WO2021239340A1 - Vorrichtung zur platzierung eines elektrochemisch aktiven elements in einer elektrochemischen zelle, ihre herstellung und verwendung - Google Patents

Vorrichtung zur platzierung eines elektrochemisch aktiven elements in einer elektrochemischen zelle, ihre herstellung und verwendung Download PDF

Info

Publication number
WO2021239340A1
WO2021239340A1 PCT/EP2021/060500 EP2021060500W WO2021239340A1 WO 2021239340 A1 WO2021239340 A1 WO 2021239340A1 EP 2021060500 W EP2021060500 W EP 2021060500W WO 2021239340 A1 WO2021239340 A1 WO 2021239340A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrochemically active
gas
electrolyte
spacing elements
active element
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/060500
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erhard Magori
Remigiusz Pastusiak
Angelika Tawil
Kerstin Wiesner-Fleischer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2021239340A1 publication Critical patent/WO2021239340A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B11/032—Gas diffusion electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/25—Reduction
    • C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • the invention relates to a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell, a method for producing a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell and the use of a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell .
  • Gas diffusion electrodes are electrodes with a combination of a solid, liquid and gaseous interface and an electrically conductive catalyst that supports an electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.
  • Gas diffusion electrodes are used, for example, in electroche mix cells for carbon dioxide electrolysis, in which carbon dioxide is reduced to products such as carbon monoxide, methane, ethylene or alcohols on the gas diffusion electrode with the formation of water.
  • the desired substances can be present in either liquid or gaseous form.
  • the gas diffusion electrode allows a solid, a liquid and a gaseous substance to be brought into contact with one another, so that the desired electrochemical reaction can be achieved.
  • a gas diffusion electrode and a method for their manufacture is known, for example, from DE 102015 215 309 A1.
  • a catalyst is fixed in a porous film so that the liquid and the gas interact. can ren.
  • the gas diffusion electrode must offer optimum electrical conductivity in order to enable electron transport with a low ohmic resistance.
  • a gas conducting layer is located in the middle of the electrode. The electrolyte is displaced from this pore system with only a low gas pressure. A low flow resistance ensures that the gas can flow freely in the electrode. If the gas pressure increases, the electrolyte will also be displaced from the pore system of the working layer. The surface layer is so fine-pored that even with pressure peaks no gas can flow through the electrode into the electrolyte.
  • gas diffusion electrodes are usually shaped as plates.
  • electrodes with the lowest possible installation height and the largest possible Electrode areas are therefore advantageous.
  • a gas diffusion electrode In an electrochemical cell, a gas diffusion electrode is arranged in such a way that it separates the gas space from the electrolyte space in a pressure-tight manner. Since a differential pressure acts on the gas diffusion electrode due to the gas inflow, it must be supported with spacers against bulging in the direction of the electrical space or on the other side in the direction of the gas space. An uncontrolled bulging of the gas diffusion electrode causes a reduction in the catholyte gap. This results in a disruption of the electrolyte flow, combined with an uneven concentration distribution. Any gas bubbles that may have passed through the gas diffusion electrode cannot escape unhindered and collect in front of points with a greatly reduced electrolyte gap. This leads to an increase in the local current density in the remaining electrode area. The increase in local current densities leads to the formation of undesirable by-products. The effects described result in an increase in the operating voltage depending on the increase in the current density and thus an excessive specific energy consumption.
  • a mere fastening of the electrode edges is regularly inadequate to support the electrode over its entire surface at a constant small distance of a few millimeters from its counter-electrode or to avoid mechanical overload, mainly due to differential pressure. It is therefore advantageous to support the electrode in the area. If the gas-side pressure is above the electrolyte pressure, a support from the electrolyte side may be sufficient.
  • the support of the gas diffusion electrode from the electrolyte side leads to a loss of active electrode area, since the electrolyte access and also the electrical current flow are shaded at the support points.
  • a support from the gas side leads to an increase in the local current density in the remaining electrode surface, which leads to the formation of undesirable by-products, which should be avoided by attaching the support.
  • a gas diffusion electrode is generally supported by means of a plastic grid. These plastic grids are usually installed separately in the gas space and the electrolyte space when the electrochemical cell is assembled.
  • a disadvantage with this approach is the very limited possibilities for precisely aligning the plastic grids to one another in the cell, so that the gas side does not become shaded on the actually active surface. This would require a mechanical alignment in the range of 1/10 mm over an area of many dm 2 . This accuracy requirement is below the values of the thermally induced expansion of the materials commonly used.
  • the object of the present invention is to provide a device for the improved placement of an electrochemically active element in an electrochemical cell.
  • the object is achieved according to the invention by a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell, a method for producing a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell and the use of a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical Cell solved according to the neighboring claims.
  • Advantageous designs with expedient developments of the invention are specified in the respective subclaims, with partial designs of each aspect of the invention to be viewed as beneficial designs of the respective other aspects of the invention.
  • a first aspect of the invention relates to a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell, comprising at least one electrochemically active element which can be placed with an electrolyte side on an electrolyte compartment and with a gas side on a gas compartment of the electrochemical cell, and at least two Spacer elements, at least one spacer element being arranged on the electrochemically active element on the electrolyte side and / or on the gas side.
  • the electrochemically active element is combined with at least two spacing elements each on the electrolyte side and / or on the gas side to form a device which can be placed in an electrochemical cell.
  • the at least two spacing elements are separately in the gas space and / or in the electrical space when assembling the electrochemical cell.
  • This enables, for example, an exact alignment of a spacer element on the electrolyte side with respect to a spacer element on the gas side.
  • the alignment of the spacer elements can be carried out precisely without being restricted by the installation space of the electrochemical cell; shading, for example, of the gas side on the actually active surface is thus minimized or entirely avoided.
  • the device enables a mechanical See alignability of the spacer elements in the range of 1/10 mm or less over an area of several dm 2 .
  • the electrochemically active element is preferably a gas diffusion electrode.
  • the electrochemically active element can be a cathode or an anode; the electrochemically active element is preferably a cathode, optionally suitable for reducing carbon dioxide.
  • the gas side is the side of the electrochemically active element facing a gas space.
  • the electrolyte side is the side of the electrochemically active element facing an electrolyte space.
  • At least two of the spacing elements on the same side of the gas space of the electrochemical cell are connected to one another by a holding element, that is to say at least one holding element is arranged on the at least two spacing elements.
  • the stability of the device is increased by the holding element arranged on each of the at least two spacing elements.
  • the spacing elements are preferably cylindrical.
  • the spacing elements are suitable for supporting the electrochemically active element.
  • a plurality of spacing elements can optionally be arranged on the gas side and / or the electrolyte side.
  • 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more spacing elements can each be arranged on the gas side and / or the electrolyte side.
  • the at least two spacing elements on the gas side can be connected with its side facing away from the electrochemically active element on a housing element, for example a wall that delimits a cathode space.
  • At least one beacon arranged on the gas side Stand element or the at least two spacer elements comprise / comprise at least one electrically conductive material.
