DE-102024210654-A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung sowie elektrochemische Anlage

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage (1) zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, bei dem eine mit dem abzuscheidenden Gas angereicherte ionische Flüssigkeit (2) mindestens einer elektrochemischen Zelle (3) zugeführt wird, das Gas in der elektrochemischen Zelle (3) durch Veränderung eines Prozessparameters an einer Elektrode (4) abgeschieden wird und die um das abgeschiedene Gas abgereicherte ionische Flüssigkeit (2) aus der mindestens einen elektrochemischen Zelle (1) abgeführt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrochemische Anlage (1), welche geeignet ist das erfindungsmäßige Verfahren oder einzelne Schritte des Verfahrens durchzuführen.

Inventors

• Nadja Eisenmenger
• Franz Sebastian Krueger

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (13)

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage (1) zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, bei dem eine mit dem abzuscheidenden Gas angereicherte ionische Flüssigkeit (2) mindestens einer elektrochemischen Zelle (3) zugeführt wird, das Gas in der elektrochemischen Zelle (3) durch Veränderung eines Prozessparameters an einer Elektrode (4) abgeschieden wird und die um das abgeschiedene Gas abgereicherte ionische Flüssigkeit (2) aus der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3) abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die abgereicherte ionische Flüssigkeit (2) über einen Kreislauf (5) abgeführt, mit dem abzuscheidenden Gas angereichert und erneut der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die ionische Flüssigkeit (2) zum Anreichern mit dem abzuscheidenden Gas in eine Kammer (6) eingebracht wird, durch die ein das abzuscheidende Gas enthaltendes Gasgemisch geleitet wird, wobei vorzugsweise die ionische Flüssigkeit (2) in die Kammer eingesprüht wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die angereicherte ionische Flüssigkeit (2) mit Hilfe einer Pumpeinheit (7) der elektrochemischen Zelle (3) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die angereicherte ionische Flüssigkeit (2) stromaufwärts der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3) durch mindestens eine Filtereinheit (8) geführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass durch erneute Veränderung des Prozessparameters Gas, das zuvor an der Elektrode (4) abgeschieden worden ist, wieder freigesetzt und über einen separaten Auslass (9) aus der elektrochemischen Zelle (3) abgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Zufuhr der angereicherten ionischen Flüssigkeit (2) zur elektrochemischen Zelle (3) durch Schließen eines in den Kreislauf (5) integrierten Absperrventils (10) temporär unterbunden wird, vorzugsweise während der Freisetzung des zuvor an der Elektrode (4) abgeschiedenen Gases.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zur kontinuierlichen Gasabscheidung mehrere elektrochemische Zellen (3) zeitlich versetzt, insbesondere aufeinanderfolgend, betrieben werden, so dass in mindestens einer elektrochemischen Zelle (3) Gas aus der angereicherten ionischen Flüssigkeit (2) abgeschieden und an der Elektrode (4) gebunden wird.
9. Elektrochemische Anlage (1) zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, aufweisend - mindestens eine elektrochemische Zelle (3), - einen Kreislauf (5), über den der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3) eine ionische Flüssigkeit zuführbar ist, sowie - eine Kammer (6), die stromaufwärts der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3) in den Kreislauf integriert ist und einen Gaseinlass (11) sowie einen Gasauslass (12) für ein das abzuscheidende Gas enthaltendes Gasgemisch aufweist.
10. Anlage nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass die Kammer (6) eine Sprüheinheit (13) zum Einbringen der ionischen Flüssigkeit in die Kammer (6) aufweist.
11. Anlage nach Anspruch 9 oder 10 , dadurch gekennzeichnet , dass in den Kreislauf (6) eine Pumpeinheit (7) integriert ist, vorzugsweise zwischen der Kammer (6) und der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3).
12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet , dass in den Kreislauf (6) eine Filtereinheit (8) integriert ist, vorzugsweise zwischen der Kammer (6) und der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3).
13. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12 , dadurch gekennzeichnet , dass in den Kreislauf (6) mindestens ein Absperrventil (10) integriert ist, vorzugsweise ein erstes Absperrventil (10) stromaufwärts und ein zweites Absperrventil (10) stromabwärts der mindestens einen elektrochemischen Zelle (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrochemische Anlage zur Gasabscheidung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist. Stand der Technik Elektrochemische Zellen, welche zur Kohlenstoffdioxidabscheidung genutzt werden, weisen zwei Elektroden auf, welche elektrisch verschaltet und durch einen Separator getrennt sind. Sowohl der Separator als auch die Elektroden sind mit einer ionischen Flüssigkeit getränkt bzw. umgeben, welche den Ladungsausgleich innerhalb der elektrochemischen Zelle sicherstellt. An einer kathodenseitigen ersten Elektrode wird ein Gas, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, aus einem Gasstrom durch einen elektrochemischen Prozess gebunden. Die Gasabscheidung wird durch eine Änderung der Temperatur, des Drucks oder der elektrischen Spannung initiiert. Sie ist reversibel, das heißt, dass eine Änderung der Temperatur oder des Druckes auf den Ausgangszustand bzw. ein Entfernen oder Umpolen der Spannung eine kontrollierte Freisetzung des zuvor gebundenen Gases bewirkt. Eine anodenseitige zweite Elektrode fungiert als Elektronendonor und stellt die für die Abscheidungsreaktion notwendigen Elektronen zur Verfügung. Um die Effizienz und die Menge an gebundenem Gas zu erhöhen, wird in praktischen Anwendungen eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen gestapelt und elektrisch verbunden. Innerhalb einer elektrochemischen Zelle befinden sich Versorgungskanäle durch welche der Zelle und insbesondere der kathodenseitigen ersten Elektrode ein Abgas als Eingangsgas zugeführt sowie das prozessierte Abgas als Ausgangsgas abtransportiert wird. Der zugeführte Gasstrom stammt dabei üblicherweise aus Verbrennungsprozessen oder anderen Produktionsprozessen, bei denen Gasgemische als Abgas oder Nebenprodukte entstehen. Häufig sind diese Gasgemische kohlenstoffdioxidhaltig. In den elektrochemischen Zellen kommt dieser Gasstrom insbesondere mit der die Elektroden umgebenden ionischen Flüssigkeit in Kontakt. Die ionische Flüssigkeit ist in der Lage das abzuscheidende Gas aus dem Gasstrom zu lösen. Das gelöste Gas diffundiert durch die ionische Flüssigkeit zur kathodenseitigen Elektrode, wo es dann durch eine elektrochemische Reaktion an der Elektrode abgeschieden wird. Das so entstehende Konzentrationsgefälle innerhalb der ionischen Flüssigkeit führt zu einem konstanten Diffusionsstrom aus gelöstem Gas zur kathodenseitigen Elektrode, bis diese mit dem abzuscheidendem Gas gesättigt ist. Zur Entnahme des abgebundenen Gases wird das abgereicherte Abgas aus der elektrochemischen Zelle durch ein Vakuum entfernt, sodass das gebundene Gas möglichst rein und in einer hohen Konzentration freigesetzt werden kann. Einer der Nachteile dieses Verfahrens ist das aufwendige und insbesondere zeitintensive Vakuumieren der elektrochemischen Zelle. Dieses erhöht die Prozesszeit und senkt dadurch den Durchsatz der elektrochemischen Zelle. Ferner nachteilig ist, dass das Konzentrationsgefälle innerhalb der ionischen Flüssigkeit bei der Abscheidung der Gasphase an der kathodenseitigen Elektrode zu einer geringen Gaskonzentration der ionischen Flüssigkeit im Kontakt mit der Elektrode führt. Dies wiederrum reduziert die Effizienz der elektrochemischen Abscheidungsreaktion und erhöht die Prozesszeit. Weiterhin weist das den elektrochemischen Zellen zugeführte Abgas, da es aus Produktionsprozessen stammt, einen hohen Grad von Verunreinigen, wie beispielsweise Schmutzpartikel, Ruß, Wasser oder andere Verbrennungsprodukte auf. Diese werden von der ionischen Flüssigkeit aufgenommen und lagern sich teilweise an den Elektroden an, wodurch sich die Effizienz der elektrochemischen Abscheidungsreaktionen weiter reduziert. Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu lösen und die Effizienz der elektrochemischen Anlage zu erhöhen. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Des Weiteren wird eine elektrochemische Anlage vorgeschlagen, welche geeignet ist, das Verfahren oder Teilschritte des Verfahrens durchzuführen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Offenbarung der Erfindung Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, bei dem eine mit dem abzuscheidenden Gas angereicherte ionische Flüssigkeit mindestens einer elektrochemischen Zelle zugeführt wird, das Gas in der elektrochemischen Zelle durch Veränderung eines Prozessparameters an einer Elektrode abgeschieden wird und die um das abgeschiedene Gas abgereicherte ionische Flüssigkeit aus der mindestens einen elektrochemischen Zelle abgeführt wird. Durch Anreicherung der ionischen