專利名稱：催化壁燃氣轉化裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃氣蒸汽轉化組件。更具體地說，本發明涉及一種與傳統的用于燃料電池動力裝置中的蒸汽轉化組件相比更緊湊并且重量更輕的燃氣蒸汽轉化組件，其中，轉化氣通道刷洗涂敷有一層穩定的且抗碳沉積的氧化鋁-鎳催化劑復合物，并且爐氣通道可以刷洗涂敷一層穩定的且抗碳沉積的不含催化劑的氧化鋁復合物。
背景技術：
燃料電池動力裝置通常包括有燃氣蒸汽轉化裝置，其可將一種燃氣，例如天然氣催化轉換成氫氣、一氧化碳以及二氧化碳。該轉換過程包括使燃氣和(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。典型的轉化裝置包括多個裝在絕熱殼體中的反應管。反應管通過殼體中過量燃氣的燃燒進行加熱，并使爐氣通過反應管。每個反應管通常包括一個中間排氣通道，其被一個環形進氣通道所圍繞。進氣通道中填充有被催化處理過的氧化鋁小球，而一個燃氣-蒸汽集氣管可將燃氣-蒸汽混合物輸送到每個進氣通道的底部，并使其流過催化床。所產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，以輔助加熱每個環形催化床的內部；并最后從轉化裝置中排出，以進行進一步的處理和利用。
為了使催化劑-燃料混合物獲得較高程度的反應，蒸汽轉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。當在管狀轉化裝置中使用涂敷有催化劑的小球進行工作時，需要較大的催化床以及傳熱表面，從而導致轉化組件體積很大且很笨重。例如，對于商業上使用的200KW的酸性燃料電池動力裝置，其中的蒸汽轉化部件的體積將達到約150～175立方英尺；而重量則可達到約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，公開了一種改進的蒸汽轉化裝置，其在可提供必需的催化表面以及傳熱表面的同時，與現有的蒸汽轉化裝置相比，體積更小且重量更輕，并能在較低的溫度下工作。這種改進的轉化裝置由一系列基本上為平板狀的轉化部件組成。每個轉化部件包括與多個中央換熱器/熱交換器通道鄰接的轉化通道。每個轉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，這樣就使鄰接的轉化通道和爐道共享了一個共同的壁。
所有組成平板轉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過催化處理的氧化鋁涂層。該被催化的表面可以通過傳統的刷洗涂敷工藝(wash coating process)預先形成，該工藝例如可由W.R.Grace及其公司或Engelhard公司提供。通過在轉化裝置的燃氣通道壁上涂敷一層催化和穩定的氧化鋁復合物，以及在某些情況下，在爐氣通道上刷洗涂敷一層穩定的、催化或非催化的復合物，可以大大提高轉化組件的工作效率。
發明概述本發明涉及一種改進的用于前述結構緊湊的轉化組件中的催化或非催化的刷洗涂敷復合物，以及涉及一種包含有該改進的刷洗涂敷復合物的組件。該作為一非催化基底的刷洗涂敷復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。刷洗涂敷復合物中的催化劑的重量百分比最大可達到25％；氧化鑭組分在刷洗涂敷復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到20％，刷洗涂敷復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，以形成一復合刷洗涂層，其可以不含催化劑組分。當刷洗涂層在燃燒爐部分被催化時，催化劑通常可以是鉑或鈀等貴金屬或二者的混合物。對于一催化壁轉化組件而言，催化燃燒爐部分為一種潛在的選擇，因為可以在不需對催化轉化裝置的設計進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，因為它們提供了以下機理(1)使爐氣溫度的分布更均勻；(2)提高了爐氣熱向轉化反應位置的傳遞；(3)降低了爐氣的溫度，但同時也增加了系統的復雜程度和成本。所以，對于具體應用，可以在基于工程成本分析的基礎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小的晶體構成，從而使得催化劑可以一精細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定基底，以防止細小的氧化鋁細晶體在存在于燃料電池動力裝置的轉化裝置中的相對較高的工作溫度下再結晶。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化組件的刷洗涂層壁上。
因此，本發明的一個目的是提供一種用于結構緊湊、重量輕的燃氣蒸汽轉化組件中的改進的催化或非催化刷洗涂層。
本發明的另一個目的是提供一種包含有該改進的刷洗涂層的燃氣轉化組件。
本發明的又一個目的是提供一種具有所述特征的轉化組件，其中刷洗涂層中包括有鑭-穩定氧化鋁組分。
本發明的再一個目的是提供一種具有所述特征的轉化組件，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。
本發明的另一個目的是提供一種具有所述特征的轉化組件，其中通過氧化鑭、氧化鈰和氧化鈣組分來配合穩定氧化鋁組分并消除碳的沉積。
通過參照附圖對本發明的優選實施例的具體描述，本領域技術人員可以更加清楚地理解本發明的這些以及其他目的及優點，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氣工作部分的示意圖；圖2為根據本發明形成的燃氣蒸汽轉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。
發明的
具體實施例方式
參照圖1，示出了構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。轉化裝置和換熱站2包括一個輸送燃料/蒸汽混合物進入到轉化區域12的燃料和蒸汽進入管路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溫度。燃燒爐14通過管路20從轉化裝置和換熱器站2中排出廢氣。
