JP2003103171A - Catalyst and method for auto thermal reforming, hydrogen producing device and fuel cell system - Google Patents
Catalyst and method for auto thermal reforming, hydrogen producing device and fuel cell systemInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素類をオー
トサーマルリフォーミング反応によって一酸化炭素およ
び水素を含む混合ガスに変換する触媒及びその方法に関
する。またオートサーマルリフォーミングによって水素
を含むガスを製造する水素製造装置、このような水素製
造装置を備える燃料電池システムに関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst for converting hydrocarbons into a mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen by an autothermal reforming reaction and a method thereof. The present invention also relates to a hydrogen production apparatus that produces a gas containing hydrogen by autothermal reforming, and a fuel cell system including such a hydrogen production apparatus.
【0002】[0002]
【従来の技術】炭化水素などの有機化合物を改質して合
成ガスや水素に転換する技術としてはスチームリフォー
ミング(SR)、オートサーマルリフォーミング(AT
R)、部分酸化(POX)など多彩な方法が開発されて
いる。2. Description of the Related Art Steam reforming (SR) and auto thermal reforming (AT) are used as techniques for reforming organic compounds such as hydrocarbons and converting them into synthesis gas and hydrogen.
Various methods such as R) and partial oxidation (POX) have been developed.
【0003】この内、SRは既に多くの技術が実用化さ
れているが、比較的大きな吸熱を伴う反応であるため、
熱交換器など熱の供給システムの負荷が大きく、起動に
時間がかかる等の点で劣る。Of these, many technologies have already been put to practical use for SR, but since it is a reaction involving a relatively large endotherm,
It is inferior in that the load on the heat supply system such as a heat exchanger is large and it takes time to start.
【0004】一方、POXはSRと逆に、起動時間は非
常に短いが、酸化に伴う発熱が大きいためその制御が難
しく、また、すすの発生抑制などの課題を有している。On the other hand, contrary to SR, POX has a very short start-up time, but it is difficult to control because of large heat generation due to oxidation, and there are problems such as suppression of soot generation.
【0005】これらに対し、ATRは燃料の一部を酸化
しながら、この時発生する熱でSRを進行させることで
反応熱のバランスを取る方法であり、比較的立ち上げ時
間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素
製造方法として注目されている。On the other hand, ATR is a method of balancing reaction heat by advancing SR by heat generated at this time while oxidizing a part of fuel, and the startup time is relatively short and control is easy. Therefore, it has recently attracted attention as a hydrogen production method for fuel cells.
【0006】ATRは通常、適当な触媒の存在下実施さ
れる。これまで、ATR用の触媒としては例えば、特開
2000−84410号公報、特開2001−8090
7号公報、「2000 Annual Progres
s Reports(Office of Trans
portation Technologies)」、
米国特許5,929,286号公報などに記載されるよ
うにニッケルおよび白金、ロジウム、ルテニウムなどの
貴金属等が活性を持つことが知られている。この中でも
ニッケルとルテニウムは両元素が比較的安価でかつ高活
性であることから注目されているが、ニッケル触媒につ
いては、SR反応に応用する場合には一般にコーキング
抑制のためにスチーム/カーボン比を高く設定しなけれ
ばならないため、ATRに関しても長期の触媒寿命を得
るためには高スチーム/カーボン比が要求されるという
欠点がある。これに対し、ルテニウム触媒はコーキング
の問題は生じにくいものの、酸素共存下高温では寿命安
定性を確保できないという課題が残されている。ATR is usually carried out in the presence of a suitable catalyst. Heretofore, as catalysts for ATR, for example, JP-A-2000-84410 and JP-A-2001-8090 are available.
No. 7, gazette, "2000 Annual Progress"
s Reports (Office of Trans)
portation Technologies) ",
As described in US Pat. No. 5,929,286, it is known that nickel and precious metals such as platinum, rhodium and ruthenium have an activity. Of these, nickel and ruthenium have attracted attention because both elements are relatively inexpensive and highly active. However, for nickel catalysts, a steam / carbon ratio is generally set to suppress coking when applied to the SR reaction. Since it has to be set high, the ATR also has a drawback that a high steam / carbon ratio is required to obtain a long catalyst life. On the other hand, although the ruthenium catalyst is unlikely to cause the problem of coking, there remains a problem that the life stability cannot be secured at a high temperature in the presence of oxygen.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、長期間の安
定性に優れたATR用触媒を提供することを目的とし、
また、長期間安定して改質反応を行い、水素を製造する
ことのできるATR方法および水素製造装置を提供する
ことを目的とする。また、このように優れた水素製造装
置を有する優れた燃料電池システムを提供することを目
的とする。The object of the present invention is to provide a catalyst for ATR which is excellent in long-term stability.
Another object of the present invention is to provide an ATR method and a hydrogen production apparatus capable of producing hydrogen by performing a reforming reaction stably for a long period of time. Moreover, it aims at providing the outstanding fuel cell system which has such an outstanding hydrogen production apparatus.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ATRに
よって一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造する
方法について鋭意研究した結果、固体超強酸を担体とし
て用いた金属担持触媒を用いることにより、ATRにお
いて長期間の安定性に優れた反応系を提供できる技術を
見出し本発明を完成させたものである。Means for Solving the Problems The present inventors have earnestly studied a method for producing a mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen by ATR, and as a result, have found that a metal-supported catalyst using a solid superacid is used as a carrier. Thus, the inventors have found a technique capable of providing a reaction system excellent in long-term stability in ATR, and completed the present invention.
【0009】すなわち本発明は、鉄、コバルト、ニッケ
ル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、
イリジウムおよび白金からなる群から選択される少なく
とも1種の第VIII族金属を固体超強酸担体に担持し
たオートサーマルリフォーミング用触媒である。That is, according to the present invention, iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium,
It is a catalyst for autothermal reforming in which at least one kind of Group VIII metal selected from the group consisting of iridium and platinum is supported on a solid superacid carrier.
【0010】前記固体超強酸担体が、ジルコニウムの酸
化物もしくは水酸化物に、硫黄酸化物もしくはタングス
テン酸化物が担持されてなることが好ましい。It is preferable that the solid superacid carrier comprises a zirconium oxide or hydroxide carrying sulfur oxide or tungsten oxide.
【0011】前記第VIII族金属がルテニウムである
ことも好ましい。It is also preferred that the Group VIII metal is ruthenium.
【0012】本発明はまた、炭化水素化合物類を、酸
素、水蒸気および触媒の存在下に改質し、一酸化炭素お
よび水素を含むガス組成物を製造するオートサーマルリ
フォーミング方法において、該触媒として上記本発明の
触媒を用いることを特徴とするオートサーマルリフォー
ミング方法である。The present invention also relates to an autothermal reforming method for reforming hydrocarbon compounds in the presence of oxygen, water vapor and a catalyst to produce a gas composition containing carbon monoxide and hydrogen. An autothermal reforming method is characterized by using the catalyst of the present invention.
【0013】本発明はさらに、上記触媒を備えるオート
サーマルリフォーミング装置を有することを特徴とする
水素製造装置である。The present invention is also a hydrogen production apparatus having an autothermal reforming apparatus equipped with the above catalyst.
【0014】この水素製造装置は、さらに、前記オート
サーマルリフォーミング装置で製造された一酸化炭素と
水素を含むガス組成物から、一酸化炭素を選択除去する
一酸化炭素選択除去手段を有することができる。The hydrogen producing apparatus may further have a carbon monoxide selective removing means for selectively removing carbon monoxide from the gas composition containing carbon monoxide and hydrogen produced by the autothermal reforming apparatus. it can.
【0015】また本発明は、上記水素製造装置と、該水
素製造装置により製造される水素を燃料とする燃料電池
とを備える燃料電池システムも包含する。The present invention also includes a fuel cell system including the above hydrogen producing apparatus and a fuel cell using the hydrogen produced by the hydrogen producing apparatus as a fuel.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】本発明におけるオートサーマルリ
フォーミング(ATR)とは、炭化水素化合物類を酸
素、スチームおよび触媒の存在下、一酸化炭素および水
素を含むリフォーミングガスに変換する反応のことをい
う。この反応は、炭化水素化合物類の一部を酸化する酸
化反応と、スチームリフォーミング反応を含む。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Autothermal reforming (ATR) in the present invention is a reaction for converting a hydrocarbon compound into a reforming gas containing carbon monoxide and hydrogen in the presence of oxygen, steam and a catalyst. Say. This reaction includes an oxidation reaction that oxidizes a part of the hydrocarbon compounds and a steam reforming reaction.
【0017】原料(ATRによって改質しようとする対
象物)として好ましく使用できる炭化水素化合物類は、
基本骨格の炭素数が1〜25の、より好ましくは基本骨
格の炭素数が1〜15の有機化合物である。具体的に
は、飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素、芳香
族炭化水素などを挙げることができ、また飽和脂肪族炭
化水素、不飽和脂肪族炭化水素については、鎖状、環状
を問わず使用できる。芳香族炭化水素についても単環、
多環を問わず使用できる。このような炭化水素化合物類
は置換基を含むことができる。置換基としては、鎖状、
環状のどちらをも使用でき、例として、アルキル基、シ
クロアルキル基、アリール基、アルカリール基およびア
ラルキル基等を挙げることができる。炭化水素化合物類
及び炭化水素化合物類の置換基は、酸素、窒素、ハロゲ
ン、イオウ、等のヘテロ原子を1個以上有する非炭化水
素の置換基を更に1個以上含むことができる。非炭化水
素の置換基の例としては、ハロゲン原子(−F、−C
l、−Br、−I)、水酸基(−OH)、アルコキシ基
(−OR)、カルボキシル基(−COOH)、エステル
基(−COOR)、アルデヒド基(−CHO)、アシル
基(−C(=O)R)等が挙げられる。置換基はこれら
に限定されるものではなく、触媒を被毒するもの、もし
くは好ましくない副反応、副生物を誘発する置換基やこ
のような置換基を有する炭化水素化合物類は、適宜除去
あるいは処理して使用できる。Hydrocarbon compounds which can be preferably used as a raw material (object to be reformed by ATR) are:
An organic compound having a basic skeleton having 1 to 25 carbon atoms, and more preferably having a basic skeleton having 1 to 15 carbon atoms. Specific examples thereof include saturated aliphatic hydrocarbons, unsaturated aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and the like. For saturated aliphatic hydrocarbons and unsaturated aliphatic hydrocarbons, chain-like or cyclic Can be used regardless. Aromatic hydrocarbons are also monocyclic,
It can be used regardless of polycycle. Such hydrocarbon compounds can contain substituents. As the substituent, a chain,
Both cyclic groups can be used, and examples thereof include an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an alkaryl group and an aralkyl group. The hydrocarbon compounds and the substituents of the hydrocarbon compounds may further include one or more non-hydrocarbon substituents having one or more heteroatoms such as oxygen, nitrogen, halogen and sulfur. Examples of the non-hydrocarbon substituent include a halogen atom (-F, -C).
