專利名稱：催化壁燃?xì)廪D(zhuǎn)化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件。更具體地說，本發(fā)明涉及一種與傳統(tǒng)的用于燃料電池動力裝置中的蒸汽轉(zhuǎn)化組件相比更緊湊并且重量更輕的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其中，轉(zhuǎn)化氣通道刷洗涂敷有一層穩(wěn)定的且抗碳沉積的氧化鋁-鎳催化劑復(fù)合物，并且爐氣通道可以刷洗涂敷一層穩(wěn)定的且抗碳沉積的不含催化劑的氧化鋁復(fù)合物。
背景技術(shù)：
燃料電池動力裝置通常包括有燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化裝置，其可將一種燃?xì)?，例如天然氣催化轉(zhuǎn)換成氫氣、一氧化碳以及二氧化碳。該轉(zhuǎn)換過程包括使燃?xì)夂?水)蒸汽的混合物通過一催化床，該催化床被加熱到約1250°F～約1600°F的轉(zhuǎn)化溫度。通常使用的催化劑是沉積在氧化鋁小球上的鎳。典型的轉(zhuǎn)化裝置包括多個裝在絕熱殼體中的反應(yīng)管。反應(yīng)管通過殼體中過量燃?xì)獾娜紵M(jìn)行加熱，并使?fàn)t氣通過反應(yīng)管。每個反應(yīng)管通常包括一個中間排氣通道，其被一個環(huán)形進(jìn)氣通道所圍繞。進(jìn)氣通道中填充有被催化處理過的氧化鋁小球，而一個燃?xì)?蒸汽集氣管可將燃?xì)?蒸汽混合物輸送到每個進(jìn)氣通道的底部，并使其流過催化床。所產(chǎn)生的被加熱了的氫氣、一氧化碳、二氧化碳以及剩余氣體的混合物從每個管道的排氣通道流過，以輔助加熱每個環(huán)形催化床的內(nèi)部；并最后從轉(zhuǎn)化裝置中排出，以進(jìn)行進(jìn)一步的處理和利用。
為了使催化劑-燃料混合物獲得較高程度的反應(yīng)，蒸汽轉(zhuǎn)化裝置需要具備較大的催化床表面積和傳熱面積，以獲得可使燃料電池以其最大效率工作的氫氣量。當(dāng)在管狀轉(zhuǎn)化裝置中使用涂敷有催化劑的小球進(jìn)行工作時，需要較大的催化床以及傳熱表面，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化組件體積很大且很笨重。例如，對于商業(yè)上使用的200KW的酸性燃料電池動力裝置，其中的蒸汽轉(zhuǎn)化部件的體積將達(dá)到約150～175立方英尺；而重量則可達(dá)到約3500磅。
在本申請人的
公開日為1997年7月10日的國際專利申請WO 97/24176中，公開了一種改進(jìn)的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置，其在可提供必需的催化表面以及傳熱表面的同時，與現(xiàn)有的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置相比，體積更小且重量更輕，并能在較低的溫度下工作。這種改進(jìn)的轉(zhuǎn)化裝置由一系列基本上為平板狀的轉(zhuǎn)化部件組成。每個轉(zhuǎn)化部件包括與多個中央換熱器/熱交換器通道鄰接的轉(zhuǎn)化通道。每個轉(zhuǎn)化通道的平板單元被直接安裝在與爐道平板單元鄰接的位置，這樣就使鄰接的轉(zhuǎn)化通道和爐道共享了一個共同的壁。
所有組成平板轉(zhuǎn)化裝置以及一些爐道部件的金屬片的表面都可以覆蓋一經(jīng)過催化處理的氧化鋁涂層。該被催化的表面可以通過傳統(tǒng)的刷洗涂敷工藝(wash coating process)預(yù)先形成，該工藝?yán)缈捎蒞.R.Grace及其公司或Engelhard公司提供。通過在轉(zhuǎn)化裝置的燃?xì)馔ǖ辣谏贤糠笠粚哟呋头€(wěn)定的氧化鋁復(fù)合物，以及在某些情況下，在爐氣通道上刷洗涂敷一層穩(wěn)定的、催化或非催化的復(fù)合物，可以大大提高轉(zhuǎn)化組件的工作效率。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的用于前述結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)化組件中的催化或非催化的刷洗涂敷復(fù)合物，以及涉及一種包含有該改進(jìn)的刷洗涂敷復(fù)合物的組件。該作為一非催化基底的刷洗涂敷復(fù)合物由添加有氧化鑭和/或氧化鈰和/或氧化鈣的氧化鋁基體形成，從而產(chǎn)生一個混合物基底。在某些組件通道的刷洗涂敷基底上可沉積一層鎳催化劑。刷洗涂敷復(fù)合物中的催化劑的重量百分比最大可達(dá)到25％；氧化鑭組分在刷洗涂敷復(fù)合物中的重量百分比范圍約為2％～5％；氧化鈣組分在刷洗涂敷復(fù)合物中的重量百分比范圍約為5％～20％；二氧化鈰的重量百分比最大可達(dá)到20％，刷洗涂敷復(fù)合物中的剩余物為氧化鋁。
