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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Umsetzung eines Eduktgases mit einer Gasdiffusionselektrode.
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Stand der Technik
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Für eine Reaktion an einer Gasdiffusionselektrode muss eine 3-Phasen-Grenze der Reaktanten optimal hergestellt werden: Dabei gehören das Eduktgas auf der einen Seite der Elektrode und der Elektrolyt in der Elektrolysezelle zu den wesentlichen Medien für die Aufrechterhaltung des Elektrolyseprozesses. Das gasförmige Edukt muss mit dem flüssigen Elektrolyten an den festen Partikeln der Gasdiffusionselektrode (GDE) aufeinandertreffen, dass die Umsetzung der Edukte zu Produkten erfolgen kann.
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Im Stand der Technik sind für das Einleiten des Gases in die Poren der Gasdiffusionselektrode zwei Betriebsmodi bekannt:
- Beim Flow-Through-Betriebsmodus besteht kein Gasauslass gasseitig der Gasdiffusionselektrode, sodass das Eduktgas durch die Poren der Gasdiffusionselektrode hindurchgepresst wird. Der Stofftransport basiert auf durch Druck erzeugte Strömungen und ist nicht von diffusiven Prozessen abhängig. Das Gas wird in den Poren umgewandelt, das Produktgas strömt auf der Elektrolytseite wieder aus den Poren aus. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Salzbildung an der Oberfläche der Gasdiffusionselektrode bzw. in den Poren der Gasdiffusionselektrode. Die Salzbildung führt zu einer Absenkung der Prozesseffektivität.
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Beim Flow-By-Betriebsmodus wird das Eduktgas an der Rückseite der Gasdiffusionselektrode vorbeigeführt, das heißt gasseitig erfolgen Gaseinlass und -auslass. Damit basiert das Eindringen des Gases in die Poren auf diffusiven Triebkräften. Der Gasauslass wird anders als im Flow-Through-Betriebsmodus gasseitig gewährleistet. In diesem Betriebsmodus wirkt kein bzw. nur ein geringer Gasdruck auf die Gasdiffusionselektrode, eine erzwungene Strömung der Gasteilchen in die Poren der Gasdiffusionselektrode liegt nur bedingt vor. Infolgedessen besteht die Möglichkeit einer Diffusionslimitierung. Besonders nachteilig an diesem Betriebsmodus ist der Fakt, dass das Produktgas nicht in den Elektrolytraum diffundiert, sondern zurück in den Gasraum und von dort abtransportiert werden muss.
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In beiden Betriebsmodi liegt eine veränderliche Eduktgaszusammensetzung über der Elektrodenoberfläche vor. Entsprechend werden nicht alle Reaktionszentren der Gasdiffusionselektrode ideal mit den Edukt-Molekülen versorgt.
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Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, eine verbesserte Lösung vorzuschlagen, welche die aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die vorzuschlagende Lösung den Konzentrationsgradienten aus Edukten und Produkten verteilt über die GDE-Oberfläche minimieren.
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Diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beschreibung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrochemischen Umsetzung eines Eduktgases umfasst eine Gasdiffusionselektrode, einen Gaseinlass und eine Multikanaleinheit, deren Kanalauslässe gegenüber der Gasdiffusionselektrode angeordnet sind. Die Multikanaleinheit ist also gegenüber, d. h. in einem vorgebbaren Abstand von der Gasdiffusionselektrode angeordnet, so dass die Kanäle verteilt über deren Oberfläche angeordnet sind. Das Eduktgas wird durch die Kanäle auf die Reaktionsfläche der Gasdiffusionselektrode zugeströmt. Das Eduktgas wird nicht an der Oberfläche entlanggeströmt. Dies hat zum Vorteil, dass ein Konzentrationsgradient entlang der Reaktionsfläche der Gasdiffusionselektrode vermieden wird, wie er im Betrieb mit herkömmlichen Gaseinlässen entstünde.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Multikanaleinheit, die als Strömungsdiffusor ausgestaltet ist. Als Kanäle können einfach Löcher in einer Platte angeordnet sein. Auch andere offene Strukturen, durch die das Eduktgas strömen kann, können die Multikanaleinheit bilden. Konkrete Beispiele dafür sind Sinterfilterplatten oder Sinterfiltergewebe. Die Kanäle können Durchmesser von bis zu 10 mm aufweisen und beispielsweise makroskopische Bohrungen sein. Auch können die Durchmesser bis zu 0,1 µm kleine Poren sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Multikanaleinheit, die gegenüber der Gasdiffusionselektrode so angeordnet ist, dass die Kanäle senkrecht zur Gasdiffusionselektrodenoberfläche verlaufen. Alternativ umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ausgestaltungsform eine Multikanaleinheit, die so gegenüber der Gasdiffusionselektrode angeordnet ist, dass die Kanäle in einem Winkel kleiner als 90° zur Gasdiffusionselektrode verlaufen, bevorzugt kleiner als 80°, kleiner als 70°, kleiner als 60°, kleiner als 50°, oder besonders bevorzugt kleiner als 45°, kleiner als 40° oder kleiner als 35°.