1, -Br, -I), hydroxyl group (-OH), alkoxy group (-OR), carboxyl group (-COOH), ester group (-COOR), aldehyde group (-CHO), acyl group (-C (= O) R) and the like. Substituents are not limited to these, and those that poison the catalyst, or those that induce undesirable side reactions or by-products, and hydrocarbon compounds having such substituents are appropriately removed or treated. Can be used.
【0018】炭化水素化合物類の具体例としてはメタ
ン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、
シクロペンタン、シクロヘキサン、ドデカンなどの飽和
脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンなどの
不飽和脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレ
ン、ナフタレンなどの芳香族炭化水素を挙げることがで
きる。また、これらの混合物も好適に使用でき、例とし
て天然ガス、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油な
ど工業的に安価に入手できる材料を挙げることができ
る。またヘテロ原子を含む置換基を有する炭化水素化合
物類の具体例としては、メタノール、エタノール、プロ
パノール、ブタノール、ジメチルエーテル、フェノー
ル、アニソール、アセトアルデヒド、酢酸などを挙げる
ことができる。また、上記原料に水素、水、二酸化炭
素、一酸化炭素、酸素などを含む原料も使用できる。例
えば、原料の前処理として水素化脱硫を実施する場合、
反応に用いた水素の残留分は特に分離することなく原料
に混合することが出来る。Specific examples of hydrocarbon compounds include methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane,
Examples thereof include saturated aliphatic hydrocarbons such as cyclopentane, cyclohexane and dodecane, unsaturated aliphatic hydrocarbons such as ethylene, propylene and butene, and aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and naphthalene. Further, a mixture of these can also be preferably used, and examples thereof include materials that are industrially inexpensively available, such as natural gas, LPG, naphtha, gasoline, kerosene, and light oil. Specific examples of the hydrocarbon compound having a substituent containing a hetero atom include methanol, ethanol, propanol, butanol, dimethyl ether, phenol, anisole, acetaldehyde, acetic acid and the like. Further, a raw material containing hydrogen, water, carbon dioxide, carbon monoxide, oxygen or the like can be used as the above raw material. For example, when performing hydrodesulfurization as a pretreatment of the raw material,
The residual hydrogen used in the reaction can be mixed with the raw material without any particular separation.
【0019】一方、原料中の硫黄濃度は改質触媒を不活
性化させる作用があるためなるべく低濃度であることが
望ましく、好ましくは50質量ppm以下、より好まし
くは20質量ppm以下とする。このため、必要であれ
ば前もって原料を脱硫することができる。On the other hand, the sulfur concentration in the raw material is desirably as low as possible because it has the effect of inactivating the reforming catalyst, and is preferably 50 mass ppm or less, more preferably 20 mass ppm or less. Therefore, if necessary, the raw material can be desulfurized in advance.
【0020】脱硫工程に供する原料中の硫黄濃度には特
に制限はなく脱硫工程において上記硫黄濃度に転換でき
る程度の硫黄濃度の原料であれば使用することができ
る。The sulfur concentration in the raw material to be subjected to the desulfurization step is not particularly limited, and any raw material having a sulfur concentration that can be converted to the above sulfur concentration in the desulfurization step can be used.
【0021】脱硫の方法にも特に制限はないが、適当な
触媒と水素の存在下水素化脱硫を行い生成した硫化水素
を酸化亜鉛などに吸収させる方法を例としてあげること
ができる。この場合用いることができる触媒の例として
はニッケル−モリブデン、コバルト−モリブデンなどを
成分とする触媒を挙げることができる。一方、適当な収
着剤の存在下必要であれば水素の共存下硫黄分を収着さ
せる方法も採用できる。この場合用いることができる収
着剤としては特許第2654515号公報、特許第26
88749号公報などに示されたような銅−亜鉛を主成
分とする収着剤あるいはニッケル−亜鉛を主成分とする
収着剤などを例示できる。The desulfurization method is also not particularly limited, but a method in which hydrodesulfurization is carried out in the presence of a suitable catalyst and hydrogen and the produced hydrogen sulfide is absorbed in zinc oxide or the like can be given as an example. In this case, examples of catalysts that can be used include catalysts containing nickel-molybdenum, cobalt-molybdenum, or the like. On the other hand, if necessary, a method of sorbing a sulfur content in the presence of hydrogen in the presence of an appropriate sorbent can also be adopted. As sorbents that can be used in this case, Japanese Patent Nos. 2654515 and 26
Examples thereof include a sorbent containing copper-zinc as a main component or a sorbent containing nickel-zinc as a main component as disclosed in Japanese Patent No. 88749.
【0022】脱硫工程の実施方法にも特に制限はなく、
本発明に係るオートサーマルリフォーミング反応器の直
前に設置した脱硫プロセスにより実施しても良いし、独
立の脱硫プロセスにおいて処理を行った原料を使用して
も良い。The method for carrying out the desulfurization step is not particularly limited, either.
It may be carried out by a desulfurization process installed immediately before the autothermal reforming reactor according to the present invention, or a raw material treated in an independent desulfurization process may be used.
【0023】反応原料には通常SRの吸熱反応をバラン
スできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱
のロスや必要に応じて設置する外部加熱と関係において
適宜添加量は決定される。その量は、ATR反応領域に
供給される原料炭化水素化合物類に含まれる炭素原子モ
ル数に対するATR反応領域に供給される酸素分子モル
数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.05
〜1、より好ましくは0.1〜0.75、さらに好まし
くは0.2〜0.6であることが望ましい。酸素/カー
ボン比が上記範囲より小さい場合発熱が少ないため外部
から多量の熱供給が必要となり、SRと実質的に変わら
ない状況に近づくという点で不利である。一方、酸素/
カーボン比が上記範囲より大きい場合には発熱が大きく
なるため熱バランスが取り難く、酸素により水素や一酸
化炭素が燃焼して消費され変性ガス得率が減少するとい
う点で不利である。Oxygen is usually added to the reaction raw material to the extent that it can generate a heat quantity that can balance the endothermic reaction of SR, but the addition quantity is appropriately determined in relation to heat loss and external heating installed as necessary. . The amount is preferably 0.05 as a ratio of the number of moles of oxygen molecules supplied to the ATR reaction region to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material hydrocarbon compounds supplied to the ATR reaction region (oxygen / carbon ratio).
˜1, more preferably 0.1 to 0.75, and still more preferably 0.2 to 0.6. When the oxygen / carbon ratio is smaller than the above range, a small amount of heat is generated and a large amount of heat needs to be supplied from the outside, which is disadvantageous in that the situation is substantially the same as SR. On the other hand, oxygen /
When the carbon ratio is larger than the above range, heat generation becomes large and it is difficult to balance the heat, and it is disadvantageous in that hydrogen and carbon monoxide are burned and consumed by oxygen and the modified gas yield is reduced.
【0024】酸素は純粋な酸素でも良いが、他のガスで
希釈されている状態のものも好適に使用でき、水蒸気、
二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、窒素などを含んで
いても良く、例えば入手容易性の点から酸素を含むガス
として空気が好適に使用される。The oxygen may be pure oxygen, but those diluted with other gas can be preferably used, such as water vapor,
It may contain carbon dioxide, carbon monoxide, argon, nitrogen, etc. For example, from the viewpoint of easy availability, air is preferably used as the gas containing oxygen.
【0025】酸素を原料に添加する方法は特に制限はな
いが、反応領域に原料炭化水素化合物と同時に導入して
も良いし、酸素含有ガスと炭化水素化合物類とを反応領
域の別々の位置から供給しても良く、あるいは酸素含有
ガスを何回かに分けて一部ずつ導入しても良い。The method of adding oxygen to the raw material is not particularly limited, but it may be introduced into the reaction region at the same time as the raw material hydrocarbon compound, or the oxygen-containing gas and the hydrocarbon compound may be introduced from different positions in the reaction region. The oxygen-containing gas may be supplied, or the oxygen-containing gas may be divided into several portions and introduced partially.
【0026】反応系に導入するスチームの量は、ATR
反応領域に供給される原料炭化水素化合物類に含まれる
炭素原子モル数に対するATR反応領域に供給される水
分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として規定さ
れ、この値は好ましくは0.3〜10、より好ましくは
0.5〜5、さらに好ましくは1〜3とする。この値が
上記範囲より小さい場合には触媒上にコークが析出しや
すくなる傾向があり、また得られる水素分率が低下する
傾向があるという点で不利であり、一方大きい場合には
改質反応は進むがスチーム発生設備、スチーム回収設備
の肥大化を招く恐れがあるという点で不利である。The amount of steam introduced into the reaction system is ATR
It is defined as the ratio of the number of moles of water molecules supplied to the ATR reaction zone to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material hydrocarbon compounds supplied to the reaction zone (steam / carbon ratio), and this value is preferably 0.3. -10, more preferably 0.5-5, still more preferably 1-3. If this value is smaller than the above range, coke tends to precipitate on the catalyst, and the hydrogen content obtained tends to decrease, while it is disadvantageous if the value is larger. However, it is disadvantageous in that it may lead to enlargement of steam generation equipment and steam recovery equipment.
【0027】スチームを炭化水素化合物類に添加する方
法は特に制限はないが、反応領域に原料炭化水素化合物
と同時に導入しても良いし、反応領域の別々の位置から
あるいは何回かに分けて一部ずつ導入しても良い。The method of adding steam to the hydrocarbon compound is not particularly limited, but it may be introduced into the reaction region at the same time as the starting hydrocarbon compound, or it may be introduced from different positions in the reaction region or divided into several times. You may introduce them part by part.
