DE102018210303A1 - Low temperature electrochemical reverse water gas shift reaction - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Umsetzung eines Gases umfassend COsowie eine Vorrichtung zur elektrochemischen Umsetzung eines Gases umfassend CO, wobei an einer Kathode einer Elektrolysezelle, welche ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, ein Gas umfassend COumgesetzt wird, bevorzugt zu einem Produktgas umfassend CO, und wobei an einer Anode der Elektrolysezelle ein Gas umfassend Hzu einem Produkt umfassend Protonen umgesetzt wird.The present invention relates to a method for the electrochemical conversion of a gas comprising CO and a device for the electrochemical conversion of a gas comprising CO, on a cathode of an electrolysis cell which comprises a metal which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, a gas comprising CO is converted, preferably to a product gas comprising CO, and wherein a gas comprising H is converted to a product comprising protons at an anode of the electrolytic cell.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Umsetzung eines Gases umfassend CO2 sowie eine Vorrichtung zur elektrochemischen Umsetzung eines Gases umfassend CO2.The present invention relates to a method for the electrochemical conversion of a gas comprising CO 2 and a device for the electrochemical conversion of a gas comprising CO 2 .
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 around 80% of the world's energy needs. In 2011, around 34,032.7 million tons of carbon dioxide (CO 2 ) were emitted into the atmosphere as a result of these combustion processes. This release is the easiest way to dispose of large amounts of CO 2 (lignite-fired power plants over 50,000 tonnes 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 the consideration of a recycling of CO 2 . From a thermodynamic point of view, CO 2 is very low and can therefore only be reduced to usable products with difficulty.
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 CO2s 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 to carbohydrates by photosynthesis. This process, which is divided into many sub-steps in terms of time and at the molecular level, is very difficult to copy on an industrial scale. The electrochemical reduction of CO 2 s is currently the more efficient way compared to pure photocatalysis. A mixed form is light-assisted electrolysis or electrically assisted photocatalysis. Both terms are to be used synonymously, depending on the perspective of the viewer.
Wie bei der Photosynthese wird bei diesem Prozess unter Zufuhr von elektrischer Energie (ggf. photounterstützt), welche bevorzugt aus regenerativen Energiequellen wie Wind oder Sonne gewonnen wird, 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/oder kräftigem Wind. Dies wird sich mit dem weiteren Ausbau von Einrichtungen zur Erzeugung erneuerbarer Energie jedoch in naher Zukunft weiter verstärken.As with photosynthesis, this process transforms CO 2 into an energetically higher-quality product (such as CO, CH 4 , C 2 H 4 ) by supplying electrical energy (possibly photo-supported), which is preferably obtained from renewable energy sources such as wind or sun. etc.) converted. The amount of energy required for this reduction ideally corresponds to the combustion energy of the fuel and should only come from renewable sources. However, an overproduction of renewable energies is not continuously available, but currently only at times with strong sunshine and / or strong winds. However, this will intensify with the further expansion of facilities for the generation of renewable energy in the near future.
Derzeit werden einige mögliche Wege zur Herstellung von Energieträgern und/oder chemischen Grundstoffen auf Basis regenerativer Energien diskutiert. Als besonders erstrebenswert gilt die direkte elektrochemische oder photochemische Umsetzung von CO2 in Kohlenwasserstoffe und/oder deren Sauerstoff-Derivate.Some possible ways of producing energy sources and / or chemical raw materials based on renewable energies are currently being discussed. The direct electrochemical or photochemical conversion of CO 2 into hydrocarbons and / or their oxygen derivatives is particularly desirable.
Derzeit sind aber keine industrietauglichen Katalysatoren für diese direkten Routen verfügbar. Es sind daher auch mehrstufige Routen in der Diskussion, die durch einen höheren technischen Reifegrad der Einzelschritte eine zeitnahe Lösung in Aussicht stellen.However, no industrial-grade catalysts are currently available for these direct routes. Multi-stage routes are therefore also under discussion, which promise a timely solution due to the higher degree of technical maturity of the individual steps.
Das wichtigste Intermediat in diesen mehrstufigen Wertschöpfungsketten ist dabei CO. Es wird gemeinhin als wichtigster C1 Baustein der synthetischen Chemie betrachtet. Im Synthesegas-Gemisch (H2/CO >2/1) mit Wasserstoff kann es beispielsweise über den Fischer-Tropsch-Prozess zum Aufbau von Kohlenwasserstoffen verwendet und/oder zur Methanol-Synthese verwendet werden. CO-reichere Gasgemische oder reines CO können außerdem für Carbonylierungsreaktionen wie eine Hydroformylierung oder zur Carbonsäure-Synthese (Carbonylierung von Alkoholen) verwendet werden, bei denen die primäre Kohlenstoffkette verlängert wird.The most important intermediate in these multi-level value chains is CO. It is generally considered the most important C1 building block in synthetic chemistry. In the synthesis gas mixture (H 2 / CO> 2/1) with hydrogen, it can be used, for example, via the Fischer-Tropsch process to build up hydrocarbons and / or for methanol synthesis. CO-rich gas mixtures or pure CO can also be used for carbonylation reactions such as hydroformylation or for carboxylic acid synthesis (carbonylation of alcohols) in which the primary carbon chain is extended.
Effiziente Möglichkeiten, CO aus CO2 unter Einbeziehung regenerativer Energiequellen zu erzeugen, eröffnen also eine Vielzahl von Möglichkeiten, fossile Rohstoffe als Kohlenstoffquelle in vielen chemischen Produkten teilweise oder vollständig zu ersetzen.Efficient ways of generating CO from CO 2 using renewable energy sources open up a multitude of possibilities to partially or completely replace fossil raw materials as a carbon source in many chemical products.
Beispielsweise ist darüber hinaus die Verwendung von H2 Verzehranoden in Kombination mit elektrochemischer CO2 Reduktion bei niedrigen Temperaturen für die Formiat-Synthese in Sen et al. MRS Advances 2016, 2 (8) S. 451-458 offenbart.For example, the use of H 2 consumable anodes in combination with electrochemical CO 2 reduction at low temperatures for formate synthesis is described in Sen et al. MRS Advances 2016, 2 (8) pp. 451-458.
Derzeit sind für die nachhaltige Erzeugung von CO aus CO2 drei Routen in der Diskussion.There are currently three routes under discussion for the sustainable production of CO from CO 2 .
CO2-Elektrolyse:CO 2 electrolysis:
Eine erste Route ist die elektrochemische Zerlegung von CO2 in CO und O2. Der Vorteil der Methode liegt darin, dass es sich um ein einstufiges Verfahren handelt. Zudem sind keine hohen Temperaturen oder Überdruck erforderlich. Ein Nachteil ist allerdings, dass es sich um ein relativ komplexes Elektrolyseverfahren handelt, da ein gasförmiges Substrat zugeführt werden muss. Weiterhin kann das Substrat CO2 mit den in der Elektrolyse erzeugten ionischen Ladungsträgern (z.B. OH- mit CO2 zu CO3 2- oder HCO3 -) reagieren, und kann dann umgesetzt in den verwendeten Elektrolyten gebunden werden.
Während des Prozesses können diese Carbonate als Folge der Protonen-Erzeugung, z.B. an der Anode, wieder zerlegt werden.
Je nach Aufbau der Zelle kann diese Freisetzung z.B. im Elektrolyten, einer Membran-Kontaktfläche (DE102017208610.6, DE102017211930.6) oder - falls keine Maßnahmen unternommen werden, dies zu vermeiden - direkt an der Anode erfolgen. In den ersten beiden Fällen kommt es zur Freisetzung von Gasblasen im ionischen Strompfad, was bei ungünstiger Ausführung der Zellgeometrie zu erhöhten Zellespannungen und damit zu Einbußen in der Energieeffizienz führen kann. Entsprechende Lösungen, um dies zu umgehen, sind beispielsweise in der DE102017223521.7 beschrieben.Depending on the structure of the cell, this release can e.g. in the electrolyte, a membrane contact surface (DE102017208610.6, DE102017211930.6) or - if no measures are taken to avoid this - take place directly on the anode. In the first two cases, gas bubbles are released in the ionic current path, which can lead to increased cell voltages if the cell geometry is unfavorable and thus to a loss in energy efficiency. Appropriate solutions to circumvent this are described, for example, in DE102017223521.7.
Werden keine Maßnahmen zur Regelung des Ladungsaustausches zwischen den Elektroden unternommen, erfolgt dieser vor Allem durch Hydrogencarbonat- und/oder Carbonat-Ionen. In diesem Fall wird an der Anode ein Gemisch aus CO2 und O2 gebildet. Derzeit gibt es jedoch keine Nutzungsmöglichkeiten für solche Gemische, und eine Auftrennung wäre sehr kostspielig, da aus Sicherheitsgründen klassische CO2 Abtrennungs-Verfahren wie Amin- oder Methanolwäschen nicht angewendet werden können, da sich explosive Gasgemische von organischen Stoffen mit O2 bilden können.If no measures are taken to regulate the charge exchange between the electrodes, this is done primarily by hydrogen carbonate and / or carbonate ions. In this case, a mixture of CO 2 and O 2 is formed on the anode. However, there are currently no possible uses for such mixtures, and separation would be very costly because, for safety reasons, classic CO 2 separation processes such as amine or methanol washing cannot be used, since explosive gas mixtures of organic substances with O 2 can form.
Ein weiteres Problem ist, dass die CO2-Electrolyse nicht ohne weiteres im stark Basischen durchgeführt werden kann, da das CO2 sonst mit dem Elektrolyten zu Carbonaten abreagieren würde und sich die thermodynamisch gegebenen Puffergleichgewichte (CO2/HCO3 -/CO3 2-) einstellen können. Daher kommt als Anodenkatalysator üblicherweise nur das kostspielige und schlecht verfügbare IrO2 in Frage, da sonst übliche Oxidations-Katalysatoren, z.B. auf NiOx-Basis, nur in stark basischen Medien stabil sind. Die Anwendung Ir-freier Katalysatoren ist in der CO2 Elektrolyse nur anwendbar, wenn sie mit einer Elektrodialyse, beispielsweise bei Verwendung einer Bipolarmembran, gekoppelt wird, die einen hohen pH-Wert an der Anode aufrechterhalten kann, wie es z.B. in DE102017208610.6, DE102017211930.6 und DE102017223521.7 beschrieben ist. Another problem is that CO 2 electrolysis cannot easily be carried out in strongly basic form, since the CO 2 would otherwise react with the electrolyte to carbonates and the thermodynamically given buffer equilibria (CO 2 / HCO 3 - / CO 3 2 - ) can adjust. Therefore, only the expensive and poorly available IrO 2 can be used as the anode catalyst, since otherwise conventional oxidation catalysts, for example based on NiO x , are only stable in strongly basic media. The use of Ir-free catalysts can only be used in CO 2 electrolysis if it is coupled to an electrodialysis, for example when using a bipolar membrane, which can maintain a high pH at the anode, as described, for example, in DE102017208610.6. DE102017211930.6 and DE102017223521.7 is described.
H2O-Elektrolyse + umgekehrte bzw. reverse Wassergas-Shift-Reaktion (reverse watergas shift reaction; rWGS):
- Die zweite Option für die nachhaltige Erzeugung von CO aus CO2 ist die thermische Reduktion von CO2 mit H2, genannt die „Reverse Wassergas-Shift-Reaktion“.
- The second option for the sustainable production of CO from CO 2 is the thermal reduction of CO 2 with H 2 , called the “reverse water gas shift reaction”.
