JP5410937B2 - 水素製造装置 - Google Patents
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いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。)は、改質触媒層(50)、水素分離層(30)、変換触媒層(10)及び反応防止層(20,40)を備え、改質触媒層(50)又は前記変換触媒層(10)が支持体であり、さらに、支持体が有底管形状である。
ところが、水素分離層(30)から漏洩した一酸化炭素は変換触媒層(10)で炭化水素ガスに変換(メタン化)されるので、漏洩した一酸化炭素の濃度を低減することができる。つまり、水素分離層(30)に欠陥が生じた場合でも漏洩する一酸化炭素を極力少なくする水素製造装置(1)とすることができる。
さらに、改質触媒層(50)と水素分離層(30)の間及び水素分離層(30)と変換触媒層(10)の間に反応防止層(20,40)を配置しているので、例えば、水素分離層(30)を水素透過性の金属で構成した場合でも、運転条件下での水素分離層(30)の金属成分と、各触媒の金属成分との反応による水素分離層(30)の欠陥が生じないようにすることができる。
また、改質触媒層(50)と水素分離層(30)との間の反応防止層(40)を水素分離層(30)よりも熱伝導率の低いものとすれば、吸熱反応である改質反応による温度低下の影響を水素分離層(30)は受け難くなる。そのため、水素分離層(30)は高い温度を保つ(水素透過性能は高温ほど高くなる)ので、性能を充分に発揮できる。
・また、支持体の形状には種々のものが考えられるが、本発明においては、有底管形状とするとよい。
(全体構成)
まず、本実施形態の水素製造装置1の全体構成について説明する。図1は、本発明が適用された水素製造装置1の概略の構造を示す構造図である。
また、水素ガス導出管17は、水素分離筒3で製造された水素ガスを、外部へ導出する部材であり、製造された水素ガスは、水素ガス導出管17の内部を通って外部へ導かれる。
次に図2に基づいて水素分離筒3の構造について説明する。図2は、水素分離筒3の概略の構造を示すための水素分離筒3の一部(図1中Aで示す部分)の断面図である。
水素分離筒3は、(支持体を兼ねる)改質触媒層50と、改質触媒層50の内側表面に形成された第1多孔質反応防止層40と、第1多孔質反応防止層40の内側表面に形成された水素分離層30と、水素分離層30の内側に形成された第2多孔質反応防止層20と、第2多孔質反応防止層20の内側に形成された変換触媒層10とから構成されている。
また、より好ましくは20〜80%であり、さらに30〜70%であるとよりよい。
ただし、第2多孔質反応防止層20の層厚が0.1μm未満であると、水素分離層30と変換触媒層10とを形成する材料成分の相互拡散を防ぐことができないことがあり、一方、余り厚くなると(100μm程度)、圧力損失が大きくなり水素透過性を妨げてしまうことがある。
次に、図3に基づいて水素製造装置(水素分離筒3)の製造方法について説明する。図3は水素分離筒3の概略の製造方法を示す図である。本水素製造装置の製造方法は、改質触媒層50上に第1多孔質反応防止層40を形成した後、第1多孔質反応防止層40上に水素透過性金属核を形成し、その後第2多孔質反応防止層20および変換触媒層10を作製し、水素透過性金属核を成長させることにより、水素分離層30を形成することを特徴とする。
まず、図3(a)に示すように、酸化ニッケル、イットリア安定化ジルコニアの各粉末と有機バインダを酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの体積比が50:50となるように混合した後、押し出し成形法又はプレス成形法により、試験管状の円筒有底管形状に成形する(図1参照)。この成形体を、1400℃で焼結することにより、外径10mm×長さ100mmの改質触媒層前駆体51(多孔質改質触媒層兼支持体)を作製した。
(水素製造試験)
以上のようにして作製した水素製造装置1を使用して、次のような水素製造試験を行った。水素製造装置1を600℃に加熱し、オフガス排出管9を閉じ、原料ガス供給管8からヘリウム(以下、Heとも呼ぶ。)ガスを0.8MPaの内圧で出導入し、水素ガス導出管17側へ漏洩してくるHe量を測定した。Heリーク量は、1cc/min/cm2であった。
(水素製造装置1の作動)
以上に説明した水素製造装置1の作動について図1に基づき説明する。
(水素製造装置1の特徴)
以上のような水素製造装置1では、第1多孔質反応防止層40と第2多孔質反応防止層20との間に水素透過性金属材料(Pd)が充填された水素分離層30を有している。この水素分離層30の水素透過性金属材(Pd)は、水素のみを透過する。したがって、原料ガスは、改質触媒層50を透過した後、水素分離層30で水素が分離され水素ガスとなる。
つまり、水素分離層30に欠陥が生じた場合でも漏洩する一酸化炭素を極力少なくする水素製造装置1とすることができる。
