DE19613107A1 - Thermo-catalytic decomposition of ammonia - Google Patents

Thermo-catalytic decomposition of ammonia

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Abstract

H2 is prepared by thermo-catalytically decomposing NH3 into N2 and H2 and separating the H2 from the mixture. Also claimed is an apparatus for carrying out this process consisting of the heating coil (2) for carrying out the thermo-catalytic decomposition and hydrogen removing device (3) for separating the resulting gas mixture. NH3 is used as a carrier for H2 for the operation of combustion engines or heat engines for synthesis and purification purposes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff aus Ammoniak.The invention relates to a method and an apparatus for Provision of hydrogen from ammonia.

Nach dem Stand der Technik ist es insbesondere zum Betrieb von mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen notwendig, Wasserstoff in einem Wasserstoffspeicher vorzusehen. Die Kon­ struktion eines ausreichend dichten Wasserstoffspeichers ist wegen des zur wirtschaftlichen Speicherung notwendigen hohen Drucks und der starken Neigung des Wasserstoff-Moleküls durch alle Materialien zu diffundieren fast unmöglich. Aus Wasserstoffspeichern treten daher meist geringe Mengen an Wasserstoff aus, die zur Bildung eines explosiven Knallgasgemischs führen können. - Es ist zwar auch eine Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form bei sehr nied­ rigen Temperaturen oder in gebundener Form als Metallhydrid möglich. Diese Speicherungsmöglichkeiten sind jedoch aufwen­ dig und teuer.According to the prior art, it is particularly suitable for operation of hydrogen-powered vehicles necessary To provide hydrogen in a hydrogen storage. The con is a sufficiently dense hydrogen storage because of the high necessary for economic storage Pressure and the strong tendency of the hydrogen molecule diffusing all materials almost impossible. Out Hydrogen storage therefore usually occurs in small quantities Hydrogen from which to form an explosive Oxyhydrogen mixture can lead. - It's also one Storage of hydrogen in liquid form at very low temperatures or in bound form as metal hydride possible. However, these storage options are expensive dig and expensive.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of Eliminate state of the art.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3, 19 und 20 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung er­ geben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 sowie 4 bis 18.This object is achieved by the features of claims 1, 3, 19 and 20 solved. Appropriate developments of the invention result from the features of claims 2 and 4 to 18.

Das erfindungsgemäße Prinzip besteht im wesentlichen darin, Ammoniak als Wasserstoffträger zu verwenden, wobei der Was­ serstoff nach Bedarf aus Ammoniak hergestellt wird. - Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher vorgesehen, Ammo­ niak thermo-katalytisch in ein im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehendes Gasgemisch zu spalten und den Wasserstoff vom Gasgemisch abzutrennen. Die thermo-katalytische Spaltung wird geeigneterweise bei einer Temperatur von 300-900°C und einem Druck von 5-50 bar durchgeführt.The principle according to the invention essentially consists in To use ammonia as a hydrogen carrier, the What hydrogen is produced from ammonia as required. - To the method according to the invention is therefore provided, Ammo niak thermo-catalytically in one essentially  To split hydrogen and nitrogen existing gas mixture and separate the hydrogen from the gas mixture. The Thermo-catalytic cleavage is suitably used in a Temperature of 300-900 ° C and a pressure of 5-50 bar carried out.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist vorrichtungsseitig ein Mittel zur thermo-katalytischen Spaltung von Ammoniak in ein im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehen­ des Gasgemisch in Verbindung mit einem Mittel zur Abtrennung des Wasserstoffs vom Gasgemisch vorgesehen.According to another requirement of the invention, the device is a means for thermo-catalytic splitting of ammonia in one consist essentially of hydrogen and nitrogen the gas mixture in connection with a means for separation of the hydrogen provided by the gas mixture.

Sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung haben den Vor­ teil, daß die nach dem Stand der Technik bekannten Wasser­ stoffspeicher durch billigere und unproblematisch handzuha­ bende Ammoniakspeicher ersetzt werden können.Both the method and the device have the front part that the water known in the prior art fabric storage due to cheaper and unproblematic handling ammonia storage can be replaced.

