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Dokumentenidentifikation DE19718239A1 19.11.1998
Titel Elektrisch beheizter Katalysator
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE;
Dornseiffer, Jürgen, 52072 Aachen, DE
Erfinder Hackfort, Helmut, Dr., 50933 Köln, DE;
Dornseiffer, Jürgen, 52072 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 30.04.1997
DE-Aktenzeichen 19718239
Offenlegungstag 19.11.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.11.1998
IPC-Hauptklasse F01N 3/38
IPC-Nebenklasse B01D 53/88   B01D 53/94   H05B 3/10   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer elektrischen Heizung und einem heterogenen Katalysator, der durch die elektrische Heizung beheizt wird.
Über die Heizung wird der katalysierten Reaktion auf einfache Weise die benötigte Energie zugeführt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem heterogenen Katalysator.

Katalysatoren beschleunigen Reaktionsabläufe bzw. lenken Reaktionsabläufe in eine bestimmte Richtung (Selektivität). Der chemische Wirkungsgrad, also der Umsatz zum gewünschten Produkt, wird so erhöht.

Grundsätzlich beeinflußt ein Katalysator nur die Kinetik der betrachteten Reaktion. Die thermodynamischen Verhältnisse verändern sich nicht. Die Lage der chemischen Reaktionsgleichgewichte sowie die Enthalpie- und Entropieverhältnisse bleiben erhalten.

Es wird zwischen homogenen und heterogenen Katalysatoren unterschieden. Katalysatoren und Reaktanden befinden sich beim zuletzt genannten Typ in unterschiedlichen Phasen. Diese oft als "Kontakte" bezeichneten Katalysatoren werden hauptsächlich für die Beschleunigung von Gasphasenreaktionen wie Oxidation, Hydrierung oder Dampfreformierung eingesetzt.

Beim heterogenen Katalysator ist werden die Edukte auf der Oberfläche des Katalysators adsorbiert, in reaktionsfähige Spezies überführt, über Diffusionseffekte die Reaktion vermittelt und abschließend die Produkte desorbiert.

Für die Überführung in die reaktionsfähigen Spezies wird unabhängig vom betrachteten Reaktionssystem Energie benötigt, die im folgenden Aktivierungsenergie des Katalysators genannt wird.

Bei endothermen Reaktionen (z. B. Dampfreformierung muß die Aktivierungsenergie des Katalysators schon aus thermodynamischen Gründen permanent von außen zugeführt werden. Bei exothermen Prozessen (z. B. katalytische Oxidationen) wird dieser von außen zugeführte Energiebedarf nur zum "Anspringen" der Reaktion benötigt. Im weiteren Verlauf deckt die freiwerdende Reaktionsenthalpie die Aktivierungsenergie des Katalysators.

Für eine effektive Beschleunigung einer Reaktion muß sowohl ein Katalysator mit ausreichendem Umsetzungsvermögen (Aktivität) als auch eine Mindestmenge an Energie zur Verfügung stehen.

Beim großtechnischen Einsatz von Katalysatoren ist die Bereitstellung von Energie hinreichend durch den Einsatz optimierter Reaktor- und Brennersysteme bzw. durch Vorheizen der Edukte gelöst. Im kleintechnischen Maßstab sind diese Lösungen zu aufwendig.

Ein Beispiel für einen kleintechnischen Maßstab stellt der Abgaskatalysator eines Ottomotors dar. Dieser stellt einen glücklichen Ausnahmefall dar, da in der Regel die Abgastemperatur und -menge ausreicht, um hinreichend Energie für einen beschleunigten Schadstoffabbau bereitzustellen. Allerdings funktionieren Dreiwegekatalysatoren in Autos in der Kaltstart- oder Leerlaufphase nicht oder nur schlecht, da das Abgas dann nicht genügend thermische Energie zuzuführen vermag.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung mit einem heterogenen Katalysator, die wirtschaftlich im kleintechnischen Maßstab betrieben werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Merkmalen.

Anspruchsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit einem elektrisch beheizbaren, heterogen Katalysator gelöst.

