DE102020206448A1

DE102020206448A1 - Vorrichtung zum Befestigen einer Elektrode

Info

Publication number: DE102020206448A1
Application number: DE102020206448.2A
Authority: DE
Inventors: Erhard Magori; Remigiusz Pastusiak; Angelika Tawil; Kerstin Wiesner-Fleischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2021-11-25
Also published as: WO2021239340A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30), umfassend zumindest ein elektrochemisch aktives Element (12), das mit einer Elektrolytseite (14) an einen Elektrolytraum (18) und mit einer Gasseite (16) an einen Gasraum (20) der elektrochemischen Zelle (30) platzierbar ist, und zumindest ein Beabstandungselement (22),wobei auf der Elektrolytseite (14) und/oder auf der Gasseite (16) jeweils zumindest ein Beabstandungselement (22) an dem elektrochemisch aktiven Element (12) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (10) zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle sowie die Verwendung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle.
Gasdiffusionselektroden sind Elektroden mit einer Verbindung aus einer festen, flüssigen und gasförmigen Grenzfläche und einem elektrisch leitenden Katalysator, der eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase unterstützt.
Gasdiffusionselektroden werden beispielsweise in elektrochemischen Zellen zur Kohlenstoffdioxidelektrolyse verwendet, in denen Kohlenstoffdioxid an der Gasdiffusionselektrode unter Bildung von Wasser zu Produkten wie Kohlenmonoxid, Methan, Ethylen oder Alkoholen reduziert wird. Für die Durchführung der gewünschten chemischen Reaktion in der elektrochemischen Zelle können die gewünschten Stoffe sowohl flüssig als auch gasförmig vorliegen. Die Gasdiffusionselektrode erlaubt es, einen festen, einen flüssigen und einen gasförmigen Stoff miteinander in Verbindung zu bringen, sodass die gewünschte elektrochemische Reaktion erreicht werden kann.
Eine Gasdiffusionselektrode sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung ist beispielsweise aus der DE 10 2015 215 309 A1 bekannt. Üblicherweise wird ein Katalysator in einer porösen Folie fixiert, so dass die Flüssigkeit und das Gas interagieren können. Neben diesen Benetzungseigenschaften muss die Gasdiffusionselektrode eine optimale elektrische Leitfähigkeit bieten, um einen Elektronentransport mit geringem ohmschen Widerstand zu ermöglichen. Eine Gasleitschicht befindet sich in der Mitte der Elektrode. Mit nur geringem Gasdruck wird der Elektrolyt aus diesem Porensystem verdrängt. Ein geringer Strömungswiderstand stellt sicher, dass das Gas frei in der Elektrode fließen kann. Bei einem erhöhten Gasdruck wird auch der Elektrolyt aus dem Porensystem der Arbeitsschicht verdrängt werden. Die Oberflächenschicht ist derart feinporig, dass selbst bei Druckspitzen kein Gas durch die Elektrode in den Elektrolyten strömen kann.
Um die elektrochemisch aktive Oberfläche zu maximieren und damit die Umsatzrate der elektrochemischen Zelle zu verbessern, werden Gasdiffusionselektroden gewöhnlich als Platten ausgeformt. Für den technischen Einsatz sind daher Elektroden mit möglichst geringer Aufbauhöhe und möglichst große Elektrodenflächen vorteilhaft.
