JP6701778B2 - Method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, apparatus for producing hydrogen, operating method for fuel cell, and operating apparatus for fuel cell - Google Patents

Method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, apparatus for producing hydrogen, operating method for fuel cell, and operating apparatus for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP6701778B2
JP6701778B2 JP2016026047A JP2016026047A JP6701778B2 JP 6701778 B2 JP6701778 B2 JP 6701778B2 JP 2016026047 A JP2016026047 A JP 2016026047A JP 2016026047 A JP2016026047 A JP 2016026047A JP 6701778 B2 JP6701778 B2 JP 6701778B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
reforming
hydrogen
gas
catalyst
raw material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016026047A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016153368A (en
Inventor
憲治 中尾
憲治 中尾
鈴木 公仁
公仁 鈴木
堂野前 等
等 堂野前
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Publication of JP2016153368A publication Critical patent/JP2016153368A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6701778B2 publication Critical patent/JP6701778B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Description

本発明は、炭化水素改質用触媒を用いて、メタンなどの炭化水素を水蒸気により改質し、水素や一酸化炭素等のガスへ変換する、炭化水素の改質による水素製造方法、水素製造装置、前記水素製造方法を利用した燃料電池の運転方法及び運転装置に関する。   The present invention uses a hydrocarbon reforming catalyst to reform hydrocarbons such as methane with steam and convert them into gases such as hydrogen and carbon monoxide. The present invention relates to an apparatus, an operating method and an operating apparatus for a fuel cell using the hydrogen production method.

水素は、新エネルギーの原料として期待されており、水素ステーション用水素製造装置での製造や、家庭や中小事業所等への普及が期待されている固定用燃料電池システム等で用いられており、オンサイトでの製造が検討されている。現在、水素ステーションや家庭用燃料電池では、天然ガス、LNG、都市ガス、LPG、灯油等を原料として水素を製造しているが、貴金属元素を担持した触媒が一般的に使用されているため、非常に高価なシステムとなっている。   Hydrogen is expected as a raw material for new energy, and is used in hydrogen production equipment for hydrogen stations, fixed fuel cell systems, etc., which are expected to spread to homes, small and medium-sized businesses, etc. On-site manufacturing is being considered. Currently, hydrogen stations and household fuel cells produce hydrogen from natural gas, LNG, city gas, LPG, kerosene, etc. as raw materials, but since catalysts carrying precious metal elements are generally used, It is a very expensive system.

これらの水素製造システムの普及を目指すためには、製造システムの低価格化が重要となっており、その中でも燃料から水素を製造するための改質用触媒の価格が大きな割合を占めている。つまり、改質触媒の更なる高性能化とともに、貴金属の使用量を減らし、低価格化を実現することが水素製造システムの普及促進に繋がると考えられる。したがって、貴金属を用いる改質用触媒から、貴金属の使用量を大幅に低減させた改質用触媒や、より廉価な元素を使用する改質用触媒が望まれている。   In order to popularize these hydrogen production systems, it is important to reduce the price of the production system, and among them, the price of the reforming catalyst for producing hydrogen from fuel occupies a large proportion. In other words, it is thought that reducing the amount of precious metals used and achieving lower prices together with further improving the performance of the reforming catalyst will lead to the promotion of the spread of hydrogen production systems. Therefore, there is a demand for a reforming catalyst in which the amount of the precious metal used is significantly reduced from a reforming catalyst using a noble metal, and a reforming catalyst using a less expensive element.

廉価な金属元素として、例えば、ニッケルはその可能性をもった元素の一つである。従来、炭化水素の改質用触媒として最も多用されているニッケル/アルミナ系触媒(例えば、特許文献1、参照)は、アルミナ相が高温度領域でα−アルミナ相に変化し、結晶成長も進行するため、触媒比表面積が急激に低下し、これに応じて反応活性が低下する等の問題がある。   As an inexpensive metal element, for example, nickel is one of the elements that has the possibility. Conventionally, a nickel/alumina-based catalyst (for example, refer to Patent Document 1) that is most often used as a hydrocarbon reforming catalyst has an alumina phase changed to an α-alumina phase in a high temperature region, and crystal growth also progresses. Therefore, there is a problem that the specific surface area of the catalyst sharply decreases, and the reaction activity correspondingly decreases.

また、これらの触媒は、ニッケルを多量に含み、触媒表面で炭素析出が起こりやすいので、それを防止するために、アルカリ成分として、カリウムやカルシウムが添加されていることが多い(特許文献2、参照)。この場合、触媒の使用中に、カリウム化合物が、反応装置や配管等に飛散して、腐食の発生等の問題がある。加えて、上記触媒は、ニッケルの担持量は多いが、分散度が低く、活性金属が粗大析出している。そのため高い反応速度で改質反応を進めることが困難であるという問題があり、被毒作用のある硫黄化合物を含有した炭化水素を改質する場合には、活性金属と硫黄との間で安定な化合物を生成して、硫黄被毒の影響を大きく受けるため、触媒活性が大幅に低下する問題等がある。   Further, since these catalysts contain a large amount of nickel and carbon deposition is likely to occur on the catalyst surface, potassium or calcium is often added as an alkaline component in order to prevent it (Patent Document 2, reference). In this case, there is a problem that the potassium compound is scattered in the reaction device, the pipe, and the like during the use of the catalyst, causing corrosion. In addition, the above catalyst has a large amount of nickel supported, but the degree of dispersion is low, and the active metal is coarsely deposited. Therefore, there is a problem that it is difficult to proceed with the reforming reaction at a high reaction rate, and when reforming a hydrocarbon containing a sulfur compound that has a poisoning effect, a stable reaction between the active metal and sulfur is required. Since a compound is produced and is greatly affected by sulfur poisoning, there is a problem that the catalytic activity is significantly reduced.

一方、アルミナに他の成分を添加し、複合酸化物とした耐熱性担体を用いる方法も報告されている。例えば、アルミナにランタン、リチウム又はストロンチウムを含浸して調製した物質(例えば、特許文献3〜5、参照)、アルミナに希土類塩からそれらの水酸化物を共沈させて調製した物質(特許文献6、参照)、さらにアルミナにマグネシアを添加して焼成したスピネル系の物質(特許文献7、参照)等が報告されている。これらの担体は、いずれも多孔質の担体をまず調製し、その多孔体の細孔内に、ニッケル活性成分を含浸法により担持させることを前提としたものであって、活性成分の微細分散に限界があるため、触媒活性の面で劣るものである。   On the other hand, a method using a heat-resistant carrier which is made into a composite oxide by adding other components to alumina has also been reported. For example, a substance prepared by impregnating alumina with lanthanum, lithium or strontium (see, for example, Patent Documents 3 to 5) and a substance prepared by coprecipitating hydroxides of rare earth salts with alumina (Patent Document 6). , Etc.), and a spinel-based substance obtained by adding magnesia to alumina and firing it (see Patent Document 7, etc.). All of these carriers are prepared on the assumption that a porous carrier is first prepared, and the nickel active ingredient is supported in the pores of the porous body by an impregnation method. Since there is a limit, it is inferior in terms of catalytic activity.

従来の貴金属系の触媒としては、触媒担体としてのアルミナ等にルテニウム、白金、ロジウム等を担持した触媒が知られている。これらの触媒は、貴金属成分の物性を利用して、炭素析出を抑制する作用を持つため、前記のニッケル系触媒と比較して、炭素の析出が少なく、活性の維持も容易である特徴を有する。しかしながら、これらの触媒も硫黄化合物により被毒され易いという欠点を有するため、通常、脱硫工程を経て硫黄化合物をppbレベルにまで低減した炭化水素を改質反応させている(特許文献8、参照)。   As a conventional noble metal-based catalyst, a catalyst in which ruthenium, platinum, rhodium or the like is supported on alumina or the like as a catalyst carrier is known. These catalysts have the characteristic of suppressing the precipitation of carbon by utilizing the physical properties of the noble metal component, so that they have less carbon precipitation and maintain their activity more easily than the above nickel-based catalysts. .. However, since these catalysts also have a drawback that they are easily poisoned by sulfur compounds, a hydrocarbon having a sulfur compound reduced to a ppb level is usually subjected to a reforming reaction through a desulfurization step (see Patent Document 8). ..

