JP2011088778A - Hydrogen production apparatus and fuel cell system - Google Patents

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康嗣 橋本
Akira Goto
後藤  晃
Emi Kato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen production apparatus which is less in maintenance frequency, and also is high in the activity of a shift reaction and a selective oxidation reaction. <P>SOLUTION: The hydrogen production apparatus 10 includes a reforming part 11 for producing a reformed gas by reforming a raw material for hydrogen production which contains hydrocarbon with a reforming catalyst and hydrogen sulfide removing parts 12, 14 for removing hydrogen sulfide. The hydrogen reforming catalyst is obtained by supporting one or more kinds of active metals selected from a group comprising rhodium, platinum and palladium on an alumina-containing support having fine pores of ≥50 nm pore diameter and ≥0.2 ml/g pore volume and containing alumina in a ratio of ≥0.3 mass% and ≤5 mass% per 100 mass% alumina-containing support. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化水素類を改質して水素を製造する水素製造装置に関する。また、水素を用いて発電する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus for reforming hydrocarbons to produce hydrogen. The present invention also relates to a fuel cell system that generates power using hydrogen.

近年、環境への負荷を低減させるために、燃料電池システムの普及が推進されており、家庭用の燃料電池システムも開発されている。
家庭用の燃料電池システムでは、炭化水素類を含む都市ガスや石油系燃料等の水素製造用原料から改質反応およびシフト反応により水素を製造し、その水素を用いて燃料電池により発電している(例えば、特許文献1,2参照)。
In recent years, in order to reduce the burden on the environment, the spread of fuel cell systems has been promoted, and household fuel cell systems have also been developed.
In a household fuel cell system, hydrogen is produced from reforming and shift reactions from raw materials for hydrogen production such as city gas containing hydrocarbons and petroleum-based fuels, and electricity is generated by the fuel cell using the hydrogen. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).

ところで、家庭用に供給される都市ガスには、ガスの漏洩の検知を容易にするために、メルカプタン等の硫黄化合物からなる着臭剤が添加されている。また、石油系燃料には、その製造過程にて硫黄化合物が含まれる。
しかし、一般に、改質反応用触媒は耐硫黄性が低く、硫黄化合物によって失活しやすかった。また、シフト反応の後に、残留する一酸化炭素を除去するために、選択酸化反応を行うことがあるが、その際に使用する選択酸化反応用触媒も硫黄化合物により失活しやすかった。さらに、燃料電池に使用する白金系の触媒も硫黄化合物によって失活しやすかった。
そのため、都市ガスや石油系燃料を水素製造用原料として使用する場合には、改質工程の前に、吸着剤による脱硫工程を有していた。
By the way, an odorant made of a sulfur compound such as mercaptan is added to city gas supplied to households in order to facilitate detection of gas leakage. Petroleum fuel contains a sulfur compound in the production process.
However, in general, the reforming reaction catalyst has low sulfur resistance and is easily deactivated by a sulfur compound. In addition, a selective oxidation reaction may be performed after the shift reaction in order to remove residual carbon monoxide, but the selective oxidation reaction catalyst used at that time was also easily deactivated by the sulfur compound. Furthermore, platinum-based catalysts used for fuel cells were also easily deactivated by sulfur compounds.
For this reason, when city gas or petroleum-based fuel is used as a raw material for hydrogen production, a desulfurization step using an adsorbent was provided before the reforming step.

特開2002−362902号公報JP 2002-362902 A 国際公開WO2008/001632号公報International Publication WO2008 / 001632

しかしながら、吸着剤での硫黄化合物の除去では、破過した後あるいは破過する直前に吸着剤を交換しなければならず、しかも吸着剤の寿命が短かったため、高頻度でメンテナンスを行わなければならなかった。このようなことから、メンテナンス頻度を少なくできる水素製造装置が求められていた。
本発明は、メンテナンス頻度が少なく、長期間にわたって安定に運転できる水素製造装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。
However, removal of sulfur compounds with the adsorbent requires replacement of the adsorbent after breakthrough or immediately before breakthrough, and because the life of the adsorbent is short, maintenance must be performed with high frequency. There wasn't. For this reason, a hydrogen production apparatus that can reduce the frequency of maintenance has been demanded.
An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and a fuel cell system that can be operated stably over a long period of time with low maintenance frequency.

[1] 炭化水素を含有する水素製造用原料を、改質用触媒を用いて改質して、水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部と、硫化水素を除去する硫化水素除去部とを有する水素製造装置であって、
前記水蒸気改質用触媒は、アルミナ含有担体に、ロジウム、白金、パラジウムからなる群より選ばれる1種以上の活性金属が、前記アルミナ含有担体100質量%に対して0.3質量%以上5質量%以下の割合で担持され、
アルミナ含有担体は、孔径50nm以上の細孔の容積が0.2ml/g以上1.0ml/g以下であるαアルミナに、αアルミナ100質量%に対して2質量%以上25質量%以下の希土類元素酸化物と、0.1質量%以上15質量%以下のアルカリ土類元素酸化物とが担持された担体であることを特徴とする水素製造装置。
[2] [1]に記載の水素製造装置を具備することを特徴とする燃料電池システム。
[1] A raw material for hydrogen production containing hydrocarbons is reformed using a reforming catalyst to remove a hydrogen sulfide from a reforming section that generates a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. A hydrogen production apparatus having a hydrogen sulfide removal unit,
In the steam reforming catalyst, one or more active metals selected from the group consisting of rhodium, platinum and palladium are contained in an alumina-containing support in an amount of 0.3 to 5% by mass with respect to 100% by mass of the alumina-containing support. % Or less,
The alumina-containing support is an α-alumina having a pore volume of 50 nm or more and a pore volume of 0.2 ml / g or more and 1.0 ml / g or less, and 2 to 25% by mass of rare earth based on 100% by mass of α-alumina. An apparatus for producing hydrogen, comprising a carrier on which an elemental oxide and an alkaline earth elemental oxide in an amount of 0.1% by mass to 15% by mass are supported.
[2] A fuel cell system comprising the hydrogen production apparatus according to [1].

本発明の水素製造装置および燃料電池システムは、メンテナンス頻度が少なく、長期間にわたって安定に運転できる。   The hydrogen production apparatus and fuel cell system of the present invention have a low maintenance frequency and can be stably operated over a long period of time.

本発明の水素製造装置および燃料電池システムの一実施形態例の概略図である。1 is a schematic view of an embodiment of a hydrogen production apparatus and a fuel cell system of the present invention. 本発明の水素製造装置および燃料電池システムの他の実施形態例の概略図である。It is the schematic of the other embodiment of the hydrogen production apparatus and fuel cell system of this invention. 本発明の水素製造装置および燃料電池システムの他の実施形態例の概略図である。It is the schematic of the other embodiment of the hydrogen production apparatus and fuel cell system of this invention. 本発明の水素製造装置および燃料電池システムの他の実施形態例の概略図である。It is the schematic of the other embodiment of the hydrogen production apparatus and fuel cell system of this invention.

