JP4722429B2 - Method for producing metal-supported zeolite molding and adsorbent for removing sulfur compound containing the zeolite - Google Patents

Method for producing metal-supported zeolite molding and adsorbent for removing sulfur compound containing the zeolite Download PDF

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Description

本発明は、金属担持ゼオライト成型体、その製造方法及び該ゼオライト成型体からなる硫黄化合物除去用吸着剤に関するものであり、さらに詳しくはゼオライト結晶の内部と外部の両方に金属成分を有する金属担持ゼオライト成型体、その製造方法、該金属担持ゼオライト成型体を用いた硫黄化合物除去用吸着剤、該吸着剤を用いて硫黄化合物を除去した気体燃料又は液体燃料からの水素の製造、及び該水素を用いた燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a metal-supported zeolite molded body, a method for producing the same, and a sulfur compound removing adsorbent comprising the zeolite molded body, and more specifically, a metal-supported zeolite having a metal component both inside and outside the zeolite crystal. Molded body, method for producing the same, adsorbent for removing sulfur compounds using the metal-supported zeolite molded body, production of hydrogen from gaseous fuel or liquid fuel from which sulfur compounds have been removed using the adsorbent, and use of the hydrogen The present invention relates to a fuel cell system.

近年、環境問題から新エネルギー技術が脚光を浴びており、この新エネルギー技術の一つとして燃料電池が注目されている。この燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、エネルギーの利用効率が高いという特徴を有しており、民生用、産業用あるいは自動車用などとして、実用化研究が積極的になされている。
この燃料電池には、使用する電解質の種類に応じて、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型などのタイプが知られている。一方、水素源としては、メタノール、メタンを主体とする液化天然ガス、この天然ガスを主成分とする都市ガス、天然ガスを原料とする合成液体燃料、さらにはLPG、ナフサ、灯油などの石油系炭化水素の使用が研究されている。
In recent years, new energy technology has attracted attention due to environmental problems, and fuel cells are attracting attention as one of the new energy technologies. This fuel cell converts chemical energy into electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and has a feature of high energy use efficiency. Alternatively, research into practical use is actively conducted for automobiles and the like.
For this fuel cell, types such as a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, and a solid polymer type are known depending on the type of electrolyte used. On the other hand, as a hydrogen source, liquefied natural gas mainly composed of methanol and methane, city gas mainly composed of natural gas, synthetic liquid fuel using natural gas as a raw material, and petroleum-based systems such as LPG, naphtha and kerosene The use of hydrocarbons has been studied.

LPG、都市ガス、灯油、軽油などのガス状又は液状炭化水素を用いて水素を製造する場合、一般に、該炭化水素を、改質触媒の存在下に部分酸化改質、オートサーマル改質又は水蒸気改質などで処理する方法が用いられている。
改質触媒の被毒を抑制するためには、硫黄分を長期間にわたり0.1ppm以下に低減させる必要がある。また、プロピレン、ブテン等は石油化学製品の原料として使用する場合にも、やはり触媒の被毒を防ぐため、硫黄分を0.1ppm以下に低減させる必要がある。この様に、燃料電池用水素を製造するためには高度な脱硫が必要とされている。
When hydrogen is produced using gaseous or liquid hydrocarbons such as LPG, city gas, kerosene, and light oil, generally, the hydrocarbon is partially oxidized reformed, autothermal reformed or steamed in the presence of a reforming catalyst. A method of processing by reforming or the like is used.
In order to suppress poisoning of the reforming catalyst, it is necessary to reduce the sulfur content to 0.1 ppm or less over a long period of time. Further, when propylene, butene, etc. are used as a raw material for petrochemical products, it is necessary to reduce the sulfur content to 0.1 ppm or less in order to prevent poisoning of the catalyst. Thus, advanced desulfurization is required to produce hydrogen for fuel cells.

前記LPG中には、硫黄化合物として、一般にメタンチオールや硫化カルボニル(以下COSと表すことがある)、ジメチルジスルフィド(以下DMDSと略すことがある)等に加えて、ガス着臭剤としてジメチルスルフィド(以下DMSと略すことがある)、2−メチル−2−プロパンチオール(以下MPTと略すことがある)、メチルエチルスルフィド等の硫黄化合物が添加されている。また、最近ジメチルエーテルを燃料として利用する計画が進められている。このジメチルエーテル自体は硫黄化合物を含有しないが、漏洩対策から意図的にガス着臭剤の添加が検討されている。   In the LPG, in addition to methanethiol, carbonyl sulfide (hereinafter sometimes referred to as COS), dimethyl disulfide (hereinafter sometimes abbreviated as DMDS), etc., as a sulfur compound, dimethyl sulfide (as a gas odorant) A sulfur compound such as 2-methyl-2-propanethiol (hereinafter abbreviated as MPT), methyl ethyl sulfide, or the like is added. Recently, a plan to use dimethyl ether as a fuel is underway. Although this dimethyl ether itself does not contain a sulfur compound, the addition of a gas odorant has been studied intentionally to prevent leakage.

LPGや都市ガス等の気体炭化水素中の硫黄分を吸着除去する各種吸着剤が知られているが、従来の吸着剤は吸着容量が十分ではなく、長期間使用するには、しばしば取り替える必要があった。
例えば、硫黄化合物除去用吸着剤として、アルカリ土類金属以外の多価金属イオン(Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sn及びZn)を交換したゼオライト系脱硫剤(例えば、特許文献1参照)、疎水性ゼオライトにAg、Cu、Zn、Fe、Co、Niなどをイオン交換により担持させた脱硫剤(例えば、特許文献2参照)や、Y型ゼオライト、β型ゼオライト又はX型ゼオライトにAg又はCuを担持した脱硫剤(例えば、特許文献3参照)などが開示されている。
これらの脱硫剤は、いずれも硝酸塩、酢酸塩、塩化物を用いてイオン交換を行い製造することが記載されている。しかしながら、このような方法でイオン交換を行う場合、実際には1回のイオン交換では、担持量を十分に多くすることが困難である。したがって、担持量を増大させるには、繰り返しイオン交換を行う必要がある。
さらに、後述のように、本発明の開発過程において、こうした従来の脱硫剤は、チオール類やスルフィド類を室温で効率的に吸着除去できるものの、硫化カルボニルに対しては不十分であることが明らかになった。
Various adsorbents that adsorb and remove sulfur in gas hydrocarbons such as LPG and city gas are known, but conventional adsorbents do not have sufficient adsorption capacity and need to be replaced frequently for long-term use. there were.
For example, as a sulfur compound removing adsorbent, a zeolite-based desulfurization agent in which polyvalent metal ions other than alkaline earth metals (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sn, and Zn) are exchanged (see, for example, Patent Document 1) , A desulfurization agent in which Ag, Cu, Zn, Fe, Co, Ni, etc. are supported on a hydrophobic zeolite by ion exchange (for example, see Patent Document 2), Y-type zeolite, β-type zeolite or X-type zeolite with Ag or A desulfurization agent supporting Cu (see, for example, Patent Document 3) is disclosed.
It is described that these desulfurization agents are produced by ion exchange using nitrate, acetate, and chloride. However, when ion exchange is performed by such a method, it is actually difficult to sufficiently increase the loading amount by one ion exchange. Therefore, it is necessary to repeatedly perform ion exchange in order to increase the loading amount.
Further, as will be described later, in the development process of the present invention, such a conventional desulfurizing agent can adsorb and remove thiols and sulfides efficiently at room temperature, but is insufficient for carbonyl sulfide. Became.

特開平6−306377号公報JP-A-6-306377 特開2001−286753号公報JP 2001-286753 A 特開2001−305123号公報JP 2001-305123 A

本発明は、金属担持ゼオライト成型体、その製造方法及び該ゼオライト成型体からなる硫黄化合物除去用吸着剤を提供することを主な目的とするものである。
さらに詳しくは本発明は、チオール類やスルフィド類ばかりでなく硫化カルボニルをも効率よく除去できる金属担持ゼオライト成型体、その製造方法、該金属担持ゼオライト成型体の硫黄化合物除去用吸着剤としての応用方法、該硫黄化合物除去用吸着剤によって脱硫した気体燃料又は液体燃料からの水素の製造、及び該水素を用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
The main object of the present invention is to provide a metal-supported zeolite molding, a method for producing the same, and an adsorbent for removing sulfur compounds comprising the zeolite molding.
More specifically, the present invention relates to a metal-supported zeolite molding that can efficiently remove not only thiols and sulfides but also carbonyl sulfide, a method for producing the same, and an application method of the metal-supporting zeolite molding as an adsorbent for removing sulfur compounds. Another object of the present invention is to provide hydrogen from gaseous fuel or liquid fuel desulfurized by the sulfur compound removing adsorbent and a fuel cell system using the hydrogen.

