DE102018206396A1 - Elektrolysesystem für die CO2-Elektrolyse - Google Patents

Elektrolysesystem für die CO2-Elektrolyse Download PDF

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Marc Hanebuth
Harald Landes
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    • C25B9/70Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der CO2-Elektrolyse. Gemäß der Erfindung werden Steuerelektroden zwischen einer Elektrolytkonditionierungsanlage und Zuleitungen bzw. Ableitungen eines Elektrolytverteilers eines Elektrolyse-Stacks angeordnet, um Streuströme aufzunehmen.
Die vorliegende Erfindung ist konkret für die Elektrolyse von CO2 relevant, da hier aufgrund der typischerweise verwendeten hochleitfähigen Elektrolyte Streuströme in den Zuleitungen bzw. Ableitungen entstehen können, die zur Korrosion der Elektroden und weiterer Systemkomponenten führen können. Hierbei ist insbesondere die Verwendung von Silber und/oder Iridiumdioxid als Elektrodenmaterial vorteilhaft. Die Steuerelektroden können beispielsweise als Rohrleitungsabschnitte ausgebildet sein, wobei über die Leitungsgeometrie der elektrische Widerstand und damit die Größe der Streuströme kontrollierbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem für die CO2-Elektrolyse.
  • Stand der Technik
  • Im Zuge der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energiequellen wird mitunter vorgeschlagen, elektrische Überschussleistung aus fluktuierenden Energiequellen wie Wind, Sonne oder dergleichen möglichst sinnvoll und effizient zu nutzen. Ein hierzu verfolgter Ansatz besteht darin, kohlendioxidhaltige Abgase von industriellen Kraftwerksprozessen mit Hilfe von wässriger CO2-Elektrolyse in organische Wertstoffe umzuwandeln. Ein erster Schritt kann hierbei in der elektrochemischen Erzeugung von Kohlenmonoxid und/oder CO/H2-Gemischen bestehen, die in nachfolgenden, zumindest teilweise elektrisch getriebenen Prozessen zu vorzugsweise flüssigen Produkten weiterverarbeitet werden. Das klimaschädliche Kohlendioxid wird in diesem Ansatz gewissermaßen recycelt und zu einem Werkstoff wie beispielsweise einem Kraftstoff umgewandelt.
  • Ähnlich wie für die Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff können auch in diesem Fall zumindest grundsätzlich Elektrolyse-Stacks aus mehreren elektrisch und geometrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen gebildet werden, um eine vorgegebene Gesamtspannung einzustellen. Jede der Elektrolysezellen kann hierzu in der üblichen Weise mit Elektrolytkammern für die Durchleitung der verwendeten Elektrolyte ausgebildet werden, wobei jede Elektrolytkammer jeweils über Versorgungsleitungen, d.h. Zu- und Ableitungen, gespeist werden kann. Anders als beispielsweise bei der Elektrolyse von Wasser mit Hilfe von Polymer-Elektrolyt-Membran-Zellen, bei welcher typischerweise deionisiertes Wasser mit extrem geringer Leitfähigkeit verwendet wird, können im Falle der CO2-Elektrolyse aufgrund der hohen Leitfähigkeit der typischerweise vorgeschlagenen wässrigen Elektrolyte signifikante Streuströme in den Versorgungsleitungen entstehen. Die lokale Stromdichte dieser Streuströme kann hierbei an den Versorgungsleitungen im Bereich der Elektroden Größenordnungen erreichen, die zu einer beschleunigten Korrosion der Elektroden führen können. Darüber hinaus können diese Streuströme das elektrische Potenzial über einen Elektrolyse-Stack derart verändern, dass an außen liegenden und mit den Elektrolyten in Kontakt geratenden Bauteilen wie Pumpen, Filter etc. ebenfalls Streuströme aufgeprägt werden, die dort korrosionsauslösend wirken können.
  • Die Druckschriften DE 196 07 235 C1 und EP 0 656 074 B1 beschreiben Maßnahmen zur Verhinderung von Korrosion in elektrochemischen Zellen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen zur Begrenzung von potenziell korrosiv wirkenden Streuströmen in der wässrigen CO2-Elektrolyse zu finden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Elektrolysesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Demgemäß ist ein Elektrolysesystem zur CO2-Elektrolyse vorgesehen. Das Elektrolysesystem umfasst eine Vielzahl von Elektrolysezellen, die elektrisch seriell zu einem Elektrolyse-Stack hintereinander geschaltet sind; eine Elektrolytkonditionierungsanlage, welche dazu ausgebildet ist, Elektrolyte für die CO2-Elektrolyse bereitzustellen; einen Elektrolytverteiler, welcher dazu ausgebildet ist, die Elektrolysezellen mit den bereitgestellten Elektrolyten zu versorgen, wobei der Elektrolytverteiler für jeden Elektrolyt eine Zuleitung und eine Ableitung umfasst, an welche die Elektrolysezellen jeweils parallel angeschlossen sind; und Steuerelektroden zur Aufnahme von Streuströmen, wobei jeweils eine Steuerelektrode zwischen der Elektrolytkonditionierungsanlage und einer der Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolytverteilers angebracht ist.
  • Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, korrosiv wirkende Streuströme in Stacks für die wässrige CO2-Elektrolyse zu begrenzen, indem Steuerelektroden zwischen einem Elektrolytverteiler und einer Elektrolytkonditionierungsanlage angebracht werden, die die Anlagenkomponenten schützen. In der vorliegenden Erfindung wird bewusst auf die Verwendung eines monopolaren Stacks verzichtet, um die dort entstehenden sehr hohen elektrischen Ströme und somit signifikanten Investitionskosten bezüglich Stromquellen, Zellableitern etc. zu vermeiden. Vielmehr können auch Spannungen im hohen kW- oder MW-Bereich erreicht werden, indem die Zellen wie vorliegend elektrisch seriell zu einem, insbesondere bipolaren, Stack aufgebaut werden. Die hierbei auftretenden Streuströme können durch die Maßnahmen der Erfindung in erheblichem Maße unterdrückt werden. Zu diesem Zweck können sowohl das Material als auch die Geometrie der vorliegend bereitgestellten Steuerelektroden optimiert werden. Das Material der Steuerelektroden und deren Form sind so zu wählen, dass die Korrosionsrate niedrig bleibt und gegebenenfalls an die Elektrolyte abgegebene Korrosionsprodukte die elektrokatalytische Wirkung der Zellelektroden nicht beeinträchtigen. Ebenso können die Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolytverteilers sowohl innerhalb des Stacks als auch zwischen dem Stack und der Elektrolytkonditionierungsanlage so ausgelegt werden, dass der Einfluss der Streuströme an den Zellelektroden in Grenzen gehalten wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden als Elektrolytrohrleitungsabschnitte zur Verbindung des Elektrolytverteilers mit der Elektrolytkonditionierungsanlage ausgebildet sein. Die Steuerelektroden dienen somit gleichzeitig als Leitungskanäle für die Elektrolytverteilung. Anders formuliert dienen die Versorgungsleitungen der Elektrolytverteilung gewissermaßen als Elektroden für die Begrenzung der aus diesen Leitungen in die Elektrolytkonditionierungsanlage übertretenden Streuströme.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Elektrolytrohrleitungsabschnitte einen Leitungsdurchmesser aufweisen, der im Wesentlichen einem Leitungsdurchmesser der entsprechende Zuleitung oder Ableitung des Elektrolytverteilers entspricht. Die Steuerelektroden können derart beispielsweise als nahtlose Übergänge in den Versorgungsleitungen des Elektrolytverteilers gestaltet werden, wobei die Elektrodenflächen durch eine Innenwand des jeweiligen Rohrleitungsabschnitts gebildet werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Elektrolytrohrleitungsabschnitte eine Leitungslänge von zehn oder weniger Leitungsdurchmessern aufweisen. Die Steuerelektroden werden somit in kosteneffizienter Weise lediglich über einen räumlich deutlich begrenzten Bereich der Leitungen ausgebildet.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Elektrolytrohrleitungsabschnitte eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 10 mm aufweisen. Hierdurch werden mechanische Stabilität und Standzeit der Steuerelektroden bzw. Rohrleitungen auch im Falle eines schwachen korrosiven Angriffs gewährleistet.
