DE69033409T2 - Electrolytic cell and method of use - Google Patents
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Abstract
Description
Das technische Gebiet, das diese Erfindung betrifft, sind Elektrolysezellen, insbesondere Elektrolysezellen mit Festpolymerelektrolytmembran.The technical field to which this invention relates is electrolysis cells, in particular electrolysis cells with solid polymer electrolyte membrane.
Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid zur Herstellung organischer Verbindungen unter Verwendung einer Elektrolysezelle ist seit einiger Zeit bekannt. Eine derartige Reduktion wurde in konventionellen Elektrolysezellen mit einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten durchgeführt. Die Zellen werden typischerweise betrieben, indem ein elektrischer Strom zur gleichen Zeit, zu der ein Brennstoff in Kontakt mit dem Katalysator an der Anode gebracht wird und ein Kohlendioxid enthaltendes Fluid in Kontakt mit dem Katalysator an der Kathode ist, durch die Anode und Kathode geführt wird. Der typische Brennstoff enthält Wasserstoff und ist entweder Wasserstoffgas oder Wasser. Ein solches Verfahren ist in dem US-Patent Nr. 4 609 441 für die Herstellung von Methanol beschrieben, während ein zweites für die Herstellung von Kohlenwasserstoffen gelehrt wird in dem Artikel mit dem Titel: Ambient Temperature Gas Phase CO&sub2; Reduction to Hydrocarbons at Solid Polymer Electrolyte Cells, J. Electrochem. Soc., Electrochemical Society and Technology, Juni 1988, S. 1470-1471.The electrochemical reduction of carbon dioxide to produce organic compounds using an electrolytic cell has been known for some time. Such reduction has been carried out in conventional electrolytic cells having an anode, a cathode and an electrolyte. The cells are typically operated by passing an electric current through the anode and cathode at the same time that a fuel is brought into contact with the catalyst at the anode and a carbon dioxide-containing fluid is in contact with the catalyst at the cathode. The typical fuel contains hydrogen and is either hydrogen gas or water. One such process is described in U.S. Patent No. 4,609,441 for the production of methanol, while a second for the production of hydrocarbons is taught in the article entitled: Ambient Temperature Gas Phase CO₂ Reduction to Hydrocarbons at Solid Polymer Electrolyte Cells, J. Electrochem. Soc., Electrochemical Society and Technology, June 1988, pp. 1470-1471.
Die gemäß dieser Schrift verwendete Kathode war Cu, Ni oder Rh als Beschichtung auf Nation 117. Als eine Anode wurde Pt verwendet.The cathode used according to this paper was Cu, Ni or Rh as a coating on NaN 117. Pt was used as an anode.
Das mit dem Betreiben dieser Vorrichtungen verbundene Problem ist, daß es nicht möglich war, eine Elektrolysezelle zu konzipieren, die eine adäquate Umwandlungsleistung besitzt, um von irgendeinem echten kommerziellen Wert zu sein. Dies wird in dem vorstehend zitierten Artikel, bei dem die Umwandlungsrate von Kohlendioxid zu Kohlenwasserstoffen weniger als etwa 2% beträgt, gezeigt.The problem associated with operating these devices is that it has not been possible to design an electrolytic cell having adequate conversion efficiency to be of any real commercial value. This is demonstrated in the article cited above, where the conversion rate of carbon dioxide to hydrocarbons is less than about 2%.
In "Chemical Abstract, Vol. 108, Nr. 26, 27. Juni 1988, S. 440, Abstract Nr. 228382k, Columbus, Ohio, US" wird die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid zu Methan und Ethan an Kupfer/Nafion- Elektroden in Festpolymerelektrolytzellen offenbart. Die Elektroden wurden durch ein stromloses Plattierungsverfahren hergestellt und lieferten eine Faraday-Effizienz von 20% als einen stationären Wert.In "Chemical Abstract, Vol. 108, No. 26, June 27, 1988, p. 440, Abstract No. 228382k, Columbus, Ohio, US" the electrochemical reduction of carbon dioxide to methane and ethane at copper/Nafion electrodes in solid polymer electrolyte cells is disclosed. The electrodes were prepared by an electroless plating process and provided a Faradaic efficiency of 20% as a steady state value.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die Umwandlungsleistung von Elektrolysezellen zu verbessern.The present invention is directed to improving the conversion performance of electrolysis cells.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Elektrolysezelle, wie sie in Anspruch 1 angegeben ist.The present invention relates to an improved electrolytic cell as defined in claim 1.
Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen deutlicher werden.The foregoing and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description and drawings.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführung einer Elektrolysezelle der vorliegenden Erfindung.Fig. 1 shows a sectional view of an embodiment of an electrolytic cell of the present invention.
Fig. 1 zeigt eine typische Elektrolysezelle 2 der vorliegenden Erfindung, die eine Anode 4, einen Anodenraum 5, eine Kathode 6, einen Kathodenraum 8 und einen Festpolymerelektrolyten 10 sowie Stromsammler 12 und 14 enthält. Eine typische Elektrolysezelle ist in dem gleichzeitig übertragenen US-Patent Nr. 3 992 271 beschrieben.Fig. 1 shows a typical electrolytic cell 2 of the present invention, containing an anode 4, an anode compartment 5, a cathode 6, a cathode compartment 8 and a solid polymer electrolyte 10 and current collectors 12 and 14. A typical electrolytic cell is described in co-assigned U.S. Patent No. 3,992,271.
Die in diesen Zellen brauchbaren Anoden sind aus konventionellen Materialien wie Platin, Ruthenium oder Iridium ausgebildet. Außerdem können auch auf einem Träger mit hoher Oberfläche verteilte Gemische oder Legierungen dieser und anderer Materialien verwendet werden. Konventionelle Anoden, die insbesondere brauchbar sind, sind in dem gleichfalls übertragenen US-Patent Nr. 4 294 608 sowie in dem vorgenannten US-Patent Nr. 3 992 271 beschrieben. Der Katalysator an der Anode sollte zu hoher Reaktivität für die Halbzellen-ReaktionThe anodes useful in these cells are made of conventional materials such as platinum, ruthenium or iridium. In addition, mixtures or alloys of these and other materials distributed on a high surface area support may also be used. Conventional anodes that are particularly useful are described in co-assigned U.S. Patent No. 4,294,608 and in the aforementioned U.S. Patent No. 3,992,271. The catalyst on the anode should have high reactivity for the half-cell reaction
2H&sub2;O → 4H&spplus;4e&supmin; + O&sub2; (1)2H2O ? 4H+4e- + O&sub2; (1)
oderor
H&sub2; → 2H&spplus; + 2e&supmin;H&sub2; ? 2H+ + 2e&supmin;
fähig sein.be able.
Diese Anoden werden unter Verwendung konventioneller Techniken an dem Festpolymerelektrolyten angebracht. Dies wird im allgemeinen erreicht durch das Verfahren, die Anode mit einer Oberfläche der Elektrolytmembran in Kontakt zu bringen und die Anode durch die Anwendung von Druck bei erhöhter Temperatur dazu zu veranlassen, an sie zu binden.These anodes are attached to the solid polymer electrolyte using conventional techniques. This is generally achieved by the process of bringing the anode into contact with a surface of the electrolyte membrane and causing the anode to bond to it by the application of pressure at elevated temperature.
Der Elektrolyt kann irgendeiner der konventionellen Festpolymerelektrolyten sein, die in Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen brauchbar sind und in der Lage sind, positive Ionen (bevorzugt H&spplus;) von der Anode zu der Kathode zu transportieren. Ein Typ ist eine Kationenaustauschermembran in protonierter Form wie Nation (eingetragene Handelsmarke, erhältlich von DuPont Corporation). Andere mögliche Elektrolyten können Perfluorcarbonsäurepolymere, erhältlich von Asahi Glass, und Perfluorsulfonsäurepolymere, erhältlich von Dow Chemical, sein. Diese und andere Festpolymerelektrolytmaterialien sind Fachleuten wohlbekannt und brauchen hier nicht detailliert angegeben werden.The electrolyte may be any of the conventional solid polymer electrolytes useful in fuel cells or electrolysis cells and capable of transporting positive ions (preferably H+) from the anode to the cathode. One type is a cation exchange membrane in protonated form such as Nation (registered trademark, available from DuPont Corporation). Other possible electrolytes may be perfluorocarboxylic acid polymers available from Asahi Glass and perfluorosulfonic acid polymers available from Dow Chemical. These and other solid polymer electrolyte materials are well known to those skilled in the art and need not be detailed here.
