anion exchange material so that it itself can not participate in charge transport processes.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrolysezelle, umfassend

  • - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
  • - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran kontaktiert;
  • - einen Anodenraum umfassend eine Anode; und
  • - einen ersten Separator, welcher an den Anodenraum angrenzt;
weiter umfassend einen Salzbrückenraum, wobei der Salzbrückenraum zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator angeordnet ist, wobei der Salzbrückenraum einen festen Anionenaustauscher umfasst, welcher zumindest teilweise mit der ersten Ionenaustauschermembran in Kontakt ist.In a first aspect, the present invention relates to an electrolytic cell comprising
  • a cathode compartment comprising a cathode;
  • a first ion exchange membrane containing an anion exchanger adjacent to the cathode compartment, the cathode contacting the first ion exchange membrane;
  • an anode compartment comprising an anode; and
  • a first separator adjacent to the anode compartment;
further comprising a salt bridge space, wherein the salt bridge space between the first ion exchange membrane and the first separator is arranged, wherein the salt bridge space comprises a solid anion exchanger, which is at least partially in contact with the first ion exchange membrane.

Weiterhin offenbart ist eine Elektrolyseanlage umfassend eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle.Further disclosed is an electrolysis plant comprising an electrolysis cell according to the invention.

Zudem ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2 gerichtet, wobei eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle oder eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage verwendet wird, wobei CO2 an der Kathode reduziert wird und an der Kathode entstehendes Hydrogencarbonat und/oder Carbonat durch die erste Ionenaustauschermembran zu einem Elektrolyten im Salzbrückenraum wandert, wobei das Hydrogencarbonat und/oder Carbonat zudem durch den festen Anionenaustauscher im Salzbrückenraum von der ersten Ionenaustauschermembran weg transportiert wird.In addition, the present invention is directed to a method for the electrolysis of CO 2 , wherein an electrolysis cell according to the invention or an electrolysis plant according to the invention is used, wherein CO 2 is reduced at the cathode and formed at the cathode bicarbonate and / or carbonate through the first ion exchange membrane to a Electrolyte migrated in the salt bridge space, wherein the bicarbonate and / or carbonate is also transported by the solid anion exchanger in the salt bridge space away from the first ion exchange membrane.

Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle oder einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage zur Elektrolyse von CO2 und/oder CO.Yet another aspect of the present invention relates to the use of an electrolysis cell according to the invention or an electrolysis plant according to the invention for the electrolysis of CO 2 and / or CO.

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung zu entnehmen.Further aspects of the present invention can be found in the dependent claims and the detailed description.

Figurenlistelist of figures

Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

  • 1 bis 9 zeigen schematisch mögliche Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.
  • In 10 ist beispielhaft schematisch eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage dargestellt.
The accompanying drawings are intended to illustrate embodiments of the present invention and to provide a further understanding thereof. In the context of the description, they serve to explain concepts and principles of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily to scale. Identical, functionally identical and identically acting elements, features and components are in the figures of the drawings, unless otherwise stated, each provided with the same reference numerals.
  • 1 to 9 schematically show possible embodiments of an electrolytic cell according to the invention.
  • In 10 is an example schematically illustrated an electrolysis plant according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Definitionendefinitions

So nicht anderweitig definiert haben hierin verwendete technische und wissenschaftliche Ausdrücke dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Fachgebiet der Erfindung gemeinhin verstanden wird.Unless defined otherwise, technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art.

Mengenangaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Gew.%, soweit nicht anderweitig angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist. In der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode ergänzen sich die Gew.%-Anteile auf 100 Gew.%.Quantities in the context of the present invention relate to wt.%, Unless otherwise specified or apparent from the context. In the gas diffusion electrode according to the invention, the weight percentages to 100% by weight complement each other.

Als hydrophob wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung wasserabweisend verstanden. Hydrophobe Poren und/oder Kanäle sind erfindungsgemäß also solche, welche Wasser abweisen. Insbesondere sind hydrophoben Eigenschaften erfindungsgemäß mit Stoffen bzw. Molekülen mit unpolaren Gruppen assoziiert.In the context of the present invention, hydrophobic is understood as meaning water-repellent. Hydrophobic pores and / or channels according to the invention are therefore those which repel water. In particular, hydrophobic properties are associated according to the invention with substances or molecules with nonpolar groups.

Als hydrophil wird im Gegensatz hierzu die Fähigkeit zur Wechselwirkung mit Wasser und anderen polaren Stoffen verstanden.In contrast, hydrophilic is understood as the ability to interact with water and other polar substances.

Gasdiffusionselektroden (GDE) allgemein sind Elektroden, in denen flüssige, feste und gasförmige Phasen vorliegen, und wo insbesondere ein leitender Katalysator eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmige Phase katalysiert.Gas diffusion electrodes (GDE) in general are electrodes in which liquid, solid and gaseous phases are present, and where in particular a conductive catalyst catalyses an electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.

Die Ausführung kann unterschiedlicher Natur sein, beispielsweise als poröser „Vollmaterialkatalysator“ mit ggf. Hilfsschichten zur Anpassung der Hydrophobizität, wobei dann beispielsweise ein Membran-GDE-Verbund, z.B. AEM-GDE Verbund, hergestellt werden kann; als leitfähiger poröser Träger, auf den ein Katalysator in dünner Schicht aufgebracht werden kann, wobei dann ebenfalls wieder ein Membran-GDE-Verbund, z.B. AEM-GDE Verbund, hergestellt werden kann; oder als im Verbund poröser Katalysator, der ggf. mit Additiv direkt auf einer Membran, z.B. einer AEM, aufgebracht werden kann und dann im Verbund eine mit Katalysator beschichtete Membran (CCM; catalyst coated membrane) bilden kann.The design may be of a different nature, for example, as a porous "bulk catalyst" with optional adjuvants to adjust the hydrophobicity, then, for example, a membrane-GDE composite, e.g. AEM-GDE composite, can be produced; as a conductive porous support to which a catalyst can be applied in a thin layer, in which case again a membrane-GDE composite, e.g. AEM-GDE composite, can be produced; or as a composite porous catalyst, optionally with additive directly on a membrane, e.g. AEM, can be applied and then in combination can form a catalyst coated membrane (CCM).

Der Normaldruck ist 101325 Pa = 1,01325 bar.The normal pressure is 101325 Pa = 1.01325 bar.

Elektro-Osmose:Electro-osmosis:

Unter Elektro-Osmose versteht man ein elektrodynamisches Phänomen, bei dem auf in Lösung befindliche Teilchen mit einem positiven Zeta-Potential eine Kraft hin zur Kathode und auf alle Teilchen mit negativem Zeta-Potential eine Kraft zur Anode wirkt. Findet an den Elektroden ein Umsatz statt, d.h. fließt ein galvanischer Strom, so kommt es auch zu einem Stoffstrom der Teilchen mit positivem Zeta-Potential zur Kathode, unabhängig davon, ob die Spezies an der Umsetzung beteiligt ist oder nicht. Entsprechendes gilt für ein negatives Zeta-Potential und die Anode. Ist die Kathode porös, wird das Medium auch durch die Elektrode hindurch gepumpt. Man spricht auch von einer Elektro-Osmotischen-Pumpe.Electro-osmosis is an electrodynamic phenomenon in which a force towards the cathode acts on particles in solution with a positive zeta potential, and a force acts on the anode on all particles with a negative zeta potential. If conversion takes place at the electrodes, i. If a galvanic current flows, a stream of the particles with a positive zeta potential also flows to the cathode, irrespective of whether the species participates in the reaction or not. The same applies to a negative zeta potential and the anode. If the cathode is porous, the medium is also pumped through the electrode. It is also known as an electro-osmotic pump.

Die durch Elektro-Osmose bedingten Stoffströme können auch entgegengesetzt zu Konzentrationsgradienten fließen. Diffusionsbedingte Ströme, die die Konzentrationsgradienten ausgleichen können hierdurch überkompensiert werden.The material flows caused by electro-osmosis can also flow in opposite directions to concentration gradients. Diffusion-related currents that balance the concentration gradients can thereby be overcompensated.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrolysezelle, umfassend

  • - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
  • - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran kontaktiert;
  • - einen Anodenraum umfassend eine Anode; und
  • - einen ersten Separator, welcher an den Anodenraum angrenzt;
weiter umfassend einen Salzbrückenraum, wobei der Salzbrückenraum zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator angeordnet ist, wobei der Salzbrückenraum einen festen Anionenaustauscher umfasst, welcher zumindest teilweise mit der ersten Ionenaustauschermembran in Kontakt ist.In a first aspect, the present invention relates to an electrolytic cell comprising
  • a cathode compartment comprising a cathode;
  • a first ion exchange membrane containing an anion exchanger adjacent to the cathode compartment, the cathode contacting the first ion exchange membrane;
  • an anode compartment comprising an anode; and
  • a first separator adjacent to the anode compartment;
further comprising a salt bridge space, wherein the salt bridge space between the first ion exchange membrane and the first separator is arranged, wherein the salt bridge space comprises a solid anion exchanger, which is at least partially in contact with the first ion exchange membrane.

Der Salzbrückenraum ist nicht besonders beschränkt, insofern er entsprechend an die erste Ionenaustauschermembran zumindest teilweise, insbesondere mechanisch und/oder ionisch, anschließt, damit der feste Anionenaustauscher in diesem mit der ersten Ionenaustauschermembran zumindest teilweise in Kontakt sein kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der feste Anionenaustauscher mit der ersten Ionenaustauschermembran zumindest im Wesentlichen in einem Bereich in Kontakt, in dem die Kathode die erste Ionenaustauschermembran auf einer gegenüberliegenden Seite dieser Membran kontaktiert, oder in einem Bereich, der größer ist. Hierdurch kann eine gute Weiterleitung von Anionen, welche in der Kathode generiert und durch die erste Ionenaustauschermembran geleitet werden, sichergestellt werden. Der Begriff „mit der ersten Ionenaustauschermembran in Kontakt“ schließt hierbei nicht aus, dass der Kontakt nicht vollflächig ist, sondern ist gemäß bestimmten Ausführungsformen derart, dass auch ein Stofffluss von Fluiden, also Flüssigkeiten und/oder Gasen, durch den festen Anionenaustauscher möglich ist.The salt bridge space is not particularly limited insofar as it correspondingly adjoins the first ion exchange membrane at least partially, in particular mechanically and / or ionically, so that the solid anion exchanger in it can at least partially be in contact with the first ion exchange membrane. According to certain embodiments, the solid anion exchanger is in contact with the first ion exchange membrane at least substantially in a region where the cathode contacts the first ion exchange membrane on an opposite side of that membrane or in a region that is larger. In this way, a good transfer of anions, which are generated in the cathode and passed through the first ion exchange membrane, can be ensured. The term "in contact with the first ion exchange membrane" here does not exclude that the contact is not full-surface, but according to certain embodiments such that a flow of fluids, ie liquids and / or gases, through the solid anion exchanger is possible.

Der Begriff Salzbrückenraum wird hierbei im Hinblick auf seine Funktion verwendet, als „Brücke“ zwischen Anodenanordnung und Kathodenanordnung zu wirken und hierbei Kationen und Anionen aufzuweisen, welche jedoch vorliegend keine Salze bilden müssen. Da vorliegend mindestens ein Ionentauscher im Salzbrückenraum vorhanden ist, könnte man diesen auch als Ionenbrückenraum benennen. Da dieser Begriff jedoch nicht geläufig ist, wird der Raum erfindungsgemäß als Salzbrückenraum bezeichnet, selbst wenn darin im klassischen Sinne kein Salz vorhanden sein muss.The term salt bridge space is here used in terms of its function to act as a "bridge" between the anode assembly and cathode assembly and thereby have cations and anions, which, however, do not have to form salts in the present case. Since in the present case at least one ion exchanger is present in the salt bridge space, this could also be called an ion bridge space. However, since this term is not familiar, the space is referred to as salt bridge space according to the invention, even if in the classic sense, no salt must be present.

Die Dimensionen des Salzbrückenraums sind ebenfalls nicht besonders beschränkt, und er kann beispielsweise als Raum oder Spalt, z.B. zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator, welche beispielsweise parallel zueinander angeordnet sind, ausgebildet sein.The dimensions of the salt bridge space are also not particularly limited, and may be used as a space or a gap, e.g. be formed between the first ion exchange membrane and the first separator, which are arranged for example parallel to each other.

Der Salzbrückenraum muss nicht unbedingt mit dem ersten Separator, welcher an den Anodenraum angrenzt, in Kontakt sein, d.h. es können auch mehr als drei Kammern in einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle vorhanden sein. Der Ausdruck „zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator angeordnet“ bedeutet also, dass der Salzbrückenraum sich an einer beliebigen Stelle zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator befinden kann, insofern er einen festen Anionenaustauscher umfasst, welcher zumindest teilweise mit der ersten Ionenaustauschermembran in Kontakt ist. Insofern grenzt der Salzbrückenraum an die erste Ionenaustauschermembran an, was jedoch nicht ausschließt, dass zum ersten Separator hin noch ein zweiter Separator oder noch weitere Separatoren und/oder weitere Zellräume vorhanden sind. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Salzbrückenraum mit dem ersten Separator in Kontakt. Insofern kann die erfindungsgemäße Elektrolysezelle beispielsweise als Mehrkammerzelle, z.B. Drei-Kammer-Zelle aufgebaut sein, wie sie in US 2017037522 A1 , DE 102017208610.6 , und DE 102017211930.6 beschrieben sind, und auf welche bezüglich solcher Zellen Bezug genommen wird. Es kann also beispielsweise eine Drei-Kammer-Zelle vorliegen, bei der drei Kammern (I, II, III) vorliegen. Mit dem Salzbrückenraum kann somit die elektrolytische Kontaktierung zwischen Kathodenraum und Anodenraum bewirkt und/oder erleichtert werden.The salt bridge space does not necessarily have to be in contact with the first separator which adjoins the anode space, ie more than three chambers may also be present in an electrolysis cell according to the invention. Thus, the term "interposed between the first ion exchange membrane and the first separator" means that the salt bridge space may be located anywhere between the first ion exchange membrane and the first separator insofar as it comprises a solid anion exchanger which is at least partially bound to the first ion exchange membrane in FIG Contact is. In this respect, the salt bridge space adjoins the first ion exchange membrane, which does not exclude, however, that a second separator or even further separators and / or further cell spaces are present in addition to the first separator. According to certain embodiments, the salt bridge space is in contact with the first separator. In this respect, the electrolysis cell according to the invention can be constructed, for example, as a multi-chamber cell, for example a three-chamber cell, as described in US Pat US 2017037522 A1 . DE 102017208610.6 , and DE 102017211930.6 and to which reference is made for such cells. Thus, for example, there may be a three-compartment cell in which there are three chambers (I, II, III). Thus, the electrolytic contacting between the cathode space and the anode space can be effected and / or facilitated with the salt bridge space.

Der Kathodenraum, der Anodenraum und Salzbrückenraum sind in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle nicht besonders beschränkt hinsichtlich Form, Material, Dimensionen, etc., insofern sie die Kathode, die Anode und die erste Ionenaustauschermembran und den ersten Separator aufnehmen können. Die drei Räume werden in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle gebildet, wobei sie dann beispielsweise durch die erste Ionenaustauschermembran und den ersten Separator entsprechend getrennt sein können, beispielsweise mit dem ersten Separator zwischen dem Salzbrückenraum und dem Anodenraum.The cathode space, the anode space and the salt bridge space are not particularly limited in the electrolytic cell of the present invention in terms of shape, material, dimensions, etc. insofar as they can accommodate the cathode, the anode and the first ion exchange membrane and the first separator. The three spaces are formed in the electrolysis cell according to the invention, in which case they can then be correspondingly separated, for example, by the first ion exchange membrane and the first separator, for example with the first separator between the salt bridge space and the anode space.

Für die einzelnen Räume können hierbei je nach durchzuführender Elektrolyse entsprechend Zuführ- und Abführeinrichtungen für Edukte und Produkte, beispielsweise in Form von Flüssigkeit, Gas, Lösung, Suspension, etc. vorgesehen sein, wobei diese ggf. auch jeweils rückgeführt werden können. Auch hierzu besteht keine Beschränkung, und die einzelnen Räume können in parallelen Strömen oder im Gegenstrom durchströmt werden. Beispielsweise kann bei einer Elektrolyse von CO2 - wobei dieses noch weiterhin CO enthalten kann, also beispielsweise mindestens 20 Vol.% CO2 enthält - dieses zur Kathode in Lösung, als Gas, etc. zugeführt werden - beispielsweise im Gegenstrom zu einem Elektrolytstrom im Salzbrückenraum bei einem Drei-Kammer-Aufbau. Hierbei besteht keine Einschränkung.Depending on the electrolysis to be carried out, corresponding supply and discharge devices for educts and products, for example in the form of liquid, gas, solution, suspension, etc., may be provided for the individual spaces, and these may possibly also be recycled in each case. Again, there is no limitation, and the individual rooms can be flowed through in parallel streams or in countercurrent. For example, in an electrolysis of CO 2 - which may still contain CO, that is, for example, at least 20 vol.% CO 2 contains - this to the cathode in solution, as a gas, etc. are supplied - for example, in countercurrent to an electrolyte flow in the salt bridge space in a three-chamber design. There is no restriction here.

Entsprechende Zuführmöglichkeiten bestehen auch beim Anodenraum und werden auch im Weiteren noch genauer ausgeführt. Die jeweilige Zufuhr kann sowohl kontinuierlich wie auch diskontinuierlich, beispielsweise gepulst, etc. vorgesehen sein, wofür entsprechend Pumpen, Ventile, etc. in einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage vorgesehen sein können - die auch nachfolgend noch diskutiert wird, wie auch Kühl- und/oder Heizeinrichtungen, um entsprechend gewünschte Reaktionen an der Anode und/oder Kathode katalysieren zu können. Corresponding feed options also exist in the anode compartment and are also described in more detail below. The respective supply can be provided both continuously and discontinuously, for example pulsed, etc., for which pumps, valves, etc. can be provided in an electrolysis plant according to the invention - which will also be discussed below, as well as cooling and / or heating devices, to be able to catalyze corresponding desired reactions at the anode and / or cathode.

Die Materialien der jeweiligen Räume bzw. der Elektrolysezelle und/oder der weiteren Bestandteile der Elektrolyseanlage können hierbei auch entsprechend an gewünschte Reaktionen, Reaktanden, Produkte, Elektrolyten, etc. geeignet angepasst werden. Darüber hinaus ist natürlich auch mindestens eine Stromquelle je Elektrolysezelle umfasst. Auch weitere Vorrichtungsteile, welche in Elektrolysezellen bzw. Elektrolyseanlagen vorkommen, können in der erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage bzw. der Elektrolysezelle vorgesehen sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird aus diesen Einzelzellen ein Stack aufgebaut, der 2 - 1000, bevorzugt 2 - 200 Zellen umfasst, und dessen Betriebsspannung bevorzugt im Bereich von 3 - 1500 V, besonders bevorzugt 200 - 600 V, liegt.The materials of the respective rooms or the electrolysis cell and / or the other constituents of the electrolysis plant can also be appropriately adapted to desired reactions, reactants, products, electrolytes, etc. In addition, of course, at least one power source per electrolytic cell is included. Other device parts which occur in electrolysis cells or electrolysis systems can also be provided in the electrolysis plant or electrolysis cell according to the invention. According to certain embodiments, a stack comprising 2 - 1000, preferably 2 - 200 cells, and whose operating voltage is preferably in the range of 3 - 1500 V, particularly preferably 200 - 600 V, is constructed from these individual cells.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird ein im Salzbrückenraum gebildetes Gas, welches z.B. dem Eduktgas entspricht, z.B. CO2, welches auch, ggf. Spuren von, H2 und/oder CO enthalten kann, wieder in Richtung Kathodenraum rückgeführt, wofür in einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage eine entsprechende Rückführeinrichtung vorgesehen sein kann.According to certain embodiments, a gas formed in the salt bridge space, which corresponds, for example, to the educt gas, for example CO 2 , which may also contain traces of, H 2 and / or CO, is returned to the cathode space, for which an appropriate electrolysis plant according to the invention Return device can be provided.