Dieser Prozess umfasst zunächst die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Wasserspaltung. Anders als bei der CO2-Elektrolyse wird hierbei das umgebende Medium der Elektroden zersetzt, was wesentlich einfachere und effizientere Zellaufbauten ermöglicht. Zudem kann die Elektrolyse in stark basischen Medien durchgeführt werden, was den Einsatz beispielsweise der günstigeren, verfügbareren und aktiveren Nickel-Katalysatoren an der Anode ermöglicht. Dieser Wasserstoff wird anschließen in einem thermischen Verfahren, der reversen Wassergas-Shift Reaktion (rWGS), mit CO2 zu CO und H2O umgesetzt.This process initially involves the electrolytic generation of hydrogen by electrochemical water splitting. In contrast to CO 2 electrolysis, the surrounding medium of the electrodes is decomposed, which enables much simpler and more efficient cell structures. In addition, the electrolysis can be carried out in strongly basic media, which makes it possible, for example, to use the cheaper, more available and more active nickel catalysts at the anode. This hydrogen is then converted in a thermal process, the reverse water gas shift reaction (rWGS), with CO 2 to CO and H 2 O.
Der Prozess ist hierbei stark von der Haber-Bosch-Synthese von Ammoniak inspiriert.The process is strongly inspired by the Haber-Bosch synthesis of ammonia.
Ammoniak Synthese:
rWGS:
Unglückerweise ist die rWGS allerdings nicht etwa wie die Ammoniak-Synthese exotherm, sondern leicht endotherm. Die Reaktion läuft daher nicht nach Zufuhr ausreichender Aktivierungsenergie von allein ab, sondern das chemische Gleichgewicht muss durch Zufuhr thermischer Energie auf die Produktseite verschoben werden. Hierdurch sind sehr hohe Reaktortemperaturen erforderlich. Da es sich hierbei nicht um ein kinetisches, sondern ein thermodynamisches Problem handelt, können die erforderlichen Temperaturen auch nicht durch geeignete Katalysatoren reduziert werden.Unfortunately, the rWGS is not exothermic like ammonia synthesis, but slightly endothermic. The reaction therefore does not proceed automatically after sufficient activation energy has been supplied, but the chemical equilibrium has to be shifted to the product side by supplying thermal energy. This means that very high reactor temperatures are required. Since this is not a kinetic but a thermodynamic problem, the required temperatures cannot be reduced by suitable catalysts.
Für ein CO2/H2 1:1 Feed-Gemisch werden bei ca. 1000K gerade einmal 50% Umsatz erreicht. Um bei niederen Temperaturen annehmbare CO2-Umsätze zu erreichen, wird daher üblicherweise mit hohem Wasserstoffüberschuss gearbeitet.For a CO 2 / H 2 1: 1 feed mixture, just 50% conversion is achieved at approx. 1000K. In order to achieve acceptable CO 2 conversions at low temperatures, a high excess of hydrogen is therefore usually used.
Eine Anwendung des Verfahrens ist daher nur zur Erzeugung von sehr wasserstoffreichen Synthesegasgemischen denkbar. Die endotherme Natur der rWGS bewirkt allerdings auch, dass beim Abkühlen des Produktgasgemisches die Rückreaktion einsetzt. Das Produktgas-Gemisch muss daher abgeschreckt werden, was Wärme-Integration deutlich erschwert. Eine beispielhafte rWGS ist in „TOWARD EFFICIENT REDUCTION OF CO2 TO CO FOR RENEWABLE FUELS“, F. David Doty, PhD, Glenn N Doty, John P Staab, und Laura L Holte, PhD, Proceedings of ES2010; Energy Sustainability 2010; May 17-22, 2010, Phoenix, AZ USA; ES2010-90362) beschrieben.The method can therefore only be used to produce very hydrogen-rich synthesis gas mixtures. However, the endothermic nature of the rWGS also means that the back reaction starts when the product gas mixture cools down. The product gas mixture must therefore be quenched, which makes heat integration significantly more difficult. An exemplary rWGS is in "TOWARD EFFICIENT REDUCTION OF CO2 TO CO FOR RENEWABLE FUELS", F. David Doty, PhD, Glenn N Doty, John P Staab, and Laura L Holte, PhD, Proceedings of ES2010; Energy Sustainability 2010; May 17-22, 2010, Phoenix, AZ USA; ES2010-90362).
Hochtemperatur H2O/CO2 Co-Elektrolyse: High temperature H 2 O / CO 2 co-electrolysis:
Die dritte Möglichkeit ist die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse von Wasserdampf und CO2. Dabei wird an einer Kathode Wasserdampf zu H2 reduziert. Die dabei gebildeten O2- Ionen werden durch eine keramische Oxidleiter-Membran abtransportiert und an der Anode zu O2 oxidiert.
Da die kermischen Membranen nur bei hohen Temperaturen eine hohe Oxid-Leitfähigkeit haben, wird der Prozess generell bei hohen Temperaturen > 900K durchgeführt. Wird dem Wasserdampf CO2 beigemischt, setzt bei den erforderlichen Prozesstemperaturen die rWGS ein. Da das entstehende Wasser durch die Elektrolyse dem Gleichgewicht entzogen wird, verschiebt sich das Gleichgewicht auf die Produktseite der rWGS Reaktion.Since the kermic membranes only have a high oxide conductivity at high temperatures, the process is generally carried out at high temperatures> 900K. If CO 2 is added to the water vapor, the rWGS is used at the required process temperatures. Since the resulting water is removed from the equilibrium by electrolysis, the equilibrium shifts to the product side of the rWGS reaction.
Hierdurch lassen sich auch bei niedrigeren Temperaturen als bei der rein thermischen rWGS hohe CO2 Umsätze erreichen.As a result, high CO 2 conversions can be achieved even at lower temperatures than with purely thermal rWGS.
Dennoch sind die erforderlichen Prozesstemperaturen sehr hoch. Da in der Regel Nickel basierte Elektroden verwendet werden, wird üblicherweise bei Temperaturen um 1100K gearbeitet, um die Bildung von Methan aus der Sabatier-Reaktion und die damit verbundene Verkokung der Katalysatoren zu vermeiden.
Zudem sind die mechanische Stabilität und die Skalierbarkeit der keramischen Membranen derzeit nicht gegeben.In addition, the mechanical stability and scalability of the ceramic membranes are currently not available.
Nickelbasierte Katalysatoren können darüber hinaus mit dem gebildeten Kohlenmonoxid zu Nickelcarbonyl reagieren, was dann zum Austrag des Nickelkatalysators führt.Nickel-based catalysts can also react with the carbon monoxide formed to form nickel carbonyl, which then leads to the discharge of the nickel catalyst.
Zusammenfassend ergeben sich also für die drei diskutierten Verfahren die folgenden Nachteile:
- Nachteile Niedertemperatur CO2-Elektrolyse:
- - Inkompatibilität mir Ir-freinen Anodenkatalysatoren
- - CO2/O2 Gemische als Anoden-Produkt oder CO2-Blasen im Strompfad
- - Hohe Zellspannung
- Disadvantages of low temperature CO 2 electrolysis:
- - Incompatibility with Ir-free anode catalysts
- - CO 2 / O 2 mixtures as an anode product or CO 2 bubbles in the current path
- - High cell voltage
Nachteile thermische rWGS:
- - Hoher erforderlicher Wärmeeintrag mit aufwändigen Wärmeintegrationsverfahren
- - Nur für H2-reiche Synthesegas-Gemische anwendbar
- - Abschrecken des Produktgases erforderlich (irreversible Anteile steigen)
- - Hohe Temperaturen und Drücke erforderlich
- - High heat input required with complex heat integration processes
- - Can only be used for H 2 -rich synthesis gas mixtures
- - Quenching of the product gas required (irreversible proportions increase)
- - High temperatures and pressures required
Nachteile H2O/CO2 Hochtemperatur-CO-Elektrolyse:
- - Fragile keramische Trennmembranen
- - Hohe Betriebstemperatur
- - Schlechte Skalierbarkeit
- - Fragile ceramic separation membranes
- - High operating temperature
- - Poor scalability
Da alle drei aufgezählten Verfahren mit Nachteilen behaftet sind, ist die Aufgabe dieser Erfindungsmeldung, neue Niedertemperaturlösungen zu finden.Since all three of the methods listed have disadvantages, the task of this invention report is to find new low-temperature solutions.
Die Erfinder haben ein neues, effizientes Verfahren, insbesondere unter Verwendung erneuerbarer Energie, gefunden, bei dem eine CO2-Reduktion, und insbesondere die rWGS, elektrochemisch bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise von < 100°C, durchgeführt werden kann. Der Vorteil elektrochemischer Verfahren liegt dabei darin, dass die thermodynamische Gleichgewichtskonstante von Reaktionen durch das Anlegen eines Potentials verschoben werden kann. Die Probleme, die durch die endotherme Natur der rWGS verursacht werden, können daher überwunden werden. Die Freisetzung der einzelnen Produkte an unterschiedlichen Orten (Kathode, Anode) kann zudem einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Optimierung der Gleichgewichte liefern. Bei einem solchen Verfahren kann zudem eine niedrige Temperatur eingestellt werden, sodass die Temperatur nicht hoch genug ist, um die Aktivierungsenergie für die Rückreaktion bereit zu stellen, und das entstehende Wasser kann in flüssiger Phase vorliegen. Ein Abschrecken des Produktgases ist dann nicht erforderlich.The inventors have found a new, efficient method, in particular using renewable energy, in which CO 2 reduction, and in particular rWGS, can be carried out electrochemically at low temperatures, for example <100 ° C. The advantage of electrochemical processes is that the thermodynamic equilibrium constant of reactions can be shifted by applying a potential. The problems caused by the endothermic nature of the rWGS can therefore be overcome. The release of the individual products at different locations (cathode, anode) can also provide an additional degree of freedom to optimize the balance. Such a process can also set a low temperature so that the temperature is not high enough to provide the activation energy for the back reaction, and the water formed can be in the liquid phase. It is then not necessary to quench the product gas.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Umsetzung eines Gases umfassend CO2, bevorzugt ein Verfahren zur Herstellung eines Produktgases umfassend CO aus einem Gas umfassend CO2, wobei an einer Kathode einer Elektrolysezelle, welche ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, ein Gas umfassend CO2 umgesetzt wird, bevorzugt zu einem Produktgas umfassend CO, und
wobei an einer Anode der Elektrolysezelle ein Gas umfassend H2 zu einem Produkt umfassend Protonen umgesetzt wird.In a first aspect, the present invention relates to a method for converting a gas comprising CO 2 , preferably a method for producing a product gas comprising CO from a gas comprising CO 2 , with a cathode of an electrolysis cell which comprises a metal which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, a gas comprising CO 2 is preferably converted to a product gas comprising CO, and
wherein a gas comprising H 2 is converted to a product comprising protons at an anode of the electrolytic cell.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Umsetzung eines Gases umfassend CO2 zu einem Produktgas, bevorzugt zur Herstellung eines Produktgases umfassend CO aus einem Gas umfassend CO2, umfassend
eine erste Elektrolysezelle umfassend einen ersten Kathodenraum umfassend eine erste Kathode, welche ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, und welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend CO2 umzusetzen, bevorzugt zu einem Produktgas umfassend CO, und einen ersten Anodenraum umfassend eine erste Anode, welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend H2 zu einem Produkt umfassend Protonen umzusetzen;
eine erste Zuführeinrichtung für das Gas umfassend CO2, welche dazu ausgebildet ist, dem ersten Kathodenraum der ersten Elektrolysezelle das Gas umfassend CO2 zuzuführen;
eine zweite Zuführeinrichtung für das Gas umfassend H2, welche dazu ausgebildet ist, dem ersten Anodenraum der ersten Elektrolysezelle das Gas umfassend H2 zuzuführen;
eine erste Abführeinrichtung für das Produktgas, bevorzugt das Produktgas umfassend CO, welche dazu ausgebildet ist, das Produktgas, bevorzugt das Produktgas umfassend CO, vom ersten Kathodenraum abzuführen; und
eine zweite Abführeinrichtung für ein Gas umfassend CO2, welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend CO2 vom ersten Anodenraum abzuführen. In addition, the present invention relates to a device for converting a gas comprising CO 2 to a product gas, preferably for producing a product gas comprising CO from a gas comprising CO 2
a first electrolytic cell comprising a first cathode space comprising a first cathode which comprises a metal which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, and which is designed to convert a gas comprising CO 2 , preferably to a product gas comprising CO, and a first anode space comprising a first anode which is designed to convert a gas comprising H 2 to a product comprising protons;
a first supply device for the gas comprising CO 2 , which is designed to supply the gas comprising CO 2 to the first cathode compartment of the first electrolytic cell;
a second supply device for the gas comprising H 2 , which is designed to supply the gas comprising H 2 to the first anode space of the first electrolytic cell;
a first discharge device for the product gas, preferably the product gas comprising CO, which is designed to discharge the product gas, preferably the product gas comprising CO, from the first cathode compartment; and
a second discharge device for a gas comprising CO 2 , which is designed to discharge a gas comprising CO 2 from the first anode space.
