WO2018001637A1 - Arrangement and method for the electrolysis of carbon dioxide - Google Patents

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Philippe Jeanty
Erhard Magori
Angelika Tawil
Kerstin Wiesner
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Definitions

  • Apparatus and method for carbon dioxide electrolysis the invention relates to an arrangement and a method for the carbon dioxide electrolysis according to the preamble of An ⁇ demanding. 1
  • This complex process is very difficult to reproduce on an industrial scale.
  • a currently technically feasible way is the electrochemical reduction of C02 dar.
  • the carbon dioxide is converted with the supply of electrical energy in a higher energy product such as CO, CH4, C2H4 or C 1 -C 4 alcohols.
  • the electrical energy is preferably derived from renewable energy sources such as wind power or photovoltaics.
  • metals are used as catalysts Kata ⁇ .
  • the type of metal influences the products of electrolysis. For example, CO 2 is reduced almost exclusively to CO, for example on Ag, Au, Zn, and with restrictions on Pd, Ga, whereas copper has a large number of hydrocarbons as reduction products. care is.
  • pure metals and metal alloys and mixtures of metal and metal oxide which is catalytically effective co-, of interest because they may increase the Selekti ⁇ tivity of a specific hydrocarbon.
  • a gas diffusion electrode (GDE) are used as the cathode, similar to the chlor-alkali electrolysis to Zvi ⁇ rule the liquid electrolyte, the gaseous C02 and the solid silver particles to produce a three-phase boundary.
  • GDE gas diffusion electrode
  • an electrolytic cell as known also from the fuel cell technology, used with two electrolyte compartments, the Elect ⁇ rolythuntn are separated by an ion exchange membrane.
  • the working electrode is a porous gas diffusion electrode. It comprises a metal net on which a mixture of PTFE, activated carbon, a catalyst and other components is applied. It includes a pore system into which the
  • the counter electrode is a sheet applied with platinum or an iridium mixed oxide.
  • the GDE is in contact with the electrolyte on one side. On the other hand, it is supplied with C02, which is forced through the GDE with overpressure (so-called convective mode of operation).
  • the GDE can while holding various metals and metal compounds ent ⁇ that have a catalytic effect on the process.
  • the functioning of a GDE is known, for example, from EP 297377 A2, EP 2444526 A2 and EP 2410079 A2.
  • the resulting product is gaseous and not liquid at the Koh ⁇ dioxide electrolysis. Furthermore, with the from the electrolyte ent ⁇ standing alkali or alkaline earth metal hydroxide used the C02 forming salts.
  • the electrolyte KOH the electrolyte KOH and there are the salts of KHC03 and K2C03. by virtue of The operating conditions lead to a crystallization of the salts in and on the GDE from the gas side.
  • a stable long-term operation of the gas diffusion electrode in the range of more than 1000 h is not possible in the C02 electrolysis, since the resulting salt clogs the pores of the GDE and thus this gas-impermeable. It is an object of the present invention to provide an improved arrangement for the carbon dioxide electrolysis and a method for operating an arrangement for the carbon dioxide electrolysis, with the stable long-term operation while avoiding the aforementioned disadvantages is made possible.
  • the arrangement according to the invention for the carbon dioxide electrolysis comprises an electrolysis cell with an anode and a cathode, which are both connected to a power supply.
  • the cathode is designed as a gas diffusion electrode, to which a gas space is connected on a first side and a cathode space on a second side.
  • the arrangement comprises a sequent to the electrolysis cell subse- electrolyte circulation and a gas supply for Zumoni ⁇ tion of carbon dioxide-containing gas into the gas space.
  • the gas space has an electrolyte outlet and the electrolyte outlet is provided with a shut-off device.
  • DA in the arrangement is configured such that the shut ⁇ device is opened when the pressure difference between the gas space and cathode space exceeds a threshold.
  • the shut-off device may be in particular a Absperrschie ⁇ ber, a butterfly valve or ball valve.
  • the shut-off device can be a safety valve (pressure relief valve) or a proportional valve.
  • an over ⁇ pressure valve requires no control, but opens automatically when the threshold value for the pressure difference between the gas space and the cathode space is exceeded.
  • a first pressure sensor may be present in the gas space. This is a pressure signal, for example, to a control ⁇ device for controlling the shut-off device.
  • a second pressure sensor may be arranged in the cathode compartment. This may also give a pressure signal to the controller. From the two pressure signals, the control device can determine the pressure difference and make a control of the shut-off device.
  • a differential pressure sensor for gas space and cathode space may be present. This gives directly a signal for the pressure difference to a control device or directly to the shut-off device.
  • the electrolyte outlet can be connected to the electrolyte circuit.
  • the electrolyte discharged via the shut-off device can subsequently be returned to the system.
  • the electrolyte is not consumed.
  • the C0 2 feed gas flow is not influenced in this case and thus a sufficient C0 2 supply of the process is ensured.
  • a controller may be provided securelystal- tet to control the shut-off function of the Druckdif ⁇ ference.
  • the shut-off device can be operated so that the pressure difference between the gas space and the cathode space remains within a definable interval. It remains preferred always in the gas space, a higher pressure than in the cathode compartment.
  • the interval can be narrow, so that, for example, the pressure difference does not fluctuate by more than 10% or not more than 5%.
  • an electrolysis cell 11, shown schematically in Figure 1 is typically adapted to carry out a carbon dioxide ⁇ electrolysis.
  • the guide shape of the electrolytic cell 11 at least one anode 13 with adjacent anode space 12 and a cathode 15 and egg ⁇ NEN adjacent cathode space 14.
  • Anodenraum 12 and cathode space 14 are separated by a membrane 21 from each other.
  • a construction without membrane 21 is also conceivable in which a pH compensation then exceeds that of the membrane 21.
  • Anode 13 and cathode 15 are electrically connected to a voltage supply 22, which is controlled by the control unit 23.
