本发明专利技术涉及一种用于阳极支撑管型固体氧化物燃料电池的、具有催化燃料气重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管及其制备方法。该燃料分配管包括一个两端开口的惰性支撑管，其内壁和外壁均担载有催化剂层，厚度为5-300微米，壁层催化剂的组成按重量百分比为：Al2O320％～70％，CeO210％～40％，ZrO20％～40％，La2O30-20％，含有至少一种碱金属或碱土金属元素氧化物0.5％～10％，含有铂系金属元素如钌、铑、钯、锇、铱、铂等的至少一种0.01～5.0％，含有元素周期表中第四周期VI?I?I族元素的至少一种0.5-15％。该燃料分配管的进口端连接公共燃料腔，出口通入阳极支撑惯性电池阳极腔，其内壁层催化剂和处于电池阳极腔内的外壁层催化剂能够催化水蒸气重整天然气、液化石油气等，产生重整气，供给阳极支撑管型固体氧化物燃料电池发电；处于电池外部的外壁层催化剂可以催化燃料尾气与空气发生燃烧反应，向重整反应和流向电池的气体提供热能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种具有燃料气重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管及其应用，该燃料分配管可应用于一端封闭的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池发电系统，它在分配燃料的同时，催化燃料气的重整，催化燃料电池出口尾气的燃烧，同时实现重整反应与燃烧反应、电池反应的热量耦合，提高系统的发电效率和系统总能利用效率。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种采用固体氧化物作为电解质隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能高效、清洁地转化为电能的发电装置，其发电效率可达50%以上，热电联供效率高于80%，是降低二氧化碳的排放的新型发电装置。固体氧化物燃料电池不仅可以使用氢气燃料，还可以采用资源丰 富而且廉价的天然气、液化石油气、燃油、城市煤气及生物质气等作为燃料。按照固体氧化物燃料电池的核心部件-膜电极或者单电池的构型不同，固体氧化物燃料电池可以分为管型电池、平板型电池和整体型电池。按照膜电极或电池的支撑体不同，固体氧化物燃料电池可以分为电解质支撑型、阴极支撑型和阳极支撑型。不同电池构型和类型的电池在构建电池堆和电站系统采用的部件结构不同，构建的方式也不同，电池堆和电站的结构也不同。在各种类型的电池中，以美国西门子-西屋公司的阴极支撑管型固体氧化物燃料电池技术发展的技术和电解质支撑的电池技术比较成熟，二者电池的工作温度都在900C以上。而阳极支撑电池技术是国内内外近些年来在研发的电池技术，电池的工作温度在650-800C。如前所述，天然气等是固体氧化物燃料电池的燃料，固体氧化物燃料电池可以提高天然气的利用效率。但是，直接将天然气通到固体氧化物燃料电池阳极反应会引起阳极积炭，进而破坏电流传导的界面，降低电催化剂的性能，影响电极内的气体传质，降低电池寿命。因此，在发电系统中，天然气等燃料一般先经过水蒸汽催化重整为合成气，再在电池阳极上进行电化学反应。燃料重整反应是一个在高温下(600-900 °C )进行的强吸热反应:CH4+H20 — 3H2+C0，AH1073 = 225.7kJ moΓ1，该反应进行需要提供大量的热能。电池工作时因电压效率和电流效率不是100%而产生一部分热；燃料尾气的催化燃烧是一个强热反应:Η2+0.502 — H2O, AH1073 = -248.3kJ moF1,电池堆和尾气催化燃烧产生的热量需要及时移走，防止产生局部高温冲击。对于强吸放热反应，如何促进热的传递是催化剂和反应器设计需要考虑的一个重要因素。天然气等燃料的水蒸汽重整反应在重整反应器中或者说在重整催化剂上进行。重整反应器和重整催化剂可以放置在从发电系统燃料气的进口到固体氧化燃料电池阳极的任何燃料气流经位置。根据电池构型和类型的不同，天然气的水蒸汽催化重整反应设置的场所差别。重整反应器放置在电池堆外部、或者是重整催化剂放置在电池堆外部的公共流腔、流道上的叫做外重整。如，美国专利US007320836所述的阴极支撑管型电池发电系统和美国专利US007326482、US007410016所述的固体氧化物燃料电池发电系统中，燃料重整器置于电池堆外部，利用阳极反应尾气与燃料气混合后重整；中国专利(申请号200780010926.7)将重整反应器置于电池堆之间，重整器为填充催化剂的反应管，利用SOFC的辐射热对重整器加热；中国专利(申请号200810059387.2)燃料气与的水蒸汽在汽水混合室混合合流后，一起输送连接到催化重整器进行重整，从重整器出来的混合气连接输送到固体氧化物燃料的电池堆阳极。重整反应器或催化剂置于电池堆内部的公共流腔和流道、电池层间、单电池内的流道、电池阳极的扩散层上的叫做内部重整。如中国专利(申请号200880107952.6)为具有内部重整能力的固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括一个与阳极接触的催化剂层。固体氧化物燃料电池系统中的尾气燃烧是将流出阳极的燃料尾气与流出电池阴极的尾气混合燃烧，如美国专利US 7320836包含一个流出电池的燃料尾气和空气的燃烧腔。因为流出电池的尾气温度比较高，尾气燃烧可以采用直接混合燃烧，也可以采用燃烧催化剂催化燃烧。催化燃烧可以使燃料的氧化反应在温度较低的条件下较为均匀的反应，保证燃料完全氧化。如前所述，燃烧反应会放出大量的热，可以用于空气的预热，如美国专利US 7320836所述，或者是燃料的预热和重整，如中国专利申请号2011101978022所述。在固体氧化物燃料电池发电系统中，重整反应和尾气的催化燃烧反应器的设计需要解决以下问题:(I)重整反应放置在高温热区，以便达到重整反应进行温度；(2)重整反应最好吸收尾气燃烧产生热量，降低尾气温度，实现系统热量集成；(3)重整反应需要与燃料电池反应最好有热量交换，及时转移走一部分电池反应产生的热量，使得电池的温度分布比较均匀；(4)流出电池的燃料尾气于要完全转化，以便实现利用余热。
