DE102018111275A1 - Elektrochemischer Reaktor und Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse - Google Patents

Elektrochemischer Reaktor und Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse Download PDF

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Abstract

Um einen elektrochemischen Reaktor zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse, welcher elektrochemische Reaktor eine Anode und eine Kathode umfasst, die durch eine Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind, so zu verbessern, dass die gewünschten Produkte einfach und sicher erzeugt werden können, wird vorgeschlagen, dass die Ionenaustauschmembran in Form einer Bipolarmembran ausgebildet ist.
Ferner werden ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse sowie ein verbessertes System zur Abgasbehandlung von Verbrennungsvorrichtungen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Reaktor zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse, welcher elektrochemische Reaktor eine Anode und eine Kathode umfasst, die durch eine Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse, bei welchem Verfahren eine Anode und eine Kathode, die durch eine Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind, eingesetzt werden.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein System zur Abgasbehandlung von Verbrennungsvorrichtungen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, umfassend eine Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Reduktionsmittels aus einem Abgasbehandlungsmittel.
  • Die Reduktion von NOx-Werten bei Verbrennungsmotoren bestimmt derzeit die öffentliche Diskussion. Zur Abgasreinigung werden insbesondere Abgasbehandlungssysteme eingesetzt, bei denen eine Harnstofflösung dem Abgasstrom zugeführt wird. Der Harnstoff wird dabei thermisch über einen insbesondere Palladium-basierten Katalysator in Kohlenstoffdioxid (CO2) und Ammoniak zersetzt. Dem Kohlenstoffdioxid als inertes Gas kommt keine weitere Funktion zu. Es wird mit dem Abgas ausgestoßen. Der erzeugte Ammoniak dagegen wird als Reduktionsmittel zur Verringerung der Stickoxidwerte im Abgas eingesetzt.
  • Ein wesentlicher Nachteil bei der beschriebenen Art der Abgasbehandlung ist die Beseitigung von Stickoxiden bei niedrigen Temperaturen, also insbesondere während der Startphase von Verbrennungsmotoren, die bis zu zehn Minuten in Anspruch nehmen kann. In diesem Zeitraum können die derzeit am Markt befindlichen Abgasbehandlungssysteme, die Harnstofflösungen einsetzen, nicht eingeschaltet werden. Der Grund hierfür ist, dass die thermischen Reaktoren zur Harnstoffspaltung erst oberhalb von 500°C effizient arbeiten. Ein Betrieb bei niedrigeren Temperaturen ist nicht möglich, da die Reaktoren aufgrund der geringen Zersetzungsrate verstopfen und der Harnstoff polymerisiert. Das Abgasbehandlungssystem würde dadurch zum Erliegen kommen.
  • Es ist daher von großer Bedeutung, Abgasbehandlungssysteme zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas bereits bei niedrigen Temperaturen zur Verfügung zu stellen, sodass insbesondere auch in der Startphase des Motors der Stickoxid-Ausstoß effizient verringert werden kann.
  • Eine Möglichkeit, Harnstoff bereits bei niedrigeren Temperaturen zu zersetzen, bildet die Elektrolyse in einem elektrochemischen Reaktor. Bei der Elektrolyse von Harnstoff wird zum einen der zur Reduktion der Stickoxide erforderliche Ammoniak erzeugt, zum anderen Wasserstoff. Wasserstoff kann insbesondere bei Einsatz geeigneter Katalysatoren mit Stickstoffmonoxid und Sauerstoff zu molekularem Stickstoff und Wasser reagieren. Ein Vorteil gegenüber den bekannten thermischen Reaktoren zur Harnstoffspaltung ist somit insbesondere auch die Erzeugung von Wasserstoff, der als weiteres Produkt der Elektrolyse, anders als das in thermischen Reaktoren erzeugte Kohlenstoffdioxid, ebenfalls zur Abgasreinigung beitragen kann.
  • Der Einsatz elektrochemischer Reaktoren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse birgt jedoch ebenfalls Probleme. Bekannte elektrochemische Reaktoren mit Ionenaustauschmembranen werden derzeit entweder mit Kationenaustauschmembranen oder mit Anionenaustauschmembranen eingesetzt. Durch Wahl der jeweiligen Membran wird das Milieu derselben entweder im sauren oder im alkalischen Bereich vorgegeben. Es ist daher auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran gleich. Mit anderen Worten sind die Milieus beider Seiten, also der Kathodenseite und der Anodenseite des elektrochemischen Reaktors, aneinander gekoppelt. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass die Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran im elektrochemischen Reaktor stattfinden, entweder im sauren Gesamtmilieu des Reaktors im insgesamt alkalischen Gesamtmilieu des Reaktors ablaufen müssen. Dies ist jedoch zumindest für eine der beiden Reaktionen dann stets nicht optimal.
  • Bekannt sind Harnstoff-Elektrolyseursysteme, die zur Abgasbehandlung von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können, bei denen Harnstofflösungen mit einem pH-Wert von mindestens 13 eingesetzt werden müssen, um die erwünschten Reaktionen, nämlich die Spaltung von Harnstoff in Ammoniak sowie die simultane Erzeugung von Wasserstoff zu erreichen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme ist, dass insbesondere große Mengen an Kaliumhydroxid (KOH) benötigt werden, um das alkalische Milieu einzustellen. Kaliumhydroxid ist jedoch höchst korrosiv, sodass dessen Handhabung insbesondere nur von Fachpersonal erledigt werden kann. Zudem besteht für derartige alkalische Lösungen bislang keine Infrastruktur. Außerdem weisen diese Lösungen eine Kriecheigenschaft auf, welche die Abdichtung der Elektrolyseursysteme deutlich erschwert. Und schließlich binden die alkalischen Lösungen das Kohlenstoffdioxid, welches ebenfalls bei der elektrochemischen Harnstoffspaltung entsteht, unter Karbonatbildung. Karbonat fällt jedoch als Feststoff aus und verstopft die Systeme. Eine Folge hiervon ist das Absinken des pH-Werts der Lösung und eine damit verbundene Abnahme der Leitfähigkeit mit der Folge, dass der Energieeintrag in das Elektrolysesystem erhöht werden muss, um eine konstante Zersetzungsrate zu garantieren. Zudem kontinuierlich Kaliumhydroxid nachgeführt werden. Derartige Elektrolysesysteme sind beispielsweise aus der US 8,388,920 B2 sowie aus der US 9,062,382 B2 bekannt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Reaktor zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse, ein Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse sowie ein System zur Abgasbehandlung von Verbrennungsvorrichtungen der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass die gewünschten Produkte einfach und sicher erzeugt werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei einem elektrochemischen Reaktor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ionenaustauschmembran in Form einer Bipolarmembran ausgebildet ist.
  • Anders als bei den bekannten Systemen wird also vorgeschlagen, die Ionenaustauschmembran in Form einer bipolaren Membran auszubilden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die chemischen Bedingungen an der Anode und der Kathode eines solchen elektrochemischen Reaktors entkoppelt werden können. Ein solcher elektrochemischer Reaktor, nachfolgend auch als bipolarer Membranreaktor bezeichnet, ermöglicht auf einer Seite, also anoden- oder kathodenseitig, Reaktionen im alkalischen Milieu und auf der anderen Seite im sauren Milieu durchzuführen. So ist es möglich, die Elektrodenreaktionen so anzupassen, wie sie für die Umsetzung und insbesondere auch die Kosten des Membranreaktors am günstigsten sind. Insbesondere kann so eine erhöhte Selektivität sowie eine schnellere Umsatzrate einer gewünschten Reaktion in einem bestimmten Medium erreicht werden. Beispielsweise kann im Bereich der Kathode in einem sauren Milieu gearbeitet werden und im Bereich der Anode in einem alkalischen Milieu. So kann insbesondere die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Kathode optimiert werden durch Wahl eines alkalischen Milieus und die Ammoniakbildung auf der Anodenseite im sauren Milieu. Ein weiterer Vorteil ist eine angepasste Wahl der Katalysatoren, da für dieselbe Reaktion im Sauren und Basischen unterschiedlichen Katalysatoren eingesetzt werden können. Durch den bipolaren Membranreaktor kann wie beschrieben das Medium auf beiden Seiten frei gewählt werden, so dass jeweils durch Einstellung des Milieus oder Charakters auf den beiden Seiten der Ionenaustauschmembran gegebenenfalls deutlich kostengünstigere Katalysatoren eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil ist insbesondere eine Reduktion von Betriebskosten dieser bipolaren Membranreaktoren. Die Reduktionspotentiale der Teilreaktionen an den Elektroden sind bekanntermaßen stark vom jeweiligen Milieu abhängig. Durch den Einsatz einer Bipolarmembran als Ionenaustauschmembran können die Elektrodenpotentiale durch entsprechende Wahl eines sauren oder basischen Milieus auf der jeweiligen Seite der Ionenaustauschmembran so gewählt werden, dass eine möglichst geringe Zellspannung insgesamt eingestellt werden kann. Eine verringerte Zellspannung führt zu einem geringeren elektrischen Verbrauch des Reaktors und erhöht dadurch seine wirtschaftliche Betriebsweise. Durch die Wahl einer Bipolarmembran als Ionenaustauschmembran kann so effizient Wasserstoff an der Kathode erzeugt und Harnstoff hocheffizient an der Anode in Ammoniak und CO2 zerlegt werden.
