JP5394280B2 - Reforming catalyst for hydrogen production, method for producing the same, and method for producing hydrogen using the catalyst - Google Patents

Reforming catalyst for hydrogen production, method for producing the same, and method for producing hydrogen using the catalyst Download PDF

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Description

本発明は、水素製造用改質触媒及びその製造方法、並びに該触媒を用いた水素製造方法に関し、特には、石油系炭化水素を燃料油とする燃料電池用水素の製造において、低温且つ少ない貴金属使用量で水蒸気改質反応を効果的に進行させることができ、水素製造の開始に要する起動時間を短縮して効果的に水素を製造することが可能な水素製造用改質触媒及びその製造方法、並びに該触媒を用いた水素製造方法に関するものである。   The present invention relates to a reforming catalyst for hydrogen production, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen using the catalyst, and in particular, in the production of hydrogen for fuel cells using petroleum hydrocarbons as fuel oil, low temperature and a small amount of noble metals. Reforming catalyst for hydrogen production capable of effectively proceeding steam reforming reaction with the amount used, and capable of producing hydrogen effectively by shortening the start-up time required to start hydrogen production, and its production method And a hydrogen production method using the catalyst.

近年、環境意識が高まる中で、環境負荷の少ない水素を利用したエネルギーに注目が集まっている。水素を利用したエネルギー技術の一つとして、地球温暖化の原因と言われる二酸化炭素の直接排出やオゾン層破壊を伴うことなく水素と酸素の反応から電気エネルギーを取り出すことができる燃料電池が注目されている。該燃料電池の水素源としては、天然ガス、液体燃料、石油系炭化水素など様々な原料が研究されており、特に、LPガス、ナフサ、ガソリン、灯油などに代表される石油系炭化水素は、広域かつ多量に流通していることから、水素源として有望視されている。   In recent years, with increasing environmental awareness, attention has been focused on energy using hydrogen, which has a low environmental impact. As one of the energy technologies using hydrogen, fuel cells that can extract electric energy from the reaction of hydrogen and oxygen without causing the direct emission of carbon dioxide, which is the cause of global warming, and the destruction of the ozone layer, have attracted attention. ing. As a hydrogen source of the fuel cell, various raw materials such as natural gas, liquid fuel, and petroleum hydrocarbon have been studied. In particular, petroleum hydrocarbons represented by LP gas, naphtha, gasoline, kerosene, etc. It is promising as a hydrogen source because it is distributed over a wide area and in large quantities.

上記炭化水素から水素を得るには、水蒸気改質触媒の存在下、水蒸気改質反応を行うことが一般的であり、該水蒸気改質触媒としては、アルミナ等の担体にニッケルを担持したニッケル系触媒が知られている。しかしながら、ニッケル系触媒は炭素析出による活性低下を引き起こし易い欠点を有し、また、炭素数の多い炭化水素を原料としたときは多量の水蒸気の共存が必要となって水蒸気原単位が運転コストを引き上げるため、石油系炭化水素には技術的にも経済的にも適用が難しいとされる。一方で、ルテニウム、ロジウムといった貴金属を用いた貴金属系触媒は、炭素析出抑制効果を有し水蒸気の使用量を低減できることから、炭化水素用の改質触媒として近年注目されている。しかしながら、これらの貴金属系触媒は炭素析出抑制効果には優れるものの、硫黄による触媒被毒を受け易く、硫黄被毒を受けると炭素析出抑制効果が低下してしまう。   In order to obtain hydrogen from the above hydrocarbons, it is common to perform a steam reforming reaction in the presence of a steam reforming catalyst. As the steam reforming catalyst, a nickel system in which nickel is supported on a support such as alumina. Catalysts are known. However, nickel-based catalysts have a drawback that they tend to cause a decrease in activity due to carbon deposition. Also, when a hydrocarbon having a large number of carbons is used as a raw material, a large amount of steam is required to coexist, and the steam unit consumption reduces the operating cost. Therefore, it is considered difficult to apply to petroleum-based hydrocarbons both technically and economically. On the other hand, noble metal-based catalysts using noble metals such as ruthenium and rhodium have recently attracted attention as reforming catalysts for hydrocarbons because they have an effect of suppressing carbon deposition and can reduce the amount of water vapor used. However, although these noble metal-based catalysts are excellent in the effect of suppressing carbon deposition, they are susceptible to catalyst poisoning by sulfur, and the effect of suppressing carbon deposition is reduced when subjected to sulfur poisoning.

灯油などの石油系炭化水素から構成される燃料油には、ベンゾチオフェン化合物、ジベンゾチオフェン化合物といった重質で脱硫の困難な硫黄化合物が含まれるため、燃料油からこれらの難脱硫性硫黄化合物を完全に除去することは難しい。燃料油に含まれるこれらの難脱硫性硫黄化合物が微量であっても、水素製造を長時間行うと改質触媒はこれらの硫黄化合物による影響を積算的に受ける。そして、改質触媒が硫黄被毒を受けると、改質触媒への炭素析出が促されるという問題がある(非特許文献1)ことから、石油系炭化水素から構成される燃料油を用いる水素製造では、硫黄被毒とそれが促す炭素析出によって改質触媒の性能低下を受け易いという問題があった。   Fuel oils composed of petroleum hydrocarbons such as kerosene contain heavy and difficult-to-desulfurize sulfur compounds such as benzothiophene compounds and dibenzothiophene compounds. It is difficult to remove. Even if the amount of these hard-to-desulfurize sulfur compounds contained in the fuel oil is very small, the reforming catalyst is cumulatively affected by these sulfur compounds when hydrogen production is performed for a long time. And when a reforming catalyst receives sulfur poisoning, there exists a problem that carbon deposition to a reforming catalyst is accelerated | stimulated (nonpatent literature 1), Therefore Hydrogen production using the fuel oil comprised from a petroleum-type hydrocarbon However, there is a problem that the performance of the reforming catalyst is easily deteriorated by sulfur poisoning and carbon deposition promoted by sulfur poisoning.

一般に、燃料電池用の水素を製造するには、改質触媒を充填した改質器において通常550〜800℃の高温下で水蒸気改質反応及び/又は部分酸化反応を行う。かかる改質器を具える燃料電池システムにおいては、燃料油を改質するために必要な温度が低いほうが予熱量は小さくなり、水素製造に要する昇温時間が短くなることで、システムの起動時間を短縮することができるので有利である。しかしながら、従来の改質触媒を用いて低い温度条件で水蒸気改質反応を行うと、燃料油が水素に転化される反応が十分な反応速度で進行せず、燃料油から副反応によって転化した炭素が改質触媒に析出して触媒の寿命を著しく損ない、また、燃料油から転化した炭素によって改質器の閉塞が発生したり、改質触媒の下流に位置するユニットに析出した炭素による汚染が生じるなどの問題があった。これらの問題を回避するためには、例えば、水素製造の起動時においては改質触媒及び改質器の温度が燃料油からの水素転化に必要な反応速度を得るために十分高い温度に達するのを待たなければならないので、燃料電池における水素製造の開始に必要な改質触媒の温度上昇を待つために発電開始までに要する時間(起動時間)が長くなり、電力の需要に対する燃料電池での発電供給が遅れるという問題があった。また、改質触媒及び改質器が高い温度に曝されることによって、熱劣化により改質触媒の性能が低下し、触媒寿命が短くなり、また、改質器はその耐久性低下を防ぐために耐熱性の高い高価な材料が必要となるのでコストが増加するという問題があった。また、貴金属系触媒、例えば、ルテニウム触媒を用いた400〜525℃の低温水蒸気改質では反応律速段階が表面反応となる(非特許文献2)ことから、反応速度の遅い低温条件において表面積の小さい改質触媒を用いると、この反応律速を解消することができないので、水素の製造に多量の触媒が必要になるなどの問題があった。   Generally, in order to produce hydrogen for a fuel cell, a steam reforming reaction and / or a partial oxidation reaction is usually performed at a high temperature of 550 to 800 ° C. in a reformer filled with a reforming catalyst. In a fuel cell system equipped with such a reformer, the lower the temperature required for reforming the fuel oil, the smaller the preheating amount, and the shorter the temperature rise time required for hydrogen production. Can be shortened, which is advantageous. However, when a steam reforming reaction is performed at a low temperature using a conventional reforming catalyst, the reaction in which the fuel oil is converted to hydrogen does not proceed at a sufficient reaction rate, and carbon converted from the fuel oil by a side reaction This deposits on the reforming catalyst and significantly impairs the life of the catalyst, and the carbon converted from the fuel oil causes clogging of the reformer, and contamination by carbon deposited on the unit located downstream of the reforming catalyst. There was a problem that occurred. In order to avoid these problems, for example, at the start of hydrogen production, the temperature of the reforming catalyst and the reformer reach a sufficiently high temperature to obtain the reaction rate necessary for hydrogen conversion from fuel oil. Therefore, the time required to start power generation (startup time) to wait for the temperature rise of the reforming catalyst necessary for the start of hydrogen production in the fuel cell becomes longer, and the power generation in the fuel cell in response to the demand for power There was a problem that supply was delayed. In addition, when the reforming catalyst and the reformer are exposed to a high temperature, the performance of the reforming catalyst is lowered due to thermal deterioration, the catalyst life is shortened, and the reformer is used to prevent its durability from decreasing. There is a problem that the cost increases because an expensive material having high heat resistance is required. In addition, in low-temperature steam reforming at 400 to 525 ° C. using a noble metal-based catalyst such as a ruthenium catalyst, the reaction rate-limiting step is a surface reaction (Non-patent Document 2). When a reforming catalyst is used, this reaction rate-limiting cannot be eliminated, so that a large amount of catalyst is required for producing hydrogen.

このように、灯油などの石油系炭化水素から構成される燃料油を用いて低い温度で水素製造を行うには、反応速度の遅い低温条件でも燃料油から水素への転化を少量で効率的に進めることができ、かつ硫黄被毒の影響を受けても炭素析出を起こし難い性能を有する改質触媒が必要であった。   Thus, in order to produce hydrogen at a low temperature using a fuel oil composed of petroleum hydrocarbons such as kerosene, the conversion from fuel oil to hydrogen can be efficiently carried out in a small amount even at low temperature conditions where the reaction rate is slow. There is a need for a reforming catalyst that can be advanced and has the ability to hardly cause carbon deposition even under the influence of sulfur poisoning.

燃料油の改質に際して炭素析出を抑制する改質触媒としては、例えば、特開昭60−147242号公報(特許文献1)にあるような、白金族金属の少なくとも1種よりなる活性主成分及び銀と希土類元素の1種とよりなり、かつ銀と希土類元素を、活性主成分に対しそれぞれ原子比で0.1以上含有してなる助触媒を触媒担体に担持してなる水蒸気改質用触媒が提案されている。しかしながら、この触媒は石油系炭化水素から構成される灯油などの燃料油に適用されたものではなく、担体にα−アルミナ、β−アルミナ及びチタニアが用いられるため、比表面積が小さく、反応速度の遅い低温条件での水蒸気改質反応に適したものではない。   Examples of the reforming catalyst that suppresses carbon deposition during the reforming of the fuel oil include an active main component composed of at least one platinum group metal as disclosed in JP-A-60-147242 (Patent Document 1), and the like. A steam reforming catalyst comprising a catalyst carrier comprising a promoter comprising silver and a rare earth element and containing silver and a rare earth element in an atomic ratio of 0.1 or more with respect to the active main component. Has been proposed. However, this catalyst is not applied to fuel oil such as kerosene composed of petroleum hydrocarbons, and α-alumina, β-alumina and titania are used for the carrier, so the specific surface area is small and the reaction rate is low. It is not suitable for steam reforming reaction under slow low temperature conditions.

また、特開2007−703号公報(特許文献2)にあるような、水酸化物を前駆体としてなる活性成分を高分散で担体に担持させた触媒が提案されている。しかしながら、この触媒は700〜800℃の高い温度条件での水蒸気改質反応に適用するためのもので、比表面積は5〜80m2/gと低く、550℃より低い温度条件での水蒸気改質反応に適用されたものではない。 Further, a catalyst in which an active component having a hydroxide as a precursor is supported on a carrier in a highly dispersed manner as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-703 (Patent Document 2) has been proposed. However, this catalyst is intended to be applied to a steam reforming reaction under a high temperature condition of 700 to 800 ° C., and its specific surface area is as low as 5 to 80 m 2 / g, and the steam reforming under a temperature condition lower than 550 ° C. It was not applied to the reaction.

また、特開2007−98385号公報(特許文献3)にあるような、無機酸化物担体上に、ルテニウムを触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%と、アルカリ金属を触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%含み、ルテニウム分散度が50%以上であり、EPMAにより、触媒断面の中心を通るように触媒外表面から他の外表面まで一方向にアルカリ金属及びルテニウムについて線分析測定したときに、ルテニウムが存在する領域にアルカリ金属も多く存在することを特徴とする水素製造用触媒が提案されている。しかしながら、この触媒にはアルカリ金属として実質カリウムが使用されており、カリウムは揮発性が高い金属であるため、使用中に流動するガス流によって触媒からカリウムが流出して改質触媒の下流に位置するユニットや他の触媒を汚染する恐れがある(非特許文献3)。   Further, on an inorganic oxide carrier as disclosed in JP 2007-98385 A (Patent Document 3), ruthenium is a catalyst standard, 0.5 to 10% by mass in terms of metal, an alkali metal is a catalyst standard, a metal Containing 0.5 to 10% by mass, ruthenium dispersity is 50% or more, and EPMA shows a line about alkali metal and ruthenium in one direction from the outer surface of the catalyst to the other outer surface so as to pass through the center of the catalyst cross section. A catalyst for producing hydrogen has been proposed in which a large amount of alkali metal is present in a region where ruthenium is present when analytically measured. However, since potassium is used as an alkali metal in this catalyst, and potassium is a highly volatile metal, potassium flows out of the catalyst by the gas stream flowing during use, and is positioned downstream of the reforming catalyst. Unit and other catalysts may be contaminated (Non-patent Document 3).

