JP4835070B2 - Carbon dioxide absorbent having steam reforming catalyst function, method for producing the same, and method for reforming fuel gas in hydrogen production system - Google Patents

Carbon dioxide absorbent having steam reforming catalyst function, method for producing the same, and method for reforming fuel gas in hydrogen production system Download PDF

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Description

本願発明は、水蒸気改質法を用いた水素製造システムにおいて用いられる水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材、その製造方法、および水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法に関し、詳しくは、改質用の燃料ガスから水素を生成させるとともに、副次的に生成した二酸化炭素を除去する機能を有する水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材、その製造方法、および水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法に関する。   The present invention relates to a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function used in a hydrogen production system using a steam reforming method, a production method thereof, and a fuel gas reforming method in a hydrogen production system. Carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function having a function of generating hydrogen from reforming fuel gas and removing carbon dioxide produced as a secondary, a method for producing the same, and fuel in a hydrogen production system The present invention relates to a gas reforming method.

燃料電池に用いられる水素の製造方法として、例えば、図4に示すように、燃焼部51において、燃料ガスを燃焼させることにより発生させた熱エネルギーを利用して水蒸気改質を行うように構成された改質部(改質器)52に改質用の燃料ガスと水蒸気を供給し、高温条件下で水蒸気改質を行い、水素を生成させた後、改質ガスを、CO変成器53を通過させて、改質ガスに含まれる一酸化炭素(CO)ガスを除去することにより、高純度の水素を得る水蒸気改質法が知られている。   As a method for producing hydrogen used in a fuel cell, for example, as shown in FIG. 4, the combustion unit 51 is configured to perform steam reforming using thermal energy generated by burning fuel gas. The reforming section (reformer) 52 is supplied with reforming fuel gas and steam, subjected to steam reforming under high temperature conditions to generate hydrogen, and then the reformed gas is supplied to the CO converter 53. A steam reforming method is known in which high-purity hydrogen is obtained by passing through and removing carbon monoxide (CO) gas contained in the reformed gas.

この水蒸気改質法では、改質部(改質器)において、下記の式(1)および(2)の反応が進行する。
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
In this steam reforming method, reactions of the following formulas (1) and (2) proceed in the reforming section (reformer).
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)

また、CO変成器においても、上記の式(2)の反応が進行する。   In the CO transformer, the reaction of the above formula (2) proceeds.

上記のように、改質後のガス中には、燃料として使用可能な水素以外に、副次的に生成するCO、CO2や、未反応の炭化水素ガスなどが含まれる。
このうちCOは燃料電池に使用した場合、電極を被毒させ、電池性能を低下させる原因となる。このため、リン酸型燃料電池(PAFC)の場合には、COからCO2へのシフト反応を行うCO変成器を用いて改質ガス中のCO濃度を1%以下とし、さらに、固体高分子型燃料電池(PEFC)の場合には、選択酸化反応装置によりCO濃度を10ppm以下に低下させるようにしている。
そして、この選択酸化反応装置においては、下記の式(3)の反応が進行する。
2CO+O2→2CO2 (3)
As described above, the reformed gas contains CO, CO 2, and unreacted hydrocarbon gas that are generated as a secondary component in addition to hydrogen that can be used as fuel.
Of these, CO, when used in a fuel cell, poisons the electrode and causes a decrease in cell performance. For this reason, in the case of a phosphoric acid fuel cell (PAFC), the CO concentration in the reformed gas is set to 1% or less by using a CO converter that performs a shift reaction from CO to CO 2 . In the case of a type fuel cell (PEFC), the CO concentration is reduced to 10 ppm or less by a selective oxidation reactor.
In this selective oxidation reaction apparatus, the reaction of the following formula (3) proceeds.
2CO + O 2 → 2CO 2 (3)

ところで、改質ガス中にCO2が残存すると、上記のCOからCO2へのシフト反応の逆反応が起こり、燃料ガス中のCO濃度が大きくなる。
このため、CO変成器の負荷の低減、および逆シフト反応の抑制を目的として、Li2ZrO3やLi4ZrO4を二酸化炭素の吸収材として用い、改質ガスから二酸化炭素を吸収する方法が提案されている(特許文献1参照)。
By the way, when CO 2 remains in the reformed gas, the reverse reaction of the shift reaction from CO to CO 2 occurs, and the CO concentration in the fuel gas increases.
Therefore, for the purpose of reducing the load on the CO converter and suppressing the reverse shift reaction, there is a method of using Li 2 ZrO 3 or Li 4 ZrO 4 as a carbon dioxide absorbent and absorbing carbon dioxide from the reformed gas. It has been proposed (see Patent Document 1).

しかしながら、この方法の場合、いずれの吸収材を用いても、700℃を超える高温下で二酸化炭素を吸収することは困難であるのが実情である。   However, in the case of this method, it is difficult to absorb carbon dioxide at a high temperature exceeding 700 ° C., regardless of which absorbent material is used.

