JP2005035852A - Hydrogen producing equipment and method for manufacturing hydrogen-rich gas using the same - Google Patents

Hydrogen producing equipment and method for manufacturing hydrogen-rich gas using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide hydrogen producing equipment that obtains the sufficient reaction rate even at a low temperature and that obtains a hydrogen-rich gas including a lower concentration of carbon monoxide. <P>SOLUTION: The hydrogen producing equipment for manufacturing the hydrogen-rich gas from a hydrocarbonaceous fuel and water or a molecular oxygen-containing gas has a power source, a plurality of electrodes connected with the power source and a catalyst layer filled between the electrodes. The catalyst layer comprises a fuel reforming catalyst containing one or two or more metal elements selected from the group consisting of copper, palladium and zinc. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭化水素系燃料から水素リッチガスを製造するための水素製造装置および該装置が配置される水素製造システムに関する。また本発明は、水素製造装置または水素製造システムを用いて水素リッチガスを製造する水素リッチガスの製造方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus for producing a hydrogen rich gas from a hydrocarbon fuel and a hydrogen production system in which the apparatus is arranged. The present invention also relates to a method for producing a hydrogen rich gas that produces a hydrogen rich gas using a hydrogen production apparatus or a hydrogen production system.

固体高分子型燃料電池は比較的低温でも高電流密度が得られるため、自動車などの移動用電源として期待されている。この固体高分子燃料電池への水素含有ガスの供給源についても従来種々の提案がなされている。例えば炭化水素等の有機化合物を改質して合成ガス(H+CO)や水素に転換する技術としては、水蒸気改質法やオートサーマル改質法などが開発されており、多彩な改良が検討されている。 Solid polymer fuel cells are expected to be used as power sources for automobiles and the like because a high current density can be obtained even at a relatively low temperature. Various proposals have been made for the supply source of the hydrogen-containing gas to the solid polymer fuel cell. For example, steam reforming methods and autothermal reforming methods have been developed as technologies for reforming organic compounds such as hydrocarbons to convert them into synthesis gas (H 2 + CO) or hydrogen, and various improvements are being considered. Has been.

近年、これらとは異なり、低温プラズマを利用して水素含有化合物から水素を製造する方法が提案されている。   In recent years, unlike these, a method for producing hydrogen from a hydrogen-containing compound using low-temperature plasma has been proposed.

例えば特許文献1には、水素含有化合物を低温プラズマにより分解することを特徴とする水素の製造方法が開示されている。該文献1の方法によれば、メタン等の炭化水素、メタノールなどのアルコール類および水などの化合物を低温プラズマ下で連続的に分解することにより、水素が安定に高選択率かつ高収率で生成するとしている。ここで該文献1の方法は、原料化合物を触媒と接触させることが必須ではなく、触媒を使用してもよいとの記載はあるがその場合の効果は記載がなく明らかではない。   For example, Patent Document 1 discloses a method for producing hydrogen, which is characterized by decomposing a hydrogen-containing compound with low-temperature plasma. According to the method of the document 1, by continuously decomposing a hydrocarbon such as methane, an alcohol such as methanol, and a compound such as water under a low temperature plasma, hydrogen can be stably stably produced with high selectivity and high yield. It is supposed to be generated. Here, in the method of Document 1, it is not essential that the raw material compound is brought into contact with the catalyst, and there is a description that the catalyst may be used, but the effect in that case is not described and is not clear.

一方、触媒存在下で原料化合物を低温プラズマにより分解する方法として、例えば特許文献2には、炭化水素および水蒸気を低温プラズマにより励起すること、炭化水素および水蒸気にアルミナに担持された金属Niを作用させること、並びに炭化水素および水蒸気から合成ガス(H+CO)を生成すること、を含むガス製造方法が開示されている。該文献2の方法によれば、炭化水素および水蒸気から合成ガスが選択的に生成し、かつ収率も向上するとしている。 On the other hand, as a method of decomposing a raw material compound by low-temperature plasma in the presence of a catalyst, for example, Patent Document 2 discloses that hydrocarbon and water vapor are excited by low-temperature plasma, and metal Ni supported on alumina is applied to the hydrocarbon and water vapor. And producing a synthesis gas (H 2 + CO) from hydrocarbons and water vapor is disclosed. According to the method of Document 2, synthesis gas is selectively generated from hydrocarbons and water vapor, and the yield is also improved.

さらに、触媒を充填したプラズマ反応器を用いて、炭化水素系燃料から水素リッチガスを製造する装置としては、化学工学会第35回秋季大会(2002年)で発表されたもの(講演番号:X216)がある。該装置は、円筒形の外部電極とその同心軸上にある内部電極との間にNiを担持させたシリカビーズを充填し、両電極間に数十kHz、数kVの交流電圧を印加するものであり、該ビーズが充填された反応管中にメタンおよび水蒸気の混合ガスを供給し、水素リッチガスを製造するものである。
特開2002−338203号公報 特開2002−241774号公報
Furthermore, as a device for producing hydrogen-rich gas from hydrocarbon fuel using a plasma reactor filled with catalyst, it was announced at the 35th Autumn Meeting of the Chemical Engineering Society (2002) (lecture number: X216). There is. The apparatus is filled with silica beads carrying Ni between a cylindrical outer electrode and an inner electrode on the concentric axis, and an AC voltage of several tens of kHz and several kV is applied between both electrodes. A mixed gas of methane and water vapor is supplied into a reaction tube filled with the beads to produce a hydrogen rich gas.
JP 2002-338203 A JP 2002-241774 A

しかしながら、触媒金属元素としてNiを用いると、充分な反応速度を得るには低温プラズマを利用した場合でも400〜500℃程度の高温とする必要があった。また、反応温度が上昇するにつれて、得られる水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が上昇する。よって、Niを用いた場合には、一酸化炭素を除去するため、後段に配置されるシフト反応装置および一酸化炭素選択酸化装置等への負荷が増大し、装置の大型化およびコストの高騰が問題となっていた。   However, when Ni is used as the catalytic metal element, it has been necessary to increase the temperature to about 400 to 500 ° C. even when using low temperature plasma in order to obtain a sufficient reaction rate. Further, as the reaction temperature increases, the concentration of carbon monoxide in the resulting hydrogen-rich gas increases. Therefore, in the case of using Ni, in order to remove carbon monoxide, the load on the shift reaction apparatus, the carbon monoxide selective oxidation apparatus, etc. disposed in the latter stage increases, resulting in an increase in the size of the apparatus and an increase in cost. It was a problem.

そこで、本発明が目的とするところは、低温でも充分な反応速度が得られ、より一酸化炭素濃度の低い水素リッチガスが得られる水素製造装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus capable of obtaining a sufficient reaction rate even at a low temperature and obtaining a hydrogen rich gas having a lower carbon monoxide concentration.

本発明は、一の電極と、他の電極と、前記一の電極と前記他の電極との間に低温プラズマを発生させる電源と、前記一の電極と前記他の電極との間に存在する、炭化水素系燃料および水から水素リッチガスへの反応を促進する燃料改質触媒を含む触媒層とを有する水素製造装置であって、前記燃料改質触媒が、銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素を含む、水素製造装置である。   The present invention exists between one electrode, another electrode, a power source that generates low-temperature plasma between the one electrode and the other electrode, and the one electrode and the other electrode. , A hydrogen production apparatus comprising a hydrocarbon fuel and a catalyst layer including a fuel reforming catalyst that promotes a reaction from water to hydrogen-rich gas, wherein the fuel reforming catalyst is selected from the group consisting of copper, palladium, and zinc. This is a hydrogen production apparatus containing one or more selected metal elements.

