JP2014114179A - Molded catalyst and hydrogen production apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原料ガスの改質を行う成形触媒、及び、該成形触媒と水素ガスを選択して分離する水素分離体とを備えた水素製造装置に関する。 The present invention relates to a forming catalyst for reforming a raw material gas, and a hydrogen production apparatus including a hydrogen separator that selectively separates the forming catalyst and hydrogen gas.
従来より、例えば、燃料電池に供給する水素を製造する装置として、天然ガス等の原料ガスを改質して水素を生成する触媒と、水素のみを透過させる金属製の水素透過膜(水素分離金属層)を有する筒状の水素分離体とを、反応器(反応容器)内に配置した水素製造装置が開発されている。 Conventionally, for example, as an apparatus for producing hydrogen to be supplied to a fuel cell, a catalyst that reforms a raw material gas such as natural gas to generate hydrogen, and a metal hydrogen permeable membrane that allows only hydrogen to permeate (hydrogen separation metal) A hydrogen production apparatus in which a cylindrical hydrogen separator having a layer is disposed in a reactor (reaction vessel) has been developed.
例えば下記特許文献1には、金属製の反応管の内部に、外側表面に水素透過膜を有する水素分離体を配置するとともに、水素分離体と反応管の内壁との間に、ペレット状(ビーズ状)の多数の成形触媒をパックドベッド状に充填した水素製造装置が開示されている。
For example, in
この水素製造装置では、高温の水蒸気を含む原料ガスが、成形触媒に接触して、水蒸気改質反応等が生じることにより、水素ガス等が生成される。
例えばメタンの水蒸気改質では、下記式(1)及び式(2)の反応式に従って、水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分解される。
In this hydrogen production apparatus, a raw material gas containing high-temperature steam comes into contact with the formed catalyst, and a steam reforming reaction or the like occurs to generate hydrogen gas or the like.
For example, in steam reforming of methane, it is decomposed into hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide in accordance with the following reaction formulas (1) and (2).
CH4+H2O ←→ CO+3H2O (改質反応) ・・・(1)
CO+H2O ←→ CO2+H2 (シフト反応)・・・(2)
従って、分解されたガスなどから、水素分離体によって水素を選択的に透過させることにより、高純度の水素を得ることができる。
CH 4 + H 2 O ← → CO + 3H 2 O (reforming reaction) (1)
CO + H 2 O ← → CO 2 + H 2 (shift reaction) (2)
Therefore, high-purity hydrogen can be obtained by selectively permeating hydrogen from the decomposed gas or the like through the hydrogen separator.
また、上述した水素製造装置では、ペレット状の成形触媒を充填するという構成によって、水素透過膜と成形触媒とを近接して配置することができるので、水素の製造効率が高いという特徴がある。 In addition, the hydrogen production apparatus described above is characterized in that hydrogen production efficiency is high because the hydrogen permeable membrane and the shaped catalyst can be disposed close to each other by the configuration of filling the pellet shaped shaped catalyst.
しかしながら、水素製造装置には、通常、使用時は高温とし不使用時は低温とする熱サイクルが加えられるので、反応管が膨張と収縮とを繰り返し、そのため、上述した特許文献1に記載の技術では、水素分離体が破損するという問題があった。
However, since the hydrogen production apparatus is usually subjected to a heat cycle of high temperature when used and low temperature when not used, the reaction tube repeatedly expands and contracts. Therefore, the technology described in
つまり、金属製の反応管が高温になって膨張すると、ペレット状の成形触媒はその膨張した空間を満たすように下降するが、反応管が低温になって収縮すると、その下方に詰まった状態の成形触媒は殆ど移動できないので、反応管によって内側に押圧されることになる。その結果、内側に押圧された成形触媒はセラミックス製の水素分離体を押圧するので、その押圧によって水素分離体が破損することがあった。 In other words, when the metal reaction tube becomes hot and expands, the pellet-shaped forming catalyst descends to fill the expanded space, but when the reaction tube becomes low temperature and contracts, it is clogged underneath. Since the molded catalyst can hardly move, it is pushed inward by the reaction tube. As a result, the molding catalyst pressed inward presses the ceramic hydrogen separator, and the hydrogen separator may be damaged by the pressing.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、反応器内に成形触媒と水素分離体とを収容した場合に、水素分離体が破損しにくい成形触媒及び水素製造装置を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a molded catalyst and a hydrogen which are difficult to damage the hydrogen separator when the molded catalyst and the hydrogen separator are accommodated in the reactor. It is to provide a manufacturing apparatus.
(1)本発明は、第1態様として、水素のみを選択して透過させる水素分離金属層と該水素分離金属層を支持する支持体とを備えた筒状の水素分離体を収容した反応器に用いられる成形触媒であって、前記成形触媒は、原料ガスから水素を生成させる金属触媒と該金属触媒を担持する担持体とからなり、前記水素分離体が貫挿可能な貫通孔を有する筒状形状であり、且つ、前記成形触媒の担持体の構成材料と前記水素分離体の支持体の構成材料とは、体積比で90%以上が同じであることを特徴とする。 (1) As a first aspect of the present invention, a reactor containing a cylindrical hydrogen separator including a hydrogen separation metal layer that selectively allows permeation of hydrogen and a support that supports the hydrogen separation metal layer The forming catalyst is a cylinder comprising a metal catalyst that generates hydrogen from a raw material gas and a carrier that supports the metal catalyst, and has a through-hole through which the hydrogen separator can be inserted. The constituent material of the support for the formed catalyst and the constituent material of the support for the hydrogen separator are the same in a volume ratio of 90% or more.
本第1態様の成形触媒は、水素分離体が貫挿可能な貫通孔を有する筒状形状であるので、成形触媒の貫通孔に水素分離体を貫通させることにより(即ち水素分離体に成形触媒を外嵌することにより)、水素分離体の外周側に成形触媒を配置することができる。 Since the shaped catalyst of the first aspect has a cylindrical shape having a through-hole through which the hydrogen separator can be inserted, by passing the hydrogen separator through the through-hole of the molded catalyst (that is, the molded catalyst is formed in the hydrogen separator). ), The molded catalyst can be disposed on the outer peripheral side of the hydrogen separator.
よって、この成形触媒が外嵌した水素分離体を反応器に収容した水素製造装置においては、高温(例えば550℃)の状態と低温(例えば室温)状態という熱サイクルが加えられることにより、反応器の膨張と収縮とが繰り返されても、水素分離体が破損しにくいという効果がある。 Therefore, in a hydrogen production apparatus in which a hydrogen separator fitted with this molded catalyst is accommodated in a reactor, a thermal cycle of a high temperature (for example, 550 ° C.) state and a low temperature (for example, room temperature) state is added, so that the reactor Even if the expansion and contraction are repeated, the hydrogen separator is not easily damaged.
つまり、反応器が高温になって膨張した場合でも、成形触媒は水素分離体に外嵌した状態のままであり、従来のペレット状の成形触媒のように、(膨張して広がった)下方の空間を満たすように移動することはない。よって、反応器が低温になって収縮しても、成形触媒は反応器によって内側に押圧されることはないので、成形触媒に押圧されて水素分離体が破損するという問題は生じない。 That is, even when the reactor expands at a high temperature, the formed catalyst remains fitted on the hydrogen separator, and is lower (expanded and expanded) like a conventional pellet-shaped formed catalyst. It does not move to fill the space. Therefore, even if the reactor shrinks at a low temperature, the formed catalyst is not pressed inward by the reactor, so that there is no problem that the hydrogen separator is damaged by being pressed by the formed catalyst.
また、本第1態様では、反応器が収縮した場合でも、成形触媒が内側に押圧されないので、成形触媒を水素分離体に近接して(又は接触させて)配置することができ、よって、水素の製造効率が向上するという利点がある。 Further, in the first aspect, even when the reactor contracts, the formed catalyst is not pressed inward, so that the formed catalyst can be disposed close to (or in contact with) the hydrogen separator, and thus the hydrogen This has the advantage of improving the production efficiency.
