JP2006168998A - 炭化水素改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一酸化炭素変成器において、それぞれの触媒層に充填する一酸化炭素変成触媒を調製することなく使用することができる炭化水素改質装置を提供する。
【解決手段】 本発明の炭化水素改質装置は、改質器によって生成される水素リッチな改質ガスを供給する改質ガス供給部と、貴金属を担持した一酸化炭素変成触媒が充填された一酸化炭素変成器を前記改質ガス供給部の下流側に配置した炭化水素改質装置であって、前記一酸化炭素変成器を前記改質ガスの流れ方向に複数段に分割し、前記分割された一酸化炭素変成器の各段には一酸化炭素変成触媒と前記供給部から供給される改質ガスに対して不活性である不活性材料とが混合比を変えて充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料である炭化水素燃料を水蒸気改質する改質装置に関する。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。

以下に燃料電池で起こる電気化学反応を表す式を示す。（１）はアノード側における反応、（２）はカソード側における反応、（３）は燃料電池全体の反応を表す式である。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
１／２Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- →Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂＋ １／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （３）
燃料電池発電装置は使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料として用いている。

そのため、このような燃料電池を備える燃料電池システムには、改質装置として改質器および一酸化炭素変成器が設けられており、この改質器および一酸化炭素変成器において原燃料の改質を行わない燃料ガスを生成している。

（４）式は、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ →ＣＯ＋３Ｈ₂ ΔＨ＝＋２０６．１４ｋＪ／ｍｏｌ （４）
（４）式に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池のアノードから排出される燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにて粒状改質触媒を７００〜８００℃以上に保つことにより、水素リッチな改質ガスを生成する。

改質器を出たこの改質ガスは、１０％程度の一酸化炭素を含んでおり、一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給される。ここで一酸化炭素は一酸化炭素変成触媒により水蒸気と反応し、二酸化炭素と水素に転化される。この反応は水性ガスシフト反応と呼ばれ、一酸化炭素濃度は０．５〜１％程度以下まで低減される。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、その動作温度が６０〜８０℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化することから、一酸化炭素をさらに低減するために改質ガスは一酸化炭素除去器に供給され、ここで一酸化炭素は数ｐｐｍ以下まで低減される。一酸化炭素除去器では、微量の空気を加えることにより、一酸化炭素が選択的に酸化され、二酸化炭素に転化される。

このとき、一酸化炭素を除去するためには、一酸化炭素濃度の数倍程度の酸素を加えることとなるが、同時に水素も酸素量に対応して消費されてしまう。一酸化炭素濃度が高い場合は加える酸素量も増加し、同時に消費される水素も酸素量に対応して増加してしまう。すなわち、一酸化炭素濃度が高い場合は加える酸素量も増加し、同時に消費される水素も増加してしまうため、炭化水素を水素へ改質する効率は低下してしまうことになる。よって、一酸化炭素変成器において十分に一酸化炭素濃度を低減させ、一酸化炭素除去器に加える酸素量を抑える必要がある。

一酸化炭素変成器における水性ガスシフト反応は、温度依存の平衡反応であり、（５）式のように示される。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ →ＣＯ₂＋Ｈ₂ ΔＨ＝ −４０．５ｋＪ／ｍｏｌ （５）
このように水性ガスシフト反応は、一酸化炭素と水蒸気とが一酸化炭素変成触媒により反応し、二酸化炭素と水素に転化される発熱反応である。このため、平衡論的には反応温度が低いほど、反応平衡は一酸化炭素濃度を低減する側へ進む。しかし、反応温度が低い場合、触媒上での反応速度が低下し反応量が低下する。このため、一酸化炭素変成触媒は、図３に示す通り反応温度が一定の温度帯を外れると一酸化炭素変成触媒層出口での一酸化炭素濃度が高くなる特性を示す。従って、この一定の温度帯が低温側にあるほど、すなわち触媒の低温活性が高いほど一酸化炭素濃度は、より低濃度まで低減できる。