本発明によれば、低温プラズマを利用する水素製造装置において、所定の金属元素を含む燃料改質触媒を含有する触媒層を設けることで、従来と比較してより低温で水素リッチガスが製造されうる。したがって、得られる水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が低減され、後段に配置される一酸化炭素濃度低減手段への負荷が減少されうる。場合によっては、シフト反応装置が省略されうる。したがって、装置の小型化およびコストの削減が図れる。よって、自動車等の車両に適用される場合に特に有益である。   According to the present invention, in a hydrogen production apparatus using low temperature plasma, a hydrogen rich gas can be produced at a lower temperature than in the prior art by providing a catalyst layer containing a fuel reforming catalyst containing a predetermined metal element. . Therefore, the carbon monoxide concentration in the obtained hydrogen-rich gas can be reduced, and the load on the carbon monoxide concentration reducing means disposed in the subsequent stage can be reduced. In some cases, the shift reactor can be omitted. Therefore, the apparatus can be reduced in size and cost. Therefore, it is particularly useful when applied to a vehicle such as an automobile.

本発明の第一は、一の電極と、他の電極と、前記一の電極と前記他の電極との間に低温プラズマを発生させる電源と、前記一の電極と前記他の電極との間に存在する、炭化水素系燃料および水から水素リッチガスへの反応を促進する燃料改質触媒を含む触媒層とを有する水素製造装置であって、前記燃料改質触媒が、銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素を含む、水素製造装置である。   In the first aspect of the present invention, one electrode, another electrode, a power source for generating low-temperature plasma between the one electrode and the other electrode, and between the one electrode and the other electrode A hydrogen production apparatus having a hydrocarbon fuel and a catalyst layer containing a fuel reforming catalyst that promotes a reaction from water to hydrogen-rich gas, wherein the fuel reforming catalyst is made of copper, palladium, and zinc. A hydrogen production apparatus comprising one or more metal elements selected from the group consisting of:

図1に、本発明の水素製造装置の好ましい一態様を示す。なお、図1は、水素製造装置の断面を示している。ここで、図1において、1は水素製造装置、2は炭化水素系燃料、3は水、4は分子状酸素含有ガス、5は水素リッチガス、10は反応器、20は外部電極、30は内部電極、40は触媒層、50は電源である。   FIG. 1 shows a preferred embodiment of the hydrogen production apparatus of the present invention. FIG. 1 shows a cross section of the hydrogen production apparatus. Here, in FIG. 1, 1 is a hydrogen production apparatus, 2 is a hydrocarbon fuel, 3 is water, 4 is a molecular oxygen-containing gas, 5 is a hydrogen-rich gas, 10 is a reactor, 20 is an external electrode, 30 is an internal An electrode, 40 is a catalyst layer, and 50 is a power source.

水素製造装置1は、炭化水素系燃料の流路を形成する円筒形の反応器10を有している。反応器10の内周には外部電極20が配置され、接地されている。なお、反応器10は、導体で形成され、外部電極20と兼用されてもよい。水素製造装置1は、内部電極30を有している。内部電極30は棒状であり、反応器10の中心軸上に配置されている。内部電極30は、外部電極20と電気的に絶縁されて固定されている。反応器10内部の、外部電極20と内部電極30とで包囲される空間には、触媒層40が充填されている。水素製造装置1は、さらに電源50を備えている。電源50は、外部電極20と内部電極30との間に高電圧を印加し、低温プラズマを発生させる。   The hydrogen production apparatus 1 includes a cylindrical reactor 10 that forms a flow path for hydrocarbon fuel. An external electrode 20 is disposed on the inner periphery of the reactor 10 and is grounded. The reactor 10 may be formed of a conductor and may also be used as the external electrode 20. The hydrogen production apparatus 1 has an internal electrode 30. The internal electrode 30 has a rod shape and is disposed on the central axis of the reactor 10. The internal electrode 30 is electrically insulated from the external electrode 20 and fixed. A space surrounded by the external electrode 20 and the internal electrode 30 in the reactor 10 is filled with a catalyst layer 40. The hydrogen production apparatus 1 further includes a power supply 50. The power supply 50 applies a high voltage between the external electrode 20 and the internal electrode 30 to generate low temperature plasma.

以下、本発明の水素製造装置についてより詳細に説明する。   Hereinafter, the hydrogen production apparatus of the present invention will be described in more detail.

本発明の水素製造装置において、電源により外部電極と内部電極との間に高電圧を印加すると、触媒層中に低温プラズマが発生する。ここで用いられる電源は、特に制限されず従来公知の電源が用いられうる。なお、本明細書中、「低温プラズマ」とは、電子、ラジカル、イオンおよび中性分子が熱平衡状態にない非平衡プラズマをいう。この低温プラズマ状態においては、一部の電子のみが極めて高いエネルギーを獲得している。よって、電子温度のみが極めて高く、例えば5000〜10000℃に達する。一方、ラジカル、イオンおよび中性分子等の成分はほぼ室温に維持される。その結果、通常の気相反応や触媒反応と異なり、供給されるガスの温度が室温程度であっても、分子が高温の電子と衝突して生成するイオンおよびラジカルにより燃料改質反応が進行する。したがって、副生する一酸化炭素濃度が低減される。また、起動性やエネルギー効率に優れるため、特に自動車等の車両に適用される場合に有益である。   In the hydrogen production apparatus of the present invention, when a high voltage is applied between the external electrode and the internal electrode by the power source, low temperature plasma is generated in the catalyst layer. The power source used here is not particularly limited, and a conventionally known power source can be used. In the present specification, “low temperature plasma” refers to non-equilibrium plasma in which electrons, radicals, ions and neutral molecules are not in a thermal equilibrium state. In this low-temperature plasma state, only some of the electrons have acquired extremely high energy. Therefore, only the electron temperature is extremely high, for example, reaching 5000 to 10000 ° C. On the other hand, components such as radicals, ions and neutral molecules are maintained at about room temperature. As a result, unlike ordinary gas phase reactions and catalytic reactions, even if the temperature of the supplied gas is about room temperature, the fuel reforming reaction proceeds by ions and radicals generated by collision of molecules with high-temperature electrons. . Accordingly, the concentration of by-produced carbon monoxide is reduced. Moreover, since it is excellent in startability and energy efficiency, it is useful especially when applied to vehicles, such as a motor vehicle.

一の電極および他の電極の形態、大きさおよび電極材料等は特に制限されず、従来公知の形態が好ましく用いられうる。各電極の数は特に制限されず、一の電極に加え、他の電極が複数配置されてもよい。なお、好ましくは、上記のように一の電極は円筒状であり、他の電極は前記一の電極の中心軸上に配置される。   The form, size, electrode material and the like of one electrode and the other electrode are not particularly limited, and conventionally known forms can be preferably used. The number of each electrode is not particularly limited, and a plurality of other electrodes may be arranged in addition to one electrode. Preferably, one electrode is cylindrical as described above, and the other electrode is disposed on the central axis of the one electrode.

本発明の水製造装置に供給される炭化水素系燃料は、低温プラズマにより水素を発生しうるものであれば特に制限されない。例えば、メタン、エタン、プロパン、等の炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類、ナフサ、ガソリン等が例示される。ここで、改質のしやすさが優先される場合には、好ましくはメタンやメタノールが用いられる。一方、自動車等に搭載されるなどエネルギー密度が優先される場合には、好ましくはガソリン等の液体燃料が用いられる。   The hydrocarbon fuel supplied to the water production apparatus of the present invention is not particularly limited as long as it can generate hydrogen by low-temperature plasma. Examples thereof include hydrocarbons such as methane, ethane and propane, alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether and diethyl ether, naphtha and gasoline. Here, when priority is given to the ease of reforming, methane or methanol is preferably used. On the other hand, liquid energy such as gasoline is preferably used when priority is given to energy density, such as mounting in an automobile.

