WO2021018809A1 - Verfahren zur entfernung von kohlenmonoxid und/oder gasförmigen schwefelverbindungen aus wasserstoffgas und/oder aliphatischen kohlenwasserstoffen - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for removing carbon monoxide and / or gaseous sulfur compounds from hydrogen gas and / or aliphatic hydrocarbons, preferably at low temperatures, with the aid of complex metal-aluminum hydrides.
  • Hydrogen is the most important energy carrier for fuel cells.
  • the polymer electrolyte fuel cell has gained importance as a low-temperature fuel cell in recent years.
  • the polymer electrolyte fuel cell (“Polymer Electrolyte Fuel Cell" - PEFC - colloquially mostly called PEM - works at operating temperatures below 100 ° C.
  • a characteristic feature of the polymer electrolyte fuel cell is the thin, gas-tight, proton-conducting, solid polymer membrane as the electrolyte. Acid groups are integrated into this plastic skin, ie the protons diffuse through the membrane, as in all acidic cells, from the anode to the cathode, where they recombine together with the oxygen ions to form water.
  • the water content of currently available perfluorinated polymer membranes eg made from NAFION ®
  • the electrical contact from the electrodes to the bipolar plates takes place via metallic or carbon-containing current conductors.
  • the noble metal catalysts and electrolytes used require a comparatively high level of fuel gas purity. Only H 2 can be used as the fuel gas.
  • the oxidizing agent is 0 2 , and unlike other fuel cells, air operation is also possible; this significantly expands the application possibilities of the PEFC.
  • carbon monoxide (CO) is only tolerated in very small quantities of ⁇ 0.2 ppm, since it acts as a catalyst poison just like sulfur compounds.
  • Hydrogen hardly occurs in pure form on earth and is therefore generated with energy expenditure.
  • a manufacturing process often used in industry is the steam reforming of natural gas or hydrocarbons from other sources. The hydrogen is gradually withdrawn from the hydrocarbon chains using the various reforming processes. By-products include Carbon monoxide, nitrogen oxides and sulfur dioxide. If the gas produced during the reforming is in a low-temperature
  • the fuel cell If the fuel cell is to be conducted, it must first be cleaned of carbon monoxide. For thermodynamic reasons, carbon monoxide is also formed during reforming and, like sulfur compounds, is a poison for the catalysts of the fuel cell. In the processes in the prior art, cleaning is carried out in the so-called water-gas shift reactor and in the reactor for preferential oxidation carried out. However, these processes are rather expensive and there is therefore a need for a simplified process for the production of hydrogen gas or gaseous aliphatic hydrocarbons from which catalyst poisons such as CO or sulfur compounds have been removed.
  • the invention relates to a method for removing carbon monoxide and / or gaseous sulfur compounds from a gas containing carbon monoxide and / or gaseous sulfur compounds, in which the gas, selected from hydrogen gas and / or one or more gaseous aliphatic hydrocarbons or a mixture thereof, in a
  • the reaction can be carried out in a vessel designed as a reaction vessel for a batch reaction or, preferably, as a reaction vessel for a continuous reaction into which the gas to be purified is introduced, brought into contact with the complex metal-aluminum hydride and after the reaction is passed out of the reaction vessel.
  • This makes it possible to design the reaction vessel in the form of a permeable filter unit which is filled with one or more complex metal-aluminum hydrides of the formulas I to III.
  • Such a through-flow filter unit can advantageously be used as a filter cartridge, in particular in front of fuel cells, in order to To protect the catalyst from the catalyst poisons in the hydrogen gas used.
  • a through-flow filter unit can have an indicator display, which shows the degree of loading of the filter unit and allows timely replacement.
  • the invention also relates to a fuel cell with at least one such filter unit according to the invention through which a flow can flow.
  • the gas flow can be diverted depending on the degree of loading of a first filter unit to at least one second filter unit arranged "parallel" in the gas flow, so that continuous operation of the fuel cell is made possible.
  • the first filter unit can be subjected to a step for recycling the complex metal hydride.
  • Me stands for one or more arbitrary alkali or alkaline earth metals from the periodic table of the elements.
