JP2011195349A - Apparatus for producing hydrogen - Google Patents

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Takumi Nishii
匠 西井
Tomoki Nakagawa
友貴 中川
Ryuichi Tominaga
隆一 冨永
Koya Izeki
孝弥 井関
Yoshinori Shirasaki
義則 白崎
Isamu Yasuda
勇 安田
Masaya Ito
正也 伊藤
Yasuhiro Takagi
保宏 高木
Hidekazu Shigaki
秀和 志垣
Hideaki Hikosaka
英昭 彦坂
Hiroyuki Tanaka
裕之 田中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an apparatus for producing hydrogen that uses a precise hollow support as a support for a reforming catalyst serving also as a support and uses the reforming catalyst serving also as a support as a support for a hydrogen separation membrane, wherein all gases of a feed gas, hydrogen and an offgas are made to flow through the reforming catalyst serving also as a support.SOLUTION: The apparatus for producing hydrogen is composed of the precise hollow support having a hollow part through which the feed gas flows, the porous reforming catalyst serving also as a support adhered to the outer peripheral surface of the precise hollow support, and the hydrogen separation membrane on the outer peripheral surface of the reforming catalyst serving also as a support. The feed gas flows through the hollow part inside the precise hollow support, turning at the end thereof in the direction of flow, and forms a reformed gas from the feed gas while flowing in the reforming catalyst serving also as a support. The formed reformed gas is purified through the hydrogen separation membrane to produce high-purity hydrogen.

Description

本発明は、炭化水素ガスの水蒸気改質により改質ガスを生成し、且つ、生成改質ガスを水素分離膜で精製して高純度の水素を製造する水素製造装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus for producing a reformed gas by steam reforming of a hydrocarbon gas and producing high-purity hydrogen by purifying the produced reformed gas with a hydrogen separation membrane.

水素の工業的製造方法の一つとして炭化水素ガスの水蒸気改質法がある。水蒸気改質法では、通常、粒状等の改質触媒を充填した改質器が用いられる。水蒸気改質器で得られる改質ガスには主成分である水素のほか、CO、CO2等の副生成分や余剰H2Oが含まれている。このため改質ガスを、例えば燃料電池にそのまま用いたのでは電池性能を阻害してしまう。 One of the industrial methods for producing hydrogen is a hydrocarbon gas steam reforming method. In the steam reforming method, a reformer filled with a reforming catalyst such as a granule is usually used. The reformed gas obtained by the steam reformer contains by-products such as CO and CO 2 and surplus H 2 O in addition to hydrogen as a main component. For this reason, if the reformed gas is used as it is in, for example, a fuel cell, the cell performance is hindered.

燃料電池のうちリン酸形燃料電池(PAFC)で用いる水素ガス中のCOは1%(vol%、以下同じ)程度、固体高分子形燃料電池(PEFC)では100ppm(volppm、以下同じ)程度が限度であり、これらを超えると電池性能が著しく劣化する。このため、それら副生成分は燃料電池へ導入する前に除去する必要がある。また、不飽和結合への水素添加用あるいは酸水素炎用の水素は通常ボンベに詰めたものが使用されており、その純度は5N(=99.999%)以上が要求されている。   Among fuel cells, the CO in hydrogen gas used in phosphoric acid fuel cells (PAFC) is about 1% (vol%, the same applies hereinafter), and the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is about 100 ppm (volppm, the same applies hereinafter). If these are exceeded, battery performance will be significantly degraded. For this reason, these by-products must be removed before being introduced into the fuel cell. In addition, hydrogen used for hydrogen addition to an unsaturated bond or oxyhydrogen flame is usually packed in a cylinder, and its purity is required to be 5N (= 99.999%) or more.

水蒸気改質器による改質ガスの生成と生成した改質ガスの精製とを一つの装置で行えるように一体化した装置としてメンブレンリアクターがある。メンブレンリアクターにおいて、炭化水素ガスは、バーナでの発生熱を加熱源とし、水蒸気による改質反応により改質触媒層で改質されて改質ガスとなる。改質ガス中の水素はPd膜などの水素分離膜により選択的に分離され精製水素として取り出される。   There is a membrane reactor as an apparatus integrated so that generation of the reformed gas by the steam reformer and purification of the generated reformed gas can be performed by one apparatus. In the membrane reactor, the hydrocarbon gas is reformed by the reforming catalyst layer by a reforming reaction with water vapor using the heat generated in the burner as a heating source, and becomes a reformed gas. Hydrogen in the reformed gas is selectively separated by a hydrogen separation membrane such as a Pd membrane and taken out as purified hydrogen.

原料ガス(炭化水素ガス+水蒸気)は改質触媒層に平行な流路を流れながら改質触媒層の表面及び改質触媒層中へ流れて改質される。改質ガス中の水素は改質触媒層に続き配置された水素分離膜により選択的に分離され精製水素として取り出され、水素以外のガス(未反応の原料ガスを含む)はオフガスとして排出される。   The raw material gas (hydrocarbon gas + water vapor) flows through the flow path parallel to the reforming catalyst layer and flows into the surface of the reforming catalyst layer and into the reforming catalyst layer to be reformed. Hydrogen in the reformed gas is selectively separated by a hydrogen separation membrane arranged after the reforming catalyst layer and taken out as purified hydrogen, and gases other than hydrogen (including unreacted source gas) are discharged as off-gas. .

改質触媒一体化モジュールは各種の工夫、改良が加えられている。図1〜3はその一例として、多孔質からなる改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である(特開2004−149332号公報)。図1のとおり、円筒型反応管として外膜式円筒型反応管が用いられる。   Various devices and improvements have been added to the reforming catalyst integrated module. FIGS. 1 to 3 are diagrams illustrating an example of a hydrogen production apparatus using an outer membrane type cylindrical reaction tube in which a hydrogen separation membrane is arranged on the surface of a porous reforming catalyst / support (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-249867). 2004-149332). As shown in FIG. 1, an outer membrane type cylindrical reaction tube is used as the cylindrical reaction tube.

