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DE102024201239A1 - Electrolysis cell with optimized contacting of a catalyst layer - Google Patents

Electrolysis cell with optimized contacting of a catalyst layer

Info

Publication number
DE102024201239A1
DE102024201239A1 DE102024201239.4A DE102024201239A DE102024201239A1 DE 102024201239 A1 DE102024201239 A1 DE 102024201239A1 DE 102024201239 A DE102024201239 A DE 102024201239A DE 102024201239 A1 DE102024201239 A1 DE 102024201239A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
grid
electrolysis cell
catalyst layer
gas diffusion
base body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024201239.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Remigiusz Pastusiak
Erhard Magori
Kerstin Wiesner-Fleischer
Elfriede Simon
Baran Sahin
Angelika Tawil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority to DE102024201239.4A priority Critical patent/DE102024201239A1/en
Priority to PCT/EP2025/052004 priority patent/WO2025172030A1/en
Publication of DE102024201239A1 publication Critical patent/DE102024201239A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B1/23Carbon monoxide or syngas
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle (01) zur Elektrolyse von CO2. Diese (01) umfasst in unmittelbarer oder mittelbarer Folge eine Kathodenendplatte (04), eine Gaskammer (06), eine Gasdiffusionsschicht (08), eine Katalysatorschicht (09), eine Wasserkammer (07) und eine Anodenendplatte (05). Dabei ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht (08) einen elektrisch nicht-leitenden Grundkörper (12) und ein elektrisch leitendes Gitter (13) umfasst, wobei das Gitter (13) zumindest mehrheitlich innerhalb des Grundkörpers (12) angeordnet ist. Die Kontaktierung der Katalysatorschicht (09) erfolgt über eine Vielzahl Gitterkontaktpunkte (14).The invention relates to an electrolysis cell (01) for the electrolysis of CO2. This cell (01) comprises, in direct or indirect sequence, a cathode end plate (04), a gas chamber (06), a gas diffusion layer (08), a catalyst layer (09), a water chamber (07), and an anode end plate (05). It is provided that the gas diffusion layer (08) comprises an electrically non-conductive base body (12) and an electrically conductive grid (13), wherein the grid (13) is arranged at least predominantly within the base body (12). Contacting of the catalyst layer (09) is effected via a plurality of grid contact points (14).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse von CO2. Diese weist eine Gaskammer enthaltend CO2 und eine Wasserkammer enthaltend ein Elektrolyt auf, welche durch eine Gasdiffusionsschicht und eine Katalysatorschicht voneinander getrennt sind. Dabei ist eine Kontaktierung der Katalysatorschicht erforderlich.The invention relates to an electrolysis cell for the electrolysis of CO2. This cell comprises a gas chamber containing CO2 and a water chamber containing an electrolyte, which are separated from each other by a gas diffusion layer and a catalyst layer. Contacting of the catalyst layer is required.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Erneuerbar Strom, wie beispielsweise Sonnen- und Windenergie, kann an einigen Standorten in einem über den örtlichen Bedarf hinausgehenden Maß zur Verfügung gestellt werden. Problematisch ist in diesem Fall die effektive Nutzung des verfügbaren Stroms. Eine Möglichkeit ist die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff. Problematisch sind jedoch die Speicherung und der Transport von Wasserstoff. Weiterhin ist es bekannt, mittels einer elektrochemischen Umwandlung von CO2 den verfügbaren erneuerbaren Strom zu nutzen und dabei das Treibhausgas CO2 als Produkt zu binden. Die elektrochemische Reduktionsreaktion von Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenwasserstoffen durch die CO2 Elektrolyse stellt eine vielversprechende Alternative zu anderen Energiespeicherstrategien dar.Renewable electricity, such as solar and wind power, can be provided in some locations in quantities that exceed local demand. The effective use of available electricity is problematic in this case. One possibility is the electrolysis of water to produce hydrogen and oxygen. However, the storage and transport of hydrogen are problematic. Furthermore, it is known that available renewable electricity can be utilized through the electrochemical conversion of CO2, capturing the greenhouse gas CO2 as a product. The electrochemical reduction reaction of carbon dioxide (CO2) to hydrocarbons through CO2 electrolysis represents a promising alternative to other energy storage strategies.

Zur Reduktion von CO2 werden Elektrolysezellen eingesetzt. Auf einer Seite befindet sich eine Anode, welche durch eine Membran von einem flüssigen Elektrolyten getrennt ist. In der Elektrolysezelle befindet sich die Kathode, welche in Kontakt mit dem zu reduzierenden CO2 steht. Bei entsprechender Spannung zwischen der Anode und der Kathode findet eine Elektrolyse des CO2 statt. Hierzu ist bei der regulär zum Einsatz kommenden Elektrolysezelle benachbart zur Kathode auf der der Anode zuweisenden Seite eine Kavität zur Aufnahme des Elektrolyten angeordnet. Gegenüberliegend befindet sich eine Kavität zur Aufnahme des CO2, wobei die Kavitäten durch eine Gasdiffusionselektrode voneinander getrennt sind.Electrolysis cells are used to reduce CO2. On one side is an anode, separated from a liquid electrolyte by a membrane. Inside the electrolysis cell is the cathode, which is in contact with the CO2 to be reduced. When the appropriate voltage is applied between the anode and cathode, electrolysis of the CO2 takes place. For this purpose, in the electrolysis cell used regularly, a cavity for holding the electrolyte is arranged adjacent to the cathode on the side facing the anode. Opposite is a cavity for holding the CO2, with the cavities separated from each other by a gas diffusion electrode.

Die generelle Funktionsweise einer Elektrolysezelle zur Elektrolyse von CO2 ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Diese wird beispielsweise in der WO2023/217624A1 oder der WO2019/096985A1 beschrieben.The general functioning of an electrolysis cell for the electrolysis of CO2 is well known to those skilled in the art. This is described, for example, in WO2023/217624A1 or the WO2019/096985A1 described.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Gasdiffusionselektrode von einer nicht-leitenden Gasdiffusionsschicht und einer leitenden Katalysatorschicht gebildet wird. Dabei ist eine Kontaktierung der Katalysatorschicht erforderlich.It has proven advantageous if the gas diffusion electrode is formed by a non-conductive gas diffusion layer and a conductive catalyst layer. This requires contact between the catalyst layer.

Die Kontaktierung der Katalysatorschicht erfolgt in aller Regel am umlaufenden Rand der Katalysatorschicht, beispielsweise durch aufgebrachte Kupferbänder. Sofern die Ausdehnung der Elektrolysezelle klein ist, kann dabei eine hinreichend gleichmäßige Spannungsverteilung über die Fläche der Katalysatorschicht erreicht werden.Contact with the catalyst layer is usually made along the surrounding edge of the catalyst layer, for example, by applying copper strips. Provided the electrolysis cell is small, a sufficiently uniform voltage distribution across the surface of the catalyst layer can be achieved.

Problem ist die begrenzte Leitfähigkeit der Katalysatorschicht und der für die Katalysatorschicht üblicherweise eingesetzten geringen Schichtdicken. In Verbindung mit der Notwendigkeit, eine für eine praxistaugliche Anwendung hinreichende Fläche der Katalysatorschicht bereitzustellen, kann eine hinreichende und insbesondere gleichmäßige Spannung zwischen der Katalysatorschicht und der Anode nicht ohne weiteres gewährleistet werden.The problem is the limited conductivity of the catalyst layer and the thin layer thicknesses typically used for the catalyst layer. Combined with the need to provide a sufficient surface area for practical application, a sufficient and, in particular, uniform voltage between the catalyst layer and the anode cannot be easily guaranteed.

Zur Lösung des Problems wird in bekannten Ausführungen vorgeschlagen, ein leitendes Gitter, beispielsweise aus Kupfer, auf der Katalysatorschicht gegenüberliegend zur Gasdiffusionsschicht, d.h. auf der Anodenseite im Elektrolyten, anzuordnen.To solve the problem, known designs propose arranging a conductive grid, for example made of copper, on the catalyst layer opposite the gas diffusion layer, i.e. on the anode side in the electrolyte.

