JP2017077533A - 吸着剤、水素ガス精製装置、および水素ガス精製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】水素ガス中の一酸化炭素の吸着能力に優れる吸着剤を提供する。【解決手段】陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)であって、温度が25℃、圧力が10Paにおける一酸化炭素の平衡吸着量が150mmol/kg以上であることを特徴とする吸着剤を選択する。【選択図】なし
Description
本発明は、吸着剤、水素ガス精製装置、および水素ガス精製方法に関する。
燃料電池の燃料として使用される水素ガスは、原料として天然ガスなどの化石燃料を改質して製造する。具体的には、改質装置を用いて、都市ガスの主成分であるメタンガスを水蒸気改質させて水素ガスを製造する。その際、水蒸気改質により一酸化炭素が副生成物として生成されるため、一酸化炭素を変成反応により二酸化炭素に変換してから排気する。しかしながら、この製造方法では、製造後の水素ガス中に、変換しきれなかった微量の一酸化炭素が含まれる。
ここで、水素ガスを燃料電池に適用する場合、水素ガス中の一酸化炭素の濃度は、10ppm未満であることが要求されている。また、水素ガスを水素自動車に適用する場合、水素ガス中の一酸化炭素の濃度は、例えば、ISO規格では、0.2ppm未満であることが要求されている。そのため、改質後の水素ガスから一酸化炭素を除去する必要がある。
水素ガスから一酸化炭素を除去する方法としては、一酸化炭素を吸着剤に吸着させることにより除去する方法が知られている。
例えば、特許文献1には、吸着剤として、モレキュラーシーブやアルミナを用いて、圧力スイング吸着(PSA;Pressure Swing Adsorption)法により、水素ガス中の一酸化炭素を除去する方法が開示されている。
例えば、特許文献1には、吸着剤として、モレキュラーシーブやアルミナを用いて、圧力スイング吸着(PSA;Pressure Swing Adsorption)法により、水素ガス中の一酸化炭素を除去する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1に開示された方法では、上述した吸着剤の吸着能力が不十分であるため、多量の吸着剤が必要であった。その結果、吸着塔のサイズが大きくなり、一酸化炭素の除去効率に劣るといった問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、水素ガス中の一酸化炭素の吸着能力に優れる吸着剤、この吸着剤の製造方法、この吸着剤を用いた水素ガス精製装置、および、この吸着剤を用いた水素ガス精製方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、
陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)であって、
温度が25℃、圧力が10Paにおける一酸化炭素の平衡吸着量が150mmol/kg以上であることを特徴とする吸着剤である。
陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)であって、
温度が25℃、圧力が10Paにおける一酸化炭素の平衡吸着量が150mmol/kg以上であることを特徴とする吸着剤である。
また、請求項2に係る発明は、
前記Ag−ZSM5中の、銀イオンへの交換率が45%以上である、請求項1に記載の吸着剤である。
前記Ag−ZSM5中の、銀イオンへの交換率が45%以上である、請求項1に記載の吸着剤である。
また、請求項3に係る発明は、
温度スイング吸着法により、水素ガス中から一酸化炭素を除去して水素ガスを精製する装置であって、
請求項1に記載の吸着剤が充填された1以上の吸着塔と、
一酸化炭素を含む水素ガスを前記吸着塔の一端側に供給する原料ガス導入経路と、
前記吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す製品ガス導出経路と、
前記製品ガス導出経路から分岐され、精製された水素ガスの一部を再生ガスとして前記吸着塔の他端側に供給する再生ガス供給経路と、を備え、
前記再生ガス供給経路に、前記再生ガスを加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする水素ガス精製装置である。