一般的に、一酸化炭素変成触媒として用いられる卑金属系の銅−亜鉛触媒などは低温活性が高く、１５０〜３００℃程度で水性ガスシフト反応が行える。しかし、これら卑金属系触媒の耐熱性は３００℃前後と低く、７００〜８００℃で反応する改質器との温度差が大きくなる傾向にある。このため、改質器から供給される改質ガスの温度を十分に下げる必要がある。

これに対し、一酸化炭素変成触媒として貴金属系触媒を用いた場合、低温での活性は卑金属系触媒に劣るが、その耐熱性は高く、反応温度が４００〜５００℃と高温になっても触媒に影響は及ぼさない。また、耐酸化性に優れており、装置停止時などの酸化防止手段を講じる必要がない。

但し、貴金属系触媒は耐熱性には優れるが、あまり高温になると水蒸気改質反応の逆反応であるメタン化（メタネーション）反応が始まり、メタンが発生する。（６）式、（７）式にメタン化反応の化学反応式を示す。
ＣＯ＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ ΔＨ＝−２１０ｋＪ／ｍｏｌ （６）
ＣＯ₂＋４Ｈ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ ΔＨ＝−１６８ｋＪ／ｍｏｌ （７）
これらの反応式から明らかなとおり、メタン化反応が進行すると、改質器から供給される改質ガス中の水素が一酸化炭素および二酸化炭素と反応しメタンに転化され水素量は大きく低下してしまう。よって、炭化水素を水素へ改質する効率は低下してしまうことになる。

特に、近年の開発において、貴金属系一酸化炭素変成触媒の低温活性の改善は著しく、卑金属系触媒と同じく１５０〜３００℃に近い温度帯での水性ガスシフト反応が可能となってきている。しかしながら、貴金属系触媒において低温活性が高くなるということは水性ガスシフト反応の反応温度が低温側にシフトし、また同時にメタン化反応が発生する温度も低温側にシフトすることを意味する。

この低温活性は、触媒体に担持される貴金属の担持量が多いほど向上する。同時に、メタン化反応も進行しやすくなり、３５０℃以上の温度で改質ガスと触媒が接ガスするとメタン化反応の進行が始まる。前述の通り、改質器の反応温度は７００〜８００℃であり、改質器から供給されるガスは４００〜５００℃で一酸化炭素変成器へ導入される。このため、低温活性が高くなった貴金属系一酸化炭素変成触媒を使用するためには、放熱、冷却手段を設け、このガス温度を３５０℃以下まで低下させなければならない。

この問題に対し、例えば
では、一酸化炭素変成器を２段以上に分割し、１段目の高温反応部と、それ以降の低温反応部とに分離している。図４に、 に代表される、従来技術の模式図を示す。

従来技術においては、図４のように、一酸化炭素変成器１に１段目の第一反応器２及び２段目の第二反応器３が設けられ、第一反応器２には第一触媒層５が、第二反応器３には第二触媒層６が形成されている。改質ガス入口８から改質ガスが導入され、改質ガス出口９から一酸化炭素変成器１の外に改質ガスが排出される。一酸化炭素変成器１を一定温度に保つために、反応器外周は断熱材１０で覆われている。その上で、高温で改質ガスと接ガスする１段目の第一触媒層５には、貴金属担持量を低減することで低温活性を低下させた一酸化炭素変成触媒が充填されている。この担持量低減触媒は、低温活性が低下しているため３５０℃以上の高温で接ガスしてもメタン化反応の進行は抑制されるが、同時に低減される一酸化炭素量にも限界がある。このため
では、改質ガス温度が３００℃程度まで低下する２段目以降の触媒層に充填される一酸化炭素変成触媒の貴金属担持量を１段目の触媒層に充填した触媒よりも増量し、低温活性を向上させることで、最終的にこの問題を解決している。

しかしながらこの方法では、一酸化炭素変成器で使用する一酸化炭素変成触媒の貴金属担持量を適当に調整して使用しなければならない。すなわち、一酸化炭素変成器の１段目の触媒層と２段目以降の触媒層とで、それぞれ貴金属担持量が異なる触媒を製作し、充填しなければならないということが問題となる。
特許０３４８２３６７号公報