また、水蒸気改質法による水素の製造方法に関し、高温化で水蒸気改質とCO2の除去を同時に行う方法が提案されている(特許文献2参照)。この方法は、燃料改質器における水素転化率の向上、変成器における負荷の低減、および逆シフト反応の抑制を目的とするものであり、燃料と水蒸気から水素を製造する燃料改質器内部に、水蒸気改質用触媒と、二酸化炭素吸収材(CaO)を個別充填した層、もしくは、水蒸気改質触媒と二酸化炭素吸収材を混合した層を設けるようにしている。 Further, regarding a method for producing hydrogen by a steam reforming method, a method of simultaneously performing steam reforming and CO 2 removal at a high temperature has been proposed (see Patent Document 2). The purpose of this method is to improve the hydrogen conversion rate in the fuel reformer, reduce the load in the transformer, and suppress the reverse shift reaction. In addition, a layer in which the steam reforming catalyst and the carbon dioxide absorbent (CaO) are individually filled or a layer in which the steam reforming catalyst and the carbon dioxide absorbent are mixed is provided.

そして、このCaOを二酸化炭素の吸収材として用いる方法は、700℃以上の高温下でも二酸化炭素の吸収が可能であるとされている。   The method using CaO as a carbon dioxide absorbent is said to be capable of absorbing carbon dioxide even at a high temperature of 700 ° C. or higher.

しかしながら、CaOを用いて、800℃で二酸化炭素を吸収するためには、40%程度の二酸化炭素濃度が必要であり、750℃で二酸化炭素を吸収する場合においても二酸化炭素濃度を10%以下にすることは困難である。さらに、水蒸気改質後の二酸化炭素濃度は通常10%程度であることを考慮すると、水蒸気改質条件下でCaOにより二酸化炭素を吸収することは実際には困難であると考えられる。   However, in order to absorb carbon dioxide at 800 ° C. using CaO, a carbon dioxide concentration of about 40% is required, and even when carbon dioxide is absorbed at 750 ° C., the carbon dioxide concentration should be 10% or less. It is difficult to do. Furthermore, considering that the carbon dioxide concentration after steam reforming is usually about 10%, it is actually difficult to absorb carbon dioxide with CaO under steam reforming conditions.

また、少なくとも炭素を含む燃料と水蒸気とからなる混合ガスを改質触媒および二酸化炭素吸脱助剤を含む反応層に接触させ、水素ガスを得るとともに副次的に生成する二酸化炭素を該二酸化炭素吸脱助剤に固定する水素転換工程と、二酸化炭素吸脱助剤を加熱して固定されていた二酸化炭素を脱離させ、二酸化炭素吸脱助剤の二酸化炭素吸収能を再生する再生工程と備えた水素製造方法が提案されている(特許文献3参照)。   Further, a mixed gas comprising at least carbon-containing fuel and water vapor is brought into contact with a reaction layer containing a reforming catalyst and a carbon dioxide adsorption / desorption aid to obtain hydrogen gas and to produce carbon dioxide that is produced as a secondary gas. A hydrogen conversion step for fixing to the adsorption / desorption aid, and a regeneration step for heating the carbon dioxide adsorption / desorption aid to desorb the fixed carbon dioxide and regenerating the carbon dioxide absorption capacity of the carbon dioxide adsorption / desorption aid; An equipped hydrogen production method has been proposed (see Patent Document 3).

そして、この方法の場合、二酸化炭素吸脱助剤として、Mg、Ca、Srなどのアルカリ土類金属の酸化物、Na、K、Liなどのアルカリ金属の酸化物などが使用可能であるとされている。しかし、この方法においても、二酸化炭素吸脱助剤として用いることが可能であるとされている上記物質を用いた場合、特許文献2に関し説明したように、水蒸気改質条件下でCaOにより二酸化炭素を効率よく吸収することは実際には困難であると考えられる。
特開2002−255510号公報 特開2002−208425号公報 特開2002−255508号公報
In the case of this method, as the carbon dioxide adsorption / desorption aid, oxides of alkaline earth metals such as Mg, Ca and Sr, oxides of alkali metals such as Na, K and Li can be used. ing. However, also in this method, when the above-mentioned substance that can be used as a carbon dioxide adsorption / desorption aid is used, as described with respect to Patent Document 2, carbon dioxide is produced by CaO under steam reforming conditions. It is considered that it is actually difficult to efficiently absorb the water.
JP 2002-255510 A JP 2002-208425 A JP 2002-255508 A

本願発明は、上記課題を解決するものであり、水蒸気改質法により水素を製造する際に副次的に生成する二酸化炭素を効率よく除去することが可能であるとともに改質用の燃料ガスを効率よく水素に転化させる水蒸気改質触媒としての機能を併せ持つ二酸化炭素吸収材、その製造方法、該水蒸気改質触媒を用いた、水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法を提供することを目的とする。   The invention of the present application solves the above-mentioned problems, and can efficiently remove carbon dioxide that is produced as a secondary product when hydrogen is produced by the steam reforming method. It is an object of the present invention to provide a carbon dioxide absorbent having a function as a steam reforming catalyst for efficiently converting to hydrogen, a method for producing the same, and a method for reforming fuel gas in a hydrogen production system using the steam reforming catalyst. To do.

上記課題を解決するために、本願発明(請求項1)の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材は、水蒸気改質法を用いた水素製造システムにおいて用いられる、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材であって、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属が担持されていることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention (Claim 1) has a steam reforming catalyst function used in a hydrogen production system using a steam reforming method. A carbon dioxide absorber provided, wherein a transition metal is supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 .