温度スイング吸着法により、水素ガス中から一酸化炭素を除去して水素ガスを精製する装置であって、
請求項1に記載の吸着剤が充填された1以上の吸着塔と、
一酸化炭素を含む水素ガスを前記吸着塔の一端側に供給する原料ガス導入経路と、
前記吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す製品ガス導出経路と、
前記製品ガス導出経路から分岐され、精製された水素ガスの一部を再生ガスとして前記吸着塔の他端側に供給する再生ガス供給経路と、を備え、
前記再生ガス供給経路に、前記再生ガスを加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする水素ガス精製装置である。
また、請求項4に係る発明は、
前記加熱手段が、前記吸着塔に設けられていることを特徴とする、請求項3に記載の水素ガス精製装置である。
前記加熱手段が、前記吸着塔に設けられていることを特徴とする、請求項3に記載の水素ガス精製装置である。
また、請求項5に係る発明は、
温度スイング吸着法により、水素ガス中から一酸化炭素を除去して水素ガスを精製する方法であって、
請求項1に記載の吸着剤が充填された1以上の吸着塔の一端側から一酸化炭素を含む水素ガスを供給し、前記吸着剤に一酸化炭素を吸着させて除去した後、前記吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す、水素ガスの精製工程と、
精製された水素ガスの一部を再生ガスとして前記吸着塔の他端側から供給し、前記吸着剤を100〜400℃に加熱して当該吸着剤から一酸化炭素を脱離させた後、前記吸着塔の一端側から一酸化炭素を排出する再生工程と、を含むことを特徴とする水素ガス精製方法である。
温度スイング吸着法により、水素ガス中から一酸化炭素を除去して水素ガスを精製する方法であって、
請求項1に記載の吸着剤が充填された1以上の吸着塔の一端側から一酸化炭素を含む水素ガスを供給し、前記吸着剤に一酸化炭素を吸着させて除去した後、前記吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す、水素ガスの精製工程と、
精製された水素ガスの一部を再生ガスとして前記吸着塔の他端側から供給し、前記吸着剤を100〜400℃に加熱して当該吸着剤から一酸化炭素を脱離させた後、前記吸着塔の一端側から一酸化炭素を排出する再生工程と、を含むことを特徴とする水素ガス精製方法である。
本発明の吸着剤は、陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)であって、温度が25℃、圧力が10Paにおける一酸化炭素の平衡吸着量が150mmol/kg以上であるため、水素ガス中の一酸化炭素の吸着能力に優れる。
また、本発明の水素ガス精製装置は、上述した吸着剤が充填された1以上の吸着塔と、一酸化炭素を含む水素ガスを吸着塔の一端側に供給する原料ガス導入経路と、吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す製品ガス導出経路と、製品ガス導出経路から分岐され、精製された水素ガスの一部を再生ガスとして吸着塔の他端側に供給する再生ガス供給経路と、を備え、再生ガス供給経路に、再生ガスを加熱する加熱手段が設けられている構成となっている。そのため、水素ガス中の一酸化炭素の除去能力に優れる。
また、本発明の水素ガス精製方法は、上述した吸着剤が充填された1以上の吸着塔の一端側から一酸化炭素を含む水素ガスを供給し、吸着剤に一酸化炭素を吸着させて除去した後、吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す、水素ガスの精製工程と、精製された水素ガスの一部を再生ガスとして吸着塔の他端側から供給し、吸着剤を100〜400℃に加熱して当該吸着剤から一酸化炭素を脱離させた後、吸着塔の一端側から一酸化炭素を排出する再生工程と、を含む構成となっている。そのため、水素ガス中の一酸化炭素除去能力に優れる。
以下、本発明を適用した一実施形態である吸着剤、この吸着剤の製造方法、この吸着剤を用いた水素ガス精製装置、および、この装置を用いた水素ガス精製方法について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
<吸着剤の製造方法>
