阅读说明：本技术 利用电解质流的中间冷却来电化学制取包含co的气体 (Electrochemical production of gases containing CO using intercooling of the electrolyte stream ) 是由 M·哈恩布斯 G·施米德 D·塔罗亚塔 C·德尔霍梅-诺伊德克尔 B·亨切尔 A·佩谢尔 于 2019-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于从CO<Sub>2</Sub>中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气的方法,其中在至少一个电解质流的方向上依次串联布置的多个电解池中,从CO<Sub>2</Sub>中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气,这些电解池分别包括阴极和阳极,其中该至少一个电解质流通过依次串联布置的电解池传导,并且在依次串联布置的至少两个电解池之间被中间冷却,并且本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。(The invention relates to a method for removing CO from a gas 2 Method for electrochemically producing CO-containing gas, in particular CO or synthesis gas, in which CO is removed from a plurality of electrolysis cells arranged in series one after the other in the direction of at least one electrolyte flow 2 For electrochemically producing CO-containing gas, in particular CO or synthesis gas, which electrolytic cells each comprise a cathode and an anode, wherein the at least one electrolyte flow is conducted through the electrolytic cells arranged in series and is intercooled between at least two electrolytic cells arranged in series, and to the inventionAn apparatus for performing the method.)

利用电解质流的中间冷却来电化学制取包含CO的气体

技术领域

本发明涉及一种用于从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气的方法，其中在至少一个电解质流的方向上依次串联布置的多个电解池中，从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气，这些电解池分别包括阴极和阳极，其中该至少一个电解质流通过依次串联布置的电解池传导，并且在依次串联布置的至少两个电解池之间被中间冷却，并且本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。

背景技术

目前，通过不同的方法制取CO，例如通过天然气的蒸汽重整与H₂一起制取，或者通过诸如煤、石油或天然气的各种输入物料的气化和随后的净化。

CO也可从CO₂中电化学合成。这例如可以在高温(HT)电解(SOEC，固体氧化物电解池)中进行。在此，根据以下反应式例如在阳极侧形成O₂并且在阴极侧形成CO：

CO₂→CO+1/2O₂。

例如在WO 2014154253、WO 2013131778、WO 2015014527和EP 2940773 A1中说明了高温电解的作用原理和可能的工艺方案。在此提到了高温电解以及借助于吸收、吸附、薄膜或低温分离的可能的CO₂/CO分离。然而没有说明分离方案的确切设计和可能的组合。

除此之外，高温电解还可以以H₂O和CO₂为原料进行，由此可以利用电化学方式制取合成气(CO和H₂的混合物)。于是涉及到Ko电解(在此Ko是指使用两种原料，水和CO₂)。在下文中，为了清楚地表示而使用以下术语：HT-CO₂电解(以CO为产物的高温电解)和HT-Ko电解(以合成气为产物的高温电解)。如果仅提及HT电解，则表示这两种变型方案。

如2008年Delacourt等人的文章所述(DOI 10.1149/1.2801871)，例如以含水电解质利用低温(LT)电解也可从CO₂中电化学制取CO。在此例如发生以下反应：

阴极：CO₂+2e^﹣+H₂O→CO+2OH^﹣；

阳极：H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^﹣.

在此，质子(H⁺)可以例如通过质子交换膜(PEM)从阳极迁移到阴极侧。

在阴极处也会部分地形成氢：2H₂O+2e^﹣→H₂+2OH^﹣。

如2008年Delacourt等人的文章所述(DOI 10.1149/1.2801871)，取决于电解池的结构，除了位于电解质中的质子以外的阳离子(例如K⁺)也可以通过薄膜传导以进行电荷交换。根据结构，同样可以使用所谓的阴离子交换膜(AEM)。取决于例如离子交换和电解质的pH，则可以相应地制定反应方程式。在此，优选将阴极和阳极催化剂直接印制在相应的薄膜上。该设计方案类似于由H₂O到H₂的电解中的常规PEM方案。

与HT电解类似，可以主要生成CO或合成气。为了再次使用明确的名称，下文中使用以下术语：LT-CO₂电解(以CO为产物的低温电解，其中也可产生少量H₂作为副产物)和LT-Ko电解(以合成气为产物的低温电解)。如果仅提及LT电解，则表示这两种变型方案。

取决于在电解中适当催化剂的使用，还可能产生其他有价值的产物，例如乙烯、乙醇等。例如可以从WO 2016124300 A1、WO 2016128323 A1和2012年Kortelever等人的文章(DOI 10.1021/acs.jpclett.5b01559)中得出关于作用原理和可能的反应的概述。

