WO2017167605A1 - Device and method for producing a product gas, in particular a synthesis gas - Google Patents

Device and method for producing a product gas, in particular a synthesis gas Download PDF

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WO2017167605A1 PCT/EP2017/056671 EP2017056671W WO2017167605A1 WO 2017167605 A1 WO2017167605 A1 WO 2017167605A1 EP 2017056671 W EP2017056671 W EP 2017056671W WO 2017167605 A1 WO2017167605 A1 WO 2017167605A1
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Marc Hanebuth
Katharina Stark
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Definitions

  • Electrolysers convert carbon dioxide CO 2 into carbon monoxide CO and oxygen O 2 .
  • Electrolyzers in particular CO 2 _ electrolysers, have so far only been the subject of basic research in the field of the materials used in each case.
  • a first Labormus ⁇ ter is set up currently, during its operation, first excess is worked with high CO2 and obtained the product gas with CO2 ver ⁇ thinned. This gas would have to be treated before further use by means of gas purification process to remove interfering CO2.
  • Concepts for the targeted production ei ⁇ nes defined synthesis gas with a low C02 content by a suitable operating concept of an electrolysis stack are not known.
  • Electrolyzer with aqueous electrolyte in which the educt gas (CO2) is added by means of a gas diffusion electrode (GDE).
  • GDE gas diffusion electrode
  • the reactant gas flows through the electrolyzer only once, so that, depending on the CO 2 excess, a fixed CO: H 2: CO 2 ratio results, but in a large number of cases too much CO 2 and too little H 2 for contains use in downstream syntheses.
  • CO2 reactant gas
  • Electrolysers are variable parameters that primarily determine the product gas composition, the current density or voltage that corresponds to the applied load, and the CO2
  • variable conditions include the choice of egg ⁇ umpumprate the electrolyte, and pressure and temperature.
  • Feedstock gas is in particular supplied gas.
  • Product gas is especially gas discharged.
  • Product product gas is in particular a desired product gas for a preferred further use.
  • the object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.
  • an apparatus for the manufacture ⁇ development of a product gas, particularly a synthesis gas proposed, comprising a supply line for supplying a reactant gas in an electrochemical cell of an electrolyzer, wherein a
  • Electrode space is executable
  • a method for producing a product gas, in particular a synthesis gas is proposed with the following steps:
  • GDE gas diffusion electrode
  • the electrolyzer can be a low-temperature electrolyzer, which is to be understood here as an electrolyzer operated at less than 100 ° C., the first electrode space being a cathode space, the second electrode space being an anode space, the membrane being ion space.
  • the electrolyzer can be conductive, in particular cation-conducting, and a plurality of electrochemical cells may be fluidly connected in parallel to each other, wherein the cells are electrically connected in series with each other.
  • the electrolyzer may be an aqueous electrolyte using CO 2 - electrolyzer for converting carbon dioxide CO 2 as educt gas in carbon monoxide CO as desired product gas and Sau ⁇ oxygen O 2 as an additional product gas, the product gas in particular in addition to the carbon monoxide CO as value ⁇ product gas, hydrogen H 2 as the second electrolysis gas and unconverted educt gas carbon dioxide CO 2 may have.
  • the electrolyzer may have a regulating device for adjusting the recirculated volume flow and thus a recycling rate, wherein the regulating device comprises a flow device arranged in the return line, in particular blower and / or a valve and / or a throttle flap, and / or a static or dynamic flow divider controls.
  • the regulating device comprises a flow device arranged in the return line, in particular blower and / or a valve and / or a throttle flap, and / or a static or dynamic flow divider controls.
  • the electrolyzer may have the regulating device for setting an electrical current density, wherein the regulating device regulates the current.
  • the control device for adjusting the Have metered addition of Edukgases per period of time controls the Zudosierrate.
  • control device can regulate such that in the product gas a ratio of desired product gas to second electrolysis gas to unconverted feed gas, in particular of CO to H 2 to CO 2 , is selectively adjustable in the first discharge line after the branching of the return line ,
  • Ratios of 1: 1.5 to 1: 3 be adjustable.
  • Figure 1 is a representation of the prior art
  • Figure 2 shows an embodiment of an inventive
  • Figure 3 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a representation of the prior art.
  • CO: H2: CO2 9: 1: 15 to 20 arise.
  • FIG. 2 shows an arrangement according to the invention of a CO 2 electrolyzer.
  • a CO 2 electrolyzer By way of example, only one electrochemical cell is shown, wherein in reality a plurality of cells are arranged in the form of a cell stack. Not shown are the anode and the aqueous electrolyte ⁇ lyt with the corresponding circuits or
  • Reference numeral 1 denotes the inventive arrangement of a C02 _ electrolyzer for the production of a synthesis ⁇ gas.
  • 2a and 2b indicate a reactant feed, wherein 2a represents the access of CO2 and 2b additionally recycled
  • Reference numeral 10 denotes an electrochemical cell of the C02 _ electrolyzer, which is exemplified for ei ⁇ NEN entire cell stack.
  • Reference numeral 11 denotes a gas diffusion electrode (GDE).
  • Reference numeral 12 denotes a cathode compartment.
  • Reference numeral 13 denotes a membrane which may be provided, for example, cation-conductive to separate gas spaces.
  • strainszei ⁇ chen 14 represents an anode chamber, wherein in Figure 2, the anode is not shown.
  • Reference numeral 20 denotes the anode gas produced, which is oxygen here.
  • Reference symbols 21a and 21b denote the produced cathode gas as a product of value.
  • reference numeral 30 denotes a ⁇ he invention proper recirculation, in an inventive Ge ⁇ blower is arranged 31st It can also be inventively a re ⁇ gelbares valve and / or a throttle and / or a static or dynamic flow divider can be installed as control devices in the return line.
  • a control device 40 regulates such that in the product gas, a ratio of desired product gas to second electrolysis gas to unconverted educt gas, in particular of CO to H 2 to CO 2 , 30 is selectively adjustable in the first discharge line 21b after the diversion of the return line.
  • the synthesis gas is partially recirculated , so that a further portion of the CO.sub.2 still present in the synthesis gas is present in the second and optionally further
  • the aim of the proposed concept is to remove just enough product gas and introduce the right amount of additional CO2 so that a desired ratio of CO: H2: CO2 is achieved in the product gas by having exactly the composition required for the use of the synthesis gas ,
  • Both the injection of CO2 and the discharge of product gas can take place continuously or batchwise. Likewise, a dynamic operation is executable.
  • An aqueous electrolyte C02 electrolyzer is operated to produce a mixture of H2 and CO.
  • the produced gas should have the lowest possible amount of CO2 and a certain ratio of H2: CO, for example, at least 1.5: 1, more preferably more than 2: 1, but not more than 3: 1.
  • a recycle through which a significant portion of the product gas is directed into the reactant gas is provided.
  • the return contains a controllable blower and / or a valve or a throttle valve and / or a static or dynamic flow divider, with which the volume flow of this return or the recycling rate can be varied.
  • a new operating and Steuerungskon ⁇ concept for a C02 _ electrolyzer in which a required synthesis gas ⁇ composition can be adjusted by means of gas return, by the fraction of the discharged product gas and the amount of the newly supplied CO2 depending on the use of the synthesis gas.
