EP4784816A1 - Elektrolysezelle mit optimierter kontaktierung einer katalysatorschicht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle (01) zur Elektrolyse von CO2 mit einer Kathodenseite (02) und einer Anodenseite (03). Dabei umfasst die Elektrolysezelle (01) eine Kathodenplatte (04), eine Gaskammer (06), eine Gasdiffusionsschicht (08), eine Katalysatorschicht (09), eine Wasserkammer (07) und eine Anodenplatte (05). Die Kontaktierung der Katalysatorschicht (09) wird durch die Verwendung mehrerer Strombrücken (10) optimiert. Hierzu sind diese (10) elektrisch leitend mit der Kathodenplatte (04) und der Katalysatorschicht (09) verbunden und durchdringen dabei die Gasdiffusionsschicht (08).

Description

Beschreibung

TITEL

Elektrolysezelle mit optimierter Kontaktierung einer Katalysatorschicht

TECH NISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse von CO2. Diese weist eine Gaskammer enthaltend CO2 und eine Wasserkammer enthaltend ein Elektrolyt auf, welche durch eine Gasdiffusionsschicht und eine Katalysatorschicht voneinander getrennt sind. Dabei ist eine Kontaktierung der Katalysatorschicht erforderlich.

HINTERGRUN D

[0002] Erneuerbarer Strom, wie beispielsweise Sonnen- und Windenergie, kann an einigen Standorten in einem über den örtlichen Bedarf hinausgehenden Maß zur Verfügung gestellt werden. Problematisch ist in diesem Fall die effektive Nutzung des verfügbaren Stroms. Eine Möglichkeit ist die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff. Problematisch sind jedoch die Speicherung und der Transport von Wasserstoff. Weiterhin ist es bekannt, mittels einer elektrochemischen Umwandlung von CO2 den verfügbaren erneuerbaren Strom zu nutzen und dabei das Treibhausgas CO2 als Produkt zu binden. Die elektrochemische Reduktionsreaktion von Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenwasserstoffen durch die CO2 Elektrolyse stellt eine vielversprechende Alternative zu anderen Energiespeicherstrategien dar.

[0003] Zur Reduktion von CO2 werden Elektrolysezellen eingesetzt, welche eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweisen. Auf der Anodenseite befindet sich eine Anode, welche in Kontakt mit einem flüssigen Elektrolyt steht. Auf der Kathodenseite befindet sich die Kathode, welche in Kontakt mit dem zu reduzierenden CO2 steht. Bei der regulär zum Einsatz kommenden Elektrolysezelle ist auf der Kathodenseite eine Kavität zur Aufnahme des CO2 und auf der Anodenseite eine Kavität zur Aufnahme des Elektrolyten angeordnet, welche durch eine Gasdiffusionselektrode voneinander getrennt.

[0004] Die generelle Funktionsweise einer Elektrolysezelle zur Elektrolyse von CO2 ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Diese wird beispielsweise in der WO 2023 217624 A1 oder der WO 2019 096985 A1 beschrieben.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Gasdiffusionselektrode von einer nicht-leitenden Gasdiffusionsschicht und einer leitenden Katalysatorschicht gebildet wird. Dabei ist eine Kontaktierung der Katalysatorschicht von der Kathodenseite erforderlich.

Die Kontaktierung der Katalysatorschicht erfolgt in aller Regel am umlaufenden Rand der Katalysatorschicht, beispielsweise durch aufgebrachte Kupferbänder. Sofern die Ausdehnung der Elektrolysezelle klein ist, kann dabei eine hinreichend gleichmäßige Spannungsverteilung über die Fläche der Katalysatorschicht erreicht werden.

[0007] Problem ist die begrenzte Leitfähigkeit der Katalysatorschicht und der für die Katalysatorschicht üblicherweise eingesetzten geringe Schichtdicke. In Verbindung mit der Notwendigkeit, eine für eine praxistaugliche Anwendung hinreichende Fläche der Katalysatorschicht bereitzustellen, kann eine hinreichende und insbesondere gleichmäßige Spannung zwischen der Katalysatorschicht und der Anode nicht ohne weiteres gewährleistet werden.

Zur Lösung des Problems wird in bekannten Ausführungen vorgeschlagen, ein leitendes Gitter, beispielsweise aus Kupfer, auf der Katalysatorschicht gegenüberliegend zur Gasdiffusionsschicht, d.h. auf der Anodenseite im Elektrolyten, anzuordnen.