このように、本第1態様では、成形触媒の寸法を、反応器の内壁との空間を確保しつつ、水素分離体に近接できるような設計とすることが可能となり、水素製造装置の起動や停止時の熱サイクルによる反応器の膨張・収縮により、成形触媒が水素分離体に押し当てられるのを回避できる。 Thus, in the first aspect, it is possible to design the size of the formed catalyst so that it can be close to the hydrogen separator while ensuring a space with the inner wall of the reactor. It is possible to prevent the formed catalyst from being pressed against the hydrogen separator due to expansion and contraction of the reactor due to the thermal cycle at the time of stopping.
更に、水素分離体の支持体と成形触媒の担持体とを、体積比で90%以上同一とすることにより、即ち、少なくとも水素分離体の支持体の構成材料の90%と成形触媒の担持体の構成材料の90%とを同一とすることにより、支持体と担持体の熱膨張係数が実質的に同一となり、昇降温時の水素分離体と成形触媒の膨張・収縮挙動がほぼ一致し、水素分離体−成形触媒間に常に所定の距離が保たれ、昇降時における成形触媒の押圧による水素分離体の破損を防止できるという顕著な効果を奏する。 Further, by making the support of the hydrogen separator and the support of the formed catalyst 90% or more identical in volume ratio, that is, at least 90% of the constituent material of the support of the hydrogen separator and the support of the formed catalyst By making 90% of the constituent materials of the same, the thermal expansion coefficient of the support and the support becomes substantially the same, and the expansion / contraction behavior of the hydrogen separator and the molded catalyst at the time of temperature increase and decrease substantially coincides. A predetermined distance is always maintained between the hydrogen separator and the formed catalyst, and a remarkable effect is obtained in that the hydrogen separator can be prevented from being damaged by the pressing of the formed catalyst during elevation.
なお、前記成形触媒とは、形状が定まっていない粉末や液体、若しくは粒状やペレット状のように、被充填空間に対してサイズが充分に小さく(例えば被充填空間に対する体積比が1/100未満)、被充填空間に細密充填できるものではなく、水素分離体に損傷を与えない所定の間隙を保持しつつ被充填空間に導入することが可能な所定の形状(ここでは筒状)に成形された部材である。よって、例えば、成形触媒としては、被充填空間の体積に対して、1/100以上の体積を有する部材を採用できる。 The molded catalyst is sufficiently small in size with respect to the space to be filled, such as powder, liquid, or granular or pellet shape whose shape is not fixed (for example, the volume ratio with respect to the space to be filled is less than 1/100). ), Which is not capable of being densely packed in the filling space, and is formed into a predetermined shape (here, a cylinder) that can be introduced into the filling space while maintaining a predetermined gap that does not damage the hydrogen separator. It is a member. Therefore, for example, as the molded catalyst, a member having a volume of 1/100 or more with respect to the volume of the space to be filled can be employed.
従って、成形触媒を、被充填空間内に配置する場合には、自身の重さによって被充填空間の周囲の壁面(下部以外)を押圧しないように配置することができる。
つまり、成形触媒は、例えば熱により被充填空間が広くなった(即ち側壁の間隔が広くなった)場合でも、粉体や粒等のように、自重によって下方に移動して被充填空間の側壁を押圧することなく、その位置に止まることができる。
Therefore, when arrange | positioning a shaping | molding catalyst in the to-be-filled space, it can arrange | position so that the wall surface (other than the lower part) around the to-be-filled space may not be pressed by own weight.
That is, the molded catalyst moves downward due to its own weight, such as powder or particles, even when the space to be filled is widened due to heat (that is, the interval between the side walls is widened). It is possible to stop at that position without pressing.
また、前記「構成材料が同じ」とは、完全に材料が同一であることが望ましいが、構成材料の体積%で10%までなら他材料が入っていてもよい。構成材料を同一にする目的は、熱膨張係数を合わせるためである。他材料を10%混ぜ込んでも熱膨張係数に及ぼす留影響は限定的であり、昇降温による膨張・収縮挙動を合致させる目的を達成できるからである。 In addition, it is desirable that the “materials are the same” as described above, but it is desirable that the materials be completely the same, but other materials may be included if the volume percentage of the constituent materials is up to 10%. The purpose of making the constituent materials the same is to match the thermal expansion coefficients. This is because even if 10% of other materials are mixed, the effect of the retention on the thermal expansion coefficient is limited, and the purpose of matching the expansion / contraction behavior due to the temperature rise and fall can be achieved.
(2)本発明では、第2態様として、前記成形触媒は、多孔質のセラミックスの担持体に、前記金属触媒が担持されたものであることを特徴とする。
本第2態様は、成形触媒の構成を例示したものである。このように、担持体に多孔質のセラミックスを用いる場合には、耐熱性が高いとともに、担持体の表面積を広くすることができ、金属触媒を高分散且つ広い面積に設定できるので、反応性が高いという利点がある。
(2) In the present invention, as a second aspect, the molding catalyst is a porous ceramic carrier supported by the metal catalyst.
The second aspect exemplifies the configuration of the molded catalyst. Thus, when using porous ceramics for the support, the heat resistance is high, the surface area of the support can be increased, and the metal catalyst can be highly dispersed and set in a large area, so that the reactivity is high. There is an advantage of high.
(3)本発明では、第3態様として、前記成形触媒の貫通孔の内周面に、ガスの流れを乱すための凹凸が形成されていることを特徴とする。
本第3態様では、成形触媒の貫通孔の内周面にガスの流れを乱すための凹凸が形成されているので、成形触媒と水素分離体との間に(凹凸による)間隙がある。よって、この間隙に沿って原料ガスが流れ易く、反応性が高いという利点がある。
(3) In the present invention, as a third aspect, an unevenness for disturbing the gas flow is formed on the inner peripheral surface of the through hole of the molded catalyst.
In the third aspect, since the unevenness for disturbing the gas flow is formed on the inner peripheral surface of the through hole of the formed catalyst, there is a gap (due to the unevenness) between the formed catalyst and the hydrogen separator. Therefore, there is an advantage that the source gas easily flows along the gap and the reactivity is high.
また、前記凹凸により、本来、水素分離金属層と平行に(例えば円筒形状の長手方向)流れるガス流を乱すことができる。ガス流れを乱すことにより、一部水素分離金属層に対して垂直のガス流を生じさせることができ、この効果により水素透過量を増加させることが可能となる。 Further, due to the unevenness, it is possible to disturb the gas flow that flows essentially in parallel with the hydrogen separation metal layer (for example, the longitudinal direction of the cylindrical shape). By disturbing the gas flow, a gas flow perpendicular to the part of the hydrogen separation metal layer can be generated, and this effect can increase the hydrogen permeation amount.
なお、凹凸の高さ(底部から頂部)としては、1mm以上(凹凸が複数ある場合はその平均値)が好適である。
更に、本第3態様では、間隙に沿って流れた原料ガスから水素が生成された場合には、そのまま、近接した水素分離体によって、選択的に水素が分離されるので、水素分離により水素生成反応が促進され、水素分離が更に効率良く進むという効果がある。
In addition, as height of the unevenness (from the bottom to the top), 1 mm or more (the average value when there are a plurality of unevenness) is preferable.
Furthermore, in this third aspect, when hydrogen is generated from the raw material gas flowing along the gap, hydrogen is selectively separated by the adjacent hydrogen separator as it is, so that hydrogen is generated by hydrogen separation. The reaction is promoted, and there is an effect that hydrogen separation proceeds more efficiently.
(4)本発明では、第4態様として、前記成形触媒に、前記貫通孔以外に、当該成形触媒自身を貫く通気孔を有することを特徴とする。
本第4態様では、貫通孔以外に成形触媒自身を貫く通気孔があるので、原料ガスは通気孔にも供給される。通気孔にガスが流れることにより、ガス流の乱れを生じさせることができる。また、原料ガスと金属触媒との接触面積を大きくする効果もあり、原料ガスから効率よく水素が生成できる。
(4) In the present invention, as a fourth aspect, the molded catalyst has a vent hole penetrating the molded catalyst itself in addition to the through hole.
In the fourth aspect, since there is a vent hole penetrating the molded catalyst itself in addition to the through hole, the raw material gas is also supplied to the vent hole. Disturbance of the gas flow can be caused by the gas flowing through the vent hole. In addition, there is an effect of increasing the contact area between the source gas and the metal catalyst, and hydrogen can be efficiently generated from the source gas.