上述のように、従来の一酸化炭素変成器では、一酸化炭素変成器で使用する一酸化炭素変成触媒を適当に調製して使用しなければならなかった。
そこで本発明の課題は、一酸化炭素変成器において、それぞれの触媒層に充填する一酸化炭素変成触媒を調製することなく使用することができる炭化水素改質装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明では、一酸化炭素変成器を複数段に分割し、各段の触媒反応器には一酸化炭素変成触媒と不活性材料とを混合比を変えて充填するようにした。

本発明の一態様によれば、改質器によって生成される水素リッチな改質ガスを供給する改質ガス供給部と、貴金属を担持した一酸化炭素変成触媒が充填された一酸化炭素変成器を前記改質ガス供給部の下流側に配置した炭化水素改質装置であって、前記一酸化炭素変成器を前記改質ガスの流れ方向に複数段に分割し、前記分割された一酸化炭素変成器の各段には一酸化炭素変成触媒と前記供給部から供給される改質ガスに対して不活性である不活性材料とが混合比を変えて充填されている炭化水素改質装置であることを特徴とする。
これにより、不活性材料の量を調整することで一酸化炭素変成触媒中の貴金属と改質ガスの接触面積を調整することが可能となり、一酸化炭素変成触媒の貴金属担持量を調整して製作する必要がなくなる。この場合、各段で、同一種類の貴金属を同一量だけ担持した触媒を用いてもよいし、同一種類の貴金属で担持の異なる触媒を用いてもよいし、異なる貴金属を担持した触媒を用いてもよい。但し、改質ガスと触媒貴金属との単位面積あたりの接触面積を調整するためには、従来のように貴金属担持量を調整する必要はなく、触媒と不活性材料との混合比を各段で変化させるだけでよい。

更に、本発明の一態様によれば、前記分割された一酸化炭素変成器の各段に使用される一酸化炭素変成触媒は、それぞれ同一種類の貴金属が同一量だけ担持されていることを特徴とする。これにより、一種類の変成触媒だけを準備すればよく、この場合でも触媒と不活性材料との混合比を変化させるだけで改質ガスと触媒貴金属との単位面積あたりの接触面積を調整することが可能になる。