  • control parameters that can be used to set variable product gas compositions that are conventionally unachievable and that are distinguished by meeting the specification for a synthesis gas for delivery to chemical syntheses. These are in particular CO: CO 2 _ ratios above 1.5 with simultaneous H2: CO ratio of 2 or more.
  • a control concept in which by means of selection of the control parameters mass or volume menpound in the recycle stream, recycle rate as a proportion of the out ⁇ infiltrated fraction, and mass or volumetric flow of the re-dosed CO2 as a function of the current density which corresponds to the electrical ⁇ rule load product concentration on, a defined CO: H2: C02 Ratio can be adjusted.
  • a defined CO: H2: C02 Ratio can be adjusted.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a method according to the invention.
  • the method is used for producing a Pro ⁇ duktgases, particularly a synthesis gas, comprising the following steps.
  • (S1) supplying a starting gas into an electrochemical cell (10) of an electrolyzer (1) by means of a supply line (2), wherein a metered addition of the educt gas into a spatially separated from a second electrode space (14) by means of a membrane (13) first electrode space (12) is executable.
  • S2 removing the product gas from the first electrode space (12) by means of a first discharge line (21);

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Abstract

The invention relates to a device and a method for producing a product gas, in particular a synthesis gas, wherein the following are provided: a supply line (2a, 2b) for supplying a reagent gas into an electrochemical cell (10) of an electrolyser (1), wherein an addition of the reagent gas into a first electrode chamber (12) that is spatially separated from a second electrode chamber (14) by a membrane (13) can be carried out; a first discharge line (21a, 21b) for discharging the product gas from the first electrode chamber (12); a second discharge line (20) for discharging an additional product gas from the second electrode chamber (14); and a return line (30), leading out of the first discharge line (21a, 21b), for feeding back a portion of the product gas into the supply line (2a, 2b).

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Produktgases, insbesondere Synthesegases Apparatus and method for producing a product gas, in particular synthesis gas
Die Bedeutung der sogenannten erneuerbaren Energie gewinnt, insbesondere in Deutschland, zunehmend an Bedeutung. Dement¬ sprechend wird derzeit vermehrt nach Möglichkeiten gesucht, zeitweise vorhandenen Überschussstrom zu nutzen, um Wertpro- dukte elektrochemisch herzustellen. Ein Ansatz hierfür ist es beispielsweise, mit Hilfe eines dynamisch betreibbaren The importance of so-called renewable energy is becoming increasingly important, especially in Germany. Accordingly ¬ speaking is currently being sought increasingly looking for ways to use temporarily existing income stream to produce Wertpro--products electrochemically. An approach for this is, for example, with the help of a dynamically operable
Elektrolyseurs Kohlenstoffdioxid CO2 in Kohlenstoffmonoxid CO und Sauerstoff O2 umzuwandeln. Elektrolyseure, insbesondere C02_Elektrolyseure, sind bislang lediglich Gegenstand der Grundlagenforschung im Bereich der jeweils verwendeten Materialien. Gemäß einem internen Stand der Technik der Anmelderin wird derzeit ein erstes Labormus¬ ter aufgebaut, bei dessen Betrieb zunächst mit hohem CO2- Überschuss gearbeitet wird und das Produktgas mit CO2 ver¬ dünnt anfällt. Dieses Gas müsste vor einer Weiterverwendung mittels Gasreinigungsverfahren aufbereitet werden, um störendes CO2 zu entfernen. Konzepte zur gezielten Herstellung ei¬ nes definierten Synthesegases mit niedrigem C02-Gehalt durch ein geeignetes Betriebskonzept eines Elektrolysestacks sind nicht bekannt. Electrolysers convert carbon dioxide CO 2 into carbon monoxide CO and oxygen O 2 . Electrolyzers, in particular CO 2 _ electrolysers, have so far only been the subject of basic research in the field of the materials used in each case. According to an internal prior art of the Applicant, a first Labormus ¬ ter is set up currently, during its operation, first excess is worked with high CO2 and obtained the product gas with CO2 ver ¬ thinned. This gas would have to be treated before further use by means of gas purification process to remove interfering CO2. Concepts for the targeted production ei ¬ nes defined synthesis gas with a low C02 content by a suitable operating concept of an electrolysis stack are not known.
Eine Bauform ist ein sogenannter Niedertemperatur-One design is a so-called low-temperature
Elektrolyseur mit wässrigem Elektrolyt, bei dem das Eduktgas (CO2) mit Hilfe einer Gasdiffusionselektrode (GDE) zudosiert wird . Electrolyzer with aqueous electrolyte, in which the educt gas (CO2) is added by means of a gas diffusion electrode (GDE).
Bei einem herkömmlichen Elektrolyseur strömt das Eduktgas (CO2) lediglich einmal durch den Elektrolyseur, so dass sich je nach C02-Überschuss ein festes CO : H2 : C02-Verhältnis ergibt, das aber in einer Vielzahl von Fällen zu viel CO2 und zu wenig H2 für die Nutzung in nachgelagerten Synthesen enthält. Herkömmlicherweise sind Gemische von beispielsweise CO : H-2 '· CC>2~1 , 5 : 3 : 0 , 5 nach heutigem Kenntnisstand nicht er¬ reichbar. Bei Verwendung eines herkömmlichen CO2 -In a conventional electrolyzer, the reactant gas (CO2) flows through the electrolyzer only once, so that, depending on the CO 2 excess, a fixed CO: H 2: CO 2 ratio results, but in a large number of cases too much CO 2 and too little H 2 for contains use in downstream syntheses. Conventionally, mixtures of, for example CO: H-2 '· CC> 2 ~ 1, 5: 3: 0, 5 current knowledge, not him ¬ reichbar. When using a conventional CO2
Elektrolyseurs sind variierbare Parameter, die primär die Produktgaszusammensetzung bestimmen, die Stromdichte oder Spannung, die der angelegten Last entspricht, und der CO2 -Electrolysers are variable parameters that primarily determine the product gas composition, the current density or voltage that corresponds to the applied load, and the CO2
Überschuss. Weitere variierbare Bedingungen sind die Wahl ei¬ ner Umpumprate des Elektrolyten, sowie Druck und Temperatur.Excess. Other variable conditions include the choice of egg ¬ umpumprate the electrolyte, and pressure and temperature.
Herkömmlicherweise wird lediglich ein Synthesegas gebildet, das zu viel CO2 und zu wenig H2 enthält. Conventionally, only a synthesis gas is formed, which contains too much CO2 and too little H2.