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Der Winkel, in dem das Eduktgas auf die Gasdiffusionselektrode zugeströmt wird, kann somit ideal auf die Gesamtapparatur, insbesondere eine Elektrolysezelle angepasst werden. Zum Beispiel kann der Eduktgasstrom im Flow-By-Betriebsmodus vom Gasauslass weggerichtet sein. Auch auf die Porengröße oder Rauhigkeit der GDE-Oberfläche kann die Verkippung der Kanäle optimiert sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Multikanaleinheit, welche über den Gaseinlass mit Eduktgas versorgt wird, insbesondere über ein gaseinlassseitiges Gaskompartiment. Der Gaseinlass schließt also über dieses gaseinlassseitige Gaskompartiment an die Multikanaleinheit an. Dies hat den Vorteil, dass in diesem gaseinlassseitigen Gaskompartiment ein gleichmäßiger bzw. gezielt einstellbarer Druck vorherrscht, welcher den Volumenstrom an jeder Stelle der Gasdiffusionselektrode beeinflusst und somit einstellen kann. Über die Kopplung des gaseinlassseitigen Gaskompartiments mit der Multikanaleinheit kann die gesamte Reaktionsfläche der Gasdiffusionselektrode gezielt mit Eduktgas versorgt werden. Dazu ist das gaseinlassseitige Gaskompartiment insbesondere als Druckkammer ausgestaltet. Alternativ ist das gaseinlassseitige Gaskompartiment als Gasspalt ausgestaltet, was bedeutet, dass es nur ein geringes Gasvolumen aufnimmt, und überwiegend der Verteilung des Eduktgases auf die Kanäle dient. Ein Beispiel für einen Gasspalt ist eine Ausführung der Multikanaleinheit und der Einfassung des gaseinlassseitigen Gaskompartiments aus zwei aufeinanderliegenden Platten, z.B. Plexiglasplatten. Eine der Platten weist Poren oder Bohrungen je nach gewünschten Kanaldurchmesser auf. Ein so gebildetes Multipoint-Injection-System hat den Vorteil, baulich reduziert und einfach umzusetzen zu sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kanäle der Multikanaleinheit in einem Abstand zwischen 0,1 mm und 10 mm zur Oberfläche der Gasdiffusionselektrode angeordnet, insbesondere in einem Abstand zwischen 2 mm und 5 mm. Dieser Abstand zwischen Multikanaleinheit und Reaktionsoberfläche der Gasdiffusionselektrode beschränkt das Volumen des Gasraums der GDE. Der Abstand zwischen Multikanaleinheit und Gasdiffusionselektrode hängt also direkt mit dem Gasvolumen im Gasraum der Gasdiffusionselektrode zusammen und beeinflusst auch das Strömungsverhalten des Eduktgases. Dieser Gasraum kann beispielsweise einen oder mehrere Gasauslässe aufweisen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kanäle der Multikanaleinheit eine regelmäßige Anordnung auf. Die Minimalabstände der Kanäle untereinander liegen dabei zwischen 0,5 mm und 50 mm. Alternativ kann auch eine unregelmäßige Verteilung der Kanäle eingesetzt werden. Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Kanäle weist eine Abnahme des Minimalabstandes zwischen den Kanälen zur Mitte der Multikanaleinheit hin auf, d. h. im Zentrum der Reaktionsoberfläche der Gasdiffusionselektrode herrscht eine erhöhte Kanal- und somit Eduktgasdichte vor.