先ず、本発明を適用した一実施形態である吸着剤の製造方法について説明する。本実施形態の吸着剤の製造方法は、ZSM5型ゼオライトをイオン交換するイオン交換工程から構成されている。本実施形態の吸着剤の製造方法によれば、一酸化炭素の吸着能力に優れる吸着剤を製造することができる。
先ず、本発明を適用した一実施形態である吸着剤の製造方法について説明する。本実施形態の吸着剤の製造方法は、ZSM5型ゼオライトをイオン交換するイオン交換工程から構成されている。本実施形態の吸着剤の製造方法によれば、一酸化炭素の吸着能力に優れる吸着剤を製造することができる。
イオン交換工程は、いわゆるZSM5型ゼオライトに含まれる陽イオンを銀イオンに交換する工程である。本実施形態では、上記ZSM5型ゼオライトとして、プロトンを陽イオンとして含むZSM5型ゼオライト(以下、「H−ZSM5」と記載することがある)を用いた例について説明する。
具体的には、先ず、H−ZSM5を硝酸銀水溶液に浸漬した後、暗室、室温下で撹拌する。これにより、H−ZSM5のプロトンが銀イオンに交換される。
次に、これを吸引濾過することにより、銀イオンに交換されたZSM5型ゼオライト(以下、「Ag−ZSM5」と記載することがある)を回収する。プロトンから銀イオンへの交換率(以下、単に「交換率」と記載することがある)を増加させると、一酸化炭素の吸着能力に優れる吸着剤を製造することができる。交換率を増加させる方法は各種あるが、上述の硝酸銀水溶液の濃度、浸漬時間、撹拌時間、浸漬させる際の溶液の温度、イオン交換の回数を任意に調整することにより、交換率を増加させることができる。
例えば、浸漬時間を長くすることにより、交換率を増加させることができる。
例えば、浸漬時間を長くすることにより、交換率を増加させることができる。
イオン交換工程に用いるH−ZSM5は、シリカと、アルミナと、を含み構成される。シリカとアルミナのモル比(以下、「シリカ/アルミナモル比」と記載することがある)の上限値としては、特に限定されないが、具体的には、例えば、50が好ましく、20がより好ましい。シリカ/アルミナモル比が上限値以下であることにより、イオン交換サイトであるアルミナの量が増えるため、イオン交換量が増加する。
また、交換率の下限値としては、特に限定されないが、具体的には、例えば、45%が好ましく、65%がより好ましい。交換率が下限値以上であることにより、一酸化炭素の吸着効率を向上させることができる。なお、交換率はキレート滴定法などにより測定することができる。
ここで、キレート滴定法とは、金属イオンがキレート試薬と反応して、キレート化合物を生成する反応を利用した滴定法であり、Ag−ZSM5に含まれる銀イオンの量を測定することができる。キレート試薬としては、銀イオンの量を測定可能なものであれば特に限定されないが、具体的には、例えば、エチレンジアミン四酢酸(EDTA;Ethylene Diamine Tetra Acid)などが挙げられる。
以上の工程により、本実施形態の吸着剤を製造することができ、水素ガス中の一酸化炭素を高効率で吸着することができる。
<吸着剤>
次に、上述した吸着剤の製造方法により製造した本実施形態の吸着剤について詳細に説明する。本実施形態の吸着剤は、陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)である。
次に、上述した吸着剤の製造方法により製造した本実施形態の吸着剤について詳細に説明する。本実施形態の吸着剤は、陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)である。
吸着剤の銀イオンの交換率の下限値としては、特に限定されないが、具体的には、例えば、45%が好ましく、65%がより好ましい。交換率が下限値以上であることにより、一酸化炭素の吸着効率を向上させることができる。
この吸着剤は、一酸化炭素を吸着することにより吸着能力が低下するが、加熱することにより一酸化炭素を脱離させ、吸着能力を再生することができる。吸着剤を再生する際の加熱温度の上限値としては、400℃が好ましく、300℃がより好ましい。加熱温度が上限値以下であることにより、吸着剤に吸着した一酸化炭素を効率よく脱離することができ、再生後の吸着剤の活性が維持される。加熱温度が上限値以上の場合、ヒーターの電力が増加するため好ましくない。また、バルブ等の部材を劣化させる原因にもなる。