在压力提高的情况下LT电解的运行同样可以在例如2012年Dufek等人的文章(DOI10.1149/2.011209jes)中找到。在此说明了在效率和待实现的电流强度方面的优点。其中没有进行关于O₂流中CO₂、CO和H₂的气体损失的讨论。

LT-CO₂电解的分离概念在原理上相应于HT电解(例如HT-CO₂电解)的产物气体的上述分离方案。然而，LT电解可在比HT电解更高的压力下进行。由于电解中的高压水平，例如10bar及以上，特别是20bar或以上，所获得的产物气体不必在产物分离之前被压缩来获得用于进一步处理的基本上纯净的产物，由此可以节省能量和设备。

电解效率通常在40％至80％之间。由此产生大量的废热，这些废热通常通过电解质回路散发。为了尽可能有效地进行电解，有利的是，将电解池中的温度升高限制在几个开尔文以内。然而，这会导致相对较高的电解质电流。

在图1中示意性地示出了在根据现有技术的示例性电解装置E中LT-CO₂电解的典型结构，其(从下面来看)包括气体室、阴极、具有阴极电解质K的阴极室、薄膜(阴影线)、具有阳极电解质A的阳极室和阳极。

在图1的结构中，将所供给的CO₂流1(补充料)与回流的CO₂流5(循环料)合并，并且形成向电解池的CO₂进料2(原料)。如有必要，也可以用水润湿。通过合适的电极，例如气体扩散电极(GDE)，CO₂到达电化学反应的催化剂(例如银)并且转化为CO。此外，作为副产物还可能产生氢。除了CO还有H₂作为副产物的原始产物流3还可能包含未转化的CO₂和H₂O，该原始产物流在下游(下游过程)被分离，以形成基本上包含CO的产物流4和具有未转化的CO₂的回流的CO₂流5。

另外，在阴极侧(图中紧接在阴极处)馈送所供给的阴极电解质流6，并且在阳极侧馈送所供给的阳极电解质流7。例如，图1中的阳极电解质包含KOH。薄膜(以阴影线示出)、例如离子交换膜(例如全氟磺酸膜)或多孔膜可以确保电荷载流子的交换，并且确保不会发生阳极气体(在阳极侧存在和/或出现的气体)和来自阴极电解质的气体的混合。通过阳极反应提高了阳极电解质中的O₂比例，从而将流出的阳极电解质流9进行气液分离，以便又从电解质回路中去除氧气。此外，通过阴极电解质与气体管道的接触，H₂、CO和CO₂进入阴极电解质中。为了避免在阳极电解质和阴极电解质之间的浓度差异，在LT电解中载有气体的电解质流，如在此示例性地示出的电解质流8和9通常被合并，如在图1中示例性地示出。然后将合并后的载有气体的电解质流10进行气液分离，其中在此CO₂、CO、H₂和O₂可以例如通过所谓的氧气出口作为气体逸出。由此产生气体流11和待回流的液体电解质流12。必要时将液体电解质流12冷却，以便散去电解池中的废热(未示出)，并且通常需要补充液流13以补偿电解质损失并再次适当地调节电解质浓度。然后将这样调节的所供给的电解质流14再次分成所供给的阴极电解质流6和所供给的阳极电解质流7。

然而已观察到的是，CO₂、CO和H₂通过电解池中的气体扩散电极溶解在电解质中，并且可能随着气体流11中的O₂大量损失。由此，在提高的压力下、例如在超过500mbar的过压下LT电解的运行变得不经济。用于回收CO₂、CO和/或H₂的气体流11分离也是不经济的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法和相应的装置，利用其可以在CO₂电解时显著减少O₂流中的CO₂、CO和H₂损失。

发明人发现，通过对电解质进行中间冷却，可以减少在电解时电解质的循环量，并且可以减少电解期间的气体损失。通过降低温度，可以增加所溶解的CO₂量，然而其中令人感到意外的是，损失气体的量没有以相同的程度增加，从而可以减少电解质的循环量。

在第一方面，本发明涉及一种用于从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气的方法，其中在至少一个电解质流的方向上依次串联布置的多个电解池中，从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气，这些电解池分别包括阴极和阳极，其中该至少一个电解质流通过依次串联布置的电解池传导，并且在依次串联布置的至少两个电解池之间被中间冷却。

