专利名称：燃料电池系统用水气转化催化剂,制备方法和燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂，其制备方法，以及包括该催化剂的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是通过氧化剂和燃料的电化学氧化还原反应产生电能的发电系统，所述燃料例如氢，或诸如甲醇、乙醇、天然气等的烃类物质。这样的燃料电池是一种能替代矿物燃料的清洁能源。它包括由单元电池构成的电池堆，并产生各种范围的功率输出。由于它具有小型锂电池四到十倍的能量密度，已突出地用作小型便携式能源。
典型的示例性的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池包括以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池。
聚合物电解质燃料电池具有高能量密度和高功率的优点，但问题在于需要小心处理氢气和需要辅助设备，例如用于重整甲烷或甲醇，天然气等的燃料重整处理器，以产生用作燃料气的氢。
相反，直接氧化燃料电池的能量密度比聚合物电解质燃料电池低，而且具有容易处理、低操作温度和无需额外的燃料重整处理器的优点。
在上述燃料电池系统中，发电的电池堆基本包括若干到许多相互邻接堆叠的单元电池，且每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)构成。膜电极组件由通过聚合物电解质膜分开的阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)构成。
燃料被提供到阳极并吸附在阳极催化剂上，该燃料被氧化以产生质子和电子。电子通过外部电路移动到阴极，质子则通过聚合物电解质膜移动到阴极。此外，氧化剂被提供到阴极，然后氧化剂、质子和电子在阴极催化剂上反应产生电流和水。
燃料电池系统由电池堆、重整装置、燃料箱和燃料泵组成。电池堆形成燃料电池系统的主体，燃料泵将贮存在燃料箱中的燃料提供给重整装置。重整装置将燃料重整以产生氢气，并将氢气提供给电池堆。
通常燃料电池系统的重整装置包括利用热能通过催化剂重整反应使燃料产生氢气的重整反应部，以及通过氢气与氧化剂的氧化反应降低氢气中一氧化碳浓度的一氧化碳减少部。这样的重整反应通过重整催化剂完成，因此目前正在着手有关重整催化剂的大量研究工作发明内容本发明的一个实施方式提供一种用于燃料电池系统重整装置的具有优异水气转化效率的水气转化催化剂。
本发明的另一个实施方式提供一种制备所述水气转化催化剂的方法。
本发明的又一个实施方式提供一种用于包括所述水气转化催化剂的燃料电池的膜电极组件。
根据本发明的一种实施方式，用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂包括含有粘土和充填在所述粘土层间的ZnO的载体；和含有负载在所述载体上的CuO的活性材料。
根据本发明的另一个实施方式，提供一种包括粘土；和充填在所述粘土层间的ZnO和CuO的水气转化催化剂。
根据本发明的又一个实施方式，提供一种制备水气转化催化剂的方法。该方法包括将粘土加入Zn化合物溶液中；将碱加入所得混合物中以进行水解；干燥所述水解产物以制备载体；将Cu前体溶液加入所述载体；和煅烧所得混合物。
根据本发明的再一个实施方式，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括重整装置，其包括利用热能通过催化剂重整反应由燃料产生氢气的重整反应部，和通过氢气和氧化剂的氧化反应降低氢气中一氧化碳的浓度的一氧化碳减少部；至少一个发电元件用于通过氢气和氧化剂的电化学反应产生电能；燃料供给装置用于向所述重整反应部供给燃料；氧化剂供给装置用于向所述一氧化碳减少部和发电元件供给氧化剂；和冷却装置，适于通过将供给到所述重整反应部的燃料循环到所述一氧化碳减少部来冷却由所述一氧化碳减少部产生的热量。所述重整装置包括上述水气转化催化剂。
