DE102019205316A1 - Energy-efficient hydrogen production - Google Patents

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Katharina Meltzer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur energieeffizienten Wasserstoffherstellung und eine Vorrichtung dazu. Eine Kohlenstoffdioxidelektrolyse (3), in der ein Intermediat, aufweisend Formiat und/oder Ameisensäure, erzeugt wird mit einer anschließenden thermische Zersetzung (12) des Intermediats kombiniert, in der Wasserstoff (H2) freigesetzt wird. Beispielsweise kann die Abwärme (37) der Kohlenstoffdioxidelektrolyse (3) zur thermischen Zersetzung (12) des Intermediats genutzt werden.The present invention relates to a method for energy-efficient hydrogen production and a device for this. A carbon dioxide electrolysis (3) in which an intermediate containing formate and / or formic acid is produced is combined with a subsequent thermal decomposition (12) of the intermediate in which hydrogen (H2) is released. For example, the waste heat (37) from the carbon dioxide electrolysis (3) can be used for the thermal decomposition (12) of the intermediate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur energieeffizienten Wasserstoffherstellung und eine Vorrichtung dazu.The present invention relates to a method for energy-efficient hydrogen production and a device for this.

Stand der TechnikState of the art

Fossile Energieträger verursachen Kohlenstoffdioxidemissionen, die nicht im Einklang mit den globalen Klimaschutzzielen stehen. Aus diesem Grund wird zum Beispiel auch in Deutschland der Ausbau erneuerbarer Energien stark gefördert und vorangetrieben. In Regionen der Welt mit sehr guten Wetterbedingungen für Solar- und Windkraftwerke sind heute schon Stromerzeugungskosten von unter 3 Cent pro Kilowattstunde möglich. Allerdings ist die Erzeugung regenerativen Stroms örtlichen sowie zeitlichen Schwankungen unterworfen. Zudem befinden sich Standorte mit sehr guten Wetterbedingungen, wie zum Beispiel Wüsten und unbesiedelte Küstenlinien, nicht in direkter Nähe von elektrischen Lastzentren, wie Städten und Industrieanlagen. Derzeit wird nach Ansätzen gesucht, diesen kostengünstig verfügbaren elektrischen Strom sinnvoll zu nutzen und beispielsweise chemische Wertprodukte herzustellen. Eine Möglichkeit ist dabei die elektrochemische Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.Fossil fuels cause carbon dioxide emissions that are not in line with global climate protection goals. For this reason, for example, the expansion of renewable energies is being strongly promoted and promoted in Germany. In regions of the world with very good weather conditions for solar and wind power plants, electricity generation costs of less than 3 cents per kilowatt hour are possible today. However, the generation of renewable electricity is subject to local and temporal fluctuations. In addition, locations with very good weather conditions, such as deserts and unpopulated coastlines, are not in the immediate vicinity of electrical load centers such as cities and industrial plants. Attempts are currently being made to make sensible use of this inexpensive electricity and, for example, to manufacture chemical products of value. One possibility is the electrochemical conversion of water into hydrogen and oxygen.

Bisher eingesetzte Wasserstofferzeugungsverfahren verlangen einen sehr hohen Energieaufwand. Der praktische Energieaufwand zur Erzeugung von Wasserstoff ist in erster Näherung proportional zur Zellspannung der Wasserstoffelektrolyse. Der Zellwirkungsgrad eines Wasserelektrolyseurs ist das Verhältnis von theoretischem zu tatsächlichem Energieaufwand. Das untere Limit, bei welcher Spannung eine Elektrolyse stattfinden kann, ist die sogenannte ΔG0-Spannung, welche bei der elektrolytischen Spaltung von flüssigem Wasser bei etwa 1,23 V liegt. Die thermoneutrale Gleichgewichtsspannung, also die Spannung, bei der die Temperatur während der Elektrolysereaktion konstant bleibt, liegt bei ca. 1,48 V. Das bedeutet, dass es aus thermodynamischer Sicht möglich ist, einen Teil der chemischen Energie des Produktes Wasserstoff thermisch, und zwar aus der Umgebungswärme, aufzubringen. Aus technischen und vor allem wirtschaftlichen Gründen werden Niedertemperaturelektrolyseure, das sind PEM- und alkalische Elektrolyseure, jedoch nicht mit Zellspannungen im Bereich von 1,23 V bis 1,48 V betrieben, da dies nur bei sehr geringen Stromdichten möglich wäre. In Konsequenz wird bei diesen Technologien daher bisher sämtliche Energie in elektrischer Form aufgebracht.Hydrogen production processes used up to now require a very high expenditure of energy. As a first approximation, the practical energy expenditure for generating hydrogen is proportional to the cell voltage of the hydrogen electrolysis. The cell efficiency of a water electrolyser is the ratio of theoretical to actual energy expenditure. The lower limit at which voltage electrolysis can take place is the so-called ΔG 0 voltage, which is around 1.23 V in the electrolytic splitting of liquid water. The thermo-neutral equilibrium voltage, i.e. the voltage at which the temperature remains constant during the electrolysis reaction, is around 1.48 V. This means that from a thermodynamic point of view it is possible to use part of the chemical energy of the product hydrogen thermally, namely from the ambient heat. For technical and, above all, economic reasons, low-temperature electrolysers, i.e. PEM and alkaline electrolysers, are not operated with cell voltages in the range from 1.23 V to 1.48 V, since this would only be possible with very low current densities. As a consequence, all energy in these technologies has so far been applied in electrical form.

In der Hochtemperaturelektrolyse (SOE), welche bei Betriebstemperaturen zwischen ca. 850 °C und 1.000 °C abläuft, wird Wasserdampf an keramischen Elektroden aus Nickel/Zirkoniumoxid für die Kathode und LaMnO3 für die Anode elektrochemisch gespalten. Die SOE wird von vielen als besonders vielversprechend angesehen. Grund dafür ist, dass die Zellspannung deutlich geringer ist als bei den Technologien der PEM-Elektrolyse und der alkalischen Elektrolyse. Das liegt daran, dass bei der SOE die Energie für die Verdampfung von Wasser beispielsweise nicht aus dem elektrischen Strom der Elektrolyse stammt, sondern thermisch aufgebracht wird. Auch wenn sich die Technologie der SOE nicht im großen Maßstab, vor allem wegen hoher Materialanforderungen, bei Temperaturen von 850 °C bis 1.000 °C durchsetzen konnte, sind theoretisch insbesondere in Verbindung mit einer exothermen, chemischen Synthesereaktion, bei der die Verdampfungsenthalpie aus der Abwärme genutzt werden kann, sehr hohe Effizienzen von über 80% möglich.In the high-temperature electrolysis (SOE), which takes place at operating temperatures between approx. 850 ° C and 1,000 ° C, water vapor is split electrochemically on ceramic electrodes made of nickel / zirconium oxide for the cathode and LaMnO 3 for the anode. The SOE is seen by many as particularly promising. The reason for this is that the cell voltage is significantly lower than with the technologies of PEM electrolysis and alkaline electrolysis. This is due to the fact that with SOE the energy for evaporating water, for example, does not come from the electrical current of the electrolysis, but is applied thermally. Even if the SOE technology was not able to establish itself on a large scale, mainly because of the high material requirements, at temperatures of 850 ° C to 1,000 ° C, theoretically, in particular in connection with an exothermic, chemical synthesis reaction, in which the enthalpy of vaporization from the waste heat can be used, very high efficiencies of over 80% are possible.

Bisher werden hauptsächlich alkalische und PEM-Elektrolyseure sowie zu einem geringen Ausmaß auch Hochtemperaturelektrolyseure zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt. Diese erreichen momentan einen Stackwirkungsgrad von etwa 70% und einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 60%. Die thermoneutrale Gleichgewichtsspannung von Wasserstoff bei Zuführung von flüssigem Wasser in die Elektrolyse ist 1,48 V und stellt dabei das praktisch erreichbare Minimum dar. Im Falle der SOE ist man auf Abwärme mit mindestens einer Verdampfungstemperatur des Wassers angewiesen, um eine gute Effizienz größer als 80% zu erreichen, was das Einsatzgebiet einschränkt.So far, mainly alkaline and PEM electrolysers and, to a lesser extent, high-temperature electrolysers have been used to produce hydrogen. These currently achieve a stack efficiency of around 70% and an overall efficiency of around 60%. The thermo-neutral equilibrium voltage of hydrogen when liquid water is fed into the electrolysis is 1.48 V and represents the minimum achievable in practice. In the case of SOE, waste heat with at least one evaporation temperature of the water is dependent on a good efficiency greater than 80 % to achieve, which limits the area of application.

Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, eine verbesserte Lösung vorzuschlagen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die vorzuschlagende Lösung eine energieeffiziente Wasserstoffherstellung ermöglichen, welche vorteilhafterweise einen thermischen Energieeintrag nutzt.Consequently, it is technically necessary to propose an improved solution which avoids the disadvantages known from the prior art. In particular, the proposed solution should enable energy-efficient hydrogen production, which advantageously uses thermal energy input.

Diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These objects on which the present invention is based are achieved by a method according to patent claim 1 and a device according to patent claim 10. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wasserstoffherstellung umfasst eine Kohlenstoffdioxidelektrolyse, in der ein Intermediat, welches Formiat und/oder Ameisensäure aufweist, erzeugt wird und eine anschließende thermische Zersetzung dieses Intermediats, in der Wasserstoff freigesetzt wird. Insbesondere wird dabei die Abwärme der Kohlenstoffdioxidelektrolyse zur thermischen Zersetzung des Intermediats genutzt. Dies hat den Vorteil einer besonders effizienten Erzeugung von Wasserstoff. Das Intermediat Formiat ist dabei eine besonders günstige, chemische Substanz, welche durch Einsatz von Strom aus regenerativen Energiequellen effizient erzeugt werden kann und günstig thermisch unter Wasserstofffreisetzung zersetzt werden kann. Als Formiate werden die Salze oder Ester der Ameisensäure bezeichnet. Formiate haben die Halbstrukturformel (HCOO)nM, wobei n der Wertigkeit des Metallions entspricht. Alternativ kann anstelle eines Formiats auch Ameisensäure als Intermediat erzeugt werden oder eine Mischung aus beidem. Ameisensäure und Formiate liegen beispielsweise in wässriger Lösung nebeneinander in einem dynamischen Gleichgewicht vor und gehen, abhängig vom pH-Wert ineinander über. Im Kontext der Anmeldung ist Formiat stets als Formiat und/oder Ameisensäure zu verstehen. Besonders vorteilhaft ist, dass für die thermische Zersetzung Niedertemperaturabwärme, zum Beispiel aus der Elektrolysereaktion, ausreicht. Darüber hinaus ist das Intermediat Formiat „grün“ herstellbar: Für die Erzeugung des Formiats wird eine Kohlenstoffdioxidelektrolyse durchgeführt, dessen Hauptedukt Kohlenstoffdioxid aktuell im Übermaß verfügbar ist. Darüber hinaus bietet dieses Verfahren eine Möglichkeit der Kohlenstoffdioxidverwertung bzw. -vermeidung.The method according to the invention for producing hydrogen comprises a carbon dioxide electrolysis in which an intermediate which comprises formate and / or formic acid is produced and a subsequent thermal decomposition of this intermediate in which hydrogen is released. In particular, the waste heat from the carbon dioxide electrolysis is used for the thermal decomposition of the intermediate. This has the benefit of a particularly efficient generation of hydrogen. The intermediate formate is a particularly cheap chemical substance that can be efficiently generated using electricity from renewable energy sources and can be thermally decomposed at low cost with the release of hydrogen. Formates are the salts or esters of formic acid. Formates have the semi-structural formula (HCOO) n M, where n corresponds to the valence of the metal ion. Alternatively, formic acid can also be produced as an intermediate instead of a formate, or a mixture of both. For example, formic acid and formates exist side by side in an aqueous solution in a dynamic equilibrium and, depending on the pH value, merge. In the context of the application, formate is always to be understood as formate and / or formic acid. It is particularly advantageous that low-temperature waste heat, for example from the electrolysis reaction, is sufficient for the thermal decomposition. In addition, the intermediate formate “green” can be produced: For the production of the formate, a carbon dioxide electrolysis is carried out, the main educt of which carbon dioxide is currently available in excess. In addition, this process offers the possibility of using or avoiding carbon dioxide.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die endotherme Zersetzungsreaktion des Intermediats zur Kühlung des Elektrolyten im Elektrolyseur genutzt. Dies hat den Vorteil, dass sich darüber der Elektrolyseur sehr effizient kühlen lässt, da die Zersetzungsreaktion so stark endotherm ist, dass die Rückführung des gekühlten Katholyten in den Elektrolyseur für dessen Kühlung ausreicht, vorausgesetzt, Elektrolyse und Zersetzung laufen zeitgleich ab bzw. werden zeitgleich betrieben.In a further advantageous embodiment of the method, the endothermic decomposition reaction of the intermediate is used to cool the electrolyte in the electrolyzer. This has the advantage that it can be used to cool the electrolyser very efficiently, since the decomposition reaction is so strongly endothermic that the return of the cooled catholyte to the electrolyser is sufficient to cool it, provided that the electrolysis and decomposition take place at the same time or are operated at the same time .

Zweckdienlicherweise wird bei dem Verfahren ein wässriger Hydrogencarbonat und/oder carbonathaltiger Elektrolyt als Katholyt in den Elektrolyseur kathodenseitig eingeströmt.In the process, an aqueous hydrogen carbonate and / or carbonate-containing electrolyte is expediently flowed into the electrolyzer on the cathode side as the catholyte.

Das Hydrogencarbonat wird beispielsweise im Elektrolyseur durch Protonen, die durch eine Membran von der Anodenseite auf die Kathodenseite übertreten, zersetzt. Die Zersetzung des Hydrogencarbonats erfolgt dabei nach folgender Reaktion: HCO3 - (aq) + H+ (aq) → H2O (1) + CO2 The hydrogen carbonate is broken down in the electrolyser, for example, by protons that pass through a membrane from the anode side to the cathode side. The decomposition of the hydrogen carbonate takes place according to the following reaction: HCO 3 - (aq) + H + (aq) → H 2 O (1) + CO 2

Das so entstehende Kohlenstoffdioxid (CO2) kann gasförmig oder gelöst vorliegen und hängt davon ab, welche Druck- und pH-Wert-Bedingungen im Elektrolyseur vorliegen. Aus diesem Kohlenstoffdioxid wird dann an der Kathode Formiat und/oder Ameisensäure hergestellt: 2 CO2 + H2O (1) + 2 e- → HCOO- (aq) + HCO3 - The resulting carbon dioxide (CO 2 ) can be in gaseous or dissolved form and depends on the pressure and pH conditions in the electrolyzer. From this carbon dioxide, formate and / or formic acid is then produced at the cathode: 2 CO 2 + H 2 O (1) + 2 e - → HCOO - (aq) + HCO 3 -

Mit der gleichzeitig ablaufenden Anodenreaktion im Elektrolyseur werden neben Sauerstoff auch die Protonen (H+) erzeugt, die durch die Membran treten und im Kathodenspalt, wie eben beschrieben, Hydrogencarbonat zu Kohlenstoffdioxid zersetzen. Die Anodenreaktion sieht folgendermaßen aus: H2O → 2 H+ + ½ O2 + 2e- With the simultaneous anode reaction in the electrolyser, not only oxygen but also protons (H + ) are generated, which pass through the membrane and, as just described, decompose hydrogen carbonate into carbon dioxide in the cathode gap. The anode reaction looks like this: H 2 O → 2 H + + ½ O 2 + 2e-