【0028】また、一酸化炭素を主に取得する目的など
の場合においては、二酸化炭素を原料ガスに添加するこ
とも出来る。この場合の二酸化炭素の添加量は、ATR
反応領域に供給される原料炭化水素類に含まれる炭素原
子モル数(二酸化炭素分は除く)に対するATR反応領
域に供給される二酸化炭素分子モル数の比(二酸化炭素
/カーボン比)として規定され、その値は好ましくは
0.1〜5、より好ましくは0.1〜3の範囲である。
しかし、特に水素の製造が目的の場合、必ずしも二酸化
炭素の添加は必要ではない。Carbon dioxide may be added to the raw material gas for the purpose of mainly obtaining carbon monoxide. The amount of carbon dioxide added in this case is
It is defined as a ratio (carbon dioxide / carbon ratio) of the number of moles of carbon dioxide molecules supplied to the ATR reaction region to the number of moles of carbon atoms (excluding carbon dioxide content) contained in the raw material hydrocarbons supplied to the reaction region, Its value is preferably in the range of 0.1 to 5, more preferably 0.1 to 3.
However, the addition of carbon dioxide is not always necessary, especially for the purpose of producing hydrogen.
【0029】固体超強酸とは、ハメット酸度関数
(H0)<−11.93(「超強酸・超強塩基」田部浩
三、野依良治共著、講談社サイエンティフィック<19
80>)であり、100%硫酸よりも強い酸強度を持つ
ような固体酸をいい、この定義に該当するものは広く用
いることができる。例としてチタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、鉄、アルミニウム、スズ等の水酸化物もしく
は酸化物を担体として硫黄酸化物もしくはタングステン
酸化物を担持したものを挙げることができる。Solid superacid means the Hammett acidity function (H 0 ) <-11.93 ("Superacid / superbase" by Kozo Tabe and Ryoji Noyori, Kodansha Scientific <19.
80>), which is a solid acid having a stronger acid strength than 100% sulfuric acid, and those corresponding to this definition can be widely used. As an example, there may be mentioned those in which a hydroxide or oxide of titanium, zirconium, hafnium, iron, aluminum, tin or the like is used as a carrier and sulfur oxide or tungsten oxide is supported.
【0030】これらの固体超強酸の調整方法は例えば、
上記のような担体に硫黄酸化物あるいはタングステン酸
化物の前駆体を担持した後焼成することにより行うこと
ができる。硫黄酸化物前駆体の例としては硫酸、硫酸ア
ンモニウム、塩化スルフリル、塩化チオニル、SO2ガ
ス等を挙げることができ、また、タングステン酸化物前
駆体の例としてはメタタングステン酸アンモニウム、パ
ラタングステン酸アンモニウム、12タングストリン酸
等を挙げることができる。The preparation method of these solid superacids is, for example,
It can be carried out by supporting a precursor of sulfur oxide or tungsten oxide on the carrier as described above and then firing. Examples of sulfur oxide precursors include sulfuric acid, ammonium sulfate, sulfuryl chloride, thionyl chloride, SO 2 gas, and the like, and examples of tungsten oxide precursors include ammonium metatungstate, ammonium paratungstate, 12 tungstophosphoric acid etc. can be mentioned.
【0031】担持の方法は公知の適当な方法を採用でき
るが、水などの適当な溶媒に溶解した後担体を懸濁させ
溶媒を乾燥するなどの方法を取ることができる。塩化ス
ルフリル、塩化チオニルなどの水と反応しやすい前駆体
を用いる場合にはヘキサン、塩化メチレンなどの溶媒を
用いることが望ましい。As a method of loading, a known appropriate method can be adopted, but a method of dissolving in a suitable solvent such as water, suspending the carrier and drying the solvent can be employed. When using a precursor that easily reacts with water, such as sulfuryl chloride or thionyl chloride, it is desirable to use a solvent such as hexane or methylene chloride.
【0032】超強酸性を発現させる方法としては、この
ようにして得られた前駆体が担持された担体を焼成する
ことが一般に採用される。このための焼成温度は、担体
と硫黄酸化物前駆体、あるいはタングステン酸化物前駆
体の組み合わせにより適宜選択される。具体例を挙げる
ならば、硫黄酸化物−ジルコニウム酸化物の組み合わせ
の場合、好ましくは500℃〜800℃、より好ましく
は600℃〜700℃の範囲であり、タングステン酸化
物−ジルコニウム酸化物の組み合わせの場合、好ましく
は700℃〜1000℃、より好ましくは800℃〜9
00℃の範囲である。しかし、焼成後上記の超強酸の定
義に相当するものが得られれば良く、これらの条件に限
定されるものではない。超強酸であることの確認は、例
えば「J.Chem. Soc. Chem. Commun. 1259(198
9)」、「J. Chem. Soc. Chem.Commun. 1148(1
979)、J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1851(1
980)」、「J. Am. Chem. Soc. 101,6439
(1979)」などに記載されるパラフィンの骨格異性
化や酸強度測定によって行うことができる。As a method of expressing super-strong acidity, it is generally adopted to calcine the carrier carrying the precursor thus obtained. The firing temperature for this purpose is appropriately selected depending on the combination of the carrier and the sulfur oxide precursor or the tungsten oxide precursor. If a specific example is given, in the case of the combination of sulfur oxide-zirconium oxide, it is preferably in the range of 500 ° C. to 800 ° C., more preferably 600 ° C. to 700 ° C. In this case, preferably 700 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 9 ° C.
It is in the range of 00 ° C. However, it is only necessary that a substance corresponding to the above definition of the super strong acid can be obtained after firing, and the conditions are not limited to these. Confirmation of being a super strong acid can be performed by, for example, “J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1259 (198
9) ”,“ J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1148 (1
979), J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1851 (1
980) "," J. Am. Chem. Soc. 101, 6439.
(1979) ”and the like, and skeleton isomerization of paraffin and acid strength measurement can be performed.
【0033】本発明においては、以上に述べた固体超強
酸にオートサーマルリフォーミングに活性な金属を担持
した触媒を用いる。この時、活性金属とは、鉄、コバル
ト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オ
スミウム、イリジウム、白金からなる群から選択される
第VIII族金属であり、該活性金属を含む触媒はこれ
ら内のいずれか一つあるいは複数の金属種を含有する
が、比較的低価格であり、活性が高く、コーキングが起
きにくいという観点から好ましくはルテニウムを含有す
る触媒が用いられる。なお、上記第VIII族金属につ
いては、その価数は問わず、0価の状態でも、それ以外
の価数で、例えば酸化物などの化合物の形態でもよい。In the present invention, the above-mentioned catalyst in which a metal which is active for autothermal reforming is supported on the solid superacid is used. At this time, the active metal is a Group VIII metal selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, and the catalyst containing the active metal is any of these. A catalyst containing ruthenium is preferably used from the viewpoints of containing one or more metal species, having a relatively low price, high activity, and less likely to cause coking. The Group VIII metal may have any valency, and may be in a zero-valent state or in a valence other than that, for example, in the form of a compound such as an oxide.
【0034】上記活性金属を担持した固体超強酸触媒
(以後本発明触媒と称する)の調製方法には特に制限は
なく、担体に硫黄酸化物もしくはタングステン酸化物を
担持させた後、焼成によって固体超強酸担体を調製し、
その後に活性金属を担持する方法、あるいは先に活性金
属と硫黄酸化物もしくはタングステン酸化物とを担持し
た後に焼成によって固体超強酸性を発現させる方法な
ど、公知のいかなる方法も適用可能である。There is no particular limitation on the method for preparing the solid superacid catalyst carrying the above-mentioned active metal (hereinafter referred to as the catalyst of the present invention). Prepare a strong acid carrier,
Any known method such as a method of subsequently supporting an active metal or a method of first supporting an active metal and a sulfur oxide or a tungsten oxide and then developing solid superacidity by firing is applicable.
【0035】本発明触媒における活性金属の担持方法に
関しても特に制限はなく、通常の含浸法、吸着法、イオ
ン交換法など公知の方法を採用できる。例えば含浸法を
用いた場合、通常、活性金属の塩もしくは錯体として
水、エタノール、もしくはアセトンなどの溶媒に溶解さ
せ、担体に含浸させる。しかるのち、乾燥、焼成等を行
なうことにより、担持触媒が得ることができる。乾燥の
条件としては、特に限定するものではないが、例えば5
0〜200℃で1〜20時間行なうことができる。焼成
の条件としては、特に限定するものではないが、例えば
空気気流中あるいは水素気流中などで、500〜100
0℃で1〜10時間行なうことができる。担持させる金
属塩もしくは金属錯体は、各種の塩化物、硝酸塩、有機
酸塩などがあげられ、具体的には硝酸鉄、硝酸コバル
ト、硝酸ニッケル、塩化ルテニウム、ルテニウムアセチ
ルアセトネート、塩化ロジウム、塩化パラジウム、塩化
オスミウム、塩化イリジウム、塩化白金酸のような化合
物を挙げることができるがこれらに限定されるものでは
ない。The method for supporting the active metal in the catalyst of the present invention is also not particularly limited, and a known method such as an ordinary impregnation method, an adsorption method or an ion exchange method can be adopted. For example, when the impregnation method is used, it is usually dissolved as a salt or complex of an active metal in a solvent such as water, ethanol, or acetone to impregnate a carrier. After that, a supported catalyst can be obtained by performing drying, calcination and the like. The drying condition is not particularly limited, but is, for example, 5
It can be carried out at 0 to 200 ° C. for 1 to 20 hours. The firing conditions are not particularly limited, but may be, for example, 500 to 100 in an air stream or a hydrogen stream.
It can be carried out at 0 ° C. for 1 to 10 hours. Examples of the metal salt or metal complex to be supported include various chlorides, nitrates, organic acid salts and the like, and specifically, iron nitrate, cobalt nitrate, nickel nitrate, ruthenium chloride, ruthenium acetylacetonate, rhodium chloride, palladium chloride. Compounds such as, but not limited to, osmium chloride, iridium chloride, chloroplatinic acid.
【0036】本発明触媒中における活性金属(金属化合
物である場合は、化合物中の金属分)の含有量(活性金
属が複数ある場合はその総量として)は好ましくは0.
05〜20質量%、より好ましくは0.1〜10質量
%、さらに好ましくは0.3〜5質量%のものが使用で
きる。含有量がこの範囲より多い場合、活性金属の凝集
が多くなり表面に出る金属の割合が減少するという点で
不利であり、該範囲より少ない場合には高い活性を示す
ことが難しくなるため多量の本発明触媒が必要となり反
応器が大型化する傾向があるという点で不利である。The content of the active metal (in the case of a metal compound, the metal content of the compound) in the catalyst of the present invention (when there are a plurality of active metals, the total amount thereof) is preferably 0.
