JP2005081303A - Cu/ZnO CATALYST, ITS PRODUCING METHOD, AND GENERATOR - Google Patents

Cu/ZnO CATALYST, ITS PRODUCING METHOD, AND GENERATOR Download PDF

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Yoshihiro Kawamura
義裕 河村
Naotada Ogura
直嗣 小椋
Kazuto Yamamoto
和人 山本
Satoru Igarashi
哲 五十嵐
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means for preventing a catalytically active property from lowering in a low temperature environment of not more than 300°C . <P>SOLUTION: A generator 1 is provided with a modified reactor 42 producing hydrogen from a mixture of methanol and water, and a fuel cell 91 producing an electric energy from the hydrogen produced by the modified reactor 42. In the modified reactor 42, a passage making the mixture of methanol and water flow is formed, in which Cu/ZnO catalyst having a surface area of not less than 65 m<SP>2</SP>/g, and a ZnO crystallite diameter of not more than 121 Å is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はCu/ZnO系触媒及びその製造方法並びに発電装置に係り、特に反応温度が低温でも触媒機能が低下するのを防止することができるCu/ZnO系触媒及びその製造方法並びに発電装置に関する。   The present invention relates to a Cu / ZnO-based catalyst, a method for producing the same, and a power generation device, and more particularly to a Cu / ZnO-based catalyst capable of preventing a catalyst function from being lowered even at a low reaction temperature, a method for producing the same, and a power generation device.

近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として、水素を燃料とする燃料電池が自動車や携帯機器などに応用され始めている。燃料電池には、燃料である水素を含む化合物を直接固体高分子膜に導入する直接型と、水素を含む化合物を改質して水素として固体高分子膜に導入する改質型があり、後者の化合物としてメタノールを適用した場合の改質反応は下記の通りである。
CH3OH+H2O→3H2+CO2
In recent years, fuel cells using hydrogen as fuel as a clean power source with high energy conversion efficiency have begun to be applied to automobiles and portable devices. There are two types of fuel cells: a direct type in which a compound containing hydrogen as a fuel is directly introduced into the solid polymer membrane, and a modified type in which a compound containing hydrogen is reformed and introduced into the solid polymer membrane as hydrogen. The reforming reaction when methanol is applied as the compound is as follows.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2

ところで、上記化学反応を促進するメタノール改質用触媒として、白金、パラジウムなどの白金族金属を担体に担持した触媒や銅、ニッケル、クロム、亜鉛などの卑金属元素を担体に担持した触媒など数多く提案されている。中でも、銅と亜鉛とを担体に担持した所謂「Cu/ZnO系触媒」は特に、300℃以上の高温域において触媒活性が高く、高純度の水素を迅速かつ高効率に製造できるということから、脚光を浴びている(特許文献1参照)。
特開2001−300315号公報
By the way, as a catalyst for reforming methanol that promotes the above chemical reaction, there are many proposals such as a catalyst in which a platinum group metal such as platinum or palladium is supported on a carrier or a catalyst in which a base metal element such as copper, nickel, chromium, or zinc is supported on a carrier. Has been. Among them, the so-called “Cu / ZnO-based catalyst” in which copper and zinc are supported on a carrier has high catalytic activity particularly in a high temperature range of 300 ° C. or higher, and high-purity hydrogen can be produced quickly and efficiently. It is in the spotlight (see Patent Document 1).
JP 2001-300315 A

しかしながら、上記化学反応は吸熱反応であるため、上記化学反応を促進するには反応熱を供給する必要がある。したがって、Cu/ZnO系触媒を燃料電池式の発電装置の一部として小型の携帯機器に組み込むには、反応熱にかかるエネルギーを発電装置自体が賄わなくてはならず、これを燃料電池自体が生じる電気エネルギーによってもたらす場合、燃料の消費量に対する発電効率及び安全性の観点から高温環境下で触媒機能を発揮させるのは好ましくなく、300℃以下、好ましくは280℃以下の低温環境下でも高い触媒機能を発揮させるのが実用的である。
本発明の目的は、300℃以下の低温環境下においても触媒活性の低下が抑制できるCu/ZnO系触媒及びその製造方法並びに発電装置を提供することである。
However, since the chemical reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply reaction heat to promote the chemical reaction. Therefore, in order to incorporate a Cu / ZnO-based catalyst into a small portable device as a part of a fuel cell type power generator, the power generator itself must provide energy for reaction heat. When brought about by the generated electric energy, it is not preferable to exert a catalytic function in a high temperature environment from the viewpoint of power generation efficiency and safety with respect to fuel consumption, and a high catalyst even in a low temperature environment of 300 ° C. or lower, preferably 280 ° C. or lower. It is practical to demonstrate the function.
An object of the present invention is to provide a Cu / ZnO-based catalyst that can suppress a decrease in catalytic activity even in a low-temperature environment of 300 ° C. or lower, a method for producing the same, and a power generator.

上記課題を解決するため、
請求項1に記載の発明のCu/ZnO系触媒は、
表面積が65m2/g以上であることを特徴としている。
To solve the above problem,
The Cu / ZnO-based catalyst of the invention according to claim 1 is
The surface area is 65 m 2 / g or more.

請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載のCu/ZnO系触媒において、
ZnO結晶子径が121Å以下であることを特徴としている。
The invention described in claim 2
In the Cu / ZnO-based catalyst according to claim 1,
The ZnO crystallite diameter is 121 mm or less.

請求項3に記載の発明は、Cu/ZnO系触媒の製造方法であって、
銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=1:2〜8:1とした銅・亜鉛の金属塩を含む銅・亜鉛水溶液とアルカリ溶液とを50〜70℃の間で混合して沈殿物を形成する沈殿工程と、
前記沈殿物を乾燥・焼成する乾燥・焼成工程と、
を備えることを特徴としている。
Invention of Claim 3 is a manufacturing method of a Cu / ZnO type catalyst,
A copper / zinc aqueous solution containing a copper / zinc metal salt in which the molar ratio of copper and zinc is copper: zinc = 1: 2 to 8: 1 and an alkaline solution are mixed at 50 to 70 ° C. to form a precipitate. A precipitation step to form,
A drying / firing step for drying / firing the precipitate;
It is characterized by having.

請求項4に記載の発明は、Cu/ZnO系触媒の製造方法であって、
銅・亜鉛の金属塩を含む銅・亜鉛水溶液とアルカリ溶液とをpH8.0〜9.4に保持しながら混合して沈殿物を形成する沈殿工程と、
前記沈殿物を乾燥・焼成する乾燥・焼成工程と、
を備えることを特徴としている。
Invention of Claim 4 is a manufacturing method of a Cu / ZnO type catalyst, Comprising:
A precipitation step in which a copper / zinc aqueous solution containing a metal salt of copper / zinc and an alkaline solution are mixed while maintaining a pH of 8.0 to 9.4 to form a precipitate;
A drying / firing step for drying / firing the precipitate;
It is characterized by having.

請求項5に記載の発明は、
請求項3又は4に記載のCu/ZnO系触媒の製造方法において、
前記沈殿工程の後に、前記混合液を濾過し、濾過後に残った前記沈殿物を洗浄する濾過・洗浄工程を有し、
前記濾過・洗浄工程では、濾過後に残った前記沈殿物を、前記沈殿工程中の前記混合液の温度より高い温度で洗浄することを特徴としている。
The invention described in claim 5
In the manufacturing method of the Cu / ZnO-type catalyst of Claim 3 or 4,
After the precipitation step, it has a filtration / washing step of filtering the mixed solution and washing the precipitate remaining after the filtration,
In the filtration / washing step, the precipitate remaining after the filtration is washed at a temperature higher than the temperature of the mixed solution during the precipitation step.

請求項6に記載の発明は、
請求項3〜5のいずれか一項に記載のCu/ZnO系触媒の製造方法において、
前記沈殿工程では、前記銅・亜鉛水溶液と前記アルカリ溶液とを、アルミニウム酸化物を含む水溶液中で混合することを特徴としている。
The invention described in claim 6
In the manufacturing method of the Cu / ZnO-type catalyst as described in any one of Claims 3-5,
In the precipitation step, the copper / zinc aqueous solution and the alkaline solution are mixed in an aqueous solution containing aluminum oxide.

請求項7に記載の発明は、
請求項1に記載のCu/ZnO系触媒を用いた発電装置において、
メタノールと水との混合物から水素を生成する改質反応器と、
前記改質反応器で生成した水素から電気エネルギーを生成する燃料電池と、
を備え、
前記改質反応器にはメタノールと水との混合物を流動させる流路が形成されており、前記流路に、前記Cu/ZnO系触媒が配されていることを特徴としている。
The invention described in claim 7
In the electric power generating apparatus using the Cu / ZnO-based catalyst according to claim 1,
A reforming reactor for producing hydrogen from a mixture of methanol and water;
A fuel cell that generates electrical energy from hydrogen generated in the reforming reactor;
With
The reforming reactor is formed with a flow path for allowing a mixture of methanol and water to flow, and the Cu / ZnO-based catalyst is arranged in the flow path.

請求項8に記載の発明は、
請求項7に記載の発電装置において、
前記改質反応器で生成された一酸化炭素を除去する反応器を備えることを特徴としている。
The invention according to claim 8 provides:
The power generator according to claim 7,
A reactor for removing carbon monoxide produced in the reforming reactor is provided.

請求項1に記載の発明によれば、300℃以下の低温環境下において触媒活性が低下するのを防止することができる。   According to the first aspect of the present invention, it is possible to prevent the catalytic activity from being lowered in a low temperature environment of 300 ° C. or lower.

請求項3〜6に記載の発明によれば、300℃を超えた範囲でも触媒活性され、さらに300℃以下の低温環境下においても触媒活性の低下を抑制できるCu/ZnO系触媒を製造することができる。   According to the invention described in claims 3 to 6, it is possible to produce a Cu / ZnO-based catalyst that is catalytically active even in a range exceeding 300 ° C. and that can suppress a decrease in catalytic activity even in a low temperature environment of 300 ° C. or lower. Can do.

請求項7に記載の発明では、流路にCu/ZnO系触媒が配されているため、メタノールと水との混合物が流路を流動するとき、その混合物から水素を生成することができる。   In the seventh aspect of the invention, since the Cu / ZnO-based catalyst is arranged in the flow path, when a mixture of methanol and water flows through the flow path, hydrogen can be generated from the mixture.

請求項8に記載の発明では、一酸化炭素を除去する反応器を備えるため、改質反応器で発生した一酸化炭素を除去することができる。   In the invention described in claim 8, since the reactor for removing carbon monoxide is provided, the carbon monoxide generated in the reforming reactor can be removed.

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
始めに、図1を参照しながら本発明に係る発電装置について説明する。図1は発電装置1を一部破断して示した斜視図である。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated examples.
First, the power generator according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view of the power generator 1 with a part thereof broken away.

図1に示す発電装置1は燃料電池を用いて発電する燃料電池式発電装置であって、燃料99を貯蔵する燃料貯蔵モジュール2と、燃料貯蔵モジュール2に貯蔵された燃料99を用いて発電する発電モジュール3とを備えている。   A power generation device 1 shown in FIG. 1 is a fuel cell type power generation device that generates power using a fuel cell, and generates power using a fuel storage module 2 that stores fuel 99 and a fuel 99 stored in the fuel storage module 2. And a power generation module 3.

燃料貯蔵モジュール2はほぼ円筒状の筐体4を有しており、筐体4が発電モジュール3に対して着脱自在に取り付けられている。筐体4の頭頂部には円形の貫通孔5が形成されており、筐体4の外周側には、発電モジュール3で生成された副生成物の水を流通させるための第1排水管6が形成されている。燃料貯蔵モジュール2の底部には、排水用の水を貯留する排水容器7(図2参照)が配されており、排水容器7に上記第1排水管6が接続されている。   The fuel storage module 2 has a substantially cylindrical casing 4, and the casing 4 is detachably attached to the power generation module 3. A circular through hole 5 is formed at the top of the casing 4, and a first drain pipe 6 for circulating the by-product water generated by the power generation module 3 is provided on the outer periphery of the casing 4. Is formed. A drainage container 7 (see FIG. 2) for storing drainage water is disposed at the bottom of the fuel storage module 2, and the first drainage pipe 6 is connected to the drainage container 7.

筐体4の内部には燃料タンク8が収納されており、燃料タンク8の外周面の一部が筐体4の外部に露出している。燃料タンク8の内部には液体の燃料99が貯蔵されている。燃料タンク8は、内部空間を有した透明又は半透明なほぼ円筒状の容器であって、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリルなどの材料から構成されている。燃料貯蔵モジュール2では、燃料タンク8の外周面の一部が筐体4の外部に露出しかつ燃料タンク8が透明又は半透明な容器から構成されているため、燃料タンク8の燃料99の有無や残量を容易に確認できるようになっている。   A fuel tank 8 is housed inside the housing 4, and a part of the outer peripheral surface of the fuel tank 8 is exposed to the outside of the housing 4. Liquid fuel 99 is stored inside the fuel tank 8. The fuel tank 8 is a transparent or translucent substantially cylindrical container having an internal space, and is made of a material such as polyethylene, polypropylene, polycarbonate, or acrylic. In the fuel storage module 2, a part of the outer peripheral surface of the fuel tank 8 is exposed to the outside of the housing 4, and the fuel tank 8 is composed of a transparent or translucent container. You can easily check the remaining amount.