また、請求項2の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材は、請求項1の発明の構成において、前記Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に担持された前記遷移金属がNiであり、前記Niの、前記Ba2TiO4を主成分とする物質と前記Niの合計量に対する割合が1重量%以上であることを特徴としている。 The carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function according to claim 2 is characterized in that, in the configuration of the invention according to claim 1, the transition metal supported on the surface of the substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 is a Ni, is characterized by a percentage of the total amount of said Ni, said the material mainly containing Ba 2 TiO 4 Ni is 1 wt% or more.

また、本願発明(請求項3)の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の製造方法は、焼成後にBa2TiO4を主成分とする物質となる未焼成物質に、遷移金属の粉末を添加し、還元雰囲気で焼成することにより、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を担持させることを特徴としている。 Moreover, the method for producing a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function according to the present invention (Claim 3) is characterized in that a powder of transition metal is added to an unfired material that becomes a material mainly composed of Ba 2 TiO 4 after firing. Is added, and the transition metal is supported on the surface of the substance containing Ba 2 TiO 4 as a main component by baking in a reducing atmosphere.

また、請求項4の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の製造方法は、請求項3の発明の構成において、前記遷移金属の粉末がNi粉末であり、かつ、前記Ni粉末を、全体の1重量%以上の割合で添加し、還元雰囲気で焼成することを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function, wherein the transition metal powder is Ni powder, and the Ni powder It is characterized in that it is added at a ratio of 1% by weight or more of the whole and fired in a reducing atmosphere.

また、本願発明(請求項5)の水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法は、水蒸気改質法を用いた水素製造システムにおける改質用の燃料ガスの改質方法であって、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を表面に担持させた、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を使用することを特徴としている。 The reforming method of the fuel gas in the hydrogen production system of the present invention (Claim 5) is a reforming method of the fuel gas for reforming in the hydrogen production system using the steam reforming method, and includes Ba 2 TiO. It is characterized by using a carbon dioxide absorbent material having a steam reforming catalyst function in which a transition metal is supported on the surface of a substance containing 4 as a main component.

また、請求項6の水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法は、請求項5の発明の構成において、前記Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に担持された前記遷移金属がNiであり、前記Niの、前記Ba2TiO4を主成分とする物質と前記Niの合計量に対する割合が1重量%以上である、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を使用することを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for reforming a fuel gas in a hydrogen production system according to the fifth aspect of the present invention, wherein the transition metal supported on the surface of the substance containing Ba 2 TiO 4 as a main component is Ni. And using a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function, wherein the ratio of the Ni to the total amount of the substance mainly composed of the Ba 2 TiO 4 and the Ni is 1% by weight or more. It is a feature.

本願発明(請求項1)の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材は、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を担持させるようにしているので、水蒸気改質法により水素を製造する際に副次的に生成する二酸化炭素を効率よく除去することが可能であるとともに、改質用の燃料ガスを効率よく水素に転化させる水蒸気改質触媒としての機能を備えた二酸化炭素吸収材を提供することが可能になる。したがって、本願発明の二酸化炭素吸収材を用いることにより、改質ガス中の二酸化炭素を効率よく吸収除去して、改質反応を促進させ、高い水素転化率を実現することが可能になり、高純度の水素ガスを効率よく製造することが可能になる。 The carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention (Claim 1) has a transition metal supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4. In addition to being able to efficiently remove carbon dioxide that is produced as a secondary product during the production of hydrogen, it has a function as a steam reforming catalyst that efficiently converts the fuel gas for reforming into hydrogen It becomes possible to provide a carbon dioxide absorber. Therefore, by using the carbon dioxide absorbent of the present invention, it is possible to efficiently absorb and remove carbon dioxide in the reformed gas, promote the reforming reaction, and realize a high hydrogen conversion rate. It becomes possible to efficiently produce pure hydrogen gas.

すなわち、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材は、複合酸化物であるBa2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を担持させたものであって、この二酸化炭素吸収材は、水蒸気改質法を用いて水素を製造する際に、二酸化炭素吸収剤としての役割と、水蒸気改質用触媒としての役割を同時に果たすため、別途水蒸気改質触媒を用いることなく、改質用の燃料ガス、例えば、メタンを水蒸気改質することが可能になるとともに、改質ガス中の二酸化炭素を吸収する作用により、一酸化炭素の濃度を低下させることが可能になる。その結果、メタンの改質反応が促進されて未反応のメタン濃度が低下し、高い水素転化率を実現することが可能になり、高純度の水素ガスを効率よく製造することが可能になる。 That is, the carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function of the present invention is a material in which a transition metal is supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 which is a composite oxide. The carbon absorbent material simultaneously plays a role as a carbon dioxide absorbent and a steam reforming catalyst when producing hydrogen using the steam reforming method. The reforming fuel gas, for example, methane can be steam reformed, and the carbon monoxide concentration can be lowered by the action of absorbing carbon dioxide in the reformed gas. As a result, the reforming reaction of methane is promoted, the concentration of unreacted methane is reduced, a high hydrogen conversion rate can be realized, and high-purity hydrogen gas can be efficiently produced.