在某些情況下，組件中的爐道中可以設(shè)置一包含有氧化鑭、氧化鈣或氧化鈰的組合物的氧化鋁基基底，以形成一復(fù)合刷洗涂層，其可以不含催化劑組分。當(dāng)刷洗涂層在燃燒爐部分被催化時，催化劑通?？梢允倾K或鈀等貴金屬或二者的混合物。對于一催化壁轉(zhuǎn)化組件而言，催化燃燒爐部分為一種潛在的選擇，因?yàn)榭梢栽诓恍鑼Υ呋D(zhuǎn)化裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行顯著改變的情況下將一催化燃燒爐部分包括在其中。催化燃燒爐部分是很重要性的，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘韵聶C(jī)理(1)使?fàn)t氣溫度的分布更均勻；(2)提高了爐氣熱向轉(zhuǎn)化反應(yīng)位置的傳遞；(3)降低了爐氣的溫度，但同時也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。所以，對于具體應(yīng)用，可以在基于工程成本分析的基礎(chǔ)上決定是否采用催化燃燒爐部分。
沉積有催化劑層的氧化鋁基底由非常細(xì)小的晶體構(gòu)成，從而使得催化劑可以一精細(xì)分散層的方式存在于其上。氧化鋁刷洗涂層基底中的氧化鑭組分可以配合穩(wěn)定基底，以防止細(xì)小的氧化鋁細(xì)晶體在存在于燃料電池動力裝置的轉(zhuǎn)化裝置中的相對較高的工作溫度下再結(jié)晶。另外，氧化鑭、氧化鈣和二氧化鈰組分可以幫助抑制碳沉積在轉(zhuǎn)化組件的刷洗涂層壁上。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件中的改進(jìn)的催化或非催化刷洗涂層。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種包含有該改進(jìn)的刷洗涂層的燃?xì)廪D(zhuǎn)化組件。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種具有所述特征的轉(zhuǎn)化組件，其中刷洗涂層中包括有鑭-穩(wěn)定氧化鋁組分。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種具有所述特征的轉(zhuǎn)化組件，其中刷洗涂層借助于氧化鈣組分和/或氧化鈰組分可抑制碳的沉積。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有所述特征的轉(zhuǎn)化組件，其中通過氧化鑭、氧化鈰和氧化鈣組分來配合穩(wěn)定氧化鋁組分并消除碳的沉積。
通過參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的具體描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更加清楚地理解本發(fā)明的這些以及其他目的及優(yōu)點(diǎn)，其中附圖的簡要說明

圖1為典型的燃料電池動力裝置組件的燃?xì)夤ぷ鞑糠值氖疽鈭D；圖2為根據(jù)本發(fā)明形成的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件的部分示意圖；圖3與圖2類似，但顯示了刷洗涂層和催化劑的一種替換形式；圖4與圖2類似，但顯示了刷洗涂層和催化劑的另一種替換形式。
發(fā)明的
具體實(shí)施例方式
參照圖1，示出了構(gòu)成典型的燃料電池動力裝置的一部分的燃料工作組件的部分示意圖。該燃料工作組件包括一個燃料蒸汽轉(zhuǎn)化裝置和換熱器站2；一個變換器站4；一個可選氧化劑站6，其用于不耐高濃度一氧化碳的某些燃料電池上。轉(zhuǎn)化裝置和換熱器站2通過一管路8連接在變換器站4上。轉(zhuǎn)化裝置和換熱站2包括一個輸送燃料/蒸汽混合物進(jìn)入到轉(zhuǎn)化區(qū)域12的燃料和蒸汽進(jìn)入管路10。從燃料電池中排出的部分用過的燃料與空氣的混合物通過管路16和18輸送到燃燒爐部分14中，并在其中燃燒，以將燃料/蒸汽的混合物加熱到反應(yīng)溫度。燃燒爐14通過管路20從轉(zhuǎn)化裝置和換熱器站2中排出廢氣。