此外还公开了一种用于从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气的装置，包括：

–依次布置的多个电解池，特别是在至少一个电解质流的方向上依次布置的多个电解池，这些电解池分别包括阴极和阳极；

–在至少两个电解池之间的至少一个连接装置，该至少一个连接装置被设计用于在至少两个电解池之间传导至少一个电解质流；和

–用于包含CO₂的第一反应物流的至少一个第一供料装置，该至少一个第一供料装置被设计用于将包含CO₂的第一反应物流供给到沿CO₂的流动方向首先布置的电解池；

该装置还包括至少一个中间冷却器，该至少一个中间冷却器被设计用于冷却至少一个连接装置的至少一个电解质流。

本发明的其他方面可在从属权利要求和详细说明中得到。

附图说明

附图旨在说明本发明的实施方式并传达对它们的进一步理解。结合说明，附图用于阐释本发明的概念和原理。参考附图将得到其他实施方式和提到的许多优点。

附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。除非另有说明，否则在附图中相同、功能相同且作用相同的元件、特征和部件分别具有相同的附图标记。

图1示意性地示出了根据现有技术的CO₂电解装置的方案，具有共同的电解质回路、CO₂分离和回流。

图2和图3分别示意性地示出了本发明的实施方式。在此，附图标记类似于图1。

具体实施方式

除非另有定义，否则本文中使用的技术和科学术语具有与本发明领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

除非另有说明或从上下文中可看出，否则本发明范畴中的定量说明是指重量百分比。

气体扩散电极(GDE)通常是其中存在液相、固相和气相的电极，并且其中特别是导电催化剂可以催化在液相和气相之间的电化学反应。

设计可以是不同的类型，例如实施为用于调节疏水性的必要时具有辅助层的多孔“实心材料催化剂”；或者实施为可在其上以薄层形式施加催化剂的导电多孔载体。

在本发明的范畴中，合成气是基本上包含氢和一氧化碳的气体混合物。H₂与CO的体积比在此没有特别限制，例如可在10∶1至1∶10的范围内，例如在5∶1至1∶5的范围内，例如在3：1至1：3的范围内，然而就其他使用而言也可适当地设定其他比例。

电堆或电池堆是多个电解池的互连，例如2至1000个，例如从串联连接中所施加电压的角度来看，电解池为10至200个，优选为25至100个。

下面关于在至少一个电解质流的方向上依次串联布置的电解池之间的中间冷却来说明本发明。在此，各个电解池是在同一电堆中还是在不同电堆中(即，沿至少一个电解质流的方向在一个堆的最后一个电池和下一堆的第一个电池中)是无关紧要的。在根据本发明的方法和根据本发明的装置中，特别是至少在装置的两个电堆之间、优选在所有电堆之间进行中间冷却，然而其中不排除也在电堆内的电解池之间发进行中间冷却。就此而言，以下说明总体上涉及在至少一个电解质流的方向上依次串联布置的两个电解池之间的中间冷却，而无关于其是否处于相同和/或不同的电堆中。

常压为101325Pa＝1.01325bar。

在第一方面，本发明涉及一种用于从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气的方法，其中在至少一个电解质流的方向上依次串联布置的多个电解池中，从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气，这些电解池分别包括阴极和阳极，其中该至少一个电解质流通过依次串联布置的电解池传导，并且在依次串联布置的至少两个电解池之间被中间冷却。

因为根据本发明的方法特别是可以利用根据本发明的装置来执行，所以由于该装置的复杂性并且为了更简单的理解，下面也通过根据本发明的方法来公开根据本发明的装置的基本结构。然而，在根据本发明的方法之后还结合本发明的装置方面来探讨根据本发明的装置的优选实施方式。

根据本发明，从CO₂中进行包含CO的气体、特别是CO或合成气的电化学制取没有特别限制。根据某些实施方式，优选在提高的压力下在低温电解中进行电化学制取。LT电解特别是可以在提高的压力下进行，而不会从阴极侧损失大量的产物和/或原料，例如H₂、CO和/或CO₂。该方法优选以如下方式进行，即，在装置的各个电解池中，分别在基本上相同的温度和/或相同的压力下进行电解，例如15至150℃，优选30℃至100℃，特别优选60℃至80℃，例如高达1000kPa(10bar)表压的环境压力，优选高达500kPa(5bar)表压的环境压力，特别优选高达50kPa(0.5bar)表压的环境压力。

在根据本发明的方法中以及在根据本发明的装置中依次布置有多个电解池，即至少两个但优选更多个，例如3、4、5、6、7、8、9、10或更多个，优选5至500个，进一步优选10至200个，例如25至100个电解池，使得电解质按照顺序依次流过所有电解池。电解池可以相应地形成包括单个电池的电池堆或电堆。如上所述，在至少两个电池堆之间，特别是在所有电池堆之间，至少进行一次中间冷却。