特開2004−149332号公報JP 2004-149332 A

図2〜3に当該外膜式円筒型反応管の構造を示している。この外膜式円筒型反応管を図1のように外管内にセットして水素製造装置を構成する。この反応管は、例えばNi−YSZサーメットで構成した円筒状改質触媒兼支持体の外周面にPd膜を形成して構成される。Pd膜の形成は無電解めっき法などにより行われる。図1のとおり、円筒型反応管の上部及び外管の上部は蓋により塞がれている。円筒型反応管内に間隔を置いて内管を配置し、円筒型反応管を囲んで外管が配置されている。   2 to 3 show the structure of the outer membrane type cylindrical reaction tube. This outer membrane type cylindrical reaction tube is set in the outer tube as shown in FIG. 1 to constitute a hydrogen production apparatus. This reaction tube is configured by forming a Pd film on the outer peripheral surface of a cylindrical reforming catalyst / support composed of, for example, Ni—YSZ cermet. The Pd film is formed by an electroless plating method or the like. As shown in FIG. 1, the upper part of the cylindrical reaction tube and the upper part of the outer tube are closed by a lid. An inner tube is arranged at intervals in the cylindrical reaction tube, and an outer tube is arranged around the cylindrical reaction tube.

多孔質からなる改質触媒兼支持体は、円筒状に構成してもよく、平板状に構成してもよい。図1〜3は、そのうち円筒状に構成した態様で、外膜式円筒型反応管である。図1〜3のとおり、外膜式円筒型反応管では、円筒状改質触媒兼支持体の外側すなわち外周面に水素分離膜を配置して構成される。炭化水素ガスの改質には450〜680℃程度に加熱する必要があり、その加熱のため、例えば外膜式円筒型反応管を囲い、その空間に都市ガス等の燃焼ガスを供給される。   The porous reforming catalyst / support may be formed in a cylindrical shape or a flat plate shape. FIGS. 1 to 3 show an outer membrane type cylindrical reaction tube in a cylindrical configuration. As shown in FIGS. 1 to 3, the outer membrane type cylindrical reaction tube is configured by disposing a hydrogen separation membrane on the outer side of the cylindrical reforming catalyst / support, that is, the outer peripheral surface. For reforming the hydrocarbon gas, it is necessary to heat to about 450 to 680 ° C. For this heating, for example, an outer membrane type cylindrical reaction tube is surrounded and a combustion gas such as city gas is supplied into the space.

おおよそ、以上のように構成された水素製造装置の作動に際しては、都市ガスをバーナにより空気で燃焼させ、円筒型反応管を昇温する。図1を例に言えば、所定温度に到達後、原料ガス(炭化水素ガス+水蒸気)を下部から内管に供給し、上部で折返して内管と円筒状改質触媒兼支持体との間に導入する。炭化水素ガスは円筒状改質触媒兼支持体の改質触媒による触媒作用により改質される。   In general, when the hydrogen production apparatus configured as described above is operated, city gas is burned with air by a burner, and the temperature of the cylindrical reaction tube is increased. Taking FIG. 1 as an example, after reaching a predetermined temperature, a raw material gas (hydrocarbon gas + water vapor) is supplied from the lower part to the inner pipe and folded at the upper part between the inner pipe and the cylindrical reforming catalyst / support. To introduce. The hydrocarbon gas is reformed by the catalytic action of the reforming catalyst of the cylindrical reforming catalyst / support.

生成改質ガス中の水素はPd膜を選択的に透過して選択的に分離され、円筒状改質触媒兼支持体と外管との間の空隙を経て高純度の水素として取り出される。生成改質ガス中の水素以外の成分、すなわちCO、CO2、H2(Pd膜で未透過のH2)等は内管と円筒型反応管の間を通り、オフガスとして排出される。 Hydrogen in the generated reformed gas selectively permeates through the Pd membrane and is selectively separated, and is taken out as high-purity hydrogen through a gap between the cylindrical reforming catalyst / support and the outer tube. Components other than hydrogen in the reformate gas, i.e. CO, etc. (H 2 retentate with Pd film) CO 2, H 2 passes between the inner tube and a cylindrical reaction tube, and is discharged as off-gas.

このように、メンブレンリアクターは改質ガスの生成と精製とを一つの装置で行えることから原理的には非常に有用である。ところが、内挿管(内管)と改質触媒兼支持体との間には図1、3中Sとして示すようにガスが流通できる空間がある。改質触媒兼支持体は多孔質からなるため、ガス透過性はあるが、内挿管と改質触媒兼支持体との間の空間よりも抵抗(ガスの流通抵抗)が大きく、一部のガスは改質触媒兼支持体を通過せずにモジュール外部へ排出されてしまう。   Thus, the membrane reactor is very useful in principle because the reformed gas can be generated and purified with a single device. However, there is a space through which gas can flow as shown by S in FIGS. 1 and 3 between the inner tube (inner tube) and the reforming catalyst / support. Since the reforming catalyst / support is porous, it has gas permeability but has a larger resistance (gas flow resistance) than the space between the intubation tube and the reforming catalyst / support, and some gases Is discharged outside the module without passing through the reforming catalyst / support.

