JP4421542B2 - Catalyst structure for fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム用触媒構造体および燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a catalyst structure for a fuel cell system and a fuel cell system.

近年、内部に反応流路が設けられた流路構造体を用いた小型反応器の開発が活発化している。例えば、特許文献1には、微小基板に連続して形成された反応流路内で第1の流体物質を第2の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置について記載されている。この流路構造体は、シリコン等の微小基板とガラス基板等の閉止基板とからなる。微小基板には、一面側にフォトエッチング技術等を用いて任意の溝形状にエッチングされ溝が設けられている。この溝の内壁面にCVD等により銅−亜鉛系の触媒が付着形成されている。閉止基板は微小基板の溝が設けられた一面に対向して接合される。これにより内部に触媒が設けられた反応流路が形成される。このような小型反応器は燃料電池システムに組み込まれ、燃料電池システムの小型化に寄与している。   In recent years, development of a small reactor using a flow channel structure in which a reaction flow channel is provided has been activated. For example, Patent Document 1 describes a chemical reaction apparatus that generates a chemical reaction for converting a first fluid substance into a second fluid substance in a reaction channel formed continuously on a micro substrate. This flow path structure includes a micro substrate such as silicon and a closed substrate such as a glass substrate. The minute substrate is provided with a groove on one surface side by etching into an arbitrary groove shape using a photo etching technique or the like. A copper-zinc based catalyst is deposited on the inner wall surface of the groove by CVD or the like. The closed substrate is bonded so as to face one surface provided with the groove of the minute substrate. As a result, a reaction channel having a catalyst provided therein is formed. Such a small reactor is incorporated in the fuel cell system and contributes to miniaturization of the fuel cell system.

小型反応器の反応流路内部には、例えば特許文献2または特許文献3に記載されている触媒体のように、触媒が均一濃度で担持されているのが一般的である。   In general, a catalyst is supported at a uniform concentration inside a reaction channel of a small reactor, as in a catalyst body described in Patent Document 2 or Patent Document 3, for example.

特許文献2には、COをCO2に酸化するが、H2は酸化しない、CO選択酸化触媒として、MnO2、Co34、2CuO・Cr23、Al23、および、Ag2Oを含む複合酸化物の表面に担持触媒(Pt−ブラック)を分散させたことを特徴とする燃料電池用水素ガス精製触媒が開示されている。 In Patent Document 2, as a CO selective oxidation catalyst that oxidizes CO to CO 2 but does not oxidize H 2 , MnO 2 , Co 3 O 4 , 2CuO · Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , and Ag are used. A hydrogen gas refining catalyst for fuel cells is disclosed, in which a supported catalyst (Pt-black) is dispersed on the surface of a composite oxide containing 2 O.

特許文献3には、表面にアルミナ層又はアルミナを主成分とする層を有する、線状、糸状、中空細管状、網状もしくは布状の金属材料の前記表面に触媒を担持せしめてなる触媒体が開示されている。触媒としては、超微粒子白金触媒を使用している。この触媒体は、触媒反応の反応量を増大させるために、金属担体表面に均一なγ−アルミナ層を形成せしめ、触媒の担持量を多くして触媒担持を均一にしたものである。   Patent Document 3 discloses a catalyst body in which a catalyst is supported on the surface of a linear, thread-like, hollow tubular, net-like or cloth-like metal material having an alumina layer or a layer mainly composed of alumina on the surface. It is disclosed. An ultrafine platinum catalyst is used as the catalyst. In this catalyst body, in order to increase the reaction amount of the catalytic reaction, a uniform γ-alumina layer is formed on the surface of the metal carrier, and the catalyst loading is increased to make the catalyst loading uniform.

しかしながら、均一に触媒を担持する方法は製造が容易であるという長所がある一方で、燃料電池システム内で生じる化学反応が逐次あるいは多段である場合に、それぞれの化学反応を構成する触媒をそれぞれ用意する必要があり、反応効率が低くなるため、反応器の小型化にはマイナス面がある。   However, while the method of supporting the catalyst uniformly has the advantage that it is easy to manufacture, when the chemical reactions occurring in the fuel cell system are sequential or multi-stage, each catalyst that constitutes each chemical reaction is prepared. Since the reaction efficiency is low, there is a downside to downsizing the reactor.

また、反応流路内部においては触媒の組成濃度プロファイルを均一にするのが一般的であるが、組成の濃度変化を持たせる方法もある。この具体例として、特許文献4、特許文献5には、流路方向に触媒の濃度差あるいは密度差を設ける方法が提案されている。しかしながら、この手段だけでは化学反応が逐次あるいは多段である場合のマイナス面は解消できない。   In addition, it is common to make the composition concentration profile of the catalyst uniform in the reaction flow path, but there is also a method of changing the concentration of the composition. As specific examples, Patent Documents 4 and 5 propose a method of providing a catalyst concentration difference or density difference in the flow path direction. However, this means alone cannot eliminate the negative aspects of chemical reactions that are sequential or multistage.

これに対し、触媒を複数種にする方法は反応器の小型化に向けて有効な手段であると考えられる。しかし、従来の方法は触媒をスラリーと混合し、これを基材への塗布を繰り返すことにより触媒層を形成しようとするものである。   On the other hand, it is considered that the method of using a plurality of types of catalysts is an effective means for downsizing the reactor. However, the conventional method attempts to form a catalyst layer by mixing a catalyst with a slurry and repeatedly applying it to a substrate.

例えば、特許文献6には耐火性のセラミックス担体の表面にPt−Al23系触媒層とZrO2系触媒層を順次に被着してなる、ディーゼルエンジン排気処理用の多層構造触媒が記載され、特許文献7には板状触媒の表面に異なる組成の被覆層を形成してなる多層構造触媒層について記載されているが、いずれの触媒層も基材にスラリーを塗布することにより形成されたものである。 For example, Patent Document 6 describes a multilayer catalyst for exhaust treatment of a diesel engine, in which a Pt—Al 2 O 3 catalyst layer and a ZrO 2 catalyst layer are sequentially deposited on the surface of a refractory ceramic carrier. Patent Document 7 describes a multi-layered catalyst layer in which coating layers having different compositions are formed on the surface of a plate-like catalyst. Both catalyst layers are formed by applying a slurry to a substrate. It is a thing.

また、特許文献8には、多孔質体の外表面に、前記多孔質体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する改質触媒層を設け、該改質触媒層の外表面に前記改質触媒層の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有するCO除去触媒層を設けた複合触媒膜が開示されている。この複合触媒膜もまた、多孔質体成形体に、改質触媒層の前駆体溶液を成膜、焼成し、この表面にCO除去触媒前駆体ゾルを成膜、乾燥、焼成することで製造されている。   In Patent Document 8, a reforming catalyst layer having an average pore diameter smaller than the average pore diameter of the porous body is provided on the outer surface of the porous body, and the modified catalyst layer is formed on the outer surface of the reforming catalyst layer. A composite catalyst membrane provided with a CO removal catalyst layer having an average pore size smaller than the average pore size of the porous catalyst layer is disclosed. This composite catalyst membrane is also manufactured by forming a precursor solution of a reforming catalyst layer on a porous body and baking it, and forming a CO removal catalyst precursor sol on this surface, drying and baking. ing.

これら従来の多層構造触媒は確かに複数種の触媒を担持することが可能となるが、触媒層間に界面が形成されるため触媒層間の相互作用が十分に働かず、逐次あるいは多段で進行する化学反応に対して十分な反応効率を示さなかった。また、スラリーに埋没してしまう成分も発生するため、反応効率の面だけでなく、貴金属触媒を担持する場合、経済面ならびに資源保全の観点から不利な点もある。更には特許文献8のような膜など透過型の構成を用いた場合、膜にピンホールが形成されると高濃度のCOが下流側に透過してしまうという問題点も有する。
特開2003−88754号公報 特開2002−210367号公報 特開平4−354544号公報 特開平7−85874号公報 特開平7−126002号公報 特開平10−244154号公報 特開平11−57495号公報 特開2004−290805号公報
These conventional multi-layered catalysts can certainly support multiple types of catalysts, but because the interface is formed between the catalyst layers, the interaction between the catalyst layers does not work sufficiently, and the chemical progresses sequentially or in multiple stages. The reaction efficiency was not sufficient for the reaction. In addition, since components embedded in the slurry are also generated, there are disadvantages not only in terms of reaction efficiency but also in terms of economy and resource conservation when supporting a noble metal catalyst. Furthermore, when a transmissive configuration such as a membrane as in Patent Document 8 is used, there is a problem that if a pinhole is formed in the membrane, high concentration CO permeates downstream.
JP 2003-88754 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-210367 JP-A-4-354544 JP-A-7-85874 JP 7-12002 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-244154 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-57495 JP 2004-290805 A

本発明は、逐次あるいは多段に進む化学反応を効率良く進行させることができる燃料電池システム用触媒構造体および燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system catalyst structure and a fuel cell system capable of efficiently proceeding with a chemical reaction that proceeds sequentially or in multiple stages.

本発明の燃料電池システム用触媒構造体は、無担持触媒層と、
担体および前記担体に担持された触媒粒子を含み、かつ前記無担持触媒層に熱的に連続する担持触媒層と、を備え、
前記担持触媒層の担体と前記無担持触媒層とが一体構造であり、
前記担持触媒層は、前記無担持触媒層よりも大きい平均細孔径を有することを特徴とする。
The catalyst structure for a fuel cell system of the present invention comprises an unsupported catalyst layer,
A supported catalyst layer including a support and catalyst particles supported on the support, and thermally continuous with the unsupported catalyst layer,
Wherein the carrier-supported catalyst layer and the unsupported catalyst layer Ri integral structure der,
The supported catalyst layer has a larger average pore diameter than the unsupported catalyst layer .

本発明の燃料電池システムは、燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料から水素ガスを含むガスを生成するための改質ユニットと、
前記水素ガスを含むガスと酸素を用いて発電するための燃料電池と、を有し、
前記改質ユニットは、無担持触媒層と、
担体および前記担体に担持された触媒粒子を含み、かつ前記無担持触媒層に熱的に連続する担持触媒層と、を備え、
前記担持触媒層の担体と前記無担持触媒層とが一体構造であり、
前記担持触媒層は、前記無担持触媒層よりも大きい平均細孔径を有することを特徴とする。
The fuel cell system of the present invention includes a fuel tank that contains fuel,
A reforming unit for generating a gas containing hydrogen gas from the fuel;
A fuel cell for generating electricity using the gas containing hydrogen gas and oxygen,
The reforming unit includes an unsupported catalyst layer,
A supported catalyst layer including a support and catalyst particles supported on the support, and thermally continuous with the unsupported catalyst layer,
Wherein the carrier-supported catalyst layer and the unsupported catalyst layer Ri integral structure der,
The supported catalyst layer has a larger average pore diameter than the unsupported catalyst layer .

本発明によれば、逐次あるいは多段に進む化学反応を効率良く進行させることができる燃料電池システム用触媒構造体および燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the catalyst structure for fuel cell systems and fuel cell system which can advance the chemical reaction which advances sequentially or multistage efficiently can be provided.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態による触媒構造体の概念図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a conceptual diagram of a catalyst structure according to a first embodiment of the present invention.

この触媒構造体1は、担体基材2の上に無担持触媒層3と、無担持触媒層3の上に担体4およびこの担体4に担持された触媒粒子5を含む担持触媒層6とを備えている。図1に示すように、無担持触媒層3と担持触媒層6の担体4とは一体構造をなした多孔質体であり、無担持触媒層3と担持触媒層6との間には界面が無く、熱的に連続した状態にある。   The catalyst structure 1 includes an unsupported catalyst layer 3 on a support substrate 2, and a supported catalyst layer 6 including a support 4 and catalyst particles 5 supported on the support 4 on the unsupported catalyst layer 3. I have. As shown in FIG. 1, the unsupported catalyst layer 3 and the support 4 of the supported catalyst layer 6 are a porous body having an integral structure, and there is an interface between the unsupported catalyst layer 3 and the supported catalyst layer 6. There is no thermal continuous state.

ここで無担持触媒層3は、触媒が担持されていない層でなく、触媒粒子5を担持しない場合であっても、触媒として機能する層を意味する。具体的には、後述する実施例1の場合、無担持触媒層3と担体4の一体構造(アルミナ)に対して、触媒粒子5(白金)の担持量が、EPMA等の分析手段によって有意差があるかどうか判別可能な検出量以下程度しか担持されていない場合であっても、触媒として機能する層(アルミナ)を言う。   Here, the unsupported catalyst layer 3 is not a layer in which no catalyst is supported, but means a layer that functions as a catalyst even when the catalyst particles 5 are not supported. Specifically, in the case of Example 1 to be described later, the loading amount of the catalyst particles 5 (platinum) is significantly different depending on the analyzing means such as EPMA with respect to the integral structure (alumina) of the unsupported catalyst layer 3 and the support 4. A layer (alumina) that functions as a catalyst even when it is supported on the basis of a detection amount that is less than or equal to a detectable amount.

