[发明专利]用包含Cu、Mn和任选地至少一种稀土金属的混合氧化物催化剂从燃料电池的阳极废气中除去CO、H2和/或CH4的方法

说明书

本发明涉及燃料电池设备和系统，其包括用于燃烧阳极尾气、空气和/ 或其它混合气体(如阴极废气)的混合物的催化型废气燃烧器，其中 包含Cu和Mn的混合氧化物催化剂被用作废气燃烧器中的催化剂，并 且还涉及其方法和用途。

燃料电池使得从氢的受控燃烧中高效地获得电流成为可能。然而，未 来能源氢的基础结构还不存在。因此，有必要从易得能源天然气、汽 油、柴油或其它烃如沼气、甲醇等中获得氢。

氢可以例如通过蒸汽转化从甲烷——天然气的主要成分——中产生。 除了痕量未转化的甲烷和水外，所得气体基本上包含氢、二氧化碳和 一氧化碳。这种气体可被用作燃料电池的可燃气体。为了在蒸汽转化 期间将平衡向氢移动，这在大约500℃-1000℃的温度下进行，其中要 尽可能准确地坚持在该温度范围以便可燃气体的组成恒定。

可燃气体中的硫化合物通常在向燃料电池进料前除去，因为大部分所 用的燃料电池催化剂对硫敏感。

例如在DE 197 43 075 A1中描述了燃料电池设备，其中从甲烷和水中 产生的可燃气体可被用于产生能量。这种设备包括许多燃料电池，其 被布置在封闭保护外壳内的燃料电池堆中。基本上由氢、二氧化碳、 一氧化碳和剩余的甲烷和水组成的可燃气体经由阳极气体入口进料到 燃料电池中。可燃气体是在上游的外部转化器或者内部转化器中从甲 烷和水中产生的。内部转化反应经常是在高温燃料电池诸如MCFCs(熔 融碳酸盐燃料电池)或SOFCs(固体氧化物燃料电池)中进行的，因 为燃料电池的放热电化学反应能量可直接被用于强吸热转化反应。 烃的内部转化是在例如DE 197 43 075 A1和US 2002/0197518 A1中描 述的“熔融碳酸盐燃料电池”(MCFCs)中进行的。燃料电池通过下列 电化学反应产生电流和热：

阴极：¹/₂O₂+CO₂+2e^-→CO₃^2-

阳极：H₂+CO₃^2-→CO₂+H₂O+2e^-

电化学反应是放热的。为了抵消这一点，因此可直接在电池中安排甲 烷蒸汽转化反应的催化剂：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂

该反应是强吸热的并且可直接消耗电化学反应释放的热。因为蒸汽转 化是平衡反应，所以此外可通过连续去除阳极上的氢使平衡移动。因 此只有在大约650℃的相对低温下才能实现几乎完全的甲烷转化。

尽管燃料电池具有高效率，但是除了反应产物二氧化碳和水外，阳极 废气还包括氢、一氧化碳和甲烷气体，这取决于操作条件和持续时间。

因此，为了去除氢残余，阳极废气首先与空气混合，然后进料到催化 型废气燃烧器中，其中剩余的甲烷及痕量的氢被燃烧成水和二氧化碳。 任选地或可选地，除了阳极废气和空气外，可以混合其它气体如阴极 废气。这个过程释放的热能可以以不同的方式进行利用。

另一方面，在合适载体上以良好分布的形式提供的贵金属如铂和/或钯 目前被用作废气燃烧器中的催化剂。这种催化燃烧具有如下优点：它 非常稳定并且没有温度峰。钯催化剂上的燃烧在大约450至550℃范围 内的温度下进行。在超过大约800至900℃的较高温度下，Pd/PdO平 衡将向有利于钯金属的方向移动，由此催化剂的活性降低(参见 Catalysis Today 47(1999)29-44)。此外由于烧结发生或催化剂颗粒结 块，可观察到活性损失。然而原则上，贵金属催化剂具有原材料价钱 非常高的缺点。