在此，各个电解池分别包括阴极和阳极，但除此之外不作进一步限制。电解池例如在阳极室和阴极室之间可以包含一个或多个分隔部，例如薄膜和/或隔膜。另外，电解池包括至少一个电流源，其中电流例如也可以由可再生能源提供。

另外，电解池分别包括至少一个用于含CO₂的反应物流的进料，该反应物流优选地被输送至阴极，并且相应地形成用于含CO₂的阴极反应物的进料，其中该阴极反应物可源自在反应物的流动方向上位于之前的电解池，来自用于多个或所有电池的共同的反应物来源，或来自单独的来源，从而例如也可为两个或多个电解池提供来自不同来源的含CO₂的反应物。这些情况下相应的供料装置的设计将在下面进一步说明。

另外，每个电解池优选地包含用于相应电解池的优选为气态形式的阴极产物的卸料装置。替代地，多个电解池的气体室也可以通过产物连接装置相连接。

另外，每个电解池包括至少一个电解质供料装置和一个电解质卸料装置。在此，在电解质的流动方向上依次布置的电解池中的第一个电解池包括至少一个电解质供料装置，该至少一个电解质供料装置可以与至少一个电解质储存器和/或电解质回流装置连接，其中当分别将阴极电解质供给到阴极室并且将阳极电解质供给到阳极室时，不排除通过作为阳极电解质的供料装置和阴极电解质的供料装置的两个供料装置来形成电解质。

在此，阴极电解质和阳极电解质可源自共同的电解质储存器和/或电解质回流装置，或者源自单独的电解质储存器和/或电解质回流装置，其中电解质储存器也可以至少部分地由电解质回流装置填充。根据某些实施方式，即使在根据本发明的方法和装置中不一定必须进行电解质回流，也存在至少一个电解质回流装置。

另外，在根据本发明的装置中设置有至少一个在电解质的流动方向上连接到最后一个电解池的最后的电解质卸料装置，该电解质卸料装置同样可以与至少一个电解质回流装置连接，其中如果分别从沿电解质流动方向位于最后的电解池的阴极室排出阴极电解质并且从沿电解质流动方向位于最后的电解池的阳极室排出阳极电解质，则不排除通过作为最后的阳极电解质卸料装置和最后的阴极电解质卸料装置的两个最后的卸料装置来形成电解质。

在电解质的流动方向上位于各个电解池之间的电解质供料和卸料装置分别与至少一个连接装置连接，从而在电解池(不是电解质流动方向上的最后一个电解池)的电解质卸料装置和与之连接的电解池(因此不是在电解质流动方向上的第一个电解池)的电解质供料装置之间设置有至少一个(电解质的)连接装置。

如果在根据本发明的装置中存在两个以上的电解池，则由此得到至少两个(电解质的)连接装置。在此，(电解质的)连接装置的数量使得在每两个电解池之间分别仅存在一个连接装置，由此比在根据本发明的装置以及根据本发明的方法中的电解池的数量少一个。

然而，如果在电解池中将电解质分离为阳极电解质和阴极电解质，则优选还存在分别用于阴极电解质和阳极电解质的卸料装置和供料装置，并且因此也优选将各个连接装置分开地构造为第一连接装置和第二连接装置，其中至少一个第一连接装置被设计用于传导阴极电解质流，并且至少一个第二连接装置被设计用于传导阳极电解质流。因此，根据某些实施方式，至少一个电解质流优选在依次串联布置的多个电解池之间分离成阴极电解质流和阳极电解质流。

尽管当然也可以考虑在不同的电解池之间可变地设置一个或两个(电解质的)连接装置，并且在各个电解池处可变地设置一个或两个(电解质的)供料和/或卸料装置，但这不是优选的，因为这可能导致电解产物的混合，从而可能对随后的电解池产生负面影响。

根据某些实施方式，如果同时存在阳极电解质流和阴极电解质流，则阳极电解质流和阴极电解质流在从沿电解质流动方向位于最后的电解池排出之后进行合并，并且通过共同的电解质回流装置一起回流，以便可以再次补偿在阴极电解质和阳极电解质之间的浓度差。在此，在阴极电解质流和阳极电解质流或合并的电解质流又进行回流和/或被提供用于其他用途之前，可以对其进行适当的清洁以清除其中所含的产物气体和/或反应物气体，产物气体例如是从阳极产生的产物气体(例如氧气)。如果电解质以合并的电解质流的形式回流，则电解质流在根据本发明的方法中在重复进入第一电解池之前且必要时在添加补充电解质流之后可以再次分离为阳极电解质流和阴极电解质流。