一方、ニッケルとマグネシウム及びアルミニウムを含んだ酸化物の製造方法として、各金属成分を溶かした水溶液から沈殿剤を用いて、沈殿物(主にハイドロタルサイト構造)を生成し、その後、焼成した材料について、非特許文献1や特許文献9などで公開されている。非特許文献1で公開されているものは、メタンの部分酸化触媒として、ニッケルと、マグネシウムと、アルミニウムとを含む溶液からの沈殿物を用いて製造される触媒を用いて、メタンと酸素を反応させて、合成ガスを製造する方法が提案されている。また、特許文献9では、硫黄化合物を含有する炭化水素原料(ガス及びタール)と改質物質とから、合成ガス及び水素の一方又は両方を得る炭化水素の改質方法が提案されているが、原料に含まれる硫化水素濃度が0ppmより大きく、20ppmより小さい場合の効果については言及されていない。   On the other hand, as a method for producing an oxide containing nickel, magnesium, and aluminum, a precipitation agent (mainly a hydrotalcite structure) is generated from an aqueous solution in which each metal component is dissolved, and then the material is fired. Is disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 9. The one disclosed in Non-Patent Document 1 reacts methane with oxygen by using a catalyst produced by using a precipitate from a solution containing nickel, magnesium, and aluminum as a partial oxidation catalyst of methane. Then, the method of manufacturing synthesis gas is proposed. Further, Patent Document 9 proposes a hydrocarbon reforming method for obtaining one or both of synthesis gas and hydrogen from a hydrocarbon raw material (gas and tar) containing a sulfur compound and a reforming substance. No mention is made of the effect when the hydrogen sulfide concentration contained in the raw material is higher than 0 ppm and lower than 20 ppm.

さらに、近年の地球温暖化問題により、二酸化炭素排出量削減の有効手段として炭素質原料の一つであるバイオマス利用が注目されており、バイオマスの高効率エネルギー転換に関する研究が各所で行われている。また、昨今のエネルギー資源確保の観点から、過去精力的に行われてきた石炭の有効活用に関する研究も実用化に向けて見直されてきている。   Furthermore, due to the recent global warming problem, the use of biomass, which is one of the carbonaceous raw materials, has been attracting attention as an effective means of reducing carbon dioxide emissions, and researches on high-efficiency energy conversion of biomass have been conducted in various places. .. Further, from the viewpoint of securing energy resources in recent years, research on effective utilization of coal, which has been vigorously carried out in the past, has been reviewed for practical use.

その中でバイオマスを乾留することによって生成するタールをガス化して、粗ガス(未精製ガス)を生成し、その顕熱を利用する方法については、特に触媒を用いたタールの触媒改質反応を中心に、特許文献7などをはじめとして種々検討されているが、上記石炭由来タールの分解反応と同様、触媒活性、触媒再生の観点からは必ずしも十分ではない。   For the method of gasifying the tar generated by carbonization of the biomass in that, producing crude gas (unrefined gas) and utilizing the sensible heat, especially, the catalytic reforming reaction of tar using a catalyst is performed. Various investigations have been made centering on Patent Document 7 and the like, but like the decomposition reaction of the coal-derived tar, it is not always sufficient from the viewpoint of catalytic activity and catalyst regeneration.

一方、燃料電池システムにおいても、炭化水素の改質による水素製造工程は、燃料電池システムの中でも重要な工程であり、また装置全体のコストでも大きな割合を占めている。従来の燃料電池システムは、例えば、特許文献10で検討されているように、脱硫工程、改質反応工程、シフト反応工程、CO選択酸化工程とからなり、システム内の排熱やガスの有効利用等も取り入れられ、CO選択酸化工程後の水素の一部を、脱硫前のガスに添加して、水素化脱硫反応を行っている。添加された水素は、脱硫反応によって、硫化水素となる。   On the other hand, also in the fuel cell system, the hydrogen production process by reforming hydrocarbons is an important process in the fuel cell system, and also accounts for a large proportion in the cost of the entire device. A conventional fuel cell system is composed of, for example, a desulfurization process, a reforming reaction process, a shift reaction process, and a CO selective oxidation process as studied in Patent Document 10, and effectively uses exhaust heat and gas in the system. Etc. are also introduced, and a part of hydrogen after the CO selective oxidation step is added to the gas before desulfurization to carry out the hydrodesulfurization reaction. The added hydrogen becomes hydrogen sulfide by the desulfurization reaction.

特公昭59−044346号公報Japanese Examined Patent Publication No. 59-044346 特開昭58−076487号公報JP-A-58-076487 特開平08−134456号公報JP, 08-134456, A 米国特許第5516359号明細書US Pat. No. 5,516,359 特開2000−054852号公報JP, 2000-054852, A 特開2003−055671号公報JP, 2003-055671, A 特開2005−053972号公報JP, 2005-053972, A 特開2006−045049号公報JP, 2006-045049, A 特開2004−000900号公報JP 2004-000900 A 特開2004−082033号公報JP, 2004-082033, A

F.Basile et al., Stud. Surf. Sci. Catal., Vol.119(1998)F. Basile et al. , Stud. Surf. Sci. Catal. , Vol. 119 (1998)

特許文献9に記載の技術は、水素ガスを多量に含む硫黄化合物含有の原料ガスには有効なものの、水素ガスを含まないか、少量しか含まない硫黄化合物含有の原料ガスを用いた場合には、硫黄化合物の含有量が20ppm以下と少ない原料ガスを使用した場合であっても、長期使用時に触媒劣化が生じることが、発明者等の検討により判ってきた。
本発明は、上記の従来技術の現状に鑑みて、貴金属系触媒よりもコストを抑えられる、例えば、ニッケル、マグネシウム、及び、アルミナを主体とする触媒を用いて、硫化水素等の硫黄化合物を含有する炭化水素の原料ガスを、水素や一酸化炭素等の燃料に変換する際に、硫黄被毒による触媒劣化を抑えるための、炭化水素の改質による水素製造方法、水素製造装置、前記水素製造方法を用いた燃料電池の運転方法及び運転装置を提供することを目的とする。
The technique described in Patent Document 9 is effective for a sulfur compound-containing source gas containing a large amount of hydrogen gas, but when a sulfur compound-containing source gas containing no hydrogen gas or only a small amount is used, It has been found by the study of the inventors that even when a raw material gas having a low sulfur compound content of 20 ppm or less is used, catalyst deterioration occurs during long-term use.
In view of the above-mentioned conventional state of the art, the present invention is more cost-effective than precious metal-based catalysts, for example, nickel, magnesium, and using a catalyst mainly composed of alumina, containing a sulfur compound such as hydrogen sulfide. Method for producing hydrogen by reforming hydrocarbon, hydrogen producing apparatus, and hydrogen producing method for suppressing catalyst deterioration due to sulfur poisoning when converting a raw material gas of a hydrocarbon to be used as a fuel such as hydrogen or carbon monoxide An object of the present invention is to provide an operating method and an operating device of a fuel cell using the method.

本発明者らは、高価な貴金属系触媒よりもコストを抑えられる、例えば、ニッケル、マグネシウム、及び、アルミナを主体とする触媒に注目し、触媒を構成する元素や組成と、反応中に触媒と接触するガスとの反応性に着目して、その改質方法及び改質装置について鋭意検討した。   The present inventors pay attention to a catalyst mainly containing nickel, magnesium, and alumina, which can reduce the cost as compared with an expensive noble metal-based catalyst, and the elements and compositions constituting the catalyst and the catalyst during the reaction. Focusing on the reactivity with the gas that comes in contact with the gas, the reforming method and the reforming device have been thoroughly studied.

その結果、炭素質原料の熱分解時に粗ガスに含有・随伴するタールや、メタンなどの軽質炭化水素を、水素や一酸化炭素等主体の化学物質へ転換する触媒の製法として、従来の触媒担持法とは異なり、活性種金属の微細析出が可能で高速反応が可能、析出した活性金属がマトリクス(母相)と強固に結合するためシンタリング(粗大化)しにくく活性低下を抑制可能、並びに析出した活性種金属を焼成によりマトリクスへ再度固溶でき、シンタリングが抑制可能な再生ができるなどの種々の特徴を有する固相晶析法が大変好ましいことを見出した。   As a result, conventional catalyst loading methods have been used as a method for producing catalysts that convert tar and light hydrocarbons such as methane contained in and accompanying crude gas during the thermal decomposition of carbonaceous raw materials into chemical substances mainly containing hydrogen and carbon monoxide. Unlike the method, fine precipitation of active species metal is possible and high-speed reaction is possible, and since the precipitated active metal is firmly bound to the matrix (matrix), sintering (coarsening) is difficult and activity reduction can be suppressed. It has been found that the solid phase crystallization method having various characteristics such that the precipitated active species metal can be re-dissolved in the matrix again by firing and the sintering can be suppressed can be regenerated.