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.
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1 bis 4 zeigen schematisch beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtungen.
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1 to4 schematically show exemplary devices according to the invention.
Darüber hinaus zeigen
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 otherwise defined, 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.Quantities in the context of the present invention relate to% by weight, unless stated otherwise or can be seen from the context.
Als hydrophob wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung wasserabweisend verstanden. Hydrophobe Poren und/oder Kanäle sind 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 to be water-repellent. Hydrophobic pores and / or channels are therefore those that repel water. In particular, according to the invention, hydrophobic properties are associated with substances or molecules with non-polar groups.
Als hydrophil wird im Gegensatz hierzu die Fähigkeit zur Wechselwirkung mit Wasser und anderen polaren Stoffen verstanden.In contrast, the ability to interact with water and other polar substances is understood to be hydrophilic.
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 katalysieren kann.Gas diffusion electrodes (GDE) in general are electrodes in which there are liquid, solid and gaseous phases, and in particular where a conductive catalyst can catalyze 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; oder als leitfähiger poröser Träger, auf den ein Katalysator in dünner Schicht aufgebracht werden kann.The design can be of different types, for example as a porous “full material catalyst” with possibly auxiliary layers to adjust the hydrophobicity; or as a conductive porous support onto which a catalyst can be applied in a thin layer.
Im Sinne dieser Erfindung ist eine Gasdiffusionselektrode (GDE) insbesondere eine poröse Elektrode, in deren Inneren sich Gase durch Diffusion bewegen können. Sie kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, einen Gas- und einen ElektrolytRaum voneinander zu trennen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann sie sich dadurch auszeichnen, dass Produktgase aus diesen Gasdiffusionselektroden auf der der Gegenelektrode abgewandte Seite austreten können, also beispielsweise in einen Gasraum, zu dem ein Gas zur Umsetzung zugeführt wird. Flüssige und/oder gelöste Produkte und/oder Nebenprodukte der elektrochemischen Umsetzung, insbesondere die dabei erzeugten Ladungsträger, können beispielsweise von der Elektrode in den Elektrolyten abgegeben werden.For the purposes of this invention, a gas diffusion electrode (GDE) is in particular a porous electrode, inside which gases can move through diffusion. For example, it can be designed to separate a gas and an electrolyte space from one another. According to certain embodiments, it can be characterized in that product gases can emerge from these gas diffusion electrodes on the side facing away from the counterelectrode, that is to say, for example, into a gas space to which a gas is supplied for conversion. Liquid and / or dissolved products and / or by-products of the electrochemical conversion, in particular the charge carriers generated in the process, can be released, for example, from the electrode into the electrolyte.
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 acts towards the cathode on particles in solution with a positive zeta potential and a force acts towards the anode on all particles with a negative zeta potential. If there is a turnover at the electrodes, i.e. If a galvanic current flows, there is also a mass flow of particles with a positive zeta potential to the cathode, regardless of whether the species is involved in the conversion 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. One speaks also of 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. Dies kann vorliegend beispielsweise einen Strom von Carbonat- und/oder Hydrogencarbonationen in der ersten Elektrolysezelle betreffen.The material flows caused by electro-osmosis can also flow in the opposite direction to concentration gradients. Diffusion-related currents that compensate for the concentration gradients can thus be overcompensated. In the present case, this can relate, for example, to a stream of carbonate and / or hydrogen carbonate ions in the first electrolytic cell.
Ein Separator ist eine Barriere, beispielsweise eine Schicht, welche in einer Elektrolysezelle eine räumliche und zumindest teilweise auch stoffliche Trennung zwischen verschiedenen Räumen der Elektrolysezelle, z.B. Anodenraum, Elektrolytraum, Salzbrückenraum Kathodenraum, etc. bewerkstelligen kann sowie eine elektrische Trennung zwischen Anode und Kathode, jedoch einen Ionentransport zwischen den verschiedenen Räumen zulässt. Ein Separator weist insbesondere kein fest zugeordnetes Potential auf, wie eine Elektrode. Ein Separator kann beispielsweise eine flächig ausgebildete Barriere mit gleichbleibender Flächenbelegung sein. Insbesondere sind Membranen und Diaphragmen als spezielle Beispiele von Separatoren anzusehen.A separator is a barrier, for example a layer, which in an electrolysis cell has a spatial and at least partially also material separation between different spaces of the electrolysis cell, e.g. Anode space, electrolyte space, salt bridge space, cathode space, etc. can accomplish as well as an electrical separation between anode and cathode, but allows an ion transport between the different spaces. In particular, a separator has no permanently assigned potential, like an electrode. A separator can be, for example, a flat barrier with the same surface area. In particular, membranes and diaphragms are to be regarded as special examples of separators.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung eines Gases umfassend CO2, bevorzugt zur Herstellung eines Produktgases umfassend CO aus einem Gas umfassend CO2, wobei
an einer Kathode einer Elektrolysezelle, welche ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, ein Gas umfassend CO2 umgesetzt wird, bevorzugt zu einem Produktgas umfassend CO, und
wobei an einer Anode der Elektrolysezelle ein Gas umfassend H2 zu einem Produkt umfassend Protonen umgesetzt wird.A first aspect of the present invention relates to a method for converting a gas comprising CO 2 , preferably for producing a product gas comprising CO from a gas comprising CO 2 , wherein
on a cathode of an electrolysis cell which comprises a metal which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, a gas comprising CO 2 is preferably converted to a product gas including CO, and
wherein a gas comprising H 2 is converted to a product comprising protons at an anode of the electrolytic cell.
Entsprechend ist also auch gemäß bestimmten Ausführungsformen ein Verfahren zur Herstellung eines Produktgases umfassend CO aus einem Gas umfassend CO2 offenbart, wobei
an einer Kathode einer Elektrolysezelle, welche ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, ein Gas umfassend CO2 umgesetzt wird, bevorzugt zu einem Produktgas umfassend CO, und
wobei an einer Anode der Elektrolysezelle ein Gas umfassend H2 zu einem Produkt umfassend Protonen umgesetzt wird.Accordingly, in accordance with certain embodiments, a method for producing a product gas comprising CO from a gas comprising CO 2 is also disclosed, wherein
on a cathode of an electrolysis cell which comprises a metal which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, a gas comprising CO 2 is preferably converted to a product gas including CO, and
wherein a gas comprising H 2 is converted to a product comprising protons at an anode of the electrolytic cell.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.The method according to the invention can in particular be carried out with the device according to the invention.
Insbesondere findet im erfindungsgemäßen Verfahren gemäß bestimmten Ausführungsformen an der Kathode die Reduktion von CO2 zu CO sowie die Weiter-Reaktion der dabei erzeugten OH- Ionen mit weiterem CO2 statt.In particular place in the process of this invention according to certain embodiments, at the cathode the reduction of CO 2 to CO and the further reaction of the OH generated thereby - ions with additional CO 2 instead.
Kathode :
Netto:
Die dabei erzeugten Carbonat-Ionen können daraufhin gemäß bestimmten Ausführungsformen durch einen Elektrolyten und/oder einen Separator, beispielsweise eine Membran, zur Anode transportiert werden.The carbonate ions generated in the process can then be transported to the anode in accordance with certain embodiments through an electrolyte and / or a separator, for example a membrane.
An der Anode wird im erfindungsgemäßen Verfahren das H2 zu Protonen oxidiert. Die Protonen können die aus der Kathoden-Reaktion stammenden CO3 2- Ionen und/oder Hydrogencarbonationen zu Wasser zerlegen.In the process according to the invention, the H 2 is oxidized to protons at the anode. The protons can decompose the CO 3 2 ions and / or hydrogen carbonate ions originating from the cathode reaction into water.
Anode:
Die Gesamt-Gleichung entspricht in solchen Ausführungsformen damit der rWGS-Reaktion.In such embodiments, the overall equation thus corresponds to the rWGS reaction.
Kathode:
Anode:
Gesamt:
Das Verfahren hat gengenüber der elektrolytischen Spaltung von CO2 jedoch entscheidende Vorteile. Zunächst ist die erforderliche Zellspannung geringer:
(Wasser in flüssiger Phase)(Water in liquid phase)
Da keine Wasser-Oxidation im sauren oder neutralen pH-Regime durchgeführt werden muss, sind zudem keine Ir-basierten Anodenkatalysatoren erforderlich. Da der Wasserstoff in einem alkalischen Elektrolyseur im stark basischen Medium erzeugt werden kann, sind auch im Gesamtprozess keine Ir-Katalysatoren nötig.Since no water oxidation has to be carried out in the acidic or neutral pH regime, no Ir-based anode catalysts are required. Since the hydrogen can be generated in an alkaline electrolyzer in a strongly basic medium, no Ir catalysts are necessary in the overall process.
Stattdessen können andere Übergangsmetallkatalysatoren mit besserer Verfügbarkeit verwendete werden. Prädestiniert für diese Anwendung wären beispielsweise Pt, Pd oder Ni, da Sie eine hohe Affinität zu Wasserstoff haben und nicht durch Protonen oxidiert werden. Auch Katalysatoren auf Fe, Cu, Ti, Co, Mo, Cr, Rh-Basis kämen in Frage. Genauso sind Oxide und Legierungen davon wie auch metallorganische Verbindungen geeignet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die Anode ein Metall, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr und/oder Mo, sowie Oxiden und/oder Legierungen davon und/oder metallorganischen Systemen wie z.B. Porphyrinen, insbesondere von Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr und/oder Mo, und/oder Mischungen davon.Instead, other transition metal catalysts with better availability can be used. For example, Pt, Pd or Ni would be ideal for this application because they have a high affinity for hydrogen and are not oxidized by protons. Fe, Cu, Ti, Co, Mo, Cr, Rh-based catalysts are also possible. Oxides and alloys thereof as well as organometallic compounds are equally suitable. According to certain embodiments, the anode comprises a metal which is selected from the group comprising Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr and / or Mo, and oxides and / or alloys thereof and / or organometallic systems such as Porphyrins, in particular of Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr and / or Mo, and / or mixtures thereof.