燃料99は、液状の化学燃料と水との混合物であり、化学燃料としてはメタノール,エタノールなどのアルコール類やガソリンなどの炭化水素の混合物が適用可能である。発電装置1では、燃料99として、メタノールと水とを均一に混合した混合液(水/メタノール=2(モル比))を用いている。   The fuel 99 is a mixture of a liquid chemical fuel and water. As the chemical fuel, a mixture of alcohols such as methanol and ethanol and a hydrocarbon such as gasoline is applicable. In the power generation device 1, a mixed liquid (water / methanol = 2 (molar ratio)) in which methanol and water are uniformly mixed is used as the fuel 99.

燃料タンク8の頭頂部には、燃料99を発電モジュール3に供給するための供給口10が設けられており、供給口10が筐体4の貫通孔5に挿入されている。供給口10の内部には、供給口10全体を閉塞する閉塞膜11が配設されている。燃料タンク8の内部には、図1中上下方向に延在する供給管12が配設されており、供給管12が供給口10に挿入されている。供給管12は、燃料タンク8の底部から供給口10内の閉塞膜11の直下にまで延在している。燃料タンク8では、閉塞膜11により供給口10を閉塞し、燃料99が燃料タンク8の外部に漏出するのを防止できる構造となっている。   A supply port 10 for supplying the fuel 99 to the power generation module 3 is provided at the top of the fuel tank 8, and the supply port 10 is inserted into the through hole 5 of the housing 4. Inside the supply port 10, a blocking film 11 that closes the entire supply port 10 is disposed. A supply pipe 12 extending in the vertical direction in FIG. 1 is disposed inside the fuel tank 8, and the supply pipe 12 is inserted into the supply port 10. The supply pipe 12 extends from the bottom of the fuel tank 8 to just below the blocking film 11 in the supply port 10. In the fuel tank 8, the supply port 10 is closed by the closing film 11, and the fuel 99 can be prevented from leaking outside the fuel tank 8.

次に、発電モジュール3について説明する。
図1に示す通り、発電モジュール3はほぼ円筒状の筐体30を有している。筐体30の内部には、上記燃料タンク8に貯蔵された燃料99中のメタノールを改質して水素を生成する改質装置40が配設されている。改質装置40は、気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44がこの順に重ねられた構造を有している。
Next, the power generation module 3 will be described.
As shown in FIG. 1, the power generation module 3 has a substantially cylindrical housing 30. Inside the housing 30 is disposed a reformer 40 that reforms methanol in the fuel 99 stored in the fuel tank 8 to generate hydrogen. The reformer 40 has a structure in which a vaporizer 41, a reforming reactor 42, an aqueous shift reactor 43, and a selective oxidation reactor 44 are stacked in this order.

発電モジュール3では、気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44を取り囲むように燃料電池91が配設されている。燃料電池91は、Pt/Cなどの触媒微粒子を含有又は付着させた燃料極(カソード)と、Pt/Ru/Cなどの触媒微粒子を含有又は付着させた空気極(アノード)とを有しており、燃料極と空気極との間にフィルム状のイオン伝導膜を介在させた構造を有している。   In the power generation module 3, a fuel cell 91 is disposed so as to surround the vaporizer 41, the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44. The fuel cell 91 includes a fuel electrode (cathode) containing or adhering catalyst fine particles such as Pt / C and an air electrode (anode) containing or adhering catalyst fine particles such as Pt / Ru / C. In addition, a film-like ion conductive membrane is interposed between the fuel electrode and the air electrode.

燃料電池91の外側であって筐体30の外周面には、外気中の酸素を吸気するための複数のスリット31,31,…が互いに平行に並んだ状態で形成されている。筐体30の頭頂部には、外部のデバイスに電気エネルギーを供給するための端子32が配設されており、端子32の周囲であって筐体30の頭頂部には、副生成物の二酸化炭素、水蒸気などを排気するための複数の排気孔33,33,…が形成されている。   A plurality of slits 31, 31,... For inhaling oxygen in the outside air are formed in parallel with each other on the outer peripheral surface of the housing 30 outside the fuel cell 91. A terminal 32 for supplying electric energy to an external device is disposed on the top of the housing 30, and by-product dioxide dioxide is provided around the terminal 32 and on the top of the housing 30. A plurality of exhaust holes 33, 33,... For exhausting carbon, water vapor, and the like are formed.

筐体30の外周側には第2排水管34が配設されている。第2排水管34は、筐体30の底部から下方に突出し、燃料貯蔵モジュール2の第1排水管6に対応する位置に配されている。第2排水管34は燃料電池91で生成された副生成物の水を流通させるためのものであり、燃料電池91で生成された副生成物の水は第2排水管34及び第1排水管6を通じて排水容器7へ排水・貯留されるようになっている。   A second drain pipe 34 is disposed on the outer peripheral side of the housing 30. The second drain pipe 34 protrudes downward from the bottom of the housing 30 and is disposed at a position corresponding to the first drain pipe 6 of the fuel storage module 2. The second drain pipe 34 is for circulating the by-product water generated in the fuel cell 91, and the by-product water generated in the fuel cell 91 is the second drain pipe 34 and the first drain pipe. 6 is drained and stored in the drainage container 7.

筐体30の底部の中央部には、吸入ニップル部37が下方に突出するように配設されている。吸入ニップル部37には、先端から中心線に沿って貫通する流路が形成されている。吸入ニップル部37は、燃料貯蔵モジュール2の貫通孔5に対応する位置に配されており、燃料タンク8から燃料99を吸入するためのものである。   A suction nipple portion 37 is disposed at the center of the bottom of the housing 30 so as to protrude downward. The suction nipple portion 37 is formed with a flow path penetrating from the tip along the center line. The suction nipple portion 37 is disposed at a position corresponding to the through hole 5 of the fuel storage module 2 and is for sucking the fuel 99 from the fuel tank 8.

上記構成を備える発電装置1において、燃料タンク8を収納した燃料貯蔵モジュール2を発電モジュール3に取り付ける(接続する)と、両モジュール2,3の接続箇所の外周側では、燃料貯蔵モジュール2の第1排水管6が発電モジュール3の第2排水管34に接続される。これにより、第1排水管6と第2排水管34とが互いに通じ合い、発電モジュール3の燃料電池91で生成された副生成物の水を、第2排水管34から第1排水管6へと流通させて排水容器7に排水可能な状態となる。   In the power generation apparatus 1 having the above configuration, when the fuel storage module 2 containing the fuel tank 8 is attached (connected) to the power generation module 3, the fuel storage module 2 is connected to the outer peripheral side of the connection portion between the modules 2 and 3. One drain pipe 6 is connected to the second drain pipe 34 of the power generation module 3. Thereby, the first drain pipe 6 and the second drain pipe 34 communicate with each other, and the by-product water generated in the fuel cell 91 of the power generation module 3 is transferred from the second drain pipe 34 to the first drain pipe 6. It becomes a state which can be drained to the drainage container 7 by circulating.

一方、両モジュール2,3の接続箇所の中央部では、発電モジュール3の吸入ニップル部37が燃料貯蔵モジュール2の貫通孔5及び燃料タンク8の供給口10に挿入され、供給口10の閉塞膜11を突き破る。これにより、吸入ニップル部37が燃料タンク8の供給管12と通じ合い、燃料タンク8に貯蔵された燃料99を供給管12から吸入ニップル部37へと供給可能な状態となる。   On the other hand, in the central portion of the connection location between the modules 2 and 3, the suction nipple portion 37 of the power generation module 3 is inserted into the through hole 5 of the fuel storage module 2 and the supply port 10 of the fuel tank 8. Break through 11. As a result, the suction nipple portion 37 communicates with the supply pipe 12 of the fuel tank 8, and the fuel 99 stored in the fuel tank 8 can be supplied from the supply pipe 12 to the suction nipple portion 37.

次に、図2を参照しながら発電装置1における発電システムについて詳細に説明する。図2は、発電装置1の発電システムの基本構成を示したブロック図である。   Next, the power generation system in the power generation apparatus 1 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram illustrating a basic configuration of the power generation system of the power generation apparatus 1.

燃料タンク8に貯蔵された燃料99は、まず気化器41に供給される。気化器41では、供給された燃料99が加熱されて気化(蒸発)し、メタノール及び水(水蒸気)の混合気(混合気体)となって改質反応器42に供給される。   The fuel 99 stored in the fuel tank 8 is first supplied to the vaporizer 41. In the vaporizer 41, the supplied fuel 99 is heated and vaporized (evaporated) to become a mixed gas (mixed gas) of methanol and water (water vapor) and supplied to the reforming reactor 42.

改質反応器42では、気化器41で気化した燃料99から水素及び二酸化炭素が生成される。具体的には、化学反応式(1)のように、気化器41で混合気とされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素及び水素が生成される。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 … (1)
In the reforming reactor 42, hydrogen and carbon dioxide are generated from the fuel 99 vaporized in the vaporizer 41. Specifically, as shown in the chemical reaction formula (1), methanol and water vapor mixed in the vaporizer 41 react to generate carbon dioxide and hydrogen.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)

改質反応器42では、気化器41で混合気とされたメタノールと水蒸気が完全に二酸化炭素及び水素に改質されない場合もあり、この場合、化学反応式(2)のように、混合気とされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素、一酸化炭素及び水蒸気が生成される。
2CH3OH+H2O→5H2+CO+CO2 … (2)
改質反応器42で生成された水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は水性シフト反応器43に供給される。
In the reforming reactor 42, the methanol and water vapor mixed in the vaporizer 41 may not be completely reformed to carbon dioxide and hydrogen. In this case, as shown in the chemical reaction formula (2), The methanol and water vapor react to produce carbon dioxide, carbon monoxide and water vapor.
2CH 3 OH + H 2 O → 5H 2 + CO + CO 2 (2)
Steam, carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen generated in the reforming reactor 42 are supplied to the aqueous shift reactor 43.

水性シフト反応器43では、改質反応器42から供給された混合気に含まれる一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素及び水素が生成される。具体的には、化学反応式(3)のように、一酸化炭素と水が反応して二酸化炭素及び水素が生成され、生成された二酸化炭素及び水素並びに水性シフト反応器43において未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は選択酸化反応器44に供給される。
CO+H2O→CO2+H2 … (3)
In the aqueous shift reactor 43, carbon dioxide and hydrogen are generated from carbon monoxide and water vapor contained in the gas mixture supplied from the reforming reactor 42. Specifically, as shown in the chemical reaction formula (3), carbon monoxide and water react to generate carbon dioxide and hydrogen, and the generated carbon dioxide and hydrogen and the unreacted one in the aqueous shift reactor 43. Carbon oxide, carbon dioxide and hydrogen are supplied to the selective oxidation reactor 44.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)

選択酸化反応器44では、水性シフト反応器43から供給された混合気に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化させて混合気中から一酸化炭素が除去される。具体的には、水性シフト反応器43から供給された混合気のなかから特異的に選択された一酸化炭素と、上記各スリット31を介して取り込まれた外気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。
2CO+O2→2CO2 … (4)
In the selective oxidation reactor 44, carbon monoxide contained in the air-fuel mixture supplied from the aqueous shift reactor 43 is selectively oxidized to remove carbon monoxide from the air-fuel mixture. Specifically, carbon monoxide specifically selected from the air-fuel mixture supplied from the aqueous shift reactor 43 reacts with oxygen in the outside air taken in through the slits 31 to produce carbon dioxide. Carbon is produced.
2CO + O 2 → 2CO 2 (4)

このように、改質装置40の気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44の各反応器を経た燃料99から二酸化炭素と水素が生成される。生成された水素は燃料電池91に供給され、生成された二酸化炭素は、副生成物として各排気孔33から外気中に排気される。また、改質装置40の各反応器を経て生成された水蒸気も、副生成物として各排気孔33から排気される。   Thus, carbon dioxide and hydrogen are generated from the fuel 99 that has passed through the respective reactors of the vaporizer 41, the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44 of the reformer 40. The generated hydrogen is supplied to the fuel cell 91, and the generated carbon dioxide is exhausted into the outside air from each exhaust hole 33 as a by-product. Further, water vapor generated through each reactor of the reformer 40 is also exhausted from each exhaust hole 33 as a by-product.

燃料電池91では、電気化学反応式(5)に示すように、選択酸化反応器44から供給された水素が、燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。
2→2H++2e- … (5)
In the fuel cell 91, as shown in the electrochemical reaction formula (5), the hydrogen supplied from the selective oxidation reactor 44 is separated into hydrogen ions and electrons under the action of the catalyst fine particles of the fuel electrode. Hydrogen ions are conducted to the air electrode through the ion conductive membrane, and electrons are taken out by the fuel electrode.
H 2 → 2H + + 2e (5)

燃料電池91では、上記各スリット31を介して外気中の酸素が取り込まれ、この酸素が空気極に供給される。そして、電気化学反応式(6)に示すように、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが反応して水が副生成物として生成される。生成された副生成物としての水は、第2排水管34及び第1排水管6を通じて排水容器7に排水・貯留される。
2H++1/2O2+2e-→H2O … (6)
In the fuel cell 91, oxygen in the outside air is taken in through each slit 31, and this oxygen is supplied to the air electrode. Then, as shown in the electrochemical reaction formula (6), oxygen taken in from the outside air, hydrogen ions that have passed through the ion conductive membrane, and electrons taken out by the fuel electrode react to form water as a byproduct. Is generated as The generated water as a by-product is drained and stored in the drainage container 7 through the second drain pipe 34 and the first drain pipe 6.
2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O (6)

以上のように、発電装置1では、燃料電池91で上記(5),(6)に示す電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。   As described above, in the power generation device 1, electric energy is generated by the electrochemical reactions shown in the above (5) and (6) in the fuel cell 91.