本発明の水素製造装置において、触媒層は、銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素を含む燃料改質触媒を含有する。触媒層に含有される燃料改質触媒の形態は特に制限されず、前記の金属元素を含んでいればよい。これにより、室温程度の低温条件下でも炭化水素系燃料が改質されて水素が製造されうる。なお、本発明において、触媒層の形状は特に制限されず、板状のほか、上記好ましい態様に記載されているように、燃料改質触媒が存在する部分が一定の厚みを有する形状が含まれる。   In the hydrogen production apparatus of the present invention, the catalyst layer contains a fuel reforming catalyst containing one or more metal elements selected from the group consisting of copper, palladium and zinc. The form of the fuel reforming catalyst contained in the catalyst layer is not particularly limited as long as the metal element is contained. As a result, the hydrocarbon fuel can be reformed and hydrogen can be produced even under a low temperature condition of about room temperature. In the present invention, the shape of the catalyst layer is not particularly limited, and includes a plate shape and a shape in which the portion where the fuel reforming catalyst is present has a certain thickness as described in the preferred embodiment. .

以下、燃料改質触媒の好ましい態様について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the fuel reforming catalyst will be described.

触媒層に含有される燃料改質触媒は、好ましくは、前記金属元素が基材上に担持されてなる。基材としては、特に制限されず、燃料改質触媒の基材として従来公知のものが用いられうる。例えば、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンおよびこれらの複合酸化物が用いられうる。中でも好ましくは、酸化亜鉛が用いられうる。これらを基材として触媒活性金属元素を担持させると、より低温での燃料改質性能に優れる水素製造装置が得られる。なお、燃料改質触媒の基材のBET比表面積は、好ましくは10〜500m/g、より好ましくは100〜300m/g、特に好ましくは200〜300m/gである。また、該基材の平均粒子径は、好ましくは1〜10μm、より好ましくは1〜3μm、特に好ましくは2〜3μmである。 The fuel reforming catalyst contained in the catalyst layer is preferably formed by supporting the metal element on a base material. The base material is not particularly limited, and a conventionally known base material for the fuel reforming catalyst can be used. For example, zinc oxide, cerium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, and complex oxides thereof can be used. Of these, zinc oxide can be preferably used. When a catalytically active metal element is supported using these as a base material, a hydrogen production apparatus having excellent fuel reforming performance at a lower temperature can be obtained. Incidentally, BET specific surface area of the substrate of the fuel reforming catalyst is preferably 10 to 500 m 2 / g, more preferably 100 to 300 m 2 / g, particularly preferably 200 to 300 m 2 / g. The average particle size of the substrate is preferably 1 to 10 μm, more preferably 1 to 3 μm, and particularly preferably 2 to 3 μm.

基材上に担持される触媒活性金属元素としては、銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素のみに制限されず、その他の金属元素も含まれうる。例えば、ロジウム、白金、ルテニウム等の貴金属元素、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、銀、金、バリウム、鉄等が用いられうる。前記の銅、パラジウムおよび亜鉛元素に加えて、これらの金属元素1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。好ましくは、水蒸気改質反応(例えば、CHOH+HO→3H+CO)に優れる点で貴金属元素が含まれる。より好ましくは、触媒活性が特に高く、耐久性にも優れる点でロジウム元素が含まれる。 The catalytically active metal element supported on the substrate is not limited to one or more metal elements selected from the group consisting of copper, palladium, and zinc, and may include other metal elements. For example, noble metal elements such as rhodium, platinum, and ruthenium, aluminum, nickel, zirconium, titanium, cerium, cobalt, manganese, silver, gold, barium, iron, and the like can be used. In addition to the copper, palladium and zinc elements, only one of these metal elements may be used, or two or more of them may be used in combination. Preferably, a noble metal element is contained in terms of excellent steam reforming reaction (for example, CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ). More preferably, a rhodium element is contained in that the catalytic activity is particularly high and the durability is excellent.

さらに、本発明で用いられる燃料改質触媒は、さらにアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、希土類元素等を含んでいてもよい。   Furthermore, the fuel reforming catalyst used in the present invention may further contain an alkali metal element, an alkaline earth metal element, a rare earth element, or the like.

アルカリ金属元素としては、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等が好ましい。また、アルカリ土類金属元素としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等が好ましい。そして希土類元素としては、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム等が好ましい。なお、これらの成分の担持は、貴金属元素や添加剤の担持と同時に行ってもよく、別個に行ってもよい。   As the alkali metal element, sodium, potassium, rubidium, cesium and the like are preferable. Further, as the alkaline earth metal element, magnesium, calcium, strontium, barium and the like are preferable. As the rare earth element, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium and the like are preferable. The loading of these components may be performed simultaneously with the loading of the noble metal element or additive, or may be performed separately.

本発明の燃料改質触媒は、上記の基材および金属元素に加えて、必要な添加剤を含有していてもよい。該添加剤としては、例えば適当なバインダ等が例示される。   The fuel reforming catalyst of the present invention may contain necessary additives in addition to the base material and the metal element. Examples of the additive include a suitable binder.

本発明に用いられる燃料改質触媒には、基材、該基材に担持される金属元素、その他必要な添加剤が含有されるが、これらの各成分の含有量は特に制限されず、目的に応じて適宜決定されうる。好ましくは、燃料改質触媒全量を100質量%として、基材を50〜95質量%、触媒活性金属元素を金属換算で5〜50質量%、その他必要な添加剤を0〜5質量%含む。また、特に銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素の、燃料改質触媒中の合計含有量は、金属換算で、好ましくは10〜50質量%、より好ましくは30〜50質量%、特に好ましくは40〜50質量%である。   The fuel reforming catalyst used in the present invention contains a base material, a metal element supported on the base material, and other necessary additives, but the content of each of these components is not particularly limited, It can be determined appropriately according to. Preferably, the total amount of the fuel reforming catalyst is 100% by mass, the base material is 50 to 95% by mass, the catalytically active metal element is 5 to 50% by mass in terms of metal, and 0 to 5% by mass of other necessary additives. In addition, the total content in the fuel reforming catalyst of one or more metal elements selected from the group consisting of copper, palladium and zinc is preferably 10 to 50% by mass in terms of metal. Preferably it is 30-50 mass%, Most preferably, it is 40-50 mass%.

本発明において、燃料改質触媒が触媒層に充填される態様は特に制限されない。例えば、ペレット状、造粒成形された粒状、打錠成形された円筒形状またはラヒリング等の塊状で充填される態様が例示される。また、ハニカムまたはフォーム等のモノリス担体に担持された状態で充填される態様も例示される。これらの態様は1種が単独で、または2種以上が併用されて用いられうる。   In the present invention, the aspect in which the fuel reforming catalyst is filled in the catalyst layer is not particularly limited. For example, the form filled with lump shape, such as a pellet form, the granulated shape, the cylindrical shape formed by tableting, or Rachel ring, is illustrated. Moreover, the aspect filled with the monolith support | carriers, such as a honeycomb or foam, is also illustrated. In these embodiments, one type can be used alone, or two or more types can be used in combination.

ここで、本発明に用いられる燃料改質触媒は、特に制限されることなく従来公知の技術を用いて調製することができる。以下、燃料改質触媒の調製方法の好ましい態様について説明する。   Here, the fuel reforming catalyst used in the present invention is not particularly limited and can be prepared using a conventionally known technique. Hereinafter, preferred embodiments of the method for preparing the fuel reforming catalyst will be described.

まず、触媒活性金属元素を担持するための基材を準備する。次いで、該基材に担持すべき金属元素を含有する触媒調製溶液を用いて、含浸法、共沈法、競争吸着法など各種の技術を用いて金属元素を基材上に担持する。その後焼成し、所望の粒径に粉砕することにより触媒活性粉末が調製されうる。   First, a base material for supporting a catalytically active metal element is prepared. Next, using the catalyst preparation solution containing the metal element to be supported on the base material, the metal element is supported on the base material using various techniques such as an impregnation method, a coprecipitation method, and a competitive adsorption method. Thereafter, the catalyst active powder can be prepared by firing and grinding to a desired particle size.

ここで、上記の触媒活性粉末の調製方法を、順を追って説明する。   Here, the method for preparing the catalytically active powder will be described step by step.