  • Günstig ist es, wenn die Bipolarmembran eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst. Wie beschrieben ermöglicht eine solche Bipolarmembran insbesondere, unterschiedliche Milieus auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran zu trennen. Zum einen können mittels der Anionenaustauschmembran Anionen optimal ausgetauscht werden und mittels der Kationenaustauschmembran Kationen.
  • Um zu vermeiden, dass im Bereich der Ionenaustauschmembran eine Neutralisierung der beidseits herrschenden Milieus erfolgt, sind die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran vorzugsweise durch eine Trennschicht voneinander getrennt.
  • Günstigerweise enthält die Trennschicht einen Dissoziationskatalysator. Dieser ist insbesondere optimiert für die Aufspaltung von Wasser in Protonen (H+) und Hydroxidionen (OH-). Durch den Dissoziationskatalysator kann insbesondere das jeweils herrschende Milieu im Bereich der Anode und im Bereich der Kathode einfach und sicher aufrechterhalten werden.
  • Vorzugsweise ist oder enthält der Dissoziationskatalysator Eisenoxid. Insbesondere kann er Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3) sein oder enthalten.
  • Um eine optimale Trennung der beiden Elektrodenseiten des Reaktors zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Trennschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm aufweist.
  • Um die Anodenreaktion des elektrochemischen Reaktors zu optimieren, ist es günstig, wenn die Anionenaustauschmembran auf einer von der Kationenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche eine anodische Katalysatorschicht trägt. So kann im Bereich dieser Katalysatorschicht die Zersetzung von Harnstoff in gewünschter Weise begünstigt werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die anodische Katalysatorschicht zwischen der Anionenaustauschmembran und einer anodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet ist. Im Bereich der anodischen Katalysatorschicht entstehende Gase, insbesondere Ammoniak und Kohlenstoffdioxid, können so einfach und sicher direkt durch die anodische Gasdiffusionsschicht abgeleitet werden.
  • Um die Zersetzung von Harnstoff weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die anodische Katalysatorschicht einen anodischen Katalysator zum Oxidieren von Harnstoff enthält.
  • Vorzugsweise ist der anodische Katalysator Nickelhydroxid (Ni(OH)2) oder enthält Nickelhydroxid.
  • Um einen sowohl chemisch als auch mechanisch stabilen Verbund der Ionenaustauschmembran ausbilden zu können, ist es vorteilhaft, wenn die anodische Katalysatorschicht mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran enthalten ist.
  • Für eine optimale Zersetzung des Harnstoffs ist es günstig, wenn die anodische Katalysatorschicht einen pH-Wert größer als 7 aufweist. Insbesondere kann sie einen pH-Wert von mindestens 9 aufweisen.
  • Des Weiteren ist es günstig, wenn die Kationenaustauschmembran auf einer von der Anionenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche eine kathodische Katalysatorschicht trägt. Die kathodische Katalysatorschicht dient insbesondere dazu, die Wasserstoffentwicklungsreaktion zu unterstützen und zu optimieren, also die Reduktion von im Bereich der Trennschicht erzeugten Protonen durch Aufnahme von Elektronen in molekularen Wasserstoff.
  • Um das Ableiten des erzeugten gasförmigen Wasserstoffs von der kathodischen Katalysatorschicht zu verbessern, ist es günstig, wenn die kathodische Katalysatorschicht zwischen der Kationenaustauschmembran und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet ist. Durch die kathodische Gasdiffusionsschicht kann der Wasserstoff sicher und gezielt abgeführt werden.
  • Vorzugsweise enthält die kathodische Katalysatorschicht einen kathodischen Katalysator zum Reduzieren von Protonen (H+). Wie beschrieben kann so gezielt molekularer Wasserstoff erzeugt werden.
  • Vorzugsweise ist oder enthält der kathodische Katalysator Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru). Diese Katalysatoren aus der Gruppe der Platinmetalle unterstützen insbesondere eine hocheffiziente Reduktion von Protonen zu molekularem Wasserstoff.
  • Zur Ausbildung insbesondere einer stabilen Membraneinheit ist es günstig, wenn die kathodische Katalysatorschicht mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran enthalten ist.
  • Um die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Kathode besonders effizient gestalten zu können, ist es günstig, wenn die die kathodische Katalysatorschicht einen pH-Wert kleiner als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert kleiner als 5. Die Reduktion von Protonen zu molekularem Wasserstoff findet vorzugsweise im sauren Milieu statt.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die anodische Gasdiffusionsschicht an einer anodischen Bipolarplatte anliegt und wenn die kathodische Gasdiffusionsschicht an einer kathodischen Bipolarplatte anliegt. Die Bipolarplatte kann insbesondere mit Strömungskanälen ausgebildet sein und Strömungsfelder für die Elektrolyseprodukte bilden, um diese, also Ammoniak und Kohlenstoffdioxid einerseits sowie Wasserstoff andererseits, gezielt ableiten zu können. Die Strömungskanäle der jeweiligen Bipolarplatten stehen bevorzugt mit den anodischen Gasdiffusionsschichten in fluidischer Verbindung, so dass die durch die Gasdiffusionsschichten geleiteten Gase zu den Bipolarplatten hin und durch diese hindurch abgeleitet werden können.
  • Günstig ist es, wenn der elektrochemische Reaktor eine Membran-Elektroden-Einheit umfasst, welche die Bipolarmembran, die anodische Katalysatorschicht, die kathodische Katalysatorschicht, die anodische Gasdiffusionsschicht und die kathodische Gasdiffusionsschicht umfasst. Mit einer solchen Membran-Elektroden-Einheit lässt sich ein elektrochemischer Reaktor auf einfache Weise und kostengünstig ausbilden. Die Membran-Elektroden-Einheit kann insbesondere als eigenständige Einheit mit den genannten Komponenten bereitgestellt werden. Zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors werden nur noch zwei Bipolarplatten benötigt, die mit den beiden Gasdiffusionsschichten der Membran-Elektroden-Einheit in Kontakt gebracht werden müssen.
  • Ferner kann es günstig sein, wenn der elektrochemische Reaktor eine katalytisch beschichtete Membran umfasst, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht beschichtete Bipolarmembran umfasst. Eine solche katalytisch beschichtete Membran kann insbesondere als Teilkomponente des elektrochemischen Reaktors bereitgestellt werden. Eine solche katalytisch beschichtete Membran kann insbesondere zur Ausbildung einer Membran-Elektroden-Einheit genutzt werden, wenn die katalytisch beschichtete Membran beidseits mit jeweils einer Gasdiffusionsschicht kontaktiert wird. Diese kann beispielsweise durch eine poröse Gitternetzstruktur ausgebildet werden. Insbesondere können Gasdiffusionsschichten durch chemische oder physikalische Beschichtungsverfahren auf den jeweiligen Katalysatorschichten aufgebracht werden.
  • Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ionenaustauschmembran in Form einer Bipolarmembran ausgebildet wird.
  • Wie bereits oben eingehend dargelegt, ermöglicht es die Bipolarmembran, auch als bipolare Membran bezeichnet, die chemischen Bedingungen an der Anode und der Kathode des elektrochemischen Reaktors zu entkoppeln. Es können also anodenseitig oder kathodenseitig unterschiedliche Milieus realisiert werden, beispielsweise alkalische oder saure Milieus, sodass die jeweiligen Elektrodenreaktionen optimal ablaufen können. Wie bereits beschrieben können insbesondere Kosten für die Ausbildung eines bipolaren Membranreaktors im Vergleich zu bekannten Membranreaktoren oder Bipolarmembran verringert werden. Ferner lässt sich insbesondere auch eine Zellspannung des elektrochemischen Reaktors verringern und damit einhergehend auch ein elektrischer Verbrauch desselben. Dadurch kann eine wirtschaftlichere Betriebsweise erreicht werden.