Diese Anordnung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Einerseits kann die Anordnung des leitenden Gitters im Elektrolyten sich nachteilig auf den elektrochemischen Prozess auswirken. Ungünstig ist weiterhin der geringere Abstand der Anode zum leitenden Gitter im Verhältnis zum Abstand der Anode zur Katalysatorschicht. Darüber hinaus wird die wirksame Fläche der Katalysatorschicht durch das Gitter reduziert.However, this arrangement has several disadvantages. Firstly, the arrangement of the conductive grid in the electrolyte can have a detrimental effect on the electrochemical process. Another disadvantage is the smaller distance between the anode and the conductive grid compared to the distance between the anode and the catalyst layer. Furthermore, the effective area of the catalyst layer is reduced by the grid.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst gleichmäßige Spannung über die Fläche der Katalysatorschicht bereitzustellen. Dabei soll die effektiv zur Verfügung stehende Fläche der Katalysatorschicht möglichst groß sein.The object of the present invention is to provide the most uniform voltage possible across the surface of the catalyst layer. The effective available area of the catalyst layer should be as large as possible.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by an embodiment of the invention according to the teaching of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse von CO2 weist in unmittelbarer oder mittelbarer Folge eine Kathodenendplatte, eine Gaskammer, eine Gasdiffusionsschicht, eine Katalysatorschicht, eine Wasserkammer und eine Anodenendplatte.An electrolysis cell for the electrolysis of CO2 comprises, in direct or indirect sequence, a cathode end plate, a gas chamber, a gas diffusion layer, a catalyst layer, a water chamber and an anode end plate.

Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht einen elektrisch nicht-leitenden Grundkörper und ein elektrisch leitendes Gitter umfasst, wobei das Gitter zumindest mehrheitlich innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist. Die Kontaktierung der Katalysatorschicht erfolgt über eine Vielzahl Gitterkontaktpunkte.According to the invention, the gas diffusion layer comprises an electrically non-conductive base body and an electrically conductive grid, wherein the grid is arranged at least predominantly within the base body. The catalyst layer is contacted via a large number of lattice contact points.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die gattungsgemäße Elektrolysezelle dient bestimmungsgemäß zur Elektrolyse von CO2 und umfasst dabei in unmittelbarer oder mittelbarer Folge

  • - eine Kathodenendplatte,
  • - eine Gaskammer,
  • - eine Gasdiffusionsschicht,
  • - eine Katalysatorschicht,
  • - eine Wasserkammer, und
  • - eine Anodenendplatte.
The generic electrolysis cell is intended for the electrolysis of CO2 and includes, as a direct or indirect consequence,
  • - a cathode end plate,
  • - a gas chamber,
  • - a gas diffusion layer,
  • - a catalyst layer,
  • - a water chamber, and
  • - an anode end plate.

Für die weitere Beschreibung wird Bezug genommen auf eine linke Seite, auf der sich die Anodenendplatte befindet, und eine gegenüberliegende rechte Seite. Die Begriffe „linke Seite“ und „rechte Seite“ sind diesbezüglich willkürlich gewählt; sind im Folgenden jedoch immer so zu verstehen, dass sich die linke Seite auf diejenige Seite bezieht, an der sich die Anodenendplatte befindet, wobei entsprechend es sich bei der rechten Seite um die gegenüberliegende Seite der Elektrolysezelle handelt.For the remainder of the description, reference is made to a left side, where the anode end plate is located, and an opposite right side. The terms "left side" and "right side" are chosen arbitrarily in this regard; however, in the following, they should always be understood that the left side refers to the side where the anode end plate is located, with the right side correspondingly being the opposite side of the electrolysis cell.

Bei der Kathodenendplatte sowie bei der Anodenendplatte handelt es sich um den geometrischen Abschluss der jeweiligen Elektrolysezelle. Bei einer Anordnung einer Mehrzahl von Elektrolysezellen kann eine Kathodenendplatte einer Elektrolysezelle zugleich die Anodenendplatte der folgenden Elektrolysezelle bilden.The cathode end plate and the anode end plate are the geometric ends of the respective electrolysis cell. In an arrangement of multiple electrolysis cells, a cathode end plate of one electrolysis cell can also form the anode end plate of the following electrolysis cell.

Bei der Gaskammer handelt es sich um eine Kavität in der Elektrolysezelle, der im Betrieb der Elektrolysezelle bestimmungsgemäß CO2 zugeführt wird. Bei der Wasserkammer handelt es sich um eine weitere Kavität, in der sich im Betrieb der Elektrolysezelle bestimmungsgemäß ein Elektrolyt befindet.The gas chamber is a cavity in the electrolysis cell to which CO2 is supplied during operation. The water chamber is another cavity that contains an electrolyte during operation.

Die Gasdiffusionsschicht zusammen mit der Katalysatorschicht bilden eine Gasdiffusionselektrode. Diese trennt die Gaskammer von der Wasserkammer. Dabei ist es funktionsbedingt notwendig, dass die Gasdiffusionsschicht für CO2 durchlässig ist, der Durchtritt von Flüssigkeit durch die Gasdiffusionselektrode jedoch verhindert ist.The gas diffusion layer, together with the catalyst layer, forms a gas diffusion electrode. This separates the gas chamber from the water chamber. For functional reasons, it is necessary that the gas diffusion layer is permeable to CO2, but that the passage of liquid through the gas diffusion electrode is prevented.

Zunächst wird als Ausgangslage für die Erfindung davon ausgegangen, dass es sich bei der Gasdiffusionsschicht um eine elektrisch nicht-leitende Schicht handelt. Dazu weist diese als wesentliches Element einen Grundkörper aus einem elektrisch nicht-leitenden Material auf.First, the invention is based on the assumption that the gas diffusion layer is an electrically non-conductive layer. For this purpose, it has a base body made of an electrically non-conductive material as its essential element.

Demgegenüber ist die Katalysatorschicht besonders vorteilhaft elektrisch leitend. Hierzu besteht diese aus einem elektrisch leitenden Material oder weist zumindest eine elektrisch leitende Beschichtung auf.In contrast, the catalyst layer is particularly advantageously electrically conductive. To this end, it consists of an electrically conductive material or at least has an electrically conductive coating.

Dabei bildet die Katalysatorschicht die Kathode der Elektrolysezelle.The catalyst layer forms the cathode of the electrolysis cell.

Darüber hinaus ist es möglich die Katalysatorschicht oder die Gasdiffusionsschicht seinerseits mehrschichtig auszuführen. Zu den möglichen und vorteilhaften Schichtaufbauten wird auf den bekannten Stand der Technik verwiesen.Furthermore, it is possible to construct the catalyst layer or the gas diffusion layer in multiple layers. For possible and advantageous layer structures, reference is made to the known state of the art.

Es ist offensichtlich, dass die Gaskammer und die Gasdiffusionsschicht und die Katalysatorschicht und die Wasserkammer vorteilhaft umlaufend abgedichtet sein müssen, um die Gaskammer und die Wasserkammer als Kavitäten realisieren zu können. Weiterhin ist es naheliegend erforderlich, dass entsprechende Anschlüsse zur Einleitung und zur Ableitung von Fluiden in und aus der Gaskammer respektive Wasserkammer notwendig sind.It is obvious that the gas chamber, the gas diffusion layer, the catalyst layer, and the water chamber must be sealed all the way around to enable the gas chamber and the water chamber to be realized as cavities. Furthermore, it is obvious that appropriate connections are required for the introduction and discharge of fluids into and from the gas chamber and water chamber, respectively.