具体的には、例えば、予め活性種であるニッケル元素をマトリクスとなるアルミナ、マグネシアなどと化合物化し、反応前の還元処理で酸化物マトリクスからニッケル金属が酸化物表面にクラスター上に微細析出することを利用し、さらに、原料ガス中に水素ガスを追加して含有させることによって、触媒被毒となり得る硫黄成分の高濃度の雰囲気下において、タール等重質炭化水素やメタン等軽質炭化水素から、水素や一酸化炭素等の軽質化学物質へ変換する際に、硫黄被毒による活性劣化を抑えることができることを見出したことにより、本発明の炭化水素の改質方法及び改質装置を為すに至ったものである。   Specifically, for example, nickel element, which is an active species, is previously compounded with alumina, magnesia, etc., which forms a matrix, and nickel metal is finely deposited on the oxide surface from the oxide matrix by a reduction treatment before the reaction on the cluster. In addition, by further containing hydrogen gas in the raw material gas, in an atmosphere of a high concentration of sulfur components that can become catalyst poisoning, from heavy hydrocarbons such as tar and light hydrocarbons such as methane, The present inventors have found that it is possible to suppress activity deterioration due to sulfur poisoning when converting to light chemical substances such as hydrogen and carbon monoxide, which led to the implementation of the hydrocarbon reforming method and reforming apparatus of the present invention. It is a thing.

(1)水蒸気改質反応用触媒を用いて、硫黄化合物と炭化水素を含む原料ガスを改質して、炭化水素から水素と一酸化炭素を含む第1の改質ガスを生成させる炭化水素の改質工程を含む、炭化水素の改質による水素の製造方法であって、
前記水蒸気改質反応用触媒が、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、前記沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、前記混合物を、少なくとも乾燥及び焼成することを含む触媒製造工程により製造され、
前記炭化水素の改質工程で生成した水素を含む前記第1の改質ガスの一部を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻す、又は、新たに水素を前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に導入することを特徴とする炭化水素の改質による水素の製造方法。
(2)初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記生成した水素を含む前記第1の改質ガスの一部を前記原料ガス中に戻した後、又は、新たに水素を前記改質工程における原料ガス中に導入した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合が、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%であることを特徴とする(1)に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
)前記触媒製造工程が、前記沈殿物の生成後、前記沈殿物を仮焼することを含むことを特徴とする(又は(2)に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
)前記水蒸気改質反応用触媒が、前記混合溶液に、更にセリウム化合物を添加して製造され、触媒表面に酸化セリウム微粒子が存在していることを特徴とする(〜(3)のいずれか1つに記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
)前記硫黄化合物と炭化水素を含む原料ガスが、天然ガス、LNG、シェールガス、都市ガス、又はLPGから選ばれることを特徴とする(1)〜()のいずれか1つに記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
)前記炭化水素の改質工程で生成した前記第1の改質ガスを、シフト反応させて、前記第1の改質ガス中の水素の割合を増加させるシフト反応工程をさらに含み、
前記炭化水素の改質工程で生成した水素を含む前記第1の改質ガスの一部、又は前記シフト反応工程を経た後の第2の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻すことを特徴とする(1)〜()のいずれか1つに記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
)初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記炭化水素の改質工程で生成した前記第1の改質ガスの一部又は前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合が、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%であることを特徴とする()に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
)()に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法を用いた、燃料電池の運転方法であって、
前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスを、一酸化炭素選択酸化反応器に通して、前記第2の改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する一酸化炭素選択酸化反応工程と、
前記一酸化炭素選択酸化反応工程を経た後の第3の改質ガスを、燃料ガスとして固体高分子型燃料電池へと導入して、燃料電池を作動させる燃料電池作動工程とを、さらに含み、
前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスの一部、及び、前記一酸化炭素選択酸化反応工程を経た後の前記第3の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻すことを特徴とする燃料電池の運転方法。
)前記炭化水素の改質による水素の製造方法における初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記水素の製造方法における、炭化水素の改質工程で生成した前記第1の改質ガスの一部又は前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合が、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%であることを特徴とする()に記載の燃料電池の運転方法。
10ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、前記沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、前記混合物を、少なくとも乾燥及び焼成することを含む触媒製造工程により製造された水蒸気改質反応用触媒を用いて、
硫黄化合物と炭化水素を含有する原料ガスから、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含む第1の改質ガスを製造する改質反応手段と、
前記第1の改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応手段と、
前記シフト反応手段通過後の第2の改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換する一酸化炭素選択酸化反応手段とを有し、
シフト反応手段後又は一酸化炭素選択酸化反応手段通過後の少なくとも一方の改質ガスに含まれる水素の一部を前記改質反応手段に循環させる手段を有することを特徴とする水素の製造装置。
11)初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記改質反応手段又はシフト反応手段通過後の少なくとも一方の改質ガスに含まれる水素一部を前記改質反応手段に循環させる手段を有し、前記炭化水素の改質手段における原料ガス中に戻した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合を、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%に制御する制御手段を有することを特徴とする(10)に記載の水素の製造装置
(12)水供給手段と、原料ガス供給手段と、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、前記沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、前記混合物を、少なくとも乾燥及び焼成することを含む触媒製造工程により製造された水蒸気改質反応用触媒が充填された炭化水素の改質器と、前記改質器を加熱する加熱手段と、シフト反応器と、一酸化炭素選択酸化反応器と、固体高分子型燃料電池とを備える燃料電池の運転装置であって、
さらに、前記水供給手段から供給される水と前記原料ガス供給手段から供給される硫黄化合物と炭化水素を含有する原料ガスとを前記改質器へ導入する配管と、前記改質器から排出される第1の改質ガスを前記シフト反応器へ導入する配管と、前記シフト反応器から排出される第2の改質ガスを前記一酸化炭素選択酸化反応器へ導入する配管と、前記一酸化炭素選択酸化反応器から排出される第3の改質ガスを前記固体高分子型燃料電池へ導入する配管と、
前記改質器へ導入する配管と前記シフト反応器へ導入する配管との間で熱交換するための熱交換器と、
前記シフト反応器から排出される前記第2の改質ガスの一部、及び、前記一酸化炭素選択酸化反応器から排出される前記第3の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記水と前記原料ガスとを前記改質器へ導入する配管へ導入する配管とを備えていることを特徴とする燃料電池の運転装置。
(1) Using a steam reforming reaction catalyst, a source gas containing a sulfur compound and a hydrocarbon is reformed to generate a first reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbon. A method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, which comprises a reforming step,
The catalyst for steam reforming reaction, a precipitant is added to a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, and to the precipitate, alumina powder and water, Alternatively, alumina sol is added and mixed to produce a mixture, and the mixture is produced by a catalyst production process including at least drying and calcination,
A part of the first reformed gas containing hydrogen generated in the hydrocarbon reforming step is returned to the raw material gas in the hydrocarbon reforming step, or hydrogen is newly added to the hydrocarbon reforming step. A method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, characterized by being introduced into a raw material gas in a quality process.
(2) The ratio of hydrogen in the initial raw material gas is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas,
Before reforming, after returning a part of the first reformed gas containing the generated hydrogen into the raw material gas, or after newly introducing hydrogen into the raw material gas in the reforming step. The reforming of hydrocarbon according to (1), wherein the ratio of hydrogen in the raw material gas is 10 to 100 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbon in the raw material gas before the reforming. Method for producing hydrogen by.
( 3 ) The production of hydrogen by reforming hydrocarbons according to ( 1 ) or (2) , wherein the catalyst production step includes calcining the precipitate after the formation of the precipitate. Method.
( 4 ) The steam reforming reaction catalyst is produced by further adding a cerium compound to the mixed solution, and cerium oxide fine particles are present on the surface of the catalyst ( 1 ) to (3). A method for producing hydrogen by reforming the hydrocarbon according to any one of 1 .
( 5 ) The raw material gas containing the sulfur compound and hydrocarbon is selected from natural gas, LNG, shale gas, city gas, or LPG, (1) to ( 4 ). Of producing hydrogen by reforming hydrocarbons of.
( 6 ) The method further includes a shift reaction step of causing a shift reaction of the first reformed gas produced in the hydrocarbon reforming step to increase a ratio of hydrogen in the first reformed gas,
At least one of a part of the first reformed gas containing hydrogen generated in the hydrocarbon reforming step and a part of the second reformed gas after the shift reaction step is used as the hydrocarbon. The method for producing hydrogen by reforming hydrocarbon according to any one of (1) to ( 5 ), characterized in that the hydrogen is returned to the raw material gas in the reforming step.
( 7 ) The proportion of hydrogen in the initial source gas is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the source gas,
At least one of a part of the first reformed gas generated in the hydrocarbon reforming step and a part of the second reformed gas after the shift reaction step is reformed with the hydrocarbon. The ratio of hydrogen in the raw material gas before reforming after returning to the raw material gas in the step is 10 to 100 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas before reforming. ( 6 ) A method for producing hydrogen by reforming hydrocarbon according to ( 6 ).
( 8 ) A method for operating a fuel cell, which uses the method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons according to ( 6 ),
Selective carbon monoxide for converting the carbon monoxide in the second reformed gas into carbon dioxide by passing the second reformed gas after the shift reaction step through a carbon monoxide selective oxidation reactor. Oxidation reaction step,
Further comprising a fuel cell operation step of operating the fuel cell by introducing the third reformed gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction step into the polymer electrolyte fuel cell as a fuel gas,
At least one of a part of the second reformed gas after the shift reaction step and a part of the third reformed gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction step is subjected to the carbonization. A method of operating a fuel cell, which comprises returning to the raw material gas in a hydrogen reforming step.
( 9 ) The ratio of hydrogen in the initial raw material gas in the method for producing hydrogen by reforming hydrocarbon is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbon in the raw material gas,
In the hydrogen production method, at least one of a part of the first reformed gas generated in the hydrocarbon reforming step or a part of the second reformed gas after the shift reaction step, The ratio of hydrogen in the raw material gas before reforming after returning to the raw material gas in the hydrocarbon reforming step is 10 to 10 with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas before reforming. It is 100 mol%, The operating method of the fuel cell as described in ( 8 ) characterized by the above-mentioned.
( 10 ) A precipitation agent is added to a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, and alumina powder and water or alumina sol is added to the precipitate. Using a catalyst for steam reforming reaction produced by a catalyst production process comprising mixing and producing a mixture, and at least drying and calcining the mixture,
From a feed gas containing sulfur compounds and hydrocarbons, and reforming reaction unit to produce a first reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide,
Shift reaction means for converting carbon monoxide contained in the first reformed gas into carbon dioxide,
A carbon monoxide selective oxidation reaction means for converting carbon monoxide contained in the second reformed gas after passing through the shift reaction means into carbon dioxide,
An apparatus for producing hydrogen, comprising means for circulating a part of hydrogen contained in at least one reformed gas after the shift reaction means or after passing through the carbon monoxide selective oxidation reaction means to the reforming reaction means.
( 11 ) The proportion of hydrogen in the initial source gas is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the source gas,
The raw material gas in the hydrocarbon reforming means has a means for circulating a part of hydrogen contained in at least one reformed gas after passing through the reforming reaction means or the shift reaction means to the reforming reaction means. And a control means for controlling the ratio of hydrogen in the raw material gas before reforming to 10 to 100 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas before reforming. ( 10 ) The hydrogen producing apparatus as described in ( 10 ).
(12) A precipitant is added to the mixed solution of the water supply means, the raw material gas supply means, and the nickel compound and the magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, and to the precipitate, Hydrocarbons filled with a catalyst for steam reforming reaction produced by a catalyst production process including adding alumina powder and water or alumina sol and mixing them to produce a mixture, and at least drying and firing the mixture. A reformer, heating means for heating the reformer, a shift reactor, a carbon monoxide selective oxidation reactor, and a polymer electrolyte fuel cell operating device of a fuel cell,
Further, a pipe for introducing water supplied from the water supply means, a raw material gas containing a sulfur compound and hydrocarbons supplied from the raw material gas supply means into the reformer, and discharged from the reformer. A pipe for introducing a first reformed gas into the shift reactor, a pipe for introducing a second reformed gas discharged from the shift reactor into the carbon monoxide selective oxidation reactor, and A pipe for introducing the third reformed gas discharged from the carbon selective oxidation reactor into the polymer electrolyte fuel cell;
A heat exchanger for exchanging heat between the pipe introduced into the reformer and the pipe introduced into the shift reactor;
At least one of a part of the second reformed gas discharged from the shift reactor and a part of the third reformed gas discharged from the carbon monoxide selective oxidation reactor is treated with the water. And a pipe for introducing the raw material gas into a pipe for introducing the reformer into the reformer.

