JP5788352B2 - Reforming catalyst for hydrogen production, hydrogen production apparatus and fuel cell system using the catalyst - Google Patents
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Description
本発明は、水素製造用改質触媒、及び該触媒を用いた水素製造装置に関し、特には、炭化水素などの水素源を原料とする燃料電池システムにおける水素製造において用いられる水素製造用改質触媒、該触媒を用いた水素製造装置及び燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a reforming catalyst for hydrogen production and a hydrogen production apparatus using the catalyst, and in particular, a reforming catalyst for hydrogen production used in hydrogen production in a fuel cell system using a hydrogen source such as hydrocarbon as a raw material. The present invention relates to a hydrogen production apparatus and a fuel cell system 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。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、都市ガス、LPガス、ナフサ、ガソリン、灯油などに代表される炭化水素は、供給インフラが構築されて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。これらの炭化水素を原料とする燃料電池システムにおける水素製造は、システムの起動・停止を含めた様々な状態において効率的に行われることが求められる。 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. Various raw materials such as natural gas, liquid fuel, and petroleum-based hydrocarbons have been studied as hydrogen sources for fuel cells. Especially, hydrocarbons represented by city gas, LP gas, naphtha, gasoline, kerosene, The supply infrastructure has been established and is widely distributed in large quantities, so it is considered promising as a hydrogen source. Hydrogen production in fuel cell systems using these hydrocarbons as raw materials is required to be efficiently performed in various states including starting and stopping of the system.
上記炭化水素から水素を得るには、水素製造用改質触媒の存在下、水蒸気改質反応を行うことが一般的である。水素製造用改質触媒としては、アルミナ等の担体にルテニウム、ロジウムなどの貴金属を担持した貴金属系触媒と、ニッケルを担持したニッケル系触媒が従来技術として知られている。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、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。例としては、アルミナにルテニウムを担持させたもの(非特許文献1参照)、アルミナ又はシリカにルテニウムを担持させたもの(特許文献1参照)、アルカリ土類金属アルミネートを含むアルミナにジルコニアとルテニウム成分を担持したもの(特許文献2参照)などが挙げられる。これらの触媒は炭素析出を抑制できるものの、高価な貴金属を使用するため触媒のコストが高いという問題がある。また、ニッケルを担持したニッケル系触媒では、例としては、金属ニッケルをアルミナ担体に担持したもの(特許文献3参照)が挙げられる。ニッケル系触媒は、貴金属系触媒に比べて安価であるので経済的に好ましいが、炭素析出による活性低下を引き起こし易いという欠点を有し、カーボン析出を抑えるためにはスチーム/カーボン比を高くして反応を行う必要があり、スチーム供給量の増加に伴ってエネルギー消費量が大きくなるという問題がある。また、高温でスチームの雰囲気に曝されると、ニッケルの凝集を引き起こして活性が低下するという問題がある。また、これらの貴金属系触媒とニッケル系触媒の双方の特徴を利用して、アルミナ担体に少なくともルテニウム成分を担持してなる上流側触媒層と、ニッケルを含有する下流側触媒層とから少なくともなることを特徴とする水蒸気改質方法(特許文献4参照)、いわゆる積層型の触媒系が提案されている。しかしながらこの積層型触媒系は、上流側と下流側の異なる触媒層の境界面で炭素析出が進みやすく、下流側触媒層におけるカーボン析出は依然として多いという問題がある。 In order to obtain hydrogen from the hydrocarbon, it is common to perform a steam reforming reaction in the presence of a reforming catalyst for producing hydrogen. As a reforming catalyst for hydrogen production, a noble metal catalyst in which a noble metal such as ruthenium or rhodium is supported on a support such as alumina, and a nickel catalyst in which nickel is supported are known as conventional techniques. In recent years, noble metal catalysts using noble metals such as ruthenium and rhodium have attracted attention as reforming catalysts for hydrocarbons because they can reduce the amount of water vapor used. Examples include those in which ruthenium is supported on alumina (see Non-Patent Document 1), those in which ruthenium is supported on alumina or silica (see Patent Document 1), zirconia and ruthenium on alumina containing an alkaline earth metal aluminate. The thing which carry | supported the component (refer patent document 2) etc. are mentioned. Although these catalysts can suppress carbon deposition, there is a problem that the cost of the catalyst is high because an expensive noble metal is used. Moreover, in the nickel catalyst which carry | supported nickel, the thing which carry | supported metallic nickel on the alumina support | carrier is mentioned as an example (refer patent document 3). Nickel-based catalysts are economically preferable because they are less expensive than precious metal-based catalysts, but they have the disadvantage of easily causing a decrease in activity due to carbon deposition. To suppress carbon deposition, the steam / carbon ratio is increased. There is a problem that a reaction needs to be performed, and energy consumption increases as the steam supply amount increases. Further, when exposed to a steam atmosphere at a high temperature, there is a problem that the activity is lowered due to aggregation of nickel. Further, by utilizing the characteristics of both the noble metal catalyst and the nickel catalyst, at least an upstream catalyst layer in which at least a ruthenium component is supported on an alumina support and a downstream catalyst layer containing nickel are included. A steam reforming method (refer to Patent Document 4) characterized by the above, a so-called stacked catalyst system has been proposed. However, this stacked catalyst system has a problem that carbon deposition tends to proceed at the interface between different catalyst layers on the upstream side and the downstream side, and carbon deposition in the downstream catalyst layer is still large.
また、炭化水素を原料とする燃料電池システムにおける水素製造においては、定常的な製造条件に限らず、システムの起動・停止に伴って生じる幅広い製造条件で水素を効率的に製造することが求められる。上記に挙げた水素製造用改質触媒は、水蒸気改質反応への適用を主に想定したものであるが、酸素が共存する部分酸化反応やオートサーマル反応においては、ルテニウムおよびニッケルの酸化と凝集による触媒劣化が進むため、水素の製造は水蒸気改質反応に限定されてしまい、幅広い条件で水素を効率的に製造することが困難であるという問題がある。これらの酸素が共存する水素製造反応においては、触媒にロジウムが使われることがある。例としては、ロジウムと、化学式MgO・xAl2O3でかつ実質上アルミナの結晶構造が存在しないスピネルで構成された炭化水素改質用触媒(特許文献5参照)、セリウム酸化物を含む担体にロジウムを担持し、セリウムとロジウムの原子比を規定したオートサーマルリフォーミング触媒(特許文献6参照)が提案されている。 In addition, hydrogen production in a fuel cell system that uses hydrocarbons as a raw material is not limited to steady production conditions, and it is required to efficiently produce hydrogen under a wide range of production conditions that accompany system start / stop. . The reforming catalysts for hydrogen production listed above are mainly assumed to be applied to steam reforming reactions, but in the partial oxidation reaction and autothermal reaction in which oxygen coexists, oxidation and aggregation of ruthenium and nickel As the catalyst deteriorates due to hydrogen, hydrogen production is limited to the steam reforming reaction, and it is difficult to efficiently produce hydrogen under a wide range of conditions. In the hydrogen production reaction in which these oxygens coexist, rhodium may be used as a catalyst. Examples include a catalyst for reforming hydrocarbons composed of rhodium, spinel having the chemical formula MgO.xAl 2 O 3 and substantially free of alumina crystal structure (see Patent Document 5), and a support containing cerium oxide. An autothermal reforming catalyst that supports rhodium and defines the atomic ratio of cerium and rhodium has been proposed (see Patent Document 6).
しかし、ロジウムは高価な金属であり、安価に水素製造を行うためには触媒の活性及び耐久性の更なる向上が求められる。 However, rhodium is an expensive metal, and in order to produce hydrogen at a low cost, further improvement in the activity and durability of the catalyst is required.
本発明は、上記従来技術の問題を解決する水素製造用改質触媒、及び該触媒を用いた水素製造装置に関し、特には、炭化水素などの水素源を原料とする燃料電池システムにおける水素製造において長期間に渡って使用することができる水素製造用改質触媒、該触媒を用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention relates to a reforming catalyst for hydrogen production that solves the above-described problems of the prior art and a hydrogen production apparatus using the catalyst, and in particular, in hydrogen production in a fuel cell system using a hydrogen source such as hydrocarbon as a raw material. An object of the present invention is to provide a reforming catalyst for hydrogen production that can be used for a long period of time, a hydrogen production apparatus using the catalyst, and a fuel cell system.