本発明は、炭化水素ガスの水蒸気改質により改質ガスを生成し且つ生成改質ガスを高純度に精製する外膜式円筒型反応管を含む水素製造装置で生じる以上の問題を解決するためになされたものであり、改質触媒兼支持体または改質触媒層の支持体として緻密中空支持体を用い、また水素分離膜の支持体として改質触媒兼支持体を用い、原料ガス、水素、オフガスの全ガスが改質触媒兼支持体または改質触媒層を通過するようにしてなる水素製造装置を提供することを目的とするものである。   The present invention solves the above problems that occur in a hydrogen production apparatus including an outer membrane cylindrical reaction tube that generates reformed gas by steam reforming of hydrocarbon gas and purifies the generated reformed gas with high purity. A dense hollow support as a reforming catalyst / support or a reforming catalyst layer support, and a reforming catalyst / support as a support for a hydrogen separation membrane. An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus in which all the off-gas passes through the reforming catalyst / support or the reforming catalyst layer.

本発明は、(1)原料ガスの流路である中空部を持つ緻密中空支持体と、前記緻密中空支持体の外周面に多孔質からなる改質触媒兼支持体を密着させて配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置してなり、原料ガスを前記緻密中空支持体内側の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記改質触媒兼支持体中を流れながら原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。   The present invention includes (1) a dense hollow support having a hollow portion which is a flow path for a source gas, and a porous reforming catalyst / support that is disposed in close contact with the outer peripheral surface of the dense hollow support. A hydrogen separation membrane is disposed on the outer peripheral surface of the reforming catalyst / support, the raw material gas is passed through the hollow portion inside the dense hollow support, and folded at the tip in the flow direction thereof to serve as the reforming catalyst / support. A hydrogen production apparatus characterized in that a reformed gas is produced from a raw material gas while flowing in a support, and the produced reformed gas is purified by a hydrogen separation membrane to produce high purity hydrogen.

本発明は、(2)原料ガスの流路である中空部を持つ緻密中空支持体と、前記緻密中空支持体の外周面に改質触媒層を配置するとともに、前記改質触媒層の外周に水素分離膜を配置してなり、原料ガスを前記緻密中空支持体内側の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記改質触媒層中を流しながら原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。   The present invention includes (2) a dense hollow support having a hollow portion which is a flow path for a source gas, a reforming catalyst layer disposed on the outer peripheral surface of the dense hollow support, and an outer periphery of the reforming catalyst layer. A hydrogen separation membrane is arranged, and the reformed gas is generated from the source gas while passing the source gas through the hollow portion inside the dense hollow support and turning back at the tip in the flow direction to flow through the reforming catalyst layer. Then, the produced reformed gas is purified by a hydrogen separation membrane to produce high-purity hydrogen.

緻密中空支持体すなわち内挿管と改質触媒層または改質触媒兼支持体との間の空間を実質的に無くすることにより、炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスである全原料ガスが改質触媒層または改質触媒兼支持体を通過することになるので、原料ガスを改質触媒上で反応させ、触媒一体化モジュールのさらなる高効率化を達成することができる。これにより、未反応のままモジュール外部へ排出されることなく、原料ガスを有効に利用することができる。その結果として、水素製造量の増加、すなわち水素製造効率の上昇が達成される。   By substantially eliminating the space between the dense hollow support, that is, the intubation tube and the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support, the entire raw material gas, which is a mixed gas of hydrocarbon gas and steam, is reformed. Since it passes through the catalyst layer or the reforming catalyst / support, the raw material gas is allowed to react on the reforming catalyst, so that further increase in efficiency of the catalyst integrated module can be achieved. As a result, the raw material gas can be used effectively without being discharged to the outside of the module without being reacted. As a result, an increase in hydrogen production, that is, an increase in hydrogen production efficiency is achieved.

また、改質触媒兼支持体を用いる場合、内挿管と改質触媒兼支持体とを一体化することで、モジュール全体を内挿管で保持することができるため、改質触媒兼支持体の強度が不要となる。その結果、多孔質である改質触媒兼支持体の孔径や気孔率等の設計の自由度が大きくなる。またその結果、多孔質におけるガス圧損を低減して水素製造効率を向上させることができる。   In addition, when using the reforming catalyst / support, the entire module can be held by the intubation by integrating the intubation and the reforming catalyst / support. Is no longer necessary. As a result, the degree of freedom in designing the pore size and porosity of the porous reforming catalyst / support is increased. As a result, the gas pressure loss in the porous body can be reduced and the hydrogen production efficiency can be improved.

さらに、本発明によれば、全原料ガスが改質触媒層または改質触媒兼支持体を通過することになるので、原料ガス、特に炭化水素系のガスが未反応のままモジュール外部へ排出されることなく、原料ガスを有効に利用することができる。その結果として、水素製造量の増加、すなわち、水素製造効率の上昇が達成される。   Furthermore, according to the present invention, since all the raw material gas passes through the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support, the raw material gas, particularly hydrocarbon gas, is discharged outside the module without being reacted. Therefore, the source gas can be used effectively. As a result, an increase in hydrogen production, that is, an increase in hydrogen production efficiency is achieved.

図1は、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a hydrogen production apparatus using an outer membrane type cylindrical reaction tube in which a hydrogen separation membrane is arranged on the surface of a reforming catalyst / support. 図2は、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a hydrogen production apparatus using an outer membrane type cylindrical reaction tube in which a hydrogen separation membrane is arranged on the surface of the reforming catalyst / support. 図3は、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a hydrogen production apparatus using an outer membrane type cylindrical reaction tube in which a hydrogen separation membrane is arranged on the surface of the reforming catalyst / support. 図4は、本発明の水素製造装置を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the hydrogen production apparatus of the present invention. 図5は、本発明の水素製造装置を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the hydrogen production apparatus of the present invention. 図6は、本発明の水素製造装置を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the hydrogen production apparatus of the present invention. 図7は、本発明の水素製造装置を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a hydrogen production apparatus according to the present invention. 図8は、本発明の水素製造装置で利用するバリア層を説明する図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a barrier layer used in the hydrogen production apparatus of the present invention.