また、触媒粒子とは、担持したい触媒種(例えば白金)をイオンの状態で溶解したものや、エマルジョンの状態で分散させたもの等を用い、無担持触媒層へ担持させた触媒種のことを言う。   The catalyst particles are catalyst species that are supported on an unsupported catalyst layer using a catalyst species (for example, platinum) that is desired to be supported dissolved in an ionic state or dispersed in an emulsion state. To tell.

無担持触媒層3は、例えば、固体酸触媒からなるものであり、固体酸触媒としては、例えば、アルミナ触媒を挙げることができる。無担持触媒層3に熱的に連続する担持触媒層6は、例えば、無担持触媒層3を形成する固体酸触媒に白金(Pt)などの貴金属系触媒粒子5を担持させたものである。   The unsupported catalyst layer 3 is made of, for example, a solid acid catalyst, and examples of the solid acid catalyst include an alumina catalyst. The supported catalyst layer 6 that is thermally continuous with the unsupported catalyst layer 3 is obtained by, for example, supporting a noble metal catalyst particle 5 such as platinum (Pt) on a solid acid catalyst that forms the unsupported catalyst layer 3.

このような触媒構造体の有する具体的な効果を以下の燃料改質反応を例示して説明する。   Specific effects of such a catalyst structure will be described by illustrating the following fuel reforming reaction.

例えば、燃料電池の燃料としてジメチルエーテル(DME)と水を用い、これから水素ガスを含む改質ガスを得る反応を考える。この場合、式(1)に示すようにジメチルエーテル(CH3OCH3)は水(H2O)と反応してメタノール(CH3OH)となり、更に、式(2)に示すようにメタノールが水と反応して水素(H2)と二酸化炭素(CO2)などに変化する。 For example, consider a reaction in which dimethyl ether (DME) and water are used as fuel for a fuel cell, and a reformed gas containing hydrogen gas is obtained therefrom. In this case, as shown in Formula (1), dimethyl ether (CH 3 OCH 3 ) reacts with water (H 2 O) to become methanol (CH 3 OH), and further, methanol is converted into water as shown in Formula (2). It reacts with hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ).

CH3OCH3+H2O → 2CH3OH ・・・(1)
CH3OH+H2O → CO2+3H2 ・・・(2)
式(1)の反応は主にアルミナ触媒(無担持触媒層)の上で生じ、ジメチルエーテルの加水分解が進行してメタノールが生成される。このメタノールから式(2)の反応により、主に担持触媒層に含まれる白金などの貴金属系触媒粒子で水素生成反応が進行する。すなわち、式(1)の反応のみではメタノールがある程度、量的に生成してしまうと化学平衡によりそれ以上反応が進展しなくなってしまうところ、式(2)の反応が逐次的に進行することにより式(1)の反応が促進されるため、水素ガスを効率的に生成できることとなる。特に、燃料改質反応は吸熱反応であるために、高温状態(例えば350〜500℃程度)で進行させることが望ましく、温度低下により反応効率が低くなる。本実施形態の触媒構造体では、触媒構造体の外部から伝わる熱を無担持触媒層から担持触媒層に効率良く伝達させることができるため、反応効率が低下するのを抑制することができるのである。担体基材2と無担持触媒層3とが熱的に連続していることがさらに望ましい。
CH 3 OCH 3 + H 2 O → 2CH 3 OH (1)
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (2)
The reaction of the formula (1) mainly occurs on an alumina catalyst (unsupported catalyst layer), and hydrolysis of dimethyl ether proceeds to produce methanol. By this reaction of the formula (2) from methanol, a hydrogen generation reaction proceeds mainly with noble metal-based catalyst particles such as platinum contained in the supported catalyst layer. That is, if methanol is produced in a certain amount quantitatively only by the reaction of formula (1), the reaction does not progress any more due to chemical equilibrium, but the reaction of formula (2) proceeds sequentially. Since the reaction of Formula (1) is promoted, hydrogen gas can be generated efficiently. In particular, since the fuel reforming reaction is an endothermic reaction, it is desirable that the fuel reforming reaction proceed at a high temperature (for example, about 350 to 500 ° C.), and the reaction efficiency is lowered due to the temperature decrease. In the catalyst structure of the present embodiment, heat transmitted from the outside of the catalyst structure can be efficiently transferred from the unsupported catalyst layer to the supported catalyst layer, so that the reaction efficiency can be prevented from decreasing. . More preferably, the carrier substrate 2 and the unsupported catalyst layer 3 are thermally continuous.

燃料改質反応に用いられる貴金属系触媒粒子としては、白金(Pt)の他にも、例えば
ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)等を用いることができる。これら改質触媒は単独で使用することもできるし、複数種類を組み合わせて用いることもできる。
In addition to platinum (Pt), for example, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd) or the like can be used as the noble metal catalyst particles used in the fuel reforming reaction. These reforming catalysts can be used alone or in combination of a plurality of types.

担持触媒層は、無担持触媒層よりも大きい平均細孔径を有することが好ましい。これは以下に説明する理由によるものである。
本実施形態に係る触媒構造体は、小型反応器の反応流路の内壁に設けることができる。担持触媒層の平均細孔径が無担持触媒層の平均細孔径よりも小さいと、触媒構造体を設けた反応流路に燃料ガスを流通させても無担持触媒層まで燃料ガスが浸透しにくいため、無担持触媒層での反応が進行しにくくなり、結果的に改質反応全体の反応効率が低下する恐れがある。これに対して、前述した反応流路に設けられた触媒構造体に燃料ガスを流通させる流通タイプではなく、特許文献8の複合触媒膜のように膜の一方から他方へと燃料ガスを透過させる透過タイプの場合にはこの限りではないが、前述の通り、ピンホールなどの恐れがある。
The supported catalyst layer preferably has a larger average pore diameter than the unsupported catalyst layer. This is due to the reason explained below.
The catalyst structure according to this embodiment can be provided on the inner wall of the reaction channel of the small reactor. If the average pore size of the supported catalyst layer is smaller than the average pore size of the unsupported catalyst layer, it is difficult for the fuel gas to penetrate to the unsupported catalyst layer even if the fuel gas is circulated through the reaction channel provided with the catalyst structure. The reaction in the unsupported catalyst layer is difficult to proceed, and as a result, the reaction efficiency of the entire reforming reaction may be reduced. On the other hand, the fuel gas permeates from one side of the membrane to the other as in the composite catalyst membrane of Patent Document 8 instead of the flow type in which the fuel gas is passed through the catalyst structure provided in the reaction flow path described above. In the case of the transmission type, this is not limited, but there is a risk of pinholes as described above.

触媒粒子は、担持触媒層の表層部から最深部に向かって逐次反応の進む方向に連続して担持されていることが好ましい。また、この場合、触媒粒子の担持量が担持触媒層の表層部から最深部に向かって減少していてもよい。すなわち、触媒構造体に、深さ方向にそれぞれの反応を特徴的に進行させる部位を有するような構造を提供することにより、触媒担体の熱的膨張等に係る耐久性、ならびに触媒担体内の物質の拡散を考慮しつつ、適切かつ経済的な触媒担持量を確保することができ、逐次反応をより効率的に進行させることができる。これは以下に説明する理由によるものと考えられる。
すなわち、発熱反応や吸熱反応により触媒粒子ならびにその担体は熱的な変化を受けることになる。ここで触媒構造体が熱的に連続していることにより、発熱反応と吸熱反応間の熱のやりとりがスムーズに進み、全体として熱的な損失を少なくすることができる。さらに担持されている触媒粒子を深さ方向に濃度プロファイルを持つように、すなわち触媒担体の深さ方向に担持量を漸増あるいは漸減させることにより、局所的にみれば担体の熱的な膨張あるいは収縮が不連続になることが抑制され、担体の構造維持に寄与することが可能となり、ひいては全体としての寿命が延びることとなる。これは特にシステムの始動時や停止時、あるいは緊急時に温度が不安定な時にその効果が認められる。
It is preferable that the catalyst particles are continuously supported in the direction in which the successive reaction proceeds from the surface layer portion to the deepest portion of the supported catalyst layer. In this case, the supported amount of catalyst particles may decrease from the surface layer portion toward the deepest portion of the supported catalyst layer. That is, by providing the catalyst structure with a structure that has a characteristically proceeding reaction in the depth direction, durability related to thermal expansion of the catalyst support, etc., and substances in the catalyst support Thus, an appropriate and economical catalyst loading can be ensured while considering the diffusion of the catalyst, and the sequential reaction can proceed more efficiently. This is considered to be due to the reason explained below.
That is, the catalyst particles and the carrier thereof undergo thermal changes due to exothermic reactions and endothermic reactions. Here, when the catalyst structure is thermally continuous, the heat exchange between the exothermic reaction and the endothermic reaction proceeds smoothly, and the thermal loss as a whole can be reduced. In addition, the catalyst particles that are supported have a concentration profile in the depth direction, that is, by gradually increasing or decreasing the supported amount in the depth direction of the catalyst carrier, the local thermal expansion or contraction of the carrier. It is possible to suppress the discontinuity of the substrate and contribute to the maintenance of the structure of the carrier, thereby extending the life of the whole. This is particularly effective when the temperature is unstable when the system is started or stopped, or in an emergency.

また、定常時においても単位時間当たり最深部まで到達する物質量は拡散の影響により表層部に比較すると相対的に少ないことから、単位時間当たりの反応効率は表層部近傍が最深部のそれに較べて格段に大きく、したがって、表層部近傍の触媒担持量を最深部に較べて多くしておくことは触媒製造の上でも適切かつ経済的なものとなる。   In steady state, the amount of substance reaching the deepest part per unit time is relatively small compared to the surface layer part due to the influence of diffusion, so the reaction efficiency per unit time is higher than that of the deepest part near the surface part. Therefore, it is appropriate and economical also for catalyst production to increase the amount of catalyst supported in the vicinity of the surface layer portion as compared with the deepest portion.

本実施形態に係る触媒構造体は、例えば、陽極酸化させた基材の多孔質体に触媒粒子を担持させることにより製造することができる。より具体的には以下に説明するように製造することができる。
まず、A1050材等のアルミニウム金属あるいはアルミニウム合金からなる基材に陽極酸化処理を行うことにより、多孔質触媒担体であるアルミナ触媒を得る。次に、この多孔質触媒担体に貴金属系触媒粒子を担持させることにより触媒構造体を得ることができる。
The catalyst structure according to the present embodiment can be produced, for example, by supporting catalyst particles on a porous body of an anodized base material. More specifically, it can be produced as described below.
First, an alumina catalyst as a porous catalyst carrier is obtained by anodizing a base material made of an aluminum metal such as A1050 or an aluminum alloy. Next, a catalyst structure can be obtained by supporting noble metal catalyst particles on the porous catalyst carrier.

陽極酸化処理は公知の方法を用いて行うことが可能である。例えば、特開2004−154717号公報の段落[0005]から段落[0011]等に記載の方法である。本実施形態に係る触媒構造体は、小型反応器の反応流路に担持させることができる。反応流路の表面がアルミニウムやアルミニウム合金で形成されている場合、反応流路の表面を前述したように陽極酸化処理することにより多孔質触媒担体を形成することができる。   The anodizing treatment can be performed using a known method. For example, the method is described in paragraphs [0005] to [0011] of JP-A No. 2004-154717. The catalyst structure according to the present embodiment can be supported on the reaction channel of the small reactor. When the surface of the reaction channel is formed of aluminum or an aluminum alloy, the porous catalyst carrier can be formed by anodizing the surface of the reaction channel as described above.

例えば、陽極酸化処理に用いる処理溶液、例えば、硫酸やリン酸、あるいはシュウ酸イオンを含む溶液のpH値や濃度、あるいは処理時間を調整することにより、担持触媒層と無担持触媒層の細孔径を制御することができる。   For example, the pore size of the supported catalyst layer and the unsupported catalyst layer can be adjusted by adjusting the pH value or concentration of a treatment solution used for anodizing treatment, for example, a solution containing sulfuric acid, phosphoric acid, or oxalate ions, or the treatment time. Can be controlled.

平均細孔径を変化させる方法には、陽極酸化の電流密度を処理途中で変化させる方法、陽極酸化の溶液を途中で変更する方法、細孔拡大処理の温度や濃度を変化させる方法、などが挙げられる。もちろん、これらの方法を一つあるいは二つ以上組み合わせて用いることにより、担持触媒層の平均細孔径を無担持触媒層の平均細孔径よりも大きくすることができる。   Examples of the method of changing the average pore diameter include a method of changing the current density of anodization during the treatment, a method of changing the solution of anodization during the treatment, a method of changing the temperature and concentration of the pore enlargement treatment, and the like. It is done. Of course, by using one or a combination of two or more of these methods, the average pore diameter of the supported catalyst layer can be made larger than the average pore diameter of the unsupported catalyst layer.