05 to 20% by mass, more preferably 0.1 to 10% by mass, and further preferably 0.3 to 5% by mass can be used. If the content is more than this range, it is disadvantageous in that the active metal aggregates more and the proportion of the metal that appears on the surface decreases, and if it is less than this range, it becomes difficult to exhibit high activity, and thus a large amount of It is disadvantageous in that the catalyst of the present invention is required and the reactor tends to be large.
【0037】こうして得られた金属担持触媒は、必要で
あれば水素などの還元処理を行うことにより活性化され
る。The metal-supported catalyst thus obtained is activated by reduction treatment with hydrogen or the like if necessary.
【0038】本発明触媒を用いたATRでは、本発明者
らにとっても意外であったが、一酸化炭素が平衡組成と
比較して多く生成する傾向にある。本発明触媒を用いて
メタノール製造や合成軽油、合成ガソリン製造のための
原料を製造する場合、また固体酸化物形燃料電池用燃料
や溶融炭酸塩形燃料電池用燃料を製造する場合には一酸
化炭素が多いことは特に問題とはならないが、リン酸形
燃料電池、固体高分子形燃料電池などに用いる水素ガス
を製造する場合には、水素含有量を高め、平衡組成に近
づけることがより好ましい。この目的のために、ATR
の後、COと水を水素と二酸化炭素に転換する水性ガス
反応活性を有する触媒(以下シフト触媒と称する)を用
いて水性ガス反応させることにより、混合ガスの組成を
平衡組成に近づけることも可能である。このためには例
えば触媒層の前段を本発明触媒で形成し、後段をシフト
触媒で形成することができる。In the ATR using the catalyst of the present invention, which was surprising to the present inventors, there is a tendency that a large amount of carbon monoxide is produced as compared with the equilibrium composition. When producing a raw material for the production of methanol, synthetic gas oil or synthetic gasoline using the catalyst of the present invention, or when producing a fuel for a solid oxide fuel cell or a fuel for a molten carbonate fuel cell, monoxide is used. Although there is no particular problem that there is a large amount of carbon, when producing hydrogen gas used for phosphoric acid fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, etc., it is more preferable to increase the hydrogen content and bring it closer to the equilibrium composition. . For this purpose, ATR
After that, the composition of the mixed gas can be brought close to the equilibrium composition by carrying out a water gas reaction using a catalyst having a water gas reaction activity for converting CO and water into hydrogen and carbon dioxide (hereinafter referred to as a shift catalyst). Is. For this purpose, for example, the former stage of the catalyst layer can be formed with the catalyst of the present invention, and the latter stage can be formed with the shift catalyst.
【0039】後段にシフト触媒を配置する場合におけ
る、前段に配置する本発明触媒の体積と後段に配置する
シフト触媒の比は、ATRと水性ガス反応のバランスの
観点から、体積として97:3〜50:50、好ましく
は95:5〜50:50、さらに好ましくは90:10
〜50:50である。In the case where the shift catalyst is arranged in the latter stage, the volume ratio of the catalyst of the present invention arranged in the former stage to the shift catalyst arranged in the latter stage is 97: 3 by volume from the viewpoint of the balance between the ATR and the water gas reaction. 50:50, preferably 95: 5 to 50:50, more preferably 90:10.
˜50: 50.
【0040】この時、シフト触媒としては200〜10
00℃、より好ましくは300〜900℃、さらに好ま
しくは500〜800℃の範囲で水性ガス反応活性を持
つものであることが好ましく、例として鉄、コバルト、
ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミ
ウム、イリジウム、白金(第VIII族金属)、銅、
銀、金(第IB族金属)のうちのいずれか一種あるいは
複数を含有する触媒を挙げることができる。この触媒は
オートサーマルリフォーミング工程の直後に設置される
場合、高温で安定なものが好ましい。At this time, the shift catalyst is 200 to 10
It is preferable to have water gas reaction activity in the range of 00 ° C., more preferably 300 to 900 ° C., and further preferably 500 to 800 ° C., for example, iron, cobalt,
Nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum (group VIII metal), copper,
Examples thereof include a catalyst containing one or more of silver and gold (Group IB metal). When the catalyst is installed immediately after the autothermal reforming step, it is preferable that it be stable at high temperature.
【0041】シフト触媒としては、鉄、コバルト、ニッ
ケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウ
ム、イリジウムおよび白金(第VIII族金属)ならび
に銅、銀および金(第IB族金属)からなる群から選ば
れる少なくとも一種を含む触媒が使用でき、ルテニウム
ブラック、ロジウムブラック、パラジウムブラック、オ
スミウムブラック、イリジウムブラック、白金ブラッ
ク、あるいはそれぞれの金属箔のような金属単体を用い
ることも出来るが金属表面積を広げるとともに反応条件
下における安定性を確保するため通常適当な担体に担持
した形態で用いることも出来る。As the shift catalyst, at least one selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium and platinum (Group VIII metal) and copper, silver and gold (Group IB metal). A catalyst containing one kind can be used, and ruthenium black, rhodium black, palladium black, osmium black, iridium black, platinum black, or a metal simple substance such as each metal foil can be used, but the metal surface area is widened and reaction conditions are increased. In order to ensure the stability in the above, it can be usually used in the form of being supported on a suitable carrier.
【0042】この場合、使用できる担体としてはリチウ
ム、ナトリウム、カリウム、セシウムのようなアルカリ
金属の酸化物、マグネシウム、カルシウム、ストロンチ
ウム、バリウムのようなアルカリ土類金属の酸化物、ラ
ンタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウ
ム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプ
ロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテ
ルビウム、ルテチウムなどの希土類金属の酸化物、イッ
トリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミ
ニウム、珪素、などの単元系酸化物などを例示できる。
また、これらの酸化物の2種類以上を任意の比率で混合
した混合酸化物も使用できるが、その中でもマグネシウ
ム−チタン、カルシウム−チタン、ストロンチウム−チ
タン、バリウム−チタン、マグネシウム−ジルコニウ
ム、カルシウム−ジルコニウム、ストロンチウム−ジル
コニウム、バリウム−ジルコニウム、マグネシウム−ア
ルミニウム、カルシウム−アルミニウム、ストロンチウ
ム−アルミニウム、バリウム−アルミニウム、イットリ
ウム−アルミニウム、チタン−アルミニウム、ジルコニ
ウム−アルミニウム、セリウム−アルミニウム、マグネ
シウム−珪素、カルシウム−珪素、ストロンチウム−珪
素、バリウム−珪素、イットリウム−珪素、チタン−珪
素、ジルコニウム−珪素、ハフニウム−珪素、アルミニ
ウム−珪素、マグネシウム−セリウム、カルシウム−セ
リウム、ストロンチウム−セリウム、バリウム−セリウ
ムなどの2元系酸化物、およびマグネシウム−カルシウ
ム−チタン、マグネシウム−バリウム−チタン、マグネ
シウム−イットリウム−チタン、マグネシウム−ジルコ
ニウム−チタン、マグネシウム−セリウム−チタン、カ
ルシウム−バリウム−チタン、カルシウム−イットリウ
ム−チタン、カルシウム−ジルコニウム−チタン、カル
シウム−セリウム−チタン、バリウム−イットリウム−
チタン、マグネシウム−カルシウム−ジルコニウム、マ
グネシウム−バリウム−ジルコニウム、マグネシウム−
イットリウム−ジルコニウム、マグネシウム−セリウム
−ジルコニウム、カルシウム−バリウム−ジルコニウ
ム、カルシウム−イットリウム−ジルコニウム、カルシ
ウム−セリウム−ジルコニウム、バリウム−イットリウ
ム−ジルコニウム、バリウム−チタン−ジルコニウム、
マグネシウム−カルシウム−アルミニウム、マグネシウ
ム−バリウム−アルミニウム、マグネシウム−イットリ
ウム−アルミニウム、マグネシウム−チタン−アルミニ
ウム、マグネシウム−ジルコニウム−アルミニウム、マ
グネシウム−セリウム−アルミニウム、カルシウム−バ
リウム−アルミニウム、カルシウム−イットリウム−ア
ルミニウム、カルシウム−チタン−アルミニウム、カル
シウム−ジルコニウム−アルミニウム、カルシウム−セ
リウム−アルミニウム、バリウム−イットリウム−アル
ミニウム、バリウム−チタン−アルミニウム、バリウム
−ジルコニウム−アルミニウム、バリウム−セリウム−
アルミニウム、イットリウム−チタン−アルミニウム、
イットリウム−ジルコニウム−アルミニウム、チタン−
ジルコニウム−アルミニウム、マグネシウム−カルシウ
ム−珪素、マグネシウム−バリウム−珪素、マグネシウ
ム−イットリウム−珪素、マグネシウム−チタン−珪
素、マグネシウム−ジルコニウム−珪素、マグネシウム
−セリウム−珪素、マグネシウム−アルミニウム−珪
素、カルシウム−バリウム−珪素、カルシウム−イット
リウム−珪素、カルシウム−チタン−珪素、カルシウム
−ジルコニウム−珪素、カルシウム−セリウム−珪素、
カルシウム−アルミニウム−珪素、バリウム−イットリ
ウム−珪素、バリウム−チタン−珪素、バリウム−ジル
コニウム−珪素、バリウム−セリウム−珪素、バリウム
−アルミニウム−珪素、イットリウム−チタン−珪素、
イットリウム−ジルコニウム−珪素、イットリウム−ア
ルミニウム−珪素、イットリウム−セリウム−珪素、チ
タン−ジルコニウム−珪素、チタン−アルミニウム−珪
素、チタン−セリウム−珪素、ジルコニウム−アルミニ
ウム−珪素、ジルコニウム−セリウム−珪素、アルミニ
ウム−セリウム−珪素、などの三元系酸化物が好適に使
用できる。また、これらの単元系、二元系、三元系酸化
物にリチウム、ナトリウム、カリウム、セシウムなどの
アルカリ金属成分を添加して成る酸化物も好適に使用で
きる。これらの多元系酸化物では各成分が均一に混合し
ている必要はなく、一つの成分が酸化物表面に集中して
存在していることもできる。In this case, usable carriers include alkali metal oxides such as lithium, sodium, potassium and cesium, alkaline earth metal oxides such as magnesium, calcium, strontium and barium, lanthanum, cerium and praseodymium. Oxides of rare earth metals such as neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium; unitary oxides such as yttrium, titanium, zirconium, hafnium, aluminum, and silicon. It can be illustrated.