(水素製造装置)
本発明の水素製造装置の一実施形態例について説明する。
図1に、本実施形態例の水素製造装置を示す。この水素製造装置10は、炭化水素類を含有する水素製造用原料から、水素を含有する燃料電池供給用ガスを製造する装置であって、水素製造用原料を改質して改質ガスを得る改質部11と、改質部11にて生成した改質ガス中の硫化水素を除去する第1硫化水素除去部12と、第1硫化水素除去部12を経た改質ガスのシフト反応を行ってシフトガスを得るシフト反応部13と、シフトガス中に含まれる硫化水素を除去する第2硫化水素除去部14と、第2硫化水素除去部14を経たシフトガスの選択酸化反応を行って燃料電池供給用ガスを得る選択酸化部15とを具備する。
(Hydrogen production equipment)
An embodiment of the hydrogen production apparatus of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a hydrogen production apparatus according to this embodiment. This hydrogen production apparatus 10 is an apparatus for producing a fuel cell supply gas containing hydrogen from a hydrogen production raw material containing hydrocarbons, and reforming the hydrogen production raw material to obtain a reformed gas The reforming unit 11, the first hydrogen sulfide removing unit 12 that removes hydrogen sulfide in the reformed gas generated by the reforming unit 11, and the shift reaction of the reformed gas that has passed through the first hydrogen sulfide removing unit 12 are performed. The shift reaction unit 13 that obtains the shift gas, the second hydrogen sulfide removal unit 14 that removes hydrogen sulfide contained in the shift gas, and the selective oxidation reaction of the shift gas that has passed through the second hydrogen sulfide removal unit 14 are performed to supply the fuel cell. And a selective oxidation unit 15 for obtaining gas.

水素製造用原料に含まれる炭化水素類は、炭素数1以上40以下、好ましくは炭素数1以上30以下の有機化合物である。具体的には、飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素などが挙げられる。また、飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素については、鎖状、環状を問わず使用できる。芳香族炭化水素については単環、多環を問わず使用できる。
炭化水素類は置換基を有してもよい。置換基としては、鎖状、環状のどちらであってもよく、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルアリール基およびアラルキル基等が挙げられる。また、ヒドロキシ基、アルコキシ基、ヒドロキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、ホルミル基などのヘテロ原子を含有する置換基により置換されていてもよい。
The hydrocarbons contained in the raw material for hydrogen production are organic compounds having 1 to 40 carbon atoms, preferably 1 to 30 carbon atoms. Specific examples include saturated aliphatic hydrocarbons, unsaturated aliphatic hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons. In addition, saturated aliphatic hydrocarbons and unsaturated aliphatic hydrocarbons can be used regardless of chain or cyclic. Aromatic hydrocarbons can be used regardless of whether they are monocyclic or polycyclic.
The hydrocarbons may have a substituent. The substituent may be either a chain or a ring, and examples thereof include an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an alkylaryl group, and an aralkyl group. Further, it may be substituted with a substituent containing a hetero atom such as a hydroxy group, an alkoxy group, a hydroxycarbonyl group, an alkoxycarbonyl group, or a formyl group.

炭化水素の具体例としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、エイコサンなどの飽和脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセンなどの不飽和脂肪族炭化水素、シクロペンタン、シクロヘキサンなど環状炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンなどの芳香族炭化水素が挙げられる。
ヘテロ原子を含む置換基を有する炭化水素類の具体例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジメチルエーテル、フェノール、アニソール、アセトアルデヒド、酢酸等の含酸素化合物などが挙げられる。
また、これら炭化水素類の混合物も好適に使用できる。例えば、天然ガス、石油系燃料(LPガス、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油等)など工業的に安価に入手できるガスや油を使用できる。
Specific examples of hydrocarbons include saturated aliphatics such as methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, dodecane, tridecane, tetradecane, pentadecane, hexadecane, heptadecane, octadecane, nonadecane, and eicosane. Examples thereof include hydrocarbons, unsaturated aliphatic hydrocarbons such as ethylene, propylene, butene, pentene and hexene, cyclic hydrocarbons such as cyclopentane and cyclohexane, and aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and naphthalene.
Specific examples of hydrocarbons having a substituent containing a hetero atom include oxygen-containing compounds such as methanol, ethanol, propanol, butanol, dimethyl ether, phenol, anisole, acetaldehyde, and acetic acid.
Also, a mixture of these hydrocarbons can be used preferably. For example, natural gas, petroleum-based fuel (LP gas, naphtha, gasoline, kerosene, light oil, etc.) such as gas and oil that can be obtained industrially at low cost can be used.

また、炭化水素類を水素製造用原料には、水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、酸素などが含まれてもよい。   Further, the raw materials for producing hydrocarbons from hydrogen may include hydrogen, water, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, oxygen, and the like.

水素製造装置10で使用する水素製造用原料としては、具体的には、都市ガス、LPガス、灯油、ガソリンなどが使用されるが、家庭用には、都市ガス、LPガス、灯油が好ましい。
なお、都市ガス、LPガスには、着臭剤として、例えば、硫黄化合物が含まれている。都市ガスに添加される硫黄化合物としては、例えば、エチルメルカプタン、イソプロピルメルカプタン、t−ブチルメルカプタンなどの低級メルカプタン類、ジメチルスルフィド、エチルメチルスルフィド、テトラヒドロチオフェンなどの低級スルフィド類が挙げられる。
また、LPガスには、メチルメルカプタン、エチルメルカプタン、プロピルメルカプタンなどの低級メルカプタン類、ジメチルスルフィドなどの低級スルフィド類、硫化カルボニル、二硫化炭素、炭素メルカプタン類が酸化的にカップリングしたジスルフィド類などが含まれる。
水素製造用原料の硫黄濃度は0.1ppm以上100ppm以下であることが好ましい。水素製造用原料の硫黄濃度が0.1ppm以上の水素製造用原料は容易に得ることができ、水素製造用原料の硫黄濃度が100ppm以下であれば、改質用触媒の活性低下を防止できる。
Specifically, city gas, LP gas, kerosene, gasoline, and the like are used as raw materials for hydrogen production used in the hydrogen production apparatus 10, but city gas, LP gas, and kerosene are preferable for household use.
Note that city gas and LP gas contain, for example, a sulfur compound as an odorant. Examples of sulfur compounds added to city gas include lower mercaptans such as ethyl mercaptan, isopropyl mercaptan, and t-butyl mercaptan, and lower sulfides such as dimethyl sulfide, ethyl methyl sulfide, and tetrahydrothiophene.
LP gas includes lower mercaptans such as methyl mercaptan, ethyl mercaptan, and propyl mercaptan, lower sulfides such as dimethyl sulfide, carbonyl sulfide, carbon disulfide, and disulfides in which carbon mercaptans are oxidatively coupled. included.
The sulfur concentration of the raw material for hydrogen production is preferably 0.1 ppm or more and 100 ppm or less. A raw material for hydrogen production having a sulfur concentration of the raw material for hydrogen production of 0.1 ppm or more can be easily obtained. If the sulfur concentration of the raw material for hydrogen production is 100 ppm or less, the activity of the reforming catalyst can be prevented from decreasing.