  • Vorzugsweise wird eine Bipolarmembran eingesetzt, welche eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst. Eine solche Bipolarmembran ermöglicht es insbesondere, wie beschrieben unterschiedliche Milieus auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran voneinander zu trennen. Insbesondere kann ein optimaler Anionenaustausch mittels der Anionenaustauschmembran erreicht werden, ein optimaler Kationenaustausch mittels der Kationenaustauschmembran.
  • Damit im Bereich der Ionenaustauschmembran eine Neutralisierung der beidseits herrschenden, insbesondere unterschiedlichen Milieus erfolgen kann, werden die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran vorzugsweise durch eine Trennschicht voneinander getrennt.
  • Vorteilhaft ist es, wenn in die Trennschicht ein Dissoziationskatalysator eingebracht wird. Ein solcher Dissoziationskatalysator ermöglicht insbesondere eine optimierte Aufspaltung von Wasser in Protonen (H+) und Hydroxidionen (OH-). Sowohl Protonen als auch Hydroxidionen lassen sich auf einfache Weise bereitstellen, wenn die Trennschicht hierfür feucht gehalten wird.
  • Günstig ist es, wenn ein Dissoziationskatalysator eingesetzt wird, welcher Eisenoxid ist oder enthält. Insbesondere kann als Dissoziationskatalysator Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3) eingesetzt werden.
  • Um eine Neutralisierung der beidseits der Trennschicht herrschenden Milieus möglichst effektiv zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Trennschicht mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird.
  • Vorteilhaft ist es, wenn auf einer von der Kationenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche der Anionenaustauschmembran eine anodische Katalysatorschicht aufgebracht wird. Insbesondere kann diese durch Rakeln, Trockensprühen oder Nasssprühen aufgebracht werden. Beispielsweise lässt sich so eine beschichtete Bipolarmembran ausbilden.
  • Günstigerweise wird die anodische Katalysatorschicht zwischen der Anionenaustauschmembran und einer anodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet. Die im Bereich der anodischen Katalysatorschicht entstehenden Gase, also insbesondere Ammoniak und Kohlenstoffdioxid, können durch die anodische Gasdiffusionsschicht einfach und sicher von der anodischen Katalysatorschicht weg geleitet werden.
  • Vorteilhafterweise wird die anodische Katalysatorschicht mit einem anodischen Katalysator zum Oxidieren von Harnstoff ausgebildet. Ein solcher Katalysator fördert die Zersetzung von Harnstoff an der Anode. So lassen sich Ammoniak und Kohlenstoffdioxid an der Anode besonders effizient ausbilden.
  • Vorzugsweise wird ein anodischer Katalysator eingesetzt oder ausgebildet, welcher Nickelhydroxid (Ni(OH)2) ist oder enthält.
  • Günstig ist es, wenn eine anodische Katalysatorschicht ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran enthalten ist. Diese Vorgehensweise ermöglicht insbesondere eine beispielsweise chemische oder auch mechanische Verbindung zwischen der anodischen Katalysatorschicht und der Anionenaustauschmembran herzustellen. Das Polymer kann insbesondere einen Träger oder eine Gerüststruktur der Anionenaustauschmembran, welche die anodische Katalysatorschicht trägt, bilden.
  • Um eine Zersetzung des Harnstoffs weiter zu fördern, ist es vorteilhaft, wenn die anodische Katalysatorschicht mit einem pH-Wert größer als 7 ausgebildet wird. Insbesondere kann sie mit einem pH-Wert größer als 9 ausgebildet werden. In einem solchen alkalischen Milieu zersetzt sich der Harnstoff besonders gut.
  • Vorteilhaft ist es, wenn auf einer von der Anionenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche der Kationenaustauschmembran eine kathodische Katalysatorschicht ausgebildet wird. Eine solche Katalysatorschicht unterstützt insbesondere die Wasserstoffentwicklungsreaktion und ermöglicht es, diese zu optimieren. Durch diese Reduktionsreaktion werden Protonen, die im Bereich der Trennschicht erzeugt werden, durch Aufnahme von Elektronen in molekularen Wasserstoff umgesetzt.
  • Ferner lässt sich der elektrochemische Reaktor auf einfache Weise herstellen, wenn die kathodische Katalysatorschicht zwischen der Kationenaustauschmembran und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet wird. Insbesondere kann die kathodische Gasdiffusionsschicht als poröse Trägerstruktur bereitgestellt werden, die dann flächig mit der kathodischen Katalysatorschicht in Kontakt gebracht wird. Die kathodische Gasdiffusionsschicht ermöglicht es zudem, den im Bereich der kathodischen Katalysatorschicht entstehenden molekularen Wasserstoff sicher und gezielt abzuleiten.
  • Vorteilhafterweise wird die kathodische Katalysatorschicht mit einem kathodischen Katalysator zum Reduzieren von Protonen (H+) ausgebildet. Ein solcher kathodischer Katalysator ermöglicht auf einfache Weise eine Reduktion von Protonen in der beschriebenen Weise zu molekularem Wasserstoff.
  • Für eine hocheffiziente Reduktion von Protonen zu molekularem Wasserstoff ist es vorteilhaft, wenn ein kathodischer Katalysator eingesetzt oder ausgebildet wird, welcher Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält.
  • Auf einfache und sichere Weise lässt sich eine stabile Membraneinheit ausbilden, wenn eine kathodische Katalysatorschicht ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran enthalten ist. Ein solches Polymer kann insbesondere ein stabiles Gerüst sowohl für die Kationenaustauschmembran als auch die kathodische Katalysatorschicht bilden und diese zudem auch mechanisch und/oder chemisch verbinden.
  • Auf günstige Weise kann die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Kathode unterstützt werden, wenn die kathodische Katalysatorschicht mit einem pH-Wert kleiner als 7 ausgebildet wird. Insbesondere kann sie mit einem pH-Wert kleiner als 5 ausgebildet werden. Ein solches saures Milieu fördert die Entwicklung molekularen Wasserstoffs aus Protonen.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die anodische Gasdiffusionsschicht an einer anodischen Bipolarplatte anliegend und wenn die kathodische Gasdiffusionsschicht an einer kathodischen Bipolarplatte anliegend ausgebildet werden. Auf diese Weise kann eine sogenannte Sandwichstruktur auf einfache Weise realisiert werden. Die Bipolarplatten ermöglichen insbesondere eine optimale Ableitung der Elektrolyseprodukte beim Betrieb des elektrochemischen Reaktors. Insbesondere lassen sich so Ammoniak einerseits und Wasserstoff andererseits voneinander getrennt abführen.
  • Vorteilhaft ist es, wenn eine Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet wird, welche die Bipolarmembran, die anodische Katalysatorschicht, die kathodische Katalysatorschicht, die anodische Gasdiffusionsschicht und die kathodische Gasdiffusionsschicht umfasst. Insbesondere kann eine solche Membran-Elektroden-Einheit als eigenständiges Bauteil des elektrochemischen Reaktors ausgebildet werden. So kann insbesondere eine Montage des elektrochemischen Reaktors vereinfacht werden.
  • Ferner kann es günstig sein, wenn eine katalytisch beschichtete Membran ausgebildet wird, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht beschichtete Bipolarmembran umfasst. Eine solche katalytisch beschichtete Membran kann ebenfalls eine eigenständige Baukomponente zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors bilden. Zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors wird dann beispielsweise die katalytisch beschichtete Membran beidseits mit Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten versehen.
  • Ferner wird die Verwendung eines der oben beschriebenen elektrochemischen Reaktoren zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse vorgeschlagen. Dies ermöglicht insbesondere eine effiziente Erzeugung von Ammoniak und Wasserstoff, welche insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsprodukten von Verbrennungsmaschinen eingesetzt werden können.
  • Ferner wird die eingangs gestellte Aufgabe bei einem System zur Abgasbehandlung von Verbrennungsvorrichtungen der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung in Form eines der oben beschriebenen elektrochemischen Reaktoren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse ausgebildet ist.
  • Ein Abgasbehandlungssystem mit einem elektrochemischen Reaktor auszustatten, wie er in bevorzugten Ausführungsformen weiter oben beschrieben ist, ermöglicht es auf einfache und effiziente Weise, Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse zu erzeugen. Sowohl der Ammoniak als auch der Wasserstoff können zur Abgasreinigung genutzt werden, um Stickoxide in molekularen Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Wie eingangs beschrieben hat die Elektrolyse einer Harnstofflösung insbesondere den Vorteil, dass eine Abgasbehandlung bereits bei niedrigen Temperaturen möglich ist, anders als bei einer thermischen Zersetzung des Harnstoffs, die Temperaturen vorzugsweise von mehr als 500° C erfordert. Zudem kann zur Abgasbehandlung nicht nur Ammoniak, sondern auch der erzeugte Wasserstoff eingesetzt werden.