Dementsprechend kann der Anolyt, also der Elektrolyt, der anodenseitig durch die Elektrolysezelle geströmt wird, auch beispielsweise aus reinem Wasser (H2O) bestehen. An der Anode entsteht im Betrieb der Elektrolysezelle Sauerstoff, welcher zusammen mit dem Anolyten aus der Elektrolysezelle ausgeleitet und insbesondere einem Phasentrenner zugeführt wird, in welchem der Sauerstoff abgetrennt wird und aus dem System entfernt wird. Der verbleibende Anolyt wird mit einer Pumpe beispielsweise durch die Leitungen befördert und wieder in den Anodenraum der Elektrolysezelle eingeleitet. In einer beispielhaften Ausgestaltungsform kann Wasser, welches aus dem Katholyten abgetrennt wurde, der Wasserzuleitung des Anolyten zugeführt werden. Die Frischwasserzuleitung in den Anodenraum sorgt dabei insbesondere für den Ausgleich des bei der Elektrolysereaktion verbrauchten Wassers und das dem Katholyten entnommene Wasser kann beispielsweise den Wasserübertritt durch die Membran in der Elektrolysezelle ausgleichen, der durch den Protonentransport (H+) verursacht wird.Accordingly, the anolyte, that is to say the electrolyte which is flowed through the electrolysis cell on the anode side, can also consist of pure water (H 2 O), for example. During operation of the electrolytic cell, oxygen is produced at the anode, which is led out of the electrolytic cell together with the anolyte and, in particular, fed to a phase separator in which the oxygen is separated off and removed from the system. The remaining anolyte is conveyed through the lines with a pump, for example, and fed back into the anode compartment of the electrolytic cell. In an exemplary embodiment, water that has been separated off from the catholyte can be fed to the anolyte's water supply line. The fresh water supply line into the anode compartment ensures, in particular, that the water consumed in the electrolysis reaction is compensated for, and the water removed from the catholyte can, for example, compensate for the transfer of water through the membrane in the electrolysis cell, which is caused by proton transport (H + ).

Das an der Kathode gebildete Intermediat wird als wässrige Lösung aus der Elektrolysezelle ausgeleitet und dem Zersetzungsschritt in einem Zersetzungsreaktor zugeführt. In diesem wird das Formiat und/oder die Ameisensäure zu Hydrogencarbonat und Wasserstoff zersetzt. Der Wasserstoff wird aus dem System ausgeleitet und stellt das Wertprodukt der Vorrichtung und des Verfahrens dar. Die wässrige Hydrogencarbonatlösung, die neben dem Wasserstoff übrigbleibt, wird mit der Katholytpumpe durch eine Katholytleitung wieder in die Elektrolysezelle, insbesondere den Kathodenraum der Elektrolysezelle rückgeführt. Die im Kohlenstoffdioxidelektrolyseur erzeugte wässrige Intermediatlösung wird kontinuierlich aus der Zelle ausgeleitet. Das in der Lösung enthaltene Formiat und/oder die Ameisensäure wird dann im Zersetzungsreaktor, einem separaten Apparat, katalytisch zersetzt, wobei sich neben Wasserstoff (H2) auch eine wässrige Hydrogencarbonatlösung bildet. Diese Reaktion verläuft nach folgender Reaktionsgleichung, wobei M für ein einwertiges Kation steht, je nachdem, welche Hydrogencarbonate verwendet werden: HCOOM (aq) + H2O (1) → H2 (g) + MHCO3 (aq) The intermediate formed at the cathode is discharged from the electrolysis cell as an aqueous solution and fed to the decomposition step in a decomposition reactor. In this, the formate and / or formic acid is decomposed to hydrogen carbonate and hydrogen. The hydrogen is discharged from the system and represents the product of value of the device and the method. The aqueous hydrogen carbonate solution that remains in addition to the hydrogen is returned to the electrolysis cell, in particular the cathode compartment of the electrolysis cell, with the catholyte pump through a catholyte line. The aqueous intermediate solution generated in the carbon dioxide electrolyser is continuously discharged from the cell. The formate and / or the formic acid contained in the solution is then catalytically decomposed in the decomposition reactor, a separate apparatus, with hydrogen (H 2 ) also forming an aqueous hydrogen carbonate solution. This reaction proceeds according to the following reaction equation, where M stands for a monovalent cation, depending on which hydrogen carbonates are used: HCOOM (aq) + H 2 O (1) → H 2 (g) + MHCO 3 (aq)

Diese Zersetzung kann bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 50°C bis 70°C erfolgen und demnach von der Abwärme des Elektrolyseschritts geleistet werden.This decomposition can take place at low temperatures in the range from 50 ° C to 70 ° C and accordingly be provided by the waste heat of the electrolysis step.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Verfahren Kohlenstoffdioxidgas über eine Gasdiffusionskathode in den Elektrolyseur eingeströmt, insbesondere Kohlenstoffdioxidgas, welches über eine Phasentrennung aus dem formiathaltigen wässrigen Elektrolyten rückgewonnen wird. Dies hat den Vorteil, CO2-Verluste über den freigesetzten Wasserstoff zu minimieren. Es stellt sich in der Regel als schwierig dar, sämtliches im Kathodenraum freigesetzte Kohlenstoffdioxid in einem einzelnen Elektrolysedurchgang an der Kathode zu Formiat und/oder Ameisensäure umzuwandeln. Deshalb gelangt Kohlenstoffdioxid in den Wasserstoff und der Katholyt würde an Hydrogencarbonat verarmen, so dass nicht das Intermediat, sondern Wasserstoff an der Kathode gebildet würde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch wird ein Kohlenstoffdioxidelektrolyseur mit Gasdiffusionselektrode als Kathode genutzt, sodass der Kathodenraum in einen Kathodengasraum und einen Kathodenelektrolytraum, welcher insbesondere als Kathodenspalt ausgeführt ist, aufgeteilt ist. Über den Kathodengasraum der Gasdiffusionskathode wird das gasförmige Edukt Kohlenstoffdioxid der Kathode zugeführt und auf der Katholytseite liegt dann überwiegend das Elektrolyseprodukt vor. Liegt dennoch gasförmiges Kohlenstoffdioxid im wässrigen Formiatstrom, der die Elektrolysezelle verlässt, vor, wird dieses, bevor es in den Zersetzungsreaktor gelangt, aus dem Katholytstrom abgetrennt, insbesondere mittels einer Abtrenneinheit, zum Beispiel einem Phasentrenner und dann über eine Rückführleitung mit Gebläse wieder dem Kohlenstoffdioxidfeed in die Gasdiffusionskathode zugeführt.In a particularly advantageous embodiment of the invention, in the process, carbon dioxide gas flows into the electrolyzer via a gas diffusion cathode, in particular carbon dioxide gas which is recovered from the formate-containing aqueous electrolyte via phase separation. This has the advantage of minimizing CO 2 losses via the released hydrogen. It is generally difficult to convert all of the carbon dioxide released in the cathode compartment to formate and / or formic acid in a single electrolysis pass at the cathode. Therefore, carbon dioxide gets into the hydrogen and the catholyte would be depleted of hydrogen carbonate, so that not the intermediate but hydrogen would be formed at the cathode. In the method according to the invention, however, a carbon dioxide electrolyzer with a gas diffusion electrode is used as the cathode, so that the cathode space is divided into a cathode gas space and a cathode electrolyte space, which is designed in particular as a cathode gap. The gaseous educt carbon dioxide is fed to the cathode via the cathode gas space of the gas diffusion cathode and the electrolysis product is then predominantly present on the catholyte side. If there is still gaseous carbon dioxide in the aqueous formate stream leaving the electrolysis cell, it is separated from the catholyte stream before it reaches the decomposition reactor, in particular by means of a separation unit, for example a phase separator, and then back to the carbon dioxide feed via a return line with a fan the gas diffusion cathode supplied.

