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 dm ² 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 dm ² .

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.