このような手法で陽極酸化処理したアルミナを形成し、ここに貴金属の触媒粒子を担持させる。担持方法は含浸等の方法を用いることが可能である。ここで注意すべきは、当該陽極酸化アルミナを触媒として活用するために、アルミナ層の最深部まで触媒粒子を担持させないようにすることである。触媒粒子はアルミナ層の表面から半分までの深さに担持させることが望ましい。具体的には次のような製造方法で作製できる。すなわち、含浸する溶液中のPt濃度を担持したい所定量に調整し、時間管理を適切にする。例えば、40μmの膜厚を有する陽極酸化アルミナの場合、1g−Pt/Lの塩化白金酸溶液で2時間程度浸漬すると、皮膜表面から約20μmの深度までPtが担持でき、皮膜表面から20μmから40μmは陽極酸化アルミナの無担持触媒層とすることができるので好適である。また、細孔内部の空気を抜かずに触媒粒子の前駆体溶液を含浸させることは、陽極酸化アルミナの最深部まで触媒粒子を担持させないために有効な方法である。これは、溶液の拡散が空気によって抑制され、表面近傍に担持することが可能となるからである。   Anodized alumina is formed by such a method, and precious metal catalyst particles are supported on the alumina. As the loading method, a method such as impregnation can be used. It should be noted here that in order to use the anodized alumina as a catalyst, catalyst particles are not supported up to the deepest part of the alumina layer. The catalyst particles are desirably supported at a depth of up to half from the surface of the alumina layer. Specifically, it can be produced by the following production method. That is, the Pt concentration in the solution to be impregnated is adjusted to a predetermined amount to be supported, and time management is made appropriate. For example, in the case of anodized alumina having a film thickness of 40 μm, when immersed in a 1 g-Pt / L chloroplatinic acid solution for about 2 hours, Pt can be supported from the surface of the film to a depth of about 20 μm, and 20 μm to 40 μm from the surface of the film. Is preferable because it can be an unsupported catalyst layer of anodized alumina. Further, impregnation with the catalyst particle precursor solution without removing the air inside the pores is an effective method for preventing the catalyst particles from being supported up to the deepest part of the anodized alumina. This is because the diffusion of the solution is suppressed by air and can be carried near the surface.

触媒粒子を担持するに際し、一度に担持することも可能であるし、また複数回に分けて担持することも可能である。また、担持する深さ(担持触媒層の厚み)を含浸浴との関係で調整することも可能である。例えば、含浸する溶液中の貴金属濃度と含浸時間を調節することにより担持触媒層の厚みと触媒粒子の担持量を制御することができる。担持触媒層の厚みや触媒粒子の担持量は、燃料の処理量、処理する反応器の大きさ、ガス流量やSV値等に応じて、適したものとすることができる。   When supporting the catalyst particles, it is possible to support the catalyst particles at once, or to support the catalyst particles in a plurality of times. It is also possible to adjust the depth to be supported (the thickness of the supported catalyst layer) in relation to the impregnation bath. For example, the thickness of the supported catalyst layer and the supported amount of catalyst particles can be controlled by adjusting the concentration of the noble metal in the solution to be impregnated and the impregnation time. The thickness of the supported catalyst layer and the supported amount of catalyst particles can be made suitable according to the amount of fuel to be processed, the size of the reactor to be processed, the gas flow rate, the SV value, and the like.

また、本実施の形態では、触媒構造体に、陽極酸化させた基材の多孔質体に触媒粒子を担持させたものについて詳述したが、陽極酸化させた基材に替えてセラミクス成形体を用いることもできる。セラミクス成形体としては、γ−Al23の粉末を加圧成形したものを用いることができる。 In the present embodiment, the catalyst structure is described in detail with the catalyst particles supported on the porous body of the anodized base material, but the ceramic molded body is replaced with the anodized base material. It can also be used. As the ceramic molded body, a pressure-molded powder of γ-Al 2 O 3 can be used.

(第2の実施の形態)
第1の実施の形態においては、2層の触媒層を有する触媒構造体について説明したが、触媒構造体はこれに限定されるものではなく触媒層を3層構造にすることもできる。
以下、3層構造を有する触媒構造体について図2を参照して説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the catalyst structure having the two catalyst layers has been described. However, the catalyst structure is not limited to this, and the catalyst layer may have a three-layer structure.
Hereinafter, a catalyst structure having a three-layer structure will be described with reference to FIG.

図2は、第2の実施の形態による触媒構造体の概念図である。
触媒構造体21は、担体基材22の上に形成された無担持触媒層23と、無担持触媒層23に熱的に連続し、かつ第1の触媒粒子24を含む第1の担持触媒層25と、第1の担持触媒層25に熱的に連続し、かつ第2の触媒粒子26を含む第2の担持触媒層27とを備える。担体基材22と無担持触媒層23とは熱的に連続していることが好ましい。
FIG. 2 is a conceptual diagram of the catalyst structure according to the second embodiment.
The catalyst structure 21 includes a non-supported catalyst layer 23 formed on the support substrate 22, and a first supported catalyst layer that is thermally continuous to the non-supported catalyst layer 23 and includes first catalyst particles 24. 25 and a second supported catalyst layer 27 that is thermally continuous to the first supported catalyst layer 25 and includes the second catalyst particles 26. The support substrate 22 and the unsupported catalyst layer 23 are preferably thermally continuous.

第1の触媒粒子としては前述した改質触媒を例示することができる。第2の触媒粒子としてはシフト触媒を例示することができる。第2の担持触媒層には、第1の触媒粒子が含まれていてもよい。シフト触媒を組み合わせることにより、式(1)ならびに式(2)の化学反応を進める際に生成する副生成物である一酸化炭素(CO)を水(H2O)と反応させて二酸化炭素(CO2)と水素(H2)とする式(3)のシフト反応を進めることが可能となり、得られる改質ガス中のCO濃度を低減することができる。 Examples of the first catalyst particles include the aforementioned reforming catalyst. An example of the second catalyst particles is a shift catalyst. The second supported catalyst layer may contain first catalyst particles. By combining the shift catalyst, carbon monoxide (CO), which is a by-product generated when the chemical reaction of Formula (1) and Formula (2) proceeds, is reacted with water (H 2 O) to produce carbon dioxide ( The shift reaction of the formula (3) using CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) can be advanced, and the CO concentration in the resulting reformed gas can be reduced.

CO+H2O → H2+CO2 ・・・(3)
シフト触媒としては公知の触媒組成を用いることができる。例えば、特開2004−97946号公報、特開2004−97948号公報、特開2004−261755号公報などに記載のものを用いることができる。具体的には、シフト触媒として、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、セリウム(Ce){例えばセリア(CeO2)}や、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を挙げることができる。アルカリ金属としては、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)などが挙げられる。アルカリ土類金属としては、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)などの固体塩基性触媒が挙げられる。中でも、レニウムおよびセリアの少なくともいずれか一方を用いることが好ましい。これらシフト触媒は単独で使用することもできるし、複数種類を組み合わせて用いることもできる。
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (3)
A known catalyst composition can be used as the shift catalyst. For example, those described in JP-A-2004-97946, JP-A-2004-97948, JP-A-2004-261755 and the like can be used. Specifically, platinum (Pt), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), rhenium (Re), cerium (Ce) {eg ceria (CeO 2 )}, alkali metal or alkaline earth metal as a shift catalyst Can be mentioned. Examples of the alkali metal include lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and the like. Examples of the alkaline earth metal include solid basic catalysts such as beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba). Among these, it is preferable to use at least one of rhenium and ceria. These shift catalysts can be used alone or in combination of a plurality of types.

第2の担持触媒層で進行するCOシフト反応(以下、高温シフト反応と称する)は発熱反応であり、高温になり過ぎると反応が進行しにくくなる。無担持触媒層と第2の担持触媒層との間に各触媒層に熱的に連続する第1の担持触媒層を設け、ここで改質反応(吸熱反応)を進行させることによりCOシフト領域が高温になり過ぎるのを防ぐことができる。また、吸熱反応と発熱反応を組み合わせた複数種の触媒層を一体構造で保持することにより熱的結合性が高まり、反応器の効率向上に寄与できる。例えば、担持触媒層として白金の触媒粒子を担持する第1の担持触媒層のみを設けた場合には、改質ガス中に4〜5%程度のCOが含まれる。第1の担持触媒層に第2の触媒粒子として粒子状のレニウムとセリアを担持し、第2の担持触媒層を設けることにより、改質反応と高温シフト反応の多段反応により改質ガス中のCO濃度を1000ppm程度にまで低減することができる。本実施形態に係る触媒構造体は、前述したジメチルエーテルと水を燃料とした反応だけでなく、他の燃料、例えばエタノールやメタノール等のアルコール類と水とを含む燃料の改質反応にも利用することができる。   The CO shift reaction (hereinafter referred to as a high temperature shift reaction) that proceeds in the second supported catalyst layer is an exothermic reaction, and the reaction does not easily proceed when the temperature becomes too high. A first supported catalyst layer that is thermally continuous to each catalyst layer is provided between the unsupported catalyst layer and the second supported catalyst layer, and a CO shift region is obtained by advancing a reforming reaction (endothermic reaction). Can be prevented from becoming too hot. In addition, by holding a plurality of types of catalyst layers that combine an endothermic reaction and an exothermic reaction in an integrated structure, thermal bondability is increased, which can contribute to an improvement in the efficiency of the reactor. For example, when only the first supported catalyst layer supporting platinum catalyst particles is provided as the supported catalyst layer, the reformed gas contains about 4 to 5% CO. By supporting particulate rhenium and ceria as the second catalyst particles on the first supported catalyst layer and providing the second supported catalyst layer, the multi-stage reaction of the reforming reaction and the high temperature shift reaction causes the The CO concentration can be reduced to about 1000 ppm. The catalyst structure according to the present embodiment is used not only for the above-described reaction using dimethyl ether and water as fuel, but also for the reforming reaction of other fuels, for example, fuels containing alcohols such as ethanol and methanol and water. be able to.

燃料ガスの浸透性を向上させるために第2の担持触媒層は、第1の担持触媒層よりも大きい平均細孔径を有することが望ましい。   In order to improve the permeability of the fuel gas, it is desirable that the second supported catalyst layer has a larger average pore diameter than the first supported catalyst layer.

本実施形態の触媒構造体は、例えば、図1の触媒構造体に第2の触媒粒子を更に担持させることにより製造することができる。担持方法は第1の実施の形態で説明したのと同様にして行うことができる。より具体的には、第1の実施の形態で説明したように白金担持陽極酸化アルミナとした後、シフト触媒粒子の前駆体溶液を含浸させ、これを焼成することにより製造することができる。例えば、40μmの膜厚を有する陽極酸化アルミナの場合、1g−Pt/Lの塩化白金酸溶液で2時間程度浸漬して皮膜表面から約20μmの深度までPtを担持した後、0.5時間ほど1g当量/Lを含有したシフト触媒溶液に浸漬し、焼成することにより第2の担持触媒層を有する触媒構造体を作製することができる。   The catalyst structure of the present embodiment can be produced, for example, by further supporting the second catalyst particles on the catalyst structure of FIG. The carrying method can be performed in the same manner as described in the first embodiment. More specifically, as described in the first embodiment, after the platinum-supported anodized alumina is formed, the precursor catalyst solution of the shift catalyst particles is impregnated and calcined. For example, in the case of anodized alumina having a film thickness of 40 μm, after being immersed in a 1 g-Pt / L chloroplatinic acid solution for about 2 hours to carry Pt from the coating surface to a depth of about 20 μm, about 0.5 hour A catalyst structure having a second supported catalyst layer can be produced by immersing and firing in a shift catalyst solution containing 1 g equivalent / L.

ここでは3層構造の触媒構造体について説明したが、4層以上の構造を有する触媒構造体を製造することができる。例えば、母材の陽極酸化アルミナの上にメタノール改質用触媒である白金等の貴金属系触媒、さらにその上に水性シフト触媒、さらにアルカリ又はアルカリ土類金属の4層系触媒を作製できる。4層以上の多層構造の担持触媒層は含浸工程を繰り返すことにより作製することができる。   Although the catalyst structure having a three-layer structure has been described here, a catalyst structure having a structure of four or more layers can be manufactured. For example, a noble metal catalyst such as platinum as a methanol reforming catalyst can be produced on the base material anodized alumina, an aqueous shift catalyst, and an alkali or alkaline earth metal four-layer catalyst can be produced thereon. A supported catalyst layer having a multilayer structure of four or more layers can be produced by repeating the impregnation step.

(第3の実施の形態)
第2の実施の形態では改質触媒と高温シフト触媒を組み合わせた例を説明したが、これに限定されるものではなく、第1の触媒粒子としてシフト触媒を用い、第2の触媒粒子としてメタネーション触媒を用いることもできる。シフト触媒とメタネーション触媒を組み合わせることにより、高温シフト反応よりも低温領域でシフト反応(以下、低温シフト反応と称する)を進行させることができると共に、式(4)に示すメタネーション反応を進行させることができる。このように多段で進行する低温シフト反応とメタネーション反応により改質ガス中に含まれるCO濃度をさらに低減させることができる。
(Third embodiment)
In the second embodiment, the example in which the reforming catalyst and the high temperature shift catalyst are combined has been described. However, the present invention is not limited to this, and the shift catalyst is used as the first catalyst particle, and the meta is used as the second catalyst particle. Nation catalysts can also be used. By combining the shift catalyst and the methanation catalyst, the shift reaction (hereinafter referred to as the low temperature shift reaction) can be advanced in a lower temperature region than the high temperature shift reaction, and the methanation reaction represented by the formula (4) is advanced. be able to. Thus, the CO concentration contained in the reformed gas can be further reduced by the low temperature shift reaction and methanation reaction that proceed in multiple stages.