Zudem wird an der Anode H2 verbraucht und es kann CO2 erzeugt werden, während bei der Elektrolyse mit Wasser ein CO2/O2 Gemisch erzeugt wird. Bei unvollständigem H2 Umsatz kann darüber hinaus bei der elektrochemischen rWGS ein H2/CO2 Gemisch erhalten werden, welches im Gegensatz zu O2/CO2-Gemischen trenn- und rückführbar ist.In addition, H 2 is consumed at the anode and CO 2 can be generated, while a CO 2 / O 2 mixture is generated during electrolysis with water. If the H 2 conversion is incomplete, an electrochemical rWGS can also give an H 2 / CO 2 mixture which, in contrast to O 2 / CO 2 mixtures, can be separated and recycled.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird an der Anode der Elektrolysezelle, beispielsweise der ersten Elektrolysezelle, ein im Wesentlichen vollständiger oder vollständiger H2-Umsatz eingestellt, insbesondere um möglichst reines CO als Zielprodukt zu erhalten.According to certain embodiments, an essentially complete or complete H 2 conversion is set at the anode of the electrolytic cell, for example the first electrolytic cell, in particular in order to obtain as pure CO as possible as the target product.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird jedoch an der Anode ein Überschuss an H2 im Hinblick auf die Umsetzung in der Elektrolysezelle, insbesondere der ersten Elektrolysezelle, zugegeben, insbesondere wenn Synthesegas erzeugt werden soll, beispielsweise in mindestens der doppelten Menge, bevorzugt mindestens der dreifachen Menge, und bis zur achtfachen Menge, insbesondere bis zur fünffachen Menge, beispielsweise bis zur vierfachen Menge, im Hinblick auf die Umsetzung in der Elektrolysezelle, insbesondere bei einer Umsetzung des CO2 zu CO. Für die Erzeugung von Synthesegas-Gemischen (z.B. CO/H2 3:1-1:4) ist es insbesondere sinnvoll, mit den gesamten Wasserstoff durch die Anodenkammer der Elektrolysezelle, beispielsweise einer ErWGS-Zelle - wie nachfolgend weiter beschrieben, zu führen und das Gemisch in den Kathodenraum zu führen. Hierdurch kommt es insbesondere auch im Anodenraum nicht zur H2 Verarmung im Bereich des Gasauslasses. Das H2 wiederum kann an der Kathode nicht umgesetzt werden, stört also nicht. Auf diese Weise ist zumindest prinzipiell keine Gastrennung zur Recyclierung des anodenseitig freigesetzten CO2s erforderlich. Es kann sich lediglich gemäß bestimmten Ausführungsformen eine finale CO2 Abtrennung aus dem Rohsynthesegas anschließen. Aufgrund der niedrigen Temperaturen ist dies auch kinetisch stabil.According to certain embodiments, however, an excess of H 2 is added to the anode with regard to the reaction in the electrolysis cell, in particular in the first electrolysis cell, in particular if synthesis gas is to be generated, for example in at least twice the amount, preferably at least three times the amount, and up to eight times the amount, in particular up to five times the amount, for example up to four times the amount, with regard to the conversion in the electrolysis cell, in particular when converting the CO 2 to CO. For the generation of synthesis gas mixtures (for example CO / H 2 3: 1-1: 4), it is particularly useful to lead and with all the hydrogen through the anode chamber of the electrolysis cell, for example an ErWGS cell - as described further below to lead the mixture into the cathode compartment. This does not lead to H 2 depletion in the area of the gas outlet, particularly in the anode compartment. The H 2 in turn cannot be converted at the cathode, so it does not interfere. In this way, at least in principle, no gas separation is required to recycle the CO 2 s released on the anode side. Only in accordance with certain embodiments can a final CO 2 separation from the raw synthesis gas follow. Due to the low temperatures, this is also kinetically stable.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist die Elektrolysezelle nicht besonders beschränkt und ist insbesondere die erste Elektrolysezelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Elektrolysezelle, beispielsweise die erste Elektrolysezelle, ist gemäß bestimmten, bevorzugten Ausführungsformen eine Elektrolysezelle, in der eine reverse Wassergas-Shift-Reaktion (rWGS) stattfindet, so dass sie für solche Ausführungsformen nachfolgend auch als ErWGS (Elektrolysezelle für eine reverse Wassergas-Shift-Reaktion) bezeichnet wird.In the method according to the invention, the electrolysis cell is not particularly restricted and is in particular the first electrolysis cell of the device according to the invention. According to certain preferred embodiments, the electrolysis cell, for example the first electrolysis cell, is an electrolysis cell in which a reverse water gas shift reaction (rWGS) takes place, so that for such embodiments it is subsequently also referred to as ErWGS (electrolysis cell for a reverse water gas shift Reaction).
In der Elektrolysezelle sind die Kathode und die Anode hinsichtlich der Ausgestaltung, den verwendeten Materialen und dem Aufbau keine Beschränkungen, sofern die Kathode ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, bevorzugt Ag, Au, Zn und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon. Mit diesen Metallen kann das Gas umfassend CO2 und insbesondere das CO2 effizient umgesetzt werden, insbesondere zu einem Produktgas umfassend CO. Die Kathode kann in einem Kathodenraum vorliegen oder diesen begrenzen, wobei der Kathodenraum als Gasraum für die Zufuhr und Abfuhr von Gas vorgesehen sein kann - hier für das Gas umfassend CO2, und die Anode kann in einem Anodenraum vorliegend oder diesen begrenzen, wobei der Anodenraum ebenfalls als Gasraum für die Zufuhr und Abfuhr von Gas vorgesehen sein kann - hier für das Gas umfassend H2.In the electrolytic cell, the cathode and the anode are not restricted with regard to the design, the materials used and the structure, provided that the cathode comprises a metal which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, preferably Ag, Au, Zn and / or alloys and / or mixtures thereof. With these metals, the gas comprising CO 2 and in particular the CO 2 can be converted efficiently, in particular to a product gas comprising CO. The cathode can be present in or delimit a cathode space, the cathode space can be provided as a gas space for the supply and discharge of gas - here for the gas comprising CO 2 , and the anode can be present or delimit in an anode space, the anode space can also be provided as a gas space for the supply and discharge of gas - here for the gas comprising H 2 .
Bei der Herstellung eines Gases umfassend CO kann insbesondere ein Synthesegas bereitgestellt werden, so mit einem Überschuss an Wasserstoff gearbeitet wird, sodass entsprechende Ausführungsformen bevorzugt sind. Insbesondere kann nicht umgesetztes Kohlendioxid einfach aus einer entsprechenden Produktgasmischung umfassend Synthesegas abgetrennt werden. In the production of a gas comprising CO, in particular a synthesis gas can be provided so that an excess of hydrogen is used, so that corresponding embodiments are preferred. In particular, unreacted carbon dioxide can simply be separated off from a corresponding product gas mixture comprising synthesis gas.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Kathode und/oder Anode als Gasdiffusionselektrode (GDE) ausgebildet.According to certain embodiments, the cathode and / or anode are designed as a gas diffusion electrode (GDE).
Die Ausführung der jeweiligen Gasdiffusionselektrode ist hierbei nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die jeweilige Gasdiffusionselektrode einen Gasraum und einen Elektrolytraum trennen, an einem Separator liegen, beispielsweise einer Membran, oder mit einem Separator, beispielsweise einer Membran, verbunden sein.The design of the respective gas diffusion electrode is not particularly limited. For example, the respective gas diffusion electrode can separate a gas space and an electrolyte space, lie on a separator, for example a membrane, or can be connected to a separator, for example a membrane.
Für die Ausführung der Elektroden bestehen keine Einschränkungen. Insbesondere sind sie dazu ausgebildet, einen Gas- und einen Elektrolytraum voneinander zu trennen, Reaktionsgase in den Gasraum abzuführen und/oder für die jeweiligen elektrochemischen Umsetzungen passende Katalysatoren ausweisen.There are no restrictions on the design of the electrodes. In particular, they are designed to separate a gas and an electrolyte space from one another, to discharge reaction gases into the gas space and / or to identify suitable catalysts for the respective electrochemical reactions.
Es kann sich dabei beispielsweise um poröse hydrophobe Elektroden, beispielsweise GDEs, GDE-Membran Verbünde oder halbseitig katalysatorbeschichte Membranen handeln.These can be, for example, porous hydrophobic electrodes, for example GDEs, GDE membrane composites or half-sided catalyst-coated membranes.
Die GDEs können verschiedene Schichten ausweisen. Hierzu zählen beispielweise:
- • Katalytisch inaktive, hydrophobe, elektrisch leitfähige Katalysatorschichten beispielsweise auf Kohlenstoffbasis;
- • Elektrochemisch aktive Katalysatorschichten, die beispielsweise neben dem Katalysator noch hydrophobe Binderpolymere, welche nicht beschränkt sind, oder hydrophile ionenleidende Komponenten, welche ebenfalls nicht beschränkt sind, umfassen können; wenn die Elektroden einen Verbund mit einer ionenselektiven Membran bilden, sind diese ionenleitenden Zusätze insbesondere auf die Natur der Membran abgestimmt, sodass beispielsweise bei einer Anionentransportmembran, bevorzugt Anionenaustauschermembran (AEM) die ionenleitenden Zusätze ebenfalls anionenleitend sein können, etc.
- • Nicht geschlossene Deckschichten aus beispielsweise Ionenaustauschermaterialen oder hydrophoben Polymeren, die einen Übergang zu einer Membran oder zum Gasraum verbessern können.
- • Catalytically inactive, hydrophobic, electrically conductive catalyst layers, for example based on carbon;
- • Electrochemically active catalyst layers which, for example, in addition to the catalyst, can also comprise hydrophobic binder polymers, which are not restricted, or hydrophilic, ion-impaired components, which are likewise not restricted; If the electrodes form a composite with an ion-selective membrane, these ion-conducting additives are matched in particular to the nature of the membrane, so that, for example in the case of an anion transport membrane, preferably an anion exchange membrane (AEM), the ion-conducting additives can also be anion-conducting, etc.
- • Non-closed cover layers made of, for example, ion exchange materials or hydrophobic polymers, which can improve a transition to a membrane or to the gas space.
In den jeweiligen Elektroden können jeweils eine oder mehrere dieser Schichten vorgesehen sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind jedoch zumindest hydrophobe Zusätze bzw. sogar poröse hydrophobe Schichten in den Elektroden auf der jeweiligen Seite der Gaszufuhr und bevorzugt Gasabfuhr vorhanden, um die Gase effizient zur jeweiligen katalytisch aktiven Schicht bringen zu können und gasförmige Produkte effizient abführen zu können.One or more of these layers can be provided in each of the electrodes. According to certain embodiments, however, at least hydrophobic additives or even porous hydrophobic layers are present in the electrodes on the respective side of the gas supply and preferably gas discharge in order to be able to bring the gases efficiently to the respective catalytically active layer and to be able to efficiently remove gaseous products.
Auch kann es sich bei der jeweiligen Elektrode um eine einschichtige poröse Schicht aus dem Katalysator, weiterestgehend hydrophoben Bindern sowie Füllstoffen und Ionentauscher Materialen. Hierbei sollte bevorzugt allerdings gewährleistet sein, dass die Elektrode insgesamt hydrophob ist und nur die Elektrolyt-Kontaktfläche als Folge der elektrochemischen Umsetzung (und den dadurch gebildeten adsorbierten Ionen) hydrophil wird.The respective electrode can also be a single-layer porous layer made of the catalyst, largely hydrophobic binders, and also fillers and ion-exchange materials. In this case, however, it should preferably be ensured that the electrode as a whole is hydrophobic and only the electrolyte contact area becomes hydrophilic as a result of the electrochemical reaction (and the adsorbed ions formed thereby).
Des Weiteren ist es natürlich möglich eine oder beide Elektroden als Membran-Verbund-Elektroden mit ionsenselektiven/ionenleitenden-Membranen (ISM, ion selective membrane), beispielsweise anionenselektiven bzw. anionenleitenden Membran, oder als halbseitig katalysatorbeschichtete Membran-Elektroden auszuführen. Dies kann auch zur Verbesserung der Gastrennung und/oder zur Verbesserung der Erosionsbeständigkeit der Katalysatoren beitragen.Furthermore, it is of course possible to design one or both electrodes as composite membrane electrodes with ion-selective / ion-conducting membranes (ISM, ion-selective membrane), for example anion-selective or anion-conducting membranes, or as half-sided catalyst-coated membrane electrodes. This can also contribute to improving gas separation and / or improving the erosion resistance of the catalysts.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen können die Elektroden von der der jeweiligen Gegen-Elektrode abgewandter Seite mit dem jeweiligen Edukt-Gas versorgt werden, also im Fall der Kathode mit dem Gas umfassend CO2 und im Fall der Anode mit dem Gas umfassend H2.According to certain embodiments, the electrodes can be supplied with the respective starting gas from the side facing away from the respective counter-electrode, that is to say in the case of the cathode with the gas comprising CO 2 and in the case of the anode with the gas comprising H 2 .
