JP2006335610A - Hydrogen generating apparatus - Google Patents

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JP2006335610A JP2005163497A JP2005163497A JP2006335610A JP 2006335610 A JP2006335610 A JP 2006335610A JP 2005163497 A JP2005163497 A JP 2005163497A JP 2005163497 A JP2005163497 A JP 2005163497A JP 2006335610 A JP2006335610 A JP 2006335610A
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Junji Ito
淳二 伊藤
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen generating apparatus having a high hydrogen production efficiency even though it is a compact apparatus, excellent in durability, and capable of lowering the cost. <P>SOLUTION: The hydrogen generating apparatus can obtain hydrogen from a raw material gas by being provided with a reforming catalyst, a CO shift catalyst, and a zeolite membrane in a gas passageway in this order in the gas flow direction in the gas passageway. Wherein the reforming catalyst produces a reforming gas containing at least hydrogen by reforming the raw material gas, the CO shift catalyst reduces the concentration of the carbon monoxide contained in the reforming gas, and the zeolite membrane permeates hydrogen contained in the reforming gas. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、原料ガスから水素を製造する水素発生装置に係り、更に詳細には、原料ガスから一酸化炭素の濃度が低く、水素の濃度が高い改質ガスを製造する水素発生装置に関する。特に、自動車用として好適な低コスト且つ小型であり、高い水素製造効率と耐久性を有する水素発生装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen generator for producing hydrogen from a raw material gas, and more particularly to a hydrogen generator for producing a reformed gas having a low carbon monoxide concentration and a high hydrogen concentration from the raw material gas. In particular, the present invention relates to a low-cost and small-sized hydrogen generator suitable for automobiles, and high hydrogen production efficiency and durability.

従来より、天然ガス、液化石油ガス(LPG)、ガソリン等の炭化水素系の燃料を改質することにより水素が生成されており、生成された水素は、燃料電池の燃料ガス等として使用されている。
用いられる燃料の種類により異なるが、上記改質により得られる改質ガスには、水素の他に、二酸化炭素や一酸化炭素等が含まれる。特に、ガソリンを燃料とした場合、高温で改質反応を行う必要があることから、得られる改質ガス中の一酸化炭素の濃度は高くなることが知られている。
Conventionally, hydrogen has been generated by reforming hydrocarbon fuels such as natural gas, liquefied petroleum gas (LPG), gasoline, etc., and the generated hydrogen is used as fuel gas for fuel cells. Yes.
Although depending on the type of fuel used, the reformed gas obtained by the reforming includes carbon dioxide, carbon monoxide and the like in addition to hydrogen. In particular, when gasoline is used as a fuel, it is known that the reforming reaction needs to be performed at a high temperature, so that the concentration of carbon monoxide in the resulting reformed gas is known to increase.

また、このような改質ガスを例えば固体高分子形燃料電池の燃料ガスとして使用する場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素によって燃料電池の電極触媒が被毒されることが知られている。
そのため、改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低減することが試みられており、一酸化炭素の濃度が低い改質ガスを得るために、例えば以下に示すような二種類の燃料改質器が検討されている。
In addition, when such a reformed gas is used as a fuel gas for a polymer electrolyte fuel cell, for example, it is known that the electrode catalyst of the fuel cell is poisoned by carbon monoxide contained in the reformed gas. Yes.
For this reason, attempts have been made to reduce the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas. In order to obtain a reformed gas having a low carbon monoxide concentration, for example, two types of fuel modification as shown below are used. A genitalia is being considered.

第一の燃料改質器としては、改質反応を行う改質部と、一酸化炭素を二酸化炭素等とするCOシフト反応を行うCOシフト反応部と、更に一酸化炭素の濃度を低減させるためのCO選択酸化部とから構成される選択酸化式改質器である。   The first fuel reformer includes a reforming section that performs a reforming reaction, a CO shift reaction section that performs a CO shift reaction using carbon monoxide as carbon dioxide, and the like, to further reduce the concentration of carbon monoxide. This is a selective oxidation reformer composed of a CO selective oxidation unit.

第二の燃料改質器としては、改質反応を行う改質部と、水素のみが透過する水素透過膜を備えた水素分離部とから構成される水素透過膜式改質器である(非特許文献1参照。)。
「自動車の環境対応技術入門」、松平 廉平、グランプリ出版、p278
The second fuel reformer is a hydrogen permeable membrane reformer composed of a reforming section that performs a reforming reaction and a hydrogen separation section that includes a hydrogen permeable membrane that allows only hydrogen to permeate (non- (See Patent Document 1).
“Introduction to Automotive Environmental Technology”, Ryohei Matsudaira, Grand Prix Publishing, p278

しかしながら、上記従来の選択酸化式改質器においては、通常、一酸化炭素濃度を十分に低減させるためには、COシフト反応部として、高温COシフト反応部と低温シフト反応部を備えることを要し、このうち低温COシフト反応部は、触媒量を必要とするため、より大きな容積が必要である。
このように、一酸化炭素の濃度を十分に低減させるためには、改質器が大型化するという問題があった。
However, in the conventional selective oxidation reformer, it is usually necessary to provide a high temperature CO shift reaction unit and a low temperature shift reaction unit as the CO shift reaction unit in order to sufficiently reduce the carbon monoxide concentration. Of these, the low-temperature CO shift reaction unit requires a larger amount of catalyst because it requires a catalyst amount.
Thus, in order to sufficiently reduce the concentration of carbon monoxide, there has been a problem that the reformer becomes large.