また、吸着剤を再生する際の加熱温度の下限値としては、100℃が好ましく、200℃がより好ましい。加熱温度が下限値以上であることにより、吸着剤に吸着した一酸化炭素を効率よく脱離することができる。加熱温度が下限値以下の場合、吸着剤から一酸化炭素が脱離する速度が遅くなり、当該脱離が十分に行われない。したがって、再生後の吸着剤の吸着能力が著しく低下する。
本実施形態の吸着剤の吸着量としては、特に限定されないが、具体的には、例えば、温度が25℃、圧力が10Paにおける一酸化炭素の平衡吸着量が150mmol/kg以上であるのが好ましく、250mmol/kg以上であるのがより好ましい。
なお、吸着量は、定容式のガス吸着量測定装置を用いて、温度を25℃一定にして行っている。
<水素ガス精製装置>
次に、上述した吸着剤を用いた本実施形態の水素ガス精製装置1について説明する。図1は、本発明を適用した一実施形態である水素ガス精製装置1の構成を示す系統図である。図1に示すように、本実施形態の水素ガス精製装置1は、2機の吸着塔2A,2Bと、原料ガス導入経路L1と、製品ガス導出経路L2と、再生ガス供給経路L3と、加熱手段3と、を備えて概略構成されている。本実施形態の水素ガス精製装置1は、温度スイング吸着(TSA;Thermal Swing Adsorption)法により、水素ガス中の一酸化炭素を除去するための装置である。
次に、上述した吸着剤を用いた本実施形態の水素ガス精製装置1について説明する。図1は、本発明を適用した一実施形態である水素ガス精製装置1の構成を示す系統図である。図1に示すように、本実施形態の水素ガス精製装置1は、2機の吸着塔2A,2Bと、原料ガス導入経路L1と、製品ガス導出経路L2と、再生ガス供給経路L3と、加熱手段3と、を備えて概略構成されている。本実施形態の水素ガス精製装置1は、温度スイング吸着(TSA;Thermal Swing Adsorption)法により、水素ガス中の一酸化炭素を除去するための装置である。
吸着塔2A,2Bは、耐熱性及び耐圧性を備えた筒状の反応容器である。容器の形状については、特に限定されるものではない。
吸着塔2A,2Bの内部には、一酸化炭素を吸着するために上述の吸着剤が充填されている。この吸着剤により、水素ガス中に含まれる一酸化炭素を除去することができる。また、この吸着剤は、一酸化炭素を吸着することにより吸着能力が低下するが、加熱することにより一酸化炭素を脱離させ、吸着能力を再生することができる。
吸着塔2Aおよび吸着塔2Bの一端側には、原料ガス導入経路L1から分岐した原料ガス導入経路L1AおよびL1Bがそれぞれ接続されている。これにより、原料ガス導入経路L1を介して、精製前の水素ガス(以下、「原料ガス」と記載することがある)を吸着塔2A,2Bに供給することができる。
また、吸着塔2Aおよび吸着塔2Bの他端側には、製品ガス導出経路L2から分岐した製品ガス導出経路L2AおよびL2Bがそれぞれ接続されている。これにより、吸着塔2A,2Bにおいて一酸化炭素を除去した原料ガス(以下、「製品ガス」と記載することがある)を、製品ガス導出経路L2を介して、吸着塔2A,2Bから外部に供給することができる。
原料ガス導入経路L1A,L1Bには、それぞれ開閉バルブV1A,V1Bが設けられている。また、製品ガス導出経路L2A,L2Bには、それぞれ開閉バルブV2A,V2Bが設けられている。開閉バルブV1A,V1B,V2A,V2Bの開閉状態を操作することにより、吸着塔2Aおよび吸着塔2Bのうち、どちらか一方にのみ原料ガスを供給することができる。例えば、吸着塔2Aにだけ原料ガスを供給する場合は、開閉バルブV1A,V2Aを開状態にし、開閉バルブV1B,V2Bを閉状態にする。
再生ガス供給経路L3は、一端が製品ガス導出経路L2と接続しており、他端が再生ガス供給経路L3Aと再生ガス供給経路L3Bとに分岐している。再生ガス供給経路L3Aは、製品ガス導出経路L2A上であって、吸着塔2Aの他端側と開閉バルブV2Aの間で接続されている。また、再生ガス供給経路L3Bは、製品ガス導出経路L2B上であって、吸着塔2Bの他端側と開閉バルブV2Bの間で接続されている。
再生ガス供給経路L3には製品ガス導出経路L2から製品ガスの一部が供給されており、再生ガス供給経路L3を介して、製品ガスを吸着塔2Aおよび吸着塔2Bに供給することができる。
再生ガス供給経路L3Aおよび再生ガス供給経路L3Bには、それぞれ開閉バルブV3Aおよび開閉バルブV3Bが設けられている。開閉バルブV3A,V3Bの開閉状態を操作することにより、吸着塔2Aおよび吸着塔2Bのうち、どちらか一方にのみ製品ガスを供給することができる。例えば、吸着塔2Bにだけ製品ガスを供給する場合は、開閉バルブV3Bを開状態にし、開閉バルブV3Aを閉状態にする。