Die Kathode ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt und kann an eine gewünschte Halbreaktion angepasst sein, beispielsweise hinsichtlich der Reaktionsprodukte, insofern sie die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert, also mit der ersten Ionenaustauschermembran an zumindest einer Stelle direkt im Kontakt steht, bevorzugt wobei die Kathode im Wesentlichen flächig mit der ersten Ionenaustauschermembran in direktem Kontakt steht. Die Kathode grenzt also zumindest in einem Bereich direkt an die erste Ionenaustauschermembran an. Eine Kathode zur Reduktion von CO2 und ggf. CO kann beispielsweise ein Metall wie Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, Bi, Pt, Pd, Ir, Os, Fe, Ni, Co, W, Mo, etc., oder Gemische und/oder Legierungen davon, bevorzugt Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, oder Gemische und/oder Legierungen davon, umfassen und/oder ein Salz davon, wobei geeignete Materialien an ein gewünschtes Produkt angepasst werden können. Der Katalysator kann somit je nach gewünschtem Produkt gewählt werden. Im Falle der Reduktion von CO2 zu CO beispielsweise basiert der Katalysator bevorzugt auf Ag, Au, Zn und/oder deren Verbindungen wie Ag2O, AgO, Au2O, Au2O3, ZnO. Zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen werden Cu oder Cu-haltige Verbindungen wie Cu2O, CuO und/oder kupferhaltige Mischoxide mit anderen Metallen, etc., bevorzugt. Für eine Herstellung von Ameisensäure sind beispielsweise Katalysatoren auf Basis von Pb, Sn und/oder Cu, insbesondere Pb, Sn, möglich. Da die Wasserstoffbildung bei hohen Stromdichten gemäß bestimmten Ausführungsformen durch den Anionentransport vollständig unterdrückt werden kann, können auch Katalysatoren zur CO2-Reduktion eingesetzt werden, die keine hohe Überspannung gegenüber Wasserstoff besitzen, z.B. Reduktionskatalysatoren wie Pt, Pd, Ir, Os oder carbonylbildende Metalle wie Fe, Ni, Co, W, Mo. Damit eröffnet die beschriebene Betriebsweise in Verbindung mit dem Zelldesign neue Wege in der CO2-Reduktions-Chemie, die nicht von der Wasserstoffüberspannung abhängen.According to the invention, the cathode is not particularly limited and may be adapted to a desired half reaction, for example with respect to the reaction products insofar as it contacts the first ion exchange membrane directly, ie it is in direct contact with the first ion exchange membrane at at least one point, preferably with the surface being substantially flat is in direct contact with the first ion exchange membrane. Thus, at least in one area, the cathode directly adjoins the first ion exchange membrane. For example, a cathode such as Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, Bi, Pt, Pd, Ir, Os, Fe, Ni, Co, W, Mo, etc. may be a cathode for reducing CO 2 and possibly CO. , or mixtures and / or alloys thereof, preferably Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, or mixtures and / or alloys thereof, and / or a salt thereof, wherein suitable materials can be adapted to a desired product. The catalyst can thus be selected depending on the desired product. In the case of the reduction of CO 2 to CO, for example, the catalyst is preferably based on Ag, Au, Zn and / or their compounds such as Ag 2 O, AgO, Au 2 O, Au 2 O 3 , ZnO. For the preparation of hydrocarbons Cu or Cu-containing compounds such as Cu 2 O, CuO and / or copper-containing mixed oxides with other metals, etc., are preferred. For the production of formic acid, for example, catalysts based on Pb, Sn and / or Cu, in particular Pb, Sn, are possible. Since the formation of hydrogen at high current densities can be completely suppressed by the anion transport according to certain embodiments, it is also possible to use catalysts for CO 2 reduction which do not have a high overvoltage to hydrogen, for example reduction catalysts such as Pt, Pd, Ir, Os or carbonyl-forming metals such as Fe, Ni, Co, W, Mo. Thus, the mode of operation described in connection with cell design opens up new avenues in CO 2 reduction chemistry, which do not depend on hydrogen overvoltage.

Die Kathode ist die Elektrode an der die reduktive Halbreaktion stattfindet. Sie kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und beispielsweise als Gasdiffusionselektrode, poröse Elektrode oder direkt mit dem AEM im Verbund, etc. ausgebildet sein.
Folgende Ausführungsformen sind hierbei beispielsweise möglich:

  • - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen mittels eines geeigneten Ionomers, beispielsweise eines anionischen Ionomers, mit der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer Anionenaustauschermembran (AEM), z.B. ionenleitend und/oder mechanisch verklebt sein kann;
  • - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen partiell in die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, gepresst sein kann;
  • - poröse, leitfähige, katalytisch inaktiven Struktur, z.B. Kohlenstoff-Papier-GDL bzw. Carbon-Paper-GDL (gas diffusion layer, Gasdiffusionsschicht), Kohlenstoff-Tuch-GDL bzw. Carbon-Cloth-GDL, und/oder polymergebundener Film aus granularem Glaskohlenstoff, der mit dem Katalysator der Kathode und ggf. einem Ionomer, dass die Anbindung an die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, ermöglicht, imprägniert ist, wobei die Elektrode dann mechanisch auf die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, gepresst oder vorher mit der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, verpresst sein kann, um einen Verbund zu bilden;
  • - partikulärer Katalysator, der mittels eines geeigneten Ionomers auf einen geeigneten Träger, beispielsweise einen porösen leitfähigen Träger, aufgebracht ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegen kann;
  • - partikulärer Katalysator, der in die die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, eingepresst ist oder auf diese beschichtet ist und beispielsweise entsprechend leitend verbunden ist, wobei diese Struktur dann beispielsweise als sogenannte CCM (Catalyst-Caoted-Membrane; katalysator-beschichtete Membran) dann auf eine leitfähige, poröse Elektrode gepresst sein kann, wobei eine katalytische Aktivität dieser Elektrode grundsätzlich nicht erforderlich ist und beispielsweise Kohlenstoff basierte GDL's oder Gitter, beispielsweise aus Titan, verwendet werden können, wobei hierbei nicht ausgeschlossen ist, dass diese Elektrode Ionomere enthält und/oder den aktiven Katalysator enthält oder in großen Teilen daraus besteht;
  • - nicht geschlossenes Flächengebilde, z.B. ein Netz oder ein Streckmetall, das beispielsweise aus einem Katalysator besteht bzw. diesen umfasst oder mit diesem beschichtet ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegt;
  • - polymergebundene Vollkatalysator-Struktur aus partikulärem Katalysator, die ein Ionomer, das die Anbindung an die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, ermöglicht, enthält oder nachträglich damit imprägniert wurde, wobei die Elektrode dann mechanisch auf die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, gepresst oder vorher mit der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, verpresst sein kann, um einen Verbund zu bilden;
  • - poröser, leitfähiger Träger, der mit einem geeigneten Katalysator und ggf. einem Ionomer imprägniert ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegt;
  • - nicht ionenleitfähige Gasdiffusionselektrode, die nachträglich mit einem geeigneten Ionomer, beispielsweise einem anionleitfähigen Ionomer, imprägniert wurde und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegt oder mit dieser, z.B. über ein Ionomer, verbunden ist.
The cathode is the electrode at which the reductive half-reaction takes place. It can be embodied in one or more parts and be formed, for example, as a gas diffusion electrode, porous electrode or directly with the AEM in a composite, etc.
The following embodiments are possible, for example:
  • Gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure, which according to certain embodiments by means of a suitable ionomer, for example an anionic ionomer, with the first ion exchange membrane, such as an anion exchange membrane (AEM), for example ion-conducting and / or mechanically bonded;
  • - Gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure, which according to certain embodiments may be partially pressed into the first ion exchange membrane, such as an AEM;
  • porous, conductive, catalytically inactive structure, eg carbon-paper-GDL or carbon-paper-GDL (gas diffusion layer), carbon-cloth-GDL or carbon-cloth-GDL, and / or polymer-bonded film of granular Glassy carbon which is impregnated with the catalyst of the cathode and, if appropriate, an ionomer which makes possible the attachment to the first ion exchange membrane, for example an AEM, the said electrode then being mechanically applied to the first ion exchange membrane, for example, an AEM, pressed or previously compressed with the first ion exchange membrane, for example an AEM, to form a composite;
  • particulate catalyst, which is applied by means of a suitable ionomer to a suitable support, for example a porous conductive support, and according to certain embodiments, can abut the first ion exchange membrane, for example an AEM;
  • Particulate catalyst, in which the first ion exchange membrane, for example an AEM, is pressed or coated onto it and, for example, correspondingly conductively connected, this structure then being known, for example, as CCM (Catalyst-Caoted membrane, catalyst-coated membrane) may be pressed onto a conductive, porous electrode, wherein a catalytic activity of this electrode is basically not required and, for example, carbon-based GDL's or gratings, for example made of titanium, can be used, whereby it is not excluded that this electrode contains ionomers and / or contains or consists in large part of the active catalyst;
  • non-closed sheet material, eg a net or an expanded metal, which for example consists of, comprises or is coated with a catalyst and according to certain embodiments bears against the first ion exchange membrane, for example an AEM;
  • polymer-bonded unsupported catalyst structure comprising particulate catalyst containing or subsequently impregnated with an ionomer which allows attachment to the first ion exchange membrane, for example an AEM, the electrode then being mechanically pressed onto the first ion exchange membrane, for example an AEM previously compressed with the first ion exchange membrane, such as an AEM, to form a composite;
  • porous conductive carrier impregnated with a suitable catalyst and optionally an ionomer and, according to certain embodiments, being applied to the first ion exchange membrane, for example an AEM;
  • non-ion-conductive gas diffusion electrode, which was subsequently impregnated with a suitable ionomer, for example an anionic ionomer, and according to certain embodiments is applied to the first ion exchange membrane, for example an AEM, or is connected thereto, eg via an ionomer.

Auch verschiedene Kombinationen der oben beschriebenen Elektrodenstrukturen sind als Kathode möglich.Also, various combinations of the electrode structures described above are possible as the cathode.

Die entsprechenden Kathoden können hierbei auch in Kathoden übliche Materialien wie Binder, Ionomere, beispielsweise anionenleitfähige Ionomere, Füllstoffe, hydrophile Zusätze, etc. enthalten, welche nicht besonders beschränkt sind. Neben dem Katalysator kann die Kathode also gemäß bestimmten Ausführungsformen mindestens ein Ionomer, beispielsweise ein anionenleitfähiges bzw. anionentransportierendes Ionomer (z.B. Anionenaustauscherharz, Anionentransportharz) welches z.B. verschiedene funktionelle Gruppen zum Ionenaustausch umfassen kann, welche gleich oder verschieden sein können, beispielsweise, tertiäre Amingruppen, Alkylammoniumgruppen und/ oder Phosphoniumgruppen), ein, z.B. leitfähiges, Trägermaterial (z.B. ein Metall wie Titan), und/oder mindestens ein Nicht-Metall wie Kohlenstoff, Si, Bornitrid (BN), Bordotierten Diamant, etc., und/oder mindestens ein leitfähiges Oxid wie Indiumzinnoxid(ITO), Aluminiumzinkoxid (AZO) oder fluoriertes Zinnoxid (FTO) - beispielsweise wie es zur Herstellung von Photoelektroden verwendet wird, und/oder mindestens ein Polymer basierend auf Polyacetylen, Polyethoxythiophen, Polyanilin oder Polypyrrol, wie beispielsweise in polymerbasierten Elektroden; nichtleitfähige Träger wie z.B. Polymernetze sind beispielsweise bei einer ausreichenden Leitfähigkeit der Katalysatorlage möglich), Binder (z.B. hydrophile und/oder hydrophobe Polymere, z.B. organische Binder, z.B. ausgewählt aus PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF (Polyvinyliendifluorid), PFA (Perfluoralkoxy-Polymeren), FEP (fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymeren), PFSA (Perfluorsulfonsäure-Polymeren), und Mischungen davon, insbesondere PTFE), leitfähige Füllstoffe (z.B. Kohlenstoff), nicht leitfähige Füllstoffe (z.B. Glas) und/oder hydrophile Zusätze (z.B. Al2O3, MgO2, hydrophile Materialien wie Polysulfone, z.B. Polyphenylsulfone, Polyimide, Polybenzoxazole oder Polyetherketone bzw. allgemein im Elektrolyten elektrochemisch stabile Polymere, polymerisierte „Ionische Flüssigkeiten“, und/oder organische Leiter wie PEDOT:PSS oder PANI (champhersulfonsäuredortiertes Polyanilin) enthalten, welche nicht besonders beschränkt sind.The corresponding cathodes may in this case also contain materials customary in cathodes, such as binders, ionomers, for example anionic ionomers, fillers, hydrophilic additives, etc., which are not particularly limited. Thus, according to certain embodiments, besides the catalyst, the cathode may comprise at least one ionomer, for example an anionic ionomer (eg, anion exchange resin, anion transport resin) which may include, for example, various ion exchange functional groups, which may be the same or different, for example, tertiary amine groups, alkyl ammonium groups and / or phosphonium groups), for example a conductive carrier material (eg a metal such as titanium), and / or at least one non-metal such as carbon, Si, boron nitride (BN), boron-doped diamond, etc., and / or at least one conductive one Oxide such as indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO) or fluorinated tin oxide (FTO) - for example as used to make photoelectrodes, and / or at least one polymer based on polyacetylene, polyethoxythiophene, polyaniline or polypyrrole, such as in polymer based electrodes; non-conductive supports such as polymer nets are possible, for example, with sufficient conductivity of the catalyst layer), binders (eg hydrophilic and / or hydrophobic polymers, eg organic binders, eg selected from PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidifluoride), PFA (perfluoroalkoxy polymers), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymers), PFSA (perfluorosulfonic acid polymers), and mixtures thereof, in particular PTFE), conductive fillers (eg carbon), non-conductive fillers (eg glass) and / or hydrophilic additives (eg Al 2 O 3 , MgO 2 , hydrophilic materials such as polysulfones, for example polyphenylsulfones, polyimides, polybenzoxazoles or polyether ketones or in the electrolyte generally electrochemically stable polymers, polymerized "ionic liquids", and / or organic conductors such as PEDOT: PSS or PANI (champhersulfonsäuredortierte polyaniline) containing are not particularly limited.

Die Kathode, insbesondere in Form einer Gasdiffusionselektrode, z.B. verbunden mit der ersten Ionenaustauschermembran, oder enthalten in Form einer CCM, enthält gemäß bestimmten Ausführungsformen ionenleitfähige Komponenten, insbesondere eine anionenleitfähige Komponente.The cathode, especially in the form of a gas diffusion electrode, e.g. bonded to the first ion exchange membrane, or contained in the form of a CCM, according to certain embodiments, contains ionically conductive components, in particular an anionic conductive component.

Auch andere Kathodenformen sind möglich, beispielweise Kathoden-Aufbauten, wie sie in US 20160251755 A1 und US 9481939 beschrieben sind. Other cathode forms are possible, for example, cathode structures, as in US 20160251755 A1 and US 9481939 are described.

Auch die Anode ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt und kann an eine gewünschte Halbreaktion angepasst sein, beispielsweise hinsichtlich der Reaktionsprodukte. An der Anode, welche mit der Kathode mittels einer Stromquelle zur Bereitstellung der Spannung für die Elektrolyse elektrisch verbunden ist, findet im Anodenraum die Oxidation eines Stoffes statt. Darüber hinaus ist das Material der Anode nicht besonders beschränkt und hängt in erster Linie von der erwünschten Reaktion ab. Beispielhafte Anodenmaterialien umfassen Platin bzw. Platinlegierungen, Palladium bzw. Palladiumlegierungen und Glaskohlenstoff, Eisen, Nickel, etc. Weitere Anodenmaterialien sind auch leitfähige Oxide wie dotiertes bzw. undotiertes TiO2, Indiumzinnoxid (ITO), Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO), Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO), Iridiumoxid, etc. Ggf. können diese katalytisch aktiven Verbindungen auch nur in Dünnfilmtechnologie oberflächlich aufgebracht sein, beispielsweise auf einem Titan und/oder Kohlenstoffträger. Der Anodenkatalysator ist nicht besonders beschränkt. Als Katalysator zur O2- oder Cl2-Erzeugung kommen beispielsweise auch IrOx (1.5 < x < 2) oder RuO2 zum Einsatz. Diese können auch als Mischoxid mit anderen Metallen, z.B. TiO2, vorliegen, und/oder auf einem leitfähigen Material wie C (in Form von Leitruß, Aktivkohle, Grafit, etc.) geträgert sein. Alternativ können auch Katalysatoren auf Fe-Ni oder Co-Ni Basis zur O2-Erzeugung genutzt werden. Hierfür ist beispielsweise der unten beschriebene Aufbau mit bipolarer Membran bzw. Bipolar-Membran geeignet.Also, the anode according to the invention is not particularly limited and may be adapted to a desired half reaction, for example with respect to the reaction products. At the anode, which is electrically connected to the cathode by means of a current source for providing the voltage for the electrolysis, the oxidation of a substance takes place in the anode space. Moreover, the material of the anode is not particularly limited and depends primarily on the desired reaction. Exemplary anode materials include platinum alloys, palladium and glassy carbon, iron, nickel, etc. Other anode materials are also conductive oxides such as doped TiO 2 , indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), iridium oxide, etc. If necessary. For example, these catalytically active compounds can also be superficially applied only in thin-film technology, for example on a titanium and / or carbon support. The anode catalyst is not particularly limited. As a catalyst for O 2 or Cl 2 generation, for example, IrO x (1.5 <x <2) or RuO 2 are used. These may also be present as a mixed oxide with other metals, eg TiO 2 , and / or be supported on a conductive material such as C (in the form of carbon black, activated carbon, graphite, etc.). Alternatively, catalysts based on Fe-Ni or Co-Ni can also be used for O 2 production. For this purpose, for example, the structure described below with bipolar membrane or bipolar membrane is suitable.