なお、ここで言う通気孔とは、多孔質の担持体中の気孔が連通した連通孔(数μm〜数十μm径)よりも大きな径の孔である。
(5)本発明では、第5態様として、水素のみを選択して透過させる水素分離金属層を備えた筒状の水素分離体と、前記請求項1〜4のいずれか1項に記載の成形触媒と、を反応器に収容した水素製造装置であって、前記成形触媒は、自身の貫通孔に前記水素分離体が貫挿されて、当該水素分離体に外嵌されていることを特徴とする。
Here, the air hole referred to here is a hole having a diameter larger than a communication hole (diameter of several μm to several tens of μm) in which the pores in the porous carrier communicate with each other.
(5) In the present invention, as a fifth aspect, a cylindrical hydrogen separator provided with a hydrogen separation metal layer that allows only hydrogen to permeate, and molding according to any one of
上述した様に、成形触媒が外嵌した水素分離体を反応器に収容した水素製造装置においては、高温の状態と低温状態という熱サイクルが加えられることにより、反応器の膨張と収縮とが繰り返されても、成形触媒の位置は変わらないので、成形触媒が水素分離体を押圧して水素分離体が破損することが起こらないという効果がある。 As described above, in a hydrogen production apparatus in which a hydrogen separator fitted with a molded catalyst is accommodated in a reactor, a thermal cycle of a high temperature state and a low temperature state is applied, so that expansion and contraction of the reactor are repeated. Even if this is done, the position of the formed catalyst does not change, so there is an effect that the formed catalyst does not press the hydrogen separator and the hydrogen separator is not damaged.
(6)本発明では、第6態様として、前記水素分離体に、前記成形触媒が複数個外嵌されていることを特徴とする。
本第6態様では、水素分離体に、(水素分離体の軸方向の長さに比べて軸方向の長さが短い)筒状の成形触媒を、順次、例えば積み重ねるようにして嵌める構成である。従って、水素分離体が、中心軸に対して多少傾いていたり径方向の寸法に誤差があったり、或いは、成形触媒の貫通孔の寸法精度に誤差があったとしても、(1本の長い成形触媒を嵌める場合に比べて)個々の成形触媒を容易に水素分離体に嵌めることができる。
(6) In the present invention, as a sixth aspect, a plurality of the shaped catalysts are externally fitted to the hydrogen separator.
In the sixth aspect, a cylindrical shaped catalyst (having a shorter axial length than the axial length of the hydrogen separator) is fitted into the hydrogen separator sequentially, for example, in a stacked manner. . Therefore, even if the hydrogen separator is slightly inclined with respect to the central axis, there is an error in the radial dimension, or there is an error in the dimensional accuracy of the through hole of the forming catalyst (one long molding). Individual shaped catalysts can be easily fitted to the hydrogen separator (as compared to the case of fitting the catalyst).
(7)本発明では、第7態様として、前記水素分離体は、固定部材によって前記反応器内に立設して固定されており、前記成形触媒は、前記固定部材上に前記水素分離体に沿って鉛直方向に積層されていることを特徴とする。 (7) In the present invention, as a seventh aspect, the hydrogen separator is fixed and fixed in the reactor by a fixing member, and the molded catalyst is placed on the hydrogen separator on the fixing member. It is characterized by being stacked along the vertical direction.
本第7態様は、水素分離体を反応器に固定する構成を例示している。これにより、水素分離体の上方から成形触媒を順次嵌めることにより、水素分離体の外周側に成形触媒を積層して配置することができる。 The seventh aspect exemplifies a configuration in which the hydrogen separator is fixed to the reactor. Thereby, by sequentially fitting the formed catalyst from above the hydrogen separator, the formed catalyst can be stacked and disposed on the outer peripheral side of the hydrogen separator.
(8)本発明では、第8態様として、内径の異なる前記成形触媒を交互に積層したことを特徴とする。
本第8態様は、水素分離体に内径の異なる(筒状の)成形触媒を交互に積層する構成である。内径の異なる成形触媒を交互に配置することにより、成形触媒内周面―水素分離体間を流れるガス流れを乱すことができる。この効果により、効率よく水素生成反応と水素分離とを進めることができる。
(8) In the present invention, as an eighth aspect, the molded catalysts having different inner diameters are alternately stacked.
In the eighth aspect, the hydrogen separator (stacked) having different inner diameters (cylindrical) is laminated alternately. By alternately arranging the formed catalysts having different inner diameters, the gas flow flowing between the formed catalyst inner peripheral surface and the hydrogen separator can be disturbed. By this effect, the hydrogen generation reaction and the hydrogen separation can be advanced efficiently.
(9)本発明では、第9態様として、隣接する前記各成形触媒を積層するとともに、該積層側の表面に、前記各成形触媒の位置決めを行う位置決め部を備えたことを特徴とする。 (9) In the present invention, as a ninth aspect, the adjacent formed catalysts are stacked, and a positioning portion for positioning the formed catalysts is provided on the surface of the stacked side.
本第9態様では、各成形触媒に位置決め部を備えているので、各成形触媒同士が互いに係止し合って位置ずれし難く、容易に所定の形状を維持することができる。 In the ninth aspect, since each molding catalyst is provided with a positioning portion, the molding catalysts are locked with each other and are not easily displaced, and a predetermined shape can be easily maintained.
以下、本発明の実施形態について説明する。
<成形触媒の構成>
本発明の成形触媒は、貫通孔の内周面の一部又は全体が、水素分離体に接触するように配置されていてもよいし、間隙を介して配置されていてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
<Configuration of molded catalyst>
In the molded catalyst of the present invention, a part or the whole of the inner peripheral surface of the through hole may be disposed so as to contact the hydrogen separator, or may be disposed via a gap.
また、成形触媒は、筒状の部材であるが、この成形触媒に軸方向等に延びるスリット等が設けられて、周方向において一部が繋がっていない箇所があってもよい。つまり、水素分離体が貫挿可能な貫通孔を有する筒状形状であればよい。 Moreover, although the shaping | molding catalyst is a cylindrical member, the slit etc. which extend in an axial direction etc. are provided in this shaping | molding catalyst, and the location where the part is not connected in the circumferential direction may be sufficient. That is, it may be a cylindrical shape having a through-hole through which the hydrogen separator can be inserted.
成形触媒に担持される金属触媒としては、ニッケル、銅、鉄、白金、パラジウム、亜鉛、及びこれらの混合物や合金などが挙げられる。なお、金属触媒とは、金属を含む触媒である。 Examples of the metal catalyst supported on the forming catalyst include nickel, copper, iron, platinum, palladium, zinc, and mixtures and alloys thereof. In addition, a metal catalyst is a catalyst containing a metal.
この金属触媒を担持する担持体としては、多孔質セラミックスが挙げられ、この多孔質セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、安定化ジルコニア、セリア、ドープセリア、ムライト、シリカ、及びこれらの混合物が挙げられる。 Examples of the carrier supporting the metal catalyst include porous ceramics, and examples of the porous ceramics include alumina, zirconia, stabilized zirconia, ceria, doped ceria, mullite, silica, and mixtures thereof.
上述した成形触媒を製造する方法としては、例えば、セラミックス粉末と造孔材にバインダを加えた材料を用い、押出成形やプレス成形にて成形体を作製し、その後、成形体を脱脂、焼成した後に、金属触媒成分を含有した溶液に浸漬し、乾燥、熱処理することにより、成形触媒とする方法を採用できる。 As a method for producing the above-described molded catalyst, for example, a material obtained by adding a binder to ceramic powder and a pore former is used to produce a molded body by extrusion molding or press molding, and then the molded body is degreased and fired. Later, a method of forming a molded catalyst can be employed by immersing in a solution containing a metal catalyst component, drying and heat treatment.
また、他の製造方法として、金属酸化物とセラミックス(例えば酸化ニッケルとジルコニア)と造孔材にバインダを加えた材料を用い、押出成形やプレス成形にて成形体を作製し、その後、成形体を脱脂、焼成した後に還元処理を施し、金属酸化物を還元することにより金属触媒とする方法が挙げられる。
<水素分離体の構成>
前記水素分離体としては、水素分離金属層とそれを支持する支持体等の構成を採用できる。
As another manufacturing method, a metal oxide, ceramics (for example, nickel oxide and zirconia) and a material obtained by adding a binder to a pore former are used to produce a molded body by extrusion molding or press molding. There is a method in which a metal catalyst is obtained by degreasing and firing the material and then performing a reduction treatment to reduce the metal oxide.