  • the complex hydride used can be fully or only partially dehydrated. According to the invention, dehydrogenated is understood to mean that the hydrogen bound to the metal has been removed from the metal hydride by measures for dehydrogenation such as, for example, heating up to the decomposition temperature.
  • the aforementioned complex hydrides can be mixed with one or more metals as metal compounds such as metal salts, for example metal halides, or also as metal in particle form, in order to increase the reactivity of the metal-aluminum hydrides.
  • metals are transition metals from groups 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, in particular Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or alloys or mixtures of these metals with one another or with aluminum, or compounds of these metals, for example as a metal salt such as metal halide, in the form of very small particles with a high degree of distribution, for example with particle sizes approx.
  • metals such as Ti, Zr, Sc, Y, and rare earth metals.
  • the metals can be produced from different precursors directly by reduction in-situ with the complex metal hydride or ex-situ by various reduction processes. In-situ production is preferred.
  • Additives such as carbon (graphite, spheroidal carbon, activated carbon) in particle form with a particle size of 10 nm to 1000 nm or metal powders such as Al powder with particle sizes of 10 nm to 1000 nm can be added to the complex hydride or the mixture of metal and complex hydride in order to achieve a good distribution of catalyst and complex hydride on the surface of the particles.
  • the complex hydrides described above, which have been partially oxidized, can also be used. The oxidation occurs through contact with oxygen (air), for example simply in air.
  • the CO-containing hydrogen gas is passed in a reactor over the metal hydride powder composed of complex hydride and catalyst in flow or also in batch operation and is thus brought into contact with the latter.
  • the contact can also take place in a fluidized bed reactor or in a closed reaction vessel such as in an autoclave.
  • the flow rates of the CO-containing hydrogen gas are selected in a continuous operation so that a complete reaction and adsorption on the complex metal hydride takes place, and are usually 1.5 L / hg (complex metal hydride).
  • the pressure in the reaction vessel is not critical and can be in the range of normal pressure from about 0.1 to 15 MPa.
  • the reaction temperature is generally between -20 ° and 250 ° C. The invention is explained further with reference to the attached FIGS. 1 to 5 and the production examples.
  • Figures 1 to 4 show the course of tests for the method according to the invention in comparison with a method not according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates the reusability of a flow tube filled with a complex metal-aluminum hydride used in the process according to the invention, which was subjected to a step to remove the adsorbed carbon monoxide, for example under the action of ambient air on the complex metal-aluminum hydride.
  • FIG. 5 shows the test apparatus and serves to explain the test method.
  • the test apparatus consists of the absorption tube 4, filled with a complex aluminum hydride, the storage vessel 5 for the gas mixture used, a mass flow meter 6, a vacuum pump 7 and an IR spectrometer 8 to control the CO concentration in the gas mixture.
  • the individual work processes can be carried out under inert conditions via valves 1, 2 and 3.
  • valve 2 Before starting the measurement, the entire apparatus is evacuated through valve 2 with valves 1 and 3 closed. Valve 2 is then closed and the apparatus is filled with an inert gas via valve 3. The gas mixture is supplied with valves 1 and 3 open, the gas flow being adjusted to the required amount of gas with the aid of the mass flow controller 6. After the gas mixture has flowed through the absorption tube 4, the CO concentration is determined with the aid of the IR spectrometer 8.
  • a reduction in the absorption capacity of the complex aluminum hydrides when removing impurities from hydrogen gas can be made visible in a simple manner by means of a color reaction in a window cartridge in the direction of flow after the absorption tube 4 in front of the valve 1 and thus controlled.
  • the released iodine causes a discoloration of the carrier material on which the color reaction takes place. This enables visual observation and control of a decreasing absorption capacity, and the absorption tube can be replaced in good time.
  • Two or more absorption tubes 4 are preferably arranged in parallel in the direction of flow, and when the absorption capacity decreases, the gas flow can be switched from one to another absorption tube 4.
  • FIG. 4 illustrates the reusability of a flow tube filled with a complex metal-aluminum hydride used in the method according to the invention, which was subjected to a step for removing the adsorbed carbon monoxide, for example under the action of ambient air on the complex metal-aluminum hydride.