Es ist Aufgabe der Erfindung mittels Elektrolyse, insbesonde¬ re C02-Elektrolyse, ein Produktgas, insbesondere Synthesegas, herzustellen, das insbesondere für nachgeschaltete chemische Synthesen direkt verwendbar sein soll, und zwar ohne aufwän- dige Vorreinigung. Es soll ein hoher Anteil an nicht umgewandeltem Eduktgas, insbesondere ein C02~Gehalt, im Produktgas vermieden werden. Ebenso soll zudem ein Anteil eines in Abhängigkeit vom verwendeten Elektrolyten entstehendes zweites Elektrolysegases im Produktgas gezielt einstellbar sein. Es wird ein Konzept zum Betrieb eines Elektrolyseurs gesucht mit dem ein Verhältnis im Produktgas von einem Wertproduktgas zum zweiten Elektrolysegas zum nicht umgewandelten Eduktgas ge¬ zielt für geforderte Verhältnisse einstellbar ist. Es wird insbesondere ein C02-Elektrolyseur gesucht, mit dem der CO2 - Gehalt des Synthesegases niedrig gehalten und ein CO: H2 ~ Verhältnis auf einen geforderten Wert einstellbar ist. It is an object of the invention by means of electrolysis, insbesonde ¬ re C02 electrolysis, a product gas, in particular, produce synthesis gas which is to be directly used in particular for downstream chemical syntheses, without numerous testing precleaning. It is a high proportion of unconverted feed gas, in particular a C02 ~ content, be avoided in the product gas. Likewise, a proportion of a second electrolysis gas arising as a function of the electrolyte used should also be selectively adjustable in the product gas. It searches for the operation of an electrolyzer with a ratio in the product gas from a value of product gas for the second electrolysis gas for unconverted feed gas ge ¬ aims is adjustable for conditions required a concept. In particular, a CO 2 electrolyzer is sought, with which the CO 2 content of the synthesis gas is kept low and a CO: H 2 ratio can be set to a required value.
Eduktgas ist insbesondere zugeführtes Gas. Feedstock gas is in particular supplied gas.
Produktgas ist insbesondere abgeführtes Gas. Product gas is especially gas discharged.
Wertproduktgas ist insbesondere ein erwünschtes Produktgas für eine bevorzugte Weiterverwendung. Product product gas is in particular a desired product gas for a preferred further use.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. The object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Herstel¬ lung eines Produktgases, insbesondere eines Synthesegases, vorgeschlagen, aufweisend eine Zuführungsleitung zur Zufuhr eines Eduktgases in eine elektrochemische Zelle eines Elektrolyseurs, wobei eine According to a first aspect is an apparatus for the manufacture ¬ development of a product gas, particularly a synthesis gas proposed, comprising a supply line for supplying a reactant gas in an electrochemical cell of an electrolyzer, wherein a
Zudosierung des Eduktgases in einen mittels einer Membran von einem zweiten Elektrodenraum räumlich getrennten ersten Metering of the reactant gas in a first by means of a membrane spatially separated from a second electrode space first
Elektrodenraum ausführbar ist; Electrode space is executable;
eine erste Abführungsleitung zur Abfuhr des Produktgases aus dem ersten Elektrodenraum; a first discharge line for removing the product gas from the first electrode space;
eine zweite Abführungsleitung zur Abfuhr eines Zusatzprodukt¬ gases aus dem zweiten Elektrodenraum; a second discharge line for removing an additional product ¬ gases from the second electrode space;
eine aus der ersten Abführungsleitung herausgeführte Rückführungsleitung zur Rückführung eines Anteils des Produktgases in die Zuführungsleitung. a recirculation line led out of the first discharge line for returning a portion of the product gas into the supply line.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Produktgases, insbesondere eines Synthesegases, mit folgenden Schritten vorgeschlagen: According to a second aspect, a method for producing a product gas, in particular a synthesis gas, is proposed with the following steps:
mittels einer Zuführungsleitung ausgeführtes Zuführen eines Eduktgases in eine elektrochemische Zelle eines Elektroly¬ seurs, wobei eine Zudosierung des Eduktgases in einen mittels einer Membran von einem zweiten Elektrodenraum räumlich getrennten ersten Elektrodenraum ausführbar ist; executed by means of a feed line supplying a feed gas in an electrochemical cell of an electrolyzer ¬ Seurs, wherein a metered addition of the reactant gas can be performed in a spatially separated by a membrane from a second electrode space first electrode chamber;
mittels einer ersten Abführungsleitung ausgeführtes Abführen des Produktgases aus dem ersten Elektrodenraum; removing the product gas from the first electrode space by means of a first discharge line;
mittels einer zweiten Abführungsleitung ausgeführtes Abführen eines Zusatzproduktgases aus dem zweiten Elektrodenraum; discharging an additional product gas from the second electrode space by means of a second discharge line;
mittels einer aus der ersten Abführungsleitung herausgeführten Rückführungsleitung ausgeführtes Rückführen eines Anteils des Produktgases in die Zuführungsleitung. recycling a portion of the product gas into the feed line by means of a return line led out of the first discharge line.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen signifikanten Teil des Produktgases in den Eingangsstrom für das Eduktgas des Elektrolyseurs zurückzuführen und auf diese Weise eine Gasre- cycle-Schleife einzuführen. Das zurückgeführte Gas wird zweckmäßigerweise über eine Gasdiffusionselektrode (GDE) zudosiert . According to the invention, it is proposed to recycle a significant part of the product gas into the feed stream for the educt gas of the electrolyzer and to introduce a gas cycle loop in this way. The recirculated gas is expediently metered in via a gas diffusion electrode (GDE).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden mit den Unteransprüchen beansprucht. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Elektroly- seur ein Niedertemperatur-Elektrolyseur sein, worunter hier ein Elektrolyseur verstanden werden soll, der bei weniger als 100 °C betrieben wird, wobei der erste Elektrodenraum ein Kathodenraum, der zweite Elektrodenraum ein Anodenraum, die Membran Ionen-leitend, insbesondere Kationen-leitend, sein und eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen strömungstechnisch zueinander parallel angeschlossen sein kann, wobei die Zellen elektrisch in Reihe zueinander angeschlossen sind. Further advantageous embodiments are claimed with the subclaims. According to an advantageous embodiment, the electrolyzer can be a low-temperature electrolyzer, which is to be understood here as an electrolyzer operated at less than 100 ° C., the first electrode space being a cathode space, the second electrode space being an anode space, the membrane being ion space. be conductive, in particular cation-conducting, and a plurality of electrochemical cells may be fluidly connected in parallel to each other, wherein the cells are electrically connected in series with each other.