Further, a mixed oxide obtained by mixing two or more kinds of these oxides at an arbitrary ratio can be used, and among them, magnesium-titanium, calcium-titanium, strontium-titanium, barium-titanium, magnesium-zirconium, calcium-zirconium. , Strontium-zirconium, barium-zirconium, magnesium-aluminum, calcium-aluminum, strontium-aluminum, barium-aluminum, yttrium-aluminum, titanium-aluminum, zirconium-aluminum, cerium-aluminum, magnesium-silicon, calcium-silicon, strontium. -Silicon, barium-silicon, yttrium-silicon, titanium-silicon, zirconium-silicon, hafnium-silicon, aluminum-silicon, magnet Binary oxides such as um-cerium, calcium-cerium, strontium-cerium, barium-cerium, and magnesium-calcium-titanium, magnesium-barium-titanium, magnesium-yttrium-titanium, magnesium-zirconium-titanium, magnesium- Cerium-titanium, calcium-barium-titanium, calcium-yttrium-titanium, calcium-zirconium-titanium, calcium-cerium-titanium, barium-yttrium-
Titanium, magnesium-calcium-zirconium, magnesium-barium-zirconium, magnesium-
Yttrium-zirconium, magnesium-cerium-zirconium, calcium-barium-zirconium, calcium-yttrium-zirconium, calcium-cerium-zirconium, barium-yttrium-zirconium, barium-titanium-zirconium,
Magnesium-calcium-aluminum, magnesium-barium-aluminum, magnesium-yttrium-aluminum, magnesium-titanium-aluminum, magnesium-zirconium-aluminum, magnesium-cerium-aluminum, calcium-barium-aluminum, calcium-yttrium-aluminum, calcium- Titanium-aluminum, calcium-zirconium-aluminum, calcium-cerium-aluminum, barium-yttrium-aluminum, barium-titanium-aluminum, barium-zirconium-aluminum, barium-cerium-
Aluminum, yttrium-titanium-aluminum,
Yttrium-zirconium-aluminum, titanium-
Zirconium-aluminum, magnesium-calcium-silicon, magnesium-barium-silicon, magnesium-yttrium-silicon, magnesium-titanium-silicon, magnesium-zirconium-silicon, magnesium-cerium-silicon, magnesium-aluminum-silicon, calcium-barium- Silicon, calcium-yttrium-silicon, calcium-titanium-silicon, calcium-zirconium-silicon, calcium-cerium-silicon,
Calcium-aluminum-silicon, barium-yttrium-silicon, barium-titanium-silicon, barium-zirconium-silicon, barium-cerium-silicon, barium-aluminum-silicon, yttrium-titanium-silicon,
Yttrium-zirconium-silicon, yttrium-aluminum-silicon, yttrium-cerium-silicon, titanium-zirconium-silicon, titanium-aluminum-silicon, titanium-cerium-silicon, zirconium-aluminum-silicon, zirconium-cerium-silicon, aluminum- A ternary oxide such as cerium-silicon can be preferably used. Further, oxides obtained by adding alkali metal components such as lithium, sodium, potassium, and cesium to these unitary, binary, and ternary oxides can also be preferably used. In these multi-component oxides, it is not necessary that the respective components are uniformly mixed, and one component may be concentrated on the oxide surface.
【0043】このようなシフト触媒の調製方法には特に
制限はなく通常の含浸法、共沈法など公知の方法を採用
できる。含浸法を取る場合には通常、硝酸鉄、硝酸コバ
ルト、硝酸ニッケル、塩化ルテニウム、塩化ロジウム、
塩化パラジウム、塩化オスミウム、塩化イリジウム、塩
化白金酸のような化合物を水、エタノール、アセトンな
どの溶媒に溶解させ、担体に含浸させた後乾燥、焼成、
還元処理を行うことで実施出来る。The method for preparing such a shift catalyst is not particularly limited, and a known method such as an ordinary impregnation method or a coprecipitation method can be adopted. When the impregnation method is used, it is usually iron nitrate, cobalt nitrate, nickel nitrate, ruthenium chloride, rhodium chloride,
Palladium chloride, osmium chloride, iridium chloride, compounds such as chloroplatinic acid are dissolved in a solvent such as water, ethanol or acetone, impregnated into a carrier, and then dried and fired.
It can be implemented by performing a reduction process.
【0044】シフト触媒中の鉄、コバルト、ニッケル、
ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリ
ジウム、白金(第VIII族金属)、銅、銀、金(第I
B族金属)の含有量(これら金属が複数種ある場合はそ
の総量として)は好ましくは0.1〜20質量%、より
好ましくは0.2〜10質量%、さらに好ましくは0.
5〜5質量%のものが使用できる。含有量がこの範囲よ
り多い場合、成分の凝集が多くなり表面に出る割合が減
少する傾向があるという点で不利であり、該範囲より少
ない場合には高い活性を示すことが難しくなるため多量
のシフト触媒が必要となり反応器が大型化する傾向があ
るという点で不利である。Iron, cobalt, nickel in the shift catalyst,
Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platinum (Group VIII metal), Copper, Silver, Gold (Group I
The content of the group B metal) (when there are plural kinds of these metals, the total amount thereof) is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.2 to 10% by mass, and further preferably 0.
5 to 5 mass% can be used. If the content is more than this range, it is disadvantageous in that the component tends to agglomerate and the rate at which it appears on the surface tends to decrease, while if it is less than this range, it becomes difficult to exhibit high activity, and therefore a large amount of It is disadvantageous in that a shift catalyst is required and the reactor tends to be large.
【0045】本発明触媒、シフト触媒共、用いる触媒の
形状については特に制限はない。例えば、打錠成形し粉
砕後適当な範囲に整粒した触媒、押し出し成形した触
媒、適当なバインダーを加え押し出し成形した触媒、粉
末状触媒などを用いることができる。もしくは、打錠成
形し粉砕後適当な範囲に整粒した担体、押し出し成形し
た担体、粉末あるいは球形、リング状、タブレット状、
円筒状、フレーク状など適当な形に成形した担体などに
金属を担持した触媒などを用いることができる。また、
触媒自体をモノリス状、ハニカム状などに成形した触
媒、あるいは適当な素材を用いたモノリスやハニカムな
どに触媒をコーティングしたものなどを用いることがで
きる。There are no particular restrictions on the shape of the catalyst used for both the catalyst of the present invention and the shift catalyst. For example, it is possible to use a catalyst which has been tableted and crushed and then sized to an appropriate range, an extruded catalyst, an extruded catalyst to which an appropriate binder is added, and a powdered catalyst. Alternatively, a carrier which is tableted and crushed and then sized in an appropriate range, an extruded carrier, a powder or a sphere, a ring, a tablet,
It is possible to use a catalyst in which a metal is supported on a carrier or the like which is formed into an appropriate shape such as a cylindrical shape or a flake shape. Also,
It is possible to use a catalyst in which the catalyst itself is formed in a monolith shape, a honeycomb shape, or the like, or a monolith or honeycomb formed of an appropriate material and coated with the catalyst.
【0046】本発明の水素製造装置が有するオートサー
マルリフォーミング装置が備えることのできる反応器の
形態について述べる。本発明においては、流通式固定床
反応器において、触媒として本発明触媒を備える構成と
することができる。反応器の形状としては、円筒状、平
板状などそれぞれのプロセスの目的に応じた公知のいか
なる形状を取ることができる。なおATR装置に流動床
反応器を用いることも可能である。The form of the reactor that can be provided in the autothermal reforming device of the hydrogen production device of the present invention will be described. In the present invention, the flow type fixed bed reactor may be configured to include the catalyst of the present invention as a catalyst. The reactor may have any known shape such as a cylindrical shape or a flat plate shape depending on the purpose of each process. It is also possible to use a fluidized bed reactor for the ATR device.
【0047】反応器に導入される被処理物(ATR反応
領域に供給される、炭化水素化合物類、水蒸気および酸
素を含む被処理物)の空間速度は本発明触媒とシフト触
媒の合計量を基準として、好ましくはGHSVが500
〜1,000,000h-1の範囲、より好ましくは1,
000〜800,000h-1の範囲、さらに好ましくは
1,500〜500,000h-1の範囲において、それ
ぞれの目的に鑑み設定される。The space velocity of the object to be treated (the object to be treated containing hydrocarbon compounds, water vapor and oxygen supplied to the ATR reaction region) introduced into the reactor is based on the total amount of the catalyst of the present invention and the shift catalyst. As, preferably GHSV is 500
To 1,000,000 h −1 , more preferably 1,
Range 000~800,000h -1, more preferably in the range of 1,500~500,000h -1, is set in view of the respective purposes.
【0048】ATRおよび水性ガス反応の反応温度はそ
れぞれ独立に制御することも可能であるが、特に本発明
触媒の触媒層とシフト触媒の触媒層が隣接して前段後段
に設けられる場合、一体として制御することもできる。
ATRの反応温度、水性ガス反応の反応温度とも好まし
くは200〜1000℃、より好ましくは300〜90
0℃、さらに好ましくは500〜800℃の範囲であ
る。Although the reaction temperatures of the ATR and the water gas reaction can be controlled independently of each other, particularly when the catalyst layer of the catalyst of the present invention and the catalyst layer of the shift catalyst are provided adjacent to each other in the former stage and the latter stage, they are integrated. It can also be controlled.
Both the reaction temperature of ATR and the reaction temperature of the water gas reaction are preferably 200 to 1000 ° C., more preferably 300 to 90.
The temperature is 0 ° C, more preferably 500 to 800 ° C.
【0049】ATRおよび水性ガス反応の反応圧力は、
特に限定されないが、好ましくは大気圧〜20MPa、
より好ましくは大気圧〜5MPa、さらに好ましくは大
気圧〜1MPaの範囲で実施される。The reaction pressure for ATR and water gas reactions is
Although not particularly limited, it is preferably atmospheric pressure to 20 MPa,
It is more preferably carried out in the range of atmospheric pressure to 5 MPa, still more preferably atmospheric pressure to 1 MPa.