Die Verbesserung gegenüber den Elektrolysezellen des Stands der Technik umfaßt die Auswahl eines Primärkathoden-Materials und die Einführung einer Kohlendioxid reduzierenden Sekundärkathode in die Zelle.The improvement over the prior art electrolysis cells includes the selection of a primary cathode material and the introduction of a carbon dioxide reducing secondary cathode into the cell.
Während der Reduktion von Kohlendioxid in der Elektrolysezelle können an der Kathode viele Reaktionen stattfinden, was dazu führt, daß eine Anzahl möglicher Verbindungen gebildet wird.During the reduction of carbon dioxide in the electrolytic cell, many reactions can take place at the cathode, resulting in a number of possible compounds being formed.
Die am meisten vorherrschende Reaktion ist die nachstehend dargelegte Reduktion von Kohlendioxid zu AmeisensäureThe most predominant reaction is the reduction of carbon dioxide to formic acid as shown below
CO&sub2; + 2H&spplus; + 2e&supmin; → HCOOH (2)CO&sub2; + 2H+ + 2e&supmin; ? HCOOH (2)
Es können jedoch mehrere andere Reaktionen stattfinden, wie die Erzeugung von Methanol und Formaldehyd.However, several other reactions can take place, such as the production of methanol and formaldehyde.
CO&sub2; (g) + 4H&spplus; + 4e- → HCHO + H&sub2;O (3)CO&sub2; (g) + 4H+ + 4e- → HCHO + H2 O (3)
CO&sub2; (g) + 6H&spplus; + 6e&supmin; → CH&sub3;OH + H&sub2;O (4)CO&sub2; (g) + 6H+ + 6e&supmin; ? CH3 OH + H2 O (4)
Währenddessen können Folgereaktionen andere organische Verbindungen wie Methanol oder Methan erzeugen.Meanwhile, subsequent reactions can produce other organic compounds such as methanol or methane.
HCOOH + 2H&spplus; + 2e&supmin; → HCHO + H&sub2;O (5)HCOOH + 2H+ + 2e&supmin; ? HCHO + H2 O (5)
HCOOH + 4H+ + 4e&supmin; → CH&sub3;OH + H&sub2;O (6)HCOOH + 4H+ + 4e&supmin; ? CH3 OH + H2 O (6)
HCHO + 4H&spplus; + 4e&supmin; → CH&sub4; + H&sub2;O (7)HCHO + 4H+ + 4e&supmin; ? CH&sub4; + H2 O (7)
Abhängig von der Stromdichte, bei der die Zelle betrieben wird, und anderen Betriebsparametern der Elektrolysezelle einschließlich Art und Konzentration der Reaktanten, wird an der Kathode eine oder mehrere dieser Verbindungen erzeugt werden.Depending on the current density at which the cell is operated and other operating parameters of the electrolytic cell including the type and concentration of the reactants, one or more of these compounds will be produced at the cathode.
Es gibt jedoch eine Reaktion, die leicht die Umwandlungsrate des Kohlendioxids an der Kathode verringert, falls zugelassen wird, daß jene Reaktion stattfindet. Diese Reaktion ist die Bildung von H&sub2;-Gas, wie es in Gleichung 8However, there is a reaction that will slightly reduce the conversion rate of carbon dioxide at the cathode if that reaction is allowed to take place. This reaction is the formation of H2 gas as shown in Equation 8
2H&spplus; + 2e&supmin; → H&sub2;(g) (8)2H+ + 2e&supmin; ? H2 (g) (8)
gezeigt ist.is shown.