また、水素製造を経済的に行うためには、含浸担持法などを用いて活性金属成分である貴金属やニッケルを担体表面に高分散で付着させて効率的に利用するのが一般的である。しかしながら、活性金属成分を外部から導入する金属担持方法では、活性金属成分と担体表面の間に形成される結合力が弱く、担体上に活性金属成分が高分散で導入された状態であっても、スチームが共存する改質反応条件下に長時間曝されると、担体表面上で活性金属成分がシンタリング(凝集)を起こして当初の高分散状態での触媒性能を維持することが難しくなり、触媒機能が早期に低下して劣化し易いという問題があった。   Further, in order to economically produce hydrogen, it is common to efficiently use a noble metal or nickel, which is an active metal component, deposited on the support surface with high dispersion by using an impregnation support method or the like. However, in the metal loading method in which the active metal component is introduced from the outside, the bonding force formed between the active metal component and the support surface is weak, and even if the active metal component is introduced in a highly dispersed state on the support When exposed to reforming reaction conditions in which steam coexists, the active metal component sinters (aggregates) on the support surface, making it difficult to maintain the catalyst performance in the initial highly dispersed state. There has been a problem that the catalyst function is likely to deteriorate early and deteriorate.

例えば、特開2000−61307号公報(特許文献4)にあるような、60%以上の高い分散度で活性金属成分であるルテニウムを担持し、長期間維持する実用強度を備えた高分散型水蒸気改質触媒と、該触媒に接触させて水蒸気/炭素比2.8〜10、原料供給量10h-1以下、反応圧力を2気圧以上に保つ水素製造方法が提案されている。しかしながら、この触媒及び方法は750〜900℃の高温加圧条件での水蒸気改質反応に適用するためのもので、550℃より低い温度条件での水蒸気改質反応に適用されたものではない。また、改質反応条件下に供された後の触媒におけるルテニウムの分散度は明らかではないが、担体の外部から担持によって導入された微粒のルテニウムがその高い分散度を保持することができるのは反応初期の短時間に限定されるものと推察される。 For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-61307 (Patent Document 4), highly dispersed water vapor having a practical strength that supports ruthenium, which is an active metal component, with a high degree of dispersion of 60% or more and maintains it for a long period of time. A reforming catalyst and a hydrogen production method in which the catalyst is brought into contact with the catalyst to maintain a steam / carbon ratio of 2.8 to 10, a raw material supply amount of 10 h −1 or less, and a reaction pressure of 2 atm or more have been proposed. However, this catalyst and method are for application to a steam reforming reaction under a high-temperature pressure condition of 750 to 900 ° C, and are not applied to a steam reforming reaction under a temperature condition lower than 550 ° C. In addition, the degree of dispersion of ruthenium in the catalyst after being subjected to the reforming reaction conditions is not clear, but fine ruthenium introduced by loading from the outside of the carrier can maintain its high degree of dispersion. It is assumed that the reaction is limited to a short time in the initial stage of the reaction.

この問題に対しては、例えば、特許第4211900号公報(特許文献5)にあるような、ハイドロタルサイト(多孔性複合水酸化物の水和物)のAlをScとRh又はYとRhに置換した金属微粒子担持炭化水素改質用触媒が提案されている。しかしながら、この触媒の調製法は水溶性塩を水に溶解させて調製した混合溶液のpHを変化させて沈殿を生成させる、いわゆる共沈法を利用したものであるが、各金属元素の加水分解速度の違いによって沈殿の生成速度が異なると、沈殿生成が速い成分が先に沈殿して均一な組成の沈殿を得ることができず、触媒内に活性金属成分が高分散で導入できないという問題があった。   For this problem, for example, Al in hydrotalcite (a hydrate of porous composite hydroxide) as described in Japanese Patent No. 4211900 (Patent Document 5) is changed into Sc and Rh or Y and Rh. Substituted metal fine particle supported hydrocarbon reforming catalysts have been proposed. However, this catalyst is prepared using a so-called coprecipitation method in which a precipitate is formed by changing the pH of a mixed solution prepared by dissolving a water-soluble salt in water. If the rate of precipitation differs depending on the speed, the components with fast precipitation will precipitate first, and it will not be possible to obtain a precipitate with a uniform composition, and the active metal component cannot be introduced into the catalyst in a highly dispersed state. there were.

また、特許第4358405号公報(特許文献6)にあるような、アルミナ担体にルテニウム成分、ジルコニア成分、アルカリ金属成分、アルカリ土類金属成分及び/又は希土類金属成分、並びに、コバルト成分及び/又はニッケル成分を担持してなる炭化水素改質用触媒が提案されている。しかしながら、この触媒は焼成や反応時の高温下における劣化を抑制するためのもので、550℃より低い温度条件での水蒸気改質反応に適用されたものではない。また、アルミナ担体への各種金属成分の導入が担持による方法であるので、スチームが共存する改質反応条件下に長時間曝されて担体表面上で活性金属成分がシンタリング(凝集)を起こし、当初の高分散状態での触媒性能を維持することが難しくなるという問題があった。   In addition, as disclosed in Japanese Patent No. 4358405 (Patent Document 6), an alumina support has a ruthenium component, a zirconia component, an alkali metal component, an alkaline earth metal component and / or a rare earth metal component, and a cobalt component and / or nickel. Hydrocarbon reforming catalysts that carry components are proposed. However, this catalyst is for suppressing deterioration under high temperature during firing and reaction, and is not applied to a steam reforming reaction under a temperature condition lower than 550 ° C. In addition, since the introduction of various metal components to the alumina carrier is a method by loading, the active metal component is subjected to sintering (aggregation) on the surface of the carrier after being exposed to a reforming reaction condition in which steam coexists for a long time, There was a problem that it was difficult to maintain the catalyst performance in the initial highly dispersed state.

特開昭60−147242号公報JP 60-147242 A 特開2007−703号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-703 特開2007−98385号公報JP 2007-98385 A 特開2000−61307号公報JP 2000-61307 A 特許第4211900号公報Japanese Patent No. 4211900 特許第4358405号公報Japanese Patent No. 4358405

燃料協会誌,68,39(1989)Fuel Association, 68, 39 (1989) J. Jpn. Inst. Energy,85(4),307(2006)J. Jpn. Inst. Energy, 85 (4), 307 (2006). Oil Gas Journal,74,(7),73(1976)Oil Gas Journal, 74, (7), 73 (1976)

上述のように、石油系炭化水素を燃料油とする燃料電池用水素の製造において、従来の技術で提供される水素製造用改質触媒及び水素製造方法では、低温での改質反応により水素を製造する際の問題を解決することはできなかった。これは、従来の技術が主に反応速度が比較的速い、高温での水蒸気改質反応を想定したものであり、温度が低く反応速度が遅い条件での水蒸気改質反応では表面反応が律速となることを十分に考慮していなかったためである。また、水素製造を長期間経済的に行うには、触媒に活性金属成分である貴金属を高分散で導入し、かつ触媒製造時の焼成処理や水素製造使用時の還元雰囲気下を経た後でもその高い分散性を保持できるよう触媒に導入された微粒の活性金属成分の安定性を高める方策が必要であるが、従来の方法で提供される水素製造用改質触媒はこれらの全てを満たすことができなかった。   As described above, in the production of hydrogen for fuel cells using petroleum-based hydrocarbons as fuel oil, the hydrogen production reforming catalyst and the hydrogen production method provided in the prior art provide hydrogen by a reforming reaction at a low temperature. The manufacturing problems could not be solved. This is based on the assumption that the conventional technology has a relatively high reaction rate and a steam reforming reaction at a high temperature, and in the steam reforming reaction at a low temperature and a slow reaction rate, the surface reaction is rate limiting. This is because it was not considered enough. In order to economically produce hydrogen for a long period of time, the precious metal, which is an active metal component, is introduced into the catalyst in a highly dispersed manner, and after the calcination treatment at the time of catalyst production and the reducing atmosphere at the time of hydrogen production use, There is a need for measures to increase the stability of the fine active metal component introduced into the catalyst so that high dispersibility can be maintained, but the reforming catalyst for hydrogen production provided by the conventional method must satisfy all of these. could not.

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、ベンゾチオフェン化合物、ジベンゾチオフェン化合物等の重質で脱硫の困難な硫黄化合物を含有する石油系炭化水素を燃料油とする燃料電池用水素の製造において、低温での水蒸気改質反応でも高い水素製造性能を有し、かつ硫黄被毒や炭素析出による改質触媒、改質器及びその下流に位置するユニットへの悪影響を抑制し、水素製造の開始に要する起動時間を短縮して効果的に水素を製造することができる、高機能な水素製造用改質触媒及びその製造方法、並びに該触媒を用いた水素製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and for a fuel cell using a petroleum hydrocarbon containing a heavy and difficult-to-desulfurize sulfur compound such as a benzothiophene compound and a dibenzothiophene compound as fuel oil. In hydrogen production, it has high hydrogen production performance even in steam reforming reaction at low temperature, and suppresses adverse effects on reforming catalyst, reformer and unit located downstream thereof due to sulfur poisoning and carbon deposition, To provide a highly functional reforming catalyst for hydrogen production, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen using the catalyst, which can effectively produce hydrogen by shortening the startup time required for starting hydrogen production. It is in.

本発明者らは、従来の改質反応温度よりも温度が低く反応速度が遅い条件での炭化水素の水蒸気改質反応は表面反応が律速となることに着目して鋭意検討した結果、担体成分にジルコニウムを含有させ、かつこれを担体内に均一に導入することによって低温での水蒸気改質反応における触媒活性の低下を抑制することができ、活性金属成分が担体に高分散かつ頑強に固定されるので熱的安定性が高まって焼成や反応時に生じるシンタリングの影響を低減することができ、また、担体の結晶子径を小さくすることによって比表面積が大きくなり、かつ導入された活性金属成分の担体表面への露出が容易になって水蒸気改質反応に供される水素製造用燃料油と触媒の接触効率を高めることができ、これらの複合的効果を有する触媒を用いることによって、低温での水蒸気改質反応でも効率的に水素を製造できる上、触媒の硫黄被毒や炭素析出による改質触媒、改質器及びその下流に位置するユニットへの悪影響を抑制でき、また、水素製造の開始に要する起動時間を短縮して効率的に水素を製造できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive investigations focusing on the fact that the steam reforming reaction of hydrocarbons under conditions where the temperature is lower than the conventional reforming reaction temperature and the reaction rate is slow, the surface reaction is rate-limiting, Incorporation of zirconium in the support and uniform introduction into the support can suppress a decrease in catalytic activity in the steam reforming reaction at low temperatures, and the active metal component is highly dispersed and firmly fixed to the support. Therefore, the thermal stability is increased, and the influence of sintering generated during firing and reaction can be reduced, and the specific surface area is increased by reducing the crystallite diameter of the support, and the introduced active metal component It is possible to increase the contact efficiency between the fuel oil for hydrogen production used for the steam reforming reaction and the catalyst, and to use the catalyst having these combined effects. Thus, hydrogen can be efficiently produced even in a steam reforming reaction at a low temperature, and adverse effects on the reforming catalyst, reformer and the unit located downstream thereof due to sulfur poisoning and carbon deposition of the catalyst can be suppressed. In addition, the inventors have found that hydrogen can be efficiently produced by shortening the startup time required for starting hydrogen production, and have completed the present invention.

即ち、本発明の水素製造用改質触媒は、ジルコニウムを含有する無機複合酸化物担体に、活性金属成分としてルテニウム、ロジウム、白金から選ばれる少なくとも1種の貴金属、および助触媒成分としてニッケル、コバルトから選ばれる少なくとも1種の遷移金属を含有し、比表面積が310m2/g以上で、前記貴金属が分散度60%以上で前記無機複合酸化物担体中に分散されていることを特徴とする。 That is, the reforming catalyst for hydrogen production of the present invention comprises an inorganic composite oxide support containing zirconium, at least one noble metal selected from ruthenium, rhodium, and platinum as an active metal component, and nickel, cobalt as a promoter component. And a specific surface area of 310 m 2 / g or more, and the noble metal is dispersed in the inorganic composite oxide support with a dispersity of 60% or more.

本発明の水素製造用改質触媒の好適例においては、前記無機複合酸化物担体がアルミナを含み、かつ該アルミナの結晶子径が3nm以下である。   In a preferred example of the reforming catalyst for hydrogen production of the present invention, the inorganic composite oxide support contains alumina, and the crystallite diameter of the alumina is 3 nm or less.

また、本発明の水素製造用改質触媒の製造方法は、
ジルコニウムと、ジルコニウム以外の金属を1種以上含む複合酸化物前駆体、および活性金属成分を含む活性金属前駆体を、有機多座配位子を用いて溶解させて均一溶液を調製する工程と、
助触媒成分を含む助触媒前駆体の水溶液を前記均一溶液に加えて加水分解させ、加水分解生成物を得る工程と、
酸素存在下、400〜800℃で、前記加水分解生成物を焼成する工程と
を含むことを特徴とする。
The method for producing a reforming catalyst for hydrogen production of the present invention comprises:
Preparing a homogeneous solution by dissolving zirconium, a composite oxide precursor containing one or more metals other than zirconium, and an active metal precursor containing an active metal component using an organic polydentate ligand;
Adding an aqueous solution of a co-catalyst precursor containing a co-catalyst component to the homogeneous solution for hydrolysis to obtain a hydrolysis product;
And baking the hydrolyzed product at 400 to 800 ° C. in the presence of oxygen.

本発明の水素製造用改質触媒の製造方法の好適例においては、前記有機多座配位子が、ポリオール、アセトアセテート、ポリカルボン酸から選ばれる少なくとも1種を含む。ここで、前記有機多座配位子が、炭素数5以上のジオールを含むことが更に好ましい。   In a preferred embodiment of the method for producing a reforming catalyst for hydrogen production of the present invention, the organic polydentate ligand contains at least one selected from polyols, acetoacetates, and polycarboxylic acids. Here, it is more preferable that the organic polydentate ligand contains a diol having 5 or more carbon atoms.

