WO2013178803A1 - Process and apparatus for the electrolytic synthesis of methanol and/or methane - Google Patents

Process and apparatus for the electrolytic synthesis of methanol and/or methane Download PDF

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WO2013178803A1
WO2013178803A1 PCT/EP2013/061303 EP2013061303W WO2013178803A1 WO 2013178803 A1 WO2013178803 A1 WO 2013178803A1 EP 2013061303 W EP2013061303 W EP 2013061303W WO 2013178803 A1 WO2013178803 A1 WO 2013178803A1
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electrolyte
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carbon dioxide
membrane
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PCT/EP2013/061303
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Oliver Schael
Guido Burmeister
Original Assignee
Hettich Holding Gmbh & Co. Ohg
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/54Improvements relating to the production of bulk chemicals using solvents, e.g. supercritical solvents or ionic liquids

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the electrolytic synthesis of methanol and / or methane by reduction of carbon dioxide contained in an electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte.
  • photovoltaic generators By means of photovoltaic generators, it is now possible to convert sunlight into electricity with high efficiency and, after a relatively short service life, amortizing financial and energy investment. In addition, production capacities for photovoltaic generators have been installed worldwide, enabling the realization of even very large photovoltaic systems. Even with the help of wind turbines is now an implementation of
  • worldwide production capacities for wind power converters are now installed, which enable realization of very large wind farms, for example as offshore wind farms.
  • hydropower for example in wave power plants for power generation
  • the problem with the use of renewable energy sources is that it mainly takes place decentrally in often poorly developed regions.
  • the conversion into methanol and / or methane is proposed.
  • hydrocarbons are fundamentally ideal fuels. Because of the possibility of methanol either in internal combustion engines or in fuel cells, for example in fuel cells of the SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) type or directly in fuel cells of the type
  • DMFC Direct Methanol Fuel Cell
  • Methane is the main constituent of natural gas and is an important fuel gas. Both products, methanol and methane, are also important raw materials for the chemical industry. From methanol, for example, various chemical products such as plastics, drugs or fuels can be produced.
  • methanol can also be obtained in principle by reduction electrolytically from water and carbon dioxide (CO 2 ). If the carbon dioxide is used in aqueous solution, however, only low currents can be achieved in the electrolysis, making it difficult or impossible to use the electrolysis process on a large scale.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the electrolyte is accompanied by a conductive substance and a hydrogen-containing substance, for example hydrogen chloride or hydrogen sulfide, in order to provide protons for the reduction of the carbon dioxide on the one hand and to make the electrolyte electrically conductive on the other hand.
  • a hydrogen-containing substance for example hydrogen chloride or hydrogen sulfide
  • Methanol formed in the electrolyte and optionally further hydrocarbons are separated in a separator. This separation is complicated, since the methanol formed must be purified, inter alia, by dissociation products of the hydrogen-containing substance used, for example, chlorine-containing or sulfur-containing compounds formed.
  • the inventive method for the electrolytic synthesis of methanol and / or methane by reduction of carbon dioxide contained in an electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte is characterized in that protons for reducing the carbon dioxide by a proton-conducting membrane be introduced into the electrolyte.
  • the reaction for the synthesis of methanol (H 3 COH) is split into two partial reactions.
  • the corresponding partial reactions then proceed at an anode in an anode compartment and at a cathode in a cathode compartment and are represented as follows:
  • Methane (CH 4 ) can also be formed as a competing reaction according to the overall reaction: 4H 2 + C0 2 ⁇ CH 4 + 2H 2 0.
  • the division into the partial reactions and the associated spatial separation of the partial reactions prevents mixing of the products and educts of the partial reactions at the individual electrodes, ie at the anode and at the cathode. Accordingly, the synthesized methanol can be recovered directly at the cathode without mixing the methanol with the preferably aqueous electrolyte in the anode compartment, e.g. dilute sulfuric or hydrochloric acid. Accordingly, complicated steps for separation of the methanol from the electrolyte in the anode compartment or purification of the methanol can be dispensed with.
  • this is carried out in a reactor vessel, which is subdivided by the proton-conducting membrane into an anode space and a cathode space, wherein a pressure equalization is performed to compensate for differences in pressure of the electrolyte in the anode space and in the cathode space.
  • the pressure compensation is preferably carried out automatically by a connection of the anode compartment and the cathode compartment, this connection being arranged spatially in a region of the anode compartment and the cathode compartment, in which the electrolyte is present in gaseous form.
  • the carbon dioxide-containing electrolyte is almost pure carbon dioxide.
  • This carbon dioxide-containing electrolyte is the electrolyte in the cathode compartment.
  • the concentration of carbon dioxide is maximal, which maximizes the reaction rate.
  • methanol is not soluble as a reaction product at the cathode in such an electrolyte and precipitates accordingly.
  • almost pure carbon dioxide is to be understood as meaning a carbon dioxide concentration of more than 95% and preferably of more than 99%.
  • additives may be provided in the electrolyte, which serve to increase the electrical conductivity, in particular paratoluene sulfonic acid.
  • Paratoluene sulphonic acid has The advantage, for example, of adding quaternary ammonium salts as conductivity additive is that acids release protons as conductive positive ions, which not only promotes the electrical conductivity in general, but also specifically with regard to the ions which are directly involved in the chemical reaction.
  • the method can be present as the electrolyte liquid carbon using ionic or anionic surfactants and optionally suitable emulsifiers in the form of an emulsion.
  • ionic or anionic surfactants and optionally suitable emulsifiers in the form of an emulsion.
  • the preparation of an emulsion of the product water and the educt carbon dioxide has the advantage that the current density at the cathode can be increased.
  • this is carried out continuously by passing at least the carbon dioxide-containing electrolyte past the proton-conducting membrane.
  • a continuous implementation is industrially particularly useful.
  • discontinuous process management (batch operation) is also possible.
  • a device for carrying out the aforementioned method has a pressure-resistant reactor vessel for receiving a carbon dioxide-containing electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte.
  • the device is characterized in that the reactor vessel of a proton-conducting
  • Membrane is divided into an anode compartment with an anode for receiving an aqueous electrolyte and a cathode compartment with a cathode for receiving the carbon dioxide-containing electrolyte. This results in the advantages mentioned in connection with the method.
  • the anode contains platinum (Pt) and / or ruthenium (Ru) or stainless steel.
  • the cathode preferably contains magnesium (Mg), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), iron (Fe), titanium dioxide (TiO 2 ) or ruthenium (Ru). Combinations of the mentioned materials are also possible.
  • the materials mentioned are particularly suitable electrode materials with regard to their overvoltage potential.
  • the anode and the cathode are each applied in layers on one side of the membrane, so that a membrane electrode assembly (MEA) is formed.
  • the MEA is defined between contact plates with incorporated flow channels for the electrolytes. In this way, a particularly compact construction of the device can be achieved. In addition, the largest possible and lossless power supply to the electrodes via the contact plates is given.
  • a pressure equalization arrangement is provided to compensate for differences in pressure of the electrolyte in the anode compartment and in the cathode compartment. In this way, the proton-conducting membrane is protected from pressure differences which otherwise could occur in view of the relatively high operating pressures in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte.
  • the pressure compensation arrangement is formed by a connection of in the anode compartment and cathode compartment, said connection being spatially arranged in a region of the anode compartment and the cathode compartment, in which the electrolyte is present in gaseous form.
  • the connection comprises a pressure compensation line and / or a pressure compensation container which has an inner membrane which allows pressure equalization without material passage.
  • an equal pressure in the anode space and in the cathode space can also be achieved by a corresponding control of inlet and outlet valves which are arranged on the rooms.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device for electrolytic
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an apparatus for the electrolytic synthesis of methanol and Fig. 3 is a phase diagram of carbon dioxide.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of a first embodiment of a device for methanol synthesis according to the method of the invention.
  • the apparatus comprises a pressure-resistant reactor vessel 1, which is subdivided by a proton-conducting membrane 2 into two reaction chambers, an anode chamber 3 and a cathode chamber 4.
  • the anode chamber 3 and the cathode chamber 4 receive an anode- or cathode-side electrolyte during operation of the device ,
  • the reactor vessel 1 is made of a stable, in particular friction-resistant material, which is chemically inert to the reaction educts and products used, for example of a stainless steel or of inertly coated materials.
  • the proton-conducting membrane 2 is advantageously a polymer membrane, such as that marketed by the company DuPont under the trade name "Nation.”
  • both the anode and cathode chambers 3, 4 are pressurized 2 through
  • the pressure equalization line 5 is preferably arranged in an upper region of the reactor vessel 1 in order to prevent thorough mixing of the electrolytes in the two chambers 3, 4.
  • overpressure valves 6, 7 are provided here in the area of the pressure equalization line 5 and in each case separately at the spaces 3, 4.
  • the device for a discontinuous implementation of the method is set up (batch mode).
  • the reaction chambers 3, 4 of the reactor vessel 1 are first filled with the respective electrolyte and then the electrolysis process started.
  • vent valves 8 are attached to each of the spaces 3.4 in the upper region of the reactor vessel.
  • the vent valve 8 When the vent valve 8 is open, the anode chamber 3 is first filled with an aqueous electrolyte.
  • a reservoir 34 for the aqueous electrolyte is provided which communicates with the anode chamber 3 via an inlet valve 35. is bound.
  • both vent valves 8 are closed.
  • Carbon dioxide is then introduced from a reservoir 44 as a cathode-side electrolyte via an inlet valve 45 into the cathode chamber 4.
  • a reservoir 44 for example, a carbon dioxide cylinder with liquefied CO 2 is used which has a carbon dioxide lifter. Carbon dioxide can thus be released in its liquid phase.
  • the inlet valve 45 By opening the inlet valve 45, the cathode space 4 is filled with CO 2 , wherein a pressure equalization takes place via the pressure equalization line 5 to the anode chamber 3.
  • a tempering device 36 and 46 is provided to set a desired temperature for the electrolyte 3, 4.
  • aqueous electrolyte in a liquid phase in the anode compartment 3 and carbon dioxide in the cathode compartment 4 in a likewise liquid, critical or supercritical phase.
  • the inlet valve 45 is closed.
  • the electrodes Via terminals 32 and 42, the electrodes can be acted upon externally with a voltage. By applying such a voltage, a current flow between the electrodes 31 and 41 and thus the electrolysis process begins.
  • the flow of electrons within the electrolytes takes place via ionic conduction, whereby only protons, ie positively charged hydrogen ions, pass over from the anode space 3 into the cathode space 4 due to the proton-conducting membrane 2.
  • the tempering device 46 is preferably designed as a combined heating and cooling device, for example by using a Peltier element.
  • Carbon dioxide has a critical point in its phase diagram at a temperature of 31, 5 degrees Celsius (° C) and a pressure of 74 bar (see also Fig. 3). At this point, liquid CO 2 becomes a supercritical phase, in which the medium exhibits both gas and liquid properties, fluid properties. Even in the supercritical phase, the carbon dioxide concentration in the cathode chamber 4 is high, so that operation of the device can also take place in this pressure / temperature range.
  • a conductivity additive can be added thereto, for example quaternary ammonium salts, but in particular paratoluene sulfonic acid.