  • the gas concentration was determined with the aid of a gas-filled optopneumatic detector.
  • the particle sizes were determined either by laser diffraction or, in the case of very small particles, by means of TEM analyzes (transmission electron microscopy). Manufacturing example
  • Na 3 AlH 6 is ground with TiCl 3 (2-4 mol%) and, if necessary, other additives in a ball mill.
  • the material obtained in this way is used to remove CO from hydrogen gas.
  • Other impurities such as C0 2 , H 2 O and S compounds can also be eliminated from hydrogen gas using this process.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen aus Wasserstoffgas und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen, mit Hilfe von komplexen Metall-Aluminiumhydriden.

Description

Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen
Schwefelverbindunqen aus Wasserstoffqas und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen aus Wasserstoffgas und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen, mit Hilfe von komplexen Metall-Aluminiumhydriden. Wasserstoff ist der wichtigste Energieträger für Brennstoffzellen. Von den sechs verschiedenen Brennstoffzellentypen hat die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle als Niedertemperatur-Brennstoffzellen in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die Polymer-Elektrolyt - Brennstoffzelle ("Polymer Electrolyte Fuel Cell" - PEFC - umgangssprachlich meist PEM genannt - arbeitet bei Betriebstemperaturen unter 100 °C.
Charakteristisches Kennzeichen der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist die dünne, gasdichte, protonenleitende, feste Polymermembran als Elektrolyt. In diese Kunststoffhaut sind Säuregruppen eingebunden, d. h. die Protonen diffundieren durch die Membran wie bei allen sauren Zellen von der Anode zur Kathode, wo sie zusammen mit den Sauerstoff-Ionen zu Wasser rekombinieren. Der für die lonenleitung notwendige Wassergehalt heute verfügbarer perfluorierter Polymermembranen (z.B. aus NAFION®) führt zu der Begrenzung der Betriebstemperatur auf max. 100 °C. Der elektrische Kontakt von den Elektroden zu den bipolaren Platten erfolgt über metallische oder Kohlenstoff enthaltende Stromableiter. Diese Stromableiter müssen gas- und flüssigkeitsdurchlässig sein, um den Antransport der Reaktionsgase und den Abtransport des Reaktionswassers zu ermöglichen. Bei den niedrigen Temperaturen sind Katalysatoren notwendig, um eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion sicherzustellen. Aus materialtechnischer Sicht erfordert der stark saure Charakter der Membran (vergleichbar mit Schwefelsäure) den Einsatz von Edelmetallkatalysatoren wie Platin oder Platinlegierungen.
Die verwendeten Edelmetallkatalysatoren sowie Elektrolyte erfordern eine vergleichsweise hohe Brenngasreinheit. Als Brenngas kommt dabei nur H2 in Betracht. Oxidationsmittel ist 02, wobei im Unterschied zur anderen Brennstoffzellen auch ein Luftbetrieb möglich ist; dies erweitert die Einsatzmöglichkeiten der PEFC deutlich. Kohlenmonoxid (CO) wird dabei gemäß der Norm ISO 14687-2 nur in sehr geringen Mengen mit < 0,2 ppm toleriert, da es ebenso wie Schwefelverbindungen als Katalysatorgift wirkt.
Wasserstoff kommt in reiner Form auf der Erde kaum vor und wird daher unter Energieaufwand erzeugt. Ein in der Industrie oft verwendetes Herstellungsverfahren ist die Dampf-Reformation von Erdgas oder Kohlenwasserstoffen aus anderen Quellen. Der Wasserstoff wird über die unterschiedlichen Reformierungsverfahren schrittweise aus den Kohlen- Wasserstoffen-Ketten entzogen. Nebenprodukte sind u. a. Kohlenmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxid. Wenn das bei der Reformierung erzeugte Gas in eine Niedertemperatur-
Brennstoffzelle geleitet werden soll, muss es zuvor von Kohlenmonoxid gereinigt werden. Kohlenmonoxid entsteht aus thermodynam ischen Gründen ebenfalls bei der Reformierung und stellt ebenso wie Schwefelverbindungen ein Gift für die Katalysatoren der Brennstoffzelle dar. Die Reinigung wird in den Verfahren im Stand der Technik im sogenannten Wasser-Gas-Shift-Reaktor sowie im Reaktor für die präferenzielle Oxidation durchgeführt. Diese Verfahren sind jedoch eher aufwendig, und es besteht daher ein Bedarf an einem vereinfachten Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffgas oder gasförmigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, die von Katalysatorgiften wie CO oder Schwefelverbindungen befreit sind.