次に、図3及び図4を参照しながら改質装置40について説明する。図3は改質装置40の断面図である。   Next, the reformer 40 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a cross-sectional view of the reformer 40.

図3に示す通り、改質装置40は、気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44がこの順に積み重ねられた構造を有している。気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44の各反応器は、内部に空間を形成した断熱パッケージ45を有している。各断熱パッケージ45はともに、比較的熱伝導率の低いガラスなどの断熱材から構成されており、各断熱パッケージ45の内壁には、Au,Ag,Alなどで形成された輻射反射膜(図示略)が成膜されている。   As shown in FIG. 3, the reformer 40 has a structure in which a vaporizer 41, a reforming reactor 42, an aqueous shift reactor 43, and a selective oxidation reactor 44 are stacked in this order. Each of the vaporizer 41, the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44 has a heat insulating package 45 in which a space is formed. Each heat insulating package 45 is made of a heat insulating material such as glass having a relatively low thermal conductivity, and a radiation reflecting film (not shown) formed of Au, Ag, Al or the like on the inner wall of each heat insulating package 45. ) Is formed.

輻射反射膜は、赤外線を含む電磁波に対して高い反射率を有しており、各断熱パッケージ45の内部で発された電磁波を反射するようになっている。したがって気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44の各反応器では、断熱パッケージ45に熱がほとんど伝熱されず、断熱パッケージ45内の熱損失を抑えることができるようになっている。   The radiation reflection film has a high reflectance with respect to electromagnetic waves including infrared rays, and reflects the electromagnetic waves emitted inside each heat insulating package 45. Therefore, in each reactor of the vaporizer 41, the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44, almost no heat is transferred to the heat insulation package 45, and heat loss in the heat insulation package 45 is suppressed. Can be done.

各断熱パッケージ45の内部は完全に密閉された空間となっており、その空間は真空とされている。ただし、各断熱パッケージ45の内部は、フッ素を含むメタン若しくはエタンの多ハロゲン化誘導体ガス(フレオン(商品名)ガス)又は炭酸ガスで置換されてもよい。フッ素を含むメタン又はエタンの多ハロゲン化誘導体ガスとしては、トリクロロフルオロメタン,ジクロロジフルオロメタンなどがある。   The interior of each heat insulation package 45 is a completely sealed space, and the space is evacuated. However, the inside of each heat insulation package 45 may be replaced with fluorine-containing methane or ethane polyhalogenated derivative gas (Freon (trade name) gas) or carbon dioxide gas. Examples of the methane or ethane polyhalogenated derivative gas containing fluorine include trichlorofluoromethane and dichlorodifluoromethane.

各断熱パッケージ45の内壁の入隅には支持体46がそれぞれ配設されており、4つの小型反応器51が、各支持体46に支持された状態で気化器41、改質反応器42及び水性シフト反応器43の各反応器毎に1つずつ配設されている。   Supports 46 are respectively disposed in the corners of the inner walls of the respective heat insulation packages 45, and the four small reactors 51 are supported by the respective supports 46, the vaporizer 41, the reforming reactor 42, and the like. One water shift reactor 43 is provided for each reactor.

各小型反応器51はガラス基板53とシリコン基板54とを互いに重ね合わせて接合した構造を有している。ガラス基板53は、Naなどを含有したイオン伝導性のガラス製基板であり、シリコン基板54は半導性のシリコン製基板である。シリコン基板54はアモルファスシリコンからなる基板であってもよいし、単結晶シリコン,多結晶シリコンといった結晶性シリコンからなる基板であってもよい。   Each small reactor 51 has a structure in which a glass substrate 53 and a silicon substrate 54 are overlapped and joined to each other. The glass substrate 53 is an ion conductive glass substrate containing Na or the like, and the silicon substrate 54 is a semiconductive silicon substrate. The silicon substrate 54 may be a substrate made of amorphous silicon, or may be a substrate made of crystalline silicon such as single crystal silicon or polycrystalline silicon.

図4には、各小型反応器51のシリコン基板54の断面図(中段)と、シリコン基板54の平面図(上段)と、シリコン基板54の底面図(下段)とが図示されている。
図4の上段に示す通り、シリコン基板54の上面(ガラス基板53との接合面の反対の面)には、葛折り状のヒータ55が配設されている。ヒータ55は、電気抵抗性発熱体,半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものであり、電流が流れたり電圧が印加されたりすることで発熱するものである。
FIG. 4 shows a cross-sectional view (middle stage) of the silicon substrate 54 of each small reactor 51, a plan view (upper stage) of the silicon substrate 54, and a bottom view (lower stage) of the silicon substrate 54.
As shown in the upper part of FIG. 4, a twisted heater 55 is disposed on the upper surface of the silicon substrate 54 (the surface opposite to the bonding surface with the glass substrate 53). The heater 55 is a thin film formed of an electrical resistance heating element, a semiconductor heating element, and the like, and generates heat when a current flows or a voltage is applied thereto.

ヒータ55の両端部には、断熱パッケージ45を貫通して断熱パーケージ45の外部にまで延出するリード線(図示略)がそれぞれ接続されており、各リード線を介してヒータ55に電気エネルギーが供給されるようになっている。各リード線が断熱パッケージ45を貫通している箇所は完全に密閉されており、断熱パッケージ45の内部と外部とのあいだで気体の出入りを遮断する構造になっている。   Lead wires (not shown) that pass through the heat insulation package 45 and extend to the outside of the heat insulation package 45 are respectively connected to both ends of the heater 55, and electrical energy is supplied to the heater 55 through the lead wires. It comes to be supplied. A portion where each lead wire penetrates the heat insulation package 45 is completely sealed, and has a structure that blocks gas from entering and exiting between the inside and the outside of the heat insulation package 45.

図4の下段に示す通り、シリコン基板54の下面(ガラス基板53との接合面)には、葛折り状のマイクロ流路56が形成されている。図4の中段に示す通り、マイクロ流路56は、断面視したときの形状が弓形状を呈した溝であって、具体的にはシリコン基板54の下面にフォトリソグラフィー,エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。マイクロ流路56は一端部56aから他端部56bにかけて同様の幅を有しながら延在している。   As shown in the lower part of FIG. 4, a twisted microchannel 56 is formed on the lower surface of the silicon substrate 54 (the bonding surface with the glass substrate 53). As shown in the middle of FIG. 4, the microchannel 56 is a groove having a bow shape when viewed in cross-section, and specifically, photolithography, etching, or the like is appropriately applied to the lower surface of the silicon substrate 54. It is formed by. The microchannel 56 extends from the one end portion 56a to the other end portion 56b while having the same width.

図3に示す通り、気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44の各反応器では、流入管61と流出管62とが断熱パッケージ45を貫通した状態で1本ずつ配設されている。   As shown in FIG. 3, in each reactor of the vaporizer 41, the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44, the inflow pipe 61 and the outflow pipe 62 pass through the heat insulating package 45. One by one.

気化器41の流入管61は、上記吸入ニップル部37と小型反応器51のマイクロ流路56の一端部56aとに通じており、燃料タンク8に貯蔵された燃料99が吸入ニップル部37及び流入管61を通じてマイクロ流路56に供給されるようになっている。ただし、気化器41の流入管61と吸入ニップル部37とのあいだにはマイクロポンプ(図示略)が配設されており、マイクロポンプによって気化器41の流入管61に流入する燃料99の流量を調節できるようになっている。気化器41の流出管62は、小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bと改質反応器42の流入管61とに通じている。   The inflow pipe 61 of the carburetor 41 communicates with the suction nipple portion 37 and one end portion 56a of the micro flow channel 56 of the small reactor 51, and the fuel 99 stored in the fuel tank 8 flows into the suction nipple portion 37 and the inflow portion. The micro channel 56 is supplied through the tube 61. However, a micro pump (not shown) is disposed between the inflow pipe 61 of the carburetor 41 and the suction nipple portion 37, and the flow rate of the fuel 99 flowing into the inflow pipe 61 of the carburetor 41 by the micro pump is reduced. It can be adjusted. The outflow pipe 62 of the vaporizer 41 communicates with the other end 56 b of the microchannel 56 of the small reactor 51 and the inflow pipe 61 of the reforming reactor 42.

改質反応器42の流入管61は、気化器41の流出管62と小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bとに通じている。改質反応器42の流出管62は、小型反応器51のマイクロ流路56の一端部56aと水性シフト反応器43の流入管61とに通じている。   The inflow pipe 61 of the reforming reactor 42 communicates with the outflow pipe 62 of the vaporizer 41 and the other end portion 56 b of the microchannel 56 of the small reactor 51. The outflow pipe 62 of the reforming reactor 42 communicates with one end portion 56 a of the micro flow path 56 of the small reactor 51 and the inflow pipe 61 of the aqueous shift reactor 43.

水性シフト反応器43の流入管61は、改質反応器42の流出管62と小型反応器51のマイクロ流路56の一端部56aとに通じている。水性シフト反応器43の流出管62は、小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bと選択酸化反応器44の流入管61とに通じている。   The inflow pipe 61 of the aqueous shift reactor 43 communicates with the outflow pipe 62 of the reforming reactor 42 and one end portion 56 a of the microchannel 56 of the small reactor 51. The outflow pipe 62 of the aqueous shift reactor 43 communicates with the other end portion 56 b of the microchannel 56 of the small reactor 51 and the inflow pipe 61 of the selective oxidation reactor 44.

選択酸化反応器44の流入管61は、水性シフト反応器43の流出管62と小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bとに通じている。選択酸化反応器44の流出管62は、断熱パッケージ45の内部で小型反応器51のマイクロ流路56の一端部56aに通じており、断熱パッケージ45の外部では二本に分岐して、分岐した一方が燃料電池91の燃料極に通じ、分岐した他方が上記排気孔33,33,…(図1参照)に通じている。   The inflow pipe 61 of the selective oxidation reactor 44 communicates with the outflow pipe 62 of the aqueous shift reactor 43 and the other end portion 56 b of the microchannel 56 of the small reactor 51. The outflow pipe 62 of the selective oxidation reactor 44 communicates with one end portion 56a of the micro-channel 56 of the small reactor 51 inside the heat insulation package 45, and is branched into two branches outside the heat insulation package 45. One leads to the fuel electrode of the fuel cell 91, and the other branched leads to the exhaust holes 33, 33,... (See FIG. 1).

なお、図3に示す通り、選択酸化反応器44の小型反応器51のマイクロ流路56には空気流入管63が通じている。空気流入管63は、断熱パッケージ45を貫通した状態でマイクロ流路56の他端部56bと上記スリット31,31,…(図1参照)とに通じており、外気中の酸素が各スリット31及び空気流入管63を介してマイクロ流路56の他端部56bに供給されるようになっている。   As shown in FIG. 3, an air inflow pipe 63 communicates with the micro flow path 56 of the small reactor 51 of the selective oxidation reactor 44. The air inflow pipe 63 passes through the heat insulating package 45 and communicates with the other end portion 56b of the micro flow path 56 and the slits 31, 31,... (See FIG. 1). In addition, the other end portion 56 b of the microchannel 56 is supplied via the air inflow pipe 63.

ここで、図3に示す通り、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44の各小型反応器51では、マイクロ流路56の内壁に沿って触媒70,71,72がそれぞれ配されている。   Here, as shown in FIG. 3, in each of the small reactors 51 of the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44, the catalysts 70, 71, 72 are disposed along the inner wall of the microchannel 56. Each is arranged.

触媒70は、メタノール及び水の混合気(混合気体)を水素と二酸化炭素とに改質する(上記化学反応式(1)参照)触媒であって、担体としてのアルミニウム酸化物に銅及び亜鉛を担持させた所謂「Cu/ZnO系触媒(Cu/ZnO/Al23化合物)」である。触媒70は、後述する製法によって表面積が65m2/g(BET法による測定値)以上でかつZnO結晶子径が121Å(X線回折法(Scherrer法)による測定値)以下としたものであって、周知のCu/ZnO系触媒に比較して、300℃以下の低温環境下においても高いメタノール転化率を維持することができ、副生成物の一酸化炭素の生成量も低く抑えることができる(図7参照)。 The catalyst 70 is a catalyst for reforming a mixed gas (mixed gas) of methanol and water into hydrogen and carbon dioxide (see the above chemical reaction formula (1)), and copper and zinc are added to aluminum oxide as a support. It is a so-called “Cu / ZnO-based catalyst (Cu / ZnO / Al 2 O 3 compound)” supported. The catalyst 70 has a surface area of 65 m 2 / g (measured by the BET method) or more and a ZnO crystallite diameter of 121 測定 (measured by the X-ray diffraction method (Scherrer method)) or less by a manufacturing method described later. Compared to known Cu / ZnO-based catalysts, a high methanol conversion can be maintained even in a low temperature environment of 300 ° C. or lower, and the amount of carbon monoxide produced as a by-product can be kept low ( (See FIG. 7).