图1是根据本发明实施方式的燃料电池系统的结构示意图。
图2是表示根据本发明实施例1的水气转化催化剂的CO转化率的图表。
图3是表示根据本发明对比例1的水气转化催化剂的CO转化率的图表。
图4是表示根据本发明实施例1的载体的X射线衍射图。
图5是表示根据本发明对比例1的载体的X射线衍射图。
具体实施例方式
根据本发明的一个实施方式，提供用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂。燃料电池系统通常包括发电元件和燃料供给装置。聚合物电解质燃料电池进一步包括用于通过重整燃料产生氢气的重整装置。
所述重整装置包括利用热能通过催化剂重整反应由燃料产生氢气的重整反应部，以及用于降低氢气中一氧化碳浓度的一氧化碳减少部。
在该一氧化碳减少部中，进行水气转化反应。进行该水气转化反应降低氢气中的一氧化碳浓度。
根据本发明的一个实施方式，水气转化催化剂包括含有粘土和充填在所述粘土层间的ZnO的载体，含有负载在所述载体上的CuO的活性材料。充填有ZnO的粘土被称作加固粘土(pillared clay)。
此外，根据本发明的另一个实施方式，水气转化催化剂包括粘土；以及充填在该粘土层间的ZnO和CuO。
在一个实施方式中，所述粘土在被ZnO充填之前的层间距离可为约13，但是，在被ZnO(或者，被CuO)充填之后变为16～18。
根据本发明的一个实施方式，负载在载体上的CuO的量可在20～40wt％的范围内。根据本发明的另一个实施方式，该量可在25～30wt％的范围内。
当CuO以低于20wt％的量被负载时，存在活性位点的浓度低的问题；而当大于40wt％时，存在该催化剂稳定性低的问题。
另外，根据本发明的一个实施方式，水气转化催化剂包括20～40wt％的ZnO和20～40wt％的CuO。根据本发明的另一个实施方式，其可包括25～30wt％的ZnO和25～30wt％的CuO。当包含的ZnO的量低于20wt％时，具有在反应温度下该催化剂稳定性低的问题；而当该量大于40wt％时，存在活性铜组份的含量过低的问题。此外，当包含的CuO的量低于20wt％时，存在活性位点的浓度低的问题；而当大于40wt％时，存在该催化剂稳定性低的问题。由于该水气转化催化剂由粘土、ZnO和CuO组成，因此粘土的量可为从总量中减去ZnO和CuO的量而得到的平衡量。
根据本发明的一个实施方式，水气转化催化剂可另外包括Cu、Au、Ru、Pt、Na、Ca、K或其混合物。在所述添加剂中，以100重量份的水气转化催化剂计，Cu、Au、Ru或Pt的含量可以为1～5重量份。根据本发明的另一个实施方式，其含量可为2.5～3重量份。当Cu、Au、Ru或Pt的含量小于1重量份时，它们可能几乎不起作用；而当大于5重量份时，铜活性的降低多于催化剂活性的升高。在另外的实施方式中，在所述添加剂中，以100重量份的水气转化催化剂计，Na、Ca或K的含量可为0.01～0.5重量份。根据本发明的另一个实施方式，其含量可为0.1～0.2重量份。
根据本发明的该实施方式，由于包含在粘土层间充填有ZnO的粘土的载体可为纳米颗粒，其可具有大的反应比表面积和优异的催化剂活性。此外，由于ZnO和CuO被均匀混合，该载体可非常稳定。
本发明制备水气转化催化剂的方法包括将粘土加入Zn化合物溶液中的步骤。在一个实施方式中，该Zn化合物可包括Zn硝酸盐、Zn醋酸盐或Zn盐酸盐。在此，溶剂可包括水。
粘土的非限制性例子包括叶蜡石-滑石、蒙脱土(MMT)、锂蒙脱土、氟代锂蒙脱土、皂石、高岭土、蛭石、伊利石、云母、脆云母或其混合物。
根据本发明的该实施方式，基于1g粘土，可包含1×10-3～5×10-3M的Zn化合物，而根据本发明的再一个实施方式，可包含2×10-3～3×10-3M的Zn化合物。当Zn的含量小于1×10-3M时，在改性粘土中Zn含量往往过少。而当大于5×10-3M时，在改性粘土中Zn含量可能过多。
