DE10035330A1 - Catalyst used for decomposing nitrogen oxide waste gas from vehicles and power stations comprises absorber body with channels and electrolyte - Google Patents
Catalyst used for decomposing nitrogen oxide waste gas from vehicles and power stations comprises absorber body with channels and electrolyteInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator für die Zersetzung von Stickoxiden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a catalyst for the decomposition of nitrogen oxides according to the preamble of claim 1.
Stickoxide (NOx) werden bei allen Verbrennungsprozessen in Gegenwart von Luft endotherm gebildet. Sie sind bei Umgebungstemperaturen thermodynamisch instabil und müssten zu Stickstoff und Sauerstoff zerfallen. Dieser Zerfall ist jedoch kinetisch gehemmt und es ist bisher noch kein Katalysator gefunden worden, der die eigentliche Zerfallsreaktion ausreichend beschleunigt. Auf einer üblichen Katalysatoroberfläche (z. B. bei einem Dreiwege-Katalysator) werden Stickoxide zwar atomar in Stickstoff und Sauerstoff gespalten, doch die weitere Reaktion zur Bildung von molekularem Stickstoff weist eine relativ hohe Aktivierungsenergie auf, so dass bei der Desorption stets wieder Stickoxid entsteht.Nitrogen oxides (NO x ) are formed endothermically in all combustion processes in the presence of air. They are thermodynamically unstable at ambient temperatures and would have to decompose to nitrogen and oxygen. However, this decay is kinetically inhibited and no catalyst has been found to accelerate the actual decay reaction sufficiently. On a conventional catalyst surface (e.g. in a three-way catalyst), nitrogen oxides are atomically split into nitrogen and oxygen, but the further reaction to form molecular nitrogen has a relatively high activation energy, so that nitrogen oxide is always produced again during the desorption ,
Da die Emission von Stickoxiden eine erhebliche Umweltbelastung darstellt, wird versucht, diese durch stetig schärfer werdende gesetzliche Auflagen zu begrenzen. Verfahren zur Entfernung bzw. Reduzierung der Emission von Stickoxiden sowie entsprechende Vorrichtungen werden daher intensiv untersucht. Zur Entstickung von Abgasen muss für die Bildung von molekularem Stickstoff zunächst der atomar gebundene Sauerstoff von der Katalysatoroberfläche und somit vom dort atomar gebundenen Stickstoff entfernt werden. Dies geschieht z. B. durch die Reaktion mit Wasserstoff, bei der Wasser gebildet wird, oder durch elektrochemische Entstickung. Bei letzterem werden Oxide, Carbonate oder Hydroxide an der. Anode oxidiert und an der Kathode werden Stickoxide bzw. Nitrate/Nitrite reduziert. Bei beiden Verfahren handelt es sich jedoch nicht um einen katalytischen Zerfall von Stickoxiden, sondern um eine chemische Umsetzung, die insgesamt eines Energieaufwandes bedarf.Since the emission of nitrogen oxides represents a significant environmental impact, attempts are made to to limit these by steadily tightening legal requirements. Procedure for Removal or reduction of the emission of nitrogen oxides and corresponding Devices are therefore being examined intensively. For denitrification of exhaust gases for the formation of molecular nitrogen initially the atomically bound oxygen of the catalyst surface and thus removed from the atomically bound nitrogen become. This happens e.g. B. by the reaction with hydrogen, formed in the water or by electrochemical denitrification. The latter are oxides, carbonates or hydroxides on the. Anode is oxidized and nitrogen oxides or Nitrates / nitrites reduced. However, both methods are not one catalytic decomposition of nitrogen oxides, but a chemical implementation that overall requires an energy expenditure.
Eine bekannte Vorrichtung zur NOx-Entfernung aus den Abgasen von Verbrennungsmotoren ist beispielsweise in DE 196 51 492 A1 beschrieben. Die darin offenbarte Vorrichtung umfasst einen porösen Absorber mit gasführenden Kanälen, in dem zur elektrochemischen Zersetzung paarweise Elektroden angeordnet sind. Der poröse Absorber ist mit einem flüssigen, alkalischen Salz getränkt. Aufgrund des geschmolzenen Salzes werden zunächst Stickoxide aus dem Abgas absorbiert. Anschließend werden das bei der Absorption gebildete Nitrat bzw. Nitrit elektrochemisch zu elementarem Stickstoff reduziert. Über das Elektrodenpaar wird die für die elektrochemische Zersetzung benötigte Spannung angelegt. Dazu sind die Elektrodenstäbe an einem Ende mit einer Stromzuführung verbunden, die an die Batterie bzw. das Bordnetz des Kraftfahrzeuges angeschlossen ist. Die angelegte Spannung erreicht dabei das Zersetzungspotential des Nitrats und Nitrits, das im Wesentlichen jedoch nicht überschritten wird.A known device for removing NO x from the exhaust gases of internal combustion engines is described, for example, in DE 196 51 492 A1. The device disclosed therein comprises a porous absorber with gas-carrying channels, in which electrodes are arranged in pairs for electrochemical decomposition. The porous absorber is soaked in a liquid, alkaline salt. Due to the molten salt, nitrogen oxides are initially absorbed from the exhaust gas. The nitrate or nitrite formed during absorption is then electrochemically reduced to elemental nitrogen. The voltage required for the electrochemical decomposition is applied via the pair of electrodes. For this purpose, the electrode rods are connected at one end to a power supply which is connected to the battery or the electrical system of the motor vehicle. The applied voltage reaches the decomposition potential of the nitrate and nitrite, which, however, is essentially not exceeded.