本発明によれば、一酸化炭素変成器の各段の触媒反応器に、一酸化炭素変成触媒と改質ガスに対する不活性材料とを混合して充填することによって、改質ガスと触媒貴金属との単位体積あたりの接触面積を調整することが可能となり、適当な一酸化炭素変成触媒を調製する必要がなくなる。すなわち、改質ガスと触媒貴金属との単位体積あたりの接触面積を調整することが可能なので、各段に使用される一酸化炭素変成触媒が同一であってもよく、これにより使用する変成触媒を一種類だけ準備すればよいことになる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
実施例１
本発明の第一の実施例を図１に示す。ここで図４と同じ機能を持つものには同じ符号を付して説明を省略する。本発明の実施形態のおいては、従来技術における第一反応器２には、貴金属担持量を低減した一酸化炭素変成触媒ではなく、２段目の第二反応器３に充填される一酸化炭素変成触媒と同一の触媒と、水蒸気を含む水素リッチな改質ガスに対して不活性であるアルミナ（セラミックス）ボールを混合したものを充填し、第一触媒層５として一酸化炭素変成触媒及びアルミナ（セラミックス）ボールの混合層を形成する。ここで、アルミナ（セラミックス）ボールを一酸化炭素変成触媒と混合する理由は、一酸化炭素変成触媒中の貴金属と前記改質ガスの接触面積を減じるためである。これらの触媒とアルミナ（セラミックス）ボールは、第一反応器２に充填する前に、予め両者が均質に配置されるように混合しておく。混合比については体積比で、一酸化炭素変成触媒：アルミナ（セラミックス）ボール＝１：１〜１：３程度で適宜調整すればよい。この混合比は経験則による。１：１〜１：３という数字は体積あたりに含まれる貴金属量を１／２〜１／４に減じることに相当し、通常利用する一酸化炭素変成触媒に担持されている貴金属担持量を１／２〜１／４に減じれば、メタン化反応の進行を抑えながら一酸炭素濃度を低減できることが経験的にわかっている。また、アルミナ（セラミックス）ボールは、チタニアボール、安定化ジルコニアボール、ＳｉＣボールなどの不活性材料であっても良い。これら一酸化炭素変成触媒と混合される不活性材料は、両者を均一に混合するために、一酸化炭素変成触媒とほぼ同等の体積密度を持つことが望ましい。体積密度が大きく異なると比重が異なるためうまく混ざらない恐れがある。また、ここでは第一触媒層５と第二触媒層６において、同一種類の貴金属を同一量だけ担持した一酸化炭素変成触媒を用いてもよいし、第一触媒層５と第二触媒層６において同一種類の貴金属で担持量の異なる触媒を用いても良いし、異なる貴金属を担持した触媒を用いても問題ない。そして更に各触媒層の温度を、第一触媒層５は３００〜４００℃、第二触媒層６は１５０℃〜３００℃で保つようにする。４００℃を超えるとメタン化反応により暴走を始める可能性が高いため第一触媒層５は３００〜４００℃に保ち、また通常の貴金属触媒の反応温度が１５０〜３００℃であるから第二触媒層６は１５０〜３００℃で保つ。尚、触媒層の温度と、一酸化炭素触媒と不活性材料の混合比とは密接な関係をもって設定される。触媒の温度が高くなれば触媒のメタン化活性が高くなるため温度が高いほど不活性材料の比率を高くする必要がある。よってこの実施例の場合、第一触媒層の不活性材料の比率ほうが第二触媒層のそれよりも高くする必要がある。

この第一の実施例において、改質ガス入口８より、一酸化炭素１０％、二酸化炭素２０％、メタン４％、残りが水素である水素リッチなガスに水蒸気を添加した模擬改質ガス、毎分２４リットルを導入した場合の改質ガス出口９での一酸化炭素及びメタンの濃度を測定した。この際、アルミナボールと一酸化炭素変成触媒が混合された第一触媒層５の温度を３７０℃、第二触媒層６の温度を２５０℃に保った。この結果、改質ガス出口９より排出されるガス中の一酸化炭素濃度は０．３〜０．４％、メタン濃度については、３〜３．５％であった。よって、メタン化反応を進行させずに、十分に一酸化炭素濃度を低減できたと言える。

実施例２
本発明の第二の実施例を図２に示す。本実施例においては、一酸化炭素変成器１を三段に分割し、実施例１に示した一酸化炭素変成触媒とアルミナ（セラミックス）ボールの混合層１１を第一反応器２及び第二反応器３の二段にわけ、三段目の第三反応器４には一酸化炭素変成触媒のみを充填する。このとき、一段目と二段目における触媒とアルミナ（セラミックス）ボールの混合比はそれぞれ異なり、例えば一段目における混合比は一酸化炭素変成触媒：アルミナ（セラミックス）ボール＝１：３、二段目における混合比は一酸化炭素変成触媒：アルミナ（セラミックス）ボール＝１：１とする。そして各触媒層は、第一触媒層５を３５０〜４００℃、第二触媒層６を３００〜３５０℃、第三触媒層７を１５０〜３００℃に保つようにする。この温度設定の理由は実施例１と同様な理由からで、触媒層（変成器）の段数が増えたためこのように設定することにする。