Die Anode ist die Elektrode an der die oxidative Halbreaktion stattfindet. Sie kann ebenfalls als Gasdiffusionselektrode, poröse Elektrode oder Vollelektrode bzw. solide Elektrode, etc. ausgebildet sein.
Folgende Ausführungsformen sind möglich:

  • - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen mittels eines geeigneten Ionomers, beispielsweise eines kationischen Ionomers, mit dem ersten Separator, beispielsweise einer Kationenaustauschermembran (CEM) oder einem Diaphragma, z.B. ionenleitend und/oder mechanisch verklebt sein kann;
  • - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen partiell in den ersten Separator, beispielsweise eine CEM oder ein Diaphragma, gepresst sein kann;
  • - partikulärer Katalysator, der mittels eines geeigneten Ionomers auf einen geeigneten Träger, beispielsweise einen porösen leitfähigen Träger, aufgebracht ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen am ersten Separator, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegen kann;
  • - partikulärer Katalysator, der in den ersten Separator, beispielsweise eine CEM oder ein Diaphragma, eingepresst ist und beispielsweise entsprechend leitend verbunden ist;
  • - nicht geschlossenes Flächengebilde, z.B. ein Netz oder ein Streckmetall, das beispielsweise aus einem Katalysator besteht bzw. diesen umfasst oder mit diesem beschichtet ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen am ersten Separator, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegt;
  • - solide Elektrode, wobei in diesem Fall auch ein Spalt zwischen dem ersten Separator, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, und der Anode bestehen kann;
  • - poröser, leitfähiger Träger, der mit einem geeigneten Katalysator und ggf. einem Ionomer imprägniert ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen am ersten Separator, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegt;
  • - nicht ionenleitfähige Gasdiffusionselektrode, die nachträglich mit einem geeigneten Ionomer, beispielsweise einem kationleitfähigen Ionomer, imprägniert wurde und gemäß bestimmten Ausführungsformen am ersten Separator, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegt;
  • - beliebige Varianten der diskutierten Ausführungsformen, wobei die Elektrode z.B. ein anodisch stabiles anionenleitfähiges Material enthält und direkt an der anionenleitenden Schicht einer Bipolarmembran anliegt.
The anode is the electrode at which the oxidative half reaction takes place. It can also be designed as a gas diffusion electrode, porous electrode or solid electrode or solid electrode, etc.
The following embodiments are possible:
  • - Gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure, which may be according to certain embodiments by means of a suitable ionomer, such as a cationic ionomer, with the first separator, such as a cation exchange membrane (CEM) or a diaphragm, for example ion-conducting and / or mechanically bonded;
  • A gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure which, according to certain embodiments, may be partially pressed into the first separator, for example a CEM or a diaphragm;
  • particulate catalyst applied to a suitable support, for example a porous conductive support, by means of a suitable ionomer and, according to certain embodiments, abutting the first separator, for example a CEM or a diaphragm;
  • particulate catalyst which is pressed into the first separator, for example a CEM or a diaphragm, and for example is correspondingly conductively connected;
  • non-closed sheet material, eg a net or an expanded metal, which for example consists of, comprises or is coated with a catalyst and, according to certain embodiments, bears against the first separator, for example a CEM or a diaphragm;
  • solid electrode, in which case there may also be a gap between the first separator, for example a CEM or a diaphragm, and the anode;
  • porous conductive carrier impregnated with a suitable catalyst and optionally an ionomer and, according to certain embodiments, abutting the first separator, for example a CEM or a diaphragm;
  • non-ionic gas diffusion electrode which has been subsequently impregnated with a suitable ionomer, for example a cationic ionomer, and according to certain embodiments is applied to the first separator, for example a CEM or a diaphragm;
  • - Any variants of the discussed embodiments, wherein the electrode, for example, contains an anodically stable anion conductive material and is applied directly to the anion-conducting layer of a bipolar membrane.

Auch hier sind verschiedene Kombinationen der verschiedenen Anodenstrukturen möglich.Again, various combinations of different anode structures are possible.

Die entsprechenden Anoden können ebenfalls in Anoden übliche Materialien wie Binder, Ionomere, z.B. auch kationenleitende Ionomere, beispielsweise enthaltend Sulfonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen, Füllstoffe, hydrophile Zusätze, etc. enthalten, welche nicht besonders beschränkt sind, welche beispielsweise auch oben bezüglich der Kathode beschrieben sind.The corresponding anodes may also contain materials common in anodes such as binders, ionomers, e.g. also cation-conducting ionomers, for example containing sulfonic acid and / or phosphonic acid groups, fillers, hydrophilic additives, etc., which are not particularly limited, which are described for example also above with respect to the cathode.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Kathode und/oder die Anode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Kathode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet, welche(r/s) ein Anionenaustauschermaterial und/oder Anionentransportmaterial enthält. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Anode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet, welche(r/s) ein Kationenaustauschermaterial enthält und/oder an eine Bipolar-Membran gekoppelt und/oder gebunden ist. According to certain embodiments, the cathode and / or the anode is impregnated as a gas diffusion electrode, as a porous bound catalyst structure, as a particulate catalyst on a support, as a coating of a particulate catalyst on the first and / or second ion exchange membrane, as a porous conductive support into which a catalyst is impregnated is, and / or formed as a non-closed sheet. According to certain embodiments, the cathode is a gas diffusion electrode, a porous bonded catalyst structure, a particulate supported catalyst, a particulate catalyst coating on the first and / or second ion exchange membrane, a porous conductive support in which a catalyst is impregnated, and / or is formed as a non-closed sheet containing (r / s) an anion exchange material and / or anion transport material. According to certain embodiments, the anode is a gas diffusion electrode, a porous bound catalyst structure, a particulate supported catalyst, a particulate catalyst coating on the first and / or second ion exchange membrane, a porous conductive support in which a catalyst is impregnated, and / or is formed as a non-closed sheet which contains (r / s) a cation exchange material and / or is coupled and / or bound to a bipolar membrane.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Anode und/oder die Kathode auf der dem Salzbrückenraum abgewandten Seite mit einer leitfähigen Struktur kontaktiert. Die leitfähige Struktur ist hierbei nicht besonders beschränkt. Die Anode und/ oder die Kathode werden gemäß bestimmten Ausführungsformen also von der der Salzbrücke abgewandten Seite durch leitfähige Strukturen kontaktiert. Diese sind nicht besonders beschränkt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Kohlefließe, Metallschäume, Metallgestricke, Streckmetalle, Grafitstrukturen oder Metallstrukturen handeln.According to certain embodiments, the anode and / or the cathode are contacted with a conductive structure on the side facing away from the salt bridge space. The conductive structure is not particularly limited here. The anode and / or the cathode are therefore contacted in accordance with certain embodiments of the salt bridge opposite side by conductive structures. These are not particularly limited. These may be, for example, coal flows, metal foams, metal knits, expanded metals, graphite structures or metal structures.

In einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wie auch in den erfindungsgemäßen Verfahren können die oben beispielhaft genannten Elektroden beliebig miteinander kombiniert werden.In an electrolysis cell according to the invention as well as in the methods according to the invention, the electrodes mentioned above by way of example can be combined with one another as desired.

Darüber hinaus können auch im Anodenraum und/oder Kathodenraum Elektrolyte vorhanden sein, welche auch als Anolyt bzw. Katholyt bezeichnet werden, jedoch ist es erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass keine Elektrolyten in den beiden Räumen vorhanden sind und entsprechend beispielsweise nur Gase zur Umsetzung in diese zugeführt werden, beispielsweise nur CO2, ggf. auch als Mischung mit z.B. CO und/oder H2O, welches ggf. auch flüssig z.B. als Aerosol sein kann, bevorzugt jedoch gasförmiges H2O zur Kathode und/oder Wasser oder HCl zur Anode. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist ein Anolyt vorhanden, welcher sich von einem Elektrolyten des Salzbrückenraums unterscheiden kann oder diesem entsprechen kann, beispielsweise hinsichtlich enthaltener Lösungsmittel, Säuren etc.In addition, electrolytes may also be present in the anode space and / or cathode space, which are also referred to as anolyte or catholyte, but it is not excluded according to the invention that no electrolytes are present in the two spaces and correspondingly, for example, only gases for conversion into this supplied be, for example, only CO 2 , possibly also as a mixture with, for example CO and / or H 2 O, which may also be liquid, for example as an aerosol, but preferably gaseous H 2 O to the cathode and / or water or HCl to the anode. According to certain embodiments, an anolyte is present which may differ from or correspond to an electrolyte of the salt bridge space, for example with respect to contained solvents, acids, etc.

Ein Katholyt ist hierbei der Elektrolytstrom um die Kathode bzw. an der Kathode und dient gemäß bestimmten Ausführungsformen der Versorgung der Kathode mit Substrat bzw. Edukt. Die folgenden Ausführungsformen sind beispielsweise möglich. Der Katholyt kann z.B. als Lösung des Substrates (CO2) in einer flüssigen Trägerphase (z.B. Wasser) und/oder als Mischung des Substrates mit anderen Gasen (z.B. CO + CO2; Wasserdampf + CO2; N2 und/oder auch gewisse Anteile an O2, SO2, SO3; etc.) vorliegen. Ebenfalls können durch eine Rückführung rückgeführte Gase wie CO und/oder H2 vorhanden sein. Auch kann das Substrat als Reinphase, z.B. CO2, vorliegen. Entstehen bei der Reaktion ungeladene flüssige Produkte, können diese vom Katholyt ausgewaschen werden und können im Anschluss entsprechend auch optional abgetrennt werden.A catholyte in this case is the electrolyte flow around the cathode or at the cathode and, according to certain embodiments, serves to supply the cathode with substrate or educt. The following embodiments are possible, for example. The catholyte can be used, for example, as a solution of the substrate (CO 2 ) in a liquid carrier phase (eg water) and / or as a mixture of the substrate with other gases (eg CO + CO 2 , water vapor + CO 2 , N 2 and / or certain proportions O 2 , SO 2 , SO 3 , etc.). Also, recycle gases such as CO and / or H 2 may be present through recycle. The substrate can also be in the form of a pure phase, for example CO 2 . If uncharged liquid products are formed during the reaction, they can be washed out by the catholyte and can then be optionally separated afterwards.

Ein Anolyt ist ein Elektrolytstrom um die Anode oder an der Anode und dient gemäß bestimmten Ausführungsformen der Versorgung der Anode mit Substrat bzw. Edukt sowie ggf. dem Abtransport von Anodenprodukten. Die folgenden Ausführungsformen sind beispielsweise möglich. Der Anolyt kann als Lösung des Substrates (z.B. Salzsäure = HClaq) in einer flüssigen Trägerphase (z.B. Wasser), ggf. mit Leitsalzen, welche nicht beschränkt sind - insbesondere bei Verwendung einer Bipolarmembran als erste Separator-Membran, wobei der Anolyt hier auch basisch werden kann und auch Kationen enthalten kann, wie nachfolgend beschrieben, oder als Mischung des Substrates mit anderen Gasen (z.B. Chlorwasserstoff = HClg + H2O, SO2, etc.) vorliegen. Wie auch beim Katholyt kann das Substrat aber auch als Reinphase vorliegen, z.B. in Form von Chlorwasserstoffgas = HClg.An anolyte is an electrolyte stream around the anode or at the anode and, according to certain embodiments, serves to supply the anode with substrate or starting material and, if appropriate, the removal of anode products. The following embodiments are possible, for example. The anolyte can be used as a solution of the substrate (eg hydrochloric acid = HCl aq ) in a liquid carrier phase (eg water), optionally with conductive salts, which are not limited - in particular when using a bipolar membrane as the first separator membrane, wherein the anolyte here also basic may be and may also contain cations, as described below, or as a mixture of the substrate with other gases (eg hydrochloric acid = HCl g + H 2 O, SO 2 , etc.) are present. As with the catholyte, however, the substrate can also be present as a pure phase, for example in the form of hydrogen chloride gas = HCl g .

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Anolyt ein wässriger Elektrolyt, wobei dem Anolyt ggf. entsprechende Edukte zugesetzt sein können, welche an der Anode umgesetzt werden. Die Edukt-Zugabe ist hierbei nicht besonders beschränkt. Ebenso ist die Eduktzugabe bei der Zufuhr zum Kathodenraum nicht beschränkt. So kann beispielsweise CO2 außerhalb des Kathodenraums zu Wasser zugegeben werden, oder kann auch durch eine Gasdiffusionselektrode zugegeben werden, oder kann auch nur als Gas zum Kathodenraum zugeführt werden. Entsprechende Überlegungen sind analog für den Anodenraum möglich, je nach eingesetztem Edukt, z.B. Wasser, HCl, NaCl, KCl, etc., und gewünschtem Produkt.According to certain embodiments, the anolyte is an aqueous electrolyte, it being possible where appropriate for the corresponding anolyte to be added to the anolyte, which are reacted at the anode. The educt addition is not particularly limited here. Likewise, the educt addition in the supply to the cathode space is not limited. For example, CO 2 may be added to water outside the cathode compartment, or may also be added through a gas diffusion electrode, or may be supplied only as a gas to the cathode compartment. Corresponding considerations are possible analogously for the anode compartment, depending on the educt used, for example water, HCl, NaCl, KCl, etc., and the desired product.

Die erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter bzw. ein Anionentransportmaterial enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt. Sie trennt in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wie auch im erfindungsgemäßen Verfahren die Kathode vom Salzbrückenraum, sodass sich aus Richtung des Kathodenraums in Richtung des Elektrolyten die Reihenfolge Kathode/erste Ionenaustauschermembran/Salzbrückenraum ergibt. Sie enthält insbesondere gemäß bestimmten Ausführungsformen einen Anionentauscher oder besteht aus diesem, der im stromlosen Zustand in Form eines Säure-Anionen-Salzes vorliegt, bevorzugt entsprechend einer Säure, welche im Salzbrückenraum vorliegt, und welcher weiter bevorzugt ab einer Mindeststromdichte in die Hydrogencarbonat/Carbonat-Form übergeht. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Ionenaustauschermembran eine Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die erste Ionenaustauschermembran eine hydrophobe Schicht aufweisen, beispielsweise auf Kathodenseite für eine bessere Gaskontaktierung. Bevorzugt fungiert die Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran zudem als Kationen- (wenn auch z.B. in Spuren), insbesondere Protonen-, Blocker. Speziell ein Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter mit fest gebundenen Kationen kann hierbei eine Blockade für bewegliche Kationen durch Coulombabstoßung darstellen, was einer Salzausscheidung, insbesondere innerhalb der Kathode, zusätzlich entgegenwirken kann. The first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter or an anion transport material and which adjoins the cathode compartment is not particularly limited in the present invention. It separates the cathode from the salt bridge space in the electrolysis cell according to the invention as well as in the process according to the invention, so that the cathode / first ion exchange membrane / salt bridge space sequence results from the direction of the cathode space in the direction of the electrolyte. In particular according to certain embodiments, it contains an anion exchanger or consists of this, which is present in the form of an acid-anion salt in the electroless state, preferably according to an acid which is present in the salt bridge space and which more preferably from a minimum current density into the bicarbonate / carbonate ion. Shape passes over. According to certain embodiments, the first ion exchange membrane is an anion exchange membrane and / or anion transporter membrane. According to certain embodiments, the first ion exchange membrane may comprise a hydrophobic layer, for example, on the cathode side for better gas contacting. The anion exchange membrane and / or anion transporter membrane preferably also acts as cation (albeit in trace), in particular proton, blocker. Specifically, an anion exchanger and / or anion transporter with tightly bound cations can represent a blockade for mobile cations by Coulombabstoßung, which can additionally counteract salt precipitation, in particular within the cathode.

Insbesondere bei einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist die Anreicherung der Elektrolytkationen im Bereich der Grenzfläche üblicherweise auf die Elektroosmose zurückzuführen. Ein Konzentrationsgradient kann hierbei dann elektrodenseitig nicht einfach abgebaut werden, da eine katalysatorbasierte Kathode, welche wie oben dargelegt ausgestaltet ist, z.B. eine Gasdiffusionselektrode oder eine CCM, gegebenenfalls nur eine sehr schlechte Anionenleitfähigkeit aufweist, abhängig vom Anion und einem gewählten Elektrolyten. Durch die Integration Anionen leitender Komponenten kann die AnionenLeitfähigkeit hier deutlich verbessert werden.Particularly in the case of a membrane electrode assembly (MEA), the accumulation of the electrolyte cations in the region of the interface is usually due to the electroosmosis. A concentration gradient can not be easily degraded on the electrode side, since a catalyst-based cathode, which is designed as set out above, e.g. a gas diffusion electrode or a CCM, optionally only has a very poor Anionenleitfähigkeit, depending on the anion and a selected electrolyte. By integrating anions of conductive components, the anion conductivity can be significantly improved.

Zur Verbesserung der Betriebsstabilität können Ionentransporter, insbesondere Anionentransportharze, als Bindermaterial bzw. Additiv in der Elektrode selbst verwendet werden und/oder in einer Anionenaustauscherschicht, welche an der Kathode anliegt, um beispielsweise entstehende OH--Ionen schnell abzuleiten bzw. teilweise abzupuffern, sodass die Reaktion mit CO2 und die damit verbundene Bildung von Hydrogencarbonaten und/oder Carbonaten verringert werden kann bzw. die Anionentransportharze HCO3 - bzw. CO3 2- selbst leiten. Prinzipiell kann ein Anionentransport durch Anionenaustauscher erfolgen. Des Weiteren stellt speziell ein integrierter Anionenaustauscher wiederum eine Blockade für Kationen, z.B. auch Metallkationspuren, dar, was einer Salzausscheidung und Verunreinigung der Elektrode zusätzlich entgegenwirken kann. Im Falle von Protonen kann beispielsweise auch die Wasserstoffbildung unterdrückt werden.To improve the operational stability, ion transporters, in particular anion transport resins, can be used as binder material or additive in the electrode itself and / or in an anion exchange layer which is applied to the cathode, for example, to rapidly dissipate or partially buffer the resulting OH - ions, so that the Reaction with CO 2 and the associated formation of bicarbonates and / or carbonates can be reduced or the Anionentransportharze HCO 3 - or CO 3 2- conduct itself. In principle, an anion transport can take place by anion exchangers. Furthermore, in particular, an integrated anion exchanger in turn represents a blockade for cations, for example metal traces of catalysis, which can additionally counteract salt precipitation and contamination of the electrode. In the case of protons, for example, the formation of hydrogen can be suppressed.