まず、金属元素を担持させる際の処理条件は、各種方法に応じて適宜選択されうる。通常は、基材と触媒調製溶液とを20〜90℃で1分間〜10時間、接触させる。例えば、金属元素を含む化合物が溶解または分散した触媒調製溶液を用い、これに基材を含浸させ、基材上に金属元素を担持させる。触媒調製溶液の溶媒としては、水のほか、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、カルボン酸類等、前期元素を含む化合物が溶解しうる溶媒が広く用いられうる。   First, the processing conditions for supporting the metal element can be appropriately selected according to various methods. Usually, a base material and a catalyst preparation solution are made to contact at 20-90 degreeC for 1 minute-10 hours. For example, a catalyst preparation solution in which a compound containing a metal element is dissolved or dispersed is used, the substrate is impregnated therein, and the metal element is supported on the substrate. As a solvent for the catalyst preparation solution, a solvent capable of dissolving a compound containing the preceding element such as water, alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as diethyl ether, carboxylic acids and the like can be widely used.

その後、金属元素が担持された基材は乾燥される。乾燥方法としては、例えば自然乾燥、蒸発乾固法、ロータリーエバポレーター、噴霧乾燥機、ドラムドライヤーによる乾燥などが用いられうる。その後焼成されてもよく、焼成条件は、通常、焼成温度200〜1000℃で、焼成時間は30〜480分で充分である。最後に焼成物は所望の粒径となるように粉砕され、触媒活性粉末が得られる。ここで粉砕方法は特に制限されず、従来公知の方法が用いられうる。例えば、ボール式振動ミルが用いられうる。得られた触媒活性粉末の粒径は、特に制限されないが好ましくは1〜10μm、より好ましくは1〜3μmである。該粒径が小さすぎると費用が高騰する。一方、該粒径が10μm以下であると、基材が多孔質の場合にも細孔の深部に担持された触媒活性金属元素が有効に利用されうる。   Thereafter, the substrate on which the metal element is supported is dried. As the drying method, for example, natural drying, evaporation to dryness, rotary evaporator, spray dryer, drying with a drum dryer, or the like can be used. Thereafter, firing may be performed. As firing conditions, a firing temperature of 200 to 1000 ° C. and a firing time of 30 to 480 minutes are usually sufficient. Finally, the calcined product is pulverized to a desired particle size to obtain a catalytically active powder. Here, the pulverization method is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a ball type vibration mill can be used. The particle size of the obtained catalytically active powder is not particularly limited, but is preferably 1 to 10 μm, more preferably 1 to 3 μm. If the particle size is too small, the cost increases. On the other hand, when the particle size is 10 μm or less, the catalytically active metal element supported in the deep part of the pores can be effectively used even when the substrate is porous.

上記で得られた触媒活性粉末を、従来公知の方法によって所望の形状に成形し、燃料改質触媒を得る。この際の形状は、上記のように特に制限されず従来公知の形状とされうる。ここで例えばペレット状等の塊として成形される場合には、その大きさは特に制限されない。ここで、塊1個あたりの体積は好ましくは0.1〜2cm、より好ましくは0.5〜1cmである。該体積が0.1cm以上で圧力損失の上昇が防止できる。一方、該体積が2cm以下ではペレット間の間隔が大きくなりすぎず、効果的にプラズマが発生しうる。 The catalytically active powder obtained above is molded into a desired shape by a conventionally known method to obtain a fuel reforming catalyst. The shape at this time is not particularly limited as described above, and may be a conventionally known shape. Here, for example, when it is formed as a lump such as a pellet, the size is not particularly limited. Here, the volume per lump is preferably 0.1 to 2 cm 2 , more preferably 0.5 to 1 cm 2 . When the volume is 0.1 cm 2 or more, an increase in pressure loss can be prevented. On the other hand, when the volume is 2 cm 2 or less, the interval between the pellets does not become too large, and plasma can be generated effectively.

また、モノリス触媒とする場合には、得られた触媒活性粉末に水を適量添加して触媒スラリーとし、従来公知の方法によりモノリス担体に塗布後、乾燥および焼成させて、燃料改質触媒を得る。   When a monolith catalyst is used, an appropriate amount of water is added to the obtained catalyst active powder to form a catalyst slurry, which is applied to the monolith support by a conventionally known method, dried and fired to obtain a fuel reforming catalyst. .

本発明の水素製造装置において、低温プラズマにより炭化水素系燃料から水素が製造される機構は以下のように推測される。なお、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の機構が事実と相違する場合であっても、本発明の技術的範囲は何ら限定されない。   In the hydrogen production apparatus of the present invention, the mechanism for producing hydrogen from hydrocarbon fuel by low-temperature plasma is assumed as follows. The technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and even if the following mechanism is different from the fact, the technical scope of the present invention is not limited at all.

高電圧の印加により発生した低温プラズマ状態において、高温状態の電子は電極間に形成された電場によって触媒層中を加速されながら移動する。この電子が、供給された炭化水素系燃料中の分子と衝突し、該分子中の結合を切断するのに必要な結合解離エネルギーを供給する。   In a low-temperature plasma state generated by applying a high voltage, electrons in a high-temperature state move while being accelerated in the catalyst layer by an electric field formed between the electrodes. The electrons collide with molecules in the supplied hydrocarbon fuel and supply bond dissociation energy necessary for breaking the bonds in the molecules.

ここで一般に、炭化水素分子中の共有結合の結合解離エネルギーは、C−H結合と比較してC−C結合の方が小さい。したがって、炭化水素として例えばn−オクタン(n−C18)を例に挙げて説明すると、電子衝突により下記の反応 Here, generally, the bond dissociation energy of the covalent bond in the hydrocarbon molecule is smaller in the C—C bond than in the C—H bond. Accordingly, for example, n-octane (n-C 8 H 18 ) is exemplified as a hydrocarbon.

Figure 2005035852
Figure 2005035852

が起こっていると考えられる。ここで上記(1)で生成したCHおよびCHは比較的安定であるためさらには分解せず、上記(2)で生成したOHと結合し、下記の反応 Seems to be happening. Here, CH 3 and CH 2 produced in the above (1) are relatively stable so that they are not further decomposed and combined with the OH produced in the above (2), and the following reaction

Figure 2005035852
Figure 2005035852

によりCHOHおよびCHOHを生成する。これらは本発明の水素製造装置の触媒層に充填された燃料改質触媒と接触して、下記の反応 Produces CH 3 OH and CH 2 OH. These are in contact with the fuel reforming catalyst packed in the catalyst layer of the hydrogen production apparatus of the present invention, and the following reaction

Figure 2005035852
Figure 2005035852

によりHとCOとを主成分とする水素リッチガスを生成すると考えられる。ここで「(s)」とは、分子または原子が触媒表面に吸着していることを意味する。上記一連の反応は、一般に大きな反応障壁を有しないため、低温で反応が進行する。 This is considered to generate a hydrogen-rich gas mainly composed of H 2 and CO. Here, “(s)” means that molecules or atoms are adsorbed on the catalyst surface. The series of reactions generally do not have a large reaction barrier, and thus the reaction proceeds at a low temperature.

本発明の水素製造装置においては、二酸化炭素も生成する。ここで二酸化炭素は、下記の反応   In the hydrogen production apparatus of the present invention, carbon dioxide is also generated. Here carbon dioxide is the following reaction

Figure 2005035852
Figure 2005035852

により生成すると考えられる。ここで、上記式(12)および(13)の平衡は、低温では生成物側(式の右辺)に寄っている。したがって、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度をより低減させるためには、より反応温度を低くすることが好ましい。 It is thought that it generates. Here, the equilibrium of the above formulas (12) and (13) is close to the product side (the right side of the formula) at low temperatures. Therefore, in order to further reduce the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas, it is preferable to lower the reaction temperature.

