JP2006008434A - Hydrogen generating unit, fuel cell electricity generating system, and hydrogen generating method - Google Patents

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由美 近藤
Kunihiro Ukai
邦弘 鵜飼
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a reforming catalyst, a shift catalyst, or a carbon monoxide removing catalyst having high heat resistance, and improved in the effect with oxygen contamination when stop-and-go of operation is repeated. <P>SOLUTION: The hydrogen generating unit comprises a reforming part 3 where a hydrogen-rich gas is formed by reacting a feed with water in the presence of a reforming catalyst, a shift part 4 where there is a shift catalyst and the generated hydrogen-rich gas is reacted with steam, and the concentration of carbon monoxide in the hydrogen-rich gas is reduced, and a carbon monoxide removing part 5 where there is the carbon monoxide removing catalyst and the carbon monoxide contained in the gas discharged from the shift part 4 is oxidized and reduced by hydrogen, and the reforming catalyst, the shift catalyst, and the carbon monoxide removing catalyst contain each a noble metal element or Ni element as its active component and the carriers of the active components contain a metal oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素生成装置、燃料電池発電システム、水素生成方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen generator, a fuel cell power generation system, and a hydrogen generation method.

昨今、脱化石燃料の有力候補として水素エネルギーが注目されているが、その生成コスト、貯蔵および運搬などの点において様々な問題があるため、水素エネルギーは、一般的、特に民生用としてはほとんど利用されていない。水素エネルギーの利用を早期に実現するためには、既存の産業インフラストラクチャを利用し、必要なところで必要なだけ水素を生成することが有力な手段となる。例えば、中小規模のオンサイト型燃料電池には都市ガスを原料として用い、また、燃料電池自動車にはメタノールを原料として用い、触媒反応を利用した水蒸気改質方法、部分酸化方法または両者を組み合わせたオートサーマル方法などで水素を生成することが考えられる。   Recently, hydrogen energy has attracted attention as a promising candidate for fossil fuels, but there are various problems in terms of production cost, storage and transportation, etc., so hydrogen energy is generally used mostly for civilian use. It has not been. In order to realize the use of hydrogen energy at an early stage, it is an effective means to generate as much hydrogen as necessary using the existing industrial infrastructure. For example, city gas is used as a raw material for small and medium-sized on-site fuel cells, and methanol is used as a raw material for fuel cell vehicles, and a steam reforming method utilizing catalytic reaction, a partial oxidation method, or a combination of both. It is conceivable to generate hydrogen by an autothermal method.

しかし、改質反応は高温で進行するため、水素以外の副生成物として一酸化炭素(CO)や二酸化炭素が生成される。100℃以下の低温で動作する固体高分子型燃料電池の場合には、電極に用いる白金触媒が改質ガスに含まれる一酸化炭素によって被毒される。白金触媒の被毒が起こると水素の反応が阻害され、燃料電池の発電効率が著しく低下するため、一酸化炭素を100ppm以下、好ましくは10ppm以下に除去する必要がある。   However, since the reforming reaction proceeds at a high temperature, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide are generated as by-products other than hydrogen. In the case of a polymer electrolyte fuel cell operating at a low temperature of 100 ° C. or lower, the platinum catalyst used for the electrode is poisoned by carbon monoxide contained in the reformed gas. When poisoning of the platinum catalyst occurs, the hydrogen reaction is inhibited, and the power generation efficiency of the fuel cell is remarkably reduced. Therefore, it is necessary to remove carbon monoxide to 100 ppm or less, preferably 10 ppm or less.

このため、水素発生装置においては、改質反応を行う改質部の下流側にシフト反応を行うシフト部、さらにその下流にCO除去を行う選択酸化部が設置され(例えば、特許文献1参照。)、これらのCO除去作用により水素中のCO濃度を数十ppm以下にして燃料電池への水素の供給を可能としている。   For this reason, in the hydrogen generator, a shift unit that performs a shift reaction is provided downstream of the reforming unit that performs the reforming reaction, and a selective oxidation unit that performs CO removal is further provided downstream thereof (see, for example, Patent Document 1). ), The CO concentration in hydrogen is reduced to several tens of ppm or less by these CO removing actions, and hydrogen can be supplied to the fuel cell.

一酸化炭素を除去するために、シフト部においては、シフト反応、すなわち一酸化炭素と水蒸気を反応させて、二酸化炭素と水素に転換し、数千ppmから1%程度に一酸化炭素濃度を低減させる。   In order to remove carbon monoxide, in the shift section, a shift reaction, that is, carbon monoxide and water vapor are reacted to convert to carbon dioxide and hydrogen, and the carbon monoxide concentration is reduced from several thousand ppm to about 1%. Let

さらに、車載用や家庭用として用いられる固体高分子型燃料電池のように、100℃以下の低温で作動する燃料電池の場合には、電極に用いられているPt触媒が改質ガスに含まれているCOによって被毒される恐れがあるため、改質ガスを燃料電池に供給する前にCO濃度を100ppm以下、好ましくは10ppm以下に除去しておく必要がある。そのため触媒を充填したCO選択酸化部をシフト部の下流に設け、COをメタン化または微量の空気を加えて選択的に酸化することによって、改質ガスからCOを除去している。微量の空気を加える方法の場合には、一酸化炭素濃度の1〜3倍程度の酸素を供給する必要があるが、水素も酸素量に対応して酸化される。このとき、一酸化炭素濃度が高い場合には消費される水素が増大するため、全体の効率は大きく低下する。したがって、シフト部で一酸化炭素濃度を充分に低減させることが必要である。   Furthermore, in the case of a fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower, such as a polymer electrolyte fuel cell used for in-vehicle use or home use, the reformed gas contains the Pt catalyst used for the electrode. Therefore, before supplying the reformed gas to the fuel cell, it is necessary to remove the CO concentration to 100 ppm or less, preferably 10 ppm or less. For this reason, a CO selective oxidation section filled with a catalyst is provided downstream of the shift section, and CO is methanated or selectively oxidized by adding a small amount of air to remove CO from the reformed gas. In the case of a method of adding a small amount of air, it is necessary to supply oxygen of about 1 to 3 times the carbon monoxide concentration, but hydrogen is also oxidized corresponding to the amount of oxygen. At this time, when the carbon monoxide concentration is high, the amount of hydrogen consumed increases, so the overall efficiency is greatly reduced. Therefore, it is necessary to sufficiently reduce the carbon monoxide concentration at the shift portion.

従来、シフト触媒は、中温低温用触媒として150℃〜300℃で使用可能な銅−亜鉛触媒、銅−クロム触媒などが用いられ、高温用触媒として300℃以上で機能する鉄−クロム触媒などが用いられる。これらの触媒を化学プラントや燃料電池用水素発生器など用途に応じて、中低温用触媒のみで使用したり、高温用触媒と中低温用触媒を組み合わせて使用していた。
特開2002−284503号公報
Conventionally, as the shift catalyst, a copper-zinc catalyst, a copper-chromium catalyst, etc. that can be used at 150 ° C. to 300 ° C. as a medium temperature / low temperature catalyst are used, and an iron-chromium catalyst, etc. Used. These catalysts have been used only in the medium / low temperature catalyst, or in combination with the high temperature catalyst and the medium / low temperature catalyst, depending on applications such as a chemical plant and a fuel cell hydrogen generator.
JP 2002-284503 A

上記のように、銅系の触媒を中心に用いた場合、触媒の活性は非常に高いが、使用前に還元処理を施して活性化させる必要がある。このとき、活性化処理中は発熱することから、触媒の耐熱温度以上にならないように、還元ガスを流通させながら長時間かけて処理する必要があった。また、一度活性化させた触媒は装置の停止時の酸素混入などで、再酸化されて劣化する可能性があるため、酸化を防止するなどの対策が必要であった。さらに、低温用触媒は触媒の耐熱性が低いことから装置の始動時に触媒を急激に加熱することはできず、徐々に温度を上昇させるなどの対策が必要であった。   As described above, when a copper-based catalyst is mainly used, the activity of the catalyst is very high, but it is necessary to activate it by performing a reduction treatment before use. At this time, since heat is generated during the activation treatment, it has been necessary to carry out the treatment for a long time while circulating the reducing gas so as not to exceed the heat-resistant temperature of the catalyst. In addition, since the activated catalyst may be reoxidized and deteriorated due to oxygen contamination when the apparatus is stopped, measures such as prevention of oxidation are necessary. Furthermore, since the low-temperature catalyst has low heat resistance, the catalyst cannot be rapidly heated when the apparatus is started, and measures such as gradually increasing the temperature are required.

一方、高温用触媒のみを用いた場合には、始動時の加熱などは容易になるが、COシフト反応(COシフト反応)が温度に依存する平衡反応であり、一酸化炭素濃度を1%以下にすることが困難であった。そのため、後に接続するCO選択酸化部での効率が低下していた。   On the other hand, when only a high-temperature catalyst is used, heating at the time of starting becomes easy, but the CO shift reaction (CO shift reaction) is an equilibrium reaction that depends on temperature, and the carbon monoxide concentration is 1% or less. It was difficult to make. Therefore, the efficiency in the CO selective oxidation part connected later has fallen.

このように従来の方法では、シフト部の起動に時間を要したり、反応器が大きくなるとともに、運転の停止、作動を繰り返すような用途には、多くの課題があった。同様に、改質触媒、一酸化炭素触媒においても、耐熱性の問題、運転停止や作動を繰り返した場合の酸素混入の問題があった。   As described above, in the conventional method, there are many problems in applications in which time is required for starting the shift unit, the reactor becomes large, and the operation is repeatedly stopped and operated. Similarly, the reforming catalyst and the carbon monoxide catalyst also have problems of heat resistance and oxygen contamination when the operation is stopped or repeated.

本発明はこのような水素生成装置の課題を考慮し、耐熱性が高く、または運転停止や作動を繰り返した場合の酸素混入による影響を改善した、改質触媒、シフト触媒、または一酸化炭素除去触媒を有する、水素生成装置、水素生成方法、それを利用した燃料電池発電システムを提供することを目的とする。   The present invention takes into consideration the problems of such a hydrogen generator, and has high heat resistance, or has improved the influence of oxygen incorporation when the operation is stopped or repeated, thereby removing the reforming catalyst, shift catalyst, or carbon monoxide. An object of the present invention is to provide a hydrogen generation apparatus, a hydrogen generation method, and a fuel cell power generation system using the same, each having a catalyst.

上記課題を解決するために、第1の本発明は、原料および水を改質触媒で反応させて水素リッチガスを生成する改質部と、
前記生成された水素リッチガスと水蒸気とを反応させることにより前記水素リッチガス中の一酸化炭素を低減するシフト触媒を有するシフト部と、
前記シフト部から出力されたガスに含まれる一酸化炭素を酸化および水素還元化する一酸化炭素除去触媒を有する一酸化炭素除去部と、を備え、
前記改質触媒、前記シフト触媒、および前記一酸化炭素除去触媒は、活性成分として貴金属元素またはNi元素を含み、前記活性成分の担体として金属酸化物を含む、水素生成装置である。
In order to solve the above-described problem, the first aspect of the present invention includes a reforming unit that reacts a raw material and water with a reforming catalyst to generate a hydrogen-rich gas;
A shift unit having a shift catalyst that reduces carbon monoxide in the hydrogen-rich gas by reacting the generated hydrogen-rich gas with water vapor;
A carbon monoxide removal unit having a carbon monoxide removal catalyst for oxidizing and hydrogen reducing carbon monoxide contained in the gas output from the shift unit,
The reforming catalyst, the shift catalyst, and the carbon monoxide removal catalyst are hydrogen generators that contain a noble metal element or Ni element as an active component and a metal oxide as a support for the active component.

第2の本発明は、前記改質触媒は、活性成分としてRuを含み、前記活性成分の担体としてAlを含む、第1の本発明の水素生成装置である。 The second aspect of the present invention is the hydrogen generator according to the first aspect of the present invention, wherein the reforming catalyst includes Ru as an active component and Al 2 O 3 as a carrier for the active component.

第3の本発明は、前記シフト触媒は、活性成分としてPtを含み、前記活性成分の担体として複合金属酸化物を含む、第1または2の本発明の水素生成装置である。   The third aspect of the present invention is the hydrogen generator according to the first or second aspect of the present invention, wherein the shift catalyst includes Pt as an active component and a composite metal oxide as a support for the active component.

第4の本発明は、前記複合金属酸化物は、CeOとZrOとの固溶体を含む、第3の本発明の水素生成装置である。 The fourth aspect of the present invention is the hydrogen generator according to the third aspect of the present invention, wherein the composite metal oxide includes a solid solution of CeO 2 and ZrO 2 .

第5の本発明は、前記一酸化炭素除去触媒は、活性成分としてRuを含み、前記活性成分の担体として複合金属酸化物を含む、第1〜4のいずれかの本発明の水素生成装置である。   The fifth aspect of the present invention is the hydrogen generator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the carbon monoxide removal catalyst includes Ru as an active component and a composite metal oxide as a support for the active component. is there.