Die erste Ionenaustauschermembran kann somit beispielsweise einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter in Form einer Anionenaustauscher und/oder -transporterschicht enthalten, wobei dann weitere Schichten wie hydrophobierende Schichten zur Verbesserung des Kontakts zu einem Gas, z.B. CO2, enthalten sein können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Ionenaustauschermembran eine Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran, also beispielsweise eine ionenleitfähige Membran (bzw. auch im weiteren Sinne eine Membran mit einer Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransporterschicht) mit positiv geladenen Funktionalsierungen, welche nicht besonders beschränkt ist. Ein bevorzugter Ladungstransport findet in der Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransporterschicht bzw. einer Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran durch Anionen statt. Insbesondere dient die erste Ionenaustauschermembran und/oder darin insbesondere eine Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransporterschicht bzw. eine Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran zur Bereitstellung eines Anionentransports entlang ortsfester fixierter positiver Ladungen. Dabei kann insbesondere das durch elektro-osmotische Kräfte geförderte Eindringen eines beispielsweise protonenhaltigen Elektrolyten in die Kathode reduziert oder vollständig vermieden werden. Der in der Membran enthalte Ionentauscher kann gemäß bestimmten Ausführungsformen insbesondere im Betrieb in die Carbonat/Hydrogencarbonat-Form überführt werden und dadurch den Durchtritt von Protonen durch die Membran zur Kathode unterdrücken.The first ion exchange membrane may thus contain, for example, an anion exchanger and / or anion transporter in the form of an anion exchanger and / or transporter layer, in which case further layers such as hydrophobicizing layers may be included to improve the contact with a gas, eg CO 2 . According to certain embodiments, the first ion exchange membrane is an anion exchange membrane and / or anion transporter membrane, ie for example an ion-conductive membrane (or in a broader sense a membrane with an anion exchange layer and / or Anionentransporterschicht) with positively charged Funktionsalsierungen, which is not particularly limited. A preferred charge transport takes place in the anion exchanger layer and / or Anionenentransporterschicht or an anion exchange membrane and / or Anionentransportermembran by anions. In particular, the first ion exchange membrane and / or therein in particular an anion exchange layer and / or Anionentransporterschicht or an anion exchange membrane and / or Anionentransportermembran serves to provide an anion transport along fixed fixed positive charges. In particular, the penetration of an electrolyte, for example proton-containing electrolyte, into the cathode promoted by electro-osmotic forces can be reduced or completely avoided. The ion exchanger contained in the membrane can be converted in accordance with certain embodiments, in particular in operation in the carbonate / bicarbonate form and thereby suppress the passage of protons through the membrane to the cathode.

Eine geeignete erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran, zeigt gemäß bestimmten Ausführungsformen eine gute Benetzbarkeit durch Wasser und/oder Säuren, insbesondere wässrige Säuren, eine hohe Ionenleitfähigkeit, und/oder eine Toleranz der darin enthaltenen funktionellen Gruppen gegenüber hohen pH-Werten, zeigt insbesondere keine Hoffmann-Eliminierung. Eine beispielhafte erfindungsgemäße AEM ist die im Beispiel verwendete, von Tokuyama vertriebene A201-CE Membran, die von Dioxide Materials vertriebene „Sustainion“ oder eine von Fumatech vertriebene Anionenaustauschermembran, wie z.B. Fumasep FAS-PET oder Fumasep FAD-PET.A suitable first ion exchange membrane, for example anion exchange membrane and / or anion transporter membrane, according to certain embodiments, exhibits good wettability by water and / or acids, especially aqueous acids, high ionic conductivity, and / or a tolerance of the functional groups contained therein to high pH values, in particular, shows no Hoffmann elimination. An exemplary AEM according to the present invention is the A201-CE membrane marketed by Tokuyama, the "Sustainion" marketed by Dioxide Materials, or an anion exchange membrane sold by Fumatech, such as, e.g. Fumasep FAS-PET or Fumasep FAD-PET.

Darüber hinaus ist der erste Separator nicht besonders beschränkt. In addition, the first separator is not particularly limited.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der erste Separator, beispielsweise gemäß bestimmten Ausführungsformen von Anodenseite gesehen angrenzend an den Salzbrückenraum, ausgewählt aus einer Ionenaustauschermembran, welche einen Kationenaustauscher enthält, einer bipolaren Membran, wobei bei der bipolaren Membran bevorzugt die Kationen leitende Schicht zur Kathode hin orientiert ist und die Anionen leitende Schicht zur Anode hin, und einem Diaphragma. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der erste Separator eine Kationenaustauschermembran, eine Bipolar-Membran oder ein Diaphragma.According to certain embodiments, the first separator, for example, according to certain embodiments, seen from the anode side adjacent to the salt bridge space, selected from an ion exchange membrane containing a cation exchanger, a bipolar membrane, wherein in the bipolar membrane preferably the cation conductive layer is oriented towards the cathode and the anion-conducting layer towards the anode, and a diaphragm. According to certain embodiments, the first separator is a cation exchange membrane, a bipolar membrane or a diaphragm.

Ein geeigneter erster Separator, beispielsweise eine Kationenaustauschermembran oder eine bipolare Membran, enthält beispielsweise einen Kationenaustauscher, der im Kontakt mit dem Salzbrückenraum stehen kann. Er kann beispielsweise einen Kationenaustauscher in Form einer Kationenaustauscherschicht enthalten, wobei dann weitere Schichten wie hydrophobierende Schichten enthalten sein können. Er kann ebenso als bipolare Membran ausgebildet sein oder als Kationenaustauschermembran (CEM). Die Kationenaustauschermembran bzw. Kationenaustauscherschicht ist z.B. eine ionenleitfähige Membran bzw. ionenleitfähige Schicht mit negativ geladenen Funktionalsierungen. Ein beispielhafter Ladungstransport in den Salzbrückenraum erfolgt in einem solchen ersten Separator durch Kationen. Beispielsweise sind kommerziell erhältliche Nafion® Membranen als CEM geeignet, oder auch die von Fumatech vertriebene Fumapem-F Membranen, die von Asahi Kasei vertriebene Aciplex, oder die von AGC vertriebenen Flemionmembranen. Grundsätzlich können aber auch andere mit stark sauren Gruppen (Gruppen wie Sulfonsäure, Phosphonsäure) modifizierte Polymer-Membranen eingesetzt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen unterbindet der erste Separator den Übergang von Anionen, insbesondere HCO3 -, in den Anodenraum.A suitable first separator, for example a cation exchange membrane or a bipolar membrane, contains, for example, a cation exchanger which can be in contact with the salt bridge space. It may, for example, contain a cation exchanger in the form of a cation exchanger layer, in which case further layers, such as hydrophobicizing layers, may be contained. It can also be designed as a bipolar membrane or as a cation exchange membrane (CEM). The cation exchange membrane or cation exchange layer is, for example, an ion-conducting membrane or ion-conducting layer with negatively charged functionalizations. An exemplary charge transport into the salt bridge space takes place in such a first separator by cations. For example, commercially available Nafion® membranes are suitable as CEM, or the Fumapem-F membranes sold by Fumatech, the Aciplex marketed by Asahi Kasei, or the Flemion membranes marketed by AGC. In principle, however, it is also possible to use other polymer membranes modified with strongly acidic groups (groups such as sulfonic acid, phosphonic acid). According to certain embodiments, the first separator prevents the passage of anions, in particular HCO 3 - , into the anode space.

Daneben kann in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, wie auch im erfindungsgemäßen Verfahren, der erste Separator als Diaphragma ausgebildet sein, wodurch die Zelle weniger komplex und billiger gestaltet werden kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen trennt das Diaphragma im Wesentlichen den Anodenraum und den Salzbrückenraum, beispielsweise zu mehr als 70%, 80%, oder 90%, bezogen auf die Grenzfläche zwischen Anodenraum und Salzbrückenraum, oder trennt den Anodenraum und den Salzbrückenraum, also zu 100%, bezogen auf die Grenzfläche zwischen Anodenraum und Salzbrückenraum. Selbiges trifft auch für andere erste Separatoren zu. Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, die eine Gastrennung bewirken z.B. das CO2 im Salzbrückenraum und den O2 im Anodenraum.In addition, in the electrolysis cell according to the invention, as well as in the method according to the invention, the first separator can be formed as a diaphragm, whereby the cell can be made less complex and less expensive. According to certain embodiments, the diaphragm essentially separates the anode space and the salt bridge space, for example more than 70%, 80% or 90%, based on the interface between anode space and salt bridge space, or separates the anode space and the salt bridge space, that is to say 100%, based on the interface between anode compartment and salt bridge space. The same applies to other first separators. Particular preference is given to embodiments which bring about gas separation, for example the CO 2 in the salt bridge space and the O 2 in the anode space.

Das Diaphragma ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise auf Basis einer Keramik (z.B. ZrO2 oder Zr3(PO4)3) und/oder eines quellfähigen funktionalisierten Polymers, z.B. PTFE, sein. Auch Binder (z.B. hydrophile und/oder hydrophobe Polymere, z.B. organische Binder, z.B. ausgewählt aus PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF (Polyvinyliendifluorid), PFA (Perfluoralkoxy-Polymeren), FEP (fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymeren), PFSA (Perfluorsulfonsäure-Polymeren), und Mischungen davon, insbesondere PTFE), leitfähige Füllstoffe (z.B. Kohlenstoff), nicht leitfähige Füllstoffe (z.B. Glas) und/oder hydrophile Zusätze (z.B. Al2O3, MgO2, hydrophile Materialien wie Polysulfone, z.B. Polyphenylsulfone (PPSU), Polyimide, Polybenzoxazole oder Polyetherketone bzw. allgemein im Elektrolyten elektrochemisch stabile Polymere können vorhanden sein.The diaphragm is not particularly limited in this case and may for example be based on a ceramic (eg ZrO 2 or Zr 3 (PO 4 ) 3 ) and / or a swellable functionalized polymer, eg PTFE. Also binders (eg hydrophilic and / or hydrophobic polymers, for example organic binders, for example selected from PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidifluoride), PFA (perfluoroalkoxy polymers), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymers), PFSA (perfluorosulfonic acid polymers ), and mixtures thereof, in particular PTFE), conductive fillers (eg carbon), non-conductive fillers (eg glass) and / or hydrophilic additives (eg Al 2 O 3 , MgO 2 , hydrophilic materials such as polysulfones, eg polyphenylsulfones (PPSU), Polyimides, polybenzoxazoles or polyether ketones or electrochemically stable polymers generally in the electrolyte may be present.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das Diaphragma porös und/oder hydrophil. Da es selbst nicht ionenleitfähig ist, sollte es bevorzugt in der Lage sein, in einem Elektrolyten, beispielsweise einer Säure, aufzuquellen. Des Weiteren stellt es für Gase eine physikalische Barriere dar und kann nicht von Gasblasen durchdrungen werden. Beispielsweise ist es eine poröse Polymerstruktur, wobei das Grundpolymer hydrophil ist (z.B. PPSU). Im Unterschied zur CEM oder Bipolar-Membran umfasst das Polymer keine geladenen Funktionalsierungen. Des Weiteren kann das Diaphragma weiter bevorzugt hydrophile strukturgebende Komponenten wie Metalloxide (z.B. ZrO2 und/oder andere Materialien wie Partikel, über deren Oberflächst) oder Keramiken enthalten, wie oben ausgeführt.According to certain embodiments, the diaphragm is porous and / or hydrophilic. Since it is not ion-conductive itself, it should preferably be able to swell in an electrolyte, such as an acid. Furthermore, it is a physical barrier to gases and can not be penetrated by gas bubbles. For example, it is a porous polymer structure wherein the base polymer is hydrophilic (eg PPSU). Unlike the CEM or bipolar membrane, the polymer does not contain charged functionalities. Further, the diaphragm may further preferably include hydrophilic structuring components such as metal oxides (eg, ZrO 2 and / or other materials such as particles over the surface thereof) or ceramics as set forth above.

Ein geeigneter erster Separator, beispielsweise eine Kationenaustauschermembran, eine bipolare Membran und/oder ein Diaphragma, zeigt gemäß bestimmten Ausführungsformen eine gute Benetzbarkeit durch Wasser und/oder Säuren, eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine Stabilität gegenüber reaktiven Spezies, die an der Anode generiert werden können (beispielsweise gegeben für perfluorierte Polymere), und/oder eine Stabilität in den erforderlichen pH-Regimen, beispielsweise gegenüber einer Säure im Salzbrückenraum.A suitable first separator, for example a cation exchange membrane, a bipolar membrane and / or a diaphragm, exhibits, according to certain embodiments, good wettability by water and / or acids, high ionic conductivity, stability towards reactive species that can be generated at the anode ( for example given for perfluorinated polymers), and / or a stability in the required pH regimes, for example towards an acid in salt bridge space.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die erste Ionenaustauschermembran und/oder der erste Separator hydrophob, insbesondere so sie mit den Elektroden eine CCM bilden, zumindest auf der den Elektroden zugewandten Seite, so die Edukte der Elektroden gasförmig vorliegen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Anode und/oder Kathode zumindest teilweise hydrophil. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die erste Ionenaustauschermembran und/oder der erste Separator mit Wasser benetzbar. Um eine gute Ionenleitfähikeit von Ionomeren zu gewährleisten ist ein Quellen mit Wasser bevorzugt. Im Experiment hat sich gezeigt, dass schlecht benetzbare Membranen bzw. Separatoren zu einer deutlichen Verschlechterung der ionischen Anbindung der Elektroden führen können.According to certain embodiments, the first ion exchange membrane and / or the first separator are hydrophobic, in particular so that they form a CCM with the electrodes, at least on the side facing the electrodes, so that the educts of the electrodes are gaseous. According to certain Embodiments, the anode and / or cathode are at least partially hydrophilic. According to certain embodiments, the first ion exchange membrane and / or the first separator are wettable with water. To ensure good ionic conductivity of ionomers, preference is given to swelling with water. The experiment has shown that poorly wettable membranes or separators can lead to a significant deterioration of the ionic bonding of the electrodes.

Auch für einige der elektrochemischen Umsetzungen an den Katalysator-Elektroden ist die Präsenz von Wasser vorteilhaft.
z.B. 3 CO2 + H2O + 2e- → CO + 2 HCO3 -
bzw. je nach pH-Wert: 2CO2 + 2e- → CO + CO3 2-
Also, for some of the electrochemical reactions on the catalyst electrodes, the presence of water is advantageous.
eg 3 CO 2 + H 2 O + 2e - → CO + 2 HCO 3 -
or depending on the pH: 2CO 2 + 2e - → CO + CO 3 2-

Daher haben auch die Anode und/oder Kathode gemäß bestimmten Ausführungsformen eine ausreichende Hydrophilie. Ggf. kann diese durch hydrophile Zusätze wie TiO2, Al2O3, oder andere elektro-chemisch inerte Metalloxide, etc. angepasst werden.Therefore, according to certain embodiments, the anode and / or cathode also have sufficient hydrophilicity. Possibly. This can be adapted by hydrophilic additives such as TiO 2 , Al 2 O 3 , or other electrochemically inert metal oxides, etc.

Insbesondere wird gemäß bestimmten Ausführungsformen mindestens einer der folgenden ersten Separatoren verwendet:

  • - Ein Diaphragma wird bevorzugt verwendet, wenn die Salzbrücke (der Elektrolyt im Salzbrückenraum) und der Anolyt eine identische, bevorzugt inerte, Säure aufweisen oder aus dieser bestehen, wobei hier dann das Diaphragma dazu dient, Gase getrennt zu halten, sodass Kohlendioxid nicht in den Anodenraum übertritt, und/oder wenn an der Anode O2 produziert wird, insbesondere um Kosten zu sparen.
  • - Eine Kationenaustauschermembran oder eine Membran mit einer Kationenaustauscherschicht werden insbesondere verwendet, wenn ein Elektrolyt im Salzbrückenraum - auch im Rahmen der Erfindung als „Salzbrücke“ bezeichnet, und der Anolyt nicht identisch sind, und/oder insbesondere wenn der Anolyt HCl, HBr und/oder HI enthält, und/oder wenn eine Chlorproduktion an der Anode erfolgt. Da die Kationenaustauschermembran den Übertritt von Anionen aus dem Anolyten in die Salzbrücke verhindert und im Unterschied zum Diaphragma keine offene Porosität aufweist, kann die Anode freier gestaltet werden. Im Prinzip ist in solch einer Ausführungsform für die Anodenreaktion nur bevorzugt, dass sie keine mobilen Kationen, außer Protonen, freisetzt, die durch die CEM in die Salzbrücke übertreten können.
  • - Eine bipolare Membran bzw. Bipolar-Membran, wobei bevorzugt eine Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransporterschicht der bipolaren Membran zum Anodenraum hin gerichtet ist und eine Kationenaustauscherschicht und/oder Kationentransporterschicht der bipolaren Membran zum Salzbrückenraum hin gerichtet ist, wird insbesondere verwendet, wenn die Salzbrücke, also der Elektrolyt im Salzbrückenraum, und der Anolyt nicht identisch sind, und/oder der Anolyt insbesondere Basen und oder Salze enthält, und/oder bei Verwendung wässriger Elektrolyte. Insbesondere bei der Verwendung von bipolaren Membranen als erster Separator kann der Anodenraum unabhängig von der Salzbrücke und dem Kathodenraum gestaltet werden, was eine Vielzahl an Anodenreaktionen mit gewünschten Produkten erlaubt, und insbesondere bei der Verwendung von Basen können auch billigere Anoden bzw. Anodenkatalysatoren, beispielsweise Nickel oder Eisen basierte Anodenkatalysatoren für eine Sauerstoffentwicklung, verwendet werden.
In particular, according to certain embodiments, at least one of the following first separators is used:
  • - A diaphragm is preferably used when the salt bridge (the electrolyte in the salt bridge space) and the anolyte have an identical, preferably inert, acid or consist of this, in which case the diaphragm serves to keep gases separated so that carbon dioxide is not in the Anodenraum exceeds, and / or if at the anode O 2 is produced, in particular to save costs.
  • A cation exchange membrane or a membrane with a cation exchange layer are used in particular if an electrolyte in the salt bridge space - also referred to in the context of the invention as "salt bridge", and the anolyte are not identical, and / or in particular if the anolyte HCl, HBr and / or HI contains, and / or if a chlorine production takes place at the anode. Since the cation exchange membrane prevents the passage of anions from the anolyte into the salt bridge and unlike the diaphragm has no open porosity, the anode can be made more free. In principle, in such an embodiment, for the anode reaction, it is only preferred that it release no mobile cations, other than protons, which can cross into the salt bridge through the CEM.
  • A bipolar membrane or bipolar membrane, wherein preferably an anion exchanger layer and / or anion transport layer of the bipolar membrane is directed towards the anode space and a cation exchanger layer and / or cation transport layer of the bipolar membrane is directed towards the salt bridge space, is used in particular when the salt bridge, Thus, the electrolyte in the salt bridge space, and the anolyte are not identical, and / or the anolyte contains in particular bases and or salts, and / or when using aqueous electrolytes. Particularly in the case of the use of bipolar membranes as the first separator, the anode compartment can be designed independently of the salt bridge and the cathode compartment, which allows a multiplicity of anode reactions with desired products, and in particular when using bases, cheaper anodes or anode catalysts, for example nickel, can also be used or iron based anode catalysts for oxygen evolution.

Eine Bipolar-Membran kann beispielsweise als Sandwich einer CEM und einer AEM ausgeführt sein. In dieser sind dabei üblicherweise aber nicht zwei aufeinandergelegte Membranen vorhanden, sondern es handelt sich um eine Membran mit mindestens zwei Schichten. Diese Membranen sind sowohl für Anionen als auch Kationen nahezu unpassierbar. Die Leitfähigkeit einer Bipolar-Membran basiert demnach nicht auf der Transportfähigkeit für Ionen. Der Ionentransport erfolgt stattdessen üblicherweise durch Säure-Base-Dissoziation von Wasser in der Mitte der Membran. Dadurch werden zwei entgegengesetzt geladene Ladungsträger generiert, die durch das E-Feld abtransportiert werden.A bipolar membrane may, for example, be designed as a sandwich of a CEM and an AEM. In this case, but usually not two superimposed membranes are present, but it is a membrane with at least two layers. These membranes are almost impassable for both anions and cations. The conductivity of a bipolar membrane is therefore not based on the transportability of ions. Instead, ion transport usually occurs by acid-base dissociation of water in the middle of the membrane. As a result, two oppositely charged charge carriers are generated, which are transported away by the E-field.

