[發明專利]具有以稀土元素改性氧化物載體的貴金屬水煤氣輪換催化劑

無效

• 申請號: 200680012652.0
• 申請日: 2006-02-15
• 公開（公告）號: CN101160170A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: O·M·伊里尼齊;R·J·法勞托;W·F·魯廷格;X·楊
• 申請（專利權）人: 巴斯福催化劑公司
• 主分類號: B01J23/63
• 分類號: B01J23/63;C01B3/16;B01J37/00
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 林柏楠;劉金輝

發明領域

本發明涉及一種用具有提高的活性和穩定性的鉑族金屬基水煤氣輪換催化劑實施水煤氣輪換反應的方法。本發明也涉及應用這些催化劑通過一氧化碳(CO)和蒸汽(氣態的H₂O)反應產生氫的方法，并且特別從包括氫、水和一氧化碳的氣流產生氫。例如，本發明的催化劑和方法在產生應用于燃料電池、特別是質子交換膜(PEM)燃料電池的氣流中的氫方面是有用的。

發明背景

燃料電池直接將化學能轉化成電，因此消除了限制熱力學效率的機械方法步驟，并且已經提出作為能源用于許多應用。燃料電池可以為內燃機效率的二到三倍，如果有，也僅有少量初級污染物排放如一氧化碳、烴和氮氧化物排出。重整烴來驅動燃料電池的燃料電池動力車輛產生較少量一氧化碳(溫室氣體)并且具有提高的燃料效率。

燃料電池，包括PEM燃料電池[也稱固體聚合物電解質或(SPE)燃料電池]，在供給燃料電池的還原劑(氫)和氧化劑(氧)之間的化學反應中產生電能。PEM燃料電池包括用膜，其通常為離子交換樹脂膜，分離的陽極和陰極。陽極和陰極電極一般由細微分離的碳顆粒、負載在碳顆粒上的催化劑顆粒和與催化和碳顆粒混合的質子傳導樹脂構成。在典型的PEM燃料電池操作中，在由沉積在傳導碳電極的鉑反應催化劑構成的陽極氫氣電解氧化成氫離子。質子通過離子交換樹脂膜，其可以為被稱為質子交換膜的磺酸的氟聚合物。然后當質子與在陰極電解還原的氧結合時產生H₂O。在這個過程中電子流過外電路做功，產生電極間的電動勢。膜電極裝置和燃料電池的實例如美國專利5,272,017所述。

燃料電池加工裝置(又稱燃料電池重整裝置)給燃料電池提供含氫氣流。燃料電池加工裝置包括蒸汽重整烴原料(例如，天然氣，LPG)和烴衍生物(例如醇)來產生富集氫的過程流的反應器。烴蒸汽重整的其它副產物包括一氧化碳和二氧化碳。例如，甲烷通過如下兩個反應轉化成氫、一氧化碳和二氧化碳：

CH₄+H₂O→3H₂+CO

CH₄+2H₂O→4H₂+CO₂

得到的氣體然后在水煤氣輪換反應器中反應，其中過程流通過一氧化碳與蒸汽在水煤氣輪換反應中進一步富集氫：

CO+H₂OCO₂+H₂

在燃料電池加工裝置中，為了熱管理和最小化出口CO濃度，反應常常分兩階段實施。兩階段的第一階段是對在較高溫度下(大約350℃)的反應優化，并且一般用基于鐵氧化物和氧化鉻組合的催化劑實施。第二階段在較低溫度下(大約200℃)下實施并且一般用基于銅和鋅材料的混合物的催化劑實施。

其它可用于實施水煤氣輪換反應的催化劑包括鉑基催化劑例如在氧化鋁載體上的鉑或在氧化鈰載體上的鉑。盡管當在大約300℃以上溫度操作時用水煤氣輪換反應產生氫是有效的，水煤氣輪換反應催化劑通過催化如下CO和氫的反應也可引起甲烷(CH₄)的形成：

CO+3H₂→CH₄+H₂O

對于每摩爾一氧化碳轉化成甲烷這種非所希望的副反應犧牲三摩爾氫。根據如下所示的方程式在這些條件下甲烷化也可以與二氧化碳發生：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O

在這種副反應中每摩爾二氧化碳轉化成甲烷就消耗四摩爾氫。水煤氣輪換反應中甲烷的產生(這里指“甲烷化”)是在放熱反應中消耗氫氣，最終減少來自水煤氣輪換反應氫產量的副反應。而且，甲烷化反應隨著催化劑床溫度的升高而加速。由于放熱反應可導致除一氧化碳外的二氧化碳的失控反應，這種性質顯示了甲烷化的趨勢。大量氫損失發生并且催化劑可被高溫損害。此外，甲烷是溫室氣體。燃料電池被宣傳為無排放的能量發生器，并且不希望排放甲烷。在燃料電池正常操作條件下甲烷難以燃燒，因此產生明顯數量的甲烷是環境不利的。