Die in den Ansprüchen 4 bis 18 angegebenen Merkmale ermögli­ chen eine besonders einfache und kostengünstige Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoff.The features specified in claims 4 to 18 enable Chen a particularly simple and inexpensive conversion from ammonia to hydrogen.

Das Mittel zur thermo-katalytischen Spaltung kann einen im wesentlichen aus Platin, Iridium, Palladium oder Ruthetium bestehenden Katalysator umfassen. Dieser sollte insbesondere so gestaltet sein, daß er eine möglichst große Oberfläche aufweist, bsp. in Form eines Granulats, feinen Siebs o. ä. ausgebildet ist. Es hat sich in diesem Zusammenhang als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn das Mittel zur thermo­ katalytischen Spaltung von Ammoniak mit Iridium dotiertes Aluminiumoxid umfaßt.The means for thermo-catalytic cleavage can be a essentially made of platinum, iridium, palladium or ruthetium existing catalyst. This should in particular be designed so that it has the largest possible surface has, e.g. in the form of granules, fine sieves or similar is trained. It has proven to be in this context proven particularly useful if the means for thermo Catalytic cleavage of ammonia doped with iridium Includes alumina.

Das Mittel zur Abtrennung weist vorteilhafterweise einen für Stickstoff im wesentlichen undurchlässigen Filter auf. Dieser kann aus einem oder mehreren der Materialien Kunststoff, Glas, Keramik oder Metall hergestellt sein. Der Filter kann ein poröses Material mit einem Porenvolumen von mehr als 20%, vorzugsweise von 30 bis 50%, aufweisen. Er weist vorteilhafterweise ein poröses Material mit einem mittleren Porendurchmesser im Bereich von 1 bis 200 nm auf. Bei den Poren handelt es sich vorzugsweise um offene Poren.The means for separation advantageously has one for Nitrogen essentially impermeable filter. This can be made from one or more of the materials plastic, Glass, ceramic or metal can be made. The filter can  a porous material with a pore volume of more than 20%, preferably from 30 to 50%. He points advantageously a porous material with a medium Pore diameter in the range of 1 to 200 nm. Both Pores are preferably open pores.

Der Filter kann eine Folie aufweisen, die aus einer Platin und/oder Palladium enthaltenden Legierung hergestellt ist. Die Folie dient dabei vorzugsweise als Hülle des Filters. Innerhalb der Hülle kann der Filter mit Metalloxiden wie Zeolith gefüllt sein.The filter can have a foil made of a platinum and / or an alloy containing palladium. The film preferably serves as a cover for the filter. Inside the envelope, the filter can be coated with metal oxides such as Zeolite filled.

Daneben hat sich als Filter auch ein Aerogel, insbesondere ein SiO₂-Aerogel, als geeignet erwiesen, dessen mittlerer Porendurchmesser im Bereich von 30 bis 70 nm liegt.In addition, there has also been an airgel as a filter, in particular a SiO₂ airgel, proven to be suitable, the middle Pore diameter is in the range of 30 to 70 nm.

Des weiteren kann der Filter auch eine Membran aufweisen, die eine Stickstoffselektivität αN2 von mindestens 20 hat. Eine Stickstoffselektivität αN2 von 20 bedeutet, daß bei gleichen Partialdrücken pro Zeiteinheit 20mal mehr Wasserstoff durch die Membran permeiert als Stickstoff. Die Membran kann geeig­ neterweise eine Polyetherimid-Membran sein, deren Oberfläche mit Silikon beschichtet ist. Zur Erzielung der gewünschten Stickstoffselektivität weist die Polyetherimid-Membran geeig­ neterweise Poren mit einem mittleren Porendurchmesser vom 11 bis 16 nm auf.Furthermore, the filter can also have a membrane which has a nitrogen selectivity α N2 of at least 20. A nitrogen selectivity α N2 of 20 means that at the same partial pressures per unit time, 20 times more hydrogen permeates through the membrane than nitrogen. The membrane can suitably be a polyetherimide membrane, the surface of which is coated with silicone. In order to achieve the desired nitrogen selectivity, the polyetherimide membrane suitably has pores with an average pore diameter of 11 to 16 nm.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Verbrennungskraft- oder Wärmemaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 18 vorgesehen.According to the invention is also a combustion or Heat machine with a device according to one of the claims 3 to 18 are provided.