<Configuration of hydrogen separator>
As the hydrogen separator, it is possible to adopt a configuration such as a hydrogen separation metal layer and a support that supports it.
支持体の材料としては、セラミックスが挙げられ、支持体の構造としては、一部又は全体が多孔質セラミックスからなる構造を採用できる。
この多孔質セラミックスからなる部分(多孔質部)は、全体又は一部が水素を含むガスの透過が可能であり、その材料としては、イットリア安定化ジルコニア、安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、セリア、ドープドセリア、及びこれらの混合物などが挙げられる。
As the material for the support, ceramics can be used. As the structure of the support, a structure in which a part or the whole is made of porous ceramics can be adopted.
The part (porous part) made of this porous ceramic can permeate a gas containing hydrogen in whole or in part. Yttria-stabilized zirconia, stabilized zirconia, alumina, magnesia, ceria, Examples include doped ceria and mixtures thereof.
また、多孔質部の例えば軸方向端部などに、ガスの透過の無い緻密部を接合して水素分離体を構成してもよい。ここで、「ガス透過性の無い」とは、水素が分離される原料ガスの透過を防止できればよく、例えば相対密度70%以上の緻密さが挙げられる。 Further, a hydrogen separator may be configured by joining a dense portion that does not transmit gas to, for example, an axial end portion of the porous portion. Here, “without gas permeability” is only required to prevent permeation of the raw material gas from which hydrogen is separated, and includes, for example, a density with a relative density of 70% or more.
なお、前記緻密部を構成する材料としてはセラミックスが挙げられ、このセラミックスとしては、イットリア安定化ジルコニア、安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、セリア、ドープドセリアおよびこれらの混合物などが挙げられる。 The material constituting the dense portion includes ceramics, and examples of the ceramics include yttria stabilized zirconia, stabilized zirconia, alumina, magnesia, ceria, doped ceria, and mixtures thereof.
一方、水素分離金属層を構成する水素分離金属(水素透過性金属)としては、Pd単体、Pd合金(例えばPdAg合金、PdCu合金、PdAu合金)等が挙げられる。水素脆化の抑制の点からは、Pd単体よりもPdAg合金が望ましい。また、(例えば450℃以上の)高温で使用される水素製造装置の場合には、PdAg合金が望ましい。 On the other hand, examples of the hydrogen separation metal (hydrogen permeable metal) constituting the hydrogen separation metal layer include Pd alone, Pd alloy (for example, PdAg alloy, PdCu alloy, PdAu alloy) and the like. From the viewpoint of suppressing hydrogen embrittlement, a PdAg alloy is preferable to Pd alone. In the case of a hydrogen production apparatus used at a high temperature (for example, 450 ° C. or higher), a PdAg alloy is desirable.
この水素分離金属層としては、支持体の表面又は内部に水素分離金属を配置した構成を採用できる。例えば多孔質の支持体の細孔内に水素分離金属を充填することにより、水素分離金属層を形成することができる。
<水素製造装置の構成>
前記水素製造装置は、例えば円筒形状等の反応器内に、1又は複数の水素分離体及び1又は複数の成形触媒を配置したものであり、水素分離体は、例えば金属継手等によって反応器に取り付けられる。
As this hydrogen separation metal layer, a configuration in which a hydrogen separation metal is disposed on the surface or inside of the support can be employed. For example, a hydrogen separation metal layer can be formed by filling the pores of a porous support with a hydrogen separation metal.
<Configuration of hydrogen production equipment>
In the hydrogen production apparatus, for example, one or a plurality of hydrogen separators and one or a plurality of formed catalysts are arranged in a cylindrical reactor or the like, and the hydrogen separator is attached to the reactor by a metal joint or the like, for example. It is attached.
例えば先端が閉塞された筒状の水素分離体を用いる場合には、その先端側が反応器内に配置されるとともに、後端(基端側)に金属継手が固定され、この金属継手が反応器に固定される構造を採用できる。 For example, when using a cylindrical hydrogen separator with a closed tip, the tip side is disposed in the reactor, and a metal joint is fixed to the rear end (base end side). The structure fixed to can be adopted.
前記反応器としては、例えばSUS316、SUS316L、SUS430のステンレス鋼等からなる金属製の容器が挙げられる。 Examples of the reactor include metal containers made of stainless steel such as SUS316, SUS316L, and SUS430.
以下では、天然ガス等の原料ガスから高純度の水素を製造することができる水素製造装置の実施例について説明する。
a)まず、本実施例の水素製造装置の概略構成について説明する。
Below, the Example of the hydrogen production apparatus which can manufacture high purity hydrogen from raw material gas, such as natural gas, is described.
a) First, a schematic configuration of the hydrogen production apparatus according to the present embodiment will be described.
図1に模式的に示す様に、本実施例の水素製造装置1は、原料ガスを改質して(水素の多い)水素リッチの改質ガスとするとともに、その改質ガスから水素を選択的に分離して、高純度の水素を得ることができる装置である。
As schematically shown in FIG. 1, the
この水素製造装置1は、後に詳述する様に、原料ガスを改質する筒状の成形触媒3と、改質ガスから水素を分離する試験管形状の水素分離体5と、水素分離体5の基端側(同図上方)に取り付けられた筒状の金属継手7と、成形触媒3や水素分離体5を収容する筒状の容器である反応器(反応容器)9とを備えている。
As will be described in detail later, the
具体的には、反応器9の上端の基板(上基板)11に、(水素分離体5の先端側を下方にして)金属継手7によって水素分離体5が固定され、その水素分離体5に外嵌するように複数の成形触媒3が配置されている。
Specifically, the
つまり、各成形触媒3は、反応器9の下端の基板(下基板)13上に、各成形触媒3が同軸に積み重ねられており、この積層された各成形触媒3の各貫通孔15に水素分離体5が挿入されている。
That is, each molded
また、反応器9の上部には、原料ガスが導入される原料導入孔17が形成され、反応器9の下部には、反応後等のオフガスが排出されるガス排出孔19が形成されている。更に、水素分離体5の中心孔21は金属継手7の中心孔23と連通しており、水素分離体5によって分離された水素は、水素分離体5の中心孔21及び金属継手7の中心孔23を介して、反応器9から取り出されるように構成されている。
Further, a raw
b)次に、本実施例の要部である水素分離体5及び成形触媒3について説明する。
<水素分離体5>
図2に示す様に、水素分離体5は、その閉塞された先端側(同図上側)には、主として多孔質セラミックスからなり、水素を分離する機能を有する試験管状の水素分離部25が設けられ、その開放された基端側(同図下側)には、ガス透過性が無く且つ強度が高い緻密質セラミックスからなる筒状の緻密部27が設けられている。
b) Next, the
<
As shown in FIG. 2, the
以下、各構成について説明する。なお、以下の図2、図3、図5は、図1とは上下が逆である。
前記緻密部27は、YSZからなる円筒形状のセラミックス体であり、ガスの透過ができない程度に十分には緻密化され、その強度は水素分離部25よりも大きくされている。
Each configuration will be described below. 2, 3, and 5 below are upside down from FIG. 1.