[0009] Diese Anordnung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Einerseits kann die

Anordnung des leitenden Gitters im Elektrolyten sich nachteilig auf den elektrochemischen Prozess auswirken. Ungünstig ist weiterhin der geringere Abstand der Anode zum leitenden Gitter im Verhältnis zum Abstand der Anode zur Katalysatorschicht. Darüber hinaus wird die wirksame Fläche der Katalysatorschicht durch das Gitter reduziert.

ZUSAMM ENFASSU NG DER ERFINDUNG

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst gleichmäßige Spannung über die Fläche der Katalysatorschicht bereitzustellen. Dabei soll die effektiv zur Verfügung stehende Fläche der Katalysatorschicht möglichst groß sein.

[0011] Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0012] Die gattungsgemäße Elektrolysezelle dient bestimmungsgemäß zur Elektrolyse von CO2. Diese weist eine Kathodenseite und eine gegenüberliegende Anodenseite auf. Ausgehend von der Kathodenseite in unmittelbarer oder mittelbarer Folge umfasst die Elektrolysezelle

- eine Kathodenplatte,

- eine Gaskammer,

- eine Gasdiffusionsschicht,

- eine Katalysatorschicht,

- eine Wasserkammer, und

- eine Anodenplatte.

[0013] Die Kathodenplatte bildet zusammen mit der Anodenplatte beidseitig den Abschluss der Elektrolysezelle.

[0014] Bei der Gaskammer handelt es sich um eine Kavität in der Elektrolysezelle, der im Betrieb der Elektrolysezelle bestimmungsgemäß CO2 zugeführt wird. Bei der Wasserkammer handelt es sich um eine weitere Kavität, in der sich im Betrieb der Elektrolysezelle bestimmungsgemäß ein Elektrolyt befindet. Die Gasdiffusionsschicht zusammen mit der Katalysatorschicht bilden eine Gasdiffusionselektrode. Diese trennt die Gaskammer von der Wasserkammer. Dabei ist es funktionsbedingt notwendig, dass die Gasdiffusionsschicht für CO2 durchlässig ist, den Durchtritt von Flüssigkeit jedoch verhindert.

[0016] Die Gasdiffusionsschicht ist in besonders vorteilhafter Weise elektrisch nichtleitend. Dazu besteht diese aus einem elektrisch nicht-leitenden Material oder weist zumindest eine elektrisch nicht-leitende Beschichtung auf. Demgegenüber ist die Katalysatorschicht besonders vorteilhaft elektrisch leitend. Hierzu besteht diese aus einem elektrisch leitenden Material besteht oder weist zumindest eine elektrisch leitende Beschichtung auf.

[0018] Entsprechend wird eine vorteilhafte Gasdiffusionselektrode in diesem Fall von einer nicht-leitenden Gasdiffusionsschicht und einer leitenden Katalysatorschicht gebildet.

[0019] Darüber hinaus ist es möglich, die Katalysatorschicht oder die Gasdiffusionsschicht seinerseits mehrschichtig auszuführen. Zu den möglichen und vorteilhaften Schichtaufbauten wird auf den bekannten Stand der Technik verwiesen.

[G02Cj Es ist offensichtlich, dass die Gaskammer und die Gasdiffusionsschicht und die Katalysatorschicht und die Wasserkammer vorteilhaft umlaufend abgedichtet sein müssen, um die Gaskammer und die Wasserkammer als Kavitäten realisieren zu können. Dabei ist offensichtlich, dass entsprechende Anschlüsse zur Einleitung und zur Ableitung von Fluiden in und aus der Gaskammer respektive Wasserkammer notwendig sind.

[0021] In einfacher und zugleich vorteilhafter Weise grenzt die Gaskammer unmittelbar an die Kathodenplatte an.

[0022] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gasdiffusionsschicht an die Gaskammer angrenzt. [0023] Eine effektive CO2 Elektrolyse kann erreicht werden, wenn die Katalysatorschicht unmittelbar an die Gasdiffusionsschicht angrenzt.

[0024] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wasserkammer an die Katalysatorschicht angrenzt.

[0025] In einfacher und zugleich vorteilhafter Weise grenzt die Wasserkammer an die Anodenplatte an.

[0026] Dabei bildet bevorzugt die Anodenplatte zugleich die Anode der Elektroysezelle. Funktionsgemäß ist es erforderlich, dass eine Spannung an der Elektrolysezelle angelegt werden kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stromanschluss an die Elektrolysezelle auf der Anodenseite an der Anodenplatte und an der Kathodenseite an der Kathodenplatte erfolgt.

Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Spannungsverteilung an der Katalysatorschicht und der Reduzierung der Nachteile durch ein leitendes Gitter auf der Anodenseite ist es weiterhin vorgesehen, dass mehrere Strombrücken die Gasdiffusionsschicht durchdringen und dabei eine elektrisch leitende Verbindung von der Katalysatorschicht unmittelbar oder mittelbar zur Kathodenplatte herstellen.

[0029] Durch die Ausführungsform wird der Stromfluss zur Katalysatorschicht auf mehrere Strombrücken verteilt und somit ist keine entsprechende Zuführung vom äußeren Rand der Katalysatorschicht in die Fläche der Katalysatorschicht notwendig. Somit entfällt die Notwendigkeit ein leitendes Gitter ausgehend vom Rand der Katalysatorschicht in der Wasserkammer und somit im Elektrolyt anzuordnen. Dieses gestattet eine flexible Dimensionierung der Elektrolysezelle und hebt die Beschränkung auf kleine Baugrößen auf.

[G030] Naheliegend und vorteilhaft kann unvermindert kann der umlaufende Rand der Katalysatorschicht elektrisch kontaktiert sein, so dass der Randbereich der Katalysatorschicht mit Spannung versorgt wird. [0031] Die Kontaktierung der Katalysatorschicht mittels der Strombrücken kann optimiert werden, wenn die jeweilige Strombrücke die Katalysatorschicht durchdringt. Entsprechend ist weiterhin vorgesehen, dass zumindest die Mehrzahl der Strombrücken die Katalysatorschicht durchdringt.

[0032] Die Ausführung, bei der zumindest die Mehrzahl der Strombrücken die Katalysatorschicht durchdringt, eröffnet dies besonders vorteilhaft die Möglichkeit auf der Anodenseite der Katalysatorschicht an den Strombrücken ein die Katalysatorschicht abschnittsweise überdeckendes elektrisch leitendes Element anzuordnen. Somit kann eine nochmals verbesserte Kontaktierung der Katalysatorschicht durch das zusätzliche Element bewirkt werden.

[0033] Zu berücksichtigen ist jedoch die Reduzierung der effektiven Fläche durch das zusätzliche Element und entsprechend sollte dies nur so groß gewählt werden, dass eine zuverlässige Kontaktierung der Katalysatorschicht bei der jeweiligen Strom brücke erfolgt.

[0034] Eine optimierte Kontaktierung wird erfindungsgemäß erzielt, indem Querverbindungen eingesetzt werden, welche jeweils zumindest zwei Strombrücken elektrisch leitend miteinander verbinden und hierbei zugleich mit einer Anlage auf der Anodenseite der Katalysatorschicht eine zusätzliche Kontaktierung der Katalysatorschicht bewirken.

[0035] Bevorzugt verbindet eine Querverbindung zwei Strombrücken, wobei mehrere Querverbindungen vorhanden sind. Auch kann vorgesehen sein, dass eine Querverbindung beispielsweise drei oder vier Strombrücken verbindet. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Querverbindung mit einer Mehrzahl an Strombrücken verbunden ist. Wesentlich für die Erfindung ist es, dass Verbindungen zwischen den Strombrücken auf der Anodenseite vorhanden sind, welche hierbei an der Katalysatorschicht anliegen, dabei jedoch in möglichst geringem Umfang die überdeckte Fläche der Katalysatorschicht gering halten. [0036] Zur Gewährleistung eines definierten Abstandes zwischen der Kathodenplatte und der Gasdiffusionsschicht, insbesondere zur Sicherung der Lage der Gasdiffusionsschicht sowie der Weite der Gaskammer, ist es besonders vorteilhaft, wenn Kontaktsockel als Abstandshalter eingesetzt werden. Dabei ist es einerseits notwendig, dass die Kontaktsockel mit der Kathodenplatte verbunden sind. Gegenüberliegend ist die Anlage an der Gasdiffusionsschicht vorgesehen. Es ist offensichtlich, dass sich die Kontaktsockel in der Gaskammer befinden bzw. diese durchdringen.

[0037] Die Kontaktsockel können auf verschiedene Weisen realisiert werden. So ist es einerseits möglich, diese mittels jeweils mit einer Steckverbindung in eine jeweilige Aufnahme in der Kathodenplatte einzusetzen.

Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Kontaktsockel fest mit der Kathodenplatte verbunden sind, so dass sich die Handhabung im Herstellungsprozess vereinfacht. Eine Fixierung ist dabei beispielsweise durch eine Schraubverbindung möglich. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Kathodenplatte mit den Kontaktsockeln einstückig bzw. integral hergestellt werden. Dies kann beispielsweise durch ein Gießverfahren oder durch ein additives Herstellungsverfahren erfolgen.

