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Patent Searching and Data


Title:
ELECTROLYSER DEVICE AND METHOD FOR CARBON DIOXIDE REDUCTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/078635
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electrolyser for carbon dioxide reduction, comprising an electrolytic cell (4), with a cathode gas diffusion electrode (6) and an anode gas diffusion electrode (8), in which a first side (12) of the cathode gas diffusion electrode (8) adjoins a cathode gas chamber (10) in a planar manner and likewise a first side (13) of the anode gas diffusion electrode (8) adjoins an anode gas chamber (14), and an electrolyte chamber (16) common to both gas diffusion electrodes (6, 8) is provided, which extends from the cathode gas diffusion electrode (6) to the anode gas diffusion electrode (8) and is at least partially delimited by the two gas diffusion electrodes (6, 8) with their second sides (18, 19) facing away from the respectively associated gas chambers (10, 14).

Inventors:
REINISCH DAVID (DE)
MARTIC NEMANJA (DE)
SCHMID GÜNTER (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/079144
Publication Date:
April 29, 2021
Filing Date:
October 16, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
C25B1/00; C25B11/04; C25B15/08
Attorney, Agent or Firm:
MAIER, Daniel (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrolyseur zur Kohlenstoffdioxidreduktion, umfassend eine Elektrolysezelle (4), mit einer Kathodengasdiffusi onselektrode (6) sowie mit einer Anodengasdiffusions elektrode (8), wobei die Kathodengasdiffusionselektrode (8) an einer ersten Seite (12) flächig an einen Kathoden gasraum (10) angrenzt und die Anodengasdiffusionselektro de (8) ebenfalls mit einer ersten Seite (13) an einem Anodengasraum (14) angrenzt, und wobei ein beiden Gasdif fusionselektroden (6, 8) gemeinsamer Elektrolytraum (16) vorgesehen ist, der von der Kathodengasdiffusionselektro de (6) bis zur Anodengasdiffusionselektrode (8) reicht und von den beiden Gasdiffusionselektroden (6, 8) mit ih rer den jeweils zugeordneten Gasräumen (10, 14) abgewand ten zweiten Seite (18, 19) zumindest abschnittsweiseweise begrenzt wird, wobei die Anodengasdiffusionselektrode (8) eine kationenselektive Beschichtung aufweist.

2. Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytraum (16) mit einer ElektrolytZulei tung (20) und einer Elektrolytableitung (22) versehen ist, die gemeinsam mit einer Pumpvorrichtung (24) einen Elektrolytkreislauf (26) bilden.

3. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengasraum (10) eine Edukt- gaszuführvorrichtung (28) und eine Produktgasauslassvor richtung (30) aufweist.

4. Elektrolyseur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass im Elektrolytkreislauf (26) eine CO2- Abscheidevorrichtung (32) vorgesehen ist.

5. Elektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der CCb-Abscheidevorrichtung (32) zur Eduktgas- zuführvorrichtung (28) eine Verbindungsleitung (34) be steht. 6. Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Anodengasraum (14) eine Sauerstoffablassvorrichtung (36) vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs (2), umfas send folgende Schritte:

- Einleiten eines CC^-haltigen Eduktgases (40) in einen Kathodengasraum (10),

- wobei das CO2 an einer Kathodengasdiffusionselektrode (6) zumindest teilweise zu CO reduziert wird und die Kathodengasdiffusionselektrode (6) mit einer ersten Seite (12) an den Kathodengasraum (10) und mit der gegen überliegenden zweiten Seite (18) an einem Elektrolytraum (16) anliegt,

- der Elektrolytraum (16) von einem flüssigen Elektroly ten (42) durchströmt wird,

- CO2 im Elektrolyten (42) gelöst wird und

- an einer Anodengasdiffusionselektrodenoberfläche mole kularer Sauerstoff 02 frei wird, der durch eine Anoden gasdiffusionselektrode (8) diffundiert, wobei

- sowohl die Kathodengasdiffusionselektrode (6) als auch die Anodengasdiffusionselektrode (8) mit jeweils einer zweiten Seite (18, 19) an dem gemeinsamen Elektrolytraum

(16) angrenzen und

- der Elektrolyt (42) außerhalb des Elektrolytraums (16) von dem darin gelösten CO2 entladen wird, wobei die Anodengasdiffusionselektrode (8) eine kationen selektive Beschichtung aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (42) eine wässrige Salzlösung umfasst, wo bei das gelöste Salz nicht auf einem Salz der Kohlensäure basiert.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Elektrolyten (42) kleiner 7 ist. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Elektrolyten (42) zwischen 2 und 7 liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass das aus dem Elektrolyt (42) entladene

CO2 dem CC>2-haltigen Eduktgas (40) zugeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Gasvolumenstrom des CO2 an der Gasdiffusionskathode (6) mindestens 5-mal so groß ist, wie an der Gasdiffusionsanode (8).