  • the at least one spacing element or the at least two spacing elements arranged on the gas side preferably consists of electrically conductive material.
  • the conductive material is selected from the group comprising metals, semiconductors, carbon and polymers and mixtures thereof.
  • Polymers become conductive, for example, by adding conductive material.
  • Metal powders such as silver, copper, as well as soot, nanoparticles and mixtures thereof are suitable as additives. This is advantageous because the spacing element on the gas side functions at least additionally as an electrical contact.
  • one or the at least two spacing elements arranged on the gas side is / are coated with an electrochemically active composition. This is advantageous because in this way the electrochemically active surface is additionally enlarged by the spacer element arranged on the gas side.
  • one or the at least two spacing elements arranged on the electrolyte side consists of electrically insulating material.
  • the material can be a polymer, the material is preferably selected from the group comprising acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polyamides (PA), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK) and polyvinylchloride (PVC), polyetheretherketone (PEEK) and combinations thereof.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • PA polyamides
  • PLA polylactate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PE polyethylene
  • PE polypropylene
  • PS polystyrene
  • PEEK polyetheretherketone
  • the spacer element (s) arranged on the electrolyte side act as an insulator, thereby avoiding the undesired increase in local current densities.
  • at least one spacing element or the at least two spacing elements is / are rounded at its end facing the electrochemically active element. This reduces the contact surface of the spacing elements and further loss of active electrodes can be avoided.
  • At least one or the at least two spacing elements is / are resilient. This reduces the mechanical load on the spacing elements, for example through gas or electrolyte flows.
  • At least two spacing elements are arranged on the gas side and at least two spacing elements on the electrolyte side of the electrochemically active element. If at least two spacing elements are arranged on the gas side and / or on the electrolyte side, these can further stabilize the electrochemically active element. This stabilization of the electrochemically active element on both sides is particularly advantageous in the case of pressure fluctuations during operation of the electrochemical cell, as it causes uncontrolled bulging of the electrochemically active element and a resulting disruption of the electrolyte flow is prevented.
  • the at least two spacing elements on the electrolyte side are aligned axially with respect to the at least two spacing elements on the gas side. Since the spacing elements on the gas side and the electrolyte side are aligned axially and not offset to one another, there is no additional loss of active electrode area. The arrangement of the spacing elements on the gas side does not lead to additional shading of the electrochemically active element on the gas side. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the at least two spacing elements on the gas side have a smaller contact surface on the electrochemically active element than the at least two spacing elements on the electrolyte side.
  • the arrangement of the spacer element alone on the gas side leads to an increase in the local current density in the remaining electrode area, which leads to the formation of undesirable by-products.
  • Arranging the at least two spacing elements on the electrolyte side leads to a loss of active electrode area, since the electrolyte access and thus also the electrical current flow are shaded at the support points. If the spacer element or the spacer elements on the gas side have a smaller contact surface on the electrochemically active element, an increase in the local current density in the remaining electrode surface is avoided and undesirable by-products are not formed.
  • a smaller contact surface of the gas-side spacer elements is also advantageous in order to compensate for any tolerances that may arise in the alignment of the gas-side spacer element with respect to the electrolyte-side spacer elements.
  • the at least two spacing elements on the electrolyte side are each connected to one spacing element on the gas side by means of at least one fastening element.
  • the at least one fastening element connects the at least one spacing element on the electrolyte side to the at least one spacing element on the gas side.
  • the fastening element is preferably integrated into the electrochemically active element.
  • the fastening element is preferably designed in such a way that the spacing elements can each be slipped onto the fastening element. This simplifies the positioning of spacer elements relative to one another. In addition, the stability did the spacers and the electrochemical ele ment.
  • a second aspect of the invention relates to a method for producing a device for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell, comprising at least the steps: and can be placed with a gas side on a gas space of an electrochemical cell; b) outside an electrochemical cell: arranging at least two spacing elements on each of the gas side and / or the electrolyte side of the electrochemically active element.
  • the integration of the at least two spacer elements directly into the electrochemically active element enables, in addition to simplified production, the exact placement of the at least one spacer element between the gas space and the electrolyte space and thus allows them to be made much smaller. In this way, the loss of active electrode area is minimized considerably and the performance per area is optimized. For fluids such as electrolytes, the flow resistance is reduced. In this way, smaller gap distances and, as a result, fewer ohmic losses in the electrolyte gap can be achieved. Furthermore, a backlash-free A construction of the electrochemical element in the electrochemical cell can be guaranteed by an appropriate design of the device. The assembly of the electrochemical cell is drastically simplified, since at least two individual components are omitted. The electrolysis cell becomes cheaper and more powerful.
  • the method comprises at least one further step: c) outside of an electrochemical cell: arranging at least one holding element on each of the at least two spacing elements so that the holding element holds the at least connects two of the spacing elements on the same side of the gas space of the electrochemical cell.
  • Arranging the at least one holding element on the at least two spacing elements increases the stability of the device.
  • these can be connected to one another by the at least one holding element and thus further stabilized.
  • step a) takes place by producing the electrochemically active element from an electrochemically active composition and a carrier structure.
  • the electrochemically active composition is preferably a catalytically active material.
  • Step b) takes place by providing a carrier structure which comprises at least one spacer element.
  • a suitable structure can be incorporated directly when the electrode is being manufactured.
  • a suitably shaped plastic grille can be used as the support structure.
  • the at least two spacing elements are positioned on at least one positioning element before being arranged on the gas side and / or the electrolyte side of the electrochemically active element.
  • the positioning element can be a retaining element according to the invention.
  • the holding element is preferably shaped as a lattice structure.
  • the at least one spacing element is preferably irreversibly attached to the holding element.
  • the positioning element can also be a Be carrier film, which is removed from the at least two spacer elements after the positioning thereof.
  • each of the gas side and / or the electrolyte side of the electrochemically active element is precisely aligned.
  • these can be precisely aligned with one another before they are arranged on the electrochemically active element.
  • the respective spacing element is arranged on the electrochemically active element by means of gluing, welding or rolling.
  • the fixation of the spacer elements is advantageous because this prevents the spacer elements from being offset from one another in the event of mechanical stress, for example due to gas or electrolyte flows.
  • a third aspect of the invention relates to the use of a device according to the invention for placing an electrochemically active element in an electrochemical cell. Further features and their advantages can be found in the descriptions of the first and second aspect of the invention, with advantageous configurations of the first and second aspect of the invention being regarded as advantageous configurations of the third aspect of the invention and vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of four spacing elements arranged according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of four spacing elements arranged according to the invention, which are each connected to one another by means of two holding elements;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of four spacing elements arranged according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of four spacing elements arranged according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of an electrochemical half-cell
  • spacer elements 22 of the device 10 are arranged on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 12.
  • the spacer elements 22 arranged on the gas side 16 are coated with an electrochemically active composition and also act as electrical contacting of the electrochemically active element 12, which additionally increases the electrochemically active surface of the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the electrolyte side 14 of the electrochemically active Ele element 12 consist of electrically insulating material.