  • Günstig ist es, wenn das System eine erste Behandlungskammer mit einem ersten Abgaseinlass, einem ersten Abgasauslass, einem Reduktionsmitteleinlass und einem Reduktionskatalysator umfasst, welcher erste Abgaseinlass direkt oder indirekt mit einer Verbrennungsvorrichtung fluidwirksam verbindbar ist. Durch den Reduktionsmitteleinlass kann insbesondere der mit dem elektrochemischen Reaktor erzeugte Wasserstoff der ersten Abgasbehandlungskammer zugeführt werden, um Stickoxide zu reduzieren.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das System einen Abgasbehandlungsmittelspeicher zum Speichern des Abgasbehandlungsmittels umfasst. Wie beschrieben kann das Abgasbehandlungsmittel insbesondere in Form einer Harnstofflösung bereitgestellt werden, aus welcher dann beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug im laufenden Betrieb Ammoniak und Wasserstoff durch Elektrolyse mittels des elektrochemischen Reaktors erzeugt und zur Abgasbehandlung eingesetzt werden können.
  • Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen elektrochemischer Reaktoren, Systeme zur Abgasbehandlung von Verbrennungsvorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse:
    1. 1. Elektrochemischer Reaktor (34) zum Erzeugen von Ammoniak (66) und Wasserstoff (68) aus einer Harnstofflösung (70) durch Elektrolyse, welcher elektrochemische Reaktor (34) eine Anode und eine Kathode umfasst, die durch eine Ionenaustauschmembran (22) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenaustauschmembran (22) in Form einer Bipolarmembran (12) ausgebildet ist.
    2. 2. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarmembran (12) eine Anionenaustauschmembran (14) und eine Kationenaustauschmembran (16) umfasst.
    3. 3. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) und die Kationenaustauschmembran (16) durch eine Trennschicht (18) voneinander getrennt sind.
    4. 4. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (18) einen Dissoziationskatalysator (20) enthält.
    5. 5. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dissoziationskatalysator (20) Eisenoxid, insbesondere Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält.
    6. 6. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (18) eine Schichtdicke (60) in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm aufweist.
    7. 7. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (22) auf einer von der Kationenaustauschmembran (16) abgewandten Seitenfläche (28) eine anodische Katalysatorschicht (24) trägt.
    8. 8. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) zwischen der Anionenaustauschmembran (14) und einer anodischen Gasdiffusionsschicht (36) angeordnet oder ausgebildet ist.
    9. 9. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) einen anodischen Katalysator (76) zum Oxidieren von Harnstoff (74) enthält.
    10. 10. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 9, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Katalysator (76) Nickelhydroxid (Ni(OH)2) ist oder enthält.
    11. 11. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran (14) enthalten ist.
    12. 12. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) einen pH-Wert größer als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert von mindestens 9.
    13. 13. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationenaustauschmembran (16) auf einer von der Anionenaustauschmembran (14) abgewandten Seitenfläche (30) eine kathodische Katalysatorschicht (26) trägt.
    14. 14. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) zwischen der Kationenaustauschmembran (16) und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (38) angeordnet oder ausgebildet ist.
    15. 15. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) einen kathodischen Katalysator (78) zum Reduzieren von Protonen (84) (H+) enthält.
    16. 16. Elektrochemischer Reaktor nach Satz 15, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Katalysator (78) Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält.
    17. 17. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran (16) enthalten ist.
    18. 18. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) einen pH-Wert kleiner als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert kleiner als 5.
    19. 19. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Gasdiffusionsschicht (36) an einer anodischen Bipolarplatte (40) anliegt und dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) an einer kathodischen Bipolarplatte (42) anliegt.
    20. 20. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 8 bis 19, gekennzeichnet durch eine Membran-Elektroden-Einheit (10), welche die Bipolarmembran (12), die anodische Katalysatorschicht (24), die kathodische Katalysatorschicht (26), die anodische Gasdiffusionsschicht (36) und die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) umfasst.
    21. 21. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Sätze 8 bis 20, gekennzeichnet durch eine katalytisch beschichtete Membran (32), welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht (24) und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht (26) beschichtete Bipolarmembran (12) umfasst.
    22. 22. Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak (66) und Wasserstoff (68) aus einer Harnstofflösung (70) durch Elektrolyse, bei welchem Verfahren eine Anode (80) und eine Kathode (82), die durch eine Ionenaustauschmembran (22) voneinander getrennt sind, eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenaustauschmembran (22) in Form einer Bipolarmembran (12) ausgebildet wird.
    23. 23. Verfahren nach Satz 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bipolarmembran (12) eingesetzt wird, welche eine Anionenaustauschmembran (14) und eine Kationenaustauschmembran (16) umfasst.
    24. 24. Verfahren nach Satz 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) und die Kationenaustauschmembran (16) durch eine Trennschicht (18) voneinander getrennt werden.
    25. 25. Verfahren nach Satz 24, dadurch gekennzeichnet, dass in die Trennschicht (18) ein Dissoziationskatalysator (20) eingebracht wird.
    26. 26. Verfahren nach Satz 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dissoziationskatalysator (20) eingesetzt wird, welcher Eisenoxid, insbesondere Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält.
    27. 27. Verfahren nach einem der Sätze 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (18) mit einer Schichtdicke (60) in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird.
    28. 28. Verfahren nach einem der Sätze 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von der Kationenaustauschmembran (16) abgewandten Seitenfläche (28) der Anionenaustauschmembran (22) eine anodische Katalysatorschicht (24) aufgebracht wird, insbesondere durch Rakeln, Trockensprühen oder Nasssprühen.
    29. 29. Verfahren nach Satz 28, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) zwischen der Anionenaustauschmembran (22) und einer anodischen Gasdiffusionsschicht (36) angeordnet oder ausgebildet wird.
    30. 30. Verfahren nach Satz 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) mit einem anodischen Katalysator (76) zum Oxidieren von Harnstoff (74) ausgebildet wird.
    31. 31. Verfahren nach Satz 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein anodischer Katalysator (76) ausgebildet wird, welcher Nickelhydroxid (Ni(OH)2) ist oder enthält.
    32. 32. Verfahren nach einem der Sätze 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine anodische Katalysatorschicht (24) ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran (22) enthalten ist.
    33. 33. Verfahren nach einem der Sätze 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) mit einem pH-Wert größer als 7 ausgebildet wird, insbesondere mit einem pH-Wert größer als 9.
    34. 34. Verfahren nach einem der Sätze 23 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von der Anionenaustauschmembran (22) abgewandten Seitenfläche (30) der Kationenaustauschmembran (16) eine kathodische Katalysatorschicht (26) ausgebildet wird.
    35. 35. Verfahren nach Satz 34, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) zwischen der Kationenaustauschmembran (16) und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (38) angeordnet oder ausgebildet wird.
    36. 36. Verfahren nach Satz 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) mit einem kathodischen Katalysator (78) zum Reduzieren von Protonen (84) (H+) ausgebildet wird.
    37. 37. Verfahren nach Satz 36, dadurch gekennzeichnet, dass ein kathodischer Katalysator (78) ausgebildet wird, welcher Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält.
    38. 38. Verfahren nach einem der Sätze 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass eine kathodische Katalysatorschicht (26) ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran (16) enthalten ist.
    39. 39. Verfahren nach einem der Sätze 34 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) mit einem pH-Wert kleiner als 7 ausgebildet wird, insbesondere mit einem pH-Wert kleiner als 5.
    40. 40. Verfahren nach einem der Sätze 29 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Gasdiffusionsschicht (36) an einer anodischen Bipolarplatte (40) anliegend und dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) an einer kathodischen Bipolarplatte (42) anliegend ausgebildet werden.
    41. 41. Verfahren nach einem der Sätze 29 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membran-Elektroden-Einheit (10) ausgebildet wird, welche die Bipolarmembran (12), die anodische Katalysatorschicht (24), die kathodische Katalysatorschicht (26), die anodische Gasdiffusionsschicht (36) und die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) umfasst.
    42. 42. Verfahren nach einem der Sätze 29 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytisch beschichtete Membran (32) ausgebildet wird, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht (24) und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht (26) beschichtete Bipolarmembran (12) umfasst.