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Elektrolyseur ein wässrigen Elektrolyt verwendender CO2- Elektrolyseur zur Umwandlung von Kohlenstoffdioxid CO2 als Eduktgas in Kohlenstoffmonoxid CO als Wertproduktgas und Sau¬ erstoff O2 als Zusatzproduktgas sein, wobei das Produktgas insbesondere zusätzlich zum Kohlenstoffmonoxid CO als Wert¬ produktgas, Wasserstoff H2 als zweites Elektrolysegases und nicht umgewandeltes Eduktgas Kohlenstoffdioxid CO2 aufweisen kann. According to a further advantageous embodiment, the electrolyzer may be an aqueous electrolyte using CO 2 - electrolyzer for converting carbon dioxide CO 2 as educt gas in carbon monoxide CO as desired product gas and Sau ¬ oxygen O 2 as an additional product gas, the product gas in particular in addition to the carbon monoxide CO as value ¬ product gas, hydrogen H 2 as the second electrolysis gas and unconverted educt gas carbon dioxide CO 2 may have.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Elektrolyseur eine Regelungseinrichtung zur Einstellung des rückgeführten Volumenstroms und damit einer Rezyklierrate aufweisen, wobei die Regelungseinrichtung ein in der Rückführungsleitung angeordnete Strömungseinrichtung, insbesondere Gebläse und/oder ein Ventil und/oder eine Drosselklappe, und/oder ein statischer oder dynamischer Strömungsteiler regelt. According to a further advantageous embodiment, the electrolyzer may have a regulating device for adjusting the recirculated volume flow and thus a recycling rate, wherein the regulating device comprises a flow device arranged in the return line, in particular blower and / or a valve and / or a throttle flap, and / or a static or dynamic flow divider controls.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Elektrolyseur die Regelungseinrichtung zur Einstellung einer elektrischen Stromdichte aufweisen, wobei die Regelungseinrichtung den Strom regelt. According to a further advantageous embodiment, the electrolyzer may have the regulating device for setting an electrical current density, wherein the regulating device regulates the current.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Elektrolyseur die Regelungseinrichtung zur Einstellung der Zudosierung des Edukgases pro Zeitdauer aufweisen, wobei die Regelungseinrichtung die Zudosierrate regelt. According to a further advantageous embodiment of the electrolyzer, the control device for adjusting the Have metered addition of Edukgases per period of time, the control device controls the Zudosierrate.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Re gelungseinrichtung derart regeln, dass im Produktgas ein Ver hältnis von Wertproduktgas zu zweitem Elektrolysegas zu nicht umgewandelten Eduktgas, insbesondere von CO zu H2 zu CO2, in der ersten Abführungsleitung nach der Abzweigung der Rückführungsleitung gezielt einstellbar ist. According to a further advantageous embodiment, the control device can regulate such that in the product gas a ratio of desired product gas to second electrolysis gas to unconverted feed gas, in particular of CO to H 2 to CO 2 , is selectively adjustable in the first discharge line after the branching of the return line ,
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Verhältnisse von CO : H2 : C02~l , 5 : 3 : 0 , 5 und insbesondere CO:H2~According to a further advantageous embodiment, ratios of CO: H2: CO2 ~ 1, 5: 3: 0, 5 and in particular CO: H2 ~
Verhältnisse von 1:1,5 bis 1:3 einstellbar sein. Ratios of 1: 1.5 to 1: 3 be adjustable.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Verhältnisse von CO:C02 größer 1/5 bei gleichzeitigen H2:CO-According to a further advantageous embodiment, ratios of CO: CO 2 greater than 1/5 with simultaneous H 2 : CO
Verhältnisse von größer 2 einstellbar sein. Be adjustable ratios of greater than 2.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen: The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:
Figur 1 eine Darstellung zum Stand der Technik; Figure 1 is a representation of the prior art;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Figure 2 shows an embodiment of an inventive
Vorrichtung;  Contraption;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Figure 3 shows an embodiment of an inventive
Verfahrens .  Procedure.
Figur 1 zeigt eine Darstellung zum Stand der Technik. BeimFIG. 1 shows a representation of the prior art. At the
Betrieb eines Niedertemperatur-Elektrolyseurs mit wässrigem Elektrolyt, bei dem das Eduktgas (CO2) mit Hilfe einer Gas¬ diffusionselektrode (GDE) zudosiert wird, wird das CO2 der elektrochemischen Zelle zugeführt und zu KohlenstoffmonoxidOperation of a low-temperature electrolyzer with aqueous electrolyte, in which the educt gas (CO2) is metered by means of a gas diffusion electrode ¬ (GDE), the CO2 is supplied to the electrochemical cell and carbon monoxide
CO reduziert. Wird eine dem jeweiligen Stromfluss stöchiomet risch entsprechende Menge CO2 angeboten (λ=1), kommt es auf¬ grund von Diffusionslimitierungen an der Kathode neben der Bildung von CO auch zur Entwicklung von Wasserstoff H2. Hin- tergrund ist, dass das Wasser des Elektrolyten ebenfalls elektrolysiert werden kann. Es entsteht Gas, das hier als zweites Elektrolysegas, hier Wasserstoff, bezeichnet werden kann. Herkömmlicherweise liegt bei λ=1 eine sogenannte Fara- day-Effizienz bei ca. 50% für CO- und 50% für ^-Bildung. InCO reduced. If a current flow to the respective driven stöchiomet corresponding amount of CO2 available (λ = 1), it depends on ¬ due to diffusion limitations at the cathode in addition to the formation of CO to the development of hydrogen H2. outward background is that the water of the electrolyte can also be electrolyzed. The result is gas, which can be referred to here as second electrolysis gas, here hydrogen. Conventionally, at λ = 1, a so-called Faraday efficiency is about 50% for CO and 50% for ^ formation. In
Konsequenz wird nur ca. 50% des angebotenen CO2 elektroche¬ misch umgesetzt, so dass ein Produktgas mit einer Zusammen¬ setzung von CO : H2 : C02=l : 1 : 1 entsteht, wobei hier alle angege¬ benen Verhältnisse auf Stoffmengen bezogen sind. Consequence will be implemented only 50% of the CO2 offered electrochemical ¬ mixed, so that a product gas with a combination ¬ reduction of CO: H2: C02 = l: 1: 1 arises, all angege ¬ surrounded ratios are based on quantities here.