Die Anode und die Kathode können verschieden aufgebaut sein hinsichtlich ihrer Ausführungsformen (einschichtig oder mehrschichtig; an einem Separator bzw. bevorzugt einer Membran anliegend oder nicht; mit entsprechenden ionenleitenden Zusätzen oder nicht; etc.) und können insbesondere an die umzusetzenden Gase und deren Produkte angepasst sein.The anode and the cathode can be constructed differently with regard to their embodiments (single-layer or multi-layer; adjacent to a separator or preferably a membrane or not; with corresponding ion-conducting additives or not; etc.) and can in particular be adapted to the gases to be reacted and their products his.
Da beispielsweise auf Kathodenseite Anionen gebildet werden können, sind in der Kathode gemäß bestimmten Ausführungsformen anionenleitende Zusätze vorhanden, und die Anode kann beispielsweise an eine Anionen transportierende Membran, beispielsweise eine AEM, anliegen bzw. bevorzugt mit dieser zumindest teilweise verbunden sein.Since, for example, anions can be formed on the cathode side, according to certain embodiments, anion-conducting additives are present in the cathode, and the anode can, for example, abut an anion-transporting membrane, for example an AEM, or preferably be at least partially connected to it.
Entsprechend können auch auf Anodenseite Zusätze für einen Protonentransport zugesetzt werden.Accordingly, additives for proton transport can also be added on the anode side.
Da die Bildung von Sauerstoff an der Anode der erfindungsgemäßen Zelle, insbesondere einer ErWGS, vermieden werden kann und Wasserstoff umgesetzt wird, ist die Überspannung dort sehr niedrig. Since the formation of oxygen at the anode of the cell according to the invention, in particular an ErWGS, can be avoided and hydrogen is converted, the overvoltage there is very low.
Das Gas umfassend CO2 ist nicht besonders beschränkt, sofern es CO2 umfasst, beispielsweise mit einem Volumenanteil von mehr als 20 Vol.%, bevorzugt mehr als 50 Vol.%, z.B. mehr als 80 Vol.%, z.B. mehr als 90 Vol.% oder mehr als 95 Vol.% oder sogar mehr als 99 Vol.%. Beispielsweise kann es auch im Wesentlichen aus CO2 bestehen. Das Gas umfassend CO2 kann aus einer beliebigen Quelle stammen, beispielsweise aus einer Verbrennung fossiler Brennstoffe, aber auch aus anderen Quellen. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Gasströme zum besseren Feuchthalten der Membran einen gewissen Volumenanteil Wasserdampf ausweisen.The gas comprising CO 2 is not particularly limited, provided that it comprises CO 2 , for example with a volume fraction of more than 20 vol.%, Preferably more than 50 vol.%, For example more than 80 vol.%, For example more than 90 vol. % or more than 95% by volume or even more than 99% by volume. For example, it can also consist essentially of CO 2 . The gas comprising CO 2 can come from any source, for example from fossil fuel combustion, but also from other sources. It is not excluded that the gas flows have a certain volume of water vapor to keep the membrane moist.
Ebenso ist das Gas umfassend H2 nicht besonders beschränkt, sofern es H2 umfasst, beispielsweise mit einem Volumenanteil von mehr als 20 Vol.%, bevorzugt mehr als 50 Vol.%, z.B. mehr als 80 Vol.%, z.B. mehr als 90 Vol.% oder mehr als 95 Vol.% oder sogar mehr als 99 Vol.%. Beispielsweise kann es auch im Wesentlichen aus H2 bestehen.Likewise, the gas comprising H 2 is not particularly limited if it comprises H 2 , for example with a volume fraction of more than 20 vol.%, Preferably more than 50 vol.%, For example more than 80 vol.%, For example more than 90 vol .% or more than 95 vol.% or even more than 99 vol.%. For example, it can also consist essentially of H 2 .
Die Quelle des zum Betrieb der Elektrolysezelle, beispielsweise zum Betrieb der ErWGS, benötigten Wasserstoffs ist nicht besonders beschränkt, und dieser kann extern über eine geeignete, beispielsweise die zweite, Zuführeinrichtung, aus einer beliebigen Quelle zugeführt werden, beispielsweise einer H2O-Elektrolyse, z.B. Polymermembranelektrolyseure, Alkalielektrolyseure und/oder auch Hochtemperaturelektrolyseure. Bevorzugt stammt er jedoch gemäß bestimmten Ausführungsformen aus erneuerbaren Quellen, die die elektrolytische Spaltung von Wasser nutzen, beispielsweise Elektrolysezellen bzw. Elektrolyseanlagen zur elektrochemischen Umsetzung von Wasser, die mit erneuerbarer Energien betrieben werden, z.B. Polymermembranelektrolyseure, Alkalielektrolyseure und/oder auch Hochtemperaturelektrolyseure. Die Elektrolyse von Wasser ist nicht besonders beschränkt und kann geeignet durchgeführt werden, beispielsweise auch an entfernten Orten, wo erneuerbare Energie leichter verfügbar ist, sodass der hergestellte Wasserstoff dann geeignet zur ErWGS transportiert werden kann.The source of the hydrogen required for operating the electrolysis cell, for example for operating the ErWGS, is not particularly limited, and this can be supplied externally via a suitable, for example the second, feed device from any source, for example H 2 O electrolysis. eg polymer membrane electrolyzers, alkali electrolyzers and / or high-temperature electrolysers. However, according to certain embodiments, it preferably comes from renewable sources that use the electrolytic splitting of water, for example electrolysis cells or electrolysis systems for the electrochemical conversion of water that are operated with renewable energies, for example polymer membrane electrolyzers, alkali electrolyzers and / or high-temperature electrolysers. The electrolysis of water is not particularly restricted and can be carried out in a suitable manner, for example also in remote locations where renewable energy is more readily available, so that the hydrogen produced can then be suitably transported to the ErWGS.
Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Gasströme, also das Gas umfassend CO2 und/oder das Gas umfassend H2, zum besseren Feuchthalten der Membran einen gewissen Volumenanteil Wasserdampf ausweisen.It is not excluded that the gas streams, ie the gas comprising CO 2 and / or the gas comprising H 2 , have a certain volume fraction of water vapor in order to keep the membrane moist.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen entstehen an der Kathode Carbonationen und/oder Hydrogencarbonationen, welche mit den Protonen der Anode zu Wasser und CO2 reagieren. Dies geschieht beispielsweise abhängig von der Temperatur in kondensierter Phase, und das Ausmaß hiervon kann beispielsweise von der Auswahl des Kathodenmaterials abhängen. Durch die Reaktion der Carbonationen und/oder Hydrogencarbonationen mit Wasserstoff kann wiederum Kohlendioxid, neben Wasser, entstehen, sodass die Carbonationen und/oder Hydrogencarbonationen abgebaut werden können und es zu keinen Ausfällungen kommt.According to certain embodiments, carbonate ions and / or hydrogen carbonate ions form at the cathode, which react with the protons of the anode to form water and CO 2 . This happens, for example, depending on the temperature in the condensed phase, and the extent of this can depend, for example, on the selection of the cathode material. The reaction of the carbonate ions and / or bicarbonate ions with hydrogen can in turn produce carbon dioxide, in addition to water, so that the carbonate ions and / or bicarbonate ions can be broken down and no precipitation occurs.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Gas umfassend H2, welches an der Anode umgesetzt wird, durch eine Wasserelektrolyse hergestellt wird. Die Wasserelektrolyse ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann an einem beliebigen Ort außerhalb der Elektrolysezelle, insbesondere der ersten Elektrolysezelle, beispielsweise in einer zweiten Elektrolysezelle, hergestellt werden. Die entsprechende zweite Elektrolysezelle ist hierbei nicht besonders beschränkt, und es können beispielsweise übliche Wasserelektrolyseure verwendet werden.In certain embodiments, the gas comprising H 2 that is reacted at the anode is produced by water electrolysis. The water electrolysis is not particularly restricted here and can be produced at any location outside the electrolysis cell, in particular the first electrolysis cell, for example in a second electrolysis cell. The corresponding second electrolysis cell is not particularly limited here, and conventional water electrolysers can be used, for example.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Anode und die Kathode durch eine Membran, bevorzugt eine Anionenaustauschermembran (anion exchange membrane, AEM), getrennt. Durch das Vorhandensein einer Membran kann eine bessere Trennung von Produkten erfolgen, sodass beispielsweise das Produktgas umfassend CO besser aus dem Kathodenraum abgeführt werden kann. Wenn zudem die Membran als AEM ausgeführt wird, können Carbonationen und/oder Hydrogencarbonationen geeignet von der Kathode abgeführt werden und zur Anode hin befördert werden, sodass an der Anode Kohlendioxid und Wasser entstehen können und das Kohlendioxid, ggf. mit Überschuss-H2, über einen anodenseitigen Gasraum, beispielsweise den Anodenraum (wenn die Anode an die Membran angrenzt oder den Anodenraum von einem Elektrolytraum abgrenzt, abgeführt werden kann.According to certain embodiments, the anode and the cathode are separated by a membrane, preferably an anion exchange membrane (AEM). The presence of a membrane enables better separation of products, so that, for example, the product gas comprising CO can be better removed from the cathode compartment. If, in addition, the membrane is designed as an AEM, carbonate ions and / or hydrogencarbonate ions can be suitably removed from the cathode and transported to the anode, so that carbon dioxide and water can form at the anode and the carbon dioxide, possibly with excess H 2 , is released an anode-side gas space, for example the anode space (if the anode adjoins the membrane or delimits the anode space from an electrolyte space).
Gemäß bestimmten Ausführungsformen liegen die Anode und/oder die Kathode, bevorzugt die Anode und die Kathode zumindest teilweise oder auch vollständig an der Membran an. Hierdurch können Transportwege der Carbonationen und/oder Hydrogencarbonationen verkürzt und die Umsetzung effizient gestalten werden.According to certain embodiments, the anode and / or the cathode, preferably the anode and the cathode, lie at least partially or also completely on the membrane. This can shorten the transport routes of the carbonate ions and / or hydrogencarbonate ions and make the implementation efficient.
In solch einer Elektrolysezelle, in welcher die zwei Elektroden an der Membran anliegen, insbesondere direkt, sind diese bevorzugt als Gasdiffusionselektroden ausgebildet, und die Membran ist bevorzugt als eine ionenleitende Membran, bevorzugt eine anionenleitende Membran, ausgebildet. Die Elektrokatalysatoren der Elektroden können dabei beispielsweise entweder direkt auf die Membran aufgebracht sein und berühren diese unmittelbar, falls sie ein physikalischer Teil der Gasdiffusionselektroden sind, oder können auch mit der Elektrode die Membran berühren, beispielsweise indem sie mit dieser zusammengepresst sind. In solchen Ausführungsformen umfasst die Elektrolysezelle den Anodenraum und den Kathodenraum bevorzugt als zwei Gasräume jeweils hinter den beiden GDEs. Durch die beiden Gasräume wird bevorzugt kein flüssiger Elektrolyt oder Wasser gepumpt. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass die Gasströme zum besseren Feuchthalten der Membran einen gewissen Volumenanteil Wasserdampf ausweisen.In such an electrolysis cell, in which the two electrodes abut the membrane, in particular directly, they are preferably designed as gas diffusion electrodes, and the membrane is preferably designed as an ion-conducting membrane, preferably an anion-conducting membrane. The electrocatalysts of the electrodes can, for example, either be applied directly to the membrane and touch it directly if it is a physical part of the gas diffusion electrodes are, or can also touch the membrane with the electrode, for example by being pressed together with it. In such embodiments, the electrolytic cell preferably comprises the anode compartment and the cathode compartment as two gas compartments behind the two GDEs. No liquid electrolyte or water is preferably pumped through the two gas spaces. However, it is not excluded that the gas flows have a certain volume of water vapor to keep the membrane moist.
