Druckhaltung in einer Elektrolvseanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Kohlenstoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Kohlenstoffmonoxid, ein wichtiger Ausgangsstoff der chemischen Industrie, kann grundsätzlich mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise ist eine Dampfreformierung oder eine Trockenreformierung von Erdgas oder anderen kohlenstoffreichen fossilen Ausgangsstoffen möglich.

Angesichts steigender Rohstoffpreise und einer immer relevanter werdenden Nachhaltigkeitsbetrachtung ist die Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid eine interessante Alternative zur Herstellung von Kohlenstoffmonoxid, da diese zumindest grundsätzlich mit negativem Kohlenstoffdioxid-Fußabdruck betrieben werden kann und nicht von anderen Rohstoffen abhängig ist.

Je nach Prozessführung können dabei neben Kohlenstoffmonoxid auch weitere Wertprodukte, beispielsweise Sauerstoff und/oder Wasserstoff, gebildet werden.

Beispielsweise laufen bei einer Niedertemperatur-Ko-Elektrolyse an einer Protonen- Austausch-Membran (Proton Exchange Membrane, PEM) vereinfacht dargestellt folgende Reaktionen ab:

Kathode: C0 ₂ + 2 e- + 2 H ⁺ — CO + H ₂ 0

2 e- + 2 H ⁺ — H ₂

Anode: H ₂ 0 -» ¹ / ₂ 0 ₂ + 2 H ⁺ + 2 e-

Bei diesem PEM-basierten Konzept werden Protonen über eine Membran selektiv von der Anoden- zur Kathodenseite übertragen. An der Kathode konkurrieren dann die Wasserstoff- und die Kohlenstoffmonoxid-Bildungsreaktion, was ein Produktgas mit unterschiedlichem Wasserstoff/Kohlenstoffmonoxid-Verhältnis zur Folge hat. Es kann dabei auch nahezu reines Kohlenstoffmonoxid erzeugt werden.

Derartige Elektrolyseverfahren sind beispielsweise auch in der WO 2016/124300 A1 und der WO 2016/128323 A1 beschrieben. Ferner kann auf einschlägige Fachartikel wie C. Delacourt et al. , Journal of the Electrochemical Society, 155 (1) B42-B49 (2008), Q. Lu, F. Jiao, Electrochemical CO2 reduction: Electrocatalyst, reaction mechanism, and process engineering, Nano Energy (29) 439-456 (2016) und T. Haas et al., Nature Catalysis (1), 32-39, 2018, verwiesen werden.

In der Regel erfolgt bei keiner der erwähnten Varianten ein vollständiger Umsatz von Kohlenstoffdioxid (und Wasser), so dass anschließend an die Elektrolyse eine Trennung von Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid erfolgen muss, um Kohlenstoffdioxid zu rezyklieren.

Eine besonders interessante Anwendung der Kohlenstoffdioxidelektrolyse stellt die Vorortproduktion von Kohlenstoffmonoxid dar, wobei für kleine bis mittlere Produktionsmengen eine membranbasierte Kohlenstoffdioxid-Abtrennung durch die moderaten Investitionskosten sehr vorteilhaft ist. Im kleinen bis mittleren Kohlenstoffmonoxid-Produktionsmaßstab spielt oft auch die Flexibilität der Anlage eine entscheidende Rolle, entweder aufgrund eines sich zeitlich ändernden Kohlenstoffmonoxid-Bedarfs, etwa wenn Kohlenstoffmonoxid als Ausgangsstoff bei Batchprozessen erforderlich ist, oder um am schwankenden Energiemarkt partizipieren zu können um die Kohlenstoffmonoxid-Produktionskosten zu reduzieren. Besonders Niedertemperaturelektrolyseure sind durch ihre schnelle Dynamik ausgesprochen gut für einen flexiblen Betrieb geeignet.