  • the control unit 23 can apply a protective voltage or an operating voltage to the electrodes 13, 15, that is to say the anode 13 and the cathode 15.
  • the anode compartment 12 of the electrolysis cell 11 shown is equipped with an electrolyte inlet.
  • the illustrated Ano ⁇ denraum 12 includes an outlet for electrolyte and, for example, oxygen O 2 or other gaseous by-product, which is gebil ⁇ det in the carbon dioxide electrolysis at the anode 13.
  • oxygen O 2 or other gaseous by-product which is gebil ⁇ det in the carbon dioxide electrolysis at the anode 13.
  • chloride-containing anolyte for example, chlorine gas is formed.
  • the cathode compartment 14 also has depending ⁇ wells at least one product and electrolyte outlet on. Since ⁇ the total electrolysis product can be composed of a variety of electrolysis products.
  • the electrolytic cell 11 is further designed in a three-chamber structure, in which the carbon dioxide CO 2 is flowed through the cathode 15 designed as a gas diffusion electrode in the Katho ⁇ denraum 14.
  • Gas diffusion electrodes make it possible to bring a solid catalyst th a liquid electrolytically, and a gaseous Elektrolyseedukt in contact MITEI ⁇ Nander.
  • the catalyst can be made porous and take over the electrode function, or a porous electrode takes over the catalyst function.
  • the pore system of the electrode is designed so that the liquid and the gaseous phase can equally penetrate into the pore system and present therein or at its electrically accessible surface at the same time. can.
  • An example of a gas diffusion electrode is an oxygen discharge electrode.
  • a gas diffusion electrode comprising the Ka Thode 15 in this example, a metal mesh on which a Mi ⁇ research made of PTFE, activated carbon and a catalyst is applied.
  • a metal mesh on which a Mi ⁇ research made of PTFE, activated carbon and a catalyst is applied.
  • Catholyte includes the electrolytic cell 11 is a Koh ⁇ lenstoffdioxideinlass 24 16 into the gas space, the carbon dioxide reaches the gas chamber 16, the cathode 15 and may there penetrate into the porous structure of the cathode 15 and arrive to the reaction.
  • the arrangement 10 comprises an electrolyte circuit 20, via which the anode space 12 and the cathode space 14 are supplied with a liquid electrolyte, for example K 2 SO 4, KHCO 3, KOH, Cs 2 SO 4, and the electrolyte is returned to a reservoir 19.
  • a liquid electrolyte for example K 2 SO 4, KHCO 3, KOH, Cs 2 SO 4, and the electrolyte is returned to a reservoir 19.
  • the circulation of the electrolyte in the electrolyte ⁇ rolyt Vietnameselauf 20 is effected by a pump 18th
  • the gas space 16 in the present example comprises an electrolyte outlet 25, which is arranged in the bottom area.
  • the electrolyte outlet 25 leads via a pressure-controlled proportional valve 32 to the reservoir 19.
  • a first pressure sensor 31 is present which measures the pressure in the gas space 16 and a second pressure sensor 30 for measuring the pressure in the cathode space 14.
  • the control device 23 receives the measurement signals of the pressure sensors 30, 31 and determines the pressure difference between the cathode chamber 14 and the gas chamber 16. If the pressure difference exceeds a definable threshold, the valve 32 is opened so that accumulated electrolyte from the gas space 16 from ⁇ run can. The electrolyte is returned to the reservoir 19. If the pressure difference falls below the threshold value or a second threshold value, the valve is closed.
  • the cathode 15 "pumped" in the direction of the gas space 16. It arises 16 drops on the surface of the cathode 15 which coalesce and collect in the form of a film in the lower portion of the cathode 15. The accumulating electrolyte thereby causes a drop
  • valve 32 By operating the valve 32 the electrolysis of all ⁇ recently is constantly operated in a certain differential pressure area between gas space 16 and the electrolyte. This will maintain the "electrolyte pump" through the cathode 15 and avoid salinisation of the gas diffusion electrode
  • Gas space 16 can be drained again.

Abstract

The invention relates to an arrangement for the electrolysis of carbon dioxide and to a method for the operation thereof, comprising an electrolytic cell with an anode and a cathode, the anode and cathode being connected to a voltage supply, the cathode being a gas diffusion electrode and a gas chamber being connected to a first side of the cathode and a cathode chamber being connected to a second side of the cathode, also comprising an electrolytic circuit which is connected to the electrolytic cell, and a gas supply for supplying carbon dioxide-containing gas into the gas chamber, characterised in that the gas chamber comprises an outlet for the electrolyte and the electrolyte outlet comprising a blocking device which is designed such that the blocking device is opened when the difference in pressure between the gas chamber and the cathode chamber exceeds a threshold value.

Description

Beschreibung description
Anordnung und Verfahren für die Kohlendioxid-Elektrolyse Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren für die Kohlendioxid-Elektrolyse gemäß dem Oberbegriff von An¬ spruch 1. Apparatus and method for carbon dioxide electrolysis, the invention relates to an arrangement and a method for the carbon dioxide electrolysis according to the preamble of An ¬ demanding. 1
Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wird momentan etwa 80% des weltweiten Energiebedarfs gedeckt. Durch dieseThe burning of fossil fuels currently covers about 80% of global energy needs. Through this
Verbrennungsprozesse wurden im Jahr 2011 weltweit circa 34000 Millionen Tonnen Kohlendioxid (C02) in die Atmosphäre emit¬ tiert. Diese Freisetzung ist der einfachste Weg, auch große Mengen an C02 (große Braunkohlekraftwerke über 50000 t pro Tag) zu entsorgen. Combustion processes were in 2011 around the world about 34 billion tons of carbon dioxide (C02) in the atmosphere emit ¬ advantage. This release is the easiest way to dispose of even large amounts of C02 (large lignite-fired power plants over 50,000 tons per day).
