[发明专利]催化剂材料和用于重整烃燃料的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年9月11号提交的美国临时申请第61/241,779号和2010年5月18号提交的美国临时申请第61/345,658号的权益，这两个临时申请通过引用的方式并入本文。

领域

本专利申请涉及催化剂材料及使用方法。

背景

在发电的分布式应用中，重整技术在烃的潜在利用中发挥着重要的作用。尤其是本领域对能够烃和/或生物燃料氧化以提供随后可在燃料电池之内用于有效分布式发电的氢、小分子量的碳片段(例如碳氧化物和甲烷)和/或小分子量的醇类的重整技术存在需求。生物燃料是各种生物质所衍生的具有化学通式C_xH_yO_z的燃料。

在一个应用中，使用Jet-A燃料和/或生物燃料的直接进料的固体氧化物燃料电池(SOFC)作为商业飞机上所采用的燃气涡轮辅助动力装置(APU)的替换是令人感兴趣的。类似的烃和/或生物燃料进料可用于为机场地面运输提供动力的SOFC中。在第三应用中，燃料电池在汽车应用中的使用将要求汽油、柴油和/或生物燃料的直接进料。

对于SOFC，重整催化剂可充当燃料电池的阳极。燃料电池的阳极直接(1)将烃和/或生物燃料进料重整为在阳极被电化学氧化以产生电的氢、小的碳片段(例如，碳氧化物或甲烷)和/或小的含氧烃；和/或(2)直接将烃和/或生物燃料进料氧化成水和二氧化碳以产生电。

需要分布式发电的一个实例是航空工业。航空工业已经看到了用电驱动系统代替液压驱动系统和气动驱动系统的益处。然而，这样的代替增加了飞机的电力要求。

飞机通常采用燃烧型辅助动力装置以向各种电子系统比如导航系统及类似物提供电力。例如，商业飞机通常采用燃气涡轮辅助动力装置为飞机提供辅助动力。然而，已知燃烧型辅助动力装置比如燃气涡轮装置具有相对低的热力学效率且因此消耗了相当大量的飞机航空燃料供给。而且，燃烧型辅助动力装置的重量及与此类装置相关的大量布线极大地增加了飞机的整体重量，从而进一步降低了飞机的燃料效率。

对使用化石燃料的不断增加的忧虑已促使商业飞机的设计者和生产者探索用于增加燃烧型辅助动力装置的效率的新技术及辅助动力的供选择的来源。使用燃烧型辅助动力装置的一个备选方案是使用燃料电池。燃料电池通常具有更高的热力学效率和显著低于燃烧型辅助动力装置的重量。因此，燃料电池提供了供应所需要的辅助动力同时显著降低化石燃料的消耗的可能性。

因此，本领域的技术人员继续寻求在燃料电池内使用或与燃料电池结合使用以提供辅助动力的来源的重整技术的应用的进步。

概述

本发明的一方面涉及用于烃和/或生物燃料重整的材料，且更具体地，涉及这些材料结合被配置成以直接烃进料和/或生物燃料进料操作的燃料电池或作为被配置成以直接烃进料和/或生物燃料进料操作的燃料电池的部件的用途，还更具体地，涉及被配置成以后勤燃料(logistics fuel)和衍生自生物质的燃料的直接进料操作的SOFC。

根据另一方面，本发明提供：

阴极；

阳极，其包括包含MO₂纳米粒子的催化剂材料，其中M选自Mo、W、Ru、Re、Os或Ir；及

电解质，其布置在所述阴极和所述阳极之间。

在所公开的重整技术的另一方面，公开了主要由二氧化钼(MoO₂)组成的催化剂材料。其它可能的催化剂材料包括但不限于表现出其中阳离子可以多于一个价态存在的高导电性的陶瓷氧化物。另外的可能的催化剂材料包括但不限于具有化学通式MO₂(其中M＝Mo、W、Ru、Re、Os、Ir)的金属氧化物，该金属氧化物表现出适合用作在利用烃和/或生物燃料作为直接进料的燃料电池中的电极的离子电导性和导电性。表现出离子电导性和导电性的此类催化剂被称为“混合传导性”材料。在某些实施方式中，M是可以多于一个价态存在的阳离子。

在另一实施方式中，催化剂可任选地掺杂有选自包括SiO₂、TiO₂、SnO₂和CeO₂、或这些氧化物中的一种或多种的混合物的组的掺杂剂。催化剂可任选地掺杂有上文未列举的其它氧化物。在一个实施方式中，掺杂剂浓度通常小于50％。在某些实施方式中，掺杂剂氧化物在主体氧化物中可表现出部分固溶度。