また、上記従来の水素透過膜式改質器においては、水素透過膜は、材料としてパラジウムやその合金が使用されていたため、水素脆化が起こり易く耐久性に問題があった。更に、パラジウムやその合金を用いるためコスト面についても問題があった。   Further, in the conventional hydrogen permeable membrane type reformer, since the hydrogen permeable membrane is made of palladium or an alloy thereof, hydrogen embrittlement easily occurs and there is a problem in durability. Furthermore, since palladium or an alloy thereof is used, there is a problem in terms of cost.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型であっても高い水素製造効率を有し、耐久性に優れ、低コスト化し得る水素発生装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to have high hydrogen production efficiency, excellent durability, and low cost even if it is small. The object is to provide a hydrogen generator.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ガス流路内に、該ガス流路のガス流れ方向に対して上流側から、改質触媒と、COシフト触媒と、ゼオライト膜をこの順に配置することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has found that the reforming catalyst, the CO shift catalyst, and the zeolite are introduced into the gas channel from the upstream side in the gas flow direction of the gas channel. The inventors have found that the above-mentioned object can be achieved by arranging the films in this order, and have completed the present invention.

即ち、本発明の水素発生装置は、ガス流路内に、該ガス流路のガス流れ方向に対して上流側から、改質触媒と、COシフト触媒と、ゼオライト膜をこの順に備え、原料ガスから水素を得るものである。
かかる改質触媒は、原料ガスを改質して少なくとも水素を含む改質ガスを生成し、COシフト触媒は、上記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低減し、ゼオライト膜は、上記改質ガス中に含まれる水素を透過する。
That is, the hydrogen generator of the present invention includes a reforming catalyst, a CO shift catalyst, and a zeolite membrane in this order from the upstream side with respect to the gas flow direction of the gas flow path in the gas flow path. From which hydrogen is obtained.
The reforming catalyst reforms the raw material gas to generate a reformed gas containing at least hydrogen, the CO shift catalyst reduces the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas, and the zeolite membrane Permeates hydrogen contained in the reformed gas.

本発明によれば、ガス流路内に、該ガス流路のガス流れ方向に対して上流側から、改質触媒と、COシフト触媒と、ゼオライト膜をこの順に配置することなどとしたため、小型且つ低コストであり、高い水素製造効率と耐久性を有する水素発生装置を提供することができる。   According to the present invention, the reforming catalyst, the CO shift catalyst, and the zeolite membrane are arranged in this order from the upstream side with respect to the gas flow direction of the gas flow path. In addition, it is possible to provide a hydrogen generator that is low in cost and has high hydrogen production efficiency and durability.

以下、本発明の水素発生装置について更に詳細に説明する。
上述の如く、本発明の水素発生装置は、ガス流路内に、該ガス流路のガス流れ方向に対して上流側から、改質触媒と、COシフト触媒と、ゼオライト膜をこの順に備え、原料ガスから水素を得るものである。
かかる改質触媒は、原料ガスを改質して少なくとも水素を含む改質ガスを生成し、COシフト触媒は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低減し、ゼオライト膜は、改質ガス中に含まれる水素を透過する。
Hereinafter, the hydrogen generator of the present invention will be described in more detail.
As described above, the hydrogen generator of the present invention includes a reforming catalyst, a CO shift catalyst, and a zeolite membrane in this order from the upstream side with respect to the gas flow direction of the gas passage in the gas passage. Hydrogen is obtained from the source gas.
Such a reforming catalyst reforms the raw material gas to produce a reformed gas containing at least hydrogen, the CO shift catalyst reduces the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas, and the zeolite membrane is modified. Permeates hydrogen contained in the gas.