此外，由于在根据本发明的方法中电解质通常会有所损失，因此也可以将一个或多个另外的(补充的)电解质流附加地供给到电解质的一个或多个(例如两个)储存器和/或一个或多个回流装置，以补偿损失，从而在根据本发明的装置中也可以相应地存在一个或多个(例如一个)电解质补充供料装置。

至少一个包含CO₂的反应物和至少一个电解质流过所存在的多个电解池。由此，在各个电解池中存在至少一个包含CO₂的反应物流和电解质流。包含CO₂的反应物流和电解质流可以彼此并行地流过相应的电解池，即以相同的流动方向和/或以相反的方向和/或以错流的方式，其中各个电池中的流动方向可相同或变化。在此，就电解质流和包含CO₂的反应物流而言，或者在电解质流分离为阴极电解质流和阳极电解质流时，就阴极电解质流、阳极电解质流和/或包含CO₂的反应物流而言，无论是在单个电解池中还是在电池堆中以及相比之下在电池堆之间，料流引导都可同向或反向或错流进行并且没有特别限制。例如，阳极电解质流和阴极电解质流可以彼此同向且与包含CO₂的反应物流反向地流动，以便更容易地去除电解质中的气泡。根据某些实施方式，在各个电解池中，包含CO₂的反应物流和电解质流是同向或反向的。

如果包含CO₂的反应物流作为反应物流依次地流过多个或全部电解池，则该反应物流同样可以平行于电解质流或相反形状地、即沿相反方向流动。

在根据本发明的方法中，电解质流独立于包含CO₂的反应物流地流经多个依次串联布置的电解池，即穿过多个电解池，其中由于反应物气体和/或产物气体的电化学转化和/或转变，电解质流的组成从一个电解池到另一电解池是变化的。通过中间冷却可以特别是在反应物和/或产物的气体转变方面使该变化最小化。通过使电解质流无论是在时间上还是在空间上都按顺序流过不同的电解池，得到与化学合成中相应的反应器排列一样的串行排列或串联排列，然而在此与之相反，优选在每个电解池中至少在阴极侧产生相同的产物，CO或合成气。

另外，如果包含CO₂的反应物流流过电解质流也穿过的所有电解池，则还存在用于包含CO₂的反应物流的第一供料装置。如果将多个反应物流、例如包含CO₂的第一和第二反应物流例如从共同的反应物流来源或不同的来源中并行地供给到多个(例如两个)电解池，则在根据本发明的装置中存在用于包含CO₂的第一和第二反应物流的至少一个第一和第二供料装置。

此外，在电解池中还可以存在常规电解池的其他构件，其没有特别限制。

用于包含CO₂的反应物流的不同供料装置、卸料装置和连接装置(如上面通过示例所示，如果例如在不同电池堆中的某些电解池或每个电解池分别被供以单独的包含CO₂的反应物流，则在此不一定对于每个电解池都必须存在用于包含CO₂的反应物流的连接装置)在尺寸、设计和材料方面没有特别限制，并且例如可以被设计为管道和/或管路。根据某些实施方式，在根据本发明的方法中，将包含CO₂的反应物流分开地供给到不同的电堆，特别是供给到沿反应物流的流动方向在电堆中相应的第一电解池，特别是供给到根据本发明的装置的所有电堆，优选供给到分别沿反应物流的流动方向位于电堆中的电解池，并且根据本发明的包括多个电堆(即至少2、3、4、5、6、7、8、9、10个或更多个电堆)的装置也相应地优选包括用于第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十或更多个包含CO₂的反应物流的至少一个第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十或更多个供料装置。

根据某些实施方式，在根据本发明的装置中，在至少一个电解池中，优选在至少两个电解池中，例如在所有依次排列的电解池中，将阴极实施为气体扩散电极(GDE)。于是在此可以使相应的GDE在一侧与用来将CO₂供给到电解池的“气体室”接触。

如果在多个电解池中存在多个气体室，则多个气体室例如可以通过气体连接装置进行连接，以便将包含CO₂的阴极反应物流从第一电解池进一步输送到其他电解池中，可能还伴随有诸如CO的电解产物。

替代地，相应随后的气体室也可以再次被供给“新鲜”的反应物流，从而根据本发明的装置的至少两个电解池(例如每个电解池)和/或两个电堆(例如每个电堆)具有其自身的用于包含CO₂的阴极反应物的供料装置，其中根据某些实施方式，各个气体室在此不进行连接，并且所获得的产物气体可以作为产物流从阴极侧的每个气体室排出。然后，可以将相应的产物流合并成共同的产物气体流，之后可以将产物气体输送到分离装置，在此未转化的反应物可以被分离并回流，以便重新供给到根据本发明的装置的一个或多个电解池。