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Vorteilhafterweise weisen die Kanäle der Multikanaleinheit Durchmesser zwischen 0,1 µm und 10 mm auf. Auch eine Variation des Durchmessers über die Kanallänge kann vorteilhaft eingesetzt werden: Die Kanäle der Multikanaleinheit können als Düsen oder als Diffusoren ausgestaltet sein, d. h. der Durchmesser nimmt in Durchströmungsrichtung ab oder zu. Mittels der Kanaldurchmesser kann beispielsweise die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Eduktgases durch die Kanäle eingestellt werden: Bevorzugt weist die Vorrichtung Kanäle auf, deren Durchmesser eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Eduktgases zwischen 0,1 m/s und 10 m/s, insbesondere zwischen 0,5 m/s und 3 m/s gewähren.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zwischen der Multikanaleinheit und der Gasdiffusionselektrode ein elektrodenseitiges Gaskompartiment mit einem Gasauslass. Dieses bildet sozusagen den eigentlichen Gasraum der Gasdiffusionselektrode. Der integrierte Gasauslass kann als Auslass für das Produktgas in einem Flow-By-Betrieb eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann über diesen Auslass im elektrodenseitigen Gaskompartiment auch eine Transpirationsflüssigkeit ausgeleitet werden, alternativ kann zum Gasauslass ein zweiter Auslass speziell für den Zweck, die Transpirationsflüssigkeit auszuleiten, vorgesehen sein: Die Transpirationsflüssigkeit, das sog. Permeat, das durch die Poren der Gasdiffusionselektrode in das elektrodenseitige Gaskompartiment eindringt, kann besonders gut durch eine Schlitzöffnung, insbesondere an der unteren Kante des Gasraums ausgeführt werden. Der Gasauslass ist bevorzugt seitlich oder oben am elektrodenseitigen Gaskompartiment vorgesehen. Auch andere nicht gasförmige Bestandteile, wie Kondensat oder Aerosole können über den Flüssigkeitsausgang ausgeleitet werden. Die Form des Flüssigkeitsausgangs soll insbesondere auf eine möglichst schnelle Ausleitung der Transpirationsfläche ausgerichtet sein, sodass diese möglichst schnell die aktive Fläche der Gasdiffusionselektrode verlässt. Diese Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass der Abtransport von flüssigen und gasförmigen Aggregatszuständen optimiert abläuft und die Anwendung von Strömungsbrechern überflüssig wird. Insbesondere werden Gasauslass, Einströmkanäle und Flüssigkeitsausgang so angeordnet, dass Spülvorgänge der GDE möglich sind, wobei die Spülung mittels Gas oder Aeorosol erfolgen kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die Gasdiffusionselektrode und die Multikanaleinheit das elektrodenseitige Gaskompartiment.
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Zweckdienlicherweise wird die Vorrichtung zur elektrochemischen Umsetzung eines Eduktgases mit einer Gasdiffusionselektrode, einem Gaseinlass und einer Multikanaleinheit, deren Kanalauslässe gegenüber der Gasdiffusionselektrode angeordnet sind, in einer elektrochemischen Zelle eingesetzt.
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Insbesondere wird die beschriebene Vorrichtung oder die dadurch modifizierte elektrochemische Zelle in einem Verfahren zur elektrochemischen Umsetzung eines Eduktgases eingesetzt, welches bedingt durch die Ausgestaltung der Vorrichtung besonders geeignet für den Dauerbetrieb ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass unabhängig von Flow-Through-Betrieb oder Flow-By-Betrieb eine relativ geringe mechanische Belastung auf der Gasdiffusionselektrode liegt, da Druckdifferenzen zwischen Gaskompartiment und Elektrolytseite der Gasdiffusionselektrode minimal sind.
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Auch Pulsationsstöße werden in einem Betrieb einer elektrochemischen Zelle mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weitestgehend vermieden.
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Besonders im Flow-By-Betrieb wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine bestmögliche Gasversorgung und Beströmung der Gasdiffusionselektrode gewährleistet, die das Gas in die Poren drückt und aus den Poren wieder austreten lässt, sodass die Reaktion optimal stattfinden kann. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet sich kein Konzentrationsgradient des Edukt- und Produktanteils im Gaskompartiment aus. Damit kann die Gesamtreaktionsfläche der Gasdiffusionselektrode ideal zur elektrochemischen Umsetzung des Eduktgases genutzt werden.