本発明者らは、上記従来技術が有する課題を鑑みて鋭意検討した結果、同一の特定の担体上にロジウムとコバルトを担持させた触媒が、炭化水素の水蒸気改質反応において高い触媒活性を示すとともに熱劣化処理後においても高い触媒活性を有していることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies in view of the problems of the prior art, the present inventors show that a catalyst in which rhodium and cobalt are supported on the same specific support exhibits high catalytic activity in a hydrocarbon steam reforming reaction. At the same time, it has been found that the catalyst has high catalytic activity even after the heat deterioration treatment, and has completed the present invention.
すなわち本発明は、アルミナを含有し、希土類金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を担持した無機複合酸化物担体と、この担体に担持されたコバルト及びロジウムと、を備える水素製造用改質触媒を提供する。 That is, the present invention relates to a reforming catalyst for producing hydrogen comprising an inorganic composite oxide support containing alumina and supporting a rare earth metal oxide and an alkaline earth metal oxide, and cobalt and rhodium supported on the support. I will provide a.
上記本発明に係る水素製造用改質触媒において、コバルトの担持量はアルミナ100質量部に対してコバルト原子換算で0.1〜10質量部であり、ロジウムの担持量はアルミナ100質量部に対してロジウム原子換算で0.01〜3質量部であることが好ましい。 In the hydrogen production reforming catalyst according to the present invention, the supported amount of cobalt is 0.1 to 10 parts by mass in terms of cobalt atom with respect to 100 parts by mass of alumina, and the supported amount of rhodium is based on 100 parts by mass of alumina. It is preferable that it is 0.01-3 mass parts in conversion of a rhodium atom.
上記本発明に係る水素製造用改質触媒において、アルカリ土類金属酸化物が酸化ストロンチウムであり、希土類金属酸化物が酸化セリウムであることが好ましい。 In the hydrogen production reforming catalyst according to the present invention, the alkaline earth metal oxide is preferably strontium oxide, and the rare earth metal oxide is preferably cerium oxide.
上記本発明に係る水素製造用改質触媒において、希土類金属酸化物の担持量はアルミナ100質量部に対して2〜30質量部であることが好ましい。 In the reforming catalyst for hydrogen production according to the present invention, the supported amount of the rare earth metal oxide is preferably 2 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of alumina.
上記本発明に係る水素製造用改質触媒において、アルカリ土類金属酸化物の担持量はアルミナ100質量部に対して1〜10質量部であることが好ましい。 In the reforming catalyst for hydrogen production according to the present invention, the supported amount of the alkaline earth metal oxide is preferably 1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of alumina.
本発明は、上記本発明に係る水素製造用改質触媒を製造する方法であって、無機複合酸化物担体若しくはその前駆体に、コバルト化合物及びロジウム化合物が含まれる溶液を含浸する工程を有する水素製造用改質触媒の製造方法を提供する。 The present invention is a method for producing a reforming catalyst for hydrogen production according to the present invention, wherein the inorganic composite oxide support or its precursor is impregnated with a solution containing a cobalt compound and a rhodium compound. A method for producing a reforming catalyst for production is provided.
本発明は、炭化水素化合物類を含有する水素原料を、上記本発明に係る水素製造用改質触媒で改質して水素を得る水素製造方法を提供する。 The present invention provides a hydrogen production method for obtaining hydrogen by reforming a hydrogen raw material containing hydrocarbon compounds with the above-described reforming catalyst for production of hydrogen according to the present invention.
本発明は、上記本発明に係る水素製造用改質触媒を有する改質部、並びに、当該改質部に、酸素及びスチームから選択される少なくとも1種を含むガスと、炭化水素化合物類が含まれる水素原料とを供給する供給部と、を備え、部分酸化反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応から選択される少なくとも1つの反応により水素原料から水素を含有する生成物を得る水素製造装置を提供する。 The present invention includes a reforming unit having the reforming catalyst for hydrogen production according to the present invention, a gas containing at least one selected from oxygen and steam, and hydrocarbon compounds in the reforming unit. And a hydrogen supply unit that supplies a hydrogen-containing product from at least one reaction selected from a partial oxidation reaction, an autothermal reforming reaction, and a steam reforming reaction. Providing equipment.
本発明は、上記本発明に係る水素製造装置を具備する燃料電池システムを提供する。 The present invention provides a fuel cell system comprising the hydrogen production apparatus according to the present invention.
本発明によれば、炭化水素などの水素源を原料とする燃料電池システムにおける水素製造において長期間に渡って使用することができる、触媒活性及び長期耐久性に優れた水素製造用改質触媒及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、本発明の水素製造用改質触媒を用いた水素製造方法、水素製造装置及び燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reforming catalyst for hydrogen production excellent in the catalyst activity and long-term durability which can be used for a long period in the hydrogen production in the fuel cell system which uses hydrogen sources, such as hydrocarbon, as a raw material, and A manufacturing method thereof can be provided. Moreover, according to this invention, the hydrogen production method using the reforming catalyst for hydrogen production of this invention, a hydrogen production apparatus, and a fuel cell system can be provided.
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
本実施形態の水素製造用改質触媒は、アルミナを含有し、希土類金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を担持した無機複合酸化物担体と、前記担体に担持されたコバルト及びロジウムと、を備える触媒である。 The reforming catalyst for hydrogen production of the present embodiment comprises an inorganic composite oxide support containing alumina and supporting a rare earth metal oxide and an alkaline earth metal oxide, and cobalt and rhodium supported on the support. It is a catalyst provided.
本実施形態の水素製造用改質触媒は、炭化水素などの水素源から水素を得るための改質反応において高い触媒活性を示すことができるとともに、高温でスチームの雰囲気に曝されたときの性能が低下しにくい。 The reforming catalyst for producing hydrogen according to the present embodiment can exhibit high catalytic activity in a reforming reaction for obtaining hydrogen from a hydrogen source such as hydrocarbon, and performance when exposed to a steam atmosphere at a high temperature. Is difficult to decrease.
触媒の高い活性、及びその性能低下が抑制される効果の原因は明確ではないが、コバルトとロジウムとが同一の上記特定の担体上に存在することによって、(1)ロジウム原子の分散性が高められる、(2)担体アルミナに対してコバルトが強く結合することで、これがアンカー効果となって担体アルミナ表面でのロジウム原子の熱凝集を抑制する、などの作用が理由として考えられる。 The cause of the high activity of the catalyst and the effect of suppressing its performance degradation is not clear, but the presence of cobalt and rhodium on the same specific support described above increases (1) the dispersibility of rhodium atoms. (2) It is considered that the reason is that (2) cobalt strongly binds to the support alumina, which acts as an anchor effect and suppresses thermal aggregation of rhodium atoms on the surface of the support alumina.
本実施形態の水素製造用改質触媒における担体は、アルミナを含有し、希土類金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を担持した無機複合酸化物担体である。 The carrier in the reforming catalyst for hydrogen production of this embodiment is an inorganic composite oxide carrier containing alumina and supporting a rare earth metal oxide and an alkaline earth metal oxide.
アルミナとしては、特に組成や構造による制約を受けるものではないが、α−アルミナ、γ−アルミナ、及びこれらのアルミナと、シリカ、チタニア、ジルコニア等から選ばれる無機金属酸化物との混合物が挙げられる。アルミナのB.E.T.比表面積については特に限定されないが、担持されるロジウムおよびコバルトが十分に分散できるようにB.E.T.比表面積が3〜200m2/gであることが好ましい。B.E.T.比表面積が3m2/gより小さいと、ロジウムおよびコバルトが担体表層で十分に分散できず所定の触媒活性や触媒寿命が得られにくくなり、一方、B.E.T.比表面積が200m2/gより大きいと、表面の空隙比率が高く十分な担体強度が得られにくくなるので好ましくない。 Alumina is not particularly limited by composition or structure, and includes α-alumina, γ-alumina, and a mixture of these aluminas and inorganic metal oxides selected from silica, titania, zirconia, and the like. . B. of alumina E. T.A. The specific surface area is not particularly limited, but B.I. can be sufficiently dispersed so that the supported rhodium and cobalt can be dispersed. E. T.A. The specific surface area is preferably 3 to 200 m 2 / g. B. E. T.A. When the specific surface area is less than 3 m 2 / g, rhodium and cobalt cannot be sufficiently dispersed on the support surface layer, making it difficult to obtain a predetermined catalytic activity and catalyst life. E. T.A. When the specific surface area is larger than 200 m 2 / g, the void ratio on the surface is high, and it is difficult to obtain a sufficient carrier strength.