改質触媒一体化モジュールは、改質触媒層と水素分離膜から構成される高効率な水素製造用のメンブレンリアクターである。そして、より高効率に水素を製造する手段の一つとして、原料ガスと改質触媒の接触を促進して反応率を向上させる方法がある。   The reforming catalyst integrated module is a membrane reactor for high-efficiency hydrogen production composed of a reforming catalyst layer and a hydrogen separation membrane. As one of means for producing hydrogen with higher efficiency, there is a method of improving the reaction rate by promoting contact between the raw material gas and the reforming catalyst.

一方、改質触媒一体化モジュールの実使用に際しては、改質触媒層または改質触媒兼支持体内に内挿管を配置する。そして、前述のとおり、内挿管と改質触媒層または改質触媒兼支持体との間には原料ガスが流通できる空間があり、一部の原料ガスは改質触媒層または改質触媒兼支持体を通過せずにモジュール外部へ排出される可能性があった。すなわち、一部の原料ガスは改質触媒層または改質触媒兼支持体の改質触媒と接触せず、未反応のままモジュール外部へ排出される可能性があった。   On the other hand, when the reforming catalyst integrated module is actually used, an intubation tube is disposed in the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support body. As described above, there is a space through which the source gas can flow between the intubation and the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support, and some of the source gases are supported by the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support. There was a possibility of being discharged outside the module without passing through the body. That is, a part of the raw material gas may not be in contact with the reforming catalyst layer or the reforming catalyst of the reforming catalyst / support, and may be discharged outside the module without being reacted.

本発明は、原料ガスの流路である中空部を持つ緻密中空支持体、すなわち内挿管と、内挿管と改質触媒層または改質触媒兼支持体とを密着させて配置して、内挿管と改質触媒層または改質触媒兼支持体との間の空間を実質的に無くすることにより、より多くの原料ガスすなわち炭化水素ガスと水蒸気を改質触媒上で反応させ、改質触媒一体化モジュールである水素製造装置のさらなる高効率化を達成するものである。   The present invention provides a dense hollow support having a hollow portion which is a flow path of a raw material gas, that is, an intubation tube, an intubation tube and a reforming catalyst layer or a reforming catalyst / support in close contact with each other. By substantially eliminating the space between the catalyst and the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support, more raw material gas, that is, hydrocarbon gas and steam react on the reforming catalyst, and the reforming catalyst is integrated. It is intended to achieve further improvement in efficiency of the hydrogen production apparatus that is a commutation module.

内挿管はステンレス鋼等で構成する。図4〜6は本発明の態様を説明する図である。本発明において、改質触媒兼支持体は、円筒状に構成してもよく、平板状に構成してもよいが、図4〜6では円筒状に構成した態様を示している。図4は外膜式円筒型反応管であり、図5〜6は複数個を使用する態様を説明する図である。   The intubation is made of stainless steel or the like. 4-6 is a figure explaining the aspect of this invention. In the present invention, the reforming catalyst / support may be formed in a cylindrical shape or may be formed in a flat plate shape, but FIGS. FIG. 4 shows an outer membrane type cylindrical reaction tube, and FIGS.

図4のとおり、外膜式円筒型反応管では、中央部に中空部を持つ緻密中空支持体、すなわち内挿管を配置する。そして、その外周面に改質触媒層または改質触媒兼支持体を密に配置する。これにより、内挿管と改質触媒層または改質触媒兼支持体との間の空間(隙間)を実質的に無くすることにより、原料ガスの全ガスが改質触媒層または改質触媒兼支持体を通過するので、原料ガスが未反応のままモジュール外部に排出されることなく、原料ガスを有効に利用することができる。その結果として、水素製造量の増加すなわち水素製造効率の上昇が達成される。   As shown in FIG. 4, in the outer membrane type cylindrical reaction tube, a dense hollow support body having a hollow portion at the center, that is, an intubation tube is arranged. Then, the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support is densely arranged on the outer peripheral surface. This substantially eliminates the space (gap) between the inner tube and the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support, so that all the raw material gases are supported by the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support. Since the raw material gas passes through the body, the raw material gas can be effectively used without being discharged to the outside of the module without being reacted. As a result, an increase in hydrogen production, that is, an increase in hydrogen production efficiency is achieved.

さらに、内挿管と改質触媒層または改質触媒兼支持体とを一体とすることで、モジュール全体を内挿管で保持することができるため、改質触媒層または改質触媒兼支持体の強度が不要となる。その結果、多孔質である改質触媒層または改質触媒兼支持体の孔径や気孔率の設計の自由度が大きくなる。その結果、多孔質におけるガス圧損を低減して水素製造効率を向上させることができる。また、製作上の制約が少なくなるので製造コストを低減することができるものである。   In addition, by integrating the inner tube and the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support, the entire module can be held by the inner tube, so that the strength of the reforming catalyst layer or the reforming catalyst / support is high. Is no longer necessary. As a result, the degree of freedom in designing the pore diameter and porosity of the porous reforming catalyst layer or reforming catalyst / support is increased. As a result, the gas pressure loss in the porous can be reduced and the hydrogen production efficiency can be improved. In addition, since manufacturing restrictions are reduced, manufacturing costs can be reduced.

〈改質触媒兼支持体について〉
改質触媒兼支持体は多孔質で、改質触媒としての役割と水素分離膜を支持する役割とを同時に果たすもので、本発明において重要な構成である。これにより、炭化水素ガスを改質触媒兼支持体で水蒸気改質して改質ガスを生成し、生成改質ガスを改質触媒兼支持体に支持した水素分離膜により精製し、高純度の水素を製造する。
<About reforming catalyst and support>
The reforming catalyst / support is porous and plays the role of a reforming catalyst and a role of supporting the hydrogen separation membrane at the same time, and is an important configuration in the present invention. As a result, the hydrocarbon gas is steam reformed by the reforming catalyst / support to generate reformed gas, and the generated reformed gas is purified by the hydrogen separation membrane supported by the reforming catalyst / support, thereby achieving high purity. Produce hydrogen.