In einer elektrochemischen Zelle wird eine Gasdiffusionselektrode so angeordnet, dass sie den Gasraum druckfest vom Elektrolytraum trennt. Da durch den Gaszustrom ein Differenzdruck auf die Gasdiffusionselektrode einwirkt, muss diese mit Abstandshaltern gegen ein Ausbeulen in Richtung des Elektrolytraums oder zur anderen Seite in Richtung des Gasraums abgestützt werden. Ein unkontrolliertes Ausbeulen der Gasdiffusionselektrode bewirkt eine Verringerung des Katholytspalts. Hieraus ergibt sich eine Störung des Elektrolytflusses, verbunden mit einer ungleichmäßigen Konzentrationsverteilung. Eventuell durch die Gasdiffusionselektrode durchtretende Gasblasen können nicht ungehindert abziehen und sammeln sich vor Stellen mit stark verringertem Elektrolytspalt an. Dies führt zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektrodenfläche. Durch die Erhöhung lokaler Stromdichten kommt es zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Die beschriebenen Effekte resultieren in einer Zunahme der Betriebsspannung in Abhängigkeit von der Erhöhung der Stromdichte und damit zu einem überhöhten spezifischen Energieverbrauch.
Eine alleinige Befestigung der Elektrodenränder ist regelmäßig nicht ausreichend, um die Elektrode auf ihrer gesamten Fläche in einem konstanten kleinen Abstand von wenigen Millimetern zu ihrer Gegenelektrode abzustützen beziehungsweise um mechanische Überlastung, vorwiegend durch Differenzdruck, zu vermeiden. Deshalb ist es vorteilhaft, die Elektrode in der Fläche abzustützen. Liegt der gasseitige Druck über dem Elektrolytdruck, kann eine Abstützung von der Elektrolytseite genügen. Die Abstützung der Gasdiffusionselektrode von der Elektrolytseite führt zu einem Verlust an aktiver Elektrodenfläche, da an den Abstützpunkten der Elektrolytzugang und damit auch der elektrische Stromfluss abgeschattet werden. Eine Abstützung von der Gasseite führt zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektrodenfläche, wobei es zur es zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte kommt, was mit dem Anbringen der Abstützung gerade vermieden werden sollte.
Generell erfolgt die Abstützung einer Gasdiffusionselektrode mittels Kunststoffgitter. Diese Kunststoffgitter werden gewöhnlich beim Zusammenbau der elektrochemischen Zelle separat in den Gasraum und den Elektrolytraum eingebaut. Als nachteilig erweist sich bei diesem Vorgehen die sehr beschränkten Möglichkeiten zur jeweils exakten Ausrichtung der Kunststoffgitter zueinander in der Zelle, damit nicht eine Abschattung der Gasseite an eigentlich aktiver Fläche erfolgt. Hierzu wäre eine mechanische Ausrichtung im Bereich von 1/10mm über eine Fläche von vielen dm² erforderlich. Diese Genauigkeitsanforderung liegt unter den Werten der thermisch bedingten Ausdehnung der üblicherweise verwendeten Materialien.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur verbesserten Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle gemäß Patentanspruch 12 sowie die Verwendung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle, umfassend zumindest ein elektrochemisch aktives Element, das mit einer Elektrolytseite an einen Elektrolytraum und mit einer Gasseite an einen Gasraum der elektrochemischen Zelle platzierbar ist, und zumindest ein Beabstandungselement, wobei auf der Elektrolytseite und/oder auf der Gasseite jeweils zumindest ein Beabstandungselement an dem elektrochemisch aktiven Element angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das elektrochemisch aktive Element mit jeweils zumindest einem Beabstandungselement auf der Elektrolytseite und/oder auf der Gasseite zu einer Vorrichtung vereint, welche in einer elektrochemischen Zelle platzierbar ist. Hierdurch ist es nicht mehr erforderlich, das zumindest eine Beabstandungselement beim Zusammenbau der elektrochemischen Zelle separat in dem Gasraum und/oder in dem Elektrolytraum zu platzieren. Dies ermöglicht beispielsweise eine jeweils exakte Ausrichtung eines Beabstandungselements der Elektrolytseite zu einem Beabstandungselement auf der Gasseite. Die Ausrichtung der Beabstandungselemente kann ohne Beschränkung durch einen Bauraum der elektrochemischen Zelle exakt vorgenommen werden, eine Abschattung beispielsweise der Gasseite an eigentlich aktiver Fläche wird so minimiert oder gänzlich vermieden. Die Vorrichtung ermöglicht eine mechanische Ausrichtbarkeit der Beabstandungselemente im Bereich von 1/10 mm oder weniger über eine Fläche von mehreren dm².