希土類金属酸化物としては、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム及びイッテルビウムなどから選択される1種又は2種以上の希土類金属の酸化物が挙げられる。希土類金属は、特にランタン、セリウムが好ましい。これらの希土類金属の酸化物は、塩化物、硝酸塩、酢酸塩などの希土類金属化合物を前駆体として焼成により得ることができる。 Examples of the rare earth metal oxide include oxides of one or more rare earth metals selected from lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, ytterbium, and the like. The rare earth metal is particularly preferably lanthanum or cerium. These rare earth metal oxides can be obtained by firing using rare earth metal compounds such as chlorides, nitrates and acetates as precursors.
希土類金属酸化物の担持量は、アルミナ100質量部に対して2〜30質量部であることが好ましく、5〜20質量部であることがより好ましく、10〜18質量部であることがさらにより好ましい。希土類金属酸化物の上記担持量が30質量部より多いと、アルミナに対して過剰量に存在して、その含有量に比した添加効果が得られないので好ましくない。一方、希土類金属酸化物の上記担持量が2質量部よりも少ないと、その添加効果が低くなるので好ましくない。 The supported amount of the rare earth metal oxide is preferably 2 to 30 parts by mass, more preferably 5 to 20 parts by mass, and even more preferably 10 to 18 parts by mass with respect to 100 parts by mass of alumina. preferable. When the loading amount of the rare earth metal oxide is more than 30 parts by mass, it is not preferable because it exists in an excess amount with respect to alumina and an effect of addition relative to the content cannot be obtained. On the other hand, if the supported amount of the rare earth metal oxide is less than 2 parts by mass, the effect of addition becomes low, which is not preferable.
アルカリ土類金属酸化物としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムなどから選択される1種又は2種以上のアルカリ土類金属の酸化物が挙げられる。アルカリ土類金属は、特にマグネシウム、ストロンチウム、バリウムが好ましい。これらのアルカリ土類金属の酸化物は、塩化物、硝酸塩、酢酸塩などのアルカリ土類金属化合物を前駆体として焼成により得ることができる。 Examples of the alkaline earth metal oxide include oxides of one or more alkaline earth metals selected from magnesium, calcium, strontium, barium and the like. The alkaline earth metal is particularly preferably magnesium, strontium, or barium. These alkaline earth metal oxides can be obtained by firing with an alkaline earth metal compound such as chloride, nitrate, acetate, etc. as a precursor.
アルカリ土類金属酸化物の担持量は、アルミナ100質量部に対して1〜10質量部であることが好ましく、1〜8質量部であることがより好ましく、1〜8質量部であることがさらにより好ましい。アルカリ土類金属酸化物の上記担持量が10質量部より多いと、アルミナに対して過剰量に存在して、その含有量に比した添加効果が得られないので好ましくない。一方、アルカリ土類金属酸化物の上記担持量が1質量部よりも少ないと、その添加効果が低くなるので好ましくない。 The supported amount of the alkaline earth metal oxide is preferably 1 to 10 parts by mass, more preferably 1 to 8 parts by mass, and 1 to 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of alumina. Even more preferred. When the supported amount of the alkaline earth metal oxide is more than 10 parts by mass, it is not preferable because it is present in an excessive amount with respect to alumina and the effect of addition relative to the content cannot be obtained. On the other hand, when the amount of the alkaline earth metal oxide supported is less than 1 part by mass, the effect of addition is reduced, which is not preferable.
本実施形態における希土類金属酸化物に含まれる希土類元素と、アルカリ土類金属酸化物に含まれるアルカリ土類元素の組み合わせは、ストロンチウムとセリウム、マグネシウムとセリウム、バリウムとセリウム、ストロンチウムとランタン、及びバリウムとランタンから選択される少なくとも1種であることが好ましい。特に好ましくは、ストロンチウムとセリウム、バリウムとセリウムの組み合わせである。 The combination of the rare earth element contained in the rare earth metal oxide and the alkaline earth element contained in the alkaline earth metal oxide in this embodiment is strontium and cerium, magnesium and cerium, barium and cerium, strontium and lanthanum, and barium. And at least one selected from lanthanum. Particularly preferred is a combination of strontium and cerium, or barium and cerium.
コバルトの担持量は、アルミナ100質量部に対してコバルト原子換算で0.1〜10質量部であることが好ましく、0.2〜5質量部であることがより好ましく、0.2〜2質量部であることがさらにより好ましい。コバルトの上記担持量が10質量部より多いと、アルミナに対して過剰量に存在して、その含有量に比した添加効果が得られないので好ましくない。一方、コバルトの上記担持量が0.1質量部よりも少ないと、その添加効果が低くなるので好ましくない。 The supported amount of cobalt is preferably 0.1 to 10 parts by mass in terms of cobalt atom, more preferably 0.2 to 5 parts by mass, and 0.2 to 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of alumina. Even more preferably, it is part. When the amount of cobalt supported is more than 10 parts by mass, it is not preferable because it is present in excess with respect to alumina and the effect of addition compared to the content cannot be obtained. On the other hand, if the supported amount of cobalt is less than 0.1 parts by mass, the effect of addition becomes low, which is not preferable.
ロジウムの担持量は、アルミナ100質量部に対してロジウム原子換算で0.01〜3質量部であることが好ましく、0.05〜1質量部であることがより好ましく、0.05〜0.5質量部であることがさらにより好ましい。ロジウムの上記担持量が3質量部より多いと、高価なロジウム金属がアルミナに対して過剰量に存在して、その含有量に比した添加効果が得られないだけでなく、触媒価格が高額になるので好ましくない。一方、ロジウムの上記担持量が0.01質量部よりも少ないと、その添加効果が低くなるので好ましくない。 The supported amount of rhodium is preferably 0.01 to 3 parts by mass, more preferably 0.05 to 1 part by mass, and more preferably 0.05 to 0. Even more preferably 5 parts by weight. If the supported amount of rhodium is more than 3 parts by mass, the expensive rhodium metal is present in an excessive amount with respect to alumina, and not only the addition effect compared with the content cannot be obtained, but also the catalyst price is high. This is not preferable. On the other hand, if the amount of rhodium supported is less than 0.01 parts by mass, the effect of addition is reduced, which is not preferable.
本実施形態の水素製造用改質触媒は、ロジウムのほかに、ルテニウム、パラジウム及び白金などから選択される1種又は2種以上の白金族金属を含有することもできる。この場合、ロジウム以外の白金族金属の担持量は、アルミナ100質量部に対して白金族原子換算で0.01〜3質量部であることが好ましく、0.05〜2質量部であることがより好ましく、0.1〜1質量部であることがさらにより好ましい。 In addition to rhodium, the reforming catalyst for hydrogen production of the present embodiment can also contain one or more platinum group metals selected from ruthenium, palladium, platinum and the like. In this case, the supported amount of the platinum group metal other than rhodium is preferably 0.01 to 3 parts by mass, and 0.05 to 2 parts by mass in terms of platinum group atoms with respect to 100 parts by mass of alumina. More preferred is 0.1 to 1 part by mass.
本実施形態の水素製造用改質触媒は、コバルト、ロジウム及び上記白金族金属のほかに、本発明に係る効果を損なわない範囲で、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属など金属を含有することもできる。 The reforming catalyst for hydrogen production of the present embodiment contains a metal such as an alkali metal, an alkaline earth metal, and a rare earth metal in addition to cobalt, rhodium, and the platinum group metal as long as the effects according to the present invention are not impaired. You can also.