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト結晶の内部と外部の両方に金属成分を有する金属担持ゼオライト成型体がチオール類やスルフィド類ばかりでなく硫化カルボニルをも効率よく除去できることを見出した。
本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a metal-supported zeolite molded body having a metal component both inside and outside the zeolite crystal contains not only thiols and sulfides but also carbonyl sulfide. Also found that it can be removed efficiently.
The present invention has been completed based on such findings.

すなわち、本発明は、
(1)ゼオライト成型体と、それに担持された金属成分を有する金属担持ゼオライト成型体であって前記金属成分が、Ag、Cu、Zn、Ni、Fe、Ce、La、Zr及びTi金属元素の中から選ばれる少なくとも1種であり、ゼオライト結晶中に金属イオンとして担持されたものと、ゼオライト結晶外部に金属または金属化合物の状態で担持されたものからなり、かつ、前記のゼオライト結晶外部における金属成分の担持量が、金属担持ゼオライト成形体全量に対して0.5〜20質量%であることを特徴とする金属担持ゼオライト成型体、
)ゼオライトが、FAU、BEA、LTL、MOR、MTW、GME、OFF、MFI、MEL、FER、TON、MTT及びLTA構造を有するゼオライトの中から選ばれる少なくとも1種である上記(1)の金属担持ゼオライト成型体、
)金属担持量が、金属担持ゼオライト成型体全量に基づき、金属として5〜50質量%である上記(1)又は(2)の金属担持ゼオライト成型体、
)ゼオライト成型体を用い、ゼオライト結晶中に金属イオン交換により金属イオンを担持し、次いでゼオライト結晶外部に金属または金属化合物を担持する上記(1)〜()のいずれかの金属担持ゼオライト成型体の製造方法、
)ゼオライト結晶外部への金属または金属化合物の担持を、溶解状態の金属化合物の溶解度を低下させ、該金属化合物を沈着させることにより行う上記()の金属担持ゼオライト成型体の製造方法、
)ゼオライト成型体を用い、ゼオライト結晶の少なくとも外部に1族または2族に属する金属元素を担持させ、次いでゼオライト結晶の内部に金属イオン交換により、Ag、Cu、Zn、Ni、Fe、Ce、La、Zr及びTi金属元素の中から選ばれる少なくとも1種の金属成分の金属イオンを担持させると共に、ゼオライト結晶の外部に担持された1族又は2族に属する金属元素を、前記金属成分を含む化合物と反応させて、ゼオライト結晶の外部に前記金属成分の水酸化物又は酸化物として金属化合物を担持させることを特徴とする上記(1)〜()のいずれかの金属担持ゼオライト成型体の製造方法、
)上記(1)〜()のいずれかの金属担持ゼオライト成型体を含むことを特徴とする炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料中の硫黄化合物除去用吸着剤、
)炭化水素燃料がLPG、都市ガス、天然ガス、ナフサ、灯油、軽油、あるいはエタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテンの中から選ばれる少なくとも一種の炭化水素である上記()の硫黄化合物除去用吸着剤、
(9)前記の炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料に含有される硫化カルボニルを吸着除去する、上記(7)又は(8)に記載の硫黄化合物除去用吸着剤、
(10)上記((9)のいずれかの硫黄化合物除去用吸着剤を用いて、炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料中の硫黄化合物を脱硫した後、この脱硫処理燃料を部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒または水蒸気改質触媒と接触させることを特徴とする水素の製造方法、
(11)部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒または水蒸気改質触媒がルテニウム系触媒またはニッケル系触媒である上記(10)の水素の製造方法、及び
(12)上記(10)又は(11)の製造方法で得られた水素を用いることを特徴とする燃料電池システム
を提供するものである。
That is, the present invention
(1) and the molded zeolite, it a metal loaded zeolite molded to have a the supported metal component, the metal component, Ag, Cu, Zn, Ni , Fe, Ce, La, Zr and Ti metal is at least one selected from the elements, to those carried as metal ions in the zeolite crystal, Ri Do from those supported on zeolite crystals outside in the form of metal or metal compound, and said zeolite crystals The metal-supported zeolite molded body, wherein the supported amount of the metal component on the outside is 0.5 to 20% by mass with respect to the total amount of the metal-supported zeolite molded body,
( 2 ) The above (1 ), wherein the zeolite is at least one selected from zeolites having FAU, BEA, LTL, MOR, MTW, GME, OFF, MFI, MEL, FER, TON, MTT and LTA structures . Metal-supported zeolite moldings,
( 3 ) The metal-supported zeolite molded body according to the above (1) or (2) , wherein the metal-supported amount is 5 to 50% by mass as a metal based on the total amount of the metal-supported zeolite molded body.
( 4 ) The metal-supported zeolite according to any one of (1) to ( 3 ), wherein a zeolite molded body is used, metal ions are supported in the zeolite crystals by metal ion exchange, and then the metal or metal compound is supported outside the zeolite crystals. Manufacturing method of molded body,
( 5 ) The method for producing a metal-supported zeolite molded article according to ( 4 ), wherein the metal or metal compound is supported outside the zeolite crystal by reducing the solubility of the metal compound in a dissolved state and depositing the metal compound.
(6) using a shaped zeolite, by supporting a metal element belonging to Group 1 or 2 at least to the outside of the zeolite crystals, and then the interior of the zeolite crystal, a metal ion exchange, Ag, Cu, Zn, Ni, Fe, A metal element belonging to Group 1 or Group 2 supported on the outside of the zeolite crystal is supported while supporting a metal ion of at least one metal component selected from Ce, La, Zr and Ti metal elements. The metal-supported zeolite molding according to any one of (1) to ( 3 ), wherein the metal compound is supported as a hydroxide or oxide of the metal component outside the zeolite crystal by reacting with a compound containing Body manufacturing method,
( 7 ) An adsorbent for removing sulfur compounds in hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel, comprising the metal-supported zeolite molded body according to any one of (1) to ( 3 ) above,
(8) hydrocarbon fuel is LPG, city gas, natural gas, naphtha, kerosene, light oil or ethane, ethylene, propane, propylene, butane, the above (7) at least one hydrocarbon selected from among butene Adsorbent for removing sulfur compounds,
(9) The adsorbent for sulfur compound removal according to (7) or (8) above, which adsorbs and removes carbonyl sulfide contained in the hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel.
(10) The sulfur compound in the hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel is desulfurized using the sulfur compound removing adsorbent according to any one of ( 7 ) to (9) above, and the desulfurized fuel is used as a partial oxidation reforming catalyst. , A method for producing hydrogen, characterized by contacting with an autothermal reforming catalyst or a steam reforming catalyst,
(11) The method for producing hydrogen of (10) above, wherein the partial oxidation reforming catalyst, autothermal reforming catalyst or steam reforming catalyst is a ruthenium catalyst or nickel catalyst, and (12) (10) or ( The present invention provides a fuel cell system using hydrogen obtained by the production method of 11).

本発明によれば、チオール類やスルフィド類ばかりでなく、従来の金属含有ゼオライトでは除去できなかった硫化カルボニルをも効率よく除去できる金属担持ゼオライト成型体、その製造方法及び該ゼオライト成型体から成る硫黄化合物除去用吸着剤を提供することができる。
さらに詳しくは、本発明によれば、ゼオライト結晶の内部と外部の両方に金属成分を有する金属担持ゼオライト成型体、その製造方法、該成型体を用いた硫黄化合物除去用吸着剤、該硫黄化合物除去用吸着剤を用いて脱硫した気体及び液体燃料からの水素の製造、及び該水素を用いた燃料電池システムを提供することができる。
According to the present invention, not only thiols and sulfides, but also a metal-supported zeolite molded body that can efficiently remove carbonyl sulfide that could not be removed by conventional metal-containing zeolite, a method for producing the same, and sulfur comprising the zeolite molded body An adsorbent for compound removal can be provided.
More specifically, according to the present invention, a metal-supported zeolite molded body having a metal component both inside and outside of the zeolite crystal, a production method thereof, a sulfur compound removing adsorbent using the molded body, and the sulfur compound removal Production of hydrogen from gas and liquid fuel desulfurized using the adsorbent for fuel, and a fuel cell system using the hydrogen can be provided.