Da die Leitfähigkeit der Bipolar-Membran auf der Trennung von Ladungen in der Membran beruht ist jedoch üblicherweise mit einem höheren Spannungsabfall zu rechnen.Since the conductivity of the bipolar membrane is based on the separation of charges in the membrane, however, is usually expected with a higher voltage drop.

Der Vorteil eines solchen Aufbaus liegt in der Entkopplung der Elektrolytkreisläufe, da, wie bereits erwähnt, die Bipolar-Membran für sämtliche Ionen nahezu undurchlässig ist.The advantage of such a structure lies in the decoupling of the electrolyte circuits, since, as already mentioned, the bipolar membrane is almost impermeable to all ions.

Hierdurch kann auch für eine basische Anodenreaktion ein Aufbau realisiert werden, der ohne ständige Nachführung und Abführung von Salzen oder Anodenprodukten auskommt. Dies ist sonst nur bei der Verwendung von Anolyten auf Basis von Säuren mit elektrochemisch inaktiven Anionen wie z.B. H2SO4 möglich. Bei Verwendung einer Bipolar-Membran können auch Hydroxid-Elektrolyten wie KOH oder NaOH als Anolyt verwendet werden. Hohe pH-Werte begünstigen thermodynamisch die Wasser-Oxidation und erlauben den Einsatz wesentlich günstigerer Anodenkatalysatoren, z.B. auf Eisen-Nickel-Basis, welche im Sauren oder Neutralen nicht stabil wären.As a result, it is also possible to realize a construction for a basic anode reaction which manages without constant tracking and removal of salts or anode products. This is otherwise possible only with the use of anolyte based on acids with electrochemically inactive anions such as H 2 SO 4 . When using a bipolar membrane can also hydroxide electrolyte such as KOH or NaOH as Anolyte can be used. High pH values thermodynamically favor the water oxidation and allow the use of much cheaper anode catalysts, for example based on iron-nickel, which would not be stable in acids or neutrals.

Somit ist im Sinne der Erfindung bei Verwendung einer Bipolar-Membran als erste Separator-Membran auch die Verwendung von Basen, z.B. einer Hydroxid-Base, als Anolyt, wenn in der Salzbrücke eine Säure verwendet wird.Thus, for the purposes of the invention, when using a bipolar membrane as the first separator membrane, the use of bases, e.g. a hydroxide base, as anolyte when an acid is used in the salt bridge.

Es ist erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass neben der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator noch weitere Membranen und/oder Diaphragmen vorgesehen sind.It is not excluded according to the invention that further membranes and / or diaphragms are provided in addition to the first ion exchange membrane and the first separator.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen kontaktiert die Anode den ersten Separator, wie oben bereits beispielhaft beschrieben. Hierdurch ist eine gute Anbindung zum Salzbrückenraum möglich. Zudem ist in diesem Fall kein Ladungstransport durch den Anolyten notwendig und der Ladungs-Transportweg verkürzt. Auch können elektrische Abschattungseffekte durch Abstützstrukturen zwischen Anode und erstem Separator so umgangen werden.According to certain embodiments, the anode contacts the first separator, as already described above by way of example. This makes a good connection to the salt bridge space possible. In addition, no charge transport through the anolyte is necessary in this case and the charge transport path is shortened. Also electrical shading effects can be bypassed by support structures between the anode and the first separator so.

Der feste Anionenaustauscher, welcher zumindest teilweise mit der ersten Ionenaustauschermembran in Kontakt ist und im Salzbrückenraum umfasst ist, ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, sofern er als Feststoff vorliegt - also nicht in Lösung, Anionen austauschen kann, und zumindest teilweise mit der ersten Ionenaustauschermembran in Kontakt ist. Bevorzugt ist der feste Anionenaustauscher hydrophil.The solid anion exchanger, which is at least partially in contact with the first ion exchange membrane and is included in the salt bridge space is not particularly limited according to the invention, if it is present as a solid - that is not in solution, can exchange anions, and at least partially in contact with the first ion exchange membrane is. Preferably, the solid anion exchanger is hydrophilic.

Wie oben bereits dargelegt ist es bevorzugt, dass der feste Anionenaustauscher zumindest im Bereich der Kathode auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ionenaustauschermembran mit dieser im Wesentlichen in Kontakt ist, also beispielsweise mehr als 50% der Fläche der ersten Ionenaustauschermembran, bevorzugt mehr als 60%, weiter bevorzugt mehr als 70%, insbesondere mehr als 80%, mit dem festen Anionenaustauscher in Kontakt sind - also diesen berühren, bezogen auf die Fläche der ersten Ionenaustauschermembran, welche mit der Kathode in Kontakt ist.As already explained above, it is preferred that the solid anion exchanger, at least in the region of the cathode on the opposite side of the first ion exchange membrane, is substantially in contact therewith, ie for example more than 50% of the area of the first ion exchange membrane, preferably more than 60%, more preferably more than 70%, in particular more than 80%, are in contact with the solid anion exchanger - that is, touching it, based on the area of the first ion exchange membrane which is in contact with the cathode.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der feste Anionenaustauscher mit der ersten Ionenaustauschermembran nicht vollflächig in Kontakt, insbesondere nicht in dem Bereich, in dem die Kathode auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ionenaustauschermembran diese kontaktiert, um einen Fluidtransport zwischen der ersten Anionenaustauschermembran und dem festen Anionenaustauscher gewährleisten zu können. Es ist somit auch gemäß bestimmten Ausführungsformen bevorzugt, dass der feste Anionenaustauscher zumindest im Bereich der Kathode auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ionenaustauschermembran mit dieser mit 99% oder weniger der Fläche der ersten Ionenaustauschermembran, bevorzugt 97% oder weniger, weiter bevorzugt 95% oder weniger, insbesondere 92% oder weniger, mit dem festen Anionenaustauscher in Kontakt ist, bezogen auf die Fläche der ersten Ionenaustauschermembran, welche mit der Kathode in Kontakt ist.In certain embodiments, the solid anion exchanger is not in full contact with the first ion exchange membrane, particularly not in the region where the cathode on the opposite side of the first ion exchange membrane contacts it to provide fluid transport between the first anion exchange membrane and the solid anion exchanger , It is thus also preferred according to certain embodiments that the solid anion exchanger at least in the region of the cathode on the opposite side of the first ion exchange membrane with this with 99% or less of the area of the first ion exchange membrane, preferably 97% or less, more preferably 95% or less , in particular 92% or less, is in contact with the solid anion exchanger based on the area of the first ion exchange membrane which is in contact with the cathode.

Die weitere mechanische Ausgestaltung des festen Anionenaustauschers, der auch als Füllmedium verstanden werden kann, ist nicht besonders beschränkt, und er kann beispielsweise als Schüttung von festen Anionenaustauscherpartikeln, welche nicht besonders beschränkt sind, als poröses Gebilde, beispielsweise schwammartig, und/oder als, beispielsweise regelmäßig, poröses selbstragendes Gebilde ausgebildet sein. So der feste Anionenaustauscher als Schüttung fester Anionenaustauscherpartikel vorliegt, haben die Partikel bevorzugt eine Partikelgröße zwischen 5 µm und 2 mm, weiter bevorzugt zwischen 100 µm und 1 mm, wobei die Partikelgröße beispielsweise mit Siebanalyse bestimmt werden kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden die Partikel auf die Größe der Zelle und/oder auf das entsprechende Flussregime angepasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen liegt der feste Anionenaustauscher als Schüttung und/oder poröses Gebilde vor. Gemäß bestimmten Ausführungsformen bildet der feste Anionenaustauscher, ggf. mit weiteren festen Bestandteilen, z.B. neutralen Partikeln oder Kationenaustauschern, im Salzbrückenraum, eine Füllung.The further mechanical design of the solid anion exchanger, which can also be understood as a filling medium is not particularly limited, and it may, for example, as a bed of solid anion exchange particles, which are not particularly limited, as a porous structure, such as spongy, and / or than, for example be formed regularly, porous self-supporting structure. If the solid anion exchanger is present as a bed of solid anion exchange particles, the particles preferably have a particle size between 5 μm and 2 mm, more preferably between 100 μm and 1 mm, it being possible to determine the particle size for example with sieve analysis. According to certain embodiments, the particles are adapted to the size of the cell and / or to the corresponding flow regime. According to certain embodiments, the solid anion exchanger is present as a bed and / or a porous structure. According to certain embodiments, the solid anion exchanger, optionally with other solid components, e.g. neutral particles or cation exchangers, in salt bridge space, a filling.

Beispiele für die mechanische Ausgestaltung des festen Anionenaustauschers sind z.B.

  • - eine komprimierte Schüttung aus, z.B. pelletierten, Anionenaustauscherpartikeln
  • - ein schwammartiges poröses Gebilde
  • - ein regelmäßig poröses selbstragendes Gebilde, wie es beispielsweise durch Umgießen von Polymer-Kugeln mit einer Lösung des Anionenaustauschermaterials des festen Anionenaustauschers und anschließendem Auflösen der Templat-Kugeln erhalten werden kann. Die Struktur sollte jedoch zumindest teilweise offen bzw. offen sein, um einen Elektrolyt- und Gasfluss gewährleisten zu können.
Examples of the mechanical design of the solid anion exchanger are, for example
  • - A compressed bed of, for example, pelleted, anion exchange particles
  • - a spongy porous structure
  • - A regularly porous self-supporting structure, as can be obtained, for example, by casting around polymer beads with a solution of the anion exchange material of the solid anion exchanger and subsequent dissolution of the template beads. However, the structure should be at least partially open or open in order to ensure an electrolyte and gas flow can.

Darüber hinaus können auch poröse Träger-Beats (Latex-Kügelchen) mit einem Anionenaustauscher-Ionomer imprägniert werden und somit als Anionenaustauscherpartikel fungieren. Das Verkleben einer Partikelschüttung beliebiger, z.B. neutraler und/oder ungeladener, z.B. polymerer, Partikel mit einem Anionenaustauscher-Ionomer ist hierbei gemäß bestimmten Ausführungsformen bevorzugt. Der Vorteil dieser Methode liegt in einer höheren Anzahl der für den Transport von Anionen zur Verfügung stehenden Austauschergruppen. In addition, porous carrier beats (latex beads) can be impregnated with an anion exchange ionomer and thus function as anion exchange particles. The bonding of a particle bed of any, eg neutral and / or uncharged, eg polymeric, particles with an anion exchange ionomer is preferred according to certain embodiments. The advantage of this method is a higher number of exchanger groups available for the transport of anions.

Der feste Anionenaustauscher dient dabei als offene Erweiterung der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, in das Volumen des Salzbrückenraums (z.B. als Spaltvolumen bezeichnet, wenn der Salzbrückenraum als Spalt ausgebildet ist) hinein. Hierdurch kann die Oberfläche von Anionen leitenden Bestandteilen der Elektrolysezelle, beispielsweise von Hydrogencarbonat und/oder Carbonat leitenden Bestandteilen der Elektrolysezelle bei einer CO2-Elektroylse, stark vergrößert werden. Ein Gas, wie das beispielsweise durch Protonen aus der Anode freigesetzte CO2, bedeckt somit einen geringeren Teil der Oberfläche der ersten Ionenaustauschermembran und führt daher nicht zur ionischen Isolation. Des Weiteren besitzt der feste Anionenaustauscher eine intrinsische Ionenleitfähigkeit, was einen zusätzlichen Leitungspfad durch den Salzbrückenraum durch ausschließlich feste Elektrolyten erzeugen kann. Im Bereich des ersten Separators kann in dem festen Ionenaustauscher beispielsweise nicht nur HCO3 - und/ oder CO3 2-, sondern auch oder nur ein Anion des im Salzbrückenraum verwendeten Elektrolyten, beispielsweise einer verwendeten Säure, als mobiler Ladungsträger dienen. Wenn beispielsweise im Salzbrückenraum verdünnte H2SO4 als Elektrolyt verwendet wird, sollte der feste Anionenaustauscher bevorzugt so gewählt werden, dass er neben einer guten HCO3 - und/oder CO3 2- auch eine gute SO4 2- -Leitfähigkeit aufweist. Entsprechend kann das Material des festen Anionenaustauschers nicht nur auf ein Anion wie HCO3 - und/oder CO3 2-, das kathodisch erzeugt wird, sondern auch auf weitere Anionen, z.B. im Salzbrückenraum, angepasst sein.The solid anion exchanger serves as an open extension of the first ion exchange membrane, for example an AEM, into the volume of the salt bridge space (for example referred to as the gap volume if the salt bridge space is formed as a gap). As a result, the surface of anion-conducting constituents of the electrolysis cell, for example of bicarbonate and / or carbonate-conducting constituents of the electrolysis cell in the case of a CO 2 -electrolyte, can be greatly increased. A gas such as CO 2 released by protons from the anode thus covers a smaller part of the surface of the first ion exchange membrane and therefore does not lead to ionic isolation. Furthermore, the solid anion exchanger has an intrinsic ion conductivity, which can create an additional conduction path through the salt bridge space by only solid electrolytes. In the area of the first separator, in the solid ion exchanger, for example, not only HCO 3 - and / or CO 3 2-, but also or only an anion of the electrolyte used in the salt bridge space, such as an acid to be used, serve as mobile carriers. When diluted, for example, in the salt bridge space H 2 SO 4 is used as electrolyte, the solid anion exchanger should preferably be selected such that it in addition to good HCO 3 - also a good SO 4 2- comprising conductance and / or CO 3 2-. Accordingly, the material of the solid anion exchanger can be adapted not only to an anion such as HCO 3 - and / or CO 3 2- , which is produced cathodically, but also to other anions, for example in the salt bridge space.

Das Material des festen Anionenaustauschers ist insofern nicht beschränkt, da es entsprechend an die erste Ionenaustauschermembran und/oder einen Elektrolyten im Salzbrückenraum angepasst werden, außer dass es zu einem Anionenaustausch und/oder Anionentransport in der Lage ist. Beispielsweise kann der feste Anionenaustauscher ein Anionenaustauscherharz umfassen, in dem Kationen, bevorzugt Alkali- und/oder Erdalkalimetallkationen, z.B. durch Komplexbildung, und/oder Ammoniumionen und/oder derivatisierte Ammoniumionen wie quaternäre Ammoniumionen, weiter bevorzugt Alkalimetallkationen und/oder Ammoniumionen und/oder derivatisierte Ammoniumionen wie quaternäre Ammoniumionen, immobilisiert sind. Des Weiteren können auch beispielsweise Phosphonium-, Pyridinium-, Piperidinium-, Guanidinium-, Imidazolium-, Pyrrazolium- und/oder Sulfonium-Ionen an einen Träger des festen Anionenaustauschers gebunden sein.The material of the solid anion exchanger is not limited insofar as it is suitably adapted to the first ion exchange membrane and / or an electrolyte in the salt bridge space, except that it is capable of anion exchange and / or anion transport. For example, the solid anion exchanger may comprise an anion exchange resin containing cations, preferably alkali and / or alkaline earth metal cations, e.g. by complex formation, and / or ammonium ions and / or derivatized ammonium ions such as quaternary ammonium ions, more preferably alkali metal cations and / or ammonium ions and / or derivatized ammonium ions such as quaternary ammonium ions are immobilized. Furthermore, it is also possible for example to bind phosphonium, pyridinium, piperidinium, guanidinium, imidazolium, pyrrazolium and / or sulfonium ions to a support of the solid anion exchanger.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der feste Anionenaustauscher im Salzbrückenraum Kationen, welche in einem polymeren Gerüst immobilisiert sind, wobei die Kationen insbesondere Hydrogencarbonationen und/oder Carbonationen austauschen können, wobei diese Hydrogencarbonationen und/oder Carbonationen bevorzugt durch den festen Anionenaustauscher transportierbar sein sollen, um eine geeignete Leitfähigkeit im Salzbrückenraum bereitzustellen.According to certain embodiments, the solid anion exchanger in the salt bridge space comprises cations which are immobilized in a polymeric backbone, the cations in particular being able to exchange bicarbonate ions and / or carbonate ions, these hydrogencarbonate ions and / or carbonate ions preferably being transportable through the solid anion exchanger, to be suitable Provide conductivity in the salt bridge space.

Anionenaustauscher sind üblicherweise in saurer (z.B. in der HSO4 --Form, wo sie auch als feste Säuren vorliegen können), neutraler (z.B. als TFO- oder Cl-Salz) oder basischer Form (z.B. HCO3 --Form schwach basisch, OH--Form stark basisch) in fester Form erhältlich. In der vorliegenden Erfindung können je nach Betriebsweise verschiedene solcher Anionenaustauscher nebeneinander vorliegen in einer erfindungsgemäßen Zelle, wobei bevorzugt in der Nähe und/oder an der ersten Ionenaustauschermembran basische Anionenaustauscher verwendet werden.Anion exchangers are usually in acidic (eg in the HSO 4 - form, where they may also be present as solid acids), neutral (eg as TFO or Cl salt) or basic form (eg HCO 3 - form weakly basic, OH - form strongly basic) in solid form. In the present invention, depending on the mode of operation, various such anion exchangers may be present side by side in a cell according to the invention, basic anion exchangers preferably being used in the vicinity and / or on the first ion exchange membrane.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der feste Anionenaustauscher basisch, bevorzugt stark basisch. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die immobilisierten Kationen des Anionenaustauschers so beschaffen, dass ein von ihnen gebildetes Ionenpaar immer vollständig dissoziiert vorliegt, was man beispielsweise über den pH-Wert steuern kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist der feste Anionenaustauscher Hydrogencarbonat-, Carbonat- und/oder OH-Ionen und/oder Anionen des im Elektrolyten des Salzbrückenraums verwendeten Elektrolyten, z.B. einer Säure, als Gegenionen auf. Hierdurch kann der Transport von Hydrogencarbonat und/oder Carbonat von der ersten Ionenaustauschermembran mittels Ionen-Hopping (im Gegensatz zu einem „Tunneln“ wie beim Grotthus-Mechanismus) verbessert werden.According to certain embodiments, the solid anion exchanger is basic, preferably strongly basic. According to certain embodiments, the immobilized cations of the anion exchanger are such that an ion pair formed by them is always completely dissociated, which can be controlled, for example, by the pH. According to certain embodiments, the solid anion exchanger bicarbonate, carbonate and / or OH - ions and / or anions of the electrolyte used in the electrolyte of the salt bridge space, for example an acid, to as counterions. This can improve the transport of bicarbonate and / or carbonate from the first ion exchange membrane by means of ion hopping (as opposed to "tunneling" as in the Grotthus mechanism).