本実施形態に係る水素製造用改質触媒において、コバルト、ロジウム、希土類金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を担体に担持させる方法としては、特に制限はなく、通常の含浸法、ポアフィル法など公知の方法を用いることができる。通常、金属塩もしくは金属錯体として水や有機物などを含有する溶媒に溶解させた後、アルミナを含有する担体に含浸させる。含有させる金属塩もしくは金属錯体は、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、アセト酢酸塩などを用いることができる。含浸の回数や工程に関しては特に制限はなく、一度又は数度に分けて含有させることができる。コバルト及びロジウムは、同じ溶媒に溶解させた後、同時に触媒に含有させることが好ましい。すなわち、無機複合酸化物担体若しくはその前駆体に、コバルト化合物及びロジウム化合物が含まれる溶液を含浸することが好ましい。コバルト化合物及びロジウム化合物としては、上述した塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、アセト酢酸塩を用いることができ、好ましい化合物としては、溶解性の高さによる溶液調製の容易さの点で、硝酸コバルト及び硝酸ロジウムが挙げられる。 In the reforming catalyst for hydrogen production according to the present embodiment, the method for supporting cobalt, rhodium, rare earth metal oxide, and alkaline earth metal oxide on the support is not particularly limited, and a normal impregnation method, a pore fill method, etc. A known method can be used. Usually, it is dissolved in a solvent containing water or an organic substance as a metal salt or metal complex, and then impregnated on a carrier containing alumina. As the metal salt or metal complex to be contained, chloride, nitrate, sulfate, acetate, acetoacetate and the like can be used. There is no restriction | limiting in particular regarding the frequency | count of an impregnation, or a process, It can be made to divide once or several times. Cobalt and rhodium are preferably dissolved in the same solvent and then simultaneously contained in the catalyst. That is, it is preferable to impregnate an inorganic composite oxide carrier or a precursor thereof with a solution containing a cobalt compound and a rhodium compound. As the cobalt compound and rhodium compound, the above-mentioned chloride, nitrate, sulfate, acetate, acetoacetate can be used, and preferred compounds are from the viewpoint of ease of solution preparation due to high solubility, Examples include cobalt nitrate and rhodium nitrate.
各金属を含有させた後の乾燥処理は、その条件については特に制限されないが、例えば、空気中、100℃以上で行うことが挙げられる。 The drying treatment after the inclusion of each metal is not particularly limited with respect to the conditions, but for example, it may be performed in air at 100 ° C. or higher.
本実施形態においては、高温焼成処理によって活性金属であるロジウム原子が熱凝集することを抑制する観点から、触媒にコバルト及びロジウムを導入する前、より具体的には、アルミナを含有し、希土類金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を担持した無機複合酸化物担体若しくはその前駆体に、コバルト化合物及びロジウム化合物が含まれる溶液を含浸する前に、当該無機複合酸化物担体若しくはその前駆体を、酸素の存在下で650〜1200℃の温度で予め焼成処理することが好ましい。焼成温度は、700℃以上が好ましく、750℃以上がより好ましく、1000℃以下が好ましく、900℃以下がより好ましい。 In the present embodiment, from the viewpoint of suppressing thermal aggregation of rhodium atoms, which are active metals, by high-temperature baking treatment, before introducing cobalt and rhodium into the catalyst, more specifically, containing alumina, rare earth metal Before impregnating a solution containing a cobalt compound and a rhodium compound into an inorganic composite oxide support or precursor thereof supporting an oxide and an alkaline earth metal oxide, the inorganic composite oxide support or precursor thereof is It is preferable to perform a pre-baking treatment at a temperature of 650 to 1200 ° C. in the presence of oxygen. The firing temperature is preferably 700 ° C. or higher, more preferably 750 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. or lower, and more preferably 900 ° C. or lower.
無機複合酸化物担体の前駆体としては、例えば、アルミナを含む担体に上記希土類金属化合物を含浸したものを酸素の存在下400〜800℃で焼成し、これに上記アルカリ土類金属化合物を含浸したもの、アルミナを含む担体に上記希土類金属化合物及び上記アルカリ土類金属化合物を含浸したものなどが挙げられる。 As a precursor of the inorganic composite oxide carrier, for example, a carrier containing alumina impregnated with the rare earth metal compound is fired at 400 to 800 ° C. in the presence of oxygen, and this is impregnated with the alkaline earth metal compound. And a carrier containing alumina impregnated with the rare earth metal compound and the alkaline earth metal compound.
上記の焼成処理を行うことで、後に触媒にコバルトとともに導入されるロジウムが、無機複合酸化物担体の直径方向に対して担体表層に分布しやすくなり、また無機複合酸化物担体のシンタリングが引き金となって生じるロジウムの凝集による触媒性能の減少を抑制することができる。650℃よりも低い温度では、ロジウムを導入した後でロジウムが無機複合酸化物担体の内部方向に分布しやすくなるだけでなく、無機複合酸化物担体に含まれるアルミナの熱凝集が進みやすくなり、それがロジウムの凝集を引き起こし易くなるので好ましくない。一方、1200℃よりも高い温度で焼成処理を行うと、無機複合酸化物担体のB.E.T.比表面積が減少してしまうので好ましくない。 By performing the above-described firing treatment, rhodium introduced together with cobalt into the catalyst is easily distributed on the surface of the support in the diameter direction of the inorganic composite oxide support, and the sintering of the inorganic composite oxide support is triggered. Thus, the decrease in catalyst performance due to the aggregation of rhodium can be suppressed. At a temperature lower than 650 ° C., not only rhodium is likely to be distributed in the internal direction of the inorganic composite oxide support after rhodium is introduced, but also thermal aggregation of alumina contained in the inorganic composite oxide support is likely to proceed, It is not preferable because it tends to cause aggregation of rhodium. On the other hand, when the baking treatment is performed at a temperature higher than 1200 ° C., the BET specific surface area of the inorganic composite oxide carrier is decreased, which is not preferable.
コバルト及びロジウムの導入後は、前述の無機複合酸化物担体若しくはその前駆体の焼成処理温度より低い温度で乾燥または焼成処理を行うことで、導入したコバルト及びロジウムが無機複合酸化物担体の表面に分布して固定化される。コバルト及びロジウムの導入後に無機複合酸化物担体の焼成処理温度よりも高い温度で乾燥または焼成処理を行うと、無機複合酸化物担体のシンタリングが引き金となって無機複合酸化物担体の表面に分布するロジウムの凝集が進み、触媒性能の減少が起こるので好ましくない。コバルト及びロジウムの導入後の乾燥または焼成温度は、前述の無機複合酸化物担体若しくはその前駆体の焼成処理温度に基づき設定することができるが、好ましくは100℃以上650℃未満の範囲であり、より好ましくは130〜600℃の範囲である。100℃よりも低い温度では、水分の脱離が不十分となって導入したコバルト及びロジウムが無機複合酸化物担体の表面で固定化されないので好ましくない。 After the introduction of cobalt and rhodium, the introduced cobalt and rhodium are deposited on the surface of the inorganic composite oxide support by drying or firing at a temperature lower than the firing temperature of the inorganic composite oxide support or precursor thereof. Distributed and fixed. When drying or firing is performed at a temperature higher than the firing temperature of the inorganic composite oxide support after the introduction of cobalt and rhodium, the sintering of the inorganic composite oxide support triggers the distribution on the surface of the inorganic composite oxide support. This is not preferable because the aggregation of rhodium proceeds and the catalyst performance decreases. The drying or firing temperature after the introduction of cobalt and rhodium can be set based on the aforementioned firing temperature of the inorganic composite oxide support or its precursor, but is preferably in the range of 100 ° C. or more and less than 650 ° C., More preferably, it is the range of 130-600 degreeC. A temperature lower than 100 ° C. is not preferable because the desorption of moisture is insufficient and the introduced cobalt and rhodium are not immobilized on the surface of the inorganic composite oxide support.