In einfacher und zugleich vorteilhafter Weise grenzt die Gaskammer unmittelbar an die Kathodenendplatte an.In a simple and advantageous manner, the gas chamber is directly adjacent to the cathode end plate.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gasdiffusionsschicht unmittelbar an die Gaskammer angrenzt.It is particularly advantageous if the gas diffusion layer is directly adjacent to the gas chamber.

Eine effektive CO2 Elektrolyse kann erreicht werden, wenn die Katalysatorschicht unmittelbar an die Gasdiffusionsschicht angrenzt.Effective CO2 electrolysis can be achieved if the catalyst layer is directly adjacent to the gas diffusion layer.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wasserkammer unmittelbar an die Katalysatorschicht angrenzt.It is particularly advantageous if the water chamber is directly adjacent to the catalyst layer.

In jedem Fall ist eine Anode erforderlich. Hierbei kann in einer Ausführung vorgesehen sein, dass die Anodenendplatte zugleich die Anode der Elektrolysezelle bildet. In einer alternativen Ausführung wird eine Anode mittelbar oder bevorzugt unmittelbar angrenzend an die Anodenendplatte angeordnet.In any case, an anode is required. In one embodiment, the anode end plate may also serve as the anode of the electrolysis cell. In an alternative embodiment, an anode is arranged indirectly or, preferably, directly adjacent to the anode end plate.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wasserkammer von der Anode durch eine Anodenmembran getrennt ist und insofern die Anodenmembran unmittelbar an die Wasserkammer angrenzt.It is particularly advantageous if the water chamber is separated from the anode by an anode membrane and the anode membrane is therefore directly adjacent to the water chamber.

Dabei kann vorgesehen sein, dass zwischen der Anodenmembran und der Anode eine Anodenkammer angeordnet ist. Bevorzugt wird jedoch eine direkte Anlage der Anodenmembran an der Anode.An anode chamber may be arranged between the anode membrane and the anode. However, direct contact of the anode membrane with the anode is preferred.

Funktionsgemäß ist es erforderlich, dass eine Spannung an der Elektrolysezelle angelegt werden kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stromanschluss an die Elektrolysezelle auf der linken Seite an der Anodenendplatte und an der gegenüberliegenden rechten Seite an der Kathodenendplatte erfolgt.For functional reasons, it is necessary that a voltage can be applied to the electrolysis cell. It is particularly advantageous if the power connection to the electrolysis cell is made on the left side at the anode end plate and on the opposite right side at the cathode end plate.

Alternativ kann ebenso vorgesehen sein, dass die Anode und/oder die Katalysatorschicht als Kathode getrennt von der Anodenendplatte respektive Kathodenendplatte nach außen kontaktiert sind.Alternatively, it can also be provided that the anode and/or the catalyst layer as a cathode are contacted to the outside separately from the anode end plate or cathode end plate.

Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Spannungsverteilung an der Katalysatorschicht ist es vorgesehen, dass an einer Mehrzahl an Stellen eine elektrische Kontaktierung der Katalysatorschicht erfolgt. Dabei wird jedoch auf die bekannte Anordnung eines elektrisch leitenden Gitters in der Wasserkammer verzichtet.To achieve the most uniform voltage distribution possible across the catalyst layer, electrical contact is established at a number of locations. However, the conventional arrangement of an electrically conductive grid in the water chamber is omitted.

Demgegenüber ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein elektrisch leitendes Gitter innerhalb der Gasdiffusionsschicht angeordnet wird. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Gasdiffusionsschicht zunächst elektrisch nicht-leitend auszuführen ist. Somit ist es notwendig, die Gasdiffusionsschicht aus einem elektrisch nicht-leitenden Grundkörper zu bilden, wobei zumindest mehrheitlich innerhalb des Grundkörpers ein elektrisch leitendes Gitter angeordnet ist.In contrast, the invention provides for an electrically conductive grid to be arranged within the gas diffusion layer. However, it should be noted that the gas diffusion layer must initially be electrically non-conductive. Thus, it is necessary to form the gas diffusion layer from an electrically non-conductive base body, with an electrically conductive grid being arranged at least predominantly within the base body.

Die Stärke und die Verteilung des Gitters können unterschiedlich gewählt werden. Zumindest ist dabei vorgesehen, dass das Gitter gegenüber dem Grundkörper nur den kleineren Teil des Volumens der Gasdiffusionsschicht ausmacht. Somit wird die Diffusion des CO2 nicht unnötig behindert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Gitter die notwendige elektrische Leitfähigkeit aufweist.The thickness and distribution of the grid can be chosen differently. At a minimum, the grid should make up a smaller portion of the gas diffusion layer's volume than the base body. This way, the diffusion of CO2 is not unnecessarily impeded. It is important to ensure that the grid has the necessary electrical conductivity.

Bevorzugt umfasst die Gasdiffusionsschicht somit einen elektrisch nicht-leitenden Grundkörper und ein elektrisch leitendes Gitter, wobei das Volumen des Gitters maximal das 0,25-fache Volumen des Grundkörpers beträgt. Besonders bevorzugt ist das Volumen des Gitters kleiner als das 0,15-fache Volumen des Grundkörpers.The gas diffusion layer thus preferably comprises an electrically non-conductive base body and an electrically conductive grid, wherein the volume of the grid is a maximum of 0.25 times the volume of the base body. Particularly preferably, the volume of the grid is less than 0.15 times the volume of the base body.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß notwendig, dass das Gitter auf der linken Seite angrenzend an die Katalysatorschicht an einer Vielzahl von Stellen bis an die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht führt, so dass eine Kontaktierung der Katalysatorschicht an einer Vielzahl von Gitterkontaktpunkten möglich wird. D.h. über die Gitterkontaktpunkte wird eine elektrisch leitende Verbindung zur Katalysatorschicht hergestellt.Furthermore, according to the invention, the grid on the left side adjacent to the catalyst layer extends to the surface of the gas diffusion layer at a plurality of points, allowing contact with the catalyst layer at a plurality of grid contact points. This means that an electrically conductive connection to the catalyst layer is established via the grid contact points.

Die Gestalt des Gitters kann ebenso vielfältig ausfallen. Dabei ist es nicht erforderlich, dass das Gitter vollständig innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass zumindest eine Hälfte des Gitters (bzw. dessen Volumens) innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist.The shape of the lattice can also be varied. It is not necessary for the lattice to be completely contained within the base body. It is assumed that at least half of the lattice (or its volume) is contained within the base body.

Vorteilhaft ist es jedoch, wenn zumindest 2/3 des Volumens des Gitters innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist das Gitter im Wesentlichen vollständig im Grundkörper angeordnet, wobei naheliegend das Gitter an den Gitterkontaktpunkten sowie an weiteren Stellen zur mittelbaren Kontaktierung mit einem Kathodenanschluss frei liegen muss, d.h. nicht vom Grundkörper umschlossen ist.However, it is advantageous if at least two-thirds of the grid's volume is arranged within the base body. Particularly advantageous is the grid being arranged essentially entirely within the base body, whereby the grid must be exposed at the grid contact points and at other locations for indirect contact with a cathode terminal, i.e., not enclosed by the base body.

Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform wird der Stromfluss zur Katalysatorschicht auf viele Gitterkontaktpunkte verteilt und somit ist die Stromzufuhr in die Fläche der Katalysatorschicht nicht auf den Anschluss am äußeren Rand der Katalysatorschicht beschränkt. Dieses gestattet eine flexible Dimensionierung der Elektrolysezelle und hebt die Beschränkung auf kleine Baugrößen auf.The inventive design distributes the current flow to the catalyst layer across multiple grid contact points, thus allowing the current supply to the surface of the catalyst layer to be extended beyond the connection at the outer edge of the catalyst layer. This allows for flexible dimensioning of the electrolysis cell and eliminates the limitation to small sizes.

Durch die Anordnung des elektrisch leitenden Gitters in der Gasdiffusionsschicht entfällt die Notwendigkeit ein leitendes Gitter in der Wasserkammer und somit im Elektrolyten anzuordnen.By arranging the electrically conductive grid in the gas diffusion layer, there is no need to arrange a conductive grid in the water chamber and thus in the electrolyte.