Die bisher verwendeten Vorrichtungen, die auf einem elektrochemischen Entstickungsverfahren basieren, weisen den Nachteil auf, dass eine externe Energiezufuhr erforderlich ist. Es sind spezielle Vorkehrungen erforderlich, beispielsweise paarweise im Absorber angeordnete Elektroden, über die das Zersetzungspotential bereitgestellt wird. Die Energie für das Zersetzungspotential wird dabei der Batterie oder dem Bordnetz des Fahrzeuges entnommen.The previously used devices based on an electrochemical Denitrification processes are based, have the disadvantage that an external energy supply is required. Special precautions are required, for example in pairs Absorber-arranged electrodes, via which the decomposition potential is provided. The energy for the decomposition potential is the battery or the electrical system of the Removed from the vehicle.
Ferner ist bei den bekannten Vorrichtungen ein präzises Motormanagement (z. B. bei der Lambda-Regelung) erforderlich. Darüber hinaus sind zusätzliche apparative Vorkehrungen für eine kontrollierte Zudosierung von Kraftstoff oder anderen Reduktionsmitteln erforderlich. Die hat typischerweise einen Mehrverbrauch von Kraftstoff bzw. Reduktionsmittel zur folge.Furthermore, in the known devices, precise engine management (e.g. in the Lambda control) required. In addition, there are additional equipment precautions for controlled metering of fuel or other reducing agents required. This typically has an increased consumption of fuel or Reductants follow.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Katalysator für die Zersetzung von Stickoxiden zu schaffen, der eine wirkungsvolle Zersetzung auf einfache Art und Weise ermöglicht, ohne dass eine externe Energiezufuhr erforderlich ist.Starting from the prior art, it is therefore the object of the present invention to create a catalyst for the decomposition of nitrogen oxides, which is an effective Decomposition made possible in a simple manner, without the need for external energy supply is required.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. This problem is solved by a device with the features of Claim 1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.Further advantageous configurations of the device according to the invention result from subclaims 2 to 15.
Zentraler Gedanke ist hierbei, dass das zur elektrochemischen Entstickung erforderliche Zersetzungspotential innerhalb des Absorberkörpers durch die Kontaktspannung zwischen mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffen erzeugt wird, die miteinander in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Als Zersetzungspotential dient somit die elektrische Kontaktspannung, die zwischen den mindestens zwei chemisch unterschiedlichen, sich berührenden Festkörperstoffen entsteht, wobei sich der eine Körper positiv und der andere negativ auflädt. Zusätzlich wird die Exergonie des Zerfalls von Nitrat-/Nitritionen in Gegenwart von CO2 ausgenutzt.The central idea here is that the decomposition potential required for electrochemical denitrification within the absorber body is generated by the contact voltage between at least two chemically different solid materials which are in electrically conductive contact with one another. The electrical contact voltage that arises between the at least two chemically different, touching solid materials serves as decomposition potential, one body charging positively and the other negatively. In addition, the exergony of the decomposition of nitrate / nitrite ions in the presence of CO 2 is exploited.
Auf diese Art und Weise wird das zur elektrochemischen Zersetzung erforderliche Potential innerhalb des Absorberkörpers ohne äußere Zufuhr von Energie automatisch erzeugt. Das durch die von zwei chemisch unterschiedlichen, miteinander in Berührung stehenden Festkörpern erzeugte Kontaktpotential ist ausreichend, um eine elektrochemische Zersetzung zu bewirken.In this way, the potential required for electrochemical decomposition becomes generated automatically within the absorber body without external energy supply. The by two chemically different, in contact with each other Solid contact potential is sufficient to achieve an electrochemical To cause decomposition.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass auf eine externe Spannungsversorgung und folglich auch auf im Absorber angeordnete Elektroden verzichtet werden kann. Dies bedeutet gleichzeitig, dass zusätzliche Steuereinrichtungen nicht erforderlich sind. Somit weist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen einen vereinfachten Aufbau auf.A major advantage of the invention is that it is external Power supply and consequently also on electrodes arranged in the absorber can be dispensed with. At the same time, this means that additional control devices are not required. The device according to the invention thus assigns in comparison known devices on a simplified structure.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl mit einem flüssigen als auch mit einem festen Elektrolyten verwendet werden kann. Daneben ist die gleichzeitige Verwendung von flüssigem und festem Elektrolyten möglich. Dies erlaubt einen flexibleren Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Another advantage is that the device according to the invention can be used with both liquid as well as with a solid electrolyte can be used. Next to it is the simultaneous use of liquid and solid electrolytes possible. This allows a more flexible use of the device according to the invention.
