EP4093899A1 - Verfahren zum befestigen einer elektrode - Google Patents

Verfahren zum befestigen einer elektrode

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EP4093899A1
EP4093899A1 EP21725035.6A EP21725035A EP4093899A1 EP 4093899 A1 EP4093899 A1 EP 4093899A1 EP 21725035 A EP21725035 A EP 21725035A EP 4093899 A1 EP4093899 A1 EP 4093899A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrochemically active
electrolyte
gas
electrochemical cell
cylindrical
Prior art date
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Pending
Application number
EP21725035.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erhard Magori
Remigiusz Pastusiak
Angelika Tawil
Kerstin Wiesner-Fleischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a method for arranging an electrochemically active element, an electrochemical cell with a fastening device and the use of a fastening device for arranging an electrochemically active element in an electrochemical cell.
  • Gas diffusion electrodes are electrodes with a combination of a solid, liquid and gaseous interface and an electrically conductive catalyst that supports an electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.
  • Gas diffusion electrodes are used, for example, in electroche mix cells for carbon dioxide electrolysis, in which carbon dioxide is reduced to products such as carbon monoxide, methane, ethylene or alcohols on the gas diffusion electrode with the formation of water.
  • the desired substances can be present in either liquid or gaseous form.
  • the gas diffusion electrode allows a solid, a liquid and a gaseous substance to be brought into contact with one another, so that the desired electrochemical reaction can be achieved.
  • a gas diffusion electrode and a method for its manufacture is known, for example, from DE 102015 215 309 A1.
  • a catalyst is usually fixed in a porous film so that the liquid and the gas can interact.
  • the gas diffusion electrode must offer optimum electrical conductivity in order to enable electron transport with low ohmic resistance.
  • a gas conducting layer is located in the middle of the electrode. The electrolyte is displaced from this pore system with only a low gas pressure. A good Low flow resistance ensures that the gas can flow freely in the electrode. If the gas pressure increases, the electrolyte will also be displaced from the pore system of the working layer. The surface layer is so fine-pored that even with pressure peaks no gas can flow through the electrode into the electrolyte.
  • Document DE 19959 079 A1 discloses an electrochemical cell which has an anolyte space and a cathode space. It electrically conductive support elements are provided on the same ge opposite position.
  • gas diffusion electrodes are usually shaped as plates.
  • electrodes with the lowest possible installation height and the largest possible Electrode areas are therefore advantageous.
  • a gas diffusion electrode In an electrochemical cell, a gas diffusion electrode is arranged in such a way that it separates the gas space from the electrolyte space in a pressure-tight manner. Since a differential pressure acts on the gas diffusion electrode due to the gas inflow, it must be supported with spacers against bulging in the direction of the electrical space or on the other side in the direction of the gas space. An uncontrolled bulging of the gas diffusion electrode causes a reduction in the catholyte gap. This results in a disruption of the electrolyte flow, combined with an uneven concentration distribution. Any gas bubbles that may have passed through the gas diffusion electrode cannot escape unhindered and collect in front of points with a greatly reduced electrolyte gap. This leads to an increase in the local current density in the remaining electrode area. The increase in local current densities leads to the formation of undesirable by-products. The effects described result in an increase in the operating voltage depending on the increase in the current density and thus an excessive specific energy consumption.
  • a mere fastening of the electrode edges is regularly inadequate to support the electrode over its entire surface at a constant small distance of a few millimeters from its counter-electrode or to avoid mechanical overload, mainly due to differential pressure. It is therefore advantageous to support the electrode in the area. If the gas-side pressure is above the electrolyte pressure, a support from the electrolyte side may be sufficient.
  • the support of the gas diffusion electrode from the electrolyte side leads to a loss of active electrode area, since the electrolyte access and also the electrical current flow are shaded at the support points.
  • a support from the gas side leads to an increase in the local current density in the remaining electrode surface, which leads to the formation of undesirable by-products, which should be avoided by attaching the support.
  • the object of the present invention is to enable an improved method for supporting the gas diffusion electrode by means of a fastening device.
  • a first aspect of the invention relates to a method for arranging an electrochemically active element on a fastening device, which has a first holding device with at least one cylindrical spacing element and a second holding device with at least one cylindrical spacing element, comprising at least the steps a) providing an electrochemically active ele ments which can be arranged with an electrolyte side to an electrolyte space and with a gas side to a gas space of an electrochemical cell; b) arranging the at least one spacing element of the first holding device on the gas side and arranging the at least one spacing element of the second holding device on the electrolyte side of the electrochemically active ele ment, wherein the at least one spacing element on the electrolyte side is axial to the at least one spacing element on the Gas side is aligned.
  • a cylindrical spacer element is only attached locally to the electrochemically active element on the gas side if a cylindrical spacer element is or will be arranged in the same position on the electrolyte side.
  • the electrochemically active element is preferably a gas diffusion electrode.
  • the electrochemically active element can be a cathode or an anode; the electrochemically active element is preferably a cathode, optionally suitable for reducing carbon dioxide.
  • the gas side is the side of the electrochemically active element facing a gas space.
  • the electrolyte side is the side of the electrochemically active element facing an electrolyte space.
  • the spacer element is cylindrical.
  • the spacing element is suitable for supporting the electrochemically active element.
  • a large number of spacing elements can optionally be arranged on the electrochemically active element on the gas side and / or the electrolyte side.
  • 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more spacing elements can each be arranged on the gas side and / or the electrolyte side.
  • the at least one spacing element on the gas side can be connected with its side facing away from the electrochemically active element on a housing element, for example a wall that delimits a cathode space.