本発明によれば、原料ガス中に水素が殆ど含まれていない硫化水素含有ガスであっても、硫黄被毒による触媒劣化を一定に抑えて、ガス中のメタン等の軽質炭化水素を、水素や一酸化炭素等の化学物質へ転換することが可能になる。
特に、天然ガス、LNG、シェールガス、都市ガス、LPG等で、触媒の被毒物質となる硫化水素を含有するガス中のメタン等の軽質炭化水素と、例えば、水素や一酸化炭素等の化学物質へ転換できる高活性且つ高い耐炭素析出性を有する改質用触媒とを用いた炭化水素の改質方法及び改質装置において、生成した水素の一部を改質反応の原料ガスに循環させることで、硫黄被毒による触媒劣化を一定に抑えることが可能になる。
According to the present invention, even in a hydrogen sulfide-containing gas in which hydrogen is hardly contained in the raw material gas, the catalyst deterioration due to sulfur poisoning is constantly suppressed, and light hydrocarbons such as methane in the gas are converted to hydrogen. It becomes possible to convert into chemical substances such as carbon monoxide and carbon monoxide.
In particular, in natural gas, LNG, shale gas, city gas, LPG, etc., a light hydrocarbon such as methane in a gas containing hydrogen sulfide, which is a poisoning substance of the catalyst, and a chemical such as hydrogen or carbon monoxide. In a reforming method and a reforming apparatus for a hydrocarbon using a reforming catalyst having high activity and high carbon deposition resistance that can be converted into a substance, a part of generated hydrogen is circulated to a raw material gas for a reforming reaction. As a result, it becomes possible to constantly suppress the catalyst deterioration due to sulfur poisoning.

本発明の水素製造方法を用いた燃料電池システムの一例を示す概略図である。It is a schematic diagram showing an example of a fuel cell system using the hydrogen manufacturing method of the present invention.

以下、具体例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明で使用することができる炭化水素の改質用触媒(「水蒸気改質反応用触媒」ともいう)は、ニッケルが主活性成分として機能触媒であり、タール等の重質炭化水素やメタン等の軽質炭化水素を、ガス中に存在又は外部より導入される水蒸気や二酸化炭素との間の改質反応を触媒することができる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
The hydrocarbon reforming catalyst (also referred to as "steam reforming reaction catalyst") that can be used in the present invention has nickel as a functional catalyst as a main active component, and heavy hydrocarbons such as tar and methane. The light hydrocarbons can be used to catalyze the reforming reaction between water vapor and carbon dioxide existing in the gas or introduced from the outside.

上記触媒は、好ましくは、(1)ニッケル、マグネシウム、セリウム、アルミニウムを構成元素とし、(2)アルミナ相(単独化合物としてのアルミナ)を5質量%超含まず、(3)少なくとも1種の複合酸化物を含み、好ましくは、NiMgO、MgAl24、及び、CeO2の結晶相を主に含有する金属酸化物と成ることができる。 The catalyst preferably contains (1) nickel, magnesium, cerium, and aluminum as constituent elements, (2) does not contain more than 5% by mass of an alumina phase (alumina as a single compound), and (3) at least one composite. It can be a metal oxide containing an oxide, and preferably mainly containing a crystal phase of NiMgO, MgAl 2 O 4 , and CeO 2 .

この触媒は、炭化水素含有ガス中に触媒被毒物質となる高濃度の硫化水素が共存した場合でも、上記ニッケル金属が触媒表面上でクラスター状に微細分散して表面積が大きく、且つ還元雰囲気下では反応中に活性金属粒子が被毒を受けても、反応中に吸着硫黄又は硫化物化した金属と水素が反応して、硫化水素として脱離したり、新たな活性金属粒子がマトリクスから微細析出したりするために、硫黄被毒による活性低下の影響を受けにくいと考えられる。このマトリクス化合物から、水素還元雰囲気下で、活性金属粒子を微細クラスター状に析出させることができる。   This catalyst has a large surface area because the above nickel metal is finely dispersed in clusters on the surface of the catalyst even in the presence of a high concentration of hydrogen sulfide, which becomes a catalyst poisoning substance, in the hydrocarbon-containing gas, Therefore, even if the active metal particles are poisoned during the reaction, the adsorbed sulfur or sulfided metal reacts with hydrogen during the reaction and is desorbed as hydrogen sulfide, or new active metal particles are finely precipitated from the matrix. Therefore, it is considered that it is unlikely to be affected by the activity reduction due to sulfur poisoning. From this matrix compound, active metal particles can be deposited in the form of fine clusters in a hydrogen reducing atmosphere.