  • Gemäß einer Weiterbildung können ein Stackanschlusswiderstand von dem Elektrolyse-Stack bis zu der Steuerelektrode und/oder ein Abzweigwiderstand von Abzweigleitungen der Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolytverteilers an die Elektrolysezellen derart gewählt sein, dass eine lokal auftretende Streustromdichte an Elektroden der Elektrolysezellen maximal halb so groß ist wie eine minimale Laststromdichte der Elektrolysezellen. Prinzipiell können diese elektrischen Widerstände entsprechend gewählt werden, dass die Streustromdichte lediglich einen kleineren Bruchteil der minimalen Laststromdichte erreicht oder sogar vernachlässigbar gegenüber dieser wird. Der elektrische Widerstand der Steuerelektrode bzw. der Leitungen kann insbesondere über die Geometrie dieser Komponenten konfiguriert werden. Beispielsweise können die Steuerelektroden als Rohrleitungsabschnitte ausgebildet sein. In diesem Fall können der Durchmesser und die Länge des jeweiligen Rohrleitungsabschnitts entsprechend optimiert werden. Entsprechend kann die Geometrie der Leitungen des Elektrolytverteilers ausgelegt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden Silber und/oder Iridiumdioxid aufweisen. Entsprechend können die Steuerelektroden Legierungen dieser Materialien aufweisen bzw. Materialkombinationen dieser Materialien. Je nachdem welches Elektrodenmaterial in den Zellen des Elektrolyse-Stacks verwendet wird, können unterschiedliche Materialen für die Steuerelektroden sinnvoll bzw. vorteilhaft sein. Werden beispielsweise Kathoden aus Ag und Anoden mit IrO2 Katalysator eingesetzt, so kann als bevorzugtes Katalysatormaterial für die Steuerelektroden entweder Ag (z.B. bei einseitiger Erdung des Stacks auf der negativen Seite) oder IrO2 (bei einseitiger Erdung des Stacks auf der positiven Seite) Verwendung finden.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden aus Silber gefertigt oder mit Iridiumdioxid beschichtet sein. Beispielsweise können die Steuerelektroden als Vollmaterial aus Ag und/oder einer Ag-Legierung gebildet werden. Alternativ können elektrokatalytische IrO2-Beschichtungen vorgesehen sein, z.B. auf einem Streckmetall aus Titan. Die Zuleitungen und Ableitungen des Elektrolytverteilers sollten darüber hinaus beispielsweise aus einem (nicht leitfähigen) Kunststoff oder dergleichen ausgebildet sein, d.h. insbesondere aus einem Material mit vernachlässigbarer elektrischer Leitfähigkeit.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Steuerelektroden geerdet sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann der Elektrolyse-Stack einseitig geerdet sein und von einer monopolaren Stromquelle versorgt werden. In dieser Weiterbildung ist das Elektrolysesystem somit technisch einfach und dennoch wirksam ausgelegt.
  • Die obigen 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 Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
    • 1 schematische Schnittansicht eines Elektrolysesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 schematische Schnittansichten einer Elektrolysezelle aus dem Elektrolysesystem aus 1;
    • 3 Ersatzschaltbild des Elektrolysesystems aus 1; und
    • 4 schematische Verläufe von Hilfsgrößen für die Berechnung einer optimierten Streustrombegrenzung in dem Elektrolysesystem aus 1.
  • Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten 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 gezeigt.
  • In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektrolysesystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Ersatzschaltbild des Elektrolysesystems in 3 dargestellt ist.
  • Das Elektrolysesystem 1 dient der CO2-Elektrolyse und umfasst eine Vielzahl von Elektrolysezellen 2, die elektrisch seriell zu einem Elektrolyse-Stack 3 hintereinander geschaltet sind. In 1 sind lediglich beispielhaft zwei Elektrolysezellen 2 aus einer Anzahl N Elektrolysezellen 2 herausgegriffen worden, wobei eine Vielzahl von Elektrolysezellen 2 vor bzw. nach diesen beiden Elektrolysezellen 2 sowohl in positiver als auch negativer Potenzialrichtung des Elektrolyse-Stacks 3 geschaltet sein können. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Elektrolysezellen 2 zwischen diesen beiden Elektrolysezellen 2 angeordnet sein (angedeutet durch Punkte in der Mitte von 1). Die Elektrolysezelle 2 links in 1 ist einem positiven Stack-Ende des Elektrolyse-Stacks 3 näher, während die Elektrolysezelle 2 rechts in 1 einem negativen Stack-Ende des Elektrolyse-Stacks 3 näher liegt. Die Elektrolysezellen 2 können in einer dem Fachmann bekannten Weise ausgebildet sein. Lediglich beispielhaft und in schematischer Weise beinhalten die Elektrolysezellen 2 in 1 jeweils zwei bipolare Platten 13 (eine positive und eine negative, die sie, sofern es sich nicht um ein Ende des Elektrolyse-Stacks 3 handelt, mit der jeweiligen Nachbarzelle gemeinsam haben), welche eine Anode 15a mit zugehöriger Anolyt-Kammer 14a, eine sich anschließende Membran 16 und eine entsprechend folgende Kathode 15b mit zugehöriger Katholyt-Kammer 14b abschließen. Beispielsweise kann die Kathode 15b als Ag-Elektrode ausgebildet sein. Die Anode 15a kann hingegen beispielsweise mit einem Ir02-Katalysator ausgebildet sein. Die bipolaren Platten 13 können beispielsweise Titan oder dergleichen aufweisen.