Allerdings ist in herkömmlichen Anlagen zur Kohlenstoffdioxidelektrolyse, insbesondere mit gemischten Elektrolyten, ein Schlupf von Kohlenstoffdioxid in das Anodengas (das im Wesentlichen Sauerstoff enthält) zu beobachten, so dass dessen Reinheit häufig für die gewünschten Zwecke nicht ausreicht. Eine Aufreinigung ist insbesondere bei kleineren Anlagen häufig nicht wirtschaftlich. Vor allem aber geht dadurch ein beträchtlicher Teil des Edukts verloren, was die Kohlenstoffdioxidelektrolyse in solchen Fällen insgesamt unattraktiv macht. Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Kohlenstoffdioxidelektrolyse insbesondere auch in solchen Fällen vorteilhaft nutzen zu können.

Offenbarung der Erfindung

Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Kohlenstoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Verwendung einer Elektrolyseeinrichtung, die einen Anodenraum, einen Kathodenraum und einen Gasraum aufweist, wobei der Anodenraum von dem Kathodenraum durch eine ionenleitende Membran und der Kathodenraum von dem Gasraum durch eine Gasdiffusionselektrode getrennt ist. Der Kathodenraum ist, mit anderen Worten, zwischen dem Anodenraum und dem Gasraum, die ionenleitende Membran zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum und die Gasdiffusionselektrode zwischen dem Kathodenraum und dem Gasraum angeordnet.

Der Anodenraum wird bei einem Anodenraumdruck, der Kathodenraum bei einem Kathodenraumdruck und der Gasraum bei einem Gasraumdruck betrieben, wobei dem Anodenraum ein flüssiger Anolyt, dem Kathodenraum ein flüssiger Katholyt sowie dem Gasraum gasförmiges Kohlenstoffdioxid zugeführt wird.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass Gase, insbesondere Kohlenstoffdioxid, im überkritischen Zustand im Rahmen dieser Offenbarung als "gasförmig" angesehen werden. Ist also von einem "gasförmigen" Stoff die Rede, soll derselbe Stoff im überkritischen Zustand ebenso umfasst sein.

An der Gasdiffusionselektrode wird ein erster Teil des dem Gasraum zugeführten Kohlenstoffdioxids zu Kohlenstoffmonoxid umgesetzt, während ein zweiter Teil des Kohlenstoffdioxids durch die Gasdiffusionselektrode hindurch in den Katholyten Übertritt. (Ein weiterer Teil kann den Gasraum unumgesetzt durchlaufen.) Das auf diese Weise gebildete und im Gasraum vorliegende Kohlenstoffmonoxid wird aus dem Gasraum in Form eines Rohgases ausgeleitet. Der zweite Teil des Kohlenstoffdioxids wird zumindest teilweise mit dem Katholyten aus dem Kathodenraum ausgeleitet, zumindest teilweise aus dem Katholyten entfernt, und ohne mechanische Verdichtung in den Gasraum zurückgeführt.

Dabei wird der Gasraumdruck auf einen Druck gehalten, der erfindungsgemäß 100 kPa unterhalb bis 10 kPa oberhalb, des Kathodenraumdrucks liegt. Durch ein Einstellen entsprechender Drücke auf diese Weise kann ein Übertreten von Kohlenstoffdioxid in den Katholyten verringert werden und es kann auf wartungs- und investitionsintensive Verdichter für das Rezyklieren des nicht umgesetzten Kohlenstoffdioxids aus dem Katholyten verzichtet werden. Der Kathodenraumdruck liegt dabei vorteilhafterweise in einem Bereich, der sich aus den unten angegebenen Gasraumdrücken ergibt.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt der Gasraumdruck 100 kPa unterhalb bis 5 kPa unterhalb des Kathodenraumdrucks, insbesondere in einem Bereich von 100 kPa bis 10 kPa, von 100 kPa bis 20 kPa, von 100 kPa bis 30 kPa, von 100 kPa bis 40 kPa, speziell von 100 kPa bis 50 kPa unterhalb des Kathodenraumdrucks. In dieser Alternative kann durch ein entsprechendes Druckgefälle über die Gasdiffusionselektrode ein Übertreten von Kohlenstoffdioxid besonders sicher verhindert werden, wenn eine ausreichend druckstabile Gasdiffusionselektrode in dem Verfahren verwendet wird. Das Druckniveau des Gasraums ist dabei dennoch hoch genug, um einen Austritt des Katholyten in den Gasraum zu verhindern.