  • the at least one spacing element on the gas side has a smaller contact surface on the electrochemically active element than the at least one spacing element on the electrolyte side.
  • the arrangement of a spacer element alone on the gas side leads to an increase in the local current density in the remaining electrode area, which leads to the formation of undesirable byproducts.
  • Arranging a spacer element on the electrolyte side leads to a loss of active electrode area, since the electrolyte access at the support points and also the electrical current flow are shaded.
  • the spacer element on the gas side has a smaller contact area on the electrochemically active element, an increase in the local current density in the remaining electrode area is avoided and undesired by-products are not formed.
  • a smaller contact surface of the gas-side spacer element is also advantageous, in order to compensate for any tolerances that may arise in the alignment of the gas-side spacer element to the electrolyte-side spacer element.
  • the at least one spacing element in each case is arranged on the electrochemically active element by means of gluing or welding.
  • the fixation of the spacer elements is advantageous because this prevents the spacer elements from being offset with respect to one another in the event of mechanical stress, for example through gas or electrolyte flows.
  • the electrochemically active element is furthermore connected to the cathode chamber by means of lateral fastening elements.
  • the electrochemically active element can be connected to the lateral fastening elements at its edge area.
  • the lateral fastening elements can be designed as brackets or as an optional frame structure.
  • the lateral fastening elements can be designed as electrical contacting of the electrochemically active element. The electrochemically active element is then contacted on the gas side.
  • a second aspect of the invention relates to an electrochemical cell for carbon dioxide electrolysis and / or for carbon monoxide electrolysis, with a cathode compartment in which at least one cathode is arranged by means of a fastening device with an electrolyte side on an electrolyte compartment and with a gas side on a gas compartment , an anode compartment in which at least one anode is arranged galvanically coupled to the cathode, a separator for ion exchange between the cathode compartment and the anode compartment, the fastening device having a first holding device with at least one spacing element and a second holding device with at least one spacing element and wherein the at least one spacer element the electrolyte side is axially aligned with the at least one spacer element on the gas side.
  • the fastening device prevents uncontrolled bulging of the electrochemically active element and the resulting disturbance of the electrolyte flow. Since the spacing elements on the gas side and the electrolyte side are aligned axially and not offset to one another, there is no additional loss of active electrode area. The arrangement of a spacer element on the gas side does not lead to additional shading of the electrochemically active element on the gas side.
  • the fastening device is preferably arranged by means of the method according to the first aspect of the invention. Further features and their advantages can be found in the descriptions of the first aspect of the invention, with advantageous refinements of the first aspect of the invention being regarded as advantageous refinements of the second aspect of the invention and vice versa.
  • the at least one spacing element arranged on the gas side comprises at least one electrically conductive material.
  • the at least one spacing element arranged on the gas side is preferably made of electrically conductive material.
  • the conductive material is selected from the group comprising metals, semiconductors, carbon and polymers and mixtures thereof. Polymers, for example, become conductive through the addition of conductive material. Metal powders such as silver, copper, as well as soot, nanoparticles and mixtures thereof are suitable as additives. This is advantageous because the spacer element on the gas side also functions at least as an electrical contact.
  • the at least one spacer element arranged on the gas side is coated with an electrochemically active composition.
  • the material can be a polymer; the material is preferably selected from the group comprising acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) and polyamides (PA), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyether ether ketone (PEEK) and polyvinyl chloride (PVC), Polyetheretherketone (PEEK) and combinations thereof.
  • the material PEEK is particularly preferred. This is advantageous because in this way the electrochemically active surface is additionally enlarged by the at least one spacing element arranged on the gas side.
  • the at least one spacing element arranged on the electrolyte side consists of electrically insulating material.
  • the at least one spacer element arranged on the electrolyte side functions as an insulator, thereby avoiding the undesired increase in local current densities.
  • the at least one spacing element is rounded at its end facing the electrochemically active element. This reduces the contact area of the spacer elements and further loss of active electrode area can be avoided.
  • the at least one spacing element in each case is resilient. This reduces the mechanical stress on the spacing elements, for example through gas or electrolyte flows.
  • the first holding device and the second holding device furthermore each have at least one holding element which is arranged on the respective at least one spacing element.
  • the holding element arranged on each of the at least one spacing element increases the stability of the holding device. Especially if a lot of number of spacer elements on the gas side or on the Electrolyte side are arranged, these can be connected to one another by the at least one holding element and thus further stabilized.
  • the at least one holding element comprises lamellas arranged in the form of a grid.
  • the lamellas arranged in a grid shape can be arranged on the gas side and / or on the electrolyte side on the respective at least one spacing element.
  • the arranged lamellae are preferably smaller on the electrolyte side than on the gas side.
  • the electrochemically active element can be connected to the cathode compartment by means of lateral fastening elements.
  • the electrochemically active element can be connected to the lateral fastening elements at its edge area.
  • the lateral fastening elements can be designed as brackets or as an optional frame structure.
  • the lateral fastening elements can be designed as electrical contacting of the electrochemically active element. The electrochemically active element is then contacted on the gas side.
  • a third aspect of the invention relates to the use of a fastening device for arranging an electrochemically active element on a fastening device in an electrochemical cell.
  • the electrochemically active element is arranged by means of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a spacing element arranged on a gas side of an electrochemical element
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in each case one spacer element on a gas side and an electrolyte side of an electrochemical element;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a holding element according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration of an electrochemical cell according to the invention.
  • the spacer element 16 is on the gas side 22 of the electrochemically active element 10 in the gas space 26 is arranged.