  • Das Elektrolysesystem 1 umfasst weiterhin eine Elektrolytkonditionierungsanlage 4 (lediglich in 3 dargestellt), welche dazu ausgebildet ist, Elektrolyte 5a, 5b für die CO2-Elektrolyse bereitzustellen. Die Elektrolytkonditionierungsanlage 4 kann beispielsweise Pumpen, Filter usw. beinhalten. Die Elektrolyte 5a, 5b werden über einen Elektrolytverteiler 6 von der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 an die Elektrolysezellen 2 zugeführt und wieder von diesen zurück an die Elektrolytkonditionierungsanlage 4 abgeführt (rechts unten und oben in 1). Der Elektrolytverteiler 6 weist für jeden Elektrolyt 5a, 5b eine Zuleitung 7a, 7b und eine Ableitung 8a, 8b auf, an welche die Elektrolysezellen 2 jeweils hintereinander (parallel) über entsprechende Abzweigleitungen 9 angeschlossen sind (der Übersicht halber lediglich beispielhaft links in 1 mit Bezugszeichen versehen). Somit umfasst der Elektrolytverteiler 6 eine Anolyt-Zuleitung 7a und eine Anolyt-Ableitung 8a sowie eine Katholyt-Zuleitung 7b und eine Katholyt-Ableitung 8b. Beispielsweise können Elektrolyte 5a, 5b wie Kaliumhydrogencarbonat oder Kaliumsulfat oder andere dem Fachmann aus der CO2-Elektrolyse bekannte Elektrolyte verwendet werden. Die Elektrolyte werden über die Zuleitungen 7a, 7b und davon abgehende Abzweigleitungen 9 an die Elektrolysezellen 2 zugeführt, wobei jeweils der Analyt 5a in die Anolyt-Kammeren 14a und der Katholyt 5b in die Katholyt-Kammern 14b gespült werden (unten in 1). Von dort werden der Anolyt 5a bzw. der Katholyt 5b wiederum über entsprechende Abzweigleitungen 9 in die zugehörigen Ableitungen 8a, 8b gespeist (oben in 1). Jede Elektrolysezelle 2 wandelt hierbei CO2 in CO2 + CO + H2 um, d.h. Kohlenstoffdioxid in Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Diese Gase bzw. Gasgemische können in nachfolgenden Prozessen zu flüssigen Produkten wie Treibstoffe, Kraftstoffe oder Alkohole usw. weiterverarbeitet werden.
  • Wie Zellstacks für die Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von H2 und O2 ist auch der vorliegende Elektrolyse-Stack 3 für die CO2-Elektrolyse elektrisch seriell verschaltet, sodass sich für den Stack 3 aus N Elektrolysezellen 2 ein N-faches der Zellspannung UZ einer einzelnen Elektrolysezelle 2 ergibt (vgl. 3). Wie in 3 zu sehen ist, ist der vorliegende Elektrolyse-Stack 3 einseitig geerdet, wobei auch die Elektrolytkonditionierungsanlage 4 mit Erde verbunden ist. 3 zeigt hierbei konkret lediglich das Ersatzschaltbild für die Anolyt-Zuleitung 7a. Entsprechend wird der Elektrolyse-Stack 3 von einer monopolaren Stromquelle versorgt (nicht abgebildet).
  • Die Elektrolytkammern 14a, 14b jeder Elektrolysezelle 2 sind seitens ihrer Elektrolytversorgung parallel geschaltet (siehe 1). Aufgrund einer Kurzschlusswirkung des endlichen Elektrolytwiderstandes in den Zuleitungen 7a, 7b und Ableitungen 8a, 8b entstehen in allen diesen Leitungen Streuströme 19. Ebenso entstehen Streuströme 19a in den Abzweigleitungen 9. Alle diese Streuströme 19, 19a fließen stets in eine negative Potenzialrichtung entlang der Leitungen (angedeutet durch Pfeile in 1). Dadurch wird z.B. an einer Anode 15a auf der positiven Stackseite eine lokale Laststromdichte iE eines Laststroms IE , 20 um eine Streustromdichte iS des Streustroms in den Abzweigleitungen IS , 19a verringert und auf der negativen Stackseite entsprechend um eine Streustromdichte iS des Streustroms IS , 19a erhöht (vgl. entsprechende Pfeile an den Abzweigleitungen 9 in die Elektrolysezellen 2 hinein bzw. hinaus). Die lokale Stromdichte kann deshalb in der Nähe der Zuleitungen 7a, 7b bzw. Ableitungen 8a, 8b Werte erreichen, die zur Korrosion der Elektroden führen können. Weiterhin stellt sich im Elektrolytverteiler 6 ein Potenzial ein, das sich von den Elektroden an den Stack-Enden unterscheidet, wodurch der den Elektrolyse-Stack 3 verlassende Elektrolyt 5a, 5b ein anderes Potenzial als die auf Erdpotential liegende Elektrolytkonditionierungsanlage 4 erhält. Dadurch werden elektrisch leitenden Komponenten der Elektrolytkonditionierungsanlage 4, die mit dem Elektrolyt 5a, 5b in Kontakt kommen, ebenfalls Streuströme 19 aufgeprägt, die dort korrosionsauslösend wirken können.