第6の本発明は、前記一酸化炭素除去触媒の前記活性成分の担体として、AlとTiOとの固溶体を含む、第5の本発明の水素生成装置である。 The sixth aspect of the present invention is the hydrogen generator according to the fifth aspect of the present invention, comprising a solid solution of Al 2 O 3 and TiO 2 as a carrier for the active component of the carbon monoxide removal catalyst.

第7の本発明は、前記一酸化炭素除去部は、第1浄化部と前記第1浄化部の後流に接続される第2浄化部とを含み、前記第1浄化部は、活性成分としてPt−Ru合金を含み、前記活性成分の担体としてAlを含む触媒を有しており、前記第2浄化部は、活性成分としてRuを含み、前記活性成分の担体としてAlを含む、第1〜4のいずれかの本発明の水素生成装置である。 According to a seventh aspect of the present invention, the carbon monoxide removing unit includes a first purification unit and a second purification unit connected to the downstream of the first purification unit, and the first purification unit is an active ingredient. The catalyst includes a Pt—Ru alloy and includes Al 2 O 3 as a carrier for the active component, and the second purification unit includes Ru as an active component, and Al 2 O 3 as the active component carrier. The hydrogen generator according to any one of the first to fourth aspects of the present invention.

第8の本発明は、少なくとも炭素と水素とを含む原料中の硫黄成分を除去する脱硫部と、
第1〜7のいずれかの本発明の水素生成装置と、
前記水素生成装置により生成された水素および酸化剤ガスが供給される燃料電池と、を備える、燃料電池発電システムである。
The eighth aspect of the present invention is a desulfurization section for removing sulfur components in a raw material containing at least carbon and hydrogen;
Any one of the first to seventh hydrogen generators of the present invention;
And a fuel cell to which hydrogen generated by the hydrogen generator and oxidant gas are supplied.

第9の本発明は、原料および水を改質触媒で反応させて水素リッチガスを生成する改質工程と、
前記生成された水素リッチガスと水蒸気とを反応させることにより前記水素リッチガス中の一酸化炭素をシフト触媒を用いて低減するシフト工程と、
前記シフト工程を経たガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒を用いて酸化および水素還元化する一酸化炭素除去工程と、を備え、
前記改質触媒、前記シフト触媒、および前記一酸化炭素除去触媒は、活性成分として貴金属元素またはNi元素を含み、前記活性成分の担体として金属酸化物を含む、水素生成方法である。
The ninth aspect of the present invention includes a reforming step of reacting a raw material and water with a reforming catalyst to generate a hydrogen-rich gas;
A shift step of reducing carbon monoxide in the hydrogen-rich gas by using a shift catalyst by reacting the produced hydrogen-rich gas with water vapor;
A carbon monoxide removal step of oxidizing and hydrogen reducing carbon monoxide contained in the gas that has undergone the shift step using a carbon monoxide removal catalyst,
The reforming catalyst, the shift catalyst, and the carbon monoxide removal catalyst include a noble metal element or Ni element as an active component and a metal oxide as a support for the active component.

本発明によれば、耐熱性が高く、または運転停止や作動を繰り返した場合の酸素混入による影響を改善した、改質触媒、シフト触媒、または一酸化炭素除去触媒を有する、水素生成装置、水素生成方法、それを利用した燃料電池発電システムを提供することができる。   According to the present invention, a hydrogen generator, a hydrogen generator having a reforming catalyst, a shift catalyst, or a carbon monoxide removal catalyst, which has high heat resistance, or has improved the influence of oxygen contamination when operation is stopped or repeated A generation method and a fuel cell power generation system using the generation method can be provided.

(実施の形態1)
(全体の構成)
本発明の水素生成装置について、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の水素生成装置の全体の概略構成図である。原料供給部1および水供給部2が、内部に改質触媒を充填した改質部3に接続されている。原料供給部1により供給された原料は改質部3から流出し、シフト触媒(変成触媒)を充填したシフト(変成)部4に流入し、さらにシフト部4から流出するガスはCO除去触媒を充填した一酸化炭素除去部(選択酸化部)5に流入する。すなわち、図1に示す水素生成装置は、改質部3だけでなく、シフト部4および浄化部5を具備している。そして、浄化部5から流出するガスが、生成ガスとして三方バルブ6を通り、一方は水素生成装置から燃料電池7へ、また他方は改質部3近傍に設置したバーナ8に導かれるように流路が構成されている。
(Embodiment 1)
(Overall configuration)
The hydrogen generator of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the entire hydrogen generator of the present invention. A raw material supply unit 1 and a water supply unit 2 are connected to a reforming unit 3 filled with a reforming catalyst. The raw material supplied by the raw material supply unit 1 flows out from the reforming unit 3, flows into the shift (transformation) unit 4 filled with the shift catalyst (transformation catalyst), and the gas flowing out from the shift unit 4 uses the CO removal catalyst. It flows into the filled carbon monoxide removal section (selective oxidation section) 5. That is, the hydrogen generator shown in FIG. 1 includes not only the reforming unit 3 but also the shift unit 4 and the purification unit 5. Then, the gas flowing out from the purification unit 5 flows as a product gas through the three-way valve 6, one is led from the hydrogen generator to the fuel cell 7, and the other is led to the burner 8 installed in the vicinity of the reforming unit 3. A road is constructed.

バーナ8には燃料供給部9と燃焼用空気を供給する空気供給部10が設置されている。バーナ8での燃焼ガスは改質部3に設けられた排気口11から排気される。ここで、原料供給部1および燃料供給部9から供給される原料および燃料は、天然ガス(都市ガス)もしくはLPGなどの気体状炭化水素燃料、またはガソリン、灯油もしくはメタノールなどの液体状炭化水素系燃料である。ただし、液体状燃料を用いるときには燃料の気化部が必要となる。この場合には、改質部3およびバーナ8からの伝導熱ならびに燃焼排気ガス中の顕熱などを利用した気化部を構成することが好ましい。   The burner 8 is provided with a fuel supply unit 9 and an air supply unit 10 for supplying combustion air. Combustion gas in the burner 8 is exhausted from an exhaust port 11 provided in the reforming unit 3. Here, the raw material and fuel supplied from the raw material supply unit 1 and the fuel supply unit 9 are gaseous hydrocarbon fuels such as natural gas (city gas) or LPG, or liquid hydrocarbons such as gasoline, kerosene, or methanol. It is fuel. However, when using liquid fuel, a fuel vaporization unit is required. In this case, it is preferable to configure a vaporizing section that utilizes the heat conduction from the reforming section 3 and the burner 8 and the sensible heat in the combustion exhaust gas.

また、原料供給部1からの原料、燃料供給部9からの燃料および空気供給部1からの空気の供給量を調整するためには、例えばポンプもしくはファンなどを利用して制御する方法、またはポンプもしくはファンなどの下流側に設置したバルブなどで制御する方法などがあげられる。ただし、図1においては供給量(流量)調節器は特に図示していないが、それぞれの供給部が流量調節器を具備しているものとして示している。なお、図1中の矢印は、原料、燃料および反応ガスなどの流れの方向を示している。   In order to adjust the supply amount of the raw material from the raw material supply unit 1, the fuel from the fuel supply unit 9, and the air supply from the air supply unit 1, for example, a method of controlling using a pump or a fan, or a pump Or the method etc. which control with the valve etc. which were installed in the downstream of fans etc. are mention | raise | lifted. However, in FIG. 1, the supply amount (flow rate) regulator is not particularly illustrated, but each supply unit is illustrated as including a flow rate regulator. In addition, the arrow in FIG. 1 has shown the direction of flows, such as a raw material, fuel, and a reactive gas.

(改質触媒)
図2は、本発明の水素生成装置の構成要素である改質部3の構成図である。
(Reforming catalyst)
FIG. 2 is a configuration diagram of the reforming unit 3 that is a component of the hydrogen generator of the present invention.

改質触媒層21の下流部の一部には改質ガスが排出される出口部20が設けられている。本実施の形態は、炭化水素系の原料と水蒸気の改質反応から水素リッチな改質ガスを生成する改質触媒層21と、改質触媒層21を加熱するバーナ8と、バーナ8に供給する燃料の流量を調節する燃料調節弁23と、改質触媒層21の下流部に設けられ改質ガスの流れが集合する出口部20と、を有する。   An outlet portion 20 through which the reformed gas is discharged is provided in a part of the downstream portion of the reforming catalyst layer 21. In the present embodiment, a reforming catalyst layer 21 that generates a hydrogen-rich reformed gas from a reforming reaction between a hydrocarbon-based raw material and steam, a burner 8 that heats the reforming catalyst layer 21, and a supply to the burner 8 A fuel control valve 23 that controls the flow rate of the fuel to be discharged, and an outlet 20 that is provided downstream of the reforming catalyst layer 21 and collects the flow of the reformed gas.

次に動作、作用について説明する。バーナ8で生じた燃焼ガスは改質触媒層21を加熱し、排気口25から排出される。改質触媒層21の上流側である入口部29から供給された原料と水蒸気は、下流に向かって流れながら燃焼ガスとの熱交換で昇温され、水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスが生成され、下流部の出口部20に導かれる。   Next, the operation and action will be described. The combustion gas generated in the burner 8 heats the reforming catalyst layer 21 and is discharged from the exhaust port 25. The raw material and the steam supplied from the inlet 29 on the upstream side of the reforming catalyst layer 21 are heated by heat exchange with the combustion gas while flowing toward the downstream, and the hydrogen-rich reformed gas is generated by the steam reforming reaction. Is generated and led to the downstream outlet 20.

改質触媒層21に用いられる触媒としては、例えば、担持Ni系触媒、担持Ru系触媒などを挙げることができる(特開2001−155755号公報参照。)。特に、アルミナを担体としたルテニウム系改質触媒は、比較的高活性でかつ低スチーム/カーボン比の運転条件下でも炭素の析出を抑制するなどの利点を有し、改質用触媒の長寿命化が期待できる(特開2001−340759号公報参照。)。   Examples of the catalyst used in the reforming catalyst layer 21 include a supported Ni-based catalyst and a supported Ru-based catalyst (see JP 2001-155755 A). In particular, the ruthenium-based reforming catalyst using alumina as a carrier has advantages such as relatively high activity and low carbon / carbon ratio even under the operating conditions of low steam / carbon ratio. (See JP 2001-340759 A).

特にRu系触媒を使用した場合、微量の酸素混入による影響を受けない。一般に、水素生成装置を停止させると、装置の温度低下に伴って反応室内部の圧力が低下し、外部の空気が微量に混入する。しかし、本発明の水素生成装置によれば、微量の酸素混入に対策を施す必要がなく、装置の停止、始動が非常に容易である。   In particular, when a Ru-based catalyst is used, it is not affected by a small amount of oxygen. In general, when the hydrogen generator is stopped, the pressure in the reaction chamber decreases as the temperature of the apparatus decreases, and a small amount of external air is mixed. However, according to the hydrogen generator of the present invention, it is not necessary to take measures against a small amount of oxygen, and it is very easy to stop and start the apparatus.

(シフト触媒)
図3は本発明の第1の実施の形態である水素生成装置の断面を示した構成図である。図3において、31は触媒体で、反応室32の内部に充填した。33は改質ガス入口であり、ここから改質ガスを導入する。触媒体31の上流部に対して均一に改質ガスが接触するように、反応室32には触媒支持網34が設置し、触媒体31の上流側に空間を設けた。触媒体31上で反応を終えた改質ガスは改質ガス出口35から排出される。
(Shift catalyst)
FIG. 3 is a configuration diagram showing a cross section of the hydrogen generator according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, 31 is a catalyst body, which is filled in the reaction chamber 32. Reference numeral 33 denotes a reformed gas inlet from which the reformed gas is introduced. A catalyst support net 34 was installed in the reaction chamber 32 so that the reformed gas uniformly contacted the upstream portion of the catalyst body 31, and a space was provided upstream of the catalyst body 31. The reformed gas that has finished the reaction on the catalyst body 31 is discharged from the reformed gas outlet 35.

また、反応器を一定温度に保つために、反応室32の外周はセラミックウールからなる断熱材36で覆った。ここで、触媒体31は直径6mmの球状の多孔質アルミナペレットにCe、Ptを担持して作製したものである。   In order to keep the reactor at a constant temperature, the outer periphery of the reaction chamber 32 was covered with a heat insulating material 36 made of ceramic wool. Here, the catalyst body 31 is produced by supporting Ce and Pt on a spherical porous alumina pellet having a diameter of 6 mm.

次に本実施の形態の原理について説明する。本発明の水素生成装置に供給する改質ガスを発生させるために用いる燃料としては天然ガス、メタノール、ガソリンなどがあり、改質方法も水蒸気を加える水蒸気改質や、空気を加えておこなう部分改質などがあるが、本実施例では天然ガスを水蒸気改質した改質ガスを用いた場合について記載する。   Next, the principle of this embodiment will be described. The fuel used to generate the reformed gas to be supplied to the hydrogen generator of the present invention includes natural gas, methanol, gasoline, and the like. The reforming method is also steam reforming in which steam is added, or partial modification in which air is added. In this embodiment, the case where a reformed gas obtained by steam reforming natural gas is used will be described.