  • the support of the electrochemically active element 10 by the spacer element 16 on the gas side 22 causes a changed current flow S through the electrolyte space 24 to the cathode 36.
  • Im In the area of increased current density B undesired by-products such as hydrogen are formed.
  • the spacer element 16 is on the gas side 22 of the electrochemically active element 10 in the gas space 26 is arranged.
  • the spacing element 16 arranged on the gas side 22 is coated with an electrochemically active composition and also functions as an electrical contact for the electrochemically active element 10, which additionally increases the electrochemically active surface area of the electrochemically active element 10.
  • the spacer element 18 is arranged on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10 in the electrolyte space 24 and consists of electrically insulating material.
  • the spacer element 18 arranged on the electrolyte side 24 acts as an insulator, as a result of which the undesired increase in local current densities on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10 is avoided.
  • the spacing elements 16 and 18 are aligned axially and not offset to one another. This results in no additional loss of electrochemically active surface on the electrochemically active element 10.
  • the spacer element 16 on the gas side 22 has a smaller contact surface on the electrochemically active element 10 than the spacer element 18 on the electrolyte side 20.
  • the current flow S through the Electrolyte space 24 to anode 36 takes place uniformly, an increase in the local current density in the remaining electrochemically active area is avoided and there is no formation of undesirable by-products.
  • There is still a smaller contact surface of the spacer element 16 on the gas side 22 advantageous in order to compensate for any tolerances that may arise in the alignment of the gas-side spacer element 16 with respect to the electrolyte-side spacer element 18.
  • the spacing element 16 on the gas side 22 and the spacing element 18 on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10 can each be resiliently out. This reduces the mechanical load on the spacer elements 16 and 18, for example, through gas or electroly
  • FIG 3 four spacer elements 16 are connected to each other by the Hal teelement 40.
  • the four spacing elements 16 thus receive further stabilization.
  • the Hal teelement 40 is led out as a lattice arranged slats.
  • the lamellas arranged in the form of a grid can be arranged on the gas side 22 and on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10 on the respective spacing element 16 and 18.
  • the arranged lamellae are preferably smaller on the electrolyte side than on the gas side.
  • FIG 4 the schematic sectional view of an electrochemical cell 30 for carbon dioxide electrolysis is provided.
  • the electrochemical cell 30 has a cathode space 32 in which the electrochemically active element 10 configured as a cathode is arranged with the electrolyte side 20 on the electrolyte space 24 and with the gas side 22 on the gas space 26 by means of a fastening device.
  • the electrochemical cell 30 furthermore has an anode space 34 in which an anode 36 is arranged which is galvanically coupled to the electrochemically active element 10 configured as a cathode.
  • the cathode compartment 32 and anode compartment 34 are separated by a separator 38 for ion exchange between the cathode compartment 32 and the anode compartment 34.
  • the fastening device has a first holding device 12 with four spacing elements 16 on the gas side 22 of the electrochemical element 10.
  • the spacing elements 16 are coated with an electrochemically active composition and also function as electrical contacts for the electrochemically active element 10. Furthermore, the electrochemically active surface of the electrochemically active element 10 is additionally enlarged.
  • the fastening device also has a second holding device 14 with four spacing elements 18 on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10.
  • the spacing elements 18 are arranged on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10 in the electrolyte space 24 and consist of an electrically insulating material.
  • the spacing elements 18 arranged on the electrolyte side 24 function as an insulator, thereby avoiding the undesired increase in local current densities on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10.
  • the spacing elements 16 and 18 are each aligned axially and not offset to one another. This results in no additional loss of electrochemically active surface on the electrochemically active element 10.
  • the spacer elements 16 on the gas side 22 have a smaller contact surface on the electrochemically active element 10 than the spacer elements 18 on the electrolyte side 20.
  • the current flow through the electrolyte compartment 24 to the anode 36 takes place uniformly, an increase in the local current density in the remaining electrochemically active surface is avoided and there is no formation of undesirable by-products.
  • a smaller contact surface of the spacing elements 16 on the gas side 22 is also advantageous in order to compensate for any tolerances that may occur in the direction of the gas-side spacing elements 16 to the electrolyte-side spacing elements 18.
  • the spacing elements 16 and 18 are each connected to one another on the gas side 22 and the electrolyte side 20 by the holding elements 40.
  • the spacing elements 16 and 18 each receive a further stabilization.
  • the Hal te pension 40 are performed as a lattice arranged lamellae. Turbulence in the gas and electrolyte flow is reduced.
  • the lattice-like arranged lamellae (FIG. 3) are arranged on the gas side 22 and on the electrolyte side 20 of the electrochemically active element 10 on the respective spacing elements 16 and 18.
  • the holding elements 40 which are embodied as lamellas arranged in the form of a grid, are smaller on the electrolyte side than on the gas side.
  • the electrochemically active element 10 is connected to the cathode space 32 by means of lateral fastening elements 42.
  • the electrochemically active element 10 is connected to the lateral fastening elements 42 at its edge.
  • the side fasteners 42 can be designed as Klam numbers or frame structure.