  • the Spacer elements 22 arranged on the electrolyte side 14 function as insulators, thereby avoiding the undesired increase in local current densities on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the gas side 16 are aligned axially and not offset to the spacing elements 22 on the electrolyte side 14. This results in no additional loss of electrochemically active surface on the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the gas side 16 can have a smaller contact surface on the electrochemically active element 12 than the spacing elements 22 on the electrolyte side 14.
  • the current flow is uniform, an increase in the local current density in the remaining electrochemically active area is avoided and undesirable by-products are not formed.
  • a smaller contact surface of the spacing elements 22 on the gas side 15 is also advantageous in order to compensate for any tolerances that may occur in the direction of the gas-side spacing elements 22 relative to the electrolyte-side spacing elements 22.
  • FIG. 2 four spacer elements 22 of the device 10 are arranged on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the gas side 16 are aligned axially and not offset to the spacing elements 22 on the electrolyte side 14.
  • the spacing elements 22 are each connected to one another on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 by a holding element 24.
  • the four spacer elements 22 each receive a further stabilization.
  • the holding element 24 is designed as a grid-shaped angeord designated slats. Turbulence in the gas flow is reduced or completely avoided as a result.
  • the Haltele element 24 can be formed out as a lattice-like arranged lamellae.
  • the lamellas arranged in the form of a grid can be arranged on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 10 on the respective spacing elements 22.
  • the arranged ones are preferred Lamellae smaller on the electrolyte side than on the gas side.
  • two spacer elements 22 of the device 10 are arranged on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the gas side 16 are aligned axially and not offset to the spacing elements 22 on the electrolyte side 14.
  • the spacing elements 22 on the gas side 16 and a spacing element 22 on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 12 are each designed to be resilient. This reduces the mechanical load on the spacing elements 22, for example, through gas or electrolyte flows.
  • the fourth spacing element 22 on the electrolyte side 14 is shaped like a cylinder.
  • two spacing elements 22 of the device 10 are arranged on the electrolyte side 14 and one spacing element 22 is arranged on the gas side 16 of the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the electrolyte side 14 are aligned axially and not offset to the spacing element 22 on the gas side 16.
  • the first spacing element 22 on the gas side 16 is connected to the second spacing element 22 on the electrolyte side 14 by means of a fastening element 26.
  • the fastening element 26 connects the spacing element 22 on the gas side 16 to the spacing element 22, which is axially aligned with respect to it, on the electrolyte side 14.
  • the fastening element 26 is integrated into the electrochemically active element.
  • FIG. 5 shows the schematic sectional illustration of an electrochemical half-cell 30 for carbon dioxide electrolysis.
  • the electrochemically active element 12 configured as a cathode is arranged by means of the device 10 with the electrolyte side 14 on the electrolyte space 18 and with the gas side 16 on the gas space 20.
  • the device 10 has four spacing elements 22 each, which are arranged on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 12.
  • the spacer elements 22 arranged on the gas side 16 are coated with an electrochemically active composition and also act as electrical contacting of the electrochemically active element 12, which additionally increases the electrochemically active surface of the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the electrolyte side 14 of the electrochemically active Ele element 12 consist of electrically insulating material.
  • the spacing elements 22 arranged on the electrolyte side 14 function as insulators, thereby avoiding the undesired increase in local current densities on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the gas side 16 are aligned axially and not offset to the spacing elements 22 on the electrolyte side 14. This results in no additional loss of electrochemically active surface on the electrochemically active element 12.
  • the spacing elements 22 on the gas side 16 can have a smaller contact surface on the electrochemically active element 12 than the spacing elements 22 on the electrolyte side 14.
  • the current flow is uniform, an increase in the local current density in the remaining electrochemically active area is avoided and undesirable by-products are not formed.
  • a smaller contact surface of the spacing elements 22 on the gas side 15 is furthermore advantageous to avoid possible tolerances in the alignment Compensation of the gas-side spacer elements 22 to the electrolyte-side spacer elements 22.
  • the spacing elements 22 are each connected to one another on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 by a holding element 24.
  • the four spacer elements 22 each receive further stabilization.
  • the holding element 24 is designed as lamellas arranged in the form of a grid. Turbulence in the gas flow is thereby reduced or avoided entirely.
  • the holding element 24 can be formed as a grid-like arrangement of lamellae.
  • the lamellas arranged in a grid shape can be arranged on the gas side 16 and on the electrolyte side 14 of the electrochemically active element 10 on the respective spacer elements 22.
  • the arranged lamellae are preferably smaller on the electrolyte side than on the gas side.
  • the electrochemically active element 12 is connected to the housing 34 of the electrochemical half-cell 30 by means of lateral fastening elements 32.
  • the electrochemically active element 12 is connected to the lateral fastening elements 32 at its edge.
  • the lateral fastening elements 32 can be designed as brackets or frame structure.
  • the lateral fastening elements are designed to make electrical contact with the electrochemically active element 12.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30), umfassend zumindest ein elektrochemisch aktives Element (12), das mit einer Elektrolytseite (14) an einen Elektrolytraum (18) und mit einer Gasseite (16) an einen Gasraum (20) der elektrochemischen Zelle (30) platzierbar ist, und zumindest zwei Beabstandungselernenten (22),wobei auf der Elektrolytseite (14) und/oder auf der Gasseite (16) jeweils zumindest zwei Beabstandungselernente (22) an dem elektrochemisch aktiven Element (12) angeordnet sind, durch ein Halteelement (24) miteinander verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (10) zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30).

Description

Beschreibung
VORRICHTUNG ZUR PLATZIERUNG EINES ELEKTROCHEMISCH AKTIVEN ELEMENTS IN EINER ELEKTROCHEMISCHEN ZELLE, IHRE HERSTELLUNG UND VERWENDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Platzierung eines 10 elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle sowie die Verwendung einer Vorrich tung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements in 15 einer elektrochemischen Zelle.
Gasdiffusionselektroden sind Elektroden mit einer Verbindung aus einer festen, flüssigen und gasförmigen Grenzfläche und einem elektrisch leitenden Katalysator, der eine elektroche- 20 mische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase unterstützt.
Gasdiffusionselektroden werden beispielsweise in elektroche mischen Zellen zur Kohlenstoffdioxidelektrolyse verwendet, in 25 denen Kohlenstoffdioxid an der Gasdiffusionselektrode unter Bildung von Wasser zu Produkten wie Kohlenmonoxid, Methan, Ethylen oder Alkoholen reduziert wird. Für die Durchführung der gewünschten chemischen Reaktion in der elektrochemischen Zelle können die gewünschten Stoffe sowohl flüssig als auch 30 gasförmig vorliegen. Die Gasdiffusionselektrode erlaubt es, einen festen, einen flüssigen und einen gasförmigen Stoff miteinander in Verbindung zu bringen, sodass die gewünschte elektrochemische Reaktion erreicht werden kann.