Naheliegend und vorteilhaft kann unvermindert der umlaufende Rand der Katalysatorschicht elektrisch kontaktiert sein, so dass der Randbereich der Katalysatorschicht mit Spannung versorgt wird.It is obvious and advantageous that the peripheral edge of the catalyst layer can be electrically contacted without any reduction, so that the edge region of the catalyst layer is supplied with voltage.

Die elektrisch leitende Verbindung des innerhalb der Gasdiffusionselektrode angeordneten Gitters mit einem Kathodenanschluss erfolgt bevorzugt am umlaufenden Außenumfang der Gasdiffusionselektrode über eine Vielzahl Anschlussstellen, d.h. an jeweiligen einzelnen freien Enden des Gitters.The electrically conductive connection of the grid arranged within the gas diffusion electrode to a cathode terminal is preferably made on the circumferential outer circumference of the gas diffusion electrode via a plurality of connection points, i.e. at respective individual free ends of the grid.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Anschlussstellen außerhalb des Grundkörpers am Außenumfang verteilt angeordnet sind. Auch kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper abschnittsweise zur Freilegung der Anschlussstellen entfernt ist.The connection points can be arranged outside the base body, distributed around the outer circumference. It can also be provided that the base body is removed in sections to expose the connection points.

In einer zweiten Kontaktierungsvariante wird eine Mehrzahl Randkontaktpunkte am Gitter verwendet. Dabei ist vorgesehen, dass die Randkontaktpunkte übereinstimmend mit den Gitterkontaktpunkten ausgeführt werden, d.h. gleichfalls auf der linken Seite zur Katalysatorschicht weisend an der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sind. Zur Kontaktierung kann beispielsweise eine leitende Schicht - Kupferband - auf den umlaufenden Rand der Gasdiffusionsschicht aufgelegt werden, so dass eine Kontaktierung an den Randkontaktpunkten ermöglicht wird.In a second contacting variant, a plurality of edge contact points are used on the grid. The edge contact points are designed to coincide with the grid contact points, i.e., they are also arranged on the left side of the surface of the base body, facing the catalyst layer. For contacting, a conductive layer—for example, a copper strip—can be applied to the surrounding edge of the gas diffusion layer, so that a contact tacting at the edge contact points is possible.

In einer dritten Kontaktierungsvariante wird das Gitter mit einer Mehrzahl Anschlusspunkte versehen. Diese können dabei analog den Gitterkontaktpunkten ausgeführt werden, sind jedoch gegenüberliegend auf der zur Gaskammer weisenden Seite anzuordnen. Somit kann über die Mehrzahl Anschlusspunkte eine Kontaktierung des Gitters vorgenommen werden und der Strom verteilt über die Vielzahl Gitterkontaktepunkte auf die Katalysatorschicht übertragen werden.In a third contacting variant, the grid is provided with a plurality of connection points. These can be designed analogously to the grid contact points, but are arranged opposite each other on the side facing the gas chamber. Thus, the grid can be contacted via the plurality of connection points, and the current can be transferred to the catalyst layer in a distributed manner across the numerous grid contact points.

Naheliegend ist es möglich, die drei unterschiedlichen Arten der Kontaktierung zu kombinieren.It is obviously possible to combine the three different types of contact.

Das Gitter kann einerseits als gegossenes Bauteil, beispielsweise in Art eines Gitterrostes ausgeführt sein. Problematisch können jedoch die geringen Abmessungen, insbesondere Materialstärken für das Gitter sein.The grating can be designed as a cast component, for example, in the form of a grating. However, the small dimensions, especially the material thicknesses, can be problematic.

Weiterhin ist es möglich, das Gitter in einem additiven Herstellungsprozess zu fertigen. Dabei ist es möglich das Gitter optimal an den lokal notwendigen Querschnitt zur Stromleitung, der optimalen Verteilung innerhalb der Gasdiffusionselektrode und der optimalen Kontaktierung der Katalysatorschicht anzupassen. Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand für die Herstellung des Gitters.Furthermore, it is possible to produce the grid using an additive manufacturing process. This allows the grid to be optimally adapted to the locally required cross-section for current conduction, the optimal distribution within the gas diffusion electrode, and the optimal contacting of the catalyst layer. However, the disadvantage is the high cost of producing the grid.

Alternativ kann vorgesehene sein, dass das Gitter aus einer Mehrzahl sich kreuzender Metalldrähte hergestellt wird, wobei die sich kreuzenden Metalldrähte analog einem Gitterzaun zur Stabilisierung punktgeschweißt sind.Alternatively, the grid may be made from a plurality of intersecting metal wires, wherein the intersecting metal wires are spot-welded for stabilization, similar to a mesh fence.

Prinzipiell ist es hinreichend, eine Mehrzahl Metallfäden zur Bildung des Gitters nur entlang einer Richtung zueinander im Wesentlichen parallel durch den Grundkörper zu führen. Diesbezüglich bezieht sich „im Wesentlichen“ darauf, dass die Metallfäden entlang einer gemeinsamen Richtung den Grundkörper durchlaufen, dabei jedoch quer zur gemeinsamen Richtung, insbesondere zur Realisierung der Gitterkontaktpunkte, unterschiedlich geformt sein können.In principle, it is sufficient to guide a plurality of metal threads through the base body to form the grid, essentially parallel to one another, along only one direction. In this context, "essentially" refers to the metal threads running through the base body along a common direction, but can be shaped differently transversely to the common direction, particularly for the realization of the grid contact points.

Ergänzend kann eine weitere vorteilhafte Ausführung zur Bildung des elektrisch leitenden Gitters gewählt werden, bei der eine Mehrzahl von ersten Metallfäden entlang einer ersten Richtung durch den Grundkörper geführt wird, wobei eine Mehrzahl von zweiten Metallfäden entlang einer zweiten Richtung, bspw. quer zur ersten Richtung, zueinander im Wesentlichen parallel den Grundkörper durchquert. Dabei ist zunächst nicht vorgesehen, dass die ersten Metallfäden und die zweiten Metallfäden miteinander verwebt, verflochten oder anderweitig verbunden sind.In addition, a further advantageous embodiment for forming the electrically conductive grid can be selected, in which a plurality of first metal threads are guided through the base body along a first direction, with a plurality of second metal threads traversing the base body along a second direction, e.g., transverse to the first direction, essentially parallel to one another. In this case, it is not initially intended that the first metal threads and the second metal threads be woven, interwoven, or otherwise connected to one another.

Besonders bevorzugt wird jedoch das Gitter in Art eines Netzes gebildet. Dabei umfasst das Gitter eine Mehrzahl Metalldrähten. Diese werden hierzu zum Gitter gewebt oder geflochten.However, the grid is particularly preferably formed in the form of a net. The grid comprises a plurality of metal wires, which are woven or braided together to form the grid.

Bei der Ausführung in Art eines Netzes bzw. bei Verwendung von Metallfäden zur Herstellung des Gittes ist es vorteilhaft möglich, Metalldrähte des Gitters mit nicht-leitenden Kunststofffäden zu kombinieren, so dass ein in sich stabileres Netz mit integriertem Gitter entsteht. Die Dichte und die Verteilung der Metalldrähte und der nicht-leitenden Kunststofffäden kann vorteilhaft ausgehend von den notwendigen Querschnitten und dem gewählten Fertigungsverfahren festgelegt werden.When designed in a mesh-like manner or using metal threads to create the grid, it is advantageous to combine the metal wires of the grid with non-conductive plastic threads, creating a more stable mesh with an integrated grid. The density and distribution of the metal wires and non-conductive plastic threads can be advantageously determined based on the required cross-sections and the selected manufacturing process.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Gitter analog vorheriger Variante eine Mehrzahl Metallfäden umfasst, diese jedoch in den Grundkörper eingenäht sind.Alternatively, it can also be provided that the grid comprises a plurality of metal threads, analogous to the previous variant, but these are sewn into the base body.