  • the lateral fastening elements are designed as electrical contacting of the electrochemically active element 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen eines elektrochemisch aktiven Elements (10) an einer Befestigungseinrichtung, die eine erste Haltevorrichtung (12) mit zumindest einem zylinderförmigen Beabstandungselement (16) und eine zweite Haltevorrichtung (14) mit zumindest einem zylinderförmigen Beabstandungselement (18) aufweist, umfassend zumindest die Schritte: a) Bereitstellen eines elektrochemisch aktiven Elements (10), das mit einer Elektrolytseite (20) an einen Elektrolytraum (24) und mit einer Gasseite (22) an einen Gasraum (26) einer elektrochemischen Zelle anordenbar ist; b) Anordnen des zumindest einen Beabstandungselements (16) der ersten Haltevorrichtung (12) auf der Gasseite (22) und Anordnen des zumindest einen Beabstandungselements (18) der zweiten Haltevorrichtung (14) auf der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Elements (10), wobei das zumindest eine Beabstandungselement (18) auf der Elektrolytseite (20) axial zu dem zumindest einen Beabstandungselement (16) auf der Gasseite (22) ausgerichtet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektrochemische Zelle (30) in der ein elektrochemisch aktives Element (10) an einer Befestigungseinrichtung angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Befestigen einer Elektrode
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen eines elektrochemisch aktiven Elements, eine elektrochemische Zelle mit einer Befestigungseinrichtung sowie die Verwendung einer Befestigungseinrichtung zum Anordnen 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 elektroche mische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase unterstützt.
Gasdiffusionselektroden werden beispielsweise in elektroche mischen 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 Her stellung ist beispielsweise aus der DE 102015 215 309 Al be kannt. Üblicherweise wird ein Katalysator in einer porösen Folie fixiert, so dass die Flüssigkeit und das Gas interagie ren können. Neben diesen Benetzungseigenschaften muss die Gasdiffusionselektrode eine optimale elektrische Leitfähig keit bieten, um einen Elektronentransport mit geringem ohm schem Widerstand zu ermöglichen. Eine Gasleitschicht befindet sich in der Mitte der Elektrode. Mit nur geringem Gasdruck wird der Elektrolyt aus diesem Porensystem verdrängt. Ein ge- ringer Strömungswiderstand stellt sicher, dass das Gas frei in der Elektrode fließen kann. Bei einem erhöhten Gasdruck wird auch der Elektrolyt aus dem Porensystem der Arbeits schicht verdrängt werden. Die Oberflächenschicht ist derart feinporig, dass selbst bei Druckspitzen kein Gas durch die Elektrode in den Elektrolyten strömen kann.
Druckschrift DE 19959 079 Al offenbart eine elektrochemische Zelle, die einen Anolytraum und einen Kathodenraum aufweist. Darin sind elektrisch leitende Stützelemente auf gleicher ge genüberliegender Position vorgesehen.
Um die elektrochemisch aktive Oberfläche zu maximieren und damit die Umsatzrate der elektrochemischen Zelle zu verbes sern, werden Gasdiffusionselektroden gewöhnlich als Platten ausgeformt. Für den technischen Einsatz sind daher Elektroden mit möglichst geringer Aufbauhöhe und möglichst große Elekt rodenflächen vorteilhaft.
In einer elektrochemischen Zelle wird eine Gasdiffusions elektrode so angeordnet, dass sie den Gasraum druckfest vom Elektrolytraum trennt. Da durch den Gaszustrom ein Differenz druck auf die Gasdiffusionselektrode einwirkt, muss diese mit Abstandshaltern gegen ein Ausbeulen in Richtung des Elektro lytraums oder zur anderen Seite in Richtung des Gasraums ab gestützt werden. Ein unkontrolliertes Ausbeulen der Gasdiffu sionselektrode bewirkt eine Verringerung des Katholytspalts. Hieraus ergibt sich eine Störung des Elektrolytflusses, ver bunden mit einer ungleichmäßigen Konzentrationsverteilung. Eventuell durch die Gasdiffusionselektrode durchtretende Gas blasen 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 be schriebenen Effekte resultieren in einer Zunahme der Be triebsspannung in Abhängigkeit von der Erhöhung der Strom- dichte und damit zu einem überhöhten spezifischen Energiever brauch.
Eine alleinige Befestigung der Elektrodenränder ist regelmä ßig nicht ausreichend, um die Elektrode auf ihrer gesamten Fläche in einem konstanten kleinen Abstand von wenigen Milli metern 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 Elektroden fläche, da an den Abstützpunkten der ElektrolytZugang und da mit 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Abstützung der Gasdiffusionselektrode durch ei ne Befestigungseinrichtung zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum An ordnen eines elektrochemisch aktiven Elements an einer Befes tigungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Elektrochemische Zelle gemäß Patentanspruch 3 so wie durch die Verwendung einer Befestigungseinrichtung zum Anordnen eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angege ben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsas pekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen eines elektrochemisch aktiven Elements an einer Be festigungseinrichtung, die eine erste Haltevorrichtung mit zumindest einem zylinderförmigen Beabstandungselement und ei ne zweite Haltevorrichtung mit zumindest einem zylinderförmi gen Beabstandungselement aufweist, umfassend zumindest die Schritte a) Bereitstellen eines elektrochemisch aktiven Ele ments, das mit einer Elektrolytseite an einen Elektrolytraum und mit einer Gasseite an einen Gasraum einer elektrochemi schen Zelle anordenbar ist; b) Anordnen des zumindest einen Beabstandungselements der ersten Haltevorrichtung auf der Gasseite und Anordnen des zu mindest einen Beabstandungselements der zweiten Haltevorrich tung auf der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Ele ments, wobei das zumindest eine Beabstandungselement auf der Elektrolytseite axial zu dem zumindest einen Beabstandungs element auf der Gasseite ausgerichtet wird. Mit anderen Wor ten wird erfindungsgemäß an der Gasseite ein zylinderförmiges Beabstandungselement lokal nur auf dem elektrochemisch akti ven Element angebracht, wenn auf der Elektrolytseite eben falls ein zylinderförmiges Beabstandungselement in gleicher Positionierung angeordnet ist beziehungsweise angeordnet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Anordnung eines Beab standungselements auf der Gasseite nicht zu einer zusätzli chen gasseitigen Verschattung des elektrochemisch aktiven Elements führt. Eine solche gasseitige Verschattung führt zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elekt rodenfläche, wobei es zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte kommt. Da die Beabstandungselemente auf der Gasseitig und der Elektrolytseite axial und nicht versetzt zueinander ausge richtet sind, entsteht kein zusätzlicher Verlust an aktiver Elektrodenfläche .