35 Eine Gasdiffusionselektrode sowie ein Verfahren zu ihrer Her stellung ist beispielsweise aus der DE 102015 215 309 Al be kannt. Üblicherweise wird ein Katalysator in einer porösen Folie fixiert, so dass die Flüssigkeit und das Gas interagie- ren können. Neben diesen Benetzungseigenschaften muss die Gasdiffusionselektrode eine optimale elektrische Leitfähig keit bieten, um einen Elektronentransport mit geringem ohm schen Widerstand zu ermöglichen. Eine Gasleitschicht befindet sich in der Mitte der Elektrode. Mit nur geringem Gasdruck wird der Elektrolyt aus diesem Porensystem verdrängt. Ein ge ringer Strömungswiderstand stellt sicher, dass das Gas frei in der Elektrode fließen kann. Bei einem erhöhten Gasdruck wird auch der Elektrolyt aus dem Porensystem der Arbeits schicht verdrängt werden. Die Oberflächenschicht ist derart feinporig, dass selbst bei Druckspitzen kein Gas durch die Elektrode in den Elektrolyten strömen kann.
Um die elektrochemisch aktive Oberfläche zu maximieren und damit die Umsatzrate der elektrochemischen Zelle zu verbes sern, werden Gasdiffusionselektroden gewöhnlich als Platten ausgeformt. Für den technischen Einsatz sind daher Elektroden mit möglichst geringer Aufbauhöhe und möglichst große Elekt rodenflächen vorteilhaft.
In einer elektrochemischen Zelle wird eine Gasdiffusions elektrode so angeordnet, dass sie den Gasraum druckfest vom Elektrolytraum trennt. Da durch den Gaszustrom ein Differenz druck auf die Gasdiffusionselektrode einwirkt, muss diese mit Abstandshaltern gegen ein Ausbeulen in Richtung des Elektro lytraums oder zur anderen Seite in Richtung des Gasraums ab gestützt werden. Ein unkontrolliertes Ausbeulen der Gasdiffu sionselektrode bewirkt eine Verringerung des Katholytspalts. Hieraus ergibt sich eine Störung des Elektrolytflusses, ver bunden mit einer ungleichmäßigen Konzentrationsverteilung. Eventuell durch die Gasdiffusionselektrode durchtretende Gas blasen können nicht ungehindert abziehen und sammeln sich vor Stellen mit stark verringertem Elektrolytspalt an. Dies führt zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektrodenfläche. Durch die Erhöhung lokaler Stromdichten kommt es zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Die be schriebenen Effekte resultieren in einer Zunahme der Be triebsspannung in Abhängigkeit von der Erhöhung der Strom- dichte und damit zu einem überhöhten spezifischen Energiever brauch.
Eine alleinige Befestigung der Elektrodenränder ist regelmä ßig nicht ausreichend, um die Elektrode auf ihrer gesamten Fläche in einem konstanten kleinen Abstand von wenigen Milli metern zu ihrer Gegenelektrode abzustützen beziehungsweise um mechanische Überlastung, vorwiegend durch Differenzdruck, zu vermeiden. Deshalb ist es vorteilhaft, die Elektrode in der Fläche abzustützen. Liegt der gasseitige Druck über dem Elektrolytdruck, kann eine Abstützung von der Elektrolytseite genügen. Die Abstützung der Gasdiffusionselektrode von der Elektrolytseite führt zu einem Verlust an aktiver Elektroden fläche, da an den Abstützpunkten der ElektrolytZugang und da mit auch der elektrische Stromfluss abgeschattet werden. Eine Abstützung von der Gasseite führt zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektrodenfläche, wobei es zur es zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte kommt, was mit dem Anbringen der Abstützung gerade vermieden werden sollte.
Generell erfolgt die Abstützung einer Gasdiffusionselektrode mittels Kunststoffgitter. Diese Kunststoffgitter werden ge wöhnlich beim Zusammenbau der elektrochemischen Zelle separat in den Gasraum und den Elektrolytraum eingebaut. Als nachtei lig erweist sich bei diesem Vorgehen die sehr beschränkten Möglichkeiten zur jeweils exakten Ausrichtung der Kunststoff gitter zueinander in der Zelle, damit nicht eine Abschattung der Gasseite an eigentlich aktiver Fläche erfolgt. Hierzu wä re eine mechanische Ausrichtung im Bereich von 1/lOmm über eine Fläche von vielen dm2 erforderlich. Diese Genauigkeits anforderung liegt unter den Werten der thermisch bedingten Ausdehnung der üblicherweise verwendeten Materialien.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur verbesserten Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Ele ments in einer elektrochemischen Zelle sowie die Verwendung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektrochemisch akti ven Elements in einer elektrochemischen Zelle gemäß den ne bengeordneten Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vor teilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vor teilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsas pekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Platzierung eines elektrochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle, umfassend zumindest ein elektroche misch aktives Element, das mit einer Elektrolytseite an einen Elektrolytraum und mit einer Gasseite an einen Gasraum der elektrochemischen Zelle platzierbar ist, und mindestens zwei Beabstandungselemente, wobei auf der Elektrolytseite und/oder auf der Gasseite jeweils zumindest ein Beabstandungselement an dem elektrochemisch aktiven Element angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das elektrochemisch aktive Element mit je weils mindesten zwei Beabstandungselementen auf der Elektro lytseite und/oder auf der Gasseite zu einer Vorrichtung ver eint, welche in einer elektrochemischen Zelle platzierbar ist. Hierdurch ist es nicht mehr erforderlich, die mindestens zwei Beabstandungselemente beim Zusammenbau der elektrochemi schen Zelle separat in dem Gasraum und/oder in dem Elektro lytraum zu platzieren. Dies ermöglicht beispielsweise eine jeweils exakte Ausrichtung eines Beabstandungselements der Elektrolytseite zu einem Beabstandungselement auf der Gassei te. Die Ausrichtung der Beabstandungselemente kann ohne Be schränkung durch einen Bauraum der elektrochemischen Zelle exakt vorgenommen werden, eine Abschattung beispielsweise der Gasseite an eigentlich aktiver Fläche wird so minimiert oder gänzlich vermieden. Die Vorrichtung ermöglicht eine mechani- sehe Ausrichtbarkeit der Beabstandungselemente im Bereich von 1/10 mm oder weniger über eine Fläche von mehreren dm2.
Das elektrochemisch aktive Element ist bevorzugt eine Gasdif fusionselektrode. Das elektrochemisch aktive Element kann ei ne Kathode oder eine Anode sein, bevorzugt ist das elektro chemisch aktive Element eine Kathode, wahlweise geeignet zur Reduktion von Kohlendioxid.
Die Gasseite ist die einem Gasraum zugewandte Seite des elektrochemisch aktiven Elements. Die Elektrolytseite ist die einem Elektrolytraum zugewandte Seite des elektrochemisch ak tiven Elements.
Es ist vorgesehen, dass mindestens zwei der Beabstandungsele mente der gleichen Seite des Gasraums der elektrochemischen Zelle durch ein Halteelement miteinander verbunden sind, also an den mindestens zwei Beabstandungselementen zumindest ein Halteelement angeordnet ist. Durch das an den jeweils mindes tens zwei Beabstandungselementen angeordnete Halteelement er höht sich die Stabilität der Vorrichtung.