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasvolumenstrom des CO2 an der Gasdiffusionskathode (6) mindestens 15-mal so groß ist wie an der Gasdiffusi onsanode (8).

Description:
Beschreibung

Elektrolyseur und Verfahren zur Kohlenstoffdioxidreduktion

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Kohlenstoffdi oxidreduktion . Kohlenstoffdioxid wird an einer Gasdiffusions kathode einer Elektrolysezelle vorbei transportiert und dort katalytisch zu wenigstens einem energetisch höherwertigen Produkt reduziert.

Einleitung und Stand der Technik

Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wird derzeit etwa 80 % des weltweiten Energiebedarfs gedeckt. 2011 wurden dadurch weltweit ca. 34.032,7 Mio. Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre emittiert. Diese Freisetzung des Kohlen stoffdioxids ist der einfachste Weg, auch große Mengen an Kohlenstoffdioxid zu entsorgen. In Braunkohlekraftwerken etwa fallen täglich über 50.000 Tonnen an. Die Diskussion über die negativen Auswirkungen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid auf das Klima hat jedoch dazu geführt, dass eine Wiederver wertung von Kohlenstoffdioxid erwünscht ist und an dieser ge arbeitet wird. Da thermodynamisch gesehen Kohlenstoffdioxid sehr niedrig liegt, kann es nur schwierig zu brauchbaren Pro dukten reduziert werden.

Auf natürlichem Weg wird das Kohlenstoffdioxid durch Photo synthese zu Kohlehydraten umgesetzt. Dieser zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgeglie derte Prozess ist nur sehr schwer großtechnisch kopierbar. Im Vergleich zur reinen Fotokatalyse stellt momentan die elekt rochemische Reduktion des Kohlenstoffdioxids den effiziente ren Weg dar. Eine Mischform ist die lichtunterstützte Elekt rolyse bzw. die elektrisch unterstützte Fotokatalyse. Beide Begriffe sind synonym zu verwenden, je nach Blickwinkel des Betrachters . Wie auch bei der Photosynthese wird bei diesem Prozess unter Zufuhr von elektrischer Energie ggf. fotounterstützt, welche bevorzugt aus regenerativen Energiequellen wie Wind oder Son ne gewonnen wird, Kohlenstoffdioxid in ein energetisch höher wertiges Produkt wie Kohlenstoffmonoxid, Methan, Ethen oder andere Alkohole umgewandelt. Die bei dieser Reduktion erfor derliche Energiemenge entspricht im Idealfall der Verbren nungsenergie des Brennstoffes und sollte nur aus regenerati ven Quellen stammen.

Derzeit werden einige mögliche Wege zur Herstellung von Ener gieträgern und chemischen Grundstoffen auf Basis regenerati ver Energien diskutiert. Als besonders erstrebenswert gilt die direkte elektrochemische oder photochemische Umsetzung von Kohlenstoffdioxid in Kohlenwasserstoffe oder deren Sauer stoffderivate . Derzeit sind noch keine industrietauglichen Katalysatoren für diese direkten Routen verfügbar. Daher sind mehrstufige Routen in der Diskussion, die durch den höheren technischen Reifegrad der Einzelschritte eine zeitnahe Lösung in Aussicht stellen. Das wichtigste Intermediat in diesen mehrstufigen Wertschöpfungsketten ist dabei das Kohlenstoff monoxid. Es wird gemeinhin als wichtigster Cl-Baustein der synthetischen Chemie betrachtet. Als Synthesegasgemisch, das heißt Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid im Verhältnis größer 2:1 kann es über den Fischertropschprozess zum Aufbau von Kohlenwasserstoffen und zur Methanolsynthese verwendet wer den. Kohlenstoffmonoxidreichere Gasgemische oder reines Koh lenstoffmonoxid werden außerdem für Carbonylierungsreaktionen wie Hydroformulierung durch Carbonsäuresynthese oder Alko- holcarbonylierung verwendet, bei denen die primäre Kohlen stoffkette verlängert wird. Über die Möglichkeit, Kohlen stoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid unter Einbeziehung regene rativer Energiequellen zu erzeugen, wird also eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet, fossile Rohstoffe als Kohlen stoffquelle für viele chemische Produkte teilweise oder voll ständig zu ersetzen. Eine dieser Routen ist die elektrochemische Zerlegung von Kohlenstoffdioxid in Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff. Dabei handelt es sich um ein einstufiges Verfahren, bei dem keine hohen Temperaturen oder Überdruck erforderlich sind. Aller dings handelt es sich um ein relativ komplexes Elektrolyse verfahren, bei dem als Substrat Kohlenstoffdioxid als ein gasförmiges Substrat zugeführt werden muss. Außerdem kann das gasförmige Kohlenstoffdioxid mit den in der Elektrolyse er zeugten Ladungsträgern reagieren und wird daher in den ver wendeten Elektrolyten chemisch gebunden:

Während des Prozesses werden dann diese Carbonate als Folge der Protonenerzeugung an der Anode wieder zerlegt:

Je nach Eduktzusammensetzung und insbesondere beeinflusst durch unterschiedliche Katalysatormaterialien in den Gasdif fusionselektroden können auch andere Reaktion unter Beibehal tung der Reduktion des C02 stattfinden.