本発明の金属担持ゼオライト成型体は、ゼオライト結晶の内部と外部の両方に金属成分を有する。
金属交換するゼオライトの種類は、特に限定はされないが、ゼオライト構造がFAU,BEA,LTL,MOR,MTW,GME,OFF,MFI,MEL,FER,TON,MTT及びLTA構造を有するものの中から選ばれる少なくとも1種を用いることができる。これらの中で、12員環細孔を有するFAU,BEA,LTL,MOR,MTW,GME及びOFF構造を有するゼオライトが好ましい。
The metal-supported zeolite molding of the present invention has a metal component both inside and outside the zeolite crystal.
The type of zeolite for the metal exchange is not particularly limited, but the zeolite structure is selected from those having FAU, BEA, LTL, MOR, MTW, GME, OFF, MFI, MEL, FER, TON, MTT and LTA structures. At least one kind can be used. Among these, FAU, BEA, LTL, MOR, MTW, GME having 12-membered ring pores and zeolite having an OFF structure are preferable.

本発明で用いるゼオライト成型体は、ゼオライトに該成型体全量に基づきバインダー成分を好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%の割合で、添加して成型したものが望ましい。この際用いるバインダー成分としてはアルミナ、シリカなどが好ましい。成型を容易にするためにさらにベントナイト、バーミキュライト等の粘土鉱物やセルロースなどの有機添加剤を加えて成型したものを用いてもよい。ゼオライトに上記のバインダーを加えて、押出成型、打錠成型、転動造粒、スプレードライなどの通常の方法で成型してゼオライト成型体にしたものを用いる。このゼオライト成型体の粒径は小さいほど好ましい。   The zeolite molded body used in the present invention is preferably formed by adding a binder component to zeolite based on the total amount of the molded body, preferably in a proportion of 5 to 50 mass%, more preferably 10 to 30 mass%. As the binder component used in this case, alumina, silica and the like are preferable. In order to facilitate molding, a clay mineral such as bentonite and vermiculite, and an organic additive such as cellulose may be used. A zeolite molded product obtained by adding the above binder to zeolite and molding it by an ordinary method such as extrusion molding, tableting molding, rolling granulation, spray drying or the like is used. The smaller the particle size of this zeolite molding, the better.

本発明では、上記ゼオライト成型体に、イオン交換によってゼオライト結晶の内部に金属イオンを担持させ、結晶外部に金属または金属化合物を沈着担持させることによって、結晶内部と外部の両方に金属成分を有する金属担持ゼオライト成型体を製造する。ここで、金属とは金属元素が還元された状態を言い、金属化合物とは、イオン交換していない金属塩や金属酸化物を言う。イオン交換する金属元素としては特に限定されないが、硫黄化合物の吸着除去に用いる場合はAg、Cu、Zn及びNiが好ましい。   In the present invention, a metal having a metal component both inside and outside the crystal is obtained by supporting metal ions inside the zeolite crystal by ion exchange and depositing or supporting a metal or metal compound on the outside of the crystal. A supported zeolite molding is produced. Here, the metal means a state in which a metal element is reduced, and the metal compound means a metal salt or metal oxide that is not ion-exchanged. Although it does not specifically limit as a metal element to ion-exchange, When using for adsorption removal of a sulfur compound, Ag, Cu, Zn, and Ni are preferable.

ゼオライト結晶中のイオンを金属イオンで交換する方法は、金属イオンを含有する溶液中に上記ゼオライト成型体を入れ、常温から80℃程度の温度で1〜数時間、接触させる方法で処理する。この時、金属イオン源としては、硝酸塩や塩化物など水溶性の金属塩が使用できる。アンモニア水に溶解させて、金属アンミン錯イオンを形成させた溶液を使用してもよい。イオン交換後、水で洗浄してもよい。更にイオン交換処理を繰り返してもよい。   The method of exchanging the ions in the zeolite crystal with metal ions is performed by placing the zeolite molded body in a solution containing metal ions and bringing them into contact at a temperature of from room temperature to about 80 ° C. for 1 to several hours. At this time, a water-soluble metal salt such as nitrate or chloride can be used as the metal ion source. A solution in which metal ammine complex ions are formed by dissolving in ammonia water may be used. You may wash | clean with water after ion exchange. Further, the ion exchange process may be repeated.

上述の方法でゼオライト結晶内部にイオン交換担持した後、乾燥または焼成を加えても構わないし、乾燥、焼成を行わずに次の沈着担持に移行しても構わない。
次いで、ゼオライト結晶外部へ金属又は金属化合物を沈着担持させる。
沈着担持の方法としては、下記の1)金属成分を含浸させる方法、及び2)金属交換時に溶液の溶解度を低下させて金属化合物を析出させる方法の2種類が挙げられる。
After carrying out ion exchange support inside the zeolite crystal by the above-mentioned method, drying or firing may be added, or the next deposition support may be carried out without performing drying and firing.
Next, a metal or a metal compound is deposited and supported on the outside of the zeolite crystal.
Examples of the deposition supporting method include the following two methods: 1) a method of impregnating a metal component, and 2) a method of precipitating a metal compound by lowering the solubility of a solution during metal exchange.

1)金属成分を含浸させる方法:通常の方法で金属成分を含浸担持すればよい。この場合には、金属成分はゼオライト結晶粒子の間隙やバインダー上に担持される。金属成分の種類は特に限定されないが、Ag、Cu、Ni、Zn、Mn、Fe、Ce、La、Zr及びTiが特に好ましい。イオン交換に用いた金属種と同じでもよいし、異なる金属種でもよい。この場合の含浸による金属担持量は、金属担持ゼオライト成型体全量に基づいて、金属成分として、通常0.5〜20質量%、好ましくは1〜10質量%である。担持量が多過ぎるとゼオライトの細孔が閉鎖されたり、ゼオライトの構造が崩壊することがある。含浸方法としては、ポアフィリング法、インシピエントウェットネス法、浸漬法及び蒸発乾固法等がある。含浸後、通常の方法で乾燥、焼成を行う。 1) Method of impregnating a metal component: The metal component may be impregnated and supported by an ordinary method. In this case, the metal component is supported on the gap between the zeolite crystal particles or on the binder. The type of the metal component is not particularly limited, but Ag, Cu, Ni, Zn, Mn, Fe, Ce, La, Zr and Ti are particularly preferable. The metal species used for ion exchange may be the same or different metal species. The amount of metal supported by impregnation in this case is usually 0.5 to 20% by mass, preferably 1 to 10% by mass, as a metal component, based on the total amount of the metal-supported zeolite molding. If the amount is too large, the zeolite pores may be closed or the structure of the zeolite may collapse. Examples of the impregnation method include a pore filling method, an incipient wetness method, an immersion method, and an evaporation to dryness method. After impregnation, drying and firing are performed by a usual method.

2)金属交換時に溶液の溶解度を低下させて金属化合物を析出させる方法:金属イオン交換を行い、ゼオライト結晶中に金属イオンを担持させた後に、溶液中の溶解残存している金属化合物を析出させてゼオライト結晶外部やバインダー上に沈着させる。金属化合物を沈着させる方法としては、金属元素の硝酸塩、酢酸塩、塩化物などで金属交換を行っていた場合には、塩基を加えてpHを6〜10.5程度まで上昇させ、金属元素の水酸化物または酸化物としてゼオライト結晶外部に沈着させる。金属アンミン錯イオンで交換する場合には、酸を加えてpHを7〜4程度の範囲にして、溶解度を低下させ沈着させる。また水溶性有機化合物を添加して、金属化合物の溶解度を低下させて金属化合物を沈着担持させてもよいし、金属化合物と不溶性の化合物を形成させて、析出させてもよい。例えば,Ag交換の場合には塩化水素、塩化ナトリウムなどの塩化物を加えると、塩化銀が生成し析出させることができる。 2) Method of precipitating a metal compound by lowering the solubility of the solution at the time of metal exchange: After carrying out metal ion exchange and supporting metal ions in zeolite crystals, the metal compound remaining in solution is precipitated. To deposit on the outside of the zeolite crystal or on the binder. As a method for depositing a metal compound, when metal exchange is performed with a nitrate, acetate, chloride, etc. of a metal element, a base is added to raise the pH to about 6 to 10.5, Deposited outside the zeolite crystal as hydroxide or oxide. When exchanging with a metal ammine complex ion, acid is added to bring the pH to a range of about 7 to 4, and the solubility is lowered and deposited. Further, a water-soluble organic compound may be added to reduce the solubility of the metal compound to deposit and carry the metal compound, or an insoluble compound and the metal compound may be formed and precipitated. For example, in the case of Ag exchange, silver chloride can be produced and precipitated by adding chlorides such as hydrogen chloride and sodium chloride.