天然ガスに水蒸気を混合し、改質触媒に接触させて生成した改質ガスには、水素の他に副生成物として二酸化炭素と一酸化炭素、および改質前に加えた水蒸気の残りが含まれる。この改質ガスの組成は改質時の触媒温度によって多少変化するが、水蒸気を除いた平均的な値として、水素約80%、二酸化炭素、一酸化炭素がそれぞれ約10%含まれる。天然ガスの改質反応は500〜800℃程度でおこなうのに対し、一酸化炭素と水蒸気が反応するシフト反応は、150℃〜300℃程度で反応させるため、改質ガスは改質ガス入口33の手前で熱交換器を通過させて冷却してから供給する。   The reformed gas produced by mixing steam with natural gas and contacting the reforming catalyst contains carbon dioxide and carbon monoxide as by-products in addition to hydrogen, and the remainder of the steam added before reforming. It is. The composition of the reformed gas varies somewhat depending on the catalyst temperature during reforming, but as an average value excluding steam, about 80% hydrogen, about 10% carbon dioxide, and about 10% carbon monoxide are included. The reforming reaction of natural gas is performed at about 500 to 800 ° C., whereas the shift reaction in which carbon monoxide and water vapor react is performed at about 150 to 300 ° C. It is supplied after passing through a heat exchanger before being cooled.

COシフト反応は、温度に依存する平衡反応であり、低温で反応させるほどCO濃度を低減できる。一方、温度が低下すると触媒上での反応速度が低下するため、低温で反応が可能な触媒ほど有効となる。通常、シフト触媒として用いられる銅−亜鉛触媒、銅−クロム触媒など、銅系のシフト触媒は150℃〜250℃程度の低温でCOシフト反応をおこなうことができ、CO濃度を数百〜数千ppm程度まで低減できる。しかしながら、銅系の触媒は反応器に充填した後、水素や改質ガスなどの還元ガスを流通させて活性化させる必要がある。銅系触媒の耐熱性は300℃前後と低いため、活性化時の反応熱で耐熱温度を越えないように、還元ガスを希釈して供給するか、小流量で徐々に反応させる必要がある。また、触媒中の銅の含有量も活性化に要する時間に影響するが、重量比で数10%程度は寿命信頼性を確保するために必要であり、活性化に長い時間を要することとなる。   The CO shift reaction is a temperature-dependent equilibrium reaction, and the CO concentration can be reduced as the reaction is performed at a lower temperature. On the other hand, when the temperature is lowered, the reaction rate on the catalyst is lowered, so that a catalyst capable of reacting at a low temperature is more effective. Usually, copper shift catalysts such as copper-zinc catalyst and copper-chromium catalyst used as shift catalysts can perform CO shift reaction at a low temperature of about 150 ° C. to 250 ° C., and the CO concentration is several hundred to several thousand. It can be reduced to about ppm. However, after the copper-based catalyst is charged into the reactor, it is necessary to activate it by circulating a reducing gas such as hydrogen or a reformed gas. Since the heat resistance of the copper-based catalyst is as low as around 300 ° C., it is necessary to dilute and supply the reducing gas or to gradually react at a small flow rate so that the heat resistance does not exceed the heat resistant temperature. Further, the content of copper in the catalyst also affects the time required for activation, but a weight ratio of about several tens of percent is necessary to ensure life reliability, and it takes a long time for activation. .

一方、本発明の水素生成装置では、触媒体31に貴金属触媒を用いており、銅系の触媒に比べて非常に高い耐熱性を持つため、アルミナなどの担体に重量比で0.1%〜数%程度の貴金属を担持するだけで良い。このため、短時間の還元ガスによる活性化処理をするか、単に改質ガスを流通させるだけで使用できる。   On the other hand, in the hydrogen generator of the present invention, a noble metal catalyst is used as the catalyst body 31 and has a very high heat resistance as compared with a copper-based catalyst. It is only necessary to carry a few percent of precious metal. For this reason, it can be used by performing an activation treatment with a reducing gas for a short time or simply circulating a reformed gas.

本実施の形態で触媒体31に用いた貴金属触媒の特性の概要を図4に示した。比較として、低温用シフト触媒である銅−亜鉛触媒と、高温用シフト触媒である鉄−クロム触媒の特性を示した。本実施の形態で用いた貴金属触媒は、高温用触媒と低温用触媒の中間の性能を持つものである。高温用シフト触媒単独ではCO濃度を1%以下にすることは困難であり、低温用シフト触媒と組み合わせて用いることが多い。本例の貴金属触媒は低温用シフト触媒と同等であり、数千ppm程度の濃度まで一酸化炭素を低減でき、貴金属触媒単独でも、燃料電池用水素生成装置に適用することができる。   An outline of the characteristics of the noble metal catalyst used for the catalyst body 31 in the present embodiment is shown in FIG. For comparison, the characteristics of a copper-zinc catalyst that is a low-temperature shift catalyst and an iron-chromium catalyst that is a high-temperature shift catalyst are shown. The noble metal catalyst used in the present embodiment has an intermediate performance between the high temperature catalyst and the low temperature catalyst. A high temperature shift catalyst alone is difficult to reduce the CO concentration to 1% or less, and is often used in combination with a low temperature shift catalyst. The noble metal catalyst of this example is equivalent to a low temperature shift catalyst, and can reduce carbon monoxide to a concentration of about several thousand ppm. Even a noble metal catalyst alone can be applied to a hydrogen generator for a fuel cell.

また、COシフト反応は、通常触媒体積あたりのガス流速(空間速度SV)が毎時1000以下で反応させ、多量の触媒が必要として熱容量が大きくなるため、装置始動時には触媒体を昇温するために長時間を要する。そのため、電気ヒーターなどで反応室の外部からの加熱を併用するか、供給する改質ガスの温度を高くして昇温速度を早める方法が考えられる。しかし、銅系触媒は耐熱温度が低いため、局所的に高温となるような急激な加熱は望ましくない。一方、本例の水素生成装置では、耐熱性の高い貴金属触媒を用いているため、局所的に500℃程度の高温部が生じても問題はなく、高温の改質ガスを供給することによって急速に加熱でき、速やかに装置を始動させることができる。   In addition, the CO shift reaction is usually performed at a gas flow rate (space velocity SV) per catalyst volume of 1000 or less per hour, and a large amount of catalyst is required to increase the heat capacity. It takes a long time. For this reason, it is conceivable to use heating from the outside of the reaction chamber together with an electric heater or the like, or to raise the temperature of the reformed gas to be supplied to increase the rate of temperature rise. However, since the heat resistant temperature of the copper catalyst is low, rapid heating that is locally high is not desirable. On the other hand, since the hydrogen generator of this example uses a noble metal catalyst with high heat resistance, there is no problem even if a high temperature portion of about 500 ° C. is locally generated. The apparatus can be started quickly.

また、装置を停止させた場合、装置の温度低下に伴って反応室内部の圧力が低下し、外部の空気が微量に混入する。そのため、長期間にわたって繰り返し装置の停止、始動を繰り返した場合、銅系触媒は徐々に劣化する。したがって、酸素が混入するのを防止する手段などが必要となり、装置が複雑となる。一方、本例の水素生成装置では貴金属触媒を用いているため、微量の酸素混入に対策を施す必要がなく、装置の停止、始動が非常に容易である。   In addition, when the apparatus is stopped, the pressure in the reaction chamber decreases with a decrease in the temperature of the apparatus, and a small amount of external air is mixed. For this reason, when the apparatus is repeatedly stopped and started repeatedly over a long period of time, the copper-based catalyst gradually deteriorates. Therefore, a means for preventing oxygen from being mixed is required, and the apparatus becomes complicated. On the other hand, since the noble metal catalyst is used in the hydrogen generation apparatus of this example, it is not necessary to take measures against a small amount of oxygen, and the apparatus can be stopped and started very easily.

本実施の形態では、触媒体31に直径6mmの球状の多孔質アルミナペレットにCe、Ptを担持して作製したものを用いたが、活性成分としてはRu、Pd、Rhから選択される貴金属元素を用いても、銅系触媒のような長時間の活性化処理をすることなく使用できると同時に、耐熱性も問題ない。触媒体の形状は球状であっても、円錐状であっても、発泡体形状であっても、ガス流に対して圧力損失が用途に対して充分に小さければ問題はない。   In the present embodiment, the catalyst body 31 is prepared by supporting Ce and Pt on a spherical porous alumina pellet having a diameter of 6 mm. However, the active component is a noble metal element selected from Ru, Pd, and Rh. Even if it is used, it can be used without the activation treatment for a long time like a copper catalyst, and at the same time, there is no problem in heat resistance. Whether the catalyst body is spherical, conical, or foamed, there is no problem as long as the pressure loss with respect to the gas flow is sufficiently small for the application.

また、Ceはシフト反応を促進する助触媒としての効果があり、低温で反応させるためには添加した方が好ましい。   Further, Ce has an effect as a co-catalyst for promoting the shift reaction, and it is preferable to add Ce for the reaction at a low temperature.

また、本実施の形態では天然ガスを水蒸気改質した改質ガスを用いたが、他の燃料でも一酸化炭素と二酸化炭素の割合が多少変わる程度で、特に大きな違いはない。   Further, in the present embodiment, the reformed gas obtained by steam reforming natural gas is used, but there is no particular difference as long as the ratio of carbon monoxide and carbon dioxide is slightly changed in other fuels.

また、水蒸気の代わりに空気を加える部分改質ガスを用いた場合には、水蒸気の割合が少ないため、反応室32に入る前に水を加える必要があるが、それ以外は水蒸気改質ガスと本質的には大差はない。   In addition, when a partially reformed gas that adds air instead of water vapor is used, it is necessary to add water before entering the reaction chamber 32 because the proportion of water vapor is small. There is essentially no difference.

(実施の形態2)
本発明の第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は図5に示すように、触媒体311として、コージェライトハニカムに貴金属触媒を担持したものを用いてあり、作用効果の大部分は実施の形態1と類似である。したがって異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 5, a cordierite honeycomb carrying a noble metal catalyst is used as the catalyst body 311, and most of the operational effects are similar to those of the first embodiment. Therefore, the present embodiment will be described focusing on the different points.

図5は本実施の形態の断面構成図である。触媒体311をハニカム構造にすることにより、触媒と改質ガスの接触面積が増加し、触媒の容積を小さくできるとともに、熱容量を小さくできるため、装置始動時の時間を短縮することができる。また、耐熱性の高い貴金属触媒を用いていることから、ハニカムに担持して触媒量を少なくした場合でも、劣化することなく、長期間安定に特性を維持することができる。   FIG. 5 is a cross-sectional configuration diagram of the present embodiment. By making the catalyst body 311 into a honeycomb structure, the contact area between the catalyst and the reformed gas can be increased, the volume of the catalyst can be reduced, and the heat capacity can be reduced, so that the time for starting the apparatus can be shortened. In addition, since a noble metal catalyst having high heat resistance is used, even when the amount of catalyst supported on the honeycomb is reduced, the characteristics can be stably maintained for a long time without deterioration.

本実施の形態では、担体基材としてハニカム形状のものを用いた。しかし、ハニカム形状に限らず、圧力損失が小さく触媒とガスとの接触面積が広くとれる形状であれば、発泡体形状のようなものであっても、耐熱性繊維に触媒を担持したものであってもかまわない。   In the present embodiment, a honeycomb substrate having a honeycomb shape is used. However, the shape is not limited to the honeycomb shape, and the catalyst can be supported on heat-resistant fibers even if it has a foam shape as long as the pressure loss is small and the contact area between the catalyst and the gas is wide. It doesn't matter.

また、本実施の形態では担体基材としてコージェライトハニカムを用いた。しかし、金属ハニカムを用いるなど、熱伝導の良い基材を用いると触媒体上流部から下流部にかけての温度格差が小さくなって、触媒体311上での反応熱を速やかに放熱することができ、安定した特性が得られる。   In the present embodiment, a cordierite honeycomb is used as the carrier substrate. However, when using a base material with good thermal conductivity, such as a metal honeycomb, the temperature difference from the upstream portion to the downstream portion of the catalyst body is reduced, and the reaction heat on the catalyst body 311 can be quickly dissipated, Stable characteristics can be obtained.

(実施の形態3)
本発明の第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は図6に示すように、COシフト触媒体を貴金属触媒からなる第一触媒体321と、銅系触媒からなる第二触媒体322に分割してあるものであり、作用効果の大部分は実施の形態1と類似である。したがって異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
(Embodiment 3)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the CO shift catalyst body is divided into a first catalyst body 321 made of a noble metal catalyst and a second catalyst body 322 made of a copper-based catalyst. Most of them are similar to the first embodiment. Therefore, the present embodiment will be described focusing on the different points.