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Die beschriebene Vorrichtung hat den Vorteil auch mit verschiedenen Ansätzen aus dem Stand der Technik kombinierbar zu sein: Eine elektrochemische Zelle kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelt werden, beispielsweise indem der Gaseinlass in den Gasraum der Gasdiffusionselektrode durch eine Multikanaleinheit ergänzt wird. Die Multikanaleinheit, bevorzugt ein Strömungsdiffusor, kann baulich in die elektrochemische Zelle integriert sein oder baulich mit der Gasdiffusionselektrode verbunden sein oder an diese angekoppelt werden, z. B. in Verbindung mit dem Gaseinlass. So können auch Stack-Zellen für Flow-By-Betrieb ohne Ein-Punkt-Versorgung realisiert werden. Durch Ergänzung um das zusätzliche gaseinlassseitige erste Gaskompartiment, kann dieses wie gewohnt mit einer Ein-Punkt-Versorgung befüllt werden. Im Flow-By-System wird durch die Multikanaleinheit ein Strömungsprofil gewährleistet, welches erlaubt auf Turbulenzpromotoren im Gasraum der Gasdiffusionselektrode zu verzichten. Der Einsatz von Turbulenzpromotoren ist nachteilsbehaftet, da sich daran Feuchtigkeit oder Aerosole akkumulieren.
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Durch die Integration der Multikanaleinheit in eine elektrochemische Zelle zur elektrochemischen Umsetzung eines Eduktgases wird durch die gezielte Beströmung der Gasdiffusionselektrode der Großteil der Reaktionszentren der Elektrode erreicht, was den elektrochemischen Umsatz des Eduktes zum Produkt erhöht. Gleichzeitig wird die Diffusionslimitierung durch die Gasdiffusionselektrode herabgesetzt, womit ein Betrieb bei höheren Stromdichten möglich ist. Die gezielte Zufuhr des Eduktgases zur Gasdiffusionselektrode gewährleistet zum einen besseren Stofftransport in die Poren der Gasdiffusionselektrode, aber optimiert auch das Konzentrationsprofil und ermöglicht eine homogene Gasverteilung im Gasraum und somit einen besseren Zugang der Gasmoleküle zu den Reaktionszentren der Gasdiffusionselektrode. Gleichzeitig wird durch das optimierte Strömungsprofil im elektrodenseitigen Gaskompartiment auch der Abtransport flüssiger und gasförmiger Aggregatszustände optimiert und die Anwendung von Strömungsbrechern vermieden.
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Mittels der unterschiedlichen Ausführungsformen der Multikanaleinheit, z. B. Variation ihrer Parameter wie Kanalanzahl, Kanalanordnung, Kanaldurchmesser und Abstand kann je nach Anwendung eine eher laminare oder turbulente Strömung im elektrodenseitigen Gasraum eingestellt werden. Es wird ein einheitliches Konzentrationsgefälle der Edukt- und Produktgase auf der Gesamtfläche der Gasdiffusionselektrode bewirkt. Die Gasflussrichtung kann z.B. zum Anpressen der Gasdiffusionselektrode in Richtung Anode genutzt werden.
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Die Kohlenstoffdioxidlimitierung in den Poren der Gasdiffusionselektrode wird herabgesenkt, da ein schnellerer Abtransport der Produktgase aus den Poren bewirkt wird: Es wird schneller neuer Platz für Kohlenstoffdioxidmoleküle in den Poren freigemacht, wo die Reaktionszentren liegen.
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Auch Regenerationsschritte für die Gasdiffusionselektrode sind mit dem vorgestellten Multikanalsystem verbessert umsetzbar. Beispielsweise kann Transpirationsflüssigkeit von der Elektrodenoberfläche abgeblasen werden und beispielsweise durch einen separaten Auslass im elektrodenseitigen Gaskompartiment, dem GDE-Gasraum ausgeführt werden.
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Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 12 der angehängten Zeichnungen beschrieben:
- 1 zeigt perspektivisch ein erstes gaseinlassseitiges Gaskompartiment 12 mit zwei seitlich daran anschließenden Gaseinlässen 11 und einer großflächigen Multikanaleinheit 13.
- 2 und 3 zeigen alternative Ausgestaltungen der Gaseinlässe 11.
- 4 bis 6 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen des Gaskompartiments 12 mit einem oder mehreren seitlichen oder an der Decke des Gaskompartiments angebrachten Gasanschlüssen 11. Die Multikanaleinheit 13 ist im Querschnitt dargestellt, außerdem ist ein mögliches Strömungsprofil 14 des Eduktgases gezeigt.