本発明の別の方法は、ゼオライト結晶に1族または2族元素を担持した後金属交換する方法である。すなわち、ゼオライト成型体を用い、ゼオライト結晶の少なくとも外部に1族または2族に属する金属元素を担持させ、次いでゼオライト結晶内部に金属イオン交換により金属イオンを担持させる際に、ゼオライト結晶の外部に金属又は金属化合物を担持させる方法である。1族または2族元素をゼオライト結晶外部に担持する方法としては、ゼオライト成型体に1族または2族元素をポアフィリング法、インシピエントウェットネス法、浸漬法、蒸発乾固法等の方法でゼオライト結晶外部に担持する。1族または2族元素の一部はゼオライト結晶内部に担持されてもよい。次いで、ゼオライト結晶内部に金属イオン交換により金属イオンを担持させるがこの時、ゼオライト細孔外部に担持された1族または2族元素は交換する金属元素と反応し、交換金属は水酸化物または酸化物としてゼオライト結晶外部に沈着担持させることができる。   Another method of the present invention is a method of exchanging metals after supporting a group 1 or group 2 element on a zeolite crystal. That is, when a zeolite molded body is used, a metal element belonging to Group 1 or Group 2 is supported at least outside the zeolite crystal, and then metal ions are supported inside the zeolite crystal by metal ion exchange. Or it is the method of carrying | supporting a metal compound. As a method of supporting the group 1 or group 2 element outside the zeolite crystal, the group 1 or group 2 element can be supported on the zeolite molding by a pore filling method, an incipient wetness method, an immersion method, an evaporation to dryness method, or the like. It is supported outside the zeolite crystal. A part of the group 1 or group 2 element may be supported inside the zeolite crystal. Next, metal ions are supported inside the zeolite crystal by metal ion exchange. At this time, the group 1 or group 2 element supported outside the zeolite pores reacts with the metal element to be exchanged, and the exchange metal is hydroxide or oxidized. It can be deposited and supported outside the zeolite crystal as a product.

以上のようにして得られた金属担持ゼオライト成型体は、水などで洗浄したのち、通常500℃以下、好ましくは50〜200℃程度の温度で乾燥処理する。乾燥後、通常500℃以下、好ましくは200〜500℃程度の温度、で数時間焼成する。イオン交換担持および沈着担持の合計である金属元素の総担持量は、金属担持ゼオライト成型体全量に基づいて、通常5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%である。本発明の金属担持ゼオライト成型体は、従来の金属イオン交換ゼオライトに比べて、金属担持量が多く、また、同じ金属担持量の場合でも、従来の金属イオン交換ゼオライトよりも、脱硫性能にはるかに優れている。   The metal-supported zeolite molding obtained as described above is washed with water or the like, and then dried at a temperature of usually 500 ° C. or lower, preferably about 50 to 200 ° C. After drying, it is fired for several hours at a temperature of usually 500 ° C. or lower, preferably about 200 to 500 ° C. The total supported amount of the metal element, which is the sum of the ion exchange support and the deposition support, is usually 5 to 50% by mass, preferably 10 to 30% by mass, based on the total amount of the metal-supported zeolite compact. The metal-supported zeolite molded body of the present invention has a larger amount of metal supported than conventional metal ion-exchanged zeolite, and even in the case of the same metal supported amount, the desulfurization performance is much higher than that of conventional metal ion-exchanged zeolite. Are better.

本発明の金属担持ゼオライト成型体を硫黄化合物除去用吸着剤として利用することによって、天然ガス、都市ガス、LPG、石油化学製品、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油などの炭化水素燃料又はジメチルエーテルに含有される硫黄分を吸着除去する。ゼオライト結晶内部にイオン交換された金属イオンは硫化カルボニルを除く硫黄化合物の吸着に優れ、ゼオライト結晶外部に沈着担持された電荷を有しない金属成分(金属又は金属化合物)は硫化カルボニルの吸着に優れる。   By using the metal-supported zeolite molding of the present invention as an adsorbent for removing sulfur compounds, it is contained in hydrocarbon fuel or dimethyl ether such as natural gas, city gas, LPG, petrochemical products, naphtha, gasoline, kerosene, and light oil. To remove the sulfur content. Metal ions ion-exchanged inside the zeolite crystal are excellent in adsorption of sulfur compounds excluding carbonyl sulfide, and a non-charged metal component (metal or metal compound) deposited and supported outside the zeolite crystal is excellent in adsorption of carbonyl sulfide.

硫黄化合物の除去方法は、下記のように気体燃料と液体燃料で異なる。
気体燃料の場合には、供給原料燃料中の硫黄化合物の濃度は0.001〜10,000容量ppmが好ましく、特に0.1〜100容量ppmが好ましい。脱硫条件は、通常温度が−50℃〜150℃の範囲、GHSVは100〜1,000,000h-1の範囲の中から選ばれる。脱硫温度が高過ぎると、硫黄化合物の吸着が起こりにくくなる。
The method for removing sulfur compounds differs between gaseous fuel and liquid fuel as described below.
In the case of gaseous fuel, the concentration of the sulfur compound in the feedstock fuel is preferably 0.001 to 10,000 ppm by volume, particularly preferably 0.1 to 100 ppm by volume. The desulfurization conditions are usually selected from a range of -50 ° C to 150 ° C and a range of GHSV of 100 to 1,000,000 h -1 . If the desulfurization temperature is too high, adsorption of sulfur compounds is difficult to occur.

液状燃料の場合には、供給原料燃料中の硫黄化合物の濃度は0.001〜10,000質量ppmが好ましく、特に0.1〜100質量ppmが好ましい。脱硫条件は、通常温度が−50℃〜150℃の範囲、WHSVが0.1〜1000h-1の範囲の中から選ばれる。液体燃料の場合にも、脱硫温度が150℃を超えると硫黄化合物の吸着が起こりにくくなる。 In the case of a liquid fuel, the concentration of the sulfur compound in the feedstock fuel is preferably 0.001 to 10,000 mass ppm, particularly preferably 0.1 to 100 mass ppm. The desulfurization conditions are usually selected from the range of -50 ° C. to 150 ° C. and the range of WHSV of 0.1 to 1000 h −1 . Also in the case of liquid fuel, if the desulfurization temperature exceeds 150 ° C., the adsorption of sulfur compounds is difficult to occur.

次に、本発明の燃料電池用水素の製造方法においては、前述の本発明の金属担持ゼオライト成型体からなる硫黄化合物除去用吸着剤を用いて、炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料中の硫黄化合物を脱硫処理したのち、この脱硫処理燃料を改質することにより、水素を製造する。   Next, in the method for producing hydrogen for a fuel cell of the present invention, the sulfur compound in the hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel is desulfurized using the sulfur compound-removing adsorbent comprising the metal-supported zeolite molded body of the present invention. After the treatment, hydrogen is produced by reforming the desulfurized fuel.

この改質方法として、部分酸化改質、オートサーマル改質、水蒸気改質などの方法を用いることができる。この時それぞれの改質で触媒として用いる部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒、水蒸気改質触媒は、従来公知の各触媒の中から適宜選択して用いることができるが、特にルテニウム系及びニッケル系触媒が好適である。また、これらの触媒の担体としては、酸化マンガン、酸化セリウム及びジルコニアの中から選ばれる少なくとも一種を含む担体を好ましく挙げることができる。該担体は、これらの金属酸化物のみからなる担体であってもよく、アルミナなどの他の耐火性多孔質無機酸化物に、上記金属酸化物を含有させてなる担体であってもよい。各改質触媒の寿命の点から、改質の供給原料の脱硫処理済の炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料中の硫黄化合物の濃度は、0.1容量ppm以下が好ましく、特に0.005容量ppm以下が好ましい。   As this reforming method, methods such as partial oxidation reforming, autothermal reforming, and steam reforming can be used. At this time, the partial oxidation reforming catalyst, autothermal reforming catalyst, and steam reforming catalyst used as the catalyst in each reforming can be appropriately selected and used from the conventionally known catalysts. Nickel-based catalysts are preferred. Moreover, as a support | carrier of these catalysts, the support | carrier containing at least 1 type chosen from manganese oxide, a cerium oxide, and a zirconia can be mentioned preferably. The carrier may be a carrier composed of only these metal oxides, or may be a carrier obtained by adding the above metal oxide to another refractory porous inorganic oxide such as alumina. From the viewpoint of the life of each reforming catalyst, the concentration of the sulfur compound in the desulfurized hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel of the reforming feedstock is preferably 0.1 ppm by volume or less, particularly preferably 0.005 ppm by volume or less. Is preferred.