圖2～4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明形成的轉(zhuǎn)化裝置和換熱器組件的幾個實(shí)施例。該轉(zhuǎn)化裝置和換熱器組件2包括有相互隔開布置的爐道14，它們布置在相互隔開的催化燃?xì)廪D(zhuǎn)化通道12之間。應(yīng)注意，爐道14和燃?xì)馔ǖ朗且跃o挨著的平板形式構(gòu)成的。參照前述的國際專利申請，本發(fā)明所構(gòu)成通道的優(yōu)選方式將會更加清楚。箭頭A和B分別指示爐氣和燃?xì)獾牧鲃臃较?。在圖2所示的實(shí)施例中，爐氣的流動方向是從右到左通過組件2及通過管道22；被轉(zhuǎn)化的燃?xì)鈴淖蟮接彝ㄟ^管道24進(jìn)入到組件2中，并從右向左通過管道26排出。燃?xì)夤艿?4的壁上設(shè)置有上述催化氧化鋁刷洗涂層28，而管道26上設(shè)置有非催化氧化鋁刷洗涂層28。該轉(zhuǎn)化組件中并排安裝有適當(dāng)數(shù)量的上述部件12，它們通過爐氣通道部分14相互隔開。在圖3所示的實(shí)施例中，工作氣體流過沒有被刷洗涂敷的換熱器管道26，從而可加強(qiáng)熱傳遞；而在圖4所示的實(shí)施例中，燃燒爐管道22上可設(shè)置有催化刷洗涂層28，這樣催化燃燒便可產(chǎn)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量。
轉(zhuǎn)化裝置和換熱器、熱交換器以及燃燒爐部分所用的金屬部件優(yōu)選由含鋁的合金鋼構(gòu)成。平板壁可以通過將波紋板和/或U形帶條通過硬釬焊或焊接連接在組件上的方式構(gòu)成。然后對組件進(jìn)行熱處理，以在轉(zhuǎn)化裝置、換熱器以及燃燒爐部分的所有暴露表面上生成一氧化鋁表面涂層，從而形成了用于牢固粘附刷洗涂層的良好表面。刷洗涂層接著至少被涂敷在將被催化的表面上。如果需要的話，刷洗涂層可以涂敷在組件中的所有暴露表面上。然后在除換熱器之外的燃?xì)廪D(zhuǎn)化通道的刷洗涂層表面上施加鎳催化劑，并且如果需要的話，可以在爐道上施加貴金屬催化劑。這些催化劑也可以與最初的刷洗涂層直接結(jié)合在一起，這樣就可省去隨后的催化步驟。
使用這種具有外部平整部件及內(nèi)部隔離通道的板狀結(jié)構(gòu)使得蒸汽轉(zhuǎn)化組件重量更輕，結(jié)構(gòu)更牢固并對單位體積而言提供了更大的表面積。前述的平板結(jié)構(gòu)可以更好的與燃料電池動力裝置中的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置配合使用，或者單獨(dú)和1978年7月4日授予O.L.Olensen等人的美國專利No.4，098，587中所披露的類型的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置配合使用。除了換熱器表面之外的轉(zhuǎn)化組件的燃?xì)廪D(zhuǎn)化部分中的一些或全部表面都可以在涂敷刷洗涂層之后進(jìn)行催化?；蛘?，可以將涂敷刷洗涂層和催化步驟結(jié)合在一起進(jìn)行。組件的加熱部分和轉(zhuǎn)化部分共享一個壁的事實(shí)使得與現(xiàn)有的催化球式轉(zhuǎn)化裝置相比，轉(zhuǎn)化裝置的壁可以在較低的溫度下工作。采用上述平板狀結(jié)構(gòu)可以減輕重量并減小尺寸，從而使燃料電池動力裝置或僅僅使轉(zhuǎn)化裝置具有更高的能量輸出。催化刷洗涂層中包含的氧化鑭組分阻止了氧化鋁組分在較高的工作溫度下的再結(jié)晶，同時其中包含的氧化鈰、氧化鑭以及氧化鈣抑制了碳在流動通道上的沉積，從而使得組件的工作壽命更長。