Das elektrochemisch aktive Element ist bevorzugt eine Gasdiffusionselektrode. Das elektrochemisch aktive Element kann eine Kathode oder eine Anode sein, bevorzugt ist das elektrochemisch aktive Element eine Kathode, wahlweise geeignet zur Reduktion von Kohlendioxid.
Die Gasseite ist die einem Gasraum zugewandte Seite des elektrochemisch aktiven Elements. Die Elektrolytseite ist die einem Elektrolytraum zugewandte Seite des elektrochemisch aktiven Elements.
Das Beabstandungselement ist bevorzugt zylinderförmig. Das Beabstandungselement ist zum Abstützen des elektrochemisch aktiven Elements geeignet. An dem elektrochemisch aktiven Element können wahlweise jeweils auf Gasseite und/oder der Elektrolytseite eine Vielzahl von Beabstandungselementen angeordnet werden. So können beispielsweise 2 ,3 ,4 ,5 ,6 7, 8 ,9 ,10 oder mehr Beabstandungselemente jeweils auf der Gasseite und/oder der Elektrolytseite angeordnet werden.
Das zumindest eine Beabstandungselement auf der Gasseite kann mit seiner dem elektrochemisch aktiven Element abgewandten Seite an einem Gehäuseelement beispielsweise einer Wand, die einen Kathodenraum begrenzt, verbunden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das auf der Gasseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement zumindest ein elektrisch leitfähiges Material umfasst. Bevorzugt besteht das auf der Gasseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement aus elektrisch leitfähigem Material. Das leitfähige Material ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Metalle, Halbleiter, Kohlenstoff und Polymere und Mischungen daraus. Polymere werden beispielsweise durch Zusätze von leitfähigem Material leitfähig. Als Zusätze eignen sich Metallpulver wie Silber, Kupfer, sowie Ruß, Nanopartikel und Mischungen daraus. Dies ist vorteilhaft, da das Beabstandungselement der Gasseite zumindest zusätzlich als elektrische Kontaktierung fungiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das auf der Gasseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung beschichtet ist. Dies ist vorteilhaft, da so die elektrochemisch aktive Oberfläche um das auf der Gasseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement zusätzlich vergrößert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das auf der Elektrolytseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement aus elektrisch isolierendem Material besteht. Das Material kann ein Polymer sein, bevorzugt ist das Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC), Polyetheretherketone (PEEK) und Kombinationen daraus. Insbesondere bevorzugt ist das Material PEEK. Das auf der Elektrolytseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement fungiert als Isolator, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Stromdichten vermieden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das jeweils zumindest eine Beabstandungselement an seinem dem elektrochemisch aktiven Element zugewandten Ende abgerundet ist. Hierdurch verringert sich die Auflagefläche der Beabstandungselemente und weiterer Verlust an aktiver Elektrodenfläche kann vermieden werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das jeweils zumindest eine Beabstandungselement federelastisch ist. Hierdurch verringert sich die mechanische Belastung der Beabstandungselemente durch beispielsweise Gas- oder Elektrolyströmungen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem zumindest einen Beabstandungselement zumindest ein Halteelement angeordnet ist. Das an dem jeweils zumindest einen Beabstandungselement angeordnete Halteelement erhöht sich die Stabilität der Vorrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein erstes Beabstandungselement auf der Gasseite und zumindest ein zweites Beabstandungselement auf der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Elements angeordnet sind. Ist zumindest jeweils ein Beabstandungselement an der Gasseite und/oder an der Elektrolytseite angeordnet, können diese das elektrochemisch aktive Element weiter stabilisieren. Diese beidseitige Stabilisierung des elektrochemisch aktiven Elements ist insbesondere bei Druckschwankungen während des Betriebs der elektrochemischen Zelle vorteilhaft, da so ein unkontrolliertes Ausbeulen des elektrochemisch aktiven Elements und eine sich daraus ergebende Störung des Elektrolytflusses verhindert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Beabstandungselement auf der Elektrolytseite axial zu dem zumindest einen Beabstandungselement auf der Gasseite ausgerichtet ist. Da die Beabstandungselemente auf der Gasseite und der Elektrolytseite axial und nicht versetzt zueinander ausgerichtet sind, entsteht kein zusätzlicher Verlust an aktiver Elektrodenfläche. Die Anordnung eines Beabstandungselements auf der Gasseite führt nicht zu einer zusätzlichen gasseitigen Verschattung des elektrochemisch aktiven Elements.