本実施形態に係る水素製造用改質触媒は、必要に応じて還元処理や金属固定化処理を行うことができる。処理方法は特に制限はなく、例えば、水素流通下での気相還元処理や液相還元処理を行うことができる。 The reforming catalyst for hydrogen production according to the present embodiment can be subjected to reduction treatment or metal immobilization treatment as necessary. The treatment method is not particularly limited, and for example, gas phase reduction treatment or liquid phase reduction treatment under hydrogen flow can be performed.
本実施形態に係る水素製造用改質触媒の好適な製造方法としては、例えば、アルミナに対して所定量の希土類金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を導入して無機複合酸化物担体を形成し、空気雰囲気下で650〜1200℃で焼成処理を行った後に、この焼成処理後の無機複合酸化物担体にコバルト及びロジウムを導入し、次いで上述の乾燥または焼成処理を行う方法が挙げられる。 As a preferred method for producing the reforming catalyst for hydrogen production according to the present embodiment, for example, a predetermined amount of rare earth metal oxide and alkaline earth metal oxide is introduced into alumina to form an inorganic composite oxide support. Then, after performing a baking treatment at 650 to 1200 ° C. in an air atmosphere, cobalt and rhodium are introduced into the inorganic composite oxide carrier after the baking treatment, and then the above-described drying or baking treatment is performed.
本実施形態に係る水素製造用改質触媒の形態については特に制限はなく、例えば、アルミナを含有する担体の形状をそのまま利用することができる。もしくは、打錠成形し粉砕後所定の範囲で整粒した触媒、粉末あるいは球形、リング状、タブレット状、円筒状などに成形した触媒として用いることができる。 There is no restriction | limiting in particular about the form of the reforming catalyst for hydrogen production which concerns on this embodiment, For example, the shape of the support | carrier containing an alumina can be utilized as it is. Alternatively, it can be used as a catalyst formed by tableting and pulverized and sized within a predetermined range, a powder or a catalyst formed into a spherical shape, ring shape, tablet shape, cylindrical shape or the like.
次に、本実施形態に係る水素製造方法について説明する。本実施形態の水素製造方法は、炭化水素化合物類を含有する水素原料を、上述した本実施形態の水素製造用改質触媒で改質して水素を得る方法である。 Next, the hydrogen production method according to this embodiment will be described. The hydrogen production method of this embodiment is a method for obtaining hydrogen by reforming a hydrogen raw material containing hydrocarbon compounds with the above-described reforming catalyst for hydrogen production of this embodiment.
具体的には、例えば、上述の水素製造用改質触媒の存在下に、酸素及びスチームから選択される少なくとも1種を含むガスと、炭化水素化合物類を含有する水素原料とを供給して、部分酸化反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応から選択される少なくとも1つの水素製造反応により水素原料から水素を含有する生成物を得る方法が挙げられる。 Specifically, for example, in the presence of the reforming catalyst for hydrogen production described above, a gas containing at least one selected from oxygen and steam and a hydrogen raw material containing hydrocarbon compounds are supplied, Examples thereof include a method of obtaining a product containing hydrogen from a hydrogen raw material by at least one hydrogen production reaction selected from a partial oxidation reaction, an autothermal reforming reaction and a steam reforming reaction.
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。 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.
水素製造反応において原料となる炭化水素化合物類は、炭素数1〜40、好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜6の有機化合物を含有する。具体的には、飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素などを挙げることができ、また飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素については、鎖状、環状の形状を問わず使用することができる。このような炭化水素化合物類は置換基を含むことができる。置換基としては、鎖状、環状のどちらをも使用でき、例として、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルアリール基及びアラルキル基等を挙げることができる。また、これらの炭化水素化合物類はヒドロキシ基、アルコキシ基、ヒドロキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、ホルミル基などのヘテロ原子を含有する置換基により置換されていてもよい。 Hydrocarbon compounds as raw materials in the hydrogen production reaction contain an organic compound having 1 to 40 carbon atoms, preferably 1 to 30 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms. Specific examples include saturated aliphatic hydrocarbons, unsaturated aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and the like, and saturated aliphatic hydrocarbons and unsaturated aliphatic hydrocarbons are linear or cyclic. Any shape can be used. Such hydrocarbon compounds can contain substituents. As the substituent, either a chain or a ring can be used, and examples thereof include an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an alkylaryl group, and an aralkyl group. These hydrocarbon compounds may be substituted with a substituent containing a hetero atom such as a hydroxy group, an alkoxy group, a hydroxycarbonyl group, an alkoxycarbonyl group, or a formyl group.
炭化水素化合物類の具体例としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの鎖状の飽和脂肪族炭化水素とその構造異性体、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、ヘプテン、オクテンなどの鎖状の不飽和脂肪族炭化水素とその構造異性体、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタンなどの環状炭化水素とその構造異性体、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、ビフェニルなどの芳香族炭化水素などを挙げることができる。また、これらを単品または混合物として含有する材料を使用することができる。例えば、都市ガス、天然ガス、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油などを挙げることができる。 Specific examples of the hydrocarbon compounds include chain saturated aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, and octane and their structural isomers, ethylene, propylene, butene, pentene, hexene. Chain unsaturated aliphatic hydrocarbons such as heptene and octene and their structural isomers, cyclic hydrocarbons such as cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane and cyclooctane and their structural isomers, benzene, toluene, xylene, naphthalene, And aromatic hydrocarbons such as biphenyl. Moreover, the material which contains these as a single item or a mixture can be used. Examples thereof include city gas, natural gas, LPG, naphtha, gasoline, kerosene, and light oil.
またヘテロ原子を含有する置換基を有する炭化水素化合物類として、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料等を含む原料も使用できる。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノールなどを挙げることができ、エーテル類としては、例えば、ジメチルエーテルなどを挙げることができ、バイオ燃料としては、例えば、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットなどを挙げることができる。 In addition, as hydrocarbon compounds having a substituent containing a hetero atom, raw materials containing alcohols, ethers, biofuels and the like can be used. Examples of the alcohols include methanol and ethanol. Examples of the ethers include dimethyl ether. Examples of the biofuel include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet. And so on.
また、上記原料に水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素、酸素、窒素などを含む原料も使用できる。例えば、原料の前処理として水素化脱硫を実施する場合、反応に用いた水素の残留分を特に分離することなくそのまま使用することもできる。 In addition, a raw material containing hydrogen, water, carbon dioxide, carbon monoxide, oxygen, nitrogen or the like as the above raw material can also be used. For example, when hydrodesulfurization is performed as a pretreatment of the raw material, the hydrogen residue used in the reaction can be used as it is without being particularly separated.
原料として使用する炭化水素化合物に含有される硫黄濃度は、硫黄原子の質量として、好ましくは50質量ppb以下、より好ましくは20質量ppb以下、さらに好ましくは10質量ppb以下である。硫黄濃度が50質量ppbを超えると硫黄による改質触媒の被毒が進み、炭素析出を促すので好ましくない。必要であれば水素製造反応の前処理として、原料を脱硫処理して硫黄濃度を下げることが好ましい。原料の脱硫処理の方法に特に制限はなく、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、所定の脱硫触媒と水素の存在下で水素化脱硫処理を行い、生成した硫化水素を吸収剤で除去する方法などを例示できる。脱硫処理の実施方法にも特に制限はなく、例えば、水素製造反応の直前で実施してもよく、独立の脱硫処理プロセスで予め処理を行った原料を使用してもよい。 The sulfur concentration contained in the hydrocarbon compound used as a raw material is preferably 50 mass ppb or less, more preferably 20 mass ppb or less, and still more preferably 10 mass ppb or less as the mass of sulfur atoms. If the sulfur concentration exceeds 50 mass ppb, poisoning of the reforming catalyst with sulfur proceeds and carbon deposition is promoted, which is not preferable. If necessary, it is preferable to desulfurize the raw material to reduce the sulfur concentration as a pretreatment for the hydrogen production reaction. There are no particular limitations on the raw material desulfurization method, and one or more known techniques such as hydrodesulfurization and adsorption separation, which are generally used industrially, can be used. For example, a method of performing hydrodesulfurization treatment in the presence of a predetermined desulfurization catalyst and hydrogen and removing the produced hydrogen sulfide with an absorbent can be exemplified. There is no restriction | limiting in particular also in the implementation method of a desulfurization process, For example, you may implement just before hydrogen production reaction, and you may use the raw material which processed beforehand by the independent desulfurization process.
