DE102017001561A1 - Propylenglykol-Reformierung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Katalysator für die Reformierung von Propylenglykol, umfassend ein Trägermaterial (1) und einen katalytischen Bestandteil (2),
wobei das Trägermaterial (1) aus einem oder mehreren Metalloxiden gebildet ist, und
wobei der katalytische Bestandteil (2) zumindest ein aus der folgenden Gruppe ausgewähltes Element umfasst: Rh, Ru, Pd, Pt und Ni.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Katalysator für die Reformierung von Propylenglykol sowie einen Reformer-Reaktor.
  • In einem Brennstoffzellensystem wird aus Kohlenwasserstoffen elektrische Energie erzeugt. Dazu kann in einem sogenannten Reformer z. B. aus Propylenglykol ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt werden. Für diese Reformer-Reaktion wird Propylenglykol mit Wasser gemischt, daraufhin verdampft und unter Luftzugabe in ein wasserstoffhaltiges Gas sowie typischerweise Anteile von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgewandelt. Die Reaktion findet zweckmäßigerweise als katalytische Reaktion statt. - Es besteht Bedarf an stabilen Katalysatoren für die Reformierung von Propylenglykol.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Katalysator für die Reformierung von Propylenglykol angegeben werden, der stabil ist und eine vollständige Umsetzung des Propylenglykols ermöglicht. Ferner soll ein Reformer-Reaktor angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 13.
  • Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Katalysator für die Reformierung von Propylenglykol vorgeschlagen, umfassend ein Trägermaterial und einen katalytischen Bestandteil, wobei das Trägermaterial aus einem oder mehreren Metalloxiden gebildet ist, und wobei der katalytische Bestandteil zumindest ein aus der folgenden Gruppe ausgewähltes Element umfasst: Rh, Ru, Pd, Pt und Ni.
  • Zweckmäßigerweise sind die den katalytischen Bestandteil bildenden Elemente aus den Nebengruppenelementen der Nebengruppen VII bis X des Periodensystems ausgewählt. Das Trägermaterial weist insbesondere eine relativ große spezifische Oberfläche auf, um einen ausreichenden Kontakt zwischen dem verdampften Propylenglykol-WasserGemisch und dem Katalysator zu ermöglichen.
  • Zweckmäßigerweise enthält der Katalysator 0,1 bis 35 Gew.%, insbesondere 0,5 bis 20 Gew.%, insbesondere 1 bis 10 Gew.%, des katalytischen Bestandteils.
  • Der katalytische Bestandteil ist bevorzugt aus der Gruppe Rh, Pt und Ni ausgewählt. Insbesondere umfasst der katalytische Bestandteil Rh.
  • Zweckmäßigerweise ist das Trägermaterial aus zumindest einem Metalloxid der folgenden Elemente Al, Si, Ti, Y, La, Ce und Pr, bevorzugt aus Al, Y, La, Ce und Pr, insbesondere bevorzugt aus AI, La und Ce, gebildet. Bei der Auswahl des Trägermaterials soll die spezifische Oberfläche möglichst groß sein. Gleichzeitig sollen Nebenreaktionen reduziert bzw. unterdrückt werden. Zu den unerwünschten Nebenreaktionen zählt insbesondere die Koksbildung.
  • Zweckmäßigerweise werden binäre Metalloxidgemische in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:1000, insbesondere 1:1 bis 1:100, insbesondere von 1:1 bis 1:50, gemischt. Ein weiteres Metalloxid kann im Verhältnis 1:10 bis 1:1000 beigemischt werden. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung enthält das Trägermaterial 0 bis 50 Gew.% CeO2, insbesondere 20 bis 40 Gew.% CeO2. CeO2, alternativ auch La2O3, werden für die Erhöhung des Anteils von Kohlendioxid gegenüber Kohlenmonoxid als Reformerprodukt eingesetzt.
  • Zweckmäßigerweise umfasst das Trägermaterial CeO2 und α-Al2O3, insbesondere besteht es aus CeO2 und α-Al2O3 sowie unvermeidbaren Verunreinigungen. Die Verwendung von α-Al2O3 hat sich gegenüber der Verwendung von γ-Al2O3 als vorteilhaft erwiesen: γ-Al2O3 weist eine höhere spezifische Oberfläche, aber auch eine höhere Acidität auf. Eine höhere Acidität begünstigt Nebenreaktionen, insbesondere die Bildung von Koks. Die Bildung von Koks führt zu einer Deaktivierung des Katalysators, so dass sich der gewünschte Umsatz von Propylenglykol verringert. Wegen der geringeren Acidität von α-Al2O3 treten weniger Nebenreaktionen auf. Eine Koksbildung wird weitestgehend verhindert.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Trägermaterial α-Al2O3 mit einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 10 m2/g.