  • Zur Begrenzung dieser Streuströme 19 umfasst das Elektrolysesystem 1 Steuerelektroden 10 zur Aufnahme der Streuströme 19. Hierbei ist jeweils eine Steuerelektrode 10 zwischen der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 und einer der Zuleitungen 7a, 7b und Ableitungen 8a, 8b es Elektrolytverteilers 6 angebracht und/oder eingebaut. 3 zeigt hierzu beispielhaft eine Steuerelektrode 10, die außerhalb des Elektrolyse-Stacks 3 jenseits einer Stack-Grenze 11 der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 vorgeschaltet und geerdet ist. Dabei besitzt die Elektrolytleitung zwischen der Stack-Grenze 11 und der Steuerelektrode 10 einen Stackanschlusswiderstand RP (Die Steuerelektrode selbst hat auch einen Widerstand, den man als Steuerelektrodenwiderstand bezeichnet und der den Übergang des Stromes vom elektronischen (Zuführungsdraht) in den ionischen (Elektrolyt) Leitungsweg charakterisiert, dessen Größe aber vernachlässigt werden kann, sofern die Elektrodenfläche groß genug ist, was durch die gewählten Dimensionen sichergestellt werden kann). Mit Bezug auf 2 und 4 wird im Folgenden ausführlich erläutert, wie die Steuerelektroden 10 und/oder die Zuleitungen 7a, 7b und Ableitungen 8a, 8b für eine wirksame Begrenzung der Streuströme 19 konfiguriert werden können.
  • 2 zeigt hierzu schematische Schnittansichten einer Elektrolysezelle 2 aus dem Elektrolysesystem 1 aus 1, links eine Übersichtsdarstellung, mittig einen Detailausschnitt der Darstellung links und ganz rechts eine Schnittansicht in eine Richtung senkrecht zu den ersten beiden Darstellungen.
  • Konkret zeigt 2 den Eintrittsbereich einer Anolyt-Kammer 14a der Elektrolysezelle 2. Die Streuströme 19a treffen von dem Elektrolytverteiler 6 über die Anolyt-Zuleitung 7a bzw. Anolyt-Ableitung 8a kommend über einen zellinternen Verteilerkanal 22 in Elektrolytkanäle 18 einer Kammstruktur 17 und anschließend auf eine Elektrodenkante 21 der Anode 15a und belasten eine Elektrodenfläche dahinter bis zu einer Tiefe D4, die mit einer Kammerhöhe D3 der Anolyt-Kammer 14a vergleichbar ist. Die Elektrolytkanäle 18 sind mit einem Abstand D1 voneinander beabstandet angeordnet, wobei die Elektrodenkante 21 einen Abstand D2 von den Elektrolytkanälen 18 aufweist. Sei ISn der Streustrom in Abzweigleitung 9 und L die Elektrodenkantelänge der Anode 15a, so ergibt sich eine Streustromdichte zu iSn = ISn / (L D3). Dabei wird vorausgesetzt, dass die Elektrolyteinspeisung in die Elektrolysezelle 2 durch Verteilerstrukturen, wie z.B. die in 2 gezeigten Elektrolytkanäle 18 erfolgt, die einen viel höheren Widerstand besitzen als der zellinterner Verteilerkanal 22 längs einer Zellkante der Elektrolysezelle 2, aus dem sie gespeist werden, sodass die Streuströme 19 in den einzelnen Elektrolytkanälen 18 etwa gleich groß sind. Ebenso ist in 2 D1 ≤ D2, sodass die Elektrodenkante 21 zwischen den Öffnungen der Elektrolytkanäle 18 gleichmäßig belastet wird. Weiter wird vorausgesetzt, dass die Oberflächen metallischer Strukturen, wie beispielsweise von bipolaren Platten, durch den Kontakt mit der Anode 15a (oder allgemein der Elektroden) vor Korrosion geschützt sind, da Spannungsabfälle innerhalb der Anolyt-Kammer 14a gering sind. Sofern für die Streustromdichte iSn und eine Laststromdichte iE in der Elektrolysezelle 2 Folgendes gilt: | i S n | = | I S n | L D 3 < < | i E | ,
    Figure DE102018206396A1_0001
    ändert sich eine effektive Gesamtstromdichte durch die Streustromdichte iSn an der Elektrodenkante 21 nicht wesentlich. Leitungswiderstände RS der Anolyt-Zuleitung 7a und Anolyt-Ableitung 8a sind demnach entsprechend auszulegen.