Die Beabstandungselemente sind bevorzugt zylinderförmig. Die Beabstandungselemente sind zum Abstützen des elektrochemisch aktiven Elements geeignet. An dem elektrochemisch aktiven Element können wahlweise jeweils auf Gasseite und/oder der Elektrolytseite eine Vielzahl von Beabstandungselementen an geordnet werden. So können beispielsweise 2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7, 8 ,9 ,10 oder mehr Beabstandungselemente jeweils auf der Gasseite und/oder der Elektrolytseite angeordnet werden.
Die mindestens zwei Beabstandungselemente auf der Gasseite können mit seiner dem elektrochemisch aktiven Element abge wandten Seite an einem Gehäuseelement beispielsweise einer Wand, die einen Kathodenraum begrenzt, verbunden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass zumindest ein auf der Gasseite angeordnetes Beab- standungselement oder die mindestens zwei Beabstandungsele- mente zumindest ein elektrisch leitfähiges Material umfasst / umfassen. Bevorzugt besteht das auf der Gasseite angeordnete zumindest eine Beabstandungselement oder die mindestens zwei Beabstandungselemente aus elektrisch leitfähigem Material.
Das leitfähige Material ist ausgewählt aus der Gruppe umfas send Metalle, Halbleiter, Kohlenstoff und Polymere und Mi schungen daraus. Polymere werden beispielsweise durch Zusätze von leitfähigem Material leitfähig. Als Zusätze eignen sich Metallpulver wie Silber, Kupfer, sowie Ruß, Nanopartikel und Mischungen daraus. Dies ist vorteilhaft, da das Beabstan dungselement der Gasseite zumindest zusätzlich als elektri sche Kontaktierung fungiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder die mindestens zwei auf der Gasseite angeordneten Beabstandungselemente mit einer elekt rochemisch aktiven Zusammensetzung beschichtet ist/sind. Dies ist vorteilhaft, da so die elektrochemisch aktive Oberfläche um das auf der Gasseite angeordnete Beabstandungselement zu sätzlich vergrößert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder die mindestens zwei auf der Elektrolytseite angeordneten Beabstandungselemente aus elektrisch isolierendem Material besteht/bestehen. Das Mate rial kann ein Polymer sein, bevorzugt ist das Material ausge wählt aus der Gruppe umfassend Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethac- rylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC), Po lyetheretherketone (PEEK) und Kombinationen daraus. Insbeson dere bevorzugt ist das Material PEEK. Das/die auf der Elekt rolytseite angeordneten Beabstandungselemente fungieren als Isolator, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von loka len Stromdichten vermieden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass jeweils zumindest ein Beabstandungselement oder die mindestens zwei Beabstandungselemente an seinem dem elektrochemisch aktiven Element zugewandten Ende abgerundet ist/sind. Hierdurch verringert sich die Auflagefläche der Be abstandungselemente und weiterer Verlust an aktiver Elektro denfläche kann vermieden werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem zumindest ein oder die zumindest zwei Beabstandungselemente federelastisch ist/sind. Hierdurch verringert sich die mechanische Belastung der Beab standungselemente durch beispielsweise Gas- oder Elektroly- strömungen .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest zwei Beabstandungselemente auf der Gasseite und zumindest zwei Beabstandungselemente auf der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Elements angeord net sind. Sind zumindest zwei Beabstandungselemente an der Gasseite und/oder an der Elektrolytseite angeordnet, können diese das elektrochemisch aktive Element weiter stabilisie ren. Diese beidseitige Stabilisierung des elektrochemisch ak tiven Elements ist insbesondere bei Druckschwankungen während des Betriebs der elektrochemischen Zelle vorteilhaft, da so ein unkontrolliertes Ausbeulen des elektrochemisch aktiven Elements und eine sich daraus ergebende Störung des Elektro lytflusses verhindert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass die mindestens zwei Beabstandungselemente auf der Elektrolytseite axial zu dem zumindest zwei Beabstandungsele- menten auf der Gasseite ausgerichtet sind. Da die Beabstan dungselemente auf der Gasseite und der Elektrolytseite axial und nicht versetzt zueinander ausgerichtet sind, entsteht kein zusätzlicher Verlust an aktiver Elektrodenfläche. Die Anordnung der Beabstandungselemente auf der Gasseite führt nicht zu einer zusätzlichen gasseitigen Verschattung des elektrochemisch aktiven Elements. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest zwei Beabstandungselemente auf der Gasseite eine geringere Auflagefläche auf dem elekt rochemisch aktiven Element aufweist, als die zumindest zwei Beabstandungselemente auf der Elektrolytseite. Die Anordnung der Beabstandungselements alleine auf der Gasseite führt zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elekt rodenfläche, wobei es zur es zur Bildung unerwünschter Neben produkte kommt. Das Anordnen der mindestens zwei Beabstan dungselemente auf der Elektrolytseite führt zu einem Verlust an aktiver Elektrodenfläche, da an den Abstützpunkten der ElektrolytZugang und damit auch der elektrische Stromfluss abgeschattet werden. Weist das Beabstandungselement oder wei sen die Beabstandungselemente auf der Gasseite eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element auf, wird eine Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleiben den Elektrodenfläche vermieden und es kommt nicht zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Eine geringere Auflagefläche der gasseitigen Beabstandungselemente ist weiterhin vorteilhaft, um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Ausrichtung des gasseitigen Beabstandungselements zu den elektrolytseiti- gen Beabstandungselementen auszugleichen.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die zumindest zwei Beab standungselemente auf der Elektrolytseite jeweils mittels zu mindest eines Befestigungselements mit jeweils einem Beab standungselement auf der Gasseite verbunden ist. Das zumin dest eine Befestigungselement Verbindet das zumindest eine Beabstandungselement auf der Elektrolytseite mit dem zumin dest einen Beabstandungselement auf der Gasseite. Bevorzugt ist das Befestigungselement in das elektrochemisch aktive Element integriert. Das Befestigungselement ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Beabstandungselemente jeweils auf das Befestigungselement aufgesteckt werden können. Hier durch wird die Positionierung von Beabstandungselementen zu einander vereinfacht. Darüber hinaus erhöht sich die Stabili- tat der Beabstandungselemente und des elektrochemischen Ele ments.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Platzieren eines elektro chemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle, umfassend zumindest die Schritte: a) Bereitstellen eines elektrochemisch aktiven Elements au ßerhalb einer elektrochemischen Zelle, das mit einer Elektro lytseite an einen Elektrolytraum und mit einer Gasseite an einen Gasraum einer elektrochemischen Zelle platzierbar ist; b) außerhalb einer elektrochemischen Zelle: Anordnen von min destens zwei Beabstandungselementen auf jeweils der Gasseite und/oder der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Ele ments.