Gemäß einer ersten Ausführungsform besteht der Absorberkörper aus einer elektrisch nicht leitenden Keramik, beispielsweise Zirkonoxid, Lithiumaluminat oder Ceroxid. Ein derartiger Absorberkörper ist in DE 196 51 492 A1 beschrieben. In dem Absorberkörper sind in dessen Längsrichtung Gaskanäle angeordnet, durch die das zu reinigende Abgas strömt. An der Innenseite der Kanäle ist ein Pulver aufgetragen, das aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffen besteht. Die Festkörperstoffe sind elektrisch leitend und sind beispielsweise Metalle, bevorzugt Edelmetalle, oder elektrisch leitende Oxide. Es können z. B. Nickel, Eisen, Kupfer, Gold, Mangan und dergleichen bzw. deren Oxide verwendet werden. Die Pulverkörner berühren sich und sind in elektrisch leitendem Kontakt. Dadurch wird das Kontaktpotential erzeugt. Vorzugsweise sind solche Pulvermischungen von Metallen, Metalloxiden oder Mischungen aus Metallen und Metalloxiden zu verwenden, die aufgrund der elektrochemischen Spannungsreihe höchste Kontaktpotentiale erzeugen. Das sich an der Innenwand der Kanäle befindende Pulvergemisch ist zusätzlich von einem Elektrolyten benetzt. Dieser Elektrolyt kann ein alkalischer Flüssigkeitselektrolyt sein, beispielsweise bestehend aus geschmolzenem Alkali- und/oder Erdalkalicarbonat, oder ein oxidionenleitender Festkörperelektrolyt. Flüssiger und fester Elektrolyt können auch zusammen verwendet werden.According to a first embodiment, the absorber body consists of an electrical non-conductive ceramics, for example zirconium oxide, lithium aluminate or cerium oxide. On Such an absorber body is described in DE 196 51 492 A1. In the absorber body gas channels are arranged in the longitudinal direction through which the exhaust gas to be cleaned flows. A powder is applied to the inside of the channels, which consists of a mixture consists of at least two chemically different solids. The Solid materials are electrically conductive and, for example, metals are preferred Precious metals, or electrically conductive oxides. It can e.g. B. nickel, iron, copper, gold, Manganese and the like or their oxides can be used. Touch the powder grains themselves and are in electrically conductive contact. This creates the contact potential. Such powder mixtures of metals, metal oxides or mixtures are preferred from metals and metal oxides to use due to the electrochemical Voltage series generate the highest contact potentials. That is on the inner wall of the Powder mixture located in channels is additionally wetted by an electrolyte. This Electrolyte can be an alkaline liquid electrolyte, for example consisting of molten alkali and / or alkaline earth carbonate, or an oxide ion conductive Solid electrolyte. Liquid and solid electrolyte can also be used together become.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der Absorberkörper selbst aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffen. Der Absorber ist z. B. ein poröser, mit gasführenden Kanälen durchzogener Sinterkörper, der eine homogene Mischung aus mindestens zwei elektrisch leitenden, chemisch unterschiedlichen Stoffen enthält. Alternativ besteht der poröse Absorberkörper aus einem Festkörperstoff und ist mit mindestens einem zweiten, davon verschiedenen Festkörperstoff beschichtet. Somit ist bei dieser Ausführungsform kein Pulver erforderlich. Der Absorperkörper wird mit einem flüssigen, einem festen oder mit einem flüssigen und festen Elektrolyten verwendet. Der flüssige Elektrolyt wird dabei kapillarisch vom porösen Absorberkörper aufgesaugt.According to a further embodiment, the absorber body itself consists of a Mixture of at least two chemically different solids. The Absorber is e.g. B. a porous, sintered body with gas-carrying channels, the a homogeneous mixture of at least two electrically conductive, chemically contains different substances. Alternatively, the porous absorber body consists of a Solid state and is with at least a second, different from it Solid material coated. Thus, no powder is required in this embodiment. The absorber body is made with a liquid, a solid or with a liquid and solid electrolyte used. The liquid electrolyte becomes capillary from the porous Absorber body sucked up.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält der Absorberkörper mindestens zwei chemisch unterschiedliche Festkörperstoffe, sowie einen Festkörperelektrolyten als weitere Feststoffkomponente. Auf diese Weise kann auf einen separaten Festkörperelektrolyten verzichtet werden, da die Festkörperelektrolytkomponente bereits in dem Sinterkörper enthalten ist. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass als Festkörperelektrolytkomponente eine Keramik beigefügt wird, die bei höheren Temperaturen Sauerstoffionen leitet.According to a further embodiment, the absorber body contains at least two chemically different solid materials, as well as a solid electrolyte further solid component. This way, you can go to a separate one Solid electrolytes are dispensed with, since the solid electrolyte component already is contained in the sintered body. This is realized, for example, in that Solid state electrolyte component is added to a ceramic, which at higher Temperatures conducts oxygen ions.