図6は本実施の形態の断面構成図である。第一触媒体321には、コージェライトハニカムに貴金属系触媒を担持した触媒体を用いており、300℃程度で反応するように供給する改質ガス温度を制御する。第二触媒体322には、銅系触媒をコージェライトハニカムに担持したものを用いており、150℃〜250℃程度の温度領域で反応させる。通常、COシフト触媒体の上流部では、一酸化炭素が90%程度反応する。また、装置立ち上げ時に昇温する場合も、高温の改質ガスにCOシフト触媒体の上流部が曝される。このため、触媒劣化もシフト触媒の上流部の方が進行しやすい。ここで、本発明の水素生成装置では、第一触媒体321に耐熱性の高い貴金属触媒を用いているため、上述のような影響を無くすことができる。また、第二触媒体322に銅系触媒を用いているため、特性的にはCO濃度を銅系触媒単独で使用した場合と同等の数百〜数千ppmまで低下させることができる。また、第一触媒体321の貴金属触媒の代わりに、高温用シフト触媒を用いた場合には、同様に低温用シフト触媒の劣化を抑制することが可能であるが、高温用シフト触媒は400℃前後の温度が必要であり、本例のように第二触媒体322の低温用シフト触媒と組み合わせて用いるためには、二つの触媒の間で冷却用の熱交換器が必要となり、装置が大型化する。   FIG. 6 is a cross-sectional configuration diagram of the present embodiment. As the first catalyst body 321, a catalyst body in which a noble metal catalyst is supported on a cordierite honeycomb is used, and the reformed gas temperature supplied so as to react at about 300 ° C. is controlled. As the second catalyst body 322, a copper catalyst supported on a cordierite honeycomb is used and reacted in a temperature range of about 150 ° C. to 250 ° C. Usually, about 90% of carbon monoxide reacts in the upstream portion of the CO shift catalyst body. Further, when the temperature is raised when the apparatus is started up, the upstream portion of the CO shift catalyst body is exposed to the high-temperature reformed gas. For this reason, catalyst deterioration is more likely to proceed upstream of the shift catalyst. Here, in the hydrogen generator of the present invention, since the noble metal catalyst having high heat resistance is used for the first catalyst body 321, the above-described influence can be eliminated. Moreover, since the copper-based catalyst is used for the second catalyst body 322, the CO concentration can be lowered to several hundred to several thousand ppm equivalent to the case where the copper-based catalyst is used alone. In addition, when a high temperature shift catalyst is used instead of the noble metal catalyst of the first catalyst body 321, it is possible to similarly suppress the deterioration of the low temperature shift catalyst. Before and after the temperature is required, in order to use in combination with the low temperature shift catalyst of the second catalyst body 322 as in this example, a heat exchanger for cooling is required between the two catalysts, and the apparatus is large. Turn into.

(実施の形態4)
本発明の第4の実施の形態について説明する。本実施の形態は図7に示すように、触媒体331の上流側に空気の供給部を設けたものであり、作用効果の大部分は実施の形態1と類似である。したがって異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
(Embodiment 4)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, an air supply unit is provided on the upstream side of the catalyst body 331, and most of the operational effects are similar to those of the first embodiment. Therefore, the present embodiment will be described focusing on the different points.

図7は本実施の形態の断面構成図である。COシフト部を改質部と一酸化炭素除去部に連結した場合には、始動時に改質部や一酸化炭素除去部と比較して熱容量が大きいことから、COシフト部が最も昇温に時間を必要とする。電気ヒーターもしくは燃焼による加熱が考えられるが、余分のエネルギーが必要になり効率的ではない。ここで、本実施の形態では触媒体331の上流側に空気供給部を設けてあり、酸素濃度が1から2%程度になるように空気を供給することによって、改質ガス中の水素もしくは一酸化炭素をシフト触媒上で燃焼し、加熱することができる。シフト触媒の温度が充分上昇していない間の改質ガスは、一酸化炭素濃度が高く燃料電池に供給することはできないため、このものを燃焼させることによって余分なエネルギーも必要とせず、効率的にシフト部を加熱することができる。また、定常運転時もシフト触媒の温度が低下した場合に空気を供給することによって、シフト触媒を安定に作動させることができる。シフト部に空気を加えることは銅系触媒の場合、触媒を劣化させることになるため、好ましくない。しかしながら、本実施の形態では触媒体331に貴金属触媒を用いているため、酸化による劣化がない。   FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram of the present embodiment. When the CO shift unit is connected to the reforming unit and the carbon monoxide removal unit, the CO shift unit takes the most time to increase the temperature because the heat capacity is larger than that of the reforming unit and the carbon monoxide removal unit at the time of starting. Need. An electric heater or heating by combustion can be considered, but it requires extra energy and is not efficient. Here, in this embodiment, an air supply unit is provided on the upstream side of the catalyst body 331. By supplying air so that the oxygen concentration is about 1 to 2%, Carbon oxide can be burned on the shift catalyst and heated. Since the reformed gas while the temperature of the shift catalyst is not sufficiently raised has a high carbon monoxide concentration and cannot be supplied to the fuel cell, it does not require extra energy by burning it and is efficient. The shift portion can be heated. In addition, the shift catalyst can be stably operated by supplying air when the temperature of the shift catalyst decreases even during steady operation. In the case of a copper-based catalyst, it is not preferable to add air to the shift unit because the catalyst is deteriorated. However, since a noble metal catalyst is used for the catalyst body 331 in this embodiment, there is no deterioration due to oxidation.

また、触媒体331の温度を検知して、触媒温度を一定に保つように空気量を制御すると、さらに安定な動作が可能となる。   Further, by detecting the temperature of the catalyst body 331 and controlling the amount of air so as to keep the catalyst temperature constant, a more stable operation is possible.

また、供給した酸素の消費は反応速度の速い酸化反応であって、触媒体331の上流部で完結し、下流部には酸素が到達しない。したがって、本実施例では、触媒体331に貴金属触媒のみを用いたが、下流部に銅系触媒を用いても劣化することがなく、さらに高い特性が得られることとなる。   In addition, consumption of the supplied oxygen is an oxidation reaction with a high reaction rate, and is completed in the upstream portion of the catalyst body 331, and oxygen does not reach the downstream portion. Therefore, in this embodiment, only the noble metal catalyst is used for the catalyst body 331. However, even if a copper-based catalyst is used in the downstream portion, the catalyst body 331 is not deteriorated, and higher characteristics can be obtained.

(実施の形態5)
本発明の第5の実施の形態について説明する。本実施の形態は、実施の形態1で示した水素生成装置に貴金属触媒を用いた改質部と同じく貴金属触媒を用いた一酸化炭素除去部(CO浄化部)を連結したものである。
(Embodiment 5)
A fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a carbon monoxide removal unit (CO purification unit) using a noble metal catalyst is connected to the hydrogen generator shown in Embodiment 1 in the same manner as a reforming unit using a noble metal catalyst.

通常、天然ガスなどの改質触媒にはNiなどの触媒、またはPtやRuを主体とした触媒などが用いられるが、Niなどの遷移金属系の触媒はあらかじめ還元処理を施して、活性化させる必要があり、装置停止後も酸化されると再び活性化処理を要するため、空気の混入には注意する必要がある。一方、Ruをはじめとする貴金属触媒は活性化処理がほとんど必要なく、装置停止後も空気混入に対する対策をしなくても問題ない。また、一酸化炭素除去部もルテニウム触媒や白金触媒など貴金属触媒を用いることによって、還元ガスによる活性化処理の必要がなくなる。そこで、貴金属触媒を具備したシフト触媒に同じく貴金属触媒を具備した改質部、および一酸化炭素除去部を連結することによって、システム全体として、装置の停止と始動を繰り返した場合の空気混入による影響がなくなり、長期間安定した性能を得ることができる。   Usually, a catalyst such as Ni or a catalyst mainly composed of Pt or Ru is used as a reforming catalyst such as natural gas, but a transition metal-based catalyst such as Ni is activated by reduction treatment in advance. Since it is necessary to activate again after oxidation after the apparatus is stopped, it is necessary to pay attention to air contamination. On the other hand, noble metal catalysts such as Ru require almost no activation treatment, and there is no problem even if measures against air contamination are not taken after the apparatus is stopped. In addition, the carbon monoxide removing section uses a noble metal catalyst such as a ruthenium catalyst or a platinum catalyst, thereby eliminating the need for an activation treatment with a reducing gas. Therefore, by connecting the reforming unit equipped with the noble metal catalyst and the carbon monoxide removal unit to the shift catalyst equipped with the noble metal catalyst, the influence of air mixing when the system is repeatedly stopped and started as a whole system. And stable performance can be obtained for a long time.

(実施例1)
直径6mmの球状多孔質アルミナペレットに、硝酸セリウムと白金塩の混合溶液を含浸させ、電気炉中500℃で焼成して触媒体331を作製した。この触媒体331を図3に示す水素生成装置の反応室32の中に充填し、一酸化炭素8%、二酸化炭素8%、水蒸気20%、残りが水素である改質ガスを350℃に冷却し、改質ガス入口33より毎分10リットルの流量で導入した。改質ガス出口35より排出された反応ガスの組成を、水蒸気除去後にガスクロマトグラフィで測定したところ、改質ガス導入後30分後には一酸化炭素濃度が3500ppmとなった。この後、反応室32内を窒素で置換してから空気を供給し、再び改質ガスを供給して、反応ガスの組成を測定したところ、一酸化炭素濃度は3400ppmであった。さらに同じ操作を50回繰り返し、同様に特性を調べたところ、一酸化炭素濃度は3600ppmであった。
Example 1
A spherical porous alumina pellet having a diameter of 6 mm was impregnated with a mixed solution of cerium nitrate and platinum salt, and calcined at 500 ° C. in an electric furnace to produce a catalyst body 331. The catalyst body 331 is filled in the reaction chamber 32 of the hydrogen generator shown in FIG. 3, and the reformed gas, which is 8% carbon monoxide, 8% carbon dioxide, 20% water vapor, and the remaining hydrogen, is cooled to 350 ° C. The reformed gas inlet 33 was introduced at a flow rate of 10 liters per minute. When the composition of the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 35 was measured by gas chromatography after removing the water vapor, the carbon monoxide concentration became 3500 ppm 30 minutes after the introduction of the reformed gas. Thereafter, after the inside of the reaction chamber 32 was replaced with nitrogen, air was supplied, reformed gas was supplied again, and the composition of the reaction gas was measured. As a result, the carbon monoxide concentration was 3400 ppm. Further, the same operation was repeated 50 times, and the characteristics were examined in the same manner. As a result, the carbon monoxide concentration was 3600 ppm.

(実施例2)
実施例1で一度改質ガスを反応させた後、改質ガスの供給を停止させ、水素生成装置を室温まで冷却した。その後、最初に所定温度まで冷却した改質ガスを再び供給し、触媒温度が300℃まで上昇したところで、供給する改質ガス温度を350℃にし、改質ガス出口35より排出される反応ガスを測定した。立ち上がりに要した時間を知るために、CO濃度が5000ppmを下回るまでの時間を測定した。最初に供給する改質ガスの温度を350℃、400℃、450℃、500℃としたところ、装置の立ち上がり時間は、それぞれ29分、25分、18分、および12分であった。
(Example 2)
After reacting the reformed gas once in Example 1, the supply of the reformed gas was stopped, and the hydrogen generator was cooled to room temperature. Thereafter, the reformed gas first cooled to a predetermined temperature is supplied again, and when the catalyst temperature rises to 300 ° C., the supplied reformed gas temperature is set to 350 ° C., and the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 35 is changed. It was measured. In order to know the time required for the start-up, the time until the CO concentration fell below 5000 ppm was measured. When the temperature of the reformed gas supplied first was 350 ° C., 400 ° C., 450 ° C., and 500 ° C., the rise time of the apparatus was 29 minutes, 25 minutes, 18 minutes, and 12 minutes, respectively.

(実施例3)
アルミナ粉末に硝酸セリウム溶液と白金塩の混合溶液を含浸させ、電気炉中500℃で焼成した。このものを水に分散させ、スラリーとし、1平方インチ当たり400セルのコージェライトハニカムに担持して触媒体311とした。触媒体311を図5に示す水素生成装置中に設置し、実施例1と同様に改質ガス入口13より改質ガスを供給し、改質ガス出口15より排出される反応ガスを測定したところ、一酸化炭素濃度は2800ppmであった。また、実施例2と同様に350℃の改質ガスを供給し、CO濃度が5000ppmを下回るまでの時間を測定したところ、20分であった。
Example 3
The alumina powder was impregnated with a mixed solution of a cerium nitrate solution and a platinum salt and fired at 500 ° C. in an electric furnace. This was dispersed in water to form a slurry, and supported on a cordierite honeycomb of 400 cells per square inch to obtain a catalyst body 311. When the catalyst body 311 is installed in the hydrogen generator shown in FIG. 5, the reformed gas is supplied from the reformed gas inlet 13 and the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 15 is measured in the same manner as in Example 1. The carbon monoxide concentration was 2800 ppm. Moreover, when the reformed gas of 350 degreeC was supplied similarly to Example 2 and the time until CO density | concentration fell below 5000 ppm was measured, it was 20 minutes.