Um eine möglichst vollständige Abtrennung des Kohlenstoffdioxids mittels der Abtrenneinheit zu erreichen, könnte insbesondere ein Teil des abgetrennten Kohlenstoffdioxids durch die flüssige Phase geleitet werden. Auf diese Weise würde eine mit Kohlenstoffdioxid übersättigte Lösung vermieden werden. Das so im Kreis geführte Kohlenstoffdioxid kann mithilfe eines Gebläses befördert werden. Beispielsweise könnte Kohlenstoffdioxid, welches an der Gasdiffusionselektrode entlangströmte, in die Abtrenneinheit geführt werden. Es kann aber auch ein Teil des mit Gebläse geförderten Kohlenstoffdioxids abgezweigt werden.In order to achieve the most complete possible separation of the carbon dioxide by means of the separation unit, in particular a part of the separated carbon dioxide could be passed through the liquid phase. In this way a solution oversaturated with carbon dioxide would be avoided. The carbon dioxide circulated in this way can be transported with the aid of a fan. For example, carbon dioxide which flowed along the gas diffusion electrode could be fed into the separation unit. However, part of the carbon dioxide conveyed by the fan can also be diverted.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere das erzeugte Intermediat in Form einer wässrigen Lösung der thermischen Zersetzung zugeführt. Die Formiatzersetzung mit Wasserstoffbildung läuft dabei vorteilhafterweise in einem Temperaturbereich von 50°C bis 90°C ab. Die Beheizung des Zersetzungsreaktors kann dabei insbesondere mittels der Abwärme der Elektrolysezelle erfolgen. Im Zersetzungsreaktor liegt beispielsweise ein Katalysator vor, welcher mindestens ein Metall aus der Gruppe Ruthenium, Rhodium, Palladium oder Platin enthält. Bei der Zersetzung entsteht dann neben Wasserstoff auch ein wässriges Hydrogencarbonat, welches wieder in die Elektrolysezelle geführt werden kann. Der Katalysator im Zersetzungsreaktor kann beispielsweise ein festes Trägermaterial aufweisen, auf welchem sich das aktive Material befindet oder er kann eine metallorganische Verbindung aufweisen, die in einer organischen Phase gelöst ist.In the method according to the invention, in particular the intermediate produced is fed to the thermal decomposition in the form of an aqueous solution. The formate decomposition with hydrogen formation advantageously takes place in a temperature range from 50.degree. C. to 90.degree. The decomposition reactor can be heated in particular by means of the waste heat from the electrolysis cell. In the decomposition reactor there is, for example, a catalyst which contains at least one metal from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium or platinum. During the decomposition, in addition to hydrogen, an aqueous hydrogen carbonate is produced, which can be fed back into the electrolysis cell. The catalyst in the decomposition reactor can, for example, have a solid support material on which the active material is located, or it can have an organometallic compound that is dissolved in an organic phase.

Formiat und Hydrogencarbonat liegen dabei insbesondere als wässrige Lösungen vor, und zwar besonders vorteilhaft als wässrige Lösungen eines Alkalimetalls. Ein besonders geeignetes Beispiel für ein Alkalimetall ist Kalium. In der wässrigen Hydrogencarbonatlösung kann teilweise auch Carbonat vorliegen, wobei die beschriebenen Merkmale des Katholyten analog dafür gelten.Formate and hydrogen carbonate are in particular in the form of aqueous solutions, specifically particularly advantageously as aqueous solutions of an alkali metal. A particularly suitable example of an alkali metal is potassium. Carbonate can also be present in some cases in the aqueous hydrogen carbonate solution, the characteristics of the catholyte described here applying analogously.

Ein besonderer Vorteil liegt in der Kombination der Kohlenstoffdioxidelektrolyse zur Herstellung des Intermediats mit dem Konzept der katalytischen Zersetzung des Intermediats bei niedrigen Temperaturen. Bei der Herstellung von Wasserstoff über das Zwischenprodukt Formiat und/oder Ameisensäure wird ein Teil der chemischen Energie des Wasserstoffs mit Abwärme der Formiatelektrolyse aufgebracht, was zu hohen Energieeffizienzen führt. Die Zersetzungsreaktion des Formiats ist wiederum eine endotherme Reaktion. Die dadurch erfolgte Kühlung bewirkt zumindest einen teilweisen Energieeintrag in Form von chemischer Energie in den Produktwasserstoff. A particular advantage lies in the combination of carbon dioxide electrolysis for the production of the intermediate with the concept of catalytic decomposition of the intermediate at low temperatures. In the production of hydrogen via the intermediate product formate and / or formic acid, part of the chemical energy of the hydrogen is applied with waste heat from the formate electrolysis, which leads to high energy efficiencies. The decomposition reaction of the formate is again an endothermic reaction. The resulting cooling causes at least a partial input of energy in the form of chemical energy into the product hydrogen.

Zweckdienlicherweise wird bei dem Verfahren die nach der Wasserstofffreisetzung übrige wässrige Lösung wieder als Katholytlösung in den Elektrolyseur zurückgeführt. Insbesondere wird der Katholyt in einen Katholytkreislauf geführt, welcher den Kathodenraum des Elektrolyseurs durchläuft, am Katholytausgang als Intermediatstrom zum Zersetzungsreaktor transportiert wird, wo durch die thermische Zersetzungsreaktion Wasserstoff abgetrennt und wässriges Hydrogenkarbonat als Elektrolyt wieder zurückbleibt, welcher dann insbesondere über eine Elektrolytrückführleitung wieder zum Katholyteinlass des Elektrolyseurs transportiert wird. Der Kathodenraum des Elektrolyseurs ist dabei insbesondere als Katholytspalt ausgeführt.In the process, the aqueous solution remaining after the hydrogen has been released is expediently returned to the electrolyzer as catholyte solution. In particular, the catholyte is fed into a catholyte circuit, which runs through the cathode compartment of the electrolyzer, is transported at the catholyte outlet as an intermediate flow to the decomposition reactor, where hydrogen is separated off by the thermal decomposition reaction and aqueous hydrogen carbonate remains as electrolyte, which is then returned to the catholyte inlet in particular via an electrolyte return line Electrolyser is transported. The cathode compartment of the electrolyzer is designed in particular as a catholyte gap.

Im Katholytkreislauf können zusätzliche Vorrichtungen vorgesehen sein, um Kohlenstoffdioxidverschleppungen zu vermeiden. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme zur effizienten Führung eines Katholytkreislaufes ist die Positionierung einer Wasserabtrennung im Katholytkreislauf, insbesondere in der Katholytrückführleitung, mittels welcher aus der übrigen wässrigen Lösung, welche den Zersetzungsreaktor verlässt, Wasser abgetrennt wird, sodass die für die Elektrolyse geeignete Katholytkonzentration wiederhergestellt wird, bevor diese wieder in den Elektrolyseur eingeströmt wird. Das so abgetrennte Wasser aus dem Katholytstrom kann vorteilhafterweise dem Wasserstrom zugeführt werden, welcher anodenseitig in die Elektrolysezelle eingeströmt wird. Als Katholyt wird besonders bevorzugt eine wässrige Alkalisalzlösung verwendet, besonders bevorzugt Kaliumcarbonat oder Kaliumhydrogencarbonat. Als Anolyt ist Wasser ausreichend. Für den Katholyttransport durch die Katholytkreislaufleitungen können eine oder mehrere Pumpen vorgesehen sein.Additional devices can be provided in the catholyte circuit in order to avoid carbon dioxide carryover. A further advantageous measure for the efficient management of a catholyte circuit is the positioning of a water separator in the catholyte circuit, in particular in the catholyte return line, by means of which from the remaining aqueous solution which the Leaves decomposition reactor, water is separated so that the catholyte concentration suitable for the electrolysis is restored before it flows back into the electrolyser. The water thus separated from the catholyte stream can advantageously be fed to the water stream which flows into the electrolysis cell on the anode side. An aqueous alkali salt solution is particularly preferably used as the catholyte, particularly preferably potassium carbonate or potassium hydrogen carbonate. Water is sufficient as an anolyte. One or more pumps can be provided for transporting the catholyte through the catholyte circulation lines.

