DE102016211819A1 - Arrangement and method for carbon dioxide electrolysis - Google Patents
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Abstract
Es werden eine Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse und ein Verfahren zu ihrem Betrieb angegeben, umfassend eine Elektrolysezelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei Anode und Kathode mit einer Spannungsversorgung verbunden sind, wobei die Kathode als Gasdiffusionselektrode gestaltet ist, an die auf einer ersten Seite ein Gasraum und auf einer zweiten Seite ein Kathodenraum anschließt, einen an die Elektrolysezelle anschließenden Elektrolyt-Kreislauf und eine Gaszuführung zur Zuführung von kohlendioxidhaltigem Gas in den Gasraum, wobei der Gasraum einen Elektrolyt-Auslass aufweist und der Elektrolyt-Auslass mit einer Absperreinrichtung versehen ist, derart ausgestaltet, dass die Absperreinrichtung geöffnet wird, wenn die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum einen Schwellwert überschreitet.The invention relates to an arrangement for the carbon dioxide electrolysis and a method for its operation, comprising an electrolysis cell with an anode and a cathode, wherein anode and cathode are connected to a power supply, wherein the cathode is designed as a gas diffusion electrode, on a first Side a gas chamber and on a second side of a cathode compartment, an adjoining the electrolytic cell electrolyte circuit and a gas supply for supplying carbon dioxide-containing gas into the gas space, wherein the gas space has an electrolyte outlet and the electrolyte outlet is provided with a shut-off device configured such that the shut-off device is opened when the pressure difference between the gas space and the cathode space exceeds a threshold value.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren für die Kohlendioxid-Elektrolyse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to an arrangement and a method for the carbon dioxide electrolysis according to the preamble of claim 1.
Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wird momentan etwa 80% des weltweiten Energiebedarfs gedeckt. Durch diese Verbrennungsprozesse wurden im Jahr 2011 weltweit circa 34000 Millionen Tonnen Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre emittiert. Diese Freisetzung ist der einfachste Weg, auch große Mengen an CO2 (große Braunkohlekraftwerke über 50000 t pro Tag) zu entsorgen. The burning of fossil fuels currently covers about 80% of global energy needs. In 2011, these combustion processes emitted around 34,000 million tonnes of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere worldwide. This release is the easiest way to dispose of even large amounts of CO2 (large lignite-fired power plants over 50000 t per day).
Die Diskussion über die negativen Auswirkungen des Treibhausgases CO2 auf das Klima hat dazu geführt, dass über eine Wiederverwertung von CO2 nachgedacht wird. CO2 ist ein stark gebundenes Molekül und kann daher nur schwer wieder zu brauchbaren Produkten reduziert werden. The discussion about the negative effects of the greenhouse gas CO2 on the climate has led to a reflection on the reuse of CO2. CO2 is a strongly bound molecule and therefore can hardly be reduced back to useful products.
In der Natur wird das CO2 durch Photosynthese zu Kohlenhydraten umgesetzt. Dieser komplexe Prozess ist nur sehr schwer großtechnisch nachbildbar. Einen momentan technisch gangbaren Weg stellt die elektrochemische Reduktion des CO2 dar. Dabei wird das Kohlendioxid unter Zufuhr von elektrischer Energie in ein energetisch höherwertiges Produkt wie beispielsweise CO, CH4, C2H4 oder C1-C4-Alkohole umgewandelt. Die elektrische Energie wiederum stammt bevorzugt aus regenerativen Energiequellen wie Windkraft oder Photovoltaik. In nature, CO2 is converted into carbohydrates through photosynthesis. This complex process is very difficult to reproduce on an industrial scale. A currently technically feasible way is the electrochemical reduction of CO2. Here, the carbon dioxide is converted by supplying electrical energy in a higher energy product such as CO, CH4, C2H4 or C1-C4 alcohols. The electrical energy, in turn, preferably comes from renewable energy sources such as wind power or photovoltaic.
Zur Elektrolyse von CO2 werden in der Regel Metalle als Katalysatoren eingesetzt. Die Art des Metalls nimmt Einfluss auf die Produkte der Elektrolyse. So wird CO2 beispielsweise an Ag, Au, Zn, und mit Einschränkungen an Pd, Ga, nahezu ausschließlich zu CO reduziert, wohingegen an Kupfer eine Vielzahl an Kohlenwasserstoffen als Reduktionsprodukte zu beobachten ist. Neben reinen Metallen sind auch Metalllegierungen sowie auch Gemische aus Metall und Metalloxid, das cokatalytisch wirksam ist, von Interesse, da diese die Selektivität eines bestimmten Kohlenwasserstoffes erhöhen können. As a rule, metals are used as catalysts for the electrolysis of CO2. The type of metal influences the products of electrolysis. For example, CO2 on Ag, Au, Zn, and with restrictions on Pd, Ga, is reduced almost exclusively to CO, whereas copper has a large number of hydrocarbons as reduction products. In addition to pure metals, metal alloys as well as mixtures of metal and metal oxide, which is cocatalytically active, are of interest because they can increase the selectivity of a particular hydrocarbon.