(実施例4)
実施例3で使用したものと同じコージェライトハニカムを長さ方向に2分割した。このハニカムの一方には、実施例3で用いた白金触媒スラリーを担持して第一触媒体とし、もう一方には銅−亜鉛触媒粉末をスラリー化したものを担持して第二触媒体とした。これらの触媒体を図6に示す水素生成装置内に設置した。実施例1と同様に350℃に冷却した改質ガスを供給し、改質ガス出口26より排出される反応ガスを測定したところ、一酸化炭素濃度は1000ppmであった。この後、改質ガスの供給を停止させ、水素生成装置を室温まで冷却した。さらに、最初に所定温度まで冷却した改質ガスを再び供給し、触媒温度が300℃まで上昇したところで、供給する改質ガス温度を350℃にし、改質ガス出口35より排出される反応ガスを測定した。CO濃度が5000ppmを下回るまでの時間を測定した。最初に供給する改質ガスの温度を350℃、400℃、450℃、500℃としたところ、装置の立ち上がり時間は、それぞれ27分、23分、16分、および10分であった。最初の改質ガス温度を500℃として、繰り返し50回立ち上げを行った後、再び350℃の改質ガスを供給してCO濃度を測定したところ、1050ppmであった。
Example 4
The same cordierite honeycomb as used in Example 3 was divided into two in the length direction. One of these honeycombs carries the platinum catalyst slurry used in Example 3 as a first catalyst body, and the other carries a slurry of copper-zinc catalyst powder as a second catalyst body. . These catalyst bodies were installed in the hydrogen generator shown in FIG. When the reformed gas cooled to 350 ° C. was supplied and the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 26 was measured in the same manner as in Example 1, the carbon monoxide concentration was 1000 ppm. Thereafter, the supply of the reformed gas was stopped, and the hydrogen generator was cooled to room temperature. Further, the reformed gas that has been first cooled to a predetermined temperature is supplied again, and when the catalyst temperature rises to 300 ° C., the supplied reformed gas temperature is set to 350 ° C., and the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 35 is It was measured. The time until the CO concentration fell below 5000 ppm was measured. When the temperature of the reformed gas supplied first was 350 ° C., 400 ° C., 450 ° C., and 500 ° C., the rise time of the apparatus was 27 minutes, 23 minutes, 16 minutes, and 10 minutes, respectively. The initial reformed gas temperature was set to 500 ° C., and 50 times of repeated startups were carried out. Then, the reformed gas at 350 ° C. was supplied again, and the CO concentration was measured to be 1050 ppm.

(実施例5)
直径6mmの球状多孔質アルミナペレットに硝酸セリウムと白金塩の混合溶液を含浸させ、電気炉中500℃で焼成して触媒体331を作製した。この触媒体331を図7に示す水素生成装置の反応室32の中に充填し、一酸化炭素8%、二酸化炭素8%、水蒸気20%、残りが水素である改質ガスを350℃に冷却し、改質ガス入口333より毎分10リットルの流量で導入した。このとき空気供給部37より酸素濃度が2%となるように、空気を供給した。触媒温度が300℃まで上昇したところで空気供給を停止させ、改質ガス出口35より排出される反応ガスを測定した。このときのCO濃度が5000ppmを下回るまでの時間を測定したところ15分であった。引き続いて、同じ方法で50回立ち上げをおこない、350℃の改質ガスを供給して、CO濃度を測定したところ3500ppmであった。
(Example 5)
A spherical porous alumina pellet having a diameter of 6 mm was impregnated with a mixed solution of cerium nitrate and platinum salt, and calcined at 500 ° C. in an electric furnace to produce a catalyst body 331. The catalyst body 331 is filled in the reaction chamber 32 of the hydrogen generator shown in FIG. 7, and the reformed gas, which is 8% carbon monoxide, 8% carbon dioxide, 20% water vapor, and the remaining hydrogen, is cooled to 350 ° C. The reformed gas inlet 333 was introduced at a flow rate of 10 liters per minute. At this time, air was supplied from the air supply unit 37 so that the oxygen concentration was 2%. When the catalyst temperature rose to 300 ° C., the air supply was stopped and the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 35 was measured. It was 15 minutes when time until CO density | concentration at this time fell below 5000 ppm was measured. Subsequently, the system was started up 50 times by the same method, a reformed gas at 350 ° C. was supplied, and the CO concentration was measured and found to be 3500 ppm.

(比較例1)
直径6mmの銅−亜鉛触媒を実施例1と同じく図3に示す水素生成装置の反応室32内に充填し、一酸化炭素8%、二酸化炭素8%、水蒸気20%、残りが水素である改質ガスを200℃まで冷却し、改質ガス入口33より毎分10リットルの流量で導入したところ、触媒温度が一時的に500℃まで上昇した。還元が終了し、触媒温度が低下した後は、供給する改質ガスの温度を変えても、一酸化炭素濃度は3%以下とはならなかった。
(Comparative Example 1)
A copper-zinc catalyst having a diameter of 6 mm is charged into the reaction chamber 32 of the hydrogen generator shown in FIG. 3 in the same manner as in Example 1, and 8% carbon monoxide, 8% carbon dioxide, 20% water vapor, and the remainder is hydrogen. When the gas was cooled to 200 ° C. and introduced at a flow rate of 10 liters per minute from the reformed gas inlet 33, the catalyst temperature temporarily increased to 500 ° C. After the reduction was completed and the catalyst temperature decreased, the carbon monoxide concentration did not fall below 3% even when the temperature of the reformed gas supplied was changed.

(比較例2)
直径6mmの銅−亜鉛触媒を実施例1と同じく図3に示す水素生成装置の反応室32内に充填し、一酸化炭素8%、二酸化炭素8%、水蒸気20%、残りが水素である改質ガスを200℃まで冷却し、改質ガス入口33より毎分1リットルの流量で導入したところ、触媒温度は290℃で定常状態となり、活性化が終了して触媒温度が低下するまでに50時間を要した。その後、改質ガス流量を毎分10リットルとして、改質ガス出口35より排出される反応ガスを測定したところ、1000ppmであった。この後、反応室32内を窒素で置換してから空気を供給し、再び上記の活性化処理を50時間かけて行い、同様に反応ガスの組成を測定したところ、一酸化炭素濃度は8000ppmであった。さらに同じ操作を5回繰り返し、同様に特性を調べたところ、CO濃度は温度条件を変えても2%以下とはならなかった。
(Comparative Example 2)
A copper-zinc catalyst having a diameter of 6 mm is charged into the reaction chamber 32 of the hydrogen generator shown in FIG. 3 in the same manner as in Example 1, and 8% carbon monoxide, 8% carbon dioxide, 20% water vapor, and the remainder is hydrogen. When the gas was cooled to 200 ° C. and introduced at a flow rate of 1 liter per minute from the reformed gas inlet 33, the catalyst temperature reached a steady state at 290 ° C., and the activation was completed and the catalyst temperature decreased to 50 ° C. It took time. Thereafter, the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 35 was measured at a reformed gas flow rate of 10 liters per minute and found to be 1000 ppm. Then, after replacing the inside of the reaction chamber 32 with nitrogen, air was supplied, the above activation treatment was performed again for 50 hours, and the reaction gas composition was measured in the same manner. As a result, the carbon monoxide concentration was 8000 ppm. there were. Further, the same operation was repeated 5 times, and the characteristics were similarly examined. As a result, the CO concentration did not become 2% or less even when the temperature condition was changed.

(比較例3)
比較例2で触媒の活性化を終えた後、改質ガスを停止させ、水素生成装置を室温まで冷却した。その後、最初に所定の温度まで冷却した改質ガスを再び供給し、触媒温度が200℃まで上昇したところで、供給する改質ガス温度を250℃にし、排出される反応ガスを測定した。CO濃度が5000ppmを下回るまでの時間を測定した。最初に供給する改質ガスの温度を250℃、300℃、350℃、および400℃としたところ、装置の立ち上がり時間はそれぞれ50分、40分、30分、および20分であった。また、改質ガスの温度を350℃として、50回立ち上げをおこない、特性を調べたところ、温度条件を変えてもCO濃度は2%以下とはならなかった。
(Comparative Example 3)
After the activation of the catalyst in Comparative Example 2, the reformed gas was stopped and the hydrogen generator was cooled to room temperature. Thereafter, the reformed gas first cooled to a predetermined temperature was supplied again, and when the catalyst temperature rose to 200 ° C., the supplied reformed gas temperature was set to 250 ° C., and the reaction gas discharged was measured. The time until the CO concentration fell below 5000 ppm was measured. When the temperature of the reformed gas supplied first was 250 ° C., 300 ° C., 350 ° C., and 400 ° C., the rise time of the apparatus was 50 minutes, 40 minutes, 30 minutes, and 20 minutes, respectively. Further, when the temperature of the reformed gas was set to 350 ° C. and started up 50 times and the characteristics were examined, the CO concentration did not become 2% or less even when the temperature condition was changed.

(比較例4)
直径6mmの銅−亜鉛触媒を実施例5と同じく図7に示す水素生成装置の反応室32内に充填し、一酸化炭素8%、二酸化炭素8%、水蒸気20%、残りが水素である改質ガスを250℃まで冷却し、改質ガス入口333より 毎分10リットルの流量で導入した。このとき空気供給部37より酸素濃度が2%となるように、空気を供給した。触媒温度が200℃まで上昇したところで空気供給を停止させ、改質ガス出口35より排出される反応ガスを測定した。このときのCO濃度が5000ppmを下回るまでの時間を測定したところ15分であった。引き続いて、同じ方法で50回立ち上げをおこない、特性を調べたところ、温度を変化させても、CO濃度が2%以下とはならなかった。
(Comparative Example 4)
A copper-zinc catalyst having a diameter of 6 mm was charged into the reaction chamber 32 of the hydrogen generator shown in FIG. 7 as in Example 5, and 8% carbon monoxide, 8% carbon dioxide, 20% water vapor, and the remainder was hydrogen. The quality gas was cooled to 250 ° C. and introduced from the reformed gas inlet 333 at a flow rate of 10 liters per minute. At this time, air was supplied from the air supply unit 37 so that the oxygen concentration was 2%. When the catalyst temperature rose to 200 ° C., the air supply was stopped and the reaction gas discharged from the reformed gas outlet 35 was measured. It was 15 minutes when time until CO density | concentration at this time fell below 5000 ppm was measured. Subsequently, the same method was used to start up 50 times, and the characteristics were examined. As a result, even if the temperature was changed, the CO concentration did not become 2% or less.

以上の実施例と比較例の装置の評価結果を比較すると明らかなように、本発明によると、装置の始動時間が短縮でき、装置の運転停止、作動を繰り返した場合の酸素混入による影響を抑制し、長期間にわたって安定に動作する水素生成装置を提供することができた。   As is clear from the comparison of the evaluation results of the apparatus of the above example and the comparative example, according to the present invention, the start-up time of the apparatus can be shortened, and the influence of oxygen mixing when the operation of the apparatus is repeatedly stopped and activated is suppressed. As a result, a hydrogen generator that operates stably over a long period of time could be provided.

充分な触媒活性を得るためにはPt粒子を小さくし、多くの活性点を持つことが必要であるが、このためにはBET比表面積が10m/g以上ある金属酸化物にPtを担持させるのが好ましい。ここで、BET比表面積とは、粉末に窒素を吸着させておこなう公知の測定法で求められる比表面積のことである。また、BET比表面積の上限は特に限定はなく、100〜200m/gでも、数百m/gであっても、同様に高い活性が得られる。Ptを担持する金属酸化物および/または複合金属酸化物は、Mg、Al、Si、Ca、Ti、Cr、Fe、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Sn、Baおよびランタノイドよりなる群から選択される少なくとも1種の酸化物であるのが好ましい。 In order to obtain sufficient catalytic activity, it is necessary to make Pt particles small and have many active sites. For this purpose, Pt is supported on a metal oxide having a BET specific surface area of 10 m 2 / g or more. Is preferred. Here, the BET specific surface area is a specific surface area determined by a known measurement method performed by adsorbing nitrogen to a powder. Further, the upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited, and high activity can be obtained similarly even if it is 100 to 200 m 2 / g or several hundred m 2 / g. The metal oxide and / or composite metal oxide supporting Pt is selected from the group consisting of Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cr, Fe, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Ba, and a lanthanoid The at least one oxide is preferred.

これらの金属酸化物および複合金属酸化物としては、特に高い活性が得られるという点から、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニアおよびゼオライトから選択される1種を用いるのが好ましい。これは、これらの材料が酸、アルカリに対して比較的安定で、酸性またはアルカリ性であるPt塩によって変化しないためである。Pt塩によって金属酸化物などが変化した場合には、Ptが金属酸化物などの内部に埋没して、活性が低下することになる。   As these metal oxides and composite metal oxides, it is preferable to use one selected from alumina, silica, silica alumina, zirconia, titania and zeolite from the viewpoint that particularly high activity can be obtained. This is because these materials are relatively stable to acids and alkalis, and are not changed by Pt salts that are acidic or alkaline. When the metal oxide or the like is changed by the Pt salt, Pt is buried in the metal oxide or the like, and the activity is lowered.

また、複合金属酸化物にあっては、Ceが複合化されてあるとさらに効果的である。CeはPt触媒上でのメタン化反応を抑制するとともに、COシフト反応に対する低温活性を向上させる効果がある。Ceの添加量は多いほど好ましい。よって、金属酸化物として、酸化セリウムを主として用いてもよい。Ceの原料は、硝酸塩、酢酸塩、水酸化物など、酸化物が得られるものであれば特に限定はない。   In the case of a composite metal oxide, it is more effective if Ce is composited. Ce has the effect of suppressing the methanation reaction on the Pt catalyst and improving the low-temperature activity for the CO shift reaction. The larger the amount of Ce added, the better. Therefore, cerium oxide may be mainly used as the metal oxide. The Ce raw material is not particularly limited as long as an oxide such as nitrate, acetate and hydroxide can be obtained.

