專利名稱：用于燃料電池發(fā)電廠的緊湊而重量輕的催化劑床及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作燃料電池發(fā)電廠的元件的、緊湊而重量輕的催化劑床。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種具有開(kāi)孔泡沫基質(zhì)并在其上沉積催化劑的催化劑床。首先對(duì)泡沫基質(zhì)提供多孔性修補(bǔ)基面涂層，催化劑沉積在修補(bǔ)基面涂層上，從而提供了非常高表面積的催化劑層。
背景技術(shù)：
燃料電池發(fā)電廠包括可操作的燃料氣催化劑床，從而將諸如天然氣、丙烷、汽油、柴油機(jī)燃料等之類的燃料氣催化轉(zhuǎn)化成氫氣和二氧化碳。轉(zhuǎn)化過(guò)程包括將原燃料通過(guò)具有四個(gè)或多個(gè)加工站的燃料加工系統(tǒng)。在發(fā)電廠中加工站的數(shù)量和類型將隨著所用的燃料和燃料電池的類型而變化。在每一個(gè)加工站，燃料工藝氣體經(jīng)過(guò)一個(gè)在原燃料氣轉(zhuǎn)化成富含氫氣的氣流中具有特定燃料加工功能的催化反應(yīng)器，該催化反應(yīng)器適合用于發(fā)電廠的燃料電池堆積裝配。每個(gè)催化反應(yīng)器包括發(fā)生反應(yīng)的催化劑床。典型地，這些床層是用適當(dāng)?shù)闹T如鎳、銅、鋅或貴金屬(例如鉑、鈀、銠等)之類的催化劑催化氧化鋁或氧化硅鋁顆粒來(lái)得到的。在為使用汽油的車輛應(yīng)用而設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中，系統(tǒng)也包括硫洗滌反應(yīng)物床，以及轉(zhuǎn)化裝置、位變轉(zhuǎn)化器和選擇性氧化劑，如共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)(該申請(qǐng)的序列號(hào)為99/14,319，申請(qǐng)日為1999年6月24日)所述。
在固定發(fā)電廠的典型轉(zhuǎn)化裝置中，轉(zhuǎn)化包括將燃料氣和蒸汽的混合氣通過(guò)加熱到約677℃-871℃(1,250°F-1,600°F)的轉(zhuǎn)化溫度的催化床。典型使用的催化劑是沉積在氧化鋁顆粒上的鎳。典型的轉(zhuǎn)化裝置將由多個(gè)反應(yīng)管組成。這樣的反應(yīng)器描述在美國(guó)專利US 4,098,587、US 4,098,588和4,098,589中。為了進(jìn)一步加工和利用，生成的加熱過(guò)的富含氫氣的氣體混合物從轉(zhuǎn)化裝置中流出。
蒸汽轉(zhuǎn)化裝置需要具有高度的催化劑-燃料混合物相互作用的較大的催化劑床表面積和較大的傳熱表面積，從而得到產(chǎn)生有效量的燃料電池動(dòng)力所需的氫氣量。對(duì)于較大的催化劑床和熱傳遞表面積來(lái)說(shuō)，當(dāng)在上述專利所述的管狀轉(zhuǎn)化裝置中通過(guò)使用催化顆粒來(lái)滿足時(shí)，這種需要導(dǎo)致了不可取的大而重的轉(zhuǎn)化裝置設(shè)備。例如，一個(gè)商業(yè)化的固定200KW的酸性燃料電池發(fā)電廠包括一個(gè)體積約4.25-4.96立方米(150-175立方英尺)、重約1588千克(3,500磅)的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置元件。
1998年3月31日授權(quán)的美國(guó)專利US 5,733,347公開(kāi)了一種不利用催化顆粒、但要使用具有催化壁的波形轉(zhuǎn)化裝置內(nèi)核的蒸汽轉(zhuǎn)化設(shè)備。波形的轉(zhuǎn)化裝置內(nèi)核將為轉(zhuǎn)化的燃料形成了平行通道，并且也形成了相鄰的平行燃燒氣通道，該燃燒氣通道處于與轉(zhuǎn)化裝置通道直接進(jìn)行熱交換的位置。同樣地，轉(zhuǎn)化裝置通道與再生器通道是直接進(jìn)行熱交換的關(guān)系。該設(shè)備比使用催化顆粒的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的重量輕并且更加緊湊，由于波形內(nèi)核的高表面積，所以該設(shè)備在催化轉(zhuǎn)化裝置通道和燃燒氣和再生器通道之間提供了非常有效的熱傳遞。