【0050】本発明によって得られる一酸化炭素と水素
を含むガス組成物(改質ガス)は固体酸化物形燃料電池
や溶融炭酸塩形燃料電池のような場合であればそのまま
燃料電池用の燃料として用いることができる。また、リ
ン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池のように一酸化
炭素の除去が必要な場合には、該燃料電池用水素を製造
するための原料として好適に用いることができる。In the case of a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell, the gas composition containing carbon monoxide and hydrogen (reformed gas) obtained by the present invention is used as it is as the fuel for the fuel cell. Can be used as In addition, when it is necessary to remove carbon monoxide as in a phosphoric acid fuel cell or a polymer electrolyte fuel cell, it can be preferably used as a raw material for producing hydrogen for the fuel cell.
【0051】この一酸化炭素の除去は、公知の一酸化炭
素選択除去方法を採用することができる。一酸化炭素選
択除去方法としては、例えばシフト工程、CO選択酸化
工程、あるいはこれらの組み合わせが挙げられる。For removing carbon monoxide, a known method for selectively removing carbon monoxide can be adopted. Examples of the carbon monoxide selective removal method include a shift step, a CO selective oxidation step, or a combination thereof.
【0052】シフト工程とは一酸化炭素と水を反応させ
水素と二酸化炭素に転換する工程であり、Fe−Crの
混合酸化物、Zu−Cuの混合酸化物、白金、ルテニウ
ム、イリジウムなどを含有する触媒を用い、一酸化炭素
含有量をドライベースで好ましくは2容量%以下、より
好ましくは1容量%以下、さらに好ましくは0.5容量
%以下までに落とす。通常、リン酸形燃料電池ではこの
状態の混合ガスを燃料として用いることができる。The shift step is a step of reacting carbon monoxide with water to convert it into hydrogen and carbon dioxide, which contains a mixed oxide of Fe--Cr, a mixed oxide of Zu--Cu, platinum, ruthenium, iridium and the like. The catalyst is used to reduce the carbon monoxide content on a dry basis to preferably 2% by volume or less, more preferably 1% by volume or less, and further preferably 0.5% by volume or less. Usually, in a phosphoric acid fuel cell, a mixed gas in this state can be used as a fuel.
【0053】一方、固体高分子形燃料電池では、さらに
一酸化炭素濃度を低減させることが必要となることがあ
り、この場合CO選択酸化工程などで処理する。この工
程では、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウ
ム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、
銀、金などを含有する触媒を用い、残存する一酸化炭素
モル数に対し好ましくは0.5〜10倍モル、より好ま
しくは0.7〜5倍モル、さらに好ましくは1〜3倍モ
ルの酸素を添加することで一酸化炭素を選択的に二酸化
炭素に転換することにより一酸化炭素濃度を低減させ
る。この場合、一酸化炭素の酸化と同時に共存する水素
と反応させメタンを生成させることで一酸化炭素濃度の
低減を図ることもできる。On the other hand, in the polymer electrolyte fuel cell, it may be necessary to further reduce the carbon monoxide concentration. In this case, the CO selective oxidation step or the like is performed. In this process, iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper,
Using a catalyst containing silver, gold or the like, the amount of the remaining carbon monoxide is preferably 0.5 to 10 times, more preferably 0.7 to 5 times, and still more preferably 1 to 3 times. The concentration of carbon monoxide is reduced by selectively converting carbon monoxide into carbon dioxide by adding oxygen. In this case, it is possible to reduce the carbon monoxide concentration by reacting with the coexisting hydrogen and producing methane simultaneously with the oxidation of carbon monoxide.
【0054】本発明の水素製造装置は、本発明触媒を備
えるATR装置を有する。本発明の水素製造装置は、さ
らにATR装置で製造された一酸化炭素と水素を含むガ
ス組成物から、一酸化炭素を選択除去する一酸化炭素選
択除去手段を有することもできる。このために、本発明
のATR装置と、シフト反応器やCO選択酸化装置とを
備える水素製造装置とすることができる。The hydrogen producing apparatus of the present invention has an ATR apparatus equipped with the catalyst of the present invention. The hydrogen production apparatus of the present invention may further have a carbon monoxide selective removal means for selectively removing carbon monoxide from the gas composition containing carbon monoxide and hydrogen produced by the ATR apparatus. Therefore, the hydrogen production apparatus can be provided with the ATR device of the present invention and a shift reactor or a CO selective oxidation device.
【0055】以下、本発明の燃料電池システム例を説明
する。図1は本発明燃料電池発電システム例を示す概略
図である。An example of the fuel cell system of the present invention will be described below. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a fuel cell power generation system of the present invention.
【0056】図1において、燃料タンク3内の燃料は燃
料ポンプ4を経て脱硫器5に流入する。脱硫器内には例
えば銅−亜鉛系あるいはニッケル−亜鉛系の収着剤など
を充填することができる。この時、必要であれば選択酸
化反応器11からの水素含有ガスを添加できる。脱硫器
5で脱硫された燃料は水タンク1から水ポンプ2を経た
水と混合した後気化器6に導入されて気化され、次いで
空気ブロアー8から送り出された空気と混合され改質器
7に送り込まれる。In FIG. 1, the fuel in the fuel tank 3 flows into the desulfurizer 5 via the fuel pump 4. The desulfurizer can be filled with, for example, a copper-zinc-based or nickel-zinc-based sorbent. At this time, if necessary, the hydrogen-containing gas from the selective oxidation reactor 11 can be added. The fuel desulfurized by the desulfurizer 5 is mixed with water from the water tank 1 through the water pump 2 and then introduced into the vaporizer 6 to be vaporized, and then mixed with the air sent from the air blower 8 to the reformer 7. Sent in.
【0057】改質器7の触媒として固体超強酸担持ルテ
ニウム触媒とアルミナ担持ルテニウム触媒を用い、燃料
混合物(炭化水素化合物類、水蒸気および酸素を含む被
処理物)がまず固体超強酸担持ルテニウム触媒に、次い
でアルミナ担持ルテニウム触媒に接触するように各触媒
が改質器内に充填される。A solid super-strong acid-supported ruthenium catalyst and an alumina-supported ruthenium catalyst are used as the catalyst of the reformer 7, and the fuel mixture (the object to be treated containing hydrocarbon compounds, steam and oxygen) is first converted into the solid super-strong acid-supported ruthenium catalyst. Then, each catalyst is loaded into the reformer so as to contact the alumina-supported ruthenium catalyst.
【0058】この時、酸素/カーボン比は好ましくは
0.05〜1、より好ましくは0.1〜0.75、さら
に好ましくは0.2〜0.6に設定され、スチーム/カ
ーボン比は好ましくは0.3〜10、より好ましくは
0.5〜5、さらに好ましくは1〜3に設定される。ま
た、燃料混合物の空間速度は上記2種類の触媒の合計量
基準、標準温度・圧力換算でGHSVが好ましくは50
0〜1,000,000h -1、より好ましくは1,00
0〜800,000h-1,さらに好ましくは1,500
〜500,000h-1の範囲に設定される。この時、酸
素/カーボン比および空間速度を適宜制御することによ
り改質器内の温度を好ましくは200〜1000℃、よ
り好ましくは300〜900℃、さらに好ましくは50
0〜800℃に制御する。At this time, the oxygen / carbon ratio is preferably
0.05 to 1, more preferably 0.1 to 0.75, and
Is preferably set to 0.2 to 0.6, and steam / carbon
Carbon ratio is preferably 0.3 to 10, more preferably
It is set to 0.5 to 5, more preferably 1 to 3. Well
Also, the space velocity of the fuel mixture is the total amount of the above two types of catalysts.
GHSV is preferably 50 in terms of standard and standard temperature / pressure conversion
0 to 1,000,000h -1, And more preferably 1,00
0-800,000h-1, More preferably 1,500
~ 500,000h-1It is set to the range of. At this time, acid
By controlling the element / carbon ratio and space velocity appropriately
The temperature in the reformer is preferably 200 to 1000 ° C,
More preferably 300 to 900 ° C., more preferably 50
Control to 0-800 ° C.
【0059】この様にして製造された水素と一酸化炭素
を含有するガスは高温シフト反応器9、低温シフト反応
器10、選択酸化反応器11を順次通過させることで一
酸化炭素濃度は燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度
まで低減される。これらの反応器に用いる触媒の例とし
ては高温シフト反応器9には鉄−クロム系触媒、低温シ
フト反応器10には銅−亜鉛系触媒、選択酸化反応器1
1にはルテニウム系触媒等を挙げることができる。The thus-produced gas containing hydrogen and carbon monoxide is sequentially passed through the high temperature shift reactor 9, the low temperature shift reactor 10 and the selective oxidation reactor 11 so that the concentration of carbon monoxide is reduced in the fuel cell. It is reduced to the extent that it does not affect the characteristics of. Examples of catalysts used in these reactors are an iron-chromium based catalyst for the high temperature shift reactor 9, a copper-zinc based catalyst for the low temperature shift reactor 10, and a selective oxidation reactor 1.
Examples of 1 include ruthenium-based catalysts and the like.
【0060】固体高分子型燃料電池17はアノード1
2、カソード13、固体高分子電解質14からなり、ア
ノード側には上記の方法で得られた高純度の水素を含有
する燃料ガスが、カソード側には空気ブロアー8から送
られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を
行った後(加湿装置は図示していない)導入される。The polymer electrolyte fuel cell 17 has an anode 1
2, a cathode 13, and a solid polymer electrolyte 14, a fuel gas containing the high-purity hydrogen obtained by the above method is required on the anode side, and air sent from an air blower 8 is required on the cathode side. If so, it is introduced after performing an appropriate humidification treatment (a humidifier is not shown).
【0061】この時、アノードでは水素ガスがプロトン
となり電子を放出する反応が進行し、カソードでは酸素
ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。
これらの反応を促進するため、それぞれ、アノードには
白金黒、活性炭担持のPt触媒あるいはPt−Ru合金
触媒などが、カソードには白金黒、活性炭担持のPt触
媒などが用いられる。At this time, a reaction in which hydrogen gas becomes a proton and releases an electron proceeds at the anode, and a reaction in which oxygen gas obtains an electron and a proton and becomes water proceeds at the cathode.
In order to accelerate these reactions, platinum black, Pt catalyst or Pt-Ru alloy catalyst supporting active carbon is used for the anode, and platinum black, Pt catalyst supporting active carbon is used for the cathode, respectively.