また、酸化セリウム単体では耐熱性が比較的低いため、Zrを複合化させることによって、耐熱性が向上する。すなわち、CeおよびZrを含む複合金属酸化物であるのが好ましい。酸化セリウムにZrを複合化させる方法も、特に限定はなく、例えば共沈法、ゾルゲル法、アルコキシド法などを用いることができる。また、酸化セリウムにZrを組み込んでも、酸化ジルコニウムにCeを組み込んでもよい。   In addition, since heat resistance of cerium oxide alone is relatively low, heat resistance is improved by combining Zr. That is, a composite metal oxide containing Ce and Zr is preferable. A method of combining Zr with cerium oxide is not particularly limited, and for example, a coprecipitation method, a sol-gel method, an alkoxide method, or the like can be used. Further, Zr may be incorporated into cerium oxide or Ce may be incorporated into zirconium oxide.

また、Pd、Rh、Ruから選択される1種が、Ptの0.1〜0.5重量%に相当する量で添加されていると、さらに高い活性が得られる。これらの貴金属元素はメタン化反応を促進するため、単独ではCOシフト触媒として高い性能を得ることは困難であるが、Ptと複合化させることによって、Pt触媒の性能を向上させることができる。これらの貴金属はPtの0.5重量%より多く添加すると、添加した貴金属の特性が現れ、メタン化反応が顕著になり好ましくなく、Ptの0.1重量%未満であると全く添加の効果は見られなくなる。   Further, when one kind selected from Pd, Rh, and Ru is added in an amount corresponding to 0.1 to 0.5% by weight of Pt, higher activity can be obtained. Since these noble metal elements promote the methanation reaction, it is difficult to obtain high performance as a CO shift catalyst by itself, but by combining with Pt, the performance of the Pt catalyst can be improved. If these precious metals are added in an amount of more than 0.5% by weight of Pt, the characteristics of the precious metals added will appear, and the methanation reaction will become remarkable, which is not preferred. I can't see it.

シフト触媒として最も好ましいのは、Ptを複合金属酸化物であるCeOとZrOとの固溶体に担持させたものである。 Most preferred as the shift catalyst is a catalyst in which Pt is supported on a solid solution of CeO 2 and ZrO 2 which are composite metal oxides.

(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6について、図面を参照して説明する。図8は本発明の実施の形態6に係る水素生成装置の構成を示す概略図である。図8において、41は選択酸化触媒層で、Ptをアルミナに担持した第1触媒と、Ruをアルミナに担持した第2触媒を混合したものを、コージェライトハニカムに被覆してある。
(Embodiment 6)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the hydrogen generator according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. 8, 41 is a selective oxidation catalyst layer, which is a cordierite honeycomb coated with a mixture of a first catalyst supporting Pt on alumina and a second catalyst supporting Ru on alumina.

この選択酸化触媒層41を反応室42内に設置する。改質ガス入口43から供給された改質ガスは、空気ポンプ44によって供給された空気とともに反応室42へ送られる。空気ポンプ44からは酸素濃度がCO濃度に対して1〜3倍程度、例えばCO濃度が1体積%の場合には酸素濃度が1〜3体積%となるように空気が供給される。   This selective oxidation catalyst layer 41 is installed in the reaction chamber 42. The reformed gas supplied from the reformed gas inlet 43 is sent to the reaction chamber 42 together with the air supplied by the air pump 44. Air is supplied from the air pump 44 so that the oxygen concentration is about 1 to 3% by volume with respect to the CO concentration, for example, when the CO concentration is 1% by volume.

酸素と混合された改質ガスは、選択酸化触媒層41でCOが除去された後、改質ガス出口46へ送られる。また、選択酸化触媒層41の上流側には改質ガスが均一に流れるように拡散板45を設置してある。また、反応器を一定温度に保つために、必要箇所には外周をセラミックウールからなる断熱材47で覆ってある。   The reformed gas mixed with oxygen is sent to the reformed gas outlet 46 after CO is removed by the selective oxidation catalyst layer 41. A diffusion plate 45 is installed upstream of the selective oxidation catalyst layer 41 so that the reformed gas flows uniformly. Further, in order to keep the reactor at a constant temperature, the outer periphery of the necessary portion is covered with a heat insulating material 47 made of ceramic wool.

次に本発明の動作原理について説明する。選択酸化触媒には、従来よりCO選択酸化触媒としてPt、Pd、Ru、Rh等を触媒活性成分とする触媒(本発明における第1触媒)、COメタン化触媒としてPd、Ru、Rh、Ni等を触媒活性成分とする触媒(本発明における第2触媒)が用いられる。   Next, the operation principle of the present invention will be described. As the selective oxidation catalyst, conventionally, a catalyst having Pt, Pd, Ru, Rh or the like as a catalytic active component as a CO selective oxidation catalyst (first catalyst in the present invention), Pd, Ru, Rh, Ni or the like as a CO methanation catalyst. Is used as a catalyst active component (second catalyst in the present invention).

第1触媒を単独で用いた場合(a)および第2触媒を単独で用いた場合(b)ならびに本実施の形態である第1触媒および第2触媒の両方を混合した場合(c)の触媒温度と選択酸化触媒層を通過後の改質ガス中のCO濃度との関係を図9に示す。   The catalyst in the case of using the first catalyst alone (a), the case of using the second catalyst alone (b), and the case of mixing both the first catalyst and the second catalyst of this embodiment (c) FIG. 9 shows the relationship between the temperature and the CO concentration in the reformed gas after passing through the selective oxidation catalyst layer.

ここで、第1触媒には1重量%のPtをアルミナに分散状態で担持した触媒を、第2触媒層には1重量%のRuをアルミナに分散状態で担持した触媒を、それぞれコージェライトからなるハニカム形状の担体基材に被覆したものを用いた。選択酸化触媒層41が異なること以外、反応条件は全て同じである。   Here, a catalyst having 1% by weight of Pt dispersed in alumina supported on the first catalyst, and a catalyst having 1% by weight of Ru supported on alumina dispersed on the second catalyst layer, respectively, from cordierite. A honeycomb-shaped carrier substrate coated with the above was used. The reaction conditions are all the same except that the selective oxidation catalyst layer 41 is different.

空気ポンプ44からは、改質ガス中に含まれるCOの酸化反応に必要な化学量論量の体積比で2〜6倍の酸素を供給した。   From the air pump 44, 2 to 6 times as much oxygen as the stoichiometric volume ratio required for the oxidation reaction of CO contained in the reformed gas was supplied.

図9は、第1触媒を単独で用いた場合、改質ガス中のCOが選択的に酸化されてCO濃度が数ppmまで低下するが、二酸化炭素と水素との逆シフト反応の影響により、温度が上昇するにしたがって指数関数的にCO濃度が増加することを示している。このことは、CO濃度を充分に低減できる温度範囲が数十℃程度に限られていることを意味する。しかし、触媒温度は反応熱によって上昇するため、最適温度を維持するには高度な制御が必要となる。   FIG. 9 shows that when the first catalyst is used alone, CO in the reformed gas is selectively oxidized and the CO concentration is reduced to several ppm, but due to the influence of the reverse shift reaction between carbon dioxide and hydrogen, It shows that the CO concentration increases exponentially as the temperature increases. This means that the temperature range in which the CO concentration can be sufficiently reduced is limited to about several tens of degrees Celsius. However, since the catalyst temperature rises due to the reaction heat, a high degree of control is required to maintain the optimum temperature.

また、図9は、第2触媒を単独で用いた場合、比較的高温域でCO濃度を数ppmまで除去できることを示している。これはRuがCOのメタン化反応を促進するためであるが、温度が上昇するにしたがって指数関数的に二酸化炭素のメタン化反応も進行して水素濃度が低下するため、水素生成装置としての効率が低下する。   FIG. 9 shows that the CO concentration can be removed up to several ppm in a relatively high temperature region when the second catalyst is used alone. This is because Ru promotes the methanation reaction of CO. However, as the temperature rises, the methanation reaction of carbon dioxide proceeds exponentially and the hydrogen concentration decreases. Decreases.

したがって、メタン濃度を、システムの効率への影響が小さい1〜2体積%以下に抑えられる温度範囲は数十℃程度に限られている。しかし、メタン化反応も発熱反応であるため、最適温度を維持するには高度な制御が必要となる。   Therefore, the temperature range in which the methane concentration can be suppressed to 1 to 2% by volume or less with a small influence on the efficiency of the system is limited to about several tens of degrees Celsius. However, since the methanation reaction is also an exothermic reaction, advanced control is required to maintain the optimum temperature.

一方、図9は、第1触媒および第2触媒の両方を混合させた場合には、広い温度範囲でCOを低濃度まで除去することができることを示している。第1触媒がCOを数ppmまで除去できる温度範囲は数十℃程度であるが、数百ppmのCO濃度レベルまでであれば100deg程度の温度範囲でCOを低減できる。また、第2触媒は、0.5〜1体積%程度の高濃度COに対しては、数十℃程度の狭い温度範囲でしか実質上機能しないが、数百ppm程度の低濃度COに対しては、100degの温度範囲でCOを数ppm以下に除去できる。   On the other hand, FIG. 9 shows that CO can be removed to a low concentration over a wide temperature range when both the first catalyst and the second catalyst are mixed. The temperature range in which the first catalyst can remove CO to several ppm is about several tens of degrees Celsius, but CO can be reduced in a temperature range of about 100 deg as long as the CO concentration level is several hundred ppm. Further, the second catalyst functions substantially only in a narrow temperature range of about several tens of degrees centigrade for high concentration CO of about 0.5 to 1% by volume, but for low concentration CO of about several hundred ppm. Thus, CO can be removed to several ppm or less in a temperature range of 100 deg.

したがって、第1触媒と第2触媒の複合効果により、逆シフト反応で発生したCOをメタン化反応によって除去できるため、広い温度範囲でCOを数ppmのレベルまで除去することができる。   Therefore, because of the combined effect of the first catalyst and the second catalyst, CO generated by the reverse shift reaction can be removed by the methanation reaction, so that CO can be removed to a level of several ppm over a wide temperature range.

COを効率的に除去できる温度範囲は、第1触媒でCOを数百ppmまで除去できる温度以上で、かつ、第2触媒で二酸化炭素のメタン化反応がシステムの効率に影響を与えるほど進行しはじめる温度未満の温度範囲である。この好ましい温度範囲は、触媒の活性成分や担持量等によって異なるが、一般に60〜350℃、好ましくは80〜250℃である。   The temperature range in which CO can be efficiently removed is higher than the temperature at which CO can be removed up to several hundred ppm with the first catalyst, and the methanation reaction of carbon dioxide proceeds with the second catalyst so as to affect the efficiency of the system. The temperature range is below the starting temperature. This preferable temperature range varies depending on the active component of the catalyst, the supported amount, etc., but is generally 60 to 350 ° C., preferably 80 to 250 ° C.

本実施の形態は、改質ガス中のCO濃度が0.1〜2体積%の場合に好ましい形態である。第1触媒および第2触媒としては、0.1〜10重量%の触媒活性成分を担体に分散担持した触媒等が好ましく用いられる。   This embodiment is a preferable embodiment when the CO concentration in the reformed gas is 0.1 to 2% by volume. As the first catalyst and the second catalyst, a catalyst in which 0.1 to 10% by weight of a catalytically active component is dispersed and supported on a carrier is preferably used.

第1触媒に用いられる触媒活性成分としては、
(化1)
2CO + O → 2CO
の反応に選択的に活性を示すもの、すなわち改質ガス中の水素とCOのうち、COの酸化反応のみに活性を示すかまたはCOの酸化反応に対して高選択に活性を示すものが用いられる。
As a catalytically active component used for the first catalyst,
(Chemical formula 1)
2CO + O 2 → 2CO 2
That is selectively active in the above reaction, that is, among hydrogen and CO in the reformed gas, those that are active only in the oxidation reaction of CO or highly active in the oxidation reaction of CO are used. It is done.

このようなものとしては、Pt、Pd、Ru、Rhなどの貴金属が例示できる。特に、触媒活性成分として、少なくともPtもしくはRuを含有することが好ましい。   Examples of such materials include noble metals such as Pt, Pd, Ru, and Rh. In particular, it is preferable to contain at least Pt or Ru as a catalytically active component.

また、第2触媒に用いられる触媒活性成分としては、
(化2)
CO + 3H → CH + H
の反応に選択的に活性を示すもの、すなわち改質ガス中のCO2とCOのうち、COの水素化反応のみに活性を示すかまたはCOの水素化反応に対して高選択に活性を示すものが用いられる。このようなものとしては、Ru、Rh、Pd、Niなどの金属が例示できる。特に、触媒活性成分として、少なくともRu、RhまたはNiを含有することが好ましい。
Moreover, as a catalyst active component used for a 2nd catalyst,
(Chemical formula 2)
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O
One that is selectively active in the reaction, ie, CO2 and CO in the reformed gas that are only active in the CO hydrogenation reaction or that are highly selective in the CO hydrogenation reaction Is used. Examples of such materials include metals such as Ru, Rh, Pd, and Ni. In particular, it is preferable to contain at least Ru, Rh, or Ni as a catalytically active component.