  • Paratoluenesulfonic acid has proved to be more suitable as a conductivity additive than quaternary ammonium salts.
  • Paratoluene sulfonic acid has the advantage over quaternary ammonium salts that acids release protons as conductive positive ions, favoring not only the electrical conductivity in general, but also specifically with respect to the ions directly involved in the chemical reaction. When these first protons released by the acid are consumed at the cathode, they are replaced by the electrical termination of the proton-conducting membrane via the acid to the cathode.
  • the liquid carbon may also be in the form of an emulsion.
  • the preparation of an emulsion of the product water and the educt carbon dioxide offers the advantage that the current density at the cathode can be increased, since in a smaller space a high conductivity of the aqueous is present in the immediate vicinity of the carbon dioxide as a reaction partner. An increase in the current density generally results in an increase in the yield
  • the cathode 41 for example magnesium can be used, which has a low overvoltage potential and thus a high efficiency for the specified reaction.
  • Alternative and usable in combination cathode materials are Cu, Zn, Al, Fe, Ni, TiO 2 or Ru.
  • the cathode material may be used in the form of a granule or colloid.
  • a carrier material may be provided, to which the (active) electron material is applied.
  • the electrode material in the form of a colloid or granulate to be formed into a carrierless electrode 41 in a sintering process.
  • platinum Pt
  • Other known materials for this reaction for example, a platinum-ruthenium (Ru) mixture can be used.
  • stainless steel can 0 as a suitable and inexpensive electrode material for the anode
  • the methanol-water mixture can advantageously be used after storage and / or transport in just this mixture as the fuel of a DMFC fuel cell, and thus be used for power generation.
  • oxygen gas is formed in the anode chamber 3 at the anode 31.
  • This oxygen gas can already be removed during operation of the device by suitable actuation of the venting valve 8 of the anode compartment 3. are left so as not to increase the pressure in the reactor vessel 1 undesirably. Due to power losses during operation of the device heat is generated at the electrodes, which is absorbed by the respective electrolyte.
  • a tempering device 36 is also provided on the anode side.
  • Fig. 2 shows another apparatus for carrying out a method for the electrolytic analysis of methanol.
  • Identical reference signs in this figure denote the same or equivalent elements as in the first embodiment of FIG. 1.
  • the device shown here is not suitable for batch operation but for a continuous implementation of the method.
  • a reactor vessel 1 which is subdivided by a proton-conducting membrane 2 into two reaction spaces, an anode space 3 and a cathode space 4.
  • a cathode 41 is arranged as an electrode, wherein each one Anoden designated. Cathode terminal 32 and 42 are guided for contacting the electrodes 31, 41 to the outside.
  • the electrodes 31, 41 with the membrane 2 are combined to form a so-called MEA (Membrane Electrode Assembly).
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • the corresponding electrode material in colloidal form if appropriate with a carrier substance, for example graphite in likewise colloidal form, is applied to one side of the membrane 2 in each case. This may be done, for example, after slurry in a preferably volatile liquid in a spray or screen printing process.
  • formed on the respective side of the membrane 2 is a porous, electrically conductive layer of the carrier material with embedded electrode material, which provides a large surface area of the electrochemically active electrode material.
  • this electrolyte flow is in the direction of the reactor vessel 1 by the reference numeral 33 and back to the intermediate vessel 37 by the reference numeral 33 '
  • on the cathode side is the corresponding electrolyte flow in the cathode compartment with the reference numeral 43 and back from the cathode compartment 4 with the reference numeral 43rd 'marked.
  • pumps 39 and 49 are provided both for the flow 33, 43 to the reactor vessel and for the return flow 33 ', 43'.
  • the electrolytes are preferably kept under the same pressure and temperature conditions as used in the reactor vessel 1.
  • temperature control devices 36 and 46 are arranged in the intermediate containers 37, 47.
  • temperature control devices (not shown) for the reactor vessel 1 may be present in this figure.
  • electrolytes reference is made to the statements on the first exemplary embodiment.
  • the electrolysis device resulting reaction products in particular the resulting at the cathode side methanol-water mixture is removed via further pump 49 from the cathode chamber 4 and from the intermediate container 47, which is again utilized that the methanol / water mixture has a low solubility in which liquid carbon dioxide has, which is optionally used with conductive additives, as a cathode side electrolyte.
  • the methanol-water mixture precipitates accordingly and settles in the lower region of the cathode space 3 or of the cathode-side reservoir 47. It is collected in a reservoir 53 for further use.
  • the oxygen gas accumulating on the anode side in the anode chamber 3 and in the anode-side intermediate container 37 is conducted correspondingly via anode-side pumps 39 into an oxygen reservoir 62.
  • anode-side pumps 39 into an oxygen reservoir 62.
  • pressure sensors 38 and 48 are connected, which detect the present in the respective reaction chambers 3, 4 of the reactor vessel 1 pressures during operation.
  • the measured pressures are detected in a process control device, not shown, and used to control the pumps 39 and 49 or the valves used instead.
  • the control takes place in such a way that in the anode chamber 3 and the cathode chamber 4 as much as possible the same operating pressure is present.
  • the pressure set during operation depends in turn on the phase diagram of the electrolyte used on the cathode side, such that operation with liquid C0 2 or C0 2 in a supercritical phase or C0 2 at the critical point is achieved.
  • pressure equalization lines 5 lead from the reaction chambers 3, 4 of the reactor vessel 1 to a pressure equalization tank 9.
  • the pressure equalization tank 9 has an inner membrane that allows pressure equalization without material passage in a certain pressure range.
  • the anode compartment 3 and the cathode compartment 4 are shown as open spaces in which the corresponding electrolytes can move freely.
  • flow fields flow fields
  • Different configurations of the flow fields for example meandering or harp-shaped, are possible.
  • rectified or counter-directed or crosswise directed currents can be provided on the anode and cathode sides.
  • a metal plate in which the flow channels of the flow field are incorporated, serve as a current collector for the electrodes 31, 41.
  • the reactor vessel 1 is in this case formed by two such metallic contact plates with an interposed membrane or membrane-electrode unit (MEA), wherein the two metal plates serve as anode and cathode connections 32, 42 and are electrically insulated from one another by the interposed membrane 2 - are lier.
  • MEA membrane or membrane-electrode unit
  • a plurality of such arrangements can be stacked on top of one another, wherein the contact plates in the interior of the stack are then provided with flow channels on both sides and two adjacent cells are simultaneously assigned as so-called bipolar plates.
  • a pulsed power supply may be used in which the current between two values, one smaller than the other, may be zero or even negative (reversed).
  • the pulsed power supply may on average be associated with more effective implementation and higher efficiency.
  • a brief operation of the arrangement with a reversed power supply is used for catalyst purification and / or regeneration.
  • the build-up barrier can be broken.
  • a higher efficiency is achieved.
  • the operation with reversed power supply can be done regularly or as needed. In the latter case, it may be provided to carry out a cleaning step by reversing polarity when, during operation, the values of electrolysis current and voltage indicate sinking effectiveness, for example when an increasing voltage is required to achieve a specific, predetermined current flow.
  • FIG. 3 shows a phase diagram for carbon dioxide.
  • phase boundary in the form of a solid gas 71 marks the transition from the solid to the gaseous state of aggregation up to a triple point 72.
  • a phase boundary solid-liquid 73 characterizes the transition from the solid to the liquid state of matter and a phase boundary liquid-gaseous 74 Transition from the liquid to the gaseous state.
  • the phase boundary liquid-gaseous 74 passes into a phase boundary supercritical-gaseous 76, which indicates the transition from the supercritical to the gaseous state of matter.
  • a reaction region 77 is limited.
  • reaction region 77 is the electrolyte carbon dioxide in the range according to the invention to convert it to methanol.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can be used for the production of methanol and / or methane as energy sources and / or crude products of the chemical industry, for example by producing the mentioned products where a lot of regenerative energy from sun, wind or tides can be won.

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Abstract

The invention relates to a process for the electrolytic synthesis of methanol by reduction of carbon dioxide present in an electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte. The process is characterized in that protons for the reduction of the carbon dioxide are introduced into the electrolyte via a proton-conducting membrane (2). The invention further relates to an apparatus suitable for carrying out the process.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytischen Synthese von Methanol und/oder Methan  Process and apparatus for the electrolytic synthesis of methanol and / or methane
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrolytischen Synthese von Methanol und/oder Methan durch Reduktion von in einem Elekt- rolyten enthaltenem Kohlenstoffdioxid in der flüssigen Phase, am kritischen Punkt oder in der überkritischen Phase des Elektrolyten. The invention relates to a method and a device for the electrolytic synthesis of methanol and / or methane by reduction of carbon dioxide contained in an electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte.
Mit Hilfe von Photovoltaikgeneratoren ist inzwischen eine Umsetzung von Sonnenlicht in elektrischen Strom mit hohem Wirkungsgrad und bei sich nach rela- tiv kurzer Betriebsdauer amortisierendem finanziellem und energetischem Investitionsaufkommen möglich. Zudem sind inzwischen weltweit Produktionskapazitäten für Photovoltaikgeneratoren installiert, die eine Realisierung auch von sehr großen Photovoltaikanlagen ermöglichen. Auch mit Hilfe von Windenergieanlagen ist inzwischen eine Umsetzung vonBy means of photovoltaic generators, it is now possible to convert sunlight into electricity with high efficiency and, after a relatively short service life, amortizing financial and energy investment. In addition, production capacities for photovoltaic generators have been installed worldwide, enabling the realization of even very large photovoltaic systems. Even with the help of wind turbines is now an implementation of
Windkraft in elektrischen Strom mit hohem Wirkungsgrad und bei sich nach relativ kurzer Betriebsdauer amortisierendem finanziellem und energetischem Investitionsaufkommen möglich. Zudem sind inzwischen weltweit Produktionskapazitäten für Windkraftkonverter installiert, die eine Realisierung auch von sehr großen Windkraftparks beispielsweise als Offshore-Windparks ermöglichen. Wind power into electricity with high efficiency and with a relatively short operating time amortizing financial and energy investment income possible. In addition, worldwide production capacities for wind power converters are now installed, which enable realization of very large wind farms, for example as offshore wind farms.