触媒71は、一酸化炭素及び水の混合気を水素と二酸化炭素とに水性シフトする(上記化学反応式(3)参照)触媒であり、触媒72は、一酸化炭素を選択的に酸化する(上記化学反応式(4)参照)触媒である。   The catalyst 71 is a catalyst that shifts the mixture of carbon monoxide and water to hydrogen and carbon dioxide (see the above chemical reaction formula (3)), and the catalyst 72 selectively oxidizes carbon monoxide ( The chemical reaction formula (4))) catalyst.

なお、本実施形態では、触媒70は、多孔質のアルミニウム酸化物(アルミナ:Al23)を担体としているが、アルミニウム酸化物とは別の化合物を担体としてもよいし、銅及び亜鉛を担体に担持させなくてもよい(担体が無くてもよい)。また、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44の各反応器間で、各触媒70,71,72は互いに同じ種類の触媒で形成されていてもよいし、異なる種類の触媒で形成されていてもよい。改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44のいずれの反応器においても、各触媒70,71,72は一種類の触媒で形成されていてもよいし、複数種類の触媒で形成されていてもよいし、マイクロ流路56内の配置箇所によって触媒の種類が異なっていてもよい。 In this embodiment, the catalyst 70 uses a porous aluminum oxide (alumina: Al 2 O 3 ) as a carrier. However, a compound other than the aluminum oxide may be used as a carrier, and copper and zinc may be used. The carrier may not be supported (the carrier may be omitted). Further, among the reactors of the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44, the catalysts 70, 71, 72 may be formed of the same type of catalyst, or different types. It may be formed with the catalyst. In any of the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44, each catalyst 70, 71, 72 may be formed of one type of catalyst, or a plurality of types of catalysts. The catalyst type may be different depending on the location in the microchannel 56.

次に、改質反応器42に配される触媒70の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the catalyst 70 disposed in the reforming reactor 42 will be described.

始めに、銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=1:2〜8:1となるように、銅・亜鉛の各金属塩を含む銅・亜鉛水溶液を調製し、そのほかに、所定濃度のアルカリ溶液と、銅・亜鉛に対して所定比(モル比)のアルミニウムを含むアルミニウム酸化物の懸濁液(アルミニウム酸化物を純水に懸濁させた混合液)とを、調製する(調製工程)。   First, an aqueous copper / zinc solution containing each metal salt of copper / zinc is prepared so that the molar ratio of copper to zinc is copper: zinc = 1: 2 to 8: 1. Prepare an alkaline solution and a suspension of aluminum oxide containing aluminum in a predetermined ratio (molar ratio) to copper / zinc (mixed solution in which aluminum oxide is suspended in pure water) (preparation step) ).

上記調製工程において、「銅・亜鉛水溶液」は、銅・亜鉛の金属塩を水溶性化合物として含んでいればよいが、「銅・亜鉛水溶液」としては実用上、銅・亜鉛の硝酸塩を含む硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液を用いるのがよい。そのため、本実施形態では、「銅・亜鉛水溶液」として硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液を用いた例を以下に示している。また上記調製工程では、「アルカリ溶液」として、炭酸ナトリウム水溶液などの炭酸アルカリ溶液を用いてもよいし、水酸化ナトリウム,水酸化カリウムなどのカセイアルカリ溶液を用いてもよいし、炭酸水素ナトリウム水溶液,炭酸水素カリウム水溶液などの重炭酸アルカリ溶液を用いてもよいし、他のアルカリ溶液を用いてもよい。アルカリ溶液は一般的に取扱いが難しく高価であるため、取扱い・経済性の両面から考慮すると、アルカリ溶液として炭酸ナトリウム水溶液を用いるのがよい。そのため、本実施形態では、「アルカリ溶液」として炭酸ナトリウム水溶液を用いた例を以下に示している。   In the above preparation step, the “copper / zinc aqueous solution” only needs to contain a copper / zinc metal salt as a water-soluble compound, but the “copper / zinc aqueous solution” is practically a nitric acid containing copper / zinc nitrate. It is preferable to use an aqueous copper / zinc nitrate solution. Therefore, in this embodiment, an example in which a copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution is used as the “copper / zinc aqueous solution” is shown below. In the above preparation step, as the “alkali solution”, an alkali carbonate solution such as an aqueous sodium carbonate solution, a caustic alkaline solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, or an aqueous sodium hydrogen carbonate solution may be used. , An alkali bicarbonate solution such as an aqueous potassium hydrogen carbonate solution may be used, or another alkali solution may be used. Since an alkaline solution is generally difficult to handle and expensive, it is preferable to use an aqueous sodium carbonate solution as the alkaline solution from the viewpoint of handling and economy. Therefore, in this embodiment, an example in which an aqueous sodium carbonate solution is used as the “alkali solution” is shown below.

調製工程後、銅・亜鉛水溶液としての硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液と、アルカリ溶液としての炭酸ナトリウム水溶液とを、同時に攪拌中のアルミニウム酸化物の懸濁液にそれぞれ滴下し、その混合液を50〜90℃(好ましくは50〜70℃),pH8.0〜9.4(好ましくは8.4〜9.3)に保持して沈殿物を形成する(沈殿工程)。   After the preparation step, a copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution as a copper / zinc aqueous solution and a sodium carbonate aqueous solution as an alkaline solution were simultaneously dropped into the suspension of the aluminum oxide being stirred at the same time. A precipitate is formed by maintaining at 90 ° C. (preferably 50 to 70 ° C.) and pH 8.0 to 9.4 (preferably 8.4 to 9.3) (precipitation step).

上記沈殿工程では、触媒70においてアルミニウム酸化物を担体とするため、硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とをアルミニウム酸化物の懸濁液にそれぞれ滴下するが、アルミニウム酸化物を用いずに硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とを同時に攪拌中の蒸留水に滴下して沈殿物を形成するようにしてもよい。   In the above precipitation step, since aluminum oxide is used as a carrier in the catalyst 70, a copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution and a sodium carbonate aqueous solution are dropped into the aluminum oxide suspension. A copper / zinc nitrate aqueous solution and a sodium carbonate aqueous solution may be simultaneously dropped into distilled water being stirred to form a precipitate.

沈殿工程後、沈殿物を含む混合液を濾過し、濾過後に残った沈殿物を蒸留水中で所定の温度に加熱しながら攪拌して洗浄し、この濾過・洗浄工程を1回又は複数回繰り返しおこなう。ただし、1回目の洗浄は、沈殿工程で保持する温度より高い温度でおこなう。最後の洗浄を終えたら、沈殿物を含む蒸留水を再度濾過して沈殿物を得る。(濾過・洗浄工程)。   After the precipitation step, the mixed solution containing the precipitate is filtered, and the precipitate remaining after the filtration is washed while being heated to a predetermined temperature in distilled water, and this filtration / washing step is repeated once or a plurality of times. . However, the first washing is performed at a temperature higher than the temperature maintained in the precipitation step. After the final washing, distilled water containing the precipitate is filtered again to obtain a precipitate. (Filtering and washing process).

濾過・洗浄工程後、最後の濾過後に残った沈殿物を100℃程度で乾燥させ、乾燥後の沈殿物を所定温度で焼成する(乾燥・焼成工程)。乾燥・焼成工程の処理により、ペレット状に圧縮成型された触媒前駆体(CuO/ZnO/Al23化合物又はCuO/ZnO化合物)を得ることができる。 After the filtration / washing step, the precipitate remaining after the last filtration is dried at about 100 ° C., and the dried precipitate is baked at a predetermined temperature (drying / baking step). A catalyst precursor (CuO / ZnO / Al 2 O 3 compound or CuO / ZnO compound) compression-molded into pellets can be obtained by the treatment in the drying / firing step.

乾燥・焼成工程後、触媒前駆体について、水素を含む気流中で加熱して水素還元処理をおこない(還元工程)、触媒前駆体から触媒70としてのCu/ZnO系触媒(Cu/ZnO/Al23化合物又はCuO/ZnO化合物)を製造することができる。 After the drying / firing process, the catalyst precursor is heated in an air stream containing hydrogen to perform a hydrogen reduction treatment (reduction process), and the Cu / ZnO-based catalyst (Cu / ZnO / Al 2 ) as the catalyst 70 from the catalyst precursor. O 3 compound or CuO / ZnO compound) can be produced.

次に、触媒70を小型反応器51のマイクロ流路56に充填する2つの充填方法を[第1の充填方法]と[第2の充填方法]とにわけてそれぞれ説明する。図5は、触媒70をマイクロ流路56に充填する第1の充填方法を経時的に示した図面であり、図6は、触媒70をマイクロ流路56に充填する第2の充填方法を経時的に示した図面である。   Next, two filling methods for filling the catalyst 70 into the micro flow channel 56 of the small reactor 51 will be described separately as [first filling method] and [second filling method]. FIG. 5 is a drawing showing a first filling method for filling the catalyst 70 into the microchannel 56 over time, and FIG. 6 shows a second filling method for filling the catalyst 70 into the microchannel 56 over time. FIG.

[第1の充填方法]
始めに、サンドブラスト等で削ることにより葛折り状のマイクロ流路56が予め形成されたシリコン基板54を準備し(図5(a)参照)、シリコン基板54の一方の面上(マイクロ流路56が形成された面上)にドライフィルムからなるフォトレジスト57を貼り付ける(図5(b)参照)。フォトレジスト57を貼り付けたら、フォトレジスト57をパターニングしてフォトレジスト57のマイクロ流路56に対応する部分に開口部58を形成する(図5(c)参照)。
[First filling method]
First, a silicon substrate 54 on which a twisted micro-channel 56 is formed in advance by cutting with sandblasting or the like is prepared (see FIG. 5A), and on one surface of the silicon substrate 54 (micro-channel 56). A photoresist 57 made of a dry film is affixed on the surface on which the film is formed (see FIG. 5B). After the photoresist 57 is pasted, the photoresist 57 is patterned to form an opening 58 in a portion corresponding to the micro flow path 56 of the photoresist 57 (see FIG. 5C).

なお、図5(a)〜図5(c)に示す工程では、マイクロ流路56が予め形成されたシリコン基板54にフォトレジスト57を貼り付けてパターニングしているが、マイクロ流路56が形成される前のシリコン基板54にフォトレジスト57を貼り付けて葛折り状にパターニングし、パターニング後のフォトレジスト57をマスクとしてエッチングすることによってマイクロ流路56を形成してもよい。   In the steps shown in FIGS. 5A to 5C, the microchannel 56 is formed by pasting a photoresist 57 on the silicon substrate 54 on which the microchannel 56 is previously formed. The microchannel 56 may be formed by attaching a photoresist 57 to the silicon substrate 54 before being patterned and patterning it in a distorted manner, and etching using the patterned photoresist 57 as a mask.

開口部58を形成したら、マイクロ流路56の内壁面及び開口部58の内壁面を含むフォトレジスト57の表面に、触媒前駆体を溶媒中に分散させた分散液を塗布して、触媒前駆体層59(図5(d)参照)を形成する。溶媒中に分散させる触媒前駆体は、上記乾燥・焼成工程の処理に供される前の触媒前駆体であって、詳しくは上記濾過・洗浄工程において最後の濾過の処理で形成された沈殿物である。   After the opening 58 is formed, a dispersion liquid in which the catalyst precursor is dispersed in a solvent is applied to the surface of the photoresist 57 including the inner wall surface of the microchannel 56 and the inner wall surface of the opening 58, and the catalyst precursor is applied. A layer 59 (see FIG. 5D) is formed. The catalyst precursor dispersed in the solvent is a catalyst precursor before being subjected to the treatment in the drying / calcination step, and more specifically, a precipitate formed in the final filtration treatment in the filtration / washing step. is there.

触媒前駆体層59を形成したら、フォトレジスト57とその面上に形成された不要の触媒前駆体層59とを、機械的力によりシリコン基板54から引き剥がして除去し、マイクロ流路56の内壁面にのみ触媒前駆体層59を残存させる(図5(e)参照)。ただし、フォトレジスト57を除去する場合に、シリコン基板54の表面上にレジスト残渣(スカム)が僅かに残存したときには、当該レジスト残渣を酸素プラズマアッシングにより除去するのがよい。   When the catalyst precursor layer 59 is formed, the photoresist 57 and the unnecessary catalyst precursor layer 59 formed on the surface of the photoresist 57 are removed from the silicon substrate 54 by a mechanical force to be removed. The catalyst precursor layer 59 is left only on the wall surface (see FIG. 5E). However, when the photoresist 57 is removed, if a little resist residue (scum) remains on the surface of the silicon substrate 54, the resist residue may be removed by oxygen plasma ashing.