Man glaubt, daß durch die Verwendung einer Kathode mit einer größeren Wasserstoff-Überspannung als Platin, die die Bildung von Wasserstoffgas unterdrücken und dadurch die Menge an Wasserstoffionen, die zur Reaktion mit dem Kohlendioxid verfügbar sind, erhöhen wird, diese unerwünschte Konkurrenzreaktion verringert werden kann.It is believed that by using a cathode with a greater hydrogen overpotential than platinum, which will suppress the formation of hydrogen gas and thereby increase the amount of hydrogen ions available to react with the carbon dioxide, this undesirable competitive reaction can be reduced.
Es ist eine Lehre dieser Erfindung, daß die Primärkathode 6 ein Material aufweisen sollte, das eine Neigung zur Reduktion von Kohlendioxid hat sowie es eine größere Wasserstoff-Uberspannung als Platin hat, nämlich Metall-porphyrine und Metall-phthalocyanine. Typische Metall-porphyrine sind Aluminium- und Zink-prophyrine. Die am meisten bevorzugten Materialien sind die Metall-phthalocyanine. Es kann irgendein Metallphthalocyanin verwendet werden, wobei das bevorzugte Material Nickelphthalocyanin ist. Andere repräsentative Metall-phthalocyanine sind in der nachstehenden Tabelle I aufgelistet:It is a teaching of this invention that the primary cathode 6 should comprise a material that has a tendency to reduce carbon dioxide as well as having a greater hydrogen overvoltage than platinum, namely metal porphyrins and metal phthalocyanines. Typical metal porphyrins are aluminum and zinc porphyrins. The most preferred materials are the metal phthalocyanines. Any metal phthalocyanine may be used, with the preferred material being nickel phthalocyanine. Other representative metal phthalocyanines are listed in Table I below:
Kobalt-phthalocyaninCobalt phthalocyanine
Eisen-phthalocyaninIron phthalocyanine
Kupfer-phthalocyaninCopper phthalocyanine
Diese Phthalocyanine haben wahrscheinlich die Formel These phthalocyanines probably have the formula
in der M irgendein Metallion sein kann, bevorzugt Kobalt, Eisen, Nickel oder Kupfer. Es ist auch möglich, die Kathode auszubilden, indem eine Mischung dieser Materialien verwendet wird, oder sie mit anderen katalytischen Materialien zu mischen. Es sollte jedoch bedacht werden, daß sich andere katalytische Materialien als schädlich für die Umwandlungsleistung erweisen können, insbesondere wenn sie eine niedrige Wasserstoff-Überspannung haben, da sie die Bildung von Wasserstoffgas fördern kann.where M can be any metal ion, preferably cobalt, iron, nickel or copper. It is also possible to form the cathode using a mixture of these materials or to mix them with other catalytic materials. However, it should be borne in mind that other catalytic materials may prove detrimental to the conversion performance, particularly if they have a low hydrogen overpotential, as it may promote the formation of hydrogen gas.
Die diese Materialien enthaltende Kathode wird unter Verwendung konventioneller Techniken hergestellt und wird auf konventionelle Art direkt auf die Elektrolytmembran aufgebracht, typischerweise durch die Anwendung von Wärme und Druck. Typischerweise bedeutet dies ein Mischen des katalytischen Materials mit einem Bindemittel wie Polytetrafluorethy len oder einem anderen inerten Material, das die Reaktivität der Kathode nicht ungünstig beeinflußt. Im allgemeinen wird die Mischung in einem Verhältnis von etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, mit einem bevorzugten Bereich von etwa 15 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, des katalytischen Materials sein, die tatsächlich benötigte Menge variiert jedoch in Abhängigkeit von dem gewählten katalytischen Material.The cathode containing these materials is manufactured using conventional techniques and is applied directly to the electrolyte membrane in a conventional manner, typically by the application of heat and pressure. Typically this means mixing the catalytic material with a binder such as polytetrafluoroethylene len or other inert material which does not adversely affect the reactivity of the cathode. Generally, the mixture will be in a proportion of from about 5% to about 50% by weight, with a preferred range of from about 15% to about 20% by weight, of the catalytic material, but the actual amount required will vary depending on the catalytic material chosen.