The
前記水素分離部25は、その外周側から導入されたガス(ここでは成形触媒3によって改質された改質ガス)から、水素を選択的に分離して、水素分離部25の軸中心の中心孔21に供給する部材である。
The
この水素分離部25は、図3に拡大して示す様に、一端が閉塞された試験管状の多孔質部29と、多孔質部29の外側表面を覆う多孔質層31とから、一体に構成されている。なお、緻密部27と多孔質部29とからセラミックス支持体30(図2参照)が構成されている。
As shown in an enlarged view in FIG. 3, the
このうち、多孔質部29は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなる多孔質セラミックス製の支持体、即ち、通気性を有するとともに多孔質層31を支持する役割を有する支持体である。この多孔質部29は、気孔率は例えば40%であり、ガス(水素)を透過可能な構造を有している。前記支持体材料は、成形触媒3の担持体材料と同じであればよく、YSZ以外にもアルミナ、マグネシア、ムライト等を用いることができる。
Among these, the
また、前記多孔質層31は、YSZからなる多孔質セラミックス製の被覆層であり、ガスが透過可能な構造を有している。
詳しくは、多孔質層31は、多孔質部29の外側表面を覆う(水素ガスが透過可能な)第1多孔質層33と、第1多孔質層33の外側表面を覆う(水素ガスが透過可能な)第2多孔質層35と、第2多孔質層35の外側表面を覆う(改質ガスが透過可能な)多孔質保護層37とから、一体に構成されている。
The
Specifically, the
なお、第1、第2多孔質層33、35は、同様な多孔質の構造を有しており、以下ではこのセラミック部分を内側多孔質層36と称する。
特に、第2多孔質層35の細孔の内部の一部には、例えばPd等の水素透過性金属が充填されており、この水素透過性金属は、改質ガスから水素のみを選択して透過させることによって、改質ガスから水素を分離する金属である。
The first and second
In particular, a part of the inside of the pores of the second
つまり、第2多孔質層35の内部において、水素透過性金属が充填されて多孔質部29(詳しくは第1多孔質層33)の外側の全体を層状に覆う部分が、水素分離金属層(水素透過膜)39である。
That is, the portion inside the second
なお、多孔質保護層37は、外部から水素分離金属層39を損なうような汚染物質(例えばFe)が、水素分離金属層39に付着することを防止している。
<成形触媒>
図4に示す様に、成形触媒3は、軸方向の両端面(即ち、同図の上下の端面)41、43が平行で、所定厚みの円筒形状を有しており、その長さ(軸方向の長さ)は、水素分離体5に複数外嵌できるように、水素分離体5の長さよりも十分に短い長さ(例えば水素分離体5の原料ガスと接する部分の1/2以下)に設定されている。
The porous
<Molded catalyst>
As shown in FIG. 4, the molded
また、成形触媒3の貫通孔15の内径は、水素分離体5に外嵌できるように、水素分離体5の外径より僅かに大きく設定されている。なお、成形触媒3の内径は、水素分離体5と(例えば2mm以下の)隙間を有するように設定してよいし、水素分離体5と接触するように設定してもよい。
Further, the inner diameter of the through
この成形触媒3は、改質ガスが通過可能ように、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなる多孔質セラミックスを担持体(多孔質担持体)4としており、この多孔質担持体4に例えばNiからなる金属触媒が担持されている。前記担持体材料は、水素分離体5の支持体(即ち多孔質部29)と実質的に同じ材料(即ち、体積比で90%以上が同じ)であればよく、YSZ以外にもアルミナ、マグネシア、ムライト等を用いることができる。
The molded
c)次に、前記水素分離体5を反応器9に取り付ける構成について簡単に説明する。
図5に示す様に、水素分離体5の基端側には、金属継手7が取り付けられている。
この金属継手7は、水素分離体5の開放端側が挿入された筒状の取付金具51と、水素分離体5の外周面と取付金具51の内周面との間に配置された円筒形の(膨張黒鉛からなる)シール部材53と、水素分離体5に外嵌されてシール部材53を押圧する円筒形の押圧金具55と、押圧金具55に外嵌されて(取付金具51に螺合して)押圧金具55を押圧する筒状の固定金具57とを備えている。
c) Next, a configuration for attaching the
As shown in FIG. 5, a
This metal joint 7 is a cylindrical mounting
前記取付金具51は、先端側筒状部59と鍔部61とネジ部63を備えており、軸中心には、ガス(水素)の流路となる貫通孔(中空部)65が形成され、中空部65には、水素分離体5の基端側の端部が収容されている。
The mounting
そして、水素分離体5に金属継手7を固定する場合には、取付金具51に螺合する固定金具57を締め付けて押圧金具55を押圧する。これにより、シール部材53が押圧されて軸方向に圧縮されるとともに、径方向に膨張するので、水素分離体5と金属継手7との間のシール(気密)及び固定が行われる。なお、水素分離体5に金属継手7が取り付けたられた装置を、水素分離装置67と称する。
When the
また、水素製造装置1では、水素分離装置67が反応器9に取り付けられているが、水素分離装置67は、金属継手7のネジ部63を反応器9のネジ孔(図示せず)に螺合させることにより固定されている。
In the
d)次に、本実施例の水素製造装置1の製造方法について説明する。
<水素分離体5の製造方法>
図示しないが、まず、ゴム型に、イットリア安定化ジルコニア造粒粉、次に、造孔材として48体積%の有機ビーズを添加したイットリア安定化ジルコニア造粒粉の順番に充填し、その後、プレス成形法により、円筒有底管形状(試験管形状)に成形して、成形体を作製した。
d) Next, the manufacturing method of the
<Method for producing
Although not shown in the figure, first, a rubber mold is filled with yttria-stabilized zirconia granulated powder, then yttria-stabilized zirconia granulated powder added with 48% by volume organic beads as a pore former, and then pressed. The molded body was produced by molding into a cylindrical bottomed tube shape (test tube shape) by a molding method.
次に、この成形体を、脱脂後、1400℃で焼結することにより、外径10mm×長さ300mmの緻密部27と多孔質部29が一体化されたセラミックス支持体30を作製した。
Next, this molded body was degreased and sintered at 1400 ° C. to produce a
次に、イットリア安定化ジルコニア粉末を有機溶媒中に分散させたスラリーを作製し、ディップコーティング法により、前記セラミックス支持体30の多孔質部29上に、(内側多孔質層36となる)内側多孔質形成層(図示せず)を作製した。
Next, a slurry in which yttria-stabilized zirconia powder is dispersed in an organic solvent is prepared, and the inner porous layer (which becomes the inner porous layer 36) is formed on the
次に、内側多孔質形成層を、1200℃に加熱して焼き付けを行い、多孔質部29の表面に(第1、第2多孔質層33、35に該当する)内側多孔質層36を備えたセラミックス支持体30を形成した。
Next, the inner porous forming layer is baked by heating to 1200 ° C., and the inner porous layer 36 (corresponding to the first and second
次に、内側多孔質層36の表面に、周知のPdの核付け処理を行った後、内側多孔質層36上に、イットリア安定化ジルコニアスラリーをディップコーティングして、(多孔質保護層37となる)保護層形成層(図示せず)を作製した。
Next, after performing a well-known Pd nucleation process on the surface of the inner
次に、前記と同様に焼き付けることにより、内側多孔質層36上に多孔質保護層37を形成した。
次に、無電解めっき法により、内側多孔質層36の内部のPd核を成長させ、厚み3.0μmのPdからなる水素分離金属層39を形成した。なお、内側多孔質層36のうち、水素分離金属層39が形成された部分が第2多孔質層35であり、それより内側の水素分離金属層39が形成されていない部分が第1多孔質層33である。これにより、水素分離体5を完成した。
Next, the porous
Next, Pd nuclei inside the inner
その後、水素分離体5に金属継手7を取り付け、水素分離装置67とした。
<成形触媒3の製造方法>
図示しないが、まず、イットリア安定化ジルコニア粉末と、造孔材として60体積%の有機ビーズと、有機バインダとを混合した後、押し出し成形法により、外径φ30mm×内径φ15mm×長さ30mmの円筒形状に成形して、成形体を作製した。
Thereafter, a
<Method for producing molded
Although not shown, first, yttria-stabilized zirconia powder, 60% by volume of organic beads as a pore former, and an organic binder are mixed, and then a cylinder having an outer diameter of φ30 mm, an inner diameter of φ15 mm, and a length of 30 mm is obtained by extrusion molding. Molded into a shape to produce a molded body.