Es ließe sich theoretisch generell auch eine entsprechende Fortführung der Wirkung der ersten Ionenaustauschermembran mit einem festen, z.B. sauren Ionenaustauscher und einem basischen flüssigen Elektrolyten in Salzbrückenraum realisieren. Im Spezialfall der CO2-Elektrolyse ist dies allerdings nicht möglich, da basische Lösungen durch das anwesende CO2 in neutrale Karbonat-Lösungen umgewandelt werden. Im Sinne dieser Erfindung werden basische Medien als Anionen-Leiter betrachtet, saure Medien als Protonen-Leiter. Da in neutralen (z.B. Alkali-) Karbonaten der Kationen-Transport überwiegt, entspricht eine entsprechende Karbonatlösung, die erzeugt wird nicht einer Erweiterung der ersten Ionenaustauschermembran in den Salzbrückenraum.In theory, it would also be possible in general to realize a corresponding continuation of the action of the first ion exchange membrane with a solid, eg acid ion exchanger and a basic liquid electrolyte in salt bridge space. In the special case of CO 2 electrolysis, however, this is not possible because basic solutions are converted by the present CO 2 in neutral carbonate solutions. For the purposes of this invention, basic media are considered to be anionic conductors, acidic media are used as proton conductors. Ladder. Since in neutral (eg alkali) carbonates the cation transport predominates, a corresponding carbonate solution that is produced does not correspond to an extension of the first ion exchange membrane into the salt bridge space.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der feste Anionenaustauscher hydrophil. Hierdurch ist er mit einem wässrigen Medium leichter benetzbar, sodass im Salzbrückenraum ein wässriges Medium wie eine wässrige Säure verwendet werden kann. Zudem kann das Wasser auch bei der Kohlendioxid-Reduktion als zusätzliches Edukt dienen, wie oben dargelegt, und eine gute Leitfähigkeit ermöglichen.In certain embodiments, the solid anion exchanger is hydrophilic. As a result, it is more wettable with an aqueous medium, so that in the salt bridge space, an aqueous medium such as an aqueous acid can be used. In addition, the water can also serve as an additional starting material in the reduction of carbon dioxide, as stated above, and allow a good conductivity.

Daneben dient der erste Anionenaustauscher und/oder eine Füllung umfassend den feste Anionenaustauscher, ggf. mit weiteren festen Bestandteilen, z.B. neutralen Partikeln oder Kationenaustauschern, im Salzbrückenraum auch zur Abstützung von Separatoren und/oder Membranen, z.B. der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator, gegeneinander. Da diese Füllung eine eigene Ionenleitfähigkeit besitzt, führt diese Form der Abstützung nicht zur Isolation von Elektrodenbereichen. Bei der Montage eines Zell-Stacks bzw. Zellstapels kann die Schüttung auch zur Kraftübertragung (Kraftschluss) durch den Gesamt-Stack bzw. Gesamtstapel dienen.In addition, the first anion exchanger and / or a filling comprising the solid anion exchanger, optionally with further solid constituents, e.g. neutral particles or cation exchangers, in salt bridge space also for supporting separators and / or membranes, e.g. the first ion exchange membrane and the first separator, against each other. Since this filling has its own ionic conductivity, this form of support does not lead to the isolation of electrode areas. When assembling a cell stack or cell stack, the bed can also be used for power transmission (adhesion) through the entire stack or total stack.

Wie bereits diskutiert enthält die Füllung mindestens im Bereich der Kathode/AEM einen festen, z.B. stark basischen, Anionenaustauscher. Die Füllung kann auch vollständig aus einem festen, z.B. stark basischen, Anionenaustauscher bestehen.
Es ist hierbei von Vorteil, wenn die chemische Natur des festen Anionenaustauschers der der ersten Ionenaustauschermembran, z.B. einer AEM, möglichst ähnlich ist. Beide Komponenten können auch beispielsweise auf der gleichen Polymerbasis aufgebaut sein, wobei sich aber beispielsweise die Kettenlänge und/oder der Vernetzungsgrad unterscheiden können.
As already discussed, the filling contains at least in the region of the cathode / AEM a solid, eg strongly basic, anion exchanger. The filling may also consist entirely of a solid, eg strongly basic, anion exchanger.
It is advantageous in this case if the chemical nature of the solid anion exchanger is as similar as possible to that of the first ion exchange membrane, for example an AEM. Both components can also be constructed, for example, on the same polymer base, but for example, the chain length and / or the degree of crosslinking may differ.

Beispielhafte Ausführungsformen, in denen der Salzbrückenraum nur einen festen Anionenaustauscher umfasst, sind schematisch in 1 bis 3 gezeigt. In den Figuren ist der erste Separator derart gezeigt, dass er mit der Anode in Kontakt steht. Dies ist erfindungsgemäß jedoch nicht zwingend notwendig, und der Separator kann auch getrennt von der Anode vorliegen, sodass sich ein Anodenraum beispielsweise auch zwischen dem Separator und der Anode ausbilden kann und ggf. die Anode auch auf einer gegenüberliegenden Seite eines solchen Anodenraums einen Raum für die Zufuhr von Substrat, z.B. eines Gases, aufweisen kann.Exemplary embodiments in which the salt bridge space comprises only one solid anion exchanger are schematically shown in FIG 1 to 3 shown. In the figures, the first separator is shown in contact with the anode. However, according to the invention, this is not absolutely necessary, and the separator can also be present separately from the anode, so that an anode space can also be formed, for example, between the separator and the anode and, if appropriate, the anode also has a space for the anode on an opposite side of such an anode space Supply of substrate, such as a gas, may have.

In 1 ist der feste Anionenaustauscher 4, beispielsweise ein stark basischer Anionenaustauscher, im Salzbrückenraum II angeordnet, welcher sich zwischen einer Anionenaustauschermembran AEM als erste Ionenaustauschermembran auf Basis eines, z.B. stark basischen, Anionenaustauschermaterials 1 und einer Kationenaustauschermembran CEM als erstem Separator auf Basis eines, z.B. stark sauren, Kationenaustauschermaterials 3 befindet. An die AEM schließt sich die Kathode K und der Kathodenraum I an, und an die CEM die Anode A und der Anodenraum III. Wie in der Figur dargestellt kann der feste Anionenaustauscher 4 von Fluiden wie Gasen und/oder Elektrolyten durchdrungen werden. Für alle drei Räume I, II, III sind jeweils eine Zufuhr und eine Abführung vorgesehen.In 1 is the solid anion exchanger 4 , For example, a strongly basic anion exchanger, in the salt bridge space II which is located between an anion exchange membrane AEM as a first ion exchange membrane based on, for example, strongly basic, anion exchange material 1 and a cation exchange membrane CEM as the first separator based on, for example, strongly acidic, cation exchange material 3 located. To the AEM closes the cathode K and the cathode compartment I, and to the CEM the anode A and the anode compartment III , As shown in the figure, the solid anion exchanger 4 be penetrated by fluids such as gases and / or electrolytes. For all three rooms I . II . III In each case a supply and a discharge are provided.

Eine alternative Ausführungsform findet sich in 2, wobei die Elektrolysezelle großteils der der 1 entspricht, außer dass die CEM durch ein Diaphragma D, beispielsweise in Form eines hydrophilen Gas-Separators 5, ersetzt wurde. Eine weitere alternative Ausführungsform findet sich in 3, welche ebenfalls großteils der Ausführungsform der 1 entspricht, wobei die CEM durch eine Bipolarmembran BPM ersetzt wurde, in der eine Kationenaustauscherschicht auf Basis eines, z.B. stark sauren, Kationenaustauschermaterials 3 zum Salzbrückenraum II hin gerichtet ist, während eine Anionenaustauscherschicht auf Basis eines, z.B. stark basischen, Anionenaustauschermaterials 1 zur Anode hin gerichtet ist.An alternative embodiment can be found in 2 , wherein the electrolytic cell largely of the 1 matches, except that the CEM by a diaphragm D, for example in the form of a hydrophilic gas separator 5 , was replaced. Another alternative embodiment can be found in 3 , which also largely the embodiment of the 1 corresponds, where the CEM was replaced by a bipolar membrane BPM, in which a cation exchange layer based on a, for example, strongly acidic cation exchange material 3 to the salt bridge room II directed, while an anion exchange layer based on a, for example, strongly basic, anion exchange material 1 directed towards the anode.

Neben dem festen Anionenaustauscher sind aber auch noch andere Bestandteile in der Füllung im Salzbrückenraum möglich, die die Freisetzung des in dem festen Anionenaustauscher aufgenommenen und/oder darin transportierten Hydrogenkarbonates unterstützen können.In addition to the solid anion exchanger but also other ingredients in the filling in salt bridge space are possible, which can support the release of the recorded and / or transported in the solid anion exchanger bicarbonate.

So kann die Füllung z.B. neben einem, z.B. stark basischen und/oder schwach basischen, Anionenaustauscher, nicht ionische Ionenaustauscher, z.B. Poly-Alkohole, und/oder Kationenaustauscher, z.B., schwach und/oder stark, saure Kationenaustauscher umfassen, welche nicht besonders beschränkt sind. Experimentell wurde z.B. in den Beispielen in DE 102017211930.6 gefunden, dass pro geflossenem Elektron weniger als ein Äquivalent CO2 durch die erste Ionenaustauschermembran, z.B. eine AEM, in einen zentralen Salzbrückenraum übergeht. Dies deutet neben HCO3 - auch auf einen Transport von CO3 2- und/oder OH- hin. Saure Zuschläge in den festen Anionenaustauscher wie Kationenaustauscher können hierbei beispielsweise zur Umwandlung von CO3 2- in HCO3 - dienen. Einwertige Ionen sind in Ionen-Tauscher-Medien i.d.R mobiler, während in Lösung mehrwertige Ionen mobiler sind. Durch einen solchen entsprechenden Zusatz wird für jede Ionenart ein optimaler hochleitfähiger Leitungspfad geschaffen.Thus, the filling may comprise, for example, in addition to one, for example, strongly basic and / or weakly basic, anion exchangers, nonionic ion exchangers, for example poly-alcohols, and / or cation exchangers, for example, weak and / or strong, acidic cation exchangers, which are not particularly limited , For example, in the examples in DE 102017211930.6 found that per flowed electron less than one equivalent of CO 2 through the first ion exchange membrane, eg a AEM , goes into a central salt bridge room. This indicates besides HCO 3 - also on a transport of CO 3 2- and / or OH - out. Acid additions in the solid anion exchangers, such as cation exchangers, can be used, for example, for Conversion of CO 3 2- in HCO 3 - serve. Monovalent ions are usually more mobile in ion exchange media, while in solution multivalent ions are more mobile. By such a corresponding addition, an optimal highly conductive conduction path is created for each type of ion.

4 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform, in der eine solche Füllung im Salzbrückenraum II mit einem gemischten Ionenaustauschermaterial 2 enthaltend ein z.B. stark basisches, Anionenaustauschermaterial, welches beispielsweise homogen gemischt sein kann, vorgesehen ist. Die weitere Ausgestaltung der Zelle in 4 entspricht der der 1. 4 schematically shows an exemplary embodiment in which such a filling in salt bridge space II with a mixed ion exchange material 2 containing, for example, strongly basic, anion exchange material, which may for example be homogeneously mixed, is provided. The further embodiment of the cell in 4 corresponds to the 1 ,

Eine Gegenüberstellung dieser beiden Zellkonzepte mit, z.B. stark basischem, Anionenaustauschermaterial 4 (5) und gemischtem Ionenaustauschermaterial 2 enthaltend ein z.B. stark basisches, Anionenaustauschermaterial (6) ist auch in 5 und 6 mit einem generischen Separator S aus einem generischen Material 6, der ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein kann, gezeigt. Der weitere Aufbau entspricht dem in 1 A comparison of these two cell concepts with, for example, strongly basic, anion exchange material 4 ( 5 ) and mixed ion exchange material 2 containing an eg strongly basic, anion exchange material ( 6 ) is also in 5 and 6 with a generic separator S from a generic material 6 , which may be single or multi-layered, shown. The further structure corresponds to the in 1

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der feste Salzbrückenraum weiterhin nicht ionenleitende und/oder unfunktionalisierte Partikel bzw. Teilchen, nicht ionische Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher, wobei bevorzugt die nicht ionenleitenden und/oder unfunktionalisierten Teilchen, nicht ionischen Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher, weiter bevorzugt die nicht ionenleitenden und/oder unfunktionalisierten Teilchen und/oder nicht ionischen Ionenaustauscher, in einem der ersten Ionenaustauschermembran angrenzenden Bereich in einer Menge von bis zu 20 Vol.%, bevorzugt bis zu 17 Vol.%, weiter bevorzugt bis zu 14 Vol.%, noch weiter bevorzugt bis zu 10 Vol.% oder bis zu 5 Vol.%, umfasst sind, bezogen auf die Gesamtmenge von festem Anionenaustauscher und ungeladenen Teilchen, nicht ionischen Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher. Die Mischung des festen Anionenaustauschers mit den ungeladenen Teilchen, dem nicht ionischen Ionenaustauscher und/oder dem Kationenaustauscher ist hierbei nicht besonders beschränkt, und kann homogen oder heterogen, z.B. in Form von Schichten, etc., sein. Die ungeladenen Teilchen, nicht ionischen Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher sind nicht besonders beschränkt. So die Füllung in Form von Schichten aufgebaut ist, sind diese Schichten bevorzugt parallel zur ersten Ionenaustauschermembran und/oder dem ersten Separator, wobei die an die erste Ionenaustauschermembran angrenzende Schicht die ungeladenen Teilchen, nicht ionischen Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher, in einer Menge von bis zu 20 Vol.%, bevorzugt bis zu 17 Vol.%, weiter bevorzugt bis zu 14 Vol.%, noch weiter bevorzugt bis zu 10 Vol.% oder bis zu 5 Vol.%, bezogen auf die Schicht, umfasst, oder nur den festen Anionenaustauscher umfasst bzw. enthält.According to certain embodiments, the solid salt bridge space further comprises non-ionic and / or unfunctionalized particles, nonionic ion exchangers and / or cation exchangers, preferably the non-ionic and / or unfunctionalized particles, nonionic ion exchangers and / or cation exchangers, more preferably not ion-conducting and / or unfunctionalized particles and / or nonionic ion exchangers, in a region adjacent to the first ion exchange membrane in an amount of up to 20% by volume, preferably up to 17% by volume, more preferably up to 14% by volume, still further preferably up to 10% by volume or up to 5% by volume, based on the total amount of solid anion exchanger and uncharged particles, nonionic ion exchanger and / or cation exchanger. The mixture of the solid anion exchanger with the uncharged particles, the nonionic ion exchanger and / or the cation exchanger is hereby not particularly limited, and may be homogeneous or heterogeneous, e.g. in the form of layers, etc. The uncharged particles, nonionic ion exchangers and / or cation exchangers are not particularly limited. If the filling is constructed in the form of layers, these layers are preferably parallel to the first ion exchange membrane and / or the first separator, wherein the layer adjacent to the first ion exchange membrane contains the uncharged particles, nonionic ion exchangers and / or cation exchangers in an amount of up to to 20% by volume, preferably up to 17% by volume, more preferably up to 14% by volume, even more preferably up to 10% by volume or up to 5% by volume, based on the layer, or only the includes solid anion exchanger or contains.

Eine an den ersten Separator angrenzende Schicht kann demgegenüber beispielsweise den festen Anionenaustauscher in einer Menge von bis zu 20 Vol.%, bevorzugt bis zu 17 Vol.%, weiter bevorzugt bis zu 14 Vol.%, noch weiter bevorzugt bis zu 10 Vol.% oder bis zu 5 Vol.%, bezogen auf die Schicht umfassen, wobei gemäß bestimmten Ausführungsformen der Rest ein fester Kationenaustauscher sein kann. Eine an den ersten Separator angrenzende Schicht kann auch nur den festen Kationenaustauscher umfassen oder nur diesen enthalten. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Salzbrückenraum weiterhin einen festen Kationenaustauscher, welcher zumindest teilweise mit dem ersten Separator in Kontakt ist.In contrast, a layer adjoining the first separator can, for example, contain the solid anion exchanger in an amount of up to 20% by volume, preferably up to 17% by volume, more preferably up to 14% by volume, even more preferably up to 10% by volume. or up to 5% by volume, based on the layer, and according to certain embodiments, the balance may be a solid cation exchanger. A layer adjacent to the first separator may also comprise only or contain only the solid cation exchanger. According to certain embodiments, the salt bridge space further comprises a solid cation exchanger which is at least partially in contact with the first separator.

Wie oben bereits zum festen Anionenaustauscher dargelegt ist es hierbei bevorzugt, dass der feste Kationenaustauscher zumindest im Bereich der Anode auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Separators mit diesem im Wesentlichen in Kontakt ist, also beispielsweise mehr als 50% der Fläche des ersten Separators, bevorzugt mehr als 60%, weiter bevorzugt mehr als 70%, insbesondere mehr als 80%, also diesen berühren, bezogen auf die Fläche des ersten Separators, welcher mit der Anode in Kontakt ist.As already stated above for the solid anion exchanger, it is preferred in this case for the solid cation exchanger to be in contact, at least in the region of the anode on the opposite side of the first separator, ie for example more than 50% of the area of the first separator, preferably more than 60%, more preferably more than 70%, in particular more than 80%, that touch this, based on the area of the first separator, which is in contact with the anode.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der feste Kationenaustauscher mit dem ersten Separator nicht vollflächig in Kontakt, insbesondere nicht in dem Bereich, in dem die Anode auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Separators diesen kontaktiert, um einen Fluidtransport zwischen dem ersten Separator und dem festen Kationenaustauscher gewährleisten zu können. Es ist somit auch gemäß bestimmten Ausführungsformen bevorzugt, dass der feste Kationenaustauscher zumindest im Bereich der Anode auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Separators mit diesem mit 99% oder weniger der Fläche des ersten Separators, bevorzugt 97% oder weniger, weiter bevorzugt 95% oder weniger, insbesondere 92% oder weniger, mit dem festen Kationenaustauscher in Kontakt ist, bezogen auf die Fläche des ersten Separators, welcher mit der Anode in Kontakt ist.According to certain embodiments, the solid cation exchanger is not in full contact with the first separator, in particular not in the region in which the anode on the opposite side of the first separator contacts it in order to be able to ensure fluid transport between the first separator and the solid cation exchanger , It is thus also preferred according to certain embodiments that the solid cation exchanger at least in the region of the anode on the opposite side of the first separator with this with 99% or less of the area of the first separator, preferably 97% or less, more preferably 95% or less , in particular 92% or less, is in contact with the solid cation exchanger with respect to the area of the first separator which is in contact with the anode.

Auch für die mehrschichtigen Ausgestaltungen des Salzbrückenraums gilt, dass feste Ionenaustauscher, die keine, z.B. stark basischen, Anionenautauschermaterialien enthalten und/oder keine festen Anionenaustauscher sind, bevorzugt nicht im Kontakt mit der ersten Ionenaustauschermembran, z.B. einer AEM, sind, um eine Gasfreisetzung am Kontaktpunkt zu vermeiden.It is also true for the multilayered configurations of the salt bridge space that solid ion exchangers containing no, eg strongly basic, anion exchange materials and / or no solid ones Anion exchangers are preferably not in contact with the first ion exchange membrane, eg an AEM, to avoid gas release at the point of contact.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen muss die Zusammensetzung der Füllung insbesondere z.B. entlang der Kathoden-Anoden-Verbindungslinie nicht homogen ein. So kann die Füllung auch geschichtet sein, beispielsweise mit einem, z.B. stark basischen, festen Anionenaustauscher oder einer Mischung umfassend den festen Anionenaustauscher im Bereich der Kathode und der ersten Ionenaustauschermembran, z.B. einer AEM, und einem, z.B. stark-sauren, festen Kationenaustauscher oder einer Mischung umfassend den festen Kationenaustauscher im Bereich der Anode und des ersten Separators.According to certain embodiments, the composition of the filling must in particular be e.g. not homogeneous along the cathode-anode junction. Thus, the filling may also be layered, for example with a, e.g. strongly basic, solid anion exchanger or a mixture comprising the solid anion exchanger in the region of the cathode and the first ion exchange membrane, e.g. an AEM, and a, e.g. strong-acid, solid cation exchanger or a mixture comprising the solid cation exchanger in the region of the anode and the first separator.