  • Zweckmäßigerweise ist zumindest eines der Metalloxide des Trägermaterials mit einem Alkali- oder Erdalkalimetall, insbesondere mit Na, K und/oder Mg, dotiert. Vorteilhafterweise ist das Metalloxid mit 0,1 bis 5 Gew.% des/der Dotierelemente/s dotiert.
  • Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird ein Reformer-Reaktor für die Reformierung von Propylenglykol vorgeschlagen, umfassend ein Reaktorgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, mit dem erfindungsgemäßen Katalysator, der als Schüttung in das Reaktorgehäuse eingebracht ist. Ein als Schüttung eingebrachter Katalysator weist eine große Oberfläche auf. Er kann bei Bedarf mit einem geringen Aufwand ausgetauscht werden.
  • Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird ein Reformer-Reaktor für die Reformierung von Propylenglykol vorgeschlagen, umfassend ein Reaktorgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, mit dem erfindungsgemäßen Katalysator, der als Oberflächenbeschichtung auf zumindest einem Teil der Innenwände des Reaktorgehäuses aufgebracht ist. Ein Vorteil der Oberflächenbeschichtung ist, dass der Katalysator im Reformer-Reaktor fixiert ist. Der erfindungsgemäße Reformer-Reaktor kann somit z. B. auch in Fahrzeugen eingesetzt werden, bei denen sich eine Schüttung durch die Vibrationen des Fahrzeugs verändern oder Geräusche erzeugen würde.
  • In einer alternativen Ausgestaltung wird ein Reformer-Reaktor für die Reformierung von Propylenglykol vorgeschlagen, umfassend ein Reaktorgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, mit dem erfindungsgemäßen Katalysator, wobei im Reaktorgehäuse Platten, Platten mit Kanälen und/oder Strömungsleitelemente aufgenommen sind, wobei der Katalysator auf zumindest einem von den Platten, Platten mit Kanälen und/oder Strömungsleitelementen als Oberflächenbeschichtung aufgebracht ist. Durch eine solche Ausgestaltung lässt sich die beschichtete Gesamtoberfläche und die mit dem Katalysator belegte Fläche im Reaktor vergrößern. Die Oberflächenbeschichtung kann zusätzlich auch noch auf zumindest einem Teil der Innenwände des Reaktorgehäuses aufgebracht sein.
  • Die Oberflächenbeschichtung ist vorteilhafterweise durch eines der folgenden Verfahren aufgebracht: Tauchbeschichtung, Sprühen, Strahl- oder Siebdruck.
  • Nachfolgend wird die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert:
  • In einem Reformer-Reaktor für die Reformierung von Propylenglykol wird der erfindungsgemäße Katalysator mittels Siebdruck als Wandbeschichtung aufgetragen. Das Aufbringen als Wandbeschichtung eignet sich insbesondere für Reformer-Reaktoren, welche für den Gebrauch in Fahrzeugen ausgelegt sind. Der Katalysator enthält im Wesentlichen 5 Gew.% Rh, 30 Gew.% CeO2 sowie den Rest α-Al2O3 und unvermeidbare Verunreinigungen. Die Katalysatorbeschichtung hat sich als langzeitstabil herausgestellt und erlaubt einen vollständigen Umsatz des Propylenglykols. Eine Deaktivierung der Katalysatorbeschichtung durch Koksbildung auf der Katalysatorbeschichtung wird bei der Reformierung von Propylenglykol vermieden. Die Brennstoffzellenanordnung, welche den erfindungsgemäßen Reformer-Reaktor umfasst, kann z. B. eine Leistung im Kilowattbereich, z. B. 5 kW, aufweisen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Bereichs des Trägermaterials eines erfindungsgemäßen Katalysators mit katalytischem Bestandteil,
    • 2 einen erfindungsgemäßen Reformer-Reaktor,
    • 3 einen Querschnitt durch den Reformer-Reaktor entlang der Schnittlinie B-B' und
    • 4 ein vergrößertes Detail von 3.
  • 1 zeigt schematisch das Trägermaterial 1, welches aus Metalloxid hergestellt ist. Das Trägermaterial 1 weist insbesondere eine große spezifische Oberfläche auf. Eine große spezifische Oberfläche wird insbesondere durch ein offenporiges Material realisiert. Auf dem Trägermaterial 1 befindet sich der katalytische Bestandteil 2. Der katalytische Bestandteil 2 kann sich als vollflächige Schicht oder als auf der Oberfläche verteilte Mikro- oder Nanopartikel auf dem Trägermaterial 1 befinden. Vorzugsweise ist das Trägermaterial 1 gleichmäßig mit dem katalytischen Bestandteil 2 belegt.