前記部分酸化改質は、炭化水素の部分酸化反応により、水素を製造する方法であって、部分酸化改質触媒の存在下、通常、反応圧力常圧〜5MPa、反応温度400〜1,100℃、GHSV1,000〜100,000h-1、酸素(O2)/炭素比0.2〜0.8の条件で改質反応が行われる。 The partial oxidation reforming is a method for producing hydrogen by a partial oxidation reaction of hydrocarbons, and in the presence of a partial oxidation reforming catalyst, usually a reaction pressure of normal pressure to 5 MPa, a reaction temperature of 400 to 1,100 ° C. The reforming reaction is carried out under the conditions of GHSV 1,000 to 100,000 h −1 and oxygen (O 2 ) / carbon ratio 0.2 to 0.8.

また、オートサーマル改質は、部分酸化改質と水蒸気改質とを組み合わせた方法であって、オートサーマル改質触媒の存在下、通常、反応圧力常圧〜5MPa、反応温度400〜1,100℃、酸素(O2)/炭素比0.1〜1、スチーム/炭素比0.1〜10、GHSV1,000〜100,000h-1の条件で改質反応が行われる。 Autothermal reforming is a method in which partial oxidation reforming and steam reforming are combined. In the presence of an autothermal reforming catalyst, the reaction pressure is usually from normal pressure to 5 MPa, and the reaction temperature is from 400 to 1,100. The reforming reaction is carried out under the conditions of ° C., oxygen (O 2 ) / carbon ratio of 0.1 to 1, steam / carbon ratio of 0.1 to 10, and GHSV of 1,000 to 100,000 h −1 .

さらに、水蒸気改質は、炭化水素に水蒸気を接触させて、水素を製造する方法であって、水蒸気改質触媒の存在下、通常、反応圧力常圧〜3MPa、反応温度200〜900℃、スチーム/炭素比1.5〜10、GHSV1,000〜100,000h-1の条件で改質反応が行われる。 Furthermore, steam reforming is a method for producing hydrogen by bringing steam into contact with a hydrocarbon, usually in the presence of a steam reforming catalyst, at a reaction pressure of normal pressure to 3 MPa, a reaction temperature of 200 to 900 ° C., steam. The reforming reaction is performed under the conditions of / carbon ratio of 1.5 to 10 and GHSV of 1,000 to 100,000 h −1 .

本発明はまた、前記製造方法で得られた水素を用いる燃料電池システムを提供する。以下に本発明の燃料電池システムについて添付図1に従い説明する。
図1は本発明の燃料電池システムの一例を示す概略フロー図である。図1によれば、燃料タンク21内の燃料は、燃料ポンプ22を経て脱硫器23に流入する。脱硫器内には本発明の硫黄化合物除去用吸着剤が充填されている。脱硫器23で脱硫された燃料は水タンクから水ポンプ24を経た水と混合した後、気化器1に導入されて気化され、次いで空気ブロアー35から送り出された空気と混合され改質器31に送り込まれる。
改質器31の内部には前述の改質触媒が充填されており、改質器31に送り込まれた燃料混合物(水蒸気、酸素及び炭化水素燃料若しくはジメチルエーテル燃料を含む混合気体)から、前述した改質反応のいずれかによって水素又は合成ガスが製造される。
The present invention also provides a fuel cell system using hydrogen obtained by the production method. The fuel cell system of the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic flowchart showing an example of the fuel cell system of the present invention. According to FIG. 1, the fuel in the fuel tank 21 flows into the desulfurizer 23 via the fuel pump 22. The desulfurizer is filled with the adsorbent for removing sulfur compounds of the present invention. The fuel desulfurized by the desulfurizer 23 is mixed with water from the water tank through the water pump 24, then introduced into the vaporizer 1, vaporized, and then mixed with the air sent out from the air blower 35 to the reformer 31. It is sent.
The inside of the reformer 31 is filled with the above reforming catalyst, and the above-described reforming is performed from the fuel mixture (mixed gas containing water vapor, oxygen and hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel) fed into the reformer 31. Hydrogen or synthesis gas is produced by any of the quality reactions.

このようにして製造された水素又は合成ガスはCO変成器32、CO選択酸化器33を通じてそのCO濃度が燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで低減される。これらの反応器に用いる触媒の例としては、CO変成器32では、鉄―クロム系触媒、銅―亜鉛系触媒あるいは貴金属系触媒を、CO選択酸化炉33では、ルテニウム系触媒、白金系触媒あるいはそれらの混合物等を挙げることができる。
燃料電池34は負極34Aと正極34Bとの間に高分子電解質34Cを備えた固体高分子型燃料電池である。負極側には上記の方法で得られた水素リッチガスが、正極側には空気ブロワー35から送られる空気が、それぞれ必要に応じて適当な加湿処理を行った後(加湿装置は図示せず)導入される。
このとき負極側では水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、正極側では酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行し、両極34A、34B間に直流電流が発生する。負極には、白金黒、活性炭担持のPt触媒あるいはPt−Ru合金触媒などが、正極には白金黒、活性炭担持のPt触媒などが用いられる。
The hydrogen or synthesis gas thus produced is reduced through the CO converter 32 and the CO selective oxidizer 33 to such an extent that the CO concentration does not affect the characteristics of the fuel cell. Examples of catalysts used in these reactors include an iron-chromium catalyst, a copper-zinc catalyst or a noble metal catalyst in the CO converter 32, and a ruthenium catalyst, a platinum catalyst or a noble metal catalyst in the CO selective oxidation furnace 33. The mixture etc. can be mentioned.
The fuel cell 34 is a solid polymer fuel cell having a polymer electrolyte 34C between a negative electrode 34A and a positive electrode 34B. The hydrogen-rich gas obtained by the above method is introduced into the negative electrode side, and the air sent from the air blower 35 is introduced into the positive electrode side after performing appropriate humidification treatment as necessary (humidifier not shown). Is done.
At this time, a reaction in which hydrogen gas becomes protons and emits electrons proceeds on the negative electrode side, and a reaction in which oxygen gas obtains electrons and protons to become water proceeds on the positive electrode side, and a direct current is generated between both electrodes 34A and 34B. . Platinum black, activated carbon-supported Pt catalyst or Pt-Ru alloy catalyst is used for the negative electrode, and platinum black, Pt catalyst supported on activated carbon is used for the positive electrode.

負極34A側に改質器31のバーナ31Aを接続して余った水素を燃料とすることができる。また、正極34B側に接続された気水分離器36において、正極34B側に供給された空気中の酸素と水素との結合により生じた水と排気ガスとを分離し、水は水蒸気の生成に利用することができる。
なお、燃料電池34では、発電に伴って熱が発生するため、排熱回収装置37を付設してこの熱を回収して有効利用することができる。排熱回収装置37は、反応時に生じた熱を奪う熱交換機37Aと、この熱交換器37Aで奪った熱を水と熱交換するための熱交換器37Bと、冷却器37Cと、これら熱交換器37A、37B及び冷却器37Cへ冷媒を循環させるポンプ37Dとを備え、熱交換器37Bにおいて得られた温水は、他の設備などで有効利用することができる。
The surplus hydrogen can be used as fuel by connecting the burner 31A of the reformer 31 to the negative electrode 34A side. Further, in the steam separator 36 connected to the positive electrode 34B side, water and exhaust gas generated by the combination of oxygen and hydrogen in the air supplied to the positive electrode 34B side are separated, and the water is used to generate water vapor. Can be used.
In the fuel cell 34, since heat is generated with power generation, an exhaust heat recovery device 37 can be attached to recover the heat for effective use. The exhaust heat recovery device 37 includes a heat exchanger 37A that takes away the heat generated during the reaction, a heat exchanger 37B that exchanges heat taken by the heat exchanger 37A with water, a cooler 37C, and these heat exchanges. The hot water obtained in the heat exchanger 37B can be effectively used in other facilities. The pumps 37A and 37B and the pump 37D circulate the refrigerant to the cooler 37C.

次に、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited at all by these examples.