In besonders vorteilhafter Weise ermöglichen die Kontaktsockel eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kathodenplatte und den Strombrücken. Naheliegend bedarf es hierzu einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Kathodenplatte und den Kontaktsockeln. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn die Strombrücken elektrisch leitend mit den Kontaktsockeln verbunden sind. Da die Strombrücken die Gasdiffusionsschicht durchdringen und die Kontaktsockeln an der Gasdiffusionsschicht anliegen, reduziert sich hierdurch die notwendige Baugröße der Strombrücken.

Die elektrisch leitende Verbindung der Strombrücken mit der Kathodenplatte bei Vorhandensein von Kontaktsockeln kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. [0041] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strombrücken in Aufnahmen in den Kontaktsockeln lösbar eingesteckt sind.

Hierdurch wird eine größere Gestaltungsfreiheit für die Kontaktierung der Katalysatorschicht durch die Strombrücken ermöglicht.

[0042] In einer alternativen Variante ist vorgesehen, dass die Strombrücken fest mit den Kontaktsockeln verbunden sind. Analog zur Verbindung der Kontaktsockeln mit der Kathodenplatte kann dies beispielsweise durch eine Schraubverbindung realisiert werden. Ebenso ist eine einstückige bzw. integrale Bauweise der Kontaktsockel mit den Strombrücken möglich.

[0043] Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass jede Strombrücke mit einer Querverbindung verbunden ist. Vielmehr kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass auf den Strombrücken, welche nicht mit einer Querverbindung versehen sind, jeweils ein Brückenkopf angeordnet wird, welcher als Scheibe mit der jeweiligen Strombrücke und mit der Katalysatorschicht die Strombrücke umgebend elektrisch leitend verbunden ist. Insofern ist ein Teil der Strombrücken mit einer Querverbindung elektrisch leitend verbunden und ein anderer Teil der Strombrücken weist einen Brückenkopf auf.

[0044] Zur Verbindung der Brückenköpfe und/oder der Querverbindungen mit den Strombrücken kann einerseits vorgesehen sein, dass die elektrisch leitende Verbindung durch eine Anlage der Brückenköpfe und/oder der Querverbindungen auf den Strombrücken hergestellt wird.

Die zuvor genannte Verbindung der Brückenköpfe und/oder der zumindest einen Querverbindung mit Anlage an den Strombrücken ist in dem Fall besonders vorteilhaft, wenn in Kombination die Strombrücken fest mit den Kontaktsockeln verbunden sind.

Alternativ ist es besonders vorteilhaft, wenn die Brückenköpfe und/oder die Querverbindungen fest und/oder einstückig mit den Strombrücken verbunden sind. [0047] Die feste Verbindung der Brückenköpfe und/oder der Querverbindungen mit den Strombrücken ist besonders vorteilhaft, wenn die Strombrücken in den Kontaktsockeln lösbar eingesteckt werden.

[0048] Besonders vorteilhaft ist es in jedem Fall, wenn in der Wasserkammer keine leitende Verbindung ausgehend von den Strombrücken und den Querverbindungen und sofern vorhanden den Brückenköpfen zum Elektrolyt besteht. Hierzu kann beispielsweise eine elektrisch nicht-leitende Beschichtung vorgesehen sein.

[0049] Sofern eine elektrisch nicht-leitende Beschichtung angegeben ist, so kann immer alternativ eine elektrisch nicht-leitende Abdeckung oder Ummantelung vorgesehen sein. Eine kleine Baugröße für die elektrische Isolierung wird jedoch vorteilhaft mit einer elektrisch nicht-leitenden Beschichtung erreicht.

[0050] Weiterhin kann es je nach Dimensionierung der Elektrolysezelle sowie der Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht vorteilhaft sein, wenn in der Wasserkammer zumindest ein Abstandshalter angeordnet wird. Dabei ist es erforderlich, dass eine definierte Lage des Abstandshalters zwischen der Anodenplatte und der Katalysatorschicht gegeben ist.

[0051] Der Abstandshalter soll somit sicherstellen, dass sich der Abstand zwischen der Anodenplatte und der Katalysatorschicht nicht aufgrund von Verformungen der Katalysatorschicht verändert.

[0052] In Verbindung mit den Kontaktsockeln kann mit dem Abstandshalter zuverlässig die Position der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht festgelegt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass die flächige Anlage der Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionsschicht gewährleistet ist.