Diese Ausgestaltung einer Elektrolysezelle, insbesondere einer ErWGS, ähnelt somit im physikalischen Aufbau einer PEM Brennstoffzelle. Allerdings bestehen in Bezug auf die Funktionsweise wesentlich Unterschiede. Zum einen findet an der Kathode keine O2-Reduktion sondern CO2-Reduktion statt. Da CO2 ein wesentlich schwächeres Oxidationsmittel als O2 ist, wird üblicherweise an der Zelle eine adäquate Spannung angelegt, damit die Reaktion abläuft. Weiterhin wird bevorzugt in solchen Ausführungsformen eine anionenleitende Membran (AEM) verwendet, wodurch die Wasserentstehung vor allem an der Anode stattfinden kann. Bei PEM Brennstoffzellen entsteht das Wasser an der Kathode. Der dritte wesentliche Unterschied ist, dass bei der PEM Brennstoffzelle ausschließlich Gase in Flüssigkeiten umgewandelt werden (Gas-to-Liquid), während hier an beiden Elektroden gasförmige Produkte entstehen können. Dies ist insbesondere an der Anode von Vorteil, da die aus der Anode, bevorzugt einer Anoden-GDE, austretenden Gase das bei der Reaktion entstehende Wasser mit aus der Elektrode tragen können. Hierdurch sinkt das Risiko des „Ertrinkens/Fluten“ der Elektroden, wie es aus PEM-Brennstoffzellen bekannt ist.This design of an electrolysis cell, in particular an ErWGS, thus resembles the physical structure of a PEM fuel cell. However, there are significant differences in terms of how it works. On the one hand, there is no O 2 reduction at the cathode but CO 2 reduction. Since CO 2 is a much weaker oxidizing agent than O 2 , an adequate voltage is usually applied to the cell for the reaction to take place. Furthermore, an anion-conducting membrane (AEM) is preferably used in such embodiments, as a result of which the water formation can take place above all at the anode. With PEM fuel cells, water is generated at the cathode. The third essential difference is that in the PEM fuel cell only gases are converted into liquids (gas-to-liquid), while gaseous products can be produced on both electrodes. This is particularly advantageous on the anode, since the gases emerging from the anode, preferably an anode GDE, can carry the water formed during the reaction with them from the electrode. This reduces the risk of the electrodes drowning / flooding, as is known from PEM fuel cells.
Die Elektroden für diese Art des Zellaufbaus sind bevorzugt mit der direkten Anbindung an die gemeinsame Membran, beispielsweise eine Polymer-Elektrolytmembran, z.B. eine AEM, kompatibel. Bevorzugt enthalten daher die jeweiligen Elektroden, z.B. eine katalysatorhaltige Schicht der Elektroden, welche an die Membran angrenzt, einen Anion leitenden Zusatz wie ein Ionomer, der bevorzugt in seiner chemischen Natur der Membran, beispielsweise der Natur des Membranpolymers, ähnlich oder identisch ist. Hierdurch kann der Anionentransport von Hydrogencarbonat- und/oder Carbonationen weiter verbessert werden.The electrodes for this type of cell structure are preferably connected directly to the common membrane, for example a polymer electrolyte membrane, e.g. an AEM, compatible. The respective electrodes, e.g. a catalyst-containing layer of the electrodes, which adjoins the membrane, an anion-conducting additive such as an ionomer, which is preferably similar or identical in its chemical nature to the membrane, for example the nature of the membrane polymer. In this way, the anion transport of hydrogen carbonate and / or carbonate ions can be further improved.
Die Elektroden, insbesondere katalysatorhaltigen Schichten der Elektroden, können dabei sowohl Teil der Membran wie in einer CCM (catalyst coated membrane; mit Katalysator beschichteten Membran), oder Teil der Elektrode, z.B. der GDE, sein. Falls der Katalysator Teil der Membran ist, kann die Kontaktierung bevorzugt durch eine inerte poröse Elektrode, beispielsweise einer GDL erfolgen. Beide Elektrodenkonzepte sind beliebig für Anode und Kathode kombinierbar. Beispielsweise kann eine einseitig katalysatorbeschichte Membran von der katalysatorbeschichteten Seite durch eine inerte GDL und von der anderen Seite durch eine katalysatorhaltige GDE kontaktiert werden, etc.The electrodes, in particular catalyst-containing layers of the electrodes, can either be part of the membrane as in a CCM (catalyst coated membrane) or part of the electrode, e.g. the GDE. If the catalyst is part of the membrane, the contact can preferably be made by an inert porous electrode, for example a GDL. Both electrode concepts can be combined as required for the anode and cathode. For example, a catalyst-coated membrane on one side can be contacted from the catalyst-coated side by an inert GDL and from the other side by a catalyst-containing GDE, etc.
Die katalysatorhaltigen Elektroden können ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein, sofern sie in der Lage sind die Membran direkt zu kontaktieren. Neben einer idealerweise ionomerhaltigen Katalysatorschicht können beispielweise noch inerte hydrophobe Gasdiffusionsschichten zur besseren Gaskontaktierung vorhanden sein, wie oben beschrieben.The catalyst-containing electrodes can be constructed in one or more layers, provided that they are able to contact the membrane directly. In addition to an ideally ionomer-containing catalyst layer, for example, inert hydrophobic gas diffusion layers can also be present for better gas contact, as described above.
In alternativen Ausführungsformen sind die Anode und die Kathode durch mindesten einen Elektrolytraum oder auch zwei oder mehrere Elektrolyträume zwischen den beiden Elektroden getrennt. Hierbei kann auch zwischen dem Anoden- und/oder Kathodenraum und dem einen oder mehreren Elektrolyträumen ein Separator, beispielsweise eine Membran, vorgesehen sein, und/oder bevorzugt die jeweilige Elektrode zur Trennung des Anoden- und/oder Kathodenraums vom dem einen oder mehreren Elektrolyträumen dienen, um Stromverluste durch Separatoren zu vermeiden. Ein Vorteil solcher Ausführungsformen ist, dass an der Anode entstehendes Wasser über den Elektrolyten ausgetragen werden kann, wobei hier ggf. eine Verdünnung eintritt, die bei einer Rückführung des Elektrolyten dann gemäß bestimmten Ausführungsformen geeignet ausgeglichen werden sollte, beispielsweise durch ein entsprechendes Konzentrieren des Elektrolyten. In solchen Ausführungsformen mit mindestens einem Elektrolytraum ist der Elektrolyt nicht besonders beschränkt und ist beispielsweise wässrig. Die ionische Anbindung der Elektroden kann also beispielsweise durch einen umgepumpten wässrigen Elektrolyten erfolgen.In alternative embodiments, the anode and the cathode are separated by at least one electrolyte space or else two or more electrolyte spaces between the two electrodes. Here, a separator, for example a membrane, can also be provided between the anode and / or cathode space and the one or more electrolyte spaces, and / or preferably the respective electrode can be used to separate the anode and / or cathode space from the one or more electrolyte spaces to avoid power loss through separators. One advantage of such embodiments is that water formed at the anode can be discharged via the electrolyte, a dilution possibly occurring here, which should then be suitably compensated for in accordance with certain embodiments when the electrolyte is recycled, for example by correspondingly concentrating the electrolyte. In such embodiments with at least one electrolyte space, the electrolyte is not particularly limited and is, for example, aqueous. The electrodes can therefore be ionically bound, for example, by means of a pumped-around aqueous electrolyte.
So mehr als ein Elektrolytraum vorhanden ist, der auch als Salzbrückenraum bezeichnet werden kann, kann jeweils zwischen zwei Elektrolyträumen ein geeigneter Separator, beispielsweise eine Membran, z.B. eine AEM, vorgesehen sein, wobei der jeweilige Separator, beispielsweise die jeweilige Membran, nicht besonders beschränkt ist. In manchen Fällen kann es beispielsweise vorteilhaft sein, zwei Elektrolytspalte und eine Trennmembran zu verwenden, um eine Diffusion von H2 durch den Elektrolyten auf ein Minimum zu beschränken.If there is more than one electrolyte space, which can also be referred to as a salt bridge space, a suitable separator, for example a membrane, for example an AEM, can be provided in each case between two electrolyte spaces, the particular separator, for example the respective membrane, not being particularly limited , In some cases, for example, it may be advantageous to use two electrolyte gaps and a separating membrane in order to minimize diffusion of H 2 through the electrolyte.
Der wesentliche Unterschied beider Zellen liegt darin, dass im zweiten Fall das entstehende Wasser vom flüssigen Elektrolyten aufgenommen werden kann, während es im ersten Fall bevorzugt mit dem anodenseitigen Produkt-Gasstrom abtransportiert wird.The main difference between the two cells is that in the second case the water that is formed can be absorbed by the liquid electrolyte, while in the first case it is preferably carried away with the product gas stream on the anode side.
So das Wasser in solchen Ausführungsformen abtransportiert wird, kann es hierbei geeignet abgetrennt werden, z.B. durch Kühlfallen, Abscheider, etc. If the water is transported away in such embodiments, it can be suitably separated, for example by cold traps, separators, etc.
In beiden Ausgestaltungen können eine oder mehrere Membranen vorgesehen sein, bevorzugt mindestens eine AEM.In both configurations, one or more membranes can be provided, preferably at least one AEM.
Insbesondere wenn die eine oder mehrere Membranen, insbesondere Ausgestaltungen mit Elektrolytraum, rein zur Gastrennung und/oder zum Erosionsschutz verwendete werden sollen, werden als Membranen bevorzugt anionenleitende Membranen (AEMs) verwendet, wodurch der Ladungstransport-Mechanismus in der Zelle nicht verändert wird. Wenn vor der Anode eine kationen-, beispielsweise protonenleitende, Membran (CEM) verwendet wird, kann eine Neutralisation der Karbonate an der Membran-Elektrolyt-Grenzfläche erfolgen. Entsprechend wird dann auch an der Anode kein CO2 mehr freisetzt sondern lediglich H2 verbraucht. Da in einem solchen Setup allerdings Gase im Elektrolytraum freisetzt werden, ist hier mit einem erhöhten Aufwand bei der Ausgestaltung der Zelle zu rechnen, ähnlich wie bei der CO2 Elektrolyse, die in
Die Verwendung von CEMs oder Bipolar-Membranen auf der Kathode bzw. Kathodenseite ist erfindungsgemäß ebenfalls nicht ausgeschlossen, ist jedoch gemäß bestimmten Ausführungsformen bei einer Herstellung von CO nicht bevorzugt, da weder ein Kationenstrom durch die Kathode noch ein Protonenstrom in die Kathode für CO2 zu einer CO Umsetzung von Vorteil sind.The use of CEMs or bipolar membranes on the cathode or cathode side is also not excluded according to the invention, but is not preferred in certain embodiments in the production of CO, since neither a cation flow through the cathode nor a proton flow into the cathode for CO 2 CO implementation are an advantage.