【0062】通常アノード、カソードの両触媒とも、必
要に応じてテフロン(登録商標)、低分子の高分子電解
質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形され
る。Normally, both the anode and cathode catalysts are molded into a porous catalyst layer together with Teflon (registered trademark), a low molecular weight polymer electrolyte membrane material, activated carbon, etc., if necessary.
【0063】次いでNafion(デュポン社)、Go
re(ゴア社)、Flemion(旭硝子社)、Aci
plex(旭化成社)等の商品名で知られる高分子電解
質膜の両側に該多孔質触媒層を積層しMEA(Memb
rane Electrode Assembly:膜
電極集合体)が形成される。さらにMEAを金属材料、
グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス
供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排
水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が
組み立てられる。電気負荷15はアノード、カソードと
電気的に連結される。Next, Nafion (Dupont), Go
re (Gore), Flemion (Asahi Glass), Aci
MEA (Memb) is prepared by laminating the porous catalyst layers on both sides of a polymer electrolyte membrane known by trade names such as Plex (Asahi Kasei).
lane Electrode Assembly: a membrane electrode assembly) is formed. Furthermore, MEA is a metal material,
A fuel cell is assembled by sandwiching it with a separator made of graphite, carbon composite, etc., having a gas supply function, a current collection function, and particularly an important drainage function at the cathode. The electric load 15 is electrically connected to the anode and the cathode.
【0064】アノードオフガスは燃焼熱交換器18にお
いて燃焼され原料水の加温に用いられた後、排気口19
から排出される。カソードオフガスは排気口16から排
出される。The anode off-gas is burned in the combustion heat exchanger 18 and used for heating the raw material water, and then the exhaust port 19
Emitted from. The cathode off gas is discharged from the exhaust port 16.
【0065】[0065]
【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
ない。EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to these examples.
【0066】[触媒の調製例]オキシ塩化ジルコニルに
アンモニア水を加えることで沈殿生成させた水酸化ジル
コニウムに、焼成前の担持W量が15質量%になるよう
に0.1M(mol/L)のメタタングステン酸アンモ
ニウム水溶液を加え含浸担持する。乾固、120℃で1
2時間乾燥後、空気流通下850℃で3時間焼成し、超
強酸担体WOX−ZrO2(X=3〜4)を得る。これを
担体1とする。[Catalyst Preparation Example] 0.1M (mol / L) was added to zirconium hydroxide precipitated by adding aqueous ammonia to zirconyl oxychloride so that the supported W amount before firing was 15% by mass. Then, an ammonium metatungstate aqueous solution is added to carry out impregnation. Dry to 1 at 120 ° C
After drying for 2 hours, it is baked at 850 ° C. for 3 hours under air flow to obtain a super strong acid carrier WO X —ZrO 2 (X = 3 to 4). This is the carrier 1.
【0067】オキシ塩化ジルコニルにアンモニア水を加
えることで沈殿生成させた水酸化ジルコニウムに10質
量倍の1N(規定)硫酸を含浸担持する。風乾、120
℃で12時間乾燥後、空気流通下700℃で3時間焼成
し、超強酸担体SO4 2-−ZrO2を得る。これを担体2
とする。Zirconyl oxychloride is added with aqueous ammonia to impregnate and carry 10 mass times of 1N (normal) sulfuric acid on zirconium hydroxide precipitated. Air dried, 120
After being dried at ℃ for 12 hours, it is calcined at 700 ℃ for 3 hours under air flow to obtain super strong acid carrier SO 4 2 -ZrO 2 . This is carrier 2
And
【0068】これらの担体について「J. Chem. Soc. Ch
em. Commun. 1259(1989)、J. Chem. Soc. Ch
em. Commun. 1148(1979)」、「J. Chem. So
c. Chem. Commun. 1851(1980)」、「J. Am.
Chem. Soc. 101,6439(1979)」の記載に
基づいたヘキサンの骨格異性化試験を行ったところ、異
性化反応活性を持つことが明らかとなり、固体超強酸で
あることが確認された。Regarding these carriers, “J. Chem. Soc. Ch.
em. Commun. 1259 (1989), J. Chem. Soc. Ch
em. Commun. 1148 (1979) "," J. Chem. So
c. Chem. Commun. 1851 (1980) "," J. Am.
Chem. Soc. 101, 6439 (1979) ”, a skeletal isomerization test of hexane was carried out. As a result, it was revealed that the hexane had an isomerization reaction activity, and it was confirmed to be a solid superacid.
【0069】担体1に対し、担持Ru量が金属量として
2質量%になるように0.1MのRuCl3水溶液を加
え、含浸担持、乾固、120℃で12時間乾燥後、水素
気流下200℃で2時間処理し、続いて空気流通下70
0℃で3時間処理をし、2%Ru/WOX−ZrO2を得
る。これを触媒Aとする。To the carrier 1, a 0.1 M RuCl 3 aqueous solution was added so that the amount of supported Ru would be 2% by mass as the amount of metal, impregnated and supported, dried and dried at 120 ° C. for 12 hours, then under a hydrogen stream to 200 Treated at ℃ for 2 hours, then under air flow 70
Treatment is carried out at 0 ° C. for 3 hours to obtain 2% Ru / WO X -ZrO 2 . This is designated as catalyst A.
【0070】担体2に対し、担持Ru量が金属量として
2質量%になるように0.1MのRuCl3水溶液を加
え、含浸担持、乾固、120℃で12時間乾燥後、水素
気流下200℃で2時間処理し、続いて空気流通下70
0℃で3時間処理をし、2%Ru/SO4 2-−ZrO2を
得る。これを触媒Bとする。To the carrier 2, a 0.1 M RuCl 3 aqueous solution was added so that the amount of supported Ru would be 2% by mass as the amount of metal, impregnated and supported, dried and dried at 120 ° C. for 12 hours, then under a hydrogen stream to 200. Treated at ℃ for 2 hours, then under air flow 70
Treatment is performed at 0 ° C. for 3 hours to obtain 2% Ru / SO 4 2− —ZrO 2 . This is designated as catalyst B.
【0071】市販γ−アルミナに担持Ru量が金属量と
して2質量%になるように0.1MのRuCl3水溶液
を加え、含浸担持、乾固、120℃で12時間乾燥後、
水素気流下700℃で3時間処理をし、2%Ru/Al
2O3を得る。これを触媒Cとする。To a commercially available γ-alumina, a 0.1 M RuCl 3 aqueous solution was added so that the amount of Ru supported was 2% by mass as a metal amount, impregnated and supported, dried and dried at 120 ° C. for 12 hours.
Treated at 700 ° C under hydrogen flow for 3 hours, and 2% Ru / Al
2 O 3 is obtained. This is designated as catalyst C.
【0072】オキシ塩化ジルコニルにアンモニア水を加
えることで沈殿生成させた水酸化ジルコニウムに、担持
Ru量が金属量として2質量%になるように0.1Mの
RuCl3水溶液を加え、含浸担持、乾固、120℃で
12時間乾燥後、水素気流下700℃で3時間処理を
し、2%Ru/ZrO2を得る。これを触媒Dとする。To zirconium hydroxide precipitated by adding aqueous ammonia to zirconyl oxychloride, a 0.1M RuCl 3 aqueous solution was added so that the amount of supported Ru would be 2% by mass as a metal amount, impregnated, supported and dried. After being solid and dried at 120 ° C. for 12 hours, it is treated at 700 ° C. for 3 hours in a hydrogen stream to obtain 2% Ru / ZrO 2 . This is designated as catalyst D.
【0073】[実施例1]触媒調製例で得られた触媒A
を打錠成型し、粉砕後、250〜500μmの範囲に整
粒したもの0.7560gを固定床流通式反応器に充填
し、ノルマルドデカン、スチーム、酸素の混合ガスを原
料として、650℃でATR反応を行った。反応条件を
表1に示す。[Example 1] Catalyst A obtained in the catalyst preparation example
Was tableted, crushed, and then sized, and then sized to a range of 250 to 500 μm, 0.7560 g was packed in a fixed bed flow reactor, and a mixed gas of normaldodecane, steam and oxygen was used as a raw material, and ATR was performed at 650 ° C. The reaction was carried out. The reaction conditions are shown in Table 1.
【0074】[実施例2]触媒Aの代りに触媒Bを用い
た以外は実施例1と同様に反応を行った。Example 2 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the catalyst B was used in place of the catalyst A.
【0075】[実施例3]触媒調製例で得られた触媒A
を打錠成型し、粉砕後、250〜500μmの範囲に整
粒したもの0.7560gを固定床流通式反応器に充填
し、ノルマルドデカン、スチーム、酸素の混合ガスを原
料として、750℃でATR反応を行った。[Example 3] Catalyst A obtained in the catalyst preparation example
Was tablet-molded, pulverized, and sized, and then sized in the range of 250 to 500 μm, 0.7560 g was packed in a fixed-bed flow reactor, and a mixed gas of normaldodecane, steam and oxygen was used as a raw material, and ATR was performed at 750 ° C. The reaction was carried out.
【0076】[実施例4]触媒層の前段に触媒Aを0.
7560g、後段に触媒Cを0.189g用いた以外は
実施例3と同様に反応を行った。[Embodiment 4] The catalyst A was added to the upstream side of the catalyst layer in an amount of 0.
The reaction was performed in the same manner as in Example 3 except that 7560 g and 0.189 g of the catalyst C were used in the latter stage.
【0077】[比較例1]触媒Aの代りに触媒Cを用い
た以外は実施例1と同様に反応を行った。[Comparative Example 1] The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the catalyst C was used in place of the catalyst A.
【0078】[比較例2]触媒Aの代りに触媒Dを用い
た以外は実施例1と同様に反応を行った。Comparative Example 2 The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the catalyst D was used in place of the catalyst A.
【0079】[比較例3]触媒Aの代りに触媒Cを用い
た以外は実施例3と同様に反応を行った。[Comparative Example 3] The reaction was performed in the same manner as in Example 3 except that the catalyst C was used in place of the catalyst A.
【0080】[実施例5]ノルマルドデカンの代りに灯
油を用いた以外は実施例1と同様に反応を行った。Example 5 A reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that kerosene was used instead of normal dodecane.
【0081】[比較例4]ノルマルドデカンの代りに灯
油を用いた以外は比較例1と同様に反応を行った。[Comparative Example 4] The reaction was carried out in the same manner as in Comparative Example 1 except that kerosene was used in place of the normal dodecane.