改質触媒兼支持体としては、それ自体改質触媒としての機能を有し且つ水素分離膜を支持する機能を有する多孔質材料が用いられ、その例としてはニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物の焼結体(=Ni−YSZサーメット)その他、それらの機能を有する多孔質セラミックス、多孔質サーメットなどが挙げられる。   As the reforming catalyst and support, a porous material having a function as a reforming catalyst and supporting a hydrogen separation membrane is used. For example, a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia is used. Examples thereof include sintered bodies (= Ni—YSZ cermet), porous ceramics having such functions, and porous cermets.

Ni−YSZサーメットの場合、例えばNi粒子、NiO粒子及びYSZ(=イットリア安定化ジルコニア)粒子を混合し、混合物を押し出し成形、加圧成形等により成形し、焼成することにより作製される。焼結体中のNi成分の含有量は10〜70wt%の範囲で選定される。この材料は、改質温度=600℃、S/C比=3.0の場合、触媒単体として39%程度のメタン転化率を示し、従来の粒状改質触媒とほぼ同等の改質性能を有している。   In the case of Ni-YSZ cermet, for example, Ni particles, NiO particles and YSZ (= yttria-stabilized zirconia) particles are mixed, the mixture is formed by extrusion molding, pressure molding or the like, and fired. The content of the Ni component in the sintered body is selected in the range of 10 to 70 wt%. This material exhibits a methane conversion rate of about 39% as a single catalyst when the reforming temperature = 600 ° C. and the S / C ratio = 3.0, and has almost the same reforming performance as a conventional granular reforming catalyst. is doing.

水素分離膜としてはPd膜やPd合金膜などの金属膜が用いられる。Pd合金において、Pdと合金化する金属としてはAg、Pt、Rh、Ru、Ir、Ce、Y又はGdが挙げられる。金属膜は改質触媒兼支持体に対してめっき法や蒸着法その他適宜の方法により支持される。ここで、多孔質セラミックスの孔径は、金属膜の膜厚等との関係で10μm以下であるのが好ましい。金属膜の膜厚を20μmとする場合、多孔質セラミックスの孔径は10μm程度であるのが好ましく、金属膜の膜厚を20μm以下とする場合、これに対応して多孔質セラミックスの孔径は10μm程度以下とするのが好ましい。   As the hydrogen separation membrane, a metal membrane such as a Pd membrane or a Pd alloy membrane is used. In the Pd alloy, examples of the metal alloyed with Pd include Ag, Pt, Rh, Ru, Ir, Ce, Y, and Gd. The metal film is supported on the reforming catalyst / support by a plating method, a vapor deposition method or other appropriate methods. Here, the pore diameter of the porous ceramics is preferably 10 μm or less in relation to the thickness of the metal film. When the thickness of the metal film is 20 μm, the pore diameter of the porous ceramic is preferably about 10 μm. When the thickness of the metal film is 20 μm or less, the pore diameter of the porous ceramic is about 10 μm correspondingly. The following is preferable.

本改質触媒兼支持体は、改質触媒としての役割と水素分離膜を支持する役割を同時に果たすので、従来のメンブレンリアクターでは必須である改質触媒層を別途必要としない。このため、本発明の水素製造装置は従来の水素製造装置に比べて格段に小型化できる。特に、本改質触媒兼支持体は、それ自体改質触媒としての役割を果たし、改質触媒層を別途必要としないので、従来の水素製造装置では生じるところの、粒子状等の改質触媒との接触による水素分離膜の破損の問題を生じない。   Since the present reforming catalyst / support simultaneously functions as a reforming catalyst and supports the hydrogen separation membrane, a reforming catalyst layer that is essential in the conventional membrane reactor is not required. For this reason, the hydrogen production apparatus of the present invention can be remarkably reduced in size as compared with the conventional hydrogen production apparatus. In particular, the present reforming catalyst / support itself plays a role as a reforming catalyst and does not require a separate reforming catalyst layer. The problem of damage to the hydrogen separation membrane due to contact with the water does not occur.

図4〜6は本発明の態様を説明する図である。本発明の改質触媒兼支持体は、円筒状に構成する。図4は外膜式円筒型反応管であり、図5〜6は複数個を使用する態様を説明する図である。図4のとおり、外膜式円筒型反応管では、中央部に中空部を持つ緻密中空支持体すなわち内挿管を配置し、その外周面に改質触媒兼支持体を密着して配置し、その外周面に水素分離膜を密に配置する。   4-6 is a figure explaining the aspect of this invention. The reforming catalyst / support of the present invention is formed in a cylindrical shape. FIG. 4 shows an outer membrane type cylindrical reaction tube, and FIGS. As shown in FIG. 4, in the outer membrane cylindrical reaction tube, a dense hollow support body having a hollow portion at the center, that is, an intubation tube, is disposed, and the reforming catalyst / support body is disposed in close contact with the outer peripheral surface thereof. A hydrogen separation membrane is densely arranged on the outer peripheral surface.

そのように、内挿管の外周面に改質触媒兼支持体を密着して配置することにより、内挿管と改質触媒兼支持体との間の空間を実質的に無くすることにより、より多くの原料ガスを改質触媒上で反応させ、改質触媒一体化モジュールのさらなる高効率化を達成するものである。以上は、改質触媒兼支持体に代えて改質触媒層を配置する場合についても同様である。   In this way, by placing the reforming catalyst / support closely in contact with the outer peripheral surface of the intubation tube, the space between the intubation tube and the reforming catalyst / support body is substantially eliminated, so that more The raw material gas is reacted on the reforming catalyst to achieve higher efficiency of the reforming catalyst integrated module. The same applies to the case where a reforming catalyst layer is disposed instead of the reforming catalyst / support.