In einer anderen Alternative der vorliegenden Erfindung können die Drücke im Kathodenraum und Gasraum auch im Wesentlichen gleich sein, d.h. der Gasraumdruck liegt dann insbesondere 10 kPa unterhalb bis 10 kPa oberhalb des Kathodenraumdrucks. Wie nachfolgend erläutert, können auch in dieser Ausgestaltung besondere Vorteile erzielt werden. Insbesondere kann auch in einer derartigen Ausgestaltung auf eine Rückverdichtung verzichtet werden.

In allen Fällen ergibt sich durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung eine einfachere Ausgestaltung des Elektrolyseverfahrens, die auch eine Verwendung in den eingangs erläuterten Einsatzszenarien vorteilhaft macht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der soeben erläuterten Ausführungsform liegt der Anodenraumdruck zwischen 10 kPa unterhalb und 10 kPa oberhalb des Kathodenraumdrucks. Die drei Drücke sind einander damit sehr ähnlich oder gleichen einander im Wesentlichen. Dadurch wird die Membran zwischen dem Anoden- und dem Kathodenraum entlastet.

In alternativen Ausgestaltungen kann der Anodenraumdruck auch deutlich unter dem Kathodenraumdruck liegen, insbesondere wenn die Elektrolyse unter Verwendung eines Hochdruckelektrolyseurs durchgeführt wird. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Membran, die den Anoden- vom Kathodenraum trennt, durch den großen Druckunterschied keinen Schaden nimmt. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung einer PEM, wie sie in dieser Anmeldung an anderem Ort beschrieben ist, gegebenenfalls in Verbindung mit einem entsprechenden mechanischen Stützelement, realisiert werden. Beispielsweise kann daher der Anodenraumdruck bis zu 7 MPa unterhalb des Druckniveaus, auf dem Anoden- und Gasraum betrieben werden, liegen. Dies bietet den Vorteil, dass der Sauerstoff, der auf der Anodenseite gebildet wird, auf einem niedrigen Druckniveau anfällt, was sicherheitstechnisch erstrebenswert ist und die Materialauswahl für Bauteile auf Anodenseite erheblich erleichtert.

Vorteilhafterweise wird Sauerstoff, der bei der Elektrolyse gasförmig oder in dem Anolyten gelöst in dem Anodenraum entsteht, zumindest teilweise mit dem Anolyten aus dem Anodenraum ausgeleitet, aus dem Anolyten entfernt und über ein Stellventil aus dem Verfahren ausgeschleust. Dadurch wird eine effiziente Prozessführung sowie eine Einstellung des Anodenraumdrucks ermöglicht bzw. erleichtert.

Insbesondere können Eingangsgrößen, die beispielsweise den Anodenraumdruck sowie den Kathodenraumdruck und/oder den Gasraumdruck kennzeichnen, erfasst und der Anodenraumdruck durch Stellen des Stellventils verändert werden. Dies kann in gesteuerter, geregelter oder durch einen Bediener manuell einstellbarer Weise erfolgen, wobei vorzugsweise die erfassten Eingangsgrößen berücksichtigt werden. Besonders bevorzugt kann durch einen Vergleich der durch die Eingangsgrößen gekennzeichneten Drücke eine optimale Stellung des Stellventils ermittelt werden. Dadurch wird eine präzise Steuerung des Verfahrens möglich, so dass die Gesamteffizienz maximiert werden kann. Auch eine automatisierte Verfahrensführung ist damit möglich, da die Steuerung bzw. Regelung von einer Recheneinheit, die entsprechend programmiert ist, übernommen werden kann. Eine weitere Möglichkeit stellt die Auslegung des Stellventils auf einen vordefinierbaren Druckverlust dar, wobei sich eine Selbstregulierung über die Strömungsgeschwindigkeit durch das Ventil ergibt. Diese Alternative ist besonders robust und wartungsarm.