Wird der Absorberkörper zusammen mit einem flüssigen Elektrolyten verwendet, werden die Stickoxide vorteilhafterweise durch den flüssigen Elektrolyten in Form von Nitrat bzw. Nitrit gebunden. Der flüssige Elektrolyt speichert bzw. puffert die gebundenen Stickoxide. Es ist möglich, zunächst die Nitrate/Nitrite im flüssigen Elektrolyten zu binden und anschließend, zeitlich versetzt zur Absorptionsreaktion, die elektrochemische Entstickung durchzuführen. Andererseits werden die porösen Strukturen des Absorberkörpers aufgrund des kapillarischen Aufsaugens des flüssigen Elektrolyten benetzt, wodurch die Oberfläche des Absorberkörpers verringert und die Effektivität des Zersetzungsprozesses reduziert wird. Letzteres wird jedoch beim Verwenden eines Festkörperelektrolyten vermieden, da hier die poröse Struktur des Absorberkörpers nicht beeinflusst wird. Der Absorberkörper behält seine hohe Porosität von ungefähr 70% bis 80% und weist eine sehr große Oberfläche auf, die für eine effektive Entstickung von Abgasen erforderlich ist.If the absorber body is used together with a liquid electrolyte, be used the nitrogen oxides advantageously through the liquid electrolyte in the form of nitrate or Nitrite bound. The liquid electrolyte stores or buffers the bound nitrogen oxides. It is possible to first bind the nitrates / nitrites in the liquid electrolyte and then, at different times from the absorption reaction, electrochemical denitrification perform. On the other hand, the porous structures of the absorber body wetted due to the capillary suction of the liquid electrolyte, whereby the Surface of the absorber body is reduced and the effectiveness of the decomposition process is reduced. The latter, however, occurs when using a solid electrolyte avoided since the porous structure of the absorber body is not affected. The Absorber body maintains its high porosity of approximately 70% to 80% and has one very large surface area, which is required for effective denitrification of exhaust gases.
Ein weiterer Vorteil des Festkörperelektrolyten besteht darin, dass die Entstickung ohne vorgeschaltete Absorptionsreaktion erfolgt. Die Stickoxide werden direkt reduziert.Another advantage of solid electrolytes is that denitrification is free upstream absorption reaction takes place. The nitrogen oxides are reduced directly.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die beschriebene Geometrie begrenzt, sondern kann auch in andersartiger Gestalt verwendet werden. Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung variabel einsetzbar. Sie kann nicht nur zur Abgasentstickung von Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden, sondern auch für die Abgasentstickung von Kraftwerken oder dergleichen.The device according to the invention is not limited to the geometry described, but can also be used in a different form. In addition, the Device according to the invention can be used variably. You can not only Exhaust gas denitrification used by internal combustion engines, but also for the exhaust gas denitrification of power plants or the like.
Nachstehend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:Below is the device according to the invention with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It shows:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen zylindrischen Absorberkörper; Fig. 1 shows a cross section through a cylindrical absorber body;
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des in Fig. 1 dargestellten Absorberkörpers gemäß einer ersten Ausführungsform; FIG. 2 shows an enlarged detail of the absorber body shown in FIG. 1 according to a first embodiment;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der gemäß einer ersten Ausführungsform verwendeten Pulvermischung. Fig. 3 is a schematic representation of the powder mixture used according to a first embodiment.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines zylindrischen Absorberkörpers 1, wie er prinzipiell aus DE 196 51 492 A1 bekannt ist. Der poröse Absorberkörper 1 ist in dessen Längsrichtung mit Gaskanälen 2 durchzogen, durch die das zu reinigende Abgas strömt. Die Gaskanäle 2 können rechteckig, kreisförmig oder in anderer Gestalt ausgebildet sein. Der Absorberkörper 1 besteht aus einer elektrisch nicht leitenden Keramik, z. B. Lithiumaluminat, Zirkonoxid oder Cordierit, und wird durch Extrudieren und anschließendes Sintern hergestellt. Der Absorberkörper weist ein hohe Porosität auf, so dass auf kleinem Raum eine möglichst große Oberfläche für die Zersetzung von Stickoxiden zur Verfügung steht. Fig. 1 shows the cross section of a cylindrical absorber body 1, as it is known in principle from DE 196 51 492 A1. The porous absorber body 1 is traversed in its longitudinal direction with gas channels 2 through which the exhaust gas to be cleaned flows. The gas channels 2 can be rectangular, circular or in another shape. The absorber body 1 consists of an electrically non-conductive ceramic, for. As lithium aluminate, zirconium oxide or cordierite, and is produced by extrusion and subsequent sintering. The absorber body has a high porosity, so that the largest possible surface for the decomposition of nitrogen oxides is available in a small space.