[改質部]
改質部11では、改質用触媒を用いて、脱硫処理が施されていない水素製造用原料の改質を行う。
具体的には、改質用触媒の存在下、炭化水素類を含有する水素製造用原料をスチームと反応させて、一酸化炭素および水素を含む改質ガスを得る。スチームと反応させる際には、酸素含有ガスを同伴させてもよい(オートサーマルリフォーミング反応)。
[Modification section]
In the reforming unit 11, the raw material for hydrogen production that has not been subjected to the desulfurization treatment is reformed using the reforming catalyst.
Specifically, a reforming gas containing carbon monoxide and hydrogen is obtained by reacting a raw material for hydrogen production containing hydrocarbons with steam in the presence of a reforming catalyst. When reacting with steam, an oxygen-containing gas may be accompanied (autothermal reforming reaction).

改質用触媒を用いた改質反応においては、反応器として、流通式固定床反応器、流動床反応器などが用いられる。反応器の形状としては、改質反応の目的等に応じて適宜選択すればよく、例えば、円筒状、平板状などが適用される。   In the reforming reaction using the reforming catalyst, a flow type fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, or the like is used as a reactor. The shape of the reactor may be appropriately selected according to the purpose of the reforming reaction, and for example, a cylindrical shape, a flat plate shape, or the like is applied.

改質反応において、水素製造用原料にスチームを供給する方法としては、例えば、反応帯域にて水素製造用原料と同時にスチームを供給する方法、反応器帯域の別々の位置からあるいは何回かに分けるなどしてスチームを一部ずつ供給する方法などが挙げられる。
供給するスチームの量は、炭化水素類に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比として定義される値(以下、「スチーム/カーボン比」という。)が、好ましくは2.0以上10以下、より好ましくは2.5以上5以下の範囲になる量とすることが好ましい。スチーム/カーボン比が2.0以上であれば、改質用触媒表面に炭素が析出しにくく、水素分率を容易に上げることができる。一方、スチーム/カーボン比が10以下であれば、スチーム発生設備、スチーム回収設備の大型化を回避できる。
In the reforming reaction, as a method of supplying steam to the raw material for hydrogen production, for example, a method of supplying steam simultaneously with the raw material for hydrogen production in the reaction zone, a separate position in the reactor zone or several times For example, a method of supplying steam part by part.
The amount of steam to be supplied is a value defined as the ratio of the number of moles of water molecule to the number of moles of carbon atoms contained in the hydrocarbons (hereinafter referred to as “steam / carbon ratio”), preferably 2.0 or more and 10 In the following, it is more preferable that the amount be in the range of 2.5 to 5. If the steam / carbon ratio is 2.0 or more, it is difficult for carbon to precipitate on the reforming catalyst surface, and the hydrogen fraction can be easily increased. On the other hand, when the steam / carbon ratio is 10 or less, it is possible to avoid an increase in the size of the steam generating equipment and the steam collecting equipment.

改質反応において、反応器に導入される水素製造用原料の空間速度は、GHSVで、好ましくは10h−1以上10,000h−1以下、より好ましくは50h−1以上5,000h−1以下、さらに好ましくは100h−1以上3,000h−1以下の範囲である。LHSVでは、好ましくは0.05h−1以上5.0h−1以下、より好ましくは0.1h−1以上2.0h−1以下、さらに好ましくは0.2h−1以上1.0h−1以下の範囲である。
反応温度は、好ましくは300℃以上900℃以下、より好ましくは400℃以上800℃以下、さらに好ましくは400℃以上800℃以下の範囲である。
反応圧力は、好ましくは大気圧以上である。
In the reforming reaction, the space velocity of the hydrogen-producing feedstock introduced into the reactor at GHSV, preferably 10h -1 over 10,000 h -1 or less, more preferably 50h -1 over 5,000H -1 or less, More preferably, it is the range of 100h- 1 or more and 3,000h- 1 or less. In LHSV, preferably 0.05 h -1 or 5.0 h -1 or less, more preferably 0.1 h -1 or 2.0 h -1 or less, more preferably 0.2 h -1 or 1.0 h -1 or less of It is a range.
The reaction temperature is preferably in the range of 300 ° C to 900 ° C, more preferably 400 ° C to 800 ° C, and still more preferably 400 ° C to 800 ° C.
The reaction pressure is preferably at least atmospheric pressure.

改質用触媒としては、アルミナ含有担体に、ロジウム、白金、パラジウムからなる群より選ばれる1種以上の活性金属が担持された触媒(以下、「改質用触媒(A)」という。)が用いられる。   The reforming catalyst is a catalyst (hereinafter referred to as “reforming catalyst (A)”) in which one or more active metals selected from the group consisting of rhodium, platinum, and palladium are supported on an alumina-containing support. Used.

改質用触媒(A)の活性金属の中でも、改質活性および耐硫黄性がより優れることから、ロジウムが好ましい。
改質用触媒(A)における活性金属の含有量は、アルミナ含有担体を100質量%とした際の0.3質量%以上5質量%以下であり、0.4質量%以上4質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以上3質量%以下であることがより好ましい。活性金属の含有量が0.3質量%以上であれば、充分な触媒活性が得られ、改質用触媒(A)の使用量を少なくすることができ、5質量%以下であれば、活性金属の凝集を少なくでき、表面に露出する活性金属の量をより多くできる。
Among the active metals of the reforming catalyst (A), rhodium is preferred because of its superior reforming activity and sulfur resistance.
The content of the active metal in the reforming catalyst (A) is 0.3% by mass or more and 5% by mass or less, and 0.4% by mass or more and 4% by mass or less when the alumina-containing support is 100% by mass. It is preferable that it is 0.5 mass% or more and 3 mass% or less. If the content of the active metal is 0.3% by mass or more, sufficient catalytic activity can be obtained, and the amount of the reforming catalyst (A) used can be reduced. Metal aggregation can be reduced and the amount of active metal exposed on the surface can be increased.

改質用触媒(A)におけるアルミナ含有担体は、αアルミナに希土類元素酸化物およびアルカリ土類金属元素酸化物が担持された担体である。このアルミナ含有担体は、熱変動に対する強度に優れるものである。
ここで、αアルミナは、孔径50nm以上の細孔(マクロポア)を有し、その細孔の容積が0.2ml/g以上1.0ml/g以下のものが好ましい。
孔径50nm以上の細孔の容積が0.2ml/gより小さいと、触媒活性が不充分になることがあり、孔径50nm以上の細孔の容積が1.0ml/gより大きいと、触媒強度が不充分になることがある。
また、αアルミナのBET比表面積は3m/g以上30m/g以下であることが好ましい。αアルミナのBET比表面積が3m/g以上であれば、触媒活性が高くなり、BET比表面積が30m/g以下であれば、触媒強度がより高くなる。
The alumina-containing support in the reforming catalyst (A) is a support in which a rare earth element oxide and an alkaline earth metal element oxide are supported on α-alumina. This alumina-containing carrier is excellent in strength against thermal fluctuation.
Here, α-alumina preferably has pores (macropores) having a pore diameter of 50 nm or more, and the pore volume is 0.2 ml / g or more and 1.0 ml / g or less.
When the volume of pores having a pore diameter of 50 nm or more is smaller than 0.2 ml / g, the catalytic activity may be insufficient, and when the volume of pores having a pore diameter of 50 nm or more is larger than 1.0 ml / g, the catalyst strength is increased. It may be insufficient.
The BET specific surface area of α-alumina is preferably 3 m 2 / g or more and 30 m 2 / g or less. When the BET specific surface area of α-alumina is 3 m 2 / g or more, the catalytic activity is high, and when the BET specific surface area is 30 m 2 / g or less, the catalyst strength is higher.