第1触媒および第2触媒に用いられる触媒の活性成分の担体としては、特に限定はなく、触媒活性成分を高分散状態で担持できるものであればよい。このようなものとしては、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、マグネシア、チタニア、ゼオライトなどが例示できる。触媒活性成分を高分散状態で担持できるゼオライトの種類としては、A型ゼオライト、X型ゼオライト、Y型ゼオライト、ベータ型ゼオライト、モルデナイト、ZSM−5等が例示できる。これらの担体は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The active component carrier of the catalyst used for the first catalyst and the second catalyst is not particularly limited as long as it can support the catalytic active component in a highly dispersed state. Examples of such materials include alumina, silica, silica alumina, magnesia, titania, and zeolite. Examples of the type of zeolite that can carry the catalytically active component in a highly dispersed state include A-type zeolite, X-type zeolite, Y-type zeolite, beta-type zeolite, mordenite, and ZSM-5. These carriers may be used alone or in combination of two or more.

また、本実施の形態では、あらかじめ各触媒活性成分をそれぞれ粉末状の担体に担持させて、第1触媒と第2触媒をそれぞれ別々の粒子で構成し、この第1触媒と第2触媒を物理的に混合したものを担体基材であるコージェライトハニカムに被覆させたが、第1触媒と第2触媒がCO選択酸化とCO水素化反応の機能をそれぞれ発揮できる状態であればよい。   In the present embodiment, each catalytic active component is previously supported on a powdery carrier, and the first catalyst and the second catalyst are formed of separate particles. The first catalyst and the second catalyst are physically separated. The cordierite honeycomb, which is the carrier base material, was coated with the mixed material as long as the first catalyst and the second catalyst can exhibit the functions of CO selective oxidation and CO hydrogenation reaction, respectively.

すなわち、複合化の方法として、まず第1触媒を担体基材に被覆した後、第2触媒を被覆し層状に複合化させても同様の効果が見られる。また、ペレット形状の第1触媒と第2触媒を作製し、混合してもかまわない。   That is, as a composite method, the same effect can be obtained by first coating the support base material with the first catalyst and then coating the second catalyst to form a composite layer. Alternatively, the first catalyst and the second catalyst in the form of pellets may be prepared and mixed.

また、複合化した選択酸化触媒の組成の平均値が本実施の形態と同じであっても、例えばアルミナ担体にPtとRuを同時に担持した場合には、貴金属同士が合金化することがある。この場合、CO選択酸化に対する活性は向上するが、COメタン化反応に対する活性はあまり高くない。これはPtとRuが合金化することによって、それぞれの触媒活性成分の特性が平均化するためである。合金化した触媒は第1触媒として用いることができるため、第2触媒としてRu触媒等を混合すれば更に高い性能が得られる。   Even if the average value of the composition of the combined selective oxidation catalyst is the same as that of the present embodiment, for example, when Pt and Ru are simultaneously supported on an alumina support, noble metals may be alloyed. In this case, the activity for CO selective oxidation is improved, but the activity for the CO methanation reaction is not so high. This is because the characteristics of the respective catalytic active components are averaged by alloying Pt and Ru. Since the alloyed catalyst can be used as the first catalyst, higher performance can be obtained by mixing a Ru catalyst or the like as the second catalyst.

第1触媒と第2触媒の触媒活性成分の複合化の比率は、使用する反応条件によって選択酸化触媒層通過後のCO濃度が0.01〜100ppm、好ましくは0.01〜20ppmになるように当業者が選択すればよい。通常、第1触媒の比率は10重量%〜90重量%の範囲で高い性能が得られる。   The composite ratio of the catalytically active components of the first catalyst and the second catalyst is such that the CO concentration after passing through the selective oxidation catalyst layer is 0.01-100 ppm, preferably 0.01-20 ppm, depending on the reaction conditions used. A person skilled in the art may choose. Usually, high performance can be obtained when the ratio of the first catalyst is in the range of 10 wt% to 90 wt%.

また、Ru触媒のように単独でも選択酸化反応とメタン化反応の性能を併せ持ち、第1触媒と第2触媒の中間の性能を持つ触媒も存在するが、CO選択酸化反応とCO選択メタン化反応に対して最適な組成は異なるため、異なる組成もしくは調製条件のRu触媒を第1触媒、第2触媒として複合化させることによって高い特性が得られる。   In addition, there are catalysts such as Ru catalysts that have both selective oxidation and methanation performances, and intermediate performance between the first catalyst and the second catalyst, but the CO selective oxidation reaction and the CO selective methanation reaction. However, since the optimum composition differs, high characteristics can be obtained by combining Ru catalysts having different compositions or preparation conditions as the first catalyst and the second catalyst.

(実施の形態7)
次に、選択酸化触媒層が複数段に分割されており、前記分割された各触媒層に酸素を含有するガスを導入するための酸素供給部が設けられた水素精製装置の実施の形態について、実施の形態6と異なる点を中心に説明する。
(Embodiment 7)
Next, an embodiment of the hydrogen purification apparatus in which the selective oxidation catalyst layer is divided into a plurality of stages and an oxygen supply unit for introducing a gas containing oxygen into each of the divided catalyst layers is provided. The points different from the sixth embodiment will be mainly described.

水素発生システムの小型化を目的としてCOと水蒸気を反応させるためのCOシフト触媒層の容積を小さくしたり、COシフト触媒層を省略した場合、CO濃度が高くなって1段の選択酸化触媒層ではCOを充分除去できない場合がある。また、一度に導入する空気量は、反応熱の影響や安全性の点から上限があるが、CO濃度が高い場合には、この上限より高い酸素濃度が必要となる場合がある。   When the volume of the CO shift catalyst layer for reacting CO with water vapor is reduced or the CO shift catalyst layer is omitted for the purpose of reducing the size of the hydrogen generation system, the CO concentration becomes higher and the one-stage selective oxidation catalyst layer In this case, CO may not be sufficiently removed. The amount of air introduced at a time has an upper limit in terms of the influence of reaction heat and safety, but when the CO concentration is high, an oxygen concentration higher than this upper limit may be required.

本実施の形態では、選択酸化触媒層が複数段、好ましくは2〜3段に分割されており、各触媒層のそれぞれの上流側に酸素を含有するガスを導入するための酸素供給部が設けられているため、2回以上空気を供給することができ、CO濃度が比較的高い場合にも効率的にCOを除去することができる。本実施の形態は、改質ガス中のCO濃度が1〜3体積%の場合に好ましい形態である。   In the present embodiment, the selective oxidation catalyst layer is divided into a plurality of stages, preferably 2 to 3 stages, and an oxygen supply unit for introducing a gas containing oxygen is provided on the upstream side of each catalyst layer. Therefore, air can be supplied twice or more, and CO can be efficiently removed even when the CO concentration is relatively high. This embodiment is a preferred embodiment when the CO concentration in the reformed gas is 1 to 3% by volume.

図10は本発明の実施の形態7に係る水素精製装置の構成を示す概略図である。図10において、選択酸化触媒層は、第1浄化触媒層411と、第2浄化触媒層412の2段に分割されており、その中間に第2空気供給部420が設置されている。   FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of the hydrogen purification apparatus according to Embodiment 7 of the present invention. In FIG. 10, the selective oxidation catalyst layer is divided into two stages of a first purification catalyst layer 411 and a second purification catalyst layer 412, and a second air supply unit 420 is installed in the middle thereof.

第1空気供給部419からは酸素濃度が全体の1〜2体積%となるように空気が供給され、第2空気供給部420からは酸素濃度が全体の0.5〜1.5体積%となるように空気が供給されることが好ましい。   Air is supplied from the first air supply unit 419 so that the oxygen concentration is 1 to 2% by volume of the whole, and the oxygen concentration is 0.5 to 1.5% by volume of the whole from the second air supply unit 420. It is preferable that air is supplied.

CO濃度が高い場合、第1空気供給部419から供給された空気だけでは酸素が不足するため、改質ガスが第1触媒層411を通過するときに充分に酸化反応が進行しない。しかし、第2空気供給部420から再び空気が供給されるため、第2浄化触媒層412を通過するときにCOの酸化がさらに進行し、さらにCO濃度が数ppmレベルまで低減される。   When the CO concentration is high, oxygen is insufficient only with the air supplied from the first air supply unit 419, so that the oxidation reaction does not proceed sufficiently when the reformed gas passes through the first catalyst layer 411. However, since air is supplied again from the second air supply unit 420, CO oxidation further proceeds when passing through the second purification catalyst layer 412, and the CO concentration is further reduced to several ppm level.

以下、本発明の水素生成装置を実施例に基づいてより具体的に説明する。   Hereinafter, the hydrogen generator of the present invention will be described more specifically based on examples.

(実施例6)
第1触媒としてPtを担持したアルミナ(Ptの担持量は1重量%)、第2触媒としてRuを担持したアルミナ(Ruの担持量は1重量%)を50重量%の比率で混合し、直径100mm、長さ50mmのコージェライトハニカムに被覆した。
(Example 6)
Alumina supporting Pt as the first catalyst (Pt loading is 1% by weight) and alumina supporting Ru as the second catalyst (Ru loading is 1% by weight) are mixed in a ratio of 50% by weight. A cordierite honeycomb having a length of 100 mm and a length of 50 mm was coated.

得られた選択酸化触媒層41を、図8に示すように水素生成装置の反応室42中に設置し、COが1体積%、二酸化炭素が15体積%、水蒸気が15体積%、残りが水素である改質ガスを、改質ガス入口より毎分10リットルの流量で導入した。   The obtained selective oxidation catalyst layer 41 is placed in a reaction chamber 42 of a hydrogen generator as shown in FIG. 8, and CO is 1% by volume, carbon dioxide is 15% by volume, water vapor is 15% by volume, and the remainder is hydrogen. The reformed gas was introduced at a flow rate of 10 liters per minute from the reformed gas inlet.

空気供給部4からは酸素濃度が全体の2体積%となるように空気を供給した。改質ガス入口43の手前で改質ガスを冷却し、改質ガス温度を80〜250℃まで変化させて反応させた。改質ガス出口46から排出されるガスの組成を、水蒸気を除去した後、ガスクロマトグラフィで測定し、CO濃度とメタン濃度とを算出した。結果を表1に示す。   Air was supplied from the air supply unit 4 so that the oxygen concentration was 2% by volume of the whole. The reformed gas was cooled in front of the reformed gas inlet 43, and the reformed gas temperature was changed to 80 to 250 ° C. for reaction. The composition of the gas discharged from the reformed gas outlet 46 was measured by gas chromatography after removing water vapor, and the CO concentration and the methane concentration were calculated. The results are shown in Table 1.

Figure 2006008434
Figure 2006008434

(実施例7)
図10に示すように、選択酸化触媒層を第1浄化触媒411と、第2浄化触媒層412の2つに分割し、その中間に第2空気供給部420を配置し、COが2体積%、二酸化炭素が14体積%、水蒸気が15体積%、残りが水素である改質ガスを、改質ガス入口14より毎分10リットルの流量で導入した。第1空気供給部419、第2空気供給部420から、それぞれ酸素濃度が全体の2体積%となるように空気を供給した。
(Example 7)
As shown in FIG. 10, the selective oxidation catalyst layer is divided into a first purification catalyst 411 and a second purification catalyst layer 412, a second air supply unit 420 is disposed between them, and CO is 2% by volume. A reformed gas having 14% by volume of carbon dioxide, 15% by volume of water vapor, and hydrogen remaining was introduced from the reformed gas inlet 14 at a flow rate of 10 liters per minute. Air was supplied from the first air supply unit 419 and the second air supply unit 420 so that the oxygen concentration was 2% by volume of the whole.

改質ガス入口414の手前で改質ガスを冷却し、改質ガス温度を80〜250℃まで変化させて反応させた。改質ガス出口417から排出されるガスの組成を、水蒸気を除去した後、ガスクロマトグラフィで測定し、CO濃度とメタン濃度とを算出した。結果を表2に示す。   The reformed gas was cooled in front of the reformed gas inlet 414, and the reformed gas temperature was changed to 80 to 250 ° C. for reaction. The composition of the gas discharged from the reformed gas outlet 417 was measured by gas chromatography after removing water vapor, and the CO concentration and methane concentration were calculated. The results are shown in Table 2.

Figure 2006008434
Figure 2006008434

なお、各触媒層の間に、放熱部又は冷却部を設けることにより、上流側で発生した熱を除去することによって、その下流側の触媒層の温度を最適にする事が出来る。
(実施例8)
第2触媒を、Ruの代わりにRhを用いたものと交換したこと以外は、実施例6と同様の操作を行った。結果を表3に示す。
In addition, by providing a heat radiating part or a cooling part between the catalyst layers, the temperature of the catalyst layer on the downstream side can be optimized by removing the heat generated on the upstream side.
(Example 8)
The same operation as in Example 6 was performed, except that the second catalyst was replaced with one using Rh instead of Ru. The results are shown in Table 3.