由于可以在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的情況下對本發(fā)明公開的實(shí)施例進(jìn)行許多改變和變化，因而本發(fā)明并不局限于所附屬的權(quán)利要求的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1．一種碳?xì)浠衔锶細(xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，它包括a)多個用于接受燃?xì)夂驼羝幕旌衔锏娜細(xì)馔ǖ?；b)多個用于接受爐氣流的爐氣通道，所述爐氣通道和燃?xì)馔ǖ酪韵嗷峤粨Q的關(guān)系布置，從而熱量可從所述爐氣通道傳遞到所述燃?xì)馔ǖ?；c)在一些選定的所述燃?xì)馔ǖ篮蜖t氣通道上設(shè)有氧化鑭和/或氧化鈰和/或氧化鈣-穩(wěn)定氧化鋁刷洗涂層，該刷洗涂層可以穩(wěn)定氧化鋁以阻止其在升高的溫度下發(fā)生再結(jié)晶，并可抑制碳沉積在所述燃?xì)夂?或爐氣通道的壁上。
2．如權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述刷洗涂層在某些所述燃?xì)馔ǖ郎媳淮呋?br> 3．如權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述刷洗涂層在所述燃?xì)馔ǖ郎媳淮呋?br> 4．如權(quán)利要求3所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述刷洗涂層用鎳進(jìn)行催化。
5．如權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述刷洗涂層在所述爐氣通道上被催化。
6．如權(quán)利要求5所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述刷洗涂層用貴金屬或貴金屬的混合物進(jìn)行催化。
7．如權(quán)利要求6所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述催化劑是鉑。
8．如權(quán)利要求6所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述催化劑是鈀。
9．如權(quán)利要求6所述的燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，其特征在于，所述催化劑是鉑和鈀的混合物。
10．一種碳?xì)浠衔锶細(xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，它包括a)多個用于接受燃?xì)夂驼羝幕旌衔锏娜細(xì)馔ǖ?；b)多個用于接受爐氣流的爐氣通道，所述爐氣通道和燃?xì)馔ǖ酪韵嗷峤粨Q的關(guān)系布置，從而熱量可從所述爐氣通道傳遞到所述燃?xì)馔ǖ?；c)在所述燃?xì)馔ǖ郎显O(shè)有氧化鈰和/或氧化鑭和/或氧化鈣-穩(wěn)定催化氧化鋁刷洗涂層，該刷洗涂層可以穩(wěn)定氧化鋁以阻止其在升高的溫度下發(fā)生再結(jié)晶，并可抑制碳沉積在所述燃?xì)馔ǖ赖谋谏稀?br> 11．一種碳?xì)浠衔锶細(xì)庹羝D(zhuǎn)化組件，包括a)多個用于接受燃?xì)夂驼羝幕旌衔锏娜細(xì)馔ǖ?；b)多個用于接受爐氣流的爐氣通道，所述爐氣通道和燃?xì)馔ǖ酪韵嗷峤粨Q的關(guān)系布置，從而熱量可從所述爐氣通道傳遞到所述燃?xì)馔ǖ?；c)在一些選定的所述爐氣通道上設(shè)有氧化鈰和/或氧化鑭和/或氧化鈣-穩(wěn)定催化氧化鋁刷洗涂層，該刷洗涂層可以穩(wěn)定氧化鋁以阻止其在升高的溫度下發(fā)生再結(jié)晶，并可抑制碳沉積在所述爐氣通道的壁上。
全文摘要
一種用于燃料電池動力裝置中的燃?xì)廪D(zhuǎn)化組件,該組件由包括有相互隔開的分隔板(22,24,26)的復(fù)合板組件構(gòu)成,這些板之間布置有燃?xì)馔ǖ?12)和爐氣通道(14)。燃?xì)馔ǖ?12)的壁上刷洗涂敷有一催化氧化鋁復(fù)合物(28)。該催化復(fù)合物(28)包括有鎳催化劑和氧化鈰和/或氧化鑭組分,該氧化鈰和/或氧化鑭組分可阻止催化復(fù)合物中氧化鋁的再結(jié)晶。催化復(fù)合物(28)中還包含氧化鈣組分,其可阻止碳沉積在氧化鋁表面上。氧化鈰或氧化鑭和氧化鈣結(jié)合在一起提高了氧化鋁的穩(wěn)定性,同時還可抑制碳沉積在刷洗涂敷的表面上。
文檔編號C10J3/00GK1297589SQ99805110
公開日2001年5月30日 申請日期1999年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月16日
發(fā)明者羅杰·R·勒西厄爾 申請人:國際燃料電池有限責(zé)任公司