- 7 zeigt einen weiteren Querschnitt durch eine Gasdiffusionselektrode GDE mit Multikanaleinheit 13 zur Eduktgasinjektion in den Gasraum 52, der elektrodenseitig der Multikanaleinheit 13 liegt.
- 8 bis 10 zeigen verschiedene Verteilungen der Kanalauslässe 131 über die Fläche der Multikanaleinheit 13.
- 11 und 12 zeigen Konzentrationsgradienten von Eduktgas mit im Wesentlichen 100 % Kohlenstoffdioxidanteil und Produktgas (abnehmender CO2-Anteil) entlang der Reaktionsfläche der Gasdiffusionselektrode GDE.
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In der 1 ist ein erstes Beispiel für eine Multikanaleinheit 13 mit Kanälen 130 gezeigt, die mit einem gaseinlassseitigen Gaskompartiment 12 verbunden ist. In dieses erstes Gaskompartiment 12 führen mindestens ein Gaseinlass 11. In der 1 sind an zwei Seiten des Gaskompartiments 12 Gaseinlässe 11 angebracht. Die Multikanaleinheit 13 ist eine Platte mit geraden Bohrungen, die die Kanäle 130 bilden. In dem Gaskompartiment 12 kann nun ein gewählter Gasdruck durch das Regulieren des Gaseinlasses 11 eingestellt werden. Das Gaskompartiment 12 ist insbesondere ein Hohlraum, der in Eduktgastransportrichtung der Multikanaleinheit 13 vorgelagert ist. Die Multikanaleinheit 13 weist Kanäle 130 auf, welche beispielsweise als Düsen oder als Diffusoren ausgestaltet sein können.
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Wie in 2 dargestellt ist, kann auch oben auf dem Gaskompartiment 12 ein weiterer Gaseinlass 11 vorgesehen sein, über den das Gas senkrecht auf die Multikanaleinheit 13 zugeströmt wird. Die Größe des Gaskompartiments 12 und der Multikanaleinheit 13 können variieren. Ist die Multikanaleinheit 13 beispielsweise als Multipoint-Injection-System ausgeführt, kann dieses auf die Fläche der Gasdiffusionselektrode GDE angepasst sein.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Gaseinlasses 11, welches ein punktueller Gasanschluss an das Eduktgaskompartiment 12 ist. Diese Ein-Punkt-Versorgung wird mittels der Multikanaleinheit 13 zu einem Multipoint-Injektion-System.
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In den 4, 5, 6 und 7 ist jeweils ein Querschnitt durch die Vorrichtung gezeigt, welcher angefangen von der Gasdiffusionselektrode GDE, das elektrodenseitige Gaskompartiment 52 zeigt, in dem sich die Strömung 14 des Eduktgases ausbildet. Das Eduktgas tritt durch die Multikanaleinheit 13 und deren Kanäle 130 in das elektrodenseitige Gaskompartiment 52 ein. Dieses bildet den Gasraum der Gasdiffusionselektrode bzw. der Elektrolysezelle. In den 4 bis 6 verlaufen die Kanäle 130 senkrecht zur Gasdiffusionselektrodenoberfläche, in 7 ist eine Variante gezeigt, in der die Kanäle 130 um einen Winkel 132 verkippt zur Senkrechten auf die Gasdiffusionselektrode GDE verlaufen. Eine derartige Ausgestaltung kann anwendungsspezifisch gewählt werden.
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Die Kanalauslässe 131 weisen einen Durchmesser d und einen Abstand a auf. Die Verteilung der Kanalauslässe 131 über die Fläche der Multikanaleinheit 13 ist in den 8, 9 und 10 dargestellt. Die Kanalauslässe 131 können ein regelmäßiges Raster wie in den 8 und 9 oder eine Verdichtung der Kanalauslässe 131 zum Zentrum der Multikanaleinheit 13 hin aufweisen. In 10 beträgt der Abstand a1 zwischen den äußeren Kanalauslässen 131 noch mehr als der Abstand a2 der zentralen Kanäle 130. In den 4 bis 7 befindet sich gaseinlassseitig der Multikanaleinheit 13 das erste Gaskompartiment 12, welches der Multikanaleinheit 13 und dem Gasraum 52 der Gasdiffusionselektrode GDE vorgelagert ist. Dieses wird über wenigstens einen Kanaleinlass 11 mit dem Eduktgas versorgt. Dieses kann als Druckkammer oder einfach als Spalt z. B. zwischen zwei Plexiglasplatten gebildet sein.