Dabei kann in einer ersten Option vorgesehen sein, dass mehrere Abstandshalter in der Wasserkammer angeordnet werden. Dabei sind die Abstandshalter fest mit der Anodenplatte zu verbinden, so dass deren Lage festgelegt ist. [0054] In einer zweiten Option kann vorgesehen sein, dass ein einteiliger Abstandshalter zwischen der Anodenplatte und der Katalysatorschicht in der Wasserkammer eingelegt wird. Zur Gewährleistung einer möglichst ungehinderten Strömung in der Wasserkammer ist hierzu der Abstandshalter gitterförmig zu gestalten. Dabei sollte die überdeckte Fläche der Anodenplatte und der Katalysatorschicht möglichst gering ausfallen und der gitterförmige Abstandhalter ansonsten von der Anodenplatte und insbesondere der Katalysatorschicht beabstandet sein.

[0055] In beiden Fällen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Abstandshalter auf der Seite der Katalysatorschicht an den jeweilen Strombrücken und abschnittweise die Strombrücken umgebend auf der Katalysatorschicht anliegt. Die Anlage erfolgt vorteilhaft auf den Brückenköpfen bzw. auf den Querverbindungen zumindest an der Position der Strombrücken.

[0056] Besonders vorteilhaft kann durch die Anlage des einen Abstandshalters bzw. der mehreren Abstandshalter auf den Brückenköpfen und/oder den Querverbindungen die Kontaktierung der Brückenköpfe und/oder der Querverbindungen auf der Katalysatorschicht verbessert werden. Es ist vorteilhaft möglich, die Brückenköpfe und/oder die Querverbindungen fest am gitterförmigen Abstandshalter oder den mehreren mit der Anodenplatte verbundenen Abstandshaltem anzuordnen. Hierdurch wird die Handhabung im Montageprozess vereinfacht. Beispielsweise können die Brückenköpfe und/oder die Querverbindungen durch eine Klebeverbindung befestigt werden.

[0058] Insbesondere wenn ein gitterförmiger Abstandshalter eingesetzt, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Brückenköpfe und/oder die Querverbindungen fest verbunden sind. Hierbei kann - abhängig vom Herstellungsverfahren - vorgesehen sein, dass diese auf der Kathodenseite eingegossen sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Abstandshalter aus einem leitenden Material hergestellt wird, welcher auf der Kathodenseite die Brückenköpfe und/oder die zumindest eine Querverbindung bildet und gegenüber der Anodenplatte isoliert ist. [0059] Wird ein Abstandshalter eingesetzt und besteht dieser im Kem aus einem leitenden Material, so ist besonders vorteilhaft vorzusehen, dass vom Abstandshalter ausgehend keine leitende Verbindung zum Elektrolyt in der Wasserkammer gegeben ist. Dazu ist der Abstandhalter auf der zur Wasserkammer weisenden Seite vorteilhaft mit einer nicht elektrisch leitenden Beschichtung (oder anderweitigen elektrischen Isolierung) zu versehen.

[0060] Ebenso darf es - sofern vorhanden - über den Abstandshalter keine leitende Verbindung von den Strombrücken zur Anodenplatte geben. Hierzu ist, sofern der Kern des Abstandshalters aus einem leitenden Material besteht - die Oberfläche zur Anodenplatte weisend und/oder zur Katalysatorschicht weisend gleichfalls mit einer elektrisch nicht-leitenden Beschichtung (oder anderweitigen elektrischen Isolierung) zu versehen.

[0061] Alternativ zur elektrischen Verbindung der Strombrücken mit der Kathodenplatte über Kontaktsockeln ist es möglich, zumindest einen Stromverteiler vorzusehen. Hierbei ist der Stromverteiler zur Festlegung dessen Position als auch zur elektrischen Verbindung an der Kathodenplatte befestigt. Weiterhin ist vorgesehen, dass jeweils zumindest zwei Strombrücken mit einem Stromverteiler elektrisch leitend verbunden sind. Bevorzugt ist ein Stromverteiler jeweils für vier kontaktierte Strombrücken vorhanden. Hierbei ist es unerheblich, ob Kontaktsockeln zur Stützung der Gasdiffusionsschicht vorhanden sind.

[0062] In einfacher Ausführung befindet sich der Strom Verteiler analog zur Ausführung mit den Kontaktsockeln im Wesentlichen in der Gaskammer.