Seitens der Erfinder wurde überraschenderweise gefunden, dass Kohlenmonoxid und/oder gasförmige Schwefelverbindungen mittels eines komplexen Metall- Aluminiumhydrides aus dem Wasserstoffgas und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen entfernt werden können. Wenn im Rahmen der Erfindung von der Entfernung von Kohlenmonoxid aus Wasserstoffgas gesprochen wird, gelten diese Ausführungen in entsprechender Form auch für die Entfernung von gasförmigen Schwefelverbindungen aus Wasserstoffgas und/oder gasförmigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, die als Gemisch mit wenigen ppm CO im Wasserstoffgas und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen vorliegen und mit dem komplexen Metallhydrid in Kontakt gebracht werden können. Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen aus einem Kohlenmonoxid und/oder gasförmige Schwefelverbindungen enthaltenden Gas, bei dem das Gas, ausgewählt aus Wasserstoffgas und/oder einem oder mehreren gasförmigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen oder einem Gemisch davon, in einem Reaktionsbehälter mit einem komplexen Metall-Aluminiumhydrid in Kontakt gebracht wird, wobei das Metall-Aluminiumhydrid ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus einer oder mehreren Verbindungen der Formel I Mex+[AIFl4] x mit x=1 -5, der Formel II Mey w+[AIFl6]3 z mit w-y= 3z und der Formel III Mep q+[AIFl5]2 r mit p-q= 2r besteht, wobei Me für ein oder mehrere Metalle aus dem Periodensystem der Elemente steht.
Die Reaktion kann in einem Behälter durchgeführt werden, der als Reaktionsbehälter für eine ansatzweise Reaktion ausgelegt ist, oder vorzugsweise als Reaktionsbehälter für eine kontinuierliche Reaktion, in den das zu reinigende Gas eingeleitet, mit dem komplexen Metall-Aluminiumhydrid in Kontakt gebracht wird und nach der Reaktion aus dem Reaktionsbehälter geleitet wird. Auf diese Weise sind Restgehalte an CO oder schwefelhaltigen Verbindungen von weniger als 0,2 ppm über einen längeren Zeitraum möglich. Dies erlaubt es, den Reaktionsbehälter in Form einer durchström baren Filtereinheit, die eine Füllung mit einem oder mehreren komplexen Metall-Aluminiumhydriden der Formeln I bis III aufweist, auszubilden. Eine solche durchströmbare Filtereinheit kann vorteilhaft als Filterkartusche insbesondere vor Brennstoffzellen verwendet werden, um den Katalysator vor den Katalysatorgiften im verwendeten Wasserstoffgas zu schützen.