Das dem Gasraum zugeführte Kohlenstoffdioxid kann neben frischem und/oder aus dem Katholyten rezykliertem Kohlenstoffdioxid weitere Gasanteile, beispielsweise Inertgase wie Stickstoff und/oder Argon oder elektrolysierbare Gase wie Wasserdampf, enthalten. Dadurch kann die Zusammensetzung des Verfahrensprodukts eingestellt und/oder die Druckeinstellung erleichtert werden, insbesondere in einem Fall, in dem Kohlenstoffdioxid in schwankenden Mengen zur Verfügung steht.

Der Frischeinsatz kann an geeigneter Stelle in die Anlage eingespeist weden. So kann beispielsweise eine Einspeisung direkt in den Gasraum erfolgen, eine Zusammenführung des Frischeinsatzes mit dem aus dem Katholyten rezyklierten Kohlenstoffdioxid kann jedoch auch stromauf des Gasraumes oder in einen für die Entfernung des Kohlenstoffdioxids aus dem Katholyten vorgesehenen Gasabscheider erfolgen. In letzterem Fall ist insbesondere darauf zu achten, dass der Frischeinsatz oberhalb des Flüssigkeitsspiegels eingeleitet wird, um ein zusätzliches Lösen von Kohlenstoffdioxid aus dem Frischeinsatz in dem Katholyten zu vermeiden. Diese Anordnung ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn das aus dem Katholyten abgetrennte Kohlenstoffdioxid einen zu geringen Druck aufweist, der Gasraum also insbesondere auf einem Druckniveau betrieben wird, das unterhalb des Druckniveaus des Katholytraumes liegt. Auch können Druckschwankungen in dem Frischeinsatz in einer solchen Anordnung zumindest teilweise kompensiert oder aufgefangen werden, da in dem Gasabscheider ein größeres Volumen zur Verfügung steht, als beispielsweise in einer einfachen Rohrleitung. Auch Ventile, die zur Steuerung zwischen Gasabscheider und der Elektrolyse vorgesehen sein können, können die Wirkung von Druckschwankungen im Frischeinsatz auf den Gasraum und damit auf die Gasdiffusionselektrode vorteilhaft reduzieren.

Wie eingangs erwähnt kann in einigen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ferner Wasserstoff gebildet werden, der vorzugsweise zusammen mit dem Kohlenstoffmonoxid aus dem Gasraum ausgeleitet wird. Dadurch kann ein Produkt des Verfahrens mit einer an verschiedene Anforderungen angepassten Zusammensetzung gezielt hergestellt werden.

Besonders bevorzugt wird der Gasraumdruck auf ein Druckniveau in einem Bereich zwischen 110 kPa und 7 MPa eingestellt. Dadurch kann das Verfahren flexibel an Anforderungsveränderungen angepasst werden, so dass beispielsweise das Verfahrensprodukt jeweils auf einem Druckniveau anfällt, das einem Eingangsdruckniveau eines weiterverarbeitenden Prozesses entspricht.

Unter einem Druckniveau ist dabei ein Druck innerhalb eines Druckbereichs zu verstehen, dessen Grenzen sich um höchstens 1 %, 2 %, 5 %, 10 % oder 20 % von einem mittleren Wert des jeweiligen Druckbereichs unterscheiden. Ein Druckniveau von beispielsweise 1 MPa liegt dementsprechend in einem Bereich von mindestens 800 kPa bis maximal 1,2 MPa.

Bevorzugt enthält der Anolyt zumindest Wasser und/oder besteht zu einem weit überwiegenden Teil daraus. Dies stellt eine besonders kostengünstige und einfach zu beschaffende Variante dar. Es kann auch in einigen alternativen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass der Anolyt in Form einer (ionenleitenden) Elektrode bereitgestellt ist, soweit die Trennung vom Katholytkreislauf gewährleistet ist.

Der Katholyt enthält bevorzugt Wasser und/oder eine wässrige Lauge, beispielsweise eine wässrige Lösung von Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Strontiumcarbonat, Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Strontiumhydroxid und/oder Ammoniak. Dadurch kann das Verfahren flexibel auf die jeweils geforderte Zusammensetzung des Produktes angepasst werden, da beispielsweise die Bildung von Wasserstoff an der Gasdiffusionselektrode durch den Einsatz eines basischen Katholyten weitestgehend unterbunden werden kann.