Es ist nicht festgelegt wie viele verschiedene Schichten verwendet werden können, noch deren Reihenfolgen, solange sie der Anforderung genügen, dass das an der ersten Ionenaustauschermembran, z.B. einer AEM, anliegende Material einen, z.B. stark basischen, Anionenaustauscher enthält.It is not specified how many different layers can be used, nor their sequences, as long as they meet the requirement that the first ion exchange membrane, e.g. an AEM, adjoining material, e.g. contains strongly basic, anion exchangers.

Beispielsweise können bei einem solchen mehrschichtigen Aufbau der Füllung zwei oder mehr Schichten vorhanden sein, wie in 7 bis 9 beispielhaft für zwei Schichten gezeigt ist.For example, in such a multi-layered structure of the filling, two or more layers may be present as in FIG 7 to 9 is shown by way of example for two layers.

Der Zellaufbau mit Kathode K, Anode A, AEM und Separator S sowie dem Kathodenraum I und Anodenraum III entspricht hierbei dem der 5, und nur der Aufbau der Füllung im Salzbrückenraum II unterscheidet sich. In 7 grenzt an die AEM eine Schicht mit einem, z.B. stark basischen, Anionenaustauschermaterial 4, während an den Separator S eine Schicht mit einem gemischten Ionenaustauschermaterial 2 enthaltend ein z.B. stark basisches, Anionenaustauschermaterial angrenzt. In 8 ist dieses gemischte Ionenaustauschermaterial 2 enthaltend ein z.B. stark basisches, Anionenaustauschermaterial der 7 durch ein, z.B. saures oder stark saures, Kationenaustauschermaterial 3 ersetzt. In 9 ist wiederum im Vergleich zu 8 das an der AEM anliegende Material durch ein gemischtes Ionenaustauschermaterial 2 enthaltend ein z.B. stark basisches, Anionenaustauschermaterial ersetzt worden.The cell structure with cathode K , Anode A . AEM and separator S and the cathode compartment I and anode compartment III this corresponds to the 5 , and only the construction of the filling in salt bridge space II is different. In 7 Adjacent to the AEM a layer with one, for example, strongly basic, anion exchange material 4 while to the separator S a layer with a mixed ion exchange material 2 containing, for example, strongly basic, anion exchange material adjacent. In 8th is this mixed ion exchange material 2 containing, for example, strongly basic, anion exchange material of 7 by, for example, acidic or strongly acidic, cation exchange material 3 replaced. In 9 is again compared to 8th that at the AEM attached material by a mixed ion exchange material 2 containing, for example, strongly basic, anion exchange material has been replaced.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Füllung, auch wenn sie nur aus dem festen Anionenaustauscher besteht, nicht geschlossen, sodass sie von einem Elektrolyten und/oder einem Flüssigkeits-Gasblasen-Gemenge durchströmt werden kann, weist also z.B. Poren oder strukturierte Freiräume auf.According to certain embodiments, the filling, even if it consists only of the solid anion exchanger, is not closed, so that it can be flowed through by an electrolyte and / or a liquid-gas bubble mixture, thus, e.g. Pores or structured open spaces.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage, umfassend eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle. Die entsprechenden Ausführungsformen der Elektrolysezelle wie auch weitere beispielhafte Komponenten einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage wurden bereits oben diskutiert und sind somit auch auf die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage anwendbar. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Elektrolysezellen, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass daneben noch andere Elektrolysezellen vorhanden sind.Another aspect of the present invention relates to an electrolysis plant comprising an electrolysis cell according to the invention. The corresponding embodiments of the electrolysis cell as well as further exemplary components of an electrolysis plant according to the invention have already been discussed above and are therefore also applicable to the electrolysis plant according to the invention. According to certain embodiments, an electrolysis plant according to the invention comprises a multiplicity of electrolysis cells according to the invention, wherein it is not excluded that there are also other electrolysis cells in addition.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage weiter eine Rückführeinrichtung, die mit einer Abführung des Salzbrückenraums und einer Zuführung des Kathodenraums verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, ein Edukt der Kathodenreaktion, welches im Salzbrückenraum gebildet werden kann, wieder in den Kathodenraum zu führen.According to certain embodiments, the electrolysis plant according to the invention further comprises a recycling device, which is connected to a discharge of the salt bridge space and a supply of the cathode space, which is adapted to lead a reactant of the cathode reaction, which can be formed in the salt bridge space again in the cathode space.

Eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle ist beispielhaft in 10 gezeigt, wobei hier die Elektrolysezelle mit dem Kathodenraum I, dem Salzbrückenraum II und dem Anodenraum III, der Anode A, dem Separator S, der Kathode K und der ersten Ionenaustauschermembran als AEM beispielsweise entsprechend dem Aufbau in 5 oder 6 aufgebaut sein kann. Zum Kathodenraum wird CO2 zugeführt und aus dem Kathodenraum verbliebenes CO2, Produkt P und ggf. Wasser abgeführt, wobei das Wasser abgeschieden wird. Im Salzbrückenraum generiertes CO2 und ggf. in den Salzbrückenraum übergetretenes CO2 kann über eine Rückführung zur Zufuhr zum Kathodenraum rückgeführt werden, nachdem Elektrolyt j aus dem Salzbrückenraum abgetrennt wird, der ebenfalls wieder rückgeführt werden kann. Auf Anodenseite wird ein Anolyt A zum Anodenraum III zugeführt, wobei hier beispielhaft eine anodische Umsetzung von H2O und/ oder HCl zu O2 und/oder Cl2 gezeigt ist, wobei die Halbzellenreaktion die Erfindung nicht einschränkt. Die weiteren Symbole in 10 sind übliche Fluidic-Schaltzeichen.An electrolytic cell according to the invention is exemplified in 10 shown, in which case the electrolytic cell with the cathode compartment I , the salt bridge room II and the anode compartment III , the anode A, the separator S, the cathode K and the first ion exchange membrane as AEM for example, according to the structure in 5 or 6 can be constructed. To the cathode space CO 2 is supplied and remaining from the cathode space CO 2 , product P and possibly water removed, the water is separated. CO 2 generated in the salt bridge space and possibly CO 2 that has passed into the salt bridge space can be recycled via a return to the cathode space after electrolyte j is separated from the salt bridge space, which can also be recycled. On the anode side becomes an anolyte A to the anode room III an example of anodic conversion of H 2 O and / or HCl to O 2 and / or Cl 2 is shown, wherein the half-cell reaction does not limit the invention. The other symbols in 10 are common fluidic symbols.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage weiter eine externe Einrichtung zur Elektrolyt-Behandlung, insbesondere eine Vorrichtung zur Entfernung von gelösten Gasen aus einer Säure, mit der insbesondere der Anolyt und/oder der Elektrolyt im Salzbrückenraum behandelt werden, um beispielswiese Gase wie CO2 oder O2 zu entfernen, und so eine Rückführung von Anolyt und/oder dem Elektrolyt im Salzbrückenraum zu ermöglichen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn beide aus einem gemeinsamen Reservoir gepumpt werden, also nur ein gemeinsames Anolyt/Elektrolyt für Salzbrückenraum-Reservoir vorliegt, also der Anolyt und der Elektrolyt im Salzbrückenraum identisch sind.According to certain embodiments, the electrolysis plant according to the invention further comprises an external device for electrolyte treatment, in particular a device for removing dissolved gases from an acid, with which in particular the anolyte and / or the electrolyte are treated in the salt bridge space, for example, gases such as CO 2 or To remove O 2 , and thus to allow a return of anolyte and / or the electrolyte in the salt bridge space. This is particularly advantageous when both come from a be pumped common reservoir, so there is only a common anolyte / electrolyte for salt bridge reservoir space, so the anolyte and the electrolyte in the salt bridge space are identical.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage zwei getrennte Kreisläufe für Anolyt und Elektrolyt im Salzbrückenraum, welche ggf. getrennte Einrichtungen zur Elektrolyt-Behandlung, insbesondere Vorrichtungen zur Entfernung von gelösten Gasen aus einer Säure, aufweisen können, oder wobei nur der Kreislauf für den Elektrolyt im Salzbrückenraum eine entsprechende Einrichtung aufweist.According to certain embodiments, the electrolysis plant according to the invention comprises two separate circuits for anolyte and electrolyte in the salt bridge space, which may optionally have separate devices for electrolyte treatment, in particular devices for removing dissolved gases from an acid, or wherein only the circuit for the electrolyte in Salt bridge space has a corresponding device.

In einem noch weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle oder einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage, welche auch eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Elektrolysezellen umfassen kann, zur Elektrolyse von CO2 und/oder CO.In a still further aspect, the present invention relates to the use of an electrolysis cell or an electrolysis plant according to the invention, which may also comprise a plurality of electrolysis cells according to the invention, for the electrolysis of CO 2 and / or CO.

Zudem offenbart ist ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle oder eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage verwendet wird, wobei CO2 an der Kathode reduziert wird und an der Kathode entstehendes Hydrogencarbonat und/oder Carbonat durch die erste Ionenaustauschermembran zu einem Elektrolyten im Salzbrückenraum wandert, wobei das Hydrogencarbonat und/oder Carbonat zudem durch den festen Anionenaustauscher im Salzbrückenraum von der ersten Ionenaustauschermembran weg transportiert wird.In addition, disclosed is a method for the electrolysis of CO 2 , wherein an electrolysis cell according to the invention or an electrolysis plant according to the invention is used, wherein CO 2 is reduced at the cathode and formed at the cathode bicarbonate and / or carbonate migrates through the first ion exchange membrane to an electrolyte in the salt bridge space wherein the bicarbonate and / or carbonate is also transported away from the first ion exchange membrane by the solid anion exchanger in the salt bridge space.

Neben Hydrogencarbonat und/oder Carbonat ist hierbei nicht ausgeschlossen, dass auch Formiat und/oder Acetat und/oder weitere entstehende Anionen durch die erste Ionenaustauschermembran in den Elektrolyten des Salzbrückenraums wandern.In addition to hydrogen carbonate and / or carbonate, it is not excluded that formate and / or acetate and / or further anions which form migrate through the first ion exchange membrane into the electrolyte of the salt bridge space.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle oder der erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage durchgeführt. Folglich sind alle im Hinblick auf die erfindungsgemäße Elektrolysezelle und die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage diskutierten Merkmale auch beim erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar. Insbesondere der Kathodenraum, die Kathode, die erste Ionenaustauschermembran, der Anodenraum, die Anode, der Separator, der Salzbrückenraum und der feste Anionenaustauscher, wie auch weitere Bestandteile, wurden bereits im Hinblick auf die erfindungsgemäße Elektrolysezelle und die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage diskutiert. Die entsprechenden Merkmale können somit entsprechend im erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt sein. Umgekehrt wird ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle bzw. der erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage durchgeführt, sodass auch Ausführungen bzw. Aspekte zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Elektrolyse von CO2 bei diesen Anwendung finden können, beispielsweise hinsichtlich eines Elektrolyten im Salzbrückenraum und damit einhergehenden Ausgestaltungen der Bestandteile der Elektrolysezelle, wie z.B. des ersten Separators.The process according to the invention is carried out with the electrolysis cell according to the invention or the electrolysis plant according to the invention. Consequently, all features discussed with regard to the electrolysis cell according to the invention and the electrolysis system according to the invention can also be used in the method according to the invention. In particular, the cathode compartment, the cathode, the first ion exchange membrane, the anode compartment, the anode, the separator, the salt bridge compartment and the solid anion exchanger, as well as further components, have already been discussed with regard to the electrolysis cell according to the invention and the electrolysis unit according to the invention. The corresponding features can thus be carried out according to the method of the invention. Conversely, the inventive method is also carried out with the electrolysis cell according to the invention or the electrolysis plant, so that embodiments or aspects of the inventive method for the electrolysis of CO 2 can find in this application, for example, with respect to an electrolyte in the salt bridge space and associated embodiments of the components of Electrolysis cell, such as the first separator.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren wird CO2 elektrolysiert, wobei jedoch nicht ausgeschlossen ist, dass auf Kathodenseite neben CO2 noch ein weiteres Edukt wie CO vorhanden ist, welches ebenfalls elektrolysiert werden kann, also ein Gemisch vorliegt, das CO2 umfasst, sowie beispielsweise CO. Beispielsweise enthält ein Edukt auf Kathodenseite mindestens 20 Vol.% CO2, z.B. mindestens 50 oder mindestens 70 Vol.% CO2, und insbesondere ist das Edukt auf Kathodenseite zu 100 Vol.% CO2. Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Elektrolysezelle auch reines CO umsetzen, wobei dann allerdings im Salzbrückenraum kein CO2 freigesetzt wird.The process according to the invention CO 2 is electrolyzed, although it is not excluded that on the cathode side in addition to CO 2 another reactant such as CO is present, which can also be electrolyzed, ie a mixture is present, the CO 2 comprises, and for example CO. For example, an educt on the cathode side contains at least 20 vol.% CO 2 , for example at least 50 or at least 70 vol.% CO 2 , and in particular the educt on the cathode side to 100 vol.% CO 2 . In principle, the electrolysis cell according to the invention can also convert pure CO, in which case, however, no CO 2 is released in the salt bridge space.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Füllung umfassend den festen Anionenaustauscher oder bestehend aus dem festen Anionenaustauscher von einem Elektrolyten, also einem flüssigen Medium, durchströmt. Der Elektrolyt ist hierbei nicht besonders beschränkt, ist gemäß bestimmten Ausführungsformen jedoch wässrig. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Salzbrückenraum also einen wässrigen Elektrolyten. Er kann dem Anolyten und/oder Katholyten, so jeweils vorhanden, entsprechen oder von diesen verschieden sein.In the process according to the invention, the filling comprising the solid anion exchanger or consisting of the solid anion exchanger is passed through by an electrolyte, ie a liquid medium. The electrolyte is not particularly limited in this case, but is according to certain embodiments, aqueous. Thus, according to certain embodiments, the salt bridge space comprises an aqueous electrolyte. It may correspond to or be different from the anolyte and / or catholyte, if present.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt des Salzbrückenraums eine Säure, bevorzugt eine wasserlösliche oder wassermischbare Säure. Gemäß bestimmten Ausführungsformen enthält der Elektrolyt mindestens 10-6 mol/l H+ und/oder dessen hydratisierte Varianten, bevorzugt mindestens 10-4 mol/l, weiter bevorzugt mindestens 10-3 mol/l, noch weiter bevorzugt mindestens 10-2 mol/l. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt des Salzbrückenraums im Wesentlichen keine mobilen Kationen außer H+ und/oder dessen hydratisierte Varianten. Bevorzugt umfasst der Elektrolyt gemäß bestimmten Ausführungsformen hierbei keine mobilen Kationen außer Protonen, abgesehen von mobilen Kationen in einer Menge üblicher Verunreinigungen. Der Elektrolyt dient zum Austragen des CO2's und dem Feuchthalten der Füllung.According to certain embodiments, the electrolyte of the salt bridge space comprises an acid, preferably a water-soluble or water-miscible acid. According to certain embodiments, the electrolyte contains at least 10 -6 mol / l H + and / or its hydrated variants, preferably at least 10 -4 mol / l, more preferably at least 10 -3 mol / l, even more preferably at least 10 -2 mol / l. According to certain embodiments, the electrolyte of the salt bridge space comprises substantially no mobile cations other than H + and / or its hydrated variants. Preferably, according to certain embodiments, the electrolyte in this case does not comprise any mobile cations except protons, apart from mobile cations in one Amount of common impurities. The electrolyte serves to discharge the CO 2 's and keep the filling moist.

Die mindestens eine Säure im Elektrolyten im Salzbrückenraum ist hierbei nicht besonders beschränkt, ist bevorzugt jedoch eine in Wasser lösliche und/oder wassermischbare Säure, wie beispielsweise HCl, HBr, HI, H2SO4, H3PO4, HTfO (Trifluormethansulfonsäure), etc. Durch die Verwendung mindestens einer Säure im Elektrolyten wird die CO2-Freisetzung aus Hydrogencarbonat und/oder Carbonat im festen Anionenaustauscher, beispielsweise einem basischen oder stark basischen Ionenaustauscher, begünstigt. Die Freisetzung des CO2 findet hierbei bevorzugt im Volumen des Salzbrückenraums statt und nicht an der Kontaktfläche zwischen der Füllung umfassend den festen Anionenaustauscher oder dem festen Anionenaustauscher und dem Separator, da dies ebenfalls mit hohen Spannungsverlusten verbunden wäre.The at least one acid in the electrolyte in the salt bridge space is not particularly limited here, but is preferably a water-soluble and / or water-miscible acid, such as HCl, HBr, HI, H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , HTfO (trifluoromethanesulfonic acid), etc. By using at least one acid in the electrolyte, the CO 2 release from bicarbonate and / or carbonate in the solid anion exchanger, for example a basic or strongly basic ion exchanger, is favored. The release of the CO 2 preferably takes place in the volume of the salt bridge space and not at the contact surface between the filling comprising the solid anion exchanger or the solid anion exchanger and the separator, since this would also be associated with high voltage losses.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine verbesserte Gasfreisetzung im Salzbrückenraum durch die Verwendung mehrschichtiger Füllungen, wie oben beschrieben, erzielt werden. Auch ist es natürlich möglich, im Salzbrückenraum einen Elektrolytgradienten aufzubauen, um eine bevorzugte Freisetzung im Salzbrückenraum und nicht an Separatoren wie der ersten Ionenaustauschermembran, dem ersten Separator und ggf. weiteren enthaltenen Separatoren und/oder Ionenaustauschermembranen zu erzielen, beispielsweise mit mehreren Elektrolytzuführungen zum Salzbrückenraum bzw. Schichten von Füllungen, wobei hier ggf. auch laminare Flüsse zum Erstellen solcher Elektrolytgradienten möglich sind.According to certain embodiments, improved gas release in the salt bridge space can be achieved through the use of multilayer fillings as described above. It is of course also possible to construct an electrolyte gradient in the salt bridge space in order to achieve preferential release in the salt bridge space and not at separators such as the first ion exchange membrane, the first separator and optionally further separators and / or ion exchange membranes, for example with multiple electrolyte feeds to the salt bridge space or Layers of fillings, where laminar flows may also be possible to create such electrolyte gradients.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Füllung umfassend den festen Anionenaustauscher oder bestehend aus dem festen Anionenaustauscher bevorzugt ionenleitfähig, um den Ladungstransport durch den Elektrolyten zu verbessern.In certain embodiments, the fill comprising the solid anion exchanger or consisting of the solid anion exchanger is preferably ionically conductive to enhance charge transport through the electrolyte.