Zusätzlich zu der Primärkathode wird ebenfalls eine Sekundärkathode in die Zelle eingeführt. Diese Sekundärkathode ist in der Gestalt eines separaten Gebildes, wie es in Fig. 1 als 18 gezeigt ist. In jeder Anordnung muß die Sekundärkathode in elektrischem Kontakt mit der Primärkathode und in physischem Kontakt mit dem Kohlendioxid und den Wasserstoffionen sein. Die Sekundärkathode ist im Strömungsweg des Kohlendioxids angeordnet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, und wird bevorzugt auf einer Mehrzahl von feinen Drahtsieben, die in Fig. 1 als 18 dargestellt sind, getragen. Die Sekundärkathode weist ein katalytisches Beschichtungsmaterial auf, das wiederum eine größere Wasserstoff- Überspannung hat als Platin und die Neigung, Kohlendioxid in Anwesenheit von Wasserstoffionen zu reduzieren.In addition to the primary cathode, a secondary cathode is also introduced into the cell. This secondary cathode is in the form of a separate structure as shown in Fig. 1 as 18. In either arrangement, the secondary cathode must be in electrical contact with the primary cathode and in physical contact with the carbon dioxide and hydrogen ions. The secondary cathode is positioned in the flow path of the carbon dioxide as shown in Fig. 1 and is preferably supported on a plurality of fine wire screens shown in Fig. 1 as 18. The secondary cathode comprises a catalytic coating material which again has a greater hydrogen overvoltage than platinum and a tendency to reduce carbon dioxide in the presence of hydrogen ions.
Diese zwei Merkmale sind bei der Auswahl eines geeigneten Materials aus zwei Gründen wichtig. Erstens ist es, wie es für das Primärkathoden- Elektrodenmaterial diskutiert wurde, für die verbesserte Reduktion des Kohlendioxids wichtig, daß die Bildung des Wasserstoffgases, wie sie in Gleichung 8 gezeigt ist, unterdrückt wird. Das zweite Merkmal, seine Neigung zur Reduktion von Kohlendioxid in Anwesenheit von Wasser stoffionen, führt zu einem Anwachsen der Zahl verfügbarer Reaktionsstellen für das Stattfinden dieser Reduktion.These two characteristics are important in selecting a suitable material for two reasons. First, as discussed for the primary cathode electrode material, it is important for the enhanced reduction of carbon dioxide that the formation of hydrogen gas is suppressed as shown in Equation 8. The second characteristic, its propensity to reduce carbon dioxide in the presence of water ions, leads to an increase in the number of available reaction sites for this reduction to take place.
Katalytische Materialien, die bei der Herstellung einer solchen Sekundärkathode brauchbar sein können, können anorganische Metalle sein wie Ruthenium, Indium, Iridium, Kupfer, oder Gemische von Metallen wie Stahl oder rostfreier Stahl, von denen alle die beiden Erfordernisse für einen Sekundärkatalysator erfüllen.Catalytic materials that may be useful in making such a secondary cathode may be inorganic metals such as ruthenium, indium, iridium, copper, or mixtures of metals such as steel or stainless steel, all of which satisfy both requirements for a secondary catalyst.
Organische Materialien können ebenso verwendet werden, gerade wie jene bei der Primärkathode. Die organischen Materialien von besonderer Wichtigkeit sind die Makromoleküle, Metall-porphyrine oder Metallphthalocyanine, die vorstehend zur Verwendung bei der Primärkathode erörtert wurden.Organic materials can also be used, just like those in the primary cathode. The organic materials of particular importance are the macromolecules, metal porphyrins or metal phthalocyanines discussed above for use in the primary cathode.