Wird mehr CO2 als stöchiometrisch notwendig angeboten, geht die Diffusionslimitierung des C02-Transports an die aktivenIf more CO2 than stoichiometrically necessary is offered, the diffusion limitation of the CO2 transport goes to the active ones
Zentren der Elektrodenoberfläche zurück und damit wird auch weniger H2 gebildet. Die sogenannte Faraday-Effizienz FE der CO-Bildung steigt. Es sind bis zu 90% FE bezüglich CO mög¬ lich, das heißt es werden die Produkte dann im Verhältnis CO:H2=90:10 gebildet. Allerdings wird dabei das CO/H2-Gemisch durch das überschüssige CO2 verdünnt, so dass typischerweiseCenters of the electrode surface back and thus less H2 is formed. The so-called Faraday efficiency FE of CO formation increases. There are up to 90% with respect to CO FE mög ¬ Lich, that is to say the products are then in a ratio of CO: H2 = 90: 10 is formed. However, the CO / H2 mixture is diluted by the excess CO2, so that typically
Produktgemische mit Zusammensetzungen im Bereich Product mixtures with compositions in the range
CO : H2 : C02=9 : 1 : 15 bis 20 entstehen. Das gewünschte Synthesegas entsteht also mit einem zu hohen C02-Gehalt. Wird dagegen we¬ niger CO2 als stöchiometrisch notwendig angeboten, sinkt die Faraday-Effizienz FE für CO zugunsten der ^-Bildung und es entstehen beispielsweise bei λ=0,5 Synthesegase mit CO: H2: CO2 = 9: 1: 15 to 20 arise. The desired synthesis gas thus arises with too high a CO 2 content. If, on the other hand, less CO2 is offered as stoichiometrically necessary, the Faraday efficiency FE for CO decreases in favor of the ^ formation and, for example, synthesis gases are formed at λ = 0.5
CO:H2=20:80, die aber wiederum mit CO2 verdünnt sind, da we¬ gen der Diffusionsbegrenzung nicht umgesetztes CO2 im Pro¬ duktgas anfällt. Das heißt, die Gaszusammensetzung ist bei λ=0,5 ca. CO:H2 :C02=1 : 4 : 1, 2 (20:80:25). Die Darstellung gemäß Figur 1 zeigt Faraday-Effizienzen FE bezogen auf die Produkte Wasserstoff und Kohlenmonoxid und die erzielbaren Umsatzgrade von Kohlendioxid in Abhängigkeit des Überschusses an angebotenem Kohlendioxid. Bei λ=1 ent¬ spricht der Stoffmengenstrom an angebotenem CO2 exakt dem Elektrolysestrom. Bei größeren Werten besteht ein Überschuss an CO2 · Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßenCO: H2 = 20: 80, which are in turn diluted with CO2 because we ¬ gen diffusion limitation unreacted CO2 is the Pro ¬ duktgas. That is, the gas composition at λ = 0.5 is approximately CO: H 2 : C0 2 = 1: 4: 1, 2 (20:80:25). The illustration according to FIG. 1 shows Faraday efficiencies FE relative to the products hydrogen and carbon monoxide and the achievable degrees of conversion of carbon dioxide as a function of the excess of carbon dioxide offered. When λ = 1 ent ¬ the molar flow rate of CO2 OFFERED speaks exactly to the electrolysis current. For larger values there is an excess of CO2 · Figure 2 shows an embodiment of an inventive
Vorrichtung. Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung eines C02-Elektrolyseurs . Es ist exemplarisch lediglich eine elektrochemische Zelle dargestellt, wobei in Wirklichkeit mehrere Zellen in Form eines Zellstapels angeordnet werden. Nicht dargestellt sind die Anode sowie der wässrige Elektro¬ lyt mit den entsprechenden Kreisläufen beziehungsweise Contraption. FIG. 2 shows an arrangement according to the invention of a CO 2 electrolyzer. By way of example, only one electrochemical cell is shown, wherein in reality a plurality of cells are arranged in the form of a cell stack. Not shown are the anode and the aqueous electrolyte ¬ lyt with the corresponding circuits or
Gas/Flüssig-Separatoren. Bezugszeichen 1 kennzeichnet die erfindungsgemäße Anordnung eines C02_Elektrolyseurs für die Herstellung eines Synthese¬ gases. 2a und 2b kennzeichnen eine EduktZuführung, wobei 2a den Zugang von CO2 darstellt und 2b zusätzlich rückgeführtesGas / liquid separators. Reference numeral 1 denotes the inventive arrangement of a C02 _ electrolyzer for the production of a synthesis ¬ gas. 2a and 2b indicate a reactant feed, wherein 2a represents the access of CO2 and 2b additionally recycled
Produkt enthält. Bezugszeichen 10 bezeichnet eine elektroche- mische Zelle des C02_Elektrolyseurs, die beispielhaft für ei¬ nen gesamten Zellstapel dargestellt ist. Bezugszeichen 11 kennzeichnet eine Gasdiffusionselektrode (GDE) . Bezugszeichen 12 kennzeichnet einen Kathodenraum. Bezugszeichen 13 kennzeichnet eine Membran, die beispielsweise Kationen-leitend bereitgestellt sein kann, um Gasräume zu trennen. Bezugszei¬ chen 14 stellt einen Anodenraum dar, wobei in Figur 2 die Anode nicht dargestellt ist. Bezugszeichen 20 kennzeichnet das produzierte Anodengas, das hier Sauerstoff ist. Bezugs¬ zeichen 21a und 21b bezeichnen das produzierte Kathodengas als Wertprodukt. Es enthält neben CO und H2 ebenso teilweise nicht umgesetztes CO2 · Bezugszeichen 30 kennzeichnet eine er¬ findungsgemäße Rückführung, in der ein erfindungsgemäßes Ge¬ bläse 31 angeordnet ist. Es kann auch erfindungsgemäß ein re¬ gelbares Ventil und/oder eine Drosselklappe und/ oder ein statischer oder dynamischer Strömungsteiler als Regelungsvorrichtungen in die Rückführungsleitung eingebaut werden. Product contains. Reference numeral 10 denotes an electrochemical cell of the C02 _ electrolyzer, which is exemplified for ei ¬ NEN entire cell stack. Reference numeral 11 denotes a gas diffusion electrode (GDE). Reference numeral 12 denotes a cathode compartment. Reference numeral 13 denotes a membrane which may be provided, for example, cation-conductive to separate gas spaces. Bezugszei ¬ chen 14 represents an anode chamber, wherein in Figure 2, the anode is not shown. Reference numeral 20 denotes the anode gas produced, which is oxygen here. Reference symbols 21a and 21b denote the produced cathode gas as a product of value. It contains in addition to CO and H2 as partly unreacted CO2 · reference numeral 30 denotes a ¬ he invention proper recirculation, in an inventive Ge ¬ blower is arranged 31st It can also be inventively a re ¬ gelbares valve and / or a throttle and / or a static or dynamic flow divider can be installed as control devices in the return line.
Eine Regelungeinrichtung 40 regelt derart, dass im Produktgas ein Verhältnis von Wertproduktgas zu zweitem Elektrolysegas zu nicht umgewandelten Eduktgas, insbesondere von CO zu H2 zu CO2, in der ersten Abführungsleitung 21b nach der Abzweigung der Rückführungsleitung 30 gezielt einstellbar ist. Erfindungsgemäß wird das Synthesegas teilweise im Kreis ge¬ fahren, so dass ein weiterer Anteil des noch im Synthesegas vorhandenen CO2 im zweiten und gegebenenfalls in weiterenA control device 40 regulates such that in the product gas, a ratio of desired product gas to second electrolysis gas to unconverted educt gas, in particular of CO to H 2 to CO 2 , 30 is selectively adjustable in the first discharge line 21b after the diversion of the return line. According to the invention, the synthesis gas is partially recirculated , so that a further portion of the CO.sub.2 still present in the synthesis gas is present in the second and optionally further
Durchläufen zu CO umgesetzt wird und so das CO : C02-Verhältnis erhöht wird. Da aber bei konstant gehaltener elektrischer Stromdichte für den Elektrolysebetrieb damit der CO2-Runs is converted to CO and so the CO: CO 2 ratio is increased. Since, however, with constant electric current density for the electrolysis operation, the CO2
Überschuss im Kathodenraum des Elektrolyseurs zurückgeht, wird ebenso die Faraday-Effizienz zugunsten der ^-Bildung verschoben und somit normiert auf die neu gebildete CO-Menge eine höhere H2~Menge erzeugt. Dadurch verschiebt sich auch das CO : ^-Verhältnis im Produktgas zu höheren ^-Gehalten. Excess in the cathode compartment of the electrolyzer goes back, the Faraday efficiency is also shifted in favor of ^ formation and thus normalized to the newly formed CO amount produces a higher H2 ~ amount. This also shifts the CO: ^ ratio in the product gas to higher ^ contents.