【0082】[実施例6]ノルマルドデカンの代りにナ
フサを用いた以外は実施例1と同様に反応を行った。Example 6 A reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that naphtha was used instead of normal dodecane.
【0083】[比較例5]ノルマルドデカンの代りにナ
フサを用いた以外は比較例1と同様に反応を行った。[Comparative Example 5] The reaction was carried out in the same manner as in Comparative Example 1 except that naphtha was used instead of the normal dodecane.
【0084】実施例3、4、および比較例3について、
反応開始から1時間後の生成ガス組成と、同条件におけ
る平衡組成(計算値)を表2に示す。なお、反応開始か
ら5時間後において、実施例3および4については生成
ガス組成は1時間後の組成と変わらず、触媒の劣化が見
られなかったが、比較例3については触媒劣化が見られ
た。Regarding Examples 3 and 4 and Comparative Example 3,
Table 2 shows the composition of the produced gas one hour after the start of the reaction and the equilibrium composition (calculated value) under the same conditions. It should be noted that, 5 hours after the start of the reaction, the composition of the produced gas was the same as that of the composition after 1 hour in Examples 3 and 4 and no catalyst deterioration was observed, but in Comparative Example 3, catalyst deterioration was observed. It was
【0085】表2においてγ−アルミナ担持ルテニウム
触媒(比較例3)及び、固体超強酸担持ルテニウム触媒
(実施例3)ともに、n−ドデカンは完全に転化してい
るが、その生成ガス組成は大きく異なる。γ−アルミナ
担持ルテニウム触媒ではその組成がほぼ平衡組成に一致
するのに対し、固体超強酸にルテニウムを担持した触媒
ではn−ドデカンは完全に転化しているにも関わらず一
酸化炭素の比率が平衡値よりも高い値となる。実施例4
のように固体超強酸担持ルテニウム触媒の後段にCOシ
フト能を持つγ−アルミナ担持ルテニウム触媒を少量配
置することによって、平衡値とほぼ一致する生成ガスを
得ることが可能である。In Table 2, in both the ruthenium catalyst supporting γ-alumina (Comparative Example 3) and the ruthenium catalyst supporting solid superacid (Example 3), n-dodecane was completely converted, but the produced gas composition was large. different. In the γ-alumina-supported ruthenium catalyst, the composition is almost equal to the equilibrium composition, whereas in the catalyst in which ruthenium is supported on the solid superacid, n-dodecane is completely converted, but the ratio of carbon monoxide is The value is higher than the equilibrium value. Example 4
By arranging a small amount of a γ-alumina-supporting ruthenium catalyst having a CO shift ability in the subsequent stage of the solid superacid-supporting ruthenium catalyst as described above, it is possible to obtain a product gas that substantially matches the equilibrium value.
【0086】また、表3には転化率の経時変化を示し
た。転化率は次式で与えられる。Table 3 shows the change in conversion rate over time. The conversion rate is given by the following equation.
【0087】[0087]
【数1】 [Equation 1]
【0088】表3に示すとおり、γ−アルミナやジルコ
ニアのような通常の担体にルテニウムを担持した触媒で
は、時間経過とともに転化率が低下するのに対し、固体
超強酸を担体として用い、ルテニウムを担持した触媒で
は酸素の共存するATR反応を安定して行うことが出来
る。As shown in Table 3, in the case of a catalyst having ruthenium supported on an ordinary carrier such as γ-alumina or zirconia, the conversion rate decreases with the passage of time, whereas the solid superacid is used as a carrier and ruthenium is added. The supported catalyst can stably carry out the ATR reaction in the presence of oxygen.
【0089】[0089]
【表1】 [Table 1]
【0090】[0090]
【表2】 [Table 2]
【0091】[0091]
【表3】 [Table 3]
【0092】[実施例7]図1に示した構成の燃料電池
システムにおいて、灯油を燃料として用いて試験を行っ
た。この時、改質器7に導入する原料の酸素/カーボン
比は0.4、スチーム/カーボン比は2.0に設定し
た。アノード入口のガスを分析した結果、水素を42容
量%(水蒸気を除外)含んでいた。[Embodiment 7] In the fuel cell system having the structure shown in FIG. 1, a test was conducted using kerosene as a fuel. At this time, the oxygen / carbon ratio of the raw material introduced into the reformer 7 was set to 0.4, and the steam / carbon ratio was set to 2.0. As a result of analysis of the gas at the anode inlet, hydrogen was contained in an amount of 42% by volume (excluding steam).
【0093】試験期間(10時間)中、改質器は正常に
作動し触媒の活性低下は認められなかった。燃料電池も
正常に作動し電気負荷15も順調に運転された。During the test period (10 hours), the reformer operated normally and no reduction in the activity of the catalyst was observed. The fuel cell also operated normally, and the electric load 15 also operated smoothly.
【0094】[0094]
【発明の効果】本発明によれば、炭化水素類をATRに
よって一酸化炭素及び水素を含む混合ガスに変換する際
に、従来、特にルテニウムによっては困難とされていた
酸化安定性を改善し、安定な触媒を提供する事が出来
る。このようなガスは燃料電池用燃料あるいはその原料
として好適に使用可能である。また、一酸化炭素及び水
素を含む混合ガスを安定して製造できる方法と水素製造
装置が提供された。さらにこのように優れた水素製造装
置を有する安定性に優れた燃料電池システムが提供され
た。According to the present invention, when hydrocarbons are converted into a mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen by ATR, the oxidation stability, which has heretofore been difficult to achieve by ruthenium, is improved. It is possible to provide a stable catalyst. Such a gas can be suitably used as a fuel for a fuel cell or a raw material thereof. Further, a method and a hydrogen production apparatus capable of stably producing a mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen are provided. Furthermore, a fuel cell system having an excellent hydrogen production device and excellent stability was provided.
【図1】本発明の燃料電池システムの一例を示すフロー
図である。FIG. 1 is a flow chart showing an example of a fuel cell system of the present invention.
1 水タンク 2 水ポンプ 3 燃料タンク 4 燃料ポンプ 5 脱硫器 6 気化器 7 改質器 8 空気ブロアー 9 高温シフト反応器 10 低温シフト反応器 11 選択酸化反応器 12 アノード 13 カソード 14 固体高分子電解質 15 電気負荷 16 排気口 17 固体高分子形燃料電池 18 燃焼熱交換器 19 排気口 1 water tank 2 water pump 3 fuel tank 4 fuel pump 5 desulfurizer 6 vaporizer 7 reformer 8 air blowers 9 High temperature shift reactor 10 Low temperature shift reactor 11 Selective oxidation reactor 12 Anode 13 cathode 14 Solid polymer electrolyte 15 Electric load 16 exhaust port 17 Polymer electrolyte fuel cell 18 Combustion heat exchanger 19 exhaust port
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // H01M 8/10 B01J 23/64 103M Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB31 EB32 EC02 EC03 4G069 AA03 BA05A BA46A BB02A BB04A BB05A BB06A BB06B BB10A BB10B BC51A BC51B BC60A BC60B BC66A BC67A BC68A BC69A BC70A BC70B BC71A BC72A BC73A BC74A BC75A CC17 CC32 EA02Y EA19 5H026 AA05 AA06 BB10 EE02 EE11 EE12 5H027 AA05 AA06 BA01 BA16 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) // H01M 8/10 B01J 23/64 103M F term (reference) 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB31 EB32 EC02 EC03 4G069 AA03 BA05A BA46A BB02A BB04A BB05A BB06A BB06B BB10A BB10B BC51A BC51B BC60A BC60B BC66A BC67A BC68A BC69A BC70A BC70B BC71A BC72A BC73A BC74A BCEEA 5EE12A0 5EE02 A11 5H0626A05 5H0626A05 5H026A05
Claims (7)
ム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムお
よび白金からなる群から選択される少なくとも1種の第
VIII族金属を固体超強酸担体に担持したオートサー
マルリフォーミング用触媒。1. For autothermal reforming in which at least one Group VIII metal selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium and platinum is carried on a solid superacid carrier. catalyst.
酸化物もしくは水酸化物に、硫黄酸化物もしくはタング
ステン酸化物が担持されてなる請求項1記載のオートサ
ーマルリフォーミング用触媒。2. The catalyst for autothermal reforming according to claim 1, wherein the solid superacid carrier is a zirconium oxide or hydroxide carrying sulfur oxide or tungsten oxide.
る請求項1または2に記載のオートサーマルリフォーミ
ング用触媒。3. The autothermal reforming catalyst according to claim 1, wherein the Group VIII metal is ruthenium.
び触媒の存在下に改質し、一酸化炭素および水素を含む
ガス組成物を製造するオートサーマルリフォーミング方
法において、該触媒として請求項1〜3のいずれか一項
記載の触媒を用いることを特徴とするオートサーマルリ
フォーミング方法。4. The autothermal reforming method for reforming hydrocarbon compounds in the presence of oxygen, steam and a catalyst to produce a gas composition containing carbon monoxide and hydrogen, wherein the catalyst is used as the catalyst. An autothermal reforming method, characterized by using the catalyst according to any one of items 1 to 3.
を備えるオートサーマルリフォーミング装置を有するこ
とを特徴とする水素製造装置。5. A hydrogen production apparatus comprising an auto-thermal reforming apparatus equipped with the catalyst according to claim 1.
ング装置で製造された一酸化炭素と水素を含むガス組成
物から、一酸化炭素を選択除去する一酸化炭素選択除去
手段を有する請求項5記載の水素製造装置。6. The hydrogen according to claim 5, further comprising a carbon monoxide selective removal means for selectively removing carbon monoxide from the gas composition containing carbon monoxide and hydrogen produced by the autothermal reforming apparatus. Manufacturing equipment.
と、該水素製造装置により製造される水素を燃料とする
燃料電池とを備える燃料電池システム。7. A fuel cell system comprising: the hydrogen production apparatus according to claim 5; and a fuel cell using hydrogen produced by the hydrogen production apparatus as a fuel.
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JP2006206382A (en) * | 2005-01-28 | 2006-08-10 | Air Water Inc | Hydrogen generating apparatus and method |
JP2007098250A (en) * | 2005-10-03 | 2007-04-19 | Petroleum Energy Center | Partial oxidation-reforming catalyst and partial oxidation-reforming method |
-
2001
- 2001-09-28 JP JP2001301445A patent/JP2003103171A/en active Pending
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