CO+3H2 → CH4+H2O ・・・(4)
低温シフト触媒としては、高温シフト反応と同様なものを挙げることができる。メタネーション触媒としては公知の触媒組成を用いることができる。例えば、特開2003−340280号公報などに記載のものを用いることができる。具体的には、メタネーション触媒として、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、銀(Ag)、ロジウム(Rh)などを挙げることができる。これらメタネーション触媒は単独で使用することもできるし、複数種類を組み合わせて用いることもできる。
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (4)
Examples of the low temperature shift catalyst include those similar to the high temperature shift reaction. A known catalyst composition can be used as the methanation catalyst. For example, those described in JP-A No. 2003-340280 can be used. Specifically, examples of methanation catalysts include ruthenium (Ru), nickel (Ni), iron (Fe), manganese (Mn), cobalt (Co), silver (Ag), and rhodium (Rh). . These methanation catalysts can be used alone or in combination of two or more.

低温シフト反応とメタネーション反応は共に発熱反応であるため、触媒構造体が高温になり易い。第1の担持触媒層を第2の担持触媒層と熱的に連続させることにより、触媒構造体の放熱効率を良好にすることができ、担持触媒層が高温になり過ぎるのを抑制してシフト反応の反応効率が低下するのを防ぐことができる。例えば、本実施形態の触媒構造体を用いることにより、1000ppm程度のCO濃度を有する改質ガスをCO濃度10ppm程度まで純化させることができる。   Since both the low temperature shift reaction and the methanation reaction are exothermic reactions, the catalyst structure tends to become high temperature. By making the first supported catalyst layer thermally continuous with the second supported catalyst layer, the heat dissipation efficiency of the catalyst structure can be improved, and the supported catalyst layer is prevented from becoming too hot and shifted. It can prevent that the reaction efficiency of reaction falls. For example, by using the catalyst structure of the present embodiment, a reformed gas having a CO concentration of about 1000 ppm can be purified to a CO concentration of about 10 ppm.

本実施形態において無担持触媒層は、改質ガス中に改質されずに残存するジメチルエーテルを加水分解して除去する役割を果たす。改質ガス中にジメチルエーテルが多量に含まれたまま燃料電池システムの後段(例えば後述する燃料電池103)に送られると、ジメチルエーテルの燃焼により炭化が生じたり、後段の触媒が被毒する恐れがある。本実施形態の触媒構造体によればジメチルエーテルを低減することができ、例えば改質ガスが供給される燃料電池の燃料極に含まれる触媒の被毒を抑制することができる。   In the present embodiment, the unsupported catalyst layer plays a role of hydrolyzing and removing dimethyl ether remaining without being reformed in the reformed gas. If the reformed gas contains a large amount of dimethyl ether and is sent to the latter stage of the fuel cell system (for example, a fuel cell 103 described later), carbonization may occur due to combustion of dimethyl ether, or the latter stage catalyst may be poisoned. . According to the catalyst structure of the present embodiment, dimethyl ether can be reduced, and for example, poisoning of the catalyst contained in the fuel electrode of the fuel cell to which the reformed gas is supplied can be suppressed.

本実施形態に係る触媒構造体は、第1,2の触媒粒子を変更すること以外には第2の実施の形態と同様にして製造することができる。また、第2の実施の形態に係る触媒構造体にさらにメタネーション触媒を担持させることにより、第3の実施の形態に係る触媒構造体を作製することもできる。   The catalyst structure according to this embodiment can be manufactured in the same manner as in the second embodiment except that the first and second catalyst particles are changed. Further, the catalyst structure according to the third embodiment can be produced by further supporting the methanation catalyst on the catalyst structure according to the second embodiment.

本実施形態の触媒構造体は、ジメチルエーテルと水を燃料として得られる改質ガスだけでなく、他の燃料、例えばエタノールやメタノール等のアルコール類と水を含む燃料を改質することにより得られる改質ガスのCO濃度を低減するためにも使用することができる。   The catalyst structure of this embodiment is not only a reformed gas obtained using dimethyl ether and water as fuels, but also a modified fuel obtained by reforming other fuels, for example, fuels containing alcohols such as ethanol and methanol and water. It can also be used to reduce the CO concentration of the quality gas.

(第4の実施の形態)
第3の実施の形態では第1の触媒粒子としてシフト触媒、第2の触媒粒子としてメタネーション触媒を用いた例を説明したが、触媒構造体はこれに限定されるものではない。例えば、無担持触媒層として固体酸触媒、第1の触媒粒子として酸塩基性両性触媒、第2の触媒粒子として貴金属触媒およびマンガン族触媒のうち少なくとも一方を用いることにより、例えばこれら全体として高機能のCOシフト触媒とすることもできる。
(Fourth embodiment)
In the third embodiment, the shift catalyst is used as the first catalyst particle and the methanation catalyst is used as the second catalyst particle. However, the catalyst structure is not limited to this. For example, by using at least one of a solid acid catalyst as the unsupported catalyst layer, an acid-base amphoteric catalyst as the first catalyst particles, and a noble metal catalyst and a manganese group catalyst as the second catalyst particles, for example, these are highly functional as a whole. The CO shift catalyst can also be used.

表層部の貴金属触媒表面へはCOが吸着するが、この貴金属触媒に隣接して酸塩基性両性触媒が存在すると、酸塩基性両性触媒がアルカリ金属として機能するため、電子を貴金属触媒へ供与し、これによって貴金属触媒の電子密度が高くなればCO吸着が相対的に強くなるので反応性が高くなる。   CO is adsorbed on the surface of the noble metal catalyst on the surface layer. If an acid-base amphoteric catalyst is present adjacent to the noble metal catalyst, the acid-base amphoteric catalyst functions as an alkali metal, so that electrons are donated to the noble metal catalyst. As a result, if the electron density of the noble metal catalyst is increased, CO adsorption becomes relatively strong, and thus the reactivity is increased.

一方、固体酸触媒は燃料の加水分解触媒等として機能するが、この時、燃料がオレフィン系炭化水素に転化して重合を起こし、後段の燃料電池システムに悪影響を及ぼす恐れがある。ここで酸塩基性両性触媒が隣接することにより固体酸触媒の酸点が中和されるので、この問題を回避することができる。   On the other hand, the solid acid catalyst functions as a fuel hydrolysis catalyst or the like. At this time, the fuel is converted into olefinic hydrocarbons to cause polymerization, which may adversely affect the subsequent fuel cell system. Here, since the acid sites of the solid acid catalyst are neutralized due to the adjacent acid-base amphoteric catalyst, this problem can be avoided.

このように固体酸触媒、酸塩基性両性触媒、貴金属触媒やマンガン族触媒の組み合せにより、COのシフト反応を効率的に進行させることが可能となる。   As described above, the combination of the solid acid catalyst, the acid-basic amphoteric catalyst, the noble metal catalyst, and the manganese group catalyst enables the CO shift reaction to proceed efficiently.

貴金属触媒としては第2の実施の形態に記載した白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)を用いることができる。マンガン族触媒としてはレニウム(Re)、テクネチウム(Tc)、マンガン(Mn)を用いることができる。   As the noble metal catalyst, platinum (Pt), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), palladium (Pd), osmium (Os), or iridium (Ir) described in the second embodiment can be used. As the manganese group catalyst, rhenium (Re), technetium (Tc), or manganese (Mn) can be used.

また、酸塩基性両性触媒としてはセリア(CeO2)やジルコニア(ZrO2)を用いることができる。 As the acid-base amphoteric catalyst, ceria (CeO 2 ) or zirconia (ZrO 2 ) can be used.

固体酸触媒としては、アルミナ(Al23)のほかにシリカ(SiO2)などを用いることができる。 As the solid acid catalyst, silica (SiO 2 ) or the like can be used in addition to alumina (Al 2 O 3 ).

本実施形態に係る触媒構造体は、第1,2の触媒粒子を変更すること以外には第2の実施の形態と同様にして製造することができる。また、本実施の形態に係る触媒構造体にさらにメタネーション触媒を担持させることにより、第2の実施の形態に係る触媒構造体を作製することもできる。   The catalyst structure according to this embodiment can be manufactured in the same manner as in the second embodiment except that the first and second catalyst particles are changed. Further, the catalyst structure according to the second embodiment can be produced by further supporting a methanation catalyst on the catalyst structure according to the present embodiment.

本実施形態の触媒構造体は、ジメチルエーテルと水を燃料として得られる改質ガスだけでなく、他の燃料、例えばエタノールやメタノール等のアルコール類と水を含む燃料を改質することにより得られる改質ガスのCO濃度を低減するためにも使用することができる。   The catalyst structure of this embodiment is not only a reformed gas obtained using dimethyl ether and water as fuels, but also a modified fuel obtained by reforming other fuels, for example, fuels containing alcohols such as ethanol and methanol and water. It can also be used to reduce the CO concentration of the quality gas.

本発明の実施の形態に係る触媒構造体は、小型反応器に適用することができる。以下、図3を参照して小型反応器を説明する。
図3は、小型反応器を示す分解斜視図である。
この小型反応器31は、第1の流路構成部材32および第2の流路構成部材33を含む流路構造体40と、筐体34と、蓋35とを具備する。第1の流路構成部材32は、長方形の板状部材36を含み、この板状部材36の平面部には、垂直かつ長手方向に直交に平板状の流路フィン37が複数並設されている。板状部材36と流路フィン37とは一体成形されたものであってもよい。第2の流路構成部材33は、第1の流路構成部材32と同サイズで、同様な構造を有する板状部材38と複数の流路フィン39とを含んでいる。流路フィン37,39の表面には触媒構造体が形成されている。流路フィン37,39がアルミニウム金属あるいはアルミニウム合金からなる場合や、アルミニウム金属あるいはアルミニウム合金の皮膜を有する場合には、前述した陽極酸化処理を用いた製造方法により流路フィン37,39の表面に触媒構造体を形成することができる。触媒構造体は流路フィン37,39の両面の全体わたって形成されていることが望ましい。
The catalyst structure according to the embodiment of the present invention can be applied to a small reactor. Hereinafter, the small reactor will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is an exploded perspective view showing a small reactor.
The small reactor 31 includes a flow channel structure 40 including a first flow channel component member 32 and a second flow channel component member 33, a housing 34, and a lid 35. The first flow path component member 32 includes a rectangular plate-shaped member 36, and a plurality of plate-shaped flow path fins 37 are arranged in parallel on the plane portion of the plate-shaped member 36 perpendicular to the longitudinal direction. Yes. The plate-like member 36 and the flow path fins 37 may be integrally formed. The second flow path component member 33 includes a plate-like member 38 having the same size as the first flow path component member 32 and a similar structure, and a plurality of flow channel fins 39. A catalyst structure is formed on the surfaces of the channel fins 37 and 39. When the channel fins 37 and 39 are made of aluminum metal or aluminum alloy or have a film of aluminum metal or aluminum alloy, the surface of the channel fins 37 and 39 is formed by the manufacturing method using the anodizing process described above. A catalyst structure can be formed. It is desirable that the catalyst structure is formed over the entire surfaces of the channel fins 37 and 39.

流路構造体40は、第1の流路構成部材32と第2の流路構成部材33とを流路フィン37,39が設けられた側の面を対向させ、互いの流路フィン37,39が隙間を空けて交互に並ぶように嵌め合わせたものである。このような構造を有する流路構造体40は、流路フィン37と隣接する流路フィン39との間に形成された複数の平行流路41を有する。   The flow path structure 40 is configured such that the first flow path component member 32 and the second flow path structure member 33 are opposed to each other on the surface on which the flow path fins 37 and 39 are provided. 39 are fitted so as to be alternately arranged with a gap. The flow path structure 40 having such a structure includes a plurality of parallel flow paths 41 formed between the flow path fins 37 and the adjacent flow path fins 39.