Das elektrochemisch aktive Element ist bevorzugt eine Gasdif fusionselektrode. Das elektrochemisch aktive Element kann ei ne Kathode oder eine Anode sein, bevorzugt ist das elektro chemisch 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 ak tiven Elements.
Das Beabstandungselement ist zylinderförmig. Das Beabstan- dungselement ist zum Abstützen des elektrochemisch aktiven Elements geeignet. An dem elektrochemisch aktiven Element können wahlweise jeweils auf Gasseite und/oder der Elektro lytseite 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 vorge sehen, dass das zumindest eine Beabstandungselement auf der Gasseite eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element aufweist, als das zumindest eine Beabstan dungselement auf der Elektrolytseite. Die Anordnung eines Be- abstandungselements alleine auf der Gasseite führt zur Erhö hung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektroden fläche, wobei es zur es zur Bildung unerwünschter Nebenpro dukte kommt. Das Anordnen eines Beabstandungselements auf der Elektrolytseite führt zu einem Verlust an aktiver Elektroden fläche, da an den Abstützpunkten der ElektrolytZugang und da mit auch der elektrische Stromfluss abgeschattet werden.
Weist das Beabstandungselement auf der Gasseite eine geringe re Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element auf, wird eine Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleiben den 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 Beabstandungselernent auszugleichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das jeweils zumindest eine Beabstan- dungselement mittels Kleben oder Schweißen an dem elektroche misch aktiven Element angeordnet wird. Die Fixierung der Be- abstandungselemente ist vorteilhaft da so eine Versetzung der Beabstandungselemente zueinander bei mechanischer Belastung beispielsweise durch Gas- oder Elektrolytströmungen verhin dert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das elektrochemisch aktive Element weiterhin mittels seitlicher Befestigungselemente mit dem Ka thodenraum verbunden sein. Das elektrochemisch aktive Element kann an seinem Randbereich mit den seitlichen Befestigungs elementen verbunden sein. Die seitlichen Befestigungselemente können als Klammern oder als optional eine Rahmenstruktur ausgeführt sein. Ferner können die seitlichen Befestigungs elemente als elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Elements ausgelegt sein. Die Kontaktierung des elekt rochemisch aktiven Elements erfolgt dann auf der Gasseite.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrochemi sche Zelle zur Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse und/oder zur Kohlenstoffmonoxid-Elektrolyse, mit einem Kathodenraum, in welchem wenigstens eine Kathode mittels einer Befestigungs einrichtung mit einer Elektrolytseite an einen Elektrolytraum und mit einer Gasseite an einen Gasraum angeordnet ist, einem Anodenraum, in welchem wenigstens eine galvanisch mit der Ka thode gekoppelte Anode angeordnet ist, einem Separator zum Ionenaustausch zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum, wobei die Befestigungseinrichtung eine erste Haltevorrichtung mit zumindest einem Beabstandungselement und eine zweite Hal tevorrichtung mit zumindest einem Beabstandungselement auf weist und wobei das zumindest eine Beabstandungselement auf der Elektrolytseite axial zu dem zumindest einen Beabstan- dungselement auf der Gasseite ausgerichtet ist. Die Befesti gungseinrichtung verhindert ein unkontrolliertes Ausbeulen des elektrochemisch aktiven Elements und die sich daraus er gebende Störung des Elektrolytflusses. Da die Beabstandungs- elemente auf der Gasseite und der Elektrolytseite axial und nicht versetzt zueinander ausgerichtet sind, entsteht kein zusätzlicher Verlust an aktiver Elektrodenfläche. Die Anord nung eines Beabstandungselements auf der Gasseite führt nicht zu einer zusätzlichen gasseitigen Verschattung des elektro chemisch aktiven Elements. Vorzugsweise wird das Anordnen der Befestigungseinrichtung mittels des Verfahrens gemäß dem ers ten Erfindungsaspekt durchgeführt. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zwei ten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass das auf der Gasseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement zumindest ein elektrisch leitfähiges Ma terial umfasst. Bevorzugt besteht das auf der Gasseite ange ordnete 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 beispielswei se durch Zusätze von leitfähigem Material leitfähig. Als Zu sätze 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 zumin dest eine Beabstandungselement mit einer elektrochemisch ak tiven Zusammensetzung beschichtet ist. 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), Poly carbonat (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. Dies ist vorteilhaft, da so die elektro chemisch aktive Oberfläche um das auf der Gasseite angeordne te 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 isolieren dem Material besteht. Das auf der Elektrolytseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement fungiert als Isolator, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Strom dichten vermieden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass das jeweils zumindest eine Beabstandungselement an seinem dem elektrochemisch aktiven Element zugewandten En de abgerundet ist. Hierdurch verringert sich die Auflageflä che der Beabstandungselemente und weiterer Verlust an aktiver Elektrodenfläche kann vermieden werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das jeweils zumindest eine Beabstandungselement federelastisch ist. Hierdurch ver ringert sich die mechanische Belastung der Beabstandungsele mente durch beispielsweise Gas- oder Elektrolytströmungen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass die erste Haltevorrichtung und die zweite Halte vorrichtung weiterhin jeweils zumindest ein Halteelement auf weisen, das an dem jeweils zumindest einen Beabstandungsele ment angeordnet ist. Durch das an dem jeweils zumindest einen Beabstandungselement angeordnete Halteelement erhöht sich die Stabilität der Haltevorrichtung. Insbesondere wenn eine Viel zahl von Beabstandungselementen an der Gasseite oder an der Elektrolytseite angeordnet sind, können diese durch das zu mindest eine Halteelement miteinander verbunden und somit weiter stabilisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Halteelement gitter förmig angeordnete Lamellen umfasst. Die gitterförmig ange ordneten Lamellen können auf der Gasseite und/oder auf der Elektrolytseite an das jeweilige zumindest eine Beabstan- dungselement angeordnet sein. Bevorzugt sind die angeordneten Lamellen auf der Elektrolytseite kleiner als auf der Gassei te. Hierdurch werden Verwirbelungen im Gas- und Elektrolyt fluss verringert oder gänzlich vermieden.