また、本発明の水素製造方法は、上述の水素製造用改質触媒を具備する改質部に水素製造用燃料油とスチームを供給し、該改質部の触媒層の入口温度を520℃以下として水蒸気改質反応を行い、水素を含有する生成物を得ることを特徴とする。   In the hydrogen production method of the present invention, the fuel oil and steam for hydrogen production are supplied to the reforming section having the above-described reforming catalyst for hydrogen production, and the inlet temperature of the catalyst layer of the reforming section is 520 ° C. or lower. As a characteristic, a steam reforming reaction is performed to obtain a product containing hydrogen.

本発明の水素製造方法の好適例においては、前記水素製造用燃料が灯油留分である。   In a preferred example of the hydrogen production method of the present invention, the hydrogen production fuel is a kerosene fraction.

本発明によって提供された水素製造用改質触媒及び該触媒を用いた水素製造方法によって、低温での水蒸気改質反応を効果的に進め、かつ触媒活性の低下を抑制し、かつ改質触媒、改質器及びその下流に位置するユニットへの悪影響を抑制することで、従来よりも低温で改質反応を開始させることが可能となり、起動に必要な時間の短い燃料電池システムの運用が可能となる。また、本発明によれば、改質反応の活性劣化やコーキングによる改質器の閉塞を抑制し、長期の水素製造が可能となる。また、本発明によれば、改質温度の低下によって、改質触媒の熱劣化による性能低下を低減し、高温耐久性の高い高価な材料を用いることなく改質器の耐久性を向上させ、改質器構造の簡易化や材料のコスト低減、平衡シフト反応を用いた低温改質プロセスへの適用等、経済的な水素製造を実施することが可能な水蒸気改質触媒を提供することができる。   By the reforming catalyst for hydrogen production provided by the present invention and the hydrogen production method using the catalyst, the steam reforming reaction is effectively advanced at a low temperature and the reduction in the catalytic activity is suppressed, and the reforming catalyst, By suppressing adverse effects on the reformer and the units located downstream of it, it becomes possible to start the reforming reaction at a lower temperature than before, and it is possible to operate a fuel cell system with a short time required for startup. Become. In addition, according to the present invention, it is possible to suppress the deterioration of the activity of the reforming reaction and the clogging of the reformer due to coking, thereby enabling long-term hydrogen production. In addition, according to the present invention, due to the reduction in reforming temperature, the performance degradation due to thermal degradation of the reforming catalyst is reduced, and the durability of the reformer is improved without using expensive materials with high temperature durability, It is possible to provide a steam reforming catalyst capable of carrying out economical hydrogen production, such as simplification of the reformer structure, material cost reduction, and application to a low temperature reforming process using an equilibrium shift reaction. .

実施例で用いた水素製造装置の構成の概略図である。It is the schematic of the structure of the hydrogen production apparatus used in the Example.

以下、本発明の内容をさらに詳細に説明する。本発明の水素製造用改質触媒は、ジルコニウムを含有する無機複合酸化物担体に、活性金属成分としてルテニウム、ロジウム、白金から選ばれる少なくとも1種の貴金属、および助触媒成分としてニッケル、コバルトから選ばれる少なくとも1種の遷移金属を含有し、比表面積が310m2/g以上で、前記貴金属が分散度60%以上で前記無機複合酸化物担体中に分散されていることを特徴とする。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described in more detail. The reforming catalyst for hydrogen production of the present invention is selected from zirconium-containing inorganic composite oxide support, at least one noble metal selected from ruthenium, rhodium and platinum as active metal components, and nickel and cobalt as promoter components. And a specific surface area of 310 m 2 / g or more, and the noble metal is dispersed in the inorganic composite oxide support with a dispersity of 60% or more.

本発明の水蒸気改質触媒は、ジルコニウムを触媒担体に均一かつ微小に含有することによって、低温での水蒸気改質反応における触媒活性の低下を抑制することができる。また、本発明の水蒸気改質触媒は、比表面積が大きく、水蒸気改質反応に供される水素製造用燃料油と効率的に接触することができる。更に、本発明の水蒸気改質触媒においては、活性金属成分である貴金属を60%以上の高い分散度で無機複合酸化物担体中に導入することで貴金属の粒子が小さくなり、貴金属を効率的に触媒作用させることができる。また、本発明の水蒸気改質触媒においては、貴金属と共に助触媒成分を含有することで、貴金属の分散性が向上し、触媒活性が著しく向上する。また、該助触媒成分は、貴金属に対する楔として作用することで、貴金属の結晶化を抑制し、改質反応中に進行する貴金属の分散度の低下を抑制して、触媒の劣化を抑止するものと考えられる。また更に、有機多座配位子を用いて活性金属成分を触媒内部に高分散状態で均一に導入することで、活性金属成分が担体内に頑強に固定されて安定性が高まり、焼成や反応時に生じるシンタリングの影響を低減することができる。そして、これらの複合的効果によって、低温での水蒸気改質反応における律速段階である表面反応を効果的に進めることで、石油系炭化水素を燃料油とする低温での水蒸気改質反応による水素製造を効果的に行うことができる。   The steam reforming catalyst of the present invention can suppress a decrease in catalytic activity in a steam reforming reaction at a low temperature by containing zirconium in a catalyst carrier uniformly and minutely. In addition, the steam reforming catalyst of the present invention has a large specific surface area, and can efficiently contact the fuel oil for hydrogen production used for the steam reforming reaction. Furthermore, in the steam reforming catalyst of the present invention, the noble metal particles are reduced by introducing the noble metal, which is the active metal component, into the inorganic composite oxide support with a high dispersity of 60% or more, and the noble metal is efficiently removed. It can be catalyzed. Moreover, in the steam reforming catalyst of the present invention, by containing a promoter component together with the noble metal, the dispersibility of the noble metal is improved and the catalytic activity is remarkably improved. In addition, the promoter component acts as a wedge for the noble metal, thereby suppressing crystallization of the noble metal, suppressing a decrease in the degree of dispersion of the noble metal that progresses during the reforming reaction, and suppressing deterioration of the catalyst. it is conceivable that. Furthermore, the active metal component is uniformly introduced into the catalyst in a highly dispersed state using an organic polydentate ligand, so that the active metal component is firmly fixed in the support and the stability is increased, so that the firing and reaction can be performed. The influence of sintering that sometimes occurs can be reduced. Through these combined effects, hydrogen production by low-temperature steam reforming reaction using petroleum hydrocarbons as fuel oil by effectively proceeding with surface reaction, which is the rate-limiting step in low-temperature steam reforming reaction Can be carried out effectively.

本発明の水素製造用改質触媒は、ゾルゲル調製法を利用して調製されることが好ましい。ゾルゲル法で調製された無機複合酸化物は、ジルコニウムの含有量が高くてもジルコニウムが均一に分散し、かつ400〜800℃で焼成処理を行った後でも310m2/g以上の高い比表面積を有することが可能となる。例えば、本発明の水素製造用改質触媒は、ジルコニウムと、ジルコニウム以外の金属を1種以上含む複合酸化物前駆体、および活性金属成分を含む活性金属前駆体を、有機多座配位子を用いて溶解させて均一溶液を調製し、該均一溶液に助触媒成分を含む助触媒前駆体の水溶液を加え加水分解させて、加水分解生成物を得、酸素存在下、400〜800℃で、該加水分解生成物を焼成して製造することができる。この方法によれば、特定金属成分の沈殿を抑制して担体中にジルコニウムを高分散で導入することができ、また、金属酸化物形成の際に焼結による比表面積の低下を防止して、310m2/g以上の高い比表面積を有するジルコニウム含有複合酸化物触媒が得られる。 The reforming catalyst for hydrogen production of the present invention is preferably prepared using a sol-gel preparation method. The inorganic composite oxide prepared by the sol-gel method has a high specific surface area of 310 m 2 / g or more even after zirconium is uniformly dispersed even when the zirconium content is high and after baking at 400 to 800 ° C. It becomes possible to have. For example, the reforming catalyst for hydrogen production of the present invention comprises zirconium, a composite oxide precursor containing one or more metals other than zirconium, and an active metal precursor containing an active metal component, an organic multidentate ligand. To prepare a homogeneous solution, hydrolyze an aqueous solution of a co-catalyst precursor containing a co-catalyst component to obtain a hydrolyzed product at 400-800 ° C. in the presence of oxygen, The hydrolysis product can be produced by firing. According to this method, the precipitation of the specific metal component can be suppressed and zirconium can be introduced into the carrier in a highly dispersed state, and the reduction of the specific surface area due to sintering during the formation of the metal oxide can be prevented, A zirconium-containing composite oxide catalyst having a high specific surface area of 310 m 2 / g or more is obtained.

ここで、ジルコニウムとジルコニウム以外の金属を1種以上含む複合酸化物前駆体、および活性金属成分を含む活性金属前駆体を、有機多座配位子と共に均一に溶解させることによって、複数の金属に有機多座配位子が配位した架橋錯体が溶液中に形成される。この架橋錯体を形成することによって、活性金属成分が他の金属成分より先に沈殿することを抑制することができ、また、金属に架橋配位した有機多座配位子が焼成処理において高い温度まで残存することで、焼結による比表面積の低下、及び活性金属成分の昇華による減少と分散性の低下を抑止し、活性金属成分を均一かつ高分散で導入することが可能となる。そして、これらの効果によって、310m2/g以上の高い比表面積及び貴金属の分散度が60%以上の高い分散性の双方の特性を有するジルコニウム含有複合酸化物触媒を調製することができる。 Here, a complex oxide precursor containing at least one kind of zirconium and a metal other than zirconium, and an active metal precursor containing an active metal component are uniformly dissolved together with an organic polydentate ligand to form a plurality of metals. A crosslinked complex in which an organic polydentate ligand is coordinated is formed in the solution. By forming this cross-linked complex, the active metal component can be prevented from precipitating prior to other metal components, and the organic polydentate ligand cross-linked to the metal can be heated at a high temperature in the firing treatment. Thus, it is possible to suppress the decrease in specific surface area due to sintering, the decrease due to sublimation of the active metal component and the decrease in dispersibility, and the active metal component can be introduced uniformly and highly dispersed. With these effects, it is possible to prepare a zirconium-containing composite oxide catalyst having both a high specific surface area of 310 m 2 / g or more and a high dispersibility with a precious metal dispersion of 60% or more.

尚、前記有機多座配位子は、溶媒として用いて、これに複合酸化物前駆体と活性金属前駆体を溶解させてもよいし、溶媒に有機多座配位子、複合酸化物前駆体、活性金属前駆体をそれぞれ溶解させてもよい。この際に用いる溶媒としては、アルコールやエステル、例えば、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、アセト酢酸n−プロピル、アセト酢酸イソプロピル、アセト酢酸t‐ブチル等が挙げられる。有機多座配位子と共に複合酸化物前駆体を溶解させると、複合酸化物前駆体と有機多座配位子との間で配位子交換反応が進む。そして、配位子交換反応が進むと、複数の金属に有機多座配位子が配位した架橋錯体が溶液中に生成する。なお、この配位子交換反応は可逆反応なので、反応蒸留で複合酸化物前駆体から分離する成分を除去しながら行うと、配位子交換反応の進行を促進することができる。   The organic polydentate ligand may be used as a solvent, and the complex oxide precursor and the active metal precursor may be dissolved in the solvent, or the organic polydentate ligand and complex oxide precursor may be dissolved in the solvent. Each of the active metal precursors may be dissolved. Examples of the solvent used in this case include alcohols and esters such as ethanol, propanol, isopropanol, butanol, methyl acetoacetate, ethyl acetoacetate, n-propyl acetoacetate, isopropyl acetoacetate, and t-butyl acetoacetate. When the complex oxide precursor is dissolved together with the organic polydentate ligand, a ligand exchange reaction proceeds between the complex oxide precursor and the organic polydentate ligand. When the ligand exchange reaction proceeds, a crosslinked complex in which an organic polydentate ligand is coordinated to a plurality of metals is generated in the solution. Since this ligand exchange reaction is a reversible reaction, the progress of the ligand exchange reaction can be promoted by removing the component separated from the complex oxide precursor by reactive distillation.

前記無機複合酸化物担体に含まれるジルコニウムは、触媒活性の低下の抑制には効果があるが、ジルコニウムの含有量が高いほど無機複合酸化物担体の比表面積が小さくなる。従って、無機複合酸化物担体に対するジルコニウムの含有量は、好ましくは0.1〜50質量%、より好ましくは5〜50質量%、特に好ましくは10〜50質量%である。ジルコニウムの含有量が0.1質量%未満ではジルコニウム成分の添加効果が十分に得られず、一方、50質量%を超えると無機複合酸化物担体の比表面積が減少して所定の比表面積の触媒を得ることが困難となるので、いずれも好ましくない。なお、ジルコニウムを含有することによって触媒活性の低下が抑制される理由は不明であるが、活性金属成分とジルコニウムの親和力が高く、本発明に基づいて均一かつ微小に分散したジルコニウムによって導入された活性金属成分が安定化すると考える。また、担体内部に分散したジルコニウムが担体中の酸素原子を活性化して、触媒に付着した炭素質の酸化(ガス化)を促進し、触媒劣化の原因となるコーク付着を抑制すると考える。従って、前記無機複合酸化物担体は、ジルコニウムを含有しながら触媒の比表面積を310m2/g以上とするために、ジルコニウムの他に、金属酸化物を含むことが好ましく、該金属酸化物としてはアルミナ、酸化ケイ素から選ばれる1種以上の金属酸化物を含むことが好ましく、特にはアルミナを含むことが好ましい。無機複合酸化物担体が高い比表面積を有するためにアルミナを含む場合、該アルミナは、結晶子径が3nm以下であることが好ましく、非晶質であることが更に好ましい。アルミナの結晶子径が3nmより大きいと比表面積が減少して所定の比表面積の触媒が得られ難くなるため好ましくない。また、酸化ケイ素を含む場合も、該酸化ケイ素は非晶質であることが好ましい。ここで、非晶質とは、X線回折(XRD)において回折ピークが検出されない非結晶性(アモルファス)の状態にあることを示す。また、結晶子径は、X線回折などの公知の分析方法で測定することができる。 Zirconium contained in the inorganic composite oxide support is effective in suppressing a decrease in catalytic activity, but the specific surface area of the inorganic composite oxide support decreases as the zirconium content increases. Therefore, the zirconium content relative to the inorganic composite oxide support is preferably 0.1 to 50% by mass, more preferably 5 to 50% by mass, and particularly preferably 10 to 50% by mass. When the zirconium content is less than 0.1% by mass, the effect of adding the zirconium component cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the zirconium content exceeds 50% by mass, the specific surface area of the inorganic composite oxide support decreases and the catalyst has a predetermined specific surface area. It is difficult to obtain any of these, and neither is preferable. The reason why the decrease in catalytic activity is suppressed by containing zirconium is not clear, but the affinity between the active metal component and zirconium is high, and the activity introduced by zirconium dispersed uniformly and finely based on the present invention. The metal component is considered to be stabilized. Further, it is considered that zirconium dispersed inside the support activates oxygen atoms in the support, promotes oxidation (gasification) of carbonaceous material attached to the catalyst, and suppresses coke adhesion that causes catalyst deterioration. Therefore, the inorganic composite oxide support preferably contains a metal oxide in addition to zirconium so that the specific surface area of the catalyst is 310 m 2 / g or more while containing zirconium. It is preferable to include one or more metal oxides selected from alumina and silicon oxide, and it is particularly preferable to include alumina. In the case where the inorganic composite oxide support includes alumina in order to have a high specific surface area, the alumina preferably has a crystallite diameter of 3 nm or less, and more preferably is amorphous. If the crystallite diameter of alumina is larger than 3 nm, the specific surface area decreases and it becomes difficult to obtain a catalyst having a predetermined specific surface area. Further, when silicon oxide is included, the silicon oxide is preferably amorphous. Here, the term “amorphous” refers to an amorphous state where no diffraction peak is detected in X-ray diffraction (XRD). The crystallite diameter can be measured by a known analysis method such as X-ray diffraction.