このような構成とすること、より具体的には、従来のCO選択酸化触媒をゼオライト膜とすることによって、小型であっても高い水素製造効率を有するものとすることができる。そして、実用的な一酸化炭素濃度(約50ppm以下)まで低減することが可能である。
また、従来の水素透過膜は、材料としてパラジウムやその合金が使用されていたため、水素脆化が起こり易く耐久性やコスト面について問題があったが、本発明においては、ゼオライト膜を用いているため、耐久性はより向上でき、低コスト化を図ることもできる。
By adopting such a configuration, more specifically, by using a conventional CO selective oxidation catalyst as a zeolite membrane, high hydrogen production efficiency can be achieved even if it is small. And it is possible to reduce to a practical carbon monoxide concentration (about 50 ppm or less).
In addition, since the conventional hydrogen permeable membrane used palladium or an alloy thereof as a material, hydrogen embrittlement easily occurred and there was a problem in terms of durability and cost. However, in the present invention, a zeolite membrane is used. Therefore, the durability can be further improved and the cost can be reduced.

更に、CO選択酸化触媒を用いる場合には、触媒が活性化温度(代表的には200℃程度)に達して反応によって一酸化炭素を除去するという作用効果を発揮するまでの起動時間が長かったが、ゼオライト膜を用いる場合には、分子ふるいによって一酸化炭素を除去するため、温度依存性が殆んどなく、起動時間を短縮することができ、水素製造効率を向上させることができる。
そして、このような起動時間の短い水素発生装置は、自動車に搭載させるものとして特に好ましい。
Furthermore, in the case of using a CO selective oxidation catalyst, the startup time is long until the catalyst reaches the activation temperature (typically about 200 ° C.) and exhibits the effect of removing carbon monoxide by the reaction. However, when a zeolite membrane is used, carbon monoxide is removed by molecular sieving, so that there is almost no temperature dependence, start-up time can be shortened, and hydrogen production efficiency can be improved.
And such a hydrogen generator with a short starting time is especially preferable as what is mounted in a motor vehicle.

更にまた、改質触媒とCOシフト触媒をこの順にゼオライト膜の前に配置することによって、改質触媒によって進行する次式(1)
CO+HO⇔CO+H…(1)
で表される平衡反応に対して、COシフト触媒によって進行する次式(2)
CO+HO→CO+H…(2)
で表される反応の方が反応速度が速いため、水素を効率良く生成することができる。つまり、改質触媒を通過した後の改質ガスは(2)式の反応により、(1)式における平衡が右側に傾きゼオライト膜へ達する改質ガス中の一酸化炭素の濃度を低減し、水素濃度を向上させることができる。
Furthermore, by arranging the reforming catalyst and the CO shift catalyst in this order in front of the zeolite membrane,
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (1)
The following equation (2) that proceeds by a CO shift catalyst with respect to the equilibrium reaction represented by
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
Therefore, hydrogen can be efficiently generated. That is, the reformed gas after passing through the reforming catalyst reduces the concentration of carbon monoxide in the reformed gas that reaches the zeolite membrane with the equilibrium in the formula (1) tilted to the right by the reaction of the formula (2), Hydrogen concentration can be improved.

図1は、ゼオライト膜の上流側にこのような改質触媒とCOシフト触媒を配置した場合と、従来の改質触媒のみを配置した場合の温度と転化率(水素生成量/水素理論生成量×100)の関係を示すグラフである。同図から、COシフト触媒を配置した場合に、水素生成量が向上していることが分かる。   FIG. 1 shows the temperature and conversion rate (hydrogen generation amount / theoretical hydrogen generation amount) when such a reforming catalyst and a CO shift catalyst are arranged upstream of the zeolite membrane and when only a conventional reforming catalyst is arranged. It is a graph which shows the relationship of (x100). From the figure, it can be seen that the hydrogen generation amount is improved when the CO shift catalyst is arranged.

本発明の水素発生装置に用いる改質触媒、COシフト触媒及びゼオライト膜について具体的に説明する。
まず、改質触媒について説明する。本発明に用いる改質触媒は、炭化水素系ガス及び/又は含酸素炭化水素系ガスを含む原料ガス又は更に水蒸気を含む原料ガスを、水素を少なくとも含む改質ガスに改質できれば特に限定されるものではないが、例えばスチームリホーミングを促進する改質触媒であることが望ましい。
The reforming catalyst, CO shift catalyst and zeolite membrane used in the hydrogen generator of the present invention will be specifically described.
First, the reforming catalyst will be described. The reforming catalyst used in the present invention is particularly limited as long as it can reform a raw material gas containing a hydrocarbon-based gas and / or an oxygen-containing hydrocarbon-based gas or a raw material gas further containing water vapor into a reformed gas containing at least hydrogen. For example, a reforming catalyst that promotes steam reforming is desirable.