  • Hierzu ist in 3 das Ersatzschaltbild für das Beispiel der Anolyt-Zuleitung 7a im Elektrolyse-Stack 3 gezeichnet, wobei angenommen wird, dass der Elektrolyse-Stack 3 auf der negativen Seite geerdet ist (um eine teure bipolare Stromversorgung zu vermeiden). Das elektrische Ersatzschaltbild der Anolyt-Ableitung 8a sieht entsprechend aus, dasjenige der beiden Katholytleitungen 7b, 8b unterscheidet sich davon dahingehend, dass der Leitungswiderstand RS am positiven Ende entfällt und stattdessen am negativen Ende hinzugefügt wird. Der Widerstand des Elektrolytverteilers 6 ist in 3 vernachlässigt, wie es sich aufgrund einer erforderlichen, gleichmäßigen Elektrolytflussverteilung längs der Elektrode aus hydrodynamischen Gründen ergibt.
  • Die Verbindung zwischen dem Elektrolytverteiler 6 des Elektrolyt-Stacks 3 und der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 hat den Stackanschlusswiderstand RP . Der aus den Streuströmen 19 resultierende Strom würde über diesen Widerstand zu der ersten elektronisch leitenden und geerdeten Fläche der Elektrolytkonditionierungsanlage 4 fließen, die sich in Kontakt mit dem Elektrolyten 5a befindet. Um an dieser Stelle Korrosion zu verhindern, ist vor Eintritt in die Elektrolytkonditionierungsanlage 4 eine geerdete Steuerelektrode 10 angebracht, die die nachfolgenden Komponenten schützt.
  • Zur Berechnung der Größe der Streuströme 19a und 19 ergibt sich aus 3 das Gleichungssystem n = 1 N : I S n = 1 R S ( n U Z U V ) I P = n = 1 N I S n I P = U V R P
    Figure DE102018206396A1_0002
    mit der Lösung (a ist eine Hilfsgröße) a : = R S N R P U V = U Z ( N + 1 ) 2 ( a + 1 ) U Z N 2 ( a + 1 ) I P = U Z ( N + 1 ) 2 R P ( a + 1 ) U Z N 2 R P ( a + 1 ) I S n = U Z R S ( n N + 1 2 ( a + 1 ) ) U Z R S ( n N 2 ( a + 1 ) ) ,
    Figure DE102018206396A1_0003
    wobei sich die Näherungen auf den für die Anwendung wesentlichen Fall N >> 1 beziehen.
  • Um die entsprechenden Formeln für die Kathodenseite zu erhalten, ist in dem Gleichungssystem (2) lediglich die Indizierung bzw. Summation abzuändern auf n = 0 ... N - 1. Daraus folgt, dass für N >> 1 der Unterschied zwischen den Streuströmen 19 aus den Zuleitungen 7a, 7b bzw. Ableitungen 8a, 8b von Anode 15a und Kathode 15b vernachlässigbar wird. Der wesentliche Unterschied zwischen Anoden- und Kathodenseite hinsichtlich der effektiven Stromdichte am Elektrodenrand bleibt von der Näherung N >> 1 unberührt: Für die Anode 15a addieren sich auf der positiven Stackseite Laststromdichten iE und Streustromdichten iSn , während sie sich für die Kathode 15b subtrahieren. In letzterem Fall kann dies bis zur Stromdichteumkehr bei geringem Laststrom und damit zu Korrosion führen. Aus diesem Grund genügt es, für Anode 15a oder Kathode 15b Extremwerte der Streustromdichte iSn mit der minimalen Laststromdichte iE zu vergleichen, um die streustrombegrenzenden Widerstände RS und RP auszulegen.
  • Um den Streustrom 19a auf die Anode 15a betragsmäßig klein zu halten, genügt es, wenn die Extremwerte ISN und IS1 diese Bedingung erfüllen. Für diese erhält man zunächst: I S N = U Z N R S y ( a ) y ( a ) : = 2 a + 1 2 a + 2 I S 1 = I S N z ( a ) z ( a ) : = 2 N ( a + 1 ) 1 2 a + 1 .