また、ニッケル元素と化合物化したアルミナ、マグネシア等の成分のうち、マグネシアは塩基性酸化物であり、二酸化炭素を吸着する機能を保有することにより、主活性成分元素上での析出炭素と反応して一酸化炭素として酸化除去する役割を発揮するために、触媒表面を清浄に保ち、触媒性能を長期間安定に保持できると思われる。   In addition, among the components such as alumina and magnesia compounded with nickel element, magnesia is a basic oxide, and by possessing the function of adsorbing carbon dioxide, it reacts with the precipitated carbon on the main active component element. It is thought that the catalyst surface can be kept clean and the catalyst performance can be stably maintained for a long period of time because it plays the role of oxidizing and removing as carbon monoxide.

アルミナは、化合物マトリクスを安定に保つバインダー的機能を果たすとともに、NiMgO、及び、NiXMg1-XAl24の結晶相を含有する金属酸化物を触媒として機能させ、硫黄化合物を含有した炭化水素を改質しても、長期間安定的に触媒活性を維持させることができる。ここで、NiXMg1-XAl24の結晶相は、ニッケル化合物及びマグネシウム化合物を含む混合溶液から共沈により、水和物の沈殿物を生成し、この沈殿物の生成後に、アルミニウム成分を加えて混合し、乾燥、焼成すること、あるいは、ニッケル化合物及びマグネシウム化合物及びアルミニウム化合物を含む混合溶液から共沈により、水和物の沈殿物を生成し、この沈殿物を乾燥、焼成することで、得ることができる結晶相である。これらの結晶相は、X線回折測定等では区別できないが、NiAl24、又は、MgAl24のみの場合もあり得る。 Alumina functions as a binder for keeping the compound matrix stable, and also functions as a metal oxide containing NiMgO and a crystal phase of Ni x Mg 1-x Al 2 O 4 as a catalyst, and contains a sulfur compound. Even if the hydrocarbon is reformed, the catalytic activity can be stably maintained for a long period of time. Here, the crystal phase of Ni X Mg 1-X Al 2 O 4 coprecipitates from a mixed solution containing a nickel compound and a magnesium compound to form a hydrate precipitate, and after the precipitate is formed, aluminum precipitate is formed. Add and mix the components, dry and calcine, or by coprecipitation from a mixed solution containing a nickel compound, a magnesium compound and an aluminum compound, a hydrate precipitate is formed, and the precipitate is dried and calcined. This is the crystalline phase that can be obtained. These crystal phases cannot be distinguished by X-ray diffraction measurement or the like, but may be only NiAl 2 O 4 or MgAl 2 O 4 .

本明細書で、「軽質炭化水素」とは、天然ガス、LNG、シェールガス、都市ガス、LPG等に含まれる、C1〜C4のメタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン、イソブタン等の炭化水素を示す。炭素数が大きいほど分解し易いので、高い活性が得られるが、実際には、天然ガス、LNG、シェールガス、都市ガス、LPG等の原料ガス中に含有量が多い、メタン、エタン、プロパンであることが好ましい。これらの原料ガスに、改質反応後の水素の一部を循環させることで、硫黄化合物を含んだまま触媒と接触させても、原料ガスを水素や一酸化炭素等に安定的に変換できる。   In the present specification, the "light hydrocarbons" include C1-C4 methane, ethane, ethylene, propane, propylene, normal butane, isobutane, etc. contained in natural gas, LNG, shale gas, city gas, LPG, etc. Indicates a hydrocarbon. The higher the carbon number, the easier it is to decompose, so high activity can be obtained, but in reality, methane, ethane, and propane, which have a large content in the raw material gas such as natural gas, LNG, shale gas, city gas, and LPG, are used. Preferably. By circulating a part of the hydrogen after the reforming reaction in these raw material gases, the raw material gas can be stably converted into hydrogen, carbon monoxide or the like even when the raw material gas is brought into contact with the catalyst while containing the sulfur compound.

ここで、一般的な硫黄化合物の濃度として、都市ガスやLPGには、付臭剤として、ターシャリーブチルメルカプタン(TBM)等のメルカプタン類や、ジメチルサルファイド(DMS)等のようなサルファイド類が使用されているので、都市ガスやLPGは、約3ppm以下の濃度で硫黄化合物を含有している。また、天然ガスも産出地域により異なるが、数〜数十ppmの硫化水素を含有している。いずれの硫黄化合物も触媒の活性点上で分解して、硫黄が被毒物質となりうると考えられる。   Here, as a general sulfur compound concentration, mercaptans such as tertiary butyl mercaptan (TBM) and sulfides such as dimethyl sulfide (DMS) are used as odorants for city gas and LPG. Therefore, city gas and LPG contain sulfur compounds at a concentration of about 3 ppm or less. Natural gas also contains hydrogen sulfide of several to several tens of ppm, though it varies depending on the production area. It is considered that any of the sulfur compounds decomposes on the active site of the catalyst, and sulfur can become a poisoning substance.

メタン等の軽質炭化水素の改質反応は、軽質炭化水素と水蒸気や二酸化炭素との間で、スチームリフォーミング反応やドライリフォーミング反応が進み、水素や一酸化炭素を主とするガスに変換される。   In the reforming reaction of light hydrocarbons such as methane, steam reforming reaction and dry reforming reaction proceed between light hydrocarbons and steam or carbon dioxide, and they are converted into gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide. It

従来の炭化水素の改質反応では、改質用触媒の硫黄による活性低下が起こらないように、脱硫工程を経て、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を限りなく低減する。したがって、脱硫工程がなければ、数ppmの硫黄化合物が含有されているだけで、硫黄被毒により、短期間で触媒活性が失われてしまう。   In the conventional hydrocarbon reforming reaction, the sulfur compounds contained in the raw material gas are reduced infinitely through a desulfurization process so that the activity of the reforming catalyst is not lowered by sulfur. Therefore, if there is no desulfurization step, even if only a few ppm of the sulfur compound is contained, the catalyst activity will be lost in a short period of time due to sulfur poisoning.

本発明における、炭化水素の改質による水素の製造方法では、改質工程で生成した水素を含む改質ガスの一部を、改質工程前の原料ガス中に戻す、又は新たに水素を改質工程前の原料ガス中に添加することで、硫黄による被毒を抑えることができる。これは、原料ガス中に水素が含有することで、触媒の活性点に吸着した硫黄と水素とが反応し、硫黄が硫化水素として脱離するためと考えられ、改質反応中に硫黄の除去も並行して進むことができるためと考えられる。また、燃料電池システムにおいては、より水素濃度が高められた、シフト反応後の改質ガスや、一酸化炭素選択酸化反応後の改質ガスの一部を、改質工程前の原料ガス中に戻すことがより効率的である。   In the method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons according to the present invention, a part of the reformed gas containing hydrogen generated in the reforming step is returned to the raw material gas before the reforming step or new hydrogen is reformed. By adding to the raw material gas before the quality process, poisoning by sulfur can be suppressed. This is considered to be because the hydrogen contained in the raw material gas causes the sulfur adsorbed at the active site of the catalyst to react with hydrogen, resulting in the elimination of sulfur as hydrogen sulfide. It is thought that this is because it is possible to proceed in parallel. Further, in the fuel cell system, a part of the reformed gas after the shift reaction and the reformed gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction in which the hydrogen concentration is further increased is fed into the raw material gas before the reforming process. It is more efficient to put it back.