筐体34は外形が直方体であり、流路構造体40を収容するための嵌め込み部34aが形成されている。嵌め込み部34aは長手に直交する辺の長さが流路構造体40よりも僅かに大きくなるように形成されている。筐体34の長手に直交する端部のうち一方には供給口42が設けられており、他端には排出口43が設けられている。供給口42、排出口43は各々、嵌め込み部34aに連通しており、供給口42と排出口43とは嵌め込み部34aの開口面における対角線上に位置するように設けられている。前述した流路構造体40は、板状部材36または板状部材38が底面となるようにこの筐体34の嵌め込み部34a内に収容され、その上に蓋35が配置される。これにより、嵌め込み部34aの内部には流路構造体40の複数の平行流路41とこの平行流路41に連通する2本の直交流路(図示せず)とが形成される。これら直交流路のうち一方に供給口42が連通し、他方に排出口43が連通している。   The casing 34 has a rectangular parallelepiped shape, and a fitting portion 34 a for accommodating the flow path structure 40 is formed. The fitting portion 34 a is formed so that the length of the side perpendicular to the longitudinal direction is slightly larger than that of the flow path structure 40. A supply port 42 is provided in one of the end portions orthogonal to the length of the housing 34, and a discharge port 43 is provided in the other end. Each of the supply port 42 and the discharge port 43 communicates with the fitting portion 34a, and the supply port 42 and the discharge port 43 are provided so as to be positioned on a diagonal line on the opening surface of the fitting portion 34a. The flow path structure 40 described above is accommodated in the fitting portion 34a of the housing 34 so that the plate-like member 36 or the plate-like member 38 becomes the bottom surface, and the lid 35 is disposed thereon. Thereby, a plurality of parallel flow paths 41 of the flow path structure 40 and two orthogonal flow paths (not shown) communicating with the parallel flow paths 41 are formed inside the fitting portion 34a. A supply port 42 communicates with one of these orthogonal flow paths, and a discharge port 43 communicates with the other.

このような小型反応器31に供給口42から流体を供給すると、流体が直交流路を経て各平行流路41を流通する。このときに、流路フィン37,39に形成された触媒構造体で逐次あるいは多段の反応が進行する。反応後の流体は排出口43から排出される。本発明の実施の形態に係る触媒構造体を用いれば、逐次あるいは多段の反応を効率良く進行させることができるため、反応器の小型化に寄与することができる。   When a fluid is supplied to the small reactor 31 from the supply port 42, the fluid flows through each parallel channel 41 through the orthogonal channel. At this time, sequential or multistage reactions proceed with the catalyst structure formed in the channel fins 37 and 39. The fluid after the reaction is discharged from the discharge port 43. If the catalyst structure according to the embodiment of the present invention is used, sequential or multistage reactions can be efficiently advanced, which can contribute to miniaturization of the reactor.

反応は流路方向に次第に進むので、流路方向にも濃度プロファイルを持たせることも有効である。すなわち、深さ方向に濃度プロファイルが異なる流路構造体40を複数用意しておき、これを流路構造体40や筐体34の流路方向に反応の進行に応じて適宜配設することにより、反応に関する熱的なやりとりを適切に管理制御した小型反応器31を提供することができる。   Since the reaction proceeds gradually in the direction of the channel, it is also effective to have a concentration profile in the direction of the channel. That is, by preparing a plurality of flow path structures 40 having different concentration profiles in the depth direction and arranging them appropriately in the flow path direction of the flow path structures 40 and the housing 34 according to the progress of the reaction. Thus, it is possible to provide the small reactor 31 in which the thermal exchange related to the reaction is appropriately managed and controlled.

次に、本発明の実施の形態に係る触媒構造体が用いられる燃料電池システムについて図4を参照して説明する。
図4は、燃料電池システムの概念図である。
この燃料電池システム100は、燃料供給タンク101と、改質ユニット102と、燃料電池103とを具備する。燃料供給タンク101には、燃料が収容されている。
Next, a fuel cell system in which the catalyst structure according to the embodiment of the present invention is used will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a conceptual diagram of the fuel cell system.
The fuel cell system 100 includes a fuel supply tank 101, a reforming unit 102, and a fuel cell 103. Fuel is stored in the fuel supply tank 101.

改質ユニット102は、例えば、気化器と、改質器と、CO除去器と、燃焼器とを備える。気化器は、燃料供給タンク101から供給された燃料を気化させるためのものである。改質器は、気化器で気化された燃料から水素ガスを含む改質ガスを生成させるためのものである。改質器では、改質反応と必要により高温シフト反応が進行する。改質器は例えば350℃程度に設定される。CO除去器は、改質器で生成された改質ガスのCO濃度を低減することにより改質ガスを純化させるためのものである。CO除去器では、例えば、低温シフト反応とメタネーション反応によりCOが除去される。CO除去器は例えば250℃程度に設定される。また、燃焼器は燃料電池から排出された改質ガスの燃焼反応を促進させるものである。図4の燃料電池システム100では改質反応、シフト反応、メタネーション反応、燃焼反応をそれぞれ担う各工程に前述した小型反応器を用いることが可能である。これら改質反応、シフト反応、メタネーション反応、燃焼反応を一まとめにして広義の改質部(改質ユニット102)を構成した。改質器に備えられる触媒としては、第1または第2の実施形態の触媒構造体を使用することが好ましい。特に、第2の実施形態の触媒構造体を改質器に用いることが望ましい。CO除去器に備えられる触媒としては、第3の実施形態の触媒構造体を使用することが好ましいが、第1または第2の実施形態の触媒構造体を備えた改質器を使用する場合には他の公知のCO除去触媒を使用することができる。同様に第3の実施形態の触媒構造体を備えたCO除去器を使用する場合には他の公知の改質触媒を備えた改質器を用いることもできる。   The reforming unit 102 includes, for example, a vaporizer, a reformer, a CO remover, and a combustor. The carburetor is for vaporizing the fuel supplied from the fuel supply tank 101. The reformer is for generating a reformed gas containing hydrogen gas from the fuel vaporized by the vaporizer. In the reformer, a reforming reaction and, if necessary, a high temperature shift reaction proceed. The reformer is set at about 350 ° C., for example. The CO remover is for purifying the reformed gas by reducing the CO concentration of the reformed gas generated by the reformer. In the CO remover, CO is removed by, for example, a low temperature shift reaction and a methanation reaction. The CO remover is set at about 250 ° C., for example. The combustor promotes the combustion reaction of the reformed gas discharged from the fuel cell. In the fuel cell system 100 of FIG. 4, it is possible to use the small reactor described above for each process responsible for reforming reaction, shift reaction, methanation reaction, and combustion reaction. These reforming reactions, shift reactions, methanation reactions, and combustion reactions are combined to form a broadly defined reforming section (reforming unit 102). As the catalyst provided in the reformer, the catalyst structure of the first or second embodiment is preferably used. In particular, it is desirable to use the catalyst structure of the second embodiment for a reformer. As the catalyst provided in the CO remover, it is preferable to use the catalyst structure of the third embodiment, but when the reformer provided with the catalyst structure of the first or second embodiment is used. Other known CO removal catalysts can be used. Similarly, when the CO remover provided with the catalyst structure of the third embodiment is used, a reformer provided with another known reforming catalyst can be used.

燃料電池103は、燃料極と、酸化剤極と、燃料極と酸化剤極との間に配置される電解質膜とを含む起電部を具備する。この起電部において、改質ユニット102から燃料極へと供給される水素純化ガスと酸化剤極に供給される酸素を含む空気とを用いて、発電反応が進行する。   The fuel cell 103 includes an electromotive unit that includes a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode. In this electromotive section, a power generation reaction proceeds using hydrogen-purified gas supplied from the reforming unit 102 to the fuel electrode and air containing oxygen supplied to the oxidizer electrode.

燃料タンク101から改質ユニット102に燃料を供給し、ここで水素ガスを含む改質ガスを発生させると共に純化させる。得られた水素純化ガスを燃料電池103の起電部の燃料極に供給し、発電反応に使用する。排出物と残留水素を含む燃料電池103のオフガスは再度の改質ユニット102に送られ、ここの燃焼器で燃焼させた後、大気放出等される。   Fuel is supplied from the fuel tank 101 to the reforming unit 102, where reformed gas containing hydrogen gas is generated and purified. The obtained hydrogen purification gas is supplied to the fuel electrode of the electromotive part of the fuel cell 103 and used for the power generation reaction. The off-gas of the fuel cell 103 containing exhaust and residual hydrogen is sent to the reforming unit 102 again, burned by the combustor, and then released into the atmosphere.

[実施例]
以下、本発明の実施の形態を実施例により説明する。
[Example]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by way of examples.

(実施例1)
<触媒構造体の作製>
A1050材のアルミニウム製流路フィンを有する流路構成部材A,Bを用意した。流路構成部材Aならびに流路構成部材Bは、流路フィンの厚みが0.3mmであり、流路フィンのピッチが0.9mmである。これら流路構成部材A,Bの各流路フィンを以下に説明するように陽極酸化して80μmの膜厚を有するアルミナを形成した。
すなわち、陽極酸化にはシュウ酸水溶液(2〜5wt%)を用い、50A/m2の電流密度で18時間陽極酸化処理した。これを一旦350℃で焼成した後、25℃でシュウ酸水溶液(2〜5wt%)に4時間浸漬し、細孔拡大処理を行った。更に350℃で焼成した後、80℃のイオン交換水に2時間浸漬し、その後、500℃で焼成したものを流路構成部材の担体とした。もちろん、陽極酸化処理はこれらに限られたものではなく、硫酸、リン酸などの無機酸、マロン酸、クエン酸などの有機酸を適宜用いることができる。
Example 1
<Production of catalyst structure>
Flow path components A and B having aluminum flow path fins made of A1050 material were prepared. In the flow path component A and the flow path structure member B, the thickness of the flow channel fins is 0.3 mm, and the pitch of the flow channel fins is 0.9 mm. The channel fins of these channel members A and B were anodized as described below to form alumina having a thickness of 80 μm.
That is, an oxalic acid aqueous solution (2 to 5 wt%) was used for anodization, and anodization was performed at a current density of 50 A / m 2 for 18 hours. After baking this at 350 degreeC once, it immersed in the oxalic acid aqueous solution (2-5 wt%) at 25 degreeC for 4 hours, and performed the pore expansion process. Further, after baking at 350 ° C., it was immersed in ion exchange water at 80 ° C. for 2 hours, and then fired at 500 ° C. as a carrier for the flow path component. Of course, the anodic oxidation treatment is not limited to these, and inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid, and organic acids such as malonic acid and citric acid can be used as appropriate.

陽極酸化処理した流路構成部材に以下に説明する含浸法により白金の触媒粒子を担持させた。
すなわち、陽極酸化処理した流路フィンを、1.0g−Pt/Lの塩化白金酸溶液にアンモニア溶液(35%)を加え、pHをアルカリ性にした溶液に2時間浸漬し、25℃で12時間乾燥し、500℃で4時間焼成することにより図1に示す構造を有する触媒構造体を得た。なお、担持量を増やすために、超音波を併用した。
Platinum catalyst particles were supported on the anodized flow path component by the impregnation method described below.
That is, the anodized channel fin was immersed in a 1.0 g-Pt / L chloroplatinic acid solution to which an ammonia solution (35%) was added and the pH was made alkaline for 2 hours, and at 25 ° C. for 12 hours. The catalyst structure which has a structure shown in FIG. 1 was obtained by drying and baking at 500 degreeC for 4 hours. In addition, in order to increase the carrying amount, ultrasonic waves were used in combination.

得られた触媒構造体について、EPMAを用いて担持触媒層の厚みと触媒粒子の濃度プロファイルを測定した。濃度プロファイルの結果を図5に示す。図5中、縦軸は触媒構造体の深さ方向(図中、上方が表層部を示し、下方が最深部を示す)を示し、横軸は触媒粒子の担持量を示す。
図5に示すように、表面から40μmの深さまでは白金の触媒粒子が担持された担持触媒層6であり、40μmの深さから80μmまでは白金の触媒粒子を含まない(白金の担持量がEPMA等の分析手段によって有意差があるかどうか判別可能な検出量以下程度しか担持されていない)無担持触媒層3であった。また、担持触媒層6の表層部から最深部に向かって深さ方向に白金の触媒粒子の担持量が減少していた。図5中、参照符号2は、流路フィンにおける陽極酸化されていない部分(担体基材)を示す。
About the obtained catalyst structure, the thickness of the supported catalyst layer and the concentration profile of the catalyst particles were measured using EPMA. The result of the concentration profile is shown in FIG. In FIG. 5, the vertical axis indicates the depth direction of the catalyst structure (in the figure, the upper part indicates the surface layer part and the lower part indicates the deepest part), and the horizontal axis indicates the amount of catalyst particles supported.
As shown in FIG. 5, it is a supported catalyst layer 6 on which platinum catalyst particles are supported at a depth of 40 μm from the surface, and does not contain platinum catalyst particles from a depth of 40 μm to 80 μm (the amount of platinum supported is The unsupported catalyst layer 3 was supported only by a detection amount or less that can be discriminated whether or not there is a significant difference by an analysis means such as EPMA. Further, the supported amount of platinum catalyst particles decreased in the depth direction from the surface layer portion of the supported catalyst layer 6 toward the deepest portion. In FIG. 5, reference numeral 2 indicates a portion (carrier substrate) that is not anodized in the channel fin.

<小型反応器の組立て>
これら流路構成部材Aならびに流路構成部材Bを、それぞれの流路フィンが交互に並ぶように向い合せに嵌め合わせて流路幅0.15mmの平行流路を有する流路構造体とし、この流路構造体を流路構成部材(筐体)の嵌め込み部に詰め、その上に流路構成部材(蓋)を配置し、溶接することにより、図3に示す構造を有する小型反応器を組立てた。
<Assembly of small reactor>
The flow path component member A and the flow path component member B are fitted to face each other so that the flow path fins are alternately arranged to form a flow path structure having a parallel flow path having a flow path width of 0.15 mm. A small reactor having the structure shown in FIG. 3 is assembled by packing the flow channel structure into the fitting portion of the flow channel component (housing), placing the flow channel component (lid) thereon, and welding it. It was.