Man glaubt, daß die Sekundärkathode ein beträchtliches Anwachsen der Anzahl aktiver Stellen für das Stattfinden der Reduktion von Kohlendioxid bietet, wodurch sie zu einem drastischen Anwachsen der Effizienz der Zelle führt. Die Effizienz der nachstehend beschriebenen Testzelle erhöhte sich durch die Hinzufügung dieser Sekundärkathode von etwa 60% auf über 90%.It is believed that the secondary cathode provides a significant increase in the number of active sites for the reduction of carbon dioxide to take place, thereby leading to a dramatic increase in the efficiency of the cell. The efficiency of the test cell described below increased from about 60% to over 90% with the addition of this secondary cathode.
Das Verfahren zur Herstellung für diese Sekundärkathode ist, wenn sie in der Form eines Metalls oder einer Metallzusammensetzung ist, als ein feines Maschensieb. Dies erlaubt, daß die Kathode eine sehr hohe Oberfläche hat und leicht in den Kathodenbereich der Zelle einzusetzen ist. In dieser Gestalt ist die Sekundärkathode aus einem oder mehreren dieser Siebe ausgebildet.The method of manufacture for this secondary cathode is, when it is in the form of a metal or metal composition, as a fine mesh screen. This allows the cathode to have a very high surface area and to be easily inserted into the cathode region of the cell. In this form, the secondary cathode is formed from one or more of these screens.
Wenn das Material aus einem organischen Material ausgebildet ist, kann es zur Bildung einer Kathode zusammengepreßt werden oder es kann mit einem Bindemittel wie Polytetrafluorethylen gemischt und dann zur Herstellung der Kathode gepreßt werden, wie es für die Primärkathode gemacht wird. Oder es kann auf einem Substrat abgeschieden werden. Das Substrat kann aus einem inerten Material ausgebildet sein oder es kann aus katalytischem Material ausgebildet sein. Bevorzugt wird der Träger ebenfalls eine größere Wasserstoff-Uberspannung als Platin haben, so daß er nicht zur Bildung von Wasserstoffgas beiträgt. Die bevorzugte Art ist, das Material auf ein Trägergebilde wie ein feines Drahtsieb zu plattieren oder darauf abzuscheiden. So ist es der Fall bei dem bevorzugten Sekundärkathoden-Aufbau, bei dem Indium auf ein feines Drahtsieb aus Edelstahl abgeschieden wird.If the material is formed of an organic material, it can be compressed to form a cathode, or it can be mixed with a binder such as polytetrafluoroethylene and then pressed to form the cathode, as is done for the primary cathode. Or it can be deposited on a substrate. The substrate can be formed of an inert material, or it can be formed of catalytic material. Preferably, the support will also have a greater hydrogen overvoltage than platinum so that it does not contribute to the formation of hydrogen gas. The preferred way is to plate or deposit the material on a support structure such as a fine wire screen. Such is the case with the preferred secondary cathode structure in which indium is deposited on a fine stainless steel wire screen.
Die Elektrolysezellen arbeiten, wenn ein Potential zwischen der Anode und der Kathode erzeugt wird. Die Größe des Potentials muß dergestalt sein, daß Wasserstoffionen an der Anode erzeugt werden und Kohlendioxid an der Kathode reduziert wird. Die tatsächlichen Spannungs-Erfordernisse variieren in Abhängigkeit von einer Anzahl von Variablen. Die Art der in der Anode und Kathode verwendeten Katalysatoren ist wichtig für die Spannungs-Erfordernisse, sowie der Typ von verwendetem Anolyten oder Katholyten. Beispielsweise würde ein Anolyt aus Wasserstoffgas niedrigere Spannungs-Erfordernisse haben als ein aus Wasser zusammengesetzter Anolyt. Außerdem kann die Anordnung und der Aufbau der tatsächlichen Zellbestandteile, d. h. Strömungsfelder, die Spannungs-Erfordernisse verändern. Typischerweise werden diese elektrischen Erfordernisse im Bereich von etwa 2 V bis etwa 5 V liegen.The electrolytic cells operate when a potential is created between the anode and cathode. The magnitude of the potential must be such that hydrogen ions are created at the anode and carbon dioxide is reduced at the cathode. The actual voltage requirements vary depending on a number of variables. The type of catalysts used in the anode and cathode are important to the voltage requirements, as is the type of anolyte or catholyte used. For example, an anolyte composed of hydrogen gas would have lower voltage requirements than an anolyte composed of water. In addition, the arrangement and construction of the actual cell components, i.e. flow fields, can change the voltage requirements. Typically, these electrical requirements will be in the range of about 2V to about 5V.