Die Diskussion über die negativen Auswirkungen des Treibhausgases C02 auf das Klima hat dazu geführt, dass über eine Wie¬ derverwertung von C02 nachgedacht wird. C02 ist ein stark ge- bundenes Molekül und kann daher nur schwer wieder zu brauchbaren Produkten reduziert werden. The discussion about the negative impact of the greenhouse gas C02 on the climate has meant that we think about a How To ¬ derverwertung C02. C02 is a strongly bonded molecule and therefore it is difficult to reduce it back to useful products.
In der Natur wird das C02 durch Photosynthese zu Kohlenhydra¬ ten umgesetzt. Dieser komplexe Prozess ist nur sehr schwer großtechnisch nachbildbar. Einen momentan technisch gangbaren Weg stellt die elektrochemische Reduktion des C02 dar. Dabei wird das Kohlendioxid unter Zufuhr von elektrischer Energie in ein energetisch höherwertiges Produkt wie beispielsweise CO, CH4, C2H4 oder Cl-C4-Alkohole umgewandelt. Die elektri- sehe Energie wiederum stammt bevorzugt aus regenerativen Energiequellen wie Windkraft oder Photovoltaik . In nature, the C02 process of photosynthesis to carbohydrate ¬ th. This complex process is very difficult to reproduce on an industrial scale. A currently technically feasible way is the electrochemical reduction of C02 dar. The carbon dioxide is converted with the supply of electrical energy in a higher energy product such as CO, CH4, C2H4 or C 1 -C 4 alcohols. The electrical energy, in turn, is preferably derived from renewable energy sources such as wind power or photovoltaics.
Zur Elektrolyse von C02 werden in der Regel Metalle als Kata¬ lysatoren eingesetzt. Die Art des Metalls nimmt Einfluss auf die Produkte der Elektrolyse. So wird C02 beispielsweise an Ag, Au, Zn, und mit Einschränkungen an Pd, Ga, nahezu aus¬ schließlich zu CO reduziert, wohingegen an Kupfer eine Vielzahl an Kohlenwasserstoffen als Reduktionsprodukte zu be- obachten ist. Neben reinen Metallen sind auch Metalllegierungen sowie auch Gemische aus Metall und Metalloxid, das co- katalytisch wirksam ist, von Interesse, da diese die Selekti¬ vität eines bestimmten Kohlenwasserstoffes erhöhen können. For the electrolysis of C02 usually metals are used as catalysts Kata ¬. The type of metal influences the products of electrolysis. For example, CO 2 is reduced almost exclusively to CO, for example on Ag, Au, Zn, and with restrictions on Pd, Ga, whereas copper has a large number of hydrocarbons as reduction products. care is. In addition to pure metals and metal alloys and mixtures of metal and metal oxide which is catalytically effective co-, of interest because they may increase the Selekti ¬ tivity of a specific hydrocarbon.
Bei der C02-Elektrolyse kann eine Gasdiffusionselektrode (GDE) als Kathode ähnlich wie bei der Chlor-Alkali- Elektrolyse verwendet werden, um eine Drei-Phasen-Grenze zwi¬ schen dem flüssigen Elektrolyten, dem gasförmigen C02 und den soliden Silber-Partikeln herzustellen. Dabei wird eine Elektrolysezelle, wie auch aus der Brennstoffzellentechnik bekannt, mit zwei Elektrolytkammern verwendet, wobei die Elekt¬ rolytkammern durch eine lonenaustauschmembran getrennt sind. Die Arbeitselektrode ist eine poröse Gasdiffusionselektrode. Sie umfasst ein Metallnetz, auf das eine Mischung aus PTFE, Aktivkohle, einem Katalysator und weiteren Komponenten aufgebracht ist. Sie umfasst ein Porensystem, in das die When C02-electrolysis, a gas diffusion electrode (GDE) are used as the cathode, similar to the chlor-alkali electrolysis to Zvi ¬ rule the liquid electrolyte, the gaseous C02 and the solid silver particles to produce a three-phase boundary. In this case, an electrolytic cell, as known also from the fuel cell technology, used with two electrolyte compartments, the Elect ¬ rolytkammern are separated by an ion exchange membrane. The working electrode is a porous gas diffusion electrode. It comprises a metal net on which a mixture of PTFE, activated carbon, a catalyst and other components is applied. It includes a pore system into which the
Reaktanden eindringen und an den Drei-Phasen-Grenzflächen re- agieren. Reactants invade and react at the three-phase interfaces.
Die Gegenelektrode ist ein mit Platin oder einem Iridium- Mischoxid beaufschlagtes Blech. Die GDE steht auf der einen Seite mit dem Elektrolyten in Kontakt. Auf der anderen Seite wird sie mit C02 versorgt, das mit Überdruck durch die GDE durchgepresst wird (sog. konvektive Betriebsweise). Die GDE kann dabei verschiedene Metalle und Metallverbindungen ent¬ halten, die eine katalytische Wirkung auf den Prozess haben. Die Funktionsweise einer GDE ist beispielsweise aus der EP 297377 A2 , der EP 2444526 A2 und der EP 2410079 A2 bekannt. The counter electrode is a sheet applied with platinum or an iridium mixed oxide. The GDE is in contact with the electrolyte on one side. On the other hand, it is supplied with C02, which is forced through the GDE with overpressure (so-called convective mode of operation). The GDE can while holding various metals and metal compounds ent ¬ that have a catalytic effect on the process. The functioning of a GDE is known, for example, from EP 297377 A2, EP 2444526 A2 and EP 2410079 A2.