本実施形態において、水素製造用改質触媒に導入される流通原料の空間速度は、ガス空間速度(以下GHSVと記す)が、好ましくは10〜10,000h−1、より好ましくは50〜5,000h−1、さらに好ましくは100〜3,000h−1の範囲である。GHSVが10,000h−1よりも高いと、原料と触媒の接触時間が十分に確保できないので反応転化が進まず好ましくない。一方、GHSVが10h−1よりも低いと、触媒量に対する水素製造量が少なく水素製造効率が低くなるので好ましくない。また液空間速度(以下LHSVと記す)では、好ましくは0.05〜5.0h−1、より好ましくは0.1〜2.0h−1、さらに好ましくは0.2〜1.0h−1の範囲である。LHSVが5.0h−1よりも高いと、原料と触媒の接触時間が十分に確保できないので反応転化が進まず好ましくない。一方、LHSVが0.05h−1よりも低いと、触媒量に対する水素製造量が少なく水素製造効率が低くなるので好ましくない。 In this embodiment, the space velocity of the flow material introduced into the reforming catalyst for hydrogen production is preferably a gas space velocity (hereinafter referred to as GHSV), preferably 10 to 10,000 h −1 , more preferably 50 to 5, 000h -1, more preferably in the range of 100~3,000h -1. If the GHSV is higher than 10,000 h −1, the contact time between the raw material and the catalyst cannot be secured sufficiently, and the reaction conversion does not proceed, which is not preferable. On the other hand, if GHSV is lower than 10 h −1, it is not preferable because the amount of hydrogen production relative to the amount of catalyst is small and the hydrogen production efficiency is low. The liquid space velocity (hereinafter referred to as LHSV) is preferably 0.05 to 5.0 h −1 , more preferably 0.1 to 2.0 h −1 , and still more preferably 0.2 to 1.0 h −1 . It is a range. When LHSV is higher than 5.0 h −1, the contact time between the raw material and the catalyst cannot be ensured sufficiently, so that the reaction conversion does not proceed and it is not preferable. On the other hand, if LHSV is lower than 0.05 h −1, it is not preferable because the amount of hydrogen production relative to the amount of catalyst is small and the hydrogen production efficiency is low.
本実施形態の水素製造方法の反応温度は特に限定されるものではないが、好ましくは200〜1000℃、より好ましくは250〜900℃、さらに好ましくは300〜800℃の範囲である。1000℃よりも高い温度では、触媒に含有される金属の凝集が進みやすく触媒の早期性能低下を伴うので好ましくない。一方、200℃よりも低い温度では、水素製造に十分な反応速度を得られないので好ましくない。 The reaction temperature of the hydrogen production method of the present embodiment is not particularly limited, but is preferably 200 to 1000 ° C, more preferably 250 to 900 ° C, and further preferably 300 to 800 ° C. When the temperature is higher than 1000 ° C., the aggregation of the metal contained in the catalyst is likely to proceed, and the early performance deterioration of the catalyst is accompanied. On the other hand, a temperature lower than 200 ° C. is not preferable because a reaction rate sufficient for hydrogen production cannot be obtained.
本実施形態の水素製造方法の反応圧力は特に限定されるものではないが、好ましくは大気圧〜20MPa、より好ましくは大気圧〜5MPa、さらに好ましくは大気圧〜1MPaである。大気圧よりも低い圧力や、20MPaよりも高い圧力でも実施することは可能であるが、その場合は製造設備が減圧および高圧に対応する必要があり、経済的に好ましくない。 The reaction pressure of the hydrogen production method of the present embodiment is not particularly limited, but is preferably atmospheric pressure to 20 MPa, more preferably atmospheric pressure to 5 MPa, and further preferably atmospheric pressure to 1 MPa. Although it is possible to carry out at a pressure lower than the atmospheric pressure or a pressure higher than 20 MPa, in that case, it is necessary for the production equipment to cope with reduced pressure and high pressure, which is not economically preferable.
本実施形態において、水蒸気改質反応を行うに際し、水蒸気改質反応に導入するスチームの量は、原料炭化水素化合物類に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比:以下S/Cと記す)が、好ましくは0.3〜10、より好ましくは0.5〜5、さらに好ましくは1.5〜3.5の範囲となるように設定される。S/Cが0.3より小さい場合は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。一方、S/Cが10より大きい場合は、スチーム供給に要するエネルギーや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。 In the present embodiment, when performing the steam reforming reaction, the amount of steam introduced into the steam reforming reaction is the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material hydrocarbon compounds (steam / carbon ratio: (Hereinafter referred to as S / C) is preferably set to be in the range of 0.3 to 10, more preferably 0.5 to 5, and further preferably 1.5 to 3.5. When S / C is less than 0.3, the steam required for the steam reforming reaction is insufficient, and coke deposition is promoted, so that the performance degradation of the catalyst is remarkably accelerated. On the other hand, when S / C is larger than 10, the energy required for steam supply and the cost required for generating / collecting surplus steam increase, which is not preferable.
また本実施形態においては、本実施形態に係る水素製造用改質触媒を用いることで、部分酸化反応及びオートサーマル反応など酸素が共存する状態においても、水素を効率的に製造できることができる。これらの反応に導入する酸素の量は、原料炭化水素化合物類に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比:以下O2/Cと記す)が、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.5以下、さらに好ましくは0.3以下である。O2/Cが0.8より大きい場合は、二酸化炭素および水の生成反応が進み、水素の生成量が減少するので好ましくない。 Further, in the present embodiment, by using the hydrogen production reforming catalyst according to the present embodiment, hydrogen can be efficiently produced even in a state where oxygen coexists, such as a partial oxidation reaction and an autothermal reaction. The amount of oxygen introduced into these reactions is preferably a ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material hydrocarbon compounds (oxygen / carbon ratio: hereinafter referred to as O 2 / C), preferably 0. It is 8 or less, more preferably 0.5 or less, and still more preferably 0.3 or less. A case where O 2 / C is larger than 0.8 is not preferable because the generation reaction of carbon dioxide and water proceeds and the generation amount of hydrogen decreases.
本実施形態の水素製造方法によれば、本実施形態に係る水素製造用改質触媒による水素製造反応によって、都市ガス、天然ガス、LPG、ナフサ、灯油等の炭化水素燃料から、水素を主成分として含む改質ガスを得ることができる。また、水素製造反応で得られた水素を含有する混合ガスは、固体酸化物形燃料電池のような場合であれば、そのまま燃料電池用の燃料として用いることができる。また、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池のように、一酸化炭素の除去が必要な場合には、一酸化炭素除去工程を併用することにより燃料電池用の燃料として好適に用いることができる。 According to the hydrogen production method of this embodiment, hydrogen is a main component from hydrocarbon fuels such as city gas, natural gas, LPG, naphtha, and kerosene by a hydrogen production reaction by the reforming catalyst for hydrogen production according to this embodiment. The reformed gas contained as can be obtained. Moreover, the mixed gas containing hydrogen obtained by the hydrogen production reaction can be used as a fuel for a fuel cell as it is in the case of a solid oxide fuel cell. In addition, when carbon monoxide needs to be removed, such as phosphoric acid fuel cells and polymer electrolyte fuel cells, it can be suitably used as a fuel for fuel cells by using a carbon monoxide removal step in combination. Can do.
次に、本実施形態に係る水素製造装置及び燃料電池システムについて説明する。 Next, a hydrogen production apparatus and a fuel cell system according to this embodiment will be described.