圖2～4示意性地示出了根據本發明形成的轉化裝置和換熱器組件的幾個實施例。該轉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氣轉化通道12之間。應注意，爐道14和燃氣通道是以緊挨著的平板形式構成的。參照前述的國際專利申請，本發明所構成通道的優選方式將會更加清楚。箭頭A和B分別指示爐氣和燃氣的流動方向。在圖2所示的實施例中，爐氣的流動方向是從右到左通過組件2及通過管道22；被轉化的燃氣從左到右通過管道24進入到組件2中，并從右向左通過管道26排出。燃氣管道24的壁上設置有上述催化氧化鋁刷洗涂層28，而管道26上設置有非催化氧化鋁刷洗涂層28。該轉化組件中并排安裝有適當數量的上述部件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，從而可加強熱傳遞；而在圖4所示的實施例中，燃燒爐管道22上可設置有催化刷洗涂層28，這樣催化燃燒便可產生轉化反應所需的熱量。
轉化裝置和換熱器、熱交換器以及燃燒爐部分所用的金屬部件優選由含鋁的合金鋼構成。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成。然后對組件進行熱處理，以在轉化裝置、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氣轉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部隔離通道的板狀結構使得蒸汽轉化組件重量更輕，結構更牢固并對單位體積而言提供了更大的表面積。前述的平板結構可以更好的與燃料電池動力裝置中的蒸汽轉化裝置配合使用，或者單獨和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化裝置配合使用。除了換熱器表面之外的轉化組件的燃氣轉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行催化。或者，可以將涂敷刷洗涂層和催化步驟結合在一起進行。組件的加熱部分和轉化部分共享一個壁的事實使得與現有的催化球式轉化裝置相比，轉化裝置的壁可以在較低的溫度下工作。采用上述平板狀結構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明的實質的情況下對本發明公開的實施例進行許多改變和變化，因而本發明并不局限于所附屬的權利要求的內容。
權利要求
1．一種碳氫化合物燃氣蒸汽轉化組件，它包括a)多個用于接受燃氣和蒸汽的混合物的燃氣通道；b)多個用于接受爐氣流的爐氣通道，所述爐氣通道和燃氣通道以相互熱交換的關系布置，從而熱量可從所述爐氣通道傳遞到所述燃氣通道；c)在一些選定的所述燃氣通道和爐氣通道上設有氧化鑭和/或氧化鈰和/或氧化鈣-穩定氧化鋁刷洗涂層，該刷洗涂層可以穩定氧化鋁以阻止其在升高的溫度下發生再結晶，并可抑制碳沉積在所述燃氣和/或爐氣通道的壁上。
2．如權利要求1所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述刷洗涂層在某些所述燃氣通道上被催化。
3．如權利要求1所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述刷洗涂層在所述燃氣通道上被催化。
4．如權利要求3所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述刷洗涂層用鎳進行催化。
5．如權利要求1所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述刷洗涂層在所述爐氣通道上被催化。
6．如權利要求5所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述刷洗涂層用貴金屬或貴金屬的混合物進行催化。
7．如權利要求6所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述催化劑是鉑。
8．如權利要求6所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述催化劑是鈀。
9．如權利要求6所述的燃氣蒸汽轉化組件，其特征在于，所述催化劑是鉑和鈀的混合物。
10．一種碳氫化合物燃氣蒸汽轉化組件，它包括a)多個用于接受燃氣和蒸汽的混合物的燃氣通道；b)多個用于接受爐氣流的爐氣通道，所述爐氣通道和燃氣通道以相互熱交換的關系布置，從而熱量可從所述爐氣通道傳遞到所述燃氣通道；c)在所述燃氣通道上設有氧化鈰和/或氧化鑭和/或氧化鈣-穩定催化氧化鋁刷洗涂層，該刷洗涂層可以穩定氧化鋁以阻止其在升高的溫度下發生再結晶，并可抑制碳沉積在所述燃氣通道的壁上。
11．一種碳氫化合物燃氣蒸汽轉化組件，包括a)多個用于接受燃氣和蒸汽的混合物的燃氣通道；b)多個用于接受爐氣流的爐氣通道，所述爐氣通道和燃氣通道以相互熱交換的關系布置，從而熱量可從所述爐氣通道傳遞到所述燃氣通道；c)在一些選定的所述爐氣通道上設有氧化鈰和/或氧化鑭和/或氧化鈣-穩定催化氧化鋁刷洗涂層，該刷洗涂層可以穩定氧化鋁以阻止其在升高的溫度下發生再結晶，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氣轉化組件,該組件由包括有相互隔開的分隔板(22,24,26)的復合板組件構成,這些板之間布置有燃氣通道(12)和爐氣通道(14)。燃氣通道(12)的壁上刷洗涂敷有一催化氧化鋁復合物(28)。該催化復合物(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合物中氧化鋁的再結晶。催化復合物(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合在一起提高了氧化鋁的穩定性,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 優先權日1998年4月16日
發明者羅杰·R·勒西厄爾 申請人:國際燃料電池有限責任公司