Zusätzlich kann das elektrochemisch aktive Element mittels seitlicher Befestigungselemente mit dem Kathodenraum verbun den sein. Das elektrochemisch aktive Element kann an seinem Randbereich mit den seitlichen Befestigungselementen verbun den sein. Die seitlichen Befestigungselemente können als Klammern oder als optional eine Rahmenstruktur ausgeführt sein. Ferner können die seitlichen Befestigungselemente als elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Ele ments ausgelegt sein. Die Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Elements erfolgt dann auf der Gasseite.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung ei ner Befestigungseinrichtung zum Anordnen eines elektroche misch aktiven Elements an einer Befestigungseinrichtung in einer elektrochemischen Zelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass das Anordnen des elektrochemisch aktiven Elements mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfin- dungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Er findungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprü chen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinati onen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung ge nannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils ange gebenen 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 Merkmals kombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmals kombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen An spruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargeleg ten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinatio nen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
FIG 1 eine schematische Darstellung eines auf einer Gassei te eines elektrochemischen Elements angeordneten Be- abstandungselements;
FIG 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung jeweils eines Beabstandungselements auf ei ner Gasseite und einer Elektrolytseite eines elektro chemischen Elements;
FIG 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Halteelements; und
FIG 4 eine schematische Schnittdarstellung einer erfin dungsgemäßen elektrochemischen Zelle. In FIG 1 ist das Beabstandungselement 16 auf der Gasseite 22 des elektrochemisch aktiven Elements 10 im Gasraum 26 ange ordnet. Die Abstützung des elektrochemisch aktiven Elements 10 durch das das Beabstandungselement 16 auf der Gasseite 22 bewirkt einen veränderten Stromfluss S durch den Elektrolyt raum 24 zur Kathode 36. Dies führt zu einem Bereich erhöhter Stromdichte B auf der Elektrolytseite 20 unterhalb des Beab- standungselements 16. Im Bereich erhöhter Stromdichte B kommt es zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte wie Wasserstoff.
In FIG 2 ist das Beabstandungselement 16 auf der Gasseite 22 des elektrochemisch aktiven Elements 10 im Gasraum 26 ange ordnet. Das auf der Gasseite 22 angeordnete Beabstandungsele ment 16 ist mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung beschichtet und fungiert zusätzlich als elektrische Kontak tierung des elektrochemisch aktiven Elements 10, was die elektrochemisch aktive Oberfläche des elektrochemisch aktiven Elements 10 zusätzlich vergrößert. Das Beabstandungselement 18 ist auf der Elektrolytseite 20 des elektrochemisch aktiven Elements 10 im Elektrolytraum 24 angeordnet und besteht aus elektrisch isolierendem Material. Das auf der Elektrolytseite 24 angeordnete Beabstandungselement 18 fungiert als Isolator, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Strom dichten auf der Elektrolytseite 20 des elektrochemisch akti ven Elements 10 vermieden. Die Beabstandungselemente 16 und 18 sind axial und nicht versetzt zueinander ausgerichtet. Hierdurch entsteht kein zusätzlicher Verlust an elektroche misch aktiver Oberfläche auf dem elektrochemisch aktiven Ele ment 10. Das Beabstandungselement 16 auf der Gasseite 22 weist eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 10 auf als das Beabstandungselement 18 auf der Elektrolytseite 20. Der Stromfluss S durch den Elektro lytraum 24 zur Anode 36 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 des Beabstandungselements 16 auf der Gasseite 22 ist weiterhin vorteilhaft, um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Ausrichtung des gasseitigen Beabstandungselements 16 zum elektrolytseitigen Beabstandungselement 18 auszugleichen. Das Beabstandungselement 16 auf der Gasseite 22 und das Beabstan dungselement 18 auf der Elektrolytseite 20 des elektroche misch aktiven Elements 10 kann jeweils federelastisch ausge führt sein. Hierdurch verringert sich die mechanische Belas tung der Beabstandungselemente 16 und 18 durch beispielsweise Gas- oder Elektrolytströmungen.
In FIG 3 sind vier Beabstandungselemente 16 durch das Hal teelement 40 miteinander verbunden. Die vier Beabstandungs elemente 16 erhalten so eine weitere Stabilisierung. Das Hal teelement 40 ist als gitterförmig angeordnete Lamellen ausge führt. Hierdurch erfolgt der Gasstrom G gleichmäßig, Verwir belungen im Gasstrom werden so verringert oder gänzlich ver mieden. Die gitterförmig angeordneten Lamellen können auf der Gasseite 22 und auf der Elektrolytseite 20 des elektroche misch aktiven Elements 10 an das jeweilige Beabstandungsele ment 16 und 18 angeordnet sein. Bevorzugt sind die angeordne ten Lamellen auf der Elektrolytseite kleiner als auf der Gasseite.