本実施形態の水素製造装置は、上述した本実施形態に係る水素製造用改質触媒を有する改質部、並びに、当該改質部に、酸素及びスチームから選択される少なくとも1種を含むガスと、炭化水素化合物類が含まれる水素原料とを供給する供給部を備え、部分酸化反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応から選択される少なくとも1つの反応により水素原料から水素を含有する生成物を得るものである。 The hydrogen production apparatus of the present embodiment includes a reforming unit having the above-described reforming catalyst for hydrogen production according to the present embodiment, and a gas containing at least one selected from oxygen and steam in the reforming unit. , Comprising a supply unit for supplying a hydrogen raw material containing hydrocarbon compounds, and containing hydrogen from the hydrogen raw material by at least one reaction selected from a partial oxidation reaction, an autothermal reforming reaction and a steam reforming reaction To get things.
本実施形態に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と燃料電池スタックを備え、例えば、図1の構成を備える。図1は本実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略図である。 The fuel cell system according to the present embodiment includes the hydrogen production apparatus and the fuel cell stack, and includes, for example, the configuration of FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an example of the fuel cell system of the present embodiment.
図1において、燃料タンク3内の燃料は燃料ポンプ4を経て脱硫器5に流入する。脱硫器5内には例えば銅−亜鉛系あるいはニッケル−亜鉛系の収着剤などを充填することができる。この時、必要であれば改質器7の下流、シフト反応器9の下流及び一酸化炭素選択酸化反応器10の下流、及びアノードオフガスの少なくともいずれかからの水素含有ガスを添加できる。脱硫器5で脱硫された燃料は水タンク1から水ポンプ2を経た水と混合した後、気化器6に導入されて気化され、改質器7に送り込まれる。
In FIG. 1, the fuel in the fuel tank 3 flows into the
改質器7の触媒として本実施形態の触媒を用い、改質器7内に充填される。改質器反応管は燃料タンク3からの燃料(炭化水素化合物類が含まれる水素原料)及びアノードオフガスを燃料とするバーナー18により加温され、好ましくは200〜1000℃、より好ましくは300〜900℃、さらに好ましくは400〜800℃の範囲に調節される。
The catalyst of the present embodiment is used as the catalyst of the
本実施形態において、供給部20は、水タンク1、水ポンプ2、燃料タンク3、及び脱硫器5から構成されているが、改質部7に酸素及びスチームから選択される少なくとも1種を含むガスと、炭化水素化合物類が含まれる水素原料とを供給するものであれば、他の構成を有していてもよい。
In the present embodiment, the
このようにして製造された水素と一酸化炭素を含有する改質ガスは、シフト反応器9、一酸化炭素選択酸化反応器10を順次通過させることで燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで一酸化炭素濃度が低減される。これらの反応器に用いる触媒の例としては、シフト反応器9には鉄−クロム系触媒および/あるいは銅−亜鉛系触媒、一酸化炭素選択酸化反応器10にはルテニウム系触媒等を挙げることができる。
The reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide produced in this way is passed through the shift reactor 9 and the carbon monoxide
上述した水蒸気改質用触媒、水素製造装置及び燃料電池システムによれば、炭化水素などの水素源を原料とする水素製造において、安価で耐久が高く、幅広い条件で水素を効率的に製造することが可能となる。 According to the above-described steam reforming catalyst, hydrogen production apparatus, and fuel cell system, hydrogen production using a hydrogen source such as hydrocarbon as a raw material is inexpensive, highly durable, and efficiently produces hydrogen under a wide range of conditions. Is possible.
以下に実施例を挙げて本発明の効果をさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 The effects of the present invention will be described more specifically with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[触媒の調製]
<実施例1(触媒A)>
直径2〜3mmの球形に成型されたγ‐アルミナ担体(細孔容積0.43ml/g、B.E.T.比表面積182m2/g)を空気下150℃で6時間乾燥した後、硝酸セリウムを含む水溶液を含浸して、150℃で4時間乾燥した後、空気下400℃で4時間焼成した。これに、硝酸ストロンチウムを含む水溶液を含浸して、150℃で4時間乾燥させた後、空気下800℃で4時間焼成処理を行って、γ‐アルミナ担体100質量部に対して酸化セリウムの担持量が12質量部、酸化ストロンチウムの担持量が5質量部の割合となる酸化物担体Aを得た。
[Preparation of catalyst]
<Example 1 (Catalyst A)>
A γ-alumina carrier (pore volume 0.43 ml / g, BET specific surface area 182 m 2 / g) molded into a spherical shape having a diameter of 2 to 3 mm was dried in air at 150 ° C. for 6 hours, and then nitric acid. It was impregnated with an aqueous solution containing cerium, dried at 150 ° C. for 4 hours, and then calcined at 400 ° C. for 4 hours in air. This was impregnated with an aqueous solution containing strontium nitrate, dried at 150 ° C. for 4 hours, and then fired at 800 ° C. for 4 hours in air to carry cerium oxide on 100 parts by mass of the γ-alumina carrier. An oxide carrier A having an amount of 12 parts by mass and a supported amount of strontium oxide of 5 parts by mass was obtained.
この酸化物担体Aに、硝酸コバルト及び硝酸ロジウムを含む水溶液を含浸して、150℃で4時間乾燥させた後、大気中600℃で3時間焼成処理を行った。その結果、γ−アルミナ100質量部に対して酸化セリウムの担持量が12質量部、酸化ストロンチウムの担持量が5質量部、コバルトの担持量がコバルト原子換算で1質量部、ロジウムの担持量がロジウム原子換算で0.2質量部の割合となる触媒を得た。これを「触媒A」とした。 The oxide carrier A was impregnated with an aqueous solution containing cobalt nitrate and rhodium nitrate, dried at 150 ° C. for 4 hours, and then fired at 600 ° C. for 3 hours in the air. As a result, the supported amount of cerium oxide is 12 parts by mass, the supported amount of strontium oxide is 5 parts by mass, the supported amount of cobalt is 1 part by mass in terms of cobalt atom, and the supported amount of rhodium is 100 parts by mass of γ-alumina. A catalyst having a ratio of 0.2 parts by mass in terms of rhodium atoms was obtained. This was designated as “catalyst A”.
<比較例1(触媒B)>
実施例1と同様にして作製した酸化物担体Aに、硝酸ロジウムを含む水溶液を含浸して、150℃で4時間乾燥した後、空気下600℃で3時間焼成処理を行った。その結果、γ‐アルミナ100質量部に対して酸化セリウムの担持量が12質量部、酸化ストロンチウムの担持量が5質量部、ロジウムの担持量がロジウム原子換算で0.2質量部の割合となる触媒を得た。これを「触媒B」とした。
<Comparative Example 1 (Catalyst B)>
An oxide carrier A produced in the same manner as in Example 1 was impregnated with an aqueous solution containing rhodium nitrate, dried at 150 ° C. for 4 hours, and then fired at 600 ° C. for 3 hours in air. As a result, the supported amount of cerium oxide is 12 parts by mass, the supported amount of strontium oxide is 5 parts by mass, and the supported amount of rhodium is 0.2 parts by mass in terms of rhodium atoms with respect to 100 parts by mass of γ-alumina. A catalyst was obtained. This was designated as “catalyst B”.
[水蒸気改質反応による触媒活性の評価]
上記の触媒を、固定床のマイクロリアクターを用いて水蒸気改質反応で評価した。触媒1mlを反応管(内径約15mm)に充填して、これを管状電気炉内に設置して、大気圧で反応温度350℃、スチーム/カーボン比(モル比)2.5の条件で、プロパンガスを原料としてGHSV2,200h−1で導入した。
[Evaluation of catalytic activity by steam reforming reaction]
The catalyst was evaluated in a steam reforming reaction using a fixed bed microreactor. 1 ml of catalyst is filled into a reaction tube (inner diameter of about 15 mm), which is placed in a tubular electric furnace, and propane is used under atmospheric pressure, reaction temperature of 350 ° C., and steam / carbon ratio (molar ratio) of 2.5. Gas was introduced as a raw material at GHSV 2,200 h −1 .
反応生成ガスは、ガスクロマトグラムを用いて組成の分析を行い、反応生成ガスに含まれる炭素成分のモル数を基準に、下記式(1)で求められるプロパン転化率を算出して、原料のプロパン転化率を求めた。これを「初期プロパン転化率」とした。 The reaction product gas is analyzed for its composition using a gas chromatogram, and the propane conversion rate obtained by the following formula (1) is calculated based on the number of moles of the carbon component contained in the reaction product gas. Conversion was determined. This was designated as “initial propane conversion”.