実施例1
市販のNaY型ゼオライト成型体(東ソー株式会社製HSZ−320NAD1A)を砕いて0.5〜1mmの粒径とした。本ゼオライト成型体1kgに、硫酸ナトリウム110gを水450gに溶解させた溶液を注いで硫酸ナトリウムの含浸を行った。120℃で乾燥した後、500℃で3時間焼成した。硝酸銀394gを水2.5Lに溶解した。これに、上記Naを含浸したゼオライトを投入し、液を4時間撹拌してAgイオン交換を行った。溶液のpHは8.8であった。その後、水洗した後、120℃で乾燥した。次いで、400℃で焼成し、イオン交換されたAgと沈着されたAgを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は18.1質量%、Na含量2.4質量%であった。
Example 1
A commercially available NaY-type zeolite molding (HSZ-320NAD1A manufactured by Tosoh Corporation) was crushed to a particle size of 0.5 to 1 mm. A solution prepared by dissolving 110 g of sodium sulfate in 450 g of water was poured into 1 kg of the zeolite compact, and impregnation with sodium sulfate was performed. After drying at 120 ° C., it was calcined at 500 ° C. for 3 hours. 394 g of silver nitrate was dissolved in 2.5 L of water. The zeolite impregnated with Na was added thereto, and the solution was stirred for 4 hours to perform Ag ion exchange. The pH of the solution was 8.8. Then, after washing with water, it dried at 120 degreeC. Subsequently, it was calcined at 400 ° C. to obtain a Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag and deposited Ag. The Ag content was 18.1% by mass and the Na content was 2.4% by mass.

実施例2
市販のHY型ゼオライト成型体(東ソー株式会社製、HSZ−320HOD1A)を砕いて0.5〜1mmの粒径とした。硝酸銀394gを水2.5Lに溶解した。これに30質量%のアンモニア水400gを加え、銀アンミン錯体の溶液を得た。この銀アンミン錯体溶液に上記ゼオライト1kgを投入した。液を4時間撹拌しAgイオン交換を行った。溶液のpHは8.5であった。次いで30質量%硝酸溶液を加えて、pHを5に調整した。その後、水洗した後、120℃で乾燥した。次いで、400℃で焼成し、イオン交換されたAgと沈着されたAgを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は15.5質量%、Na含量0.1質量%であった。
Example 2
A commercially available HY-type zeolite molding (manufactured by Tosoh Corporation, HSZ-320HOD1A) was crushed to a particle size of 0.5 to 1 mm. 394 g of silver nitrate was dissolved in 2.5 L of water. To this, 400 g of 30% by mass aqueous ammonia was added to obtain a silver ammine complex solution. 1 kg of the zeolite was charged into the silver ammine complex solution. The solution was stirred for 4 hours to perform Ag ion exchange. The pH of the solution was 8.5. Subsequently, 30 mass% nitric acid solution was added to adjust the pH to 5. Then, after washing with water, it dried at 120 degreeC. Subsequently, it was calcined at 400 ° C. to obtain a Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag and deposited Ag. The Ag content was 15.5% by mass and the Na content was 0.1% by mass.

実施例3
市販のHY型ゼオライト成型体(東ソー株式会社製、HSZ−320HOD1A)を砕いて0.5〜1mmの粒径とした。硝酸銀394gを水2.5Lに溶解した。これに上記ゼオライト1kgを投入した。液を4時間撹拌しAgイオン交換を行った。溶液のpHは3.5であった。次いで、30質量%アンモニア水を加えて、pHを8に調整した。その後、水洗した後、120℃で乾燥した。次いで、400℃で焼成し、イオン交換されたAgと沈着担持されたAgを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は15.1質量%、Na含量0.1質量%であった。
Example 3
A commercially available HY-type zeolite molding (manufactured by Tosoh Corporation, HSZ-320HOD1A) was crushed to a particle size of 0.5 to 1 mm. 394 g of silver nitrate was dissolved in 2.5 L of water. 1 kg of the above zeolite was added thereto. The solution was stirred for 4 hours to perform Ag ion exchange. The pH of the solution was 3.5. Subsequently, 30 mass% ammonia water was added and pH was adjusted to 8. Then, after washing with water, it dried at 120 degreeC. Subsequently, it was calcined at 400 ° C. to obtain Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag and deposition-supported Ag. The Ag content was 15.1% by mass and the Na content was 0.1% by mass.

実施例4
市販のβ型ゼオライト成型体(東ソー株式会社製、HSZ−930HODA)を砕いて0.5〜1mmの粒径とした。硝酸銀394gを水2.5Lに溶解した。これに上記ゼオライト1kgを投入した。液を4時間撹拌しAgイオン交換を行った。溶液のpHは2.7であった。次いで、30質量%アンモニア水を加えて、pHを7に調整した。その後、水洗した後、120℃で乾燥した。次いで、400℃で焼成し、イオン交換されたAgと沈着担持されたAgを含有するβ型ゼオライトを得た。Agの含有量は14.8質量%、Na含量0.1質量%であった。
Example 4
A commercially available β-type zeolite molded product (manufactured by Tosoh Corporation, HSZ-930HODA) was crushed to a particle size of 0.5 to 1 mm. 394 g of silver nitrate was dissolved in 2.5 L of water. 1 kg of the above zeolite was added thereto. The solution was stirred for 4 hours to perform Ag ion exchange. The pH of the solution was 2.7. Subsequently, 30 mass% ammonia water was added and pH was adjusted to 7. Then, after washing with water, it dried at 120 degreeC. Subsequently, it was calcined at 400 ° C. to obtain β-type zeolite containing ion-exchanged Ag and deposition-supported Ag. The Ag content was 14.8% by mass and the Na content was 0.1% by mass.

実施例5
市販のNaY型ゼオライト成型体(東ソー株式会社製、HSZ−320NAD1A)を砕いて0.5〜1mmの粒径とした。硝酸銀394gを水2.5Lに溶解した。これに、上記ゼオライト1kgを投入し、液を4時間撹拌してAgイオン交換を行った。溶液のpHは6.2であった。水洗、乾燥後、硝酸銀5.9gを水550gに溶解させた溶液を含浸し、次いで、乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgと沈着担持されたAgを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は17.8質量%、Na含量2.6質量%であった。
Example 5
A commercially available NaY-type zeolite molding (manufactured by Tosoh Corporation, HSZ-320NAD1A) was crushed to a particle size of 0.5 to 1 mm. 394 g of silver nitrate was dissolved in 2.5 L of water. To this, 1 kg of the zeolite was added, and the solution was stirred for 4 hours to perform Ag ion exchange. The pH of the solution was 6.2. After washing with water and drying, impregnation with a solution in which 5.9 g of silver nitrate was dissolved in 550 g of water was performed, followed by drying and calcination to obtain a Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag and deposition-supported Ag. The Ag content was 17.8% by mass and the Na content was 2.6% by mass.

比較例1
硝酸ナトリウムを含浸しなかったこと以外は実施例1と同様にAg交換を4時間行った。ついで、乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は14.5質量%,Na含量2.7質量%であった。
Comparative Example 1
Ag exchange was carried out for 4 hours in the same manner as in Example 1 except that sodium nitrate was not impregnated. Subsequently, drying and baking were performed to obtain a Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag. The Ag content was 14.5% by mass and the Na content was 2.7% by mass.

比較例2
30質量%硝酸溶液を加なかったこと以外は実施例2と同様にAg交換を4時間行った。ついで、乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は11.2質量%,Na含量0.1質量%であった。
Comparative Example 2
Ag exchange was performed for 4 hours in the same manner as in Example 2 except that the 30% by mass nitric acid solution was not added. Subsequently, drying and baking were performed to obtain a Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag. The Ag content was 11.2% by mass and the Na content was 0.1% by mass.

実施例6
市販の13Xゼオライト成型体(ユニオン昭和製13Xペレット)を砕いて0.5〜1mmの粒径としたもの1kgを使用したこと以外は実施例5と同様に実施し、イオン交換されたAgと含浸担持されたAgを含有するX型ゼオライトを得た。Agの含有量は19.8質量%,Na含量5.7質量%であった。
Example 6
The same procedure as in Example 5 was used, except that 1 kg of a commercially available 13X zeolite molded product (Union Showa 13X pellets) was crushed to a particle size of 0.5 to 1 mm was used, and impregnated with ion-exchanged Ag. An X-type zeolite containing supported Ag was obtained. The Ag content was 19.8% by mass and the Na content was 5.7% by mass.