根据某些实施方式，在分别单独供给阴极反应物的情况下，其阴极反应物从没有特别限制的共同来源被提供，其中CO₂例如可源自于例如垃圾、煤等的燃烧反应。在被供给到根据本发明的方法中的电解池或根据本发明的装置的电解池中之前，必要时也可将CO₂润湿。

在根据本发明的方法中，将包含CO₂的反应物转化为包含CO的气体，例如转化为CO或合成气，即包含CO和H₂的混合物。然而，在此并不排除在反应物中包含其他气体，例如CO。用于阴极的反应物优选包含相对于阴极反应物的至少20％体积的CO₂，进一步优选至少50％体积的CO₂，更进一步优选至少80％体积的CO₂，特别优选至少90％体积的CO₂，例如95％体积或更多或者99％体积或更多的CO₂。

同样也不排除的是，除了CO或CO和H₂之外，CO₂的转化产物或产物流还包含反应物中未转化的CO₂以及某些情况下其他未转化的气体，和/或例如取决于阴极材料还包含转化的副产物。然而，根据某些实施方式，除了可能未转化的CO₂之外，阴极反应的产物优选主要包含CO或合成气。为此，阴极例如可以包括选自Ag、Au、Zn和/或Pd的金属以及其化合物和/或合金。

阳极以及阳极室和阳极反应没有特别限制。阳极可以被构造为全电极、GDE等。例如，如果在该方法中使用含水电解质，则在阳极处可发生水与氧气的反应。

电解质没有特别限制，但优选为含水。电解质当然还可包含导电盐、用于调节pH值的添加剂等。这些没有特别限制。

根据本发明的方法的特征在于，电解质流在依次串联布置的至少两个电解池之间、例如也在依次串联布置的所有电解池之间被中间冷却。根据优选的实施方式，至少在不同电堆的两个电解池之间被中间冷却。根据某些实施方式，在所有电堆之间被中间冷却。在此，中间冷却的类型没有特别限制。例如，可以通过热交换器和/或通过空气冷却器进行冷却。

根据某些实施方式，至少一个电解质流在依次串联布置的多个电解池之间被分离成阴极电解质流和阳极电解质流。由此可以很好地防止产物气体的混合，从而可以保持电解质更清洁，由此各个电解池中的电解可以变得更有效，从而电解质的体积流量也可进一步减少，使得可进一步减轻电解质的加热，因此冷却也可以更高效。

根据某些实施方式，阴极电解质流和阳极电解质流在依次串联布置的至少两个电解池之间被中间冷却，并且也可以在依次串联布置的所有电解池之间被中间冷却。由此可以减小或防止在阴极电解质流与阳极电解质流之间的温度差，因此，由于可以使用在效率方面尽可能最佳的较小的温度窗口，从而加强了电解质中的离子交换。根据优选的实施方式，如根据本发明的方法那样，在根据本发明的装置中在多个电堆之间进行中间冷却。

根据某些实施方式，阴极电解质流和阳极电解质流特别是在流过依次串联布置的所有电解池之后被合并且回流到共同的电解质流中，其中该共同的电解质流在必要时会脱气并且在沿流动方向的第一电解池之前被分离成阴极电解质流和阳极电解质流。由此，在下一电解循环开始之前，阴极电解质流和阳极电解质流又在浓度和组成方面变得均匀，从而可以更有效地进行电解。

根据某些实施方式，在依次串联布置的至少两个电解池中，分别单独供给包含CO₂的第一和第二反应物流，其中第一和第二反应物流在电解质的流动方向上可以彼此跟随，或者也可以不彼此跟随。特别是至少在根据本发明的方法中的装置的不同电堆之间，优选在根据本发明的方法中的装置的所有电堆之间，可能甚至在依次串联布置的每个电解池中，单独地供给包含CO₂的反应物流，以提高CO₂的转化率并且减少产品气体的转移。

根据某些实施方式，通过至少一个热交换器和/或至少一个空气冷却器进行中间冷却。其特征在于较高的效率并且可以使得进一步利用电解的废热，这特别是从具有至少200cm²、优选至少250cm²、特别是至少300cm²的电极的电池尺寸起是重要的。在此，例如可能会出现60℃或更高的温度。这种废热特别是还可以用于产生区域供热，特别是当使用热交换器进行中间冷却时。由此，根据某些实施方式，中间冷却由至少一个热交换器进行，其中废热被用作区域供热。