加熱手段3は、再生ガス供給経路L3上に設けられている。加熱手段3は、一次側から製品ガスの一部が供給されており、供給された製品ガスを加熱し、再生ガスとして二次側に供給する。したがって、再生ガス供給経路L3から吸着塔2A,2Bに供給される再生ガスの温度は高い。
吸着塔2Aまたは吸着塔2Bに高温の再生ガスを供給することにより、吸着塔2A,2B内の吸着剤が加熱され、吸着剤から一酸化炭素が脱離する。脱離した一酸化炭素は再生ガスと混ざり、排気ガスとして系外に排出される。
原料ガス導入経路L1A上であって、吸着塔2Aの一端側と開閉バルブV1Aの間には、排気経路L4Aが接続されている。また、原料ガス導入経路L1B上であって、吸着塔2Bの一端側と開閉バルブV1Bの間には、排気経路L4Bが接続されている。
排気経路L4Aおよび排気経路L4Bは途中で接続され、排気経路L4となる。排気経路L4により、吸着塔2Aおよび吸着塔2Bで生成した排気ガスを外部に排気することができる。
排気経路L4Aおよび排気経路L4Bには、それぞれ開閉バルブV4Aおよび開閉バルブV4Bが設けられている。開閉バルブV4A,V4Bの開閉状態を操作することにより、生成した排気ガスを外部に排気することができる。例えば、吸着塔2Bにおいて生成した排気ガスを外部に排気する場合は、開閉バルブV4Bを開状態にし、開閉バルブV4Aを閉状態にする。
さらに、上述した開閉バルブV1A,V1B,V2A,V2B,V3A,V3B,V4A,V4Bの開閉状態を操作することにより、一方の吸着塔で水素ガス中の一酸化炭素の除去する処理(精製処理)を行うと同時に、他方の吸着塔から吸着剤に吸着した一酸化炭素を排気経路L4へ供給する処理(再生処理)を行うことができる。例えば、吸着塔2Aで精製処理を行い、吸着塔2Bで再生処理を行う場合は、開閉バルブV1A,V2A,V3B,V4Bを開状態にし、開閉バルブV1B,V2B,V3A,V4Aを閉状態にする。
<水素ガス精製方法>
次に、上述した水素ガス精製装置1を用いた本実施形態の水素ガス精製方法について説明する。本実施形態の水素ガス精製方法は、吸着塔2Aおよび吸着塔2Bを並列に接続し、一方の吸着塔において原料ガスを精製する精製処理を行い、他方の吸着塔において吸着剤を再生する再生処理を行う。上記精製処理と再生処理を吸着塔2Aおよび吸着塔2Bの間で交互に切り替えることにより、全体として水素ガスを連続精製することができる。本実施形態では、吸着塔2Aにおいて精製処理を行い、吸着塔2Bで再生処理を行う方法を例として説明する。
次に、上述した水素ガス精製装置1を用いた本実施形態の水素ガス精製方法について説明する。本実施形態の水素ガス精製方法は、吸着塔2Aおよび吸着塔2Bを並列に接続し、一方の吸着塔において原料ガスを精製する精製処理を行い、他方の吸着塔において吸着剤を再生する再生処理を行う。上記精製処理と再生処理を吸着塔2Aおよび吸着塔2Bの間で交互に切り替えることにより、全体として水素ガスを連続精製することができる。本実施形態では、吸着塔2Aにおいて精製処理を行い、吸着塔2Bで再生処理を行う方法を例として説明する。
(精製処理)
先ず、開閉バルブV1A,V2A,V3B,V4Bを開状態にし、開閉バルブV1B,V2B,V3A,V4Aを閉状態にする。これにより、原料ガス導入経路L1から供給された原料ガスを、原料ガス導入経路L1Aを介して吸着塔2Aに供給する。その後、吸着塔2A内の吸着剤により原料ガスから一酸化炭素を吸着除去し、製品ガスを生成する。その後、生成した製品ガスを製品ガス導出経路L2Aおよび製品ガス導出経路L2を介して外部へ供給する。
先ず、開閉バルブV1A,V2A,V3B,V4Bを開状態にし、開閉バルブV1B,V2B,V3A,V4Aを閉状態にする。これにより、原料ガス導入経路L1から供給された原料ガスを、原料ガス導入経路L1Aを介して吸着塔2Aに供給する。その後、吸着塔2A内の吸着剤により原料ガスから一酸化炭素を吸着除去し、製品ガスを生成する。その後、生成した製品ガスを製品ガス導出経路L2Aおよび製品ガス導出経路L2を介して外部へ供給する。
(再生処理)
一方、製品ガス導出経路L2から製品ガスを外部へ供給している間、再生ガス供給経路L3を介して製品ガスの一部を加熱手段3に供給する。加熱手段3は、供給された製品ガスを加熱し、再生ガス供給経路L3および再生ガス供給経路L3Bを介して加熱した製品ガス(再生ガス)を吸着塔2Bへ供給する。