[0063] Der Einsatz eines Strom Verteilers ermöglicht bevorzugt eine elastische Ausführungsform, so dass eine elastische Verformung des Stromverteilers zwischen den Strombrücken und der Kathodenplatte möglich ist. Hierdurch kann eine unzulässige Druckbelastung aufgrund unterschiedlicher Abmessungen und/oder thermischer Dehnungen in der Elektrolysezelle - insbesondere bei einer Festlegung der Abstände durch ein äußeres Gehäuse - vermieden werden. [0064] In diesem Fall kann vorteilhaft die Abstützung der Gasdiffusionsschicht gleichfalls durch den elastischen Stromverteiler erfolgen. Somit kann auch dessen Lage und Anlage an der Katalysatorschicht vorteilhafter gesichert werden, ohne dass es zusätzlicher Kontaktsockel bedarf.

Zur elektrisch leitenden Verbindung der Strombrücken mit dem Stromverteiler kann einerseits vorgesehen sein, dass die Strombrücken am Stromverteiler lose anliegen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Strombrücken vorteilhaft mit fest verbundenen Brückenköpfen und/oder Querverbindungen versehen sind. Dies ermöglicht eine einfachere Montage der Strombrücken durch die Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht ausgehend von der Anodenseite gegenüberliegend zum Strom Verteiler auf der Kathodenseite.

Anderseits kann vorgesehen sein, dass die Strombrücken fest mit dem Stromverteiler verbunden werden. Dieses erfordert die Montage des Stromverteilers mit den Strombrücken von der Kathodenseite durch die Gasdiffusionsschicht.

Die Anzahl der Strombrücken je Fläche der Katalysatorschicht kann unterschiedlich gewählt werden. Je größer die Anzahl gewählt wird, um so gleichmäßiger wird die Spannungsverteilung über die Fläche der Katalysatorschicht sein. Zugleich besteht jedoch das Problem, dass mit einer steigenden Anzahl an Strombrücken sich zugleich die wirksame Fläche der Katalysatorschicht reduziert. Zudem erhöht eine hohe Anzahl an Strombrücken den Aufwand zur Herstellung der Elektrolysezelle.

[0068J Als vorteilhaft hat es sich daher erwiesen, bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht, zumindest eine Strombrücke je 10 cm2 vorzusehen.

Demgegenüber sollte die Anzahl der Strombrücken nicht größer gewählt werden als eine Strombrücke je 1 cm2. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNU NGEN

[0069] FIG 1 zeigt schematisch im Schnitt ein erstes Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Hierbei wird die Verbindung von den Strombrücken zur Kathodenplatte über Kontaktsockel hergestellt.

[0070] FIG 2 zeigt schematisch im Schnitt ein drittes Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Ausgehend vom Beispiel aus Fig. 2 ist ergänzend ein Abstandshalter in der Wasserkammer angeordnet.

[0071] FIG 3 zeigt schematisch im Schnitt ein viertes Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Alternativ werden hier mehrere Abstandshalter verwendet und in der Gaskammer sind anstelle der Kontaktsockel Stromverteiler vorhanden.

BESCH REIBUNG DER AUSFÜH RUNGSFORM EN

[0072] In der Figur 1 wird schematisch der Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle 11 skizziert. Dargestellt ist analog in der vereinfachten Skizze der Aufbau der Elektrolysezelle 11 in der Abfolge von der Kathodenseite 02 zur Anodenseite 03.

[0073] Auf der Kathodenseite 02 befindet sich die Kathodenplatte 14 mit der angrenzenden Gaskammer 06. Weiterhin ist vorgesehen, dass an der Kathodenplatte 14 integral Kontaktsockel 16 angebracht sind. Diese 16 sind an denjenigen Positionen vorhanden, an denen sich jeweils die Strombrücken 20 befinden.

[0074] Dabei ist vorgesehen, dass die Kontaktsockel 16 an der Gasdiffusionsschicht 08 anliegen und somit die Lage der Gasdiffusionsschicht 08 auf der Kathodenseite 02 festgelegt ist. [0075] Die Strombrücken 20 auf der Anodenseite 03 der Katalysatorschicht 09 sind entweder mit Brückenköpfen 18 versehen oder erfindungsgemäß mit einer Querverbindung 19 verbunden.

[0076] Die Brückenköpfe 18 liegen hierbei elektrisch leitend ringförmig um die Strombrücken 20 an der Katalysatorschicht 09 an. Bei der Querverbindung 19 ist vorgesehen, dass diese 19 ebenso im Bereich zwischen zwei Strombrücken 20 an der Katalysatorschicht 09 punktuell oder linienförmig elektrisch leitend anliegt.