Es ist im erfindungsgemäßen Verfahren nicht ausgeschlossen, lediglich Wasser als Elektrolyt im Salzbrückenraum zu verwenden. Hierfür ist jedoch der erste Separator bevorzugt als Ionenaustauschermembran umfassend einen Kationenaustauscher, beispielsweise als Kationenaustauschermembran (CEM), oder als Bipolar-Membran (BPM) ausgeführt. Bevorzugt enthält auch die feste Füllung neben dem festen Anionenaustauscher dann auch saure Komponenten, z.B. Kationenaustauscher. Wegen der Leitfähigkeit ist jedoch die Verwendung einer Säurelösung bevorzugt.It is not excluded in the process of the invention to use only water as the electrolyte in the salt bridge space. For this purpose, however, the first separator is preferably designed as an ion exchange membrane comprising a cation exchanger, for example as a cation exchange membrane (CEM), or as a bipolar membrane (BPM). Preferably, the solid filling in addition to the solid anion exchanger then also contains acidic components, e.g. Cation exchanger. Because of the conductivity, however, the use of an acid solution is preferred.

Ist der erste Separator als Diaphragma ausgeführt, umfasst der Elektrolyt im Salzbrückenraum mindestens eine Säure, da das Diaphragma nicht intrinsisch ionenleitend ist. Der Elektrolyt des Salzbrückenraums kann hierbei beispielsweise dem Anolyten entsprechen, aber auch verschieden sein.If the first separator is designed as a diaphragm, the electrolyte in the salt bridge space comprises at least one acid, since the diaphragm is not intrinsically ion-conducting. The electrolyte of the salt bridge space may in this case correspond to the anolyte, for example, but also be different.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform im erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich bei der Verwendung des festen Anionentauschers, ggf. in einer Mischung mit weiteren Bestandteilen in der Füllung des Salzbrückenraums, in Kombination mit einem sauren Elektrolyten. Hierdurch kann im Vergleich zum Stand der Technik die Berührungsfläche zwischen dem Anionenaustauscher der ersten Ionenaustauschermembran und sauren Medien stark vergrößert werden. Bei Lösungen nach dem Stand der Technik, z.B. in der US 2017037522 A1 und DE 102017208610.6 , ist die Oberfläche der ersten Ionenaustauschermembran auch stets der Übergang zum sauren Medium. Dieser Übergang wird erfindungsgemäß in das Volumen des Salzbrückenraums verlagert und dadurch die Oberfläche massiv vergrößert. Dadurch wirkt sich die isolierende Wirkung von entstehenden Gasblasen bei der CO2-Elektrolyse weniger negativ auf die Zellspannung aus. Die Wirkung des in der ersten Ionenaustauschermembran enthaltenen Anionenaustauschers /-transporters als Transporter für Anionen kann durch die Füllung in den Salzbrückenraum fortgeführt werden.A particularly preferred embodiment in the process according to the invention results from the use of the solid anion exchanger, if appropriate in a mixture with further constituents in the filling of the salt bridge space, in combination with an acidic electrolyte. As a result, in comparison to the prior art, the contact area between the anion exchanger of the first ion exchange membrane and acidic media can be greatly increased. In solutions according to the prior art, for example in the US 2017037522 A1 and DE 102017208610.6 , the surface of the first ion exchange membrane is always the transition to the acidic medium. This transition is inventively shifted in the volume of the salt bridge space and thereby increases the surface massively. As a result, the insulating effect of gas bubbles formed during CO 2 electrolysis has less negative effects on the cell voltage. The effect of the anion exchanger / transporter contained in the first ion exchange membrane as a transporter for anions can be continued by the filling in the salt bridge space.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Anodenraum einen Anolyt, welcher eine flüssige und/oder gelöste Säure umfasst, bevorzugt wobei der Anolyt und/oder die Säure im Salzbrückenraum bzw. der Elektrolyt im Salzbrückenraum keine mobilen Kationen außer Protonen und/oder Deuteronen, insbesondere keine Metall-Kationen, umfasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst eine Säure im Salzbrückenraum keine mobilen Kationen außer Protonen und/oder Deuteronen, insbesondere keine Metall-Kationen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Anolyt keine mobilen Kationen außer Protonen und/oder Deuteronen, insbesondere keine Metall-Kationen. Mobile Kationen sind hierbei Kationen, welche nicht durch eine chemische Bindung an einen Träger gebunden sind, und/oder insbesondere eine Ionenbeweglichkeit von mehr als 1 · 10-1 m2/ (s · V), insbesondere von mehr als 1 · 10-10 m2/ (s · V), aufweisen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden bei der anodischen Halbreaktion keine mobilen Kationen außer „D+“, H+“, insbesondere keine Metall-Kationen, freigesetzt oder erzeugt. In einem solchen Fall können daher beispielsweise für den Spezialfall der O2-Entwicklung an der Anode Wasser (insbesondere im Fall CCM-Anode) oder Säuren mit nicht oxidierbaren Anionen als Anolyt bzw. Reagens in Frage kommen. Für eine Halogenerzeugung an der Anode sind entsprechend insbesondere für diesen Fall die Halogen-Wasserstoff-Säuren HCl, HBr und/oder HI geeignet, wobei beispielsweise Halogenid-Salze nicht geeignet sind bei Verwendung eines Diaphragmas als erste Separator-Membran, jedoch bei Verwendung einer bipolaren Membran als erste Separator-Membran verwendet werden können. Auch die Verwendung von SO2 im Anolyt zur Herstellung von Schwefelsäure, bzw. H2O zur Herstellung von H2O2, etc., ist möglich.According to certain embodiments, the anode compartment comprises an anolyte which comprises a liquid and / or dissolved acid, preferably wherein the anolyte and / or the acid in the salt bridge space or the electrolyte in the salt bridge space no mobile cations except protons and / or deuterons, in particular no metal ions. Cations, includes. According to certain embodiments, an acid in the salt bridge space does not comprise mobile cations except protons and / or deuterons, especially no metal cations. According to certain embodiments, the anolyte does not comprise mobile cations except protons and / or deuterons, especially no metal cations. Mobile cations are here cations, which are not bound by a chemical bond to a carrier, and / or in particular an ion mobility of more than 1 · 10 -1 m 2 / (s · V), in particular of more than 1 · 10 -10 m 2 / (s · V). According to certain embodiments, in the anodic half-reaction no mobile cations other than "D + ", H + ", especially no metal cations, are released or generated. In such a case, for example, for the special case of O 2 evolution at the anode, water (in particular in the case of CCM anode) or acids with non-oxidizable anions can be used as the anolyte or reagent. For a halogen generation at the According to this example, the halogen-hydrogen acids HCl, HBr and / or HI are suitable for the anode, for example halide salts are not suitable when using a diaphragm as the first separator membrane, but when using a bipolar membrane as the first separator Membrane can be used. The use of SO 2 in the anolyte for the production of sulfuric acid, or H 2 O for the production of H 2 O 2 , etc., is possible.

Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren wird anschließend mit Bezug auf eine spezielle Ausgestaltung der Elektrolysezelle der 5 erläutert, welche nachfolgend weiter ausgeführt wird. Die Ausführungen beziehen sich hierbei auf eine spezielle Ausgestaltung der Elektrolysezelle aus 5, sodass die nachfolgenden Erläuterungen nicht die in 5 gezeigte Ausführungsform, die oben beschrieben ist, beschränken. In einem solchen beispielhaften Verfahren wird dabei der Kathodenraum I vom Salzbrückenraum II durch einen Verbund aus einer CO2 reduzierenden Kathode K und einer AEM getrennt. Der Kathodenraum I wird von, beispielsweise angefeuchtetem, CO2 durchströmt, welches dabei beispielsweise zu CO, C2H4 reduziert wird. Der angefeuchtete CO2-Strom stellt dabei die Substrat-Versorgung der Kathode dar. Im Sinne einer klassischen Drei-Kammer-Zelle stellt er den Katholyten dar.An exemplary method according to the invention will subsequently be described with reference to a specific embodiment of the electrolysis cell 5 explained, which is further discussed below. The statements here relate to a special embodiment of the electrolysis cell 5 so that the following explanations are not in the 5 shown embodiment described above. In such an exemplary method is the cathode space I from the salt bridge room II by a composite of a CO 2 reducing cathode K and one AEM separated. The cathode compartment I is traversed by, for example moistened, CO 2 , which is reduced, for example, to CO, C 2 H 4 . The moistened CO 2 stream represents the substrate supply of the cathode. In the sense of a classic three-chamber cell, it represents the catholyte.

Der Salzbrückenraum II wird vom Anodenraum III durch den ersten Separator S (z.B. Diaphragma, bipolare Membran, Kationen leitende Membran) im Verbund mit der Anode A getrennt, wobei - wie oben dargelegt, es auch möglich ist, dass sich der Anodenraum III direkt an den ersten Separator anschließt. Der Salzbrückenraum II ist mit einer durchströmbaren festen Füllung gepackt, die einen, z.B. stark basischen, Anionenaustauscher enthält, und wird von einem Elektrolytstrom durchströmt, welcher neben Wasser auch eine Säure umfassen kann.The salt bridge room II is from the anode compartment III through the first separator S (eg diaphragm, bipolar membrane, cation-conducting membrane) in combination with the anode A separated, wherein - as stated above, it is also possible that the anode space III directly connected to the first separator. The salt bridge room II is packed with a flowable solid filling containing one, for example, strongly basic, anion exchanger, and is flowed through by an electrolyte flow, which may include an acid as well as water.

Der erste Separator kann frei aus z.B. einer Kationenaustauschermembran (CEM), einem nicht intrinsisch ionenleitenden hydrophilen Gasseparator (Diaphragma) oder einer Bipolar-Membran (BPM), bei der bevorzugt die anionenleitende Schicht zur Anode hin orientiert ist, gewählt werden. Bei Verwendung eines Diaphragmas sind bevorzugt der Elektrolyt im Anodenraum III und der flüssige Elektrolyt im Salzbrückenraum II identisch und leitfähig.The first separator can be selected freely from, for example, a cation exchange membrane (CEM), a non-intrinsically ion-conducting hydrophilic gas separator (diaphragm) or a bipolar membrane (BPM), in which the anion-conducting layer is preferably oriented toward the anode. When using a diaphragm, the electrolyte in the anode compartment III and the liquid electrolyte in the salt bridge compartment are preferred II identical and conductive.

Der Anodenraum III wird vom Anolyten, z.B. wässriger HCl, wässriger H2SO4, H2O, etc., durchströmt, der die Anode A mit Substrat versorgen kann. Falls der Elektrolyt des Salzbrückenraums und der Anolyt identisch gewählt wurden, können diese auch aus einem gemeinsamen Reservoir bezogen werden, wobei insbesondere jedoch geeignete Vorrichtungen vorhanden sind, um eine Verschleppung gelöster Gase zu vermeiden (Entgasung), z.B. bei einer Rückführung des Elektrolyten.The anode compartment III is the anolyte, eg aqueous HCl, aqueous H 2 SO 4 , H 2 O, etc., flows through, which is the anode A can supply with substrate. If the electrolyte of the salt bridge space and the anolyte have been selected to be identical, they can also be obtained from a common reservoir, but in particular suitable devices are present to avoid carryover of dissolved gases (degassing), for example when the electrolyte is returned.

Wie oben angedeutet kann abweichend von 5 sich der Anodenraum III auch zwischen der Anode A und dem ersten Separator S befinden. In einem solchen Fall muss der Anolyt jedoch leitfähig sein.As indicated above, different from 5 the anode compartment III also between the anode A and the first separator S are located. In such a case, however, the anolyte must be conductive.

Der Kathodenraum I und der Anodenraum III können zudem z.B. elektrisch leitfähige, z.B. nicht geschlossene, Strukturen umfassen, die zur Kontaktierung der Elektroden dienen. Liegt die Anode nicht am ersten Separator an, kann hier die Anforderung der Leitfähigkeit entfallen. Bevorzugt enthält der Anolyt nur Salze und damit bewegliche „nicht H+“ Kationen, wenn der erste Separator eine Bipolar-Membran ist.The cathode compartment I and the anode compartment III In addition, for example, electrically conductive, eg not closed, structures may include, which serve to contact the electrodes. If the anode is not on the first separator, the requirement of conductivity can be omitted here. Preferably, the anolyte contains only salts and thus mobile "non H + " cations, when the first separator is a bipolar membrane.

Die elektrochemische Umsetzung an der Anode ist nicht weiter beschränkt, wobei sie bevorzugt zum Übertritt von H+ aus (Bipolar-Membran) oder durch (Diaphragma oder CEM) den ersten Separator in den Elektrolyten des Salzbrückenraums führt.The electrochemical conversion at the anode is not further restricted, wherein it preferably leads to the transfer of H + from (bipolar membrane) or through (diaphragm or CEM) the first separator in the electrolyte of the salt bridge space.

Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments, refinements and developments can, if appropriate, be combined with one another as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2017037522 A1 [0011, 0013, 0039, 0134]US 2017037522 A1 [0011, 0013, 0039, 0134]
  • DE 102017208610 [0011, 0014, 0015, 0134]DE 102017208610 [0011, 0014, 0015, 0134]
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  • US 9481939 [0050]US 9481939 [0050]

Claims (15)

Elektrolysezelle, umfassend - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode; - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran kontaktiert; - einen Anodenraum umfassend eine Anode; und - einen ersten Separator, welcher an den Anodenraum angrenzt; weiter umfassend einen Salzbrückenraum, wobei der Salzbrückenraum zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und dem ersten Separator angeordnet ist, wobei der Salzbrückenraum einen festen Anionenaustauscher umfasst, welcher zumindest teilweise mit der ersten Ionenaustauschermembran in Kontakt ist.Electrolytic cell comprising a cathode compartment comprising a cathode; a first ion exchange membrane containing an anion exchanger adjacent to the cathode compartment, the cathode contacting the first ion exchange membrane; an anode compartment comprising an anode; and a first separator adjacent to the anode compartment; further comprising a salt bridge space, wherein the salt bridge space between the first ion exchange membrane and the first separator is arranged, wherein the salt bridge space comprises a solid anion exchanger, which is at least partially in contact with the first ion exchange membrane. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, wobei der feste Anionenaustauscher im Salzbrückenraum Kationen umfasst, welche in einem polymeren Gerüst immobilisiert sind, wobei die Kationen insbesondere Hydrogencarbonat- und/oder Carbonationen austauschen können.Electrolysis cell after Claim 1 wherein the solid anion exchanger in the salt bridge space comprises cations which are immobilized in a polymeric backbone, which cations in particular can exchange hydrogencarbonate and / or carbonate ions. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der feste Anionenaustauscher als Schüttung und/oder poröses Gebilde vorliegt.Electrolysis cell after Claim 1 or 2 , wherein the solid anion exchanger is present as a bed and / or porous structure. Elektrolysezelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der feste Salzbrückenraum weiterhin ungeladene Teilchen, nicht ionische Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher umfasst, wobei bevorzugt die ungeladenen Teilchen, nicht ionischen Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher, weiter bevorzugt die ungeladenen Teilchen und/oder nicht ionischen Ionenaustauscher, in einem der ersten Ionenaustauschermembran angrenzenden Bereich in einer Menge von bis zu 20 Vol.% umfasst sind, bezogen auf die Gesamtmenge von festem Anionenaustauscher und ungeladenen Teilchen, nicht ionischen Ionenaustauscher und/oder Kationenaustauscher.An electrolytic cell according to any one of the preceding claims, wherein the solid salt bridge space further comprises uncharged particles, nonionic ion exchangers and / or cation exchangers, preferably the uncharged particles, nonionic ion exchangers and / or cation exchangers, more preferably the uncharged particles and / or non ionic ion exchangers, in an area adjacent to the first ion exchange membrane in an amount of up to 20% by volume, based on the total amount of solid anion exchanger and uncharged particles, of nonionic ion exchanger and / or cation exchanger. Elektrolysezelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der erste Separator eine Kationenaustauschermembran, eine Bipolar-Membran oder ein Diaphragma ist.An electrolytic cell according to any one of the preceding claims, wherein the first separator is a cation exchange membrane, a bipolar membrane or a diaphragm. Elektrolysezelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der feste Anionenaustauscher basisch, bevorzugt stark basisch, ist.Electrolysis cell according to one of the preceding claims, wherein the solid anion exchanger is basic, preferably strongly basic. Elektrolysezelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der feste Anionenaustauscher hydrophil ist.An electrolytic cell according to any one of the preceding claims, wherein the solid anion exchanger is hydrophilic. Elektrolysezelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Salzbrückenraum weiterhin einen festen Kationenaustauscher umfasst, welcher zumindest teilweise mit dem ersten Separator in Kontakt ist.An electrolytic cell according to any one of the preceding claims, wherein the salt bridge space further comprises a solid cation exchanger which is at least partially in contact with the first separator. Elektrolyseanlage, umfassend eine Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Electrolysis plant, comprising an electrolytic cell according to one of Claims 1 to 8th , Elektrolyseanlage nach Anspruch 9, weiter umfassend eine Rückführeinrichtung, die mit einer Abführung des Salzbrückenraums und einer Zuführung des Kathodenraums verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, ein Edukt der Kathodenreaktion, welches im Salzbrückenraum gebildet werden kann, wieder in den Kathodenraum zu führen.Electrolysis system after Claim 9 , further comprising a recirculation device, which is connected to a discharge of the salt bridge space and a supply of the cathode space, which is adapted to lead a reactant of the cathode reaction, which can be formed in the salt bridge space, back into the cathode space. Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei eine Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine Elektrolyseanlage nach Anspruch 9 oder 10 verwendet wird, wobei CO2 an der Kathode reduziert wird und an der Kathode entstehendes Hydrogencarbonat und/oder Carbonat durch die erste Ionenaustauschermembran zu einem Elektrolyten im Salzbrückenraum wandert, wobei das Hydrogencarbonat und/oder Carbonat zudem durch den festen Anionenaustauscher im Salzbrückenraum von der ersten Ionenaustauschermembran weg transportiert wird.Process for the electrolysis of CO 2 , wherein an electrolytic cell according to one of Claims 1 to 8th or an electrolysis system Claim 9 or 10 is used, wherein CO 2 is reduced at the cathode and formed at the cathode bicarbonate and / or carbonate through the first ion exchange membrane to an electrolyte in the salt bridge space, wherein the bicarbonate and / or carbonate also by the solid anion exchanger in the salt bridge space of the first ion exchange membrane is transported away. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Salzbrückenraum einen wässrigen Elektrolyt umfasst.Method according to Claim 11 wherein the salt bridge space comprises an aqueous electrolyte. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Elektrolyt des Salzbrückenraums eine Säure, bevorzugt eine wasserlösliche oder wassermischbare Säure, umfasst.Method according to Claim 11 or 12 wherein the electrolyte of the salt bridge space comprises an acid, preferably a water-soluble or water-miscible acid. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Elektrolyt des Salzbrückenraums im Wesentlichen keine mobilen Kationen außer H+ und/oder dessen hydratisierte Varianten umfasst.Method according to one of Claims 11 to 13 wherein the electrolyte of the salt bridge space comprises substantially no mobile cations other than H + and / or its hydrated variants. Verwendung einer Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Elektrolyseanlage nach Anspruch 9 oder 10 zur Elektrolyse von CO2 und/oder CO. Use of an electrolytic cell according to one of Claims 1 to 8th or an electrolysis system Claim 9 or 10 for the electrolysis of CO 2 and / or CO.
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