Gerade durch die Kombination der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung mit einer Verbrennungskraftmaschine wird das Risiko der Entstehung eines beispielsweise im Bereich eines Kraft­ fahrzeugs sich bildenden zündfähigen Knallgasgemischs prak­ tisch ausgeschlossen. - Auch eine Kombination der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle wird als äu­ ßerst vorteilhaft angesehen.Precisely through the combination of the device according to the invention tion with an internal combustion engine increases the risk of Emergence of a force, for example vehicle forming ignitable oxyhydrogen mixture practically  table excluded. - Also a combination of the invention according device with a fuel cell is as äu Considered extremely beneficial.

Schließlich ist die Verwendung von Ammoniak als Träger für Wasserstoff zum Betrieb von Verbrennungskraft- oder Wärmemaschinen, für chemische Synthesen und zu Reinigungszwecken, bsp. zur Entfernung von Rost, vorgesehen.Finally, the use of ammonia as a carrier for Hydrogen for the operation of internal combustion or Heat machines, for chemical syntheses and to Cleaning purposes, e.g. for removing rust.

In der einzigen Figur ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt darge­ stellt.In the single figure is an embodiment schematically a device according to the invention in cross section Darge poses.

Die in der Figur gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Vor­ rat für Ammoniak (hier nicht dargestellt), der mit einer Re­ aktionsröhre 1 in Verbindung steht. Die Reaktionsröhre 1 weist eine aus einem katalytisch wirkenden Material, bsp. Platin, hergestellte Heizwendel 2 auf. Stromabwärts der Reaktionsröhre 1 befindet sich eine Einrichtung 3 zur Abtrennung von Wasserstoff. In einem Gehäuse 4 der Ein­ richtung 3 befindet sich ein mit der Reaktionsröhre 1 in gas­ dichter Verbindung stehender Filter 5. Die Wandung 6 des Fil­ ters 5 ist aus einer Platinfolie bzw. einem Platinblech ge­ bildet. Der Filter 5 ist zur Erzielung einer möglichst großen Oberfläche in Form einer Platte ausgestaltet, die ziehharmo­ nikaartige Falten aufweist. Der zwischen den Wandungen 6 be­ findliche Hohlraum ist in den Umbiegungsbereichen der Platte vorzugsweise mit in Form von porösen Kugeln ausgebildeten Zeolith-Körpern 7 gefüllt. Der Einrichtung 3 zur Abtrennung von Wasserstoff ist eine Kühlfalle 8 nachgeschaltet.The device shown in the figure consists of a before advice for ammonia (not shown here), which is connected to a Re reaction tube 1 . The reaction tube 1 has a catalytically active material, e.g. Platinum, produced heating coil 2 . A device 3 for separating hydrogen is located downstream of the reaction tube 1 . In a housing 4 of the device 3 there is a filter 5 connected to the reaction tube 1 in a gas-tight connection. The wall 6 of the fil ters 5 is formed from a platinum foil or a platinum sheet ge. The filter 5 is designed to achieve the largest possible surface in the form of a plate which has accordion-like folds. The cavity between the walls 6 be sensitive is preferably filled in the bent regions of the plate with zeolite bodies 7 formed in the form of porous balls. The device 3 for separating hydrogen is followed by a cold trap 8 .

Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
In der Reaktionsröhre 1 wird Ammoniak in Umkehrung der für das Haber-Bosch Verfahren bekannten Reaktionsgleichung durch die Wirkung der Heizwendel 2 in Wasserstoff und Stickstoff gespalten. Das gebildete im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehende Gasgemisch gelangt unter einem Druck von vorzugsweise 20 bar in den Filter 5. Der Wasserstoff diffundiert infolge seiner größeren Diffusionsgeschwindigkeit durch die aus Platin gebildete Wandung 6 des Filters 5. Zur Verlangsamung des Gasflusses sind im Filter 5 aus Zeolith-Körpern 7 bestehende Strömungshindernisse vorgesehen. Der durch die Wandung 6 hindurchdiffundierte Wasserstoff wird im Gehäuse 4 der Einrichtung 3 aufgefangen und von dort aus zur weiteren Verwendung abgezogen. Das im Filter 5 zu­ rückgehaltene Gasgemisch aus Stickstoff und nicht gespaltenem Ammoniak gelangt in eine nachgeschaltete Kühlfalle 8. Dort wird der Ammoniak verflüssigt und als Ausgangsprodukt dem Prozeß wieder zugeführt.The function of the device is as follows:
In the reaction tube 1 , ammonia is split into hydrogen and nitrogen by reversing the reaction equation known for the Haber-Bosch process by the action of the heating coil 2 . The gas mixture formed, consisting essentially of hydrogen and nitrogen, enters the filter 5 under a pressure of preferably 20 bar. As a result of its greater diffusion rate, the hydrogen diffuses through the wall 6 of the filter 5 formed from platinum. To slow down the gas flow 7 existing flow obstacles are provided in the filter 5 from zeolite bodies. The hydrogen diffused through the wall 6 is collected in the housing 4 of the device 3 and drawn off from there for further use. The gas mixture of nitrogen and non-split ammonia that is retained in the filter 5 reaches a downstream cold trap 8 . There the ammonia is liquefied and returned to the process as a starting product.

BezugszeichenlisteReference list

1 Reaktionsröhre
2 Heizwendel
3 Einrichtung zur Abtrennung von Wasserstoff
4 Gehäuse
Filter
6 Wandung
7 Zeolith-Körper
8 Kühlfalle. 1 reaction tube
2 heating coils
3 Device for the separation of hydrogen
4 housing
filter
6 wall
7 zeolite bodies
8 cold trap.

Claims (20)

1. Verfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff aus Ammoniak, wobei Ammoniak thermo-katalytisch in ein im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehendes Gasgemisch gespalten wird und der Wasserstoff vom Gasgemisch abgetrennt wird.1. Process for providing hydrogen from Ammonia, where ammonia is thermo-catalytically in one essentially consisting of hydrogen and nitrogen Gas mixture is split and the hydrogen from Gas mixture is separated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thermo-katalytische Spaltung bei einer Temperatur von 300-900°C und einem Druck von 5-50 bar durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, wherein the thermo-catalytic Cleavage at a temperature of 300-900 ° C and one Pressure of 5-50 bar is carried out. 3. Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff aus Am­ moniak, wobei ein Mittel (2) zur thermo-katalytischen Spaltung von Ammoniak in ein im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehendes Gasgemisch in Verbindung mit einem Mittel (3) zur Abtrennung des Wasserstoffs vom Gasgemisch vorgesehen ist.3. Device for providing hydrogen from Am moniak, wherein a means ( 2 ) for thermo-catalytic splitting of ammonia into a gas mixture consisting essentially of hydrogen and nitrogen is provided in connection with a means ( 3 ) for separating the hydrogen from the gas mixture . 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Mittel (2) zur thermo-katalytischen Spaltung von Ammoniak eine Heizeinrichtung, insbesondere eine Heizwendel, umfaßt, die auf eine Temperatur von 300-900°C aufheizbar ist.4. The device according to claim 3, wherein the means ( 2 ) for thermo-catalytic splitting of ammonia comprises a heating device, in particular a heating coil, which can be heated to a temperature of 300-900 ° C. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Mittel (2) zur thermo-katalytischen Spaltung von Ammoniak einen im wesentlichen aus Platin, Iridium, Palladium oder Ruthetium bestehenden Katalysator umfaßt.5. Apparatus according to claim 3 or 4, wherein the means ( 2 ) for thermo-catalytic cleavage of ammonia comprises a catalyst consisting essentially of platinum, iridium, palladium or ruthetium. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Mittel (2) zur thermo-katalytischen Spaltung von Ammoniak mit Iridium dotiertes Aluminiumoxid umfaßt. 6. Device according to one of claims 3 to 5, wherein the means ( 2 ) for thermo-catalytic cleavage of ammonia with iridium-doped aluminum oxide. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Mittel (3) zur Abtrennung einen für Stickstoff im we­ sentlichen undurchlässigen Filter (5) aufweist.7. Device according to one of claims 3 to 6, wherein the means ( 3 ) for separating an essential for nitrogen we impermeable filter ( 5 ). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Filter (5) aus einem oder mehreren der Materialien Kunststoff, Glas, Keramik oder Metall hergestellt ist.8. The device according to claim 7, wherein the filter ( 5 ) is made of one or more of the materials plastic, glass, ceramic or metal. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Filter (5) ein poröses Material mit einem Porenvolumen von mehr als 20%, vorzugsweise von 30 bis 50%, aufweist.9. The device according to claim 7 or 8, wherein the filter ( 5 ) has a porous material with a pore volume of more than 20%, preferably from 30 to 50%. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Filter (2) ein poröses Material mit einem mittleren Porendurchmesser im Bereich vom 1 bis 200 nm aufweist.10. Device according to one of claims 7 to 9, wherein the filter ( 2 ) has a porous material with an average pore diameter in the range of 1 to 200 nm. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Filter (5) eine Folie aufweist, die aus einer Platin und/oder Palladium enthaltenden Legierung herge­ stellt ist.11. The device according to one of claims 7 to 10, wherein the filter ( 5 ) has a film which is made of a platinum and / or palladium-containing alloy Herge. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Filter (5) Metalloxide wie Zeolith (7) umfaßt.12. Device according to one of claims 7 to 11, wherein the filter ( 5 ) comprises metal oxides such as zeolite ( 7 ). 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Filter ein Aerogel, insbesondere ein SiO₂-Aerogel, mit einem mittleren Porendurchmesser im Bereich von 30 bis 70 nm aufweist.13. The device according to one of claims 7 to 12, wherein the filter is an airgel, in particular an SiO₂ airgel, with an average pore diameter in the range of 30 up to 70 nm. 14. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 7 bis 13, wobei der Filter (5) eine Membran aufweist, die eine Stickstoffselektivität αN2von mindestens 20 hat. 14. Device according to one of claims 7 to 13, wherein the filter ( 5 ) has a membrane which has a nitrogen selectivity α N2 of at least 20. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Membran eine Polyetherimid-Membran ist, deren Oberfläche mit Silikon beschichtet ist.15. The apparatus of claim 14, wherein the membrane The polyetherimide membrane is covered with silicone is coated. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, wobei auf einer Gaseintritts- und/oder Gasaustrittsseite des Filters (5) ein Mittel (8) zur Separation von Stickstoff und/oder Ammoniak vorgesehen ist.16. Device according to one of claims 3 to 15, wherein a means ( 8 ) for separating nitrogen and / or ammonia is provided on a gas inlet and / or gas outlet side of the filter ( 5 ). 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Mittel zur Separation eine Kühlfalle ist.17. The apparatus of claim 16, wherein the means for Separation is a cold trap. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 17, wobei das Mittel (2) zur thermo-katalytischen Spaltung mit einem Vorratsbehälter in Verbindung steht, in dem Ammoniak in flüssiger Form gespeichert ist.18. Device according to one of claims 3 to 17, wherein the means ( 2 ) for thermo-catalytic cleavage is connected to a storage container in which ammonia is stored in liquid form. 19. Verbrennungskraft- oder Wärmemaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 18.19. Internal combustion or heating machine with one Device according to one of claims 3 to 18. 20. Verwendung von Ammoniak als Träger für Wasserstoff zum Betrieb von Verbrennungskraft- oder Wärmemaschinen, für chemische Synthesen und zu Reinigungszwecken.20. Use of ammonia as a carrier for hydrogen Operation of internal combustion or heating machines, for chemical syntheses and for cleaning purposes.
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