Zusätzlich kann eine durchströmbare Filtereinheit eine Indikatoranzeige aufweisen, die den Beladungsgrad der Filtereinheit anzeigt und einen rechtzeitigen Austausch erlaubt. Entsprechend ist auch eine Brennstoffzelle mit mindestens einer solchen erfindungsgemäßen durchströmbaren Filtereinheit Gegenstand der Erfindung. Bei Betrieb einer Brennstoffzelle kann der Gasstrom in Abhängigkeit von dem Beladungsgrad einer ersten Filtereinheit auf mindestens eine im Gasstrom "parallel" angeordnete zweite Filtereinheit umgeleitet werden, so dass ein kontinuierlicher Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht wird. Zeitgleich kann die erste Filtereinheit einem Schritt zum Recyclen des komplexen Metallhydrids unterzogen werden. Als komplexe Hydride werden erfindungsgemäß bevorzugt Metall- Aluminiumhydride der folgenden Formeln I bis III verwendet: Mex+[AIFl4] x mit x=1 - 5, Mey x+[AIFl6]3 z mit x y= 3z und Mey x+[AIFl5]2 z mit x y= 2z. Me steht dabei für ein oder mehrere beliebige Alkali- oder Erdalkalimetalle aus dem Periodensystem der Elemente. Das verwendete komplexe Hydrid kann voll oder nur teilweise dehydriert sein. Unter dehydriert wird erfindungsgemäß verstanden, dass der an das Metall gebundene Wasserstoff durch Massnahmen zur Dehydrierung wie beispielsweise Erhitzen bis zur Zersetzungstemperatur aus dem Metallhydrid entfernt wurde. Die zuvor genannten komplexen Hydride können mit ein oder mehreren Metallen als Metallverbindungen wie Metallsalzen, beispielsweise Metallhalogeniden, oder auch als Metall in Partikelform versetzt werden, um die Reaktivität der Metall- Aluminiumhydride zu erhöhen. Bevorzugt werden als Metalle Übergangsmetalle der Gruppen 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , insbesondere Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd, oder Legierungen oder Mischungen dieser Metalle untereinander oder mit Aluminium, oder Verbindungen dieser Metalle, beispielsweise als Metallsalz wie Metallhalogenid, in Form sehr kleiner Partikel mit hohem Verteilungsgrad, beispielsweise mit Partikelgrößen ca. 10nm bis 1000 nm und/oder mit großen spezifischen Oberflächen von beispielsweise 50 bis 1000 m2/g eingesetzt. Hierzu werden bevorzugt die o.a. Übergangsmetalle und dabei bevorzugt Metalle wie Ti, Zr, Sc, Y, und Seltenerdmetalle eingesetzt. Die Metalle können aus unterschiedlichen Vorstufen direkt durch Reduktion in-situ mit dem komplexen Metallhydrid oder ex-situ durch verschiedenste Reduktionsprozesse hergestellt werden. Dabei wird die Herstellung in-situ bevorzugt.
Dem komplexen Hydrid oder dem Gemisch aus Metall und komplexen Hydrid können Zusätze wie Kohlenstoff (Graphit, Kugelkohle, Aktivkohle) in Teilchenform mit einer Teilchengröße von 10 nm bis 1000 nm oder auch Metallpulver wie Al- Pulver mit Partikelgrößen von 10 nm bis 1000 nm zugesetzt werden, um eine gute Verteilung von Katalysator und komplexem Hydrid auf der Oberfläche der Partikel zu erzielen. Ebenfalls können die oben beschriebenen komplexen Hydride eingesetzt werden, die teilweise oxidiert worden sind. Dabei erfolgt die Oxidation durch den Kontakt mit Sauerstoff (Luft), beispielsweise einfach an Luft.
Die Erfinder vermuten, dass bei Kontakt des CO mit dem Metallhydridpulver eine Reaktion abläuft, bei der CO zumindest partiell zu CH4 reduziert und/oder am Metall komplexiert wird, so dass nach der Überleitung/Kontakt des Gases kein Kohlenmonoxid mehr im Gas vorhanden ist, bis die Kapazität des komplexen Metallhydrids erschöpft ist.
Das CO-haltige Wasserstoffgas wird erfindungsgemäß in einem Reaktor über das Metallhydridpulver aus komplexem Hydrid und Katalysator im Durchfluss oder auch im Batchbetrieb geleitet und so mit diesem in Kontakt gebracht. Der Kontakt kann auch in einem Fließbettreaktor oder auch in einem geschlossenen Reaktionsbehälter wie in einem Autoklaven erfolgen. Die Flussgeschwindigkeiten des CO-haltigen Wasserstoffgases sind bei einem kontinuierlichen Betrieb so gewählt, dass eine vollständige Reaktion und Adsorption an dem komplexen Metallhydrid erfolgt, und betragen in der Regel 1 ,5 L/hg (komplexes Metallhydrid). Der Druck im Reaktionsbehälter ist nicht entscheidend und kann in einem Bereich von Normaldruck von etwa 0,1 bis 15 MPa liegen. Die Reaktionstemperatur liegt erfindungsgemäß in der Regel zwischen -20° und 250 °C. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren 1 bis 5 und der Herstellungsbeispiele weiter erläutert.
Dabei zeigen die Figuren 1 bis 4 den Verlauf von Versuchen zum erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich mit einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren.