図4(b)〜(d)に内挿管の断面形状(長手方向に対して直角方向の断面の形状)の態様を示している。内挿管の断面形状は、図4(b)に示すように断面円形状でもよく、図4(c)に示すように断面楕円形状で1個の原料ガス流路をもつ構造でもよく、図4(d)に示すように外周断面楕円形状で複数の原料ガス流路をもつ構造でもよい。   4 (b) to 4 (d) show aspects of the cross-sectional shape of the inner tube (the cross-sectional shape perpendicular to the longitudinal direction). The cross-sectional shape of the intubation tube may be a circular cross-section as shown in FIG. 4 (b), or may be a structure having an elliptical cross-section as shown in FIG. As shown in (d), a structure having a plurality of source gas flow paths with an elliptical outer peripheral cross section may be used.

本外膜式円筒型反応管の使用に際しては、原料ガスを内挿管の中空部の一端から導入して他端で折り返すようにする。原料ガスは当該他端の折り返し部で改質触媒兼支持体に流入し、改質触媒により改質されて水素リッチな改質ガスとなる。改質ガスと原料ガスの混合流は改質触媒兼支持体中を内挿管内の原料ガス流とは逆方向に流れ、混合ガス流中の水素が水素分離膜中を選択的に流過し高純度の水素として取り出される。   When using the outer membrane cylindrical reaction tube, the source gas is introduced from one end of the hollow portion of the inner tube and folded at the other end. The source gas flows into the reforming catalyst / support at the folded portion at the other end and is reformed by the reforming catalyst to become a hydrogen-rich reformed gas. The mixed gas of the reformed gas and the raw material gas flows through the reforming catalyst / support in the direction opposite to the raw material gas flow in the inner tube, and hydrogen in the mixed gas flow selectively flows through the hydrogen separation membrane. Extracted as high purity hydrogen.

改質触媒兼支持体中では、原料ガスが逐次改質されながら水素リッチの改質ガスとなり、生成改質ガスは、内挿管中の原料ガス流とは逆方向に流れる。改質触媒兼支持体中を流れる生成改質ガスは、水素分離膜で水素が分離され、水素分離膜を透過しない一酸化炭素等からなるガスは改質触媒兼支持体の他端からオフガスとして排出される。   In the reforming catalyst / support, the raw material gas is sequentially reformed to become a hydrogen-rich reformed gas, and the generated reformed gas flows in the direction opposite to the raw material gas flow in the inner tube. The generated reformed gas flowing in the reforming catalyst / support is separated from the hydrogen by the hydrogen separation membrane, and the gas composed of carbon monoxide or the like that does not permeate the hydrogen separation membrane is turned off gas from the other end of the reforming catalyst / support. Discharged.

図5は、図4に示す外膜式円筒型反応管の複数個を併置して使用する態様を説明する図である。図5のとおり、原料ガスは原料ガス供給管11により供給され、ヘッダー12を介して各外膜式円筒型反応管の内挿管内に供給される。各改質触媒兼支持体、水素分離膜により生成、分離した高純度水素は導出管13を介して取り出され、水素分離膜を透過せずに改質触媒兼支持体から出るオフガスはヘッダー14から、その排出管15を介して取り出される。   FIG. 5 is a diagram for explaining a mode in which a plurality of outer membrane cylindrical reaction tubes shown in FIG. 4 are used in parallel. As shown in FIG. 5, the raw material gas is supplied through the raw material gas supply pipe 11 and is supplied into the inner tube of each outer membrane type cylindrical reaction tube via the header 12. The high-purity hydrogen produced and separated by each reforming catalyst / support and the hydrogen separation membrane is taken out via the lead-out pipe 13, and off-gas coming out of the reforming catalyst / support without passing through the hydrogen separation membrane is from the header 14. And is taken out through the discharge pipe 15.

図6は、図4(a)、(d)として示す外膜式円筒型反応管の複数を併置して使用する態様を説明する図である。図6のとおり、原料ガスは原料ガス供給管21により供給され、ヘッダー22を介して各外膜式円筒型反応管の内挿管内に供給される。各改質触媒兼支持体、水素分離膜により生成、分離した高純度水素は導出管23を介して取り出され、水素分離膜を透過せずに改質触媒兼支持体から出るオフガスはヘッダー24から、その排出管25を介して取り出される。   FIG. 6 is a diagram for explaining an embodiment in which a plurality of outer membrane cylindrical reaction tubes shown as FIGS. 4 (a) and 4 (d) are used in parallel. As shown in FIG. 6, the source gas is supplied through the source gas supply pipe 21 and is supplied into the inner tube of each outer membrane type cylindrical reaction tube via the header 22. The high-purity hydrogen produced and separated by each reforming catalyst / support and hydrogen separation membrane is taken out through the outlet pipe 23, and off-gas coming out of the reforming catalyst / support without passing through the hydrogen separation membrane is taken from the header 24. And is taken out through the discharge pipe 25.