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des in Fig. 1 dargestellten Absorberkörpers 1. An der Innenwand der gasführenden Kanäle 2 befindet sich ein Pulver 3, das z. B. mit einem Wash-Coat-Verfahren aufgetragen wird. Das Pulver 3 besteht aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffen, die bei einer Einsatztemperatur von typischerweise 200-900°C ausreichend elektrisch leitend sind. Die Pulvermischung 3 besteht z. B. aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallen, wie Nickel, Kupfer, Gold, Eisen, Mangan und dergleichen. Das Pulvergemisch 3 kann auch aus zwei verschiedenen Metalloxiden der oben genannten Metalle bestehen. Eine Mischung aus Metallen und Metalloxiden mit chemisch unterschiedlichen Eigenschaften ist ebenso möglich. Die Pulverkörner des Pulvergemisches 3 berühren sich und stehen in elektrisch leitendem Kontakt. Da die mindestens zwei Festkörperstoffe des Pulvers 3 unterschiedliche chemische Struktur aufweisen, entsteht aufgrund der elektrochemischen Spannungsreihe ein Kontaktpotential. Das Kontaktpotential ist um so größer, je weiter die verwendeten Festkörperstoffe in der elektrochemischen Spannungsreihe voneinander entfernt sind. Das Pulver 3 ist zusätzlich mit einem Elektrolyten 4 benetzt, der in Fig. 2 durch schraffierte Linien angedeutet ist. FIG. 2 shows an enlarged illustration of a section of the absorber body 1 shown in FIG. 1 . On the inner wall of the gas-carrying channels 2 there is a powder 3 which, for. B. is applied with a wash coat process. The powder 3 consists of a mixture of at least two chemically different solid materials which are sufficiently electrically conductive at an operating temperature of typically 200-900 ° C. The powder mixture 3 consists, for. B. from at least two different metals, such as nickel, copper, gold, iron, manganese and the like. The powder mixture 3 can also consist of two different metal oxides of the above-mentioned metals. A mixture of metals and metal oxides with chemically different properties is also possible. The powder grains of the powder mixture 3 touch and are in electrically conductive contact. Since the at least two solid materials of the powder 3 have a different chemical structure, a contact potential arises due to the electrochemical series of voltages. The contact potential is greater the further the solid materials used in the electrochemical voltage series are from each other. The powder 3 is additionally wetted with an electrolyte 4 , which is indicated in FIG. 2 by hatched lines.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Pulverkorn, dass aus mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffen 3a und 3b besteht und mit dem Elektrolyten 4 benetzt ist. Der Elektrolyt kann flüssig und/oder fest sein. Fig. 3 shows diagrammatically a powder particle that consists of at least two chemically different solid materials 3 a and 3 b and is wetted with the electrolyte 4. The electrolyte can be liquid and / or solid.
Im Falle eines flüssigen Elektrolyten wird dieser vom porösen, keramischen Absorberkörper aufgesaugt, wodurch die poröse Löcherstruktur des Absorberkörpers mit der Flüssigkeit derart benetzt wird, dass die Oberfläche des porösen Absorberkörpers reduziert wird. Als Flüssigkeitselektrolyt kommt jeder Stoff in Frage, der bei einer Einsatztemperatur von ca. 200-900°C flüssig oder durch Zusätze flüssig gemacht werden kann, selbst ionenleitfähig ist oder durch Zusätze ionenleitfähig gemacht werden kann und Stickoxide physikalisch oder durch chemische Reaktion löst. Der flüssige Elektrolyt ist beispielsweise eine Salzschmelze aus einem ternären oder quaternären Gemisch der Carbonate von Lithium, Natrium, Kalium und/oder Rubidium, oder ein eutektisches Gemisch aus Alkali- und/oder Erdalkalimetallcarbonaten mit Alkali- und/oder Erdalkalinitraten und/oder -nitriten.In the case of a liquid electrolyte, it becomes porous, ceramic Absorber body sucked up, causing the porous hole structure of the absorber body with the liquid is wetted such that the surface of the porous absorber body is reduced. Any substance that can be used as a liquid electrolyte can be used Operating temperature of approx. 200-900 ° C liquid or made liquid by additives can be ionic itself or can be made ionic by additives can and dissolves nitrogen oxides physically or by chemical reaction. The liquid Electrolyte is, for example, a molten salt from a ternary or quaternary Mixture of the carbonates of lithium, sodium, potassium and / or rubidium, or a eutectic mixture of alkali and / or alkaline earth metal carbonates with alkali and / or Alkaline earth nitrates and / or nitrites.
Der Zerfallsprozess für die Zersetzung von Stickoxiden läuft zunächst so ab, dass durch
den basischen Flüssigkeitselektrolyten die im Abgas enthaltenen Stickoxide absorbiert
werden, so dass Nitrate und Nitrite gebildet werden. Ausgehend von einem
carbonathaltigen Salz ist dies die bekannte Absorptionsreaktion
The decomposition process for the decomposition of nitrogen oxides initially takes place in such a way that the nitrogen oxides contained in the exhaust gas are absorbed by the basic liquid electrolyte, so that nitrates and nitrites are formed. Starting from a carbonate-containing salt, this is the well-known absorption reaction
2NO2 + CO3 2- → NO2 - + NO3 - + CO2. (I)2NO 2 + CO 3 2- → NO 2 - + NO 3 - + CO 2 . (I)
Im nächsten Schritt zerfällt das Nitrat bzw. Nitrit am Pulver und wird zu Stickstoff
reduziert, wobei an den negativ geladenen Pulverkörnern (Kathode) die Reaktion
In the next step, the nitrate or nitrite on the powder disintegrates and is reduced to nitrogen, with the reaction on the negatively charged powder grains (cathode)
10e- + 2NO3 - + 6CO2 → N2 + 6CO3 2- (ausgehend von Nitrat) (II)
10e - + 2NO 3 - + 6CO 2 → N 2 + 6CO 3 2- (starting from nitrate) (II)
bzw.
respectively.