このような改質触媒としては、例えばロジウムを含有した触媒がある。製法としては、ロジウムの硝酸塩を用い、この溶液を高比表面積アルミナに含浸・乾燥・焼成を行って粉末を作成する。作成した粉末とベーマイトアルミナと硝酸溶液を混合し、ボールミルで粉砕して、スラリーを作成する。このスラリーをハニカムにコーティングする。触媒容積は、1.5Lである。このように作成もできるが、これに限定されるものではない。   An example of such a reforming catalyst is a catalyst containing rhodium. As a production method, rhodium nitrate is used, and this solution is impregnated with high specific surface area alumina, dried and fired to prepare a powder. The prepared powder, boehmite alumina and nitric acid solution are mixed and pulverized with a ball mill to prepare a slurry. The slurry is coated on the honeycomb. The catalyst volume is 1.5L. Although it can be created in this way, it is not limited thereto.

上記原料ガスとしては、例えば従来公知のガソリン、軽油又はメタン含有ガス等の炭化水素系ガス、アルコール等の含酸素炭化水素系ガス、及びこれらの任意の混合物を用いることができる。また、水蒸気を含ませてもよい。
本発明においては、炭化水素系ガスや含酸素炭化水素系ガスを改質触媒によりスチームリホーミングさせると水素製造効率に優れるため、水蒸気を含有する原料ガスを用いることが望ましい。
As said raw material gas, conventionally well-known gasoline, light oil, hydrocarbon type gas, such as methane containing gas, oxygen-containing hydrocarbon type gas, such as alcohol, and these arbitrary mixtures can be used. Further, water vapor may be included.
In the present invention, it is desirable to use a raw material gas containing water vapor because steam reforming of a hydrocarbon gas or an oxygen-containing hydrocarbon gas with a reforming catalyst is excellent in hydrogen production efficiency.

次に、COシフト触媒について説明する。本発明に用いるCOシフト触媒は、改質ガス中の一酸化炭素の濃度をCOシフト反応によって低減すれば特に限定されるものではないが、より具体的には、酸素吸蔵放出材を含有し、貴金属等が該酸素吸蔵放出材に担持されている触媒であることが望ましい。   Next, the CO shift catalyst will be described. The CO shift catalyst used in the present invention is not particularly limited as long as the concentration of carbon monoxide in the reformed gas is reduced by a CO shift reaction. More specifically, the CO shift catalyst contains an oxygen storage / release material, It is desirable that the noble metal or the like is a catalyst supported on the oxygen storage / release material.

上記酸素吸蔵放出材としては、例えばペロブスカイト型酸化物やセリウムジルコニウム複合酸化物、セリウム酸化物などを挙げることができる。COシフト性能向上の観点からはセリウムを含むことが望ましい。
COシフト触媒が酸素吸蔵放出材を含有する場合には、起動時に供給される原料ガスと酸素吸蔵放出材中の酸素とが反応し発熱するため、触媒温度が早期に上昇し、起動時間を短縮することができる。
Examples of the oxygen storage / release material include perovskite oxides, cerium-zirconium composite oxides, and cerium oxides. From the viewpoint of improving CO shift performance, it is desirable to contain cerium.
When the CO shift catalyst contains an oxygen storage / release material, the source gas supplied at startup and the oxygen in the oxygen storage / release material react to generate heat, so the catalyst temperature rises early and the startup time is shortened. can do.

また、他の触媒温度昇温装置を別途配置する必要がないため、より低コスト化を図ることができる。
更に、酸素を放出した酸素吸蔵放出材は、COシフト性能をより顕著に発揮するため、水素製造効率を高めることができる。
なお、上記貴金属としては、COシフト反応を促進するものであれば特に限定されるものではないが、例えば白金、パラジウム、ロジウム又はイリジウム、及びこれらの任意の貴金属を組合わせて用いることができ、白金を用いることがCOシフト反応の反応効率向上の観点から特に好ましい。
Moreover, since it is not necessary to arrange another catalyst temperature raising apparatus separately, cost reduction can be achieved.
Furthermore, since the oxygen storage / release material from which oxygen has been released exhibits CO shift performance more remarkably, it is possible to increase the hydrogen production efficiency.
The noble metal is not particularly limited as long as it promotes the CO shift reaction. For example, platinum, palladium, rhodium or iridium, and any of these noble metals can be used in combination. It is particularly preferable to use platinum from the viewpoint of improving the reaction efficiency of the CO shift reaction.

このようなCOシフト触媒としては、例えばセリアに白金を担持した粉末を含有する触媒を挙げることができる。ハニカムや支持体にコートするときにはセリアの含有量を50%以上として、ベーマイトアルミナと硝酸を混合し、ボールミルで粉砕して、スラリーを作成し、ハニカムにコートする。ハニカムの容積は2.5Lである。製造方法として一例を挙げたが、これに限定されるものではない。   Examples of such a CO shift catalyst include a catalyst containing a powder in which platinum is supported on ceria. When coating a honeycomb or a support, the content of ceria is set to 50% or more, boehmite alumina and nitric acid are mixed, pulverized with a ball mill, a slurry is prepared, and the honeycomb is coated. The volume of the honeycomb is 2.5L. Although an example was given as a manufacturing method, it is not limited to this.