具体的に説明すると、改質器においては、下記の式(1)および(2)の反応が進行する。
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
そして、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材により、改質ガス中のCO2が除去されることにより、上記(2)の平衡反応が右に進行し、水素転化率が向上するとともに、CO濃度が低下して、CO変成器やCO除去装置の負荷が軽減される。
Specifically, in the reformer, the reactions of the following formulas (1) and (2) proceed.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
And, by removing the CO 2 in the reformed gas by the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention, the equilibrium reaction of (2) proceeds to the right, and the hydrogen conversion rate is increased. While improving, CO density | concentration falls and the load of a CO converter and a CO removal apparatus is reduced.

また、COが減少することにより、基本的な改質反応である上記(1)の平衡反応も右に進行するため、さらに水素転化率を向上させることが可能になる。   In addition, since the CO decreases, the equilibrium reaction (1), which is a basic reforming reaction, also proceeds to the right, so that the hydrogen conversion rate can be further improved.

なお、図3は、Ba2TiO4を吸収材として用いた場合の、温度と二酸化炭素分圧(CO2分圧)の関係(実験に基づく二酸化炭素吸収可能領域)を示す図である。図3に示すように、Ba2TiO4を用いた場合、700℃で二酸化炭素分圧が約0.003atm、750℃で二酸化炭素分圧が約0.0084atm、800℃で二酸化炭素分圧が約0.02atmと低く、高温下で二酸化炭素を吸収する能力を十分に備えていることがわかる。 FIG. 3 is a diagram showing a relationship between temperature and carbon dioxide partial pressure (CO 2 partial pressure) (a carbon dioxide-absorbable region based on an experiment) when Ba 2 TiO 4 is used as an absorbent. As shown in FIG. 3, when Ba 2 TiO 4 is used, the partial pressure of carbon dioxide is about 0.003 atm at 700 ° C., the partial pressure of carbon dioxide is about 0.0084 atm at 750 ° C., and the partial pressure of carbon dioxide is 800 ° C. It can be seen that it is as low as about 0.02 atm and has sufficient ability to absorb carbon dioxide at high temperatures.

また、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材は、加熱することにより吸収した二酸化炭素を放出させて、二酸化炭素の吸収能を回復させることが可能である。   In addition, the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention can release the carbon dioxide absorbed by heating and recover the carbon dioxide absorption ability.

なお、本願請求項1の発明によれば、条件を選ぶことにより、CO変成器を用いることなく改質ガス中のCO濃度を1%以下にすることが可能になる。その場合には、CO変成器を必要としないリン酸型燃料電池(PAFC)に適した燃料電池用改質装置を提供することが可能になる。
また、選択酸化反応装置によりCO濃度を10ppm以下に低下させるようにした場合には、CO変成器を必要としない固体高分子型燃料電池(PEFC)に適した燃料電池用改質装置を提供することも可能である。
According to the invention of claim 1 of the present application, by selecting the conditions, the CO concentration in the reformed gas can be reduced to 1% or less without using a CO converter. In that case, it is possible to provide a fuel cell reformer suitable for a phosphoric acid fuel cell (PAFC) that does not require a CO converter.
In addition, a fuel cell reformer suitable for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that does not require a CO converter when the CO concentration is reduced to 10 ppm or less by a selective oxidation reactor is provided. It is also possible.

なお、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材が二酸化炭素を放出する際には、二酸化炭素の熱分解により一酸化炭素と酸素が発生する。そこで、一酸化炭素と反応性の高い任意のガスを共存させ、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の表面に坦持されるNiを触媒として両者を反応させることにより、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材より放出される二酸化炭素を意図する有機物に変換すること、すなわち、有機合成を行わせるように構成することも可能である。   When the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention releases carbon dioxide, carbon monoxide and oxygen are generated by thermal decomposition of carbon dioxide. Therefore, by coexisting any gas having high reactivity with carbon monoxide and reacting both with Ni supported on the surface of the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention as a catalyst, It is also possible to convert the carbon dioxide released from the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention into an intended organic substance, that is, to perform organic synthesis.

また、請求項2の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材のように、請求項1の発明の構成において、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に担持される遷移金属としてNiを用い、かつ、Niの、Ba2TiO4を主成分とする物質とNiの合計量に対する割合を1重量%以上とすることにより、上述のような作用効果、すなわち、水蒸気改質法により効率よく水素を生成させ、かつ、副次的に生成する二酸化炭素を効率よく除去することが可能になる。
そして、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を用いることにより、改質反応を促進させて高い水素転化率を実現して、高純度の水素ガスを効率よく製造することが可能になる。
Moreover, as a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function according to claim 2 , in the configuration of the invention according to claim 1, as a transition metal supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 By using Ni and setting the ratio of Ni to the total amount of Ni and the main component of Ba 2 TiO 4 and Ni to 1% by weight or more, the above-described effects, that is, the steam reforming method is used. It becomes possible to efficiently generate hydrogen and to efficiently remove carbon dioxide that is generated as a secondary product.
And, by using the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention, it is possible to promote the reforming reaction to achieve a high hydrogen conversion rate and efficiently produce high purity hydrogen gas. It becomes possible.