Die Integration der zumindest zwwwei Beabstandungselemente direkt in das elektrochemisch aktive Element ermöglicht neben vereinfachter Fertigung die genaue Platzierung des jeweils zumindest einen Beabstandungselements von Gasraum und Elekt rolytraum zueinander und gibt so die Möglichkeit diese we sentlich kleiner auszulegen. Somit wird der Verlust an akti ver Elektrodenfläche erheblich minimiert und die Leistung pro Fläche optimiert. Für Fluide, wie beispielsweise einen Elekt rolyten, wird der Strömungswiderstand reduziert. Somit können geringere Spaltabstände und dadurch weniger ohmsche Verluste im Elektrolytspalt erreicht werden. Weiterhin kann durch eine entsprechende Ausführung der Vorrichtung ein spielfreier Ein bau des elektrochemischen Elements in die Elektrochemische Zelle gewährleistet werden. Der Zusammenbau der elektrochemi schen Zelle wird drastisch vereinfacht, da mindestens zwei Einzelbauteile entfallen. Die Elektrolysezelle wird günstiger und leistungsfähiger.
Es ist vorgesehen, dass das Verfahren zumindest einen weite ren Schritt umfasst: c) außerhalb einer elektrochemischen Zelle: Anordnen zumin dest eines Halteelements an jeweils den zumindest zwei Beab standungselementen, sodass das Halteelement die mindestens zwei der Beabstandungselemente der gleichen Seite des Gas raums der elektrochemischen Zelle verbindet.
Durch das Anordnen des zumindest einen Halteelement an den zumindest zwei Beabstandungselementen erhöht sich die Stabi lität der Vorrichtung. Insbesondere wenn eine Vielzahl von Beabstandungselementen an der Gasseite oder an der Elektro lytseite angeordnet sind, können diese durch das zumindest eine Halteelement miteinander verbunden und somit weiter sta bilisiert werden.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Schritt a) durch das Herstellen des elektrochemisch akti ven Elements aus einer elektrochemisch aktiven Zusammenset zung und einer Trägerstruktur. Die elektrochemisch aktive Zu sammensetzung ist bevorzugt ein katalytisch aktives Material. Der Schritt b) erfolgt durch das Bereitstellen einer Trä gerstruktur, die zumindest ein Beabstandungselement umfasst. Hierdurch kann eine geeignete Struktur direkt bei der Her stellung der Elektrode eingebaut werden. Beispielsweise kann als Trägerstruktur ein entsprechend geformtes Kunststoffgit- ter verwendet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt b) die zumindest zwei Beab standungselemente vor dem Anordnen auf jeweils der Gasseite und/oder der Elektrolytseite des elektrochemisch aktiven Ele ments, auf zumindest einem Positionierungselement positio niert wird. Das Positionierungselement kann ein erfindungsge mäßes Halteelement sein. Das Halteelement ist bevorzugt als eine Gitterstruktur ausgeformt. Das zumindest eine Beabstan dungselement ist bevorzugt irreversibel an dem Halteelement befestigt. Das Positionierungselement kann weiterhin eine Trägerfolie sein, die nach dem Positionieren der zumindest zwei Beabstandungselemente von diesem entfernt wird. Hier durch die zumindest zwei Beabstandungselement vor dem Anord nen auf jeweils der Gasseite und/oder der Elektrolytseite an dem elektrochemisch aktiven Element exakt ausgerichtet wer den. Insbesondere beim Anordnen mehrerer Beabstandungselemen te können diese bereits vor ihrer Anordnung an das elektro chemisch aktive Element exakt zueinander ausgerichtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das jeweilige Beabstandungselement mittels Kleben, Schweißen oder Einwalzen an dem elektroche misch aktiven Element angeordnet wird. Die Fixierung der Be abstandungselemente ist vorteilhaft da so eine Versetzung der Beabstandungselemente zueinander bei mechanischer Belastung beispielsweise durch Gas- oder Elektrolyströmungen verhindert wird.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung ei ner erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Platzieren eines elekt rochemisch aktiven Elements in einer elektrochemischen Zelle. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfin dungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Er findungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprü chen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinati onen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung ge nannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils ange gebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmals- kombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmals kombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen An spruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargeleg ten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinatio nen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
FIG 1 eine schematische Darstellung von jeweils vier erfin dungsgemäß angeordneten Beabstandungselementen;
FIG 2 eine schematische Darstellung von jeweils vier erfin dungsgemäß angeordneten Beabstandungselementen die mittels zweier Halteelementen jeweils untereinander verbunden sind;
FIG 3 eine schematische Darstellung von vier erfindungsge mäß angeordneten Beabstandungselementen;
FIG 4 eine schematische Darstellung von vier erfindungsge mäß angeordneten Beabstandungselementen; und
FIG 5 eine schematische Schnittdarstellung einer elektro chemischen Halbzelle;
In FIG 1 sind jeweils vier Beabstandungselemente 22 der Vor richtung 10 auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die auf der Gasseite 16 angeordneten Beabstandungselemente 22 sind mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung be schichtet und fungieren zusätzlich als elektrische Kontaktie rung des elektrochemisch aktiven Elements 12, was die elekt rochemisch aktive Oberfläche des elektrochemisch aktiven Ele ments 12 zusätzlich vergrößert. Die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Ele ments 12 bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Die auf der Elektrolytseite 14 angeordneten Beabstandungselemente 22 fungieren als Isolatoren, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Stromdichten auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 vermieden. Die Beab standungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektrolytseite 14 ausgerichtet. Hierdurch entsteht kein zusätzlicher Verlust an elektrochemisch aktiver Oberfläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 können eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12 aufweisen als die Beab standungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14. Der Strom fluss erfolgt gleichmäßig, eine Erhöhung der lokalen Strom dichte in der verbleibenden elektrochemisch aktiven Fläche wird vermieden und es kommt nicht zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Eine geringere Auflagefläche der Beabstan dungselemente 22 auf der Gasseite 15 ist weiterhin vorteil haft, um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Aus richtung der gasseitigen Beabstandungselemente 22 zu den elektrolytseitigen Beabstandungselementen 22 auszugleichen.
In FIG 2 sind jeweils vier Beabstandungselemente 22 der Vor richtung 10 auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektro lytseite 14 ausgerichtet. Die Beabstandungselemente 22 sind auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 jeweils durch ein Halteelement 24 miteinander verbunden. Die jeweils vier Beabstandungselemente 22 erhalten so eine weitere Stabi lisierung. Das Halteelement 24 ist als gitterförmig angeord nete Lamellen ausgeführt. Verwirbelungen im Gasstrom werden hierdurch verringert oder gänzlich vermieden. Das Halteele ment 24 kann als gitterförmig angeordneten Lamellen ausge formt sein. Die gitterförmig angeordneten Lamellen können auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektro chemisch aktiven Elements 10 an die jeweilige Beabstandungs elemente 22 angeordnet sein. Bevorzugt sind die angeordneten Lamellen auf der Elektrolytseite kleiner als auf der Gassei te.