この第二の実施例においても、改質ガス入口８より一酸化炭素１０％、二酸化炭素１０％、メタン４％、残りが水素である水素リッチなガスに水蒸気を添加した模擬改質ガス、毎分２４リットルを導入した場合の改質ガス出口９での一酸化炭素及びメタンの濃度を測定した。この際、アルミナボールと一酸化炭素変成触媒が混合された第一触媒層５の温度を３７０℃、第二触媒層６の温度を３２０℃、第三触媒層７の温度を２５０℃に保った。この結果、改質ガス出口９より排出されるガス中の一酸化炭素濃度は０．３〜０．４％、メタン濃度については３〜３．５％であった。よって、メタン化反応を進行させずに、十分に一酸化炭素濃度を低減できたと言える。

ところで比較例として、変成器が二段構成の炭化水素改質装置において、第一触媒層５においてアルミナボールを混合せずに、第二触媒層６に充填したものと同じ一酸化炭素変成触媒のみで構成し、実施例１と同じ条件で改質ガス出口より排出されるガス中の一酸化炭素濃度とメタン濃度を測定したところ、前者は０．１〜０．１５％で、後者は５〜６％で、明らかにメタン化反応の進行が認められた。この結果と実施例１の結果の比較から、第一触媒層を不活性材料と一酸化炭素変成触媒を混合して充填させることでメタン化反応の進行を抑えることができることがより明らかであると言える。

以上、本発明の炭化水素改質装置について詳細に説明したが、本発明は以上に述べたことに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々の構成または形状をとることができることはいうまでもない。

本発明第一の実施例の概略を示す図である。 本発明第二の実施例の概略を示す図である。 水性ガスシフト反応温度に対する改質ガス中の一酸化炭素濃度の関係を示す図である。 従来技術の概略を示す図である。

符号の説明

１ 一酸化炭素変成器
２ 第一反応器
３ 第二反応器
４ 第三反応器
５ 第一触媒層
６ 第二触媒層
７ 第三触媒層
８ 改質ガス入口
９ 改質ガス出口
１０ 断熱材
１１ 一酸化炭素変成触媒及びアルミナ（セラミックス）ボールの混合層

Claims (7)

1. 改質器によって生成される水素リッチな改質ガスを供給する改質ガス供給部と、貴金属を担持した一酸化炭素変成触媒が充填された一酸化炭素変成器を前記改質ガス供給部の下流側に配置した炭化水素改質装置であって、
   前記一酸化炭素変成器を前記改質ガスの流れ方向に複数段に分割し、
   前記分割された一酸化炭素変成器の各段には一酸化炭素変成触媒と、前記供給部から供給される改質ガスに対して不活性である不活性材料とが混合比を変えて充填されていること、
   を特徴とする炭化水素改質装置。
2. 前記複数段のうち、最下流の段は一酸化炭素変成触媒のみから構成されることを特徴とする請求項１記載の炭化水素改質装置。
3. 前記分割された一酸化炭素変成器の各段に使用される一酸化炭素変成触媒は、それぞれ同一種類の貴金属が同一量だけ担持されていることを特徴とする請求項１または２記載の炭化水素改質装置。
4. 改質器によって生成される水素リッチな改質ガスを供給する改質ガス供給部と、貴金属を担持した一酸化炭素変成触媒が充填された一酸化炭素変成器を前記改質ガス供給部の下流側に配置した炭化水素改質装置において、
   前記一酸化炭素変成器を前記改質ガスの流れ方向に二段に分割し、
   前記二段に分割したうちの上流側の段は一酸化炭素変成触媒と前記供給部から供給されるガスに対して不活性である不活性材料を充填して３００〜４００℃に保持し、
   前記二段に分割したうちの下流側の段は一酸化炭素変成触媒のみを充填して１５０〜３００℃に保持する、
   ことを特徴とする炭化水素改質装置。
5. 前記上流側の段の一酸化炭素変成触媒と、前記下流側の段の一酸化炭素変成触媒は、それぞれ同一種類の貴金属が同一量だけ担持されていることを特徴とする請求項４記載の炭化水素改質装置。
6. 前記一酸化炭素変成触媒に担持される貴金属と前記不活性材料は、ほぼ同等の体積密度を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の炭化水素改質装置。
7. 前記不活性材料は、アルミナボールに代表されるセラミックスボールであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の炭化水素改質装置。