次に、ゼオライト膜について説明する。本発明に用いるゼオライト膜は、改質ガス中に含まれる水素を選択性良く透過すれば特に限定されるものではないが、例えばLTA型ゼオライト、MFI型ゼオライト、MORゼオライトなどを用いることができる。
特に、MFI型ゼオライト、MORゼオライトなどでは、そのままでは水素以外のものが通過する細孔径であるので、金属イオンを用い、細孔内部にイオン交換等の方法で析出させ、細孔の径を制御したゼオライトを用いてもかまわない。その制御には元素の種類は限定しない。
Next, the zeolite membrane will be described. The zeolite membrane used in the present invention is not particularly limited as long as hydrogen contained in the reformed gas permeates with good selectivity. For example, LTA zeolite, MFI zeolite, MOR zeolite, or the like can be used.
In particular, in MFI zeolite, MOR zeolite, etc., the pore diameter is such that anything other than hydrogen passes as it is, so use metal ions to deposit inside the pores by ion exchange or the like, and control the pore diameter. It is also possible to use the zeolite. The kind of element is not limited for the control.

また、本発明においては、必要に応じて用いるゼオライト膜は支持体上に設けてもよく、このような支持体としては、ガス透過性がある程度確保され、ゼオライト膜を支持することができれば特に限定されるものではないが、例えば多孔質アルミナや窒化ケイ素、シリカなどを用いることができる。このようなゼオライト膜により、従来と同等以上の一酸化炭素濃度低減効果を得るには、代表的には面積0.5m〜100mとすればよい。 Further, in the present invention, the zeolite membrane used as necessary may be provided on a support, and such a support is particularly limited as long as gas permeability is secured to some extent and the zeolite membrane can be supported. For example, porous alumina, silicon nitride, silica, or the like can be used. Such zeolite membrane, in order to obtain a conventional equal or carbon monoxide concentration reduction effect, typically may be the area 0.5m 2 ~100m 2.

このようなゼオライト膜としては、例えばA型ゼオライトが好ましい。ゼオライトの使用面積として0.5m以上が望ましい。厚さは10nm以上あればよい。
製法としては、水酸化ナトリウムを水に溶解し、Alパウダーを撹拌し、溶解する。一方、HS−30コロイダルシリカにテトラメチルアンモニウム水酸化物水溶液を加えて室温で撹拌し白色懸濁液を得る。次に、これらの溶液を混合し、室温で30分撹拌後、90℃で6時間水熱合成を行う。遠心分離を行い、上澄みに対して再度水熱合成を行い、遠心分離、水洗浄、乾燥を経てゼオライトA型を得る。
As such a zeolite membrane, for example, A-type zeolite is preferable. The use area of zeolite is preferably 0.5 m 2 or more. The thickness may be 10 nm or more.
As a manufacturing method, sodium hydroxide is dissolved in water, and Al powder is stirred and dissolved. On the other hand, tetramethylammonium hydroxide aqueous solution is added to HS-30 colloidal silica and stirred at room temperature to obtain a white suspension. Next, these solutions are mixed and stirred at room temperature for 30 minutes, followed by hydrothermal synthesis at 90 ° C. for 6 hours. Centrifugation is performed, hydrothermal synthesis is again performed on the supernatant, and zeolite A type is obtained through centrifugation, washing with water and drying.

本発明においては、ガス流路内におけるゼオライト膜の下流側にCO選択酸化触媒を備え、且つガス流路内におけるゼオライト膜とCO選択酸化触媒との間に酸素供給手段を備えてもよい。
CO選択酸化触媒を備える水素発生装置は、上述したように大型化を招くが、ゼオライト膜と併用することによって、用いるCO選択酸化触媒の大型化を抑制しつつ、水素製造効率を更に向上させることができる。
In the present invention, a CO selective oxidation catalyst may be provided on the downstream side of the zeolite membrane in the gas flow path, and an oxygen supply means may be provided between the zeolite membrane and the CO selective oxidation catalyst in the gas flow path.
A hydrogen generator equipped with a CO selective oxidation catalyst leads to an increase in size as described above, but when used in combination with a zeolite membrane, further increases the hydrogen production efficiency while suppressing an increase in the size of the CO selective oxidation catalyst to be used. Can do.