本発明の水素製造装置において、触媒層は、燃料改質触媒に加えて他の成分を含有しうる。好ましくは、触媒層は、高誘電性化合物を含有する。本明細書中、「高誘電性化合物」とは、比誘電率が1000以上の化合物をいう。ここで、高誘電性化合物としては、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸鉛等が例示される。なお、比誘電率(ε)とは、ある物質の誘電率(ε)の、当該物質を空気(標準状態では真空と考えてよい)とした場合の誘電率(ε)に対する比(ε/ε)をいう。比誘電率は、例えば、JIS K 6911(1993年度)に規定される方法により測定されうる。 In the hydrogen production apparatus of the present invention, the catalyst layer may contain other components in addition to the fuel reforming catalyst. Preferably, the catalyst layer contains a high dielectric compound. In the present specification, the “high dielectric compound” refers to a compound having a relative dielectric constant of 1000 or more. Here, examples of the high dielectric compound include barium titanate, strontium titanate, and lead titanate. Here, the relative dielectric constant (epsilon r), dielectric constant of a substance of (epsilon), the ratio of the substance to air dielectric constant in the case of a (may be considered a vacuum in the standard state)0) (ε / Ε 0 ). The relative dielectric constant can be measured, for example, by a method defined in JIS K 6911 (1993).

触媒層に高誘電性化合物が含有される態様は特に制限されない。ここで例えば、燃料改質触媒がペレット状で触媒層に充填される場合の調製方法について説明する。この場合、上述の方法でペレット状の燃料改質触媒を製造する際に、触媒活性粉末と高誘電性化合物とを混合し、該混合物を所望の形状に成形してペレット触媒としてもよい。また、ペレット状の燃料改質触媒とは別に、高誘電性化合物をペレット状に成形してもよい。この場合には、得られた各ペレットが混合された状態で触媒層に充填されうる。   The aspect in which a high dielectric compound is contained in the catalyst layer is not particularly limited. Here, for example, a preparation method when the fuel reforming catalyst is filled in the catalyst layer in a pellet form will be described. In this case, when a pellet-shaped fuel reforming catalyst is produced by the above-described method, a catalytically active powder and a high dielectric compound are mixed, and the mixture may be formed into a desired shape to form a pellet catalyst. In addition to the pellet-shaped fuel reforming catalyst, a high dielectric compound may be formed into a pellet. In this case, the obtained pellets can be filled in the catalyst layer in a mixed state.

また、燃料改質触媒がモノリス担体に担持されてなる場合には、例えば、触媒活性粉末と高誘電性化合物とを混合し、該混合物に水を添加して触媒スラリーとし、上記と同様の方法によりモノリス担持触媒が得られる。さらに、モノリス担持触媒とする場合には、触媒活性粉末と高誘電性化合物との各スラリーを調製し、一方をモノリス担体に塗布して乾燥および焼成した後、他方を塗布して乾燥および焼成することによってもモノリス担持触媒が調製されうる。なおこの場合には、いずれのスラリーが先に塗布されてもよく、塗布される回数も特に制限されない。   When the fuel reforming catalyst is supported on a monolith support, for example, a catalyst active powder and a high dielectric compound are mixed, and water is added to the mixture to form a catalyst slurry. Thus, a monolith-supported catalyst can be obtained. Further, when a monolith-supported catalyst is used, each slurry of a catalytically active powder and a high dielectric compound is prepared, one is applied to a monolith support, dried and fired, and then the other is applied and dried and fired. The monolith-supported catalyst can also be prepared. In this case, any slurry may be applied first, and the number of times of application is not particularly limited.

さらに、上述の燃料改質触媒の調製方法において、上記の基材に替えて、高誘電性化合物が用いられうる。この場合には、上述の調製方法と同様の方法により、高誘電性化合物上に触媒金属元素が担持された触媒活性粉末が調製されうる。この触媒活性粉末が上述の方法により、例えばペレット状に成形されることで、またはモノリス担体に担持されることで、燃料改質触媒が調製されうる。   Furthermore, in the method for preparing the fuel reforming catalyst, a high dielectric compound can be used instead of the base material. In this case, a catalytically active powder in which a catalytic metal element is supported on a high dielectric compound can be prepared by the same method as described above. A fuel reforming catalyst can be prepared by forming this catalytically active powder by the above-described method, for example, by forming it into pellets or by supporting it on a monolith support.

ここで一般に、高誘電性化合物は、電圧を印加されることで大きく誘電分極することが知られている。本発明において、高誘電性化合物が水素製造装置の触媒層に含有されることが好ましいのは、以下の理由による。   Here, it is generally known that a high dielectric compound undergoes a large dielectric polarization when a voltage is applied. In the present invention, the high dielectric compound is preferably contained in the catalyst layer of the hydrogen production apparatus for the following reason.

ここで、燃料改質触媒と高誘電性化合物との混合物がペレット状で触媒層に充填された場合を考える。この場合、外部電極と内部電極との間に高電圧が印加されると、高誘電性化合物は大きく誘電分極する。その結果、各ペレット間の電位差が極めて大きくなり、低温プラズマが発生する。   Here, consider a case where the catalyst layer is filled with a mixture of a fuel reforming catalyst and a high dielectric compound in the form of pellets. In this case, when a high voltage is applied between the external electrode and the internal electrode, the high dielectric compound is greatly dielectrically polarized. As a result, the potential difference between the pellets becomes extremely large, and low temperature plasma is generated.

この際、高誘電性化合物を含有しなくとも低温プラズマは発生しうる。しかしこの場合、低温プラズマを発生させうる外部電極と内部電極との間隔は数mmが限界であり、炭化水素系燃料の流路は細くなる。このため水素製造装置の体積あたりの水素リッチガスの製造量は低下する。   At this time, low-temperature plasma can be generated without containing a high dielectric compound. In this case, however, the distance between the external electrode and the internal electrode that can generate low-temperature plasma is limited to several millimeters, and the flow path of the hydrocarbon-based fuel becomes narrow. For this reason, the production amount of the hydrogen rich gas per volume of the hydrogen production apparatus decreases.

これに対し、触媒層に高誘電性化合物を含有させると、電極間隔が大きくても低温プラズマが発生しうる。このため、水素製造装置の体積あたりの水素リッチガス製造量が上昇し、水素製造装置の小型化が図れる。   On the other hand, when a high dielectric compound is contained in the catalyst layer, low temperature plasma can be generated even when the electrode spacing is large. For this reason, the amount of hydrogen rich gas produced per volume of the hydrogen production apparatus increases, and the hydrogen production apparatus can be downsized.

本発明の第二は、第一の発明の水素製造装置と、該装置に前記炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、前記水素製造装置で生成した水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素選択酸化反応装置とを有する、水素製造システムである。以下、本発明の好ましい一態様について、図2を参照して説明する。   The second aspect of the present invention is to reduce the concentration of carbon monoxide in the hydrogen-rich gas produced by the hydrogen production apparatus of the first aspect of the invention, a fuel supply apparatus that supplies the hydrocarbon fuel to the apparatus, and the hydrogen production apparatus. And a carbon monoxide selective oxidation reaction apparatus. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図2は、本発明の水素製造システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図2において、2は炭化水素系燃料、3は水、4は分子状酸素含有ガス、110は燃料蒸発器、120は水蒸発器、130は水素製造装置、140は一酸化炭素選択酸化反応装置、150は燃料電池である。   FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the hydrogen production system of the present invention. In FIG. 2, 2 is a hydrocarbon-based fuel, 3 is water, 4 is a molecular oxygen-containing gas, 110 is a fuel evaporator, 120 is a water evaporator, 130 is a hydrogen production device, and 140 is carbon monoxide selective oxidation. The reactor 150 is a fuel cell.