フォトレジスト57を除去したら、シリコン基板54の他方の面上(マイクロ流路56が形成されていない面上)に葛折り状の金属酸化物等からなる電気発熱抵抗体であるヒータ55を成膜し、ヒータ55に加熱するための配線を接続する(図5(f)参照)。ヒータ55を成膜したら、シリコン基板54の一方の面上にガラス基板53を重ね合わせ、400〜600℃程度の高温環境下においてシリコン基板54側が陽極でガラス基板53側が陰極となるように1kV程度の電圧を印加し、ガラス基板53とシリコン基板54とを陽極接合する(図5(g)参照)。ヒータ55は、マイクロ流路56を流れる流体を加熱するものであるのでマイクロ流路56と平面的に見て重なるように配置させてもよい。   After the photoresist 57 is removed, a heater 55, which is an electric heating resistor made of a twisted metal oxide or the like, is formed on the other surface of the silicon substrate 54 (on the surface where the microchannel 56 is not formed). Then, a wiring for heating is connected to the heater 55 (see FIG. 5F). After the heater 55 is formed, a glass substrate 53 is overlaid on one surface of the silicon substrate 54, and in a high temperature environment of about 400 to 600 ° C., the silicon substrate 54 side becomes an anode and the glass substrate 53 side becomes a cathode about 1 kV. The glass substrate 53 and the silicon substrate 54 are anodic bonded (see FIG. 5G). Since the heater 55 heats the fluid flowing through the micro flow channel 56, the heater 55 may be disposed so as to overlap the micro flow channel 56 when seen in a plan view.

ガラス基板53とシリコン基板54とを陽極接合したら、ヒータ55を作動させてシリコン基板54を加熱し、マイクロ流路56の内壁面に残存した触媒前駆体層59を乾燥・焼成する。触媒前駆体層59を乾燥・焼成したら、マイクロ流路56の一端部56aと他端部56bとに管をそれぞれ接続し、ヒータ55の再度の作動によりシリコン基板54を加熱した状態で一方の管から他方の管に向けてマイクロ流路56中で水素(水素を含む混合気体でもよい。)を流通させ、触媒前駆体層59について水素還元処理をおこなう。   When the glass substrate 53 and the silicon substrate 54 are anodically bonded, the heater 55 is operated to heat the silicon substrate 54, and the catalyst precursor layer 59 remaining on the inner wall surface of the microchannel 56 is dried and fired. After the catalyst precursor layer 59 has been dried and fired, one tube is connected to each of the one end 56a and the other end 56b of the micro flow channel 56, and the silicon substrate 54 is heated by the operation of the heater 55 again. Then, hydrogen (a mixed gas containing hydrogen) may be circulated in the microchannel 56 from the first to the other tube, and the catalyst precursor layer 59 is subjected to hydrogen reduction treatment.

以上の工程を経ることで、触媒前駆体層59が触媒70からなる層に化学変化し、触媒70を小型反応器51のマイクロ流路56に充填することができる。   Through the above steps, the catalyst precursor layer 59 is chemically changed to a layer made of the catalyst 70, and the catalyst 70 can be filled in the microchannel 56 of the small reactor 51.

[第2の充填方法]
始めに、サンドブラスト等で削ることにより葛折り状のマイクロ流路56が予め形成されたシリコン基板54とガラス基板53とを互いに重ね合わせ、400〜600℃程度の高温環境下においてシリコン基板54側が陽極でガラス基板53側が陰極となるように1kV程度の電圧を印加し、ガラス基板53とシリコン基板54とを陽極接合する(図6(a)参照)。ガラス基板53とシリコン基板54とを陽極接合したら、シリコン基板54の面上(マイクロ流路56が形成されていない面上)に金属酸化物等からなる電気発熱抵抗体である葛折り状のヒータ55を成膜し、ヒータ55には加熱するための配線を接続する(図6(b)参照)。ヒータ55は、マイクロ流路56を流れる流体を加熱するものであるのでマイクロ流路56と平面的に見て重なるように配置させてもよい。
[Second filling method]
First, the silicon substrate 54 and the glass substrate 53 on which the twisted micro-channels 56 are formed by sandblasting or the like are overlapped with each other, and the silicon substrate 54 side is an anode in a high temperature environment of about 400 to 600 ° C. Then, a voltage of about 1 kV is applied so that the glass substrate 53 side becomes a cathode, and the glass substrate 53 and the silicon substrate 54 are anodically bonded (see FIG. 6A). When the glass substrate 53 and the silicon substrate 54 are anodically bonded, a twisted heater which is an electric heating resistor made of a metal oxide or the like on the surface of the silicon substrate 54 (on the surface where the microchannel 56 is not formed). 55 is formed, and wiring for heating is connected to the heater 55 (see FIG. 6B). Since the heater 55 heats the fluid flowing through the micro flow channel 56, the heater 55 may be disposed so as to overlap the micro flow channel 56 when seen in a plan view.

ヒータ55を成膜したら、マイクロ流路56の一端部56aと他端部56bとに管をそれぞれ接続し、触媒前駆体を溶媒中に分散させた分散液80を一方の管から他方の管に向けて注入し、マイクロ流路56の内部を分散液80で満たす(図6(c)参照)。分散液80中の触媒前駆体は、上記乾燥・焼成工程の処理に供される前の触媒前駆体であって、詳しくは上記濾過・洗浄工程において最後の濾過の処理で形成された沈殿物である。   After the heater 55 is formed, a pipe is connected to one end 56a and the other end 56b of the micro flow path 56, and the dispersion 80 in which the catalyst precursor is dispersed in the solvent is transferred from one pipe to the other pipe. The micro flow channel 56 is filled with the dispersion liquid 80 (see FIG. 6C). The catalyst precursor in the dispersion 80 is a catalyst precursor before being subjected to the treatment in the drying / calcination step, and specifically is a precipitate formed in the last filtration treatment in the filtration / washing step. is there.

なお、分散液80には、触媒前駆体の溶媒中の分散性を高める分散剤や、触媒前駆体の溶媒中での沈降や凝集を防止する増粘剤などを添加するのがよい。また分散液80を注入する場合には、マイクロ流路56の内部を均一かつ迅速に分散液80で満たすために、マイクロ流路56に接続した2本の管のうち、一方の管からマイクロ流路56の内部に圧を加えたり、マイクロ流路56の内部の気体を吸引したりしてもよい。   In addition, it is preferable to add to the dispersion liquid 80 a dispersant that increases the dispersibility of the catalyst precursor in a solvent, a thickener that prevents sedimentation and aggregation of the catalyst precursor in the solvent, and the like. When the dispersion liquid 80 is injected, in order to uniformly and quickly fill the inside of the micro flow path 56 with the dispersion liquid 80, the micro flow from one of the two pipes connected to the micro flow path 56 is made. A pressure may be applied to the inside of the channel 56, or a gas inside the micro channel 56 may be sucked.

マイクロ流路56の内部を分散液80で満たしたら、ヒータ55を作動させてシリコン基板54を加熱し、分散液80を乾燥させ、マイクロ流路56の内壁面に沿う触媒前駆体層81を形成する(図6(d)参照)。   When the inside of the micro flow path 56 is filled with the dispersion liquid 80, the heater 55 is operated to heat the silicon substrate 54, and the dispersion liquid 80 is dried to form a catalyst precursor layer 81 along the inner wall surface of the micro flow path 56. (See FIG. 6 (d)).

触媒前駆体層81を形成したら、上記第1の充填方法と同様に、ヒータ55の再度の作動によりシリコン基板54を加熱して触媒前駆体層81を焼成し、ヒータ5の作動によりシリコン基板54を加熱した状態で一方の管から他方の管に向けてマイクロ流路56中で水素(水素を含む混合気体でもよい。)を流通させ、触媒前駆体層81について水素還元処理をおこなう。   After the formation of the catalyst precursor layer 81, the silicon substrate 54 is heated by re-operation of the heater 55 to fire the catalyst precursor layer 81, and the silicon substrate 54 is operated by the operation of the heater 5, as in the first filling method. In a heated state, hydrogen (or a mixed gas containing hydrogen) is circulated in the microchannel 56 from one tube to the other tube, and the catalyst precursor layer 81 is subjected to hydrogen reduction treatment.

以上の工程を経ることで、触媒前駆体層81が触媒70からなる層に化学変化し、触媒70を小型反応器51のマイクロ流路56に充填することができる。   Through the above steps, the catalyst precursor layer 81 is chemically changed to a layer made of the catalyst 70, and the catalyst 70 can be filled in the microchannel 56 of the small reactor 51.

触媒70は、ZnO結晶子径が121Å(X線回折法による測定値)以下の比較的小さい結晶子径を有するので、触媒の単位重さの表面積が65m2/g(BET法による測定値)以上とすることができる。したがって触媒70は細かい粒子が数多く分散されることになるため、触媒70が付着されるマイクロ流路56の単位面積当たりの触媒70の実際の表面積を広げることができ、マイクロ流路56の単位面積に対して触媒70による化学反応が引き起こる割合を向上させることができる。 Since the catalyst 70 has a relatively small crystallite size of ZnO crystallite diameter of 121 mm (measured value by X-ray diffraction method) or less, the surface area of the unit weight of the catalyst is 65 m 2 / g (measured value by BET method). This can be done. Therefore, since a lot of fine particles are dispersed in the catalyst 70, the actual surface area of the catalyst 70 per unit area of the microchannel 56 to which the catalyst 70 is attached can be increased, and the unit area of the microchannel 56 is increased. In contrast, the rate at which the chemical reaction caused by the catalyst 70 occurs can be improved.

続いて、発電装置1の動作について説明する。
発電装置1が起動すると発電装置1の発電システムが機能し始め、気化器41、改質反応器42、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44の各反応器のヒータ55が発熱する。これと同時に、発電モジュール3内のマイクロポンプ等の部材が作動し、燃料タンク8に貯蔵された燃料99が吸入ニップル部37に吸引されて気化器41の流入管61を通じて気化器41の小型反応器51のマイクロ流路56に供給されるとともに、外気中の酸素が各スリット31から吸引されて燃料電池91の空気極に供給される。
Then, operation | movement of the electric power generating apparatus 1 is demonstrated.
When the power generation device 1 is started, the power generation system of the power generation device 1 starts to function, and the heaters 55 of the reactors of the vaporizer 41, the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, and the selective oxidation reactor 44 generate heat. At the same time, a member such as a micropump in the power generation module 3 is activated, and the fuel 99 stored in the fuel tank 8 is sucked into the suction nipple portion 37 and the small reaction of the carburetor 41 through the inflow pipe 61 of the carburetor 41. While being supplied to the micro flow path 56 of the vessel 51, oxygen in the outside air is sucked from each slit 31 and supplied to the air electrode of the fuel cell 91.

気化器41に供給された燃料99は、マイクロ流路56の内部を一端部56aから56bに向けて流動しながらヒータ55の熱を受けて気化し、メタノールと水蒸気の混合気に相変化する。すると、マイクロ流路56の内部圧が上昇して対流が生じ、当該混合気は、気化器41の流出管62から改質反応器42、水性シフト反応器43、選択酸化反応器44及び燃料電池91へと各流入管61及び流出管62を介して順に流動する。   The fuel 99 supplied to the carburetor 41 is vaporized by receiving the heat of the heater 55 while flowing in the micro flow path 56 from one end 56a to 56b, and changes into a mixture of methanol and water vapor. Then, the internal pressure of the micro flow path 56 rises and convection occurs, and the mixture gas is passed from the outflow pipe 62 of the vaporizer 41 to the reforming reactor 42, the aqueous shift reactor 43, the selective oxidation reactor 44, and the fuel cell. It flows to 91 in order through each inflow pipe 61 and outflow pipe 62.

改質反応器42では、気化器41で生成された混合気が、小型反応器51のマイクロ流路56の内部を他端部56bから一端部56aに向けて流動する。このとき、当該混合気は、ヒータ55により加熱されながら触媒70の触媒作用を受けて上記化学反応式(1)のような反応を起こし、メタノールと水蒸気の混合気から水素及び二酸化炭素が生成される。また改質反応器42では、混合気が水素及び二酸化炭素に完全に改質されない場合もあり、この場合、上記化学反応式(2)に示すように、メタノールと水蒸気の混合気から二酸化炭素、一酸化炭素及び水蒸気が生成される。すなわち、改質反応器42では、上記化学反応式(1)にしたがってメタノールが水素に転化する反応と、上記化学反応式(2)にしたがって一酸化炭素が生成される反応とがほぼ同時に起こる。   In the reforming reactor 42, the air-fuel mixture generated in the vaporizer 41 flows in the micro flow channel 56 of the small reactor 51 from the other end 56b toward the one end 56a. At this time, the air-fuel mixture is heated by the heater 55 and is subjected to the catalytic action of the catalyst 70 to cause a reaction like the above chemical reaction formula (1), and hydrogen and carbon dioxide are generated from the air-fuel mixture of methanol and water vapor. The In the reforming reactor 42, the air-fuel mixture may not be completely reformed to hydrogen and carbon dioxide. In this case, as shown in the chemical reaction formula (2), carbon dioxide, Carbon monoxide and water vapor are produced. That is, in the reforming reactor 42, the reaction in which methanol is converted to hydrogen according to the chemical reaction formula (1) and the reaction in which carbon monoxide is generated according to the chemical reaction formula (2) occur almost simultaneously.

ここで、ヒータ55の加熱温度(改質温度)に対する、改質反応器42中のメタノール転化率(メタノールが水素に転化する比率)と一酸化炭素濃度とを測定することで、上記化学反応式(1)及び上記化学反応式(2)に示す各化学変化が改質温度によってどの程度依存するか(本発明に係る触媒70の触媒機能が改質温度にどの程度依存するか)を、図7を参照しながら説明する。   Here, the chemical reaction formula is measured by measuring the methanol conversion rate (ratio in which methanol is converted into hydrogen) and the carbon monoxide concentration in the reforming reactor 42 with respect to the heating temperature (reforming temperature) of the heater 55. A graph showing how much each chemical change shown in (1) and chemical reaction formula (2) depends on the reforming temperature (how much the catalytic function of the catalyst 70 according to the present invention depends on the reforming temperature). This will be described with reference to FIG.