この小型反応器にジメチルエーテルと水を供給し、水素を生成させた。条件はジメチルエーテルと水のモル比(CH3OCH3:H2O)で1:4である。小型反応器を350℃に加熱し、そこに上記ジメチルエーテルと水の混合ガスを0.6cm2/sccm(標準状態における1分間当たりのガス流量に対する流路幾何面積)で流通させ、改質ガスを得た。流路フィンの触媒担持された幾何面積(面積の合計)は150cm2であった。 Dimethyl ether and water were supplied to this small reactor to generate hydrogen. The condition is 1: 4 in terms of a molar ratio of dimethyl ether to water (CH 3 OCH 3 : H 2 O). A small reactor is heated to 350 ° C., and the mixed gas of dimethyl ether and water is circulated at a rate of 0.6 cm 2 / sccm (the geometric area of the flow path with respect to the gas flow rate per minute in the standard state). Obtained. The geometric area (total area) of the channel fin on which the catalyst was supported was 150 cm 2 .

得られた改質ガス中の水素ガスの量(ガス発生量)と改質ガス中のCO濃度を表1に示す。   Table 1 shows the amount of hydrogen gas (gas generation amount) in the resulting reformed gas and the CO concentration in the reformed gas.

(実施例2)
硝酸セリウム六水和物(Ce(NO33・6H2O)を1g/mLの水溶液とした。これに実施例1の流路構成部材Aならびに流路構成部材Bを浸漬させた。このとき、超音波で3分間照射した後、16時間浸漬した。その後、120℃で1時間乾燥させた後、5℃/分で500℃まで昇温し、そのまま3時間保持して自然放冷させた。
(Example 2)
Cerium nitrate hexahydrate (Ce (NO 3) 3 · 6H 2 O) into an aqueous solution of 1 g / mL. The channel constituent member A and the channel constituent member B of Example 1 were immersed in this. At this time, after being irradiated with ultrasonic waves for 3 minutes, it was immersed for 16 hours. Then, after drying at 120 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 500 ° C. at 5 ° C./min, and kept for 3 hours as it was to allow natural cooling.

次に、塩化白金酸六水和物(H2PtCl6・6H2O)を約10mg/mLの水溶液とし、これにアンモニア水(35%原液)を加えてpHを約11とし、これに更にNH4ReO4を50mg/mLの濃度となるよう溶解させた。この混合溶液に上記流路構成部材Aならびに流路構成部材Bを浸漬し、超音波を3分間照射し、引き続き16時間浸漬して含浸担持させた。その後、120℃で1時間乾燥した後、5℃/分で400℃まで昇温し、3時間保持した後、自然放冷させ後、焼成することにより、第2の実施形態に係る触媒構造体を作製した。なお、今回は脱気するために3分間ほど超音波を用いたが、担持量を増やすために、継続して超音波を併用することも効果的である。得られた触媒構造体の濃度プロファイルを図6の(a)に示す。図6の(a)中、縦軸は触媒構造体の深さ方向を示し、横軸は触媒粒子の担持量を示す。 Next, chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) is made into an aqueous solution of about 10 mg / mL, and ammonia water (35% stock solution) is added to this to make the pH about 11, and further to this NH 4 ReO 4 was dissolved to a concentration of 50 mg / mL. The flow path component A and the flow path component B were immersed in this mixed solution, irradiated with ultrasonic waves for 3 minutes, and subsequently immersed and supported for 16 hours. Then, after drying at 120 ° C. for 1 hour, the temperature is raised to 400 ° C. at 5 ° C./min, held for 3 hours, allowed to cool naturally, and then fired, whereby the catalyst structure according to the second embodiment Was made. In addition, in order to deaerate this time, the ultrasonic wave was used for about 3 minutes, but it is also effective to continuously use the ultrasonic wave in order to increase the carrying amount. The concentration profile of the obtained catalyst structure is shown in FIG. In FIG. 6A, the vertical axis indicates the depth direction of the catalyst structure, and the horizontal axis indicates the amount of catalyst particles supported.

図6の(a)に示すように、第1の担持触媒層25では表層部から最深部に向かって深さ方向に白金の触媒粒子の担持量が減少しており、第2の担持触媒層27では深さ方向にレニウム粒子とセリア粒子と白金の触媒粒子の担持量がそれぞれ減少していた。   As shown in FIG. 6A, in the first supported catalyst layer 25, the supported amount of platinum catalyst particles decreases in the depth direction from the surface layer portion toward the deepest portion, and the second supported catalyst layer In No. 27, the supported amounts of rhenium particles, ceria particles, and platinum catalyst particles decreased in the depth direction.

さらに、得られた触媒構造体について、N2吸着法により細孔径分布(BJH法)を測定し、平均細孔径を算出した。この結果を図6の(b)に示す。図6の(b)中、縦軸は触媒構造体の深さ方向を示し、横軸は細孔径の大きさを示す。
この結果、各触媒層の平均細孔径は、無担持触媒層23で約5nm、第1の担持触媒層25で約20nm、第2の担持触媒層27で約50nmであった。また、図6の(b)から明らかなように、触媒構造体の表層部から最深部(担体基材22)に向かって深さ方向に細孔径が減少していた。
Further, the obtained catalyst structure, pore size distribution (BJH method) measured by N 2 adsorption method to calculate the average pore diameter. The result is shown in FIG. In FIG. 6B, the vertical axis indicates the depth direction of the catalyst structure, and the horizontal axis indicates the size of the pore diameter.
As a result, the average pore diameter of each catalyst layer was about 5 nm for the unsupported catalyst layer 23, about 20 nm for the first supported catalyst layer 25, and about 50 nm for the second supported catalyst layer 27. Further, as apparent from FIG. 6B, the pore diameter decreased in the depth direction from the surface layer portion of the catalyst structure to the deepest portion (support base material 22).

もちろん、これら細孔径は適宜調整することが可能である。調整方法としては陽極酸化の電流密度を変化させる方法、陽極酸化の溶液を途中で変更する方法、細孔拡大処理の温度や濃度を適宜変化させる方法が挙げられる。これらは適宜組み合わせて用いることも可能である。   Of course, these pore diameters can be appropriately adjusted. Examples of the adjustment method include a method of changing the current density of anodic oxidation, a method of changing the anodic oxidation solution in the middle, and a method of appropriately changing the temperature and concentration of the pore enlargement treatment. These can be used in appropriate combination.

得られた触媒構造体を有する流路構成部材を用いたこと以外には実施例1と同様にして小型反応器を形成し、混合ガスを流通させて改質ガスを得た。
この結果、水素ガスとして238sccm(標準状態で238cc/分相当)が得られた。得られた改質ガス中のCO濃度を表1に示す。
A small reactor was formed in the same manner as in Example 1 except that the obtained flow path component having the catalyst structure was used, and a mixed gas was circulated to obtain a reformed gas.
As a result, 238 sccm (equivalent to 238 cc / min in the standard state) was obtained as hydrogen gas. Table 1 shows the CO concentration in the resulting reformed gas.

また、混合ガスを流通させたときの触媒構造体の温度分布を図6の(c)に示す。図6の(c)中、縦軸は触媒構造体の深さ方向を示し、横軸は温度を示す。
図6の(c)から明らかなように、触媒構造体において熱源に近い無担持触媒層23は350℃であったのに対して、第2の担持触媒層27は300℃に保たれていた。これは、無担持触媒層23と第2の担持触媒層27では発熱反応が進行するものの、これら触媒層23,27に熱的に連続する第1の担持触媒層25で進行する吸熱反応により第2の担持触媒層27の温度が過剰に上昇するのを抑制することができたためである。
FIG. 6C shows the temperature distribution of the catalyst structure when the mixed gas is circulated. In FIG. 6C, the vertical axis indicates the depth direction of the catalyst structure, and the horizontal axis indicates the temperature.
As apparent from FIG. 6C, the unsupported catalyst layer 23 close to the heat source in the catalyst structure was 350 ° C., whereas the second supported catalyst layer 27 was maintained at 300 ° C. . This is because the exothermic reaction proceeds in the unsupported catalyst layer 23 and the second supported catalyst layer 27, but the endothermic reaction proceeds in the first supported catalyst layer 25 that is thermally continuous to the catalyst layers 23 and 27. This is because an excessive increase in the temperature of the two supported catalyst layers 27 could be suppressed.

(実施例3)
ルテニウム(III)アセチルアセトナート(Ru(acac)2)をアセトンに52mg/mLとなるように溶解し、これに実施例2の流路構成部材Aならびに流路構成部材Bを16時間浸漬し、含浸担持させた。その後、120℃で1時間乾燥し、5℃/分で500℃まで昇温し、そのまま2時間保持した後、自然放冷させ、第3の実施形態に係る触媒構造体を作製した。得られた触媒構造体の濃度プロファイルを図7に示す。図7中、縦軸は触媒構造体の深さ方向を示し、横軸は触媒粒子の担持量を示す。
(Example 3)
Ruthenium (III) acetylacetonate (Ru (acac) 2) is dissolved in and adjusted to 52 mg / mL in acetone, to which the passage component A and the flow path forming member B of Example 2 was immersed 16 hours, Impregnation was supported. Then, it dried at 120 degreeC for 1 hour, heated up to 500 degreeC at 5 degree-C / min, and kept as it was for 2 hours, Then, it was left to cool naturally, The catalyst structure which concerns on 3rd Embodiment was produced. The concentration profile of the obtained catalyst structure is shown in FIG. In FIG. 7, the vertical axis indicates the depth direction of the catalyst structure, and the horizontal axis indicates the amount of catalyst particles supported.

図7に示すように、第1の担持触媒層25では表層部から最深部に向かって深さ方向に白金の触媒粒子とレニウム粒子とセリウム粒子の担持量が減少しており、第2の担持触媒層27では深さ方向にルテニウム粒子とレニウム粒子とセリウム粒子と白金の触媒粒子の担持量がそれぞれ減少していた。   As shown in FIG. 7, in the first supported catalyst layer 25, the supported amount of platinum catalyst particles, rhenium particles, and cerium particles decreases in the depth direction from the surface layer portion toward the deepest portion. In the catalyst layer 27, the supported amounts of ruthenium particles, rhenium particles, cerium particles, and platinum catalyst particles decreased in the depth direction.

得られた触媒構造体を有する流路構成部材を用いたこと以外には実施例1と同様にして小型反応器を形成した。この小型反応器を250℃に加熱し、実施例2で得られた改質ガスを0.4cm2/sccm(標準状態における1分間当たりのガス流量に対する流路幾何面積)で流通させて水素純化ガスを得た。得られた水素純化ガスの発生量と水素純化ガス中のCO濃度を表1に示す。 A small reactor was formed in the same manner as in Example 1 except that the flow path component having the obtained catalyst structure was used. This small reactor is heated to 250 ° C., and the reformed gas obtained in Example 2 is circulated at 0.4 cm 2 / sccm (flow path geometric area with respect to gas flow rate per minute in the standard state) to purify hydrogen. Got gas. Table 1 shows the amount of generated hydrogen purification gas and the CO concentration in the hydrogen purification gas.

(実施例4)
実施例1と同様の手法により、A1050材のアルミニウム製流路フィンを有する流路構成部材Aならびに流路構成部材Bを用意した。流路構成部材Aならびに流路構成部材Bは、流路フィンの厚みが0.3mmであり、流路フィンのピッチが0.9mmである。これら流路構成部材A,Bの各流路フィンを実施例1と同様の方法により陽極酸化して80μmの膜厚を有するアルミナを形成した。
これに、実施例2と同様の手法でまず硝酸セリウム六水和物(Ce(NO33・6H2O)を1g/mLの水溶液を作り、これに上記の流路構成部材を浸漬させた。この時、超音波で3分間照射した後、16時間浸漬し、その後、120℃で1時間乾燥させた後、5℃/分で500℃まで昇温し、そのまま3時間保持して自然放冷させた。
Example 4
A flow path component A and a flow path component B having aluminum flow path fins made of A1050 were prepared in the same manner as in Example 1. In the flow path component A and the flow path structure member B, the thickness of the flow channel fins is 0.3 mm, and the pitch of the flow channel fins is 0.9 mm. The channel fins of these channel members A and B were anodized by the same method as in Example 1 to form alumina having a film thickness of 80 μm.
To this, a 1 g / mL aqueous solution of cerium nitrate hexahydrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O) is first prepared in the same manner as in Example 2, and the above-mentioned flow path component is immersed in this solution. It was. At this time, after irradiating with ultrasonic waves for 3 minutes, it was immersed for 16 hours, then dried at 120 ° C. for 1 hour, then raised to 500 ° C. at 5 ° C./minute, and kept for 3 hours as it was to be naturally cooled. I let you.