該設(shè)備由一系列夾在波形通道周圍的基本上平整的板組成，并且該設(shè)備具有燃燒器通道、轉(zhuǎn)化裝置通道、再生器通道、轉(zhuǎn)化裝置通道、燃燒器通道等的重復(fù)模式。氣流換向管線將轉(zhuǎn)化裝置通道與再生器通道連接。雖然上述的平板裝配件在重量和體積方面明顯減小，但是因波形氣體流動(dòng)通道的夾雜物而沒(méi)有對(duì)通過(guò)它的氣體提供一種優(yōu)良的氣體混合流動(dòng)模式。這樣波形設(shè)計(jì)因其加強(qiáng)的熱傳遞性質(zhì)而提供了一種具有更加理想的體積和重量的轉(zhuǎn)化裝置設(shè)備，而催化顆粒的設(shè)計(jì)提供了一種更加理想的氣體混合流動(dòng)模式。
因此非常希望提供一種適于燃料電池發(fā)電廠使用的催化劑床，該催化劑床具有催化顆粒的氣體混合流動(dòng)模式，并且如上所述的催化壁轉(zhuǎn)化裝置一樣緊湊而重量輕。
發(fā)明的公開(kāi)本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)的催化劑床，該催化劑床具有增加的催化劑和熱傳遞表面、緊湊且重量輕，并且提供了提高的氣體混合和分布流動(dòng)通道。本發(fā)明催化劑床的結(jié)構(gòu)由一整塊具有高表面積多孔修補(bǔ)基面涂層并在其上沉積催化劑層的開(kāi)孔泡沫內(nèi)核組成。修補(bǔ)基面涂層(wash coat)可以是氧化鋁、二氧化硅-氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈰、碳化硅，或者其它的高表面陶瓷材料。修補(bǔ)基面涂層的選擇將取決于特定催化劑床的操作參數(shù)。整塊氣體流動(dòng)元件是一種具有相互連接的開(kāi)孔槽的泡沫，開(kāi)孔槽的表面由鎳、銅或鋅催化劑或諸如貴金屬催化劑如鉑、鈀、銠等所催化。為得到適當(dāng)?shù)靥幚砣剂蠚馑璧母弑砻娣e催化劑的沉積，開(kāi)孔泡沫，一旦修補(bǔ)基面涂層，就會(huì)提供所需的高表面的基面。由于氣體將從橫向和縱向流經(jīng)該結(jié)構(gòu)，因此開(kāi)孔泡沫還為通過(guò)整體的氣體提供一種提高的混合和分布?xì)怏w流動(dòng)模式。開(kāi)孔泡沫還提供有助于更加紊亂的氣體流動(dòng)的高表面積熱傳遞通道，該紊亂的氣體流動(dòng)在使用催化劑床的系統(tǒng)中提高了熱傳遞速率。另外，泡沫提供的較高的熱傳遞能夠延續(xù)進(jìn)入和通過(guò)相鄰的反應(yīng)器壁，從而產(chǎn)生非常有效的熱傳遞裝置，該裝置改善了過(guò)程溫度控制，對(duì)于給定輸出量通常減小了元件的體積和重量。中間的器壁可能是平板或者是具有冷卻劑流動(dòng)能力的、并且通過(guò)銅焊或任何其它適于所述系統(tǒng)的適當(dāng)機(jī)理與整塊開(kāi)孔泡沫結(jié)合的導(dǎo)管。
通過(guò)傳統(tǒng)的修補(bǔ)基面涂層方法(例如由W.R.-Grace and Co.orEnglehard Corp.所提供)將被催化的所有表面準(zhǔn)備好。修補(bǔ)基面涂層方法在泡沫的所有表面上產(chǎn)生了多孔的氧化鋁層，該氧化鋁層為催化劑涂層形成了一個(gè)基面。開(kāi)孔泡沫整塊構(gòu)造的使用(具有最大化的表面積)，使得催化劑床的體積和重量最小化。開(kāi)孔整塊泡沫體的內(nèi)核可能由鋁、不銹鋼、鋁-鋼合金、碳化硅、鎳合金、碳、石墨、陶瓷或類似的、能夠修補(bǔ)基面涂層的材料形成。可以理解，開(kāi)孔泡沫整體的間隙和外表面是經(jīng)修補(bǔ)基面涂覆的，并且在希望的地方也被催化。既然催化劑床具有最小的體積和重量，它們特別適合于體積和重量至關(guān)重要的車輛應(yīng)用，并且由于車輛應(yīng)用需要與元件的體積和重量緊密相關(guān)的迅速發(fā)動(dòng)能力。利用最小的能量輸入就能將體積小、重量輕的催化劑和反應(yīng)物床層迅速加熱。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的燃料氣加工催化劑床，該催化劑床緊湊而且重量輕。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有所述特征的催化劑床，該催化劑床因改進(jìn)的熱傳遞能力而可以在比現(xiàn)有的催化劑床更低的溫度下操作。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有所述特征的催化劑床，該催化劑床為流經(jīng)催化劑床的燃料氣提供了加強(qiáng)的氣體混合和分布流動(dòng)通道。