下流側にCO選択酸化触媒を配置するだけでも若干の一酸化炭素濃度低減効果は発揮されるが、ゼオライト膜とCO選択酸化触媒の間に酸素供給手段を設け、適宜酸素を供給することにより、より一酸化炭素の濃度を低減することができる。
この際、酸素供給量は、水素と共に透過してくる一酸化炭素の濃度を基準に適宜調整すればよい。
例えばガス流路に合流する別流路を設け、その別流路の供給口に調節弁を設けるなどすればよいが、これに限定されるものではない。
なお、酸素供給手段により供給される酸素としては酸素のみに限定されず、水素発生装置が組込まれるシステムに応じて、混合ガスであってもよく、例えば空気などを好適に用いることができる。
Even if only a CO selective oxidation catalyst is arranged on the downstream side, a slight carbon monoxide concentration reducing effect is exhibited, but by providing an oxygen supply means between the zeolite membrane and the CO selective oxidation catalyst, and supplying oxygen as appropriate, The concentration of carbon monoxide can be further reduced.
At this time, the oxygen supply amount may be appropriately adjusted based on the concentration of carbon monoxide permeated with hydrogen.
For example, a separate flow path that joins the gas flow path may be provided, and a control valve may be provided at the supply port of the separate flow path. However, the present invention is not limited to this.
The oxygen supplied by the oxygen supply means is not limited to oxygen, and may be a mixed gas depending on the system in which the hydrogen generator is incorporated. For example, air can be suitably used.

このようなCO選択酸化触媒としては、例えば白金を含有する触媒を挙げることができる。製造方法としては、ジニトロジアミノ白金をアルミナに含浸し、乾燥・焼成を経て粉末を得る。この粉末をベーマイトアルミナ、硝酸と共に粉砕して、スラリーを得る。これをハニカムにコートし、乾燥・焼成を経て触媒とする。
なお、従来のようにゼオライト膜を用いず、CO選択酸化触媒のみを配置した場合には、容積が2.0L以上のCO選択酸化触媒を用いる必要があったが、本発明においては、同程度の水素製造効率を得る場合には、使用するCO選択酸化触媒の容積を1.0L以下に抑制することができる。
An example of such a CO selective oxidation catalyst is a catalyst containing platinum. As a manufacturing method, dinitrodiaminoplatinum is impregnated with alumina, and powder is obtained through drying and baking. This powder is pulverized with boehmite alumina and nitric acid to obtain a slurry. This is coated on a honeycomb and dried and fired to form a catalyst.
In addition, when only a CO selective oxidation catalyst is arranged without using a zeolite membrane as in the prior art, it was necessary to use a CO selective oxidation catalyst having a volume of 2.0 L or more. When obtaining the hydrogen production efficiency, the volume of the CO selective oxidation catalyst to be used can be suppressed to 1.0 L or less.

また、本発明においては、改質触媒とCOシフト触媒とゼオライト膜とが層構造を有することが望ましい。層構造とする場合には、改質触媒層やCOシフト触媒についても、ガス透過性がある程度確保されることが望ましい。
改質触媒と、COシフト触媒と、ゼオライト膜とを一体化した層構造とすることによって、上述したような平衡反応が一酸化炭素濃度が低減し、水素濃度が高まる方へ傾き易くなる。
また、従来の改質触媒やCOシフト触媒はセラミックス製ハニカムにコートされていたが、層構造とすることによって、改質触媒やCOシフト触媒専用のハニカムセラミックスが不要となるので、起動時間を短縮することができる。
なお、層構造とした場合、改質触媒は、代表的には面積0.5m以上、COシフト触媒は、代表的には、面積0.5m以上とすればよい。
これにより、起動時間の短縮が図れるだけでなく、低コスト化を図ることもできる。
In the present invention, it is desirable that the reforming catalyst, the CO shift catalyst, and the zeolite membrane have a layer structure. In the case of a layer structure, it is desirable to ensure gas permeability to some extent also for the reforming catalyst layer and the CO shift catalyst.
By adopting a layer structure in which the reforming catalyst, the CO shift catalyst, and the zeolite membrane are integrated, the equilibrium reaction as described above tends to decrease in the direction of decreasing the carbon monoxide concentration and increasing the hydrogen concentration.
In addition, the conventional reforming catalyst and CO shift catalyst were coated on the ceramic honeycomb. However, since the layered structure eliminates the need for a honeycomb catalyst dedicated to the reforming catalyst and CO shift catalyst, the startup time is shortened. can do.
In the case of a layer structure, the reforming catalyst typically has an area of 0.5 m 2 or more, and the CO shift catalyst typically has an area of 0.5 m 2 or more.
Thereby, not only the start-up time can be shortened, but also the cost can be reduced.