Im Unterschied zur Chlor-Alkali-Elektrolyse und zur Brenn¬ stoffzellentechnik ist das entstehende Produkt bei der Koh¬ lendioxid-Elektrolyse gasförmig und nicht flüssig. Weiterhin bildet das eingesetzte C02 mit dem aus dem Elektrolyten ent¬ stehenden Alkali- oder Erdalkalihydroxid Salze. Beispielswei¬ se wird bei Verwendung von Kaliumsalzen als Elektrolyten KOH gebildet und es entstehen die Salze KHC03 und K2C03. Aufgrund der Betriebsbedingungen kommt es zu einer Auskristallisierung der Salze in und auf der GDE von der Gasseite aus. Unlike the chlor-alkali electrolysis and fuel cell technology ¬ material, the resulting product is gaseous and not liquid at the Koh ¬ dioxide electrolysis. Furthermore, with the from the electrolyte ent ¬ standing alkali or alkaline earth metal hydroxide used the C02 forming salts. Beispielswei ¬ se is formed with the use of potassium salts as the electrolyte KOH and there are the salts of KHC03 and K2C03. by virtue of The operating conditions lead to a crystallization of the salts in and on the GDE from the gas side.
Die elektrochemische Umsetzung von C02 an Silberelektroden erfolgt nach der folgenden Gleichung: The electrochemical conversion of CO 2 to silver electrodes takes place according to the following equation:
Kathode: C02 + 2e- + H20 -> CO + 20H- mit der Gegenreaktion Cathode: C02 + 2e- + H20 -> CO + 20H- with the backreaction
Anode: 6H20 -> 02 + 4e- + 4H30+  Anode: 6H20 -> 02 + 4e- + 4H30 +
Aufgrund der elektrochemischen Bedingungen erfolgt der Ladungsausgleich der chemischen Gleichungen nicht einheitlich mit H30+ oder OH- . Trotz saurem Elektrolyt kommt es an der GDE zu lokal basischen pH-Werten. Zum Betreiben einer alkali- sehen Brennstoffzellentechnik muss der eingeleitete Sauerstoff C02-frei sein, da sich ansonsten KHCO/K2C03 gemäß fol¬ genden Gleichungen bilden würde: Due to the electrochemical conditions, the charge balance of the chemical equations is not uniform with H30 + or OH-. Despite acidic electrolyte, the GDE has local alkaline pH values. For operating a see alkaline fuel cell technology, the introduced oxygen must be C02-free, because otherwise KHCO would form K2C03 as fol ¬ constricting equations /:
C02 + KOH -> KHC03 C02 + KOH -> KHCO3
C02 + 2KOH -> K2C03 + H20 C02 + 2KOH -> K2C03 + H20
Der gleiche Vorgang ist nun auch bei der C02-Elektrolyse zu beobachten, mit dem Unterschied, dass das eingespeiste nicht C02-frei sein kann. Als Folge davon kristallisiert nach end- licher Zeit (abhängig von der Stromdichte) Salz in und auf der GDE von der Gasseite aus und verstopft die Poren der GDE. Der Gasdruck steigt, die GDE wird stark belastet und reißt ab einem bestimmten Druck. Zudem werden die für den Prozess nötigen Kaliumionen dem Prozess entzogen und der Gasraum all- mählich mit Salz gefüllt. Ein analoger Prozess ist mit ande¬ ren Alkali-/Erdalkalimetallen, beispielsweise Cäsium, zu beobachten . The same process is now also observed in the C02 electrolysis, with the difference that the fed can not be C02-free. As a result, after a finite time (depending on the current density), salt in and on the GDE crystallizes from the gas side and clogs the pores of the GDE. The gas pressure rises, the GDE is heavily loaded and tears from a certain pressure. In addition, the potassium ions required for the process are removed from the process and the gas space is gradually filled with salt. An analogous process is observed with ande ren ¬ alkali / alkaline earth metals, such as cesium.
Ein stabiler Langzeitbetrieb der Gasdiffusionselektrode im Bereich von mehr als 1000 h ist bei der C02-Elektrolyse nicht möglich, da das entstehende Salz die Poren der GDE verstopft und diese somit gasundurchlässig wird. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse und ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse anzugeben, mit der ein stabiler Langzeitbetrieb unter Vermei- dung der eingangs erwähnten Nachteile ermöglicht wird. A stable long-term operation of the gas diffusion electrode in the range of more than 1000 h is not possible in the C02 electrolysis, since the resulting salt clogs the pores of the GDE and thus this gas-impermeable. It is an object of the present invention to provide an improved arrangement for the carbon dioxide electrolysis and a method for operating an arrangement for the carbon dioxide electrolysis, with the stable long-term operation while avoiding the aforementioned disadvantages is made possible.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bezüglich des Verfahrens besteht eine Lö¬ sung in dem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung . This object is achieved by an arrangement having the features of claim 1. As for the method, there is a Lö ¬ solution in the method having the features of claim 9. The subclaims relate to advantageous embodiments of the arrangement.
Die erfindungsgemäße Anordnung für die Kohlendioxid- Elektrolyse umfasst eine Elektrolysezelle mit einer Anode und einer Kathode, die beide mit einer Spannungsversorgung verbunden sind. Dabei ist die Kathode als Gasdiffusionselektrode gestaltet, an die auf einer ersten Seite ein Gasraum und auf einer zweiten Seite ein Kathodenraum anschließt. Weiterhin umfasst die Anordnung einen an die Elektrolysezelle anschlie- ßenden Elektrolyt-Kreislauf und eine Gaszuführung zur Zufüh¬ rung von kohlendioxidhaltigem Gas in den Gasraum. The arrangement according to the invention for the carbon dioxide electrolysis comprises an electrolysis cell with an anode and a cathode, which are both connected to a power supply. In this case, the cathode is designed as a gas diffusion electrode, to which a gas space is connected on a first side and a cathode space on a second side. Furthermore, the arrangement comprises a sequent to the electrolysis cell subse- electrolyte circulation and a gas supply for Zufüh ¬ tion of carbon dioxide-containing gas into the gas space.