希土類元素としては、スカンジウム、イットリウム、ランタンおよびセリウムから選択される1種または2種以上の希土類元素を用いることが好ましく、炭素析出抑制効果がより優れることから、ランタンおよびセリウムがさらに好ましい。
アルミナ含有担体における希土類元素の含有量は、アルミナの質量を100質量%とした際の2質量%以上25質量%以下であり、5質量%以上20質量%以下であることが好ましく、10質量%以上15質量%以下であることがより好ましい。希土類元素酸化物の含有量が2質量%以上であれば、希土類元素による炭素析出抑制効果がより高くなり、25質量%以下であれば、希土類元素酸化物が凝集しにくくなり、表面に露出する活性金属の量をより多くできる。
As the rare earth element, it is preferable to use one or more rare earth elements selected from scandium, yttrium, lanthanum, and cerium, and lanthanum and cerium are more preferable because the effect of suppressing carbon deposition is more excellent.
The content of rare earth elements in the alumina-containing support is 2% by mass or more and 25% by mass or less, preferably 5% by mass or more and 20% by mass or less, when the mass of alumina is 100% by mass, preferably 10% by mass. More preferably, it is 15 mass% or less. If the content of the rare earth element oxide is 2% by mass or more, the effect of suppressing the carbon precipitation by the rare earth element becomes higher, and if it is 25% by mass or less, the rare earth element oxide is less likely to aggregate and is exposed to the surface. The amount of active metal can be increased.

アルカリ土類金属元素としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムから選択される1種または2種以上のアルカリ土類金属を用いることが好ましく、炭素析出抑制効果および活性向上効果がより優れることから、マグネシウムおよびストロンチウムがさらに好ましい。
アルミナ含有担体中におけるアルカリ土類金属元素の含有量は、アルミナを100質量%とした際の0.1質量%以上15質量%以下、好ましくは0.5質量%以上12質量%以下、さらに好ましくは1質量%以上10質量%以下である。アルカリ土類金属元素酸化物の含有量が0.1質量%以上であれば、アルカリ土類金属元素の炭素析出抑制効果および活性向上効果がより高くなり、15質量%以下であれば、アルカリ土類金属元素が凝集しにくくなり、表面に露出する活性金属の量をより多くできる。
As the alkaline earth metal element, it is preferable to use one or more alkaline earth metals selected from magnesium, calcium, strontium, and barium, because the carbon precipitation suppression effect and the activity improvement effect are more excellent. More preferred are magnesium and strontium.
The content of the alkaline earth metal element in the alumina-containing carrier is 0.1% by mass or more and 15% by mass or less, preferably 0.5% by mass or more and 12% by mass or less, more preferably 100% by mass of alumina. Is 1 mass% or more and 10 mass% or less. When the content of the alkaline earth metal element oxide is 0.1% by mass or more, the carbon precipitation suppressing effect and the activity improving effect of the alkaline earth metal element are further increased. The metal group element is less likely to aggregate, and the amount of active metal exposed on the surface can be increased.

改質用触媒(A)において、活性金属、希土類元素およびアルカリ土類金属元素の組み合わせとしては、触媒活性および耐硫黄性にとりわけ優れることから、ロジウム、セリウムおよびストロンチウムの組み合わせが好ましい。   In the reforming catalyst (A), the combination of the active metal, rare earth element and alkaline earth metal element is preferably a combination of rhodium, cerium and strontium because of its particularly excellent catalytic activity and sulfur resistance.

改質部11で使用される改質用触媒(A)の触媒強度は、木屋式測定法による触媒圧壊強度が、1個の触媒粒子当たり50N以上であることが好ましい。触媒圧壊強度が50N以上であれば、燃料電池システムの運転中に触媒が割れにくく、粉化を防止できる。   The catalyst strength of the reforming catalyst (A) used in the reforming section 11 is preferably such that the catalyst crushing strength according to the Kiya measurement method is 50 N or more per catalyst particle. If the catalyst crushing strength is 50 N or more, the catalyst is difficult to break during operation of the fuel cell system, and powdering can be prevented.

改質用触媒(A)は、粉末状であってもよいし、所定の形状に成形した成形体であってもよい。成形体の形状としては、例えば、球形、リング状、タブレット状、円筒状、フレーク状などが挙げられる。
成形体を得る方法としては、例えば、改質用触媒(A)を打錠成形し、粉砕した後、整粒する方法、改質用触媒にバインダを添加し、押し出し成形する方法などが挙げられる。また、アルミナ含有担体を打錠成形し、粉砕した後、整粒して得た後、活性金属を担持する方法、アルミナ含有担体にバインダを添加し、押し出し成形した後、活性金属を担持する方法を適用することができる。
また、改質用触媒(A)はモノリス状、ハニカム状になっていてもよい。また、改質用触媒(A)をモノリス状またはハニカム状の構造体にコーティングして使用してもよい。
The reforming catalyst (A) may be in the form of a powder or may be a molded body that is molded into a predetermined shape. Examples of the shape of the molded body include a spherical shape, a ring shape, a tablet shape, a cylindrical shape, and a flake shape.
Examples of the method for obtaining a molded article include a method of tableting and reforming the reforming catalyst (A), pulverizing and then granulating, a method of adding a binder to the reforming catalyst, and extrusion molding. . In addition, after compressing, molding, and sizing the alumina-containing carrier, a method of supporting the active metal, a method of adding a binder to the alumina-containing carrier, extrusion molding, and then supporting the active metal Can be applied.
The reforming catalyst (A) may be monolithic or honeycomb-shaped. Further, the reforming catalyst (A) may be used by coating a monolithic or honeycomb structure.