次に、この成形体を脱脂した後、1400℃で焼結することにより、外径φ24mm×内径φ12mm×長さ24mmの多孔質担持体4を作製した。
次に、硝酸ニッケル水溶液中に、前記多孔質担持体4を浸漬し、乾燥した。
Next, this molded body was degreased and then sintered at 1400 ° C. to produce a
Next, the
次に、乾燥後の多孔質担持体4を、600℃にて大気中で熱処理した後、600℃にて水素中で還元処理を行い、前記図4に示すような円筒形状の成形触媒3とした。
即ち、イットリア安定化ジルコニア製の多孔質セラミックスからなる多孔質担持体4に、金属触媒としてニッケル(Ni)を担持した成形触媒3を作製した。
<水素製造装置1の組付方法>
前記図1に示す様に、上述した方法にて製造された水素分離体5と成形触媒3とを、例えば外径φ30mm×内径φ25mm×長さ400mmの円筒状の反応器9内に配置した。
Next, the dried
That is, a molded
<Assembly method of
As shown in FIG. 1, the
具体的には、反応器9内に、複数の成形触媒3を同軸に積層し、その貫通孔15に挿入するように、水素分離体5を配置した。
このとき、水素分離体5は金属継手7を介して反応器9の上基板11に固定されている。なお、上基板11は、水素分離装置67とともに、反応器9(上基板11以外の下部)に対して着脱可能に構成されている。
Specifically, the
At this time, the
従って、この様に構成された水素製造装置1においては、原料導入孔17から(水蒸気を含む)原料ガスが供給されると、成形触媒3にて水蒸気改質が行われて改質ガスが生成される。そして、この改質ガスは、水素分離体5の水素分離金属層39にて水素が分離されて、中心孔21に排出され、更に、この水素は、水素分離体5の中心孔21から金属継手7の中心孔23を介して、反応器9外に取り出される。
Therefore, in the
e)次に、本実施例の効果を説明する。
本実施例の成形触媒3は、水素分離体5が貫挿可能な貫通孔15を有する筒状形状であるので、成形触媒3の貫通孔15に水素分離体5を貫通させることにより(即ち水素分離体5に成形触媒3を外嵌することにより)、水素分離体5の外周側に成形触媒3を配置することができる。
e) Next, the effect of the present embodiment will be described.
Since the shaped
よって、この成形触媒3が外嵌した水素分離体5を反応器9に収容した水素製造装置1においては、高温の状態と低温(室温)状態という熱サイクルが加えられることにより、反応器9の膨張と収縮とが繰り返されても、水素分離体5が破損しにくいという効果がある。
Therefore, in the
つまり、反応器9が高温になって膨張した場合でも、成形触媒3は水素分離体5に外嵌した状態のままであり径方向に移動することはない。よって、反応器9が低温になって収縮しても、成形触媒3は反応器9によって内側に押圧されることはないので、成形触媒3に押圧されて水素分離体5が破損するという問題は生じない。
That is, even when the
また、成形触媒3の多孔質担持体4と水素分離体5の支持体(多孔質部29)が、体積比で90%以上が同一材料、ここでは完全に同一材料によって構成されており、熱膨張・収縮挙動が一致している。このため、成形触媒3自体の収縮もしくは水素分離体5の膨張により、成形触媒3により水素分離体5が押圧されることが無く、水素分離体5が破損することが無い。
Further, the
また、本実施例では、水素分離体5に複数の筒状の成形触媒3が外嵌する構成である。従って、水素分離体5が、中心軸に対して多少傾いていたり径方向の寸法に誤差があったり、或いは、成形触媒3の貫通孔15の寸法精度に誤差があったとしても、各成形触媒3を容易に水素分離体5に嵌めることができる。
In the present embodiment, a plurality of cylindrical shaped
なお、図6に示す様に、各成形触媒3が、水素分離体5の軸中心に対して、径方向に多少ずれていてもよい。
更に、本実施例では、反応器9が収縮した場合でも、成形触媒3が内側に押圧されないので、成形触媒3を水素分離体5に近接して(又は接触させて)配置することができ、よって、水素の製造効率が高いという利点がある。
In addition, as shown in FIG. 6, each of the molded
Furthermore, in this example, even when the
f)次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例は、本発明例である前記実施例1の水素製造装置1と比較例の水素製造装置とを用い、熱サイクルを加えた場合の水素分離体5の破損の程度を、製造される水素の純度によって調べたものである。
f) Next, experimental examples conducted for confirming the effects of the present invention will be described.
In this experimental example, the degree of damage of the
まず、前記実施例1の水素製造装置1を用い、室温(25℃)から550℃まで昇温し、前記実施例1と同様に、成形触媒3側に原料ガス(天然ガス+水蒸気)を導入し、水素分離体5の中心孔21内に水素を抽出する水素製造試験を行った。その結果、得られた水素の純度は99.99体積%以上であった。
First, using the
また、前記試験後に、室温まで降温した後、550℃まで再度昇温して水素を製造する動作、即ち、水素製造装置1の起動・停止試験を繰り返し行った。
その結果、100回以上の起動・停止後も、水素純度は99.99体積%以上が維持され、本発明の有効性が示された。
In addition, after the test, the temperature was lowered to room temperature, and then the temperature was raised again to 550 ° C. to produce hydrogen, that is, the start / stop test of the
As a result, the hydrogen purity was maintained at 99.99% by volume or more even after starting and stopping 100 times or more, indicating the effectiveness of the present invention.
一方、比較例の水素製造装置(図示せず)を作製した。この水素製造装置は、上述した従来技術と同様に、円筒形状の金属製の反応器中に水素分離体を設置し、反応器と水素分離体との間にφ2mmの粒状触媒を充填した。 On the other hand, a hydrogen production apparatus (not shown) of a comparative example was produced. In this hydrogen production apparatus, similarly to the above-described prior art, a hydrogen separator was installed in a cylindrical metal reactor, and a granular catalyst having a diameter of 2 mm was filled between the reactor and the hydrogen separator.
そして、室温から550℃まで昇温し、粒状触媒側に原料ガスを導入し、水素分離体内に水素を抽出する水素製造試験を行った。その結果、得られる水素純度は99.99体積%以上であった。 And it heated up from room temperature to 550 degreeC, the raw material gas was introduce | transduced into the granular catalyst side, and the hydrogen production test which extracts hydrogen in a hydrogen separator was done. As a result, the obtained hydrogen purity was 99.99% by volume or more.
また、起動・停止を5回繰り返して水素製造試験を実施したところ、水素純度は99.99体積%を下回った。その後も起動・停止を繰り返す度に、水素純度が段階的に低下した。 Moreover, when the hydrogen production test was carried out by repeating the start / stop five times, the hydrogen purity was less than 99.99% by volume. After that, the hydrogen purity gradually decreased each time starting and stopping were repeated.
なお、5回の起動・停止後に、降温し、水素分離体を取り出したところ、表面に粒状触媒痕が見られ、水素分離体の破損が確認された。 When the temperature was lowered and the hydrogen separator was taken out after starting and stopping five times, particulate catalyst traces were observed on the surface, and damage to the hydrogen separator was confirmed.
次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
図7に示す様に、本実施例の水素製造装置71では、前記実施例1と同様な水素分離体73を用いているが、その水素分離体73の向きが、前記実施例1とは逆である。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 7, in the
具体的には、水素分離体73は、閉塞された先端側を上方にして垂直に立設されている。そして、水素分離体73の基端側に、前記実施例1と同様な金属継手75が取り付けられ、この金属継手75が反応器77の下基板79に固定されている。
Specifically, the
そして、水素分離体73には、前記実施例1と同様な複数の成形触媒81が順次積み重ねされている。
本実施例においても、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、成形触媒81を配置する際には、垂直に立設された水素分離体73に順次成形触媒81を嵌め込んでゆけばよいので、その製造が容易であるという利点がある。
In the
Also in the present embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and when the formed
次に、実施例3について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、成形触媒の形状が、前記実施例1とは異なるので、成形触媒について説明する。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In this embodiment, the shape of the formed catalyst is different from that of the first embodiment, and therefore the formed catalyst will be described.
a)まず、本実施例の成形触媒の構成について説明する。
図8(a)、(b)に示す様に、本実施例の成形触媒91は、前記実施例1と同様な円筒形状を有しているが、その貫通孔93の内周面の形状が異なっている。
a) First, the configuration of the molded catalyst of this example will be described.
As shown in FIGS. 8A and 8B, the molded
具体的には、成形触媒91の貫通孔93の内周面には、内側(貫通孔93側)に向かって山形に中央部が突出する突出部95が形成してある。
なお、変形例として、図8(c)に示す様に、成形触媒101の貫通孔103の一方の開口端(同図下方)に、内側に向かって(他の開口端(同図上方)から傾斜して)突出する突出部105を設けてもよい。
Specifically, a protruding
As a modification, as shown in FIG. 8 (c), toward one opening end (downward in the figure) of the through-
b)次に、本実施例の成形触媒91の製造方法について説明する。
図示しないが、まず、イットリア安定化ジルコニア粉末と、造孔材として60体積%の有機ビーズと、有機バインダとを混合した後、スプレードライにより造粒を行った。
b) Next, the manufacturing method of the shaping | molding
Although not shown, first, yttria-stabilized zirconia powder, 60% by volume of organic beads as a pore former, and an organic binder were mixed, and then granulated by spray drying.