従って、本発明に用いる複合酸化物前駆体は、ジルコニウムとジルコニウム以外の金属として、アルミニウムとケイ素から選ばれる1種以上を含む化合物であることが好ましく、該複合酸化物前駆体としては、これら金属の無機塩及び有機塩、例えば酸化物塩、硝酸塩、ハロゲン化物塩、炭酸塩、有機酸塩などを用いることができるが、上述の配位子交換反応で分離する成分を反応蒸留で除去しやすい金属アルコキシドを用いるのが好ましい。   Therefore, the composite oxide precursor used in the present invention is preferably a compound containing at least one selected from aluminum and silicon as a metal other than zirconium and zirconium. As the composite oxide precursor, these metals are used. Inorganic salts and organic salts, such as oxide salts, nitrates, halide salts, carbonates, and organic acid salts, can be used, but the components separated by the above-described ligand exchange reaction can be easily removed by reactive distillation. It is preferable to use a metal alkoxide.

例えば、ジルコニウムの酸化物前駆体としては、塩化ジルコニウム(IV)、臭化ジルコニウム(IV)、ヨウ化ジルコニウム(IV)、酸化ジルコニウム(IV)、オキシ塩化ジルコニウム、ジルコニウム(IV)エトキシド、ジルコニウム(IV)n−プロポキシド、ジルコニウム(IV)テトライソプロポキシド、ジルコニウムn−ブトキシド、ジルコニウム(IV)テトラブトキシド、2−エチルヘキサン酸ジルコニウム(IV)などを用いることができるが、ジルコニウム(IV)エトキシド又はジルコニウム(IV)テトライソプロポキシドを用いるのが好ましい。   For example, zirconium oxide precursors include zirconium chloride (IV), zirconium bromide (IV), zirconium iodide (IV), zirconium oxide (IV), zirconium oxychloride, zirconium (IV) ethoxide, zirconium (IV). ) N-propoxide, zirconium (IV) tetraisopropoxide, zirconium n-butoxide, zirconium (IV) tetrabutoxide, zirconium 2-ethylhexanoate (IV), etc., but zirconium (IV) ethoxide or Zirconium (IV) tetraisopropoxide is preferably used.

また、アルミナの酸化物前駆体としては、ヨウ化アルミニウム、塩基性炭酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、2−エチルヘキサン酸アルミニウム、アルミニウムアセチルアセトナート、アルミニウムヘキサフルオロアセチルアセトナート、アルミニウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムn−ブトキシド、アルミニウムt−ブトキシドなどを用いることができるが、アルミニウムエトキシド又はアルミニウムイソプロポキシドを用いるのが好ましい。   Examples of the oxide precursor of alumina include aluminum iodide, basic aluminum carbonate, aluminum acetate, aluminum 2-ethylhexanoate, aluminum acetylacetonate, aluminum hexafluoroacetylacetonate, aluminum ethoxide, and aluminum isopropoxide. Aluminum n-butoxide, aluminum t-butoxide, and the like can be used, but aluminum ethoxide or aluminum isopropoxide is preferably used.

また、酸化ケイ素の酸化物前駆体としては、四塩化ケイ素、臭化ケイ素(IV)、ヨウ化ケイ素(IV)、2−エチルヘキサン酸ケイ素、オルトケイ酸テトラエチル、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランなどを用いることができるが、オルトケイ酸テトラエチル又はテトラプロポキシシランを用いるのが好ましい。   Examples of silicon oxide oxide precursors include silicon tetrachloride, silicon bromide (IV), silicon iodide (IV), silicon 2-ethylhexanoate, tetraethyl orthosilicate, tetrapropoxysilane, and tetrabutoxysilane. Although it can be used, it is preferable to use tetraethyl orthosilicate or tetrapropoxysilane.

本発明に用いる有機多座配位子としては、1分子あたり金属に配位できる官能基を複数有する有機化合物、例えば、ポリオール、ポリカルボン酸、アセトアセテート、アミノアルコール、ケトアルコールなどが挙げられる。金属への配位力は有機多座配位子の官能基の数や種類によって異なるが、金属への配位力の強すぎる有機多座配位子を用いると、この後で行う加水分解処理において加水分解の進行が遅くなるので好ましくない。有機多座配位子と金属の配位力は、金属に直接配位する原子の周りの嵩高さによって影響を受けるので、金属に直接配位する原子の周りが嵩高い有機多座配位子を用いると金属に有機多座配位子が強く配位することを立体的に抑制することができる。従って、上記有機多座配位子としては、炭素数5以上のジオールが好ましく、特には、炭素数6のジオールであるピナコール及び2−メチル−2,4−ペンタンジオールが好ましい。   Examples of the organic polydentate ligand used in the present invention include organic compounds having a plurality of functional groups capable of coordinating to a metal per molecule, such as polyols, polycarboxylic acids, acetoacetates, amino alcohols, and keto alcohols. The coordinating power to metal varies depending on the number and type of functional groups of the organic polydentate ligand, but if an organic polydentate ligand with too strong coordinating power to the metal is used, the subsequent hydrolysis treatment Is not preferable because the progress of hydrolysis is slow. The coordination force between the organic polydentate ligand and the metal is affected by the bulkiness around the atom that coordinates directly to the metal, so the organic polydentate ligand that is bulky around the atom that coordinates directly to the metal Can be used to sterically inhibit the organic polydentate ligand from strongly coordinating to the metal. Therefore, as the organic polydentate ligand, a diol having 5 or more carbon atoms is preferable, and pinacol and 2-methyl-2,4-pentanediol which are diols having 6 carbon atoms are particularly preferable.

本発明の水素製造用改質触媒は、活性金属成分としてルテニウム、ロジウム、白金から選ばれる少なくとも1種の貴金属を含有し、また、助触媒成分としてニッケル、コバルトから選ばれる少なくとも1種の遷移金属を含有する。なお、貴金属としてはルテニウム及びロジウムが好ましく、また、遷移金属としてはコバルトが特に好ましい。   The reforming catalyst for hydrogen production of the present invention contains at least one noble metal selected from ruthenium, rhodium and platinum as an active metal component, and at least one transition metal selected from nickel and cobalt as a promoter component. Containing. In addition, ruthenium and rhodium are preferable as the noble metal, and cobalt is particularly preferable as the transition metal.

上記貴金属の含有量は担体の比表面積にも依存するが、概して触媒質量に対して金属として0.05〜10質量%、好ましくは0.1〜5質量%、より好ましくは0.3〜3質量%である。貴金属含有量が0.05質量%よりも少ないと触媒上の反応活性点として機能する貴金属の総量が減少して充分な触媒活性が得られなくなり、また、10質量%よりも多いとコストが増加するので好ましくない。該貴金属の原料(前駆体)としては貴金属塩化物などの貴金属化合物を用いることができる。例えば、貴金属としてルテニウムを含有する場合、ルテニウム活性成分の前駆体としては、三塩化ルテニウム、硝酸ルテニウム、ルテニウム(III)2,4−ペンタンジオネートなどのルテニウム化合物を用いることができ、特に好ましくは三塩化ルテニウム(無水物又は水和物)を用いる。また、貴金属としてロジウムを含有する場合は、塩化ロジウム、臭化ロジウム、硝酸ロジウム、ロジウム(III)2,4−ペンタンジオネートなどのロジウム化合物を前駆体として用いることができ、貴金属として白金を含有する場合は、塩化白金、臭化白金、白金(II)2,4−ペンタンジオネートなどの白金化合物を前駆体として用いることができる。   The content of the noble metal depends on the specific surface area of the support, but is generally 0.05 to 10% by mass, preferably 0.1 to 5% by mass, more preferably 0.3 to 3% as a metal with respect to the catalyst mass. % By mass. If the precious metal content is less than 0.05% by mass, the total amount of precious metals functioning as reaction active sites on the catalyst will be reduced and sufficient catalytic activity will not be obtained, and if it exceeds 10% by mass, the cost will increase. This is not preferable. As the noble metal raw material (precursor), a noble metal compound such as noble metal chloride can be used. For example, when ruthenium is contained as a noble metal, ruthenium compounds such as ruthenium trichloride, ruthenium nitrate, ruthenium (III) 2,4-pentandionate can be used as the precursor of the ruthenium active component, and particularly preferably. Ruthenium trichloride (anhydride or hydrate) is used. When rhodium is contained as a noble metal, rhodium compounds such as rhodium chloride, rhodium bromide, rhodium nitrate, rhodium (III) 2,4-pentandionate can be used as a precursor, and platinum is contained as a noble metal. In this case, a platinum compound such as platinum chloride, platinum bromide, or platinum (II) 2,4-pentanedionate can be used as a precursor.

ここで、上記貴金属の分散度は、貴金属に対する化学吸着量を測定する公知の方法により測定することができる。この方法としては、例えばCOガスを用いるパルスインジェクション法を用いることができ、以下、該パルスインジェクション法について説明する。まず、触媒を入れた測定セルにCOガスのパルスを連続的に注入すると、初めの数パルスまではCOが貴金属の表面に吸着され、セルから流出するCO量は注入したCO量より低下するが、貴金属の表面にCOが吸着され定常状態になると、注入したCOのほとんどが流出するようになる。そして、定常時に流出するCO量から初めの吸着時のCO量を引き、その差分の和をCO吸着量として求めることができる。このようにして求められたCO吸着量から、貴金属に吸着したCOのモル数を算出する。また、このようにして算出されたCOの吸着量のモル数と貴金属のモル数から、下記式(1)により貴金属の分散度が求められる。   Here, the degree of dispersion of the noble metal can be measured by a known method for measuring the amount of chemical adsorption to the noble metal. As this method, for example, a pulse injection method using CO gas can be used, and the pulse injection method will be described below. First, when CO gas pulses are continuously injected into the measurement cell containing the catalyst, CO is adsorbed on the surface of the noble metal until the first few pulses, and the amount of CO flowing out of the cell is lower than the amount of injected CO. When CO is adsorbed on the surface of the noble metal and becomes a steady state, most of the injected CO flows out. Then, the CO amount at the time of the first adsorption is subtracted from the CO amount flowing out in the steady state, and the sum of the differences can be obtained as the CO adsorption amount. From the CO adsorption amount thus determined, the number of moles of CO adsorbed on the noble metal is calculated. Further, from the calculated number of moles of CO adsorption and the number of moles of noble metal, the degree of dispersion of the noble metal is obtained by the following formula (1).

貴金属分散度(%)=(触媒1g当たりに吸着したCO分子のモル数÷触媒1g当たりに含まれる貴金属のモル数)×100 ・・・ 式(1)   Precious metal dispersion (%) = (number of moles of CO molecules adsorbed per gram of catalyst / number of moles of precious metal contained per gram of catalyst) × 100 (1)

上記貴金属分散度は、実際の改質反応に作用する貴金属の活性点の割合を示すものであり、この値が大きいほど活性金属成分である貴金属が触媒中に高分散で分布していることを示す。   The degree of precious metal dispersion indicates the ratio of the active sites of precious metals that act on the actual reforming reaction. The larger this value, the more precious metals that are active metal components are distributed in the catalyst. Show.

また、助触媒成分としての上記遷移金属の含有量は、上記貴金属に対する原子モル比で好ましくは0.1〜3.0、さらに好ましくは0.1〜1.0、特に好ましくは0.2〜0.5である。上記遷移金属の貴金属に対する原子モル比が0.1未満であると上述の助触媒効果が充分に現れず、また、3.0を超えると余剰の遷移金属が逆に貴金属の触媒機能を損なうことになるので好ましくない。該遷移金属の原料(前駆体)としては、遷移金属硝酸塩などの遷移金属化合物を用いることができる。例えば、遷移金属としてコバルトを含有する場合、コバルト助触媒成分の前駆体としては、硝酸コバルト、炭酸コバルト、酢酸コバルト、水酸化コバルト、塩化コバルトなどのコバルト化合物を一種又は複数種用いることができ、特に好ましくは硝酸コバルトを用いる。また、遷移金属としてニッケルを含有する場合、硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、酢酸ニッケル、水酸化ニッケル、塩化ニッケルなどのニッケル化合物を前駆体として用いることができる。   Further, the content of the transition metal as a promoter component is preferably 0.1 to 3.0, more preferably 0.1 to 1.0, particularly preferably 0.2 to atomic molar ratio to the noble metal. 0.5. If the atomic molar ratio of the transition metal to the noble metal is less than 0.1, the above-mentioned promoter effect does not sufficiently appear, and if it exceeds 3.0, the excess transition metal adversely impairs the catalytic function of the noble metal. This is not preferable. As the raw material (precursor) of the transition metal, a transition metal compound such as a transition metal nitrate can be used. For example, when cobalt is contained as a transition metal, one or more kinds of cobalt compounds such as cobalt nitrate, cobalt carbonate, cobalt acetate, cobalt hydroxide, and cobalt chloride can be used as the precursor of the cobalt promoter component, Particularly preferably, cobalt nitrate is used. Moreover, when nickel is contained as a transition metal, nickel compounds such as nickel nitrate, nickel carbonate, nickel acetate, nickel hydroxide, and nickel chloride can be used as a precursor.