Auch die Bedeutung der Nutzung von Wasserkraft, beispielsweise in Wellenkraftwerken zur Stromerzeugung gewinnt an Bedeutung. Bei der Nutzung erneuerbarer Energien besteht das Problem, dass sie überwiegend dezentral in oft schlecht erschlossenen Regionen stattfindet. Um einen Transport der gewonnenen Energie zu ermöglichen, wird die Umwandlung in Methanol und/oder Methan vorgeschlagen. Für eine Realisierung von großen Projekten, insbesondere in sonnenreichen oder windreichen aber unter Umständen infrastrukturarmen Regionen, besteht jedoch nach wie vor ein Bedarf für eine effiziente und kostengünstige Speicherung der erzeugten elektrischen Energie sowie für einen verlustarmen Transport der Energie an einen entfernten Verwendungsort. Grundsätzlich stellen Kohlenwasserstoffe aufgrund ihres hohen spezifischen Energiegehalts sowie ihrer relativ problemlosen Handhabbarkeit ideale Energieträger dar. Aufgrund der Möglichkeit, Methanol entweder in Verbrennungskraftmaschinen oder in Brennstoffzellen, beispielsweise in Brennstoffzellen vom Typ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) oder direkt in Brennstoffzellen vom TypThe importance of the use of hydropower, for example in wave power plants for power generation is gaining in importance. The problem with the use of renewable energy sources is that it mainly takes place decentrally in often poorly developed regions. In order to enable a transport of the energy obtained, the conversion into methanol and / or methane is proposed. For a realization of large projects, especially in sunny or windy but possibly infrastructure poor regions, there is still a need for efficient and cost-effective storage of electricity generated and for a low-loss transport of energy to a remote place of use. Because of their high specific energy content and their relatively easy handling, hydrocarbons are fundamentally ideal fuels. Because of the possibility of methanol either in internal combustion engines or in fuel cells, for example in fuel cells of the SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) type or directly in fuel cells of the type
DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) umzusetzen, ist von den Kohlenwasserstoffen Methanol ein besonders favorisierter Energieträger. Methan ist Hauptbestandteil des Erdgases und stellt ein wichtiges Heizgas dar. Beide Produkte, Methanol und Methan, sind zudem wichtige Grundstoff für die chemische Industrie. Aus Methanol lassen sich beispielsweise diverse chemische Produkte wie Kunststoffe, Medikamente oder Kraftstoffe herstellen. Implementing DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) is a particularly favored source of energy for the hydrocarbons methanol. Methane is the main constituent of natural gas and is an important fuel gas. Both products, methanol and methane, are also important raw materials for the chemical industry. From methanol, for example, various chemical products such as plastics, drugs or fuels can be produced.
In einer Umkehrreaktion zu der in der DMFC ablaufenden Oxidationsreaktion kann Methanol zudem prinzipiell durch Reduktion elektrolytisch aus Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) gewonnen werden. Wird das Kohlenstoffdioxid dabei in wässriger Lösung eingesetzt, sind jedoch nur geringe Stromstärken bei der Elektrolyse erzielbar, was eine großtechnische Nutzung des Elektrolyseprozesses erschwert oder unmöglich macht. In an inverse reaction to the running in the DMFC oxidation reaction methanol can also be obtained in principle by reduction electrolytically from water and carbon dioxide (CO 2 ). If the carbon dioxide is used in aqueous solution, however, only low currents can be achieved in the electrolysis, making it difficult or impossible to use the electrolysis process on a large scale.
Aus der Druckschrift DE 41 26 349 A1 ist zur Erzielung einer höheren Stromdichte für die Synthese von Methanol bekannt, eine Elektrolyse eines im Wesentlichen nur aus CO2 bestehenden Elektrolyten durchzuführen, wobei dieser Elektrolyt in einem Druck- und Temperaturbereich gehalten wird, der im Be- reich des kritischen Punkts von CO2 liegt. Die Elektrolyse wird somit in einem Parameterbereich durchgeführt, in dem CO2 im Wesentlichen flüssig oder in einer überkritischen Phase mit einer der Flüssigkeit vergleichbaren Dichte vorliegt. Die so erzielte hohe Konzentration an CO2 macht großtechnisch nutzbare Stromstärken möglich. Dem Elektrolyten ist dabei eine leitfähige und eine was- serstoffhaltige Substanz, beispielsweise Chlorwasserstoff oder Schwefelwasserstoff beigefügt, um zum einen Protonen für die Reduktion des Kohlenstoffdioxids bereit zu stellen und zum anderen den Elektrolyten elektrisch leitfähig zu machen. In dem Elektrolyten entstehendes Methanol und gegebenenfalls weitere Kohlenwasserstoffe werden in einem Separator abgetrennt. Diese Separa- tion ist aufwändig, da das gebildete Methanol unter anderem von Dissoziationsprodukten der eingesetzten wasserstoffhaltigen Substanz, beispielsweise von entstandenen chlor- oder schwefelhaltigen Verbindungen, gereinigt werden muss. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangsgenannten Art bzw. eine entsprechende Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, durch die Methanol und auch Methan elektrolytisch aus Kohlenstoffdioxid synthetisiert werden kann, ohne dass eine aufwändige Methanolseparation und -reinigung notwendig ist. From the publication DE 41 26 349 A1, in order to achieve a higher current density for the synthesis of methanol, it is known to carry out an electrolysis of an essentially only CO 2 electrolyte, this electrolyte being kept in a pressure and temperature range which, in the rich in the critical point of CO 2 . The electrolysis is thus carried out in a parameter range in which CO 2 is substantially liquid or in a supercritical phase with a density comparable to the liquid. The high concentration of CO 2 achieved in this way makes industrially usable current strengths possible. The electrolyte is accompanied by a conductive substance and a hydrogen-containing substance, for example hydrogen chloride or hydrogen sulfide, in order to provide protons for the reduction of the carbon dioxide on the one hand and to make the electrolyte electrically conductive on the other hand. Methanol formed in the electrolyte and optionally further hydrocarbons are separated in a separator. This separation is complicated, since the methanol formed must be purified, inter alia, by dissociation products of the hydrogen-containing substance used, for example, chlorine-containing or sulfur-containing compounds formed. It is therefore an object of the present invention to provide a method of the type mentioned above or a corresponding device of the aforementioned type, can be synthesized by the methanol and methane electrolytically from carbon dioxide, without an expensive methanol separation and purification is necessary ,
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. This object is achieved by a device or a method with the respective features of the independent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrolytischen Synthese von Methanol und/oder Methan durch Reduktion von in einem Elektrolyten enthaltenem Kohlenstoffdioxid in der flüssigen Phase, am kritischen Punkt oder in der überkritischen Phase des Elektrolyten zeichnet sich dadurch aus, dass Protonen zur Reduktion des Kohlenstoffdioxids durch eine protonenleitende Membran in den Elektrolyten eingebracht werden. The inventive method for the electrolytic synthesis of methanol and / or methane by reduction of carbon dioxide contained in an electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte is characterized in that protons for reducing the carbon dioxide by a proton-conducting membrane be introduced into the electrolyte.
Durch die Zufuhr der Protonen (H+) über die protonenleitende Membran wird die Reaktion zur Synthese von Methanol (H3COH) in zwei Teilreaktionen aufgeteilt. Die entsprechenden Teilreaktionen laufen dann an einer Anode in einem Anodenraum und an einer Kathode in einem Kathodenraum ab und stellen sich wie folgt dar: By supplying the protons (H + ) via the proton-conducting membrane, the reaction for the synthesis of methanol (H 3 COH) is split into two partial reactions. The corresponding partial reactions then proceed at an anode in an anode compartment and at a cathode in a cathode compartment and are represented as follows:
Teilreaktion an der Anode (Anodenreaktion): Partial reaction at the anode (anode reaction):
2 H20 -> 4 H+ + 4 e" + 02, und Teilreaktion an der Kathode (Kathodenreaktion): 2 H 2 0 -> 4 H + + 4 e " + 0 2 , and partial reaction at the cathode (cathode reaction):
6 H+ + 6 e" + C02 H3COH + H20. Insgesamt ergibt sich folgende Gesamtreaktion: 6 H + + 6 e " + C0 2 H 3 COH + H 2 0. The overall result is the following overall reaction:
3 H2 + C02 ^ H3COH + H20. 3 H 2 + C0 2 H 3 COH + H 2 0.
Als eine Konkurrenzreaktion kann zudem Methan (CH4) gebildet werden, gemäß der Gesamtreaktion: 4 H2 + C02 ^ CH4 + 2 H20. Methane (CH 4 ) can also be formed as a competing reaction according to the overall reaction: 4H 2 + C0 2 ^ CH 4 + 2H 2 0.
Die Aufteilung in die Teilreaktionen und die damit verbundene räumliche Trennung der Teilreaktionen verhindert eine Durchmischung der Produkte und Edu- kte der Teilreaktionen an den einzelnen Elektroden, also an der Anode und an der Kathode. Entsprechend kann das synthetisierte Methanol unmittelbar an der Kathode gewonnen werden, ohne dass eine Vermischung des Methanols mit dem bevorzugt wässrigen Elektrolyten im Anodenraum, z.B. verdünnter Schwefel- oder Salzsäure, stattgefunden hat. Entsprechend kann auf aufwän- dige Schritte zur Separation des Methanols vom Elektrolyten im Anodenraum bzw. eine Reinigung des Methanols verzichtet werden. The division into the partial reactions and the associated spatial separation of the partial reactions prevents mixing of the products and educts of the partial reactions at the individual electrodes, ie at the anode and at the cathode. Accordingly, the synthesized methanol can be recovered directly at the cathode without mixing the methanol with the preferably aqueous electrolyte in the anode compartment, e.g. dilute sulfuric or hydrochloric acid. Accordingly, complicated steps for separation of the methanol from the electrolyte in the anode compartment or purification of the methanol can be dispensed with.