    43. 43. Verwendung eines elektrochemischen Reaktors (34) nach einem der Sätze 1 bis 21 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 22 bis 42.
    44. 44. System (92) zur Abgasbehandlung von Verbrennungsvorrichtungen (94), insbesondere von Verbrennungsmotoren (96), umfassend eine Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung (112) zum Erzeugen eines Reduktionsmittels (66, 68) aus einem Abgasbehandlungsmittel (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung (112) in Form eines elektrochemischen Reaktors (34) zum Erzeugen von Ammoniak (66) und Wasserstoff (68) aus einer Harnstofflösung (70) durch Elektrolyse nach einem der Sätze 1 bis 21 ausgebildet ist.
    45. 45. System nach Satz 44, dadurch gekennzeichnet, dass das System (92) eine erste Behandlungskammer (102) mit einem ersten Abgaseinlass, einem ersten Abgasauslass, einem Reduktionsmitteleinlass und einem Reduktionskatalysator umfasst, welcher erste Abgaseinlass direkt oder indirekt mit einer Verbrennungsvorrichtung (94) fluidwirksam verbindbar ist.
    46. 46. System nach Satz 44 oder 45, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Abgasbehandlungsmittelspeicher (98) zum Speichern des Abgasbehandlungsmittels (100) umfasst.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer Membran-Elektroden-Einheit;
    • 2: eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Ausführungsbeispiels eines elektrochemischen Reaktors in Form eines bipolaren Membranreaktors;
    • 3: eine schematische Darstellung der Membran-Elektroden-Einheit aus 1 mit den entstehenden Reaktionsprodukten;
    • 4: eine schematische Darstellung ähnlich 3 mit eingezeichneten Reaktionsbereichen der in 5 dargestellten chemischen Reaktionen;
    • 5: eine beispielhafte Darstellung der elektrochemischen Reaktionen in den Bereichen I, II und III in 4;
    • 6: eine schematische Darstellung der Membran-Elektroden-Einheit aus 3 mit zugehörigen Reaktionsgleichungen zu Nutzung des an der Kathode entwickelten Wasserstoffs zur Stickoxidreduktion bei niederen Temperaturen;
    • 7: eine schematische Darstellung der Membran-Elektroden-Einheit aus 3 mit Darstellung der elektrochemischen Reaktionsgleichungen zur Reduktion von Stickoxiden bei hohen Temperaturen unter Einsatz des an der Anode entstehenden Ammoniaks;
    • 8: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Abgasbehandlungssystems;
    • 9: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeipiels eines elektrochemischen Reaktors, welcher in einem Abgasbehandlungsmittelspeicher angeordnet ist;
    • 10: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abgasbehandlungssystems;
    • 11: Reaktionsgleichungen zur Stickoxidbeseitigung mittels Wasserstoff; und
    • 12: Reaktionsgleichungen zur Stickoxidbeseitigung mittels Ammoniak.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst eine Bipolarmembran 12 mit einer Anionenaustauschmembran 14 und einer Kationenaustauschmembran 16.
  • Optional kann zwischen der Anionenaustauschmembran 14 und der Kationenaustauschmembran 16 eine Trennschicht 18 angeordnet oder ausgebildet sein, welche vorzugsweise einen Dissoziationskatalysator 20 enthält oder aus einem solchen besteht.
  • Beispielsweise kann es sich beim Dissoziationskatalysator 20 um Eisenoxid handeln oder Dissoziationskatalysator 20 kann Eisenoxid enthalten. Insbesondere kann Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3) den Dissoziationskatalysator 20 bilden oder in diesem enthalten sein.
  • Die Bipolarmembran 12 bildet eine Ionenaustauschmembran 22.
  • Die Ionenaustauschmembran 22 kann insbesondere als Fertigprodukt eingesetzt werden.
  • In einer weiteren Fertigungsstufe kann die Bipolarmembran 12 eine anodische Katalysatorschicht 24 und eine kathodische Katalysatorschicht 26 tragen. Die Anionenaustauschmembran 22 trägt dabei auf einer von der Kationenaustauschmembran 16 abgewandten Seitenfläche 28 die anodische Katalysatorschicht 24.
  • Die Kationenaustauschmembran 16 trägt auf einer von der Anionenaustauschmembran 14 abgewandten Seitenfläche die kathodische Katalysatorschicht 26.
  • Die Bipolarmembran 12 mit den Katalysatorschichten 24 und 26 bildet eine katalytisch beschichtete Membran 32, die ebenfalls als Fertigprodukt ausbildbar ist, beispielsweise zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors 34.
  • Die Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst ferner eine anodische Gasdiffusionsschicht 36 sowie eine kathodische Gasdiffusionsschicht 38, die einerseits mit der anodischen Katalysatorschicht 24 und andererseits mit der kathodischen Katalysatorschicht 26 in Kontakt stehen derart, dass die anodische Katalysatorschicht 24 zwischen der anodischen Gasdiffusionsschicht 36 und der Anionenaustauschmembran 14 angeordnet ist und die kathodische Katalysatorschicht 26 zwischen der Kationenaustauschmembran 16 und der kathodischen Gasdiffusionsschicht 38.
  • Die beschriebene Membran-Elektroden-Einheit 10 kann zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors 35 eingesetzt werden. Sie wird zur Ausbildung desselben zwischen zwei Bipolarplatten 40 und 42 angeordnet, so dass die anodische Bipolarplatte 40 an der anodischen Gasdiffusionsschicht 36 anliegt und die kathodische Bipolarplatte 42 an der kathodischen Gasdiffusionsschicht 38.
  • Die Gasdiffusionsschichten 36 und 38 sind porös ausgebildet, um gasförmige Elektrolyseprodukte von der Membran-Elektroden-Einheit 10 abzuleiten.
  • Zum Sammeln der gasförmigen Elektrolyseprodukte sind die Bipolarplatten 40 und 42 mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen 44 beziehungsweise 46 versehen, die Strömungsfelder 48 beziehungsweise 50 für die gasförmigen Elektrolyseprodukte bilden.
  • Das Strömungsfeld 48 der anodischen Bipolarplatte 40 weist einen Lösungseinlass 52 auf, durch den eine den durch Elektrolyse zu zersetzenden Stoff enthaltende Lösung in die Strömungskanäle 44 strömen und mit der anodischen Katalysatorschicht in Kontakt treten kann.
  • Die anodische Bipolarplatte 40 weist ferner einen Auslass 54 auf, durch den die an der Anode entstehenden gasförmigen Elektrolyseprodukte austreten und gesammelt werden können.
  • Die kathodische Bipolarplatte 42 weist ebenfalls einen Auslass 56 für gasförmige Elektrolyseprodukte auf, die an der Kathode entstehen.
  • Zum Betreiben des elektrochemischen Reaktors 34 wird die anodische Bipolarplatte 40 elektrisch leitend mit dem Pluspol einer Spannungsquelle 58 verbunden, die kathodische Bipolarplatte 42 mit dem Minuspol der Spannungsquelle 58.
  • Die Trennschicht 18 der Bipolarmembran 12 weist eine Schichtdicke 60 auf, die in einem Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 2 mm, insbesondere in einem Bereich etwa 500 nm bis etwa 500 µm, liegen kann.
  • Schichtdicken 62 und 64 der anodischen Katalysatorschicht 24 beziehungsweise der kathodischen Katalysatorschicht 26 liegen vorzugsweise in einem Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2 mm.
  • Der elektrochemische Reaktor 34 kann insbesondere zum Erzeugen von Ammoniak 66 und Wasserstoff 68 aus einer Harnstofflösung 70 eingesetzt werden. Die Harnstofflösung 70 enthält in Wasser 72 gelösten Harnstoff 74.
  • Zum Betreiben des elektrochemischen Reaktors 34 zum Erzeugen von Ammoniak 66 und Wasserstoff 68 aus einer Harnstofflösung 70 enthält die anodische Katalysatorschicht 24 bei einem Ausführungsbeispiel einen anodischen Katalysator 76 zum Oxidieren von Harnstoff 74.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann der anodische Katalysator 76 Nickelhydroxid (Ni(OH)2) sein oder enthalten.
  • Ferner enthält die kathodische Katalysatorschicht 26 bei einem Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Reaktors 34 zum Erzeugen von Ammoniak 66 und Wasserstoff 68 aus einer Harnstofflösung 70 einen kathodischen Katalysator 78 zum Reduzieren von Protonen (H+).
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann der kathodische Katalysator 78 Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) sein oder enthalten.
  • Ferner kann die anodische Katalysatorschicht 24 ein oder mehrere Polymere enthalten, welche auch in der Anionenaustauschmembran 14 enthalten sind, um einen stabilen mechanischen Verbund auszubilden.