図7は、ヒータ55の加熱温度に対して生成される一酸化炭素濃度を示している。ただし、図7中、「CO濃度」は上記化学反応式(2)が平衡に達したときの一酸化炭素濃度を示している。また、改質反応器42のマイクロ流路56内を流通する燃料91の混合気は、スチームカーボン比S/C(水/メタノールのモル比)=2である。   FIG. 7 shows the concentration of carbon monoxide generated with respect to the heating temperature of the heater 55. In FIG. 7, “CO concentration” indicates the carbon monoxide concentration when the chemical reaction formula (2) reaches equilibrium. Further, the mixture of the fuel 91 flowing in the micro flow path 56 of the reforming reactor 42 has a steam carbon ratio S / C (water / methanol molar ratio) = 2.

図7からわかるように、改質反応器42において、一酸化炭素濃度は改質温度の上昇とともに高くなり、改質温度の下降とともに低くなる。つまり、本発明に係る触媒70が付与された改質反応器42では、改質温度が低温でも触媒70の触媒機能が低下するのを防止でき、さらには一酸化炭素の生成量も低く抑えることができる。   As can be seen from FIG. 7, in the reforming reactor 42, the carbon monoxide concentration increases as the reforming temperature increases, and decreases as the reforming temperature decreases. That is, in the reforming reactor 42 to which the catalyst 70 according to the present invention is applied, it is possible to prevent the catalytic function of the catalyst 70 from being lowered even at a low reforming temperature, and to further suppress the amount of carbon monoxide produced. Can do.

特に本実施形態で生成された触媒70は、上記の通り、表面積が65m2/g(BET法による測定値)以上でかつZnO結晶子径が121Å(X線回折法による測定値)以下であるから、図7に示す良好な結果を得ることができるが、表面積が65m2/g(BET法による測定値)未満でかつZnO結晶子径が121Å(X線回折法による測定値)を越えるCu/ZnO系触媒では、図7に示すような結果を得ることはできない。 In particular, as described above, the catalyst 70 produced in this embodiment has a surface area of 65 m 2 / g (measured value by BET method) or more and a ZnO crystallite diameter of 121 Å (measured value by X-ray diffraction method) or less. From FIG. 7, a good result shown in FIG. 7 can be obtained, but the surface area is less than 65 m 2 / g (measured value by BET method) and the ZnO crystallite diameter exceeds 121 mm (measured value by X-ray diffraction method). With a / ZnO-based catalyst, the results shown in FIG. 7 cannot be obtained.

水性シフト反応器43では、改質反応器42で生成された水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気からなる混合気が、小型反応器51のマイクロ流路56の内部を一端部56aから他端部56bに向けて流動する。このとき、当該混合気は、ヒータ55により加熱されながら触媒71の触媒作用を受けて上記化学反応式(3)のような反応を起こし、一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素が生成されて一酸化炭素の無毒化が図られる。   In the aqueous shift reactor 43, the air-fuel mixture composed of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor generated in the reforming reactor 42 passes through the inside of the microchannel 56 of the small reactor 51 from the one end 56a to the other end. It flows toward the part 56b. At this time, the air-fuel mixture receives the catalytic action of the catalyst 71 while being heated by the heater 55 and causes a reaction like the above chemical reaction formula (3), and carbon dioxide is generated from the carbon monoxide and the water vapor to produce the monoxide. Carbon is detoxified.

選択酸化反応器44では、水性シフト反応器43で生成された二酸化炭素と水性シフト反応器43において未反応の一酸化炭素、水素及び二酸化炭素とからなる混合気が、流入管61から小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bに流入する。また選択酸化反応器44では、各スリット31から吸引された外気中の酸素も、空気流入管63から小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bに流入する。   In the selective oxidation reactor 44, an air-fuel mixture composed of carbon dioxide generated in the aqueous shift reactor 43 and unreacted carbon monoxide, hydrogen, and carbon dioxide in the aqueous shift reactor 43 is supplied from the inflow pipe 61 to a small reactor. It flows into the other end part 56 b of the microchannel 56 of 51. In the selective oxidation reactor 44, oxygen in the outside air sucked from each slit 31 also flows from the air inflow pipe 63 into the other end portion 56 b of the microchannel 56 of the small reactor 51.

これにより、選択酸化反応器44では、水性シフト反応器43の小型反応器51から流入管61を通じてきた混合気と空気流入管63を通じてきた外気中の酸素とが、小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bで互いに合流して混じり合い(混合され)、一酸化炭素、水素及び二酸化炭素からなる混合気(外気中の酸素を含む。)が、小型反応器51のマイクロ流路56の内部を他端部56bから一端部56aに向けて流動する。このとき、当該混合気は、ヒータ55により加熱されながら触媒72の触媒作用を受けて上記化学反応式(4)のような反応(水性シフト反応)を起こし、一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成される。   Thereby, in the selective oxidation reactor 44, the air-fuel mixture that has passed through the inflow pipe 61 from the small reactor 51 of the aqueous shift reactor 43 and the oxygen in the outside air that has passed through the air inflow pipe 63 are converted into the micro flow path of the small reactor 51. At the other end 56 b of 56, they merge together and are mixed (mixed), and an air-fuel mixture (including oxygen in the outside air) composed of carbon monoxide, hydrogen and carbon dioxide is contained in the micro flow channel 56 of the small reactor 51. Flows from the other end 56b toward the one end 56a. At this time, the air-fuel mixture is heated by the heater 55 and receives the catalytic action of the catalyst 72 to cause a reaction (aqueous shift reaction) as shown in the chemical reaction formula (4), and carbon dioxide is converted from carbon monoxide and oxygen. Generated.

選択酸化反応器44では、小型反応器51の触媒72が上記化学反応式(4)のような反応を選択的に促進するため、マイクロ流路56を流動する混合気においては水素がほとんど酸化されないようになっている。また、マイクロ流路56を流動している混合気が選択酸化反応器44の流出管62に至る時点では、当該混合気には一酸化炭素がほとんど含まれず、水素及び二酸化炭素の濃度が非常に高くなっている。改質反応器42で生成された一酸化炭素を十分除去できるのであれば、水性シフト反応器43及び選択酸化反応器44のうちいずれか一方のみを配するようにしてもよい。   In the selective oxidation reactor 44, since the catalyst 72 of the small reactor 51 selectively promotes the reaction represented by the chemical reaction formula (4), hydrogen is hardly oxidized in the air-fuel mixture flowing through the microchannel 56. It is like that. Further, when the air-fuel mixture flowing through the micro flow channel 56 reaches the outflow pipe 62 of the selective oxidation reactor 44, the air-fuel mixture hardly contains carbon monoxide, and the concentrations of hydrogen and carbon dioxide are very high. It is high. If the carbon monoxide generated in the reforming reactor 42 can be sufficiently removed, only one of the aqueous shift reactor 43 and the selective oxidation reactor 44 may be provided.

その後、改質装置40の各反応器を経て生成された二酸化炭素及び水蒸気は、副生成物として選択酸化反応器44の流出管62を通じて各排気孔33から外気中に排気される。一方、改質装置40の各反応器を経て生成された水素は、主生成物として選択酸化反応器44の流出管62を通じて燃料電池91の燃料極に供給される。   Thereafter, carbon dioxide and water vapor generated through the reactors of the reformer 40 are exhausted from the exhaust holes 33 to the outside air through the outflow pipes 62 of the selective oxidation reactor 44 as by-products. On the other hand, hydrogen generated through each reactor of the reformer 40 is supplied as a main product to the fuel electrode of the fuel cell 91 through the outflow pipe 62 of the selective oxidation reactor 44.

燃料電池91では、改質装置40から供給された水素が、燃料極で上記電気化学反応式(5)に示すような反応を起こして水素イオンと電子とに分離する。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。また燃料電池91では、上記各スリット31を介して外気中の酸素が取り込まれてこの酸素が空気極に供給される。そして、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが、空気極で上記電気化学反応式(6)に示すような反応を起こし、副生成物としての水が生成される。   In the fuel cell 91, the hydrogen supplied from the reformer 40 undergoes a reaction as shown in the electrochemical reaction formula (5) at the fuel electrode and is separated into hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions are conducted to the air electrode through the ion conductive membrane, and electrons are taken out by the fuel electrode. In the fuel cell 91, oxygen in the outside air is taken in through the slits 31 and supplied to the air electrode. And oxygen taken in from the outside air, hydrogen ions that have passed through the ion conductive membrane, and electrons taken out by the fuel electrode cause a reaction as shown in the electrochemical reaction formula (6) at the air electrode, Water as a by-product is produced.

燃料電池91では、上記電気化学反応式(5),(6)のような電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは、発電装置1内部に設けられた二次電池等の充電部(図示略)を充電し、この充電部から発電モジュール3の端子32を通じて外部デバイス(図示略)に供給されたり、各ヒータ55、マイクロポンプその他の部材を駆動するためのエネルギーとして利用される。また、燃料電池91の空気極で生成された副生成物の水は、第2排水管34及び第1排水管6を通じて燃料貯蔵モジュール2に移動して排水容器7に排水・貯留される。   In the fuel cell 91, electric energy is generated by the occurrence of an electrochemical reaction such as the above electrochemical reaction formulas (5) and (6). The generated electrical energy charges a charging unit (not shown) such as a secondary battery provided inside the power generation apparatus 1 and is supplied from the charging unit to an external device (not shown) through the terminal 32 of the power generation module 3. Or used as energy for driving each heater 55, micropump or other member. Further, by-product water generated at the air electrode of the fuel cell 91 moves to the fuel storage module 2 through the second drain pipe 34 and the first drain pipe 6 and is drained and stored in the drain container 7.

以上の本実施形態では、触媒70として、ZnO結晶子径が121Å以下としてその表面積が65m2/g以上のCu/ZnO系触媒を適用したため、改質反応器42のマイクロ流路56内での触媒70の表面積が大きく、改質反応器42を300℃以下の低温環境下であっても、触媒活性が低下するのを防止することができる。したがってまた本実施形態では、触媒70の製造方法の各工程において、調製工程中の銅と亜鉛との組成比、沈殿工程中の温度・pHや濾過・洗浄工程中の洗浄温度などを特殊な条件として触媒70を製造するため、300℃以下の低温環境下において触媒活性が低下するのを防止する触媒70を製造することができる。 In the present embodiment described above, a Cu / ZnO-based catalyst having a ZnO crystallite diameter of 121 mm or less and a surface area of 65 m 2 / g or more is applied as the catalyst 70. Even if the surface area of the catalyst 70 is large and the reforming reactor 42 is in a low temperature environment of 300 ° C. or lower, it is possible to prevent the catalytic activity from being lowered. Therefore, in this embodiment, in each step of the manufacturing method of the catalyst 70, the composition ratio of copper and zinc during the preparation step, the temperature / pH during the precipitation step, the washing temperature during the filtration / washing step, etc. Therefore, the catalyst 70 that prevents the catalyst activity from being reduced in a low temperature environment of 300 ° C. or lower can be manufactured.

実施例1では、銅と亜鉛との成分比率が互いに異なる5種類のCu/ZnO系触媒を製造し、各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率(メタノールから水素が生成される比率)を測定した。   In Example 1, five types of Cu / ZnO-based catalysts having different component ratios of copper and zinc were produced, and the methanol conversion rate (ratio of hydrogen generation from methanol) of each Cu / ZnO-based catalyst was measured. .

始めに、銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=1:8,3:6,6:3,8:1,1:0の5種類の硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液(銅・亜鉛を合わせて計0.09molとした。)を調製し、そのほかに、0.5mol/lの炭酸ナトリウム水溶液と、表面積が約110m2/g(BET法による測定値)でかつ0.01molのアルミニウムを含有したアルミニウム酸化物の懸濁液とを、調製した(調製工程)。 First, five types of copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution (copper / zinc combined) with a molar ratio of copper and zinc of copper: zinc = 1: 8, 3: 6, 6: 3, 8: 1, 1: 0. In addition, a 0.5 mol / l sodium carbonate aqueous solution and a surface area of about 110 m 2 / g (measured by the BET method) and 0.01 mol of aluminum are contained. An aluminum oxide suspension was prepared (preparation step).

調製工程後、5種類の各硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液について、硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とを同時に攪拌中のアルミニウム酸化物の懸濁液にそれぞれ滴下し、滴下中のその混合液を60℃,pH9.2に保持して沈殿物を形成した(沈殿工程)。   After the preparation process, for each of the five types of copper nitrate / zinc nitrate aqueous solutions, the copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution and the sodium carbonate aqueous solution were simultaneously added dropwise to the suspension of the aluminum oxide being stirred, respectively, and the mixed solution being added dropwise Was kept at 60 ° C. and pH 9.2 to form a precipitate (precipitation step).