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird dieses in einem Reaktorbehälter durchgeführt, der von der protonenleitenden Membran in einen Anodenraum und einen Kathodenraum unterteilt ist, wobei ein Druckausgleich vorgenommen wird, um Druckunterschiede der Elektrolyten im Anodenraum und im Kathodenraum auszugleichen. Bevorzugt wird der Druckausgleich selbsttätig durch eine Verbindung des Anodenraums und des Kathodenraums vorgenommen, wobei diese Verbindung räumlich in einem Bereich des Ano- denraums und des Kathodenraums angeordnet ist, in dem der Elektrolyt gasförmig vorliegt. Auf diese Weise wird die protonenleitende Membran vor Druckunterschieden geschützt, die angesichts der relativ hohen Betriebsdrücke in der flüssigen Phase, am kritischen Punkt oder in der überkritischen Phase des Elektrolyten andernfalls auftreten könnten. In an advantageous embodiment of the method, this is carried out in a reactor vessel, which is subdivided by the proton-conducting membrane into an anode space and a cathode space, wherein a pressure equalization is performed to compensate for differences in pressure of the electrolyte in the anode space and in the cathode space. The pressure compensation is preferably carried out automatically by a connection of the anode compartment and the cathode compartment, this connection being arranged spatially in a region of the anode compartment and the cathode compartment, in which the electrolyte is present in gaseous form. In this way, the proton-conducting membrane is protected from pressure differences that might otherwise occur in view of the relatively high operating pressures in the liquid phase, at the critical point, or in the supercritical phase of the electrolyte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Kohlenstoffdioxid-haltige Elektrolyt nahezu reines Kohlenstoffdioxid. Dieser Kohlenstoffdioxid-haltige Elektrolyt ist der Elektrolyt im Kathodenraum. Wenn dieser nahezu reines Kohlenstoffdioxid ist, ist zum einen die Konzentration von Koh- lenstoffdioxid maximal, was die Reaktionsrate maximiert. Zum anderen ist Methanol als Reaktionsprodukt an der Kathode in einem solchen Elektrolyten nicht löslich und fällt entsprechend aus. Somit ist eine aufwändige Separation des Methanols auch von dem Elektrolyten im Kathodenraum nicht erforderlich. Im Rahmen der Anmeldung ist unter nahezu reinem Kohlenstoffdioxid eine Koh- lenstoffdioxidkonzentration von mehr als 95% und bevorzugt von mehr als 99% zu verstehen. Neben dem Kohlenstoffdioxid können beispielsweise Zusätze im Elektrolyten vorgesehen sein, die der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit dienen, insbesondere Paratoluolsulfonsäure. Paratoluolsulfonsäure hat gegen- über beispielsweise quaternären Ammoniumsalzen als Leitfähigkeitszusatz den Vorteil, dass Säuren als leitfähige positive Ionen Protonen freisetzen, wodurch nicht nur die elektrische Leitfähigkeit im allgemeinen begünstigt wird, sondern spezifisch auch im Hinblick auf die Ionen, die direkt an der chemischen Reakti- on beteiligt sind. In a further advantageous embodiment of the method, the carbon dioxide-containing electrolyte is almost pure carbon dioxide. This carbon dioxide-containing electrolyte is the electrolyte in the cathode compartment. When this is nearly pure carbon dioxide, on the one hand, the concentration of carbon dioxide is maximal, which maximizes the reaction rate. On the other hand, methanol is not soluble as a reaction product at the cathode in such an electrolyte and precipitates accordingly. Thus, a complex separation of the methanol and the electrolyte in the cathode space is not required. In the context of the application, almost pure carbon dioxide is to be understood as meaning a carbon dioxide concentration of more than 95% and preferably of more than 99%. In addition to the carbon dioxide, for example, additives may be provided in the electrolyte, which serve to increase the electrical conductivity, in particular paratoluene sulfonic acid. Paratoluene sulphonic acid has The advantage, for example, of adding quaternary ammonium salts as conductivity additive is that acids release protons as conductive positive ions, which not only promotes the electrical conductivity in general, but also specifically with regard to the ions which are directly involved in the chemical reaction.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann als Elektrolyt flüssiger Kohlenstoff unter Verwendung von ionischen oder anionischen Tensi- den sowie ggf. geeigneter Emulgatoren in Form einer Emulsion vorliegen. Die Erstellung einer Emulsion aus dem Produkt Wasser und dem Edukt Kohlenstoffdioxid bietet den Vorteil, dass die Stromdichte an der Kathode erhöht werden kann. In a further advantageous embodiment of the method can be present as the electrolyte liquid carbon using ionic or anionic surfactants and optionally suitable emulsifiers in the form of an emulsion. The preparation of an emulsion of the product water and the educt carbon dioxide has the advantage that the current density at the cathode can be increased.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird dieses konti- nuierlich durchgeführt, indem zumindest der Kohlenstoffdioxid-haltige Elektrolyt an der protonenleitenden Membran vorbeigeführt wird. Eine kontinuierliche Durchführung ist industriell besonders gut nutzbar. Alternativ zu einer kontinuierlichen Prozessführung ist jedoch auch eine diskontinuierliche Prozessführung (Batch-Betrieb) möglich. In a further advantageous embodiment of the method, this is carried out continuously by passing at least the carbon dioxide-containing electrolyte past the proton-conducting membrane. A continuous implementation is industrially particularly useful. However, as an alternative to continuous process control, discontinuous process management (batch operation) is also possible.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens weist einen druckfesten Reaktorbehälter zur Aufnahme eines Kohlenstoffdioxid-haltigen Elektrolyten in der flüssigen Phase, am kritischen Punkt oder in der überkritischen Phase des Elektrolyten auf. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Reaktorbehälter von einer protonenleitendenA device according to the invention for carrying out the aforementioned method has a pressure-resistant reactor vessel for receiving a carbon dioxide-containing electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte. The device is characterized in that the reactor vessel of a proton-conducting
Membran in einen Anodenraum mit einer Anode zur Aufnahme eines wässrigen Elektrolyten und einen Kathodenraum mit einer Kathode zur Aufnahme des Kohlenstoffdioxid-haltigen Elektrolyten unterteilt ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile. Membrane is divided into an anode compartment with an anode for receiving an aqueous electrolyte and a cathode compartment with a cathode for receiving the carbon dioxide-containing electrolyte. This results in the advantages mentioned in connection with the method.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung enthält die Anode Platin (Pt) und/oder Ruthenium (Ru) oder Edelstahl. Die Kathode enthält bevorzugt Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Aluminium (AI), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Titandioxid (Ti02) oder Ruthenium (Ru). Auch Kombinationen der genann- ten Materialien sind möglich. Die genannten Materialien sind im Hinblick auf ihr Überspannungspotential besonders geeignete Elektrodenmaterialien. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Anode und die Kathode jeweils auf einer Seite der Membran schichtförmig aufgebracht, so dass eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) gebildet ist. Bevorzugt ist die MEA zwischen Kontaktplatten mit eingearbeiteten Flusskanälen für die Elektrolyte festgelegt. Auf diese Weise kann ein besonders kompakter Aufbau der Vorrichtung erzielt werden. Zudem ist eine möglichst flächige und verlustfreie Stromzufuhr zu den Elektroden über die Kontaktplatten gegeben. In an advantageous embodiment of the device, the anode contains platinum (Pt) and / or ruthenium (Ru) or stainless steel. The cathode preferably contains magnesium (Mg), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), iron (Fe), titanium dioxide (TiO 2 ) or ruthenium (Ru). Combinations of the mentioned materials are also possible. The materials mentioned are particularly suitable electrode materials with regard to their overvoltage potential. In a further advantageous embodiment of the device, the anode and the cathode are each applied in layers on one side of the membrane, so that a membrane electrode assembly (MEA) is formed. Preferably, the MEA is defined between contact plates with incorporated flow channels for the electrolytes. In this way, a particularly compact construction of the device can be achieved. In addition, the largest possible and lossless power supply to the electrodes via the contact plates is given.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine Druck- ausgleichsanordnung vorgesehen, um Druckunterschiede der Elektrolyten im Anodenraum und im Kathodenraum auszugleichen. Auf diese Weise wird die protonenleitende Membran vor Druckunterschieden geschützt, die angesichts der relativ hohen Betriebsdrücke in der flüssigen Phase, am kritischen Punkt oder in der überkritischen Phase des Elektrolyten andernfalls auftreten könn- ten. In a further advantageous embodiment of the device, a pressure equalization arrangement is provided to compensate for differences in pressure of the electrolyte in the anode compartment and in the cathode compartment. In this way, the proton-conducting membrane is protected from pressure differences which otherwise could occur in view of the relatively high operating pressures in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte.
Bevorzugt wird die Druckausgleichsanordnung durch eine Verbindung von im Anodenraum und Kathodenraum gebildet, wobei diese Verbindung räumlich in einem Bereich des Anodenraums und des Kathodenraums angeordnet ist, in dem der Elektrolyt gasförmig vorliegt. Auf diese Weise kann ein Druckausgleich einfach und ohne aufwändige Steuerungstechnik erfolgen. Beispielsweise um- fasst die Verbindung eine Druckausgleichsleitung und/oder einen Druckausgleichsbehälter, der eine innere Membran aufweist, die einen Druckausgleich ohne Materialdurchgang ermöglicht. Alternativ kann ein gleicher Druck im Ano- denraum und im Kathodenraum auch durch eine entsprechende Ansteuerung von Ein- und Auslassventilen, die an den Räumen angeordnet sind, erfolgen. Preferably, the pressure compensation arrangement is formed by a connection of in the anode compartment and cathode compartment, said connection being spatially arranged in a region of the anode compartment and the cathode compartment, in which the electrolyte is present in gaseous form. In this way, a pressure equalization can be done easily and without complex control technology. By way of example, the connection comprises a pressure compensation line and / or a pressure compensation container which has an inner membrane which allows pressure equalization without material passage. Alternatively, an equal pressure in the anode space and in the cathode space can also be achieved by a corresponding control of inlet and outlet valves which are arranged on the rooms.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen wiedergegeben. Further advantageous embodiments and further developments are given in the respective dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Figuren näher dargestellt. Die Figuren zeigen: The invention is illustrated in more detail below with reference to three figures. The figures show:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur elektrolytischen Fig. 1 shows a first embodiment of a device for electrolytic
Synthese von Methanol,  Synthesis of methanol,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur elektrolytischen Synthese von Methanol und Fig. 3 ein Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid. Fig. 2 shows a second embodiment of an apparatus for the electrolytic synthesis of methanol and Fig. 3 is a phase diagram of carbon dioxide.
Fig. 1 zeigt in einem schematischen Übersichtsbild ein erstes Ausführungsbei- spiel einer Vorrichtung zur Methanolsynthese nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. 1 shows a schematic overview of a first embodiment of a device for methanol synthesis according to the method of the invention.
Die Vorrichtung umfasst einen druckfesten Reaktorbehälter 1 , der durch eine protonenleitendende Membran 2 in zwei Reaktionsräume unterteilt ist, einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4. Der Anodenraum 3 und der Kathodenraum 4 nehmen im Betrieb der Vorrichtung einen anoden- bzw. kathoden- seitigen Elektrolyten auf. Der Reaktorbehälter 1 ist aus einem stabilen, insbesondere rei ßfesten Material gefertigt, das chemisch inert gegenüber den eingesetzte Reaktionsedukten und -produkten ist, beispielsweise aus einem Edel- stahl oder aus inert beschichteten Werkstoffen. The apparatus comprises a pressure-resistant reactor vessel 1, which is subdivided by a proton-conducting membrane 2 into two reaction chambers, an anode chamber 3 and a cathode chamber 4. The anode chamber 3 and the cathode chamber 4 receive an anode- or cathode-side electrolyte during operation of the device , The reactor vessel 1 is made of a stable, in particular friction-resistant material, which is chemically inert to the reaction educts and products used, for example of a stainless steel or of inertly coated materials.