  • Entsprechend kann bei einem Ausführungsbeispiel die kathodische Katalysatorschicht 26 ein oder mehrere Polymere enthalten, welche auch in der Kationenaustauschmembran 16 enthalten sind.
  • Wie eingangs beschrieben ermöglicht die Bipolarmembran 12, dass unterschiedliche saure beziehungsweise alkalische Milieus an einer durch die anodische Bipolarplatte 40 ausgebildeten Anode und einer durch die kathodische Bipolarplatte 42 ausgebildeten Kathode 82 vorgegeben werden.
  • Für die Elektrolyse der Harnstofflösung 70 wird bei einem Ausführungsbeispiel an der Anode ein alkalisches oder basisches Milieu eingestellt mit einem pH-Wert größer als 7, bei einem Ausführungsbeispiel mit einem pH-Wert von mindestens 9. Das alkalische/basische Milieu herrscht insbesondere auch an der anodischen Katalysatorschicht 24, die die Oxidation des Harnstoffs 74 fördert.
  • Ferner kann bei einem Ausführungsbeispiel im Bereich der Kathode 82, insbesondere auch der kathodischen Katalysatorschicht 26, ein saures Milieu eingestellt werden mit einem pH-Wert kleiner als 7. Beispielsweise kann der pH-Wert kleiner als 5 sein, wodurch die Wasserstoffentwicklungsreaktion im Bereich der kathodischen Katalysatorschicht 26 verbessert wird.
  • Die Funktionsweise des elektrochemischen Reaktors 34 zum Erzeugen von Ammoniak 66 und Wasserstoff 68 aus der Harnstofflösung 70 durch Elektrolyse wird nachfolgend erläutert.
  • Der Dissoziationskatalysator 20 in der Trennschicht 18 unterstützt die Dissoziation von Wasser 72 in Protonen 84 (H+) und Hydroxidionen 86 (OH-). Die Protonen 84 wandern im elektrischen Feld des elektrochemischen Reaktors 34 zur negativ geladenen Kathode hin und bilden im Bereich der kathodischen Katalysatorschicht mit freien Elektronen 88 molekularen Wasserstoff 68.
  • Im Bereich der Anode gelangt die Harnstofflösung 70 über das Strömungsfeld 68 zur anodischen Katalysatorschicht 24. Unter Abgabe von Elektronen 88 dissoziiert der Harnstoff 74 in Ammoniak 66 und Kohlenstoffdioxid 90.
  • 5 zeigt die elektrochemischen Reaktionen in den Bereichen I, II und III, die in 4 schematisch dargestellt sind.
  • Im Bereich I, also im Bereich der Trennschicht 18, dissoziiert Wasser 72 zu Protonen 84 und Hydroxidionen 86.
  • Im Bereich der Anode, und zwar unter Mitwirkung des anodischen Katalysators Nickelhydroxid (Ni(OH)2), laufen zwei Teilreaktionen ab. Zum einen reagiert Nickelhydroxid mit einem Hydroxidion 86 zu NiOOH, Wasser 72 und einem Elektron (e-). In einer zweiten Teilreaktion an der Anode wird Harnstoff 74 und Wasser 72 zu Kohlenstoffdioxid 90 und zwei Molekülen Ammoniak 66 umgesetzt.
  • Im Bereich der Kathode, nämlich insbesondere im Bereich III nahe der kathodischen Katalysatorschicht 26, werden Protonen 84 und Elektronen 88 zu molekularem Wasserstoff 68 umgesetzt.
  • 6 unten zeigt beispielhaft die mögliche Nutzung des an der Kathode 82 entstehenden Wasserstoffs 68 zur Stickoxidreduktion bei niederen Temperaturen.
  • Gemäß Teilgleichung (a) wird Stickstoffmonoxid durch den molekularen Wasserstoff 68 zu Stickstoff und Wasser 72 umgesetzt. Gemäß Teilgleichung (b) werden zwei Moleküle Stickstoffdioxid (NO2) mit zwei Molekülen Wasserstoff 68 zu einem Molekül Stickstoff und zwei Molekülen Wasser 72 umgesetzt.
  • Wasserstoff 68 ermöglicht daher die effektive Abgasreinigung von Verbrennungsabgasen bereits bei niederen Temperaturen durch Reduktion der darin enthaltenen Stickoxide zu molekularem Stickstoff.
  • Mit dem mit dem elektrochemischen Reaktor 34 erzeugten Ammoniak 66 können ebenfalls Stickoxide in molekularen Stickstoff und Wasser 72 umgewandelt werden. Mithin lässt sich also der an der Anode 80 des elektrochemischen Reaktors 34 entstehende Ammoniak gemäß Gleichung (a) in 7 zur Reduktion von Stickstoffmonoxid NO zu molekularem Stickstoff N2 nutzen. Gleichung (b) in 7 beschreibt die Umsetzung von Stickstoffdioxid NO2 mit Ammoniak 66 zu molekularem Stickstoff N2 und Wasser 72.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein elektrochemischer Reaktor 34 beispielsweise in einem System 92 zur Abgasbehandlung von einer Verbrennungsvorrichtung 94, beispielsweise in Form eines Motors 96 eingesetzt werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann der elektrochemische Reaktor 34 in einem Abgasbehandlungsmittelspeicher 98 angeordnet sein, welcher ein Abgasbehandlungsmittel 100 in Form der Harnstofflösung 70 enthält.
  • Durch Elektrolyse entstehender Wasserstoff 68 wird von der Kathode 82 zu einer ersten Behandlungskammer 102 geleitet, in welcher ein Reduktionskatalysator für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden bereits bei niedrigen Temperaturen mittels Wasserstoff 68 enthalten ist.
  • Vom Motor 96 abgegebenes Abgas 104 wird zur Abgasbehandlung der ersten Behandlungskammer 102 zugeführt.
  • In einer ersten Stufe gereinigtes Abgas 106 wird einer zweiten Behandlungskammer 108 zugeführt, in welcher ein weiterer Katalysator angeordnet ist, um die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden mittels Ammoniak 66 zu unterstützen.
  • Ammoniak 66 wird mit dem ebenfalls bei der Elektrolyse im elektrochemischen Reaktor 34 entstehenden Kohlenstoffdioxid 90 der zweiten Behandlungskammer 108 zugeführt, in welcher bei hohen Temperaturen hocheffizient das vorgereinigte Abgas 106 in einer zweiten Reinigungsstufe von noch im Abgas 106 verbliebenen Stickoxiden gereinigt wird.
  • Idealerweise verlässt die zweite Behandlungskammer 108 vollständig gereinigtes Abgas 110, welches keine Stickoxide mehr enthält, sondern nur noch die Reaktionsprodukte der in den 6 und 7 angegebenen Reaktionsgleichungen, also molekularen Stickstoffen und Wasser. Ferner können im Abgas 110 noch weitere Verbrennungsprodukte enthalten sein wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid 90, das auch vom elektrochemischen Reaktor 34 der zweiten Behandlungskammer 108 als inertes Gas zugeführt und von dieser im Abgas 110 abgegeben wird.
  • 9 zeigt schematisch eine Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung 112 in Form eines elektrochemischen Reaktors 34, welcher als Harnstoffelektrolyseur ausgebildet ist. Mit dieser Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung 112 lassen sich Reduktionsmittel 114 und 116 erzeugen, nämlich in Form von Ammoniak 66 und molekularem Wasserstoff 68.
  • Der elektrochemische Reaktor 34 ist fluidwirksam mit dem Abgasbehandlungsmittelspeicher 98 verbunden. Dies ist, wie beispielhaft in 2 dargestellt, dadurch realisiert, dass der elektrochemische Reaktor 34 im Abgasbehandlungsmittelspeicher 98, welcher in Form eines Harnstofflösung 70 enthaltenden Tanks 118 ausgebildet ist, angeordnet ist.
  • Der elektrochemische Reaktor 34 ist in Form eines kammergetrennten Ammoniakelektrolyseurs ausgebildet zum Trennen des bei der Elektrolyse entstehenden Wasserstoffs 68 von dem entstehenden Ammoniak 66.
  • Im Tank 118 ist wie erwähnt eine Harnstofflösung 70 als Abgasbehandlungsmittel 100 enthalten.
  • Der elektrochemische Reaktor umfasst eine geschlossene Kathodenkammer 120, um den an der Kathode 82 entstehenden Wasserstoff 68 aufzunehmen um ihn vom Ammoniak 66 getrennt zu halten. Der Ammoniakelektrolyseur kann insbesondere eine Mehrzahl von Kathodenkammern 120 umfassen.