さらに、各層の間に第2多孔質反応防止層20及び第1多孔質反応防止層40を配置しているので、水素分離層30をPdなどの水素透過性の金属で構成していても、水素分離層30の金属成分と、各触媒の金属成分であるNiとの反応による欠陥が生じない。
さらに、変換触媒層10の触媒金属含有量よりも改質触媒層50の触媒金属含有量が少ないので、変換触媒層10におけるメタン化反応が改質触媒層50におけるメタン化反応より進行するので、一酸化炭素の漏洩をより低減することができる。
さらに、多孔質材料が安定化ジルコニアで形成されているので、融点が高く、必要な強度が得られ、ガス透過率の高い層とすることができる。
次に、第1実施形態と同様な方法で水素分離筒3の長さを変更した第2実施形態について説明する。
次に、第1実施形態における水素分離筒3の改質触媒層50の酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの体積比を変更した第3実施形態について説明する。
Heリーク量は、2cc/min/cm2であった。メタン流量300cc/min、水蒸気/炭素=3、外圧0.8MPaGにて水素製造試験を行ったところ、水素製造量は190cc/minであった。
次に、第1実施形態における水素分離筒3の改質触媒層50の酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの体積比を変更した第3実施形態について説明する。
次に、上記実施形態との比較のために、第1多孔質反応防止層40、第2多孔質反応防止層20及び変換触媒層10を備えていない水素分離筒を有する水素製造装置(比較例1)について説明する。
次に、上記実施形態との比較のために比較例1の水素分離筒に変換触媒層10を備えた水素製造装置(比較例2)について説明する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
(2)上記実施形態では、第2多孔質反応防止層20、第1多孔質反応防止層40の多孔質材料がセラミックスであるイットリア安定化ジルコニアであるが、ガラス材を用いて形成してもよい。
(5)上記実施形態における水素分離層30の製法以外に、水素分離層30の製法は以下に示すものであってもよい。
また、水素分離層30で分離される水素ガス量は、水素分離層30の面積により決まり、改質反応により生成される水素ガス量は、改質触媒層50の体積により決まる。改質触媒層50は厚み方向も反応に寄与するため、四層構造の水素分離筒4においては、その水素ガスを透過する水素分離層30及び表面保護層60の表面積は改質触媒層50の表面積に比べて大きい方がよい。
Claims (10)
- 原料ガスを改質し、水素を生成する触媒機能を有する改質触媒層と、
水素を選択的に透過させ分離する水素分離層と、
一酸化炭素を炭化水素ガスに変換する変換触媒層と、
を備えるとともに、
前記改質触媒層と前記水素分離層との間及び前記水素分離層と前記変換触媒層との間に、前記水素分離層の成分と前記改質触媒層及び前記変換触媒層の触媒成分との反応を防止する反応防止層と、
を備え、
前記改質触媒層又は前記変換触媒層が支持体であり、該支持体が有底管形状であることを特徴とする水素製造装置。 - 前記改質触媒層(50)と前記水素分離層(30)との間の前記反応防止層(40)の熱伝導率は、前記水素分離層(30)の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の水素製造装置。
- 前記改質触媒層及び前記変換触媒層は、ニッケル又はルテニウムのうち少なくとも何れかを含むサーメットであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の水素製造装置。
- 前記改質触媒層、前記反応防止層及び前記変換触媒層は連通孔を有し、
前記水素分離層は、連通孔を有する多孔質層に水素透過性金属を充填したものであることを特徴とする請求項1〜請求項3の何れかに記載の水素製造装置。 - 前記改質触媒層、前記変換触媒層又は反応防止層の何れかが支持体となることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れかに記載の水素製造装置。
- 前記変換触媒層及び前記改質触媒層は、触媒金属を含有してなり、
前記変換触媒層の触媒金属含有量よりも前記改質触媒層の触媒金属含有量が少ないことを特徴とする請求項1〜請求項5の何れかに記載の水素製造装置。 - 前記水素透過性金属は、パラジウム又はパラジウム合金であることを特徴とする請求項1〜請求項6の何れかに記載の水素製造装置。
- 前記反応防止層がセラミックス又はガラスからなることを特徴とする請求項1〜請求項7の何れかに記載の水素製造装置。
- 前記改質触媒層及び前記変換触媒層は、ニッケル又はルテニウムのうち少なくとも何れかと安定化ジルコニアのサーメットとを主成分とすることを特徴とする請求項1〜請求項8の何れかに記載の水素製造装置。
- 前記セラミックスが安定化ジルコニアであることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の水素製造装置。
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