Die protonenleitende Membran 2 ist vorteilhafterweise eine Polymermembran, wie sie beispielsweise unter dem Handelsnamen„Nation" von der Firma Du- Pont vertrieben wird. Im Betrieb sind sowohl der Anoden- als auch der Katho- denraum 3,4 druckbeaufschlagt. Um eine Zerstörung der Membran 2 durchThe proton-conducting membrane 2 is advantageously a polymer membrane, such as that marketed by the company DuPont under the trade name "Nation." In operation, both the anode and cathode chambers 3, 4 are pressurized 2 through
Druckunterschiede zwischen den beiden Räumen 3,4 zu verhindern, sind diese über eine Druckausgleichsleitung 5 miteinander verbunden. Die Druckausgleichsleitung 5 ist bevorzugt in einem oberen Bereich des Reaktorbehälters 1 angeordnet, um eine Durchmischung der Elektrolyten in den beiden Räumen 3,4 zu verhindern. Um eine Zerstörung des Reaktorbehälters 1 und eine Gefährdung durch eine solche Zerstörung zu verhindern, sind Überdruckventile 6,7 vorgesehen, hier im Bereich der Druckausgleichsleitung 5 und jeweils separat an den Räumen 3,4. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung für eine diskontinuierliche Durchführung des Verfahrens eingerichtet (Batch-Betrieb). Die Reaktionsräume 3, 4 des Reaktorbehälters 1 werden dabei zunächst mit dem jeweiligen Elektrolyten gefüllt und danach der Elektrolysevorgang gestartet. Zum Befüllen der Reaktionsräume 3, 4 sind im oberen Bereich des Reaktorbehälters Entlüf- tungsventile 8 an jedem der Räume 3,4 angebracht. Bei geöffnetem Entlüftungsventil 8 wird der Anodenraum 3 zunächst mit einem wässrigen Elektrolyten gefüllt. Zu diesem Zweck ist ein Vorratsbehälter 34 für den wässrigen Elektrolyten vorgesehen, der über ein Einlassventil 35 mit dem Anodenraum 3 ver- bunden ist. Anschließend werden beide Entlüftungsventile 8 geschlossen. Sodann wird aus einem Vorratsbehälter 44 Kohlenstoffdioxid als kathodenseitiger Elektrolyt über ein Einlassventil 45 in den Kathodenraum 4 eingebracht. Als Vorratsbehälter 44 wird beispielsweise eine Kohlenstoffdioxidflasche mit ver- flüssigtem CO2 eingesetzt, die einen Kohlenstoffdioxidheber aufweist. Kohlenstoffdioxid kann so in seiner flüssigen Phase abgegeben werden. Durch Öffnen des Einlassventils 45 wird der Kathodenraum 4 mit CO2 befüllt, wobei ein Druckausgleich über die Druckausgleichsleitung 5 auf den Anodenraum 3 erfolgt. To prevent pressure differences between the two chambers 3.4, these are connected to each other via a pressure equalization line 5. The pressure equalization line 5 is preferably arranged in an upper region of the reactor vessel 1 in order to prevent thorough mixing of the electrolytes in the two chambers 3, 4. In order to prevent destruction of the reactor vessel 1 and a risk of such destruction, overpressure valves 6, 7 are provided here in the area of the pressure equalization line 5 and in each case separately at the spaces 3, 4. In the illustrated embodiment, the device for a discontinuous implementation of the method is set up (batch mode). The reaction chambers 3, 4 of the reactor vessel 1 are first filled with the respective electrolyte and then the electrolysis process started. For filling the reaction chambers 3, 4 vent valves 8 are attached to each of the spaces 3.4 in the upper region of the reactor vessel. When the vent valve 8 is open, the anode chamber 3 is first filled with an aqueous electrolyte. For this purpose, a reservoir 34 for the aqueous electrolyte is provided which communicates with the anode chamber 3 via an inlet valve 35. is bound. Subsequently, both vent valves 8 are closed. Carbon dioxide is then introduced from a reservoir 44 as a cathode-side electrolyte via an inlet valve 45 into the cathode chamber 4. As a reservoir 44, for example, a carbon dioxide cylinder with liquefied CO 2 is used which has a carbon dioxide lifter. Carbon dioxide can thus be released in its liquid phase. By opening the inlet valve 45, the cathode space 4 is filled with CO 2 , wherein a pressure equalization takes place via the pressure equalization line 5 to the anode chamber 3.
In beiden Reaktionsräumen 3, 4 ist eine Temperiereinrichtung 36 bzw. 46 vorgesehen, um eine gewünschte Temperatur für die Elektrolyten 3, 4 einzustellen. Am Ende des Befüllvorgangs befindet sich im Anodenraum 3 ein wässriger Elektrolyt in einer flüssigen Phase und im Kathodenraum 4 Kohlenstoffdioxid in einer ebenfalls flüssigen, kritischen oder überkritischen Phase. Für den anschließenden Elektrolysevorgang wird das Einlassventil 45 geschlossen. In both reaction chambers 3, 4, a tempering device 36 and 46 is provided to set a desired temperature for the electrolyte 3, 4. At the end of the filling process, there is an aqueous electrolyte in a liquid phase in the anode compartment 3 and carbon dioxide in the cathode compartment 4 in a likewise liquid, critical or supercritical phase. For the subsequent electrolysis process, the inlet valve 45 is closed.
Im Anodenraum 3 ist eine Elektrode 31 , im Folgenden auch als Anode 31 bezeichnet, und im Kathodenraum 4 eine Elektrode 41 , im Folgenden auch als Kathode 41 bezeichnet, angeordnet. Über Anschlüsse 32 bzw. 42 können die Elektroden von extern mit einer Spannung beaufschlagt werden. Durch Anlegen einer solchen Spannung setzt ein Stromfluss zwischen den Elektroden 31 und 41 und somit der Elektrolysevorgang ein. In den beiden Reaktionsräumen 3 und 4 erfolgt innerhalb der Elektrolyte der Stromfluss über lonenleitung, wo- bei bedingt durch die protonenleitende Membran 2 nur Protonen, also positiv geladene Wasserstoff ionen, von dem Anodenraum 3 in den Kathodenraum 4 übergehen. In the anode chamber 3, an electrode 31, hereinafter also referred to as the anode 31, and in the cathode chamber 4, an electrode 41, hereinafter also referred to as the cathode 41, respectively. Via terminals 32 and 42, the electrodes can be acted upon externally with a voltage. By applying such a voltage, a current flow between the electrodes 31 and 41 and thus the electrolysis process begins. In the two reaction chambers 3 and 4, the flow of electrons within the electrolytes takes place via ionic conduction, whereby only protons, ie positively charged hydrogen ions, pass over from the anode space 3 into the cathode space 4 due to the proton-conducting membrane 2.
An der Anode 31 setzt dabei folgende Anodenreaktion ein: At the anode 31, the following anode reaction starts:
2 H2O -> 4ΗΓ + 4 e" + O2, und an der Kathode 41 folgende Kathodenreaktion : 2 H 2 O -> 4ΗΓ + 4 e " + O 2 , and at the cathode 41 the following cathode reaction:
6 KT + 6 e" + CO2 H3COH + H2O. Zusammengefasst erfolgt also im Anodenraum 3 eine Zersetzung des Wassers aus dem wässrigen Elektrolyten unter Abgabe von Sauerstoffgas und im Kathodenraum 4 eine Reduktion des C02 zu Methanol und Wasser. Eine möglichst hohe Konzentration von C02 als Edukt im Kathodenraum 4 wird erhalten, wenn C02 flüssig vorliegt. Gemäß dem Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid kann dieses beispielsweise temperaturabhängig in einem Druckbereich von etwa 62 bar bei 24 Grad Celsius bis 72 bar bei 30 Grad Celsius erfolgen. Die gewünschte Temperatur wird dabei im Kathodenraum 4 durch die Temperiereinrichtung 46 gewährleistet. Die Temperiereinrichtung 46 ist bevorzugt als kombinierte Heiz- und Kühleinrichtung ausgelegt, beispielsweise durch Verwendung eines Peltier-Elements. Kohlenstoffdioxid weist in seinem Phasendiagramm einen kritischen Punkt bei einer Temperatur von 31 ,5 Grad Celsius (° C) und einem Druck von 74 bar auf (vgl. auch Fig. 3). An diesem Punkt geht flüssiges C02 in eine überkritische Phase über, in der das Medium sowohl Eigenschaften eines Gases als auch einer Flüssigkeit zeigt, fluide Eigenschaften. Auch in der überkritischen Phase ist die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Kathodenraum 4 hoch, sodass ein Betrieb der Vorrichtung auch in diesem Druck-/Temperaturbereich erfolgen kann. 6 KT + 6 e " + CO 2 H 3 COH + H 2 O. In summary, a decomposition of the water from the aqueous electrolyte with the release of oxygen gas takes place in the anode chamber 3 and a reduction of the CO 2 to methanol and water in the cathode chamber 4. The highest possible concentration of C0 2 as starting material in the cathode space 4 is obtained when C0 2 is liquid. According to the phase diagram of carbon dioxide, this may for example be temperature-dependent in a pressure range of about 62 bar at 24 degrees Celsius to 72 bar at 30 degrees Celsius. The desired temperature is ensured in the cathode chamber 4 by the tempering 46. The tempering device 46 is preferably designed as a combined heating and cooling device, for example by using a Peltier element. Carbon dioxide has a critical point in its phase diagram at a temperature of 31, 5 degrees Celsius (° C) and a pressure of 74 bar (see also Fig. 3). At this point, liquid CO 2 becomes a supercritical phase, in which the medium exhibits both gas and liquid properties, fluid properties. Even in the supercritical phase, the carbon dioxide concentration in the cathode chamber 4 is high, so that operation of the device can also take place in this pressure / temperature range.
Zur Erhöhung der Leitfähigkeit des flüssigen Kohlenstoffdioxids kann diesem ein Leitfähigkeitszusatz hinzugesetzt werden, beispielsweise quaternäre Ammoniumsalze, insbesondere jedoch Paratoluolsulfonsäure. Paratoluolsulfon- säure hat sich dabei als Leitfähigkeitszusatz als geeigneter erwiesen als qua- ternäre Ammoniumsalze. Paratoluolsulfonsäure hat gegenüber quaternären Ammoniumsalzen den Vorteil, dass Säuren als leitfähige positive Ionen Protonen freisetzen, wodurch nicht nur die elektrische Leitfähigkeit im allgemeinen begünstigt wird, sondern spezifisch auch im Hinblick auf die Ionen, die direkt an der chemischen Reaktion beteiligt sind. Werden diese ersten, durch die Säure freigesetzten Protonen an der Kathode verbraucht, werden diese durch den elektrischen Schluss von der protonenleitenden Membran über die Säure bis zur Kathode wieder ersetzt. To increase the conductivity of the liquid carbon dioxide, a conductivity additive can be added thereto, for example quaternary ammonium salts, but in particular paratoluene sulfonic acid. Paratoluenesulfonic acid has proved to be more suitable as a conductivity additive than quaternary ammonium salts. Paratoluene sulfonic acid has the advantage over quaternary ammonium salts that acids release protons as conductive positive ions, favoring not only the electrical conductivity in general, but also specifically with respect to the ions directly involved in the chemical reaction. When these first protons released by the acid are consumed at the cathode, they are replaced by the electrical termination of the proton-conducting membrane via the acid to the cathode.
Unter Verwendung von ionischen oder anionischen Tensiden sowie ggf. geeig- neter Emulgatoren kann der flüssige Kohlenstoff auch in Form einer Emulsion vorliegen. Die Erstellung einer Emulsion aus dem Produkt Wasser und dem Edukt Kohlenstoffdioxid bietet den Vorteil, dass die Stromdichte an der Kathode erhöht werden kann, da auf kleinerem Raum eine hohe Leitfähigkeit des wäss- rigen Bereiches der Emulsion in direkter Nähe zum Kohlenstoffdioxid als Reaktionspartner vorliegt. Eine Erhöhung der Stromdichte hat grundsätzliche eine Erhöhung der Ausbeute zur Folge When using ionic or anionic surfactants and, if appropriate, suitable emulsifiers, the liquid carbon may also be in the form of an emulsion. The preparation of an emulsion of the product water and the educt carbon dioxide offers the advantage that the current density at the cathode can be increased, since in a smaller space a high conductivity of the aqueous is present in the immediate vicinity of the carbon dioxide as a reaction partner. An increase in the current density generally results in an increase in the yield
5 Als Material für die Kathode 41 kann beispielsweise Magnesium eingesetzt werden, das für die angegebene Reaktion ein geringes Überspannungspotential und damit eine hohe Effizienz aufweist. Alternative und in Kombination einsetzbare Kathodenmaterialien sind Cu, Zn, AI, Fe, Ni, TiO2 oder Ru. Um eine hohe Oberfläche für die Kathodenreaktion an der Elektrode 41 bereit zu stellt) len, kann das Kathodenmaterial in Form eines Granulats oder Kolloids eingesetzt werden. Dabei kann ein Trägermaterial vorgesehen sein, auf das das (aktive) Elektronenmaterial aufgebracht ist. Alternativ ist es auch möglich, dass das als Kolloid oder Granulat vorliegende Elektrodenmaterial in einem Sinter- prozess zu einer trägerlosen Elektrode 41 zu formen. As the material for the cathode 41, for example magnesium can be used, which has a low overvoltage potential and thus a high efficiency for the specified reaction. Alternative and usable in combination cathode materials are Cu, Zn, Al, Fe, Ni, TiO 2 or Ru. In order to provide a high surface area for the cathode reaction at the electrode 41, the cathode material may be used in the form of a granule or colloid. In this case, a carrier material may be provided, to which the (active) electron material is applied. Alternatively, it is also possible for the electrode material in the form of a colloid or granulate to be formed into a carrierless electrode 41 in a sintering process.