上述の方法で生成したジルコニウム含有架橋錯体が溶解する溶液中に、助触媒成分を含む助触媒前駆体の水溶液を添加して架橋錯体の加水分解を行うことで、加水分解生成物の固形沈殿物を得ることができる。このとき架橋錯体の加水分解は70〜130℃の温和な条件で行い、加水分解反応の急激な進行を抑えることが好ましい。なお、温度が70℃未満では加水分解反応が進み難く、また、130℃を超えると加水分解が急激に進んで特定成分のみの沈殿が発生し易く、得られるジルコニウム含有酸化物の均一性が損なわれるのでいずれも好ましくない。   By adding an aqueous solution of a co-catalyst precursor containing a co-catalyst component to the solution in which the zirconium-containing cross-linked complex produced by the above method is dissolved, the cross-linked complex is hydrolyzed to obtain a solid precipitate of the hydrolysis product. Can be obtained. At this time, the hydrolysis of the crosslinked complex is preferably performed under mild conditions of 70 to 130 ° C. to suppress rapid progress of the hydrolysis reaction. The hydrolysis reaction is difficult to proceed when the temperature is lower than 70 ° C., and the hydrolysis proceeds rapidly when the temperature exceeds 130 ° C., and precipitation of only specific components is likely to occur, and the uniformity of the resulting zirconium-containing oxide is impaired. Therefore, neither is preferable.

上述の方法で生成した加水分解生成物の固形沈殿物を回収し、好ましくは100〜150℃で乾燥処理を行って加水分解生成物の脱水又は脱アルコール反応によって高分子化(ゲル化)を進める。加水分解生成物を高分子化することによって、焼成の際に高温まで有機多座配位子が残り易くなり、これが担体金属の焼結を抑制することで焼成後に高い比表面積を有する複合酸化物を得ることができる。   The solid precipitate of the hydrolysis product generated by the above-mentioned method is collected, and preferably dried at 100 to 150 ° C., and polymerization (gelation) is advanced by dehydration or dealcoholization reaction of the hydrolysis product. . By polymerizing the hydrolysis product, organic polydentate ligands are likely to remain up to a high temperature during firing, and this suppresses sintering of the carrier metal, thereby reducing the composite oxide having a high specific surface area after firing. Can be obtained.

上述の処理を行った加水分解生成物を、酸素含有雰囲気下で焼成処理することによってジルコニウム含有複合酸化物が得られる。ここで、酸素含有雰囲気としては、酸素、空気などが挙げられる。なお、焼成処理を400℃未満の温度で行うと安定な酸化物に変換することができず、また、800℃より高い温度で行うと焼結によって結晶化や金属酸化物粒子径の増大によってジルコニウム含有複合酸化物の比表面積を低下させることになるので、いずれも好ましくない。そのため、焼成処理の温度は400〜800℃、好ましくは500〜700℃である。また、有機多座配位子の燃焼で発生する水や二酸化炭素を効果的に除去するために、送風下で焼成処理することが好ましい。   A zirconium-containing composite oxide is obtained by baking the hydrolyzed product subjected to the above-described treatment in an oxygen-containing atmosphere. Here, oxygen, air, etc. are mentioned as oxygen-containing atmosphere. Note that if the baking treatment is performed at a temperature lower than 400 ° C., it cannot be converted into a stable oxide. If the baking treatment is performed at a temperature higher than 800 ° C., the sintering causes crystallization or increase in the metal oxide particle diameter. Since the specific surface area of the containing complex oxide is lowered, neither is preferable. Therefore, the temperature of a baking process is 400-800 degreeC, Preferably it is 500-700 degreeC. Moreover, in order to remove effectively the water and carbon dioxide which generate | occur | produce by combustion of an organic polydentate ligand, it is preferable to calcinate under ventilation.

本発明の水素製造用改質触媒は、比表面積が310m2/g以上、好ましくは320m2/g以上である。比表面積が大きいほど接触効率が高くなり反応性が向上する。また、比表面積が310m2/g未満では反応律速を十分に解消することができないので好ましくない。尚、触媒の比表面積は、窒素吸着法で求めることができる。 The reforming catalyst for hydrogen production of the present invention has a specific surface area of 310 m 2 / g or more, preferably 320 m 2 / g or more. The larger the specific surface area, the higher the contact efficiency and the reactivity. Further, if the specific surface area is less than 310 m 2 / g, the reaction rate-limiting cannot be sufficiently eliminated, which is not preferable. The specific surface area of the catalyst can be obtained by a nitrogen adsorption method.

本発明の触媒の形状としては、特に限定されるものではないが、例えば、球状、円柱状、角柱状、打錠状、針状、膜状、ハニカム構造状などが挙げられる。また、触媒の成型には、特に限定されるものではないが、例えば、加圧成型、押出成型、転動造粒成型、プレス成型などの成型方法が利用できる。   The shape of the catalyst of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, a cylindrical shape, a prismatic shape, a tableting shape, a needle shape, a membrane shape, and a honeycomb structure. In addition, the molding of the catalyst is not particularly limited. For example, molding methods such as pressure molding, extrusion molding, rolling granulation molding, and press molding can be used.

上記の方法でジルコニウム含有複合酸化物担体に導入された活性金属成分には活性化のために還元処理を行うが、還元処理に液相還元剤を用いると改質反応の使用に際しての触媒の前処理還元、又は反応初期の発熱等の負荷を低減することができ、貴金属の還元処理によって生じる貴金属分散度の低下を抑制することができるので好ましい。液相還元処理の方法としては、例えば、ギ酸、ギ酸のアルカリ金属塩、ホルマリン、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を用いて1〜20質量%の水溶液を調製し、室温〜100℃の温度に加温した後に触媒を投入して行う方法が挙げられる。   The active metal component introduced into the zirconium-containing composite oxide support by the above method is subjected to a reduction treatment for activation. When a liquid phase reducing agent is used for the reduction treatment, the active metal component is introduced before the catalyst when using the reforming reaction. It is preferable because load such as treatment reduction or heat generation at the initial stage of the reaction can be reduced, and a decrease in the degree of dispersion of the noble metal caused by the reduction treatment of the noble metal can be suppressed. As a method of liquid phase reduction treatment, for example, a 1 to 20% by mass aqueous solution is prepared using a reducing agent such as formic acid, an alkali metal salt of formic acid, formalin, hydrazine, sodium borohydride, and the temperature is from room temperature to 100 ° C. There is a method in which the catalyst is added after heating to temperature.

本発明の水素製造用改質触媒は、希土類金属を添加することによって触媒活性が更に向上し、かつ炭素析出を抑制して低い温度での水素製造における触媒寿命を更に向上させることもできる。該希土類金属としては、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、イッテルビウムなどが使用でき、ランタン、セリウムを用いるのが好ましく、ランタンを用いるのがさらに好ましい。これら希土類金属は、いずれか1種を単独で用いても、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの希土類金属の原料(前駆体)としては、酸化物の他に塩化物、硝酸塩、酢酸塩などの希土類金属化合物を使用することができる。   The reforming catalyst for hydrogen production of the present invention can further improve the catalytic activity by adding rare earth metals, and can further improve the catalyst life in hydrogen production at a low temperature by suppressing carbon deposition. As the rare earth metal, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, ytterbium and the like can be used, lanthanum and cerium are preferred, and lanthanum is more preferred. These rare earth metals may be used alone or in combination of two or more. As raw materials (precursors) for these rare earth metals, rare earth metal compounds such as chlorides, nitrates and acetates can be used in addition to oxides.

なお、上記希土類金属は、該希土類金属の前駆体を加水分解用の水溶液に添加することで、触媒に含有させることができる。また、該希土類金属は、上述した触媒に含浸法で導入してもよく、この場合、希土類金属を触媒の表面に選択的に分布させることができる。希土類金属を触媒の表面に選択的に分布させることによって、少量の添加量で大きな効果が得られ、かつ希土類金属が触媒の表面を被覆することによって触媒の機械的強度や耐熱性が向上する。希土類金属を触媒に含浸法で導入するには、触媒に上記希土類金属化合物を含む溶液を浸漬させればよい。このとき溶媒としては、水が好ましい。また、含漬させる際は、ポアフィリング法が好ましい。   The rare earth metal can be contained in the catalyst by adding the rare earth metal precursor to the aqueous solution for hydrolysis. The rare earth metal may be introduced into the above-described catalyst by an impregnation method. In this case, the rare earth metal can be selectively distributed on the surface of the catalyst. By selectively distributing the rare earth metal on the surface of the catalyst, a large effect can be obtained with a small amount of addition, and the mechanical strength and heat resistance of the catalyst are improved by coating the surface of the catalyst with the rare earth metal. In order to introduce the rare earth metal into the catalyst by the impregnation method, a solution containing the rare earth metal compound may be immersed in the catalyst. At this time, the solvent is preferably water. Moreover, when making it impregnate, a pore filling method is preferable.

上記希土類金属の量は、触媒の表面積に対して0.1〜5μmol/m2であることが好ましく、より好ましくは0.5〜5μmol/m2である。希土類金属の量が触媒の表面積に対して5μmol/m2を超えると、希土類金属の被覆によって担体の表面露出が少なくなり触媒活性が低下してしまうので好ましくない。また、希土類金属の量が0.1μmol/m2より少ないと、その添加効果が低くなるのでいずれも好ましくない。触媒に含まれる希土類金属の量は、加水分解用の水溶液中における希土類金属化合物の濃度や、触媒に含浸する溶液中における希土類金属化合物の濃度を調整することにより前記範囲とすることができる。 The amount of the rare earth metal is preferably 0.1~5μmol / m 2 of the surface area of the catalyst, more preferably 0.5~5μmol / m 2. If the amount of the rare earth metal exceeds 5 μmol / m 2 with respect to the surface area of the catalyst, it is not preferable because the surface exposure of the support is reduced by the coating of the rare earth metal and the catalytic activity is lowered. In addition, if the amount of rare earth metal is less than 0.1 μmol / m 2 , the effect of addition is reduced, and neither is preferable. The amount of the rare earth metal contained in the catalyst can be adjusted to the above range by adjusting the concentration of the rare earth metal compound in the aqueous solution for hydrolysis and the concentration of the rare earth metal compound in the solution impregnated in the catalyst.

上記の方法で得られた改質触媒は、改質反応の前に改めて還元処理を行うことが好ましいが、改質反応で生じる反応ガス中の水素との接触の結果として還元されるため必ずしも必要ではない。   The reforming catalyst obtained by the above method is preferably subjected to a reduction treatment before the reforming reaction, but is necessarily required because it is reduced as a result of contact with hydrogen in the reaction gas generated in the reforming reaction. is not.

本発明の触媒製造方法で得られた改質触媒を用いた水素製造方法は、該改質触媒を具備する改質部に上記の水素製造用燃料油を供給して水蒸気改質反応を行い、水素を含有する生成物を得る。ここで、改質部の触媒層の入口温度を520℃以下、好ましくは400〜520℃、さらに好ましくは450〜500℃として、水蒸気改質反応を開始することができる。なお、400℃より低い温度で開始すると水素製造に十分な水蒸気改質反応速度を得られず、水素製造に多量の改質触媒が必要となるので好ましくない。水素製造用改質触媒を用いる反応形式としては、固定床式、移動床式、流動床式などが挙げられ、特に制約を受けるものではない。また、水素製造用改質触媒を用いる反応器も特に制約を受けるものではない。   A hydrogen production method using the reforming catalyst obtained by the catalyst production method of the present invention performs the steam reforming reaction by supplying the above-described fuel oil for hydrogen production to the reforming section equipped with the reforming catalyst, A product containing hydrogen is obtained. Here, the steam reforming reaction can be started by setting the inlet temperature of the catalyst layer of the reforming section to 520 ° C. or lower, preferably 400 to 520 ° C., more preferably 450 to 500 ° C. Note that starting at a temperature lower than 400 ° C. is not preferable because a steam reforming reaction rate sufficient for hydrogen production cannot be obtained, and a large amount of reforming catalyst is required for hydrogen production. Examples of the reaction format using the reforming catalyst for hydrogen production include a fixed bed type, a moving bed type, and a fluidized bed type, and are not particularly limited. Also, the reactor using the reforming catalyst for hydrogen production is not particularly limited.

本発明の水素製造用改質触媒は、520℃以下の水蒸気改質反応に用いたときに、特に本発明の効果を発揮することができるが、520℃を超える温度の水蒸気改質反応及び/又は部分酸化改質反応による水素製造に用いることもできる。従って、本発明の水素製造用改質触媒を用いた水素製造方法は、水蒸気改質触媒層の入口温度を常に520℃以下の温度条件に維持することに限定されるものではなく、必要に応じてその入口温度を520℃以上に上げることができる。例えば、定常運転時の改質触媒層の入口温度が最終的には520℃を超える場合であっても、改質部の起動時など入口温度が520℃以下の非定常な状態から本発明を適用することによって起動時間を短縮することができる。また、水素製造方法における改質触媒層の出口温度は特に制約を受けるものではないが、好ましくは400〜800℃、さらに好ましくは450〜750℃である。   The reforming catalyst for hydrogen production of the present invention can exhibit the effects of the present invention particularly when used in a steam reforming reaction at 520 ° C. or lower, but the steam reforming reaction at a temperature exceeding 520 ° C. and / or Alternatively, it can be used for hydrogen production by a partial oxidation reforming reaction. Therefore, the hydrogen production method using the reforming catalyst for hydrogen production according to the present invention is not limited to always maintaining the inlet temperature of the steam reforming catalyst layer at a temperature condition of 520 ° C. or less, as necessary. The inlet temperature can be raised to 520 ° C. or higher. For example, even when the inlet temperature of the reforming catalyst layer during steady operation eventually exceeds 520 ° C., the present invention is changed from an unsteady state where the inlet temperature is 520 ° C. or lower, such as when the reforming unit is started. By applying this, the startup time can be shortened. Further, the outlet temperature of the reforming catalyst layer in the hydrogen production method is not particularly limited, but is preferably 400 to 800 ° C, more preferably 450 to 750 ° C.