Bei der CO2-Elektrolyse kann eine Gasdiffusionselektrode (GDE) als Kathode ähnlich wie bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse verwendet werden, um eine Drei-Phasen-Grenze zwischen dem flüssigen Elektrolyten, dem gasförmigen CO2 und den soliden Silber-Partikeln herzustellen. Dabei wird eine Elektrolysezelle, wie auch aus der Brennstoffzellentechnik bekannt, mit zwei Elektrolytkammern verwendet, wobei die Elektrolytkammern durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind. In the case of CO2 electrolysis, a gas diffusion electrode (GDE) can be used as a cathode similar to the chlor-alkali electrolysis to establish a three-phase boundary between the liquid electrolyte, the gaseous CO2, and the solid silver particles. In this case, an electrolytic cell, as also known from the fuel cell technology, is used with two electrolyte chambers, wherein the electrolyte chambers are separated by an ion exchange membrane.
Die Arbeitselektrode ist eine poröse Gasdiffusionselektrode. Sie umfasst ein Metallnetz, auf das eine Mischung aus PTFE, Aktivkohle, einem Katalysator und weiteren Komponenten aufgebracht ist. Sie umfasst ein Porensystem, in das die Reaktanden eindringen und an den Drei-Phasen-Grenzflächen reagieren. The working electrode is a porous gas diffusion electrode. It comprises a metal net on which a mixture of PTFE, activated carbon, a catalyst and other components is applied. It includes a pore system into which the reactants penetrate and react at the three-phase interfaces.
Die Gegenelektrode ist ein mit Platin oder einem Iridium-Mischoxid beaufschlagtes Blech. Die GDE steht auf der einen Seite mit dem Elektrolyten in Kontakt. Auf der anderen Seite wird sie mit CO2 versorgt, das mit Überdruck durch die GDE durchgepresst wird (sog. konvektive Betriebsweise). Die GDE kann dabei verschiedene Metalle und Metallverbindungen enthalten, die eine katalytische Wirkung auf den Prozess haben. Die Funktionsweise einer GDE ist beispielsweise aus der
Im Unterschied zur Chlor-Alkali-Elektrolyse und zur Brennstoffzellentechnik ist das entstehende Produkt bei der Kohlendioxid-Elektrolyse gasförmig und nicht flüssig. Weiterhin bildet das eingesetzte CO2 mit dem aus dem Elektrolyten entstehenden Alkali- oder Erdalkalihydroxid Salze. Beispielsweise wird bei Verwendung von Kaliumsalzen als Elektrolyten KOH gebildet und es entstehen die Salze KHCO3 und K2CO3. Aufgrund der Betriebsbedingungen kommt es zu einer Auskristallisierung der Salze in und auf der GDE von der Gasseite aus. In contrast to chlor-alkali electrolysis and fuel cell technology, the resulting product in the carbon dioxide electrolysis is gaseous and not liquid. Furthermore, the CO2 used forms salts with the alkali or alkaline earth metal hydroxide formed from the electrolyte. For example, when using potassium salts as electrolytes KOH is formed and the salts KHCO3 and K2CO3 are formed. Due to the operating conditions, there is a crystallization of the salts in and on the GDE from the gas side.
Die elektrochemische Umsetzung von CO2 an Silberelektroden erfolgt nach der folgenden Gleichung:
Aufgrund der elektrochemischen Bedingungen erfolgt der Ladungsausgleich der chemischen Gleichungen nicht einheitlich mit H3O+ oder OH–. Trotz saurem Elektrolyt kommt es an der GDE zu lokal basischen pH-Werten. Zum Betreiben einer alkalischen Brennstoffzellentechnik muss der eingeleitete Sauerstoff CO2-frei sein, da sich ansonsten KHCO/K2CO3 gemäß folgenden Gleichungen bilden würde:
Der gleiche Vorgang ist nun auch bei der CO2-Elektrolyse zu beobachten, mit dem Unterschied, dass das eingespeiste nicht CO2-frei sein kann. Als Folge davon kristallisiert nach endlicher Zeit (abhängig von der Stromdichte) Salz in und auf der GDE von der Gasseite aus und verstopft die Poren der GDE. Der Gasdruck steigt, die GDE wird stark belastet und reißt ab einem bestimmten Druck. Zudem werden die für den Prozess nötigen Kaliumionen dem Prozess entzogen und der Gasraum allmählich mit Salz gefüllt. Ein analoger Prozess ist mit anderen Alkali-/Erdalkalimetallen, beispielsweise Cäsium, zu beobachten. The same process can now also be observed with CO2 electrolysis, with the difference that the feed can not be CO2-free. As a result, after a finite period of time (depending on the current density), salt in and on the GDE crystallizes from the gas side and clogs the pores of the GDE. The gas pressure rises, the GDE becomes strong loads and tears off a certain pressure. In addition, the potassium ions required for the process are removed from the process and the gas space is gradually filled with salt. An analogous process can be observed with other alkali / alkaline earth metals, for example cesium.