前述のとおり、原料ガスである炭化水素ガスの改質には450〜680℃程度に加熱する必要がある。その加熱のため、例えば外膜式円筒型反応管を水素導出管を備えた外管で囲い(なお、外膜式円筒型反応管の場合、その最外層が水素分離膜であり、水素が水素分離膜を選択的に透過してその表面から出ることで分離される)、その外管を囲む空間で都市ガスをバーナにより空気で燃焼させるか、その外管を囲む空間に都市ガスの燃焼ガスを供給するなどして加熱することができる。図7にその態様例を示している。加熱炉中で都市ガス等を空気で燃焼させるバーナにより加熱する。16は加熱炉からの排ガス(バーナー火炎由来の排ガス等)の排出管である。   As described above, it is necessary to heat to about 450 to 680 ° C. for reforming the hydrocarbon gas that is the raw material gas. For the heating, for example, the outer membrane cylindrical reaction tube is surrounded by an outer tube having a hydrogen outlet tube (in the case of an outer membrane cylindrical reaction tube, the outermost layer is a hydrogen separation membrane, and hydrogen is hydrogen The gas is burned with air by a burner in the space surrounding the outer pipe, or the city gas is burned in the space surrounding the outer pipe. It is possible to heat by supplying. FIG. 7 shows an example of such a mode. It is heated by a burner that burns city gas etc. with air in a heating furnace. Reference numeral 16 denotes an exhaust pipe for exhaust gas from the heating furnace (exhaust gas derived from a burner flame, etc.).

〈改質触媒兼支持体と水素分離膜との間のバリア層について〉
本発明の水素製造装置においては、改質触媒兼支持体と水素分離膜との間にバリア層を設けることができる。バリア層については本出願人(一部)による先の出願(特開2004−314163号公報)に係るもので、以下に述べるように改質触媒兼支持体と水素透過膜との間の成分の相互拡散を阻止することができる。
<Regarding the barrier layer between the reforming catalyst / support and the hydrogen separation membrane>
In the hydrogen production apparatus of the present invention, a barrier layer can be provided between the reforming catalyst / support and the hydrogen separation membrane. The barrier layer is related to a previous application (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-314163) by the present applicant (part), and the components between the reforming catalyst / support and the hydrogen permeable membrane as described below. Interdiffusion can be prevented.

特開2004−314163号公報JP 2004-314163 A

〈改質触媒兼支持体と水素透過膜との間の成分の相互拡散〉
筒状改質触媒兼支持体の周面または平板状改質触媒兼支持体の一面と水素透過膜を一体化させた場合、両者の成分相互に拡散を起こしていることが観察された。改質触媒兼支持体の金属(Ni)成分と水素分離膜のPdとが入り組み、改質触媒兼支持体層とPd膜層との間の境界部分が消失する。そして、その入り組み、すなわち拡散が水素透過膜の水素透過性能を損なう原因であることが分かった。
<Interdiffusion of components between reforming catalyst / support and hydrogen permeable membrane>
When the peripheral surface of the cylindrical reforming catalyst / support or one surface of the flat reforming catalyst / support and the hydrogen permeable membrane were integrated, it was observed that both components diffused. The metal (Ni) component of the reforming catalyst / support and the Pd of the hydrogen separation membrane are mixed, and the boundary portion between the reforming catalyst / support layer and the Pd membrane layer disappears. And it turned out that the complicatedness, ie, diffusion, is the cause of impairing the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable membrane.

そこで、特許文献2においては、そのような拡散を阻止するため、改質触媒兼支持体と水素透過膜との間にバリア層を設ける。これにより、改質触媒兼支持体と水素分離膜との間の成分の相互拡散に起因する水素透過膜の水素分離性能の劣化の問題を解決することができる。図8はそのバリア層を説明する図である。   Therefore, in Patent Document 2, in order to prevent such diffusion, a barrier layer is provided between the reforming catalyst / support and the hydrogen permeable membrane. Thereby, it is possible to solve the problem of deterioration of the hydrogen separation performance of the hydrogen permeable membrane due to the mutual diffusion of components between the reforming catalyst / support and the hydrogen separation membrane. FIG. 8 is a diagram illustrating the barrier layer.

図8のとおり、基材すなわち改質触媒兼支持体の面にバリア層を設け、その上に水素透過膜を配置する。これにより、改質触媒兼支持体の成分と水素透過膜の成分との相互拡散を阻止することができる。バリア層は多孔質である必要があるが、その形成時に多孔質であってもよく、水素製造装置用反応筒または反応板として使用時に多孔質となるものであってもよい。また、そのようにバリア層を設けるに際して、水素透過膜の成分をバリア層に食い込ませることで、いわゆるアンカー効果により、改質触媒兼支持体に対して、水素透過膜をより強固に保持することができる。   As shown in FIG. 8, a barrier layer is provided on the surface of the substrate, that is, the reforming catalyst / support, and a hydrogen permeable membrane is disposed thereon. Thereby, mutual diffusion between the component of the reforming catalyst / support and the component of the hydrogen permeable membrane can be prevented. The barrier layer needs to be porous, but may be porous when formed, and may be porous when used as a reaction cylinder or reaction plate for a hydrogen production apparatus. In addition, when the barrier layer is provided in such a manner, the hydrogen permeable membrane can be more firmly held against the reforming catalyst / support by the so-called anchor effect by causing the components of the hydrogen permeable membrane to penetrate into the barrier layer. Can do.

バリア層の厚さはその目的、すなわち質触媒兼支持体の成分と水素透過膜との相互拡散防止を達成し得る範囲で適宜選定することができる。その範囲は、好ましくは5〜100μmの範囲である。また、バリア層の構成材料としては、ジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、もしくはそれら材料の混合物もしくは化合物を用いることができる。   The thickness of the barrier layer can be appropriately selected within the range in which the purpose, that is, the prevention of mutual diffusion between the component of the catalyst / support and the hydrogen permeable membrane can be achieved. The range is preferably in the range of 5 to 100 μm. As the constituent material of the barrier layer, zirconia, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, alumina, magnesia, or a mixture or compound of these materials can be used.