接下来，在所得Zn和粘土混合物中加入碱，随后，水解该混合物。在一个实施方式中，所述碱可包括氢氧化铵(NH4OH)、NaOH、KOH、RbOH或CsOH，或其混合物。
在一个实施方式中，基于1M的Zn，所述碱的加入量为1～1.2M，而根据本发明的另一个实施方式，其加入量可为1.05～1.15M。当碱以小于1M的量加入时，Zn化合物不能很好地水解，因而粘土中的Zn含量可能过多。另一方面，当所述量大于1.2M时，其水解速度可能过快以至于形成氧化锌。
水解产物被搅拌，随后干燥，获得包括充填有ZnO的加固粘土的载体。在干燥前可将搅拌的产物过滤，以减少干燥时间，还可简化工艺。
该载体可包含20～60wt％的ZnO。当所含ZnO的量低于20wt％时，改性粘土的稳定性可很差，而当大于60wt％时，催化剂可含有低活性的组份，因而活性变差。
接下来，将该载体加入Cu前体溶液中。在一个实施方式中，Cu前体可包括Cu硝酸盐、Cu醋酸盐、Cu盐酸盐或其混合物。这些化合物也可以水合的形式使用。在该Cu前体溶液中，溶剂可包括水。
在一个实施方式中，Cu前体可以生成20～40wt％CuO的量加入，而根据本发明的另一个实施方式，可以生成25～30wt％的CuO的量加入。
当所含Cu前体形成少于20wt％的CuO时，活性位点可变小，但当大于40wt％时，催化剂的稳定性变差。
在该附加的工艺后，Cu、Au、Ru、Pt、Na、Ca、K或其混合物作为添加剂可加入所得的产物中。这个附加的工艺可通常包括湿浸方法。在一个实施方式中，在该添加剂中，Cu、Au、Ru或Pt的含量可为1～5wt％。根据本发明的另一个实施方式，它们的含量可为2.5～3wt％。在一个实施方式中，Na、Ca或K的含量可为0.01～0.5wt％，而根据本发明的另一个实施方式，它们的含量可为0.1～0.2wt％。
然后，煅烧所得混合物以制备催化剂。在一个实施方式中，该煅烧工艺可在300～500℃的温度范围内进行。当煅烧在低于300℃下进行时，在水气转化反应中催化剂的稳定性变差。相反，当高于500℃时，催化剂具有有限的孔结构。在另外的实施方式中，煅烧工艺可在1℃/分钟的低升温速率下通过加热所述混合物而进行。
根据该过程制备水气转化催化剂。CuO和ZnO可充填到粘土的层间，或可负载在作为载体的粘土上。
当水气转化催化剂用于燃料电池系统时，该燃料电池系统可参考图1来描述。
如图1所示，燃料电池系统100包括电池堆10，其包括通过电化学反应产生电能的发电元件11；重整装置30，其由液体燃料产生氢气并提供氢气；燃料供给装置50，用于给重整装置30提供燃料；和氧化剂供给装置70，用于分别给重整装置30和发电元件11提供氧化剂。
发电元件11作为最小的发电单元通过在两个隔板16间布置膜电极组件(MEA)12而形成，然后电池堆10通过把若干最小单元布置为层叠结构而形成。膜电极组件12包括阳极和阴极，并进行氢气的氧化和氧化剂的还原反应。隔板16通过形成在膜电极组件12两侧的气体通路提供氢气和氧化剂，并且也作为导体串联连接阳极和阴极。
如图1所示，电池堆10可另外包括压板13用于在电池堆10的最外端定位两个以上的发电元件11以相互紧密地邻接。然而，根据本发明实施方式的燃料电池的电池堆10可通过将隔板16设置在发电元件11的最外端起到挤压发电元件11的作用以代替采用分离的压板13而形成。相反，压板13和14可被形成为除了紧密地布置所述两个以上的发电元件11外，其本身还起到隔板16的作用。
压板13包括第一入口13a以向发电元件11提供氢气，第二入口13b以从氧化剂供给装置70向发电元件11提供氧化剂，第一出口13c以释放在膜电极组件12的阳极上反应后剩余的氢气，以及第二出口13d以释放含有湿气的非反应的空气，所述湿气是通过在膜电极组件1 2的阴极上氧化剂的还原反应产生的。
重整装置30具有利用热能通过化学催化反应由燃料产生氢气以及用于降低该氢气中一氧化碳浓度的结构。
重整装置30包括热源31，通常用于通过燃料和氧化剂的催化氧化反应产生热能；重整反应部32，用于利用所述热能通过蒸汽重整催化剂反应由燃料产生氢气；以及一氧化碳减少部33，用于降低包含在氢气中的一氧化碳浓度。