Es ist möglich, den Grundkörper ebenfalls in Form eines mehrlagigen Netzes herzustellen. Dabei kann einerseits vorgesehen sein, dass das elektrisch leitende Gitter als eine Lage zwischen anderen nicht-leitenden Lagen des Grundkörpers angeordnet wird. Bei der Variante mit dem Gitter umfassend eingenähte Metallfäden können beispielsweise auf eine linke Schicht des Grundkörpers die Metallfäden von der rechten Seite aufgenäht werden und beispielsweise nachfolgend auf der rechten Seite eine rechte Schicht den Grundkörper vervollständigen.It is also possible to manufacture the base body in the form of a multi-layer mesh. In this case, the electrically conductive mesh can be arranged as a single layer between other non-conductive layers of the base body. In the variant with metal threads sewn into the mesh, for example, the metal threads can be sewn onto a left-hand layer of the base body from the right side, and then, for example, a right-hand layer can be sewn onto the right side to complete the base body.

Ebenso kann bevorzugt ein kombiniertes Netz umfassend das elektrisch leitende Gitter und nicht-leitende Kunststofffäden mit weiteren nicht-leitenden Lagen kombiniert werden. Hierbei werden die Metallfäden des Gitters vorteilhaft in das Netz bzw. in die mehreren Netze des mehrlagigen Grundkörpers unmittelbar eingearbeitet, d.h. eingewebt respektive eingeflochten.Likewise, a combined mesh comprising the electrically conductive grid and non-conductive plastic threads can preferably be combined with additional non-conductive layers. In this case, the metal threads of the grid are advantageously incorporated directly into the mesh or into the multiple meshes of the multi-layer base body, i.e., woven or braided.

In jeden Fall wird es bevorzugt, wenn das Gitter integral in der Gasdiffusionsschicht eingebettet ist. D.h. das Gitter wird untrennbar im Grundkörper der Gasdiffusionsschicht fixiert.In any case, it is preferred if the grid is embedded integrally in the gas diffusion layer. This means that the grid is inseparably fixed in the main body of the gas diffusion layer.

Dies wird einerseits ermöglicht, wenn das Gitter unmittelbar in einen netzartigen Grundkörper eingearbeitet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Gitter in den Grundkörper eingegossen oder eingeschäumt wird. Dieses eröffnet eine besonders einfache Handhabung der Gasdiffusionsschicht.This is made possible, on the one hand, by incorporating the grid directly into a mesh-like base body. Alternatively, the grid can be cast or foamed into the base body. This allows for particularly easy handling of the gas diffusion layer.

In jeden Fall ist es notwendig, dass das Gitter an einer Vielzahl Stellen bis zur Oberfläche auf der linken Seite reicht und somit die Gitterkontaktpunkte realisiert werden. Somit wird die Kontaktierung der Katalysatorschicht an den Gitterkontaktpunkten ermöglicht.In any case, it is necessary that the grid is installed in a number of places up to the surface on the left side, thus creating the lattice contact points. This enables contacting of the catalyst layer at the lattice contact points.

Sofern aufgrund der Gestaltung und/oder dem Herstellungsprozess keine Gitterkontaktpunkte unmittelbar vorhanden sind, so kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Gasdiffusionsschicht auf der linken Seite bearbeitet, beispielsweise abgeschliffen ist, so dass der Kontakt an den Gitterkontaktpunkten gewährleistet werden kann.If, due to the design and/or the manufacturing process, no grid contact points are directly present, it can advantageously be provided that the gas diffusion layer on the left side is machined, for example ground, so that contact at the grid contact points can be ensured.

Zur Gewährleistung einer langanhaltenden Beständigkeit ohne Beeinträchtigung der Elektrolyse kann es vorteilhaft sein, das Gitter mit einer nicht-leitenden Beschichtung zu versehen. Es ist offensichtlich, dass dabei die Gitterkontaktpunkte sowie Anschlusspunkte zur Kontaktierung frei liegen müssen.To ensure long-term stability without compromising electrolysis, it may be advantageous to coat the grid with a non-conductive coating. Obviously, the grid contact points and connection points for contacting must be exposed.

Um eine Anhaftung jeglicher Stoffe bzw. Moleküle in der Gasdiffusionsschicht zu vermeiden ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn das elektrisch leitende Gitter mit einer hydrophoben Beschichtung versehen ist. Somit wird vermieden, dass an dem an sich leitenden Gitter mit üblicherweise hydrophilen Eigenschaften Partikel - unabhängig, ob bei der Herstellung/Montage oder im Betrieb oder Stillstand - am Gitter anhaften können und somit die freie Durchgängigkeit für CO2 verringert.To prevent the adhesion of any substances or molecules in the gas diffusion layer, it is particularly advantageous if the electrically conductive grid is provided with a hydrophobic coating. This prevents particles from adhering to the inherently conductive grid, which usually has hydrophilic properties – regardless of whether they occur during production/assembly or during operation or downtime – and thus reducing the free passage of CO2.

Die Anzahl der Gitterkontaktpunkte je Fläche der Katalysatorschicht kann unterschiedlich gewählt werden. Je größer die Anzahl gewählt wird, um so gleichmäßiger wird die Spannungsverteilung über die Fläche der Katalysatorschicht sein. Zu berücksichtigen ist dabei jedoch das Problem, dass mit einer steigenden Anzahl an Gitterkontaktpunkte sich der Aufwand zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht mit dem elektrisch leitenden Gitter erhöht.The number of grid contact points per surface area of the catalyst layer can be varied. The larger the number, the more uniform the voltage distribution will be across the surface of the catalyst layer. However, the problem to consider is that with an increasing number of grid contact points, the effort required to produce the gas diffusion layer with the electrically conductive grid increases.

Ein Vorteil gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik wird ermöglicht, wenn zumindest ein Gitterkontaktpunkt je 500 mm2 vorhanden ist. Um die wirksame Fläche der Katalysatorschicht nicht unnötig einzuschränken, sollte die Dichte der Gitterkontaktpunkte jedoch nicht größer als ein Gitterkontaktpunkt je 1 mm2 sein.An advantage over state-of-the-art solutions is achieved by having at least one grid contact point per 500 mm2. However, to avoid unnecessarily restricting the effective area of the catalyst layer, the density of grid contact points should not exceed one grid contact point per 1 mm2.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht, zumindest ein Gitterkontaktpunkt je 100 mm2 vorzusehen. Besonders bevorzugt ist höchstens ein Gitterkontaktpunkt je 50 mm2 bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht vorhanden.It has proven advantageous to provide at least one grid contact point per 100 mm² of the catalyst layer area. Particularly preferred is a maximum of one grid contact point per 50 mm² of the catalyst layer area.

Demgegenüber sollte die Anzahl der Gitterkontaktpunkte bevorzugt nicht größer gewählt werden als ein Gitterkontaktpunkt je 2 mm2. Als besonders bevorzugt wird es angesehen, wenn maximal ein Gitterkontaktpunkt je 4 mm2 vorhanden ist.In contrast, the number of grid contact points should preferably not exceed one grid contact point per 2 mm2. It is considered particularly preferable to have a maximum of one grid contact point per 4 mm2.

Zur Gewährleistung eines definierten Abstandes zwischen der Kathodenendplatte und der Gasdiffusionsschicht, insbesondere zur Sicherung der Lage der Gasdiffusionsschicht sowie der Weite der Gaskammer, ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein kathodenseitiger Abstandshalter auf der rechten Seite der Gasdiffusionsschicht eingesetzt wird. Dabei ist es erforderlich, dass eine definierte Lage des kathodenseitigen Abstandshalters zwischen der Kathodenendplatte und der Gasdiffusionsschicht gegeben ist.To ensure a defined distance between the cathode end plate and the gas diffusion layer, especially to secure the position of the gas diffusion layer and the width of the gas chamber, it is particularly advantageous to insert at least one cathode-side spacer on the right side of the gas diffusion layer. This requires a defined position of the cathode-side spacer between the cathode end plate and the gas diffusion layer.