実施例7
市販のモルデナイト型ゼオライト成型体(東ソー製HSZ−640NAD1A)を砕いて0.5〜1mmの粒径としたもの1kgを使用したこと以外は実施例5と同様に実施し、イオン交換されたAgと含浸担持されたAgを含有するモルデナイト型ゼオライトを得た。Agの含有量は16.4質量%,Na含量2.3質量%であった。
Example 7
Except for using 1 kg of a commercially available mordenite-type zeolite molded product (HSZ-640NAD1A manufactured by Tosoh Corp.) to give a particle size of 0.5 to 1 mm, this was carried out in the same manner as in Example 5, and ion-exchanged Ag and A mordenite-type zeolite containing Ag impregnated and supported was obtained. The Ag content was 16.4% by mass and the Na content was 2.3% by mass.

実施例8
市販のL型ゼオライト成型体(東ソー製HSZ−500K0D1A)を砕いて0.5〜1mmの粒径としたもの1kgを使用したこと以外は実施例5と同様に実施し、イオン交換されたAgと含浸担持されたAgを含有するL型ゼオライトを得た。Agの含有量は15.3質量%,Na含量2.1質量%であった。
Example 8
Except for using 1 kg of a commercially available L-type zeolite molded product (HSZ-500K0D1A manufactured by Tosoh Corp.) to give a particle size of 0.5 to 1 mm, this was carried out in the same manner as in Example 5, and ion-exchanged Ag and An L-type zeolite containing Ag impregnated and supported was obtained. The Ag content was 15.3% by mass and the Na content was 2.1% by mass.

実施例9
市販のUSY型ゼオライト成型体(東ソー製HSZ−341NHD1A)を砕いて0.5〜1mmの粒径としたもの1kgを使用したこと以外は実施例4と同様に実施し、イオン交換されたAgと沈着担持されたAgを含有するUSY型ゼオライトを得た。Agの含有量は15.1質量%,Na含量0.1質量%以下であった。
Example 9
Except for using 1 kg of a commercially available USY-type zeolite molded product (HSZ-341NHD1A manufactured by Tosoh Corp.) to obtain a particle size of 0.5 to 1 mm, the same procedure as in Example 4 was carried out. A USY-type zeolite containing Ag deposited and supported was obtained. The Ag content was 15.1% by mass, and the Na content was 0.1% by mass or less.

実施例10
比較例2のAg交換されたY型ゼオライト100gを用いて水50gに硝酸ランタン6水和物15.6gを溶解した溶液を含浸し、乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgと含浸担持されたLaを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は10.3質量%,La含量4.9質量%であった。
Example 10
100 g of Ag-exchanged Y-type zeolite of Comparative Example 2 was impregnated with a solution of 15.6 g of lanthanum nitrate hexahydrate dissolved in 50 g of water, dried and calcined, and impregnated and supported with ion-exchanged Ag. Y-type zeolite containing La was obtained. The content of Ag was 10.3 mass%, and the La content was 4.9 mass%.

実施例11
比較例2のAg交換されたY型ゼオライト100gを用いて水200gに硝酸セリウム6水和物56.8gを溶解した溶液に浸漬し蒸発乾固させ含浸した。乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgと含浸担持されたCeを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は9.1質量%,Ce含量14.9質量%であった。
Example 11
Using 100 g of Ag-exchanged Y-type zeolite of Comparative Example 2, it was immersed in a solution prepared by dissolving 56.8 g of cerium nitrate hexahydrate in 200 g of water, evaporated to dryness, and impregnated. Drying and firing were performed to obtain a Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag and impregnated Ce. The Ag content was 9.1% by mass, and the Ce content was 14.9% by mass.

実施例12
比較例2の脱硫剤100gを用いて水50gに硝酸ニッケル6水和物40.0gを溶解した溶液を含浸し、乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgと含浸担持されたNiを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は10.1質量%,Ni含量7.2質量%であった。
Example 12
100 g of the desulfurizing agent of Comparative Example 2 is used to impregnate a solution of 40.0 g of nickel nitrate hexahydrate in 50 g of water, dried and fired, and contains ion-exchanged Ag and impregnated Ni. Y-type zeolite was obtained. The content of Ag was 10.1% by mass, and the Ni content was 7.2% by mass.

実施例13
比較例2の脱硫剤100gを用いて水50gに硝酸亜鉛6水和物24.7gを溶解した溶液を含浸し、乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgと含浸担持されたZnを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は10.5質量%,Zn含量4.4質量%であった。
Example 13
100 g of the desulfurizing agent of Comparative Example 2 is used to impregnate a solution of 24.7 g of zinc nitrate hexahydrate in 50 g of water, dried and fired, and contains ion-exchanged Ag and impregnated Zn. Y-type zeolite was obtained. The content of Ag was 10.5% by mass, and the Zn content was 4.4% by mass.

実施例14
比較例2の脱硫剤100gを用いて水200gに硝酸ジルコニウム2水和物45.4gを溶解した溶液に浸漬し、蒸発乾固させ含浸した。乾燥、焼成を行い、イオン交換されたAgと含浸担持されたZrを含有するY型ゼオライトを得た。Agの含有量は9.3質量%,Zr含量13.7質量%であった。
Example 14
Using 100 g of the desulfurizing agent of Comparative Example 2, it was immersed in a solution of 45.4 g of zirconium nitrate dihydrate in 200 g of water, evaporated to dryness and impregnated. Drying and firing were performed to obtain a Y-type zeolite containing ion-exchanged Ag and impregnated Zr. The Ag content was 9.3% by mass, and the Zr content was 13.7% by mass.

〔金属担持ゼオライトの硫黄化合物吸着性能テスト〕
実施例1〜14及び比較例1〜2で得られたそれぞれの金属担持ゼオライト3cm3を内径9mmの脱硫管に充填した。常圧下、温度20℃で、硫化カルボニル、ジメチルスルフィド、2‐メチル‐2‐プロパンチオール、ジメチルジスルフィドを各10容量ppm(合計40容量ppm)含むプロパンガスを、常圧下、GHSV=3000h-1で脱硫管中を流通させた。10時間後の脱硫管出口ガスの各硫黄化合物濃度をそれぞれSCD(Sulfur Chemiluminescence Detector=硫黄化学発光検出器)ガスクロマトグラフィーにより測定した。表1に各硫黄化合物の脱硫率を示す。
[Sulfur compound adsorption performance test of metal-supported zeolite]
3 cm 3 of each metal-supported zeolite obtained in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 and 2 was filled in a desulfurization tube having an inner diameter of 9 mm. Propane gas containing carbonyl sulfide, dimethyl sulfide, 2-methyl-2-propanethiol, and dimethyl disulfide 10 ppm by volume (total 40 ppm by volume) under normal pressure at a temperature of 20 ° C. under normal pressure and GHSV = 3000 h −1 . The desulfurization pipe was circulated. The concentration of each sulfur compound in the desulfurization pipe outlet gas after 10 hours was measured by SCD (Sulfur Chemiluminescence Detector = sulfur chemiluminescence detector) gas chromatography. Table 1 shows the desulfurization rate of each sulfur compound.

比較例1及び2では、30質量%硝酸によるpH調整を行わなかったため、イオン交換だけであり、金属成分がゼオライト結晶内部には存在するが、結晶外部には無い。
この場合には、ジメチルスルフィド、2−メチル−2−プロパンチオール及びジメチルジスルフィドについては十分な脱硫効果を示すものの、硫化カルボニルに対する脱硫効果は不十分である。
これに対して、実施例1〜14で得られた結晶内部と外部の両方に金属が担持している金属担持ゼオライトはいずれも、ジメチルスルフィド、2−メチル−2−プロパンチオール及びジメチルジスルフィドばかりではなく、硫化カルボニルに対しても十分な脱硫効果があることが分かる。
In Comparative Examples 1 and 2, since pH adjustment with 30% by mass nitric acid was not performed, only ion exchange was performed, and the metal component was present inside the zeolite crystal but not outside the crystal.
In this case, although dimethyl sulfide, 2-methyl-2-propanethiol and dimethyl disulfide have a sufficient desulfurization effect, the desulfurization effect on carbonyl sulfide is insufficient.
On the other hand, all of the metal-supported zeolites in which metals are supported both inside and outside the crystals obtained in Examples 1 to 14 are not only dimethyl sulfide, 2-methyl-2-propanethiol and dimethyl disulfide. It can be seen that there is a sufficient desulfurization effect for carbonyl sulfide.