热源31通过第一供给管线91与燃料箱51相连接，并通过第二供给管线92与氧化剂泵71连接。液体燃料和氧化剂经过所述热源。在一个实施方式中，热源31包括加速燃料和氧化剂的氧化反应以产生热能的催化剂层(未示出)。在此，热源31为板的形式，其中提供通路(未示出)以使液体燃料和氧化剂流入。该通路的表面覆有催化剂层。热源31形成为具有预定内部空间的圆柱形。该内部空间可填充催化剂层，例如粒型催化剂或蜂窝型催化剂的形式。
重整反应部32吸收热源31产生的热能，以便通过由燃料箱51供给的燃料的蒸汽重整催化剂重整反应而产生氢气。重整反应部32通过第三供给管线93直接与热源31连接。此外，重整反应部32包括用于通过加速燃料的蒸汽重整反应以产生氢气的催化剂层(未示出)。在此，重整反应部32包括能够流入燃料的通路(未示出)。该通路的表面覆有催化剂层。重整反应部32形成为具有预定内部空间的圆柱形。该内部空间可填充催化剂层，例如粒型催化剂或蜂窝型催化剂的形式。
一氧化碳减少部33通过氢气与空气的优先CO氧化催化剂反应降低氢气中的一氧化碳浓度。氢气由重整反应部32产生，空气由氧化剂泵71供给。一氧化碳减少部33通过第四供给管线94与重整反应部32连接，并通过第五供给管线95与氧化剂泵71连接。因此，氢气和氧化剂经过所述一氧化碳减少部。一氧化碳减少部33可包括含有催化剂的催化剂层(未示出)。该催化剂加速优先氧化反应以降低包含在氢气中的一氧化碳浓度。在此，一氧化碳减少部33包括能够流入燃料的通路(未示出)。该通路的表面覆有催化剂层。一氧化碳减少部33形成为具有预定内部空间的圆柱形。该内部空间可填充催化剂层，例如粒型催化剂组件或蜂窝型催化剂组件。
在一个实施方式中，一氧化碳减少部33通过第六供给管线96与电池堆10的第一入口13a连接。一氧化碳减少部33向电池堆10的发电元件11供给氢气，其中在氢气中的一氧化碳浓度被一氧化碳减少部33降低。此外，一氧化碳减少部33可由导热的不锈钢、铝、铜、铁等形成。
构成上述燃料电池系统的发电元件的膜电极组件包括阳极和阴极，以及插入该阴极和阳极间的聚合物电解质膜。
阴极和阳极的每一个均包括电极基片和催化剂层。
在一个实施方式中，该催化剂层包括铂类催化剂，其选自由铂、钌、锇、铂-钌合金、铂-锇合金、铂-钯合金、铂-M合金(其中M是选自由Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、Ru及其组合所组成组中的过渡元素)及其组合所组成的组中。更具体地，所述铂类催化剂的非限制性例子选自Pt、Pt/Ru、Pt/W、Pt/Ni、Pt/Sn、Pt/Mo、Pt/Pd、Pt/Fe、Pt/Cr、Pt/Co、Pt/Ru/W、Pt/Ru/Mo、Pt/Ru/V、Pt/Fe/Co、Pt/Ru/Rh/Ni、Pt/Ru/Sn/W及其组合所组成的组中。
这样的金属催化剂可以以金属自身的形式(黑催化剂)或以负载在载体上的形式来使用。在一个实施例中，所述载体可包括碳，例如石墨、登卡黑(denka black)、科琴黑(ketjen black)、乙炔黑、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线、碳纳米球或活性碳；或无机粒子，例如氧化铝、二氧化硅、氧化锆或二氧化钛。通常采用碳。当催化剂包括负载在载体上的贵金属时，其可包括任何市售的或通过将贵金属负载在载体上而制备的材料。将贵金属负载在载体上的工艺是本领域技术人员所熟知的，因此，在此略去其详细描述。