一方、製品ガス導出経路L2から製品ガスを外部へ供給している間、再生ガス供給経路L3を介して製品ガスの一部を加熱手段3に供給する。加熱手段3は、供給された製品ガスを加熱し、再生ガス供給経路L3および再生ガス供給経路L3Bを介して加熱した製品ガス(再生ガス)を吸着塔2Bへ供給する。
次に、吸着塔2Bにおいて、再生ガスが吸着塔2B内の吸着剤を100〜400℃、好ましくは200〜300℃で加熱することにより、吸着剤から一酸化炭素を脱離させ、吸着剤の吸着能力を再生する。脱離した一酸化炭素は再生ガスに混ざり、排気ガスとして排気経路L4Bおよび排気経路L4を介して外部へ排気される。
以上の処理により、吸着塔2Aにおいて精製処理を行い、吸着塔2Bにおいて再生処理を行うことができる。次に、開閉バルブV1B,V2B,V3A,V4Aを開状態にし、開閉バルブV1A,V2A,V3B,V4Bを閉状態にする。これにより、吸着塔2Aにおいて再生処理を行い、吸着塔2Bにおいて精製処理を行うことができる。これを交互に切り替えることにより、全体として水素ガスを連続精製することができる。
以上説明したように、本実施形態の吸着剤によれば、陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)であって、温度が25℃、圧力が10Paにおける一酸化炭素の平衡吸着量が150mmol/kg以上であるため、水素ガス中の一酸化炭素の吸着能力に優れる。
また、本実施形態の水素ガス精製装置は、上述した吸着剤が充填された1以上の吸着塔と、一酸化炭素を含む水素ガスを吸着塔の一端側に供給する原料ガス導入経路と、吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す製品ガス導出経路と、製品ガス導出経路から分岐され、精製された水素ガスの一部を再生ガスとして吸着塔の他端側に供給する再生ガス供給経路と、を備え、再生ガス供給経路に、再生ガスを加熱する加熱手段が設けられている構成となっている。そのため、水素ガス中の一酸化炭素の除去能力に優れる。
また、本実施形態の水素ガス精製方法は、上述した吸着剤が充填された1以上の吸着塔の一端側から一酸化炭素を含む水素ガスを供給し、吸着剤に一酸化炭素を吸着させて除去した後、吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す、水素ガスの精製工程と、精製された水素ガスの一部を再生ガスとして吸着塔の他端側から供給し、吸着剤を100〜400℃に加熱して当該吸着剤から一酸化炭素を脱離させた後、吸着塔の一端側から一酸化炭素を排出する再生工程と、を含む構成となっている。そのため、水素ガス中の一酸化炭素除去能力に優れる。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、上述した水素ガス精製装置1は、加熱手段3により加熱した製品ガスを吸着塔2Aもしくは吸着塔2Bに流通することにより、吸着塔2Aもしくは吸着塔2Bに充填された吸着剤から一酸化炭素を脱離させる例について説明した。しかしながら、この実施形態に限られるものではなく、吸着塔2A,2Bに設けた加熱手段により吸着塔2A,2Bを加熱して吸着剤から一酸化炭素を脱離させてもよい。
<実施例1>
実施例1として、Ag−ZSM5を製造し、一酸化炭素の吸着量を評価した。
先ず、イオン交換工程として、シリカ/アルミナモル比が11.9のH−ZSM5を、0.02mol/Lの硝酸銀水溶液に浸漬させ、暗室、室温下で24時間攪拌した。その後、吸引濾過をしてAg−ZSM5を回収した。同様のイオン交換工程を繰り返し1回実施した後、100℃で乾燥させてAg−ZSM5を調製した。
実施例1として、Ag−ZSM5を製造し、一酸化炭素の吸着量を評価した。
先ず、イオン交換工程として、シリカ/アルミナモル比が11.9のH−ZSM5を、0.02mol/Lの硝酸銀水溶液に浸漬させ、暗室、室温下で24時間攪拌した。その後、吸引濾過をしてAg−ZSM5を回収した。同様のイオン交換工程を繰り返し1回実施した後、100℃で乾燥させてAg−ZSM5を調製した。
キレート滴定法により、調製したAg−ZSM5の銀イオンの含有量を求めたところ、交換率は75%であった。なお、キレート試薬としてエチレンジアミン四酢酸を用いた。以下同様にして銀イオンの含有量を測定した。
以上の工程により、Ag−ZSM5を調製した。