Das Potential kann durch irgendein übliches Mittel wir gebräuchliche elektrische Quellen, d. h. Batterien oder Brennstoffzellen, erzeugt werden. Bei der Reduktion von Kohlendioxid wird die Anode positiv geladen sein, während die Kathode negativ geladen sein wird. Zusätzlich zum Ionisieren des Wasserstoffs in dem Anolyten und Reduzieren des Kohlendioxids in dem Katholyten treibt das Potential an dem Festpolymerelektrolyten die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten von der Anode zu der Kathode, so daß sie zur Reaktion mit dem Kohlendioxid verfügbar sind.The potential can be generated by any conventional means such as common electrical sources, i.e. batteries or fuel cells. In the reduction of carbon dioxide, the anode will be positively charged while the cathode will be negatively charged. In addition to ionizing the hydrogen in the anolyte and reducing the carbon dioxide in the catholyte, the potential on the solid polymer electrolyte drives the hydrogen ions through the electrolyte from the anode to the cathode so that they are available to react with the carbon dioxide.
Der Betrieb der Elektrolysezelle während der Reduktion von Kohlendioxid ist konventionell. Typischerweise bringt der Betrieb die Einführung von Wasserstoff oder Wasser in die Anodenseite der Zelle und von Kohlendioxid in die Kathodenseite der Zelle mit sich. Das Wasserstoffgas kann bei Umgebungsdruck eingeführt werden, es ist jedoch bevorzugt, daß es bei größeren Drücken als 34,4 N · cm&supmin;² (50 psig) eingeführt wird, bei einem bevorzugten Bereich von 551,2 N · cm&supmin;² (800 psig) bis 620,1 N · cm&supmin;² (900 psig). Wasser kann indessen bei Umgebungsdruck oder darüber eingeführt werden, wobei der bevorzugte Bereich von 151,2 N · cm&supmin;² (800 psig) bis 620,1 N · cm&supmin;² (900 psig) ist. Das Kohlendioxid kann als ein Gasgemisch, als eine Flüssigkeit, oder in einer wäßrigen Lösung gelöst, wie Lithiumcarbonat, oder in einer anderen Form, welche die Funktion der Festpolymerelektrolytmembran nicht beeinträchtigt (d. h. zu kalt oder eine nicht wäßrige Lösung) eingeführt werden. Zur gleichen Zeit, zu der die Materialien in die Zelle eingeführt werden, wird ein elektrischer Strom zwischen der Anode und der Kathode fließenlassen, der ausreichend ist, das Dissoziieren des Wasserstoffs oder des Wassers zu bewirken und die Wasserstoffionen zu veranlassen, durch den Elektrolyten zu der Kathode transportiert zu werden, wo das Kohlendioxid in Anwesenheit der Primär- und der Sekundärkathode zu einer organischen Verbindung reduziert wird.Operation of the electrolytic cell during the reduction of carbon dioxide is conventional. Typically, operation involves the introduction of hydrogen or water into the anode side of the cell and carbon dioxide into the cathode side of the cell. The hydrogen gas may be introduced at ambient pressure, but it is preferred that it be introduced at pressures greater than 34.4 N cm⁻² (50 psig), with a preferred range of 551.2 N cm⁻² (800 psig) to 620.1 N cm⁻² (900 psig). Water, however, may be introduced at ambient pressure or above, with the preferred range being 151.2 N cm⁻² (800 psig) to 620.1 N cm⁻² (900 psig). The carbon dioxide may be introduced as a gas mixture, as a liquid, or dissolved in an aqueous solution such as lithium carbonate, or in another form that does not interfere with the function of the solid polymer electrolyte membrane (i.e. too cold or a non-aqueous solution). At the same time that the materials are introduced into the cell, an electric current is passed between the anode and the cathode sufficient to cause the dissociation of the hydrogen or water and to cause the hydrogen ions to be transported through the electrolyte to the cathode, where the carbon dioxide is reduced to an organic compound in the presence of the primary and secondary cathodes.