Alternativ zum Verfahren, bei dem die Kohlenstoffdioxidelektrolyse und thermische Formiatzersetzung zur Wasserstoffproduktion zeitgleich und auch örtlich in eine Vorrichtung kombiniert stattfindet, kann das Intermediat alternativ als kostengünstiger Wasserstoffspeicher verwendet werden, was hieße, dass Elektrolyse und Zersetzung zeitlich entkoppelt betrieben werden. Das durch die Kohlenstoffdioxidelektrolyse erzeugte Formiat und/oder die Ameisensäure bzw. die wässrige Formiatlösung kann beispielsweise einem Speicher zugeführt werden. Alternativ kann es auch an einen anderen Standort transportiert werden. Zwar würde dann die effiziente Kühlung des Katholytstroms nicht mehr realisiert werden können, dennoch kann eine zeitliche Entkoppelung von thermischer Zersetzung und Elektrolyse zweckmäßig sein, da die wässrige Formiatlösung einen sehr kostengünstigen Energiespeicher darstellt. Zusätzlich ist es möglich, eine Formiatlösung vollständig regenerativ herzustellen. Auch die thermische Zersetzung benötigt lediglich Temperaturen, welche gut durch beispielsweise Solarkollektoren erzeugt werden können. Dies ist ein Vorteil gegenüber kommerziellen Wasserstoffspeichersystemen, wird die Speichermöglichkeit lediglich genutzt, um Tag-Nacht-Schwankungen auszugleichen, wäre zumindest die synergistische Abwärmenutzung möglich.As an alternative to the process in which the carbon dioxide electrolysis and thermal formate decomposition for hydrogen production take place simultaneously and also locally combined in one device, the intermediate can alternatively be used as a cost-effective hydrogen storage device, which would mean that electrolysis and decomposition are operated separately. The formate and / or the formic acid or the aqueous formate solution generated by the carbon dioxide electrolysis can be fed, for example, to a reservoir. Alternatively, it can also be transported to another location. It is true that the efficient cooling of the catholyte stream would then no longer be possible, but a temporal decoupling of thermal decomposition and electrolysis can be useful, since the aqueous formate solution represents a very inexpensive energy store. In addition, it is possible to produce a formate solution completely regeneratively. The thermal decomposition also only requires temperatures which can be easily generated by solar collectors, for example. This is an advantage over commercial hydrogen storage systems; if the storage option is only used to compensate for day-night fluctuations, at least the synergistic use of waste heat would be possible.

Die zum Verfahren besonders geeignete Vorrichtung zur Wasserstoffherstellung umfasst einen Kohlenstoffdioxidelektrolyseur, einen thermischen Zersetzungsreaktor sowie eine Intermediatleitung, welche den Katholytauslass des Kohlenstoffdioxidelektrolyseurs mit dem Zersetzungsreaktor verbindet. Unter Katholyteinlass und Katholytauslass sind Elektrolytein- und -ausgang des Kathodenraums des Elektrolyseurs zu verstehen, wobei Ein- und Auslass die Strömungsrichtung des Elektrolyten beschreiben. Der verwendete Kohlenstoffdioxidelektrolyseur kann ein Design von bekannten Kohlenstoffdioxidelektrolyseuren aufweisen, welche auf wässrigen Elektrolyten basieren, die ein gelöstes Leitsalz enthalten. Insbesondere weist der Kohlenstoffdioxidelektrolyseur eine Membran auf, zum Beispiel eine ionenselektive oder poröse Membran, mittels der Anodenraum und Kathodenraum voneinander getrennt wird. Durch die Membran wird ein gegenseitiges Vermischen der unterschiedlichen Gase, die an der Anode und der Kathode entstehen, vermieden. Der Kathodenraum ist insbesondere als Kathodenspalt ausgeführt, durch den der flüssige Katholyt transportiert wird. Das gelöste Leitsalz ist zum Beispiel ein Alkalisalz, insbesondere ein Kaliumsalz. Durch Kaliumionen wird der benötigte Ladungstransport durch die Elektrolytflüssigkeit gewährleistet. Insbesondere sind in der Praxis mehrere Elektrolysezellen zu einem Stack aus einer Vielzahl an Elektrolysezellen gekoppelt.The device for hydrogen production which is particularly suitable for the method comprises a carbon dioxide electrolyser, a thermal decomposition reactor and an intermediate line which connects the catholyte outlet of the carbon dioxide electrolyser to the decomposition reactor. Catholyte inlet and catholyte outlet are understood to mean the electrolyte inlet and outlet of the cathode compartment of the electrolyzer, with the inlet and outlet describing the direction of flow of the electrolyte. The carbon dioxide electrolyzer used can have a design of known carbon dioxide electrolyzers which are based on aqueous electrolytes containing a dissolved conductive salt. In particular, the carbon dioxide electrolyser has a membrane, for example an ion-selective or porous membrane, by means of which the anode compartment and cathode compartment are separated from one another. The membrane prevents the different gases that are produced at the anode and the cathode from being mixed together. The cathode space is designed in particular as a cathode gap through which the liquid catholyte is transported. The dissolved conductive salt is, for example, an alkali salt, in particular a potassium salt. The required charge transport through the electrolyte liquid is ensured by potassium ions. In particular, in practice a number of electrolysis cells are coupled to form a stack of a number of electrolysis cells.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung der Vorrichtung sind Kohlenstoffdioxidelektrolyseur und Zersetzungsreaktor so angeordnet, dass die bei der Kohlenstoffdioxidelektrolyse im Elektrolyseur entstehende Abwärme zu der thermischen Zersetzung des Intermediats im Zersetzungsreaktor zugeführt werden kann. Dies kann insbesondere durch eine bauliche Nähe gewährleistet werden, alternativ über ein Wärmeleitsystem.In an advantageous embodiment of the invention of the device, the carbon dioxide electrolyser and the decomposition reactor are arranged so that the waste heat generated during the carbon dioxide electrolysis in the electrolyser can be fed to the thermal decomposition of the intermediate in the decomposition reactor. This can be ensured in particular through a structural proximity, alternatively through a heat conduction system.

Zweckdienlicherweise weist die Vorrichtung eine Katholytrückführleitung auf, welche den Zersetzungsreaktor mit dem Katholyteinlass des Kohlenstoffdioxidelektrolyseurs verbindet, wobei Kohlenstoffdioxidelektrolyseur und Zersetzungsreaktor so angeordnet sind, dass die endotherme Zersetzungsreaktion des Intermediats im Zersetzungsreaktor zur Kühlung des Katholyten in der Katholytrückführleitung genutzt werden kann. Es kann ausreichend sein, dass der Katholyt bzw. das nach der Zersetzungsreaktion des Intermediats übrige wässrige Hydrogencarbonat durch die endotherme Zersetzungsreaktion gekühlt den Zersetzungsreaktor verlässt und entsprechend gekühlt der Elektrolysezelle wieder zugeführt wird. Zur Vermeidung einer unnötigen Erwärmung kann die Katholytrückführleitung thermisch isoliert ausgestaltet sein.The device expediently has a catholyte return line which connects the decomposition reactor to the catholyte inlet of the carbon dioxide electrolyzer, the carbon dioxide electrolyzer and decomposition reactor being arranged so that the endothermic decomposition reaction of the intermediate in the decomposition reactor can be used to cool the catholyte in the catholyte return line. It can be sufficient for the catholyte or the aqueous hydrogen carbonate remaining after the decomposition reaction of the intermediate to leave the decomposition reactor cooled by the endothermic decomposition reaction and to be fed back into the electrolysis cell in a correspondingly cooled manner. To avoid unnecessary heating, the catholyte return line can be designed to be thermally insulated.