Figur 4 veranschaulicht dabei die Wiederverwendbarkeit eines mit einem im erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten komplexen Metall-Aluminiumhydrid gefüllten Durchflussrohres, das einem Schritt zur Entfernung des adsorbierten Kohlenmonoxids, beispielsweise unter Einwirkung von Umgebungsluft auf das komplexe Metall-Aluminiumhydrid, unterworfen wurde.
Figur 5 zeigt die Testapparatur und dient der Erläuterung des Testverfahrens. Wie in Figur 5 dargestellt, besteht die Testapparatur aus dem Absorptionsrohr 4, gefüllt mit einem komplexen Aluminiumhydrid, dem Vorratsgefäß 5 für das verwendete Gasgemisch, einem Massendurchflussmesser 6, einer Vakuumpumpe 7 und einem IR-Spektrometer 8 zur Kontrolle der CO-Konzentration im Gasgemisch. Über die Ventile 1 , 2 und 3 können die einzelnen Arbeitsvorgänge unter inerten Bedingungen ausgeführt werden.
Vor Beginn der Messung wird die gesamte Apparatur über das Ventil 2 bei geschlossenen Ventilen 1 und 3 evakuiert. Anschließend wird das Ventil 2 geschlossen und die Apparatur wird über das Ventil 3 mit einem Inertgas gefüllt. Die Zufuhr des Gasgemisches erfolgt bei geöffneten Ventilen 1 und 3, wobei der Gasfluss mit Hilfe des Massendurchflusskontrollers 6 auf die notwendige Gasmenge eingestellt wird. Nachdem das Gasgemisch das Absorptionsrohr 4 durchströmt hat, wird die CO-Konzentration mit Hilfe des IR-Spektrometers 8 bestimmt. Eine Reduktion des Absorptionsvermögens der komplexen Aluminiumhydride bei der Entfernung von Verunreinigungen aus Wasserstoffgas kann auf einfache Weise mittels einer Farbreaktion in einer Fensterkartusche in Fließrichtung nach dem Absorptionsrohr 4 vor dem Ventil 1 sichtbar gemacht und so kontrolliert werden. Ein Beispiel ist die Reaktion von CO mit auf einem Träger in der Fensterkartusche abgeschiedenem lodpentoxid, wobei gemäß folgender Reaktion eine Oxidation von CO stattfindet und lod entsteht. 5 CO + I2O5 — > 5 CO2 + I2
Durch das freiwerdende lod erfolgt eine Verfärbung des Trägermaterials, auf dem die Farbreaktion stattfindet. Dadurch ist eine optische Beobachtung und Kontrolle eines nachlassenden Absorptionsvermögens möglich, und ein Austausch des Absorptionsrohres kann rechtzeitig stattfinden. Vorzugsweise sind zwei oder mehr Absorptionsrohre 4 parallel in Fließrichtung angeordnet und bei nachlassendem Absorptionsvermögens kann der Gasstrom von dem einen auf ein anderes Absorptionsrohr 4 umgeschaltet werden. Figur 4 veranschaulicht die Wiederverwendbarkeit eines mit einem im erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten komplexen Metall-Aluminiumhydrid gefüllten Durchflussrohres, das einem Schritt zur Entfernung des adsorbierten Kohlenmonoxids, beispielsweise unter Einwirkung von Umgebungsluft auf das komplexe Metall-Aluminiumhydrid, unterworfen wurde.
Materialien und Methoden
Zur Bestimmung der CO-Konzentration wurde ein URAS 26 NDIR-Spektrometer (non-dispersive infrared) der Firma ABB verwendet. Die Gaskonzentration wurde mit Hilfe eines gasgefüllten optopneumatischen Detektors ermittelt. Die Bestim- mung der Teilchengrößen erfolgte entweder durch Laserbeugung oder bei sehr kleinen Partikeln mit Hilfe von TEM-Analysen (Transmissionselektronen mikroskopie). Herstellungsbeispiel
In einem typischen Prozess wird Na3AIH6 mit TiCI3 (2-4 mol%) und gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen in einer Kugelmühle vermahlen. Das so erhaltene Material wird zur Entfernung von CO aus Wasserstoffgas eingesetzt. Ebenso können weitere Verunreinigungen wie C02, H20 und S-Verbindungen mit diesem Verfahren aus Wasserstoffgas eliminiert werden.