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Beabstandungselement auf der Gasseite eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element aufweist, als das zumindest eine Beabstandungselement auf der Elektrolytseite. Die Anordnung eines Beabstandungselements alleine auf der Gasseite führt zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektrodenfläche, wobei es zur es zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte kommt. Das Anordnen eines Beabstandungselements auf der Elektrolytseite führt zu einem Verlust an aktiver Elektrodenfläche, da an den Abstützpunkten der Elektrolytzugang und damit auch der elektrische Stromfluss abgeschattet werden. Weist das Beabstandungselement auf der Gasseite eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element auf, wird eine Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektrodenfläche vermieden und es kommt nicht zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Eine geringere Auflagefläche des gasseitigen Beabstandungselements ist weiterhin vorteilhaft, um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Ausrichtung des gasseitigen Beabstandungselements zum elektrolytseitigen Beabstandungselement auszugleichen.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das zumindest eine Beabstandungselement auf der Elektrolytseite mittels zumindest eines Befestigungselements mit dem zumindest einen Beabstandungselement auf der Gasseite verbunden ist. Das zumindest eine Befestigungselement Verbindet das zumindest eine Beabstandungselement auf der Elektrolytseite mit dem zumindest einen Beabstandungselement auf der Gasseite. Bevorzugt ist das Befestigungselement in das elektrochemisch aktive Element integriert. Das Befestigungselement ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Beabstandungselemente jeweils auf das Befestigungselement aufgesteckt werden können. Hierdurch wird die Positionierung von Beabstandungselementen zueinander vereinfacht. Darüber hinaus erhöht sich die Stabilität der Beabstandungselemente und des elektrochemischen Elements.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle, umfassend zumindest die Schritte:

a) Bereitstellen eines elektrochemisch aktiven Elements, das mit einer Elektrolytseite an einen Elektrolytraum und mit einer Gasseite an einen Gasraum einer elektrochemischen Zelle platzierbar ist;
b) Anordnen zumindest eines Beabstandungselements auf jeweils der Gasseite und/oder der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Elements.

Die Integration des zumindest einen Beabstandungselements direkt in das elektrochemisch aktive Element ermöglicht neben vereinfachter Fertigung die genaue Platzierung des jeweils zumindest einen Beabstandungselements von Gasraum und Elektrolytraum zueinander und gibt so die Möglichkeit diese wesentlich kleiner auszulegen. Somit wird der Verlust an aktiver Elektrodenfläche erheblich minimiert und die Leistung pro Fläche optimiert. Für Fluide, wie beispielsweise einen Elektrolyten, wird der Strömungswiderstand reduziert. Somit können geringere Spaltabstände und dadurch weniger ohmsche Verluste im Elektrolytspalt erreicht werden. Weiterhin kann durch eine entsprechende Ausführung der Vorrichtung ein spielfreier Einbau des elektrochemischen Elements in die Elektrochemische Zelle gewährleistet werden. Der Zusammenbau der elektrochemischen Zelle wird drastisch vereinfacht, da mindestens zwei Einzelbauteile entfallen. Die Elektrolysezelle wird günstiger und leistungsfähiger. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Schritt a) durch das Herstellen des elektrochemisch aktiven Elements aus einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung und einer Trägerstruktur. Die elektrochemisch aktive Zusammensetzung ist bevorzugt ein katalytisch aktives Material. Der Schritt b) erfolgt durch das Bereitstellen einer Trägerstruktur, die zumindest ein Beabstandungselement umfasst. Hierdurch kann eine geeignete Struktur direkt bei der Herstellung der Elektrode eingebaut werden. Beispielsweise kann als Trägerstruktur ein entsprechend geformtes Kunststoffgitter verwendet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren zumindest einen weiteren Schritt umfasst:

c) Anordnen zumindest eines Halteelements an dem zumindest einen Beabstandungselement.