Dabei ist vorgesehen, dass der kathodenseitige Abstandhalter an der Kathodenendplatte und gegenüberliegend an der Gasdiffusionsschicht anliegt. Es ist offensichtlich, dass sich der kathodenseitige Abstandshalter in der Gaskammer befindet bzw. diese durchdringt. Der kathodenseitige Abstandshalter soll somit sicherstellen, dass sich der Abstand zwischen der Kathodenendplatte und der Gasdiffusionsschicht nicht aufgrund von Verformungen der Gasdiffusionsschicht verändert.The cathode-side spacer is designed to rest against the cathode end plate and, opposite, against the gas diffusion layer. It is obvious that the cathode-side spacer is located within the gas chamber or penetrates it. The cathode-side spacer is thus intended to ensure that the distance between the cathode end plate and the gas diffusion layer does not change due to deformation of the gas diffusion layer.

Weiterhin kann es je nach Dimensionierung der Elektrolysezelle sowie der Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht vorteilhaft sein, wenn in der Wasserkammer zumindest ein anodenseitiger Abstandshalter angeordnet wird. Dabei ist es erforderlich, dass eine definierte Lage des anodenseitigen Abstandshalters zwischen der Anodenendplatte und der Katalysatorschicht gegeben ist.Furthermore, depending on the dimensions of the electrolysis cell and the stiffness of the gas diffusion layer and the catalyst layer, it may be advantageous to arrange at least one anode-side spacer in the water chamber. This requires a defined position of the anode-side spacer between the anode end plate and the catalyst layer.

Der anodenseitige Abstandshalter soll somit sicherstellen, dass sich der Abstand zwischen der Anodenendplatte und der Katalysatorschicht nicht aufgrund von Verformungen der Katalysatorschicht verändert.The anode-side spacer is intended to ensure that the distance between the anode end plate and the catalyst layer does not change due to deformation of the catalyst layer.

In Verbindung mit den kathodenseitigem Anstandshalter kann mit dem anodenseitigen Abstandshalter zuverlässig die Position der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht festgelegt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass die flächige Anlage der Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionsschicht gewährleistet ist.In conjunction with the cathode-side spacer, the anode-side spacer can reliably determine the position of the catalyst layer and the gas diffusion layer. This ensures the flat adhesion of the catalyst layer to the gas diffusion layer.

Dabei kann in einer ersten Option vorgesehen sein, dass mehrere kathodenseitige Abstandshalter in der Gaskammer respektive mehrere anodenseitige Abstandshalter in der Wasserkammer angeordnet werden. In diesem Fall sind die kathodenseitigen Abstandshalter fest mit der Kathodenendplatte respektive die anodenseitigen Abstandshalter fest mit der Anodenendplatte zu verbinden, so dass deren Lage festgelegt ist.In a first option, several cathode-side spacers can be arranged in the gas chamber, or several anode-side spacers in the water chamber. In this case, the cathode-side spacers are to be firmly connected to the cathode end plate, or the anode-side spacers are to be firmly connected to the anode end plate, so that their position is fixed.

Im Falle der fest mit der Anodenendplatte verbundenen anodenseitigen Abstandshaltern ist die Anode die Abstandshalter umgebend auszuführen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Anodenmembran ebenfalls die Abstandshalter umgebend ausgeführt wird. Sofern die Formgebung der Anodenmembran es ermöglicht, wird bevorzugt eine Überdeckung der Anode und der Abstandshalter mit der Anodenmembran vorgenommen.In the case of anode-side spacers firmly connected to the anode end plate, the anode must be designed to surround the spacers. It can be provided that the anode membrane also surrounds the spacers. If the shape of the anode membrane allows it, the anode and the spacers are preferably covered by the anode membrane.

In einer zweiten Option kann vorgesehen sein, dass ein einteiliger kathodenseitiger Abstandshalter zwischen der Kathodenendplatte und der Gasdiffusionsschicht respektive ein einteiliger anodenseitiger Abstandshalter zwischen der Anodenendplatte und der Katalysatorschicht in der Wasserkammer eingelegt wird.In a second option, it can be provided that a one-piece cathode-side spacer is inserted between the cathode end plate and the gas diffusion layer or a one-piece anode-side spacer is inserted between the anode end plate and the catalyst layer in the water chamber.

Die bevorzugte Ausführung verwendet an der Kathodenendplatte befestigte integrale kathodenseitige Abstandhalter und einen in der Wasserkammer angeordneten einteiligen montierten anodenseitigen Abstandshalter. Somit gibt es keine Einschränkungen oder Mehraufwendungen für die Gestaltung der Anode und der Anodenmembran.The preferred design utilizes integral cathode-side spacers attached to the cathode endplate and a one-piece, mounted anode-side spacer located within the water chamber. Thus, there are no restrictions or overhead on the design of the anode and anode membrane.

Zur Gewährleistung einer möglichst ungehinderten Strömung in der Gaskammer respektive Wasserkammer ist ein einteiliger montierter Abstandshalter gitterförmig zu gestalten. Dabei sollte die überdeckte Fläche der Gasdiffusionsschicht respektive der Katalysatorschicht möglichst gering ausfallen und der gitterförmige Abstandhalter ansonsten von der Kathodenendplatte respektive Anodenendplatte und insbesondere von der Gasdiffusionsschicht respektive der Katalysatorschicht beabstandet sein.To ensure the most unobstructed flow in the gas chamber or water chamber, a one-piece mounted spacer must be designed in a grid-like manner. The covered area of the gas diffusion layer or catalyst layer should be as small as possible, and the grid-like spacer should otherwise be spaced apart from the cathode end plate or anode end plate, and especially from the gas diffusion layer or catalyst layer.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

  • 1 zeigt schematisch im Schnitt ein erstes Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit einem innerhalb der nicht-leitenden Gasdiffusionsschicht angeordneten elektrisch leitenden Gitter. 1 shows schematically in section a first embodiment of the structure of an electrolysis cell according to the invention with an electrically conductive grid arranged within the non-conductive gas diffusion layer.
  • 2 zeigt schematisch im Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle analog dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Position der Gasdiffusionselektrode durch Abstandshalter fixiert wird. 2 shows schematically in section a second embodiment of the construction of an electrolysis cell according to the invention analogous to the first embodiment, wherein the position of the gas diffusion electrode is fixed by spacers.
  • 3 zeigt schematisch die mögliche Gestalt für ein Gitter, welches in der Gasdiffusionsschicht eingebettet werden kann. 3 shows schematically the possible shape of a grid that can be embedded in the gas diffusion layer.
  • 4 zeigt schematisch ein Gasdiffusionssicht mit integriertem leitendem Gitter. 4 shows schematically a gas diffusion view with integrated conductive grid.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

In der 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle 01 skizziert. Dargestellt ist in dieser vereinfachten Skizze der Aufbau der Elektrolysezelle 01 in der Abfolge von der rechten Seite 02 zur linken Seite 03.In the 1 A first exemplary embodiment of an electrolysis cell 01 according to the invention is outlined. This simplified sketch shows the structure of the electrolysis cell 01 in the sequence from the right side 02 to the left side 03.

Auf der rechten Seite 02 befindet sich die Kathodenendplatte 04. Üblicherweise erfolgt der kathodenseitige Stromanschluss an der Kathodenendplatte 04. Angrenzend an die Kathodenendplatte 04 befindet sich die Gaskammer 06. Im Betrieb der Elektrolysezelle 01 wird der Gaskammer das umzusetzende Kohlendioxid (CO2) zugeführt.On the right side 02 is the cathode end plate 04. The cathode-side power connection is usually made at the cathode end plate 04. Adjacent to the cathode end plate 04 is the gas chamber 06. During operation of the electrolysis cell 01, the carbon dioxide (CO2) to be converted is fed to the gas chamber.