Je nach Aufbau der Elektrolysezelle erfolgt die Freisetzung entweder im Elektrolyten, an einer Membrankontaktfläche oder direkt an der Anode. In den ersten beiden Fällen kommt es zur Freisetzung von Gasblasen im ionischen Strompfad, was zu stark erhöhten Zellspannungen und damit zu massiven Einbußen in der Energieeffizienz führen kann. Im letzteren Fall würde an der Anode ein Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff gebildet. Für solche Gemische gibt es aktuell keine Nutzungs möglichkeiten und eine Auftrennung wäre notwendig, aber sehr kostspielig. Klassische Kohlenstoffdioxidabtrennungsverfahren wie Amin- oder Methanolwäschen können aus Sicherheitsgründen nicht angewendet werden. Für derartige elektrochemische Zel len zur Zerlegung von Kohlenstoffdioxid in Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff wird außerdem gereinigtes Kohlenstoffdioxid verwendet. Demnach stellt es einen deutlich Ressourcenverlust dar, wenn Kohlenstoffdioxid über ein an der Anode entstehen des Gasgemisch aus Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid verloren geht. Dieser Ressourcenverlust treibt die Betriebskosten sig nifikant in die Höhe. Darüber hinaus verliert die Technologie bei der überwiegenden Freisetzung von Kohlenstoffdioxid ihren Charakter als grüne Technologie. Eine Rückführung des gesam ten Gases in den Eduktgasstrom ist ineffizient, da der elek trochemisch erzeugte Sauerstoff im Eduktgasstrom wieder zu Wasser reduziert würde und somit die Effizienz des Elektroly sesystems und -Verfahrens vermindern würde.

Aus der DE 102018 210 303 Al sind ein Verfahren zur elektro chemischen Umsetzung eines Gases umfassend CO2 sowie eine Vorrichtung zur elektrochemischen Umsetzung eines Gases um fassend CO2 bekannt, wobei an einer Anode einer Elektrolyse zelle ein Gas umfassend H2 umgesetzt wird.

Die DE 102018 202 184 Al offenbart eine Elektrolysezelle, umfassend einen Kathodenraum umfassend eine Kathode, einen Anodenraum umfassend eine Anode, und einen Salzbrückenraum, der zwischen Kathode und Anode angeordnet ist, wobei die Ka thode und die Anode als Gasdiffusionselektrode ausgebildet sind.

In der US 2012/0228 147 Al sind Verfahren und Vorrichtungen zur elektrochemischen Herstellung von Ameisensäure beschrie ben.

Es besteht also ein Bedarf an einem Kohlenstoffdioxidelektro- lyseur, mittels dem eine elektrochemische Zerlegung von Koh lenstoffdioxid in Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff erfolgen kann, bei dem gleichzeitig die Kohlenstoffdioxidverluste über das an der Anode gebildete Gasgemisch minimiert werden sowie Einträge des Kohlenstoffdioxids in den Elektrolyten möglichst vollständig abgetrennt werden können. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Elektrolyseur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 12.

Der erfindungsgemäße Elektrolyseur gemäß Patentanspruch 1 zur Kohlenstoffdioxidreduktion umfasst eine Elektrolysezelle mit einer Kathodengasdiffusionselektrode sowie mit einer Anoden gasdiffusionselektrode. Die Kathodengasdiffusionselektrode (im Weiteren auch als GDK abgekürzt) grenzt dabei an einer ersten Seite flächig an einen Kathodengasraum an. Ebenso grenzt die Anodengasdiffusionselektrode (GDA) mit einer ers ten Seite flächig an einen Anodengasraum an. Die beiden Gas diffusionselektroden weisen dabei jeweils eine zweite Seite auf, die der jeweils ersten Seite gegenüberliegt, und die mit einem gemeinsamen Elektrolytraum in Verbindung steht. Der Elektrolytraum ist dabei derart ausgestaltet, dass er von der Kathodengasdiffusionselektrode bis zur Anodengasdiffusions elektrode reicht und von den beiden Gasdiffusionselektroden mit ihren den jeweils zugeordneten Gasräumen abgewandten, zweiten Seite zumindest abschnittweise begrenzt wird. Die Anodengasdiffusionselektrode weist eine kationenselektive Be schichtung auf.