Ein stabiler Langzeitbetrieb der Gasdiffusionselektrode im Bereich von mehr als 1000 h ist bei der CO2-Elektrolyse nicht möglich, da das entstehende Salz die Poren der GDE verstopft und diese somit gasundurchlässig wird. A stable long-term operation of the gas diffusion electrode in the range of more than 1000 h is not possible in the CO2 electrolysis, since the resulting salt clogs the pores of the GDE and thus this gas-impermeable.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse und ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse anzugeben, mit der ein stabiler Langzeitbetrieb unter Vermeidung der eingangs erwähnten Nachteile ermöglicht wird. It is an object of the present invention to provide an improved arrangement for the carbon dioxide electrolysis and a method for operating an arrangement for the carbon dioxide electrolysis, with a stable long-term operation while avoiding the aforementioned disadvantages is made possible.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bezüglich des Verfahrens besteht eine Lösung in dem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung. This object is achieved by an arrangement having the features of claim 1. With regard to the method, there is a solution in the method with the features of claim 9. The subclaims relate to advantageous embodiments of the arrangement.
Die erfindungsgemäße Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse umfasst eine Elektrolysezelle mit einer Anode und einer Kathode, die beide mit einer Spannungsversorgung verbunden sind. Dabei ist die Kathode als Gasdiffusionselektrode gestaltet, an die auf einer ersten Seite ein Gasraum und auf einer zweiten Seite ein Kathodenraum anschließt. Weiterhin umfasst die Anordnung einen an die Elektrolysezelle anschließenden Elektrolyt-Kreislauf und eine Gaszuführung zur Zuführung von kohlendioxidhaltigem Gas in den Gasraum. The arrangement for the carbon dioxide electrolysis according to the invention comprises an electrolytic cell with an anode and a cathode, both of which are connected to a power supply. In this case, the cathode is designed as a gas diffusion electrode, to which a gas space is connected on a first side and a cathode space on a second side. Furthermore, the arrangement comprises a subsequent to the electrolytic cell electrolyte circuit and a gas supply for supplying carbon dioxide-containing gas into the gas space.
Der Gasraum weist einen Elektrolyt-Auslass auf und der Elektrolyt-Auslass ist mit einer Absperreinrichtung versehen. Dabei ist die Anordnung derart ausgestaltet, dass die Absperreinrichtung geöffnet wird, wenn die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum einen Schwellwert überschreitet. The gas space has an electrolyte outlet and the electrolyte outlet is provided with a shut-off device. In this case, the arrangement is configured such that the shut-off device is opened when the pressure difference between the gas space and the cathode space exceeds a threshold value.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Anordnung für die Kohlendioxid-Elektrolyse mit einer Elektrolysezelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei Anode und Kathode mit einer Spannungsversorgung verbunden werden, wobei die Kathode als Gasdiffusionselektrode gestaltet ist, an die auf einer ersten Seite ein Gasraum und auf einer zweiten Seite ein Kathodenraum anschließt, wird im Gasraum ein mit einer Absperreinrichtung versehener Elektrolyt-Auslass bereitgestellt, eine Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum ermittelt wird und die Absperreinrichtung geöffnet, wenn die Druckdifferenz einen Schwellwert überschreitet. In the inventive method for operating an arrangement for the carbon dioxide electrolysis with an electrolytic cell having an anode and a cathode, wherein the anode and cathode are connected to a power supply, wherein the cathode is designed as a gas diffusion electrode, to which on a first side of a gas space and Connected on a second side of a cathode compartment, provided with a shut-off device electrolyte outlet is provided in the gas space, a pressure difference between the gas space and the cathode space is determined and the shut-off device is opened when the pressure difference exceeds a threshold value.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass der spannungsgetriebene Elektrolyt-Pumpeffekt durch die Gasdiffusionselektrode eine konstruktiv einfache Lösung erlaubt, um die Versalzung an der Gasdiffusionselektrode bei der CO2-Elektrolyse zu vermeiden. Die Absperreinrichtung stellt sicher, dass die Druckdifferenz nicht zu hoch wird und somit der Elektrolytstrom durch die Gasdiffusionselektrode dauerhaft anhält. Dadurch werden vorteilhaft die sich bildenden Salze durch den Elektrolyten in situ abtransportiert. Dadurch wird ein dauerhafter Betrieb der Elektrolyse ermöglicht. For the invention it was recognized that the voltage-driven electrolyte pumping effect by the gas diffusion electrode allows a structurally simple solution in order to avoid the salification at the gas diffusion electrode in the CO 2 electrolysis. The shut-off ensures that the pressure difference is not too high and thus the electrolyte flow through the gas diffusion electrode permanently stops. As a result, advantageously, the salts forming are removed by the electrolyte in situ. This enables a permanent operation of the electrolysis.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Anordnung noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- – Die Absperreinrichtung kann insbesondere ein Absperrschieber, eine Absperrklappe oder Kugelhahn sein. Die Absperreinrichtung kann ein Sicherheitsventil (Überdruckventil) oder ein Proportionalventil sein. Vorteilhaft benötigt ein Überdruckventil keine Steuerung, sondern öffnet automatisch bei Überschreiten des Schwellwerts für die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum.