図2に示す装置を用いて水素を製造する際、炭化水素系燃料2は、図示しないポンプにより燃料蒸発器110に送られ、該蒸発器110で気化した後、水素製造装置130に供給される。炭化水素系燃料2が常温、常圧において気体である場合には、燃料蒸発器110は省略されうる。水3も同様に図示しないポンプにより水蒸発器120に送られ、該蒸発器120で気化後、水素製造装置130に供給される。水素製造装置130においては、水素リッチガスが生成する。水素製造装置130として本発明の第一の装置を用いた場合、水素リッチガス中には1体積%程度の一酸化炭素が含まれる。得られた水素リッチガスは一酸化炭素選択酸化反応装置140に供給され、一酸化炭素濃度が数十ppm程度まで低減されうる。一酸化炭素濃度が低減された水素リッチガスは、固体高分子型燃料電池150に供給され、発電に利用されうる。   When hydrogen is produced using the apparatus shown in FIG. 2, the hydrocarbon-based fuel 2 is sent to the fuel evaporator 110 by a pump (not shown), vaporized by the evaporator 110, and then supplied to the hydrogen production apparatus 130. . When the hydrocarbon fuel 2 is a gas at normal temperature and normal pressure, the fuel evaporator 110 can be omitted. Similarly, the water 3 is also sent to the water evaporator 120 by a pump (not shown), vaporized by the evaporator 120, and then supplied to the hydrogen production apparatus 130. In the hydrogen production apparatus 130, hydrogen rich gas is generated. When the first apparatus of the present invention is used as the hydrogen production apparatus 130, the hydrogen rich gas contains about 1% by volume of carbon monoxide. The obtained hydrogen-rich gas is supplied to the carbon monoxide selective oxidation reactor 140, and the carbon monoxide concentration can be reduced to about several tens of ppm. The hydrogen-rich gas with a reduced carbon monoxide concentration is supplied to the polymer electrolyte fuel cell 150 and can be used for power generation.

従来の燃料改質装置を用いて水素リッチガスを製造する際、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が1体積%程度にまで低減されるのは、燃料としてメタノールやジメチルエーテル等の特定の燃料が用いられる場合のみである。その他の燃料が用いられる場合には、通常、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は10体積%程度となる。このため従来の燃料改質装置を用いる場合には、一酸化炭素選択酸化反応装置の前段に水性ガスシフト反応により一酸化炭素濃度を低減させるシフト反応装置が設置される必要があった。   When producing a hydrogen rich gas using a conventional fuel reformer, the concentration of carbon monoxide in the hydrogen rich gas is reduced to about 1% by volume because a specific fuel such as methanol or dimethyl ether is used as the fuel. Only if. When other fuels are used, the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas is usually about 10% by volume. For this reason, when a conventional fuel reformer is used, it is necessary to install a shift reactor for reducing the carbon monoxide concentration by a water gas shift reaction before the carbon monoxide selective oxidation reactor.

これに対し、本発明の水素製造装置が配置される水素製造システムによれば、炭化水素系燃料としていかなるものが用いられる場合にも一酸化炭素濃度が極めて低い水素リッチガスが製造されうる。このため、シフト反応装置を設置せず選択酸化反応装置のみにより、一酸化炭素濃度が充分に低い水素リッチガスが製造されうる。これにより、水素製造装置の小型化およびコストの削減が図れる。よって本発明は例えば、自動車等の車両に適用される場合に特に有益である。なお、本発明の水素製造システムにおいて、シフト反応装置が設置されることは妨げられず、必要であれば従来同様に設置されうる。   On the other hand, according to the hydrogen production system in which the hydrogen production apparatus of the present invention is arranged, hydrogen rich gas having an extremely low carbon monoxide concentration can be produced when any hydrocarbon-based fuel is used. For this reason, a hydrogen rich gas having a sufficiently low carbon monoxide concentration can be produced only by a selective oxidation reaction apparatus without installing a shift reaction apparatus. Thereby, size reduction and cost reduction of a hydrogen production apparatus can be achieved. Therefore, the present invention is particularly useful when applied to a vehicle such as an automobile. In the hydrogen production system of the present invention, it is not hindered to install the shift reaction apparatus, and if necessary, it can be installed in the same manner as before.

本発明の水素製造システムにおいて、設置される燃料供給装置および一酸化炭素選択酸化反応装置の態様は特に制限されず、従来公知の装置が好ましく用いられうる。ここで、固体高分子型燃料電池は、例えば、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードとカソードによって供給される燃料ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。   In the hydrogen production system of the present invention, the mode of the fuel supply device and the carbon monoxide selective oxidation reaction device to be installed is not particularly limited, and a conventionally known device can be preferably used. Here, the polymer electrolyte fuel cell is configured, for example, by sandwiching a polymer electrolyte membrane that selectively permeates hydrogen ions between an anode and a cathode, and electrochemistry of fuel gas supplied by the anode and the cathode. An electromotive force is generated by the reaction, and power is generated.

本発明の第三は、本発明の第一の水素製造装置を用いて水素リッチガスを製造する方法であって、水素製造装置に供給される前記炭化水素系燃料の反応温度が100〜350℃である、水素リッチガスの製造方法である。   A third aspect of the present invention is a method for producing a hydrogen-rich gas using the first hydrogen production apparatus of the present invention, wherein the reaction temperature of the hydrocarbon fuel supplied to the hydrogen production apparatus is 100 to 350 ° C. A method for producing a hydrogen-rich gas.

本発明の水素リッチガス製造方法においては、本発明の第一の水素製造装置が用いられる。これらの装置の態様としては、本発明の第一について上述した態様が好ましく用いられうる。   In the hydrogen rich gas production method of the present invention, the first hydrogen production apparatus of the present invention is used. As an aspect of these apparatuses, the aspect described above for the first aspect of the present invention can be preferably used.

以下、本発明の製造方法の好ましい一態様について、図1を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, a preferred embodiment of the production method of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

本発明の水素製造装置1を用いて水素リッチガスを製造する方法は、反応器10の一方から炭化水素系燃料2、水3および分子状酸素含有ガス4を供給し、外部電極20と内部電極30との間に高電圧を印加することを含む。まず、反応器10に反応ガスを流入させる。その後、電源50により外部電極20と内部電極30との間に高電圧を印加すると、触媒層40中に低温プラズマが発生する。   The method for producing a hydrogen-rich gas using the hydrogen production apparatus 1 of the present invention supplies a hydrocarbon-based fuel 2, water 3 and molecular oxygen-containing gas 4 from one of the reactors 10, and an external electrode 20 and an internal electrode 30. And applying a high voltage between the two. First, the reaction gas is caused to flow into the reactor 10. Thereafter, when a high voltage is applied between the external electrode 20 and the internal electrode 30 by the power supply 50, low temperature plasma is generated in the catalyst layer 40.

低温プラズマにより炭化水素系燃料2が加熱され、励起される。励起された炭化水素系燃料2は、触媒層40中に含有される燃料改質触媒と接触し、水素に転化される。このように生成した水素を含有する水素リッチガスは、反応器10の他方から放出される。   The hydrocarbon fuel 2 is heated and excited by the low temperature plasma. The excited hydrocarbon fuel 2 comes into contact with the fuel reforming catalyst contained in the catalyst layer 40 and is converted to hydrogen. The hydrogen-rich gas containing hydrogen thus generated is discharged from the other side of the reactor 10.

ここで、外部電極と内部電極との間に印加される電圧の大きさは、低温プラズマを発生させうる電圧であればよく、特に制限されない。一般的には1〜10kV、好ましくは3〜7kV、より好ましくは3〜4kVである。印加電圧が低すぎると低温プラズマが発生しない。一方、印加電圧が高すぎると消費電力が大きくなりエネルギー効率の点から不利であり、また気相の絶縁性が完全に破壊され、電気回路に大量の電流が流れるため危険である。印加電圧としては直流パルス電圧や交流電圧が例示される。   Here, the magnitude of the voltage applied between the external electrode and the internal electrode is not particularly limited as long as it is a voltage that can generate low-temperature plasma. Generally, it is 1-10 kV, preferably 3-7 kV, more preferably 3-4 kV. If the applied voltage is too low, low temperature plasma will not be generated. On the other hand, if the applied voltage is too high, the power consumption increases, which is disadvantageous in terms of energy efficiency, and the gas-phase insulation is completely destroyed, and a large amount of current flows in the electric circuit, which is dangerous. Examples of the applied voltage include a DC pulse voltage and an AC voltage.