Der Gasraum weist einen Elektrolyt-Auslass auf und der Elekt- rolyt-Auslass ist mit einer Absperreinrichtung versehen. Da- bei ist die Anordnung derart ausgestaltet, dass die Absperr¬ einrichtung geöffnet wird, wenn die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum einen Schwellwert überschreitet. The gas space has an electrolyte outlet and the electrolyte outlet is provided with a shut-off device. DA in the arrangement is configured such that the shut ¬ device is opened when the pressure difference between the gas space and cathode space exceeds a threshold.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Anord- nung für die Kohlendioxid-Elektrolyse mit einer Elektrolyse¬ zelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei Anode und Ka¬ thode mit einer Spannungsversorgung verbunden werden, wobei die Kathode als Gasdiffusionselektrode gestaltet ist, an die auf einer ersten Seite ein Gasraum und auf einer zweiten Sei- te ein Kathodenraum anschließt, wird im Gasraum ein mit einer Absperreinrichtung versehener Elektrolyt-Auslass bereitgestellt, eine Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum ermittelt wird und die Absperreinrichtung geöffnet, wenn die Druckdifferenz einen Schwellwert überschreitet. In the method according to the invention for operating an arrangement for the carbon dioxide electrolysis with an electrolysis ¬ cell having an anode and a cathode, wherein the anode and Ka ¬ method are connected to a power supply, wherein the cathode is designed as a gas diffusion electrode to the on a gas space is connected to a first side and a cathode space to a second side, an electrolyte outlet provided with a shut-off device is provided in the gas space, a pressure difference between the gas space and the cathode space is determined and the shut-off device is opened when the pressure difference exceeds a threshold value.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass der spannungsgetriebene Elektrolyt-Pumpeffekt durch die Gasdiffusionselektrode eine konstruktiv einfache Lösung erlaubt, um die Versalzung an der Gasdiffusionselektrode bei der C02-Elektrolyse zu vermeiden. Die Absperreinrichtung stellt sicher, dass die Druckdifferenz nicht zu hoch wird und somit der Elektrolytstrom durch die Gasdiffusionselektrode dauerhaft anhält. Dadurch werden vor¬ teilhaft die sich bildenden Salze durch den Elektrolyten in situ abtransportiert. Dadurch wird ein dauerhafter Betrieb der Elektrolyse ermöglicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demge- mäß können für die Anordnung noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden: For the invention, it was recognized that the voltage-driven electrolyte pumping effect by the gas diffusion electrode allows a structurally simple solution in order to avoid the salification at the gas diffusion electrode in the CO 2 electrolysis. The shut-off ensures that the pressure difference is not too high and thus the electrolyte flow through the gas diffusion electrode permanently stops. As a result, the salts which form are removed by the electrolyte in situ before ¬ geous. This enables a permanent operation of the electrolysis. Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent of claim 1 claims. In this case, the embodiment can be combined according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims. Accordingly, the following features can additionally be provided for the arrangement:
- Die Absperreinrichtung kann insbesondere ein Absperrschie¬ ber, eine Absperrklappe oder Kugelhahn sein. Die Absperrein- richtung kann ein Sicherheitsventil (Überdruckventil) oder ein Proportionalventil sein. Vorteilhaft benötigt ein Über¬ druckventil keine Steuerung, sondern öffnet automatisch bei Überschreiten des Schwellwerts für die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum. - The shut-off device may be in particular a Absperrschie ¬ ber, a butterfly valve or ball valve. The shut-off device can be a safety valve (pressure relief valve) or a proportional valve. Advantageously, an over ¬ pressure valve requires no control, but opens automatically when the threshold value for the pressure difference between the gas space and the cathode space is exceeded.
- Der Elektrolyt-Auslass im Gasraum ist bevorzugt bodenseitig angeordnet, so dass ein Ausfließen des Elektrolyten ermög¬ licht wird. - Ein erster Drucksensor kann im Gasraum vorhanden sein. Dieser gibt ein Drucksignal beispielsweise an eine Steuerungs¬ einrichtung zur Ansteuerung der Absperreinrichtung. Ein zweiter Drucksensor kann im Kathodenraum angeordnet sein. Dieser kann ebenfalls ein Drucksignal an die Steuerungseinrichtung geben. Aus den beiden Drucksignalen kann die Steuerungseinrichtung die Druckdifferenz bestimmen und eine Steuerung der Absperreinrichtung vornehmen. - The electrolyte outlet in the gas space is preferably arranged on the bottom side, so that an outflow of the electrolyte made ¬ light. - A first pressure sensor may be present in the gas space. This is a pressure signal, for example, to a control ¬ device for controlling the shut-off device. A second pressure sensor may be arranged in the cathode compartment. This may also give a pressure signal to the controller. From the two pressure signals, the control device can determine the pressure difference and make a control of the shut-off device.
- Alternativ kann ein Differenzdrucksensor für Gasraum und Kathodenraum vorhanden sein. Dieser gibt direkt ein Signal für die Druckdifferenz an eine Steuerungseinrichtung oder direkt an die Absperreinrichtung. - Alternatively, a differential pressure sensor for gas space and cathode space may be present. This gives directly a signal for the pressure difference to a control device or directly to the shut-off device.
- Der Elektrolyt-Auslass kann mit dem Elektrolytkreislauf verbunden sein. Vorteilhaft kann damit der über die Absperreinrichtung abgelassene Elektrolyt anschließend dem System wieder zugeführt werden. Somit wird der Elektrolyt auch nicht verbraucht. Der C02-Feedgasstrom wird hierbei nicht beein- flusst und es wird somit eine ausreichende C02-Versorgung des Prozesses gewährleistet. - The electrolyte outlet can be connected to the electrolyte circuit. Advantageously, the electrolyte discharged via the shut-off device can subsequently be returned to the system. Thus, the electrolyte is not consumed. The C0 2 feed gas flow is not influenced in this case and thus a sufficient C0 2 supply of the process is ensured.