Das Synthesegas darf andererseits ebenso nicht übermäßig im Elektrolysesystem rezykliert werden. Erstens würde dadurch der H2~Gehalt wegen der kontinuierlichen Verarmung an CO2 stetig ansteigen. Zu hohe H2~Gehalte sind aber ebenso nicht sinnvoll, da chemische Synthesen meinst ein CO : ^-Verhältnis von 1:1,5 bis 1:3 benötigen. Zweitens erhöht sich infolge der ^-Herstellung die Gasmenge im System, was zu einem Druckan- stieg führen würde. On the other hand, the syngas must not be excessively recycled in the electrolysis system either. First, the H2 content would steadily increase because of the continuous depletion of CO2. Too high H2 ~ contents are just as meaningless, since chemical syntheses mean a CO: ^ ratio of 1: 1.5 to 1: 3 need. Second, the amount of gas in the system increases as a result of ^ production, which would lead to an increase in pressure.
Das Ziel des vorgeschlagenen Konzepts ist es, gerade so viel Produktgas abzuführen und die richtige Menge zusätzliches CO2 einzuführen, dass im Produktgas ein gewünschtes Verhältnis von CO:H2:C02 erreicht wird, indem genau die Zusammensetzung vorliegt, die für die Nutzung des Synthesegases erforderlich ist . The aim of the proposed concept is to remove just enough product gas and introduce the right amount of additional CO2 so that a desired ratio of CO: H2: CO2 is achieved in the product gas by having exactly the composition required for the use of the synthesis gas ,
Dabei kann sowohl das Einschleusen von CO2 als auch das Aus- schleusen von Produktgas kontinuierlich oder Batch-weise erfolgen. Ebenso ist ein dynamischer Betrieb ausführbar. Both the injection of CO2 and the discharge of product gas can take place continuously or batchwise. Likewise, a dynamic operation is executable.
Erfindungsgemäß ergeben sich folgende vorteilhafte Ausgestal¬ tungen : According to the invention has the following advantageous Ausgestal ¬ obligations:
1. Ein C02-Elektrolyseur mit wässrigem Elektrolyt wird betrieben, um ein Gemisch aus H2 und CO herzustellen. Das hergestellte Gas soll einen möglichst geringen Restanteil CO2 und ein bestimmtes Verhältnis an H2:CO enthalten, und zwar beispielsweise mindestens 1,5:1, besser mehr als 2:1, aber nicht mehr als 3:1. 2. Um eine gewünschte ProduktZusammensetzung zu erreichen, wird eine Rückführung, durch die ein signifikanter Teil des Produktgases in das Eduktgas geleitet wird, vorgesehen. Die Rückführung enthält ein regelbares Gebläse und/oder ein Ventil bzw. eine Drosselklappe und/ oder einen statischen oder dynamischen Strömungsteiler, mit dem der Volumenstrom dieser Rückführung beziehungsweise die Rezyklierrate variiert werden können . 1. An aqueous electrolyte C02 electrolyzer is operated to produce a mixture of H2 and CO. The produced gas should have the lowest possible amount of CO2 and a certain ratio of H2: CO, for example, at least 1.5: 1, more preferably more than 2: 1, but not more than 3: 1. 2. To achieve a desired product composition, a recycle through which a significant portion of the product gas is directed into the reactant gas is provided. The return contains a controllable blower and / or a valve or a throttle valve and / or a static or dynamic flow divider, with which the volume flow of this return or the recycling rate can be varied.
3. Neben der Rezyklierrate gibt es die Regelparameter 3. In addition to the recycling rate, there are the control parameters
Stromdichte, Spannung und die C02_Dosierrate . Current density, voltage and C02 _ dosing.
Mit diesen insgesamt drei Regelparametern lässt sich neben einer gewünschten Produktgaszusammensetzung ein dynamischer Betrieb des Elektrolyseurs realisieren. With these three control parameters in addition to a desired product gas composition, a dynamic operation of the electrolyzer can be realized.
Erfindungsgemäß wird ein neues Betriebs- und Steuerungskon¬ zept für einen C02_Elektrolyseur vorgeschlagen, bei dem mittels Gasrückführung, durch die Fraktion des ausgeschleusten Produktgases und die Menge des neu zugeführten CO2 je nach Verwendung des Synthesegases eine erforderliche Synthesegas¬ zusammensetzung eingestellt werden kann. According to the invention a new operating and Steuerungskon ¬ concept for a C02 _ electrolyzer is proposed, in which a required synthesis gas ¬ composition can be adjusted by means of gas return, by the fraction of the discharged product gas and the amount of the newly supplied CO2 depending on the use of the synthesis gas.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept stehen im Vergleich zumAccording to the inventive concept are compared to
Stand der Technik zusätzliche Regelparameter zur Verfügung, mit denen variable Produktgaszusammensetzungen eingestellt werden können, die herkömmlicherweise nicht erzielbar sind und die sich dadurch auszeichnen, dass die Spezifikation für ein Synthesegas zur Zufuhr zu chemischen Synthesen erfüllt wird. Dies sind insbesondere CO : C02_Verhältnisse über 1,5 bei gleichzeitigem H2 : CO-Verhältnis von 2 oder mehr. The prior art has provided additional control parameters that can be used to set variable product gas compositions that are conventionally unachievable and that are distinguished by meeting the specification for a synthesis gas for delivery to chemical syntheses. These are in particular CO: CO 2 _ ratios above 1.5 with simultaneous H2: CO ratio of 2 or more.
Es wird erfindungsgemäß ein Steuerungskonzept vorgeschlagen, bei dem mittels Wahl der Steuerparameter Massen- oder Volu- menfluss im Recyclestrom, Recycle-Rate als Anteil der ausge¬ schleusten Fraktion, und Massen- oder Volumenfluss des neu dosierten CO2 als Funktion der Stromdichte, die der elektri¬ schen Last entspricht, die Produktkonzentration auf ein defi- niertes CO : H2 : C02-Verhältnis eingestellt werden kann. Somit kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Konzeptes auf eine aufwän¬ dige Aufbereitung des Gasstromes nach der C02-Elektrolyse verzichtet werden, da das Produktgas direkt in einer nachfol¬ genden Synthese verwendet werden kann. According to the invention, a control concept is proposed in which by means of selection of the control parameters mass or volume menfluss in the recycle stream, recycle rate as a proportion of the out ¬ infiltrated fraction, and mass or volumetric flow of the re-dosed CO2 as a function of the current density which corresponds to the electrical ¬ rule load product concentration on, a defined CO: H2: C02 Ratio can be adjusted. Thus it can be dispensed with aufwän ¬ digestion treatment of the gas stream after the C02-electrolysis with the aid of the proposed concept, since the product gas can be used directly in a nachfol ¬ constricting synthesis.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Herstellung eines Pro¬ duktgases, insbesondere eines Synthesegases, mit folgenden Schritten. (Sl) mittels einer Zuführungsleitung (2) ausge- führtes Zuführen eines Eduktgases in eine elektrochemische Zelle (10) eines Elektrolyseurs (1), wobei eine Zudosierung des Eduktgases in einen mittels einer Membran (13) von einem zweiten Elektrodenraum (14) räumlich getrennten ersten Elektrodenraum (12) ausführbar ist. (S2) mittels einer ersten Ab- führungsleitung (21) ausgeführtes Abführen des Produktgases aus dem ersten Elektrodenraum (12); (S2) mittels einer zweiten Abführungsleitung (20) ausgeführtes Abführen eines Zu- satzproduktgases aus dem zweiten Elektrodenraum (14); Fig. 3 shows an embodiment of a method according to the invention. The method is used for producing a Pro ¬ duktgases, particularly a synthesis gas, comprising the following steps. (S1) supplying a starting gas into an electrochemical cell (10) of an electrolyzer (1) by means of a supply line (2), wherein a metered addition of the educt gas into a spatially separated from a second electrode space (14) by means of a membrane (13) first electrode space (12) is executable. (S2) removing the product gas from the first electrode space (12) by means of a first discharge line (21); (S2) removing a supplementary product gas from the second electrode space (14) by means of a second discharge line (20);
(S3) mittels einer aus der ersten Abführungsleitung (21) her- ausgeführten Rückführungsleitung (30) ausgeführtes Rückführen eines Anteils des Produktgases in die Zuführungsleitung (2) . (S3) recycling a portion of the product gas into the supply line (2) by means of a return line (30) made from the first discharge line (21).