なお、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材においては、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に担持されるNiの量を1重量%以上とすることにより、高い水素転化率を実現することが可能になるが、Niを10重量%を超える割合で担持させても、顕著な効果の増大が認められなくなる。また、Niの量が10重量%を超えると、二酸化炭素吸収材中のBa2TiO4の比率が低下し、二酸化炭素の吸収可能な量が低下する。したがって、通常は、Niを1〜10重量%の割合で担持させることが望ましい。 In the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention, the amount of Ni supported on the surface of the substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 is set to 1% by weight or higher. A hydrogen conversion rate can be realized, but even if Ni is supported at a rate exceeding 10% by weight, a significant increase in the effect is not recognized. On the other hand, when the amount of Ni exceeds 10% by weight, the ratio of Ba 2 TiO 4 in the carbon dioxide absorbent decreases, and the amount of carbon dioxide that can be absorbed decreases. Therefore, it is usually desirable to support Ni at a ratio of 1 to 10% by weight.

また、本願発明(請求項3)の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の製造方法は、焼成後にBa2TiO4を主成分とする物質となる未焼成物質に、遷移金属の粉末を添加し、還元雰囲気で焼成することにより、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を担持させるようにしているので、複雑な工程を必要とせず、遷移金属がBa2TiO4を主成分とする物質の表面に担持された水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を効率よく製造することができる。 Moreover, the method for producing a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function according to the present invention (Claim 3) is characterized in that a powder of transition metal is added to an unfired material that becomes a material mainly composed of Ba 2 TiO 4 after firing. Is added, and the transition metal is supported on the surface of the substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 by baking in a reducing atmosphere, so that no complicated process is required, and the transition metal is Ba 2 TiO. A carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function supported on the surface of a substance containing 4 as a main component can be efficiently produced.

すなわち、本願発明(請求項3)の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の製造方法によれば、従来の一般的な方法である浸漬処理、すなわち、遷移金属溶液にBa2TiO4を主成分とする物質を浸漬する処理などの煩雑な処理を必要とすることなく、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面にNiなどの遷移金属を容易に坦持させることができる。 That is, according to the method for producing a carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention (Claim 3), the conventional general method is immersion treatment, that is, Ba 2 TiO 4 is added to the transition metal solution. A transition metal such as Ni can be easily supported on the surface of a substance containing Ba 2 TiO 4 as a main component without requiring a complicated process such as a process of immersing a substance containing as a main component.

また、請求項4の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の製造方法のように、請求項3の発明の構成において、遷移金属の粉末としてNi粉末を用い、かつ、Ni粉末を、全体の1重量%以上の割合で添加することにより、十分な量のNiがBa2TiO4を主成分とする物質の表面に担持された水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を効率よく製造することが可能になる。 Moreover, like the manufacturing method of the carbon dioxide absorber provided with the steam reforming catalyst function of claim 4, in the configuration of the invention of claim 3, Ni powder is used as the transition metal powder, and Ni powder is used, By adding 1% by weight or more of the total amount, a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function in which a sufficient amount of Ni is supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 is efficiently used. It becomes possible to manufacture well.

また、本願発明(請求項5)の水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法は、水蒸気改質法を用いた水素製造システムにおける改質用の燃料ガスの改質方法であって、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を表面に担持させた、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を使用するようにしているので、水蒸気改質法により効率よく水素を生成させることができるとともに、副次的に生成する二酸化炭素を効率よく除去することができる。
したがって、本願発明の水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法によれば、高い水素転化率を実現することが可能になるとともに、高純度の水素ガスを効率よく製造することが可能になる。
The reforming method of the fuel gas in the hydrogen production system of the present invention (Claim 5) is a reforming method of the fuel gas for reforming in the hydrogen production system using the steam reforming method, and includes Ba 2 TiO. Since a carbon dioxide absorbent material with a steam reforming catalyst function is used, with the transition metal supported on the surface of the substance whose main component is 4 , the hydrogen is efficiently generated by the steam reforming method. And carbon dioxide produced as a secondary can be efficiently removed.
Therefore, according to the fuel gas reforming method in the hydrogen production system of the present invention, it is possible to realize a high hydrogen conversion rate and to efficiently produce high-purity hydrogen gas.

また、請求項6の水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法は、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に担持された遷移金属がNiであり、Niの、Ba2TiO4を主成分とする物質とNiの合計量に対する割合が1重量%以上であるような、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を使用するようにしているので、より確実に、高い水素転化率を実現することが可能になるとともに、高純度の水素ガスを効率よく製造することが可能になる。 Further, in the method for reforming fuel gas in the hydrogen production system according to claim 6, the transition metal supported on the surface of the substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 is Ni, and Ba 2 TiO 4 of Ni is mainly used. Since a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function such that the ratio of the component substance and Ni to the total amount is 1% by weight or more is used, a higher hydrogen conversion rate is ensured. Can be realized, and high-purity hydrogen gas can be efficiently produced.

以下に本願発明の実施例を示して、本願発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。   The features of the present invention will be described in more detail below with reference to examples of the present invention.