- Eine Steuerungseinrichtung kann vorhanden sein, ausgestal- tet, die Absperreinrichtung in Abhängigkeit von der Druckdif¬ ferenz zu steuern. - A controller may be provided ausgestal- tet to control the shut-off function of the Druckdif ¬ ference.
- Die Absperreinrichtung kann so betrieben werden, dass die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum in einem festlegbaren Intervall bleibt. Dabei bleibt bevorzugt stets im Gasraum ein höherer Druck als im Kathodenraum. Das Intervall kann schmal gewählt werden, so dass beispielsweise die Druckdifferenz um nicht mehr 10% oder nicht mehr als 5% schwankt . - The shut-off device can be operated so that the pressure difference between the gas space and the cathode space remains within a definable interval. It remains preferred always in the gas space, a higher pressure than in the cathode compartment. The interval can be narrow, so that, for example, the pressure difference does not fluctuate by more than 10% or not more than 5%.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausfüh¬ rungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figu¬ ren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. A preferred, but by no means limitative exporting ¬ approximately example of the invention will now be further explained with reference to Figu ¬ ren the drawing. The features are shown schematically.
Der in Figur 1 schematisch dargestellte Aufbau einer Elektrolysezelle 11 ist typischerweise dazu geeignet, eine Kohlen¬ stoffdioxid-Elektrolyse vorzunehmen. Dabei umfasst die Aus- führungsform der Elektrolysezelle 11 wenigstens eine Anode 13 mit angrenzendem Anodenraum 12 sowie eine Kathode 15 und ei¬ nen angrenzenden Kathodenraum 14. Anodenraum 12 und Kathodenraum 14 sind durch eine Membran 21 voneinander getrennt. Je nach verwendeter Elektrolytlösung ist auch ein Aufbau ohne Membran 21 denkbar, bei dem dann ein pH-Wert-Ausgleich über den der Membran 21 hinausgeht. The construction of an electrolysis cell 11, shown schematically in Figure 1 is typically adapted to carry out a carbon dioxide ¬ electrolysis. In this case, the guide shape of the electrolytic cell 11 at least one anode 13 with adjacent anode space 12 and a cathode 15 and egg ¬ NEN adjacent cathode space 14. Anodenraum 12 and cathode space 14 are separated by a membrane 21 from each other. Depending on the electrolyte solution used, a construction without membrane 21 is also conceivable in which a pH compensation then exceeds that of the membrane 21.
Anode 13 und Kathode 15 sind elektrisch mit einer Spannungs- Versorgung 22 verbunden, welche durch die Steuereinheit 23 kontrolliert wird. Die Steuereinheit 23 kann eine Schutzspan¬ nung oder eine Betriebsspannung an die Elektroden 13, 15, also die Anode 13 und die Kathode 15, anlegen. Der Anodenraum 12 der gezeigten Elektrolysezelle 11 ist mit einem Elektro- lyt-Einlass ausgestattet. Ebenso umfasst der abgebildete Ano¬ denraum 12 einen Auslass für Elektrolyt sowie beispielsweise Sauerstoff O2 oder ein anderes gasförmiges Nebenprodukt, das bei der Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse an der Anode 13 gebil¬ det wird. Im Falle eines chloridhaltigen Anolyten entsteht beispielsweise Chlorgas. Der Kathodenraum 14 weist ebenso je¬ weils zumindest einen Produkt- und Elektrolytauslass auf. Da¬ bei kann das Gesamt-Elektrolyseprodukt aus einer Vielzahl von Elektrolyseprodukten zusammengesetzt sein. Die Elektrolysezelle 11 ist weiterhin in einem Dreikammer- Aufbau ausgeführt, bei dem das Kohlendioxid CO2 über die als Gasdiffusionselektrode ausgeführte Kathode 15 in den Katho¬ denraum 14 eingeströmt wird. Gasdiffusionselektroden ermöglichen es, einen festen Katalysator, einen flüssigen Elektroly- ten sowie ein gasförmiges Elektrolyseedukt in Kontakt mitei¬ nander zu bringen. Dazu kann beispielsweise der Katalysator porös ausgeführt sein und die Elektrodenfunktion übernehmen, oder eine poröse Elektrode übernimmt die Katalysatorfunktion. Das Porensystem der Elektrode ist dabei so ausgeführt, dass die flüssige sowie die gasförmige Phase gleichermaßen in das Porensystem eindringen können und darin beziehungsweise an dessen elektrisch zugängiger Oberfläche gleichzeitig vorlie- gen können. Ein Beispiel für eine Gasdiffusionselektrode ist eine Sauerstoff erzehrelektrode . Anode 13 and cathode 15 are electrically connected to a voltage supply 22, which is controlled by the control unit 23. The control unit 23 can apply a protective voltage or an operating voltage to the electrodes 13, 15, that is to say the anode 13 and the cathode 15. The anode compartment 12 of the electrolysis cell 11 shown is equipped with an electrolyte inlet. Likewise, the illustrated Ano ¬ denraum 12 includes an outlet for electrolyte and, for example, oxygen O 2 or other gaseous by-product, which is gebil ¬ det in the carbon dioxide electrolysis at the anode 13. In the case of a chloride-containing anolyte, for example, chlorine gas is formed. The cathode compartment 14 also has depending ¬ weils at least one product and electrolyte outlet on. Since ¬ the total electrolysis product can be composed of a variety of electrolysis products. The electrolytic cell 11 is further designed in a three-chamber structure, in which the carbon dioxide CO 2 is flowed through the cathode 15 designed as a gas diffusion electrode in the Katho ¬ denraum 14. Gas diffusion electrodes make it possible to bring a solid catalyst th a liquid electrolytically, and a gaseous Elektrolyseedukt in contact MITEI ¬ Nander. For this purpose, for example, the catalyst can be made porous and take over the electrode function, or a porous electrode takes over the catalyst function. The pore system of the electrode is designed so that the liquid and the gaseous phase can equally penetrate into the pore system and present therein or at its electrically accessible surface at the same time. can. An example of a gas diffusion electrode is an oxygen discharge electrode.