技术实现思路
固体氧化物燃料电池电站中各种反应的热-热耦合是建立稳定易控、高度集成系统结构的重要问题。本专利针对一端封闭的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池结构特点和要求，针对天然气的重整反应和尾气催化燃烧反应的要求，提出了一种用于阳极支撑管型固体氧化物燃料电池的、具有燃料气重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管。一种具有燃料重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管，该燃料分配管包括一个两端开口的支撑管，支撑管的内壁和外壁上均担载有催化剂层，催化层组成为:以氧化铝和/或铈基复合氧化物中的一种或多种构成多孔载体，以至少一种钼系金属元素作为主活性成份，以元素周期表中第四周期VIII族元素中至少一种作为辅活性成份，含有至少一种碱金属元素或碱土金属元素作为助剂；钼系金属在催化剂层中的重量含量为0.01 5% ；VIII族元素在催化剂层中的重量含量0.5 15% ;碱金属元素或碱土金属元素在催化剂层中的重量含量0.5 10%。该燃料分配管包括一个两端开口、致密的、惰性的支撑管，其内壁和外壁均担载有催化剂层，在内壁催化剂层和处于阳极腔的外壁催化剂层能够催化水蒸气重整天然气、液化石油气等，产生重整气，供给阳极支撑管型固体氧化物燃料电池发电；处于电池阳极腔外的外壁催化剂层可以催化燃料尾气与空气发生燃烧反应，向重整反应和流向电池的气体提供热能，便于热能回收。尾气催化燃烧是强放热反应，燃料的水蒸汽重整是强吸热反应。本专利技术采用壁层催化剂担载于燃料分配管的内外表面，其显著的优点如下:(1)有利于催化剂的温度均匀，提高催化剂利用效率，保证反应稳定进行；(2)有利于强化吸热反应与放热反应的热耦合，强化传热过程，提高系统的发电效率；(3)电池反应与重整反应的热耦合，提高系统发电效率；(4)催化尾气燃料完全转化，有利于余热回收。本专利技术燃料分配管的支撑管为两端开口的、惰性的、致密的耐高温管，可以是耐高温的陶瓷管，如氧化铝管、碳化硅管、刚玉-莫来石管等，或者是耐高温的金属合金管，如含铝、锆、铬等元素的铁基合金和镍基合金管。惰性致密支撑管的管内是燃料气的通道，可以是单孔道管，也可以是多个孔道管。在本专利技术中，它除了是燃料进气管外，还是壁层催化剂的载体。本专利技术燃料分配管的内壁和外壁均担载有一层催化剂，厚度为5-300微米，壁层催化剂的组成按重量百分比为:活性Al20320 80%，CeO2IO 40%，ZrO本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有燃料重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管，其特征在于：该燃料分配管包括一个两端开口的支撑管，支撑管的内壁和外壁上均担载有催化剂层，催化层组成为：以氧化铝和/或铈基复合氧化物中的一种或多种构成多孔载体，以至少一种铂系金属元素作为主活性成份，以元素周期表中第四周期VIII族元素中至少一种作为辅活性成份，含有至少一种碱金属元素或碱土金属元素作为助剂；铂系金属在催化剂层中的重量含量为0.01～5％；VIII族元素在催化剂层中的重量含量0.5～15％；碱金属元素或碱土金属元素在催化剂层中的重量含量0.5～10％。
【技术特征摘要】
1.一种具有燃料重整和尾气催化燃烧功能的燃料分配管，其特征在于: 该燃料分配管包括一个两端开口的支撑管，支撑管的内壁和外壁上均担载有催化剂层，催化层组成为:以氧化铝和/或铈基复合氧化物中的一种或多种构成多孔载体， 以至少一种钼系金属元素作为主活性成份，以元素周期表中第四周期VIII族元素中至少一种作为辅活性成份，含有至少一种碱金属元素或碱土金属元素作为助剂； 钼系金属在催化剂层中的重量含量为0.0l 5%;VIII族元素在催化剂层中的重量含量0.5 15% ;碱金属兀素或碱土金属兀素在催化剂层中的重量含量0.5 10%。2.根据权利要求1所述的燃料分配管，其特征在于: 钼系金属元素为钌、铑、钯、锇、铱、钼中的一种或多种，元素周期表中第四周期VIII族元素为铁、钴、镍中的一种或多种，碱金属氧化物为IA族锂、钠、钾中的一种或多种，碱土金属氧化物为IIA的钙、镁、锶、钡中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的燃料分配管，其特征在于: 支撑管的内壁和外壁催化剂层采用的多孔载体材料为活性氧化铝中的Θ-Α1203、δ -Al2O3> Y -Al2O3、铺基复合氧化物中的CeO2, CeZrO2, LaCeZrO2 一种或二种以上复合载体；催化剂层厚度为5-300微米。4.根据权利要求3所述的燃料分配管，其特征在于: 多孔载体材料为活性氧化铝Θ-Α1203、δ-Α1203、Y-Al2O3中的一种或二种以上与铈基复合氧化物CeO2, CeZrO2, ...
【专利技术属性】
技术研发人员：程谟杰，涂宝峰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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