また、本発明の水素製造用改質触媒は、単独あるいは他の触媒と併用して使用することもできる。例えば、燃料電池用の水素製造において、燃料油である石油系炭化水素を本発明の水素製造方法を用いて予め低い温度でメタンを含む水素含有ガスに変換する予備改質を行った後、得られた水素含有ガスを引き続き下流の改質部にて高い温度で改質処理を行い、メタンから水素への転化を更に進めて水素生成量を増加させることもできる。   Moreover, the reforming catalyst for hydrogen production of the present invention can be used alone or in combination with other catalysts. For example, in hydrogen production for a fuel cell, a petroleum-based hydrocarbon that is a fuel oil is converted into a hydrogen-containing gas containing methane at a low temperature in advance using the hydrogen production method of the present invention. The resulting hydrogen-containing gas can be continuously reformed at a high temperature in the downstream reforming section, and the conversion from methane to hydrogen can be further advanced to increase the amount of hydrogen produced.

本発明の水素製造方法における燃料油の液空間速度(以下、LHSV)は、燃料油の種類にも依存するが、通常0.01〜10hr-1、好ましくは0.1〜5hr-1である。LHSVが極端に低いと供給される原料の量に対して必要以上の大きさを有する改質器を使うことになり、或いは原料を供給するポンプ又はマスフローに必要以上の微少量制御が求められるので好ましくない。また、LHSVが極端に高いと改質器内における燃料油と触媒層との接触時間が短くなって反応が進まなくなるので好ましくない。 Liquid hourly space velocity of the fuel oil in the hydrogen production process of the present invention (hereinafter, LHSV) varies depending on the type of fuel oil, are typically 0.01~10Hr -1, preferably 0.1~5Hr -1 . If the LHSV is extremely low, a reformer having a size larger than necessary with respect to the amount of raw material to be supplied is used, or a minute amount control more than necessary is required for a pump or mass flow for supplying the raw material. It is not preferable. Further, if the LHSV is extremely high, the contact time between the fuel oil and the catalyst layer in the reformer is shortened and the reaction does not proceed, which is not preferable.

燃料油中の炭素量に対する水の供給量のモル比(以下、スチーム/カーボン比)は、燃料油の性状や触媒の種類などにも依存するが、通常0.5〜10mol/mol、好ましくは1〜5mol/molである。スチーム/カーボン比が極端に低いと水蒸気改質反応に必要なスチームが不足し、また、コーク析出が促進され触媒の性能低下が著しく加速されるので好ましくない。また、スチーム/カーボン比が極端に高いと余剰スチームの生成・回収に要するコストが大きくなるので好ましくない。燃料油と水との混合は、特に方法の制約を受けないが、それぞれを気化器で加熱してガス状化したものを混合器で混合する方法、或いはどちらか一方を気化器で加熱してガス状化したものをもう一方の液体に送り込んで混合ガスを生成させる方法などが挙げられる。混合が不十分で原料と水が不均一な状態で改質器に送られると水蒸気改質反応が触媒層で均一に進まず、触媒層の温度分布や水素の生成量が不安定になるので好ましくない。   The molar ratio of the amount of water supplied to the amount of carbon in the fuel oil (hereinafter referred to as steam / carbon ratio) depends on the properties of the fuel oil and the type of catalyst, but is usually 0.5 to 10 mol / mol, preferably 1 to 5 mol / mol. If the steam / carbon ratio is extremely low, the steam required for the steam reforming reaction is insufficient, and coke deposition is promoted, so that the catalyst performance deterioration is remarkably accelerated. Also, an extremely high steam / carbon ratio is not preferable because the cost required for the generation and recovery of surplus steam increases. The mixing of fuel oil and water is not particularly limited by the method, but each is heated in a vaporizer and gasified and mixed in a mixer, or either one is heated in a vaporizer. For example, a method may be used in which a gasified product is sent to the other liquid to generate a mixed gas. If the raw material and water are sent to the reformer with inadequate mixing and raw material and water, the steam reforming reaction will not proceed uniformly in the catalyst layer, and the temperature distribution in the catalyst layer and the amount of hydrogen generated will become unstable. It is not preferable.

また、反応圧力は、燃料油の種類にも依存するが、通常0〜10MPa、好ましくは0〜5MPaである。反応圧力が5MPaを超えると、高価な耐圧材や機器類を使用した設備が必要となるので経済的に好ましくない。   The reaction pressure is usually 0 to 10 MPa, preferably 0 to 5 MPa, although it depends on the type of fuel oil. When the reaction pressure exceeds 5 MPa, an equipment using expensive pressure-resistant materials and equipment is required, which is not economically preferable.

本発明に使用する燃料油は、通常、石油系炭化水素油を含むものを原料油とし、これを脱硫処理して得られるものであり、好ましくは硫黄含有量が硫黄換算で0.05質量ppm以下かつジベンゾチオフェン類化合物の含有量が硫黄換算で0.02質量ppm以下、より好ましくは硫黄含有量が0.05質量ppm以下かつジベンゾチオフェン類化合物の含有量が0.01質量ppm以下、特に好ましくはジベンゾチオフェン類化合物を実質含まないものである。硫黄含有量が0.05質量ppm及び/又はジベンゾチオフェン類化合物が0.02質量ppmを超えると硫黄による触媒の被毒が進み、炭素析出を促すので好ましくない。尚、これらの硫黄含有量は紫外蛍光分析法、ジベンゾチオフェン類化合物の含有量はGC−ICP−MSにて測定されたものである。   The fuel oil used in the present invention is usually obtained by using a raw material oil containing a petroleum hydrocarbon oil and desulfurizing it. Preferably, the sulfur content is 0.05 mass ppm in terms of sulfur. And a dibenzothiophene compound content of 0.02 mass ppm or less in terms of sulfur, more preferably a sulfur content of 0.05 mass ppm or less and a dibenzothiophene compound content of 0.01 mass ppm or less, particularly Preferably, the compound does not substantially contain a dibenzothiophene compound. If the sulfur content exceeds 0.05 mass ppm and / or the dibenzothiophene compound exceeds 0.02 mass ppm, poisoning of the catalyst with sulfur proceeds and carbon deposition is promoted. These sulfur contents were measured by ultraviolet fluorescence analysis, and the contents of dibenzothiophene compounds were measured by GC-ICP-MS.

原料油となる石油系炭化水素油としてはガソリン、ナフサ、灯油、軽油などがあるが、これらの中では取り扱い上灯油が好ましく、さらに好ましくはJISで規定される灯油またはその相当品が好ましい。また、原料油の脱硫処理の方法は、一般に工業的に利用されている水素化脱硫や吸着分離などの公知の技術を単独または複数用いることができる。例えば、水素化脱硫の一例としては、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステンなどの遷移金属を含む水素化精製触媒を用いて、反応温度200〜400℃、水素/油容積比50〜1000Nm3/m3、液空間速度0.1〜10hr-1、圧力1〜15MPa−Gなどの反応条件で脱硫処理する方法が挙げられる。 Petroleum hydrocarbon oils used as raw material oils include gasoline, naphtha, kerosene, and light oil. Among these, kerosene is preferable for handling, and kerosene specified by JIS or its equivalent is more preferable. In addition, as a method for the desulfurization treatment of the raw material oil, publicly known techniques such as hydrodesulfurization and adsorption separation, which are generally used industrially, can be used singly or in plural. For example, as an example of hydrodesulfurization, using a hydrorefining catalyst containing a transition metal such as cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, etc., a reaction temperature of 200 to 400 ° C., a hydrogen / oil volume ratio of 50 to 1000 Nm 3 / m 3 And desulfurization treatment under reaction conditions such as a liquid space velocity of 0.1 to 10 hr −1 and a pressure of 1 to 15 MPa-G.

原料油の脱硫処理で得られる燃料油は、好ましくは蒸留初留点が140℃以上かつ蒸留終点が300℃以下で、より好ましくは蒸留初留点が140〜180℃で、95容量%留出点が270℃以下で、かつ蒸留終点が290℃以下であり、より一層好ましくは蒸留初留点が140〜170℃で、95容量%留出点が230〜270℃で、かつ蒸留終点が240〜290℃であり、特に好ましくは95%容量留出点が260〜270℃で、かつ蒸留終点が270〜290℃である。蒸留初留点が140℃よりも低いと、引火性が高くなり、取り扱いが難しくなるので好ましくない。また、蒸留終点が300℃よりも高くなると、低い温度での水素への改質が困難になるので好ましくない。また、95%容量留出点が270℃を超えると、ジベンゾチオフェン類化合物の含有量が増え、特にアルキル置換基数の多いアルキルジベンゾチオフェン類化合物の含有量が増えるので好ましくない。尚、これらの蒸留性状はJIS K 2254に定める「石油製品−蒸留試験方法」に基づいて測定されたものである。   The fuel oil obtained by the desulfurization treatment of the feedstock oil preferably has a distillation initial boiling point of 140 ° C. or higher and a distillation end point of 300 ° C. or lower, more preferably a distillation initial boiling point of 140 to 180 ° C. and 95% by volume distillation. The point is 270 ° C. or lower, and the distillation end point is 290 ° C. or lower, more preferably the distillation initial boiling point is 140 to 170 ° C., the 95% by volume distillation point is 230 to 270 ° C., and the distillation end point is 240. ˜290 ° C., particularly preferably 95% volume distillation point is 260-270 ° C. and distillation end point is 270-290 ° C. If the distillation initial boiling point is lower than 140 ° C., the flammability becomes high and the handling becomes difficult. Moreover, when the distillation end point is higher than 300 ° C., reforming to hydrogen at a low temperature becomes difficult, which is not preferable. On the other hand, if the 95% volume distillation point exceeds 270 ° C., the content of the dibenzothiophene compound increases, and in particular, the content of the alkyldibenzothiophene compound having a large number of alkyl substituents increases. These distillation properties were measured based on “Petroleum product-distillation test method” defined in JIS K 2254.

また、本発明に使用する燃料油は、構成する炭化水素の組成については特に制限されないが、好ましくは直鎖脂肪族飽和炭化水素の含有量が25質量%未満であり、さらに好ましくは直鎖脂肪族飽和炭化水素の含有量が25質量%未満で、かつ炭素数18以上の直鎖脂肪族飽和炭化水素の含有量が0.5質量%以下である。直鎖脂肪族飽和炭化水素の含有量が25質量%以上では、低い温度での水素製造において直鎖脂肪族飽和炭化水素が未改質留分として残り易くなるので好ましくない。また、炭素数18以上の直鎖脂肪族飽和炭化水素の含有量が0.5質量%を超えると、低い温度での水素製造において未改質の炭化水素が生成物中に残り易くなるので好ましくない。尚、直鎖脂肪族飽和炭化水素の含有量はガスクロマトグラフィーで測定されたものである。   The fuel oil used in the present invention is not particularly limited with respect to the composition of the constituent hydrocarbon, but preferably the content of linear aliphatic saturated hydrocarbon is less than 25% by mass, more preferably linear fatty acid. The content of the group saturated hydrocarbon is less than 25% by mass, and the content of the straight chain aliphatic saturated hydrocarbon having 18 or more carbon atoms is 0.5% by mass or less. If the content of the linear aliphatic saturated hydrocarbon is 25% by mass or more, the linear aliphatic saturated hydrocarbon tends to remain as an unmodified fraction in the production of hydrogen at a low temperature. Further, if the content of the straight-chain aliphatic hydrocarbon having 18 or more carbon atoms exceeds 0.5% by mass, it is preferable because unreformed hydrocarbons are likely to remain in the product in hydrogen production at a low temperature. Absent. The content of the straight chain aliphatic saturated hydrocarbon is measured by gas chromatography.

本発明に使用する燃料油は、芳香族含有量が20容積%以下であることが好ましく、さらに好ましくは16〜18容積%であり、かつ二環以上の芳香族化合物の含有量が1.0容積%以下である。芳香族含有量が20容積%を超えると、改質触媒の劣化が著しく進み、また、低い温度での水素への改質が困難になるので好ましくない。また、本発明の水素製造用燃料油は、オレフィン化合物を含まないことが好ましい。ここで、オレフィン化合物を含まないとは、分析において量的に検出されないことを意味する。オレフィンが含まれると改質触媒に炭素が析出し易くなり触媒の水素製造性能が著しく低下するので好ましくない。尚、芳香族含有量、二環以上の芳香族化合物の含有量及びオレフィン化合物の含有量は石油学会規定JPI−5S−49に定める炭化水素タイプ分析に基づいて測定されたものである。   The fuel oil used in the present invention preferably has an aromatic content of 20% by volume or less, more preferably 16 to 18% by volume, and a content of aromatic compounds having two or more rings is 1.0. The volume% or less. When the aromatic content exceeds 20% by volume, the deterioration of the reforming catalyst is remarkably advanced, and reforming to hydrogen at a low temperature becomes difficult. Moreover, it is preferable that the fuel oil for hydrogen production of the present invention does not contain an olefin compound. Here, not containing an olefin compound means that it is not quantitatively detected in the analysis. If olefin is contained, carbon is liable to precipitate on the reforming catalyst, and the hydrogen production performance of the catalyst is remarkably deteriorated. The aromatic content, the content of aromatic compounds having two or more rings, and the content of olefin compounds were measured based on hydrocarbon type analysis defined in JPI-5S-49.

本発明においては、上述した燃料油を単独で、または他の炭化水素と混合して水素製造の原燃料に使用することができる。   In the present invention, the above-described fuel oil can be used as a raw fuel for hydrogen production alone or mixed with other hydrocarbons.