- – Der Elektrolyt-Auslass im Gasraum ist bevorzugt bodenseitig angeordnet, so dass ein Ausfließen des Elektrolyten ermöglicht wird.
- – Ein erster Drucksensor kann im Gasraum vorhanden sein. Dieser gibt ein Drucksignal beispielsweise an eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Absperreinrichtung. Ein zweiter Drucksensor kann im Kathodenraum angeordnet sein. Dieser kann ebenfalls ein Drucksignal an die Steuerungseinrichtung geben. Aus den beiden Drucksignalen kann die Steuerungseinrichtung die Druckdifferenz bestimmen und eine Steuerung der Absperreinrichtung vornehmen.
- – Alternativ kann ein Differenzdrucksensor für Gasraum und Kathodenraum vorhanden sein. Dieser gibt direkt ein Signal für die Druckdifferenz an eine Steuerungseinrichtung oder direkt an die Absperreinrichtung.
- – Der Elektrolyt-Auslass kann mit dem Elektrolytkreislauf verbunden sein. Vorteilhaft kann damit der über die Absperreinrichtung abgelassene Elektrolyt anschließend dem System wieder zugeführt werden. Somit wird der Elektrolyt auch nicht verbraucht. Der CO2-Feedgasstrom wird hierbei nicht beeinflusst und es wird somit eine ausreichende CO2-Versorgung des Prozesses gewährleistet.
- – Eine Steuerungseinrichtung kann vorhanden sein, ausgestaltet, die Absperreinrichtung in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zu steuern.
- – Die Absperreinrichtung kann so betrieben werden, dass die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Kathodenraum in einem festlegbaren Intervall bleibt. Dabei bleibt bevorzugt stets im Gasraum ein höherer Druck als im Kathodenraum. Das Intervall kann schmal gewählt werden, so dass beispielsweise die Druckdifferenz
um nicht mehr 10% oder nicht mehr als 5% schwankt.
- - The shut-off device may in particular be a gate valve, a butterfly valve or ball valve. The shut-off device can be a safety valve (pressure relief valve) or a proportional valve. Advantageously, a pressure relief valve requires no control, but opens automatically when the threshold value for the pressure difference between the gas space and the cathode space is exceeded.
- - The electrolyte outlet in the gas space is preferably arranged on the bottom side, so that an outflow of the electrolyte is made possible.
- - A first pressure sensor may be present in the gas space. This gives a pressure signal, for example, to a control device for controlling the shut-off device. A second pressure sensor may be arranged in the cathode compartment. This can also give a pressure signal to the controller. From the two pressure signals, the control device can determine the pressure difference and make a control of the shut-off device.
- - Alternatively, a differential pressure sensor for gas space and cathode space may be present. This gives directly a signal for the pressure difference to a control device or directly to the shut-off device.
- - The electrolyte outlet can be connected to the electrolyte circuit. Advantageously, the electrolyte discharged via the shut-off device can subsequently be returned to the system. Thus, the electrolyte is not consumed. The CO 2 feed gas flow is not influenced in this case and thus a sufficient CO 2 supply of the process is ensured.
- A control device may be provided, designed to control the shut-off device as a function of the pressure difference.
- - The shut-off device can be operated so that the pressure difference between the gas space and the cathode space remains within a definable interval. It remains preferred always in the gas space, a higher pressure than in the cathode compartment. The interval can be narrow, so that, for example, the pressure difference does not fluctuate by more than 10% or not more than 5%.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. A preferred, but by no means limiting embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing. The features are shown schematically.
Der in
Anode
Die Elektrolysezelle
Zur Ausgestaltung als Gasdiffusionselektrode umfasst die Kathode
Ferner umfasst die Anordnung
Der Gasraum
Die Steuerungseinrichtung
Beim Starten der Elektrolyse wird trotz eines Überdrucks auf der Gasseite, d.h. im Gasraum
Der sich anstauende Elektrolyt verursacht dadurch einen Druckanstieg im Gasraum
Durch den Betrieb des Ventils
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