6e- + 2NO2 - + 4CO2 → N2 + 4CO3 2- (ausgehend von Nitrit) (III)
6e - + 2NO 2 - + 4CO 2 → N 2 + 4CO 3 2- (starting from nitrite) (III)
und an den positiv geladenen Pulverkörnern (Anode) die Reaktion
and the reaction on the positively charged powder grains (anode)
abläuft. Die Elektronen fließen hierbei über die in Fig. 3 mit K bezeichnete Kontaktstelle zwischen den zwei verschiedenen Phasen, d. h. über die Grenzfläche der zwei verschiedenen Festkörperstoffe, durch die die Kontaktspannung erzeugt wird. Durch die Anwesenheit von Kohlendioxid (CO2), das zu ca. 10 Vol.-% im Abgas enthalten ist, läuft der Zerfall von Nitrat- bzw. Nitritionen innerhalb eines weiten Temperaturfensters exergonisch ab, d. h. die Reaktion läuft freiwillig ab.expires. The electrons flow here via the contact point denoted by K in FIG. 3 between the two different phases, ie over the interface of the two different solid materials, through which the contact voltage is generated. Due to the presence of carbon dioxide (CO 2 ), which contains approx. 10 vol.% In the exhaust gas, the decomposition of nitrate or nitrite ions takes place exergonically within a wide temperature window, ie the reaction proceeds voluntarily.
Aufgrund des Ausnützens des Kontaktpotentials zwischen zwei verschiedenen, elektrisch leitenden Festkörpermaterialien erfolgt ein Ladungsaustausch und somit die elektrochemische Zersetzung des Nitrats bzw. Nitrits, ohne dass Elektroden im Absorberkörper erforderlich sind, an die eine Spannung von außen angelegt werden müsste. Folglich weist der Absorberkörper zur Zersetzung von Stickoxiden einen einfacheren Aufbau auf, als bekannte Vorrichtungen zur NOx-Entstickung, da auf zusätzliche Komponenten verzichtet werden kann, und er benötigt keine zusätzliche Energiezufuhr.Due to the exploitation of the contact potential between two different, electrically conductive solid materials, a charge exchange takes place and thus the electrochemical decomposition of the nitrate or nitrite without the need for electrodes in the absorber body, to which a voltage from the outside would have to be applied. Consequently, the absorber body for the decomposition of nitrogen oxides has a simpler structure than known devices for NO x denitrification, since additional components can be dispensed with, and it does not require any additional energy supply.
Wird der oben beschriebene Absorberkörper 1 mit einem flüssigen Elektrolyten verwendet, kann vorteilhafterweise auf zusätzliche Elektroden mit externer Spannungszufuhr verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Absorptions-/Zer setzungszyklus geschaffen ist, der sich aufgrund der kontinuierlichen Nachproduktion von Carbonationen automatisch erneuert. Ferner ist bei einer derartigen Anordnung von Vorteil, dass die Stickoxide zunächst im flüssigen Elektrolyten gespeichert werden bevor eine anschließende Zersetzung der Nitrate bzw. Nitrite erfolgt. Die Zersetzung kann zeitlich nach der Absorption durchgeführt werden, so dass eine Puffermöglichkeit besteht.If the absorber body 1 described above is used with a liquid electrolyte, it is advantageously possible to dispense with additional electrodes with an external voltage supply. Another advantage is that an absorption / decomposition cycle is created that is automatically renewed due to the continuous post-production of carbonate ions. It is also advantageous in such an arrangement that the nitrogen oxides are first stored in the liquid electrolyte before the nitrates or nitrites are subsequently decomposed. The decomposition can be carried out after the absorption, so that there is a buffer possibility.
Allerdings ist bei der Verwendung eines flüssigen Elektrolyten zu beachten, dass die Porosität der Absorberstruktur aufgrund des kapillarischen Aufsaugens des flüssigen Elektrolyten gemindert wird, so dass die Oberfläche des Absorbers und folglich die Effektivität der Entstickung abnehmen kann.However, when using a liquid electrolyte, it should be noted that the Porosity of the absorber structure due to the capillary suction of the liquid Electrolyte is reduced, so that the surface of the absorber and consequently the Effectiveness of denitrification can decrease.