Ein Beispiel einer Elektrolysezelle der vorliegenden Erfindung wurde zum Reduzieren von Kohlendioxid verwendet und ist nachstehend beschrieben.An example of an electrolytic cell of the present invention was used to reduce carbon dioxide and is described below.
Eine Elektrolysezelle für die Reduktion von Kohlendioxid wurde hergestellt, die eine 46 cm² (0,05 ft²) Kathode aus Nickel-phthalocyanin und Teflon in einem Gemisch von 85 Gew.-% zu 15 Gew.-%, auf den Elektrolyten gepreßt, besaß. Zusätzlich wurde eine Sekundärkathode in Gestalt von mit Indium elektroplattierten 6 bis 40 Maschen-Sieben aus Edelstahl 316 verwendet. Zusätzlich wurde ein Indiumplatte durch Heftschweißen an der Fluid-Verteilungsplatte, die von der Kollektorplatte gebildet wurde, befestigt, um die Fluid-Durchwirbelung in der Kohlendioxid-Strömung zu fördern und den Kontakt mit den beiden Kathoden zu verbessern.An electrolytic cell for the reduction of carbon dioxide was prepared having a 46 cm² (0.05 ft²) cathode of nickel phthalocyanine and Teflon in a mixture of 85 wt% to 15 wt% pressed onto the electrolyte. In addition, a secondary cathode in the form of 6 to 40 mesh screens of 316 stainless steel electroplated with indium was used. In addition, an indium plate was tack welded to the fluid distribution plate formed by the collector plate to promote fluid agitation in the carbon dioxide stream and to improve contact with the two cathodes.
Eine Lösung von Argon im Gleichgewicht mit 0,1 molarem Lithiumcarbonat wurde bei einem Druck von 206,7 N · cm&supmin;² (300 psig) bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 200 bis 500 cm²/min über die Anode geführt. Während eine Lösung von Kohlendioxid im Gleichgewicht mit 0,1 molarem Lithiumcarbonat bei einem Druck von 223,9 N · cm&supmin;² (325 psig) und einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 200 bis 500 cm²/min. Die Zelle wurde bei einer Stromdichte von 53,8 mA x cm² (40 A/ft²) 42 Minuten lang bei einer Temperatur zwischen 23,9ºC (75ºF) und 37,8ºC (100ºF) betrieben.A solution of argon in equilibrium with 0.1 molar lithium carbonate was passed over the anode at a pressure of 206.7 N cm⁻² (300 psig) at a flow rate of about 200 to 500 cm²/min. While a solution of carbon dioxide in equilibrium with 0.1 molar lithium carbonate was passed over the anode at a pressure of 223.9 N cm⁻² (325 psig) and a flow rate of about 200 to 500 cm²/min. The cell was operated at a current density of 53.8 mA x cm² (40 A/ft²) for 42 minutes at a temperature between 23.9ºC (75ºF) and 37.8ºC (100ºF).
Aus dem Kathodenbereich der Zelle wurden Proben der rezirkulierten Lithiumcarbonat-Lösung entnommen und unter Verwendung eines Ionenchromatographs auf organische flüssige Reaktanten untersucht. Die Ergebnisse zeigten die Anwesenheit von 2103 Teilen pro Million Ameisensäure, was nach einer Massenbilanz zu einer Umwandlungs-Effizienz für das Kohlendioxid in Ameisensäure von 90% führte.Samples of the recirculated lithium carbonate solution were taken from the cathode area of the cell and analyzed for organic liquid reactants using an ion chromatograph. The results showed the presence of 2103 parts per million of formic acid, which, after a mass balance, resulted in a conversion efficiency for the carbon dioxide to formic acid of 90%.
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