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Als (aktives) Elektrodenmaterial der Anode 31 kann beispielsweise Platin (Pt), wiederum in kolloider Form mit möglichst hoher Oberfläche eingesetzt werden. Auch andere bekannte Materialien für diese Reaktion, beispielsweise ein Platin-Ruthenium (Ru)-Gemisch, können eingesetzt werden. Auch Edelstahl kann 0 als geeignetes und kostengünstiges Elektrodenmaterial für die Anode  As (active) electrode material of the anode 31, for example, platinum (Pt), in turn, can be used in colloidal form with the highest possible surface area. Other known materials for this reaction, for example, a platinum-ruthenium (Ru) mixture can be used. Also stainless steel can 0 as a suitable and inexpensive electrode material for the anode
31 verwendet werden.  31 are used.
Da in flüssigem CO2 sowohl Wasser als auch Methanol als Reaktionsprodukte im Kathodenraum 4 schlecht löslich sind, fallen die Reaktionsprodukte aus und 5 sammeln sich am Boden des Kathodenraums 4 des Reaktionsbehälters 1 . Methanol und Wasser sind wiederum sehr gut ineinander löslich, es bildet sich somit ein gemäß der Reaktionsstöchiometrie im Hinblick auf die Methanolkonzentration hoch konzentriertes Methanol-Wasser-Gemisch. Dieses Methanol- Wasser-Gemisch kann nach ausreichender Betriebszeit der Vorrichtung durchSince both water and methanol are poorly soluble in liquid CO 2 as reaction products in the cathode compartment 4, the reaction products precipitate and collect at the bottom of the cathode compartment 4 of the reaction container 1. In turn, methanol and water are very well soluble in each other, thus forming a highly concentrated methanol-water mixture according to the reaction stoichiometry with respect to the methanol concentration. This methanol-water mixture can after sufficient operating time of the device
30 Öffnen eines Auslassventils 52 aus der Kathodenkammer 4 in einen Vorratsbehälter 53 abgelassen werden. Das Methanol-Wasser-Gemisch kann nach Lagerung und/oder Transport vorteilhaft in eben dieser Mischung als Brennstoff einer DMFC-Brennstoffzelle eingesetzt werden, und so zur Stromerzeugung genutzt werden. 30 opening an outlet valve 52 are discharged from the cathode chamber 4 in a reservoir 53. The methanol-water mixture can advantageously be used after storage and / or transport in just this mixture as the fuel of a DMFC fuel cell, and thus be used for power generation.
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Auf der Anodenseite bildet sich im Anodenraum 3 an der Anode 31 Sauerstoffgas. Dieses Sauerstoffgas kann durch geeignete Betätigung des Entlüftungsventils 8 des Anodenraums 3 bereits während des Betriebs der Vorrichtung ab- gelassen werden, um den Druck in dem Reaktorbehälter 1 nicht unerwünscht ansteigen zu lassen. Aufgrund von Verlustleistungen beim Betrieb der Vorrichtung entsteht an den Elektroden Wärme, die vom jeweiligen Elektrolyten aufgenommen wird. Um die Temperatur in dem gewünschten Bereich zu halten, ist auch auf der Anodenseite eine Temperiervorrichtung 36 vorgesehen. On the anode side, oxygen gas is formed in the anode chamber 3 at the anode 31. This oxygen gas can already be removed during operation of the device by suitable actuation of the venting valve 8 of the anode compartment 3. are left so as not to increase the pressure in the reactor vessel 1 undesirably. Due to power losses during operation of the device heat is generated at the electrodes, which is absorbed by the respective electrolyte. In order to keep the temperature in the desired range, a tempering device 36 is also provided on the anode side.
Fig. 2 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur elektrolytischen Analyse von Methanol. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie beim ersten Ausfüh- rungsbeispiel der Fig. 1 . Im Unterschied zu diesem ist die hier dargestellte Vorrichtung nicht für den Batch-Betrieb sondern für eine kontinuierliche Durchführung des Verfahrens geeignet. Fig. 2 shows another apparatus for carrying out a method for the electrolytic analysis of methanol. Identical reference signs in this figure denote the same or equivalent elements as in the first embodiment of FIG. 1. In contrast to this, the device shown here is not suitable for batch operation but for a continuous implementation of the method.
Wiederum ist ein Reaktorbehälter 1 vorgesehen, der durch eine protonenlei- tende Membran 2 in zwei Reaktionsräume, einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 unterteilt wird. Im Anodenraum 3 ist eine Anode 31 und im Kathodenraum 4 eine Kathode 41 als Elektrode angeordnet, wobei je ein Anodenbzw. Kathodenanschluss 32 und 42 zur Kontaktierung der Elektroden 31 , 41 nach außen geführt sind. Again, a reactor vessel 1 is provided which is subdivided by a proton-conducting membrane 2 into two reaction spaces, an anode space 3 and a cathode space 4. In the anode compartment 3, an anode 31 and in the cathode compartment 4, a cathode 41 is arranged as an electrode, wherein each one Anodenbzw. Cathode terminal 32 and 42 are guided for contacting the electrodes 31, 41 to the outside.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 31 , 41 mit der Membran 2 zu einem sog. MEA (Membrane Electrode Assembly) zusammen gefasst. Dazu wird das entsprechende Elektrodenmaterial in kolloider Form ggf. mit einer Trägersubstanz, beispielsweise Graphit in ebenfalls kolloi- der Form, auf jeweils eine Seite der Membran 2 aufgetragen. Dieses kann beispielsweise nach Aufschlämmung in einer vorzugsweise leicht flüchtigen Flüssigkeit in einem Sprüh- oder einem Siebdruckverfahren erfolgen. Als Resultat entsteht auf der jeweiligen Seite der Membran 2 eine poröse, in sich elektrisch leitende Schicht aus dem Trägermaterial mit eingebettetem Elektrodenmaterial, die eine große Oberfläche des elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterials bereitstellt. Da eine Stromableitung in lateraler Richtung der Schicht aufgrund des in Schichtrichtung relativ hohen Widerstands der Schicht zu hohen ohmschen Verlusten führt, kann zusätzlich eine Stromableitung in einer Richtung senkrecht zur Membran 2 erfolgen, beispielsweise durch ein parallel zur Schicht aufgelegtes metallisches Gitter. Bezüglich der bevorzugt katalytisch wirkenden Materialien der Elektroden 31 und 41 wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel verwiesen. Um einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung zu erreichen, sind Zwischenbehälter 37, 47 für den anoden- bzw. kathodenseitigen Elektrolyten vorgesehen. Über Pumpen 39 auf der Anodenseite bzw. 49 auf der Kathodenseite wird ein Elektrolytstrom durch den Anoden- bzw. Kathodenraum 3, 4 hervorge- rufen. Auf der Anodenseite ist dieser Elektrolytstrom in Richtung des Reaktorbehälters 1 mit dem Bezugszeichen 33 und zurück zum Zwischenbehälter 37 mit dem Bezugszeichen 33', auf der Kathodenseite ist der entsprechende Elektrolytstrom in den Kathodenraum mit dem Bezugszeichen 43 und zurück aus dem Kathodenraum 4 mit dem Bezugszeichen 43' gekennzeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind Pumpen 39 bzw. 49 sowohl für den Strom 33, 43 zum Reaktorbehälter als auch für den Rückstrom 33', 43' vorgesehen. In alternativen Ausgestaltungen ist es denkbar, jeweils nur eine Pumpe 39, 49 in jedem der Elektrolytkreise einzusetzen. In den Zwischenbehältern 37, 47 werden die Elektrolyte bevorzugt unter den gleichen Druck- und Temperaturbedin- gungen gehalten, wie sie im Reaktorbehälter 1 eingesetzt werden. Daher sind Temperiervorrichtungen 36 und 46 in den Zwischenbehältern 37, 47 angeordnet. Zusätzlich können in dieser Figur nicht dargestellte Temperiervorrichtungen für den Reaktorbehälter 1 vorhanden sein. Bezüglich der eingesetzten Elektrolyte wird auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen. Im Betrieb der Elektrolysevorrichtung entstehende Reaktionsprodukte, insbesondere das an der Kathodenseite entstehende Methanol-Wasser-Gemisch wird über weitere Pumpen 49 aus dem Kathodenraum 4 und aus dem Zwischenbehälter 47 entnommen, wobei wiederum ausgenutzt wird, dass das Methanol/-Wasser-Gemisch eine geringe Löslichkeit in dem flüssigen Kohlenstoffdioxid hat, das, ggf. mit Leitzusätzen, als katho- denseitiger Elektrolyt eingesetzt wird. Das Methanol-Wasser-Gemisch fällt entsprechend aus und setzt sich im unteren Bereich des Kathodenraums 3 bzw. des kathodenseitigen Vorratsbehälters 47 ab. Es wird in einem Vorratsbehälter 53 zur weiteren Verwendung gesammelt. In the exemplary embodiment illustrated here, the electrodes 31, 41 with the membrane 2 are combined to form a so-called MEA (Membrane Electrode Assembly). For this purpose, the corresponding electrode material in colloidal form, if appropriate with a carrier substance, for example graphite in likewise colloidal form, is applied to one side of the membrane 2 in each case. This may be done, for example, after slurry in a preferably volatile liquid in a spray or screen printing process. As a result, formed on the respective side of the membrane 2 is a porous, electrically conductive layer of the carrier material with embedded electrode material, which provides a large surface area of the electrochemically active electrode material. Since a current discharge in the lateral direction of the layer leads to high ohmic losses due to the relatively high resistance of the layer in the layer direction, current can also be conducted in a direction perpendicular to the membrane 2, for example by a metal grid placed parallel to the layer. With regard to the preferably catalytically active materials of the electrodes 31 and 41, reference is made to the statements in connection with the first exemplary embodiment. In order to achieve a continuous operation of the device, intermediate containers 37, 47 are provided for the anode or cathode-side electrolyte. Via pumps 39 on the anode side and 49 on the cathode side, an electrolyte flow through the anode or cathode chamber 3, 4 is called forth. On the anode side, this electrolyte flow is in the direction of the reactor vessel 1 by the reference numeral 33 and back to the intermediate vessel 37 by the reference numeral 33 ', on the cathode side is the corresponding electrolyte flow in the cathode compartment with the reference numeral 43 and back from the cathode compartment 4 with the reference numeral 43rd 'marked. In the embodiment of FIG. 2, pumps 39 and 49 are provided both for the flow 33, 43 to the reactor vessel and for the return flow 33 ', 43'. In alternative embodiments, it is conceivable to use only one pump 39, 49 in each of the electrolyte circuits. In the intermediate containers 37, 47, the electrolytes are preferably kept under the same pressure and temperature conditions as used in the reactor vessel 1. Therefore, temperature control devices 36 and 46 are arranged in the intermediate containers 37, 47. In addition, temperature control devices (not shown) for the reactor vessel 1 may be present in this figure. With regard to the electrolytes used, reference is made to the statements on the first exemplary embodiment. During operation of the electrolysis device resulting reaction products, in particular the resulting at the cathode side methanol-water mixture is removed via further pump 49 from the cathode chamber 4 and from the intermediate container 47, which is again utilized that the methanol / water mixture has a low solubility in which liquid carbon dioxide has, which is optionally used with conductive additives, as a cathode side electrolyte. The methanol-water mixture precipitates accordingly and settles in the lower region of the cathode space 3 or of the cathode-side reservoir 47. It is collected in a reservoir 53 for further use.