Als nächstes wird die Verwendung des in Fig. 1-3 beschriebenen Absorberkörpers 1 mit einem festen Elektrolyt beschrieben. Als Festkörperelektrolyt kommt jeder feste, möglichst poröse Stoff in Frage, der selbst oxidionenleitend und/oder hydroxidionenleitend und/oder carbonationenleitend ist oder durch Zusätze dementsprechend leitend gemacht werden kann. Im Fall eines Festkörperelektrolyten erfolgt die Reduktion des Stickstoffs direkt im Stickoxid an dem negativ geladenen Festkörperstoff der Pulvermischung 3. Der negativ geladene Festkörper entspricht hierbei der Kathode. Die entstehenden Oxidionen werden im Festkörperelektrolyten zum positiv geladenen Festkörperstoff (Anode) weitergeleitet und dort zu elementarem Sauerstoff oxidiert. Somit ist das geforderte Entfernen des Sauerstoffs vom Stickstoff gewährleistet, ohne dass es einer vorgeschalteten Absorptionsreaktion bedarf. Grundsätzlich ist der Abtransport von Sauerstoff mit sämtlichen sich bildenden sauerstoffhaltigen Ionen möglich, z. B. mit Hydroxidionen durch weitere Reaktion des Oxids mit Wasser (O2- + H2O → 2OH-) und/oder gebildeten Carbonationen durch weitere Reaktion des Oxids mit Kohlendioxid (O2- + CO2 → CO3 2-), sofern der Festkörperelektrolyt diese Ionen transportieren kann. Die an der Anode, d. h. am positiv geladenen Festkörperstoff der Pulvermischung frei werdenden Elektronen fließen zurück zur Kathode und reduzieren den dort gebundenen Stickstoff zu elementarem Stickstoff.Next, the use of the absorber body 1 described in Figs. 1-3 with a solid electrolyte will be described. Any solid, preferably porous substance that is itself an oxide ion and / or hydroxide ion conductor and / or a carbon ion conductor or can be made correspondingly conductive by additives can be used as the solid electrolyte. In the case of a solid electrolyte, the nitrogen is reduced directly in the nitrogen oxide on the negatively charged solid substance of the powder mixture 3 . The negatively charged solid body corresponds to the cathode. The resulting oxide ions are passed on in the solid electrolyte to the positively charged solid material (anode), where they are oxidized to elemental oxygen. This ensures the required removal of oxygen from nitrogen without the need for an upstream absorption reaction. In principle, it is possible to remove oxygen with all the oxygen-containing ions that form, e.g. B. with hydroxide ions by further reaction of the oxide with water (O 2- + H 2 O → 2OH - ) and / or formed carbonate ions by further reaction of the oxide with carbon dioxide (O 2- + CO 2 → CO 3 2- ), if provided the solid electrolyte can transport these ions. The electrons released at the anode, ie the positively charged solid material of the powder mixture, flow back to the cathode and reduce the nitrogen bound there to elemental nitrogen.
Der Vorteil eines Festkörperelektrolyten besteht darin, dass die Porösität des Absorberkörpers 1 nicht durch die Anwesenheit des festen Elektrolyten negativ beeinflußt wird. Folglich weist der in Fig. 1 und 2 verwendete Absorberkörper in Verwendung mit einem festen Elektrolyten eine hohe Wirksamkeit auf. Eine Absorptionsreaktion ist bei Festkörperelektrolyten nicht erforderlich. Dies bedeutet gleichzeitig, dass eine Speicherung bzw. Pufferung von Stickoxiden vor der eigentlichen Zersetzungsreaktion nicht möglich ist.The advantage of a solid electrolyte is that the porosity of the absorber body 1 is not adversely affected by the presence of the solid electrolyte. Accordingly, the absorber body used in Figs. 1 and 2 has a high efficiency when used with a solid electrolyte. An absorption reaction is not required for solid electrolytes. At the same time, this means that nitrogen oxides cannot be stored or buffered before the actual decomposition reaction.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Absorberkörper 1 kann auch mit einem Elektrolyten verwendet werden, der aus einer Mischung aus festem und flüssigem Elektrolyten besteht. The absorber body 1 shown in FIGS. 1 and 2 can also be used with an electrolyte which consists of a mixture of solid and liquid electrolytes.
Eine gleichzeitige Kombination von Flüssigkeits- und Festkörperelektrolyt führt dazu, dass die oben beschriebenen Reaktionen parallel ablaufen können. Auch in diesem Fall ist die Triebkraft der ablaufenden Reaktionen zum einen die Exergonie sowie die Kontaktpotentialdifferenz der zwei sich berührenden festen Phasen.A simultaneous combination of liquid and solid electrolyte leads to the fact that the reactions described above can run in parallel. In this case too The driving force of the reactions taking place is exergony and Contact potential difference of the two contacting solid phases.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann auf das in Fig. 2 und 3 dargestellte Pulver 3 verzichtet werden. In diesem Fall besteht der in Fig. 1 dargestellt Absorberkörper 1 selbst aus einer homogenen Mischung mindestens zweier chemisch unterschiedlicher Festkörperstoffe oder aus einem Stoff, der teilweise mit mindestens einem zweiten chemisch unterschiedlichen Festkörperstoff beschichtet ist. Die mindestens zwei verschiedenen Festkörperstoffe müssen sich berühren und aus elektrisch leitendem Material sein, so dass sich aufgrund ihres elektrischen Kontaktes ein Kontaktpotential bildet. Metalle und/oder Metalloxide aus Eisen, Kupfer, Gold, Nickel, Mangan und dergleichen können als Festkörpermaterialien verwendet werden. Die Herstellung des aus mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffen bestehenden Absorberkörpers erfolgt z. B. durch Vermengen der Festkörperstoffe in Pulverform. Diese Mischung wird mit einem Bindemittel oder Füllstoff versetzt, damit es bzw. er in die spätere Form extrudiert wird. Nach dem Extrudieren und Trocknen wird der Formkörper gebrannt. Dabei verflüchtigt, verdampft bzw. verbrennt das Bindemittel oder der Füllstoff. Zurück bleibt ein poröser Sinterkörper.In a further embodiment, the powder 3 shown in FIGS. 2 and 3 can be dispensed with. In this case shown in Fig. 1 absorber body 1 itself consists of a homogeneous mixture of at least two chemically different substances or solid, with a second chemically different solid material is coated from a material at least partially. The at least two different solid materials must touch and be made of electrically conductive material so that a contact potential is formed due to their electrical contact. Metals and / or metal oxides of iron, copper, gold, nickel, manganese and the like can be used as solid materials. The production of the absorber body consisting of at least two chemically different solid materials takes place, for. B. by mixing the solids in powder form. A binder or filler is added to this mixture so that it is extruded into the later form. After the extrusion and drying, the molded body is fired. The binder or filler evaporates, evaporates or burns. What remains is a porous sintered body.