本発明において、炭化水素系燃料は、水および、好ましくは分子状酸素含有ガスとともに、水素製造装置に供給される。ここで常温および常圧で液体の炭化水素系燃料を用いる場合、好ましくは、該燃料および水はそれぞれ蒸発器により気化されて供給される。また、分子状酸素含有ガスとしては、酸素を高濃度に含有するガスであれば特に制限されず、例えば純酸素および酸素リッチガスや空気が用いられうる。炭化水素系燃料、水蒸気および分子状酸素含有ガスが水素製造装置に供給される際、これらの混合ガス中の、水と、炭化水素系燃料の炭素原子換算量との比(いわゆるスチーム−カーボン比)は、好ましくは0.7〜3.0、より好ましくは0.7〜1.5である。また混合ガス中の、酸素と、炭化水素系燃料の炭素原子換算量との比は、好ましくは0.2〜0.5、より好ましくは0.2〜0.3である。さらに、混合ガスの供給量は、触媒層に対する空間速度(GHSV)で好ましくは1000〜10000h−1、より好ましくは1000〜3000h−1である。 In the present invention, the hydrocarbon fuel is supplied to a hydrogen production apparatus together with water and preferably a molecular oxygen-containing gas. Here, when using a hydrocarbon-based fuel that is liquid at normal temperature and normal pressure, the fuel and water are preferably vaporized and supplied by an evaporator, respectively. Further, the molecular oxygen-containing gas is not particularly limited as long as it contains a high concentration of oxygen. For example, pure oxygen, oxygen-rich gas, or air can be used. When the hydrocarbon fuel, water vapor and molecular oxygen-containing gas are supplied to the hydrogen production apparatus, the ratio of water in these mixed gases to the carbon atom equivalent amount of the hydrocarbon fuel (so-called steam-carbon ratio) ) Is preferably 0.7 to 3.0, more preferably 0.7 to 1.5. Moreover, the ratio of oxygen in the mixed gas to the amount of carbon atom equivalent of the hydrocarbon fuel is preferably 0.2 to 0.5, more preferably 0.2 to 0.3. Further, the supply amount of the mixed gas is preferably at a space velocity (GHSV) relative to the catalyst layer 1000~10000H -1, more preferably 1000~3000h -1.

本発明において、炭化水素系燃料が水蒸気および酸素とともに供給されるのが好ましいのは以下の理由による。一般に、炭化水素系燃料は、触媒存在下、水蒸気改質反応を起こし、水素を発生する。例えば炭化水素系燃料としてメタノールを例に挙げて説明すれば、前記の水蒸気改質反応は下記の反応式で示される。   In the present invention, the hydrocarbon-based fuel is preferably supplied together with water vapor and oxygen for the following reason. In general, hydrocarbon fuels undergo a steam reforming reaction in the presence of a catalyst to generate hydrogen. For example, when methanol is used as an example of the hydrocarbon fuel, the steam reforming reaction is represented by the following reaction formula.

Figure 2005035852
Figure 2005035852

ここで、上記水蒸気改質反応は、下記の二つの反応が同時に進行することによる全体反応として示される。   Here, the steam reforming reaction is shown as an overall reaction by the following two reactions proceeding simultaneously.

Figure 2005035852
Figure 2005035852

一酸化炭素変成反応:CO+HO=CO+H+40.5kJ/mol
このように、一般に燃料を水蒸気改質する反応は吸熱反応である。これに対し、炭化水素系燃料を酸素とともに供給すると、上記水蒸気改質反応に加え、下記式に示す部分酸化反応も同時に起こる。
Carbon monoxide shift reaction: CO + H 2 O═CO 2 + H 2 +40.5 kJ / mol
Thus, in general, the reaction for steam reforming fuel is an endothermic reaction. On the other hand, when a hydrocarbon fuel is supplied together with oxygen, in addition to the steam reforming reaction, a partial oxidation reaction represented by the following formula also occurs simultaneously.

Figure 2005035852
Figure 2005035852

このように、部分酸化反応は発熱反応であり、この反応により発生した熱量を上記水蒸気改質反応に利用できる。したがって、外部加熱装置が不要であるために、水素製造装置の小型化が図れる。なお、上記のように分子状酸素含有ガスを供給せずに水素を製造することも可能である。しかしこの場合、特に自動車のように外部からの電量供給のない閉鎖系においては、水蒸気改質反応に必要な反応熱を賄うために、水素製造装置で製造された水素から得られるエネルギーの約3分の1が消費されてしまう。   Thus, the partial oxidation reaction is an exothermic reaction, and the amount of heat generated by this reaction can be used for the steam reforming reaction. Therefore, since an external heating apparatus is unnecessary, the size of the hydrogen production apparatus can be reduced. In addition, it is also possible to produce hydrogen without supplying the molecular oxygen-containing gas as described above. However, in this case, particularly in a closed system such as an automobile that does not supply electricity from the outside, about 3% of the energy obtained from the hydrogen produced by the hydrogen production apparatus is used to cover the reaction heat necessary for the steam reforming reaction. One part is consumed.

上述のように、一酸化炭素濃度のより低い水素リッチガスを製造するには、反応温度をより低くする必要がある。一方、反応温度が低すぎると炭化水素系燃料と触媒との反応速度が低下する。よってこれらのバランスを考慮すると、本発明の製造方法における反応温度は好ましくは100〜350℃、より好ましくは200〜300℃、特に好ましくは250〜300℃である。なお、本明細書中、「反応温度」とは、反応器内のガスの温度をいう。   As described above, in order to produce a hydrogen-rich gas having a lower carbon monoxide concentration, it is necessary to lower the reaction temperature. On the other hand, when the reaction temperature is too low, the reaction rate between the hydrocarbon fuel and the catalyst is lowered. Therefore, considering these balances, the reaction temperature in the production method of the present invention is preferably 100 to 350 ° C, more preferably 200 to 300 ° C, and particularly preferably 250 to 300 ° C. In the present specification, the “reaction temperature” refers to the temperature of the gas in the reactor.

本発明においては、必要であれば、外部に設置された加熱装置により、水素製造装置に供給される前に混合ガスが加熱されうる。この際、炭化水素系燃料、分子状酸素含有ガスまたは水の全てが加熱されてもよいし、1または2の成分のみが加熱されてもよい。   In the present invention, if necessary, the mixed gas can be heated by an external heating device before being supplied to the hydrogen production device. At this time, all of the hydrocarbon fuel, the molecular oxygen-containing gas or water may be heated, or only one or two components may be heated.

本発明においては、供給される混合ガス中の分子状酸素含有ガスの比率を調節することで反応温度が調節されうる。ここで、水蒸気改質反応における吸熱量と部分酸化反応における発熱量が等しければ、見かけ上は熱平衡状態にある。よって供給される混合ガス中の分子状酸素含有ガスの比率を増加させると、部分酸化反応の進行により発熱量が増加し、反応温度が上昇する。したがって、本発明の水素製造装置の後段において使用される一酸化炭素選択酸化反応装置等の装置へ供給されるガスについて、好ましい温度範囲がある場合には、上記のように混合ガス中の分子状酸素含有ガスの比率を調節することで、後段の装置へ供給されるガス温度が調節されうる。   In the present invention, the reaction temperature can be adjusted by adjusting the ratio of the molecular oxygen-containing gas in the supplied mixed gas. Here, if the endothermic amount in the steam reforming reaction and the exothermic amount in the partial oxidation reaction are equal, it is apparently in a thermal equilibrium state. Therefore, when the ratio of the molecular oxygen-containing gas in the supplied mixed gas is increased, the calorific value increases due to the progress of the partial oxidation reaction, and the reaction temperature rises. Therefore, when there is a preferable temperature range for the gas supplied to the apparatus such as the carbon monoxide selective oxidation reaction apparatus used in the subsequent stage of the hydrogen production apparatus of the present invention, the molecular state in the mixed gas as described above is used. By adjusting the ratio of the oxygen-containing gas, the temperature of the gas supplied to the subsequent apparatus can be adjusted.