Die Elektrolysezelle des Elektrolyseurs gemäß Anspruch 1 weist zwei Gasdiffusionselektroden, nämlich eine Gasdiffusi onselektrode an der Anode (GDA) und eine an der Kathode (GDK) auf. Beide Gasdiffusionselektroden stehen mit einem eigenen, separaten Gasraum in Verbindung, und sie grenzen jeweils die sen separaten Gasraum von einem gemeinsamen Elektrolytraum ab. Die beschriebene Elektrolysezelle des Elektrolyseurs weist somit nur einen Elektrolytraum auf, der auch nicht durch eine Membran oder ein Diaphragma getrennt ist. Der in dem Elektrolytraum befindliche und diesen durchströmenden Elektrolyt steht somit mit beiden Gasdiffusionselektroden in Verbindung .

Es hat sich experimentell herausgestellt, dass der Aufbau ei nes Elektrolyseurs mit diesen beiden wesentlichen Merkmalen, nämlich zwei Gasdiffusionselektroden sowohl an der Anode als auch an der Kathode und ein gemeinsamer, nicht getrennter Elektrolytraum, dazu führt, dass sich Kohlendioxid, das durch die GDK in den Elektrolytraum gelangt, in diesem in übersät tigter Weise lösen kann und aus dem Elektrolytraum abgeführt werden kann, bevor es an der GDA sich mit dem dort entstehen den Sauerstoff vermischt und somit für die weitere Prozesszu fuhr wirtschaftlich unbrauchbar werden würde. An der GDA ent steht wie beschrieben der Sauerstoff, der durch diese hin durch diffundiert und durch den separaten Gasraum der GDA ab geführt wird. Ein Vermischen des erzeugten Sauerstoffes mit dem Kohlendioxid wird somit stark reduziert. Die Reduktion kann bis auf 5 % des Wertes herabgesenkt werden, der bei ei ner herkömmlichen Bauweise mit einer Gasdiffusionselektrode und zwei getrennten Elektrolyträumen üblich ist.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Elektrolyt raum mit einer ElektrolytZuleitung und einer Elektrolytablei tung versehen, die gemeinsam mit einer Pumpvorrichtung einen Elektrolytkreislauf bilden. Es handelt sich hierbei somit auch um einen gemeinsamen Elektrolytkreislauf für den gesam ten Elektrolyseur, der zwei getrennte Elektrolytreservoire bzw. auch eine Neutralisierung der jeweiligen Reservoire überflüssig macht.

Ferner ist in zweckmäßigerweise ein Kathodengasraum und eine Eduktgaszuführvorrichtung zur Zufuhr von Eduktgasen vorgese hen.

Ferner ist es zweckmäßig, im Elektrolytkreislauf eine Kohlen- dioxidabscheidungsvorrichtung einzubauen, wodurch das Kohlen dioxid im Elektrolyten entladen werden kann und durch eine entsprechende weitere vorteilhafte Verbindungsleitung dem Eduktgas wieder zugeführt werden kann.

Ferner weist der Anodenraum in einer vorteilhaften Ausgestal tungsform eine Sauerstoff-Ablassvorrichtung auf. Hierdurch kann Sauerstoff, der durch die Anode in den Anodengasraum ge langt ist, dem Prozess entnommen werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die GDA so ausgestaltet ist, dass sie eine kationenselektive Beschichtung aufweist.

In diesem Fall wird die GDA mit einem ionenleitenden Polymer beschichtet. Dieses kann die entstehenden Protonen in den Elektrolyten leiten, ist allerdings undurchlässig für Gase. Daher können C02 Gasbläschen nicht in den Anodengasraum ge langen und molekularer gasförmiger Sauerstoff der sich an der Anode bildet nicht in den Elektrolyten gelangen. Bevorzugt befindet sich die kationenselektive Beschichtung auf einer Seite, die zum Elektrolytraum gerichtet ist, wodurch ein ef fektiver Transport von Protonen in den Elektrolyt erzielt werden kann.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 8. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: das Einleiten eines kohlendioxidhaltigen Gases in einen Kathodengasraum. Hierbei wird das Kohlendioxid an einer Kathodengasdiffusionselektrode zu Kohlenmonoxid reduziert, wobei die Kathodengasdiffusionselektrode mit einer ersten Seite an den Kathodengasraum anliegt und mit der gegen überliegenden, zweiten Seite an einem Elektrolytraum an liegt. Dabei ist die Kathodengasdiffusionselektrode flä chig ausgestaltet und weist eben die erste und die zweite flächige Seite auf, wobei eben eine Seite am Kathodengas raum und die andere Seite an dem Elektrolytraum anliegt.