Durch das Anordnen des zumindest einen Halteelement an dem zumindest einen Beabstandungselement erhöht sich die Stabilität der Vorrichtung. Insbesondere wenn eine Vielzahl von Beabstandungselementen an der Gasseite oder an der Elektrolytseite angeordnet sind, können diese durch das zumindest eine Halteelement miteinander verbunden und somit weiter stabilisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt b) das zumindest eine Beabstandungselement vor dem Anordnen auf jeweils der Gasseite und/oder der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Elements, auf zumindest einem Positionierungselement positioniert wird. Das Positionierungselement kann ein erfindungsgemäßes Halteelement sein. Das Halteelement ist bevorzugt als eine Gitterstruktur ausgeformt. Das zumindest eine Beabstandungselement ist bevorzugt irreversibel an dem Halteelement befestigt. Das Positionierungselement kann weiterhin eine Trägerfolie sein, die nach dem Positionieren des zumindest einen Beabstandungselements von diesem entfernt wird. Hierdurch das zumindest eine Beabstandungselement vor dem Anordnen auf jeweils der Gasseite und/oder der Elektrolytseite an dem elektrochemisch aktiven Element exakt ausgerichtet werden. Insbesondere beim Anordnen mehrerer Beabstandungselemente können diese bereits vor ihrer Anordnung an das elektrochemisch aktive Element exakt zueinander ausgerichtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das jeweils zumindest eine Beabstandungselement mittels Kleben, Schweißen oder Einwalzen an dem elektrochemisch aktiven Element angeordnet wird. Die Fixierung der Beabstandungselemente ist vorteilhaft da so eine Versetzung der Beabstandungselemente zueinander bei mechanischer Belastung beispielsweise durch Gas- oder Elektrolyströmungen verhindert wird.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung von jeweils vier erfindungsgemäß angeordneten Beabstandungselementen;
2 eine schematische Darstellung von jeweils vier erfindungsgemäß angeordneten Beabstandungselementen die mittels zweier Halteelementen jeweils untereinander verbunden sind;
3 eine schematische Darstellung von vier erfindungsgemäß angeordneten Beabstandungselementen;
4 eine schematische Darstellung von vier erfindungsgemäß angeordneten Beabstandungselementen; und
5 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrochemischen Halbzelle;

In 1 sind jeweils vier Beabstandungselemente 22 der Vorrichtung 10 auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die auf der Gasseite 16 angeordneten Beabstandungselemente 22 sind mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung beschichtet und fungieren zusätzlich als elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Elements 12, was die elektrochemisch aktive Oberfläche des elektrochemisch aktiven Elements 12 zusätzlich vergrößert. Die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Die auf der Elektrolytseite 14 angeordneten Beabstandungselemente 22 fungieren als Isolatoren, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Stromdichten auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 vermieden. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektrolytseite 14 ausgerichtet. Hierdurch entsteht kein zusätzlicher Verlust an elektrochemisch aktiver Oberfläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 können eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12 aufweisen als die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14. Der Stromfluss erfolgt gleichmäßig, eine Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden elektrochemisch aktiven Fläche wird vermieden und es kommt nicht zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Eine geringere Auflagefläche der Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 15 ist weiterhin vorteilhaft, um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Ausrichtung der gasseitigen Beabstandungselemente 22 zu den elektrolytseitigen Beabstandungselementen 22 auszugleichen.