次に、塩化白金酸六水和物(H2PtCl6・6H2O)を約10mg/mLの水溶液とし、これにアンモニア水(35%原液)を加えてpHを約11とし、これに更にNH4ReO4を50mg/mLの濃度となるよう溶解させた。この混合溶液に上記流路構成部材を浸漬し、超音波を3分間照射し、引き続き4時間浸漬して含浸担持させた。その後、120℃で1時間乾燥した後、5℃/分で400℃まで昇温し、3時間保持した後、自然放冷させ、その後、焼成することにより、第4の実施形態に係る触媒構造体を作製した。なお、今回は脱気するために3分間ほど超音波を用いたが、担持量を増やすために、継続して超音波を併用することも効果的である。得られた触媒構造体の濃度プロファイルを図8に示す。図8中、縦軸は触媒構造体の深さ方向を示し、横軸は触媒粒子の担持量を示す。 Next, chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) is made into an aqueous solution of about 10 mg / mL, and ammonia water (35% stock solution) is added to this to make the pH about 11, and further to this NH 4 ReO 4 was dissolved to a concentration of 50 mg / mL. The flow path component was immersed in this mixed solution, irradiated with ultrasonic waves for 3 minutes, and subsequently immersed for 4 hours to be impregnated and supported. Then, after drying at 120 ° C. for 1 hour, the temperature is raised to 400 ° C. at 5 ° C./min, held for 3 hours, allowed to cool naturally, and then calcined, whereby the catalyst structure according to the fourth embodiment The body was made. In addition, in order to deaerate this time, the ultrasonic wave was used for about 3 minutes, but it is also effective to continuously use the ultrasonic wave in order to increase the carrying amount. The concentration profile of the obtained catalyst structure is shown in FIG. In FIG. 8, the vertical axis indicates the depth direction of the catalyst structure, and the horizontal axis indicates the amount of catalyst particles supported.

図8に示すように、第1の担持触媒層25では表層部から最深部に向かって深さ方向に酸塩基性両性触媒であるセリア粒子の担持量が減少しており、第2の担持触媒層27では深さ方向にマンガン族触媒であるレニウム粒子と貴金属触媒である白金の触媒粒子の担持量がそれぞれ減少していた。   As shown in FIG. 8, in the first supported catalyst layer 25, the supported amount of ceria particles that are acid-base amphoteric catalysts decreases in the depth direction from the surface layer portion toward the deepest portion, and the second supported catalyst layer. In the layer 27, the supported amounts of rhenium particles as a manganese group catalyst and platinum catalyst particles as a noble metal catalyst decreased in the depth direction.

得られた触媒構造体を有する流路構成部材を用いて実施例1と同様の小型反応器を形成し、改質模擬ガスを流通させ、COガスのシフト試験を行った。小型反応記の流路フィンの触媒担持された幾何面積は150cm2、反応温度は300℃で、単位流量当たりの幾何面積は0.7cm2/sccm(標準状態における1分間当たりのガス流量に対する流路幾何面積)とした。 A small reactor similar to that of Example 1 was formed by using the obtained flow path component having the catalyst structure, and a reforming simulation gas was circulated to perform a CO gas shift test. The catalyst-supported geometric area of the small-size reaction channel fin is 150 cm 2 , the reaction temperature is 300 ° C., and the geometric area per unit flow rate is 0.7 cm 2 / sccm (flow rate relative to the gas flow rate per minute in the standard state). Road geometric area).

そこにH2、CO、CO2、CH4、H2Oを含む改質模擬ガス(H2:50%、CO:3.5%、CO2:15%、CH4:5%、H2O:26.5%)を流通させたところCO濃度を1.5%へ低下させることができた。 A reforming simulation gas containing H 2 , CO, CO 2 , CH 4 and H 2 O (H 2 : 50%, CO: 3.5%, CO 2 : 15%, CH 4 : 5%, H 2 O: 26.5%) was allowed to flow, and the CO concentration could be reduced to 1.5%.

(比較例1)
陽極酸化処理溶液の濃度と含浸時間を変更した以外には実施例1と同様にして流路構造体A,Bの各流路フィンに陽極酸化を行い、40μmの厚みを有するアルミナを形成した。この上に、白金アルミナ触媒、アルミナ触媒を公知のアルミナバインダと混合したスラリーを調製し、これを塗布・乾燥を繰返し、焼成して40μmの厚みとすることにより、触媒構造体を得た。このとき、実施例1の触媒構造体と白金の触媒粒子の担持量が同じになるよう白金アルミナ触媒の割合を調整した。また、平行流路の流路幅が0.15mmとなるように予め流路フィンの厚みを調整しておいた。
(Comparative Example 1)
Except for changing the concentration of the anodizing solution and the impregnation time, the channel fins of the channel structures A and B were anodized in the same manner as in Example 1 to form alumina having a thickness of 40 μm. On top of this, a slurry in which a platinum alumina catalyst and an alumina catalyst were mixed with a known alumina binder was prepared, and this was repeatedly applied and dried, and baked to a thickness of 40 μm to obtain a catalyst structure. At this time, the ratio of the platinum-alumina catalyst was adjusted so that the supported amount of the catalyst structure of Example 1 and platinum catalyst particles was the same. In addition, the thickness of the channel fin was adjusted in advance so that the channel width of the parallel channel was 0.15 mm.

得られた触媒構造体について濃度プロファイルを測定したところ、陽極酸化アルミナ上に白金の触媒粒子を担持したアルミナ焼結体からなる触媒層が形成されており、この触媒層において白金の触媒粒子はほぼ均一に分散して存在していた。   When the concentration profile of the obtained catalyst structure was measured, a catalyst layer made of an alumina sintered body carrying platinum catalyst particles on an anodized alumina was formed. In this catalyst layer, platinum catalyst particles were almost It was uniformly dispersed.

得られた触媒構造体を有する流路構成部材を用いたこと以外には実施例1と同様にして小型反応器を形成し、混合ガスを流通させて改質ガスを得た。得られた改質ガス中の水素ガスの量と改質ガス中のCO濃度を表1に示す。   A small reactor was formed in the same manner as in Example 1 except that the obtained flow path component having the catalyst structure was used, and a mixed gas was circulated to obtain a reformed gas. Table 1 shows the amount of hydrogen gas in the reformed gas and the CO concentration in the reformed gas.

(比較例2)
陽極酸化処理溶液の濃度と含浸時間を変更した以外には実施例1と同様にして流路構造体A,Bの各流路フィンに陽極酸化を行い、40μmの厚みを有するアルミナを形成した。アルミナ層について窒素吸着法により細孔径分布(BJH法)を測定し、平均細孔径を算出したところ、50nmであった。この上に、γ−Al23(担持体)の前駆体のコロイド溶液に、Pt(改質触媒の活性成分)を含有する金属塩を添加した改質触媒前駆体ゾルをディップコーティングし、乾燥後300℃〜700℃で焼成した。このコーティング、乾燥、焼成の操作を繰返し、厚さ20μmの改質触媒層を形成した。また同時に改質触媒前駆体ゾルの一部をそのまま乾燥し、粉末形状の改質触媒を作製し、300℃〜700℃で焼成した焼結体を用い、窒素吸着法により細孔径分布(BJH法)を測定し、平均細孔径を算出したところ、0.7nmであった。
(Comparative Example 2)
Except for changing the concentration of the anodizing solution and the impregnation time, the channel fins of the channel structures A and B were anodized in the same manner as in Example 1 to form alumina having a thickness of 40 μm. The pore size distribution (BJH method) of the alumina layer was measured by a nitrogen adsorption method, and the average pore size was calculated to be 50 nm. On this, the colloidal solution of a precursor of γ-Al 2 O 3 (carrier), Pt reforming catalyst precursor sol adding a metal salt containing (active ingredient of the reforming catalyst) and dip coating, After drying, it was fired at 300 to 700 ° C. This coating, drying, and firing operations were repeated to form a reforming catalyst layer having a thickness of 20 μm. At the same time, a part of the reforming catalyst precursor sol is dried as it is to prepare a powder-shaped reforming catalyst, and a sintered body fired at 300 ° C. to 700 ° C. is used, and a pore size distribution (BJH method) is obtained by a nitrogen adsorption method. ) And the average pore diameter was calculated to be 0.7 nm.

得られた改質触媒層の表面に、テトラエトキシシラン0.05モルとビニルトリエトキシシラン0.05モルをエタノール中で混合したアルコキシド溶液に、水0.5モル、塩酸0.001モルを加えたエタノール溶液を滴下、攪拌することにより得た担持体(SiO2)の前駆体溶液に、Pt,Re(CO除去触媒の活性成分)を含有する金属塩とCeO2(CO除去触媒の活性成分)の前駆体のコロイド溶液を添加したCO除去触媒前駆体ゾルをディップコーティングし、乾燥後300℃〜700℃で焼成した。このコーティング、乾燥、焼成の操作を繰返し、厚さ20μmのCO除去触媒層を形成した。また同時にCO除去触媒前駆体ゾルの一部をそのまま乾燥し、粉末形状のCO除去触媒を作製し、300℃〜700℃で焼成した焼結体を用い、窒素吸着法により細孔径分布(BJH法)を測定し、平均細孔径を算出したところ、0.51nmであった。なお、実施例2の触媒構造体と白金の触媒粒子、ルテニウム粒子およびセリア粒子の担持量が同じになるよう各ゾル濃度を調整した。また、平行流路の流路幅が0.15mmとなるように予め流路フィンの厚みを調整しておいた。 To the surface of the resulting reforming catalyst layer, 0.5 mol of water and 0.001 mol of hydrochloric acid were added to an alkoxide solution in which 0.05 mol of tetraethoxysilane and 0.05 mol of vinyltriethoxysilane were mixed in ethanol. ethanol solution dropwise, the precursor solution of the carrier obtained by stirring (SiO 2), Pt, the active ingredient of Re (CO removing activity component of the catalyst) metal salt and CeO 2 (CO removal catalyst containing The CO removal catalyst precursor sol to which the precursor colloid solution was added was dip-coated, dried, and then fired at 300 ° C to 700 ° C. This coating, drying, and firing operations were repeated to form a CO removal catalyst layer having a thickness of 20 μm. At the same time, a part of the CO removal catalyst precursor sol is dried as it is to prepare a powdery CO removal catalyst, and a sintered body fired at 300 ° C. to 700 ° C. is used. ) And the average pore diameter was calculated to be 0.51 nm. The sol concentrations were adjusted so that the supported amounts of the catalyst structure of Example 2 and platinum catalyst particles, ruthenium particles, and ceria particles were the same. In addition, the thickness of the channel fin was adjusted in advance so that the channel width of the parallel channel was 0.15 mm.

得られた触媒構造体について濃度プロファイルを測定したところ、改質触媒層、CO除去触媒層共に活性成分がほぼ均一に分散して存在していた。   When the concentration profile of the obtained catalyst structure was measured, the active component was present in a substantially uniform manner in both the reforming catalyst layer and the CO removal catalyst layer.

得られた触媒構造体を有する流路構造部材を用いたこと以外には実施例1と同様にして小型反応器を形成し、混合ガスを流通させて改質ガスを得た。得られた改質ガス中の水素ガスの量と改質ガス中のCO濃度を表1に示す。   A small reactor was formed in the same manner as in Example 1 except that the flow path structure member having the obtained catalyst structure was used, and a mixed gas was circulated to obtain a reformed gas. Table 1 shows the amount of hydrogen gas in the reformed gas and the CO concentration in the reformed gas.

(比較例3)
比較例2の流路構造部材を使用したこと以外には実施例3と同様にして触媒構造体を作製し、小型反応器を組立てた。この小型反応器を用いたこと以外には実施例3と同様にして改質ガスを流通させて水素純化ガスを得た。得られた水素純化ガスの発生量と水素純化ガス中のCO濃度を表1に示す。

Figure 0004421542
(Comparative Example 3)
A catalyst structure was produced in the same manner as in Example 3 except that the flow path structure member of Comparative Example 2 was used, and a small reactor was assembled. A hydrogen-purified gas was obtained by circulating the reformed gas in the same manner as in Example 3 except that this small reactor was used. Table 1 shows the amount of generated hydrogen purification gas and the CO concentration in the hydrogen purification gas.
Figure 0004421542

表1から明らかなように、無担持触媒層と無担持触媒層に熱的に連続する担持触媒層とを備え、担持触媒層の担体と無担持触媒層とが一体構造である実施例1〜3の触媒構造体は、得られた改質ガス、水素純化ガス共にCO濃度が低く、改質効率に優れていただけでなく、CO除去効率にも優れていた。以下、同じ種類の触媒粒子が担持されている触媒構造体を対比させて説明する。   As is apparent from Table 1, Examples 1 to 3 each comprising an unsupported catalyst layer and a supported catalyst layer that is thermally continuous with the unsupported catalyst layer, and the support of the supported catalyst layer and the unsupported catalyst layer have an integral structure. In the catalyst structure of No. 3, both the obtained reformed gas and hydrogen purification gas had a low CO concentration, and were not only excellent in reforming efficiency but also excellent in CO removal efficiency. Hereinafter, the description will be made by comparing the catalyst structures carrying the same type of catalyst particles.