Die benötigte Aktivierungsenergie des Katalysators wird mittels der elektrischen Heizung der Reaktion zugeführt. Elektrische Energie wird in thermische Energie umgewandelt und als Aktivierungsenergie für den Katalysator bereitgestellt. Da eine direkte Kopplung mit dem Katalysator möglich ist, kann die Energie unmittelbar am Ort des Bedarfs für die katalytisch unterstützte Reaktion bereitgestellt werden. Die Energiedichte kann stufenlos über die eingebrachte elektrische Leistung gesteuert werden, um zu guten Wirkungsgraden zu gelangen. Die benötigte thermische Energie wird in situ erzeugt. Energieverluste entstehen im wesentlichen nur durch die Wärmekapazitäten der beteiligten Stoffe. Es lassen sich daher auch aus diesem Grunde gute energetische Wirkungsgrade erzielen.

Als elektrische Heizung, also einem Mittel, das bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie einen hohen Wirkungsgrad aufweist, dient beispielsweise ein elektrischer Halbleiter. Aufgrund des elektrischen Widerstandes eines Halbleiters wird elektrische Energie in Wärmeenergie mit hohem Wirkungsgrad im Sinne der Erfindung umgewandelt.

In einer sehr einfachen Ausführungsform der Erfindung befindet sich der Katalysator lose innerhalb einer behälterförmigen, aus Halbleitermaterial bestehenden elektrischen Heizung. Es treten dann keine Befestigungsprobleme zwischen Katalysator und elektrischer Heizung auf.

Als elektrische Heizung wird dann z. B. das aus der Druckschrift DE 41 30 630 bekannte, poröse Durchfluß- Heizelement vorgesehen. Ist dieses rohrförmig ausgestaltet, so befindet sich das Katalysatormaterial z. B. als lose Schüttung im Inneren des Rohres. Die Stromzuführung zum Heizelement erfolgt z. B. in der aus der Druckschrift DE 42 09 685 bekannten Weise. Fluide Edukte werden vorzugsweise durch die Rohrwand hindurch zum Katalysator geleitet. Es werden so auf einfache Weise vorteilhaft nicht nur der Katalysator, sondern auch die Edukte aufgeheizt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Halbleiter mit dem Katalysatormaterial identisch. Das halbleitende Material übernimmt dann folglich eine Doppelfunktion. Es wird der Katalysator dann optimal mit Aktivierungsenergie versorgt, und es treten auch keine Befestigungsprobleme auf. Dotierte Materialien aus der Gruppe der Perowskite kommen in Betracht. Allerdings stellen derartige Fälle die Ausnahme dar und sind in der Regel teuer.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist katalytisch aktives Material auf einer Struktur, mit anderen Worten auf einen Träger mit offener Porosität befestigt. Die Beheizung des Katalysators erfolgt so unmittelbar und großflächig. Hieraus resultiert eine besonders schnelle und wirtschaftliche Zufuhr der Aktivierungsenergie für den Katalysator. Außerdem weist der Katalysator dann die bekanntermaßen erforderliche große Oberfläche auf, um zu großen Umsätzen gelangen zu können. Diese Ausführungsform kann für eine Mehrzahl an Fällen realisiert werden. Es zeichnet sich gegenüber den beiden vorangegangenen Ausführungsformen durch seine Anwendungsbreite aus. Es kann sich hier allerdings nachteilhaft das Katalysatormaterial lösen und verloren gehen.

Bei der Wahl eines elektrischen Halbleitermaterials für die Elektroheizung ist insbesondere auf thermische Wechsel- sowie Korrosionsbeständigkeit zu achten, um zu langen Betriebszeiten zu gelangen. Keramische Halbleitermaterialien - also z. B. mit Bor oder Stickstoff dotiertes SiC - sind daher besonders geeignet. In Betracht kommen ferner insbesondere Übergangsmetallkarbide wie Titankarbid, Wolframkarbid, Nitride wie z. B. Titannitrid.

Das Halbleitermaterial wird mittels eines Beschichtungs- oder Kombinationsverfahrens mit dem Katalysatormaterial versehen. Die Wahl des Katalysators ist hierbei abhängig vom jeweiligen Einsatzgebiet des Systems. Grundsätzlich sind alle technisch bekannten Katalysatoren verwendbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Katalysatormaterial auf keramisches Halbleitermaterial geklebt. Als Klebstoff eignet sich ein keramischer Kleber. Diese Art der Befestigung ist einfach und zuverlässig.

Besonders geeignet sind Katalysatormaterialien, die sich durch ein Beschichtungsverfahren auf eine elektrische Heizung aufbringen lassen, da dann die Herstellung besonders einfach ist. Edelmetallkatalysatoren wie Pt oder Rh sowie Übergangsmetalloxidkatalysatoren wie V2O5, CuO, MnO2 lassen sich mittels Beschichtungsverfahren zuverlässig aufbringen.