Für CO2-Elektrolyse Zellen gleichen Aufbaus war zudem in DE102018202184.8) gezeigt worden, dass für den Betrieb grundsätzlich keine Trennmembranen erforderlich sind, da die Gas-Flüssig-Trennung durch adäquat ausgeführte GDEs bewerkstelligt werden kann.For CO 2 electrolysis cells of the same structure, it was also shown in DE102018202184.8) that no separation membranes were required for operation, since the gas-liquid separation can be achieved by adequately implemented GDEs.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird der Anode ein Überschuss an H2 im Vergleich zur Umsatzrate von CO2 an der Kathode (z.B. bestimmt durch die Stromdichte) zugegeben, und an der Anode entstehendes CO2 wird mit dem verbleibenden H2 zusätzlich zur Kathode zugeführt, wobei an der Kathode ein Gas umfassend Synthesegas gebildet wird.According to certain embodiments, an excess of H 2 compared to the conversion rate of CO 2 at the cathode (for example determined by the current density) is added to the anode, and CO 2 formed at the anode is supplied to the cathode with the remaining H 2 , whereby on a gas comprising synthesis gas is formed on the cathode.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei niedrigen Temperaturen T, beispielsweise von 200°C oder weniger, bevorzugt von 150°C oder weniger, beispielsweise von < 100°C, z.B. in einem Bereich von 50°C ≤ T ≤ 90°C, z.B. in einem Bereich von 80°C ≤ T ≤ 90°C, durchgeführt werden.The process according to the invention can in particular be carried out at low temperatures T, for example of 200 ° C or less, preferably of 150 ° C or less, for example <100 ° C, e.g. in a range of 50 ° C ≤ T ≤ 90 ° C, e.g. in a range of 80 ° C ≤ T ≤ 90 ° C.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Umsetzung eines Gases umfassend CO2 zu einem Produktgas, bevorzugt zur Herstellung eines Produktgases umfassend CO aus einem Gas umfassend CO2, umfassend eine erste Elektrolysezelle umfassend einen ersten Kathodenraum umfassend eine erste Kathode, welche ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, und welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend CO2 umzusetzen, bevorzugt zu einem Produktgas umfassend CO, und einen ersten Anodenraum umfassend eine erste Anode, welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend H2 zu einem Produkt umfassend Protonen umzusetzen;
eine erste Zuführeinrichtung für das Gas umfassend CO2, welche dazu ausgebildet ist, dem ersten Kathodenraum der ersten Elektrolysezelle das Gas umfassend CO2 zuzuführen;
eine zweite Zuführeinrichtung für das Gas umfassend H2, welche dazu ausgebildet ist, dem ersten Anodenraum der ersten Elektrolysezelle das Gas umfassend H2 zuzuführen;
eine erste Abführeinrichtung für das Produktgas, bevorzugt das Produktgas umfassend CO, welche dazu ausgebildet ist, das Produktgas, bevorzugt das Produktgas umfassend CO, vom ersten Kathodenraum abzuführen; und
eine zweite Abführeinrichtung für ein Gas umfassend CO2, welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend CO2 vom ersten Anodenraum abzuführen.In a further aspect, the present invention relates to a device for converting a gas comprising CO 2 to a product gas, preferably for producing a product gas comprising CO from a gas comprising CO 2 , comprising a first electrolytic cell comprising a first cathode space comprising a first cathode, which a Comprises metal, which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, and which is designed to convert a gas comprising CO 2 , preferably to a product gas comprising CO, and a first anode space comprising a first anode which is designed to convert a gas comprising H 2 to a product comprising protons;
a first supply device for the gas comprising CO 2 , which is designed to supply the gas comprising CO 2 to the first cathode compartment of the first electrolytic cell;
a second supply device for the gas comprising H 2 , which is designed to supply the gas comprising H 2 to the first anode space of the first electrolytic cell;
a first discharge device for the product gas, preferably the product gas comprising CO, which is designed to discharge the product gas, preferably the product gas comprising CO, from the first cathode compartment; and
a second discharge device for a gas comprising CO 2 , which is designed to discharge a gas comprising CO 2 from the first anode space.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Entsprechend können auch bestimmte Aspekte, welche im Hinblick auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Anwendung finden.In particular, the method according to the invention can be carried out with the device according to the invention. Correspondingly, certain aspects which are described with regard to embodiments of the method according to the invention can also be used in the device according to the invention.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die eine erste Elektrolysezelle nicht besonders beschränkt, sofern sie einen ersten Kathodenraum umfassend eine erste Kathode, welche ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ag, Au, Zn, Pd, Cu, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, und welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend CO2 umzusetzen, bevorzugt zu einem Produktgas umfassend CO, und einen ersten Anodenraum umfassend eine erste Anode, welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend H2 zu einem Produkt umfassend Protonen umzusetzen, umfasst.In the device according to the invention, the first electrolysis cell is not particularly limited, provided that it comprises a first cathode space comprising a first cathode which comprises a metal which is selected from the group comprising Ag, Au, Zn, Pd, Cu, and / or alloys and / or mixtures thereof, and which is designed to convert a gas comprising CO 2 , preferably to a product gas comprising CO, and a first anode space comprising a first anode which is designed to convert a gas comprising H 2 to a product comprising protons , includes.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erste Anode ein Metall, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr und/oder Mo, sowie Oxiden und/oder Legierungen davon und/oder metallorganischen Systemen wie z.B. Porphyrinen, insbesondere von Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr und/oder Mo, und/oder Mischungen davon.According to certain embodiments, the first anode comprises a metal which is selected from the group comprising Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr and / or Mo, as well as oxides and / or alloys thereof and / or organometallic systems such as porphyrins, in particular of Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Fe, Cu, Co, Ti, Cr and / or Mo, and / or mixtures thereof.
Die Elektrolysezelle kann entsprechend ein geeignetes Gehäuse umfassen, welches zumindest sicherstellt, dass die zugeführten Gase zum Kathodenraum und/oder Anodenraum nicht entweichen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist die erste Elektrolysezelle ein Gehäuse auf, welches zumindest die erste Zuführeinrichtung, die zweite Zuführeinrichtung, die erste Abführeinrichtung und die zweite Abführeinrichtung umfasst und beispielsweise nur die erste Zuführeinrichtung, die zweite Zuführeinrichtung, die erste Abführeinrichtung und die zweite Abführeinrichtung aufweist, darüber hinaus aber im Wesentlichen keinen Gasaustausch - abgesehen von unvermeidbaren Verlusten - zur Umgebung ermöglicht.The electrolysis cell can accordingly comprise a suitable housing, which at least ensures that the gases supplied do not escape to the cathode compartment and / or anode compartment. According to certain embodiments, the first electrolytic cell has a housing which comprises at least the first feed device, the second feed device, the first discharge device and the second discharge device and, for example, only has the first feed device, the second feed device, the first discharge device and the second discharge device, above it beyond that, essentially no gas exchange - apart from unavoidable losses - to the surroundings.
Der erste Kathodenraum umfasst die erste Kathode, wobei die erste Kathode gemäß bestimmten Ausführungsformen den ersten Kathodenraum zumindest teilweise begrenzt.The first cathode space comprises the first cathode, the first cathode at least partially delimiting the first cathode space in accordance with certain embodiments.
Der erste Anodenraum umfasst die erste Anode, wobei die erste Anode gemäß bestimmten Ausführungsformen den ersten Anodenraum zumindest teilweise begrenzt.The first anode space comprises the first anode, the first anode at least partially delimiting the first anode space in accordance with certain embodiments.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Kathode und/oder Anode als Gasdiffusionselektrode (GDE) ausgebildet.According to certain embodiments, the cathode and / or anode are designed as a gas diffusion electrode (GDE).
Die Ausführung der jeweiligen Gasdiffusionselektrode ist hierbei nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die jeweilige Gasdiffusionselektrode einen Gasraum und einen Elektrolytraum trennen, an einem Separator liegen, beispielsweise einer Membran, oder mit einem Separator, beispielsweise einer Membran, verbunden sein.The design of the respective gas diffusion electrode is not particularly limited. For example, the respective gas diffusion electrode can separate a gas space and an electrolyte space, lie on a separator, for example a membrane, or can be connected to a separator, for example a membrane.
Für die Ausführung der Elektroden bestehen keine Einschränkungen. Insbesondere sind sie dazu ausgebildet, einen Gas- und einen Elektrolytraum voneinander zu trennen, Reaktionsgase in den Gasraum abzuführen und/oder für die jeweiligen elektrochemischen Umsetzungen passende Katalysatoren ausweisen.There are no restrictions on the design of the electrodes. In particular, they are designed to separate a gas and an electrolyte space from one another, to discharge reaction gases into the gas space and / or to identify suitable catalysts for the respective electrochemical reactions.
Es kann sich dabei beispielsweise um poröse hydrophobe Elektroden, beispielsweise GDEs, GDE-Membran Verbünde oder halbseitig katalysatorbeschichte Membranen handeln.These can be, for example, porous hydrophobic electrodes, for example GDEs, GDE membrane composites or half-sided catalyst-coated membranes.
Die GDEs können verschiedene Schichten ausweisen. Hierzu zählen beispielweise:
- • Katalytisch inaktive, hydrophobe, elektrisch leitfähige Katalysatorschichten beispielsweise auf Kohlenstoffbasis;
- • Elektrochemisch aktive Katalysatorschichten, die beispielsweise neben dem Katalysator noch hydrophobe Binderpolymere, welche nicht beschränkt sind, oder hydrophile ionenleidende Komponenten, welche ebenfalls nicht beschränkt sind, umfassen können; wenn die Elektroden einen Verbund mit einer ionenselektiven Membran bilden, sind diese ionenleitenden Zusätze insbesondere auf die Natur der Membran abgestimmt, sodass beispielsweise bei einer Anionentransportmembran, bevorzugt Anionenaustauschermembran (AEM) die ionenleitenden Zusätze ebenfalls anionenleitend sein können, etc.
- • Nicht geschlossene Deckschichten aus beispielsweise Ionenaustauschermaterialen oder hydrophoben Polymeren, die einen Übergang zu einer Membran oder zum Gasraum verbessern können.
- • Catalytically inactive, hydrophobic, electrically conductive catalyst layers, for example based on carbon;
- • Electrochemically active catalyst layers which, for example, in addition to the catalyst, can also comprise hydrophobic binder polymers, which are not restricted, or hydrophilic, ion-impaired components, which are likewise not restricted; If the electrodes form a composite with an ion-selective membrane, these ion-conducting additives are matched in particular to the nature of the membrane, so that, for example in the case of an anion transport membrane, preferably an anion exchange membrane (AEM), the ion-conducting additives can also be anion-conducting, etc.
- • Non-closed cover layers made of, for example, ion exchange materials or hydrophobic polymers, which can improve a transition to a membrane or to the gas space.
In den jeweiligen Elektroden können jeweils eine oder mehrere dieser Schichten vorgesehen sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind jedoch zumindest hydrophobe Zusätze bzw. sogar poröse hydrophobe Schichten in den Elektroden auf der jeweiligen Seite der Gaszufuhr und bevorzugt Gasabfuhr vorhanden, um die Gase effizient zur jeweiligen katalytisch aktiven Schicht bringen zu können und gasförmige Produkte effizient abführen zu können.One or more of these layers can be provided in each of the electrodes. According to certain embodiments, however, at least hydrophobic additives or even porous hydrophobic layers are present in the electrodes on the respective side of the gas supply and preferably gas discharge in order to be able to bring the gases efficiently to the respective catalytically active layer and to be able to efficiently remove gaseous products.
Auch kann es sich bei der jeweiligen Elektrode um eine einschichtige poröse Schicht aus dem Katalysator, weiterestgehend hydrophoben Bindern sowie Füllstoffen und Ionentauscher Materialen. Hierbei sollte bevorzugt allerdings gewährleistet sein, dass die Elektrode insgesamt hydrophob ist und nur die Elektrolyt-Kontaktfläche als Folge der elektrochemischen Umsetzung (und den dadurch gebildeten adsorbierten Ionen) hydrophil wird.The respective electrode can also be a single-layer porous layer made of the catalyst, largely hydrophobic binders, and also fillers and ion-exchange materials. In this case, however, it should preferably be ensured that the electrode as a whole is hydrophobic and only the electrolyte contact area becomes hydrophilic as a result of the electrochemical reaction (and the adsorbed ions formed thereby).
Des Weiteren ist es natürlich möglich eine oder beide Elektroden als Membran-Verbund-Elektroden mit ionsenselektiven/ionenleitenden-Membranen (ISM, ion selective membrane), beispielsweise anionenselektiven bzw. anionenleitenden Membran, oder als halbseitig katalysatorbeschichtete Membran-Elektroden auszuführen. Dies kann auch zur Verbesserung der Gastrennung und/oder zur Verbesserung der Erosionsbeständigkeit der Katalysatoren beitragen.Furthermore, it is of course possible to design one or both electrodes as composite membrane electrodes with ion-selective / ion-conducting membranes (ISM, ion-selective membrane), for example anion-selective or anion-conducting membranes, or as half-sided catalyst-coated membrane electrodes. This can also contribute to improving gas separation and / or improving the erosion resistance of the catalysts.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen können die Elektroden von der der jeweiligen Gegen-Elektrode abgewandter Seite mit dem jeweiligen Edukt-Gas versorgt werden, also im Fall der Kathode mit dem Gas umfassend CO2 und im Fall der Anode mit dem Gas umfassend H2.According to certain embodiments, the electrodes can be supplied with the respective educt gas from the side facing away from the respective counter-electrode, ie in the case of the cathode with the gas comprising CO 2 and in the case of the anode with the gas comprising H 2 .