図2は、本発明の水素発生装置の一例を概念的に示す説明図である。同図に示すように、仮想線で示すガス流路18内に矢印Fで示すガス流れ方向に対して上流側から支持体30に積層された改質触媒層12とCOシフト触媒層14とゼオライト膜16が配置され、更にその下流側にCO選択酸化触媒20が配置されている。
このような水素発生装置10は、改質触媒層12によりガソリンと水蒸気を含む原料ガスを改質して少なくとも水素を含む改質ガスを生成し、COシフト触媒層14は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低減し、水素の濃度を高め、ゼオライト膜16は、改質ガス中に含まれる水素を透過する。また、下流側に配置されたCO選択酸化触媒20は、水素と共に若干透過する一酸化炭素を選択性良く酸化する。これにより、更に、実用的な濃度まで一酸化炭素の濃度を低減することができる。
なお、ゼオライト膜16とCO選択酸化触媒20の間に酸素供給手段(図示せず)を設けてもよく、酸素供給手段により適宜酸素を供給することにより、CO選択酸化触媒20の触媒性能をより効果的に発揮させることができ、一酸化炭素濃度をより低減することが可能となる。
FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing an example of the hydrogen generator of the present invention. As shown in the figure, the reforming catalyst layer 12, the CO shift catalyst layer 14 and the zeolite laminated on the support 30 from the upstream side in the gas flow path 18 indicated by the phantom line in the gas flow direction indicated by the arrow F. A membrane 16 is disposed, and a CO selective oxidation catalyst 20 is disposed further downstream thereof.
Such a hydrogen generator 10 reforms the raw material gas containing gasoline and water vapor by the reforming catalyst layer 12 to generate a reformed gas containing at least hydrogen, and the CO shift catalyst layer 14 is contained in the reformed gas. The concentration of carbon monoxide contained is reduced and the concentration of hydrogen is increased, and the zeolite membrane 16 permeates the hydrogen contained in the reformed gas. In addition, the CO selective oxidation catalyst 20 disposed on the downstream side oxidizes carbon monoxide that is slightly permeated with hydrogen with high selectivity. Thereby, the concentration of carbon monoxide can be further reduced to a practical concentration.
An oxygen supply means (not shown) may be provided between the zeolite membrane 16 and the CO selective oxidation catalyst 20, and the oxygen selective means appropriately supplies oxygen to further improve the catalytic performance of the CO selective oxidation catalyst 20. Thus, the carbon monoxide concentration can be further reduced.

図3は、本発明の水素発生装置の他の例の断面形状を概念的に示す説明図である。同図に示すように、仮想線で示すガス流路18内に、有底円筒状の多孔質アルミナ管である支持体30を備え、該多孔質アルミナ管上に、ゼオライト膜16とCOシフト触媒層14と改質触媒層12とを備える。
このような構造を有する水素発生装置10は、改質触媒で平衡に達したガスにCOが存在するが、シフト反応によりCOを減らし且つHを増やし、ゼオライトのH分離比が同じであっても、COシフト触媒を接触させた方がトータルのH分離比は高くなり望ましい。
そして、改質触媒層において、供給された炭化水素と水蒸気を含む原料ガスからスチームリホーミングにより少なくとも水素を含む改質ガスが生成され、COシフト触媒層において、改質ガス中の一酸化炭素濃度がCOシフト反応により低減され、ゼオライト膜において、水素が選択的に分離される。なお、一酸化炭素も一部が水素と共に透過する。
FIG. 3 is an explanatory view conceptually showing the cross-sectional shape of another example of the hydrogen generator of the present invention. As shown in the figure, a support 30 which is a bottomed cylindrical porous alumina tube is provided in a gas flow path 18 indicated by an imaginary line, and a zeolite membrane 16 and a CO shift catalyst are provided on the porous alumina tube. The layer 14 and the reforming catalyst layer 12 are provided.
In the hydrogen generator 10 having such a structure, CO exists in the gas that has reached equilibrium with the reforming catalyst, but the CO is reduced and H 2 is increased by the shift reaction, and the H 2 separation ratio of the zeolite is the same. However, the total H 2 separation ratio is preferably increased when the CO shift catalyst is brought into contact.
In the reforming catalyst layer, a reformed gas containing at least hydrogen is generated by steam reforming from the supplied hydrocarbon and steam-containing raw material gas, and the carbon monoxide concentration in the reformed gas is generated in the CO shift catalyst layer. Is reduced by the CO shift reaction, and hydrogen is selectively separated in the zeolite membrane. Carbon monoxide partially permeates with hydrogen.

以下、本発明について若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some examples, but the present invention is not limited to such examples.

(実施例1)
(ゼオライト膜の作成)
水酸化ナトリウムを水に溶解し、Alパウダーを撹拌し溶解した。HS−30コロイダルシリカにテトラメチルアンモニウム水酸化物水溶液を加えて室温で撹拌し白色懸濁液を得た。
次に、これらの溶液を混合し、室温で30分撹拌後、90℃で6時間水熱合成を行った。更に、遠心分離を行い、上澄みに対して再度水熱合成を行い、遠心分離、水洗浄、乾燥を経て、ゼオライトA型の種結晶を得た。
ゼオライトA型結晶が存在する溶液に、先端を封止したアルミナ管を浸漬し、吸引し、ゼオライト種結晶をアルミナ管表面に付着させた。これを繰り返し、ゼオライト膜を形成した。
Example 1
(Creation of zeolite membrane)
Sodium hydroxide was dissolved in water, and Al powder was stirred and dissolved. A tetramethylammonium hydroxide aqueous solution was added to HS-30 colloidal silica and stirred at room temperature to obtain a white suspension.
Next, these solutions were mixed and stirred at room temperature for 30 minutes, followed by hydrothermal synthesis at 90 ° C. for 6 hours. Centrifugation was performed, hydrothermal synthesis was again performed on the supernatant, and after centrifugation, washing with water and drying, a zeolite A type seed crystal was obtained.
The alumina tube with the tip sealed was immersed in a solution containing the zeolite A type crystal and sucked to attach the zeolite seed crystal to the surface of the alumina tube. This was repeated to form a zeolite membrane.