Anspruchsgemäß in situ beheizte Oxidationskatalysatoren lassen sich wirtschaftlich betreiben. In Betracht kommt insbesondere eine Schadstoffbeseitigung aus Verbrennungsabgasen durch eine katalytische Oxidation des toxischen Schadstoffinventars mit dem Restsauerstoff im Gas sowohl in stationären Anlagen als auch in mobilen Systemen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht daher der Katalysator aus Materialien auf der Basis von Edelmetallen (z. B. Pt oder Rh), aus Übergangsmetalloxiden wie CuO, MnO2, V2O5 oder MoO3 oder aus einem Vertreter der Perowskitgruppe.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Katalysator in einer Abgasleitung, z. B. im Auspuff eines Kraftfahrzeuges angeordnet.

Einsatzgebiete für die anspruchsgemäße Vorrichtung sind:

  • - katalytischen Oxidation von toxischen Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Dioxine, Furane und/oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH) bzw. von Reaktionsgasen wie CO in Abgasen entsprechender Verbrennungsanlagen,
  • - katalytische Oxidation von Kohlenstoffaerosolen aus Abgasen von Verbrennungsmotoren, (z. B. Dieselrußkatalysator).

Selbstverständlich kann auch beispielsweise ein Brennersystem in einer Heizungsanlage durch eine anspruchsgemäße Vorrichtung ersetzt werden, bei der die thermische Energie durch eine katalytische Oxidation der eingesetzten Brennstoffe (z. B. Erdgas) erzeugt wird. Aufgrund der diskontinuierlichen Betriebsweise solcher Anlagen ist für die Verwendung eines solchen katalysierten Heizprinzips eine entsprechende thermische Aktivierung des Katalysators vor jedem Heizzyklus erforderlich. Das Halbleiterträgermaterial steigert zudem den energetischen Wirkungsgrad, da es als Zwischenspeicher für die erzeugte Energiemenge fungiert und diese somit kontrollierter an seine Umgebung abgibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert.

Ein poröser, mit Bor oder Stickstoff dotierter SiC-Körper wird mit einem Oxidationskatalysator auf der Basis von Edelmetallen (z. B. Pt, Rh) oder Übergangsmetalloxiden (z. B. V2O5, MoO3) beschichtet. Hierfür wird zunächst auf der SiC-Oberfläche ein "keramischer Kleber" in Form von AI2O3 aufgebracht. Die Beschichtung erfolgt durch ein Tauchverfahren mit einer organischen oder wäßrigen Al-haltigen Lösung mit anschließender Trocknung.

Zur Herstellung eines belastungsfähigen Verbundes wird der keramische Körper bei Temperaturen zwischen 400 und 900°C gesintert. Hierbei bildet sich aus dem auf der SiC Oberfläche befindlichen SiO2 und dem Al2O3 ein Alumosilikat, das für die nötige Haftbeständigkeit sorgt. Abschließend erfolgt die Imprägnierung des Al2O3 mit der katalytisch aktiven Komponente (z. B. Pt, V2O5) ebenfalls durch ein Tauchverfahren mit organischen oder wäßrigen Lösungen und anschließender Sinterung bei 400 bis 1000°C. Je nach Katalysatormaterial werden H2[PtCl6], RhCl3, (NH4)VO3 oder AlCl3-Lösungen bevorzugt eingesetzt.

Bei der Wahl einer Lösung ist darauf zu achten, daß die Differenz der Oberflächenspannungen zwischen der Lösung und dem keramischen Halbleitermaterial möglichst gering ist, um so zu einer gleichmäßigen Bedeckung zu gelangen. Organische Lösungen wie Hexan, Alkohol, Azeton sind daher wäßrigen Lösungen vorzuziehen.

Eine elektrische Kontaktierung erfolgt durch federndes Andrücken von elektrischen Leitern auf das Halbleitermaterial.

Der so hergestellte Verbund wird beispielsweise in die Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges eingebaut.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung mit einer elektrischen Heizung und einem heterogenen Katalysator, der durch die elektrische Heizung beheizbar ist.
  2. 2. Vorrichtung mit den Merkmalen nach vorhergehendem Anspruch, bei der ein elektrischer Halbleiter als elektrische Heizung dient.
  3. 3. Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer als elektrische Heizung dienenden Struktur, die eine offene Porosität aufweist und die zumindest teilweise aus Katalysatormaterial gebildet ist.
  4. 4. Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator in einer Abgasleitung angeordnet ist.






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