In FIG 4 ist die schematische Schnittdarstellung einer elekt rochemischen Zelle 30 zur Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse dar gestellt. Die elektrochemische Zelle 30 weist einen Kathoden raum 32 auf, in welchem das als Kathode ausgestaltete elekt rochemisch aktive Element 10 mittels einer Befestigungsein richtung mit der Elektrolytseite 20 an den Elektrolytraum 24 und mit der Gasseite 22 an den Gasraum 26 angeordnet ist. Die elektrochemische Zelle 30 weist weiterhin einen Anodenraum 34 auf, in welchem eine galvanisch mit dem als Kathode ausge stalteten elektrochemisch aktiven Element 10 gekoppelte Anode 36 angeordnet ist. Kathodenraum 32 und Anodenraum 34 sind durch einen Separator 38 zum Ionenaustausch zwischen dem Ka thodenraum 32 und dem Anodenraum 34 getrennt. Die Befestigungseinrichtung weist auf der Gasseite 22 des elektrochemischen Elements 10 eine erste Haltevorrichtung 12 mit vier Beabstandungselementen 16 auf. Die Beabstandungsele- mente 16 sind mit einer elektrochemisch aktiven Zusammenset zung beschichtet und fungieren zusätzlich als elektrische Kontaktierungen des elektrochemisch aktiven Elements 10. Dar über hinaus ist die elektrochemisch aktive Oberfläche des elektrochemisch aktiven Elements 10 zusätzlich vergrößert.
Die Befestigungseinrichtung weist weiterhin auf der Elektro lytseite 20 des elektrochemisch aktiven Elements 10 eine zweite Haltevorrichtung 14 mit vier Beabstandungselementen 18 auf. Die Beabstandungselemente 18 sind auf der Elektrolytsei- te 20 des elektrochemisch aktiven Elements 10 im Elektrolyt raum 24 angeordnet und bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Die auf der Elektrolytseite 24 angeordneten Beab standungselemente 18 fungieren als Isolator, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Stromdichten auf der Elektrolytseite 20 des elektrochemisch aktiven Elements 10 vermieden. Die Beabstandungselemente 16 und 18 sind jeweils axial und nicht versetzt zueinander ausgerichtet. Hierdurch entsteht kein zusätzlicher Verlust an elektrochemisch aktive Oberfläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 10. Die Beabstandungselemente 16 auf der Gasseite 22 weisen eine ge ringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 10 auf als die Beabstandungselemente 18 auf der Elektrolyt seite 20. Der Stromfluss durch den Elektrolytraum 24 zur Ano de 36 erfolgt gleichmäßig, eine Erhöhung der lokalen Strom dichte in der verbleibenden elektrochemisch aktiven Fläche wird vermieden und es kommt nicht zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Eine geringere Auflagefläche der Beabstan dungselemente 16 auf der Gasseite 22 ist weiterhin vorteil haft, um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Aus richtung der gasseitigen Beabstandungselement 16 zu den elektrolytseitigen Beabstandungselementen 18 auszugleichen.
Die Beabstandungselemente 16 und 18 sind jeweils auf der Gasseite 22 und der Elektrolytseite 20 durch die Halteelemen te 40 miteinander verbunden. Die Beabstandungselemente 16 und 18 erhalten so jeweils eine weitere Stabilisierung. Die Hal teelemente 40 sind als gitterförmig angeordnete Lamellen aus geführt. Verwirbelungen im Gas- und Elektrolytstrom werden so verringert. Die gitterförmig angeordneten Lamellen (FIG 3) sind auf der Gasseite 22 und auf der Elektrolytseite 20 des elektrochemisch aktiven Elements 10 an die jeweiligen Beab- standungselemente 16 und 18 angeordnet. Die als gitterförmig angeordneten Lamellen ausgeführten Halteelemente 40 sind auf der Elektrolytseite kleiner als auf der Gasseite.
Zusätzlich ist das elektrochemisch aktive Element 10 mittels seitlicher Befestigungselemente 42 mit dem Kathodenraum 32 verbunden. Das elektrochemisch aktive Element 10 ist an sei nem Rand mit den seitlichen Befestigungselementen 42 verbun- den. Die seitlichen Befestigungselemente 42 können als Klam mern oder Rahmenstruktur ausgeführt sein. Ferner sind die seitlichen Befestigungselemente als elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Elements 10 ausgelegt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Anordnen eines elektrochemisch aktiven Ele ments (10) an einer Befestigungseinrichtung, die eine erste Haltevorrichtung (12) mit zumindest einem zylinderförmigen Beabstandungselement (16) und eine zweite Haltevorrichtung (14) mit zumindest einem zylinderförmigen Beabstandungsele ment (18) aufweist, umfassend zumindest die Schritte: a) Bereitstellen eines elektrochemisch aktiven Elements (10), das mit einer Elektrolytseite (20) an einen Elektrolytraum (24) und mit einer Gasseite (22) an einen Gasraum (26) einer elektrochemischen Zelle anordenbar ist; b) Anordnen des zumindest einen zylinderförmigen Beabstan- dungselements (16) der ersten Haltevorrichtung (12) auf der Gasseite (22) und Anordnen des zumindest einen zylinderförmi gen Beabstandungselements (18) der zweiten Haltevorrichtung (14) auf der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Ele ments (10), wobei das zumindest eine zylinderförmige Beab standungselement (18) auf der Elektrolytseite (20) axial zu dem zumindest einen zylinderförmigen Beabstandungselement (16) auf der Gasseite (22) ausgerichtet wird, wobei das zumindest eine zylinderförmige Beabstandungselement (16) auf der Gasseite (22) eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element (10) aufweist, als das zumin dest eine zylinderförmige Beabstandungselement (18) auf der Elektrolytseite (20).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils zumindest eine zylinderförmige Beabstandungsele ment (16, 18) mittels Kleben oder Schweißen an dem elektro chemisch aktiven Element (10) angeordnet wird.