炭化水素の改質工程、シフト反応工程、又は、一酸化炭素選択酸化反応工程で生成した水素を含む改質ガスの一部を、炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻す、又は新たに水素を改質工程前の原料ガス中に添加する際は、改質工程後の改質ガス(第1の改質ガス)、シフト反応工程後の改質ガス(第2の改質ガス)、選択酸化反応工程後の改質ガス(第3の改質ガス)、新たに添加する水素の総量を、添加される水素のモル濃度が、原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して10〜100モル%(又は原料ガス(水素+炭化水素)中の水素濃度として9〜50モル%)とすることが好ましく、40〜100モル%(又は原料ガス(水素+炭化水素)中の水素濃度として28.5〜50モル%)とすることがより好ましい。原料ガス中の炭化水素の流量に対して、同じ水素の流量の場合、原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して100モル%(又は原料ガス(水素+炭化水素)中の水素濃度として50モル%)と計算できる。原料ガス中の炭化水素濃度が予め判っていない場合には、水素炎イオン化検出法等を用いて、炭化水素濃度を測定することができる。また、原料ガス中の水素濃度が予め判っていない場合には、ガスクロマトグラフィ等で測定可能である。   A part of the reformed gas containing hydrogen generated in the hydrocarbon reforming step, the shift reaction step, or the carbon monoxide selective oxidation reaction step is returned to the raw material gas in the hydrocarbon reforming step, or is newly added. When hydrogen is added to the raw material gas before the reforming process, the reformed gas after the reforming process (first reformed gas), the reformed gas after the shift reaction process (second reformed gas), The reformed gas (third reformed gas) after the selective oxidation reaction step, the total amount of hydrogen to be newly added, the molar concentration of hydrogen added is 10 to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas. It is preferably 100 mol% (or 9 to 50 mol% as the hydrogen concentration in the raw material gas (hydrogen + hydrocarbon)), and 40 to 100 mol% (or the hydrogen concentration in the raw material gas (hydrogen + hydrocarbon)). 28.5-50 mol%) is more preferable. When the flow rate of hydrogen is the same as the flow rate of hydrocarbons in the raw material gas, 100 mol% (or 50% as the hydrogen concentration in the raw material gas (hydrogen + hydrocarbon)) with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas. Mol%) can be calculated. When the hydrocarbon concentration in the raw material gas is not known in advance, the hydrocarbon concentration can be measured using a hydrogen flame ionization detection method or the like. Further, when the hydrogen concentration in the raw material gas is not known in advance, it can be measured by gas chromatography or the like.

添加される水素のモル濃度が原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して10モル%未満であると、水素による硫黄被毒低減効果がほとんどなく、好ましくない。また、燃料電池システム等、全体システムの後段で水素が必要とされている場合は、システム全体の効率を考慮する必要があるが、添加される水素のモル濃度が原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して100モル%より多くする場合は、生成した改質ガスの25体積%以上を原料ガスに循環させる必要があるため、好ましくない。   When the molar concentration of hydrogen added is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas, there is almost no effect of reducing sulfur poisoning by hydrogen, which is not preferable. In addition, when hydrogen is required at the latter stage of the whole system such as a fuel cell system, it is necessary to consider the efficiency of the whole system, but the molar concentration of added hydrogen is the molar concentration of hydrocarbons in the source gas. When the amount is more than 100 mol% with respect to the concentration, it is not preferable because it is necessary to circulate 25% by volume or more of the produced reformed gas in the raw material gas.

本発明で使用する炭化水素の改質触媒は、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を用いて沈殿物を生成し、当該沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、当該混合物を乾燥及び焼成して製造される触媒であることが好ましい。   The hydrocarbon reforming catalyst used in the present invention produces a precipitate by using a precipitant in a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound, and the alumina powder and water or alumina sol is added to the precipitate. The catalyst is preferably produced by mixing to form a mixture, and drying and calcining the mixture.

または、本発明で使用する炭化水素の改質触媒は、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、当該沈殿物を仮焼し、仮焼された当該沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、当該混合物を乾燥及び焼成して製造される触媒であることが好ましい。   Alternatively, in the hydrocarbon reforming catalyst used in the present invention, a precipitant is added to a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, and the precipitate is It is preferable that the catalyst is produced by calcining and adding the alumina powder and water or alumina sol to the calcined precipitate to form a mixture, and drying and calcining the mixture.

また、炭化水素の改質触媒にセリウムを含有させる場合は、セリウム化合物をニッケル化合物とマグネシウム化合物と同じタイミングで溶液に混合することが好ましいが、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成した後に、セリウム化合物を含浸させてもよい。   Further, when cerium is contained in the hydrocarbon reforming catalyst, it is preferable to mix the cerium compound with the solution at the same timing as the nickel compound and the magnesium compound, but alumina powder and water, or alumina sol is added and mixed. The mixture may be formed by mixing and then impregnated with a cerium compound.

さらに、本発明で使用する炭化水素の改質触媒を、ニッケル化合物とマグネシウム化合物とアルミニウム化合物との混合溶液に沈殿剤を用いて沈殿物を生成し、当該沈殿物を乾燥及び焼成して製造してもよい。   Further, a hydrocarbon reforming catalyst used in the present invention is produced by using a precipitant in a mixed solution of a nickel compound, a magnesium compound and an aluminum compound to form a precipitate, and drying and firing the precipitate. May be.

上記混合物を少なくとも乾燥及び焼成する方法としては、(1)乾燥及び焼成する方法、(2)乾燥、粉砕及び焼成する方法、(3)乾燥、粉砕、成型及び焼成する方法、(4)乾燥、仮焼、粉砕、成型及び焼成する方法、又は、(5)乾燥、粉砕、仮焼、粉砕、成型及び焼成する方法等がある。   As a method of at least drying and baking the mixture, (1) a method of drying and baking, (2) a method of drying, crushing and baking, (3) a method of drying, crushing, molding and baking, (4) drying, There are methods of calcination, pulverization, molding and firing, or (5) methods of drying, pulverization, calcination, pulverization, molding and firing.

上記混合物の乾燥は、特に温度条件や乾燥手段を問わず、一般的な乾燥方法であればよい。乾燥後の混合物は必要に応じて粗粉砕を行った後、焼成すればよい。なお、流動層等を用いる乾燥により乾燥後の沈殿物が粉状を保っている場合は、粗粉砕は不要である。
また、混合物の乾燥の前には、ろ過をして水を除去しておくことが、その後の乾燥の手間を少なくし、且つ乾燥に要するエネルギーを低減することができ、好ましい。さらに、ろ過後の沈殿物を、純水等で洗浄しておくことが、不純物量を低減できることからより好ましい。
The mixture may be dried by any general drying method regardless of the temperature conditions and the drying means. If necessary, the dried mixture may be roughly crushed and then calcined. If the precipitate after drying remains powdery by drying using a fluidized bed or the like, coarse pulverization is not necessary.
In addition, it is preferable to remove water by filtration before drying the mixture, because the labor for subsequent drying can be reduced and the energy required for drying can be reduced. Furthermore, it is more preferable to wash the precipitate after filtration with pure water or the like because the amount of impurities can be reduced.

また、上記混合物の焼成は、空気中で行うことができる。雰囲気温度は700〜1300℃の範囲であればよい。より好ましくは、雰囲気温度は900〜1150℃である。焼成温度が高いと混合物の焼結が進行し、触媒の強度は上昇するが、一方で比表面積が小さくなり、触媒活性が低下するため、両者のバランスを考慮して決定するのが望ましい。焼成後は、そのまま触媒として使用することもできるが、プレス成型等で成型して成型物として使用することもできる。なお、乾燥と焼成の間に、仮焼及び成型工程を加えることができ、さらに仮焼と成型工程の間に、成型前に混合物を粉粒状にする必要があれば、粉砕工程を加えることもできる。その場合、仮焼は、空気中で400〜650℃程度で行えばよく、成型は、プレス成型等で行えばよい。   Further, the firing of the above mixture can be performed in the air. The ambient temperature may be in the range of 700 to 1300°C. More preferably, the ambient temperature is 900 to 1150°C. If the calcination temperature is high, sintering of the mixture proceeds and the strength of the catalyst increases, but on the other hand, the specific surface area decreases and the catalyst activity decreases, so it is desirable to determine the balance between the two. After calcination, it can be used as a catalyst as it is, or it can be molded by press molding or the like and used as a molded product. A calcination and molding step can be added between the drying and firing, and a pulverization step can be added between the calcination and molding step if the mixture needs to be granulated before molding. it can. In that case, calcination may be performed in air at about 400 to 650° C., and molding may be performed by press molding or the like.