Das an der Anodenseite im Anodenraum 3 und im anodenseitigen Zwischenbehälter 37 anfallende Sauerstoffgas wird entsprechend über anodenseitige Pumpen 39 in einen Sauerstoffvorratsbehälter 62 geführt. Es wird angemerkt, dass je nach Druck, unter dem die Vorratsbehälter 53 und 62 für die Reaktionsprodukte im Vergleich zum Druck, unter dem die Elektrolyte im Reaktorbehälter 1 bzw. den Zwischenbehältern 37, 47 stehen, anstelle von Pumpen 39, 49 auch gesteuerte Ventile zum Ablassen der Reaktionsprodukte eingesetzt werden können. Um die sich im Betrieb verringernden Elektrolytmengen in den Zwischenbehältern 37 und 47 auszugleichen, sind diese mit Vorratsbehältern 34 und 44 für die Elektrolyte und entsprechenden Pumpen 39, 49 bzw. Ventilen - wiederum je nach Druckverhältnissen - verbunden. The oxygen gas accumulating on the anode side in the anode chamber 3 and in the anode-side intermediate container 37 is conducted correspondingly via anode-side pumps 39 into an oxygen reservoir 62. It is noted that depending on the pressure under which the reservoirs 53 and 62 for the reaction products compared to the pressure under which the electrolytes in the reactor vessel 1 and the intermediate containers 37, 47 are, instead of pumps 39, 49 and controlled valves for Draining the reaction products used can be. In order to compensate for the decreasing amounts of electrolyte in the intermediate tanks 37 and 47 during operation, they are connected to storage tanks 34 and 44 for the electrolytes and corresponding pumps 39, 49 or valves - again depending on the pressure conditions.
Mit dem Anodenraum 3 und dem Kathodenraum 4 sind Drucksensoren 38 bzw. 48 verbunden, die im Betrieb die in den jeweiligen Reaktionsräumen 3, 4 des Reaktorbehälters 1 vorliegenden Drücke erfassen. Die gemessenen Drücke werden in einer nicht dargestellten Prozesssteuerungseinrichtung erfasst und zur Steuerung der Pumpen 39 bzw. 49 oder der stattdessen eingesetzten Ventile herangezogen. Die Steuerung erfolgt derart, dass im Anodenraum 3 und dem Kathodenraum 4 ein möglichst gleicher Betriebsdruck vorliegt. Der im Betrieb eingestellte Druck richtet sich wiederum am Phasendiagramm des kathodenseitig eingesetzten Elektrolyten aus, derart, dass ein Betrieb mit flüssigem C02 bzw. C02 in einer überkritischen Phase oder C02 am kritischen Punkt erreicht wird. Um zu verhindern, dass Druckunterschiede in dem Anodenraum 3 und dem Kathodenraum 4, die beispielsweise aufgrund von Regelungenauig- keiten auftreten können, die Membran 2 beschädigen, führen Druckausgleichsleitungen 5 von den Reaktionsräumen 3, 4 des Reaktorbehälters 1 zu einem Druckausgleichsbehälter 9. Der Druckausgleichsbehälter 9 weist eine innere Membran auf, die einen Druckausgleich ohne Materialdurchgang in einem gewissen Druckbereich erlaubt. With the anode chamber 3 and the cathode chamber 4 pressure sensors 38 and 48 are connected, which detect the present in the respective reaction chambers 3, 4 of the reactor vessel 1 pressures during operation. The measured pressures are detected in a process control device, not shown, and used to control the pumps 39 and 49 or the valves used instead. The control takes place in such a way that in the anode chamber 3 and the cathode chamber 4 as much as possible the same operating pressure is present. The pressure set during operation depends in turn on the phase diagram of the electrolyte used on the cathode side, such that operation with liquid C0 2 or C0 2 in a supercritical phase or C0 2 at the critical point is achieved. In order to prevent pressure differences in the anode chamber 3 and the cathode chamber 4, which may occur due to control inaccuracies, for example, damage the membrane 2, pressure equalization lines 5 lead from the reaction chambers 3, 4 of the reactor vessel 1 to a pressure equalization tank 9. The pressure equalization tank 9 has an inner membrane that allows pressure equalization without material passage in a certain pressure range.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind der Anodenraum 3 und der Kathodenraum 4 als offene Räume dargestellt, in denen sich die entsprechenden Elektrolyte frei bewegen können. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, die Elektrolyte entlang von Flusskanälen sogenannter Flussfelder (Flow Field) entlang den Elektroden 31 , 41 zwangs- zuführen. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen der Flussfelder, bei- spielsweise mäanderförmig oder harfenförmig möglich. Relativ zueinander können anoden- und kathodenseitig gleichgerichtete oder gegengerichtete oder kreuzweise gerichtete Strömungen vorgesehen sein. In einer solchen Ausgestaltung kann eine Metallplatte, in die die Flusskanäle des Flussfelds eingearbeitet sind, als Stromabnehmer für die Elektroden 31 , 41 dienen. Der Reaktor- behälter 1 wird in dem Fall durch zwei solcher metallischer Kontaktplatten mit zwischengelegter Membran bzw. Membran-Elektrodeneinheit (MEA) gebildet, wobei die beiden Metallplatten als Anoden- bzw. Kathodenanschlüsse 32, 42 dienen und voneinander elektrisch durch die zwischengelegte Membran 2 iso- liert sind. In einer Weiterbildung der Vorrichtung können mehrere solcher Anordnungen (Zellen) zu einem Stapel (Stack) aufeinander gelegt werden, wobei die Kontaktplatten im inneren des Stapels dann beidseitig mit Flusskanälen versehen sind und als sogenannte Bipolarplatten gleichzeitig zwei benachbar- ten Zellen zugeordnet sind. In the illustrated embodiment of FIG. 2, the anode compartment 3 and the cathode compartment 4 are shown as open spaces in which the corresponding electrolytes can move freely. In an advantageous embodiment of the device, provision may be made for the electrolytes to be forced along the electrodes 31, 41 along flow channels of so-called flow fields (flow fields). Different configurations of the flow fields, for example meandering or harp-shaped, are possible. Relative to one another, rectified or counter-directed or crosswise directed currents can be provided on the anode and cathode sides. In such an embodiment, a metal plate, in which the flow channels of the flow field are incorporated, serve as a current collector for the electrodes 31, 41. The reactor vessel 1 is in this case formed by two such metallic contact plates with an interposed membrane or membrane-electrode unit (MEA), wherein the two metal plates serve as anode and cathode connections 32, 42 and are electrically insulated from one another by the interposed membrane 2 - are lier. In a development of the device, a plurality of such arrangements (cells) can be stacked on top of one another, wherein the contact plates in the interior of the stack are then provided with flow channels on both sides and two adjacent cells are simultaneously assigned as so-called bipolar plates.