Die Anode und die Kathode können verschieden aufgebaut sein hinsichtlich ihrer Ausführungsformen (einschichtig oder mehrschichtig; an einem Separator bzw. bevorzugt einer Membran anliegend oder nicht; mit entsprechenden ionenleitenden Zusätzen oder nicht; etc.) und können insbesondere an die umzusetzenden Gase und deren Produkte angepasst sein.The anode and the cathode can be constructed differently with regard to their embodiments (single-layer or multi-layer; adjoining a separator or preferably a membrane or not; with corresponding ion-conducting additives or not; etc.) and can in particular be adapted to the gases to be reacted and their products his.
Da beispielsweise auf Kathodenseite Anionen gebildet werden können, sind in der Kathode gemäß bestimmten Ausführungsformen anionenleitende Zusätze vorhanden, und die Anode kann beispielsweise an eine Anionen transportierende Membran, beispielsweise eine AEM, anliegen bzw. bevorzugt mit dieser zumindest teilweise verbunden sein.Since, for example, anions can be formed on the cathode side, according to certain embodiments, anion-conducting additives are present in the cathode, and the anode can, for example, abut an anion-transporting membrane, for example an AEM, or preferably be at least partially connected to it.
Entsprechend können auch auf Anodenseite Zusätze für einen Protonentransport zugesetzt werden.Accordingly, additives for proton transport can also be added on the anode side.
Ebenfalls ist die erste Zuführeinrichtung für das Gas umfassend CO2, welche dazu ausgebildet ist, dem ersten Kathodenraum der ersten Elektrolysezelle das Gas umfassend CO2 zuzuführen, nicht besonders beschränkt. Diese kann beispielsweise als Leitung, z.B. Schlauch, Rohr, etc. ausgeführt sein und ist geeignet, ein Gas umfassend CO2 zu leiten.Likewise, the first supply device for the gas comprising CO 2 , which is designed to supply the gas comprising CO 2 to the first cathode compartment of the first electrolytic cell, is not particularly limited. This can be designed, for example, as a line, for example a hose, pipe, etc. and is suitable for conducting a gas comprising CO 2 .
Zudem ist auch die zweite Zuführeinrichtung für das Gas umfassend H2, welche dazu ausgebildet ist, dem ersten Anodenraum der ersten Elektrolysezelle das Gas umfassend H2 zuzuführen, nicht besonders beschränkt. Diese kann ebenfalls beispielsweise als Leitung, z.B. Schlauch, Rohr, etc. ausgeführt sein und ist geeignet, ein Gas umfassend H2 zu leiten.In addition, the second supply device for the gas comprising H 2 , which is designed to supply the gas comprising H 2 to the first anode space of the first electrolytic cell, is not particularly limited. This can also be designed, for example, as a line, for example a hose, tube, etc. and is suitable for conducting a gas comprising H 2 .
Für die erste Abführeinrichtung für das Produktgas, bevorzugt das Produktgas umfassend CO, welche dazu ausgebildet ist, das Produktgas, bevorzugt das Produktgas umfassend CO, vom ersten Kathodenraum abzuführen, ergeben sich darüber hinaus ebenfalls keine Einschränkungen. Auch diese kann beispielsweise als Leitung, z.B. Schlauch, Rohr, etc. ausgeführt sein und ist geeignet, ein Produktgas, bevorzugt umfassend CO, zu leiten.There are also no restrictions for the first discharge device for the product gas, preferably the product gas comprising CO, which is designed to discharge the product gas, preferably the product gas comprising CO, from the first cathode compartment. This can also be used, for example, as a line, e.g. Hose, pipe, etc. are designed and is suitable to conduct a product gas, preferably comprising CO.
Zudem ist die zweite Abführeinrichtung für ein Gas umfassend CO2, welche dazu ausgebildet ist, ein Gas umfassend CO2 vom ersten Anodenraum abzuführen, nicht besonders beschränkt, sofern sie ein Gas umfassend CO2 aus dem ersten Anodenraum abführen kann. Diese kann beispielsweise als Leitung, z.B. Schlauch, Rohr, etc. ausgeführt sein und ist geeignet, ein Gas umfassend CO2 zu leiten.In addition, the second discharge device for a gas comprising CO 2 , which is designed to discharge a gas comprising CO 2 from the first anode space, is not particularly limited, provided that it can discharge a gas comprising CO 2 from the first anode space. This can be designed, for example, as a line, for example a hose, pipe, etc. and is suitable for conducting a gas comprising CO 2 .
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine oder mehrere Separatoren, beispielsweise eine oder mehrere Membranen, aufweisen, beispielsweise eine oder mehrere AEMs.In addition, as in connection with the method according to the invention, the device according to the invention can have one or more separators, for example one or more membranes, for example one or more AEMs.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter eine zweite Elektrolysezelle, welche dazu ausgebildet ist, das Gas umfassend H2 aus Wasser herzustellen; und eine dritte Abführeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das Gas umfassend H2 aus der zweiten Elektrolysezelle abzuführen, wobei die dritte Abführeinrichtung mit der zweiten Zuführeinrichtung verbunden ist. Die zweite Elektrolysezelle und die dritte Abführeinrichtung sind hierbei nicht besonders beschränkt. Die zweite Elektrolysezelle kann beispielsweise ein geeigneter Wasserelektrolyseur sein, und die dritte Abführeinrichtung eine Leitung wie ein Schlauch oder ein Rohr, welche mit der zweiten Zuführeinrichtung verbunden ist.According to certain embodiments, the device according to the invention further comprises a second electrolysis cell which is designed to produce the gas comprising H 2 from water; and a third discharge device which is designed to discharge the gas comprising H 2 from the second electrolytic cell, the third discharge device being connected to the second supply device. The second electrolytic cell and the third discharge device are not particularly limited here. The second electrolytic cell can be, for example, a suitable water electrolyzer, and the third discharge device can be a line such as a hose or a pipe, which is connected to the second feed device.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die erste Kathode und/oder die erste Anode als Gasdiffusionselektrode ausgebildet.According to certain embodiments, the first cathode and / or the first anode are designed as a gas diffusion electrode.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die erste Anode und die erste Kathode durch eine erste Membran, bevorzugt eine Anionenaustauschermembran, getrennt.According to certain embodiments, the first anode and the first cathode are separated by a first membrane, preferably an anion exchange membrane.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen liegen die erste Anode und die erste Kathode an der ersten Membran an.According to certain embodiments, the first anode and the first cathode abut the first membrane.
In alternativen Ausführungsformen sind die Anode und die Kathode durch mindestens einen Elektrolytraum zwischen den beiden Elektroden getrennt, wie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, worauf hier Bezug genommen wird. Bei mehr als einem Elektrolytraum kann ein geeigneter Separator zwischen jeweils zwei Elektrolyträumen vorgesehen sein, beispielsweise eine Membran, z.B. eine AEM.In alternative embodiments, the anode and the cathode are separated by at least one electrolyte space between the two electrodes, as described above in connection with the method according to the invention, to which reference is made here. If there is more than one electrolyte compartment, a suitable separator can be provided between two electrolyte compartments, for example a membrane, e.g. an AEM.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Abführeinrichtung mit der ersten Zuführeinrichtung verbunden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn ein H2-Überschuss im Vergleich zur Umsatzrate von CO2 an der Kathode in der Elektrolysezelle verwendet wird und Überschuss-H2 zu einem Produktgas umfassend CO zugemischt werden kann, um Synthesegas zu bilden. Hier kann Wasser, welches sich im Produktgas umfassend CO2 finden kann, gegebenenfalls geeignet abgetrennt werden, beispielsweise indem in der Verbindung zwischen der zweiten Abführeinrichtung und der ersten Zuführeinrichtung eine geeignete Abtrenneinrichtung für Wasser vorgesehen ist, beispielsweise mindestens ein Abscheider, eine Kühlfalle, etc.According to certain embodiments, the second discharge device is connected to the first feed device. This is particularly advantageous if an excess of H 2 compared to the rate of conversion of CO 2 at the cathode is used in the electrolysis cell and excess H 2 can be mixed into a product gas comprising CO in order to form synthesis gas. Here, water, which can be found in the product gas comprising CO 2 , can be suitably separated, for example by providing a suitable separation device for the connection between the second discharge device and the first feed device Water is provided, for example at least one separator, a cold trap, etc.
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 described above or below with reference to the exemplary embodiments, which are not explicitly mentioned. 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.
Die Erfindung wird im Anschluss mit Bezug auf verschiedene Beispiele davon weiter im Detail erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.The invention will be explained in more detail below with reference to various examples thereof. However, the invention is not limited to these examples.
BeispieleExamples
Beispiel 1:Example 1:
Eine erste beispielhafte Ausführungsform ist in
Hierbei wird ein Eduktstrom umfassend CO2 über die erste Zuführeinrichtung
Die ionische Anbindung der Elektroden kann in dieser beispielhaften Ausführungsform durch einen umgepumpten wässrigen Elektrolyten erfolgen.In this exemplary embodiment, the electrodes can be ionically bonded by means of a pumped-over aqueous electrolyte.
Beispiel 2Example 2
In
Beispiel 3Example 3
Der in
Beispiel 4Example 4
In
Die Zelle enthält ebenfalls zwei Gasdiffusionselektroden GDE-K, GDE-A, die direkt eine anionenleitende Membran AEM, kontaktieren. Weiterhin umfasst die Zelle zwei Gasräume I, III hinter den beiden GDEs. Durch die beiden Gasräume I, III wird üblicherweise kein flüssiger Elektrolyt oder Wasser gepumpt. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass die Gasströme zum besseren feuchthalten der Membran einen gewissen Volumenanteil Wasserdampf ausweisen.The cell also contains two gas diffusion electrodes GDE-K, GDE-A, which directly contact an anion-conducting membrane AEM. Furthermore, the cell comprises two gas spaces I, III behind the two GDEs. No liquid electrolyte or water is usually pumped through the two gas spaces I, III. However, it is not excluded that the gas flows have a certain volume of water vapor to keep the membrane moist.
Beispiel 5:Example 5:
In
In
Zum Einstellen eines gewünschten Synthesegas-Gemisches ist also lediglich eine Anpassung der Stromstärken in beiden Zellen erforderlich.To set a desired synthesis gas mixture, it is therefore only necessary to adapt the current strengths in both cells.
Es ist in dieser Anordnung nicht bevorzugt, die Kathode der
Theoretisch kann für den Fall y=x auch reines CO erzeugt. In der Praxis ist dies aber meist nicht praktikabel, da das Anoden-Feedgas der
Beispiel 6Example 6
Eine weitere Ausführungsform mit
Beispiel 7Example 7
Eine noch weitere Ausführungsform mit
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine rWGS-Reaktion in einer elektrochemischen Zelle bei niedrigen Temperaturen von z.B. < 200°C, insbesondere < 100°C, durchgeführt werden. Hierdurch werden die Nachteile der derzeit diskutierten thermischen Verfahren gezielt umgangen.With the method according to the invention, an rWGS reaction in an electrochemical cell at low temperatures of e.g. <200 ° C, in particular <100 ° C, are carried out. This avoids the disadvantages of the thermal processes currently being discussed in a targeted manner.
Des Weiteren kann eine Rückführung des anodenseitig freigesetzten CO2 ohne zwischengeschalte Gasseparation in den Kathoden-Feed erfolgen, wodurch der CO2 Umsatz gesteigert werden kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann ein Einstellen eines beliebigen Synthese-Gas Gemisches durch ein Einstellen der Stromstärken in in Serie geschalteten H2O-Elektrolyseuren und ErWGS-Zellen erfolgen.Furthermore, the CO 2 released on the anode side can be returned to the cathode feed without interposed gas separation, as a result of which the CO 2 conversion can be increased. According to certain embodiments, any synthesis gas mixture can be set by setting the current strengths in series-connected H 2 O electrolyzers and ErWGS cells.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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