Auf der linken Seite 03 befindet sich die Anodenendplatte 05. Der anodenseitige Stromanschluss erfolgt bestimmungsgemäß auf der linken Seite bevorzugt an der Anodenendplatte 05. In der Figur angrenzend an die Anodenendplatte 05 ist die Wasserkammer 07 skizziert. In der Realisierung ist zu berücksichtigen, dass sich an der Anodenendplatte 05 die Anode befindet bzw. diese bildet. Die Anode ist zur Realisierung der Elektrolysezelle wiederum von der Wasserkammer 07 durch eine Anodenmembran zu trennen. Im Betrieb der Elektrolysezelle 01 befindet sich in der Wasserkammer 07, das Elektrolyt zur Ermöglichung der Elektrolyse.The anode end plate 05 is located on the left side 03. The anode-side power connection is intended to be made on the left side, preferably at the anode end plate 05. In the figure, the water chamber 07 is sketched adjacent to the anode end plate 05. During implementation, it must be taken into account that the anode is located at, or forms, the anode end plate 05. To create the electrolysis cell, the anode must in turn be separated from the water chamber 07 by an anode membrane. During operation of the electrolysis cell 01, the electrolyte for enabling electrolysis is located in the water chamber 07.

Die Gaskammer 06 wird von der Wasserkammer 07 durch eine Gasdiffusionselektrode getrennt. Diese besteht aus einer Gasdiffusionsschicht 08 sowie einer Katalysatorschicht 09. Hierbei ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht 08 elektrisch nicht-leitend und demgegenüber die Katalysatorschicht 09 elektrisch leitend ist.The gas chamber 06 is separated from the water chamber 07 by a gas diffusion electrode. This consists of a gas diffusion layer 08 and a catalyst layer 09. The gas diffusion layer 08 is electrically non-conductive, while the catalyst layer 09 is electrically conductive.

Um die CO2 Elektrolyse zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Katalysatorschicht 09 elektrisch mit einem Kathodenanschluss zu verbinden. Dies erfolgt in bevorzugter Weise über die Verbindung mit der Kathodenendplatte 04, an der wiederum der Kathodenanschluss angeschlossen ist.To enable CO2 electrolysis, the catalyst layer 09 must be electrically connected to a cathode terminal. This is preferably done via the connection to the cathode end plate 04, to which the cathode terminal is connected.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass innerhalb der Gasdiffusionsschicht 08 ein elektrisch leitendes Gitter 13 angeordnet ist. Dieses 13 erstreckt sich über die gesamte Ausdehnung der Gasdiffusionsschicht 08 und kann umlaufend an einer Vielzahl freier Anschlussstellen 15 (siehe 4) mit einem Kathodenanschluss bzw. indirekt mit der Kathodenendplatte 04 verbunden werden. Weiterhin erstreckt sich das Gitter 13 an einer Vielzahl von Stellen bis zur Katalysatorschicht 09, so dass über einer Vielzahl von Gitterkontaktpunkten 14 eine elektrisch leitende Verbindung zur Katalysatorschicht 09 hergestellt ist.For this purpose, the invention provides that an electrically conductive grid 13 is arranged within the gas diffusion layer 08. This grid 13 extends over the entire extent of the gas diffusion layer 08 and can be circumferentially connected to a plurality of free connection points 15 (see 4 ) with a cathode terminal or indirectly with the cathode end plate 04. Furthermore, the grid 13 extends at a plurality of locations to the catalyst layer 09, so that an electrically conductive connection to the catalyst layer 09 is established via a plurality of grid contact points 14.

In der 2 wird schematisch der Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle 11 skizziert. Diese entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1, so dass nur auf die Ergänzungen eingegangen wird.In the 2 The structure of a second embodiment of an electrolytic cell 11 according to the invention is schematically outlined. This essentially corresponds to the first embodiment of 1 , so only the additions will be discussed.

Zur Fixierung der Lage der Gasdiffusionselektrode gebildet aus der Gasdiffusionsschicht 08 und der Katalysatorschicht 09 ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass Abstandshalter 24, 25 eingesetzt werden. Dabei werden integral mit der Kathodenendplatte 14 verbundene kathodenseitige Abstandshalter 24 mit Anlage an der Gasdiffusionsschicht 08 eingesetzt. Gegenüberliegend werden integral mit der Anodenendplatte 15 verbundene anodenseitige Abstandshalter 25 eingesetzt. Zur Verhinderung einer Kontaktierung durch die anodenseitigen Abstandshalter 25 sind diese 25 mit einer nicht-leitenden Beschichtung 28 versehen.To fix the position of the gas diffusion electrode formed from the gas diffusion layer 08 and the catalyst layer 09, this example provides for the use of spacers 24, 25. Cathode-side spacers 24, integrally connected to the cathode end plate 14, are inserted in contact with the gas diffusion layer 08. Opposite, anode-side spacers 25, integrally connected to the anode end plate 15, are inserted. To prevent contact through the anode-side spacers 25, these 25 are provided with a non-conductive coating 28.

Nicht skizziert ist die notwendige Anode sowie die Anodenmembran zur Trennung der Anode von der Wasserkammer 07.Not sketched is the necessary anode and the anode membrane for separating the anode from the water chamber 07.

In der 3 wird schematisch ein Gitter 13 skizziert, welches 13 zu einem Netz gewebt ist. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das Gitter 13 abwechselnd von Metalldrähten 16 und Kunststoffdrähten 17 gebildet wird.In the 3 A grid 13 is schematically depicted, which is woven into a mesh. For example, the grid 13 can be formed by alternating metal wires 16 and plastic wires 17.

Nicht unmittelbar dargestellt ist die Formgebung für die Gitterkontaktpunkte 14. Hierzu sind an entsprechenden Stellen die Metalldrähte 16 vor der Einbettung in den Grundkörper 12 der Gasdiffusionsschicht 08 zu verbiegen, so dass sich das Gitter 13 an einer Vielzahl Stellen lokal bis zur Oberfläche auf der linken Seite 03 erstreckt.The shape for the grid contact points 14 is not directly shown. For this purpose, the metal wires 16 must be bent at appropriate points before being embedded in the base body 12 of the gas diffusion layer 08, so that the grid 13 extends locally to the surface on the left side 03 at a plurality of points.

In der 4 wird schematisch ein die Gasdiffusionsschicht 08 skizziert. Diese 08 besteht im Wesentlichen aus dem elektrisch nicht-leitenden Grundkörper 12. Innerhalb der Gasdiffusionsschicht 08 befindet sich das integral eingebettete elektrisch leitende Gitter 13. Dieses 13 erstreckt sich am Außenumfang der Gasdiffusionsschicht 08 bis über den Grundkörper 12 hinaus, so dass eine Vielzahl Anschlussstellen 15 zur Verfügung stehen. Auf der linken Seite 03 der Gasdiffusionsschicht 08 sind die Gitterkontaktpunkte 14 des Gitters 13 frei zugänglich, so dass die Kontaktierung der Katalysatorschicht 09 ermöglicht wird.In the 4 The gas diffusion layer 08 is schematically outlined. This 08 essentially consists of the electrically non-conductive base body 12. Within the gas diffusion layer 08 is the integrally embedded electrically conductive grid 13. This 13 extends along the outer circumference of the gas diffusion layer 08 beyond the base body 12, so that a plurality of connection points 15 are available. On the left side 03 of the gas diffusion layer 08, the grid contact points 14 of the grid 13 are freely accessible, enabling contact with the catalyst layer 09.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2023/217624A1 [0004]WO 2023/217624A1 [0004]
  • WO 2019/096985A1 [0004]WO 2019/096985A1 [0004]

Claims (15)