沈殿工程後、沈殿物を含む混合液を1時間攪拌し続け、その後12時間静置した。12時間経過したら、その混合液を濾過し、濾過後に残った沈殿物を蒸留水中で20分間攪拌しながら洗浄した。そしてこの濾過・洗浄工程を計4回繰り返しおこなった。ただし、1回目の洗浄は90℃に保持しながらおこない、2回目以降(2回目から4回目まで)の洗浄は60℃に保持しながらおこなった。最後の4回目の洗浄を終えたら、沈殿物を含む蒸留水を再度濾過して沈殿物を得た(濾過・洗浄工程)。   After the precipitation step, the mixed solution containing the precipitate was kept stirred for 1 hour and then allowed to stand for 12 hours. After 12 hours, the mixture was filtered, and the precipitate remaining after filtration was washed in distilled water with stirring for 20 minutes. This filtration / washing process was repeated a total of 4 times. However, the first cleaning was performed while maintaining at 90 ° C., and the second and subsequent cleanings (from the second to the fourth) were performed while maintaining at 60 ° C. After the final 4th washing, distilled water containing the precipitate was filtered again to obtain a precipitate (filtering and washing step).

濾過・洗浄工程後、最後の濾過後に残った沈殿物を100℃で12時間乾燥させ、乾燥後の沈殿物を360℃で1時間焼成した(乾燥・焼成工程)。乾燥・焼成工程後、ペレット状に圧縮成型された触媒前駆体(CuO/ZnO/Al23化合物)を得た。 After the filtration / washing step, the precipitate remaining after the last filtration was dried at 100 ° C. for 12 hours, and the dried precipitate was baked at 360 ° C. for 1 hour (drying / baking step). After the drying / firing process, a catalyst precursor (CuO / ZnO / Al 2 O 3 compound) compressed into a pellet was obtained.

その後、触媒前駆体を粉砕してふるいにかけ、0.5〜1mmのサイズを有する顆粒状の触媒前駆体を選択した。顆粒状の触媒前駆体の0.25mlを内径8mmの管型反応器に充填し、その管型反応器中の触媒前駆体を300℃で加熱しながら水素気流中に1時間晒して水素還元処理をおこない(還元工程)、触媒前駆体からCu/ZnO系触媒(Cu/ZnO/Al23)を生成した。 Thereafter, the catalyst precursor was pulverized and sieved, and a granular catalyst precursor having a size of 0.5 to 1 mm was selected. A tubular reactor with an inner diameter of 8 mm is filled with 0.25 ml of the granular catalyst precursor, and the catalyst precursor in the tubular reactor is exposed to a hydrogen stream for 1 hour while being heated at 300 ° C. to perform hydrogen reduction treatment. (Reduction process), a Cu / ZnO-based catalyst (Cu / ZnO / Al 2 O 3 ) was generated from the catalyst precursor.

そして還元工程で生成されたCu/ZnO系触媒が充填された管型反応器を250℃に加熱しながら、その管型反応器にGHSV(Gas Hourly Space Velocity:ガス空間速度)=100,000hr-1の速度で水とメタノールとの混合気(S/C比=2)を流通させ、混合気中のメタノールを水素に転化し(メタノール転化工程)、メタノール転化工程後のメタノール転化率(%)を測定した。 While heating the tubular reactor filled with the Cu / ZnO-based catalyst produced in the reduction step to 250 ° C., GHSV (Gas Hourly Space Velocity) = 100,000 hr A mixture of water and methanol (S / C ratio = 2) was circulated at a rate of 1 to convert the methanol in the mixture to hydrogen (methanol conversion step), and the methanol conversion rate after the methanol conversion step (%) Was measured.

銅と亜鉛との成分比率が互いに異なる5種類の各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率を表1に示す。表1には、比較例として市販の工業用Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率も示した。   Table 1 shows the methanol conversion rates of five types of Cu / ZnO-based catalysts having different component ratios of copper and zinc. Table 1 also shows the methanol conversion rate of a commercially available industrial Cu / ZnO-based catalyst as a comparative example.

Figure 2005081303
Figure 2005081303

表1の測定結果からわかるように、銅と亜鉛との成分比率が銅:亜鉛=3:6〜8:1の範囲で作製したCu/ZnO系触媒は、市販の工業用Cu/ZnO系触媒より高い活性を示し、特に、銅と亜鉛との成分比率が銅:亜鉛=3:6のときのCu/ZnO系触媒は活性が極大であった。   As can be seen from the measurement results in Table 1, a Cu / ZnO catalyst prepared with a copper / zinc component ratio in a range of copper: zinc = 3: 6-8: 1 is a commercially available industrial Cu / ZnO catalyst. In particular, the Cu / ZnO-based catalyst when the component ratio of copper and zinc was copper: zinc = 3: 6 had a maximum activity.

実施例2では、沈殿工程において、温度の条件を変えた2種類のCu/ZnO系触媒を製造し、各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率を測定した。ただし、実施例2では、実施例1の調製工程及び沈殿工程の処理内容・条件がやや異なり、それ以外の濾過・洗浄工程、乾燥・焼成工程、還元工程及びメタノール転化工程の各処理はすべて実施例1と同様とした。   In Example 2, two types of Cu / ZnO-based catalysts with different temperature conditions were produced in the precipitation step, and the methanol conversion rate of each Cu / ZnO-based catalyst was measured. However, in Example 2, the processing contents and conditions of the preparation process and the precipitation process of Example 1 are slightly different, and all other processes of the filtration / washing process, drying / calcination process, reduction process, and methanol conversion process are performed. Same as Example 1.

実施例2の調製工程において、銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=6:3の1種類の硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液(銅・亜鉛を合わせて計0.09molとした。)と、0.5mol/lの炭酸ナトリウム水溶液と、表面積が150m2/g(BET法による測定値)でかつ0.01molのアルミニウムを含有したアルミニウム酸化物の懸濁液とを、作製した。 In the preparation process of Example 2, one type of copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution (copper / zinc was combined to make a total of 0.09 mol) in which the molar ratio of copper to zinc was copper: zinc = 6: 3, A 0.5 mol / l aqueous sodium carbonate solution and a suspension of aluminum oxide having a surface area of 150 m 2 / g (measured by the BET method) and containing 0.01 mol of aluminum were prepared.

実施例2の沈殿工程において、混合液を60℃又は90℃(pH9.4)に保持して温度の条件が互いに異なる2種類の沈殿物をそれぞれ形成し、各沈殿物につき、実施例1と同様の濾過・洗浄工程、乾燥・焼成工程、還元工程及びメタノール転化工程の各処理をおこなってメタノール転化率(%)を測定した。   In the precipitation step of Example 2, the mixed solution was maintained at 60 ° C. or 90 ° C. (pH 9.4) to form two types of precipitates having different temperature conditions. For each precipitate, Example 1 and The same filtration / washing step, drying / calcination step, reduction step and methanol conversion step were carried out to measure the methanol conversion (%).

沈殿工程での温度条件が互いに異なる2種類の各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率を表2に示す。表2には、比較例として市販の工業用Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率も示した。   Table 2 shows the methanol conversion rates of two types of Cu / ZnO-based catalysts having different temperature conditions in the precipitation step. Table 2 also shows the methanol conversion rate of a commercially available industrial Cu / ZnO-based catalyst as a comparative example.

Figure 2005081303
Figure 2005081303

表2の測定結果からわかるように、沈殿工程の温度を60℃に保持したCu/ZnO系触媒は、沈殿工程で90℃に保持したCu/ZnO系触媒や市販の工業用Cu/ZnO系触媒より高い活性を示した。   As can be seen from the measurement results in Table 2, the Cu / ZnO-based catalyst in which the temperature of the precipitation step is maintained at 60 ° C. is a Cu / ZnO-based catalyst maintained at 90 ° C. in the precipitation step or a commercially available Cu / ZnO-based catalyst. It showed higher activity.

実施例3では、沈殿工程において、pHの条件を変えた5種類のCu/ZnO系触媒を製造し、各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率と、各Cu/ZnO系触媒の表面積及びZnO粒子径とを、測定した。ただし、実施例3では、実施例1の調製工程及び沈殿工程の処理内容・条件がやや異なり、それ以外の濾過・洗浄工程、乾燥・焼成工程、還元工程及びメタノール転化工程の各処理はすべて実施例1と同様とした。   In Example 3, five types of Cu / ZnO-based catalysts with different pH conditions were produced in the precipitation step, the methanol conversion rate of each Cu / ZnO-based catalyst, the surface area of each Cu / ZnO-based catalyst, and ZnO particles. The diameter was measured. However, in Example 3, the contents and conditions of the preparation process and precipitation process of Example 1 are slightly different, and all other processes of the filtration / washing process, drying / calcination process, reduction process and methanol conversion process are performed. Same as Example 1.

実施例3の調製工程において、銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=6:3の1種類の硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液(銅・亜鉛を合わせて計0.09molとした。)と、0.5mol/lの炭酸ナトリウム水溶液と、表面積が150m2/g(BET法による測定値)でかつ0.01molのアルミニウムを含有したアルミニウム酸化物の懸濁液とを、作製した。 In the preparation step of Example 3, one kind of copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution (copper / zinc was combined to make a total of 0.09 mol) in which the molar ratio of copper to zinc was copper: zinc = 6: 3, A 0.5 mol / l aqueous sodium carbonate solution and a suspension of aluminum oxide having a surface area of 150 m 2 / g (measured by the BET method) and containing 0.01 mol of aluminum were prepared.

実施例3の沈殿工程において、混合液をpH8.0、pH8.4、pH8.8、pH9.3又はpH9.4(温度は60℃)にそれぞれ保持してpHの条件が互いに異なる3種類の沈殿物をそれぞれ形成し、各沈殿物につき、実施例1と同様の濾過・洗浄工程、乾燥・焼成工程、還元工程及びメタノール転化工程の各処理をおこない、各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率(%)、表面積(BET法による測定値(m2/g))及びZnO粒子径(結晶子径(Å))をそれぞれ測定した。 In the precipitation step of Example 3, the mixed solution was kept at pH 8.0, pH 8.4, pH 8.8, pH 9.3, or pH 9.4 (temperature is 60 ° C.), respectively, and the three kinds of pH conditions were different from each other. Each precipitate is formed, and each precipitate is subjected to the same filtration / washing step, drying / calcination step, reduction step and methanol conversion step as in Example 1, and the methanol conversion rate of each Cu / ZnO-based catalyst. (%), Surface area (measured value by BET method (m 2 / g)) and ZnO particle diameter (crystallite diameter (Å)) were measured.

なお、各Cu/ZnO系触媒のZnO粒子径は、Scherrer法にしたがいながら周知のX線回折装置を用いて測定した。   In addition, the ZnO particle diameter of each Cu / ZnO-based catalyst was measured using a well-known X-ray diffractometer while following the Scherrer method.

沈殿工程でのpH条件が互いに異なる3種類の各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率、表面積及びZnO粒子径を表3に示す。表3には、比較例として市販の工業用Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率も示した。   Table 3 shows the methanol conversion, surface area, and ZnO particle diameter of each of the three types of Cu / ZnO-based catalysts having different pH conditions in the precipitation step. Table 3 also shows the methanol conversion rate of a commercially available industrial Cu / ZnO-based catalyst as a comparative example.

Figure 2005081303
Figure 2005081303

表3の測定結果からわかるように、沈殿工程のpHを8.0〜9.4の範囲に保持して生成されたCu/ZnO系触媒は、メタノール転化率が65%を上回り、市販の工業用Cu/ZnO系触媒より高い活性を示した。さらに沈殿工程のpHを8.0〜9.3に保持したときのCu/ZnO系触媒は、表面積が65m2/g(BET法による測定値)以上でメタノール転化率が70%を上回り、特に、沈殿工程のpHを8.4〜9.3に保持したときのCu/ZnO系触媒は、表面積が70m2/g(BET法による測定値)以上で転化率が78%を上回り、活性が顕著であった。また5種類のCu/ZnO系触媒はすべて、表面積が65m2/g以上であり、ZnO粒子径が121Å以下であった。 As can be seen from the measurement results in Table 3, the Cu / ZnO-based catalyst produced by maintaining the pH of the precipitation step in the range of 8.0 to 9.4 has a methanol conversion rate of more than 65%, and is commercially available. It showed higher activity than the Cu / ZnO-based catalyst. Further, the Cu / ZnO-based catalyst when the pH of the precipitation step is maintained at 8.0 to 9.3 has a surface area of 65 m 2 / g (measured by the BET method) or more and a methanol conversion rate of more than 70%. The Cu / ZnO-based catalyst when the pH of the precipitation step is maintained at 8.4 to 9.3 has a surface area of 70 m 2 / g (measured by the BET method) or more, the conversion rate exceeds 78%, and the activity is high It was remarkable. All of the five types of Cu / ZnO-based catalysts had a surface area of 65 m 2 / g or more and a ZnO particle diameter of 121 mm or less.

実施例4では、濾過・洗浄工程において、温度の条件を変えた2種類のCu/ZnO系触媒を製造し、各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率を測定した。ただし、実施例4では、実施例1の調製工程、沈殿工程及び濾過・洗浄工程の処理内容・条件がやや異なり、それ以外の乾燥・焼成工程、還元工程及びメタノール転化工程の各処理はすべて実施例1と同様とした。   In Example 4, two types of Cu / ZnO-based catalysts with different temperature conditions were produced in the filtration / washing step, and the methanol conversion of each Cu / ZnO-based catalyst was measured. However, in Example 4, the contents and conditions of the preparation process, precipitation process and filtration / washing process of Example 1 are slightly different, and all other processes of the drying / calcination process, reduction process and methanol conversion process are performed. Same as Example 1.