Der Elektrolytraum wird dabei von einem flüssigen Elektro lyten durchströmt, in dem wiederum Kohlendioxid gelöst wird.

Ferner wird an einer Anodengasdiffusionselektrodenoberflä che molekularer Sauerstoff frei, der durch eine Anodengas diffusionselektrode diffundiert. Sowohl die Kathodengasdiffusionselektrode als auch die Anodengasdiffusionselektrode grenzen mit der jeweils zwei ten Seite an dem gemeinsamen Elektrolytraum an.

Im Weiteren wird der Elektrolyt außerhalb des Elektroly traums von dem darin gelösten CO2 entladen.

Die Anodengasdiffusionselektrode weist im Verfahren eine ka tionenselektive Beschichtung auf. Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur das erfindungsgemäße Verfah ren durchgeführt. Ausführungsformen, die bezüglich des Elekt rolyseurs beschrieben wurden, können entsprechend im erfin dungsgemäßen Verfahren Anwendung finden, und vice versa.

Wie bereits bezüglich des Patentanspruchs 1 erwähnt ist, weist auch das beanspruchte Verfahren das besondere Merkmal auf, dass der Elektrolytraum ein gemeinsamer Elektrolytraum sowohl der Kathode als auch der Anode ist und demnach keine entsprechende Trennung wie beispielsweise eine Membran oder Diaphragma aufweist. Ferner ist sowohl die Anode als auch die Kathode jeweils als Gasdiffusionselektrode, GDA und GDK, aus gestaltet. Dies bewirkt, dass Sauerstoff, der bei dem Prozess im Elektrolyten frei wird, als molekularer Sauerstoff durch die Anodengasdiffusionselektrode hindurch diffundieren kann und dabei sich nicht mit dem ebenfalls im Elektrolyten ent stehenden Kohlendioxid vermischt. Das hat wiederum zur Folge, dass das Kohlendioxid im Elektrolyten in übersättigter Form vorliegen kann und aus dem Elektrolytraum hinausgeführt wer den kann und außerhalb des Elektrolytraums vom Elektrolyten entladen werden kann. Dieses so entladene Kohlendioxid kann dem Prozess als Eduktgas wieder zugeführt werden, was den Ge samtprozess deutlich wirtschaftlicher gestaltet.

Bei dem beschriebenen Verfahren ist es zweckmäßig, dass der PH-Wert des Elektrolyten im sauren Bereich liegt, wobei hier bei ein leicht saurer Bereich zwischen einem PH-Wert zwischen 7 und 2 angestrebt ist. Der Elektrolyt ist insbesondere ein wässriger Elektrolyt.

Ferner ist es zweckmäßig, dass ein Gasvolumenstrom des Koh lendioxids an der Gasdiffusionskathode mindestens 5-mal so groß ist, insbesondere 15-mal so groß ist wie an der Gasdif fusionsanode. Dies führt zu weiteren Steigerungen der Wirt schaftlichkeit des Prozesses.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Beispiele und Merk male der Erfindung werden im Rahmen der folgenden Figurenbe schreibung näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Beschränkung des Schutzbereichs darstellen.

Dabei zeigen:

Figur 1 ein Elektrolyseur mit schematischer Darstellung der einzelnen Prozessvorrichtungen,

Figur 2 eine sehr schematische Darstellung des Stoffflusses in dem Elektrolyseur nach Figur 1 mit der Darstel lung der einzelnen chemischen Komponenten

Figur 3 einen Querschnitt durch eine Anodengasdiffusions elektrode und

Figur 4 ein Diagramm mit der Darstellung des Gasvolumen stromes an verschiedenen Bereichen im Elektroly seur.

Der Elektrolyseur 2 gemäß Figur 1 ist dort in sehr schemati scher Weise bezüglich seines Aufbaus dargestellt. Der Elekt rolyseur 2 umfasst eine Elektrolysezelle 4, in der wiederum zwei Gasdiffusionselektroden angeordnet sind. Dabei handelt es sich um eine Kathodengasdiffusionselektrode 6 (im Weiteren GDK genannt). Ferner ist eine Anodengasdiffusionselektrode 8 vorgesehen, die im Weiteren GDA genannt wird. Beide Gasdiffu- sionselektroden 6, 8 sind als flächige Gebilde ausgestaltet, die jeweils zwei flächige Seiten aufweisen, und dabei einen Gasraum von einem Elektrolytraum 16 trennen. Im Einzelnen ist dies folgendermaßen ausgestaltet:

Die GDK 6 weist eine erste Seite 12 auf, die mit einem Katho dengasraum 10 in Verbindung steht bzw. diesen zumindest teil weise von dem Elektrolytraum 16 abgrenzt. Der Elektrolytraum 16 wiederum steht dabei mit einer zweiten Seite 18 der GDK 6 in Verbindung. Ferner weist die GDA 8 ebenfalls eine zweite Seite 19 auf, die den Elektrolytraum 16 von der anderen Seite her begrenzt. Die erste Seite der GDA 13 wiederum grenzt an einen weiteren Gasraum, nämlich den Anodengasraum 14 an. Die beiden Gasdiffusionselektroden 6, 8 begrenzen somit zumindest teilweise den Elektrolytraum 16 von zwei Seiten. Das Besonde re an dem beschriebenen Aufbau besteht darin, dass der Elekt rolytraum 16 im Gegensatz zu anderen Elektrolyseuraufbauten bzw. Elektrolysezellen nach dem Stand der Technik keine Tren nung zwischen den beiden Elektroden aufweist. Zwischen der GDK 6 und der GDA 8 existiert nur ein gemeinsamer Elektrolyt raum 16. Es existiert dabei kein durchgehendes Gebilde wie beispielsweise eine Membran oder ein Diaphragma. Ein flüssi ger Elektrolyt 42, der sich im Betriebszustand im Elektrolyt raum 16 befindet, steht in direkter Verbindung sowohl mit der zweiten Seite 18 der GDK 6 als auch mit der zweiten Seite 19 der GDA 8.

Somit weist die beschriebene Elektrolysezelle 42 wesentliche Merkmale auf. Zum einen werden anstatt der üblichen einen Gasdiffusionselektrode als Kathode in dem beschriebenen Fall zwei Gasdiffusionselektroden verwendet, hierbei ist somit auch die als GDA 8 ausgestaltete Anode eine Gasdiffusions elektrode. Ferner besteht nur ein gemeinsamer Elektrolytraum für beide Elektroden. Auf die Wirkungsweise dieses Aufbaus wird noch eingegangen werden.

Zunächst sei bezüglich Figur 1 noch erläutert, dass ein Elektrolytkreislauf 26 vorgesehen ist, der sowohl eine Elekt- rolytZuleitung 20 als auch eine Elektrolytableitung 22 sowie eine Pumpvorrichtung 24 umfasst. Ferner ist im Elektrolyt kreislauf 26 eine CCh-Abscheidevorrichtung 32 vorgesehen, die wiederum über eine Verbindungsleitung 34 ggf. über eine CO2- Aufbereitungsvorrichtung 46 zu einer Eduktgaszuführvorrich- tung 28 führt. Ferner ist in dem Elektrolytkreislauf 26 ein Elektrolytreservoir 44 vorgesehen.

Für die Versorgung der Elektrolysezelle 4 bzw. des Elektroly seurs 2 mit Edukten und die Abfuhr von Produkten ist, wie be reits erwähnt, die Eduktzuführvorrichtung 28 vorgesehen, in der ein Eduktgas 40, das Kohlendioxid umfasst, in den Katho dengasraum 10 eingeleitet wird. Der Kathodengasraum 10 um fasst im Weiteren eine Produktgasauslassvorrichtung 30, in der das während des Prozesses entstandene Kohlenmonoxid und überschüssiges Kohlendioxid ausgeleitet werden. Ferner um fasst die Elektrolysezelle noch den Anodengasraum 14, der ei ne Sauerstoffablassvorrichtung 36 aufweist. Die Spannung U wird zwischen den beiden Gasdiffusionselektroden 6 und 8 an gelegt. Die Anodengasdiffusionselektrode weist in einer er findungsgemäßen Ausgestaltung eine kationenselektive Be schichtung auf (nicht gezeigt).

In Figur 2 ist der bezüglich Figur 1 beschriebene Elektroly seur 2 noch einmal schematischer dargestellt, wobei unter Verwendung der chemischen Symbole der Reaktionsverlauf und der Stofffluss veranschaulicht werden soll. Hierbei wird als Eduktgas im Wesentlichen Kohlendioxid in den Kathodengasraum 10 eingeleitet und an der ersten Oberfläche 12 der GDK zumin dest teilweise zu Kohlenmonoxid reduziert und durch die be schriebene Produktgasauslassvorrichtung 30 wieder abgeleitet. Da es bei den meisten Prozessabläufen nicht zu einer voll ständigen Reduktion des gesamten Kohlendioxides (CO2) zu Koh lenmonoxid (CO) kommt, wird in der Auslassvorrichtung 30 so wohl Kohlendioxid als auch Kohlenmonoxid ausgelassen, die später voneinander getrennt werden. Wie durch die chemischen Gleichungen Gl. 1 bis Gl.4 beschrieben ist, gelangt das Koh lendioxid auch durch die GDK 6 in den Elektrolytraum 16, wo es mit dem dort vorliegenden Wasser zu Hydrocarbonatanionen reagiert (vgl. Gleichung 1 und Gleichung 2).