次に、得られた造粒粉をプレス成形法により、外径φ30mm×内径φ15mm×長さ30mm、内周面に凹凸(図8(b)に示す突出部95の形状)を有する円筒形状に成形した。
Next, the obtained granulated powder is pressed into a cylindrical shape having an outer diameter φ30 mm × inner diameter φ15 mm ×
この成形体を、脱脂後に1400℃で焼結することにより、外径φ24mm×内径φ12mm×長さ24mmの多孔質担持体(図示せず)を作製した。
次に、硝酸ニッケル水溶液中に、前記多孔質担持体を浸漬し、乾燥した。
The molded body was degreased and sintered at 1400 ° C. to prepare a porous carrier (not shown) having an outer diameter of φ24 mm × inner diameter of φ12 mm × length of 24 mm.
Next, the porous carrier was immersed in an aqueous nickel nitrate solution and dried.
その後、乾燥した多孔質担持体を、600℃にて大気中で熱処理した後、600℃にて水素中で還元処理を行い、前記図8(a)、(b)に示す円筒形状の成形触媒91とした。 Thereafter, the dried porous carrier is heat treated in the atmosphere at 600 ° C., and then reduced in hydrogen at 600 ° C. to form the cylindrical shaped catalyst shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b). 91.
c)本実施例は、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、貫通孔93の内周面には、内側に突出する突出部95が形成してあるので、ガス流れを乱すことができ、原料ガスが成形触媒91と接触し易く、反応性が高いという利点がある。
c) This embodiment has the same effects as the first embodiment, and the inner peripheral surface of the through-
また、貫通孔93を流れた原料ガスが改質されて水素が生成された場合には、そのまま、近接した水素分離体5によって、選択的に水素が分離されるので、水素の製造性能が高いという効果がある。
In addition, when hydrogen is generated by reforming the raw material gas flowing through the through
d)次に、実験例について説明する。
本実施例の成形触媒91と前記実施例1の水素分離体5とを、前記実施例1の反応器9に収容して、実験に用いる水素製造装置(図示せず)を作製した。
d) Next, experimental examples will be described.
The molded
そして、この水素製造装置を用いて、前記実験例と同様な条件で、起動・停止試験を実施したところ、同様に100回以上の起動・停止後も、水素純度は99.99体積%以上が維持された。 And when this start-up / stop test was carried out under the same conditions as in the experimental example using this hydrogen production apparatus, the hydrogen purity was 99.99% by volume or more after 100 start-ups / stops. Maintained.
次に、実施例4について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、成形触媒の形状が、前記実施例1とは異なるので、成形触媒について説明する。
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In this embodiment, the shape of the formed catalyst is different from that of the first embodiment, and therefore the formed catalyst will be described.
図9に示す様に、本実施例の成形触媒111は、前記実施例1と同様な円筒形状を有しているが、その貫通孔113以外に通気孔115を有している点が異なっている。
具体的には、成形触媒111には、貫通孔113と平行に、複数箇所に(例えば4箇所に)成形触媒111を軸方向に貫通する通気孔115を有している。
As shown in FIG. 9, the molded
Specifically, the molded
従って、本実施例では、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、通気孔115を有しているので、原料ガスは通気孔115にも供給される。よって、原料ガスが金属触媒と接触し易いので、原料ガスから効率よく水素が生成される。
Therefore, in this embodiment, the same effect as in the first embodiment is obtained, and since the
次に、実施例5について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、成形触媒の形状が、前記実施例1とは異なるので、成形触媒について説明する。
Next, although Example 5 is demonstrated, description of the content similar to the said Example 1 is abbreviate | omitted.
In this embodiment, the shape of the formed catalyst is different from that of the first embodiment, and therefore the formed catalyst will be described.
図10(a)、(b)に示す様に、本実施例の成形触媒121は、前記実施例1と同様な円筒形状を有しているが、その軸方向における両端面(上端面123及び下端面125)の構造が異なっている。
As shown in FIGS. 10A and 10B, the molded
具体的には、成形触媒121の上端面123は、貫通孔127側ほど軸方向の一方の側(ここでは同図上方)に突出しており、同様に、下端面125も、貫通孔127側ほど上方に突出している。なお、上端面123と下端面125は平行である。
Specifically, the
従って、本実施例では、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、上端面123及び下端面125が上方に突出しているので、複数の成形触媒121を積み重ねる際に、位置ずれし難いという利点がある。
Therefore, in this embodiment, the same effects as in the first embodiment are obtained, and the
つまり、上端面123及び下端面125が上方に突出した構造によって位置決めができるので、複数の成形触媒121の軸方向を一致させて配列できるという利点がある。
また、図10(c)は、本実施例の変形例の成形触媒131を示している。
That is, since positioning can be performed by the structure in which the
FIG. 10C shows a molded
この変形例では、成形触媒131の軸方向の一方の端面(ここでは上端面133)に複数の凸部135が設けられ、他方の端面(ここでは下端面137)には、前記凸部135が嵌合する凹部139が設けられている。
In this modification, a plurality of
つまり、向かい合う凸部135と凹部139とが嵌合する構造によって位置決めができるので、複数の成形触媒131の軸方向を一致させて、容易に配列できるという利点がある。
That is, since positioning can be performed by a structure in which the
次に、実施例6について説明するが、前記実施例2と同様な内容の説明は省略する。
図11に示す様に、本実施例の水素製造装置140では、前記実施例2と同様に、反応器141内に金属継手143が取り付けられた水素分離体145が立設されており、その水素分離体145に、複数の筒状の成形触媒147が外嵌されている。
Next, the sixth embodiment will be described, but the description of the same contents as the second embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 11, in the
特に、本実施例では、成形触媒147として、外径は同じであるが内径が異なる2種の成形触媒147a、147bが積層されている。つまり、内径の大きな成形触媒147aと内径の小さな成形触媒147bが交互に積層されている。
In particular, in this embodiment, as the molded
本実施例により、前記実施例2と同様な効果を奏するとともに、ガス流れを乱すことにより、効率よく原料ガスを改質して水素生成し、水素を分離できるという利点がある。 According to the present embodiment, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and by disturbing the gas flow, there is an advantage that the raw material gas can be efficiently reformed to generate hydrogen and hydrogen can be separated.
次に、実施例7について説明するが、前記実施例2と同様な内容の説明は省略する。なお、前記実施例2と同様な部材には、同様な番号を使用して説明する。
図12(a)に示す様に、本実施例では、前記実施例2と同様に、金属継手75が取り付けられた水素分離体73が立設されており、その水素分離体73に、前記実施例2と同様に、複数の筒状の成形触媒81が外嵌されている。
Next, although Example 7 is demonstrated, description of the content similar to the said Example 2 is abbreviate | omitted. The same members as those in the second embodiment will be described using the same numbers.
As shown in FIG. 12A, in this embodiment, as in the second embodiment, a
特に本実施例では、最上段の筒状の成形触媒81の上に、(有底の)カップ状の成形触媒151が載置されている。つまり、この成形触媒151は、筒状の成形触媒81の先端から露出する水素分離体73の先端を覆うように、配置されている。
In particular, in this embodiment, a cup-shaped molded catalyst 151 (with a bottom) is placed on the uppermost cylindrical molded
本実施例によっても、前記実施例2と同様な効果を奏するとともに、原料ガスを改質する性能が高いという利点がある。 Also according to the present embodiment, there are advantages that the same effects as those of the second embodiment are obtained and the performance of reforming the raw material gas is high.
次に、実施例8について説明するが、前記実施例2と同様な内容の説明は省略する。なお、前記実施例2と同様な部材には、同様な番号を使用して説明する。
図12(b)に示す様に、本実施例では、前記実施例2と同様に、金属継手75が取り付けられた水素分離体73が立設されており、その水素分離体73に、1個の筒状の成形触媒161が外嵌されている。
Next, Example 8 will be described, but the description of the same contents as Example 2 will be omitted. The same members as those in the second embodiment will be described using the same numbers.