Beispiel 1
In einem Durchflussrohr wurden 2,0 g einer Mischung aus teildehydriertem Na3AIH6 (Zusammensetzung: (1-x) Na3AIH6 + 3x NaH + x AI), TiCI3 (4 mol%), activated carbon (8 mol%) und Al-Pulver (8 mol%), die durch Vermahlen in einer Kugelmühle hergestellt worden war, von Wasserstoffgas mit 10 ppm CO bei einer Flussgeschwindigkeit von 50 ml/min durchströmt. Das Gasgemisch wurde nach dem Durchströmen mit IR-Spektroskopie auf CO untersucht, wobei zunächst kein CO detektiert werden konnte. Nach 75 h war die CO-Konzentration auf 3 ppm angewachsen.
Beispiel 2
In einem Durchflussrohr wurden 2,0 g einer Mischung aus Na3AIH6, TiCI3 (4 mol%), activated carbon (8 mol%) und Al-Pulver (8 mol%), die durch Vermahlen in einer Kugelmühle hergestellt worden war, von Wasserstoffgas mit 10 ppm CO bei einer Flussgeschwindigkeit von 3 L / h durchströmt. Das Gasgemisch wurde nach dem Durchströmen mit IR-Spektroskopie auf CO untersucht, wobei zunächst kein CO detektiert werden konnte. Nach 46 h war die CO-Konzentration auf 1 ,6 ppm angewachsen.
Beispiel 3
In einem Durchflussrohr wurden 2,0 g einer Mischung aus Na3AIFl6 und TiCI3 (4 mol%), die durch Vermahlen in einer Kugelmühle hergestellt worden war, von Wasserstoffgas mit 100 ppm CO bei einer Flussgeschwindigkeit von 50 ml/min durchströmt. Das Gasgemisch wurde nach dem Durchströmen mit IR- Spektroskopie auf CO untersucht. Über einen Zeitraum von 60 min konnte kein CO nachgewiesen werden. In den folgenden 50 min war der CO-Gehalt auf 50 ppm angewachsen.
Beispiel 4
In einem Durchflussrohr wurden 2,0 g einer Mischung aus NaAIH4 und TiCI3 (4 mol%), die durch Vermahlen in einer Kugelmühle hergestellt worden war, von Wasserstoffgas mit 100 ppm CO bei einer Flussgeschwindigkeit von 50 ml/min durchströmt. Das Gasgemisch wurde nach dem Durchströmen mit IR- Spektroskopie auf CO untersucht. Über einen Zeitraum von 35 min konnte kein CO nachgewiesen werden. In den folgenden 25 min war der CO-Gehalt auf 75 ppm angewachsen.
Beispiel 5
In einem Durchflussrohr wurden 2,0 g reines NaAIH4 von Wasserstoffgas mit 100 ppm CO bei einer Flussgeschwindigkeit von 50 ml/min durchströmt. Das
Gasgemisch wurde nach dem Durchströmen mit IR-Spektroskopie auf CO untersucht. Nach 3 min war der CO-Gehalt auf 100 ppm angewachsen.