Zur Ausgestaltung als Gasdiffusionselektrode umfasst die Ka- thode 15 in diesem Beispiel ein Metallnetz, auf das eine Mi¬ schung aus PTFE, Aktivkohle und einem Katalysator aufgebracht ist. Zur Einbringung des Kohlenstoffdioxids C02 in den For the embodiment as a gas diffusion electrode comprising the Ka Thode 15 in this example, a metal mesh on which a Mi ¬ research made of PTFE, activated carbon and a catalyst is applied. For the introduction of the carbon dioxide C02 in the
Katholytkreislauf umfasst die Elektrolysezelle 11 einen Koh¬ lenstoffdioxideinlass 24 in den Gasraum 16. Das Kohlendioxid erreicht im Gasraum 16 die Kathode 15 und kann dort in die poröse Struktur der Kathode 15 eindringen und so zur Reaktion kommen . Catholyte includes the electrolytic cell 11 is a Koh ¬ lenstoffdioxideinlass 24 16 into the gas space, the carbon dioxide reaches the gas chamber 16, the cathode 15 and may there penetrate into the porous structure of the cathode 15 and arrive to the reaction.
Ferner umfasst die Anordnung 10 einen Elektrolytkreislauf 20, über den der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 14 mit einem flüssigen Elektrolyten, beispielsweise K2S04, KHC03, KOH, Cs2S04 versorgt wird und der Elektrolyt in ein Reservoir 19 zurückgeführt wird. Die Umwälzung des Elektrolyten im Elekt¬ rolytkreislauf 20 erfolgt durch eine Pumpe 18. Furthermore, the arrangement 10 comprises an electrolyte circuit 20, via which the anode space 12 and the cathode space 14 are supplied with a liquid electrolyte, for example K 2 SO 4, KHCO 3, KOH, Cs 2 SO 4, and the electrolyte is returned to a reservoir 19. The circulation of the electrolyte in the electrolyte ¬ rolytkreislauf 20 is effected by a pump 18th
Der Gasraum 16 umfasst im vorliegenden Beispiel einen Elektrolyt-Auslass 25, der im Bodenbereich angeordnet ist. Der Elektrolyt-Auslass 25 führt über ein druckgesteuertes Propor- tional-Ventil 32 zum Reservoir 19. Ferner ist ein erster Drucksensor 31 vorhanden, der den Druck im Gasraum 16 ver- misst sowie ein zweiter Drucksensor 30 zur Messung des Drucks im Kathodenraum 14. The gas space 16 in the present example comprises an electrolyte outlet 25, which is arranged in the bottom area. The electrolyte outlet 25 leads via a pressure-controlled proportional valve 32 to the reservoir 19. Furthermore, a first pressure sensor 31 is present which measures the pressure in the gas space 16 and a second pressure sensor 30 for measuring the pressure in the cathode space 14.
Die Steuerungseinrichtung 23 nimmt die Messsignale der Druck- sensoren 30, 31 auf und ermittelt die Druckdifferenz zwischen dem Kathodenraum 14 und dem Gasraum 16. Überschreitet die Druckdifferenz eine festlegbare Schwelle, wird das Ventil 32 geöffnet, damit angestauter Elektrolyt aus dem Gasraum 16 ab¬ laufen kann. Der Elektrolyt wird zurück in das Reservoir 19 geleitet. Unterschreitet die Druckdifferenz den Schwellwert oder einen zweiten Schwellwert, wird das Ventil geschlossen. Beim Starten der Elektrolyse wird trotz eines Überdrucks auf der Gasseite, d.h. im Gasraum 16 aufgrund der anliegenden elektrischen Spannung an der Kathode 15 Elektrolyt aus dem Katholytraum 14 durch die Gasdiffusionselektrode, also die Kathode 15, in Richtung Gasraum 16 „gepumpt". Es entstehen auf der Seite des Gasraums 16 Tropfen an der Oberfläche der Kathode 15, die koaleszieren und sich im unteren Bereich der Kathode 15 in Form eines Films sammeln. Der sich anstauende Elektrolyt verursacht dadurch einen The control device 23 receives the measurement signals of the pressure sensors 30, 31 and determines the pressure difference between the cathode chamber 14 and the gas chamber 16. If the pressure difference exceeds a definable threshold, the valve 32 is opened so that accumulated electrolyte from the gas space 16 from ¬ run can. The electrolyte is returned to the reservoir 19. If the pressure difference falls below the threshold value or a second threshold value, the valve is closed. When starting the electrolysis, despite an overpressure on the gas side, ie in the gas space 16 due to the applied electrical voltage at the cathode 15 electrolyte from the Katholytraum 14 through the gas diffusion electrode, so the cathode 15, "pumped" in the direction of the gas space 16. It arises 16 drops on the surface of the cathode 15 which coalesce and collect in the form of a film in the lower portion of the cathode 15. The accumulating electrolyte thereby causes a drop
Druckanstieg im Gasraum 16, woraufhin nach kurzer Zeit (ca. 30 min) der Spannung-Elektrolyt-Pumpeffekt durch die Kathode 15 zum Erliegen kommt. Es wird kein Elektrolyt nachgeliefert, der Gasraum 16 trocknet aus, das mittransportierte Salz kris- tallisiert aus und verstopft somit die Poren der Kathode 15.  Pressure increase in the gas space 16, whereupon after a short time (about 30 min), the voltage-electrolyte pumping effect by the cathode 15 comes to a standstill. There is no electrolyte replenished, the gas space 16 dries out, the transported salt crystallizes out and thus clogs the pores of the cathode 15.