    Figure DE102018206396A1_0004
  • Die Hilfsgrößen y(a) und z(a) sind in 4 dargestellt, wobei die Fälle N = 10 (z1) und N = 100 (z2) berücksichtigt wurden, was alle realistischen Stack-Größen abdeckt. Offensichtlich bleibt y stets zwischen 0.5 und 1 und z bleibt zwischen -1 und 0.1. Folglich gilt: | I S n | U Z N R S .
    Figure DE102018206396A1_0005
  • Die Streustromdichte iSn ist somit gegenüber der Lastromdichte iE bereits dann als klein zu bezeichnen, wenn nach Gleichung (1) erfüllt ist: U Z N R S L D 3 < < | i E | .
    Figure DE102018206396A1_0006
  • Für einen Elektrolyse-Stack 3 aus N = 20 Zellebenen mit 30 cm langen Elektrodenkanten 21 (L) und 0.2 cm dicken Elektrolytkammern (D3) ergibt sich bei Betrieb der Elektrolyse-Zellen 2 mit der kritischsten, also kleinsten Laststromdichte iE von z.B. 0.1 A/cm2 bei 3.5 V: R S > > U Z N | i E | L D 3 = 117   Ω .
    Figure DE102018206396A1_0007
  • Mit RS = 200 Ω würde die Streustromdichte iSn am Elektrodenrand 21 etwa halb so groß sein wie die kleinste Laststromdichte iE , was als ausreichende Vorsichtsmaßnahme gegen eine Stromumkehr betrachet werden kann (diese Umkehr tritt auf der positiven Stackseite lediglich an der Kathode 15b auf, wobei diese Unterscheidung für die Herleitung des Widerstands RS für N >> 1 nicht notwendig ist).
  • Der Stackanschlusswiderstand RP der Elektrolytzuleitung zum Elektrolyse-Stack 3 ergibt sich, wenn man für den Strom auf die Erdungselektrode IP = 0.2 A fordert. Ein solcher Strom ist mit leicht integrierbaren Elektrodenflächen von ca. 10 cm2 ohne weiteres realisierbar. Aus der ersten und dritten Zeile von Gleichung (3) ergibt sich: R P = U Z N 2 I P R S N ,
    Figure DE102018206396A1_0008
    was auf RP =169 Ω führt.
  • Die Leitungswiderstände RP und RS werden über die Beziehung Rk = Lk / (σ Ak) mit k = P, S bei gegebener Elektrolytleitfähigkeit σ durch eine geeignete Wahl der Leitungslängen Lk und Querschnittsflächen Ak unter Berücksichtigung hydrodynamischer Vorgaben (Elektrolyt-Volumenfluss, Druckabfall) und Raumbedarfsbeschränkungen eingestellt.
  • Das Material der Steuerelektroden 10 und deren Form können derart gewählt werden, dass eine Korrosionsrate niedrig gehalten wird und gegebenenfalls an den bzw. die Elektrolyten abgegebene Korrosionsprodukte die elektrokatalytische Wirkung der Zellelektroden nicht kompromittieren.
  • Werden in dem Elektrolyse-Stack 3 beispielsweise Kathoden 15b aus Ag und Anoden 15a mit IrO2 Katalysator eingesetzt, dann ist bei Erdung auf der negativen Seite Ag und bei Erdung auf der positiven Seite IrO2 ein bevorzugtes Katalysatormaterial für die Steuerelektroden 10. Elektrodenflächen der Steuerelektroden 10 werden beispielsweise als Rohrleitungsabschnitte mit einem Zuleitungsdurchmesser und einer Länge von höchstens einigen Leitungsdurchmessern ausgelegt. Eine Wandstärke der Rohrleitungsabschnitte kann dabei 0.1 mm bis einige mm betragen, wodurch mechanische Stabilität und Standzeit auch im Fall eines schwachen korrosiven Angriffs gewährleistet sind. Elektroden aus Ag können als Vollmaterial ausgebildet werden. Im Falle der Verwendung von IrO2 kann dieses als elektrokatalytische Beschichtung aufgebracht werden.