催化剂层可进一步包括粘合剂树脂以改进其粘附性和质子移动性。在一个实施方式中，粘合剂树脂可以是质子传导聚合物树脂，所述聚合物在侧链上具有选自由磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团及其衍生物所组成组中的阳离子交换基团。所述聚合物的非限制性例子包括选自如下组中的至少一种质子传导聚合物氟代类聚合物、苯并咪唑类聚合物、聚酰亚胺类聚合物、聚醚酰亚胺类聚合物、聚苯硫醚类聚合物、聚砜类聚合物、聚醚砜类聚合物、聚醚酮类聚合物、聚醚醚酮类聚合物和聚苯基喹喔啉类聚合物。在一个实施方式中，质子传导聚合物是至少一种选自如下组中的聚合物聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯和具有磺酸基的氟代乙烯基醚共聚物、聚醚酮硫化物、芳基酮、聚(2，2′-(间-亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑)和聚(2，5-苯并咪唑)。
在质子传导聚合物末端的离子交换基团中的H可被Na、K、Li、Cs或四丁基铵取代。当质子传导聚合物末端的离子交换基团中的H被Na取代时，可采用NaOH。当H被四丁基铵取代时，可采用四丁基氢氧化铵。也可采用适当的化合物用K、Li或Cs置换。置换H的方法是本领域已知的，因此不再详述。
聚合物树脂可以被单独使用，也可以使用混合物。可以将粘合剂树脂可与非传导聚合物一起使用以进一步提高聚合物电解质膜和催化剂层间的粘附力，也可不与非传导聚合物一起使用。所采用的粘合剂树脂的量可根据其使用目的来调整。
非传导聚合物的非限制性例子包括聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯/四氟乙烯(ETFE)、一氯三氟乙烯-乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、十二烷基苯磺酸、山梨醇及其组合。
电极基片支撑所述电极，并提供用于燃料和氧化剂扩散和移动到催化剂层的通路。在一个实施方式中，电极基片由下述材料形成例如炭纸、炭布或炭毡，或金属布，其包括形成在多孔布膜表面上的金属膜或由聚合物纤维构成的布，但是所述电极基片不限于此。
电极基片可包括防水的氟代类树脂以防止由于燃料电池工作期间产生的水导致扩散效率变差。在一个实施方式中，氟代类树脂可包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚六氟丙烯、聚全氟烷基乙烯基醚、聚全氟磺酰基氟烷氧基乙烯基醚、 氟化乙烯丙烯、聚一氯三氟乙烯或它们的共聚物。
在前述电极基片和催化剂层之间可增加微孔层(MPL)以增强反应物扩散作用。微孔层通常包括具有特定粒径的导电粉末。所述导电材料可包括但不限于碳粉、碳黑、乙炔黑、活性碳、碳纤维、富勒烯、纳米级碳或其组合。所述纳米级碳可包括例如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线、碳纳米角、碳纳米环或它们的组合。
通过在电极基片上涂敷包括导电粉末、粘合剂树脂和溶剂的组合物形成微孔层。所述粘合剂树脂可包括但不限于聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚六氟丙烯、聚全氟烷基乙烯基醚、聚全氟磺酰基氟、烷氧基乙烯基醚、聚乙烯醇、醋酸纤维素酯或它们的共聚物。所述溶剂可包括但不限于诸如乙醇、异丙醇、正丙醇、丁醇等的醇类，水，二甲基乙酰胺，二甲亚砜，N-甲基吡咯烷酮，四氢氟喃等。取决于所述组合物的粘度，涂敷方法可包括但不限于丝网印刷、喷涂、刮刀法、照相凹板式涂敷、浸涂、丝网遮蔽法、涂漆法等。
聚合物电解质膜可以是任何质子传导聚合物，该质子传导聚合物在其侧链上具有选自由磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团及其衍生物所组成组中的阳离子交换基团。