本發(fā)明的另一個(gè)目的提供一種具有所述特征的催化劑床，該催化劑床在反應(yīng)器內(nèi)具有加強(qiáng)的熱傳遞。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供具有所述特征的催化劑床，該催化劑床包括用高表面積的涂層來(lái)修補(bǔ)基面涂覆的開(kāi)孔泡沫內(nèi)核，該高表面積涂層具有適當(dāng)?shù)拇呋瘎印?br> 附圖簡(jiǎn)述對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，通過(guò)下面的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，則本發(fā)明的這些和其它的目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中

圖1是開(kāi)孔泡沫催化劑床的一種形式的透視圖；和圖2是熱傳遞元件和泡沫催化劑床裝配件連接在一起的局部透視圖。
實(shí)施本發(fā)明的具體方式現(xiàn)參照附圖，圖1表示根據(jù)本發(fā)明形成的催化劑床的直線形式的透視圖，該催化劑床統(tǒng)一由數(shù)字2表示。催化劑床2是包括卷須4的點(diǎn)陣網(wǎng)絡(luò)的一整塊開(kāi)孔泡沫元件，卷須狀物4形成了開(kāi)孔槽6的網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)孔槽6在床2內(nèi)在X、Y和Z方向互相連接。互相連接的開(kāi)孔6能夠從床2的一端8到另一端10形成一種加強(qiáng)的燃料氣混合和分布流動(dòng)通道。開(kāi)孔槽6和卷須狀物4還在床2內(nèi)提供了一種非常大的催化表面積。泡沫催化劑床2的內(nèi)核由鋁、不銹鋼、鋁-鋼合金、碳化硅、鎳合金、碳、石墨、陶瓷或類似的材料組成。
按照下面的方式來(lái)催化床2。將修補(bǔ)基面涂層的多孔氧化鋁底漆涂覆到將被催化的催化劑床2的所有外表面和間隙表面。通過(guò)用修補(bǔ)基面涂層溶液浸漬床2，或?qū)⑿扪a(bǔ)基面涂層溶液噴涂到床2上來(lái)將氧化鋁修補(bǔ)基面涂層涂覆到床2上。接著加熱修補(bǔ)基面涂層后的床2，從而在內(nèi)核上形成氧化鋁層。然后將催化劑層涂覆到床2的氧化鋁表面。如果希望，可以一起進(jìn)行氧化鋁涂層和催化步驟。類似的步驟可用于其它的修補(bǔ)基面涂層材料。
圖2表示泡沫元件2的分開(kāi)部件的局部透視圖，泡沫元件2與熱傳遞元件48結(jié)合。通過(guò)將開(kāi)孔泡沫元件2與相鄰的可以是平面壁或冷卻劑導(dǎo)管的熱傳遞元件48結(jié)合，可以獲得泡沫元件2的高熱傳導(dǎo)性延續(xù)進(jìn)入熱傳遞元件48。熱傳遞元件48由鋁、不銹鋼、含鋁的鋼-基合金或高鎳合金制備，如根據(jù)元件2、48組成的系統(tǒng)的需要所要求的。
開(kāi)孔泡沫催化劑床結(jié)構(gòu)提供了改進(jìn)的熱傳遞、改進(jìn)的氣體流動(dòng)特性和最大化的催化劑表面積。通過(guò)使用本發(fā)明催化劑床的構(gòu)造而得到重量和體積的減小對(duì)于用在更小的應(yīng)用中(例如在輕便的車輛中，由于它們的更小的體積和重量)是必需的。小的體積和重量還能夠使得催化劑床迅速加熱到操作溫度，該操作溫度對(duì)于大多數(shù)車輛應(yīng)用必需的快速啟動(dòng)能力是決定性的要求。減小的體積和重量也將有益于固定發(fā)電廠的組裝。上面所述類型的整塊內(nèi)核可由ERG(能量研究和產(chǎn)生)，Inc.of Oakland，CA獲得，該內(nèi)核以注冊(cè)商標(biāo)″DUOCEL″進(jìn)行出售。