[第1硫化水素除去部]
第1硫化水素除去部12は、改質部11にて水素製造用原料中の硫黄化合物が水素と反応して生成した硫化水素を除去する部分である。
第1硫化水素除去部12では、硫黄濃度を、硫黄原子の質量として、好ましくは5ppm以下にする。硫黄濃度を5ppm以下にすれば、シフト反応用触媒の活性低下を充分に防止できる。しかし、硫黄濃度を5ppm未満にするためには、硫黄除去条件を厳しいものにしなければならない。
硫化水素の除去方法としては、例えば、酸化亜鉛を主成分とする吸着剤、銅−亜鉛を主成分とする吸着剤、ニッケル−亜鉛を主成分とする吸着剤等に吸着させる方法などが挙げられる。
[First hydrogen sulfide removal section]
The first hydrogen sulfide removing unit 12 is a part that removes hydrogen sulfide generated by the reaction of the sulfur compound in the raw material for hydrogen production with hydrogen in the reforming unit 11.
In the first hydrogen sulfide removing unit 12, the sulfur concentration is preferably 5 ppm or less as the mass of sulfur atoms. If the sulfur concentration is 5 ppm or less, the activity of the shift reaction catalyst can be sufficiently prevented from decreasing. However, in order to reduce the sulfur concentration to less than 5 ppm, the sulfur removal conditions must be severe.
Examples of the method for removing hydrogen sulfide include an adsorbent mainly composed of zinc oxide, an adsorbent composed mainly of copper-zinc, and an adsorbent composed mainly of nickel-zinc. .

第1硫化水素除去部12にて硫化水素を除去する際の温度は100℃以上500℃以下にすることが好ましい。第1硫化水素除去部12における硫化水素除去温度が500℃以下であれば、平衡上硫化水素の吸着量がより多くなり、硫黄濃度を容易に5ppm以下にできる。しかし、第1硫化水素除去部12における硫化水素除去温度が100℃未満になると、吸着剤の硫化反応が起きにくくなり、かえって硫化水素の除去量が不充分になる。   The temperature at which hydrogen sulfide is removed by the first hydrogen sulfide removing unit 12 is preferably 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. If the hydrogen sulfide removal temperature in the first hydrogen sulfide removal unit 12 is 500 ° C. or less, the amount of adsorption of hydrogen sulfide is increased in equilibrium, and the sulfur concentration can be easily reduced to 5 ppm or less. However, if the hydrogen sulfide removal temperature in the first hydrogen sulfide removal unit 12 is less than 100 ° C., the sulfidation reaction of the adsorbent becomes difficult to occur, and the removal amount of hydrogen sulfide becomes insufficient.

[シフト反応部]
シフト反応部13は、改質ガスの水素濃度を高めると共に一酸化炭素濃度を低減させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水に反応させて、水素と二酸化炭素にするシフト反応を行う部分である。
シフト反応を行う際には、通常、シフト反応用触媒が使用される。シフト反応用触媒としては、例えば、鉄−クロムの混合酸化物、亜鉛−銅の混合酸化物や、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒が挙げられる。
シフト反応部13では、一酸化炭素含有量(水蒸気を除いて算出したモル%)を好ましくは2質量%以下、より好ましくは1質量%以下、さらに好ましくは0.5質量%以下までに低減させる。
シフト反応は二段階としてもよく、例えば、高温シフト反応と低温シフト反応との二段階とすることができる。
[Shift reaction section]
In order to increase the hydrogen concentration of the reformed gas and reduce the carbon monoxide concentration, the shift reaction unit 13 reacts the carbon monoxide contained in the reformed gas with water to perform hydrogen and carbon dioxide shift reaction. It is a part to do.
When performing the shift reaction, a shift reaction catalyst is usually used. Examples of the shift reaction catalyst include iron-chromium mixed oxides, zinc-copper mixed oxides, and catalysts containing noble metals such as platinum, ruthenium and iridium.
In the shift reaction unit 13, the carbon monoxide content (mol% calculated excluding water vapor) is preferably reduced to 2% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, and further preferably 0.5% by mass or less. .
The shift reaction may be a two-stage process, for example, a two-stage process of a high temperature shift reaction and a low temperature shift reaction.

シフト反応は発熱反応であるため、平衡論的には低温での運転条件が好ましいが、用いる触媒の活性が発現する温度に応じて加熱する。具体的には、シフトを1段で行う場合、通常100℃以上450℃以下、好ましくは120℃以上400℃以下、より好ましくは150℃以上350℃以下の範囲にする。100℃以上であれば、触媒活性が高くなり、一酸化炭素をより反応させることができる。450℃以下であれば、熱による触媒劣化を抑制することができ、高い耐久性を持たせることができる。   Since the shift reaction is an exothermic reaction, operation conditions at low temperatures are preferable in terms of equilibrium, but heating is performed according to the temperature at which the activity of the catalyst used is developed. Specifically, when the shift is performed in a single stage, the temperature is usually 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, preferably 120 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. If it is 100 degreeC or more, a catalyst activity will become high and can react carbon monoxide more. If it is 450 degrees C or less, the catalyst deterioration by a heat | fever can be suppressed and high durability can be given.

[第2硫化水素除去部]
第2硫化水素除去部14は、第1硫化水素除去部12を通過した硫化水素を除去する部分である。
第2硫化水素除去部14では、硫黄濃度を、硫黄原子の質量として、好ましくは0.1ppm以下にする。硫黄濃度を0.1ppm以下にすれば、選択酸化触媒および燃料電池本体の活性低下を充分に防止できる。しかし、硫黄濃度を0.1ppm未満にするためには、硫黄除去条件を厳しいものにしなければならない。
第2硫化水素除去部における硫化水素の除去方法としては、第1硫化水素除去部12と同様の方法を適用することができる。
[Second hydrogen sulfide removal section]
The second hydrogen sulfide removing unit 14 is a part that removes hydrogen sulfide that has passed through the first hydrogen sulfide removing unit 12.
In the second hydrogen sulfide removing unit 14, the sulfur concentration is preferably set to 0.1 ppm or less as the mass of sulfur atoms. If the sulfur concentration is 0.1 ppm or less, it is possible to sufficiently prevent the activity of the selective oxidation catalyst and the fuel cell body from decreasing. However, in order to reduce the sulfur concentration to less than 0.1 ppm, the sulfur removal conditions must be severe.
As a method for removing hydrogen sulfide in the second hydrogen sulfide removing unit, a method similar to that for the first hydrogen sulfide removing unit 12 can be applied.

第2硫化水素除去部14にて硫化水素を除去する際の温度は、第1硫化水素除去部12の温度よりも低く、100℃以上250℃以下にすることが好ましい。第2硫化水素除去部14における硫化水素除去温度が250℃以下であれば、平衡上硫化水素の吸着量がより多くなり、硫黄濃度を容易に0.1ppm以下にできる。しかし、第2硫化水素除去部14における硫化水素除去温度が100℃未満になると、吸着剤の硫化反応が起きにくくなり、かえって硫化水素の除去量が不充分になる。   The temperature at which hydrogen sulfide is removed by the second hydrogen sulfide removing unit 14 is preferably lower than the temperature of the first hydrogen sulfide removing unit 12 and is 100 ° C. or more and 250 ° C. or less. If the hydrogen sulfide removal temperature in the second hydrogen sulfide removal unit 14 is 250 ° C. or lower, the amount of adsorption of hydrogen sulfide is increased in equilibrium, and the sulfur concentration can be easily reduced to 0.1 ppm or lower. However, if the hydrogen sulfide removal temperature in the second hydrogen sulfide removal unit 14 is less than 100 ° C., the sulfidation reaction of the adsorbent becomes difficult to occur, and the removal amount of hydrogen sulfide becomes insufficient.