[0077] Durch diese Ausführungsform wird die Kontaktierung der Katalysatorschicht 09 deutlich verbessert. Zu berücksichtigen ist die Abdeckung der wirksamen Fläche der Katalysatorschicht 09, so das darauf zu achten ist, dass die Brückenköpfe 18 respektive der Querverbindung 19 nur so groß gewählt werden, dass eine zuverlässige Kontaktierung der Katalysatorschicht 09 bei ausgehend von den Strom brücken 20 gewährleistet ist.

[0078] Die Anordnung der Kontaktsockel 16 in Verbindung mit der Ausführung der Strombrücken 20 mit integralen Brückenkopf 18 bzw. Querverbindung 19 ermöglicht die fortlaufende Kontaktierung der Strombrücken 20 mit dem Kontaktsockeln 16 durch Verwendung einer Steckverbindung.

[0079] Sofern durch die Steckverbindung nach der Montage der Strombrücken 20 deren Lage zuverlässig festgelegt ist, so kann mit dieser Lösung zugleich die Position der Katalysatorschicht 09 und der Gasdiffusionsschicht 08 in der Elektrolysezelle 11 gesichert werden.

In der Figur 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle 21 ausgehend vom vorherigen Beispiel schematisch skizziert. Insofern soll nur auf die Unterschiede zur vorherigen Ausführung aus Figur 2 eingegangen werden.

[0081] In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich in der Wasserkammer 07 ein gitterförmiger Abstandshalter 17 befindet. Dabei ist durch Verwendung einer gitterförmigen Gestalt für den Abstandshalter 17 nach Möglichkeit eine Behinderung der freien Strömung in der Wasserkammer 07 zu vermeiden.

[0082] Zumindest ist vorgesehen, dass der Abstandshalter 17 eine definierte Position in der Wasserkammer 07 besitzt. Dabei ist es weiterhin erforderlich, dass auf der Anodenseite 03 eine Anlage an der Anodenplatte 05 und gegenüberliegend auf der Kathodenseite 02 eine Anlage jeweils an der Position einer Strombrücken 20 gegeben ist.

In diesem Ausführungsbeispiel ist dazu vorgesehen, dass der Abstandhalter 17 die jeweiligen Brückenköpfe 18 und Querverbindung 19 überdeckt. Hierzu kann auch vorgesehen sein, dass zur Montage die Strombrücken 20 mit dem Brückenköpfen 18 respektive Querverbindung zuvor am Abstandhalter 17 beispielsweise durch Kleben befestigt werden.

Weiterhin ist ansatzweise zu erkennen, dass der Abstandhalter zur Wasserkammer 07 weisend die Brückenköpfe 18 und die Querverbindung 19 umschließt. Bei Verwendung eines elektrisch nicht-leitenden Materials für den Abstandhalter 17 ist somit eine elektrisch leitende Verbindung von den Brückenköpfen 18 zum Elektrolyten in der Wasserkammer 07 unterbunden.

[0085] In der Figur 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfahrungsgemäß Elektrolysezelle 31 skizziert. Im Gegensatz zu den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen wird in diesem Fall auf die Verwendung von Kontaktsockeln verzichtet.

Zur Realisierung der elektrisch leitenden Verbindung von den Strombrücken 20 zur Kathodenplatte 04 ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass Stromverteiler 26 eingesetzt werden. Diese 26 sind hierbei an der Kathodenplatte 04 befestigt und befinden sich ansonsten analog der Kontaktsockel in der Gaskammer 06. Nunmehr ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass jeweils vier Strombrücken 20 an jeweils einem Stromverteiler 26 elektrisch leitend anliegen. [0087] Weiterhin ist vorgesehen, dass die Stromverteiler 26 elastisch verformbar ausgeführt sind, so dass Ungenauigkeiten in der Lage der Strombrücken 20 anliegend an die Stromverteiler 26, beispielsweise aufgrund von Toleranzen oder thermischen Bindungen, ausgeglichen werden können. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass anstelle eines gitterförmigen Abstandhalters nunmehr eine Mehrzahl Abstandhalter 27 verwendet werden, welche 27 jeweils integral an der an Anodenplatte 25 befestigt sind.

[00891 Zur Verhinderung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Abstandhaltern 27 und dem Elektrolyten in der Wasserkammer 07 ist weiterhin vorgesehen, dass die Abstandhalter 27 auf der zur Wasserkammer 07 weisenden Seite sowie auf der zur Kathodenseite 02 weisenden Seite eine elektrisch nichtleitende Beschichtung 28 aufweisen.