Figure 2006008434
Figure 2006008434

(実施例9)
第2触媒を、Ruの代わりにNiを用いたものと交換したこと以外は、実施例6と同様の操作を行った。結果を表4に示す。
Example 9
The same operation as in Example 6 was performed except that the second catalyst was replaced with one using Ni instead of Ru. The results are shown in Table 4.

Figure 2006008434
Figure 2006008434

(比較例5)
第2触媒を取り除いたこと以外は、実施例6と同様の操作を行った。結果を表5に示す。
(Comparative Example 5)
The same operation as in Example 6 was performed except that the second catalyst was removed. The results are shown in Table 5.

Figure 2006008434
Figure 2006008434

(比較例6)
第1触媒を取り除いたこと以外は、実施例6と同様の操作を行った結果を表6に示す。
(Comparative Example 6)
Table 6 shows the results of the same operations as in Example 6 except that the first catalyst was removed.

Figure 2006008434
Figure 2006008434

(比較例7)
PtとRuをそれぞれ0.5重量%の比率でアルミナに担持し、直径100mm、長さ50mmのコージェライトハニカムに被覆し、選択酸化触媒層を作製した。この選択酸化触媒層を実施例6と同様の操作をおこなった結果を表7に示す。
(Comparative Example 7)
Pt and Ru were each supported on alumina at a ratio of 0.5% by weight and coated on a cordierite honeycomb having a diameter of 100 mm and a length of 50 mm to produce a selective oxidation catalyst layer. Table 7 shows the results obtained when the selective oxidation catalyst layer was subjected to the same operation as in Example 6.

Figure 2006008434
Figure 2006008434

以上説明したところから明らかなように、本発明によると、選択酸化触媒層を広い温度範囲で機能させることができ、安定してCOを除去することが可能な水素生成装置を提供することができる。   As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a hydrogen generator capable of allowing the selective oxidation catalyst layer to function in a wide temperature range and stably removing CO. .

なお、実施の形態7においては、第1浄化触媒層411においては、Ptを担持したアルミナ、第2浄化触媒層412においては、Ruを担持したアルミナを使用する例を説明したが、第1浄化触媒層411において、Pt−Ru合金を担持したアルミナが使用され、第2浄化触媒層412において、Ruを担持したアルミナが使用される場合も実施の形態6で説明した理由と同様の理由により好ましい。   In the seventh embodiment, an example in which the first purification catalyst layer 411 uses alumina supporting Pt and the second purification catalyst layer 412 uses alumina supporting Ru is described. The case where alumina supporting a Pt—Ru alloy is used in the catalyst layer 411 and the case where alumina supporting Ru is used in the second purification catalyst layer 412 is preferable for the same reason as described in the sixth embodiment. .

なお、図8に示すように、選択酸化触媒層として単層のものを使用する場合は、このCOの選択的酸化除去触媒として、各種触媒が使用できるが、水素の純度の点で、特開平9−131531号公報に記載の耐火性無機酸化物担体に、ルテニウムと、アルカリ金属化合物及び/又はアルカリ土類金属化合物を担持した触媒を好適に使用できるが、特開2001−155755号公報に記載のように、チタニアとアルミナとの固溶体からなる担体にルテニウムを担持したもの、あるいは、チタニアとアルミナとの固溶体からなる担体にルテニウム、並びにアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を担持したものが特に好適である。   As shown in FIG. 8, when a single-layer selective oxidation catalyst layer is used, various catalysts can be used as the selective oxidation removal catalyst for CO. Although a catalyst in which ruthenium and an alkali metal compound and / or an alkaline earth metal compound are supported on the refractory inorganic oxide carrier described in JP-A-9-131553 can be suitably used, it is described in JP-A-2001-155755. In particular, a carrier made of a solid solution of titania and alumina carrying ruthenium, or a carrier made of a solid solution of titania and alumina carrying ruthenium, and an alkali metal and / or an alkaline earth metal, in particular. Is preferred.

また、選択酸化触媒層は、単層であっても、2層であっても、触媒の活性成分の担体としては、上記以外の金属複合酸化物であることも考えられる。   In addition, the selective oxidation catalyst layer may be a single layer or two layers, and the active component carrier of the catalyst may be a metal composite oxide other than the above.

また、以上までの説明において、改質触媒、シフト触媒、選択酸化触媒のそれぞれにおいて、好ましい触媒の活性成分、およびその活性成分を担持する担体を説明してきたが、それぞれ最も好ましい活性成分および担体を有する組み合わせが最も好ましい。すなわち、改質触媒の活性成分としては、Ruを含み、その担体としてはAlを含み、シフト触媒の活性成分としてPtを含み、その担体としてCeOとZrOとの固溶体を含み、一酸化炭素除去触媒が一部で構成される場合の活性成分としては、Ruを含み、その担体としてはAlとTiOとの固溶体を含み、一酸化炭素除去触媒が第1浄化部および第2浄化部の2部で構成される場合は、第1浄化部は活性成分としてPt−Ru合金を含み、その担体としてAlを含み、第2浄化部は活性成分としてRuを含み、その担体としてAlを含む、構成が最も好ましい。 In the above description, the active component of the preferred catalyst and the carrier supporting the active component in each of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst have been described. The combination having is most preferred. That is, the active component of the reforming catalyst includes Ru, the carrier thereof includes Al 2 O 3 , the active component of the shift catalyst includes Pt, the carrier includes a solid solution of CeO 2 and ZrO 2 , In the case where the carbon monoxide removal catalyst is composed of a part, the active component contains Ru, the carrier contains a solid solution of Al 2 O 3 and TiO 2, and the carbon monoxide removal catalyst is the first purification unit. And the second purification unit, the first purification unit includes a Pt—Ru alloy as an active component, Al 2 O 3 as a carrier thereof, and the second purification unit includes Ru as an active component. A configuration containing Al 2 O 3 as the carrier is most preferable.

本発明にかかる、水素生成装置、水素生成方法によれば、改質触媒、シフト触媒、または一酸化炭素除去触媒において、耐熱性を高くすること、または運転停止や作動を繰り返した場合の酸素混入による影響を改善することができ、燃料電池発電システム等として有用である。   According to the hydrogen generation apparatus and the hydrogen generation method of the present invention, in the reforming catalyst, shift catalyst, or carbon monoxide removal catalyst, heat resistance is increased, or oxygen is mixed when operation is stopped or repeated. This is useful as a fuel cell power generation system.

本発明にかかる水素生成装置の起動方法を実施するための水素生成装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a hydrogen generator for carrying out a method for starting a hydrogen generator according to the present invention 本発明の一実施の形態である水素生成装置の構成図Configuration diagram of a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention 本発明の一実施の形態である水素生成装置の断面を示した構成図The block diagram which showed the cross section of the hydrogen generator which is one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態である水素生成装置で使用したシフト触媒体の作動温度と触媒通過後の一酸化炭素濃度の関係を示した図The figure which showed the relationship between the operating temperature of the shift catalyst body used with the hydrogen generator which is one embodiment of this invention, and the carbon monoxide density | concentration after a catalyst passage 本発明の一実施の形態である水素生成装置の断面を示すした構成図The block diagram which showed the cross section of the hydrogen generator which is one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態である水素生成装置の断面を示した構成図The block diagram which showed the cross section of the hydrogen generator which is one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態である水素生成装置の断面を示した構成図The block diagram which showed the cross section of the hydrogen generator which is one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態に係る水素生成装置の構成を示す概略図Schematic which shows the structure of the hydrogen generator which concerns on one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態に係る水素生成装置に用いられている選択酸化触媒層に用いられている選択酸化触媒層の第1触媒と第2触媒の特性を示す図The figure which shows the characteristic of the 1st catalyst of the selective oxidation catalyst layer used for the selective oxidation catalyst layer used for the hydrogen generator which concerns on one embodiment of this invention, and a 2nd catalyst 本発明の一実施の形態に係る水素生成装置の構成を示す概略図Schematic which shows the structure of the hydrogen generator which concerns on one embodiment of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 原料供給部
2 水供給部
3 改質部
4 シフト部
5 選択酸化部
6 三方バルブ
7 燃料電池
8 バーナ
9 燃料供給部
10 空気供給部
11 排気口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material supply part 2 Water supply part 3 Reforming part 4 Shift part 5 Selective oxidation part 6 Three-way valve 7 Fuel cell 8 Burner 9 Fuel supply part 10 Air supply part 11 Exhaust port

Claims (9)

原料および水を改質触媒で反応させて水素リッチガスを生成する改質部と、
前記生成された水素リッチガスと水蒸気とを反応させることにより前記水素リッチガス中の一酸化炭素を低減するシフト触媒を有するシフト部と、
前記シフト部から出力されたガスに含まれる一酸化炭素を酸化および水素還元化する一酸化炭素除去触媒を有する一酸化炭素除去部と、を備え、
前記改質触媒、前記シフト触媒、および前記一酸化炭素除去触媒は、活性成分として貴金属元素またはNi元素を含み、前記活性成分の担体として金属酸化物を含む、水素生成装置。
A reforming unit that reacts a raw material and water with a reforming catalyst to generate a hydrogen-rich gas;
A shift unit having a shift catalyst that reduces carbon monoxide in the hydrogen-rich gas by reacting the generated hydrogen-rich gas with water vapor;
A carbon monoxide removal unit having a carbon monoxide removal catalyst for oxidizing and hydrogen reducing carbon monoxide contained in the gas output from the shift unit,
The reforming catalyst, the shift catalyst, and the carbon monoxide removal catalyst each include a noble metal element or Ni element as an active component, and a metal oxide as a support for the active component.
前記改質触媒は、活性成分としてRuを含み、前記活性成分の担体としてAlを含む、請求項1に記載の水素生成装置。 The hydrogen generating apparatus according to claim 1, wherein the reforming catalyst includes Ru as an active component and Al 2 O 3 as a support for the active component. 前記シフト触媒は、活性成分としてPtを含み、前記活性成分の担体として複合金属酸化物を含む、請求項1または2に記載の水素生成装置。   The hydrogen generating apparatus according to claim 1 or 2, wherein the shift catalyst includes Pt as an active component and a composite metal oxide as a support for the active component. 前記複合金属酸化物は、CeOとZrOとの固溶体を含む、請求項3に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator according to claim 3, wherein the composite metal oxide includes a solid solution of CeO 2 and ZrO 2 . 前記一酸化炭素除去触媒は、活性成分としてRuを含み、前記活性成分の担体として複合金属酸化物を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の水素生成装置。   The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon monoxide removal catalyst includes Ru as an active component and a composite metal oxide as a support for the active component. 前記一酸化炭素除去触媒の前記活性成分の担体として、AlとTiOとの固溶体を含む、請求項5に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator according to claim 5, comprising a solid solution of Al 2 O 3 and TiO 2 as a carrier for the active component of the carbon monoxide removal catalyst. 前記一酸化炭素除去部は、第1浄化部と前記第1浄化部の後流に接続される第2浄化部とを含み、前記第1浄化部は、活性成分としてPt−Ru合金を含み、前記活性成分の担体としてAlを含む触媒を有しており、前記第2浄化部は、活性成分としてRuを含み、前記活性成分の担体としてAlを含む、請求項1〜4のいずれかに記載の水素生成装置。 The carbon monoxide removal unit includes a first purification unit and a second purification unit connected to the downstream of the first purification unit, and the first purification unit includes a Pt—Ru alloy as an active component, has a catalyst containing Al 2 O 3 as a carrier for the active ingredient, the second purification member includes Ru as active ingredient, including for Al 2 O 3 carrier of the active ingredient, according to claim 1 5. The hydrogen generator according to any one of 4 above. 少なくとも炭素と水素とを含む原料中の硫黄成分を除去する脱硫部と、
請求項1〜7のいずれかに記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置により生成された水素および酸化剤ガスが供給される燃料電池と、を備える、燃料電池発電システム。
A desulfurization section for removing sulfur components in the raw material containing at least carbon and hydrogen;
A hydrogen generator according to any one of claims 1 to 7;
And a fuel cell to which hydrogen generated by the hydrogen generator and oxidant gas are supplied.
原料および水を改質触媒で反応させて水素リッチガスを生成する改質工程と、
前記生成された水素リッチガスと水蒸気とを反応させることにより前記水素リッチガス中の一酸化炭素をシフト触媒を用いて低減するシフト工程と、
前記シフト工程を経たガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒を用いて酸化および水素還元化する一酸化炭素除去工程と、を備え、
前記改質触媒、前記シフト触媒、および前記一酸化炭素除去触媒は、活性成分として貴金属元素またはNi元素を含み、前記活性成分の担体として金属酸化物を含む、水素生成方法。
A reforming step of reacting the raw material and water with a reforming catalyst to generate a hydrogen-rich gas;
A shift step of reducing carbon monoxide in the hydrogen-rich gas by using a shift catalyst by reacting the produced hydrogen-rich gas with water vapor;
A carbon monoxide removal step of oxidizing and hydrogen reducing carbon monoxide contained in the gas that has undergone the shift step using a carbon monoxide removal catalyst,
The reforming catalyst, the shift catalyst, and the carbon monoxide removal catalyst include a noble metal element or Ni element as an active component, and a metal oxide as a support for the active component.
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