[選択酸化部]
選択酸化部15は、残留する一酸化炭素を選択酸化反応によって、さらに低減させる部分である。具体的には、一酸化炭素濃度を好ましくは10質量ppm以下に低減させる。
選択酸化反応では、通常、選択酸化反応用触媒が使用される。選択酸化反応用触媒としては、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀、または金などを含有する触媒が挙げられる。中でも、ルテニウムを含有する触媒が好ましい。
選択酸化反応用触媒がルテニウムを含有する場合には、そのルテニウム含有量は0.02質量%以上1質量%未満であることが好ましく、0.05質量%以上0.75質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以上0.5質量%以下であることが特に好ましい。
選択酸化反応では、一酸化炭素モル数に対して好ましくは0.5倍モル以上10倍モル以下、より好ましくは0.7倍モル以上5倍モル以下、さらに好ましくは1倍モル以上3倍モル以下の酸素を添加する。
選択酸化反応は、通常、50℃以上250℃以下、好ましくは60℃以上220℃以下、さらに好ましくは80℃以上200℃以下の範囲で行われる。50℃以上であれば、触媒活性が高くなり、一酸化炭素をより低減させることができ、250℃以下であれば、選択性が向上するため、水素消費量を少なくできる。
選択酸化反応は二段階で行うこともできる。
[Selective oxidation part]
The selective oxidation unit 15 is a part that further reduces the remaining carbon monoxide by a selective oxidation reaction. Specifically, the carbon monoxide concentration is preferably reduced to 10 ppm by mass or less.
In the selective oxidation reaction, a selective oxidation reaction catalyst is usually used. Examples of the selective oxidation reaction catalyst include a catalyst containing iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper, silver, or gold. Among these, a catalyst containing ruthenium is preferable.
When the selective oxidation reaction catalyst contains ruthenium, the ruthenium content is preferably 0.02% by mass or more and less than 1% by mass, and 0.05% by mass or more and 0.75% by mass or less. Is more preferable, and 0.1% by mass or more and 0.5% by mass or less is particularly preferable.
In the selective oxidation reaction, the number of moles of carbon monoxide is preferably 0.5 times to 10 times, more preferably 0.7 times to 5 times, more preferably 1 times to 3 times. Add the following oxygen.
The selective oxidation reaction is usually performed in the range of 50 ° C. to 250 ° C., preferably 60 ° C. to 220 ° C., more preferably 80 ° C. to 200 ° C. If it is 50 degreeC or more, a catalyst activity becomes high and can reduce carbon monoxide more, and if it is 250 degrees C or less, since selectivity improves, hydrogen consumption can be decreased.
The selective oxidation reaction can also be performed in two steps.

また、選択酸化部15の後段には、燃料電池供給用ガスへの硫化水素含有量をより少なくするために、第3硫化水素除去部を設けることができる。
第3硫化水素除去部における硫化水素の除去方法としては、第1硫化水素除去部12と同様の方法を適用することができる。
In addition, a third hydrogen sulfide removing unit can be provided downstream of the selective oxidation unit 15 in order to reduce the hydrogen sulfide content in the fuel cell supply gas.
As a method for removing hydrogen sulfide in the third hydrogen sulfide removing unit, a method similar to that for the first hydrogen sulfide removing unit 12 can be applied.

以上説明した水素製造装置10では、改質部11での改質反応において用いる改質用触媒が耐硫黄性に優れるため、水素製造用原料に硫黄化合物が含まれていても改質反応用触媒の活性低下が防止されている。また、第1硫化水素除去部12により、改質部11にて生成した硫化水素を除去するため、シフト反応用触媒の活性低下が防止されている。また、第2硫化水素除去部14により、第1硫化水素除去部12を通過した硫化水素を除去するため、選択酸化反応用触媒の活性低下が防止されている。したがって、長時間安定的に燃料電池を運転することができる。
また、上記水素製造装置10では、改質部11の前に水素製造用原料を脱硫する代わりに第1硫化水素除去部12および第2硫化水素除去部14によって脱硫することで、改質部11の前の脱硫用吸着剤を省略するため、メンテナンス頻度を少なくできる。
また、一般に、硫化水素の除去は、硫化水素以外の硫黄化合物を除去するよりも容易である。したがって、脱硫の効率も高い。
In the hydrogen production apparatus 10 described above, the reforming catalyst used in the reforming reaction in the reforming unit 11 is excellent in sulfur resistance. Therefore, even if a sulfur compound is contained in the hydrogen production raw material, the reforming reaction catalyst. The decrease in activity is prevented. Further, since the first hydrogen sulfide removing unit 12 removes the hydrogen sulfide generated in the reforming unit 11, the activity of the shift reaction catalyst is prevented from being lowered. Further, since the second hydrogen sulfide removing unit 14 removes the hydrogen sulfide that has passed through the first hydrogen sulfide removing unit 12, the activity of the selective oxidation reaction catalyst is prevented from being lowered. Therefore, the fuel cell can be stably operated for a long time.
Further, in the hydrogen production apparatus 10, instead of desulfurizing the raw material for hydrogen production before the reforming unit 11, the reforming unit 11 is desulfurized by the first hydrogen sulfide removing unit 12 and the second hydrogen sulfide removing unit 14. Since the adsorbent for desulfurization before is omitted, the maintenance frequency can be reduced.
In general, removal of hydrogen sulfide is easier than removing sulfur compounds other than hydrogen sulfide. Therefore, the efficiency of desulfurization is also high.

なお、本発明の水素製造装置は上記実施形態例に限定されず、改質部11の前に、水素製造用原料に含まれる硫黄化合物を吸着して除去するための脱硫部を設けても構わない。   The hydrogen production apparatus of the present invention is not limited to the above embodiment, and a desulfurization unit for adsorbing and removing sulfur compounds contained in the raw material for hydrogen production may be provided before the reforming unit 11. Absent.

(燃料電池システム)
本発明の燃料電池システムの一実施形態例について説明する。
図1に、本実施形態例の燃料電池システムを示す。この燃料電池システム1は、水素製造装置10と、燃料電池部20とを具備する。
(Fuel cell system)
An embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a fuel cell system according to this embodiment. The fuel cell system 1 includes a hydrogen production apparatus 10 and a fuel cell unit 20.

燃料電池部20としては、固体高分子形(PEFC)、リン酸形(PAFC)、固体酸化物形(SOFC)、溶融炭酸塩形(MCFC)などのセルスタックを用いることができ、中でも、固体高分子形が好ましい。   As the fuel cell unit 20, a cell stack of a solid polymer type (PEFC), a phosphoric acid type (PAFC), a solid oxide type (SOFC), a molten carbonate type (MCFC) or the like can be used. The polymer form is preferred.