  • Der Ammoniakelektrolyseur umfasst ferner eine offene Anodenkammer 50, so dass der bei der Elektrolyse gebildete Ammoniak 66 und das Kohlenstoffdioxid 90 im Tank 118 aufgefangen und zwischengespeichert werden können.
  • Die Kathodenkammern 120 sind fluidwirksam miteinander verbunden und zu einem gemeinsamen Wasserstoffauslass 122 geführt.
  • Ferner ist am Tank 118 ein Auslass 124 angeordnet oder ausgebildet, um die gasförmige Mischung aus Ammoniak 66 und Kohlenstoffdioxid 90, die sich oberhalb der Harnstofflösung 70 sammelt, aus dem Tank 118 abzuleiten.
  • Der Wasserstoffauslass 122 des in 9 beispielhaft dargestellten Abgasbehandlungsmittelspeichers 98 kann insbesondere direkt oder indirekt mit einer Abgasleitung verbunden sein, die das Abgas 104 in die erste Behandlungskammer 102 leitet.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Wasserstoffauslass 122 auch direkt mit der ersten Behandlungskammer 102 verbunden sein, um Reduktionsmittel in Form von Wasserstoff 68 in die erste Behandlungskammer 102 zu leiten.
  • Der Auslass 124 kann ferner in Fluidverbindung mit der zweiten Behandlungskammer 108 stehen, um dieser wie oben in Verbindung mit 8 beschrieben den Ammoniak 66 zuzuführen zum Reduzieren von im Abgas 106 verbliebenen Stickoxiden.
  • 10 zeigt beispielhaft ein System 92 in Form einer Abgasreinigungsanlage 126 für einen Verbrennungsmotor 96 in Form eines Dieselmotors 128.
  • Das bei der Verbrennung im Dieselmotor 128 entstehende Abgas 104 kann optional in einen Diesel-Oxidations-Katalysator 130 geleitet werden. In diesen kann in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise Sauerstoff eingeleitet werden, um die Verbrennungsgase weiter zu oxidieren. Um die Oxidation zu unterstützen, kann ein Oxidationskatalysator 132 im Diesel-Oxidations-Katalysator 130 angeordnet sein.
  • Vom optionalen Diesel-Oxidations-Katalysator 130 oder direkt vom Verbrennungsmotor wird das teilweise oxidierte Abgas 104 zu einem Dieselpartikelfilter 134 geleitet.
  • Vom Dieselpartikelfilter 134 wird das Abgas 104 in die erste Behandlungskammer 102 geleitet. Vor dem Einströmen in diese wird ein Stickoxidgehalt mit einer Messeinrichtung 136 gemessen. Diese Messeinrichtung 136 kann insbesondere in Form eines Stickoxid-Sensors ausgebildet sein.
  • Die Messeinrichtung 136 ist mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 138 über eine Verbindungsleitung 140 verbunden, um die gemessenen Stickoxid-Werte an die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 138 zu übertragen.
  • Der ersten Behandlungskammer 102 wird ferner molekularer Wasserstoff 68 zugeführt und durch einen Wasserstoffeinlass 142 eingeleitet.
  • An der ersten Behandlungskammer 102 kann ferner eine Temperaturmesseinrichtung 144 zum Messen einer Temperatur in der ersten Behandlungskammer 102 angeordnet oder ausgebildet sein. Die Temperaturmesseinrichtung 144 kann insbesondere in Form eines Temperatursensors ausgebildet sein.
  • Über eine Steuer- oder Verbindungsleitung 146 steht die Temperaturmesseinrichtung 144 mit der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 138 steuerungswirksam in Verbindung.
  • Das Abgas 106 wird von der ersten Behandlungskammer 102 in die zweite Behandlungskammer 108 eingeleitet, in der ein Reduktionskatalysator angeordnet ist.
  • Dem Abgas 106 wird vor dem Eintreten in die zweite Behandlungskammer 108 über einen Einlass 148 Ammoniak 66 zugeleitet.
  • Um die Behandlung des Abgases 106 mit der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 138 optimiert steuern und/oder regeln zu können, kann das Abgas 110 nach dem Austreten aus der zweiten Behandlungskammer 108 an einer weiteren Messeinrichtung 150 zum Messen eines Stickoxidgehalts des Abgases 110 vorbeigeleitet werden. Die Messeinrichtung 150, beispielsweise in Form eines Stickoxid-Sensors, ist über eine weitere Verbindungsleitung 152 steuerungswirksam mit der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 138 verbunden.
  • Das aus der zweiten Behandlungskammer 108 austretende Abgas 110 wird optional durch eine Schalldämpferkammer 154 und schließlich zu einem Endrohr 156 geleitet, aus dem die Abgase 110 austreten. Diese sind bei optimaler Einstellung des Systems 92 stickoxidfrei.
  • Mit der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 138 kann insbesondere die Menge des durch Elektrolyse mit dem elektrochemischen Reaktor 34 erzeugten Ammoniaks 66 und Wasserstoffs 68 gezielt gesteuert und/oder geregelt werden. Dies ermöglicht es insbesondere, die Abgase 104 auch bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 96 so zu behandeln, dass die sonst üblichen Kaltstart-Schadstoffe im Abgas 110 nicht enthalten sind.
  • In 6 sind die sechs Reaktionsgleichen einer selektiven katalytischen Reduktion unter Einsatz von Wasserstoff beispielhaft dargestellt.
  • Um insbesondere die Ausbildung von Ammoniak gemäß Reaktionsgleichung (d) zu vermeiden, kann zusätzlich molekularer Sauerstoff zugeführt werden, um eine Oxidation von Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO2 zu fördern. So kann insbesondere eine vollständige Umsetzung von Stickstoffdioxid mit Wasserstoff zu Stickstoff und Wasser gemäß folgender Gleichung erreicht werden: 2 NO2 + 4 H2 → N2 + 4 H2O
  • 12 zeigt beispielhaft drei Reaktionsgleichungen einer selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden unter Einsatz von Ammoniak.
  • Gleichung (a) bildet die sogenannte „Standard-SCR-Gleichung“. Die Abkürzung „SCR“ steht für „Selektive katalytische Reduktion“.
  • Gleichung (b) in 12 stellt die sogenannte „Schnelle-SCR-Gleichung“ dar. Gemäß dieser Gleichung kann eine Mischung aus Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid unter Einsatz von Ammoniak in molekularen Stickstoff und Wasser umgewandelt werden.
  • Gleichung (c) stellt die sogenannte „Langsame-SCR-Gleichung“ dar. Gemäß dieser Reaktionsgleichung kann Stickstoffdioxid in Verbindung mit Ammoniak zu molekularem Stickstoff und Wasser umgewandelt werden.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen elektrochemischer Reaktoren zum Erzeugen von Ammoniak und Wasserstoff aus einer Harnstofflösung durch Elektrolyse können wie beschrieben zur Abgasreinigung von Verbrennungsvorrichtungen 94 eingesetzt werden. Sie stellen eine effiziente Möglichkeit dar, Abgase von Verbrennungsvorrichtungen 94 bereits beim Start derselben, also insbesondere bei noch niedrigen Verbrennungstemperaturen, von Stickoxiden zu reinigen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Membran-Elektroden-Einheit
    12
    Bipolarmembran
    14
    Anionenaustauschmembran
    16
    Kationenaustauschmembran
    18
    Trennschicht
    20
    Dissoziationskatalysator
    22
    Ionenaustauschmembran
    24
    anodische Katalysatorschicht
    26
    kathodische Katalysatorschicht
    28
    Seitenfläche
    30
    Seitenfläche
    32
    katalytisch beschichtete Membran
    34
    elektrochemischer Reaktor
    36
    anodische Gasdiffusionsschicht
    38
    kathodische Gasdiffusionsschicht
    40
    anodische Bipolarplatte
    42
    kathodische Bipolarplatte
    44
    Strömungskanal
    46
    Strömungskanal
    48
    Strömungsfeld
    50
    Strömungsfeld
    52
    Lösungseinlass
    54
    Auslass
    56
    Auslass
    58
    Spannungsquelle
    60
    Schichtdicke
    62
    Schichtdicke
    64
    Schichtdicke
    66
    Ammoniak
    68
    Wasserstoff
    70
    Harnstofflösung
    72
    Wasser
    74
    Harnstoff
    76
    anodischer Katalysator
    78
    kathodischer Katalysator
    80
    Anode
    82
    Kathode
    84
    Proton
    86
    Hydroxidion
    88
    Elektron
    90
    Kohlenstoffdioxid
    92
    System
    94
    Verbrennungsvorrichtung
    96
    Verbrennungsmotor
    98
    Abgasbehandlungsmittelspeicher
    100
    Abgasbehandlungsmittel
    102
    erste Behandlungskammer
    104
    Abgas
    106
    Abgas
    108
    zweite Behandlungskammer
    110
    Abgas
    112
    Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung
    114
    Reduktionsmittel
    116
    Reduktionsmittel
    118
    Tank
    120
    Kathodenkammer
    122
    Wasserstoffauslass
    124
    Auslass
    126
    Abgasreinigungsanlage
    128
    Dieselmotor
    130
    Diesel-Oxidations-Katalysator
    132
    Oxidations-Katalysator
    134
    Dieselpartikelfilter
    136
    Messeinrichtung
    138
    Steuer- und/oder Regelungseinrichtung
    140
    Verbindungsleitung
    142
    Wasserstoffeinlass
    144
    Temperaturmesseinrichtung
    146
    Steuerleitung
    148
    Einlass
    150
    Messeinrichtung
    152
    Verbindungsleitung
    154
    Schalldämpferkammer
    156
    Endrohr
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8388920 B2 [0009]
    • US 9062382 B2 [0009]

Claims (21)

  1. Elektrochemischer Reaktor (34) zum Erzeugen von Ammoniak (66) und Wasserstoff (68) aus einer Harnstofflösung (70) durch Elektrolyse, welcher elektrochemische Reaktor (34) eine Anode und eine Kathode umfasst, die durch eine Ionenaustauschmembran (22) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenaustauschmembran (22) in Form einer Bipolarmembran (12) ausgebildet ist.