以上の工程により、Ag−ZSM5を調製した。
次に、調製したAg−ZSM5について、25℃における一酸化炭素の平衡吸着量を測定した。具体的には、再生を目的とした加熱温度の依存性について評価した。先ず、上述の調製したAg−ZSM5を、真空下において加熱した。昇温速度は50℃/hとし、加熱(再生)温度は、それぞれ50℃、100℃、200℃、300℃、400℃、および450℃とした。図2は、各再生温度が100℃、200℃、300℃、および400℃の場合のAg−ZSM5における、平衡圧と一酸化炭素吸着量の関係を示すグラフである。また、図2には、比較例として再生温度が350℃における市販のカルシウム−X型ゼオライト(東ソー株式会社製、ゼオラム)の結果も併せて示した。
図2に示すように、再生温度が高くなるに従い、一酸化炭素の吸着量が増加することを確認した。また、市販のカルシウム−X型ゼオライトに比べて各Ag−ZSM5の一酸化炭素吸着量は優れており、再生温度が100℃のAg−ZSM5であっても、一酸化炭素の吸着量に優れることを確認した。
また、図2より、Ag−ZSM5の一酸化炭素吸着量は、10Paにおいて150mmol/kg以上であることがわかる。
また、図2より、Ag−ZSM5の一酸化炭素吸着量は、10Paにおいて150mmol/kg以上であることがわかる。
次いで、表1に、平衡圧が10Paのときの一酸化炭素の吸着量を示す。再生温度が50℃の場合は吸着量が24mmol/kgであるのに対し、再生温度が100〜450℃の場合は吸着量が150mmol/kg以上であり、再生温度が100〜450℃の場合は吸着能力が優れていた。
しかしながら、再生温度が450℃の場合、400℃と比較して吸着量は数%増加するが、ヒーターの電力量や、再生の際に用いる部材の耐熱性を考慮すると好ましくない。そのため、Ag−ZSM5の再生温度は、100〜400℃が好ましいことを確認した。
<実施例2>
実施例2として、イオン交換率の異なるAg−ZSM5を製造し、一酸化炭素の吸着量を評価した。
先ず、イオン交換工程として、シリカ/アルミナモル比が11.9のH−ZSM5を、0.02mol/Lの硝酸銀水溶液に浸漬させ、暗室、室温下で撹拌した。撹拌時間は、6時間、12時間、および24時間と、3種類の処理を行った。吸引濾過後、同様のイオン交換操作を繰り返し1回実施した後、100℃で乾燥させ、Ag−ZSM5を調製した。
実施例2として、イオン交換率の異なるAg−ZSM5を製造し、一酸化炭素の吸着量を評価した。
先ず、イオン交換工程として、シリカ/アルミナモル比が11.9のH−ZSM5を、0.02mol/Lの硝酸銀水溶液に浸漬させ、暗室、室温下で撹拌した。撹拌時間は、6時間、12時間、および24時間と、3種類の処理を行った。吸引濾過後、同様のイオン交換操作を繰り返し1回実施した後、100℃で乾燥させ、Ag−ZSM5を調製した。
キレート滴定法によりAgイオンの含有量を求めたところ、Agイオン交換率は、撹拌時間が6時間の場合は45%であり、撹拌時間が12時間の場合は65%であり、撹拌時間が24時間の場合は75%であった。
以上の工程により、イオン交換率の異なる3種類のAg−ZSM5(Ag−ZSM5 45%、Ag−ZSM5 65%、Ag−ZSM5 75%)を製造した。
以上の工程により、イオン交換率の異なる3種類のAg−ZSM5(Ag−ZSM5 45%、Ag−ZSM5 65%、Ag−ZSM5 75%)を製造した。
次に、所定のセルを準備し、調製したAg−ZSM5を1g充填し、真空下、300℃で加熱処理を行った。加熱処理は、定容式のガス吸着量測定装置を用いた。
次に、各Ag−ZSM5の25℃における一酸化炭素の吸着量を測定した。図3に、イオン交換率の異なるAg−ZSM5における平衡圧と一酸化炭素吸着量の関係を示すグラフである。また、図3には、比較例として市販のカルシウム−X型ゼオライト(東ソー株式会社製、ゼオラム)の結果も併せて示した。
図3に示すように、イオン交換率が高くなるに従い、一酸化炭素の吸着量が増加することを確認した。また、市販のカルシウム−X型ゼオライトに比べて各Ag−ZSM5の一酸化炭素吸着量は優れており、イオン交換率が45%のAg−ZSM5であっても、一酸化炭素の吸着量に優れることを確認した。
比較のために、撹拌時間が1時間および3時間においても同様の試験を行った。その結果、イオン交換率は、それぞれ6%および21%となり、撹拌時間とイオン交換率は相関していることを確認した。25℃における一酸化炭素の吸着量を測定した結果、イオン交換率が6%および21%の場合において、市販の吸着剤であるカルシウム−X型ゼオライトと吸着量に大きな差異がないことを確認した。