Figure 0004722429
Figure 0004722429

以上詳細に説明したように、ゼオライト結晶の内部と外部の両方に金属成分を担持させることによって、チオール類やスルフィド類ばかりでなく、従来の銀ゼオライトでは除去できなかった硫化カルボニルまでも効率よく除去できる。LPG、都市ガス、ナフサ、灯油、軽油又はエタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン等の炭化水素燃料及びジメチルエーテル燃料中に含まれる硫黄化合物の効率的な除去が可能になり、この硫黄除去燃料を原料として用いることによって、触媒被毒が極めて少なく部分酸化改質、オートサーマル改質又は水蒸気改質を行うことができ、燃料電池用の水素を効果的に製造できるようになる。   As explained in detail above, by loading metal components both inside and outside the zeolite crystal, not only thiols and sulfides but also carbonyl sulfide that could not be removed by conventional silver zeolite can be removed efficiently. it can. Sulfur compounds contained in hydrocarbon fuels such as LPG, city gas, naphtha, kerosene, light oil or ethane, ethylene, propane, propylene, butane, butene, and dimethyl ether fuel can be efficiently removed. As a raw material, partial poisoning reforming, autothermal reforming or steam reforming can be carried out with very little catalyst poisoning, and hydrogen for fuel cells can be produced effectively.

本発明の燃料電池システムの一例を示す概略フロー図である。It is a schematic flowchart which shows an example of the fuel cell system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1: 気化器
2: 燃料電池システム
20: 水素製造システム
21: 燃料タンク
23: 脱硫器
31: 改質器
31A:ボイラー
32: CO変成器
33: CO選択酸化器
34: 燃料電池
34A:負極
34B:正極
34C:高分子電解質
36: 気水分離器
37: 排熱回収装置
37A:熱交換機
37B:熱交換器
37C:冷却器
1: Vaporizer 2: Fuel cell system 20: Hydrogen production system 21: Fuel tank 23: Desulfurizer 31: Reformer 31A: Boiler 32: CO converter 33: CO selective oxidizer 34: Fuel cell 34A: Negative electrode 34B: Cathode 34C: Polymer electrolyte 36: Steam separator 37: Waste heat recovery device 37A: Heat exchanger 37B: Heat exchanger 37C: Cooler

Claims (12)

ゼオライト成型体と、それに担持された金属成分を有する金属担持ゼオライト成型体であって前記金属成分が、Ag、Cu、Zn、Ni、Fe、Ce、La、Zr及びTi金属元素の中から選ばれる少なくとも1種であり、ゼオライト結晶中に金属イオンとして担持されたものと、ゼオライト結晶外部に金属または金属化合物の状態で担持されたものからなり、かつ、前記のゼオライト結晶外部における金属成分の担持量が、金属担持ゼオライト成形体全量に対して0.5〜20質量%であることを特徴とする金属担持ゼオライト成型体。 A shaped zeolite, it a metal loaded zeolite molded to have a the supported metal component, the metal component, Ag, Cu, Zn, Ni , Fe, Ce, La, among Zr and Ti metal element at least one kind and, to that supported metal ions in the zeolite crystal, Ri Do from those in the zeolite crystals externally supported in a state of the metal or metal compound, and a metal in the zeolite crystals external selected from The metal-supported zeolite molded body, wherein the amount of the component supported is 0.5 to 20% by mass with respect to the total amount of the metal-supported zeolite molded body. ゼオライトが、FAU、BEA、LTL、MOR、MTW、GME、OFF、MFI、MEL、FER、TON、MTT及びLTA構造を有するゼオライトの中から選ばれる少なくとも1種である請求項1記載の金属担持ゼオライト成型体。 The metal support according to claim 1 , wherein the zeolite is at least one selected from zeolites having a FAU, BEA, LTL, MOR, MTW, GME, OFF, MFI, MEL, FER, TON, MTT and LTA structures. Zeolite molded body. 金属担持量が、金属担持ゼオライト成型体全量に基づき、金属として5〜50質量%である請求項1又は2に記載の金属担持ゼオライト成型体。 3. The metal-supported zeolite molded body according to claim 1, wherein the metal-supported zeolite is 5 to 50 mass% as a metal based on the total amount of the metal-supported zeolite molded body. ゼオライト成型体を用い、ゼオライト結晶中に金属イオン交換により金属イオンを担持し、次いでゼオライト結晶外部に金属または金属化合物を担持する請求項1〜のいずれかに記載の金属担持ゼオライト成型体の製造方法。 The metal-supported zeolite molded article according to any one of claims 1 to 3 , wherein the zeolite molded article is used to carry metal ions in the zeolite crystal by metal ion exchange, and then to carry the metal or metal compound outside the zeolite crystal. Method. ゼオライト結晶外部への金属または金属化合物の担持を、溶解状態の金属化合物の溶解度を低下させ、該金属化合物を沈着させることにより行う請求項に記載の金属担持ゼオライト成型体の製造方法。 The method for producing a metal-supported zeolite molding according to claim 4 , wherein the metal or metal compound is supported outside the zeolite crystal by reducing the solubility of the metal compound in a dissolved state and depositing the metal compound. ゼオライト成型体を用い、ゼオライト結晶の少なくとも外部に1族または2族に属する金属元素を担持させ、次いでゼオライト結晶の内部に金属イオン交換により、Ag、Cu、Zn、Ni、Fe、Ce、La、Zr及びTi金属元素の中から選ばれる少なくとも1種の金属成分の金属イオンを担持させると共に、ゼオライト結晶の外部に担持された1族又は2族に属する金属元素を、前記金属成分を含む化合物と反応させて、ゼオライト結晶の外部に前記金属成分の水酸化物又は酸化物として金属化合物を担持させることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の金属担持ゼオライト成型体の製造方法。 Using a zeolite molded body, a metal element belonging to Group 1 or Group 2 is supported at least outside the zeolite crystal, and then the inside of the zeolite crystal is exchanged with metal ions to obtain Ag, Cu, Zn, Ni, Fe, Ce, La , A compound containing at least one metal component selected from Zr and Ti metal elements, and containing a metal element belonging to Group 1 or Group 2 supported on the outside of the zeolite crystal. The method for producing a metal-supported zeolite molded article according to any one of claims 1 to 3 , wherein the metal compound is supported as a hydroxide or oxide of the metal component outside the zeolite crystal by reacting with the catalyst. . 請求項1〜のいずれかに記載の金属担持ゼオライト成型体を含むことを特徴とする炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料中の硫黄化合物除去用吸着剤。 An adsorbent for removing a sulfur compound in a hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel, comprising the metal-supported zeolite molding according to any one of claims 1 to 3 . 炭化水素燃料がLPG、都市ガス、天然ガス、ナフサ、灯油、軽油、あるいはエタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテンの中から選ばれる少なくとも一種の炭化水素である請求項7に記載の硫黄化合物除去用吸着剤。 The sulfur compound according to claim 7, wherein the hydrocarbon fuel is at least one hydrocarbon selected from LPG, city gas, natural gas, naphtha, kerosene, light oil, or ethane, ethylene, propane, propylene, butane, and butene. Removal adsorbent. 前記の炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料に含有される硫化カルボニルを吸着除去する、請求項7又は8に記載の硫黄化合物除去用吸着剤。  The adsorbent for removing sulfur compounds according to claim 7 or 8, which adsorbs and removes carbonyl sulfide contained in the hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel. 請求項7〜9のいずれかに記載の硫黄化合物除去用吸着剤を用いて、炭化水素燃料又はジメチルエーテル燃料中の硫黄化合物を脱硫した後、この脱硫処理燃料を部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒または水蒸気改質触媒と接触させることを特徴とする水素の製造方法。 The sulfur compound in the hydrocarbon fuel or dimethyl ether fuel is desulfurized using the sulfur compound removing adsorbent according to any one of claims 7 to 9, and then the desulfurized fuel is converted into a partial oxidation reforming catalyst, an autothermal reformer. A method for producing hydrogen, characterized by contacting the catalyst with a carbonaceous catalyst or a steam reforming catalyst. 部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒または水蒸気改質触媒がルテニウム系触媒またはニッケル系触媒である請求項10記載の水素の製造方法。 The method for producing hydrogen according to claim 10 , wherein the partial oxidation reforming catalyst, the autothermal reforming catalyst, or the steam reforming catalyst is a ruthenium-based catalyst or a nickel-based catalyst. 請求項10又は11記載の製造方法で得られた水素を用いることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system which is characterized by using the hydrogen obtained by the process of claim 10 or 11.
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