  • In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
  • Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Elektrolysesystem
    2
    Elektrolysezelle
    3
    Elektrolyse-Stack
    4
    Elektrolytkonditionierungsanlage
    5a
    Anolyt
    5b
    Katholyt
    6
    Elektrolytverteiler
    7a
    Anolyt-Zuleitung
    7b
    Katholyt-Zuleitung
    8a
    Anolyt-Ableitung
    8b
    Katholyt-Ableitung
    9
    Abzweigleitung
    10
    Steuerelektrode
    11
    Stack-Grenze
    12
    Erdung
    13
    Bipolare Platte
    14a
    Anolyt-Kammer
    14b
    Katholyt-Kammer
    15a
    Anode
    15b
    Kathode
    16
    Membran
    17
    Kammstruktur
    18
    Elektrolytkanal
    19
    Streustrom in Zu-/Ableitungen
    19a
    Streustrom in Abzweigleitung
    20
    Laststrom (zellinterner Anteil)
    21
    Elektrodenkante
    22
    zellinterner Verteilerkanal
    IS, ISn
    Streustrom (in Abzweigleitung)
    iS, iSn
    Streustromdichte (am Elektrodenrand)
    IE
    Laststrom (zellinterner Anteil)
    iE
    Laststromdichte
    IP
    Steuerelektrodenstrom
    UZ
    Zellspannung
    RP
    Stackanschlusswiderstand
    RS
    Abzweigwiderstand
    N
    Anzahl Zellen
    L
    Elektrodenkantenlänge
    D1
    Abstand Elektrolytkanäle
    D2
    Abstand Elektrodenkante zu Elektrolytkanäle
    D3
    Kammerhöhe
    D4
    Tiefe des streustrombelasteten Bereichs
    y
    Hilfsgröße
    z1
    Hilfsgröße
    z2
    Hilfsgröße
    a
    Hilfsgröße
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19607235 C1 [0004]
    • EP 0656074 B1 [0004]

Claims (10)

  1. Elektrolysesystem (1) zur CO2-Elektrolyse, mit: einer Vielzahl von Elektrolysezellen (2), die elektrisch seriell zu einem Elektrolyse-Stack (3) hintereinander geschaltet sind; einer Elektrolytkonditionierungsanlage (4), welche dazu ausgebildet ist, Elektrolyte (5a, 5b) für die CO2-Elektrolyse bereitzustellen; einem Elektrolytverteiler (6), welcher dazu ausgebildet ist, die Elektrolysezellen (2) mit den bereitgestellten Elektrolyten (5a, 5b) zu versorgen, wobei der Elektrolytverteiler (6) für jeden Elektrolyt (5a, 5b) eine Zuleitung (7a, 7b) und eine Ableitung (8a, 8b) umfasst, an welche die Elektrolysezellen (2) jeweils parallel angeschlossen sind; und Steuerelektroden (10) zur Aufnahme von Streuströmen (19), wobei jeweils eine Steuerelektrode (10) zwischen der Elektrolytkonditionierungsanlage (4) und einer der Zuleitungen (7a 7b) und Ableitungen (8a, 8b) des Elektrolytverteilers (6) angebracht ist.
  2. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerelektroden (10) als Elektrolytrohrleitungsabschnitte zur Verbindung des Elektrolytverteilers (6) mit der Elektrolytkonditionierungsanlage (4) ausgebildet sind.
  3. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 2, wobei die Elektrolytrohrleitungsabschnitte einen Leitungsdurchmesser aufweisen, der im Wesentlichen einem Leitungsdurchmesser der entsprechenden Zuleitung (7a, 7b) oder Ableitung (8a, 8b) des Elektrolytverteilers (6) entspricht.
  4. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Elektrolytrohrleitungsabschnitte eine Leitungslänge von zehn oder weniger Leitungsdurchmessern aufweisen.
  5. Elektrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Elektrolytrohrleitungsabschnitte eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 10 mm aufweisen.
  6. Elektrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Stackanschlusswiderstand (RP) von dem Elektrolyse-Stack (3) bis zu der Steuerelektrode (10) und/oder ein Abzweigwiderstand (RS) von Abzweigleitungen (9) der Zuleitungen (7a, 7b) und Ableitungen (8a, 8b) des Elektrolytverteilers (6) an die Elektrolysezellen (2) derart gewählt sind, dass eine lokal auftretende Streustromdichte (isn) an Elektroden (15a, 15b) der Elektrolysezellen (2) maximal halb so groß ist wie eine minimale Laststromdichte (iE) der Elektrolysezellen (2).
  7. Elektrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerelektroden (10) Silber und/oder Iridiumdioxid aufweisen.
  8. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 7, wobei die Steuerelektroden (10) aus Silber gefertigt oder mit Iridiumdioxid beschichtet sind.
  9. Elektrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerelektroden (10) geerdet sind.
  10. Elektrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Elektrolyse-Stack (3) einseitig geerdet ist und von einer monopolaren Stromquelle versorgt wird.
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