在另一方面，本发明涉及一种用于从CO₂中电化学制取包含CO的气体、特别是CO或合成气的装置，包括：

–依次布置的多个电解池，特别是在至少一个电解质流的方向上依次布置的多个电解池，这些电解池分别包括阴极和阳极；

–在至少两个电解池之间的至少一个连接装置(用于电解质或用于电解质流)，该至少一个连接装置被设计用于在至少两个电解池之间传导至少一个电解质流；和

–用于包含CO₂的第一反应物流的至少一个第一供料装置，该至少一个第一供料装置被设计用于将包含CO₂的第一反应物流供给到沿CO₂的流动方向首先布置的电解池；

该装置还包括至少一个中间冷却器，该至少一个中间冷却器被设计用于冷却至少一个连接装置的至少一个电解质流。

如上所述，利用根据本发明的装置特别是可以执行根据本发明的方法。就此而言，电解池、至少一个连接装置(用于电解质)、至少一个用于包含CO₂的第一反应物流的第一供料装置以及至少一个中间冷却器的设计可以按照上面结合根据本发明的方法已经讨论过的那样。该设计在此没有特别限制，然而对于装置的相应组成部分分别优选地如以上关于根据本发明的方法所述。

利用本装置特别是可以执行根据本发明的方法。本发明相应地还涉及根据本发明的装置在电解CO₂的方法中的应用，特别是在根据本发明的方法中的应用。由此，以上针对该方法所述的实施方式也适用于本装置，并且该方法的设计方案可相应地用于根据本发明的装置中，或者本装置的某些实施方式可被设计为使得可执行根据本发明的方法。

根据某些实施方式，在依次串联布置的至少两个电解池之间的至少一个连接装置、优选在依次串联布置的每个连接装置(用于电解质)被设置为至少一个第一连接装置和至少一个第二连接装置，其中至少一个第一连接装置被设计用于传导阴极电解质流，并且至少一个第二连接装置被设计用于传导阳极电解质流。因此，在这样的实施方式中，如上所述，至少一个第一连接装置和至少一个第二连接装置是分开的，使得阴极电解质流和阳极电解质流可分别从电解池的阴极室或阳极室传导至随后串联布置的阴极室或阳极室。由此，可以保持阳极电解质和阴极电解质的组成，从而可能已经引入到各个电解质中的任何电解产物，特别是气体产物都不会进入到相应另一电解质中。特别是如果在阳极电解质和阴极电解质合并以便回流之前进行脱气，则由此例如也可免除在合并的电解质引流中这种气体产物的困难分离。

根据某些实施方式，设置有至少两个中间冷却器，其中至少一个第一中间冷却器被设计用于冷却至少一个第一连接装置中的阴极电解质流，并且至少一个第二中间冷却器被设计用于冷却至少一个第二连接装置中的阳极电解质流。优选地，为电解池之间的所有第一连接装置和所有第二连接装置都设置中间冷却器。

当然，也可以在沿电解质的流动方向流过最后一个电解池之后进行电解质的冷却，既可以单独进行(在阳极电解质流和阴极电解质流的情况下)，也可以对合并的电解质流一起进行，从而仍可以设置至少一个冷却器，其被设计用于冷却沿电解质的流动方向流过最后一个电解池之后的电解质流。

由此，除了在电解池(即电堆的一部分)之间的中间冷却之外，还可以在各个电堆或电堆模块之间进行冷却。相应地，还公开了一种电解设备，该电解设备包括多个根据本发明的呈电堆形式的装置。特别优选的是在电堆之间具有至少一个中间冷却。

根据某些实施方式，根据本发明的装置还包括用于包含CO₂的第二反应物流的至少一个第二供料装置，该至少一个第二供料装置被设计用于将包含CO₂的第二反应物流供给到在至少一个电解质流的流动方向上位于首先连接的电解池之后的另一电解池。根据某些实施方式，至少对于根据本发明的装置的不同电堆，优选对于根据本发明的装置的所有电堆，可能甚至对于根据本发明的装置的每个电解池，都存在用于包含CO₂的单独反应物流的单独供料装置，其中该反应物流可源自相同的来源或不同的来源。

根据某些实施方式，在至少一个电解池中，阴极被实施为气体扩散电极。根据某些实施方式，每个电解池中的阴极都被实施为气体扩散电极。

根据某些实施方式，至少一个中间冷却器被设计为热交换器和/或空气冷却器。进而也可以为每个(电解质的)连接装置设置热交换器和/或空气冷却器。

根据某些实施方式，至少一个中间冷却器被设计为热交换器，其中该热交换器被连接到区域供热网络。在沿电解质流动方向的最后一个电解池之后可能存在的特别是呈热交换器形式的一个或多个冷却器也可以被连接到区域供热网络。