  • 2 zeigt einen Reformer-Reaktor R. Der Reformer-Reaktor R umfasst ein Reaktorgehäuse G, einen Einlass E zum Zuführen eines Gases und einen Auslass A zum Abführen eines weiteren Gases. Das Reaktorgehäuse G umfasst Wände W. In dem Reaktorgehäuse G können Platten P oder Strömungsleitelemente aufgenommen sein.
  • 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B' der 2 des Reformer-Reaktors R. Das Reaktorgehäuse G ist aus Wänden W gebildet. Die nach innen zeigende Oberfläche der Wände W ist mit dem Bezugszeichen I bezeichnet. Im Reaktorgehäuse G des Reformer-Reaktors R können Platten P z. B. horizontal übereinander angeordnet sein.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt aus 3. Dieser Ausschnitt zeigt eine mit einer Oberflächenbeschichtung 3 beschichtete Innenwand I der Wand W. Zweckmäßigerweise sind auch im Reaktorgehäuse G befindliche Platten P mit der Oberflächenbeschichtung 3 beschichtet. Die Oberflächenbeschichtung 3 umfasst das Trägermaterial 1 und den katalytischen Bestandteil 2. Die Oberflächenbeschichtung 3 kann mittels eines bekannten Beschichtungsverfahrens auf die Wände W und Platten P oder nicht dargestellte Strömungsleitelemente aufgetragen werden. Vorteilhafterweise wird eines der folgenden Verfahren genutzt: Tauchbeschichtung, Sprühen, Strahl- oder Siebdruck.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Trägermaterial
    2
    katalytischer Bestandteil
    3
    Oberflächenbeschichtung
    A
    Auslass
    E
    Einlass
    G
    Reaktorgehäuse
    I
    Innenwand
    P
    Platte
    R
    Reformer-Reaktor
    W
    Wand

Claims (13)

  1. Katalysator für die Reformierung von Propylenglykol, umfassend ein Trägermaterial (1) und einen katalytischen Bestandteil (2), wobei das Trägermaterial (1) aus einem oder mehreren Metalloxiden gebildet ist, und wobei der katalytische Bestandteil (2) zumindest ein aus der folgenden Gruppe ausgewähltes Element umfasst: Rh, Ru, Pd, Pt und Ni.
  2. Katalysator nach Anspruch 1, wobei der Katalysator 0,1 bis 35 Gew.%, insbesondere 0,5 bis 20 Gew.%, insbesondere 1 bis 10 Gew.%, des katalytischen Bestandteils (2) enthält.
  3. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der katalytische Bestandteil (2) aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Rh, Pt und Ni.
  4. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der katalytische Bestandteil (2) Rh umfasst.
  5. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial (1) aus zumindest einem Metalloxid der folgenden Elemente Al, Si, Ti, Y, La, Ce und Pr gebildet ist.
  6. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial (1) 0 bis 50 Gew.% CeO2, insbesondere 20 bis 40 Gew% CeO2, enthält.
  7. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial (1) CeO2 und α-Al2O3 umfasst, insbesondere aus CeO2 und α-Al2O3 sowie unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
  8. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial (1) α-Al2O3 mit einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 10 m2/g umfasst.
  9. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Metalloxide des Trägermaterials (1) mit einem Alkali- oder Erdalkalimetall, insbesondere mit Na, K und/oder Mg, dotiert ist.
  10. Reformer-Reaktor (R) für die Reformierung von Propylenglykol, umfassend ein Reaktorgehäuse (G) mit einem Einlass (E) und einem Auslass (A), mit einem Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der als Schüttung in das Reaktorgehäuse (G) eingebracht ist.
  11. Reformer-Reaktor (R) für die Reformierung von Propylenglykol, umfassend ein Reaktorgehäuse (G) mit einem Einlass (E) und einem Auslass (A), mit einem Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der als Oberflächenbeschichtung (3) auf zumindest einem Teil der Innenwände des Reaktorgehäuses (G) aufgebracht ist.
  12. Reformer-Reaktor (R) für die Reformierung von Propylenglykol, umfassend ein Reaktorgehäuse (G) mit einem Einlass (E) und einem Auslass (A), mit einem Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Reaktorgehäuse (G) Platten (P), Platten mit Kanälen und/oder Strömungsleitelemente aufgenommen sind, wobei der Katalysator auf zumindest einem von den Platten (P), den Platten mit Kanälen und/oder Strömungsleitelementen als Oberflächenbeschichtung (3) aufgebracht ist.
  13. Reformer-Reaktor nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Oberflächenbeschichtung (3) durch eines der folgenden Verfahren aufgebracht ist: Tauchbeschichtung, Sprühen, Strahl- oder Siebdruck.
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