Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1757
Main Title: Catalytic on-board hydrogen production from methanol and ammonia for mobile application
Translated Title: Die katalytische On-Board Herstellung von Wasserstoff aus Methanol und Ammoniak für mobile Anwendungen
Author(s): Soerijanto, Hary
Advisor(s): Schomäcker, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Doktorarbeit befasst sich mit der katalysierten Herstellung von Wasserstoff für Anwendungen in Brennstoffzellen, genauer gesagt für mobile Einsätze. Elektroautos mit Brennstoffzellenantrieb sind keine Neuheit mehr, nur die Frage, wie Wasserstoff in ausreichender Menge und sicher gespeichert werden kann, ist Gegendstand einer regen Diskussion. Methanol gilt als ein hervorragender Wasserstoffsträger. Erstens weist Methanol mit seinem hohen H:C Verhältnis eine hohe Energiedichte auf. Zweitens ist die Betriebstemperatur bei der Reformierung von Methanol um die 250°C vergleichsweise niedrig und es besteht keine Verkokungsgefahr, da Methanol keine C-C-Bindung enthält. Drittens ist Methanol flüssig, so dass man nicht in neue Infrastruktur investieren müsste. Für die weitere Entwicklung von Katalysatoren im Allgemeinen und für die Auslegung eines Reformers ist es von großer Bedeutung, dass man den verwendeten Katalysator gut kennt. Für die Dimensionierung und Regelung einer on-board Produktion von Wasserstoff müssen die thermodynamischen, chemischen und kinetischen Daten herangezogen werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden mesoporöse Cu/ZrO2/CeO2-Katalysatoren mit verschiedenen Kupfergehalt charakterisiert, auf ihre Langzeit-Stabilität und Selektivität untersucht, und ihre kinetischen Daten ermittelt. Bei der Reformierung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen wird immer Kohlenmonoxid gebildet, das schädlich für die Pt-Elektrode in Brennstoffzelle ist. Die Abtrennung von Wasserstoff mittels Metallmembranen kann zwar für hochreinen Wasserstoff sorgen, aber wegen ihrer hohen Dichte ist diese Maßnahme mit hohen Energieverlusten verbunden. In dieser Arbeit wird ein Konzept vorgestellt, das unter Anwendung von Keramikmembranen autothermalen Betrieb ermöglichen und gleichzeitig die CO-Problematik bewältigen helfen könnte. Die Suche nach einem völlig selektiven Katalysator ist ungewiss. Chemisch und thermodynamisch gesehen ist die CO Bildung nicht auszuschließen, falls in der Wasserstoffquelle Kohlenstoff enthalten ist. Da eine Anreicherung oder Trennung energetisch und wirtschaftlich ungünstig ist, ist es einen Versuch wert, ein anderes System zu erforschen, das keinen Kohlenstoff enthält. Im letzten Teil dieser Arbeit wird die Gewinnung von Wasserstoff aus dem katalysierten Abbau von Ammoniak untersucht. Ammoniak ist eine interessante Alternative: es hat eine hohe Wasserstoffdichte und ist bereits gut verfügbar. Da Platinelektroden sensitiv gegen reaktive Stoffe sind, ist zu gewährleisten, dass z.B. kein Hydrazin beim Abbau Ammoniak entsteht. In dieser Arbeit wurde eine neue Art von Ammoniakkatalysatoren erprobt, die im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren nicht auf Metal basieren. Vier verschiedene Zirconiumoxidnitride: ß’ ZrON, ß” ZrON, Zr2ON2 and Zr0.88Y0.12O1.72N0.15 (Y2O3 dotierter ZrON) wurden auf verschiedene Weise synthetisiert und getestet. Eine Langzeitstudie an dem besten Katalysator wurde durchgeführt und dabei kein Hydrazin detektiert. Ein Reaktionsmechanismus wird anhand der Daten der durchgeführten Untersuchungen vorgeschlagen. Das Ergebnis dient als Grundlage für die weitere Optimierung des Katalysators.
This PhD thesis deals with the catalytic hydrogen production for mobile application, for example for the use in fuel cells for electric cars. Electric powered buses with fuel cells as driving system are well known, but the secure hydrogen storage in adequate amounts for long distance drive is still a topic of discussion. Methanol is an excellent hydrogen carrier. First of all it has a high H:C ratio and therefore a high energy density. Secondly the operating temperature of steam reforming of methanol is comparatively low (250 °C) and there is no risk of coking since methanol has no C-C bond. Thirdly methanol is a liquid, which means that the present gasoline infrastructure can be used. For the further development of catalysts and for the construction of a reformer it is very important to characterize the catalysts very well. For the dimensioning and the control of an on-board production of hydrogen it is essential to draw accurately on the thermodynamic, chemical and kinetic data of the reaction. At the first part of this work the mesoporous Cu/ZrO2/CeO2-catalysts with various copper contents were characterized and their long-term stability and selectivity were investigated, and the kinetic data were determined. Carbon monoxide is generated by reforming of carbon containing material. This process is undesired since CO poisons the Pt electrode of the fuel cell. The separation of hydrogen by metal membranes is technically feasible and a high purity of hydrogen can be obtained. However, due to their high densitiy this procedure is not favourable because of its energy loss. In this study a concept is presented, which enables an autothermal mode by application of ceramic membrane and simultaneously could help to deal with the CO problem. The search for an absolutely selective catalyst is uncertain. The production of CO can be neither chemically nor thermodynamically excluded, if carbon is present in the hydrogen carrier. Since enrichment or separation are unfavourable for energetic and economic reasons, it is reasonable to investigate another reaction system, which is free of carbon. At the last part of this study the catalytic production of hydrogen from ammonia cracking was investigated. Ammonia is an interesting alternative: it has a high hydrogen densitiy, it is available and cheap. Since the Pt electrode is sensitive to reactive substances, it must be ensured, that for example no hydrazine is produced during the ammonia cracking . A new type of ammonia cracking catalyst was investigated in this study, which unlike the conventional catalyst is not based on metal. Four different zirconium oxynitrides: ß’ ZrON, ß” ZrON, Zr2ON2 and Zr0.88Y0.12O1.72N0.15 (Y2O3 doped ZrON) were prepared by various methods and subsequently tested for their activity in ammonia cracking. A long-term study was carried out on the best catalyst and no hydrazine was detected. On the basis of the data from the accomplished investigations a reaction mechanism is proposed. The result provides a basis for the further improvement of the catalyst.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17385
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2054
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1757
Exam Date: 16-Nov-2007
Issue Date: 18-Jan-2008
Date Available: 18-Jan-2008
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Ammoniak
Dampfreformierung
Katalyse
Methanol
Wasserstoff
Ammonia
Catalysis
Hydrogen
Methanol
Steam Reforming
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Institut für Chemie » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_15.pdf3.71 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.