Im Gegensatz dazu entstehen an der GDA sowohl Protonen als auch molekularer Sauerstoff (vgl. Gleichung 3), wobei die Protonen mit den Carbonationen zu Kohlendioxid und Wasser re agieren (Gleichung 4).

Das so zurückgewonnene Kohlendioxid wird im Elektrolyten 42 ggf. stark übersättigt gelöst und mit diesen aus der Elektro lysezelle 2 bzw. dem Elektrolytraum 16 ausgeleitet. Das aus geleitete Kohlendioxid kann dabei im Elektrolytkreislauf 26 in der beschriebenen C0 2 -Abscheidevorrichtung 32 wieder aus dem Elektrolyt 42 entfernt werden und dem Eduktgas 40 wieder zugeführt werden. Hierbei kann ggf. noch eine Aufbereitung des Kohlendioxids in einer Aufbereitungsvorrichtung 46 statt finden.

An der GDA 8 entsteht dabei, wie bereits auch in Gleichung 3 zu sehen ist, molekularer Sauerstoff (0 2) , der durch die GDA 8 diffundieren kann und damit in den Anodengasraum 14 gelangt und über die Sauerstoffablassvorrichtung 36 entweichen kann. Erst durch die Ausgestaltung der Anoden in Form einer GDA 8 ist es möglich, dass der bei dem Prozess zwangsweise entste hende molekulare Sauerstoff sich nicht mit dem Kohlendioxid im Elektrolyten vermischt und von diesem später wieder ge trennt werden muss. Die GDA 8 ist dabei, wie in Figur 3 dar gestellt, mit einer hydrophoben Schicht 38 versehen, so dass der molekulare Sauerstoff durch die GDA 8 diffundieren kann, das flüssige Wasser jedoch durch die erwähnt hydrophobe Schicht 38 zurückgehalten wird. Wie beschrieben, wird das Kohlendioxid in einer relativen reinen Form im Elektrolyten 42 gelöst und kann aus diesem wieder entnommen werden und dem Prozess erneut zugeführt wer den. Eine aufwendige Trennung eines Kohlendioxid- Sauerstoffgemisches ist dabei nicht nötig, weshalb somit der Prozess deutlich effizienter gestaltet wird.

Bei einer herkömmlichen Prozessführung geht man davon aus, dass etwa die Hälfte des eingebrachten Kohlendioxids über den Prozess, insbesondere durch die Mischung mit molekularem Sau erstoff zumindest wirtschaftlich während des Prozesses verlo rengeht. Unter wirtschaftlich verlorengehen wird verstanden, dass es nicht rentabel ist, das bereits verunreinigte Kohlen dioxid wieder unter betriebswirtschaftlichen Maßstäben renta bel von dem Sauerstoff zu trennen.

Um dies zu veranschaulichen sind in Figur 4 die Gasvolumen ströme 50 der Wesentlichen an dem Prozess beteiligten Gase (O2, CO, CO2 sowie H2) an den einzelnen Elektroden bzw. im Elektrolyt dargestellt. Die einzelnen Gasvolumenströme 50 sind anhand verschiedener Schraffierungen zu erkennen. Dabei ist insbesondere der Gasvolumenstrom 51 des Kohlendioxids von Interesse. Wie an dem linken Balken, der den Gasvolumenstrom 52 an der GDK 6 veranschaulicht, herrscht hier ein sehr hoher Kohlendioxidanteil vor, aber auch der wesentliche Kohlenmono xidanteil ist an dieser Stelle, also an der GDK, vorhanden. Auch der Gasvolumenstrom 54 im Elektrolyten 42 (mittlerer Balken) zeigt ein hohen Kohlendioxidgasvolumenstrom, dort ist nur sehr wenig Kohlenmonoxid mit enthalten. Dies zeigt, dass der Elektrolyt nahezu nur Kohlendioxid als Gas, wie bereits beschrieben, in gesättigter Form aufnimmt, das im weiteren Verfahrensverlauf wieder vom Elektrolyten 42 abgetrennt wird. Der Gasvolumenstrom 56 an der GDA 8 weist dabei einen nur sehr geringen Anteil des Gasvolumenstroms 51 des Kohlendioxi des auf. Bei einer guten Prozessführung kann dieser lediglich nur ein 20igstel des Gasvolumenstromes 51 an der GDK 6 betra gen. Das bedeutet, dass über die GDA 8 lediglich nur ein 20igstel des eingesetzten Kohlendioxides gemeinsam mit dem Sauerstoff abgeleitet und somit verlorengeht. Wie bereits dargelegt, beträgt dieser Wert bei herkömmlichen Prozessen bis zu 50 % des eingesetzten Kohlendioxides.