  2. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarmembran (12) eine Anionenaustauschmembran (14) und eine Kationenaustauschmembran (16) umfasst.
  3. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) und die Kationenaustauschmembran (16) durch eine Trennschicht (18) voneinander getrennt sind.
  4. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (18) a) einen Dissoziationskatalysator (20) enthält, wobei insbesondere der Dissoziationskatalysator (20) Eisenoxid, insbesondere Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält, und/oder b) eine Schichtdicke (60) in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm aufweist.
  5. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (22) auf einer von der Kationenaustauschmembran (16) abgewandten Seitenfläche (28) eine anodische Katalysatorschicht (24) trägt.
  6. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) a) zwischen der Anionenaustauschmembran (14) und einer anodischen Gasdiffusionsschicht (36) angeordnet oder ausgebildet ist und/oder b) einen anodischen Katalysator (76) zum Oxidieren von Harnstoff (74) enthält, wobei insbesondere der anodische Katalysator (76) Nickelhydroxid (Ni(OH)2) ist oder enthält, und/oder c) mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran (14) enthalten ist, und/oder d) einen pH-Wert größer als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert von mindestens 9.
  7. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationenaustauschmembran (16) auf einer von der Anionenaustauschmembran (14) abgewandten Seitenfläche (30) eine kathodische Katalysatorschicht (26) trägt.
  8. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Katalysatorschicht (26) a) zwischen der Kationenaustauschmembran (16) und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (38) angeordnet oder ausgebildet ist und/oder b) einen kathodischen Katalysator (78) zum Reduzieren von Protonen (84) (H+) enthält, wobei insbesondere der kathodische Katalysator (78) Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält, und/oder c) mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran (16) enthalten ist, und/oder d) einen pH-Wert kleiner als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert kleiner als 5.
  9. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Gasdiffusionsschicht (36) an einer anodischen Bipolarplatte (40) anliegt und dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) an einer kathodischen Bipolarplatte (42) anliegt und/oder b) der elektrochemische Reaktor eine Membran-Elektroden-Einheit (10) umfasst, welche die Bipolarmembran (12), die anodische Katalysatorschicht (24), die kathodische Katalysatorschicht (26), die anodische Gasdiffusionsschicht (36) und die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) umfasst, und/oder c) der elektrochemische Reaktor eine katalytisch beschichtete Membran (32) umfasst, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht (24) und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht (26) beschichtete Bipolarmembran (12) umfasst.
  10. Verfahren zum Erzeugen von Ammoniak (66) und Wasserstoff (68) aus einer Harnstofflösung (70) durch Elektrolyse, bei welchem Verfahren eine Anode (80) und eine Kathode (82), die durch eine Ionenaustauschmembran (22) voneinander getrennt sind, eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenaustauschmembran (22) in Form einer Bipolarmembran (12) ausgebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bipolarmembran (12) eingesetzt wird, welche eine Anionenaustauschmembran (14) und eine Kationenaustauschmembran (16) umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) und die Kationenaustauschmembran (16) durch eine Trennschicht (18) voneinander getrennt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass a) in die Trennschicht (18) ein Dissoziationskatalysator (20) eingebracht wird, wobei insbesondere ein Dissoziationskatalysator (20) eingesetzt wird, welcher Eisenoxid, insbesondere Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3), ist oder enthält, und/oder b) die Trennschicht (18) mit einer Schichtdicke (60) in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von der Kationenaustauschmembran (16) abgewandten Seitenfläche (28) der Anionenaustauschmembran (22) eine anodische Katalysatorschicht (24) aufgebracht wird, insbesondere durch Rakeln, Trockensprühen oder Nasssprühen.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Katalysatorschicht (24) zwischen der Anionenaustauschmembran (22) und einer anodischen Gasdiffusionsschicht (36) angeordnet oder ausgebildet wird und/oder b) die anodische Katalysatorschicht (24) mit einem anodischen Katalysator (76) zum Oxidieren von Harnstoff (74) ausgebildet wird, wobei insbesondere ein anodischer Katalysator (76) ausgebildet wird, welcher Nickelhydroxid (Ni(OH)2) ist oder enthält, und/oder c) eine anodische Katalysatorschicht (24) ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran (22) enthalten ist, und/oder d) die anodische Katalysatorschicht (24) mit einem pH-Wert größer als 7 ausgebildet wird, insbesondere mit einem pH-Wert größer als 9.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von der Anionenaustauschmembran (22) abgewandten Seitenfläche (30) der Kationenaustauschmembran (16) eine kathodische Katalysatorschicht (26) ausgebildet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass a) die kathodische Katalysatorschicht (26) zwischen der Kationenaustauschmembran (16) und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (38) angeordnet oder ausgebildet wird und/oder b) die kathodische Katalysatorschicht (26) mit einem kathodischen Katalysator (78) zum Reduzieren von Protonen (84) (H+) ausgebildet wird, wobei insbesondere ein kathodischer Katalysator (78) ausgebildet wird, welcher Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält, und/oder c) eine kathodische Katalysatorschicht (26) ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran (16) enthalten ist, und/oder d) die kathodische Katalysatorschicht (26) mit einem pH-Wert kleiner als 7 ausgebildet wird, insbesondere mit einem pH-Wert kleiner als 5.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Gasdiffusionsschicht (36) an einer anodischen Bipolarplatte (40) anliegend und dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) an einer kathodischen Bipolarplatte (42) anliegend ausgebildet werden und/oder b) eine Membran-Elektroden-Einheit (10) ausgebildet wird, welche die Bipolarmembran (12), die anodische Katalysatorschicht (24), die kathodische Katalysatorschicht (26), die anodische Gasdiffusionsschicht (36) und die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) umfasst, und/oder c) eine katalytisch beschichtete Membran (32) ausgebildet wird, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht (24) und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht (26) beschichtete Bipolarmembran (12) umfasst.
  19. Verwendung eines elektrochemischen Reaktors (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 18.
  20. System (92) zur Abgasbehandlung von Verbrennungsvorrichtungen (94), insbesondere von Verbrennungsmotoren (96), umfassend eine Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung (112) zum Erzeugen eines Reduktionsmittels (66, 68) aus einem Abgasbehandlungsmittel (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelerzeugungseinrichtung (112) in Form eines elektrochemischen Reaktors (34) zum Erzeugen von Ammoniak (66) und Wasserstoff (68) aus einer Harnstofflösung (70) durch Elektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
  21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das System (92) a) eine erste Behandlungskammer (102) mit einem ersten Abgaseinlass, einem ersten Abgasauslass, einem Reduktionsmitteleinlass und einem Reduktionskatalysator umfasst, welcher erste Abgaseinlass direkt oder indirekt mit einer Verbrennungsvorrichtung (94) fluidwirksam verbindbar ist, und/oder b) einen Abgasbehandlungsmittelspeicher (98) zum Speichern des Abgasbehandlungsmittels (100) umfasst.
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