In 2 sind jeweils vier Beabstandungselemente 22 der Vorrichtung 10 auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektrolytseite 14 ausgerichtet. Die Beabstandungselemente 22 sind auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 jeweils durch ein Halteelement 24 miteinander verbunden. Die jeweils vier Beabstandungselemente 22 erhalten so eine weitere Stabilisierung. Das Halteelement 24 ist als gitterförmig angeordnete Lamellen ausgeführt. Verwirbelungen im Gasstrom werden hierdurch verringert oder gänzlich vermieden. Das Halteelement 24 kann als gitterförmig angeordneten Lamellen ausgeformt sein. Die gitterförmig angeordneten Lamellen können auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 10 an die jeweilige Beabstandungselemente 22 angeordnet sein. Bevorzugt sind die angeordneten Lamellen auf der Elektrolytseite kleiner als auf der Gasseite.
In 3 sind jeweils zwei Beabstandungselemente 22 der Vorrichtung 10 auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektrolytseite 14 ausgerichtet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 und ein Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 sind jeweils federelastisch ausgeführt. Hierdurch verringert sich die mechanische Belastung der Beabstandungselemente 22 durch beispielsweise Gas- oder Elektrolyströmungen. Das vierte Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14 ist zylinderförmig ausgeformt.
In 4 sind zwei Beabstandungselemente 22 der Vorrichtung 10 auf der Elektrolytseite 14 und ein Beabstandungselement 22 auf der Gasseite 16 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14 sind axial und nicht versetzt zu dem Beabstandungselement 22 der Gasseite 16 ausgerichtet. Das erste Beabstandungselement 22 auf der Gasseite 16 ist mittels eines Befestigungselements 26 mit dem zweiten Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14 verbunden. Das Befestigungselement 26 verbindet das Beabstandungselement 22 auf der Gasseite 16 mit dem zu ihm axial ausgerichteten Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14. Das Befestigungselement 26 ist in das elektrochemisch aktive Element integriert. Das Befestigungselement 26 ist stiftförmig ausgebildet, so dass die Beabstandungselemente 22 jeweils auf das Befestigungselement 26 aufgesteckt sind. Hierdurch wird die Positionierung der Beabstandungselemente 22 zueinander vereinfacht. Darüber hinaus erhöht sich die Stabilität der Beabstandungselemente 22 und des elektrochemischen Elements.
In 5 ist die schematische Schnittdarstellung einer elektrochemischen Halbzelle 30 zur Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse dargestellt. In der elektrochemischen Halbzelle 30 ist das als Kathode ausgestaltete elektrochemisch aktive Elements 12 mittels der Vorrichtung 10 mit der Elektrolytseite 14 an den Elektrolytraum 18 und mit der Gasseite 16 an den Gasraum 20 angeordnet.
Die Vorrichtung 10 weist jeweils vier Beabstandungselemente 22 auf, die auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet sind. Die auf der Gasseite 16 angeordneten Beabstandungselemente 22 sind mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung beschichtet und fungieren zusätzlich als elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Elements 12, was die elektrochemisch aktive Oberfläche des elektrochemisch aktiven Elements 12 zusätzlich vergrößert. Die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Die auf der Elektrolytseite 14 angeordneten Beabstandungselemente 22 fungieren als Isolatoren, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Stromdichten auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 vermieden. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektrolytseite 14 ausgerichtet. Hierdurch entsteht kein zusätzlicher Verlust an elektrochemisch aktiver Oberfläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 können eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12 aufweisen als die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14. Der Stromfluss erfolgt gleichmäßig, eine Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden elektrochemisch aktiven Fläche wird vermieden und es kommt nicht zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Eine geringere Auflagefläche der Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 15 ist weiterhin vorteilhaft um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Ausrichtung der gasseitigen Beabstandungselemente 22 zu den elektrolytseitigen Beabstandungselementen 22 auszugleichen.