従来、低温プラズマを利用して水素を製造する際の触媒金属としてはNiが知られている。しかし、Niのみを触媒金属元素として用い、例えば100〜350℃という低温で水素リッチガスを製造すると、メタンを高濃度に含有する水素リッチガスが得られる。これは以下の理由によると考えられる。   Conventionally, Ni is known as a catalyst metal for producing hydrogen using low-temperature plasma. However, if only Ni is used as a catalytic metal element and a hydrogen-rich gas is produced at a low temperature of, for example, 100 to 350 ° C., a hydrogen-rich gas containing methane at a high concentration can be obtained. This is considered to be due to the following reason.

触媒金属元素としてNiのみを用い、100〜350℃で水素リッチガスを製造すると、上記(3)〜(11)に示すような反応はほとんど進行しない。これに対し、下記式   When only Ni is used as the catalytic metal element and a hydrogen-rich gas is produced at 100 to 350 ° C., the reactions as shown in the above (3) to (11) hardly proceed. In contrast, the following formula

Figure 2005035852
Figure 2005035852

に示す反応が進行し、主にメタンが生成していると推測される。 It is speculated that the reaction shown in FIG.

上記のように、Niのみを触媒金属元素として用いて100〜350℃で水素リッチガスを製造した場合には、メタンを高濃度に含む水素リッチガスが得られる。一方、この場合にメタン濃度を低減させるためには、400〜500℃程度に反応温度を上昇させなければならない。しかしながら、上述したように、反応温度を上昇させることで水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は上昇する。よって、低温プラズマを用いて水素リッチガスを製造する際にNiのみを触媒金属元素として用いた場合には、得られる水素リッチガス中のメタン濃度および一酸化炭素濃度の双方を効果的に低減させることは困難である。   As described above, when a hydrogen rich gas is produced at 100 to 350 ° C. using only Ni as a catalytic metal element, a hydrogen rich gas containing methane at a high concentration can be obtained. On the other hand, in order to reduce the methane concentration in this case, the reaction temperature must be raised to about 400 to 500 ° C. However, as described above, the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas increases by increasing the reaction temperature. Therefore, when only Ni is used as a catalytic metal element when producing a hydrogen-rich gas using low-temperature plasma, it is possible to effectively reduce both the methane concentration and the carbon monoxide concentration in the obtained hydrogen-rich gas. Have difficulty.

これに対し本発明によれば、所定の金属元素を含む燃料改質触媒が触媒層に充填される水素製造装置を用いることで、上記の問題が解決されうる。すなわち、銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素を含む燃料改質触媒が充填された水素製造装置を用いることにより、水素リッチガス中のメタンおよび一酸化炭素濃度の双方が効率よく低減されうる。   On the other hand, according to the present invention, the above problem can be solved by using a hydrogen production apparatus in which a catalyst layer is filled with a fuel reforming catalyst containing a predetermined metal element. That is, methane and carbon monoxide in a hydrogen-rich gas are obtained by using a hydrogen production apparatus filled with a fuel reforming catalyst containing one or more metal elements selected from the group consisting of copper, palladium and zinc. Both concentrations can be reduced efficiently.

ここで従来、銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素を含む燃料改質触媒としては、メタノール改質用のものが知られている。これらの元素を含む燃料改質触媒を用いてメタノールを改質する場合には、上記(5)〜(7)に示す反応により水素が生成していると考えられる。   Conventionally, a fuel reforming catalyst containing one or more metal elements selected from the group consisting of copper, palladium and zinc is known for methanol reforming. When reforming methanol using a fuel reforming catalyst containing these elements, it is considered that hydrogen is generated by the reactions shown in the above (5) to (7).

しかし、この燃料改質触媒を用いて従来の改質装置および改質条件により水素リッチガスを製造できるのは、燃料がメタノールの場合のみである。例えば、メタノールと同じくアルコールであるエタノールを燃料として用いると、下記式   However, hydrogen rich gas can be produced using this fuel reforming catalyst with the conventional reformer and reforming conditions only when the fuel is methanol. For example, when ethanol, which is alcohol like methanol, is used as a fuel, the following formula

Figure 2005035852
Figure 2005035852

に示す反応が進行する。すなわち、上記(5)および(6)に相当する反応は進行するものの、アルデヒドが生成するため上記(7)に相当する反応は進行せず、反応が停止する。 The reaction shown in FIG. That is, the reactions corresponding to the above (5) and (6) proceed, but since the aldehyde is produced, the reaction corresponding to the above (7) does not proceed and the reaction stops.

これに対し、本発明によれば、低温プラズマを利用して水素リッチガスを製造することで、従来メタノール以外の燃料には適用が困難であった燃料改質触媒を用いて、種々の炭化水素系燃料から水素リッチガスが製造されうる。   In contrast, according to the present invention, by producing a hydrogen-rich gas using low-temperature plasma, various hydrocarbon systems can be used using a fuel reforming catalyst that has been difficult to apply to fuels other than methanol. Hydrogen rich gas can be produced from fuel.

本発明の水素製造装置の好ましい一態様を示す図である。It is a figure which shows one preferable aspect of the hydrogen production apparatus of this invention. 本発明の水素製造システムの好ましい一態様を示す図である。It is a figure which shows one preferable aspect of the hydrogen production system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…水素製造装置、
2…炭化水素系燃料、
3…水、
4…分子状酸素含有ガス、
5…水素リッチガス、
10…反応器、
20…外部電極、
30…内部電極、
40…触媒層、
50…電源、
110…燃料蒸発器、
120…水蒸発器、
130…水素製造装置、
140…一酸化炭素選択酸化反応装置、
150…固体高分子型燃料電池。
1 ... Hydrogen production equipment,
2 ... hydrocarbon fuel,
3 ... water,
4 ... molecular oxygen-containing gas,
5 ... Hydrogen rich gas,
10 ... reactor,
20 ... External electrode,
30 ... Internal electrode,
40 ... catalyst layer,
50 ... Power supply,
110 ... fuel evaporator,
120 ... water evaporator,
130 ... Hydrogen production equipment,
140 ... carbon monoxide selective oxidation reactor,
150: Solid polymer fuel cell.

Claims (5)

一の電極と、他の電極と、前記一の電極と前記他の電極との間に低温プラズマを発生させる電源と、前記一の電極と前記他の電極との間に存在する、炭化水素系燃料および水から水素リッチガスへの反応を促進する燃料改質触媒を含む触媒層とを有する水素製造装置であって、
前記燃料改質触媒が、銅、パラジウムおよび亜鉛からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素を含む、水素製造装置。
One electrode, another electrode, a power source for generating a low temperature plasma between the one electrode and the other electrode, and a hydrocarbon system existing between the one electrode and the other electrode A hydrogen production apparatus having a catalyst layer including a fuel reforming catalyst that promotes a reaction from fuel and water to a hydrogen-rich gas,
The hydrogen production apparatus, wherein the fuel reforming catalyst contains one or more metal elements selected from the group consisting of copper, palladium and zinc.
前記触媒層は、高誘電性化合物を含有することを特徴とする、請求項1に記載の水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the catalyst layer contains a high dielectric compound. 前記一の電極は円筒状であり、前記他の電極は前記一の電極の中心軸上に配置される、請求項1または2のいずれか1項に記載の水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the one electrode is cylindrical, and the other electrode is disposed on a central axis of the one electrode. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素製造装置と、該装置に前記炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、前記水素製造装置で生成した水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素選択酸化反応装置とを有する、水素製造システム。   The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, a fuel supply apparatus that supplies the hydrocarbon-based fuel to the apparatus, and a carbon monoxide concentration in a hydrogen-rich gas generated by the hydrogen production apparatus. A hydrogen production system comprising a carbon monoxide selective oxidation reaction device for reduction. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素製造装置を用いて水素リッチガスを製造する方法であって、
水素製造装置に供給される前記炭化水素系燃料の反応温度が100〜350℃である、水素リッチガスの製造方法。
A method for producing a hydrogen-rich gas using the hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A method for producing a hydrogen-rich gas, wherein a reaction temperature of the hydrocarbon fuel supplied to a hydrogen production apparatus is 100 to 350 ° C.
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