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Herstellung eines Produktgases, insbesondere eines Synthesegases, aufweisend 1. Apparatus for producing a product gas, in particular a synthesis gas, comprising
eine Zuführungsleitung (2) zur Zufuhr eines Eduktgases in eine elektrochemische Zelle (10) eines Elektrolyseurs (1), wo¬ bei eine Zudosierung des Eduktgases in einen mittels einer Membran (13) von einem zweiten Elektrodenraum (14) räumlich getrennten ersten Elektrodenraum (12) ausführbar ist; a supply line (2) for supplying a reactant gas into an electrochemical cell (10) of an electrolyzer (1), where ¬ at a metered addition of the educt gas into a by means of a membrane (13) from a second electrode space (14) spatially separated first electrode space (12 ) is executable;
eine erste Abführungsleitung (21) zur Abfuhr des Produktgases aus dem ersten Elektrodenraum (12); a first discharge line (21) for removing the product gas from the first electrode space (12);
eine zweite Abführungsleitung (20) zur Abfuhr eines Zusatzproduktgases aus dem zweiten Elektrodenraum (14); a second discharge line (20) for discharging an additional product gas from the second electrode space (14);
eine aus der ersten Abführungsleitung (21) herausgeführte Rückführungsleitung (30) zur Rückführung eines Anteils des Produktgases in die Zuführungsleitung (2). a recirculation line (30) led out of the first discharge line (21) for returning a portion of the product gas into the supply line (2).
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2. Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Zudosierung durch eine in der Zelle (10) angeordnete Gas¬ diffusionselektrode hindurch ausführbar ist. the metered addition can be carried out through a gas diffusion electrode arranged in the cell (10).
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, 3. Apparatus according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) ein Niedertemperatur-Elektrolyseur, der erste Elektrodenraum (12) ein Kathodenraum, der zweite Elektrodenraum (14) ein Anodenraum, die Membran (13) Ionenleitend, insbesondere Kationen-leitend, ist und eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (10) strömungstechnisch zueinan- der parallel angeschlossen sind. the electrolyser (1) is a low-temperature electrolyzer, the first electrode space (12) is a cathode space, the second electrode space (14) is an anode space, the membrane (13) is ion-conducting, in particular cation-conducting, and a plurality of electrochemical cells (10) fluidically connected in parallel to each other.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, 4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) ein wässrigen Elektrolyt verwendender C02-Elektrolyseur zur Umwandlung von Kohlenstoffdioxid CO2 als Eduktgas in Kohlenstoffmonoxid CO als Wertproduktgas und Sauerstoff O2 als Zusatzproduktgas ist, wobei das Produktgas insbesondere zusätzlich zum Kohlenstoffmonoxid CO als Wert- produktgas, Wasserstoff H2 als zweites Elektrolysegas und nicht umgewandeltes Eduktgas Kohlenstoffdioxid CO2 aufweist. the electrolyser (1) is a C0 2 electrolyzer using an aqueous electrolyte for converting carbon dioxide CO 2 as educt gas into carbon monoxide CO as desired product gas and oxygen O 2 as additional product gas, the product gas in particular in addition to the carbon monoxide CO being used as value product gas, hydrogen H 2 as a second electrolysis gas and unconverted educt gas carbon dioxide CO 2 having.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, 5. Apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) eine Regelungseinrichtung (40) zur Einstellung des rückgeführten Volumenstroms und damit einer Rezyklierrate aufweist, wobei die Regelungseinrichtung ein in der Rückführungsleitung (30) angeordnete Strömungseinrich- tung, insbesondere Gebläse (31) und/oder ein Ventil zur Steu¬ erung des Verhältnisses der Massenströme in der Rückführungs¬ leitung (30) und der Produktabführungsleitung (21b), regelt. the electrolyser (1) comprises a control device (40) for adjusting the recirculated gas flow and therefore a recycling rate, wherein the control means into the return line (30) tung arranged Strömungseinrich-, in particular blower (31) and / or a valve for STEU ¬ augmentation the ratio of the mass flows in the return line (30) and the product discharge line (21b).
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, 6. Apparatus according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) die Regelungseinrichtung (40) zur Einstellung einer elektrischen Stromdichte aufweist, wobei die Regelungseinrichtung die Stromdichte regelt. the electrolyzer (1) has the regulating device (40) for setting an electrical current density, wherein the regulating device controls the current density.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, 7. Device according to claim 5 or 6,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) die Regelungseinrichtung (40) zur Einstellung der Zudosierung des Eduktgases pro Zeitdauer aufweist, wobei die Regelungseinrichtung die Zudosierrate re- gelt. the electrolyzer (1) has the regulating device (40) for adjusting the metered addition of the educt gas per period of time, wherein the regulating device controls the metering rate.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 5, 6 oder 7, 8. Device according to one of the preceding claims 5, 6 or 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Regelungeinrichtung (40) derart regelt, dass im Produkt¬ gas ein Verhältnis von Wertproduktgas zu zweitem Elektrolyse¬ gas zu nicht umgewandelten Eduktgas, insbesondere von CO zu H2 zu CO2, in der ersten Abführungsleitung (21b) nach der Ab¬ zweigung der Rückführungsleitung (30) gezielt einstellbar ist. , the control means (40) controls such that in the product ¬ gas has a ratio of a value product gas to second electrolysis ¬ gas to unconverted feed gas, in particular of CO to H 2 to CO 2, in the first discharge line (21b) after the Ab ¬ branching Return line (30) is specifically adjustable.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass 9. Device according to claim 8, characterized in that
im Produktgas Verhältnisse von CO : H2 : C02~l , 5 : 3 : 0 , 5 und ins¬ besondere CO : ^-Verhältnisse von 1:1,5 bis 1:3 einstellbar sind . In the product gas ratios of CO: H2: C02 ~ l, 5: 3: 0, 5 and ¬ in particular CO: ^ ratios of 1: 1.5 to 1: 3 are adjustable.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, 10. Device according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
im Produktgas Verhältnisse von CO:C02 größer 1,5 bei gleich¬ zeitigen H2 : CO-Verhältnisse von größer 2 einstellbar sind. in the product gas ratios of CO: C02 1.5 greater at the same time ¬ H2: CO ratios can be set greater. 2
11. Verfahren zur Herstellung eines Produktgases, insbesonde¬ re eines Synthesegases, mit folgenden Schritten: 11. A method for producing a product gas, insbesonde re ¬ a synthesis gas, comprising the steps of:
(51) mittels einer Zuführungsleitung (2) ausgeführtes Zuführen eines Eduktgases in eine elektrochemische Zelle (10) ei- nes Elektrolyseurs (1), wobei eine Zudosierung des Eduktgases in einen mittels einer Membran (13) von einem zweiten Elektrodenraum (14) räumlich getrennten ersten Elektrodenraum (12) ausführbar ist;  (51) supplying a educt gas by means of a feed line (2) into an electrochemical cell (10) of an electrolyzer (1), wherein a metered addition of the educt gas into a spatially separated from a second electrode space (14) by means of a membrane (13) first electrode space (12) is executable;
(52) mittels einer ersten Abführungsleitung (21) ausgeführtes Abführen des Produktgases aus dem ersten Elektrodenraum (12); (52) removing the product gas from the first electrode space (12) by means of a first discharge line (21);
(52) mittels einer zweiten Abführungsleitung (20) ausgeführtes Abführen eines Zusatzproduktgases aus dem zweiten Elekt¬ rodenraum (14); (52) by means of a second discharge conduit executed (20) discharging an additional product gas from the second Elect ¬ clear space (14);
(53) mittels einer aus der ersten Abführungsleitung (21) her- ausgeführten Rückführungsleitung (30) ausgeführtes Rückführen eines Anteils des Produktgases in die Zuführungsleitung (2) .  (53) recycling a portion of the product gas into the supply line (2) by means of a return line (30) made from the first discharge line (21).