Die Beabstandungselemente 22 sind auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 jeweils durch ein Halteelement 24 miteinander verbunden. Die jeweils vier Beabstandungselemente 22 erhalten so eine weitere Stabilisierung. Das Halteelement 24 ist als gitterförmig angeordnete Lamellen ausgeführt. Verwirbelungen im Gasstrom werden hierdurch verringert oder gänzlich vermieden. Das Halteelement 24 kann als gitterförmig angeordneten Lamellen ausgeformt sein. Die gitterförmig angeordneten Lamellen können auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 10 an die jeweilige Beabstandungselemente 22 angeordnet sein. Bevorzugt sind die angeordneten Lamellen auf der Elektrolytseite kleiner als auf der Gasseite.
Zusätzlich ist das elektrochemisch aktive Element 12 mittels seitlicher Befestigungselemente 32 mit dem Gehäuse 34 der elektrochemischen Halbzelle 30 verbunden. Das elektrochemisch aktive Element 12 ist an seinem Rand mit den seitlichen Befestigungselementen 32 verbunden. Die seitlichen Befestigungselemente 32 können als Klammern oder Rahmenstruktur ausgeführt sein. Ferner sind die seitlichen Befestigungselemente als elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Elements 12 ausgelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015215309 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30), umfassend zumindest ein elektrochemisch aktives Element (12), das mit einer Elektrolytseite (14) an einen Elektrolytraum (18) und mit einer Gasseite (16) an einen Gasraum (20) der elektrochemischen Zelle (30) platzierbar ist, und zumindest ein Beabstandungselement (22), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Elektrolytseite (14) und/oder auf der Gasseite (16) jeweils zumindest ein Beabstandungselement (22) an dem elektrochemisch aktiven Element (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Gasseite (16) angeordnete zumindest eine Beabstandungselement (22) zumindest ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, wahlweise ist das auf der Gasseite (16) angeordnete zumindest eine Beabstandungselement (22) mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung beschichtet.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Elektrolytseite (14) angeordnete Beabstandungselement (22) aus elektrisch isolierendem Material besteht.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Beabstandungselement (22) an seinem dem elektrochemisch aktiven Element (12) zugewandten Ende abgerundet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Beabstandungselement (22) federelastisch ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zumindest einen Beabstandungselement (22) zumindest ein Halteelement (24) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erstes Beabstandungselement (22) auf der Gasseite (16) und zumindest ein zweites Beabstandungselement (22) auf der Elektrolytseite (14) des elektrochemisch aktiven Elements (12) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Beabstandungselement (22) auf der Elektrolytseite (14) axial zu dem zumindest einen Beabstandungselement (22) auf der Gasseite (16) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Beabstandungselement (22) auf der Gasseite (16) eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element (12) aufweist, als das zumindest eine Beabstandungselement (22) auf der Elektrolytseite (14) .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Beabstandungselement (22) auf der Elektrolytseite (14) mittels zumindest einem Befestigungselements (26) mit dem zumindest eines Beabstandungselement (22) auf der Gasseite (16) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (10) zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30), umfassend zumindest die Schritte: a) Bereitstellen eines elektrochemisch aktiven Elements (12), das mit einer Elektrolytseite (14) an einen Elektrolytraum (18) und mit einer Gasseite (16) an einen Gasraum (20) einer elektrochemischen Zelle (30) platzierbar ist; b) Anordnen zumindest eines Beabstandungselements (22) auf jeweils der Gasseite (16) und/oder der Elektrolytseite (14) des elektrochemisch aktiven Elements (12).
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend zumindest einen weiteren Schritt: c) Anordnen zumindest eines Halteelements (24) an dem zumindest einen Beabstandungselement (22).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das zumindest eine Beabstandungselement (22) vor dem Anordnen auf jeweils der Gasseite (16) und/oder der Elektrolytseite (14) des elektrochemisch aktiven Elements (12), auf zumindest einem Positionierungselement positioniert wird.
Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30).