<実施例3>
実施例3として、Ag−ZSM5を吸着剤とする水素ガス精製装置を用いて水素ガスを精製し、一酸化炭素の残存量を評価した。
実施例1と同様にして、イオン交換率が75%のAg−ZSM5を作製した。作製したAg−ZSM5を窒素ガス雰囲気下において300℃で加熱した。
実施例3として、Ag−ZSM5を吸着剤とする水素ガス精製装置を用いて水素ガスを精製し、一酸化炭素の残存量を評価した。
実施例1と同様にして、イオン交換率が75%のAg−ZSM5を作製した。作製したAg−ZSM5を窒素ガス雰囲気下において300℃で加熱した。
次に、図1に示す水素ガス精製装置を構築し、吸着塔2A,2Bに充填する吸着剤として上記Ag−ZSM5を用いた。空間速度2780h−1の条件で、一酸化炭素を10ppm含む水素ガス(原料ガス)を通気した。加熱手段3は300℃に設定した。
常温の原料ガスを通気させ、一方の吸着塔により一酸化炭素を除去する精製工程と、この精製工程の一部のガスを脱離用ガスとして、この脱離用ガスを加熱手段3で加熱した後、他方の吸着塔に通気させる再生工程とを行う。精製工程と再生工程とを交互に繰り返すTSA法によって、連続的に原料ガス中の一酸化炭素を除去した。
一酸化炭素を除去した後の原料ガス(製品ガス)に含まれる一酸化炭素の濃度を、ガス分析装置(トレースアナリティカル社製、RGA5)を用いて測定したところ、10ppb未満であった。
本発明の吸着剤、吸着剤の製造方法、水素ガス精製装置、および水素ガス精製方法を用いることで、水素ガスに含まれる微量の一酸化炭素を除去することができ、燃料電池や水素自動車で求められる高純度の水素ガスを製造することができる。
1…水素ガス精製装置
2A,2B…吸着塔
3…加熱手段
L1,L1A,L1B…原料ガス導入経路
L2,L2A,L2B…製品ガス導出経路
L3,L3A,L3B…再生ガス供給経路
L4,L4A,L4B…排気経路
V1A,V1B,V2A,V2B,V3A,V3B,V4A,V4B…開閉バルブ
2A,2B…吸着塔
3…加熱手段
L1,L1A,L1B…原料ガス導入経路
L2,L2A,L2B…製品ガス導出経路
L3,L3A,L3B…再生ガス供給経路
L4,L4A,L4B…排気経路
V1A,V1B,V2A,V2B,V3A,V3B,V4A,V4B…開閉バルブ
Claims (5)
- 陽イオンとして銀イオンを含むZSM5型ゼオライト(Ag−ZSM5)であって、
温度が25℃、圧力が10Paにおける一酸化炭素の平衡吸着量が150mmol/kg以上であることを特徴とする吸着剤。 - 前記Ag−ZSM5中の、銀イオンへの交換率が45%以上である、請求項1に記載の吸着剤。
- 温度スイング吸着法により、水素ガス中から一酸化炭素を除去して水素ガスを精製する装置であって、
請求項1に記載の吸着剤が充填された1以上の吸着塔と、
一酸化炭素を含む水素ガスを前記吸着塔の一端側に供給する原料ガス導入経路と、
前記吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す製品ガス導出経路と、
前記製品ガス導出経路から分岐され、精製された水素ガスの一部を再生ガスとして前記吸着塔の他端側に供給する再生ガス供給経路と、を備え、
前記再生ガス供給経路に、前記再生ガスを加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする水素ガス精製装置。 - 前記加熱手段が、前記吸着塔に設けられていることを特徴とする、請求項3に記載の水素ガス精製装置。
- 温度スイング吸着法により、水素ガス中から一酸化炭素を除去して水素ガスを精製する方法であって、
請求項1に記載の吸着剤が充填された1以上の吸着塔の一端側から一酸化炭素を含む水素ガスを供給し、前記吸着剤に一酸化炭素を吸着させて除去した後、前記吸着塔の他端側から精製された水素ガスを取り出す、水素ガスの精製工程と、
精製された水素ガスの一部を再生ガスとして前記吸着塔の他端側から供給し、前記吸着剤を100〜400℃に加熱して当該吸着剤から一酸化炭素を脱離させた後、前記吸着塔の一端側から一酸化炭素を排出する再生工程と、を含むことを特徴とする水素ガス精製方法。
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