固体高分子形燃料電池は、アノード(燃料極)と、カソード(空気極)と、これらの電極に挟まれる固体高分子電解質とを有する。アノードには水素製造装置10で得られて燃料電池供給用ガスが供給され、カソードには空気等の酸素含有ガスが供給される。水素含有ガスおよび酸素供給ガスは、必要に応じて、加湿処理が施されてもよい。
また、アノードには、白金黒、活性炭担持の白金触媒、白金−ルテニウム合金触媒などが含まれ、カソードには、白金黒、活性炭担持の白金触媒などが含まれる。通常、アノードに含まれる触媒、カソードに含まれる触媒は、各々、ポリテトラフルオロエチレン、低分子の高分子電解質膜、活性炭などに含有されて多孔質触媒層にされる。
アノードおよびカソードには電気負荷が電気的に接続される。
The solid polymer fuel cell has an anode (fuel electrode), a cathode (air electrode), and a solid polymer electrolyte sandwiched between these electrodes. A fuel cell supply gas obtained by the hydrogen production apparatus 10 is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode. The hydrogen-containing gas and the oxygen supply gas may be humidified as necessary.
The anode includes platinum black, activated carbon-supported platinum catalyst, platinum-ruthenium alloy catalyst, and the like, and the cathode includes platinum black, activated carbon-supported platinum catalyst, and the like. Usually, the catalyst contained in the anode and the catalyst contained in the cathode are each contained in polytetrafluoroethylene, a low molecular weight polymer electrolyte membrane, activated carbon, or the like to form a porous catalyst layer.
An electrical load is electrically connected to the anode and the cathode.

固体高分子電解質膜としては、ナフィオン(Nafion、デュポン社製、登録商標)、ゴア(Gore、ゴア社製、登録商標)、フレミオン(Flemion、旭硝子社製、登録商標)、アシプレックス(Aciplex、旭化成社製、登録商標)等の高分子電解質膜を用いることができる。
固体高分子電解質膜の両側に、上記多孔質触媒層を積層することで、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極集合体)が形成される。さらにMEAを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいて重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで、燃料電池部20とされる。
Examples of the solid polymer electrolyte membrane include Nafion (Nafion, DuPont, registered trademark), Gore (Gore, Gore, registered trademark), Flemion (Flemion, Asahi Glass, registered trademark), Aciplex (Aciplex, Asahi Kasei). For example, a polymer electrolyte membrane such as a registered trademark of the company can be used.
By laminating the porous catalyst layer on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, an MEA (Membrane Electrode Assembly) is formed. Further, the fuel cell unit 20 is formed by sandwiching the MEA with a separator having a gas supply function, a current collection function, particularly an important drainage function in the cathode, and the like made of a metal material, graphite, carbon composite and the like.

上記燃料電池システム1では、上記水素製造装置10によって得た燃料電池供給用ガスを燃料電池部20に供給する。上記水素製造装置10によって得た燃料電池供給用ガスは、硫化水素や一酸化炭素等の不純物が少ないから、長期間にわたって安定に運転できる。   In the fuel cell system 1, the fuel cell supply gas obtained by the hydrogen production apparatus 10 is supplied to the fuel cell unit 20. Since the fuel cell supply gas obtained by the hydrogen production apparatus 10 has few impurities such as hydrogen sulfide and carbon monoxide, it can be stably operated over a long period of time.

なお、本発明は、上記実施形態例に限定されない。例えば、本発明の水素製造装置10は、改質部11より下流側に硫化水素除去部を1つ以上有すればよいため、図2に示すように、硫化水素除去部(第1硫化水素除去部12)を改質部11とシフト反応部13との間のみに設けてもよい。
また、図3に示すように、改質部11とシフト反応部13との間、シフト反応部13と選択酸化部15の間および選択酸化部15の下流側の各々に硫化水素除去部(第1硫化水素除去部12,第2硫化水素除去部14,第3硫化水素除去部16)を設けてもよい。
また、図4に示すように、改質部11とシフト反応部13との間および選択酸化部15の下流側の各々に硫化水素除去部(第1硫化水素除去部12,第2硫化水素除去部16)を設けてもよい。
また、本発明の水素製造装置10は、選択酸化部15を省略しても構わない。しかし、燃料電池に供給する燃料に含まれる一酸化炭素含有量を極力少なくするためには、選択酸化部15を有していることが好ましい。
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, since the hydrogen production apparatus 10 of the present invention only needs to have one or more hydrogen sulfide removing units downstream from the reforming unit 11, as shown in FIG. 2, the hydrogen sulfide removing unit (first hydrogen sulfide removing unit) The part 12) may be provided only between the reforming part 11 and the shift reaction part 13.
In addition, as shown in FIG. 3, a hydrogen sulfide removing unit (first unit) is provided between the reforming unit 11 and the shift reaction unit 13, between the shift reaction unit 13 and the selective oxidation unit 15, and downstream of the selective oxidation unit 15. A first hydrogen sulfide removing unit 12, a second hydrogen sulfide removing unit 14, and a third hydrogen sulfide removing unit 16) may be provided.
Further, as shown in FIG. 4, a hydrogen sulfide removal unit (first hydrogen sulfide removal unit 12, second hydrogen sulfide removal) is provided between the reforming unit 11 and the shift reaction unit 13 and downstream of the selective oxidation unit 15. Part 16) may be provided.
In the hydrogen production apparatus 10 of the present invention, the selective oxidation unit 15 may be omitted. However, in order to minimize the carbon monoxide content contained in the fuel supplied to the fuel cell, it is preferable to have the selective oxidation unit 15.

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited to these Examples.