Insbesondere weist die Katholytrückführleitung noch eine Wasserabtrennung auf, mittels der die Katholytkonzentration vor dem Katholyteinlass reguliert werden kann. Abgetrenntes Wasser kann beispielsweise dem Anolytstrom zugeführt werden, welcher insbesondere nur aus Wasser ohne Leitsalzzugabe bestehen kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Kathode des Kohlenstoffdioxidelektrolyseurs als Gasdiffusionskathode ausgeführt und in der Intermediatleitung ist ein Phasentrenner vorgesehen, dessen Gasausgang wiederum mit dem Kohlenstoffdioxidfeed der Gasdiffusionskathode verbunden ist. Dies hat den besonderen Vorteil, CO2-Verluste über den freigesetzten Wasserstoff zu minimieren. Eine Kohlenstoffdioxidverschleppung wird damit reduziert, dass das für die Bildung des Intermediats notwendige Kohlenstoffdioxid in gasförmiger Form über die Gasdiffusionskathode angebunden wird. Bevor nichtreagiertes Kohlenstoffdioxid über die Intermediatleitung in den Zersetzungsreaktor gelangt, wird das gasförmige Kohlenstoffdioxid mittels einer Abtrenneinheit, insbesondere eines Phasentrenners, aus dem Intermediatstrom entfernt und wiederum über ein Gebläse in die Elektrolysezelle zurückbefördert. Um eine möglichst vollständige Abtrennung des Kohlenstoffdioxids aus der Intermediatleitung zu erreichen, kann ein Teil des abgetrennten Kohlenstoffdioxids durch die flüssige Phase geleitet werden. Auf diese Weise kann eine mit Kohlenstoffdioxid übersättigte Lösung vermieden werden. Das so im Kreis geführte Kohlenstoffdioxid kann zum Beispiel mithilfe eines Gebläses befördert werden. Es ist eine mögliche Ausführungsform, Kohlenstoffdioxid, welches an der Gasdiffusionskathode entlangströmte, zu diesem Zweck wieder in die Abtrenneinheit zu führen. Es kann aber auch ein Teil des mit dem Gebläse geförderten Kohlenstoffdioxids abgezweigt werden.In particular, the catholyte return line also has a water separation, by means of which the catholyte concentration can be regulated upstream of the catholyte inlet. Separated water can, for example, be fed to the anolyte stream, which in particular can only consist of water without addition of conductive salt. In a further advantageous embodiment of the device, the cathode of the carbon dioxide electrolyzer is designed as a gas diffusion cathode and a phase separator is provided in the intermediate line, the gas outlet of which is in turn connected to the carbon dioxide feed of the gas diffusion cathode. This has the particular advantage of minimizing CO2 losses via the released hydrogen. A carbon dioxide carryover is reduced by the fact that the carbon dioxide necessary for the formation of the intermediate is in gaseous form via the Gas diffusion cathode is connected. Before unreacted carbon dioxide reaches the decomposition reactor via the intermediate line, the gaseous carbon dioxide is removed from the intermediate flow by means of a separation unit, in particular a phase separator, and is again conveyed back into the electrolysis cell via a fan. In order to achieve the most complete possible separation of the carbon dioxide from the intermediate line, part of the separated carbon dioxide can be passed through the liquid phase. In this way, a solution oversaturated with carbon dioxide can be avoided. The carbon dioxide circulated in this way can be conveyed with the help of a fan, for example. One possible embodiment is to lead carbon dioxide which has flowed along the gas diffusion cathode back into the separation unit for this purpose. However, part of the carbon dioxide conveyed by the fan can also be diverted.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung weist diese ein Drosselventil und wenigstens eine Pumpe zur Erzeugung eines Überdrucks im Kathodenraum des Elektrolyseurs auf, welcher Kathodenraum insbesondere als Kathodenspalt ausgeführt ist. Diese Ausführungsform hat zum Beispiel den Vorteil, dass Gasblasen im Kathodenraum größtenteils vermieden werden. Diese Variante kommt beispielsweise ohne Gasdiffusionselektrode aus und es wird physikalisch gelöstes Kohlenstoffdioxid an der Kathode zu Formiat und/oder Ameisensäure umgewandelt. Um bei dieser Ausführungsgestaltung eine Verschleppung von Kohlenstoffdioxid in den erzeugten Wasserstoff zu minimieren, wird mittels einer Pumpe im Katholytkreislauf der flüssige Katholyt im Kreis geführt und in Kombination mit dem Katholytspalt eine Vereinheitlichung von gelöstem Kohlenstoffdioxid über die Zellfläche gewährleistet.In a further advantageous embodiment of the device, it has a throttle valve and at least one pump for generating an overpressure in the cathode compartment of the electrolyzer, which cathode compartment is designed in particular as a cathode gap. This embodiment has the advantage, for example, that gas bubbles in the cathode space are largely avoided. This variant manages, for example, without a gas diffusion electrode and physically dissolved carbon dioxide is converted to formate and / or formic acid at the cathode. In order to minimize the carryover of carbon dioxide into the hydrogen produced in this embodiment, the liquid catholyte is circulated by means of a pump in the catholyte circuit and, in combination with the catholyte gap, a standardization of dissolved carbon dioxide across the cell surface is ensured.

Für den Elektrolysebetrieb wird durch die Pumpe und das eingebaute Drosselventil ein gewisser Überdruck im Elektrolyseur erzeugt. Dieser bewirkt, dass innerhalb des Kathodenspalts kaum Gasblasen entstehen bzw. diese sehr klein gehalten werden. Bei einem entsprechend hohen Volumenstrom des Katholyts der Kreisführung des Katholyts können Gasblasen im Kathodenraum gänzlich vermieden werden. Vor dem Einströmen in den Zersetzungsreaktor und entsprechend vor der Freisetzung des Wasserstoffs wird dieser Überdruck über ein Drosselventil wieder abgesenkt, der Katholytstrom wird entspannt. Für die Elektrolyse wird mittels der Pumpe der Druck wiederaufgebaut.For the electrolysis operation, the pump and the built-in throttle valve generate a certain overpressure in the electrolyser. This has the effect that hardly any gas bubbles arise within the cathode gap or that these are kept very small. With a correspondingly high volume flow of the catholyte in the circulation of the catholyte, gas bubbles in the cathode space can be completely avoided. Before the flow into the decomposition reactor and correspondingly before the release of the hydrogen, this overpressure is lowered again via a throttle valve, and the catholyte flow is relaxed. For the electrolysis, the pressure is built up again by means of the pump.

Zweckdienlich kann auch eine Kombination der vorgestellten Ausführungsbeispiele sein, bei der zwischen Drosselventil und Zersetzungsreaktor zusätzlich ein Phasentrenner vorgesehen ist, der das Kohlenstoffdioxid zirkuliert. Hier werden noch mehr die Kohlenstoffdioxidverluste minimiert und gleichzeitig die Menge an physikalisch gelöstem Kohlenstoffdioxid, welches in den Zersetzungsreaktor gelangt, verringert.A combination of the exemplary embodiments presented can also be useful, in which a phase separator, which circulates the carbon dioxide, is additionally provided between the throttle valve and the decomposition reactor. Here the carbon dioxide losses are minimized even more and at the same time the amount of physically dissolved carbon dioxide that gets into the decomposition reactor is reduced.

Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 3 der angehängten Zeichnung beschrieben:

  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung der Vorrichtung für die elektrolytische Produktion von Wasserstoff über das Intermediat Formiat,
  • 2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der Vorrichtung für die elektrolytische Produktion von Wasserstoff über das Intermediat Formiat mit erhöhter Wasserstoffreinheit,
  • 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die elektrolytische Produktion von Wasserstoff über das Intermediat Formiat mit Überdruck.
Examples and embodiments of the present invention will be further exemplified with reference to FIG 1 to 3 described in the attached drawing:
  • 1 shows an arrangement according to the invention of the device for the electrolytic production of hydrogen via the intermediate formate,
  • 2 shows an exemplary embodiment of the device for the electrolytic production of hydrogen via the intermediate formate with increased hydrogen purity,
  • 3 shows a further advantageous embodiment of the device according to the invention for the electrolytic production of hydrogen via the intermediate formate with excess pressure.