Andere Elektrolyten, wie beispielsweise wässrige Salzlösungen, organische Salzlösungen, sog. ionische Flüssigkeiten oder auch Elektrolyten auf der Basis von überkritischem Kohlenstoffdioxid sind jedoch ebenso möglich und in einigen Ausgestaltungen der Erfindung vorteilhaft vorgesehen. Vorzugsweise wird die Elektrolyse unter Verwendung einer Niedertemperatur-Ko- Elektrolyse, einer Niedertemperatur-Elektrolyse, einer Niederdruck-Elektrolyse und/oder einer Hochdruckelektrolyse durchgeführt, da hierdurch wiederum das Verfahren an die geforderte Produktqualität und/oder die zur Verfügung stehenden Ausgangsstoffe angepasst werden kann.

Wie bereits erwähnt betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Anlage, zu deren Merkmalen ausdrücklich auf die obigen, auf das erfindungsgemäße Verfahren bezogenen Ausführungen verwiesen sei. Insbesondere weist die Anlage eine entsprechend druckstabile Gasdiffusionselektrode auf, wenn mit einem Druckgefälle zwischen Kathodenraumdruck und Gasraumdruck gearbeitet wird. Die zuvor beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungsformen gelten für die Anlage in sinngemäß entsprechender Weise. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird hier auf eine Wederholung derselben verzichtet.

Insbesondere ist die Gasdiffusionselektrode so gestaltet, dass sich die Phasengrenze zwischen dem gasförmigen Kohlenstoffdioxid und dem in der Regel flüssigen Katholyten innerhalb der Elektrode befindet. Dazu kann beispielsweise eine Porengrößenverteilung und/oder eine Hydrophobizität der Gasdiffusionselektrode gezielt so eingestellt werden, dass dies für den geplanten Druckunterschied zwischen Gasraum und Kathodenraum gewährleistet ist.

Ausgestaltungen der Erfindung

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolyseeinrichtung schematisch darstellt.

Die in Figur 1 schematisch dargestellte Elektrolyseeinrichtung 100 umfasst eine Elektrolysezelle, die in drei Räume aufgeteilt ist: einen Anodenraum 10, einen Kathodenraum 20 sowie einen Gasraum 30. Der Anodenraum 10 ist von dem Kathodenraum 20 durch eine ionenleitende Membran M, der Kathodenraum von dem Gasraum durch eine Gasdiffusionselektrode K abgegrenzt. Die Membran M kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (PEM), Kationenaustauschmembran, Anionenaustauschmembran, Glasfritte, Keramik-, Metall oder Polymermembran oder eine andere geeignete selektiv oder unselektiv permeable Membran ausgebildet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine PEM verwendet.

Die Gasdiffusionselektrode K kann als mikro-, meso- und/oder makroporöse metallische Elektrode, als Sinterelektrode, als polymergebundene Elektrode oder auch als Elektrode aus elektrisch leitfähigem Kunststoff ausgeführt sein, wobei bevorzugt polymergebundene Elektroden mit Kohlenstoff, Silber oder Mangan als elektrisch leitfähigem Katalysator eingesetzt werden.

Im gezeigten Beispiel wird ein Anolyt 8 in Form eines Anolyt-Vorlaufs 12, der im Wesentlichen aus Wasser besteht, in den Anodenraum 10 eingespeist und als Anolyt- Rücklauf 11 dem Anodenraum 10 entnommen.

In den Kathodenraum 20 wird ein Katholyt 4 in Form eines Katholyt-Vorlaufs 7 eingespeist und diesem als Katholyt-Rücklauf 5 entnommen. Der Katholyt-Vorlauf 7 enthält im gezeigten Beispiel eine wässrige Lauge, beispielsweise Natriumcarbonat-, Natriumhydroxid- oder Ammoniak-Lösung.

Dem Gasraum 30 wird gasförmiges Kohlenstoffdioxid 2 zugeführt und ein Rohgas 3, das Kohlenstoffmonoxid enthält, entnommen.