表1に示すような割合で、チタン酸バリウム、炭酸バリウム、およびNi粉末を湿式混合した後、乾燥することにより、金属Niを含有する粉末状材料を作製した。なお、Ni粉末については、0.83重量部、1.67重量部、3.38重量部、8.72重量部の割合で添加した。なお、このNi粉末の割合は、それぞれ、焼成工程を経て最終的に得られる水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材全体に対してNiが、0.5重量%、1.0重量%、2.0重量%、5.0重量%になるような割合である。   A powdery material containing metallic Ni was prepared by wet mixing barium titanate, barium carbonate, and Ni powder at a ratio as shown in Table 1 and then drying. In addition, about Ni powder, it added in the ratio of 0.83 weight part, 1.67 weight part, 3.38 weight part, and 8.72 weight part. In addition, the ratio of the Ni powder is such that Ni is 0.5% by weight and 1.0% by weight with respect to the entire carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function finally obtained through the firing step, respectively. , 2.0 wt%, and 5.0 wt%.

それから、この粉末状材料に、さらにバインダを加えながら攪拌することにより造粒を行い、粒子径が約2mmの粒状体を得た。   Then, granulation was performed by stirring the powdered material while adding a binder to obtain a granule having a particle diameter of about 2 mm.

次に、この粒状体を、Air雰囲気、300℃、5hrの条件で熱処理を行い、脱脂した後、水素1%を含む窒素中で1000℃、2hrの焼成を行い、Niを1%含有するBa2TiO4を主成分とする水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を得た。 Next, this granular material was heat treated under conditions of Air atmosphere, 300 ° C. and 5 hours, degreased, and then baked at 1000 ° C. for 2 hours in nitrogen containing 1% hydrogen, and Ba containing 1% Ni. 2 A carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function mainly composed of TiO 4 was obtained.

Figure 0004835070
Figure 0004835070

なお、図1は、表1の吸収材3の、表面にNiが担持された状態を示すSEM写真である。図1に示すように、吸収材3においては、Ba2TiO4を主成分とする物質、すなわち、二酸化炭素吸収材本体1の表面にNi粒子2が担持されていることがわかる。 FIG. 1 is an SEM photograph showing a state in which Ni is supported on the surface of the absorbent material 3 in Table 1. As shown in FIG. 1, it can be seen that in the absorbent material 3, Ni particles 2 are supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 , that is, the carbon dioxide absorbent main body 1.

それから、表1の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を、図2に示すような、燃料電池用改質装置を構成する改質器13の内部に充填し、750℃の温度でメタンの水蒸気改質を行い、改質後のガス中のメタン、二酸化炭素、一酸化炭素および水素の含有率を測定した。   Then, the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function shown in Table 1 is filled in the reformer 13 constituting the fuel cell reformer as shown in FIG. Methane was steam reformed, and the contents of methane, carbon dioxide, carbon monoxide and hydrogen in the reformed gas were measured.

なお、図2は本願発明の、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を用いた燃料電池用の水素の製造装置(燃料電池用改質装置)の構成を模式的に示す図である。この燃料電池用改質装置は、図2に示すように、炭化水素ガスを主たる成分とする原料ガス(都市ガス)を水蒸気改質して水素を生成させるための、内部に、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材11を充填した反応缶12が配設された改質器13と、改質器13で改質された改質ガス中の一酸化炭素(CO)を除去するためのCO変成器14とを備えている。   FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of a hydrogen production apparatus (fuel cell reforming apparatus) for fuel cells using a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function according to the present invention. . As shown in FIG. 2, this fuel cell reforming apparatus includes a steam reforming catalyst for generating hydrogen by steam reforming a raw material gas (city gas) containing hydrocarbon gas as a main component. In order to remove the carbon monoxide (CO) in the reformer 13 provided with the reaction can 12 filled with the carbon dioxide absorbent 11 having a function and the reformed gas reformed by the reformer 13 The CO transformer 14 is provided.

また、比較のため、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の代わりに、アルミナ基材の表面にNi系の改質触媒を担持させた触媒であって、二酸化炭素吸収能を有するBa2TiO4を主成分とする物質を含まない触媒を用いて、同じ条件でメタンの水蒸気改質を行い、改質後のガス中のメタン、二酸化炭素、一酸化炭素および水素の含有率を測定した。
その結果を表2に併せて示す。なお、表2において試験番号に*印を付したものは本願発明(請求項2)の範囲外のものである。
Further, for comparison, instead of a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function, a catalyst in which a Ni-based reforming catalyst is supported on the surface of an alumina base material, and has a carbon dioxide absorption capability. 2 Using a catalyst that does not contain TiO 4 as the main component, steam reforming of methane under the same conditions, and measuring the content of methane, carbon dioxide, carbon monoxide and hydrogen in the reformed gas did.
The results are also shown in Table 2. In Table 2, the test numbers marked with * are outside the scope of the present invention (Claim 2).