本発明で使用することができる炭化水素の改質用触媒は、単にニッケルとマグネシウムの共沈物を形成後、焼成した粉末にアルミナ粉末を物理的に混合して成型及び焼成したものとは異なり、ニッケルとマグネシウムの沈殿物にアルミナ粉末と水、又はアルミナゾルを湿式混合することにより、アルミナ成分を含有した水分がニッケルとマグネシアの共沈物との間で高度に均質な混合物となったものから得ることが好ましい。その理由は、その混合物を乾燥及び焼成、又は乾燥、仮焼、粉砕、成型及び焼成することで、ニッケルとマグネシウムの化合物とアルミナが均質に分布した焼結体を形成し、ニッケルマグネシア結晶相がより一層微細化され、そこから析出するNi粒が高度に微細分散することから、高活性で炭素析出量の少ない成型物を得ることができると考えられる。また、ニッケルとマグネシウムとアルミニウムの共沈物を、乾燥、成型及び焼成することでも、ニッケルとマグネシウムとアルミナが均質に分布した焼結体を形成することができ、同様に、Ni粒が高度に微細分散することから、高活性で炭素析出量の少ない成型物を得ることができると考えられる。   The hydrocarbon reforming catalyst that can be used in the present invention is different from the one obtained by physically forming a coprecipitate of nickel and magnesium and then physically mixing alumina powder with the fired powder and molding and firing the mixture. , By wet mixing alumina powder and water, or alumina sol to the nickel and magnesium precipitate, the water containing the alumina component became a highly homogeneous mixture between the nickel and magnesia coprecipitate. Preferably obtained. The reason is that the mixture is dried and calcined, or dried, calcined, crushed, molded, and calcined to form a sintered body in which the compound of nickel and magnesium and alumina are uniformly distributed, and the nickel magnesia crystal phase is formed. It is considered that it is possible to obtain a molded product having a high activity and a small amount of carbon precipitation because the Ni particles are further refined and the Ni particles precipitated therefrom are highly finely dispersed. Also, a coprecipitate of nickel, magnesium and aluminum can be dried, molded and fired to form a sintered body in which nickel, magnesium and alumina are homogeneously distributed. Since it is finely dispersed, it is considered possible to obtain a molded product having high activity and a small amount of carbon deposition.

より具体的には、まずニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液を調製する際、水に対して溶解度の高い各金属化合物を用いることが好ましい。例えば硝酸塩、硫酸塩、塩化物などの無機塩のみならず、酢酸塩などの有機塩も好適に用いられる。特に好ましくは、焼成後に触媒被毒になり得る不純物が残りにくいと考えられる硝酸塩又は酢酸塩である。また、それらの溶液から沈殿物を形成する際に用いる沈殿剤は、上記溶液のpHをニッケル、マグネシウムが主に水酸化物として沈殿する中性から塩基性へ変化させるものであればいずれも用いることができる。中でも、炭酸カリウム水溶液や炭酸ナトリウム水溶液、アンモニア水溶液、尿素溶液などが好適に用いられる。また、アルミニウムを同時に共沈させる際には、ニッケル化合物やマグネシウム化合物と同様に、水に対して溶解度の高い、硝酸塩、硫酸塩、塩化物などの無機塩のみならず、酢酸塩などの有機塩も好適に用いられる。特に好ましくは、焼成後に触媒被毒になり得る不純物が残りにくいと考えられる硝酸塩又は酢酸塩である。   More specifically, when preparing a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound, it is preferable to use each metal compound having high solubility in water. For example, not only inorganic salts such as nitrates, sulfates and chlorides, but also organic salts such as acetates are preferably used. Particularly preferred are nitrates or acetates, which are considered to leave little impurities that may poison the catalyst after calcination. As the precipitating agent used when forming a precipitate from those solutions, any precipitating agent can be used as long as it changes the pH of the above solution from neutral to basic in which nickel and magnesium are mainly precipitated as hydroxides to basic. be able to. Among them, potassium carbonate aqueous solution, sodium carbonate aqueous solution, ammonia aqueous solution, urea solution and the like are preferably used. Further, when coprecipitating aluminum at the same time, like nickel compounds and magnesium compounds, not only inorganic salts such as nitrates, sulfates and chlorides, which have high solubility in water, but also organic salts such as acetates. Is also preferably used. Particularly preferred are nitrates or acetates, which are considered to leave little impurities that may poison the catalyst after calcination.

さらに、本発明で使用する炭化水素の改質用触媒は、主活性成分であるニッケル含有量が1〜50質量%であることが好ましい。1質量%以上の場合、ニッケルの改質性能を十分に発揮することができる。50質量%以下の場合には、マトリクスを形成するマグネシウム、セリウム、アルミニウムの含有量を適切に保つことができ、触媒上に析出するニッケル金属の濃度が高く且つ粗大化することを回避することができる。このため、改質反応条件下において性能が経時劣化することを回避できる。   Furthermore, the hydrocarbon reforming catalyst used in the present invention preferably has a nickel content of 1 to 50 mass% as a main active component. When it is 1% by mass or more, nickel reforming performance can be sufficiently exhibited. When the content is 50% by mass or less, the contents of magnesium, cerium, and aluminum forming the matrix can be appropriately maintained, and the concentration of nickel metal deposited on the catalyst is high and avoids coarsening. it can. For this reason, it is possible to avoid performance deterioration over time under the reforming reaction conditions.

マグネシウム含有量は1〜45質量%であることが好ましい。1質量%以上の場合、マグネシアの有する塩基性酸化物の性質を活かし易く、炭化水素の炭素析出を抑制して触媒性能を長期間安定に保持し易くすることができる。45質量%以下の場合、他のニッケル、セリウム、アルミニウムの含有量を適切に保ち、触媒の改質活性を十分に発揮することができる。さらに、マグネシウム含有量が1質量%未満である場合、マグネシウムとニッケルの固溶体中のニッケル濃度が高くなるため、固溶相から析出するニッケル粒が粗大化し易く、炭化水素の改質反応後での触媒上の炭素析出量が多くなり易い傾向がある。   The magnesium content is preferably 1 to 45% by mass. When the amount is 1% by mass or more, the property of the basic oxide of magnesia can be easily utilized, the carbon deposition of hydrocarbons can be suppressed, and the catalytic performance can be easily maintained for a long period of time. When it is 45% by mass or less, the content of other nickel, cerium, and aluminum can be appropriately maintained, and the reforming activity of the catalyst can be sufficiently exhibited. Further, when the magnesium content is less than 1% by mass, the nickel concentration in the solid solution of magnesium and nickel becomes high, so that the nickel particles precipitated from the solid solution phase are likely to be coarsened, and the nickel after the hydrocarbon reforming reaction The amount of carbon deposited on the catalyst tends to increase.

セリウムの含有量は1〜40質量%であることが好ましい。1質量%以上の場合、酸化セリウムの酸素吸蔵能によるニッケルマグネシアからのニッケルの析出が起こり難くなることを回避することができる。40質量%以下の場合には、主活性成分であるニッケルや炭素析出を抑制するマグネシアの割合を適正な範囲に保つことができ、触媒の改質活性を十分発揮させることができる。   The content of cerium is preferably 1 to 40% by mass. When the content is 1% by mass or more, it is possible to prevent the precipitation of nickel from nickel magnesia that is difficult to occur due to the oxygen storage capacity of cerium oxide. When the content is 40% by mass or less, the ratio of nickel, which is the main active component, and magnesia that suppresses carbon deposition can be maintained in an appropriate range, and the reforming activity of the catalyst can be sufficiently exhibited.

アルミナの含有量は5〜60質量%であることが好ましい。5質量%未満では、ニッケルマグネシア(NiMgO)相が主体のセラミックスとなり、MgAl24相の割合が少ないためにNiMgO相が微細化せずに、そこから析出するNi粒が大きくなって活性が低くなったり、成型した際、触媒強度が著しく低くなったりする傾向がある。60質量%を超える場合には、その結果、主活性成分であるニッケルや炭素析出を抑制するマグネシアの割合が低くなるため、触媒の改質活性を十分発揮できなくなる恐れがある。 The content of alumina is preferably 5 to 60% by mass. If it is less than 5% by mass, the nickel magnesia (NiMgO) phase will be the main ceramics, and the proportion of the MgAl 2 O 4 phase will be small. When it is molded, the catalyst strength tends to be extremely low. If it exceeds 60% by mass, as a result, the proportion of nickel, which is the main active component, and magnesia that suppresses carbon deposition decreases, and there is a possibility that the reforming activity of the catalyst may not be sufficiently exhibited.

なお、改質触媒は、ニッケル含有量が1〜35質量%、マグネシウム含有量が1〜35質量%、セリウム含有量が3〜35質量%、換算アルミナ含有量が10〜50質量%であることがさらに好ましい。また、ここでいうアルミナは、アルミナ粉末又はアルミナゾルの状態でニッケルとマグネシウムの酸化物に加えることができ、あるいは、ニッケルとマグネシウムと同時に共沈させて加えることができる。   The reforming catalyst has a nickel content of 1 to 35% by mass, a magnesium content of 1 to 35% by mass, a cerium content of 3 to 35% by mass, and a converted alumina content of 10 to 50% by mass. Is more preferable. Further, the alumina here can be added to the oxide of nickel and magnesium in the state of alumina powder or alumina sol, or can be added by coprecipitation with nickel and magnesium.