Der Anodenraum 10, der Kathodenraum 20 und der Gasraum 30 werden bei den zuvor erläuterten Drücken bzw. mit den erläuterten Druckunterschieden betrieben.

Das Kohlenstoffmonoxid, das dem Gasraum 30 mit dem Rohgas 3 entnommen wird, entsteht in einer Reaktion, die oben bereits beschrieben wurde, aus dem gasförmigen Kohlenstoffdioxid 2, indem der Gasdiffusioselektrode K Elektronen entnommen werden. Dazu dringt ein erster Teil des Kohlenstoffdioxids 2 in die Gasdiffusionselektrode K ein und kommt dort mit dem elektrisch leitfähigen Katalysator, der mit einem negativen elektrischen Potential beaufschlagt wird, in Kontakt. Durch die Aufnahme von Elektronen wird das Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid reduziert. Dabei wird formal ein Sauerstoffanion gebildet, das in den Katholyten 4 auf der gegenüberliegenden Seite der Gasdiffusionselektrode K übergeht und dort als Hydroxidion in der Lösung stabilisiert wird.

Da die Gasdiffusionselektrode K auf der Seite, mit der sie an den Kathodenraum grenzt nicht absolut gasdicht ist, kann ein zweiter Teil des Kohlenstoffdioxids 2 in den Kathodenraum 20 übertreten und dort entweder in Form von Blasen, als gelöste Kohlensäure oder als Carbonationen in den Katholyten 4 aufgenommen werden.

Dieser zweite Teil des Kohlenstoffdioxids 2 wird folglich wenigstens teilweise zusammen mit dem ihn aufnehmenden Katholyten 4 in dem Katholyt-Rücklauf 5 aus dem Kathodenraum 20 entnommen und einem Gasabscheider T1 zugeführt.

In dem Gasabscheider T1 wird das in dem Katholyt-Rücklauf 5 mitgeführte Kohlenstoffdioxid wenigstens teilweise abgetrennt und als Kohlenstoffdioxid-Rezyklat 6 in das gasförmige Kohlenstoffdioxid 2 und damit in den Gasraum 30 zurückgeführt. Der übrige (flüssige) Teil des Katholyt-Rücklaufs 5 wird nach der Abtrennung des Kohlenstoffdioxid- Rezyklats 6 in den Katholyt-Vorlauf 7 zurückgeführt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Zusammensetzung des Katholyten 4 über die Betriebsdauer der Elektrolyseeinrichtung 100 hinweg stabil bleibt. Außerdem wird durch die Rückführung des Kohlenstoffdioxid-Rezyklats 6 in den Gasraum 30 erreicht, dass der Bedarf an frischem Kohlenstoffdioxid 1 minimiert wird, wodurch das Verfahren mit einem Maximum an Ressourcen- Effizienz betrieben werden kann.

An einer in dem Anodenraum 10 von der Membran M beabstandet angeordneten Anode A wird während des Betriebs der Elektrolyseeinrichtung ein gegenüber der Gasdiffusioselektrode K positives elektrisches Potential angelegt. Damit wird Sauerstoff aus in dem Anolyten 8 enthaltenem Wasser zu molekularem Sauerstoff oxidiert, wobei die überschüssigen Elektronen an die Anode abgegeben werden und die von dem Wasser verbleibenden Protonen zunächst in dem Anolyten 8 gelöst werden. Der gebildete Sauerstoff wird gasförmig in Form von Blasen und/oder gelöst in dem Anolyten 8 aufgenommen und mit diesem zusammen in dem Anolyt-Rücklauf 11 dem Anodenraum entnommen. Der Anolyt-Rücklauf 11 wird einem zweiten Gasabscheider T2 zugeführt, wo der in ihm mitgeführte Sauerstoff wenigstens teilweise gasförmig abgetrennt wird. Der übrige flüssige Anteil des Anolyt-Rücklaufs 11 wird in den Anolyt-Vorlauf 12 zurückgeführt. Die bei der elektrolytischen Wasserspaltung gebildeten und in dem Anolyten 8 gelösten Protonen diffundieren aufgrund des Konzentrationsgefälles in Richtung des basischen Katholyten 4, da die Membran 4, wie bereits erwähnt, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine PEM ist, die Protonen hindurchtreten lässt. Die Protonen können daher in den Katholyten 4 gelangen und mit dort vorhandenen Hydroxidionen zu Wasser rekombinieren.