Ein derartiger, aus mindestens zwei verschiedenen Festkörperstoffen bestehender Absorberkörper kann sowohl mit einem flüssigen als auch mit einem festen Elektrolyten verwendet werden. Ebenso ist eine gleichzeitige Verwendung mit flüssigen und festen Elektrolyten möglich.Such, consisting of at least two different solid materials Absorber body can be with both a liquid and a solid electrolyte be used. Likewise, simultaneous use with liquid and solid Electrolytes possible.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der in Fig. 1 und 2 dargestellte Absorberkörper 1 aus zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffen und einer zusätzlichen Komponente, einer Festkörperelektrolytkomponente. Dadurch wird der Festkörperelektrolyt unmittelbar in den porösen Absorberkörper integriert. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass vor dem Extrudieren der Mischung aus mindestens zwei unterschiedlichen Festkörperstoffen dieser ein sauerstoffleitendes Oxid beigemengt wird. Diese Beimengung stellt die Festkörperelektrolytkomponente dar und ist z. B. mit Yttrium dotiertes Zirkondioxid. Es können aber auch andere Komponenten verwendet werden, die bei höheren Temperaturen Sauerstoffionen leiten. Damit ist gewährleistet, dass der oxidionenleitende Anteil des Festkörperelektrolyten bereits in dem fertigen Sinterkörper enthalten ist, so dass ein zusätzlicher Festkörperelektrolyt nicht erforderlich ist. Dies stellt eine weitere Reduzierung der für die Zersetzung von Oxiden erforderlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Katalysators dar.According to a further embodiment, the absorber body 1 shown in FIGS. 1 and 2 consists of two chemically different solid materials and an additional component, a solid electrolyte component. As a result, the solid electrolyte is integrated directly into the porous absorber body. This is achieved, for example, by adding an oxygen-conducting oxide to the mixture before extruding the mixture of at least two different solid materials. This addition represents the solid electrolyte component and is e.g. B. zirconia doped with yttrium. However, other components can also be used which conduct oxygen ions at higher temperatures. This ensures that the oxide ion-conducting part of the solid electrolyte is already contained in the finished sintered body, so that an additional solid electrolyte is not necessary. This represents a further reduction in the components of the catalyst according to the invention required for the decomposition of oxides.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise zur Zersetzung von Stickoxidabgasen aus Kraft- und Nutzfahrzeugen verwendet werden. Hierzu wird die Vorrichtung üblicherweise in die Auspuffanlage des Fahrzeuges eingebaut. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entstickung von Emissionen aus Kraftwerken und dergleichen verwendet werden.The device according to the invention can be used, for example, for the decomposition of Nitrogen oxide emissions from motor vehicles and commercial vehicles are used. For this, the Device usually installed in the exhaust system of the vehicle. Furthermore, the Device according to the invention for denitrification of emissions from power plants and the like can be used.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine wirkungsvolle Zersetzung von Stickoxiden, die beispielsweise durch die Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen oder Kraftwerken ausgestoßen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen eine reduzierte Anzahl von Komponenten aufweist und nicht auf die äußere Zufuhr elektrischer oder chemischer Energie zur Zersetzung der Stickoxide angewiesen ist. Dadurch ergibt sich kein zusätzlicher Energieverbrauch des Reinigungssystems und zusätzliche Komponenten entfallen, die beispielsweise in herkömmlichen Anlagen für die Steuerung des Motormanagements erforderlich sind.The present invention enables effective decomposition of nitrogen oxides for example through the exhaust gas emissions from motor vehicles or power plants be expelled. The device according to the invention is particularly distinguished in that it has a reduced compared to conventional devices Has number of components and not on the external supply electrical or chemical energy is required to decompose the nitrogen oxides. This results in no additional energy consumption of the cleaning system and additional components omitted, for example in conventional systems for controlling the Engine management are required.
Claims (11)
sich innerhalb des Absorberkörpers (I) mindestens zwei chemisch unterschiedliche Festkörperstoffe (3a, 3b) befinden, die miteinander in elektrisch leitendem Kontakt stehen, so dass sich ein elektrisches Kontaktpotential ausbildet; und
die mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Festkörperstoffe (3a, 3b) vom Elektrolyten (4) benetzt werden.1. Catalyst for the decomposition of nitrogen oxides, comprising an absorber body ( 1 ) with channels ( 2 ) and an electrolyte ( 4 ), characterized in that
within the absorber body (I) at least two chemically different solid materials (3 a, 3 b) are located, which are in electrically conductive contact with each other, then an electrical contact potential that forms; and
the at least two chemically different solid materials ( 3 a, 3 b) are wetted by the electrolyte ( 4 ).
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