Gezeigt sind jeweils schematische Darstellungen der Vorrichtungen, in denen jeweils ein Elektrolyseur 3 für die Umsetzung von Kohlenstoffdioxid zu einem Intermediat, welches Formiat und/oder Ameisensäure aufweist, mit einem Zersetzungsreaktor 12 für das Intermediat kombiniert ist, aus diesem dann der durch thermische Zersetzung des Intermediats erzeugte Wasserstoff H2 entnommen werden kann 13. Die Elektrolysezelle kann unterschiedliche Ausführungsformen aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik für Elektrolysezellen bekannt sind. Besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Ausgestaltung der Elektrolysezelle 3 mit Anodenraum 5 und Kathodenraum 4, welcher besonders vorteilhaft als Kathodenspalt ausgeführt ist. Eine Membran 8 gewährleistet insbesondere, dass keine Durchmischung der an den beiden Elektroden entstehenden Gase während des Betriebs stattfindet. Im Anolytkreis 20, 21, 25 wird insbesondere Wasser (H2O) als Anolyt geführt. Dieses kann über einen Frischwasserzulauf 29 stetig in den Elektrolyseur nachgeliefert werden. Die Anolytzuleitung 20 kann zudem mit Wasser aus der Wasserabtrenneinrichtung 16 gefüttert werden, welche überschüssiges Wasser aus dem Katholytkreis bzw. der Katholytrückführleitung 15 entnimmt. Am Auslass des Anodenraums 5 liegen zusätzlich zum Wasser auch gebildetes Sauerstoffgas O2 im Anolyten vor. Dieses kann über einen Phasentrenner 22 und dessen Gasauslass 23 aus dem System entfernt werden. Das übrige Wasser wird über die Anolytrückführleitung 25 und eine darin vorhergesehene Pumpe 24 wieder in den Elektrolyseur 3 befördert. Kathodenseitig ist auch ein Kreislauf 11, 15, 10 vorgesehen, mittels welchem die wässrige Katholytlösung, insbesondere eine wässrige Leitsalzlösung, basierend auf einem Alkalisalz, insbesondere einem Kaliumsalz, zweckdienlicher Weise einem Hydrogenkarbonat oder Karbonat basiert. Ein integrierter Zersetzungsreaktor 12 entfernt den durch thermische Zersetzung von Formiat erzeugten Wasserstoff aus der Elektrolytlösung und leitet diesen über den Gasauslass 13 aus dem System aus. Die übrige wässrige Elektrolytlösung kann über die Elektrolyt- bzw. Katholytrückführleitung 15 und eine darin vorgesehene Pumpe 14 wieder in den Kathodenraum 4 gefördert werden. In der Katholytrückführleitung kann auch eine Wasserabtrennung 16 vorgesehen sein. Durch diese wird der Wasserübertritt durch die Membran ausgeglichen. Die Kathode kann als Gasdiffusionskathode ausgestaltet sein. In diesem Fall ist ein Kohlenstoffdioxidfeed, also ein Gaseinlass in den Gasraum der Kathode, vorgesehen, das Kohlenstoffdioxid wird beispielsweise rezirkuliert, indem es mittels einer Phasenabtrennung 32 dem aus der Elektrolysezelle austretenden Elektrolytstrom entnommen wird und über ein Gebläse 33 wieder zur Gasdiffusionskathode 2 befördert wird. Der Katholytauslass mündet in die Intermediatleitung 11, mittels welcher das in der Elektrolysezelle 3 erzeugte Intermediat, das Formiat und/oder die Ameisensäure, zum thermischen Zersetzungsreaktor 12 transportiert wird. Für die Bewerkstelligung der Überdrucklösung können Pumpen 14, 31 vorgesehen sein und ein Drosselventil 36 vor Eintritt der Intermediatleitung 11 in den Zersetzungsreaktor 12.Shown in each case are schematic representations of the devices, in each of which an electrolyser 3 for the conversion of carbon dioxide to an intermediate, which has formate and / or formic acid, with a decomposition reactor 12 for the intermediate is combined, from which the hydrogen H 2 generated by thermal decomposition of the intermediate can then be removed 13 . The electrolytic cell can have different embodiments, as are known from the prior art for electrolytic cells. The design of the electrolytic cell is particularly advantageous for the method according to the invention 3 with anode compartment 5 and cathode compartment 4th , which is particularly advantageously designed as a cathode gap. A membrane 8th ensures in particular that the gases produced at the two electrodes do not mix during operation. In the anolyte circle 20th , 21st , 25th In particular, water (H2O) is used as an anolyte. This can be done via a fresh water inlet 29 are constantly replenished in the electrolyser. The anolyte supply line 20th can also use water from the water separation device 16 be fed, which excess water from the catholyte circuit or the catholyte return line 15th removes. At the outlet of the anode compartment 5 In addition to water, there are also formed oxygen gas O2 in the anolyte. This can be done via a phase separator 22nd and its gas outlet 23 removed from the system. The remaining water is via the anolyte return line 25th and a pump provided therein 24 back in the electrolyser 3 promoted. On the cathode side there is also a cycle 11 , 15th , 10 provided, by means of which the aqueous catholyte solution, in particular an aqueous conductive salt solution, based on an alkali salt, in particular a potassium salt, expediently based on a hydrogen carbonate or carbonate. An integrated decomposition reactor 12 removes the hydrogen generated by the thermal decomposition of formate from the electrolyte solution and routes it through the gas outlet 13 out of the system. The remaining aqueous electrolyte solution can be fed via the electrolyte or catholyte return line 15th and a pump provided therein 14th back into the cathode compartment 4th be promoted. A water separation can also be installed in the catholyte return line 16 be provided. This compensates for the passage of water through the membrane. The cathode can be designed as a gas diffusion cathode. In this case, a carbon dioxide feed, that is to say a gas inlet into the gas space of the cathode, is provided; the carbon dioxide is, for example, recirculated by means of a phase separation 32 is taken from the electrolyte flow emerging from the electrolytic cell and via a fan 33 back to the gas diffusion cathode 2 is promoted. The catholyte outlet opens into the intermediate line 11 , by means of which that in the electrolytic cell 3 generated intermediate, the formate and / or the formic acid, to the thermal decomposition reactor 12 is transported. Pumps can be used to achieve the overpressure release 14th , 31 be provided and a throttle valve 36 before joining the intermediary management 11 into the decomposition reactor 12 .

Die im Elektrolyseur vorgesehene Membran 8 ist insbesondere eine protonendurchlässige Membran, weil dies für die gewünschte Kathodenreaktion erforderlich ist. In vorteilhafter Weise befindet sich die Anode direkt auf dieser Membran, wie es beispielsweise bei PEM-Elektrolyseuren für die Erzeugung von Wasserstoff bekannt ist. Die Kathode ist jedoch nicht auf die Membran aufgebracht, um eine Bildung von Wasserstoff aus übergetretenen Protonen zu vermeiden. Die Kathode ist insbesondere durch einen Spalt, durch den der Katholyt geleitet wird, von der Membran räumlich getrennt. Die Kathode ist zweckdienlicherweise aus einem katalytisch aktiven Material, welches die Bildung von Formiat und/oder Ameisenäure bevorzugt. Hierfür kommen Beispiele infrage, wie Blei. In diesem Fall wird das Intermediat aus Kohlenstoffdioxid, welches gelöst im Katholyt vorliegt, gebildet. Das gelöste Kohlenstoffdioxid wird vor Ort durch eine Neutralisation von Hydrogencarbonat durch übergetretene Protonen gebildet. Alternativ kann das Kohlenstoffdioxid in Gasform dem System zugeleitet werden, wenn es mit einer Gasdiffusionskathode betrieben wird.The membrane provided in the electrolyzer 8th is in particular a proton-permeable membrane, because this is necessary for the desired cathode reaction. The anode is advantageously located directly on this membrane, as is known, for example, in PEM electrolysers for the production of hydrogen. However, the cathode is not attached to the membrane in order to avoid the formation of hydrogen from protons that have passed over. The cathode is spatially separated from the membrane in particular by a gap through which the catholyte is passed. The cathode is expediently made of a catalytically active material which favors the formation of formate and / or formic acid. Examples such as lead can be used for this. In this case, the intermediate is formed from carbon dioxide, which is dissolved in the catholyte. The dissolved carbon dioxide is formed on site through a neutralization of hydrogen carbonate by overflowing protons. Alternatively, the carbon dioxide can be supplied to the system in gaseous form if it is operated with a gas diffusion cathode.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Anordnung für die Herstellung von WasserstoffArrangement for the production of hydrogen
22
Gas-Diffusions-Elektrode (GDE)Gas diffusion electrode (GDE)
33
Elektrolysezelle für die Herstellung von Formiat und/oder AmeisensäureElectrolysis cell for the production of formate and / or formic acid
44th
KathodenspaltCathode gap
55
AnodenraumAnode compartment
66th
Protonendurchlässige Membran mit Anode (1/2 MEA)Proton-permeable membrane with anode (1/2 MEA)
77th
Anschluss für KathodeConnection for cathode
88th
Anschluss für AnodeConnection for anode
1010
Zuführung für Katholyt (wässrige Hydrogencarbonat-Lösung)Feed for catholyte (aqueous hydrogen carbonate solution)
1111
Weiterleitung für wässrige Formiat-LösungForwarding for aqueous formate solution
1212
Zersetzungsreaktor für Freisetzung von WasserstoffDecomposition reactor for the release of hydrogen
1313
Ableitung für erzeugten WasserstoffDerivation for generated hydrogen
1414th
Pumpe für KatholytCatholyte pump
1515th
Rückführung Katholyt (wässrige Hydrogencarbonat-Lösung)Return catholyte (aqueous hydrogen carbonate solution)
1616
Wasserabtrennung (z.B. Umkehrosmose oder thermisch)Water separation (e.g. reverse osmosis or thermal)
2020th
Zuführung Anolyt (z. B. Wasser)Anolyte feed (e.g. water)
2121st
Weiterleitung Anolyt (z. B. Wasser) und SauerstoffForwarding anolyte (e.g. water) and oxygen
2222nd
Phasentrenner für Abtrennung von Sauerstoff vom AnolytPhase separator for the separation of oxygen from the anolyte
2323
Ableitung für erzeugten SauerstoffDischarge for generated oxygen
2424
Pumpe für Kreisführung AnolytAnolyte circulation pump
2525th
Rückführungreturn
2929
Zugabe von Wasser (Feed)Adding water (feed)
3131
Pumpe für Rezirkulation von gelöstem CO2Pump for recirculation of dissolved CO2
3232
Phasentrenner für Rückgewinnung von CO2Phase separator for recovery of CO2
3333
Gebläse für Rückführung von CO2Fan for recirculation of CO2
3636
Drossel / EntspannungsvorrichtungThrottle / relaxation device