Figure 0004835070
Figure 0004835070

表2の試験番号5の比較例のように、アルミナ基材の表面にNi系の改質触媒を担持させた、二酸化炭素吸収材を含まない改質触媒を用いた場合、メタンの水素への改質は行われるものの、改質ガス中の二酸化炭素や一酸化炭素濃度が高くなることが確認された。このように、一酸化炭素の濃度が高くなると、一酸化炭素の濃度を低下させるための変成器に対する負荷が大きなり、好ましくない。   As in the comparative example of test number 5 in Table 2, when a reforming catalyst that does not include a carbon dioxide absorbent and that has a Ni-based reforming catalyst supported on the surface of an alumina base, Although reforming was performed, it was confirmed that the concentration of carbon dioxide and carbon monoxide in the reformed gas was increased. Thus, an increase in the concentration of carbon monoxide is not preferable because the load on the transformer for reducing the concentration of carbon monoxide is large.

また、表2の試験番号1のように、Ni含有率が1重量%未満で、本願発明(請求項2)の要件を満たさない、Ni含有率が0.5重量%の二酸化炭素吸収材を用いた場合、二酸化炭素および一酸化炭素の含有率が低下し、二酸化炭素吸収剤としての機能は良好であり、かつ、水蒸気改質触媒機能を備えていることも確認されたが、水素の含有率はやや低く、メタンの水素への改質効果が不十分になり、未反応のメタンの残存量が多くなることが確認された。   Further, as shown in Test No. 1 in Table 2, a carbon dioxide absorbent having a Ni content of less than 1% by weight and not satisfying the requirements of the present invention (Claim 2) and having a Ni content of 0.5% by weight. When used, the content of carbon dioxide and carbon monoxide was reduced, the function as a carbon dioxide absorbent was good, and it was also confirmed that it had a steam reforming catalyst function, but it contained hydrogen. The rate was slightly low, and it was confirmed that the reforming effect of methane to hydrogen was insufficient and the amount of unreacted methane remained increased.

これに対して、本願発明(請求項2)の要件を満たした、表1の吸収材2〜4の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材、すなわち、吸収材表面に遷移金属であるNiを、1〜5重量%の割合で担持させた水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を用いた場合、別途、改質触媒を用いることなく、メタンの水蒸気改質が可能になること、二酸化炭素吸収作用により、一酸化炭素の濃度が低下することが確認された。さらに、一酸化炭素の濃度が低下することにより、メタンの改質反応が促進され、未反応のメタン濃度が低下し、高い水素転化率を実現することが可能になることが確認された。   On the other hand, the carbon dioxide absorbent provided with the steam reforming catalyst function of the absorbents 2 to 4 in Table 1 that satisfies the requirements of the present invention (Claim 2), that is, a transition metal on the surface of the absorbent. When a carbon dioxide absorbent material having a steam reforming catalyst function in which Ni is supported at a ratio of 1 to 5% by weight is used, steam reforming of methane can be performed without using a reforming catalyst. That is, it was confirmed that the carbon monoxide concentration decreased due to the carbon dioxide absorption action. Furthermore, it was confirmed that by reducing the concentration of carbon monoxide, the reforming reaction of methane was promoted, the concentration of unreacted methane decreased, and a high hydrogen conversion rate could be realized.

上記の結果より、Niの含有量は1.0重量%以上とすることにより、別途、改質触媒を用いることなく、メタンの水蒸気改質を可能ならしめるとともに、二酸化炭素吸収作用により、一酸化炭素の濃度を低下させ、効率よく、高純度の水素を得ることが可能になることが確認された。   From the above results, by setting the Ni content to 1.0% by weight or more, it becomes possible to perform steam reforming of methane without using a separate reforming catalyst, and by the carbon dioxide absorption effect, It was confirmed that it was possible to obtain high-purity hydrogen efficiently by reducing the carbon concentration.

なお、上記実施例では、遷移金属がNiである場合を例にとって説明したが、本願発明においては他の遷移金属、例えば、Coなどを用いることも可能である。   In the above embodiment, the case where the transition metal is Ni has been described as an example. However, in the present invention, other transition metals, such as Co, may be used.

上述のように、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材は、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を担持させるようにしているので、本願発明の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を用いることにより、別途、改質触媒を用いることなく、メタンを水蒸気改質することが可能になるとともに、Ba2TiO4を主成分とする物質の二酸化炭素吸収作用により、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させて、メタンの改質反応を促進し、高い水素転化率を実現することが可能になる。 As described above, since the carbon dioxide absorbent having the steam reforming catalyst function of the present invention supports the transition metal on the surface of the substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 , the steam of the present invention is used. By using a carbon dioxide absorbent having a reforming catalyst function, it becomes possible to steam-reform methane without using a reforming catalyst separately, and a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 can be used. The carbon dioxide absorption action reduces the carbon monoxide concentration in the reformed gas, promotes the reforming reaction of methane, and realizes a high hydrogen conversion rate.

したがって、本願発明は、水蒸気改質法を用いて水素を製造する燃料電池用の改質プロセスや改質装置に広く用いることが可能である。   Therefore, the present invention can be widely used in reforming processes and reforming apparatuses for fuel cells that produce hydrogen using the steam reforming method.