本発明は水蒸気改質反応に係わる水素製造装置での種々な態様で実施することが可能であり、例えば、製油所などの水素プラントや定置型分散電源における燃料電池用水素製造システムなどで実施可能である。   The present invention can be implemented in various modes in a hydrogen production apparatus related to a steam reforming reaction, such as a hydrogen plant such as a refinery or a hydrogen production system for a fuel cell in a stationary distributed power source. It is.

以下に実施例を挙げて本発明の効果をさらに詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the effects of the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

[触媒の調製]
<実施例1(触媒A)>
アルミニウムイソプロポキシド490gと、ジルコニウム(IV)テトライソプロポキシド(イソプロパノール付加体)186gを、2−メチル−2,4−ペンタンジオール720gに脱水雰囲気下で均一に溶解させ、110℃で生成するイソプロパノールを蒸留除去しながら4時間反応蒸留を行った後、三塩化ルテニウム3.51gを加えて減圧下でイソプロパノールを除去した後、硝酸コバルト(II)六水和物1.54gおよび硝酸ランタン六水和物13.2gを水500gに溶解させた水溶液を加えて80℃で24時間加水分解を行った。加水分解後に得られた沈殿物を130℃で24時間ゲル化反応を行い、得られたゲルを95℃で真空減圧乾燥した後、130℃で16時間乾燥、引き続き酸素存在下600℃で3時間焼成を実施し、ヒドラジン炭酸塩水溶液を用いて40℃で液相還元処理を行った後、150℃で10時間乾燥して得られた触媒粉を成形器に入れて、4kgf/cm2で5分間プレス成形したものを粉砕して、16〜24メッシュの大きさに篩い分けしたものを回収して、触媒Aを得た。
[Preparation of catalyst]
<Example 1 (Catalyst A)>
Isopropanol produced by dissolving 490 g of aluminum isopropoxide and 186 g of zirconium (IV) tetraisopropoxide (isopropanol adduct) uniformly in 720 g of 2-methyl-2,4-pentanediol under a dehydrating atmosphere. Was distilled for 4 hours while distilling off, and then 3.51 g of ruthenium trichloride was added and isopropanol was removed under reduced pressure. Then, 1.54 g of cobalt (II) nitrate hexahydrate and lanthanum nitrate hexahydrate were added. An aqueous solution in which 13.2 g of the product was dissolved in 500 g of water was added, and hydrolysis was performed at 80 ° C. for 24 hours. The precipitate obtained after hydrolysis is subjected to a gelation reaction at 130 ° C. for 24 hours, and the obtained gel is vacuum-dried at 95 ° C. under vacuum and then dried at 130 ° C. for 16 hours, followed by oxygen at 600 ° C. for 3 hours. After calcination and liquid phase reduction treatment at 40 ° C. using an aqueous hydrazine carbonate solution, the catalyst powder obtained by drying at 150 ° C. for 10 hours is put in a molding machine, and 5 kg at 4 kgf / cm 2 . What was press-molded for minutes was pulverized, and what was sieved to a size of 16 to 24 mesh was recovered to obtain catalyst A.

<実施例2(触媒B)>
実施例1の方法において、三塩化ルテニウムの代わりにルテニウム(III)2,4−ペンタンジオネート3.65gを使用した以外は実施例1と同様の方法で調製し、触媒Bを得た。
<Example 2 (Catalyst B)>
In the method of Example 1, catalyst B was prepared in the same manner as in Example 1 except that 3.65 g of ruthenium (III) 2,4-pentanedioate was used instead of ruthenium trichloride.

<比較例1(触媒C)>
アルミニウムイソプロポキシド490gと、ジルコニウム(IV)テトライソプロポキシド(イソプロパノール付加体)186gを、2−メチル−2,4−ペンタンジオール720gに脱水雰囲気下で均一に溶解させ、110℃で生成するイソプロパノールを蒸留除去しながら4時間反応蒸留を行った後、減圧下でイソプロパノールを除去した後、水500gを加えて80℃で加水分解を行った。加水分解後に得られた白色沈殿物を130℃でゲル化反応を行い、得られた白色のゲルを95℃で真空減圧乾燥した後、600℃で焼成して、担体C 175gを得た。得られた担体C 125gに、硝酸ランタン六水和物13.2gが溶解した水溶液180mlをポアフィリング法により含浸した後、110℃で16時間乾燥、引き続き酸素存在下600℃で3時間焼成を実施した。得られたランタン含有担体に、三塩化ルテニウム3.51gと硝酸コバルト(II)六水和物1.54gが溶解した水溶液180mlをポアフィリング法で含浸した後、150℃で16時間乾燥した。得られた触媒にヒドラジン炭酸塩水溶液を用いて40℃で液相還元処理を行い、150℃で10時間乾燥し、得られた触媒粉を成形器に入れて、4kgf/cm2で5分間プレス成形したものを粉砕して、16〜24メッシュの大きさに篩い分けしたものを回収して、触媒Cを得た。
<Comparative Example 1 (Catalyst C)>
Isopropanol produced by dissolving 490 g of aluminum isopropoxide and 186 g of zirconium (IV) tetraisopropoxide (isopropanol adduct) uniformly in 720 g of 2-methyl-2,4-pentanediol under a dehydrating atmosphere. The reaction was distilled for 4 hours while distilling off, then isopropanol was removed under reduced pressure, and then 500 g of water was added and hydrolysis was carried out at 80 ° C. The white precipitate obtained after hydrolysis was subjected to a gelation reaction at 130 ° C., and the obtained white gel was dried under vacuum at 95 ° C. under reduced pressure, and then calcined at 600 ° C. to obtain 175 g of carrier C. After impregnating 180 ml of an aqueous solution in which 13.2 g of lanthanum nitrate hexahydrate was dissolved in 125 g of the obtained carrier C by the pore filling method, drying was performed at 110 ° C. for 16 hours, followed by baking at 600 ° C. in the presence of oxygen for 3 hours. did. The obtained lanthanum-containing support was impregnated with 180 ml of an aqueous solution in which 3.51 g of ruthenium trichloride and 1.54 g of cobalt nitrate (II) hexahydrate were dissolved, and then dried at 150 ° C. for 16 hours. The obtained catalyst is subjected to liquid phase reduction treatment at 40 ° C. using an aqueous hydrazine carbonate solution and dried at 150 ° C. for 10 hours. The obtained catalyst powder is put into a molding machine and pressed at 4 kgf / cm 2 for 5 minutes. The molded product was pulverized and the sieved to a size of 16 to 24 mesh was collected to obtain Catalyst C.

<比較例2(触媒D)>
2mm径のアルミナ担体D(比表面積120m2/g、細孔容積0.36ml/g)415gに、塩化ジルコニウム(IV)34gを水に溶かして全量をポアフィリング法により含浸した後、110℃で16時間乾燥、引き続き酸素存在下650℃で3時間焼成を実施して得られたジルコニウム含有担体に、三塩化ルテニウム17.5gと硝酸コバルト(II)六水和物10.2gが溶解した水溶液150mlをポアフィリング法で含浸した後、150℃で16時間乾燥した。得られた触媒にヒドラジン炭酸塩水溶液を用いて40℃に加温して液相還元処理を行い、液相から取り出して150℃で10時間乾燥し、触媒Dを得た。
<Comparative Example 2 (Catalyst D)>
Into 415 g of 2 mm diameter alumina support D (specific surface area 120 m 2 / g, pore volume 0.36 ml / g), 34 g of zirconium (IV) chloride was dissolved in water and impregnated by the pore filling method at 110 ° C. 150 ml of an aqueous solution in which 17.5 g of ruthenium trichloride and 10.2 g of cobalt nitrate (II) hexahydrate are dissolved in a zirconium-containing support obtained by drying for 16 hours and subsequently calcining at 650 ° C. for 3 hours in the presence of oxygen. Was impregnated with a pore filling method and then dried at 150 ° C. for 16 hours. The obtained catalyst was heated to 40 ° C. using an aqueous hydrazine carbonate solution, subjected to liquid phase reduction treatment, taken out from the liquid phase and dried at 150 ° C. for 10 hours to obtain Catalyst D.

<比較例3(触媒E)>
実施例2の方法において、アルミニウムイソプロポキシドの使用量を600gとし、ジルコニウム(IV)テトライソプロポキシド(イソプロパノール付加体)を使用しない以外は実施例2と同様の方法で調製し、触媒Eを得た。
<Comparative Example 3 (Catalyst E)>
In the method of Example 2, the amount of aluminum isopropoxide used was 600 g, and a catalyst E was prepared in the same manner as in Example 2 except that zirconium (IV) tetraisopropoxide (isopropanol adduct) was not used. Obtained.

上記のようにして得られた触媒の特性を表1に示す。なお、表1の比表面積は窒素吸着法で測定された値である。また、担体中のジルコニウム含有量及びアルミナ含有量、並びに貴金属含有量、コバルト量及びランタン量は湿式質量分析(ICP−MS)法で測定された値である。また、アルミナ結晶子径はX線回折によって測定されたγ−アルミナの(400)面回折ピーク(2θ=66°)から求めた値である。また、貴金属分散度は一酸化炭素を用いたガス吸着分析法(金属分散度測定装置 BEL−METAL−3SP(日本BEL社製)を使用)でそれぞれ測定された値を用いて下記式(1)で算出した。   The characteristics of the catalyst obtained as described above are shown in Table 1. In addition, the specific surface area of Table 1 is the value measured by the nitrogen adsorption method. Moreover, the zirconium content and the alumina content, the noble metal content, the cobalt content, and the lanthanum content in the support are values measured by a wet mass spectrometry (ICP-MS) method. The alumina crystallite diameter is a value obtained from the (400) plane diffraction peak (2θ = 66 °) of γ-alumina measured by X-ray diffraction. Further, the precious metal dispersity is represented by the following formula (1) using values measured by a gas adsorption analysis method using carbon monoxide (using a metal dispersity measuring device BEL-METAL-3SP (manufactured by Nippon BEL)). Calculated with

貴金属分散度(%)=(触媒1g当たりに吸着したCO分子のモル数÷触媒1g当たりに含まれる貴金属のモル数)×100 ・・・ 式(1)   Precious metal dispersion (%) = (number of moles of CO molecules adsorbed per gram of catalyst / number of moles of precious metal contained per gram of catalyst) × 100 (1)

なお、式(1)中の触媒に吸着したCO分子のモル数は、触媒試料を50ml/分の水素気流下で400℃で30分間、続いて50ml/分のヘリウム気流下で400℃で20分間前処理を行った後、50℃にてヘリウムガス気流下でCOパルスを注入したときのCO吸着量V50を基に、貴金属が担体表面に球体として担持されて1個の貴金属原子に1つのCO分子が吸着するとみなして、下記式(2)で求めた。 The number of moles of CO molecules adsorbed to the catalyst in the formula (1) is 20 at 400 ° C. for 30 minutes at 400 ° C. under a hydrogen flow of 50 ml / min. After pre-processing for 5 minutes, based on the CO adsorption amount V 50 when a CO pulse is injected at 50 ° C. in a helium gas stream, the noble metal is supported as a sphere on the surface of the carrier and 1 per noble metal atom. Assuming that one CO molecule is adsorbed, the following formula (2) was used.

触媒に吸着したCO分子のモル数(mol/g)=V50/W×(273/(273+t))×(P/101.325)/(22.4×103) ・・・ 式(2)
50:測定温度50(℃)におけるCO吸着量(ml)
W:触媒の試料量(g)
P:測定時の圧力(kPa)
t:測定温度(℃)
Number of moles of CO molecules adsorbed on the catalyst (mol / g) = V 50 /W×(273/(273+t))×(P/101.325)/(22.4×10 3 ) (2) )
V 50 : CO adsorption amount (ml) at a measurement temperature of 50 (° C.)
W: Sample amount of catalyst (g)
P: Pressure during measurement (kPa)
t: Measurement temperature (° C)

Figure 0005394280
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[触媒の評価]
JIS 1号灯油を市販のコバルト−モリブデン系脱硫触媒を用いてLHSV=1.0h-1、370℃、水素/油=500Nm3/m3、圧力5MPaの条件で370℃の水素化脱硫処理を行い、引き続き市販の酸化亜鉛吸着剤を用いてLHSV=1.0h-1、350℃、圧力5MPaの条件で吸着処理を行い、脱硫灯油を得た。これらのJIS 1号灯油及び脱硫灯油の性状を表2に示す。
[Evaluation of catalyst]
JIS No. 1 kerosene was hydrodesulfurized at 370 ° C. under conditions of LHSV = 1.0 h −1 , 370 ° C., hydrogen / oil = 500 Nm 3 / m 3 , pressure 5 MPa using a commercially available cobalt-molybdenum-based desulfurization catalyst. Subsequently, an adsorption treatment was performed using a commercially available zinc oxide adsorbent under the conditions of LHSV = 1.0 h −1 , 350 ° C., and a pressure of 5 MPa to obtain desulfurized kerosene. Table 2 shows the properties of these JIS No. 1 kerosene and desulfurized kerosene.

尚、これらの油中の硫黄含有量は紫外蛍光分析法、ジベンゾチオフェン類化合物の含有量はGC−ICP−MSで測定されたものである。また、蒸留性状はJIS K 2254に定める「石油製品−蒸留試験方法」に基づいて測定されたものである。また、直鎖脂肪族飽和炭化水素の含有量はガスクロマトグラフィーで測定されたものである。また、芳香族含有量、二環以上の芳香族化合物の含有量およびオレフィン化合物の含有量は石油学会規定JPI−5S−49に定める炭化水素タイプ分析に基づいて測定されたものである。   The sulfur content in these oils was measured by ultraviolet fluorescence analysis, and the content of dibenzothiophene compounds was measured by GC-ICP-MS. The distillation properties were measured based on “Petroleum product-distillation test method” defined in JIS K 2254. Further, the content of the linear aliphatic saturated hydrocarbon is measured by gas chromatography. The aromatic content, the content of aromatic compounds having two or more rings, and the content of olefin compounds were measured based on hydrocarbon type analysis defined in JPI-5S-49.