実施例4の調製工程において、銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=6:3の1種類の硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液(銅・亜鉛を合わせて計0.09molとした。)と、0.5mol/lの炭酸ナトリウム水溶液と、表面積が150m2/g(BET法による測定値)でかつ0.01molのアルミニウムを含有したアルミニウム酸化物の懸濁液とを、作製した。 In the preparation step of Example 4, one kind of copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution (copper / zinc was combined to make a total of 0.09 mol) in which the molar ratio of copper and zinc was copper: zinc = 6: 3, A 0.5 mol / l aqueous sodium carbonate solution and a suspension of aluminum oxide having a surface area of 150 m 2 / g (measured by the BET method) and containing 0.01 mol of aluminum were prepared.

実施例4の沈殿工程において、混合液を60℃,pH9.4に保持した点以外は実施例1と同様に沈殿物を形成した。   In the precipitation step of Example 4, a precipitate was formed in the same manner as in Example 1 except that the mixed solution was maintained at 60 ° C. and pH 9.4.

実施例4の濾過・洗浄工程において、1回目の洗浄で90℃又は60℃に加熱して(2回目以降のいずれも洗浄は60℃に加熱した。)1回目の洗浄時の温度の条件が互いに異なる2種類の沈殿物をそれぞれ生成し、洗浄後の各沈殿物につき、実施例1と同様の乾燥・焼成工程、還元工程及びメタノール転化工程の各処理をおこなってメタノール転化率(%)を測定した。   In the filtration / washing step of Example 4, the first washing was heated to 90 ° C. or 60 ° C. (both the second and subsequent washings were heated to 60 ° C.). Two different types of precipitates are produced, and each of the washed precipitates is subjected to the same treatments as the drying / calcination step, reduction step and methanol conversion step in Example 1 to obtain the methanol conversion rate (%). It was measured.

濾過・洗浄工程での1回目の洗浄時の温度条件が互いに異なる2種類の各Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率を表4に示す。表4には、比較例として市販の工業用Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率も示した。   Table 4 shows the methanol conversion rates of two types of Cu / ZnO-based catalysts having different temperature conditions at the time of the first washing in the filtration / washing step. Table 4 also shows the methanol conversion rate of a commercially available industrial Cu / ZnO-based catalyst as a comparative example.

Figure 2005081303
Figure 2005081303

表4の測定結果からわかるように、濾過・洗浄工程の1回目の洗浄時の温度を90℃にしたCu/ZnO系触媒は、濾過・洗浄工程の1回目の洗浄時の温度を60℃にしたCu/ZnO系触媒や市販の工業用Cu/ZnO系触媒より高い活性を示した。   As can be seen from the measurement results in Table 4, the Cu / ZnO-based catalyst in which the temperature at the first washing in the filtration / washing process is 90 ° C. is set to 60 ° C. at the first washing in the filtration / washing process. It showed higher activity than the obtained Cu / ZnO-based catalyst and commercially available industrial Cu / ZnO-based catalyst.

実施例5では、生成された触媒を用いたメタノール転化工程において、実施例1が加熱温度を250℃に設定しているのに対して280℃に変えてCu/ZnO系触媒のメタノール転化率を測定した。ただし、実施例5では、実施例1の調製工程、乾燥・焼成工程、還元工程及びメタノール転化工程の処理内容・条件がやや異なり、それ以外の沈殿工程及び濾過・洗浄工程はすべて実施例1と同様とした。   In Example 5, in the methanol conversion process using the produced catalyst, the heating temperature was set to 250 ° C. in Example 1, but the methanol conversion rate of the Cu / ZnO-based catalyst was changed to 280 ° C. It was measured. However, in Example 5, the contents and conditions of the preparation process, drying / calcination process, reduction process, and methanol conversion process of Example 1 are slightly different, and all other precipitation processes and filtration / washing processes are the same as in Example 1. Same as above.

実施例5の調製工程において、硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液として、銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=6:3の1種類の硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液(銅・亜鉛を合わせて計0.09molとした。)を調製した。   In the preparation process of Example 5, as a copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution, one type of copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution (copper / zinc combined with copper / zinc = 6: 3) was used. 0.09 mol) was prepared.

硝酸銅・硝酸亜鉛水溶液を調製したら、実施例1と同様の沈殿工程及び濾過・洗浄工程の各処理をおこない、濾過・洗浄工程の最後の濾過処理で残った沈殿物を溶媒中に分散させ、その分散液を、上記実施形態中の小型反応器51と同様の小型反応器のマイクロ流路に注入してヒータにより100℃程度で12時間乾燥させ、乾燥後に残った分散液の層をヒータにより360℃で1時間焼成し(乾燥・焼成工程)、マイクロ流路の内壁面に触媒前駆体の層を形成した。   After preparing the copper nitrate / zinc nitrate aqueous solution, the same precipitation process and filtration / washing process as in Example 1 are performed, and the precipitate remaining in the last filtration process of the filtration / washing process is dispersed in the solvent. The dispersion is injected into a microchannel of a small reactor similar to the small reactor 51 in the above embodiment and dried at about 100 ° C. for 12 hours with a heater, and the layer of the dispersion remaining after drying is heated with a heater. Firing was carried out at 360 ° C. for 1 hour (drying / firing step) to form a catalyst precursor layer on the inner wall surface of the microchannel.

小型反応器のマイクロ流路に触媒前駆体の層を形成したら、その小型反応器のマイクロ流路をヒータにより250℃に加熱しながらマイクロ流路内に水素を30分間流通させて触媒前駆体の水素還元処理をおこない(還元工程)、Cu/ZnO系触媒をマイクロ流路の内部に充填した。   When the catalyst precursor layer is formed in the microchannel of the small reactor, hydrogen is passed through the microchannel for 30 minutes while heating the microchannel of the small reactor to 250 ° C. with a heater. Hydrogen reduction treatment was performed (reduction process), and the inside of the microchannel was filled with a Cu / ZnO-based catalyst.

Cu/ZnO系触媒をマイクロ流路に充填したら、その小型反応器をヒータにより280℃に加熱しながらマイクロ流路に、GHSV=200,000hr-1の速度で水とメタノールとの混合気(S/C=2)を流通させ、混合気中のメタノールを水素に転化し(メタノール転化工程)、メタノール転化工程後のメタノール転化率(%)を測定した。 After the Cu / ZnO-based catalyst is filled in the microchannel, the small reactor is heated to 280 ° C. with a heater, and the mixture of water and methanol (SSV) is supplied to the microchannel at a rate of GHSV = 200,000 hr −1. / C = 2) was circulated, methanol in the gas mixture was converted to hydrogen (methanol conversion step), and the methanol conversion rate (%) after the methanol conversion step was measured.

小型反応器を280℃に加熱したCu/ZnO系触媒のメタノール転化率を表5に示す。表5には、比較例として市販の工業用Cu/ZnO系触媒のメタノール転化率も示した。   Table 5 shows the methanol conversion of the Cu / ZnO-based catalyst in which the small reactor was heated to 280 ° C. Table 5 also shows the methanol conversion rate of a commercially available industrial Cu / ZnO-based catalyst as a comparative example.

Figure 2005081303
Figure 2005081303

表5の測定結果からわかるように、メタノール転化工程でGHSV=200,000hr-1の速度で280℃に加熱したCu/ZnO系触媒は、市販の工業用Cu/ZnO系触媒より高い活性を示した。 As can be seen from the measurement results in Table 5, the Cu / ZnO catalyst heated to 280 ° C. at a rate of GHSV = 200,000 hr −1 in the methanol conversion process shows higher activity than the commercially available industrial Cu / ZnO catalyst. It was.

発電装置の一部破断斜視図である。It is a partially broken perspective view of a power generator. 発電装置の発電システムの基本構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the basic composition of the electric power generation system of an electric power generating apparatus. 改質装置の断面図である。It is sectional drawing of a reformer. 各小型反応器のシリコン基板を示す図面である。It is drawing which shows the silicon substrate of each small reactor. 触媒をマイクロ流路に充填する第1の充填方法を経時的に示した図面である。It is drawing which showed the 1st filling method which fills a catalyst with a micro channel over time. 触媒をマイクロ流路に充填する第2の充填方法を経時的に示した図面である。It is drawing which showed the 2nd filling method which fills a catalyst with a micro channel over time. 改質温度に対する一酸化炭素濃度を示す図面である。It is drawing which shows the carbon monoxide density | concentration with respect to reforming temperature.

符号の説明Explanation of symbols

1 発電装置
2 燃料貯蔵モジュール
3 発電モジュール
40 改質装置
41 気化器
42 改質反応器
43 水性シフト反応器
44 選択酸化反応器
51 小型反応器
53 ガラス基板
54 シリコン基板
55 ヒータ
56 マイクロ流路
70,71,72 触媒
91 燃料電池
99 燃料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation device 2 Fuel storage module 3 Power generation module 40 Reformer 41 Vaporizer 42 Reformer reactor 43 Water shift reactor 44 Selective oxidation reactor 51 Small reactor 53 Glass substrate 54 Silicon substrate 55 Heater 56 Micro flow path 70, 71, 72 Catalyst 91 Fuel cell 99 Fuel

Claims (8)

表面積が65m2/g以上であることを特徴とするCu/ZnO系触媒。 A Cu / ZnO-based catalyst having a surface area of 65 m 2 / g or more. 請求項1に記載のCu/ZnO系触媒において、
ZnO結晶子径が121Å以下であることを特徴とするCu/ZnO系触媒。
In the Cu / ZnO-based catalyst according to claim 1,
A Cu / ZnO-based catalyst having a ZnO crystallite diameter of 121 mm or less.
銅と亜鉛とのモル比が銅:亜鉛=1:2〜8:1とした銅・亜鉛の金属塩を含む銅・亜鉛水溶液とアルカリ溶液とを50〜70℃の間で混合して沈殿物を形成する沈殿工程と、
前記沈殿物を乾燥・焼成する乾燥・焼成工程と、
を備えることを特徴とするCu/ZnO系触媒の製造方法。
A copper / zinc aqueous solution containing a copper / zinc metal salt in which the molar ratio of copper and zinc is copper: zinc = 1: 2 to 8: 1 and an alkaline solution are mixed at 50 to 70 ° C. to form a precipitate. A precipitation step to form,
A drying / firing step for drying / firing the precipitate;
A process for producing a Cu / ZnO-based catalyst, comprising:
銅・亜鉛の金属塩を含む銅・亜鉛水溶液とアルカリ溶液とをpH8.0〜9.4に保持しながら混合して沈殿物を形成する沈殿工程と、
前記沈殿物を乾燥・焼成する乾燥・焼成工程と、
を備えることを特徴とするCu/ZnO系触媒の製造方法。
A precipitation step in which a copper / zinc aqueous solution containing a metal salt of copper / zinc and an alkaline solution are mixed while maintaining a pH of 8.0 to 9.4 to form a precipitate;
A drying / firing step for drying / firing the precipitate;
A process for producing a Cu / ZnO-based catalyst, comprising:
請求項3又は4に記載のCu/ZnO系触媒の製造方法において、
前記沈殿工程の後に、前記混合液を濾過し、濾過後に残った前記沈殿物を洗浄する濾過・洗浄工程を有し、
前記濾過・洗浄工程では、濾過後に残った前記沈殿物を、前記沈殿工程中の前記混合液の温度より高い温度で洗浄することを特徴とするCu/ZnO系触媒の製造方法。
In the manufacturing method of the Cu / ZnO-type catalyst of Claim 3 or 4,
After the precipitation step, it has a filtration / washing step of filtering the mixed solution and washing the precipitate remaining after the filtration,
In the filtration / washing step, the precipitate remaining after filtration is washed at a temperature higher than the temperature of the mixed solution in the precipitation step.
請求項3〜5のいずれか一項に記載のCu/ZnO系触媒の製造方法において、
前記沈殿工程では、前記銅・亜鉛水溶液と前記アルカリ溶液とを、アルミニウム酸化物を含む水溶液中で混合することを特徴とするCu/ZnO系触媒の製造方法。
In the manufacturing method of the Cu / ZnO-type catalyst as described in any one of Claims 3-5,
In the precipitation step, the copper / zinc aqueous solution and the alkaline solution are mixed in an aqueous solution containing an aluminum oxide.
請求項1に記載のCu/ZnO系触媒を用いた発電装置において、
メタノールと水との混合物から水素を生成する改質反応器と、
前記改質反応器で生成した水素から電気エネルギーを生成する燃料電池と、
を備え、
前記改質反応器にはメタノールと水との混合物を流動させる流路が形成されており、前記流路に、前記Cu/ZnO系触媒が配されていることを特徴とする発電装置。
In the electric power generating apparatus using the Cu / ZnO-based catalyst according to claim 1,
A reforming reactor for producing hydrogen from a mixture of methanol and water;
A fuel cell that generates electrical energy from hydrogen generated in the reforming reactor;
With
The reforming reactor is formed with a flow path for flowing a mixture of methanol and water, and the Cu / ZnO-based catalyst is arranged in the flow path.
請求項7に記載の発電装置において、
前記改質反応器で生成された一酸化炭素を除去する反応器を備えることを特徴とする発電装置。
The power generator according to claim 7,
A power generation apparatus comprising a reactor for removing carbon monoxide produced in the reforming reactor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007008731A (en) * 2005-06-28 2007-01-18 Dainippon Printing Co Ltd Hydrogen producing apparatus and method for producing the same

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