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In der 7 ist ein Flüssigkeitsauslass 29 im elektrodenseitigen Gaskompartiment 52 vorgesehen. Dieser Auslass 29 kann vorteilhafterweise als Spalt ausgestaltet sein, besonders vorteilhafterweise ist er so am Gasraum 52 angeordnet, dass eine Flüssigkeit ablaufen kann. Während des Betriebs einer elektrochemischen Zelle mit Gasdiffusionselektrode GDE und einer elektrochemischen Gasumsetzung kann sich im Gasraum 52 neben der Gasdiffusionselektrode eine Transpirationsflüssigkeit, das sog. Permeat bilden. Auch Kondensate oder Aerosole sind für die kontinuierliche Umsetzung des Eduktgases hinderlich und müssen aus dem Gasraum 52 und von der Gasdiffusionselektrode GDE entfernt werden. Beispielsweise wird in Regenerationsschritten oder kontinuierlich das Eduktgas befeuchtet um Salzbildung an der Gasdiffusionselektrode GDE zu verhindern oder zu minimieren. Diese Flüssigkeiten und Aerosole können über den Auslass 29 aus dem Gasraum 52 geleitet werden. Von Vorteil ist die Anbringung des Auslasses 29 an der Unterseite des Gasraums 52, besonders bevorzugt ist eine schlitzförmige Ausgestaltung. Ein Gasauslass 19 ist dagegen eher oben oder seitlich am Gasraum 52 vorgesehen, über den das Produktgas ausgeleitet werden kann, z.B. im Flow-By-Betrieb.
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Die Problematik einer blockierten Gasversorgung durch akkumulierte Feuchtigkeit und Aerosole an Turbulenzpromotoren im Gasraum 52 einer Gasdiffusionselektrode GDE wird also vermieden, da diese Turbulenzpromotoren bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Multikanaleinheit 13 zur Eduktgasinjektion in den Gasraum 52 überflüssig sind.
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Wie in den 8, 9 und 10 gezeigt, sind die Kanalauslässe 131 der Multikanaleinheit 13 bevorzugt regelmäßig angeordnet, z. B. in einem horizontalen oder diagonalen Raster. Auch eine unregelmäßige Verteilung der Löcher der Multikanaleinheit 13 ist denkbar, wenn als Multikanaleinheit 13 beispielsweise keine gezielt gesetzten Bohrungen in eine Platte, sondern Durchlässe eines Gewebes genutzt werden. Als Multikanaleinheit 13 kann beispielsweise ein Multipoint-Injection-System mit einer Mehrzahl an Düsen dienen. Auch kann die Multikanaleinheit 13 ein Strömungsdiffusor sein. Kanäle 130 können Bohrungen oder einfache Löcher in einer Struktur sein. Auch offene Strukturen wie beispielsweise Poren einer Sinterfilterplatte oder eines Sinterfiltergewebes sind denkbar.
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In den 11 und 12 ist das Konzentrationsgefälle von Produkt- und Eduktgas im Gasraum 52 entlang der Gasdiffusionselektrode GDE gezeigt. Bei einem Flow-By-System wie im Stand der Technik eingesetzt, vergleiche 11, nimmt die Konzentration an Kohlenstoffdioxid CO2 im Eduktgas nach Einleiten entlang der Reaktionszentren der Gasdiffusionselektrodenoberfläche im Verlauf ab. Vom Gaseinlass 51 bis zum Gasauslass 59 sinkt der Kohlenstoffdioxidanteil von 100 % auf 78,7 % ab. Dies macht sich in einer Reduktion der Effizienz der elektrochemischen Zelle bemerkbar, da die weiter am Gasauslass 59 liegenden Reaktionszentren der Gasdiffusionselektrode GDE nicht mehr effektiv mit dem Eduktgas versorgt werden.
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Anders bei dem Multipoint-Injection-System 13 mit mehreren Zuleitungen 130 zum elektrodenseitigen Gasraum 52: Das Eduktgas wird zunächst in das erste gaseinlassseitige Gaskompartiment 12 eingeleitet, indem es gleichmäßig verteilt vorliegt, dann über die Kanäle 130 auf die Oberfläche Gasdiffusionselektrode GDE geleitet. Direkt an der Gasdiffusionselektrodenoberfläche liegt nun ein homogener Eduktanteil vor.