In FIG 3 sind jeweils zwei Beabstandungselemente 22 der Vor richtung 10 auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektro lytseite 14 ausgerichtet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 und ein Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 sind jeweils federelastisch ausgeführt. Hierdurch verringert sich die mechanische Belastung der Beabstandungselemente 22 durch beispielsweise Gas- oder Elektrolyströmungen. Das vier te Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14 ist zy linderförmig ausgeformt.
In FIG 4 sind zwei Beabstandungselemente 22 der Vorrichtung 10 auf der Elektrolytseite 14 und ein Beabstandungselement 22 auf der Gasseite 16 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet. Die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolyt seite 14 sind axial und nicht versetzt zu dem Beabstandungs element 22 der Gasseite 16 ausgerichtet. Das erste Beabstan dungselement 22 auf der Gasseite 16 ist mittels eines Befes tigungselements 26 mit dem zweiten Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14 verbunden. Das Befestigungselement 26 verbindet das Beabstandungselement 22 auf der Gasseite 16 mit dem zu ihm axial ausgerichteten Beabstandungselement 22 auf der Elektrolytseite 14. Das Befestigungselement 26 ist in das elektrochemisch aktive Element integriert. Das Befesti gungselement 26 ist stiftförmig ausgebildet, so dass die Be abstandungselemente 22 jeweils auf das Befestigungselement 26 aufgesteckt sind. Hierdurch wird die Positionierung der Beab standungselemente 22 zueinander vereinfacht. Darüber hinaus erhöht sich die Stabilität der Beabstandungselemente 22 und des elektrochemischen Elements. In FIG 5 ist die schematische Schnittdarstellung einer elekt rochemischen Halbzelle 30 zur Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse dargestellt. In der elektrochemischen Halbzelle 30 ist das als Kathode ausgestaltete elektrochemisch aktive Elements 12 mittels der Vorrichtung 10 mit der Elektrolytseite 14 an den Elektrolytraum 18 und mit der Gasseite 16 an den Gasraum 20 angeordnet.
Die Vorrichtung 10 weist jeweils vier Beabstandungselemente 22 auf, die auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 angeordnet sind. Die auf der Gasseite 16 angeordneten Beabstandungselemente 22 sind mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung be schichtet und fungieren zusätzlich als elektrische Kontaktie rung des elektrochemisch aktiven Elements 12, was die elekt rochemisch aktive Oberfläche des elektrochemisch aktiven Ele ments 12 zusätzlich vergrößert. Die Beabstandungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Ele ments 12 bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Die auf der Elektrolytseite 14 angeordneten Beabstandungselemente 22 fungieren als Isolatoren, hierdurch wird die unerwünschte Erhöhung von lokalen Stromdichten auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 12 vermieden. Die Beab standungselemente 22 auf der Gasseite 16 sind axial und nicht versetzt zu den Beabstandungselementen 22 der Elektrolytseite 14 ausgerichtet. Hierdurch entsteht kein zusätzlicher Verlust an elektrochemisch aktiver Oberfläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12. Die Beabstandungselemente 22 auf der Gasseite 16 können eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element 12 aufweisen als die Beab standungselemente 22 auf der Elektrolytseite 14. Der Strom fluss erfolgt gleichmäßig, eine Erhöhung der lokalen Strom dichte in der verbleibenden elektrochemisch aktiven Fläche wird vermieden und es kommt nicht zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Eine geringere Auflagefläche der Beabstan dungselemente 22 auf der Gasseite 15 ist weiterhin vorteil haft um möglicherweise auftretende Toleranzen in der Ausrich- tung der gasseitigen Beabstandungselemente 22 zu den elektro lytseitigen Beabstandungselementen 22 auszugleichen.
Die Beabstandungselemente 22 sind auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 jeweils durch ein Halteelement 24 mit einander verbunden. Die jeweils vier Beabstandungselemente 22 erhalten so eine weitere Stabilisierung. Das Halteelement 24 ist als gitterförmig angeordnete Lamellen ausgeführt. Verwir belungen im Gasstrom werden hierdurch verringert oder gänz- lieh vermieden. Das Halteelement 24 kann als gitterförmig an geordneten Lamellen ausgeformt sein. Die gitterförmig ange ordneten Lamellen können auf der Gasseite 16 und auf der Elektrolytseite 14 des elektrochemisch aktiven Elements 10 an die jeweilige Beabstandungselemente 22 angeordnet sein. Be- vorzugt sind die angeordneten Lamellen auf der Elektrolytsei- te kleiner als auf der Gasseite.
Zusätzlich ist das elektrochemisch aktive Element 12 mittels seitlicher Befestigungselemente 32 mit dem Gehäuse 34 der elektrochemischen Halbzelle 30 verbunden. Das elektrochemisch aktive Element 12 ist an seinem Rand mit den seitlichen Be festigungselementen 32 verbunden. Die seitlichen Befesti gungselemente 32 können als Klammern oder Rahmenstruktur aus geführt sein. Ferner sind die seitlichen Befestigungselemente als elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Elements 12 ausgelegt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Platzierung eines elektrochemisch ak tiven Elements (12) in einer elektrochemischen Zelle (30), umfassend zumindest ein elektrochemisch aktives Element (12), das mit einer Elektrolytseite (14) an einen Elektrolytraum (18) und mit einer Gasseite (16) an einen Gasraum (20) der elektrochemischen Zelle (30) platzierbar ist, und mindestens zwei Beabstandungselementen (22), wobei auf der Elektrolytseite (14) und/oder auf der Gasseite (16) jeweils mindestens zwei Beabstandungselemente (22) an dem elektrochemisch aktiven Element (12) angeordnet sind, und wobei mindestens zwei der Beabstandungselemente (22) der gleichen Seite des Gasraums (20) der elektrochemischen Zelle (30) durch ein Halteelement (24) miteinander verbunden sind.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein auf der Gasseite (16) angeordnetes Beab- standungselement (22) zumindest ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, wahlweise ist das auf der Gasseite (16) an geordnete zumindest eine Beabstandungselement (22) mit einer elektrochemisch aktiven Zusammensetzung beschichtet.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest ein auf der Elektrolytseite (14) an geordnetes Beabstandungselement (22) aus elektrisch isolie rendem Material besteht.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Beabstandungsele ment (22) an seinem dem elektrochemisch aktiven Element (12) zugewandten Ende abgerundet ist.
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Beabstandungsele ment (22) federelastisch ist, vorzugsweise die mindestens zwei Beabstandungselemente (22).
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Beabstandungs- elemente (22) auf der Gasseite (16) und zumindest zwei Beab- standungselemente (22) auf der Elektrolytseite (14) des elektrochemisch aktiven Elements (12) angeordnet sind.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Beabstandungselemente (22) auf der Elektrolytseite (14) axial zu den zumindest zwei Beabstan- dungselementen (22) auf der Gasseite (16) ausgerichtet sind.