なお、本願発明によれば、条件を選ぶことにより、CO変成器を特に用いなくても改質ガス中のCO濃度を1%以下にすることが可能になる。したがって、CO変成器を必要としないリン酸型燃料電池(PAFC)に適した燃料電池用改質装置を提供することができる。また、選択酸化反応装置によりCO濃度を10ppm以下に低下させるようにした場合には、CO変成器を必要としない固体高分子型燃料電池(PEFC)に適した燃料電池用改質装置を提供することができる。   According to the present invention, by selecting the conditions, the CO concentration in the reformed gas can be reduced to 1% or less without particularly using a CO converter. Therefore, it is possible to provide a fuel cell reforming apparatus suitable for a phosphoric acid fuel cell (PAFC) that does not require a CO converter. In addition, a fuel cell reformer suitable for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that does not require a CO converter when the CO concentration is reduced to 10 ppm or less by a selective oxidation reactor is provided. be able to.

本願発明の一実施例(実施例1)にかかる、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面にNiが担持された水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材のSEM写真を示す図である。Shows a SEM photograph of the carbon dioxide absorbent comprising an embodiment according to the example (Example 1), Ba 2 TiO 4 steam reforming catalyst function Ni is supported on the surface of a material composed mainly of the present invention It is. 本願発明の、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を用いた燃料電池用の水素の製造装置(燃料電池用改質装置)の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the hydrogen manufacturing apparatus (reforming apparatus for fuel cells) for fuel cells using the carbon dioxide absorber provided with the steam reforming catalyst function of this invention. Ba2TiO4を吸収材として用いた場合の、温度と二酸化炭素分圧(CO2分圧)の関係(実験に基づく二酸化炭素吸収可能領域)を示す図である。In the case of using Ba 2 TiO 4 as an absorbent is a diagram showing relationship between a (carbon dioxide absorption area based on the experiment) of the temperature and carbon dioxide partial pressure (CO 2 partial pressure). 従来の燃料電池用改質装置を示す図である。It is a figure which shows the conventional reformer for fuel cells.

符号の説明Explanation of symbols

1 二酸化炭素吸収材本体
2 Ni粒子
11 水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材
12 反応缶
13 改質器
14 CO変成器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon dioxide absorber main body 2 Ni particle 11 Carbon dioxide absorber provided with steam reforming catalyst function 12 Reactor 13 Reformer 14 CO converter

Claims (6)

水蒸気改質法を用いた水素製造システムにおいて用いられる、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材であって、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属が担持されていることを特徴とする水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材。 A carbon dioxide absorbent material having a steam reforming catalyst function, which is used in a hydrogen production system using a steam reforming method, and a transition metal is supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4 A carbon dioxide absorbent provided with a steam reforming catalyst function. 前記Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に担持された前記遷移金属がNiであり、前記Niの、前記Ba2TiO4を主成分とする物質と前記Niの合計量に対する割合が1重量%以上であることを特徴とする請求項1記載の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材。 The transition metal supported on the surface of the substance containing Ba 2 TiO 4 as a main component is Ni, and the ratio of Ni to the total amount of the substance containing Ba 2 TiO 4 as a main component and Ni is 1 The carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function according to claim 1, wherein the carbon dioxide absorbent has a weight% or more. 焼成後にBa2TiO4を主成分とする物質となる未焼成物質に、遷移金属の粉末を添加し、還元雰囲気で焼成することにより、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を担持させることを特徴とする水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の製造方法。 A transition metal powder is added to an unfired material, which is a material containing Ba 2 TiO 4 as a main component after firing, and fired in a reducing atmosphere, whereby a transition metal is formed on the surface of the material containing Ba 2 TiO 4 as a main component. A method for producing a carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function, wherein 前記遷移金属の粉末がNi粉末であり、かつ、前記Ni粉末を、全体の1重量%以上の割合で添加し、還元雰囲気で焼成することを特徴とする請求項3記載の水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材の製造方法。   The steam reforming catalyst function according to claim 3, wherein the transition metal powder is Ni powder, and the Ni powder is added at a ratio of 1% by weight or more of the whole and fired in a reducing atmosphere. The manufacturing method of the carbon dioxide absorber provided with. 水蒸気改質法を用いた水素製造システムにおける改質用の燃料ガスの改質方法であって、Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に遷移金属を表面に担持させた、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を使用することを特徴とする、水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法。 A reforming method of a fuel gas for reforming in a hydrogen production system using a steam reforming method, wherein a transition metal is supported on the surface of a substance mainly composed of Ba 2 TiO 4. A method for reforming a fuel gas in a hydrogen production system, wherein a carbon dioxide absorbent having a catalytic function is used. 前記Ba2TiO4を主成分とする物質の表面に担持された前記遷移金属がNiであり、前記Niの、前記Ba2TiO4を主成分とする物質と前記Niの合計量に対する割合が1重量%以上である、水蒸気改質触媒機能を備えた二酸化炭素吸収材を使用することを特徴とする請求項5記載の、水素製造システムにおける燃料ガスの改質方法。 The transition metal supported on the surface of the substance containing Ba 2 TiO 4 as a main component is Ni, and the ratio of Ni to the total amount of the substance containing Ba 2 TiO 4 as a main component and Ni is 1 6. The method for reforming a fuel gas in a hydrogen production system according to claim 5, wherein the carbon dioxide absorbent having a steam reforming catalyst function of at least wt% is used.
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