所述聚合物树脂的非限定性例子包括选自如下组中的至少一种质子传导聚合物氟代类聚合物、苯并咪唑类聚合物、聚酰亚胺类聚合物、聚醚酰亚胺类聚合物、聚苯硫醚类聚合物、聚砜类聚合物、聚醚砜类聚合物、聚醚酮类聚合物、聚醚醚酮类聚合物和聚苯基喹喔啉类聚合物。在一个实施方式中，质子传导聚合物是至少一种选自如下组中的聚合物聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯和具有磺酸基的氟代乙烯基醚共聚物、脱氟聚醚酮硫化物、芳基酮、聚(2，2′-(间-亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑)和聚(2，5-苯并咪唑)。在质子传导聚合物末端的离子交换基团中的H可被Na，K，Li，Cs或四丁基铵取代时。当在质子传导聚合物末端的离子交换基团中的H被Na取代时，可采用NaOH。当H被四丁基铵取代时，可采用四丁基氢氧化铵。也可采用适当的化合物被K、Li或Cs取代。置换H的方法是本领域已知的，因此不再详述。
以下实施例用于更详细地说明本发明。然而，可以理解，本发明并不局限于这些实施例。
实施例1蒙脱土以1wt％的浓度加入Zn硝酸盐水溶液中。控制Zn硝酸盐水溶液的量直到Zn的量为每克蒙脱土2.75毫摩尔。
在所得的混合物中加入氢氧化铵水溶液进行水解，并基于1M的Zn将碱调节为1.1M。
水解产物搅拌24小时，然后过滤。过滤产物在200℃干燥以制备载体。
该载体在Cu(NO3)2·3H2O的水溶液中浸渍。浸渍产物在500℃煅烧以制备催化剂。在此，每克载体使用1.318073g的Cu(NO3)2·3H2O。所制备的水气转化催化剂包括25wt％的ZnO和30wt％的CuO。
然后，测量实施倒1的水气转化催化剂的依赖于温度的CO转化率。结果示于图2。测量条件如下反应器中加载的催化剂量30ml输入气流速率380ml/min输出流速率430ml/min水(液体)0.11ml/min反应气体组份CO2＝19.20％/CO＝10.10％/N2＝5.01％/H2＝65.69％空速(无水)800h-1
此外，测量作为对比例1的市售水气转化催化剂SHT 4(SHT4包括89wt％的氧化铁，2wt％的氧化铬，7wt％的三氧化铬和2wt％的氧化铜，颗粒尺寸为约3.2×3.2mm，Engelhard公司)依赖于温度的CO转化率，结果示于图3。测量条件如下反应器中加载的催化剂量20ml反应气流速度380ml/min反应气释放速度430ml/min水(液体)0.11ml/min反应气体组份CO2＝19.20％/CO＝10.10％/N2＝5.01％/H2＝65.69％空速(无水)1200h-1如图2和图3所示，与对比例1相比，实施例1的催化剂在各方面具有较好的一氧化碳转化率；也就是说，与对比例1相比，在实施例1的催化剂上发生的用来减少一氧化碳的水气转化反应更有效。
另外，测量了实施例1中制备的载体和对比例1中所用载体的X射线衍射。结果示于图4和图5中。如图4和图5所示，实施例1的2θ小于对比例1。粘土的层间距离与2θ成反比，因而与对比例1相比，实施例1的粘土的层间距更宽。因此，可预料，ZnO被填充到根据实施例1的粘土的层间。
由结果可知，本发明的用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂具有优异的水气转化效率。
本发明已连同作为示例性的实施方式进行了详细描述，应理解，本发明并不限于所公开的实施方式，而倾向于覆盖所附权利要求所包含的精神和范围中的各种改变和等同替换。
权利要求
1.一种用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂，包括载体，其包括粘土的层和填充在所述粘土层间的ZnO；和活性材料，其包括负载在该载体上的CuO。
2.根据权利要求1所述的水气转化催化剂，其中CuO的负载量在20～40wt％的范围内。
3.根据权利要求2所述的水气转化催化剂，其中CuO的负载量在25～30wt％的范围内。
4.根据权利要求1所述的水气转化催化剂，其中ZnO的含量在20～40wt％的范围内，和CuO的含量在20～40wt％的范围内。
5.一种用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂，包括粘土的层；和填充在所述粘土层间的ZnO和CuO。