Durch den Betrieb des Ventils 32 wird die Elektrolyse aller¬ dings konstant in einem bestimmten Differenzdruckbereich zwischen Gasraum 16 und dem Elektrolyten betrieben. Dadurch wird die „Elektrolyt-Pumpe" durch die Kathode 15 aufrechterhalten und eine Versalzung der Gasdiffusionselektrode vermieden. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass der Elektrolyt im By operating the valve 32 the electrolysis of all ¬ recently is constantly operated in a certain differential pressure area between gas space 16 and the electrolyte. This will maintain the "electrolyte pump" through the cathode 15 and avoid salinisation of the gas diffusion electrode
Gasraum 16 auch wieder abgelassen werden kann. Gas space 16 can be drained again.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse, umfassend1. Arrangement for the carbon dioxide electrolysis, comprising
- eine Elektrolysezelle (11) mit einer Anode (13) und einer Kathode (15), wobei Anode (13) und Kathode (15) mit einer- An electrolytic cell (11) having an anode (13) and a cathode (15), said anode (13) and cathode (15) having a
Spannungsversorgung (22) verbunden sind, wobei die Kathode (15) als Gasdiffusionselektrode gestaltet ist, an die auf ei¬ ner ersten Seite ein Gasraum (16) und auf einer zweiten Seite ein Kathodenraum (14) anschließt, Voltage supply (22) are connected, wherein the cathode (15) is designed as a gas diffusion electrode to which on ei ¬ ner first side, a gas space (16) and on a second side of a cathode space (14),
- einen an die Elektrolysezelle (11) anschließenden Elektro¬ lyt-Kreislauf (20), - one of the electrolytic cell (11) subsequent electric ¬ lyte circuit (20)
- eine Gaszuführung (17) zur Zuführung von kohlendioxidhalti- gem Gas in den Gasraum (16),  a gas feed (17) for feeding carbon dioxide-containing gas into the gas space (16),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Gasraum (16) einen Elektrolyt-Auslass (25) aufweist und der Elektrolyt-Auslass (25) mit einer Absperreinrichtung (32) versehen ist, derart ausgestaltet, dass die Absperreinrich¬ tung (32) geöffnet wird, wenn die Druckdifferenz zwischen Gasraum (16) und Kathodenraum (14) einen Schwellwert über- schreitet. the gas space (16) has an electrolyte outlet (25) and the electrolyte outlet (25) with a shut-off device (32) is provided, configured such that the Absperreinrich ¬ device (32) is opened when the pressure difference between the gas space ( 16) and cathode space (14) exceeds a threshold value.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Absperreinrichtung (32) ein Überdruckventil (32) ist. 2. Arrangement according to claim 1, wherein the shut-off device (32) is a pressure relief valve (32).
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Elektrolyt- Auslass (25) im Gasraum (16) bodenseitig angeordnet ist. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte outlet (25) in the gas space (16) is arranged on the bottom side.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem ersten Drucksensor (31) für den Gasraum (16) . 4. Arrangement according to one of the preceding claims with a first pressure sensor (31) for the gas space (16).
5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem zweiten Drucksensor (30) für den Kathodenraum (14) . 5. Arrangement according to one of the preceding claims with a second pressure sensor (30) for the cathode space (14).
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Dif- ferenzdrucksensor für Gasraum (16) und Kathodenraum (14) . 6. Arrangement according to one of claims 1 to 3 with a differential pressure sensor for gas space (16) and cathode space (14).
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Elektrolyt-Auslass (25) mit dem Elektrolytkreislauf (20) verbunden ist. 7. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the electrolyte outlet (25) with the electrolyte circuit (20) is connected.
8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuerungseinrichtung (23) , die ausgestaltet ist, die Ab¬ sperreinrichtung (32) in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zu steuern. 8. Arrangement according to one of the preceding claims with a control device (23) which is designed to control the Ab ¬ blocking device (32) in dependence on the pressure difference.
9. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse mit einer Elektrolysezelle (11) mit einer Anode (13) und einer Kathode (15), wobei Anode (13) und Ka¬ thode (15) mit einer Spannungsversorgung (22) verbunden werden, wobei die Kathode (15) als Gasdiffusionselektrode ge- staltet ist, an die auf einer ersten Seite ein Gasraum (16) und auf einer zweiten Seite ein Kathodenraum (14) anschließt, wobei kohlendioxidhaltiges Gas in den Gasraum (16) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass 9. A method for operating an arrangement for the carbon dioxide electrolysis with an electrolytic cell (11) having an anode (13) and a cathode (15), said anode (13) and Ka ¬ method (15) connected to a power supply (22) in which the cathode (15) is designed as a gas diffusion electrode, to which a gas space (16) adjoins on a first side and a cathode space (14) on a second side, wherein carbon dioxide-containing gas is conducted into the gas space (16), characterized in that
- im Gasraum (16) ein mit einer Absperreinrichtung (32) ver- sehener Elektrolyt-Auslass (25) bereitgestellt wird,  in the gas space (16) is provided an electrolyte outlet (25) which is provided with a shut-off device (32),
- eine Druckdifferenz zwischen Gasraum (16) und Kathodenraum (14) ermittelt wird,  a pressure difference between gas space (16) and cathode space (14) is determined,
- die Absperreinrichtung (32) geöffnet wird, wenn die Druckdifferenz einen Schwellwert überschreitet.  - The shut-off device (32) is opened when the pressure difference exceeds a threshold value.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Absperreinrichtung (32) so betrieben wird, dass die Druckdifferenz zwischen Gasraum (16) und Kathodenraum (14) in einem festlegbaren Intervall bleibt. 10. The method of claim 9, wherein the shut-off device (32) is operated so that the pressure difference between the gas space (16) and the cathode space (14) remains within a definable interval.
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