プロパン転化率(%)=(反応生成ガスに含まれるC1化合物のモル数)÷(反応生成ガスに含まれる炭素原子の総モル数)×100 ・・・ 式(1)
なお、式(1)において「C1化合物」とは炭素数1の化合物の総称であり、具体的にはCO、CO2、CH4のことを意味する。
Propane conversion (%) = (number of moles of C1 compound contained in reaction product gas) / (total number of moles of carbon atoms contained in reaction product gas) × 100 (1)
In the formula (1), “C1 compound” is a general term for compounds having 1 carbon atom, and specifically means CO, CO 2 , and CH 4 .
上記で得られたプロパン転化率に基づき、下記式(2)で求められる反応速度を算出した。これを「初期反応速度」とした。
反応速度(mol/sec/ml)=プロパンの供給モル速度(mol/sec)×プロパン転化率(%)÷100÷触媒量(ml)・・・式(2)
Based on the propane conversion obtained above, the reaction rate obtained by the following formula (2) was calculated. This was defined as “initial reaction rate”.
Reaction rate (mol / sec / ml) = propane feed molar rate (mol / sec) × propane conversion (%) ÷ 100 ÷ catalyst amount (ml) Formula (2)
この後、反応管内に充填した触媒に対して800℃でスチームを4時間流通して熱劣化処理を行った後で、上記と同様の条件でプロパンガスを導入して、同様にプロパン転化率を求め、反応速度を算出した。これらをそれぞれ「劣化後プロパン転化率」、「劣化後反応速度」とした。 After this, steam was passed through the catalyst filled in the reaction tube at 800 ° C. for 4 hours to perform heat deterioration treatment, and then propane gas was introduced under the same conditions as described above. The reaction rate was calculated. These were defined as “post-degradation propane conversion” and “degradation reaction rate”, respectively.
[CO吸着による金属分散度測定]
触媒活性の評価を行う前、および熱劣化処理を行った後の評価後の上記の触媒について金属分散度を測定して、「初期金属分散度」及び「劣化後金属分散度」をそれぞれ求めた。
[Measurement of metal dispersion by CO adsorption]
Before the evaluation of the catalytic activity and after the evaluation after the thermal deterioration treatment, the metal dispersibility was measured, and the “initial metal dispersity” and the “post-degradation metal dispersity” were obtained respectively. .
金属分散度は、一酸化炭素(CO)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)で触媒に吸着したCO吸着量V50を測定し、それらの値を用いて下記式(3)に従って算出した。
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(3)
The metal dispersity is measured by measuring the CO adsorption amount V 50 adsorbed on the catalyst by a gas adsorption analysis method using carbon monoxide (CO) (using a metal dispersity measuring device BEL-METAL-3SP (manufactured by Nippon BEL)). And it calculated according to following formula (3) using those values.
Metal dispersity (%) = (number of moles of CO molecules adsorbed per gram of catalyst / number of moles of noble metal contained per gram of catalyst) × 100 Formula (3)
なお、式(3)中の「触媒1g当たりに吸着したCO分子のモル数」は、触媒試料を50ml/分の水素気流下で200℃で60分間、続いて50ml/分のヘリウム気流下で200℃で30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、ロジウムが担体表面に球体として担持されて1個のロジウム原子に1つのCO分子が吸着するとみなして、下記式(4)で求めた。
触媒1g当たりに吸着したCO分子のモル数(mol/g)=V50/W×(273/(273+t))×(P/102.906)/(22.4×103) ・・・ 式(4)
V50: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(℃)
In the formula (3), “the number of moles of CO molecules adsorbed per 1 g of catalyst” is obtained by measuring the catalyst sample at 200 ° C. for 60 minutes under a hydrogen stream of 50 ml / min, and subsequently under a helium stream of 50 ml / min. After pretreatment at 200 ° C. for 30 minutes, rhodium is supported as a sphere on the support surface based on the CO adsorption amount V 50 when CO pulses are injected at 50 ° C. in a helium gas stream. Assuming that one CO molecule is adsorbed on the rhodium atom, the following formula (4) was used.
Number of moles of CO molecules adsorbed per 1 g of catalyst (mol / g) = V 50 /W×(273/(273+t))×(P/102.906)/(22.4×10 3 ) Formula (4)
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)
これらの結果を表1に示す。表1中の触媒組成の単位は、触媒の全質量を基準とした含有量である。また、触媒A及びBの「初期反応速度」及び「劣化後反応速度」について、触媒Bの初期反応速度を1としたときの反応速度の相対比を図2に示す。 These results are shown in Table 1. The unit of the catalyst composition in Table 1 is the content based on the total mass of the catalyst. Further, with respect to the “initial reaction rate” and “post-degradation reaction rate” of the catalysts A and B, the relative ratio of the reaction rates when the initial reaction rate of the catalyst B is 1 is shown in FIG.
ロジウムとともにコバルトが添加された触媒Aは初期反応速度及び劣化後反応速度の両方が、コバルトを添加しない触媒Bに比べて約20%反応速度が大きい。この結果は、本発明によって提供される水素製造用改質触媒が、熱劣化処理を与えた後も高い触媒活性を有しており、炭化水素の水蒸気改質反応を効率よく進めることができることを示唆する。 The catalyst A to which cobalt is added together with rhodium has a reaction rate of about 20% higher than that of the catalyst B to which no cobalt is added in both the initial reaction rate and the post-degradation reaction rate. This result shows that the reforming catalyst for hydrogen production provided by the present invention has high catalytic activity even after being subjected to thermal degradation treatment, and can efficiently proceed with the steam reforming reaction of hydrocarbons. Suggest.
1…水タンク、2…水ポンプ、3…燃料タンク、4…燃料ポンプ、5…脱硫器、6…気化器、7…改質器、8…空気ブロアー、9…シフト反応器、10…一酸化炭素選択酸化反応器、11…アノード、12…カソード、13…固体高分子電解質、14…電気負荷、15…排気口、16…固体高分子形燃料電池、17…加温用バーナー、20…供給部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Water tank, 2 ... Water pump, 3 ... Fuel tank, 4 ... Fuel pump, 5 ... Desulfurizer, 6 ... Vaporizer, 7 ... Reformer, 8 ... Air blower, 9 ... Shift reactor, 10 ... One Carbon oxide selective oxidation reactor, 11 ... anode, 12 ... cathode, 13 ... solid polymer electrolyte, 14 ... electric load, 15 ... exhaust port, 16 ... solid polymer fuel cell, 17 ... heating burner, 20 ... Supply section.
Claims (9)
前記アルカリ土類金属酸化物が酸化ストロンチウムを含む、水素製造用改質触媒。 An inorganic composite oxide support containing alumina and supporting a rare earth metal oxide and an alkaline earth metal oxide; and cobalt and rhodium supported on the support ;
A reforming catalyst for hydrogen production , wherein the alkaline earth metal oxide contains strontium oxide .
前記無機複合酸化物担体若しくはその前駆体に、コバルト化合物及びロジウム化合物が含まれる溶液を含浸する工程を有する、水素製造用改質触媒の製造方法。 A method for producing a reforming catalyst for hydrogen production according to any one of claims 1 to 5,
A method for producing a reforming catalyst for hydrogen production, comprising a step of impregnating the inorganic composite oxide support or a precursor thereof with a solution containing a cobalt compound and a rhodium compound.
部分酸化反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応から選択される少なくとも1つの反応により前記水素原料から水素を含有する生成物を得る、水素製造装置。 A reforming unit having the reforming catalyst for hydrogen production according to any one of claims 1 to 5, a gas containing at least one selected from oxygen and steam in the reforming unit, and hydrocarbon compounds A supply unit for supplying a hydrogen raw material containing
An apparatus for producing hydrogen, wherein a product containing hydrogen is obtained from the hydrogen raw material by at least one reaction selected from a partial oxidation reaction, an autothermal reforming reaction, and a steam reforming reaction.
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