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, 12. The method according to claim 11,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Zudosierung durch eine in der Zelle (10) angeordnete Gas¬ diffusionselektrode hindurch ausgeführt wird. the metered addition is carried out by a gas diffusion electrode arranged in the cell (10).
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, 13. The method according to claim 11 or 12,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) ein Niedertemperatur-Elektrolyseur, der erste Elektrodenraum (12) ein Kathodenraum, der zweite Elektrodenraum (14) ein Anodenraum, die Membran (13) Ionenleitend, insbesondere Kationen-leitend, ist und eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (10) strömungstechnisch zueinander parallel angeschlossen sind. the electrolyser (1) is a low-temperature electrolyzer, the first electrode space (12) is a cathode space, the second electrode space (14) is an anode space, the membrane (13) is ion-conducting, in particular cation-conducting, and a plurality of electrochemical cells (10) are fluidly connected in parallel to each other.
14. Verfahren gemäß Anspruch 11, 12 oder 13, 14. The method according to claim 11, 12 or 13,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) ein wässrigen Elektrolyt verwendender C02-Elektrolyseur zur Umwandlung von Kohlenstoffdioxid CO2 als Eduktgas in Kohlenstoffmonoxid CO als Wertproduktgas und Sauerstoff O2 als Zusatzproduktgas ist, wobei das Produktgas insbesondere zusätzlich zum Kohlenstoffmonoxid CO als Wert¬ produktgas, Wasserstoff H2 als zweites Elektrolysegas und nicht umgewandeltes Eduktgas Kohlenstoffdioxid CO2 aufweist. the electrolyzer (1) is an aqueous electrolyte using C0 2 electrolyser for the conversion of carbon dioxide CO 2 as educt gas in carbon monoxide CO as desired product gas and oxygen O 2 as an additional product gas, the product gas in particular in addition to the carbon monoxide CO as value ¬ product gas, hydrogen H 2 as the second electrolysis gas and unconverted educt gas carbon dioxide CO 2 has.
15. Verfahren gemäß Anspruch 11, 12, 13 oder 14, 15. The method according to claim 11, 12, 13 or 14,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) eine Regelungseinrichtung (40) zur Einstellung des rückgeführten Volumenstroms und damit einer Rezyklierrate aufweist, wobei die Regelungseinrichtung ein in der Rückführungsleitung (30) angeordnete Strömungseinrich- tung, insbesondere Gebläse (31) und/oder ein Ventil und oder eine Drosselklappe und/ oder ein statischer oder dynamischer Strömungsteiler, zur Steuerung des Verhältnisses der Massenströme in der Rückführungsleitung (30) und der Produktabführungsleitung (21b), regelt. the electrolyser (1) has a regulating device (40) for setting the recirculated volume flow and thus a recycling rate, wherein the regulating device comprises a flow device arranged in the recirculation line (30), in particular a fan (31) and / or a valve and / or a throttle flap and / or a static or dynamic flow divider for controlling the ratio of the mass flows in the recirculation line (30) and the product discharge line (21b).
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, 16. The method according to claim 15,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) die Regelungseinrichtung (40) zur Einstellung einer elektrischen Stromdichte aufweist, wobei die Regelungseinrichtung die Stromdichte regelt. the electrolyzer (1) has the regulating device (40) for setting an electrical current density, wherein the regulating device controls the current density.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, 17. The method according to claim 15 or 16,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Elektrolyseur (1) die Regelungseinrichtung (40) zur Ein- Stellung der Zudosierung des Eduktgases pro Zeitdauer aufweist, wobei die Regelungseinrichtung die Zudosierrate re¬ gelt. has for the input position, the metered addition of the reactant gas per time duration of the electrolyzer (1) the control means (40), wherein the control means the Zudosierrate re ¬ gel.
18. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 15, 16 oder 17, 18. The method according to any one of the preceding claims 15, 16 or 17,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Regelungseinrichtung (40) derart regelt, dass im Produkt- gas ein Verhältnis von Wertproduktgas zu zweitem Elektrolyse¬ gases zu nicht umgewandelten Eduktgas, insbesondere von CO zu H2 zu CO2, in der ersten Abführungsleitung (21b) nach der Ab¬ zweigung der Rückführungsleitung (30) gezielt einstellbar ist . , the control means (40) controls such that the in the product gas, a ratio of a value product gas to second electrolysis ¬ gas to unconverted feed gas, in particular of CO to H 2 to CO 2, in the first discharge line (21b) after the Ab ¬ branching Return line (30) is specifically adjustable.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, 19. The method according to claim 18,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
Verhältnisse von CO : H2 : C02~l , 5 : 3 : 0 , 5 und insbesondere CO:H2~ Verhältnisse von 1:1,5 bis 1:3 einstellbar sind. Ratios of CO: H2: C02 ~ l, 5: 3: 0, 5 and in particular CO: H2 ~ ratios of 1: 1.5 to 1: 3 are adjustable.
20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, 20. The method according to claim 18 or 19,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
Verhältnisse von CO:C02 größer 1,5 bei gleichzeitigen H2:CO- Verhältnisse von größer 2 einstellbar sind. Ratios of CO: C02 greater than 1.5 with simultaneous H 2 : CO ratios of greater than 2 are adjustable.
PCT/EP2017/056671 2016-03-31 2017-03-21 Device and method for producing a product gas, in particular a synthesis gas WO2017167605A1 (en)

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