图2和图3示出了根据本发明的装置的示例性设计方案，利用其可以执行根据本发明的方法。在此，图2和图3中的附图标记对应于图1中的附图标记，从中可看出，该装置在某些部分具有相同的构造。

尽管为了清楚起见且更好和更容易地理解本发明而在图2和图3中分别示例性地示出了依次布置的两个电解池，但本发明并不限于依次布置的两个电解池。

与图1中的装置相比，图2示出了电解质的中间冷却部，中间冷却部具有用于各个电池的包含CO₂的反应物的共同气体通道17a、17b，如图1所示。与图1相比，此处的电解池E被分成两个区域，其中电解池中反应物和电解质的流量不变。然而，阳极电解质室被分成阳极电解质通道15a、15b，并且阴极电解质室被分成阴极电解质通道16a、16b。阴极本身又如图1所示被构造为气体扩散电极GDE，在此阴极如阳极一样现在“分成两部分”。在阳极电解质通道15a和阳极电解质通道15b之间以及在阴极电解质通道16a和阴极电解质通道16b之间分别设置有中间冷却部。通过该中间冷却部可以在电解的散热量保持相同的情况下在必要时使装置中电解质的循环量大致减少一半。在多级中间冷却的情况下，可以相应地进一步减少电解质的循环量。另外，由此可以减少气体流11中的气体损失。在根据本发明的示例1的表1中更进一步示出了在电解的不同运行压力下关于气体损失的影响。在此，该气体损失与电解质的循环量成比例。

图3示出了具有单独的气体通道17a、17b的电解质中间冷却部作为根据本发明的装置的另一示例性的实施方式。这种结构形式可以特别容易地制取。在此，该结构在很大程度上对应于图2的结构，然而其中在将CO₂进料2供给到沿包含CO₂的反应物流动方向的第一电解池之前将其分离到用于包含CO₂的反应物2a的第一供料装置和用于包含CO₂的反应物2b的第二供料装置中。

所示的附图仅表示本发明的基本方案，其中其他互连方式也是可行的。至关重要的是，在电堆中的多个电解池之间和/或不同电堆之间对液体电解质进行冷却作为中间冷却，其中电解质依次通过电解池或一个或多个电堆。因此，附图不应被理解为限制性的。

根据某些实施方式，就节省材料而言有利的是，将根据本发明的装置中的电堆(即多个电解池)划分为各个模块，例如10-200个电解池，优选25-100个电解池。在模块之间也可以分别进行中间冷却。特别是在模块之间进行中间冷却。

只要合适，上述实施方式、设计方案和改进方案可彼此任意组合。本发明的其他可能的设计方案、改进方案和实施方式还包括上面或以下参考实施例说明的本发明特征的未明确提及的组合。本领域技术人员特别是还将增加单个方面作为对本发明的各个基本形式的改进或补充。

下面参考本发明的不同示例进一步详细地解释本发明。然而，本发明并不限于这些示例。

示例

示例1：

根据图3的结构，提供了根据本发明的具有两个电解池的装置，其中在阳极电解质通道15a、15b之间并且在阴极电解质通道16a、16b之间分别在连接装置处设置有热交换器。对于电解质的不同温度和流速，表1示例性地给出了CO的电化学制取中的气体损失和CO₂消耗。在此，可通过电解质的入口温度在第一电解池之前设置温度，电解质为包含导电盐的水性电解质。在此，各个电解池具有Ag阴极作为阴极，并且具有包含铱的阳极作为阳极，在该处产生氧。作为反应物气体使用纯CO₂，其中具有总量不超过25％体积的CO和/或H₂的二氧化碳也适合用作反应物气体。

表1：一级中间冷却对O₂废气流的组成的影响，假设所考虑的气体物理性地溶解在电解质中并且已经建立了相应的平衡。

*：剩余的(mol％；相对于出口处的气体)主要为O₂

**：中间冷却使得达到与中间冷却连接的电解池的在电解池入口或电堆入口处的所示温度

如由表1可见，通过中间冷却可减少气体损失。

在该示例中，示例性地示出了没有和具有中间冷却的料流。然而本发明也可用于任何其他量级。取决于电解中的CO₂转化率以及氢和其他次要组分的形成，各个料流的组成会变化。利用多个中间冷却级可进一步减少气体损失。

当然，本发明同样可以例如在LT-Ko电解中用于H₂和CO(合成气)的联合制取。在这种方法中，较高的电解压力也具有分离出未转化的CO₂的优点，并且存在类似的溶解性问题。在此，通过减少电解质回路流量，同样使气体损失最小化。

当然，如果电解质不混合或仅部分混合，则同样可以使用本发明。