Claims (15)

Verfahren zur Wasserstoffherstellung umfassend eine Kohlenstoffdioxidelektrolyse (3), in der ein Intermediat, welches Formiat und/oder Ameisensäure aufweist, erzeugt wird und eine anschließende thermische Zersetzung (12) des Intermediats, in der Wasserstoff (H2) freigesetzt wird.A method for producing hydrogen comprising a carbon dioxide electrolysis (3) in which an intermediate comprising formate and / or formic acid is produced and a subsequent thermal decomposition (12) of the intermediate in which hydrogen (H 2 ) is released. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abwärme (37) der Kohlenstoffdioxidelektrolyse (3) zur thermischen Zersetzung (12) des Intermediats genutzt wird.Procedure according to Claim 1 , in which the waste heat (37) from the carbon dioxide electrolysis (3) is used for the thermal decomposition (12) of the intermediate. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die endotherme Zersetzungsreaktion (12) des Intermediats zur Kühlung (38) des Elektrolyten im Elektrolyseur (3) genutzt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the endothermic decomposition reaction (12) of the intermediate is used to cool (38) the electrolyte in the electrolyzer (3). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein wässriger hydrogencarbonat- und/oder carbonathaltiger Elektrolyt in einen Elektrolyseur (3) kathodenseitig (7) eingeströmt wird.Method according to one of the preceding claims, in which an aqueous electrolyte containing hydrogen carbonate and / or carbonate is flowed into an electrolyzer (3) on the cathode side (7). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erzeugte Intermediat in Form einer wässrigen Lösung der thermischen Zersetzung zugeführt wird.Process according to one of the preceding claims, in which the intermediate produced is fed to the thermal decomposition in the form of an aqueous solution. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Kohlenstoffdioxidgas (CO2) über eine Gas-Diffusions-Kathode (2) in einen Elektrolyseur (3) eingeströmt wird, insbesondere Kohlenstoffdioxidgas (CO2), welches über eine Phasentrennung (32) aus dem formiathaltigen wässrigen Elektrolyten rückgewonnen wird.Method according to one of the preceding claims, in which carbon dioxide gas (CO2) flows into an electrolyzer (3) via a gas diffusion cathode (2), in particular carbon dioxide gas (CO2), which is extracted from the formate-containing aqueous electrolyte via a phase separation (32) is recovered. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die nach der Wasserstofffreisetzung übrige wässrige Lösung (15) wieder als Katholytlösung in den Elektrolyseur (3) zurückgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the aqueous solution (15) remaining after the hydrogen release is returned to the electrolyser (3) as catholyte solution. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem mittels einer Wasserabtrennung (16) aus der übrigen wässrigen Lösung (15) die geeignete Katholytkonzentration wiederhergestellt wird, bevor dieser wieder in den Elektrolyseur (2) eingeströmt wird.Procedure according to Claim 7 , in which the suitable catholyte concentration is restored by means of a water separation (16) from the remaining aqueous solution (15) before it flows back into the electrolyzer (2). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erzeugte Intermediat einem Speicher zugeführt wird bevor es, bei Bedarf, der thermischen Zersetzung (12) zugeführt wird, in der Wasserstoff (H2) freigesetzt wird.Procedure according to Claim 1 , in which the intermediate produced is fed to a storage facility before it is fed, if necessary, to the thermal decomposition (12) in which hydrogen (H2) is released. Vorrichtung zur Wasserstoffherstellung umfassend einen Kohlenstoffdioxidelektrolyseur (3), einen thermischen Zersetzungsreaktor (12) sowie eine Intermediatleitung (11), welche den Katholytauslass des Kohlenstoffdioxidelektrolyseurs (3) mit dem Zersetzungsreaktor (12) verbindet.Device for hydrogen production comprising a carbon dioxide electrolyser (3), a thermal decomposition reactor (12) and an intermediate line (11) which connects the catholyte outlet of the carbon dioxide electrolyser (3) with the decomposition reactor (12). Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem Kohlenstoffdioxidelektrolyseur (3) und Zersetzungsreaktor (12) so angeordnet sind, dass die bei der Kohlenstoffdioxidelektrolyse im Elektrolyseur (3) entstehende Abwärme (37) der (3) zur thermischen Zersetzung des Intermediats im Zersetzungsreaktor (12) genutzt werden kann.Device according to Claim 10 , in which the carbon dioxide electrolyser (3) and the decomposition reactor (12) are arranged so that the waste heat (37) of the (3) generated during the carbon dioxide electrolysis in the electrolyser (3) can be used for the thermal decomposition of the intermediate in the decomposition reactor (12). Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, mit einer Katholytrückführleitung (15), welche den Zersetzungsreaktor (12) mit dem Katholyteinlass des Kohlenstoffdioxidelektrolyseurs (3) verbindet, wobei Kohlenstoffdioxidelektrolyseur (3) und Zersetzungsreaktor (12) so angeordnet sind, dass die endotherme Zersetzungsreaktion des Intermediats im Zersetzungsreaktor (12) zur Kühlung (38) des Katholyten in der Katholytrückführleitung (15) genutzt werden kann.Device according to Claim 10 or 11 , with a catholyte return line (15) which connects the decomposition reactor (12) with the catholyte inlet of the carbon dioxide electrolyzer (3), the carbon dioxide electrolyzer (3) and decomposition reactor (12) being arranged so that the endothermic decomposition reaction of the intermediate in the decomposition reactor (12) is used Cooling (38) of the catholyte in the catholyte return line (15) can be used. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, mit einer Wasserabtrennung (16) in der Katholytrückführleitung (15) zur Regulierung der Katholytkonzentration vor dem Katholyteinlass.Device according to one of the Claims 10 to 12 , with a water separation (16) in the catholyte return line (15) to regulate the catholyte concentration upstream of the catholyte inlet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit einer Gas-Diffusions-Kathode (2) und einem Phasentrenner (32) in der Intermediatleitung (11), dessen Gasausgang mit dem Kohlenstoffdioxid-Feed der Gas-Diffusions-Kathode (2) verbunden ist.Device according to one of the Claims 10 to 13 , with a gas diffusion cathode (2) and a phase separator (32) in the intermediate line (11), the gas outlet of which is connected to the carbon dioxide feed of the gas diffusion cathode (2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit einem Drosselventil (36) und wenigstens einer Pumpe (14, 31) zur Erzeugung eines Überdrucks im Kathodenraum (4) des Elektrolyseurs (3), welcher insbesondere als Kathodenspalt (4) ausgeführt ist.Device according to one of the Claims 10 to 13 , with a throttle valve (36) and at least one pump (14, 31) for generating an overpressure in the cathode space (4) of the electrolyzer (3), which is designed in particular as a cathode gap (4).
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