Elektrolysezelle (01,11) zur Elektrolyse von CO2 mit einer Kathodenseite (02) und einer Anodenseite (03) umfassend in unmittelbarer oder mittelbarer Folge - eine Kathodenendplatte (04,14), - eine Gaskammer (06), - eine Gasdiffusionsschicht (08), - eine Katalysatorschicht (09), - eine Wasserkammer (07), und - eine Anodenendplatte (05, 25); dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (08) einen elektrisch nicht-leitenden Grundkörper (12) und ein elektrisch leitendes Gitter (13) umfasst, wobei das Gitter (13) zumindest mehrheitlich innerhalb des Grundkörpers (12) angeordnet ist und eine Vielzahl Gitterkontaktpunkte (14) umfasst, welche (14) mit der Katalysatorschicht (09) elektrisch leitend verbundenen sind.Electrolysis cell (01, 11) for the electrolysis of CO2 with a cathode side (02) and an anode side (03), comprising in direct or indirect sequence - a cathode end plate (04, 14), - a gas chamber (06), - a gas diffusion layer (08), - a catalyst layer (09), - a water chamber (07), and - an anode end plate (05, 25); characterized in that the gas diffusion layer (08) comprises an electrically non-conductive base body (12) and an electrically conductive grid (13), wherein the grid (13) is arranged at least predominantly within the base body (12) and comprises a plurality of grid contact points (14) which are electrically conductively connected to the catalyst layer (09). Elektrolysezelle (01,11) nach Anspruch 1, wobei das Gitter (13) über eine Vielzahl am Außenumfang der Gasdiffusionsschicht (08) angeordneter Anschlussstellen (15) als freie Enden des Gitters mit einem Kathodenanschluss elektrisch leitend verbunden ist.Electrolysis cell (01,11) according to Claim 1 , wherein the grid (13) is electrically conductively connected to a cathode terminal via a plurality of connection points (15) arranged on the outer circumference of the gas diffusion layer (08) as free ends of the grid. Elektrolysezelle (01,11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gitter (13) über Mehrzahl Randkontaktpunkte, welche analog den Gitterkontaktpunkten (14) ausgeführt und nahe den Enden des Gitters angeordnet sind, mit einem Kathodenanschluss elektrisch leitend verbunden ist.Electrolysis cell (01,11) according to Claim 1 or 2 , wherein the grid (13) is electrically conductively connected to a cathode terminal via a plurality of edge contact points which are designed analogously to the grid contact points (14) and are arranged near the ends of the grid. Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gitter (13) über Mehrzahl Anschlusspunkte, welche analog den Gitterkontaktpunkten (14) ausgeführt und auf der gegenüberliegenden zur Kathodenendplatte (04,14) weisenden Seite angeordnet sind, mit einem Kathodenanschluss elektrisch leitend verbunden ist.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the grid (13) is electrically conductively connected to a cathode terminal via a plurality of connection points which are designed analogously to the grid contact points (14) and are arranged on the side opposite the cathode end plate (04,14). Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gitter (13) eine Mehrzahl den Grundkörper im Wesentlichen parallel durchlaufende Metalldrähte (16) umfasst.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the grid (13) comprises a plurality of metal wires (16) running substantially parallel through the base body. Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gitter (13) eine Mehrzahl zu einem Netz gewebte und/oder geflochtene Metalldrähte (16) umfasst.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the grid (13) comprises a plurality of metal wires (16) woven and/or braided into a net. Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gitter (13) eine Mehrzahl in den Grundkörper eingenähter Metalldrähte (16) umfasst.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the grid (13) comprises a plurality of metal wires (16) sewn into the base body. Elektrolysezelle (01,11) nach Anspruch 5, wobei der Grundkörper (12) zumindest anteilig in Art eines gewebten und/oder geflochtenen Netzes ausgeführt ist und die Metalldrähte des Gitters (13) im Netz des Grundkörpers (12) eingewebt respektive eingeflochten sind.Electrolysis cell (01,11) according to Claim 5 , wherein the base body (12) is at least partially designed in the manner of a woven and/or braided net and the metal wires of the grid (13) are woven or braided into the net of the base body (12). Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gitter (13) integral in der Gasdiffusionsschicht (08) eingebettet, insbesondere eingegossen oder eingeschäumt ist.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 8 , wherein the grid (13) is integrally embedded in the gas diffusion layer (08), in particular cast or foamed. Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gitter (13) mit Ausnahme der Gitterkontaktpunkte (14) und mit Ausnahme von Anschlusspunkten (15) eine nicht-leitende Beschichtung aufweist.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 9 , wherein the grid (13) has a non-conductive coating with the exception of the grid contact points (14) and with the exception of connection points (15). Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gitter (13) mit Ausnahme der Gitterkontaktpunkte (14) und mit Ausnahme von Anschlusspunkten (15) eine hydrophobe Beschichtung aufweist.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 10 , wherein the grid (13) has a hydrophobic coating with the exception of the grid contact points (14) and with the exception of connection points (15). Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht (09) zumindest ein Gitterkontaktpunkt (14) je 500 mm2 vorhanden ist; und/oder wobei bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht (09) maximal ein Gitterkontaktpunkt (14) je 1 mm2 vorhanden ist.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 11 , wherein, based on the area of the catalyst layer (09), at least one lattice contact point (14) is present per 500 mm2; and/or wherein, based on the area of the catalyst layer (09), a maximum of one lattice contact point (14) is present per 1 mm2. Elektrolysezelle (01,11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht (09) zumindest ein Gitterkontaktpunkt (14) je 100 mm2, insbesondere je 50 mm2, vorhanden ist; und/oder wobei bezogen auf die Fläche der Katalysatorschicht (09) maximal ein Gitterkontaktpunkt (14) je 2 mm2, insbesondere je 4 mm2, vorhanden ist.Electrolysis cell (01,11) according to one of the Claims 1 until 12 , wherein, based on the area of the catalyst layer (09), at least one grid contact point (14) is present every 100 mm2, in particular every 50 mm2; and/or wherein, based on the area of the catalyst layer (09), a maximum of one grid contact point (14) is present every 2 mm2, in particular every 4 mm2. Elektrolysezelle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch zumindest einen kathodenseitiger Abstandshalter (24), welcher (24) zwischen der kathodenseitige Kathodenendplatte (14) und der Gasdiffusionsschicht (08) in der Gaskammer (06) fixiert ist; und/oder gekennzeichnet durch zumindest einen anodenseitigen Abstandshalter (25), welcher (25) zwischen der anodenseitige Anodenendplatte (15) und der Katalysatorschicht (09) in der Wasserkammer (07) fixiert ist.Electrolysis cell (11) according to one of the Claims 1 until 13 , characterized by at least one cathode-side spacer (24) which is fixed between the cathode-side cathode end plate (14) and the gas diffusion layer (08) in the gas chamber (06); and/or characterized by at least one anode-side spacer (25) which is fixed between the anode-side anode end plate (15) and the catalyst layer (09) in the water chamber (07). Gasdiffusionselektrode zur Verwendung in einer Elektrolysezelle (11) nach einer der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Katalysatorschicht (09) und eine Gasdiffusionsschicht (08), welche (08) einen elektrisch nicht-leitenden Grundkörper (12) und ein elektrisch leitendes Gitter (13) umfasst, wobei das Gitter (13) zumindest mehrheitlich innerhalb des Grundkörpers (12) angeordnet ist und eine Vielzahl Gitterkontaktpunkte (14) umfasst, welche (14) mit der Katalysatorschicht (09) elektrisch leitend verbundenen sind.Gas diffusion electrode for use in an electrolysis cell (11) according to one of the preceding claims, comprising a catalyst layer (09) and a gas diffusion layer (08), which (08) comprises an electrically non-conductive base body (12) and an electrically conductive grid (13), wherein the grid (13) is arranged at least predominantly within the base body (12) and comprises a plurality of grid contact points (14) which are electrically conductively connected to the catalyst layer (09).
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