As shown in FIG. 12B, in this embodiment, as in the second embodiment, a
この成形触媒161は、前記実施例2の成形触媒より軸方向の寸法が長く、1個の成形触媒161によって、水素分離体73の(先端部分を除く)殆どの外周部分を覆っている。例えば成形触媒161の長さは、水素分離体73の露出部分の半分以上を覆っている。
This
本実施例では、前記実施例2と同様な効果を奏するとともに、構成を簡易化できるという利点がある。 The present embodiment has the advantages that the same effects as those of the second embodiment can be obtained and the configuration can be simplified.
次に実施例9について説明するが、前記実施例1と同様の内容は説明を省略する。
図示しないが、水素分離体の支持体材料として、アルミナを使用した。そして、ゴム型に、アルミナ造粒粉、次に、造孔材として48体積%の有機ビーズを添加したアルミナ造粒粉の順番に充填し、その後、プレス成形法により、円筒有底管形状(試験管形状)に成形後、1500℃で焼成することにより、緻密部と多孔質部とが一体化されたセラミック支持体を得た。その後、実施例1と同様に、水素分離金属層等の形成を行い、水素分離体を得た。
Next, the ninth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
Although not shown, alumina was used as a support material for the hydrogen separator. The rubber mold is filled with alumina granulated powder and then alumina granulated powder with 48% by volume of organic beads added as a pore former, and after that, a cylindrical bottomed tube shape ( After forming into a test tube shape), firing at 1500 ° C. gave a ceramic support in which the dense portion and the porous portion were integrated. Thereafter, in the same manner as in Example 1, a hydrogen separation metal layer and the like were formed to obtain a hydrogen separator.
触媒担持体として、アルミナ粉末と60体積%の有機ビーズと、有機バインダとを混合した後、押し出し成形法により、外径φ30mm×内径φ15mm×長さ30mmの円筒形状に成形して、成形体を作製した。その後、実施例1と同様に、焼成して多孔質担持体とし、触媒金属の担持を行って成形触媒とした。 After mixing alumina powder, 60% by volume of organic beads, and an organic binder as a catalyst carrier, it is molded into a cylindrical shape having an outer diameter of 30 mm, an inner diameter of 15 mm, and a length of 30 mm by an extrusion molding method. Produced. Thereafter, in the same manner as in Example 1, it was fired to obtain a porous carrier, and a catalyst metal was carried to obtain a molded catalyst.
従って、本実施例では、セラミック支持体(詳しくは多孔質部)と多孔質担持体とは、その構成材料は完全に(100%)同一である。
そして、前記水素分離体と前記成形触媒とを組み合わせて第1実施例のように水素製造装置とした。
Therefore, in this embodiment, the constituent materials of the ceramic support (specifically, the porous portion) and the porous support are completely the same (100%).
And the hydrogen separator and the said shaping | molding catalyst were combined, and it was set as the hydrogen production apparatus like 1st Example.
本実施例においても前記実施例1と同様の効果が得られた。 Also in this example, the same effect as in Example 1 was obtained.
次に実施例10について説明するが、前記実施例9と同様の内容は説明を省略する。
水素分離体は、前記実施例1と同様にして製造した。
また、触媒担持体として、イットリア安定化ジルコニアとアルミナとの(体積比が)90:10の混合粉末を40体積%と、60体積%の有機ビーズと、有機バインダとを混合した後、押し出し成形法により、外径φ30mm×内径φ15mm×長さ30mmの円筒形状に成形して、成形体を作製した。その後、実施例1と同様に、焼成して多孔質担持体とし、触媒金属の担持を行って成形触媒とした。
Next, the tenth embodiment will be described, but the description of the same contents as the ninth embodiment will be omitted.
The hydrogen separator was produced in the same manner as in Example 1.
Further, as a catalyst support, 40% by volume of a mixed powder of 90:10 (volume ratio) of yttria-stabilized zirconia and alumina, 60% by volume of organic beads, and an organic binder are mixed and then extruded. According to the above method, it was molded into a cylindrical shape having an outer diameter of 30 mm, an inner diameter of 15 mm, and a length of 30 mm to produce a molded body. Thereafter, in the same manner as in Example 1, it was fired to obtain a porous carrier, and a catalyst metal was carried to obtain a molded catalyst.
従って、本実施例では、セラミック支持体(詳しくは多孔質部)と多孔質担持体とは、その構成材料の90%は同一である。
そして、前記成形触媒を用いて第1実施例のように水素製造装置とした。
本実施例においても前記実施例1と同様の効果が得られた。
Therefore, in this embodiment, 90% of the constituent materials of the ceramic support (specifically, the porous portion) and the porous support are the same.
Then, a hydrogen production apparatus was formed as in the first example using the molded catalyst.
Also in this example, the same effect as in Example 1 was obtained.
尚、本発明は前記実施形態や実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば、図13に示す様に、円筒形状の成形触媒171、173の内周面に、周方向に伸びる環状の凹凸を形成してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment and Example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
(1) For example, as shown in FIG. 13, annular irregularities extending in the circumferential direction may be formed on the inner peripheral surfaces of the cylindrical shaped
(2)また、水素分離金属層を形成する場合には、前記無電解めっきの後に、電解めっきを行ってもよい。この電解めっきとしては、通常の電解めっき以外に、内部給電方式を採用できる。この内部給電方式では、セラミック支持体の内側(又は外側)に電解液を供給するとともに、その反対側である外側(又は内側)に電解めっき液を供給し、外側(又は内側)よりめっき金属を析出させてもよい。 (2) Moreover, when forming a hydrogen separation metal layer, you may perform electrolytic plating after the said electroless plating. As this electrolytic plating, an internal power feeding method can be adopted in addition to normal electrolytic plating. In this internal power feeding method, the electrolytic solution is supplied to the inside (or outside) of the ceramic support, and the electrolytic plating solution is supplied to the outside (or inside), which is the opposite side, and the plating metal is supplied from the outside (or inside). It may be deposited.
(3)更に、水素分離金属層としてPd合金を用いる場合には、各合金材料(例えばPdとAg)を、それぞれ無電解めっきや電解めっきによって順次形成し、その後加熱して合金化してもよい。 (3) Further, when a Pd alloy is used as the hydrogen separation metal layer, each alloy material (for example, Pd and Ag) may be sequentially formed by electroless plating or electrolytic plating, and then heated to be alloyed. .
1、71、140…水素製造装置
3、81、91、101、111、121、131、141、147、147a、147b、151、161、171、173…成形触媒
4…担持体(多孔質担持体)
5、73、145…水素分離体
9、77、141…反応器
15、65、93、103、113、127…貫通孔
29…多孔質部(支持体)
31…多孔質層
39…水素分離金属層(水素透過膜)
67…水素分離装置
95、105…突出部
115…通気孔
135…凸部
139…凹部
DESCRIPTION OF
5, 73, 145 ...
31 ...
67 ...
Claims (9)
前記成形触媒は、原料ガスから水素を生成させる金属触媒と該金属触媒を担持する担持体とからなり、前記水素分離体が貫挿可能な貫通孔を有する筒状形状であり、
且つ、前記成形触媒の担持体の構成材料と前記水素分離体の支持体の構成材料とは、体積比で90%以上が同じあることを特徴とする成形触媒。 A molded catalyst used in a reactor containing a cylindrical hydrogen separator comprising a hydrogen separation metal layer that selectively permeates hydrogen and a support that supports the hydrogen separation metal layer,
The molded catalyst is composed of a metal catalyst that generates hydrogen from a raw material gas and a carrier that supports the metal catalyst, and has a cylindrical shape having a through-hole into which the hydrogen separator can be inserted.
The forming catalyst is characterized in that the forming material of the forming catalyst carrier and the supporting material of the hydrogen separator have the same volume ratio of 90% or more.
前記請求項1〜4のいずれか1項に記載の成形触媒と、
を反応器に収容した水素製造装置であって、
前記成形触媒は、自身の貫通孔に前記水素分離体が貫挿されて、当該水素分離体に外嵌されていることを特徴とする水素製造装置。 A cylindrical hydrogen separator having a hydrogen separation metal layer that allows only hydrogen to permeate, and
The molded catalyst according to any one of claims 1 to 4,
A hydrogen production apparatus containing the
The hydrogen producing apparatus is characterized in that the molded catalyst is fitted into the hydrogen separator by inserting the hydrogen separator into a through hole of the molded catalyst.
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