3. Elektrochemische Zelle (30) zur Kohlenstoffdioxid- Elektrolyse und/oder zur Kohlenstoffmonoxid-Elektrolyse, mit - einem Kathodenraum (32), in welchem wenigstens eine Kathode
(10) mittels einer Befestigungseinrichtung mit einer Elekt rolytseite (20) an einen Elektrolytraum (24) und mit einer Gasseite (22) an einen Gasraum (26) angeordnet ist, - einem Anodenraum (34), in welchem wenigstens eine galva nisch mit der Kathode (10) gekoppelte Anode (36) angeordnet ist,
- einem Separator (38) zum Ionenaustausch zwischen dem Katho denraum und dem Anodenraum, wobei die Befestigungseinrichtung eine erste Haltevorrichtung (12) mit zumindest einem zylinderförmigen Beabstandungselement (16) und eine zweite Haltevorrichtung (14) mit zumindest ei nem zylinderförmigen Beabstandungselement (18) aufweist, wo bei das zumindest eine zylinderförmige Beabstandungselement (18) auf der Elektrolytseite (20) axial zu dem zumindest ei nen zylinderförmigen Beabstandungselement (16) auf der Gasseite (22) ausgerichtet ist, wobei das zumindest eine zylinderförmige Beabstandungselement (16) auf der Gasseite (22) eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element (10) aufweist, als das zumin dest eine zylinderförmige Beabstandungselement (18) auf der Elektrolytseite (20).
4. Elektrochemische Zelle (30) nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das auf der Gasseite (22) angeordnete zu mindest eine zylinderförmige Beabstandungselement (16) zumin dest ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
5. Elektrochemische Zelle (30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Gasseite (22) ange ordnete zumindest eine zylinderförmige Beabstandungselement (16) mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung be schichtet ist.
6. Elektrochemische Zelle (30) nach einem der Ansprüche 3 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Elektrolytseite (20) angeordnete zumindest eine zylinderförmige Beabstan dungselement (18) aus elektrisch isolierendem Material be steht.
7. Elektrochemische Zelle (30) nach einem der Ansprüche 3 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils zumindest eine zylinderförmige Beabstandungselement (16, 18) an seinem dem elektrochemisch aktiven Element (10) zugewandten Ende abge rundet ist.
8. Elektrochemische Zelle (30) nach einem der Ansprüche 3 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils zumindest eine zylinderförmige Beabstandungselement (16, 18) federelastisch ist.
9. Elektrochemische Zelle (30) nach einem der Ansprüche 3 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Haltevorrichtung (12) und die zweite Haltevorrichtung (14) weiterhin jeweils zumindest ein Halteelement (40) aufweisen, das an dem jeweils zumindest einen zylinderförmigen Beabstandungselement (16,
18) angeordnet ist.
10. Elektrochemische Zelle (30) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Hal teelement (40) gitterförmig angeordnete Lamellen umfasst.
11. Elektrochemische Zelle (30) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemisch ak tive Element (10) mittels seitlicher Befestigungselemente (42) mit dem Kathodenraum (32) verbunden ist.
12. Verwendung einer Befestigungseinrichtung zum Anordnen ei nes elektrochemisch aktiven Elements (10) an einer Befesti gungseinrichtung in einer elektrochemischen Zelle (30), wobei das Anordnen des elektrochemisch aktiven Elements (10) an der Befestigungseinrichtung mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2 erfolgt.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116858918A (zh) * 2023-05-23 2023-10-10 山东农业大学 一种非水体系一体化3d电化学传感器的制备方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4732660A (en) 1985-09-09 1988-03-22 The Dow Chemical Company Membrane electrolyzer
JP2000192276A (ja) * 1998-12-25 2000-07-11 Asahi Glass Co Ltd 複極型イオン交換膜電解槽
DE19954247C2 (de) * 1999-11-11 2002-11-14 Wolfgang Strewe Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektrode für großtechnische Anlagen sowie Verwendungen der Elektrolysezelle
DE19959079A1 (de) 1999-12-01 2001-06-07 Bayer Ag Elektrochemische Zelle für Elektrolyseure mit Einzelelementtechnik
DE10148600A1 (de) 2001-10-02 2003-04-10 Bayer Ag Einbau einer Gasdiffusionselektrode in einen Elektrolyseur
NO20030763L (no) 2002-02-20 2003-08-21 Chlorine Eng Corp Ltd Ionebyttemembranelektrolysator
DE102010054159A1 (de) 2010-12-10 2012-06-14 Bayer Materialscience Aktiengesellschaft Verfahren zum Einbau von Sauerstoffverzehrelektroden in elektrochemischen Zellen und elektrochemische Ze lle
DE102015215309A1 (de) 2015-08-11 2017-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Präparationstechnik von kohlenwasserstoffselektiven Gasdiffusionselektroden basierend auf Cu-haltigen-Katalysatoren
DE102017219766A1 (de) 2017-11-07 2019-05-09 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse

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