In beiden dargestellten Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, den Elektrolysestrom kontinuierlich zuzuführen. Es kann jedoch auch eine gepulste Stromversorgung eingesetzt werden, bei der der Strom zwischen zwei Werten, von denen der eine kleiner als der andere, Null oder sogar negativ (umgepolt) sein kann. Die gepulste Stromversorgung kann im Mittel mit einer effektiveren Umsetzung und einem höheren Wirkungsgrad verbunden sein. Ein kurzzeitiges Betreiben der Anordnung mit einer umgepolten Stromversorgung dient der Katalysatorreinigung und/oder -regenerierung. Zudem kann die sich aufbauende Sperrschicht aufgebrochen werden. Auch dadurch wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Das Betreiben bei umgepolter Stromversorgung kann regelmäßig erfolgen oder auch bedarfsweise. Im letzteren Fall kann vorgesehen sein, einen Reinigungsschritt durch Umpolen dann vorzunehmen, wenn im Betrieb die Werte von Elektrolysestrom und -Spannung eine sinkende Effektivität andeuten, beispielsweise wenn zur Erzielung eines bestimmten, vorgegebenen Stromflusses eine ansteigende Spannung benötigt wird. Zur Detektion der Ansteigenden Spannung können Grenzwerte der Spannung selbst oder ihrer Änderungsrate (zeitliche Ableitung) definiert sein. Die Figur 3 zeigt ein Phasendiagramm für Kohlenstoffdioxid. Hierin ist derIn both illustrated embodiments can be provided to supply the electrolysis current continuously. However, a pulsed power supply may be used in which the current between two values, one smaller than the other, may be zero or even negative (reversed). The pulsed power supply may on average be associated with more effective implementation and higher efficiency. A brief operation of the arrangement with a reversed power supply is used for catalyst purification and / or regeneration. In addition, the build-up barrier can be broken. Also, a higher efficiency is achieved. The operation with reversed power supply can be done regularly or as needed. In the latter case, it may be provided to carry out a cleaning step by reversing polarity when, during operation, the values of electrolysis current and voltage indicate sinking effectiveness, for example when an increasing voltage is required to achieve a specific, predetermined current flow. For the detection of the rising voltage limit values of the voltage itself or its rate of change (time derivative) can be defined. FIG. 3 shows a phase diagram for carbon dioxide. Here is the
Druck in bar über der Temperatur in ° C aufgetragen. Eine Phasengrenze festgasförmig 71 kennzeichnet den Übergang vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand bis zu einem Tripelpunkt 72. Bei weiter ansteigenden Drücken und Temperaturen kennzeichnet eine Phasengrenze fest-flüssig 73 den Über- gang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand und eine Phasengrenze flüssig-gasförmig 74 den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand. Bei einem sogenannten kritischen Punkt 75 geht die Phasengrenze flüssig-gasförmig 74 in eine Phasengrenze überkritisch-gasförmig 76 über, die den Übergang vom überkritischen in den gasförmigen Aggregatzustand angibt. Von den Phasengrenzen 73, 74 und 76 wird ein Reaktionsbereich 77 begrenzt. In diesem Reaktionsbereich 77 befindet sich der Elektrolyt Kohlenstoffdioxid im erfindungsgemäßen Bereich, um ihn zu Methanol umzusetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können wie bereits erwähnt zur Produktion von Methanol und/oder Methan als Energieträger und/oder Rohprodukte der chemischen Industrie verwendet werden, beispielsweise indem die genannten Produkte dort erzeugt werden, wo viel regenerative Energie aus Sonne, Wind oder Gezeiten gewonnen werden kann. Pressure in bar above the temperature in ° C applied. A phase boundary in the form of a solid gas 71 marks the transition from the solid to the gaseous state of aggregation up to a triple point 72. With further increasing pressures and temperatures, a phase boundary solid-liquid 73 characterizes the transition from the solid to the liquid state of matter and a phase boundary liquid-gaseous 74 Transition from the liquid to the gaseous state. At a so-called critical point 75, the phase boundary liquid-gaseous 74 passes into a phase boundary supercritical-gaseous 76, which indicates the transition from the supercritical to the gaseous state of matter. Of the phase boundaries 73, 74 and 76, a reaction region 77 is limited. In this reaction region 77 is the electrolyte carbon dioxide in the range according to the invention to convert it to methanol. As already mentioned, the method according to the invention and the device according to the invention can be used for the production of methanol and / or methane as energy sources and / or crude products of the chemical industry, for example by producing the mentioned products where a lot of regenerative energy from sun, wind or tides can be won.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Reaktorbehälter 1 reactor vessel
2 Membran  2 membrane
3 Anodenraum  3 anode compartment
4 Kathodenraum  4 cathode compartment
5 Druckausgleichsleitung  5 pressure compensation line
6, 7 Überdruckventil  6, 7 pressure relief valve
8 Entlüftungsventil  8 bleed valve
9 Druckausgleichsbehälter  9 pressure equalization tank
31 Anode 31 anode
32 Anodenanschluss  32 anode connection
33 Elektrolytstrom  33 electrolyte flow
33' Elektrolytstrom  33 'electrolyte flow
34 Vorratsbehälter  34 storage tank
35 Einlassventil  35 inlet valve
36 Temperierung  36 temperature control
37 Zwischenbehälter  37 intermediate container
38 Drucksensor  38 pressure sensor
39 Pumpe  39 pump
41 Kathode 41 cathode
42 Kathodenanschluss  42 cathode connection
43 Elektrolytstrom  43 electrolyte flow
43' Elektrolytstrom  43 'electrolyte flow
44 Vorratsbehälter  44 reservoir
45 Einlassventil  45 inlet valve
46 Temperierung  46 temperature control
47 Zwischenbehälter  47 intermediate container
48 Drucksensor  48 pressure sensor
49 Pumpe  49 pump
51 Methanolstrom 51 methanol stream
52 Auslassventil  52 exhaust valve
53 Vorratsbehälter  53 reservoir
Sauerstoffgasstror Sauerstoffgasstror
Vorratsbehälter Phasengrenze fest-gasförmig Tripelpunkt reservoir Phase boundary fixed-gaseous triple point
Phasengrenze fest-flüssig Phase boundary solid-liquid
Phasengrenze flüssig-gasförmig Kritischer Punkt Phase boundary liquid-gas Critical point
Phasengrenze überkritisch-gasförmig Reaktionsbereich Phase boundary supercritical-gaseous reaction range

Claims

Ansprüche claims
Verfahren zur elektrolytischen Synthese von Methanol und/oder Methan durch Reduktion von in einem Elektrolyten enthaltenem Kohlenstoffdioxid in der flüssigen Phase, am kritischen Punkt oder in der überkritischen Phase des Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass Protonen zur Reduktion des Kohlenstoffdioxids durch eine protonenleitende MembranProcess for the electrolytic synthesis of methanol and / or methane by reduction of carbon dioxide contained in an electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte, characterized in that protons for reducing the carbon dioxide by a proton-conducting membrane
(2) in den Elektrolyten eingebracht werden. (2) are introduced into the electrolyte.
Verfahren nach Anspruch 1 , das in einem Reaktorbehälter (1 ) durchgeführt wird, der von der protonenleitenden Membran (2) in einen Anodenraum (3) und einen Kathodenraum (4) unterteilt ist, wobei ein Druckausgleich vorgenommen wird, um Druckunterschiede der Elektrolyten im AnodenraumProcess according to claim 1, carried out in a reactor vessel (1) subdivided by the proton-conducting membrane (2) into an anode space (3) and a cathode space (4), wherein a pressure equalization is made to differentiate the pressure of the electrolyte in the anode space
(3) und im Kathodenraum (4) auszugleichen. (3) and in the cathode compartment (4) to compensate.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Druckausgleich selbsttätig durch eine Verbindung des Anodenraums (3) und des Kathodenraums (4) vorgenommen wird, wobei diese Verbindung räumlich in einem Bereich des Anodenraums (3) und des Kathodenraums (4) angeordnet ist, in dem der Elektrolyt gasförmig vorliegt. A method according to claim 2, wherein the pressure equalization is carried out automatically by a connection of the anode compartment (3) and the cathode compartment (4), said connection being arranged spatially in a region of the anode compartment (3) and the cathode compartment (4) the electrolyte is in gaseous form.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Kohlenstoffdioxid-haltige Elektrolyt nahezu reines Kohlenstoffdioxid ist. Method according to one of claims 1 to 3, wherein the carbon dioxide-containing electrolyte is almost pure carbon dioxide.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem dem nahezu reinen Kohlenstoffdioxid Paratoluolsulfonsäure hinzugefügt ist. The method of claim 4, wherein paratoluene sulfonic acid is added to the nearly pure carbon dioxide.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem unter Verwendung von ionischen oder anionischen Tensiden sowie geeigneten Emulgatoren flüssiger Kohlenstoff in einer Emulsion vorliegt. Method according to one of claims 1 to 5, wherein liquid ion is present in an emulsion using ionic or anionic surfactants and suitable emulsifiers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem sich der Kohlenstoffdioxid-haltige Elektrolyt auf einer Seite der protonenleitenden Membran (2) befindet und ein wässriger Elektrolyt auf der anderen Seite der Membran (2). Method according to one of claims 1 to 6, wherein the carbon dioxide-containing electrolyte is located on one side of the proton-conducting membrane (2) and an aqueous electrolyte on the other side of the membrane (2).
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der wässrige Elektrolyt eine verdünnte Säure, insbesondere Salz- oder Schwefelsäure ist. 8. The method of claim 7, wherein the aqueous electrolyte is a dilute acid, in particular hydrochloric or sulfuric acid.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Kohlenstoffdioxid-haltige Elektrolyt in Kontakt mit einer Kathode (41 ) steht und der wässrige Elektrolyt in Kontakt mit einer Anode (31 ) steht. The method of claim 8, wherein the carbon dioxide-containing electrolyte is in contact with a cathode (41) and the aqueous electrolyte is in contact with an anode (31).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (31 ) Pt und/oder Ru oder Edelstahl und die Kathode (41 ) Mg, Cu, Zn, AI, Ni, Fe, Ti02 oder Ru enthält. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the anode (31) Pt and / or Ru or stainless steel and the cathode (41) Mg, Cu, Zn, Al, Ni, Fe, Ti0 2 or Ru ,
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das kontinuierlich durchgeführt wird, indem zumindest der Kohlenstoffdioxid-haltige Elektrolyt an der protonenleitenden Membran (2) vorbeigeführt wird. 1 1. Method according to one of claims 1 to 10, which is carried out continuously by at least the carbon dioxide-containing electrolyte is guided past the proton-conducting membrane (2).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine diskontinuierliche sowie kontinuierliche Prozessführung ermöglicht ist. 12. The method according to any one of claims 1 to 1 1, characterized in that a discontinuous and continuous process control is made possible.
13. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem druckfesten Reaktorbehälter (1 ) zur Aufnahme eines Kohlenstoffdioxid-haltigen Elektrolyten in der flüssigen Phase, am kritischen Punkt oder in der überkritischen Phase des Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorbehälter (1 ) von einer protonenleitenden Membran (2) in einen Anodenraum (3) mit einer Anode (31 ) zur Aufnahme eines wässrigen Elektrolyten und einen Kathodenraum (4) mit einer Kathode (41 ) zur Aufnahme des Kohlenstoffdioxid-haltigen Elektrolyten unterteilt ist. 13. Apparatus for carrying out a method according to one of claims 1 to 12 with a pressure-resistant reactor vessel (1) for receiving a carbon dioxide-containing electrolyte in the liquid phase, at the critical point or in the supercritical phase of the electrolyte, characterized in that the reactor vessel (1) is divided by a proton-conducting membrane (2) into an anode space (3) with an anode (31) for receiving an aqueous electrolyte and a cathode space (4) with a cathode (41) for receiving the carbon dioxide-containing electrolyte.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der eine Druckausgleichsanordnung vorgesehen ist, um Druckunterschiede der Elektrolyten im Anodenraum (3) und im Kathodenraum (4) auszugleichen. 14. The apparatus of claim 13, wherein a pressure equalization arrangement is provided to compensate for differences in pressure of the electrolyte in the anode compartment (3) and in the cathode compartment (4).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Druckausgleichsanordnung durch eine Verbindung von im Anodenraum (3) und Kathodenraum (4) gebildet ist, wobei diese Verbindung räumlich in einem Bereich des Anodenraums (3) und des Kathodenraums (4) angeordnet ist, in dem der Elektrolyt gasförmig vorliegt. 15. The apparatus of claim 14, wherein the pressure equalization arrangement is formed by a connection in the anode chamber (3) and cathode chamber (4), said compound being arranged spatially in a region of the anode chamber (3) and the cathode chamber (4) the electrolyte is present in gaseous form.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Verbindung eine Druckausgleichsleitung (5) umfasst. 16. The apparatus of claim 15, wherein the connection comprises a pressure equalization line (5).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der die Verbindung einen 17. The apparatus of claim 15 or 16, wherein the compound a
Druckausgleichsbehälter (9) umfasst, der eine innere Membran aufweist, die einen Druckausgleich ohne Materialdurchgang ermöglicht.  Includes surge tank (9) having an inner membrane, which allows a pressure equalization without material passage.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der die Anode (31 ) Pt und/oder Ru oder Edelstahl enthält. 18. Device according to one of claims 13 to 17, wherein the anode (31) contains Pt and / or Ru or stainless steel.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der die Kathode (41 ) Mg, Cu, Zn, AI, Ni, Fe, Ti02 oder Ru enthält. 19. Device according to one of claims 13 to 18, wherein the cathode (41) contains Mg, Cu, Zn, Al, Ni, Fe, Ti0 2 or Ru.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei der die Anode (31 ) und die Kathode (41 ) jeweils auf einer Seite der Membran (2) schichtför- mig aufgebracht ist, so dass eine Membran-Elektroden-Einheit gebildet ist. 20. Device according to one of claims 13 to 19, wherein the anode (31) and the cathode (41) in each case on one side of the membrane (2) is applied in layers, so that a membrane electrode assembly is formed.
21 . Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Membran-Elektroden-Einheit zwischen Kontaktplatten mit eingearbeiteten Flusskanälen für die Elektro- lyte festgelegt ist. 21. Device according to claim 20, in which the membrane-electrode unit is fixed between contact plates with incorporated flow channels for the electrolyte.
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