Beispiel 6
In einem Durchflussrohr wurden 2,0 g einer Mischung aus Na3AIFl6, TiCI3 (4 mol%), activated carbon (8 mol%) und Al-Pulver (8 mol%), die durch Vermahlen in einer Kugelmühle hergestellt worden war, von Wasserstoffgas mit 100 ppm CO bei 30 C und einer Flussgeschwindigkeit von 3 L/h durchströmt. Das Gasgemisch wurde nach dem Durchströmen mit IR-Spektroskopie auf CO untersucht. Bis 30 min nach Versuchsbeginn konnte kein CO nachgewiesen werden. In den folgenden 3 h war der CO Gehalt auf 90 ppm angewachsen. Anschließend wurde das Durchflussrohr vom Gasstrom getrennt und 10 min der Umgebungsluft ausgesetzt. Nach dieser Zeit wurde erneut Wasserstoffgas mit 100 ppm CO durch das Durchflussrohr geleitet. Die Mischung zeigte erneut ein hohes Absorptionsvermögen für CO und über 15 min konnte kein CO nachgewiesen werden. Danach wuchs der CO-Gehalt im Wasserstoffgas wieder kontinuierlich an.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen aus einem Kohlenmonoxid und/oder gasförmige Schwefelverbindungen enthaltenden Gas, bei dem das Gas, ausgewählt aus
Wasserstoffgas und/oder einem oder mehreren gasförmigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen oder einem Gemisch davon, in einem Reaktionsbehälter mit einem komplexen Metall-Aluminiumhydrid in Kontakt gebracht wird, wobei das komplexe Metall-Aluminiumhydrid ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus einer oder mehreren Verbindungen der
Formel I Mex+[AIH4] X mit x=1-5, der Formel II Mey w+[AIFl6]3 z mit w-y= 3z und der Formel III Mep q+[AIFl5]2 r mit p-q= 2r, wobei Me für ein oder mehrere Alkali- und/oder Erdalkalimetalle steht.
2. Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen
Schwefelverbindungen aus einem Kohlenmonoxid- und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen-haltigem Gas nach Anspruch 1 , bei dem ein oder mehrere komplexe Metall-Aluminiumhydrid der Formeln I bis III eingesetzt werden, die mit einem oder mehreren Metallen als Metallverbindungen wie Metallsalzen, beispielsweise Metallhalogeniden, oder vorzugsweise in
Partikelform versetzt sind, wobei als Metall eines oder mehrere Übergangsmetalle der Gruppen 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , insbesondere Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd, besonders Ti, Zr, Sc, oder Legierungen oder Mischungen dieser Metalle untereinander oder mit Aluminium verwendet werden.
3. Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen aus einem Kohlenmonoxid- und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen-haltigem Gas nach Anspruch 2, bei dem die Metalle oder die Verbindungen derselben in Form sehr kleiner Partikel mit hohem
Verteilungsgrad, beispielsweise mit Partikelgrößen ca. 0,5 bis 1000 nm und/oder mit großen spezifischen Oberflächen von beispielsweise 50 bis 1000 m2/g eingesetzt werden.
-io-
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein oder mehrere komplexe Metall-Aluminiumhydride der Formeln I bis III eingesetzt werden, die vollständig oder teilweise dehydriert sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein oder mehrere komplexe Metall-Aluminiumhydride der Formeln I bis III eingesetzt werden, denen ein oder mehrere Metalle in Partikelform zugesetzt wurden und die erhaltene Mischung vorzugsweise zu einer Partikelgröße von 0.5 bis 1000 nm vermahlen wurde, wobei das oder die zugesetzten Metalle aus Übergangsmetallen der Gruppen 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , bevorzugt Ti, Zr, Sc, Y und Seltenerdmetalle, oder Legierungen oder Mischungen davon untereinander oder mit Aluminium, ausgewählt wurden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dem das oder die Metalle in Partikelform durch Reduktion in-situ mit dem komplexen Metall-Aluminiumhydrid der Formeln I bis III hergestellt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein komplexes Metall-Aluminiumhydrid eingesetzt wird, dem Kohlenstoff- Partikel ausgewählt aus Graphit, Kugelkohle, Aktivkohle oder Mischungen davon zugesetzt wurden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Reaktionsbehälter in Form einer durchströmbaren Filtereinheit, die eine Füllung mit einem oder mehreren komplexen Metall-Aluminiumhydriden der Formeln I bis III wie in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, optional in Kombination mit einem oder mehreren Metallen in Partikelform und/oder in Kombination mit Kohlenstoff-Partikeln, verwendet aufweist, ausgebildet ist.
9 Filtereinheit, die eine Füllung mit einem oder mehreren komplexen Metall- Aluminiumhydride der Formeln I bis III wie in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, optional in Kombination mit einem oder mehreren Metallen in Partikelform und/oder in Kombination mit Kohlenstoff- Partikeln, verwendet aufweist. 10. Brennstoffzelle mit mindestens einer Filtereinheit nach Anspruch 9.
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