(COシフト触媒層の作成)
ジニトロジアミノ白金をアルミナに含浸し、乾燥・焼成を経て粉末を得た。この粉末をベーマイトアルミナと硝酸と共にボールミルで粉砕し、スラリーを作成した。このスラリーをゼオライト層にコートし、アルミナ管内部から吸引した。
(Creation of CO shift catalyst layer)
Dinitrodiaminoplatinum was impregnated with alumina, dried and fired to obtain a powder. This powder was pulverized with boehmite alumina and nitric acid by a ball mill to prepare a slurry. This slurry was coated on the zeolite layer and sucked from the alumina tube.

(改質触媒層の作成)
ロジウムの硝酸塩を用い、この溶液を高比表面積アルミナに含浸・乾燥・焼成を行い、粉末を作成した。
作成した粉末とベーマイトアルミナと硝酸溶液を混合し、ボールミルで粉砕して、スラリーを作成した。このスラリーをゼオライト層、COシフト触媒層を形成したアルミナ管にコートし、アルミナ管内部から吸引した。
これをガス流路に配置して、本例の水素発生装置を得た。
(Creation of reforming catalyst layer)
Using rhodium nitrate, this solution was impregnated with high specific surface area alumina, dried and fired to prepare a powder.
The prepared powder, boehmite alumina and nitric acid solution were mixed and pulverized with a ball mill to prepare a slurry. This slurry was coated on an alumina tube on which a zeolite layer and a CO shift catalyst layer were formed, and sucked from the inside of the alumina tube.
This was placed in the gas flow path to obtain the hydrogen generator of this example.

温度と転化率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature and a conversion rate. 本発明の水素発生装置の一例を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the hydrogen generator of this invention notionally. 本発明の水素発生装置の他の例の断面形状を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the cross-sectional shape of the other example of the hydrogen generator of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 水素発生装置
12 改質触媒層
14 COシフト触媒層
16 ゼオライト層
18 ガス流路
20 CO選択酸化触媒
30 支持体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hydrogen generator 12 Reforming catalyst layer 14 CO shift catalyst layer 16 Zeolite layer 18 Gas flow path 20 CO selective oxidation catalyst 30 Support body

Claims (4)

ガス流路内に、該ガス流路のガス流れ方向に対して上流側から、改質触媒と、COシフト触媒と、ゼオライト膜をこの順に備え、原料ガスから水素を得る水素発生装置であって、
上記改質触媒は、上記原料ガスを改質して少なくとも水素を含む改質ガスを生成し、
上記COシフト触媒は、上記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低減し、
上記ゼオライト膜は、上記改質ガス中に含まれる水素を透過する、ことを特徴とする水素発生装置。
A hydrogen generation apparatus comprising a reforming catalyst, a CO shift catalyst, and a zeolite membrane in this order in the gas flow path from the upstream side with respect to the gas flow direction of the gas flow path, and obtaining hydrogen from a raw material gas. ,
The reforming catalyst reforms the raw material gas to generate a reformed gas containing at least hydrogen,
The CO shift catalyst reduces the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas,
The hydrogen generating apparatus, wherein the zeolite membrane permeates hydrogen contained in the reformed gas.
上記ガス流路内におけるゼオライト膜の下流側にCO選択酸化触媒を備え、且つ該ガス流路内におけるゼオライト膜と該CO選択酸化触媒との間に酸素供給手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の水素発生装置。   The CO selective oxidation catalyst is provided downstream of the zeolite membrane in the gas flow path, and an oxygen supply means is provided between the zeolite membrane and the CO selective oxidation catalyst in the gas flow path. 2. The hydrogen generator according to 1. 上記改質触媒とCOシフト触媒とゼオライト膜とが層構造を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の水素発生装置。   The hydrogen generator according to claim 1 or 2, wherein the reforming catalyst, the CO shift catalyst, and the zeolite membrane have a layer structure. 上記COシフト触媒が、少なくとも酸素吸蔵放出材を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の水素発生装置。
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the CO shift catalyst contains at least an oxygen storage / release material.
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