Figure 0005394280
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次に、上記脱硫灯油を原料とし、図1に示す水素製造装置で、上記触媒の活性を評価した。図1は、本発明の実施例で用いた水素製造装置の構成の概略図である。図示例の水素製造装置は、原料の脱硫灯油を貯蔵する燃料油タンクT110と、水を貯蔵する水タンクT120と、それぞれの液体を加熱気化する気化器EV110及びEV120と、加熱気化したそれぞれの液体を混合する混合器M130と、水蒸気改質反応で水素を含む改質ガスを生成する改質器R140と、水蒸気改質反応で生成した改質ガスの一部を採取しその組成を分析するための分析計A150と、改質ガスを冷却して気液に分離する気液分離器S160と、気液分離器S160で分離した液体を回収する液回収タンクT170を備える。改質器R140はその内部に改質触媒を収納する。この他にも温度や流量の制御機器や各部の加熱のための加熱器を備える(図示せず)。   Next, using the desulfurized kerosene as a raw material, the activity of the catalyst was evaluated with the hydrogen production apparatus shown in FIG. FIG. 1 is a schematic diagram of a configuration of a hydrogen production apparatus used in an example of the present invention. The hydrogen production apparatus of the illustrated example includes a fuel oil tank T110 that stores raw desulfurized kerosene, a water tank T120 that stores water, vaporizers EV110 and EV120 that heat and vaporize each liquid, and each liquid that is heated and vaporized. A mixer M130 for mixing, a reformer R140 for generating a reformed gas containing hydrogen by a steam reforming reaction, and collecting a part of the reformed gas generated by the steam reforming reaction and analyzing its composition Analyzer A150, a gas-liquid separator S160 that cools the reformed gas and separates it into gas-liquid, and a liquid recovery tank T170 that recovers the liquid separated by the gas-liquid separator S160. The reformer R140 houses the reforming catalyst therein. In addition, a temperature and flow rate control device and a heater for heating each part are provided (not shown).

燃料油タンクT110及び水タンクT120内の液体は、ポンプ又はマスフローによってその流量を制御することができ、それぞれの気化器EV110及びEV120へと供給される。原料及び水は、それぞれの気化器EV110及びEV120で加熱気化されて、混合器M130内で十分に混合された後、改質触媒を収納する改質器R140へ供給される。改質器R140内における水蒸気改質反応で生成した改質ガスの一部は、分析計A150に送られ、水蒸気改質反応で生成するガス組成を分析することができる。   The flow rate of the liquid in the fuel oil tank T110 and the water tank T120 can be controlled by a pump or mass flow, and is supplied to the respective vaporizers EV110 and EV120. The raw material and water are heated and vaporized by the respective vaporizers EV110 and EV120 and sufficiently mixed in the mixer M130, and then supplied to the reformer R140 containing the reforming catalyst. A part of the reformed gas generated by the steam reforming reaction in the reformer R140 is sent to the analyzer A150, and the gas composition generated by the steam reforming reaction can be analyzed.

実施例1〜2、比較例1〜3で得られた触媒A〜E 15.0mlを、図1に示す水素製造装置の改質器R140にそれぞれ充填し、原料を供給せずに改質器R140を昇温速度10℃/分で加熱を行い、改質触媒層の入口温度及び出口温度がそれぞれ500℃、550℃になるまで昇温を行った。   15.0 ml of the catalysts A to E obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 are filled in the reformer R140 of the hydrogen production apparatus shown in FIG. R140 was heated at a temperature increase rate of 10 ° C./min, and the temperature was increased until the inlet temperature and the outlet temperature of the reforming catalyst layer were 500 ° C. and 550 ° C., respectively.

次に、表2に示す脱硫灯油を原料として、原料及び水の供給をそれぞれ35.6g/h、109.8g/h(原料のLHSV=3.0h-1、スチーム/カーボン比=2.5mol/mol)として改質触媒層の入口温度及び出口温度がそれぞれ500℃、550℃になるように温度制御を行った状態で、大気圧条件で336時間反応を行った。 Next, using the desulfurized kerosene shown in Table 2 as a raw material, the raw material and water were supplied at 35.6 g / h and 109.8 g / h (raw material LHSV = 3.0 h −1 , steam / carbon ratio = 2.5 mol, respectively). / Mol), the reaction was carried out under atmospheric pressure conditions for 336 hours in a state where the temperature was controlled so that the inlet temperature and the outlet temperature of the reforming catalyst layer were 500 ° C. and 550 ° C., respectively.

上述の評価反応中に得られた反応生成物はガスの状態でサンプリングし、ガスクロマトグラフィーで反応生成物の組成を分析した。改質反応における各触媒の触媒活性は、下記式(3)で求められるC1転化率を指標に評価した。   The reaction product obtained during the above evaluation reaction was sampled in a gas state, and the composition of the reaction product was analyzed by gas chromatography. The catalytic activity of each catalyst in the reforming reaction was evaluated using the C1 conversion obtained by the following formula (3) as an index.

C1転化率(%)=(反応生成物に含まれるC1化合物のモル数)÷(原料の脱硫灯油に含まれる炭素原子の総モル数)×100 ・・・ 式(3)   C1 conversion rate (%) = (number of moles of C1 compound contained in reaction product) ÷ (total number of moles of carbon atoms contained in raw desulfurized kerosene) × 100 Formula (3)

評価反応を所定時間行った後は、改質器の加熱を停止すると同時に水及び原料の供給を停止する停止操作を行い、水素製造を停止した。水素製造の停止後に改質器の温度が室温まで低下した状態で、水素製造後の触媒をそれぞれの改質器から抜き出して触媒に付着した炭素付着量の分析を行った。   After performing the evaluation reaction for a predetermined time, the hydrogen production was stopped by stopping the heating of the reformer and simultaneously stopping the supply of water and raw materials. With the reformer temperature lowered to room temperature after the hydrogen production was stopped, the catalyst after the hydrogen production was extracted from each reformer, and the amount of carbon attached to the catalyst was analyzed.

各触媒を用いた評価反応における24時間後と288時間後のC1転化率とその比、評価反応後の触媒に付着した炭素付着量及び改質器内壁面への炭素質の析出状況をそれぞれ表3に示す。尚、これらの炭素付着量は湿式質量分析(ICP−MS)法で測定された値である。   Table 1 shows the C1 conversion rates and ratios after 24 hours and 288 hours in the evaluation reaction using each catalyst, the amount of carbon adhering to the catalyst after the evaluation reaction, and the state of carbonaceous deposition on the inner wall of the reformer. 3 shows. In addition, these carbon adhesion amounts are the values measured by the wet mass spectrometry (ICP-MS) method.

Figure 0005394280
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触媒Aは、触媒C及び触媒Dに比べて活性金属である貴金属含有量が少なくても、高いC1転化率を示した。また、触媒Bは、ジルコニウム成分を含有しない触媒Eに比べてC1転化率の経時劣化が少なく、触媒を長時間使用した後も高いC1転化率を示した。以上の結果から、本発明によって提供される水素製造用改質触媒は、500℃での水素製造において高い性能を発揮する触媒であることが分かる。また、本発明の水素製造用改質触媒を用いることによって、水素製造後の触媒に付着する炭素量が抑制されて、500℃での水蒸気改質反応においても炭素析出による改質触媒の性能低下、及び改質器への悪影響が抑制されることが分かる。   Catalyst A showed a high C1 conversion rate even when the content of noble metal, which is an active metal, was smaller than that of Catalyst C and Catalyst D. Catalyst B showed less deterioration with time of the C1 conversion rate than catalyst E containing no zirconium component, and showed a high C1 conversion rate even after the catalyst was used for a long time. From the above results, it can be seen that the reforming catalyst for hydrogen production provided by the present invention is a catalyst that exhibits high performance in hydrogen production at 500 ° C. In addition, by using the reforming catalyst for hydrogen production of the present invention, the amount of carbon adhering to the catalyst after hydrogen production is suppressed, and the performance of the reforming catalyst is reduced by carbon deposition in the steam reforming reaction at 500 ° C. It can be seen that the adverse effect on the reformer is suppressed.

これらの実施例から、本発明の水素製造用改質触媒によって、低温での改質反応の開始が可能となり、起動に要する時間の短い燃料電池システムの運用、改質器構造の簡易化や材料のコスト低減による経済的な水素製造を実施することが可能となることが分かる。   From these examples, the reforming catalyst for hydrogen production of the present invention enables the start of a reforming reaction at a low temperature, the operation of a fuel cell system with a short start-up time, simplification of the reformer structure and materials It turns out that it becomes possible to implement economical hydrogen production by cost reduction of this.

本発明によって提供される水素製造用改質触媒及び該触媒を用いた水素製造方法によって、低い温度での水蒸気改質反応を効果的に進め、かつ触媒活性の低下を抑制し、かつ改質触媒、改質器およびその下流に位置するユニットへの悪影響を抑制することで、低い温度での改質反応の開始が可能となり、起動に要する時間の短い燃料電池システムの運用が可能となる。また、改質触媒の活性劣化やコーキングによる改質器の閉塞を抑制し、長期の水素製造が可能となる。また、改質温度の低下によって、改質触媒の熱劣化による性能低下を低減し、高温耐久性の高い高価な材料を用いることなく改質器の耐久性向上、改質器構造の簡易化や材料のコスト低減、平衡シフト反応を用いた低温改質プロセスへの適用等、経済的な水素製造を実施することが可能な水蒸気改質触媒を提供することができる。   The reforming catalyst for hydrogen production provided by the present invention and the hydrogen production method using the catalyst effectively promote a steam reforming reaction at a low temperature and suppress a decrease in catalyst activity, and the reforming catalyst By suppressing the adverse effect on the reformer and the unit located downstream thereof, it is possible to start the reforming reaction at a low temperature, and it is possible to operate the fuel cell system with a short start-up time. Further, it is possible to suppress the deterioration of the activity of the reforming catalyst and the clogging of the reformer due to coking, thereby enabling long-term hydrogen production. Also, by reducing the reforming temperature, the performance degradation due to thermal degradation of the reforming catalyst is reduced, the durability of the reformer is improved without using expensive materials with high temperature durability, and the reformer structure is simplified. It is possible to provide a steam reforming catalyst capable of performing economical hydrogen production, such as reduction of material costs and application to a low temperature reforming process using an equilibrium shift reaction.

T110 燃料油タンク
T120 水タンク
EV110 原料気化器
EV120 水気化器
M130 混合器
R140 改質器
A150 分析計
S160 気液分離器
T170 液回収タンク
T110 Fuel oil tank T120 Water tank EV110 Raw material vaporizer EV120 Water vaporizer M130 Mixer R140 Reformer A150 Analyzer S160 Gas-liquid separator T170 Liquid recovery tank

Claims (7)

ジルコニウムを含有する無機複合酸化物担体に、活性金属成分としてルテニウム、ロジウム、白金から選ばれる少なくとも1種の貴金属、および助触媒成分としてニッケル、コバルトから選ばれる少なくとも1種の遷移金属を含有し、比表面積が310m2/g以上で、前記貴金属が分散度60%以上で前記無機複合酸化物担体中に分散されていることを特徴とする水素製造用改質触媒。 The inorganic composite oxide support containing zirconium contains at least one noble metal selected from ruthenium, rhodium and platinum as an active metal component, and at least one transition metal selected from nickel and cobalt as a promoter component, A reforming catalyst for producing hydrogen, wherein the specific surface area is 310 m 2 / g or more and the noble metal is dispersed in the inorganic composite oxide support with a dispersity of 60% or more. 前記無機複合酸化物担体がアルミナを含み、かつ該アルミナの結晶子径が3nm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の水素製造用改質触媒。   The reforming catalyst for hydrogen production according to claim 1, wherein the inorganic composite oxide support contains alumina, and the crystallite diameter of the alumina is 3 nm or less. ジルコニウムと、ジルコニウム以外の金属を1種以上含む複合酸化物前駆体、および活性金属成分を含む活性金属前駆体を、有機多座配位子を用いて溶解させて均一溶液を調製する工程と、
助触媒成分を含む助触媒前駆体の水溶液を前記均一溶液に加えて加水分解させ、加水分解生成物を得る工程と、
酸素存在下、400〜800℃で、前記加水分解生成物を焼成する工程と
を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の水素製造用改質触媒の製造方法。
Preparing a homogeneous solution by dissolving zirconium, a composite oxide precursor containing one or more metals other than zirconium, and an active metal precursor containing an active metal component using an organic polydentate ligand;
Adding an aqueous solution of a co-catalyst precursor containing a co-catalyst component to the homogeneous solution for hydrolysis to obtain a hydrolysis product;
The method for producing a reforming catalyst for hydrogen production according to claim 1, comprising the step of calcining the hydrolysis product at 400 to 800 ° C. in the presence of oxygen.
前記有機多座配位子が、ポリオール、アセトアセテート、ポリカルボン酸から選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする、請求項3に記載の水素製造用改質触媒の製造方法。   The method for producing a reforming catalyst for hydrogen production according to claim 3, wherein the organic polydentate ligand contains at least one selected from polyol, acetoacetate, and polycarboxylic acid. 前記有機多座配位子が、炭素数5以上のジオールを含むことを特徴とする請求項4に記載の水素製造用改質触媒の製造方法。   The method for producing a reforming catalyst for hydrogen production according to claim 4, wherein the organic polydentate ligand contains a diol having 5 or more carbon atoms. 請求項1又は2に記載の水素製造用改質触媒を具備する改質部に水素製造用燃料油とスチームを供給し、該改質部の触媒層の入口温度を520℃以下として水蒸気改質反応を行い、水素を含有する生成物を得ることを特徴とする水素製造方法。   A fuel oil and steam for hydrogen production are supplied to a reforming section comprising the reforming catalyst for hydrogen production according to claim 1 or 2, and steam reforming is performed by setting the inlet temperature of the catalyst layer of the reforming section to 520 ° C or lower. A method for producing hydrogen, characterized by carrying out a reaction to obtain a product containing hydrogen. 前記水素製造用燃料油が灯油留分であることを特徴とする、請求項6に記載の水素製造方法。   The method for producing hydrogen according to claim 6, wherein the fuel oil for producing hydrogen is a kerosene fraction.
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