6.根据权利要求5所述的水气转化催化剂，其中ZnO的含量在20～40wt％的范围内，和CuO的含量在20～40wt％的范围内。
7.一种制备用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂的方法，包括将粘土加入Zn化合物溶液中以形成第一混合物；将碱加入该第一混合物中以进行水解和形成水解产物；干燥所述水解产物以制备载体；将Cu前体溶液加入所述载体中以形成第二混合物；和煅烧该第二混合物。
8.根据权利要求7所述的方法，其中Zn化合物选自由Zn硝酸盐、Zn醋酸盐、Zn盐酸盐及其组合所组成的组中。
9.根据权利要求7所述的方法，其中粘土选自由叶蜡石-滑石、蒙脱土(MMT)、锂蒙脱土、氟代锂蒙脱土、皂石、高岭土、蛭石、伊利石、云母、脆云母及其组合所组成的组中。
10.根据权利要求7所述的方法，其中基于1g粘土，以1×10-3～5×10-3M范围内的量加入Zn化合物溶液。
11.根据权利要求10所述的方法，其中基于1g粘土，以2×10-3～3×10-3M范围内的量加入Zn化合物溶液。
12.根据权利要求7所述的方法，其中基于1M的Zn，以1～1.2M范围内的量加入碱。
13.根据权利要求7所述的方法，其中在300～500℃的温度范围内进行煅烧。
14.根据权利要求7所述的方法，其中Cu前体选自由Cu硝酸盐、Cu醋酸盐、Cu盐酸盐及其组合所组成的组中。
15.一种燃料电池系统，包括重整装置，该重整装置包括重整反应部，适于利用热能通过催化剂重整反应由燃料产生氢气，和一氧化碳减少部，适于通过氢气和氧化剂的氧化反应降低氢气中一氧化碳的浓度；至少一个发电元件，适于通过氢气和氧化剂的电化学反应产生电能；燃料供给装置，适于向所述重整反应部供给燃料；氧化剂供给装置，适于向所述一氧化碳减少部和发电元件供给氧化剂；和冷却装置，适于通过将供给到所述重整反应部的燃料循环到所述一氧化碳减少部来冷却由所述一氧化碳减少部产生的热量，其中所述重整装置包括水气转化催化剂，该催化剂包括载体，该载体含有粘土的层和填充在所述粘土层间的ZnO，和含有负载在载体上的CuO的活性材料。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中CuO的负载量在20～40wt％的范围内。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中CuO的负载量在25～30wt％的范围内。
18.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中ZnO的含量在20～40wt％的范围内，和CuO的含量在20～40wt％的范围内。
19.一种燃料电池系统，包括重整装置，该重整装置包括重整反应部，适于利用热能通过催化剂重整反应由燃料产生氢气，和一氧化碳减少部，适于通过氢气和氧化剂的氧化反应降低氢气中一氧化碳的浓度；至少一个发电元件，适于通过氢气和氧化剂的电化学反应产生电能；燃料供给装置，适于向所述重整反应部供给燃料；氧化剂供给装置，适于分别向所述一氧化碳减少部和发电元件供给氧化剂；和冷却装置，适于通过将供给到所述重整反应部的燃料循环到所述一氧化碳减少部来冷却由所述一氧化碳减少部产生的热量，其中所述重整装置包括水气转化催化剂，其包括粘土的层；和填充在所述粘土层间的ZnO和CuO。
20.根据权利要求19所述的燃料电池系统，其中ZnO的含量在20～40wt％的范围内，和CuO的含量在20～40wt％的范围内。
全文摘要
本发明公开了一种用于燃料电池系统重整装置的水气转化催化剂，其中的载体包括粘土和填充在所述粘土层间的ZnO；以及包括负载在该载体上的CuO活性材料。
文档编号H01M8/04GK101017899SQ20071000500
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月9日 优先权日2006年2月10日
发明者利奥尼德·戈罗宾斯凯 申请人:三星Sdi株式会社