改質触媒兼支持体と水素透過膜との間にバリア層を設ける、そのバリア層形成の仕方としては、ディップコート法、スプレー吹き付け法、印刷法、あるいは触媒金属の溶解除去法などによって行うことができる。このうち印刷法は、改質触媒兼支持体が平板型である場合に特に有用である。触媒金属の溶解除去法は、改質触媒兼支持体の表面から、金属成分を溶媒を用いて溶出させることにより行うことができる。改質触媒兼支持体をNi−YSZサーメットで構成した改質触媒兼支持体の場合、その表面部分のNiを溶媒を用いて溶出させることで行うことができる。   A barrier layer is provided between the reforming catalyst / support and the hydrogen permeable membrane. The barrier layer is formed by a dip coating method, a spray spraying method, a printing method, or a catalytic metal dissolution and removal method. Can do. Among these, the printing method is particularly useful when the reforming catalyst / support is a flat plate type. The method for dissolving and removing the catalyst metal can be performed by eluting the metal component from the surface of the reforming catalyst / support using a solvent. In the case of a reforming catalyst / support in which the reforming catalyst / support is composed of Ni-YSZ cermet, the surface portion of Ni can be eluted using a solvent.

そして、改質触媒兼支持体に形成したバリア層の面に水素透過膜を形成する。水素透過膜としては、改質ガスから水素を選択的に透過する膜が用いられるが、好ましくはPd膜やPd合金膜などの金属膜が用いられる。金属膜はバリア層の面に対してメッキ法や蒸着法、その他適宜の方法により支持される。   Then, a hydrogen permeable film is formed on the surface of the barrier layer formed on the reforming catalyst / support. As the hydrogen permeable film, a film that selectively permeates hydrogen from the reformed gas is used, but a metal film such as a Pd film or a Pd alloy film is preferably used. The metal film is supported on the surface of the barrier layer by a plating method, a vapor deposition method, or other appropriate methods.

S 内挿管と改質触媒兼支持体との間のガスが流通できる空間
11、21 原料ガス供給管
12、22 ヘッダー
13、23 分離した高純度水素導出管
14、24 ヘッダー
15、25 オフガス排出管
16 排ガス(バーナー火炎等)排出管
S Space in which gas can flow between the inner tube and the reforming catalyst / support 11, 21 Raw material gas supply pipe 12, 22 Header 13, 23 Separated high-purity hydrogen outlet pipe 14, 24 Header 15, 25 Off-gas discharge pipe 16 Exhaust gas (burner flame, etc.) discharge pipe

Claims (9)

原料ガスの流路である中空部を持つ緻密中空支持体と、前記緻密中空支持体の外周面に多孔質からなる改質触媒兼支持体を密着させて配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置してなり、原料ガスを前記緻密中空支持体内側の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記改質触媒兼支持体中を流れながら原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置。   A dense hollow support having a hollow portion which is a flow path for the source gas, and a reforming catalyst / support made of a porous material are disposed in close contact with the outer peripheral surface of the dense hollow support, and the reforming catalyst / support is also provided. A hydrogen separation membrane is arranged on the outer peripheral surface of the body, the raw material gas is passed through the hollow portion inside the dense hollow support, and folded at the tip in the flow direction to flow through the reforming catalyst / support. A hydrogen production apparatus characterized in that a reformed gas is produced from a gas and the produced reformed gas is purified by a hydrogen separation membrane to produce high purity hydrogen. 請求項1に記載の水素製造装置において、前記中空部を持つ緻密中空支持体がステンレス鋼またはセラミックスからなる円筒管であることを特徴とする水素製造装置。   2. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the dense hollow support body having the hollow portion is a cylindrical tube made of stainless steel or ceramics. 請求項1または2に記載の水素製造装置において、前記改質触媒兼支持体がニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物の焼結体からなることを特徴とする水素製造装置。   3. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the reforming catalyst / support is made of a sintered body of a mixture of nickel and yttria-stabilized zirconia. 4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素製造装置において、前記水素分離膜がPd膜またはPd合金の膜であることを特徴とする水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrogen separation membrane is a Pd membrane or a Pd alloy membrane. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の水素製造装置において、前記改質触媒兼支持体と前記水素分離膜との間にバリア層を設けてなることを特徴とする水素製造装置。   5. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein a barrier layer is provided between the reforming catalyst / support and the hydrogen separation membrane. 6. 原料ガスの流路である中空部を持つ緻密中空支持体と、前記緻密中空支持体の外周面に改質触媒層を配置するとともに、前記改質触媒層の外周に水素分離膜を配置してなり、原料ガスを前記緻密中空支持体内側の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記改質触媒層中を流しながら原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置。   A dense hollow support having a hollow portion which is a flow path for the raw material gas, a reforming catalyst layer disposed on the outer peripheral surface of the dense hollow support, and a hydrogen separation membrane disposed on the outer periphery of the reforming catalyst layer. The reformed gas is generated from the source gas while flowing through the reforming catalyst layer by passing the source gas through the hollow portion inside the dense hollow support and turning back at the tip in the flow direction. A hydrogen production apparatus characterized in that it is purified by a hydrogen separation membrane to produce high purity hydrogen. 請求項6に記載の水素製造装置において、前記中空部を持つ緻密中空支持体がステンレス鋼またはセラミックスからなる円筒管であることを特徴とする水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to claim 6, wherein the dense hollow support having the hollow portion is a cylindrical tube made of stainless steel or ceramics. 請求項6または7に記載の水素製造装置において、前記改質触媒層の改質触媒がニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物からなることを特徴とする水素製造装置。   8. The hydrogen production apparatus according to claim 6, wherein the reforming catalyst of the reforming catalyst layer is made of a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia. 請求項6〜8のいずれか1項に記載の水素製造装置において、前記水素分離膜がPd膜またはPd合金の膜であることを特徴とする水素製造装置。
9. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the hydrogen separation membrane is a Pd membrane or a Pd alloy membrane.
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