Die Figur 4 veranschaulicht also, dass die getroffenen Maß nahmen bei dem hier vorgestellten CCh-Elektrolyseurs 2, näm lich die Verwendung von zwei Gasdiffusionselektroden, als GDK 6 und GDA 8 und einen von diesen gemeinsamen eingeschlossenen Elektrolytraum 16 dazu führt, dass der Verlust an Kohlendi oxid bei der Elektrolyse von ca. 50 % auf etwa 5 % oder auch noch weniger reduziert werden kann. Letztendlich bedeutet ist die Reduktion des Verlustes an Kohlendioxid von mehr als 90 %.

Die GDA 8 weist dabei eine hydrophobe Schicht 38 auf, die ein Durchdringen des Elektrolyten 42, der insbesondere auf wäss riger Basis besteht, verhindert. Der molekulare Sauerstoff kann jedoch durch die Poren der GDA 8 in den Anodengasraum 14 diffundieren.

Da CO2 in wässriger Lösung auch in stark übersättigter Kon zentration vorliegen kann, muss das durch die Neutralisation vorliegende CO2 (Gleichung 4) nicht zwangsläufig in den Elektrolytraum 16 zur Gasblasenbildung führen. Insbesondere durch die geringen Konzentrationen an anodisch gebildetem H + und kathodisch gebildetem Carbonaten ist die Neutralisation über den gesamten Elektrolytraum 16 verteilt. Durch die mög liche Übersättigung wird die Ausgasung auf den gesamten Elektrolyten 42 im Elektrolytraum 16 sowie den Elektrolyt kreislauf 26, der auch das Elektrolytreservoir 44 umfasst, verteilt. Die im Elektrolyten 42 vorliegenden CO2-Bläschen können vom Elektrolyten 42 vor Eintritt in die Elektrolyse zelle abgetrennt werden. Dies erfolgt in der beschriebenen C0 2 -Abscheidevorrichtung 32. Damit wird die Freisetzung des chemisch durch die Kathodenreaktion gebundenen Kohlendioxids verteilt und nur ein kleiner Teil der Gasblasen wird tatsäch lich im Elektrolytraum 16 frei. Für die im Elektrolytraum 16 freiwerdenden Kohlendioxidbläs chen gibt es dabei drei Möglichkeiten:

Sie kommen mit der GDK 6 in Kontakt und werden von dieser absorbiert. In diesem Fall wird das Kohlendioxid der Reak tion wieder zur Verfügung gestellt. Dieser Fall ist für den Prozessablauf vorteilhaft.

Die CO2-Bläschen kommen mit der GDA in Kontakt und werden von dieser absorbiert. In diesem Fall vermischt sich das durch die Reaktion eingelöste Kohlendioxid mit dem ano disch gebildeten Sauerstoff im Anodengasraum 14. Dieser Teil entspricht dem Gasvolumenstrom 51 des Kohlendioxids im rechten Balken 56 der Figur 4. Dieses Kohlendioxid kann für den Prozess als verloren angesehen werden.

Im dritten möglichen Fall kommen die C0 2 -Gasbläschen mit keiner der beiden Gasdiffusionselektroden 6, 8 in Kontakt und werden mit dem Elektrolyten 42 aus der Elektrolysezel- le 4 getragen. Dieser Teil des Kohlendioxids kann mit dem restlichen Elektrolyten 42 wie beschrieben vom flüssigen Elektrolyten 42 abgetrennt werden und nach einer eventuel len Aufbereitung (CCb-Aufbereitungsvorrichtung 46) dem Gaskreislauf, insbesondere dem Eduktgas 40 über die Ver- bindungsleitung 34 wieder zur Verfügung gestellt werden.

Bezugszeichenliste

2 Elektrolyseur

4 Elektrolysezelle

6 Kathodengasdiffussionselektrode (GDK)

8 Anodengasdiffussionselektrode (GDA)

10 Kathodengasraum

12 erste Seite GDK

13 erste Seite GDA

14 Anodengasraum

16 Elektrolytraum

18 zweite Seite GDK

19 zweite Seite GDA

20 ElektrolytZuleitung

22 Elektrolytableitung

24 Pumpvorrichtung

26 Elektrolytkreislauf

28 Eduktgaszuführung

30 Produktgasauslassvorrichtung

32 CCb-Abscheidevorrichtung

34 Verbindungsleitung

36 Sauerstoffablassvorrichtung

38 hydrophobe Beschichtung

40 Eduktgas

42 Elektrolyt

44 Elektrolytreservoir

46 CCb-Aufbereitung

48 Produktgas

50 Gasvolumenstrom

51 Gasvolumenstrom CO2

52 Gasvolumenstrom GDK

54 Gasvolumenstrom Elektrolyt

56 Gasvolumenstrom GDA