[00901 Weiterhin kann ebenso zur Vereinfachung der Montage vorgesehen sein, dass die jeweiligen Strombrücken 20 mit dem Brückenköpfen 18 respektive Querverbindung 19 beispielsweise durch eine Klebeverbindung an den jeweiligen Abstandshaltem 27 befestigt werden.

Claims

Ansprüche

1 . Elektrolysezelle (01 ,1 ,21 ,31 ) zur Elektrolyse von CO2 mit einer Kathodenseite (02) und einer Anodenseite (03) umfassend in unmittelbarer oder mittelbarer Folge

- eine Kathodenplatte (04, 14),

- eine Gaskammer (06),

- eine Gasdiffusionsschicht (08),

- eine Katalysatorschicht (09),

- eine Wasserkammer (07), und

- eine Anodenplatte (05,25); weiterhin umfassend mehrere Strombrücken (10,20), welche (10,20) elektrisch leitend mit der Kathodenplatte (04,14) und der Katalysatorschicht (09) verbunden sind und die Gasdiffusionsschicht (08) und die Katalysatorschicht (09) durchdringen, gekennzeichnet durch Querverbindungen (19), welche (18,19) auf der Anodenseite (03) der Katalysatorschicht (09) mit jeweils zumindest zwei Strombrücken (20) elektrisch leitend verbunden sind und an der Katalysatorschicht (09) leitend anliegen.

2. Elektrolysezelle (11 , 21 ,31 ) nach Anspruch 1 , wobei die Querverbindungen (19) fest und/oder einstückig mit den zugehörigen Strombrücken (20) verbunden sind.

3. Elektrolysezelle (11 ,21 ,31 ) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Kontaktsockel (16), welche (16) mit der Kathodenplatte (14) verbunden sind und an der Gasdiffusionsschicht (08) anliegen; wobei insbesondere die Kontaktsockel (16) fest und/oder einstückig mit der Kathodenplatte (14) verbunden sind.

4. Elektrolysezelle (11 ,21 ) nach Anspruch 3, wobei die Strombrücken (20) in den Kontaktsockeln (16) lösbar eingesteckt und elektrisch leitend verbunden sind.

5. Elektrolysezelle (11 ,21 ,31 ) nach einer der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Brückenköpfe (18), welche (18,19) auf der Anodenseite (03) der Katalysatorschicht (09) mit jeweils einer der Strombrücken (20) elektrisch leitend verbunden sind und an der Katalysatorschicht (09) leitend anliegen.

6. Elektrolysezelle (11 , 21 ,31 ) nach Anspruch 5, wobei die Brückenköpfe (18) fest und/oder einstückig mit den Strombrücken (20) verbunden sind.

7. Elektrolysezelle (11 ,21 ,31 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strombrücken (10) und/oder die Brückenköpfe (18) und/oder die Querverbindung (19) zur Wasserkammer (07) weisend eine nicht-leitende Beschichtung aufweisen.

8. Elektrolysezelle (21 ,31 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch zumindest einen Abstandshalter (17), welcher (17) zwischen der Anodenplatte (05) und der Katalysatorschicht (09) in der Wasserkammer (07) fixiert ist.

9. Elektrolysezelle (21 ,31 ) nach Anspruch 8, wobei mehrere Abstandshalter (27) fest mit der Anodenplatte (25) verbunden sind.

10. Elektrolysezelle (21 ,31 ) nach Anspruch 8, wobei der Abstandshalter (17) gitterförmig gestaltet ist.

11. Elektrolysezelle (21 ,31 ) nach einer der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Abstandshalter (17,27) die Brückenköpfe (18) und/oder die Querverbindung (19) umfasst.

12. Elektrolysezelle (11 ,21 ,31 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Abstandshalter (17,27) aus einem elektrisch nicht-leitenden Material besteht oder zumindest zur Wasserkammer (07) weisend eine nicht-leitende Beschichtung (28) aufweist.

13. Elektrolysezelle (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Stromverteiler (26), welcher (26) an der Kathodenplatte (04) befestigt ist und der mit mehreren Strombrücken (20) elektrisch verbunden ist.

14. Elektrolysezelle (31) nach Anspruch 13, wobei der Stromverteiler (26) eine elastische Verformung zwischen der Kathodenplatte (04) und den Strombrücken (20) ermöglicht.

15. Elektrolysezelle (01 ,11 ,21 ,31 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht (09) zumindest eine Strombrücke (10, 20) je 10 cm2 und maximal eine Strombrücke (10, 20) je 1 cm2 vorhanden ist.