[実施例1]
孔径50nm以上の細孔の容積が0.4ml/g、表面積が5m/gのαアルミナに、硝酸セリウムと硝酸ストロンチウムを含浸させた。その際、酸化セリウムの担持量を、αアルミナの質量を100質量%とした際の13質量%、酸化ストロンチウムの担持量を、αアルミナの質量を100質量%とした際の5重量%になるように、硝酸セリウムと硝酸ストロンチウムを含浸させた。
次いで、150℃で8時間以上乾燥した後、空気雰囲気下、800℃で8時間焼成して、アルミナ含有担体を得た。
上記アルミナ含有担体に塩化ロジウムを、ロジウム担持量がアルミナ含有担体の質量を100質量%とした際の3質量%になるように含浸させ、120℃で12時間以上乾燥した後、500℃で1時間水素還元して、改質用触媒Aを得た。
図1に示すような、改質用触媒Aが充填された改質部11と第1硫化水素除去部12とシフト反応部13と第2硫化水素除去部14と選択酸化部15とを具備する水素製造装置10を用いて、硫黄分5ppmのLPガスを改質して、水素を含有する燃料電池供給用ガスを製造した。
その際、第1硫化水素除去部12の温度を400℃、第2硫化水素除去部14の温度を180℃にした。
また、改質反応の入口反応温度を500℃(出口反応温度は入口反応温度が500℃になるよう調整)、反応圧力を0.1MPa、スチーム/カーボン比3.0mol/mol、GHSV300h−1とした。
また、シフト反応の入口反応温度を300℃、出口反応温度を200℃、反応圧力を0.1MPa、GHSV1100h−1(wetベース)とした。
また、選択酸化反応の入口反応温度を160℃、出口反応温度を140℃、反応圧力を0.1MPa、GHSV6500h−1(wetベース)とした。
[Example 1]
Α-alumina having a pore volume of 50 nm or more and a volume of 0.4 ml / g and a surface area of 5 m 2 / g was impregnated with cerium nitrate and strontium nitrate. At that time, the supported amount of cerium oxide is 13% by mass when the mass of α-alumina is 100% by mass, and the supported amount of strontium oxide is 5% by mass when the mass of α-alumina is 100% by mass. Thus, impregnation with cerium nitrate and strontium nitrate was performed.
Subsequently, after drying at 150 degreeC for 8 hours or more, it baked at 800 degreeC in the air atmosphere for 8 hours, and obtained the alumina containing support | carrier.
The alumina-containing support is impregnated with rhodium chloride so that the amount of rhodium supported is 3% by mass when the mass of the alumina-containing support is 100% by mass, dried at 120 ° C. for 12 hours or more, and then at 1 ° C. at 500 ° C. Reforming catalyst A was obtained by hydrogen reduction for a period of time.
As shown in FIG. 1, a reforming unit 11 filled with the reforming catalyst A, a first hydrogen sulfide removing unit 12, a shift reaction unit 13, a second hydrogen sulfide removing unit 14, and a selective oxidation unit 15 are provided. Using the hydrogen production apparatus 10, LP gas having a sulfur content of 5 ppm was reformed to produce a fuel cell supply gas containing hydrogen.
At that time, the temperature of the first hydrogen sulfide removing unit 12 was set to 400 ° C., and the temperature of the second hydrogen sulfide removing unit 14 was set to 180 ° C.
Further, the inlet reaction temperature of the reforming reaction is 500 ° C. (the outlet reaction temperature is adjusted so that the inlet reaction temperature is 500 ° C.), the reaction pressure is 0.1 MPa, the steam / carbon ratio is 3.0 mol / mol, and GHSV 300h −1 . did.
Further, the inlet reaction temperature of the shift reaction was 300 ° C., the outlet reaction temperature was 200 ° C., the reaction pressure was 0.1 MPa, and GHSV1100h −1 (wet base).
Moreover, the inlet reaction temperature of the selective oxidation reaction was 160 ° C., the outlet reaction temperature was 140 ° C., the reaction pressure was 0.1 MPa, and GHSV 6500 h −1 (wet base).

[比較例1]
実施例1において、塩化ロジウムの代わりに塩化ルテニウムを用い、ルテニウム担持量がアルミナ含有担体の質量を100質量%とした際の3質量%になるように含浸させ、120℃で12時間以上乾燥した後、500℃で1時間水素還元して得た、改質用触媒Bを用いた以外は実施例1と同様にして、燃料電池供給用ガスを製造した。
[Comparative Example 1]
In Example 1, ruthenium chloride was used instead of rhodium chloride, and the amount of ruthenium supported was impregnated so as to be 3% by mass when the mass of the alumina-containing carrier was 100% by mass, and dried at 120 ° C. for 12 hours or more. Thereafter, a fuel cell supply gas was produced in the same manner as in Example 1 except that the reforming catalyst B obtained by hydrogen reduction at 500 ° C. for 1 hour was used.

得られた燃料電池供給用ガスに含まれる成分をガスクロマトグラフにより定量分析して、改質反応、シフト反応および選択酸化反応の活性および硫化水素除去性を評価した。結果を表1に示す。
表1に示すように実施例1では、製造開始100時間後においても、未反応の炭化水素、残留一酸化炭素、残留硫化水素が少なく、水素生成量が多かった。また、実施例1で得た燃料電池供給用ガスを用いて、燃料電池システムで発電したところ、長期にわたって安定に運転できた。
これに対し、比較例1では、残留一酸化炭素が多く、水素生成量が少なかった。また、比較例1で得た燃料電池供給用ガスを用いて、燃料電池システムで発電したところ、発電量が小さくなり、しかも長期間運転できなかった。
The components contained in the obtained fuel cell supply gas were quantitatively analyzed with a gas chromatograph to evaluate the activity of the reforming reaction, shift reaction and selective oxidation reaction, and the ability to remove hydrogen sulfide. The results are shown in Table 1.
As shown in Table 1, in Example 1, even after 100 hours from the start of production, the amount of unreacted hydrocarbons, residual carbon monoxide and residual hydrogen sulfide was small, and the amount of hydrogen produced was large. Further, when the fuel cell system was used to generate power using the fuel cell supply gas obtained in Example 1, it was possible to operate stably over a long period of time.
On the other hand, in Comparative Example 1, the amount of residual carbon monoxide was large and the amount of hydrogen produced was small. In addition, when the fuel cell supply gas obtained in Comparative Example 1 was used to generate power with the fuel cell system, the amount of power generation was small, and operation was not possible for a long time.

Figure 2011088778
Figure 2011088778

1 燃料電池システム
10 水素製造装置
11 改質部
12 第1硫化水素除去部
13 シフト反応部
14 第2硫化水素除去部
15 選択酸化部
16 第3硫化水素除去部
20 燃料電池部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Hydrogen production apparatus 11 Reforming part 12 1st hydrogen sulfide removal part 13 Shift reaction part 14 2nd hydrogen sulfide removal part 15 Selective oxidation part 16 3rd hydrogen sulfide removal part 20 Fuel cell part

Claims (2)

炭化水素を含有する水素製造用原料を、水蒸気改質用触媒を用いて水蒸気改質して、水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部と、硫化水素を除去する硫化水素除去部とを有する水素製造装置であって、
前記水蒸気改質用触媒は、アルミナ含有担体に、ロジウム、白金、パラジウムからなる群より選ばれる1種以上の活性金属が、前記アルミナ含有担体100質量%に対して0.3質量%以上5質量%以下の割合で担持され、
アルミナ含有担体は、孔径50nm以上の細孔の容積が0.2ml/g以上1.0ml/g以下であるαアルミナに、αアルミナ100質量%に対して2質量%以上25質量%以下の希土類元素酸化物と、0.1質量%以上15質量%以下のアルカリ土類元素酸化物とが担持された担体であることを特徴とする水素製造装置。
A reforming section that produces a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide by steam reforming a raw material for producing hydrogen containing hydrocarbons using a steam reforming catalyst, and a sulfurization that removes hydrogen sulfide A hydrogen production apparatus having a hydrogen removal unit,
In the steam reforming catalyst, one or more active metals selected from the group consisting of rhodium, platinum and palladium are contained in an alumina-containing support in an amount of 0.3 to 5% by mass with respect to 100% by mass of the alumina-containing support. % Or less,
The alumina-containing support is an α-alumina having a pore volume of 50 nm or more and a pore volume of 0.2 ml / g or more and 1.0 ml / g or less, and 2 to 25% by mass of rare earth based on 100% by mass of α-alumina. An apparatus for producing hydrogen, comprising a carrier on which an elemental oxide and an alkaline earth elemental oxide in an amount of 0.1% by mass to 15% by mass are supported.
請求項1に記載の水素製造装置を具備することを特徴とする燃料電池システム。   A fuel cell system comprising the hydrogen production apparatus according to claim 1.
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