Der in dem zweiten Gasabscheider T2 abgetrennte Sauerstoff wird als Anodengas 9 aus der Elektrolyseeinrichtung 100 ausgeleitet und damit dem Verfahren entzogen.

Dazu wird in der gezeigten vorteilhaften Ausführungsform ein Stellventil V zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise geöffnet, um das Anodengas 9 ausströmen zu lassen.

Wie bereits erläutert, ist es vorteilhaft, Drücke oder Druckunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen der Elektrolyseeinrichtung 100 zu erfassen und zu kontrollieren. Dazu kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise eine Anzahl von Druckmesseinrichtungen und gegebenfalls eine Auswerteeinrichtung P umfassen kann. Vorteilhafterweise werden dann aufgrund der erfassten und durch die Auswerteeinrichtung P kontrollierten relativen Drücke Ventile V, W geöffnet, geschlossen oder auf einen variablen Öffnungsgrad eingestellt, beispielsweise um einen Druckunterschied zwischen dem Kathodenraum 20 und dem Anodenraum 20 einzustellen.

Insbesondere kann das Kohlenstoffdioxid-Rezyklat 6 über ein Rückschlagventil in den Gasraum zurückgeführt werden, so dass keine mechanischen Verdichter benötigt werden. Beipielsweise kann dazu ein Gegendruck durch entsprechende Ausgestaltung und Bedienung des Gasabscheiders T1 überwunden werden. Insbesondere kann dabei der Frischeinsatz 1 als Gaspolster über den Abscheider T 1 geführt und mit dem Kohlenstoffdioxid-Rezyklat 6 in die Elektrolyse geführt werden (nicht in der Figur dargestellt). Über ein Ventil kann dabei ein definierter Differenzdruck zwischen Kathodenraum 20 und Gasraum 30 eingestellt werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass dabei Druckschwankungen im Frischeinsatz 1 nicht direkt auf den Gasraumdruck wirken, sondern über das Ventil zumindest teilweise kompensiert werden können. Es versteht sich, dass in der Elektrolyseeinrichtung auch noch weitere Ventile, Messeinrichtungen und andere Komponenten vorgesehen sein können, die die Durchführbarkeit des Verfahrens und die Steuer- bzw. Regelbarkeit der Elektrolyseeinrichtung erleichtern. Solche nicht dargestellten Komponenten können beispielsweise Agitatoren und Heizelemente, die die Abtrennung der gasförmigen Bestandteile aus dem Anolyt- 11 respektive Katholyt- Rücklauf 5 beschleunigen, eine Rohgas-Aufbereitungseinheit, die in dem Rohgas 3 enthaltenes Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff von nicht in der Elektrolyse umgesetzten Einsatzgasen wie Kohlenstoffdioxid 2 abtrennt und das nicht umgesetzte Kohlenstoffdioxid in den Gasraum 30 zurückführt, weitere Ventile und/oder Mess- und Steuervorrichtungen, Pumpen und/oder Verdichter bzw. Entspanner sowie Gasmischer umfassen. So kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass in dem gasförmigen Kohlenstoffdioxid inerte Gaskomponenten wie Stickstoff und/oder Argon sowie weitere elektrolysierbare Komponenten wie Wasserdampf enthalten sind.

Die beschriebenen Merkmale und Ausgestaltungsformen sind ferner nicht nur in der dargestellten Kombination nutzbar, vielmehr sind auch beliebige andere Kombinationen sowie die Alleinstellung einzelner Merkmale in bestimmten Fällen vorteilhaft und qualifizierte Fachleute werden jedenfalls in der Lage sein, die für die konkreten Anforderung jeweils optimale Ausgestaltung der Erfindung auszuwählen.