在不偏離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，可以對(duì)本發(fā)明公開(kāi)的實(shí)施方案進(jìn)行許多變化和改進(jìn)，其并不限制本發(fā)明，除非由所附的權(quán)利要求所要求。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料加工系統(tǒng)的催化劑床，該催化劑床催化地供給對(duì)燃料電池發(fā)電廠添加燃料有用的燃料氣氣流，所述的催化劑床包括具有網(wǎng)格的整塊開(kāi)孔泡沫元件，所述網(wǎng)格形成了互相連接的空隙，所述的網(wǎng)格具有內(nèi)核，在所述內(nèi)核的所有表面上具有高表面積修補(bǔ)基面涂層；并且催化劑沉積在所述的修補(bǔ)基面涂層上。
2.權(quán)利要求1的催化劑床，其中修補(bǔ)基面涂層是氧化鋁、二氧化硅、硅-鋁、二氧化鈰、碳化硅或其它高表面積陶瓷材料。
3.權(quán)利要求1的催化劑床，其中所述的整塊元件由一種選自鋁、鋁-鋼合金、鎳合金、碳化硅、碳、石墨、不銹鋼或陶瓷的材料形成。
4.權(quán)利要求2的催化劑床，其中所述修補(bǔ)基面涂層是多孔的。
5.權(quán)利要求1的催化劑床，其中所述的催化劑是一種選自銅、鋅、鎳、鉑、銠和鈀的金屬。
6.權(quán)利要求1的催化劑床，其中所述的催化劑是鎳、銅或鋅。
7.權(quán)利要求1的催化劑床，其中所述的催化劑是一種貴金屬。
8.權(quán)利要求1的催化劑床，其中所述的床與相鄰的熱傳遞元件結(jié)合，以在所述的床和所述的元件之間建立高的熱傳遞。
9.一種用于在燃料加工系統(tǒng)形成催化劑床的方法，該催化劑床催化地供給對(duì)燃料電池發(fā)電廠添加燃料有用的燃料氣氣流，所述的方法包括下面的步驟a)提供具有網(wǎng)格的整塊開(kāi)孔泡沫元件，該網(wǎng)格形成互相連接的空隙，所述的網(wǎng)格具有內(nèi)核；b)在所述內(nèi)核的所有表面上形成修補(bǔ)基面涂層；和c)在所述修補(bǔ)基面涂層上沉積催化劑。
10.權(quán)利要求9的方法，其中修補(bǔ)基面涂層是氧化鋁、二氧化硅、硅-鋁、二氧化鈰、碳化硅或其它高表面積陶瓷材料。
11.權(quán)利要求9的方法，其中所述的整塊元件由一種選自鋁、鋁-鋼合金、不銹鋼、鎳合金、碳、石墨、碳化硅或陶瓷的材料形成。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述的修補(bǔ)基面涂層是多孔的。
13.權(quán)利要求9的方法，其中所述的催化劑是一種選自鎳、鉑、銠和鈀的金屬。
14.權(quán)利要求9的方法，其中所述的催化劑是鎳、銅或鋅。
15.權(quán)利要求9的方法，其中所述的催化劑是一種貴金屬。
16.權(quán)利要求9的方法，還包括將整塊開(kāi)孔泡沫元件與相鄰的熱傳遞元件結(jié)合的步驟，從而從所述的開(kāi)孔泡沫元件到所述的熱傳遞元件建立較高熱傳導(dǎo)性。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述的熱傳遞元件包括平板。
18.權(quán)利要求16的方法，其中所述的熱傳遞元件包括冷卻劑導(dǎo)管。
全文摘要
用于燃料電池發(fā)電廠的燃料氣催化劑床(2)由整塊開(kāi)孔泡沫元件形成,開(kāi)孔泡沫的開(kāi)孔網(wǎng)格(4)形成了氣體通過(guò)催化劑床的氣體通道。整塊元件具有橫向和縱向互相連接的內(nèi)開(kāi)孔槽(6)的網(wǎng)格,從而產(chǎn)生一種從一端(8)到另一端(10)的擴(kuò)散氣體流動(dòng)模式。形成氣體流動(dòng)模式的整塊元件的所有面積具有位于下面的高空隙率的修補(bǔ)基面涂層。修補(bǔ)基面涂層的多孔表面具有鎳催化劑層或諸如鉑、銠、鈀或類似的貴金屬催化劑層,被處理的氣流從該催化劑層上流過(guò)。基質(zhì)泡沫網(wǎng)格可以是諸如鋁、不銹鋼、鋼－鋁合金、鎳合金之類的金屬、陶瓷或類似的能夠修補(bǔ)基面涂覆的材料。開(kāi)孔槽網(wǎng)格作為催化劑床的基面能夠形成具有優(yōu)良的氣體流動(dòng)通道特征的非常緊湊、重量輕的并且高表面積的催化劑床。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1339178SQ00803371
公開(kāi)日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2000年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月18日
發(fā)明者T·J·科里根, L·J·小邦維爾, R·R·勒西厄爾, D·W·希爾德雷思, M·G·盧基安諾夫 申請(qǐng)人:國(guó)際燃料電池有限公司