8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die zumindest zwei Beabstandungselemente (22) auf der Gasseite (16) eine geringere Auflagefläche auf dem elektrochemisch aktiven Element (12) aufweist, als die zumin dest zwei Beabstandungselemente (22) auf der Elektrolytseite (14).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass die zumindest zwei Beabstandungselemente (22) auf der Elektrolytseite (14) jeweils mittels zumindest einem Befestigungselement (26) mit jeweils einem Beabstan- dungselement (22) auf der Gasseite (16) verbunden sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (10) zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Elements (12) in ei ner elektrochemischen Zelle (30), umfassend zumindest die Schritte: a) Bereitstellen eines elektrochemisch aktiven Elements (12) außerhalb einer elektrochemischen Zelle (30), das mit einer Elektrolytseite (14) an einen Elektrolytraum (18) und mit ei ner Gasseite (16) an einen Gasraum (20) einer elektrochemi schen Zelle (30) platzierbar ist; b) außerhalb einer elektrochemischen Zelle (30): Anordnen von mindestens zwei Beabstandungselementen (22) auf jeweils der Gasseite (16) und/oder der Elektrolytseite (14) des elektro chemisch aktiven Elements (12); c) außerhalb einer elektrochemischen Zelle (30): Anordnen zu mindest eines Halteelements (24) an jeweils den zumindest zwei Beabstandungselementen (22), sodass das Halteelement (24) die mindestens zwei der Beabstandungselemente (22) der gleichen Seite des Gasraums (20) der elektrochemischen Zelle (30) verbindet.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die zumindest zwei Beabstandungselemente (22) vor dem Anordnen auf jeweils der Gasseite (16) und/oder der Elektrolytseite (14) des elektrochemisch aktiven Elements (12), auf zumindest einem Positionierungselement positioniert werden.
12. Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprü che 1 bis 9 zum Platzieren eines elektrochemisch aktiven Ele ments (12) in einer elektrochemischen Zelle (30).
PCT/EP2021/060500 2020-05-25 2021-04-22 Vorrichtung zur platzierung eines elektrochemisch aktiven elements in einer elektrochemischen zelle, ihre herstellung und verwendung WO2021239340A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020206448.2A DE102020206448A1 (de) 2020-05-25 2020-05-25 Vorrichtung zum Befestigen einer Elektrode
DE102020206448.2 2020-05-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021239340A1 true WO2021239340A1 (de) 2021-12-02

Family

ID=75914477

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/060500 WO2021239340A1 (de) 2020-05-25 2021-04-22 Vorrichtung zur platzierung eines elektrochemisch aktiven elements in einer elektrochemischen zelle, ihre herstellung und verwendung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020206448A1 (de)
WO (1) WO2021239340A1 (de)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19954247A1 (de) * 1999-11-11 2000-05-31 Wolfgang Strewe Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektrode für großtechnische Anlagen
DE19959079A1 (de) * 1999-12-01 2001-06-07 Bayer Ag Elektrochemische Zelle für Elektrolyseure mit Einzelelementtechnik
US6495006B1 (en) * 1998-12-25 2002-12-17 Asahi Glass Company, Limited Bipolar ion exchange membrane electrolytic cell
DE10138214A1 (de) * 2001-08-03 2003-02-20 Bayer Ag Elektrolysezelle und Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor
US20090050472A1 (en) * 2006-01-16 2009-02-26 Uhdenora S.P.A. Elastic Current Distributor for Percolating Cells
DE102015215309A1 (de) 2015-08-11 2017-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Präparationstechnik von kohlenwasserstoffselektiven Gasdiffusionselektroden basierend auf Cu-haltigen-Katalysatoren
US20190226100A1 (en) * 2016-06-14 2019-07-25 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Electrolytic cell including elastic member

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4444114C2 (de) 1994-12-12 1997-01-23 Bayer Ag Elektrochemische Halbzelle mit Druckkompensation
DE10148600A1 (de) 2001-10-02 2003-04-10 Bayer Ag Einbau einer Gasdiffusionselektrode in einen Elektrolyseur

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6495006B1 (en) * 1998-12-25 2002-12-17 Asahi Glass Company, Limited Bipolar ion exchange membrane electrolytic cell
DE19954247A1 (de) * 1999-11-11 2000-05-31 Wolfgang Strewe Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektrode für großtechnische Anlagen
DE19959079A1 (de) * 1999-12-01 2001-06-07 Bayer Ag Elektrochemische Zelle für Elektrolyseure mit Einzelelementtechnik
DE10138214A1 (de) * 2001-08-03 2003-02-20 Bayer Ag Elektrolysezelle und Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor
US20090050472A1 (en) * 2006-01-16 2009-02-26 Uhdenora S.P.A. Elastic Current Distributor for Percolating Cells
DE102015215309A1 (de) 2015-08-11 2017-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Präparationstechnik von kohlenwasserstoffselektiven Gasdiffusionselektroden basierend auf Cu-haltigen-Katalysatoren
US20190226100A1 (en) * 2016-06-14 2019-07-25 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Electrolytic cell including elastic member

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020206448A1 (de) 2021-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69905389T2 (de) Bipolare platten für brennstoffzellen und diese platten enthaltende brennstoffzelle
EP2181474B1 (de) Bipolarplatte für brennstoffzellen
EP3326227B1 (de) Brennstoffzelle und brennstoffzellenstapel
CH636987A5 (de) Brennstoffzellenanlage.
DE4208057C2 (de) Zellaufbau für Elektrolyseure und Brennstoffzellen
DE4206490C2 (de) Elektrisch leitfähige Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE3516766C2 (de) Brennstoffzelle
DE102005042498B4 (de) Fluidverteilungsanordnung, Brennstoffzelle und Separatorplatte mit einer mit Noppen versehener Kanalstruktur für eine bipolare Platte zur Verbesserung des Wassermanagements insbesondere auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle
DE3516758A1 (de) Brennstoffzelle
DE69121735T2 (de) Festoxidbrennstoffzellen
DE102014202215A1 (de) Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zu seiner Montage
DE102012023055A1 (de) Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
DE202006018086U1 (de) Durchfluss-Platte für eine Brennstoffzelle
DE2500977C3 (de) Elektrodenplatte für Akkumulatoren, insbesondere fur Bleiakkumulatoren
WO1991000379A1 (de) Elektrolysezelle für gasentwickelnde elektrolytische prozesse
WO2021239340A1 (de) Vorrichtung zur platzierung eines elektrochemisch aktiven elements in einer elektrochemischen zelle, ihre herstellung und verwendung
DE102022000581B3 (de) Brennstoffzelle
DE102016125355A1 (de) Separatorplatte, Membran-Elektroden-Einheit und Brennstoffzelle
WO2021239338A1 (de) Verfahren zum befestigen einer elektrode
WO2017025557A1 (de) Membran-elektroden-einheit für eine brennstoffzelle sowie brennstoffzelle
WO2019185416A1 (de) Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle
DE602004010006T2 (de) Brennstoffzelle mit hoher aktiver Oberfläche
EP4078704B1 (de) Brennstoffzellenkühlung
DE102015222245A1 (de) Polarplatte für einen Brennstoffzellenstapel
DE102021214824A1 (de) Medienverteilerstruktur, Bipolarplatte und elektrochemische Zelle

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21725396

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21725396

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1