比較例1の触媒構造体は、実施例1の触媒構造体に比較して得られた改質ガス中のCO濃度が高く、水素ガスの量も少なかった。これは、比較例1の触媒構造体では触媒層をゲルの塗布により形成したため、陽極酸化アルミナ層と触媒層の担体とが一体構造とならず、各層の間に界面が形成されて熱的に不連続になったためと考えられる。これにより、燃料改質反応に必要とされる熱量をアルミナ層から触媒層へと効率良く伝達させることができず、反応効率が低下したものと考えられる。なお、比較例1では全体の反応効率が落ちるため、得られた改質ガス中に未反応の混合ガスが多く含まれていた。   The catalyst structure of Comparative Example 1 had a high CO concentration and a small amount of hydrogen gas in the reformed gas obtained as compared with the catalyst structure of Example 1. This is because, in the catalyst structure of Comparative Example 1, the catalyst layer was formed by applying a gel, so that the anodized alumina layer and the catalyst layer carrier did not have an integral structure, and an interface was formed between the layers to thermally It is thought that it became discontinuous. As a result, it is considered that the amount of heat required for the fuel reforming reaction cannot be efficiently transferred from the alumina layer to the catalyst layer, and the reaction efficiency is lowered. In Comparative Example 1, since the overall reaction efficiency was lowered, the resulting reformed gas contained a large amount of unreacted mixed gas.

特許文献8の複合触媒膜を流通タイプに適用したものに相当する比較例2の触媒構造体は、実施例2の触媒構造体に比較して得られた改質ガス中のCO濃度が高かった。これは、以下に説明する理由によるものと考えられる。すなわち、実施例2の触媒構造体では、図6の(c)に示したように、各触媒層間に界面が存在せず熱的に連続していたため、燃料改質反応に必要とされる熱量を無担持触媒層と第2の担持触媒層から第1の担持触媒層に効率良く伝達させることができたのに対して、比較例2の触媒構造体では、触媒層間に界面が存在したため熱伝導性が低くなり、この結果反応効率が低下したものと考えられる。さらに、比較例2の触媒構造体は、陽極酸化アルミナ層よりも各触媒層の平均細孔径が小さく、また改質触媒層よりもCO除去触媒層の平均細孔径が小さかったため、混合ガスが触媒構造体全体に浸透しにくく、反応効率が劣化したものと考えられる。   The catalyst structure of Comparative Example 2 corresponding to the composite catalyst membrane of Patent Document 8 applied to the flow type had a higher CO concentration in the reformed gas obtained than the catalyst structure of Example 2. . This is considered to be due to the reason described below. That is, in the catalyst structure of Example 2, as shown in FIG. 6 (c), there was no interface between the catalyst layers and it was thermally continuous. Therefore, the amount of heat required for the fuel reforming reaction Can be efficiently transferred from the unsupported catalyst layer and the second supported catalyst layer to the first supported catalyst layer, whereas in the catalyst structure of Comparative Example 2, there was an interface between the catalyst layers. It is considered that the conductivity is lowered, and as a result, the reaction efficiency is lowered. Furthermore, in the catalyst structure of Comparative Example 2, the average pore diameter of each catalyst layer was smaller than that of the anodized alumina layer, and the average pore diameter of the CO removal catalyst layer was smaller than that of the reforming catalyst layer. It is considered that the reaction efficiency is deteriorated because it is difficult to penetrate the entire structure.

比較例3の触媒構造体は、実施例3の触媒構造体に比較して得られた水素純化ガス中のCO濃度が高かった。これは、比較例3の触媒構造体は、陽極酸化アルミナ層と各触媒層との間の熱伝導性が低かったため、各触媒層で発生した熱を触媒構造体外に逃すことができず、温度が過剰に上昇してCO除去反応の反応効率が低下したものと考えられる。   The catalyst structure of Comparative Example 3 had a higher CO concentration in the hydrogen purification gas obtained than the catalyst structure of Example 3. This is because, in the catalyst structure of Comparative Example 3, the heat conductivity between the anodized alumina layer and each catalyst layer was low, so heat generated in each catalyst layer could not be released outside the catalyst structure, It is considered that the reaction efficiency of the CO removal reaction was lowered due to excessive increase in CO.

なお、陽極酸化アルミナの替わりに無担持触媒層および担持触媒層の担体として一体構造にあるセラミクス成形体を用いた場合にも、実施例1〜4と同様な結果が得られ、逐次あるいは多段に進む化学反応を効率良く進行させることができることを確認できた。   In addition, when the ceramic molded body having an integral structure is used as the support for the unsupported catalyst layer and the supported catalyst layer instead of the anodized alumina, the same results as in Examples 1 to 4 were obtained, either sequentially or in multiple stages. It was confirmed that the proceeding chemical reaction can proceed efficiently.

以上の結果から、実施例1もしくは実施例2の触媒構造体を含む反応器(改質器)、および/または、実施例3もしくは実施例4の触媒構造体を含む反応器(CO除去器)を用いることにより、燃料電池システムの逐次あるいは多段に進む化学反応を効率良く進行させることが可能であることが明らかになった。   From the above results, the reactor (reformer) containing the catalyst structure of Example 1 or Example 2 and / or the reactor (CO remover) containing the catalyst structure of Example 3 or Example 4 It has become clear that the chemical reaction of the fuel cell system can be progressed efficiently or efficiently by using.

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.

本発明の第1の実施の形態による触媒構造体を示す概念図。The conceptual diagram which shows the catalyst structure by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態による触媒構造体を示す概念図。The conceptual diagram which shows the catalyst structure by the 2nd Embodiment of this invention. 小型反応器を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows a small reactor. 燃料電池システムを示す概念図。The conceptual diagram which shows a fuel cell system. 実施例1の触媒構造体の濃度プロファイルを示す概念図。3 is a conceptual diagram showing a concentration profile of a catalyst structure of Example 1. FIG. 実施例2の触媒構造体の(a)は濃度プロファイルを示す概念図、(b)は細孔径分布を示す概念図、(c)は温度分布を示す概念図。(A) of the catalyst structure of Example 2 is a conceptual diagram showing a concentration profile, (b) is a conceptual diagram showing a pore size distribution, and (c) is a conceptual diagram showing a temperature distribution. 実施例3の触媒構造体の濃度プロファイルを示す概念図。4 is a conceptual diagram showing a concentration profile of a catalyst structure of Example 3. FIG. 実施例4の触媒構造体の濃度プロファイルを示す概念図。The conceptual diagram which shows the density | concentration profile of the catalyst structure of Example 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,21…触媒構造体、2,22…担体基材、3,23…無担持触媒層、4…担体、5…触媒粒子、6…担持触媒層、24…第1の触媒粒子、25…第1の担持触媒層、26…第2の触媒粒子、27…第2の担持触媒層、31…小型反応器、32…第1の流路構成部材、33…第2の流路構成部材、34…筐体、34a…嵌め込み部、35…蓋、36,38…板状部材、37,39…流路フィン、40…流路構造体、41…平行流路、42…供給口、43…排出口、100…燃料電池システム、101…燃料供給タンク、102…改質ユニット、103…燃料電池。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 ... Catalyst structure, 2,22 ... Carrier base material, 3,23 ... Unsupported catalyst layer, 4 ... Carrier, 5 ... Catalyst particle, 6 ... Supported catalyst layer, 24 ... First catalyst particle, 25 ... First supported catalyst layer, 26 ... second catalyst particles, 27 ... second supported catalyst layer, 31 ... small reactor, 32 ... first flow path component, 33 ... second flow path component, 34 ... casing, 34a ... fitting portion, 35 ... lid, 36, 38 ... plate-like member, 37, 39 ... channel fin, 40 ... channel structure, 41 ... parallel channel, 42 ... supply port, 43 ... Discharge port, 100 ... fuel cell system, 101 ... fuel supply tank, 102 ... reforming unit, 103 ... fuel cell.

Claims (11)

無担持触媒層と、
担体および前記担体に担持された触媒粒子を含み、かつ前記無担持触媒層に熱的に連続する担持触媒層と、を備え、
前記担持触媒層の担体と前記無担持触媒層とが一体構造であり、
前記担持触媒層は、前記無担持触媒層よりも大きい平均細孔径を有することを特徴とする燃料電池システム用触媒構造体。
An unsupported catalyst layer;
A supported catalyst layer including a support and catalyst particles supported on the support, and thermally continuous with the unsupported catalyst layer,
Wherein the carrier-supported catalyst layer and the unsupported catalyst layer Ri integral structure der,
The catalyst structure for a fuel cell system , wherein the supported catalyst layer has a larger average pore diameter than the unsupported catalyst layer .
前記触媒粒子は、前記担持触媒層の表層部から最深部に向かって担持量が減少していることを特徴とする請求項記載の触媒構造体。 The catalyst particles, catalyst structure of claim 1, wherein the supporting amount toward the deepest portion is reduced from the surface portion of the supported catalyst layer. 前記担持触媒層は、前記無担持触媒層に熱的に連続し、かつ第1の触媒粒子を含む第1の担持触媒層と、前記第1の担持触媒層に熱的に連続し、かつ第2の触媒粒子を含む第2の担持触媒層と、を備えることを特徴とする請求項1または2記載の触媒構造体。 The supported catalyst layer is thermally continuous to the unsupported catalyst layer and includes a first supported catalyst layer including first catalyst particles, and is thermally continuous to the first supported catalyst layer. claim 1 or 2 catalyst structure according to, characterized in that and a second supported catalyst layers containing second catalyst particles. 前記第1の触媒粒子は吸熱反応を促進させるための触媒粒子であり、
前記第2の触媒粒子は発熱反応を促進させるための触媒粒子であることを特徴とする請求項記載の触媒構造体。
The first catalyst particles are catalyst particles for promoting an endothermic reaction,
The catalyst structure according to claim 3, wherein the second catalyst particles are catalyst particles for promoting an exothermic reaction.
前記第1の触媒粒子は改質反応を促進させるための触媒粒子であり、
前記第2の触媒粒子はシフト反応を促進させるための触媒粒子であることを特徴とする請求項記載の触媒構造体。
The first catalyst particles are catalyst particles for promoting a reforming reaction,
4. The catalyst structure according to claim 3, wherein the second catalyst particles are catalyst particles for promoting a shift reaction.
前記第2の触媒粒子は白金、レニウムおよびセリウムのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項または記載の触媒構造体。 The catalyst structure according to claim 4 or 5, wherein the second catalyst particles contain at least one of platinum, rhenium, and cerium. 前記第1の触媒粒子はシフト反応を促進させるための触媒粒子であり、
前記第2の触媒粒子はメタネーション反応を促進させるための触媒粒子であることを特徴とする請求項記載の触媒構造体。
The first catalyst particles are catalyst particles for promoting a shift reaction,
The catalyst structure of the second catalyst particles according to claim 3, characterized in that the catalyst particles for promoting the methanation reaction.
前記無担持触媒層は固体酸触媒を含み、
前記第1の触媒粒子は酸塩基性両性触媒を含み、
前記第2の触媒粒子は貴金属触媒およびマンガン族触媒のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項記載の触媒構造体。
The unsupported catalyst layer includes a solid acid catalyst;
The first catalyst particles include an acid-base amphoteric catalyst;
The catalyst structure according to claim 3, wherein the second catalyst particles include at least one of a noble metal catalyst and a manganese group catalyst.
前記固体酸触媒がアルミナを含み、
前記酸塩基性両性触媒がセリウムを含み、
前記マンガン族触媒がレニウムを含むことを特徴とする請求項記載の触媒構造体。
The solid acid catalyst comprises alumina;
The acid-base amphoteric catalyst comprises cerium;
The catalyst structure according to claim 8, wherein the manganese group catalyst contains rhenium.
前記無担持触媒層は陽極酸化アルミナまたはセラミクス成形体を有することを特徴とする請求項1ないしのうちのいずれか1項記載の触媒構造体。 The catalyst structure according to any one of claims 1 to 8 , wherein the unsupported catalyst layer includes an anodized alumina or a ceramic molded body. 燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料から水素ガスを含むガスを生成するための改質ユニットと、
前記水素ガスを含むガスと酸素を用いて発電するための燃料電池と、を有し、
前記改質ユニットは、無担持触媒層と、
担体および前記担体に担持された触媒粒子を含み、かつ前記無担持触媒層に熱的に連続する担持触媒層と、を備え、
前記担持触媒層の担体と前記無担持触媒層とが一体構造であり、
前記担持触媒層は、前記無担持触媒層よりも大きい平均細孔径を有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel tank containing fuel;
A reforming unit for generating a gas containing hydrogen gas from the fuel;
A fuel cell for generating electricity using the gas containing hydrogen gas and oxygen,
The reforming unit includes an unsupported catalyst layer,
A supported catalyst layer including a support and catalyst particles supported on the support, and thermally continuous with the unsupported catalyst layer,
Wherein the carrier-supported catalyst layer and the unsupported catalyst layer Ri integral structure der,
The fuel cell system , wherein the supported catalyst layer has a larger average pore diameter than the unsupported catalyst layer .
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