[发明专利]氢气氧化催化剂、其用途和用于氢重组的方法

说明书

本发明涉及氢气氧化催化剂、其用途和用于氢重组的方法。

在核电站中，将与放射性物质接触的所有部件收集在所谓的“核岛(Nuclear Island)”中。这包括具有主回路的安全容器(内安全壳)，溢流池和堆芯捕集器。在安全容器的上部可以安装应当限制气氛中的氢气份额的催化重组器或重组系统，以防止氢气爆炸。

在核电站中，尤其是在压水反应堆和沸水反应堆中，还有在冷却槽和所有水与核燃料棒接触的其它区域中，由于水在热的燃料棒表面辐射分解可以产生大量氢气和氧气。在热的金属和水(蒸汽)之间的其它接触面上，尤其在主回路的组件中，水分解成氢气和氧气也是可能的。如果氢气聚集在核岛的建筑中，则可能产生爆炸性气氛，假如其爆炸则可能导致反应堆压力容器和主回路的其它区域的破坏，在这种情况下预期大量放射性材料的释放。这样的待分级为高危事故的事件的实例是福岛核灾难。

为了避免这种类型的核灾难，近期为核电站配备或加装了重组系统。在此是指被动系统，其目的在于在室温下在大气条件下将形成的氢气重新氧化成水蒸汽，并因此避免爆炸性气氛的产生。该过程必须在没有主动元件如加热器、鼓风机等的情况下，尤其甚至在备用电源中断时自动启动和运行并且自身继续维持。在这种情况下，对于新鲜的催化剂材料而言，例如对于储存的或暴露于安全容器中占优势的运行状态的催化剂材料而言，反应的启动必须安全地发生。对于冷却槽和燃料元件容器而言可以使用重组器，所述重组器保证可以将释放的氢气在其达到爆炸浓度之前反应成水。即该催化剂既适合于运行的，也适合于关闭的核电站、原子能工业废物处理厂和燃料元件储存库。

出于此目的，已知用0.4-0.5重量％的Pd掺杂的Al₂O₃松散材料催化剂，其在耗费的方法中用有机硅化合物疏水化，由此即使在高的水蒸汽浓度下，如由于温度升高而不可避免发生的故障的水蒸汽浓度下可以进行重组催化。该制备方法昂贵且在制备过程中具有严重的技术上的问题。此外，疏水化的层在高于约180℃是分解。这是令人不满意的，因为在正常运行中有机物质可以从安全容器的气氛中沉积在催化剂上，它们通过堵塞表面而降低催化剂的效率。通过燃烧有机物质再生催化剂而不破坏疏水层是不可能的。因此仅剩下在重装的情况下的催化剂的置换，这与采购和清除旧的催化剂的高成本相联系。此外，由于在这种情况下发生的放热的疏水化层的分解可能恰巧提供导致爆炸的火花。

此外，彼此独立悬挂设置的具有纯无机涂层的基于金属板的重组催化剂(例如在Al₂O₃上的Pd)是已知的。由此降低了重组器中的气体速率和压力损失。这是重要的，因为必须通过自动对流被动地进行启动。另外，金属片可以通过燃烧在重装时再生，然而缺点在于由于Al2O3的亲水性而需要相对大量的贵金属，以抵抗高水负荷的抑制和去活作用和保证重组催化剂的功能性能。

因此本发明的目的在于提供一种催化剂，所述催化剂即使在高的水蒸汽含量的情况下也可以用于重组器系统中、具有良好的可再生性，且此外在相同效力时由于较少的贵金属掺杂而出众。

该目的通过根据权利要求1的氢气氧化催化剂、根据权利要求12的所述氢气氧化催化剂的用途和根据权利要求14的在核电站、原子能工业废物处理厂或燃料元件储存库中用于氢重组的方法得以解决。

在一种实施方案中提供了包含沸石的氢气氧化催化剂，所述沸石包含至少一种催化活性的贵金属或其化合物，其中所述沸石是疏水性沸石。

另一种实施方案涉及包含沸石的氢气氧化催化剂在核电站、原子能工业废物处理厂或燃料元件储存库中用于氢重组和/或作为氧化催化剂的用途，所述沸石包含至少一种催化活性的贵金属或其化合物，其中所述沸石是疏水性沸石。

根据另外的实施方案，在用于核电站、原子能工业废物处理厂或燃料元件储存库中的氢重组的方法中，将氢气和氧气与包含沸石的氢气氧化催化剂，所述沸石包含至少一种催化活性的贵金属或其化合物，其中所述沸石是疏水性沸石。

令人惊讶地，根据本发明的氢气氧化催化剂的实施方案可以使得即使具有低贵金属浓度的催化剂在氢气的氧化方面也具有出色的活性以及此外具有优异的可再生性。例如当在制备时所使用的没有用贵金属负载的或未掺杂的沸石本身是疏水性时，即当其具有高的“固有的”疏水性(所述疏水性在一些实例中此外即使在直至高于1000℃的沸石结构分解的高温下也得以保持)时观察到该效果。在这种情况下，所述催化剂既可以作为松散材料使用，也可以施加至蜂窝结构或金属板上。由此可以提供氢气氧化催化剂或重组催化剂，其由于低的贵金属负载而有利的采购价格而出众。