アルミナゾルで加える場合は、アルミナの粒子が平均で100ナノメートル以下のものを用いることが好適である。このような粒径のアルミナは、レーザー回折式粒度分布測定装置(例えば、マルバーン製マスターサイザー3000等)を用いて、粒度分布から把握することができる。   When the alumina sol is added, it is preferable to use alumina particles having an average particle size of 100 nm or less. Alumina having such a particle size can be grasped from the particle size distribution using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (for example, Mastersizer 3000 manufactured by Malvern Instruments Ltd.).

また、アルミナ粉末で加える場合は、可能な限り細かい粒径であることが好ましく、例えば平均粒径100マイクロメートル以下が好適であり、混合時には水などを加えてスラリー状で用いる。この場合も、アルミナ粒径の粒度分布の確認は、上述のレーザー回折式粒度分布測定装置を用いる他、コールター式粒度分布測定装置(例えば、ベックマン・コールター製Multisizer4等)を用いることもできる。   In addition, when the alumina powder is added, it is preferable that the particle diameter be as small as possible, for example, an average particle diameter of 100 μm or less is suitable, and water and the like are added at the time of mixing and used in a slurry form. Also in this case, in order to confirm the particle size distribution of the alumina particle size, a Coulter type particle size distribution measuring device (for example, Multisizer 4 manufactured by Beckman Coulter, etc.) can be used in addition to the above-mentioned laser diffraction type particle size distribution measuring device.

また各金属種の含有量を上記範囲になるように調製するためには、各出発原料を予め計算の上準備しておくことが好ましい。なお、一度触媒が狙いの成分組成となれば、それ以降はその時の配合量で調製すればよい。
また、上記の元素以外に触媒製造工程等で混入する不可避的不純物や触媒性能が変わらない他成分を含んでも構わないが、できるだけ不純物が混入しないようにするのが望ましい。
Further, in order to adjust the content of each metal species to fall within the above range, it is preferable to prepare each starting material in advance by calculation. Note that once the catalyst has the target component composition, it may be prepared with the compounding amount at that time thereafter.
Further, in addition to the above-mentioned elements, unavoidable impurities mixed in during the catalyst manufacturing process or other components whose catalyst performance does not change may be contained, but it is desirable to prevent impurities from mixing in as much as possible.

なお、上記改質触媒を構成する各金属種の含有量の測定方法として、誘導結合プラズマ法(ICP)と呼ばれる方法を用いることができる。具体的には、試料を粉砕後、アルカリ融解剤(例えば炭酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウムなど)を加えて白金坩堝内で加熱融解し、冷却後に塩酸溶液に加温下で全量溶解させる。その溶液をICP分析装置へ挿入すると、装置内の高温プラズマ状態の中で試料溶液が原子化・熱励起し、これが基底状態に戻る際に元素固有の波長の発光スペクトルを生じるため、その発光波長及び強度から含有元素種、量を定性・定量することができる。   A method called an inductively coupled plasma method (ICP) can be used as a method for measuring the content of each metal species constituting the reforming catalyst. Specifically, after crushing the sample, an alkali melting agent (for example, sodium carbonate, sodium borate, etc.) is added to heat and melt in a platinum crucible, and after cooling, the whole amount is dissolved in a hydrochloric acid solution under heating. When the solution is inserted into an ICP analysis device, the sample solution is atomized and thermally excited in the high temperature plasma state inside the device, and when it returns to the ground state, an emission spectrum of a wavelength peculiar to the element is generated. Also, it is possible to qualitatively and quantitatively determine the contained element species and amount from the strength.

ここで本発明で使用することができる改質用触媒は、粉体、又は、成型体のいずれの形態としてもよく、成型体の場合には、球状、シリンダー状、リング状、ホイール状、粒状など、さらに金属又はセラミックスのハニカム状基材へ触媒成分をコーティングしたものなどいずれでもよい。また、固定床で使用する場合には、成型方法として、造粒、押出成型、プレス成型、打錠成型等が好適に用いられるが、特にこれに制限されるものではない。   Here, the reforming catalyst that can be used in the present invention may be in any form of powder or a molded body, and in the case of a molded body, a spherical shape, a cylindrical shape, a ring shape, a wheel shape, a granular shape. Etc., or a honeycomb substrate of metal or ceramics coated with a catalyst component. When used in a fixed bed, granulation, extrusion molding, press molding, tablet molding and the like are preferably used as the molding method, but the molding method is not particularly limited thereto.

また、本発明で使用することができる改質用触媒を用いた軽質炭化水素の改質方法は、前記触媒に、又は、触媒を還元した後に、天然ガス、LNG、シェールガス、都市ガス、LPG等に含まれるメタン等の軽質炭化水素に、外部より水蒸気を加えた混合ガスを接触させて、炭化水素を改質する方法となることができ、水素、一酸化炭素、二酸化炭素のガスを製造することができる。   In addition, a method for reforming light hydrocarbons using a reforming catalyst that can be used in the present invention includes a natural gas, LNG, shale gas, city gas, and LPG after the catalyst is reduced or after the catalyst is reduced. It can be a method of reforming hydrocarbons by contacting light hydrocarbons such as methane contained in etc. with a mixed gas with steam added from the outside, producing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide gas. can do.

本発明の水素の製造方法では、使用する改質用触媒を還元することが好ましい。また、製造された水素の一部を原料ガスに循環させ、軽質炭化水素と混合することで、反応中に触媒上の硫黄と水素が反応して、硫化水素として脱離するので、硫黄被毒による劣化を抑制できる。   In the method for producing hydrogen of the present invention, it is preferable to reduce the reforming catalyst used. Also, by circulating a portion of the produced hydrogen into the raw material gas and mixing it with light hydrocarbons, the sulfur on the catalyst reacts with hydrogen during the reaction and is desorbed as hydrogen sulfide, so sulfur poisoning It is possible to suppress deterioration due to.

一方、炭化水素の改質反応では、触媒表面で炭化水素の炭素析出も起こる可能性があり、炭素析出により触媒の細孔閉塞や表面被覆等により活性が低下する。通常、このような炭素析出が起こらないように、水蒸気/炭素比(S/C)を高めに設定して運転するが、S/Cが低くて、炭素析出して活性低下した場合でも、未反応の水蒸気が炭素を燃焼させることができる。その際、水蒸気によって、触媒の活性金属であるニッケルの酸化が考えられるが、原料ガス中に水素が存在することで、ニッケルを還元することができる。   On the other hand, in the reforming reaction of hydrocarbons, carbon deposition of hydrocarbons may occur on the catalyst surface, and the carbon deposition causes a decrease in activity due to pore clogging of the catalyst or surface coating. Normally, the steam/carbon ratio (S/C) is set to a high value so that such carbon precipitation does not occur, but even if the S/C is low and the carbon precipitation causes a decrease in activity, the The water vapor of the reaction can burn carbon. At that time, it is considered that the steam oxidizes nickel, which is the active metal of the catalyst, but the presence of hydrogen in the source gas can reduce the nickel.

ここで、触媒を還元する場合の条件として、触媒から活性金属であるニッケル粒子が微細クラスター状に析出する、比較的高温で且つ還元性雰囲気にする条件であれば特に制限されるものではない。例えば、水素、一酸化炭素、メタンの少なくともいずれかを含むガス雰囲気下、それら還元性ガスに水蒸気を混合したガス雰囲気下、又はそれらのガスに窒素など不活性ガスを混合した雰囲気下であってもよい。   Here, the conditions for reducing the catalyst are not particularly limited as long as nickel particles, which are the active metal, are deposited in the form of fine clusters from the catalyst in a relatively high temperature and reducing atmosphere. For example, in a gas atmosphere containing at least one of hydrogen, carbon monoxide, and methane, in a gas atmosphere in which steam is mixed with the reducing gas, or in an atmosphere in which an inert gas such as nitrogen is mixed with these gases, Good.

また還元温度は、例えば600℃〜1000℃が好適であり、700〜900℃がより好適である。ここで、触媒層温度は、触媒層の中心付近にK型熱電対を挿入して計測できる。還元時間は充填する触媒量にも依存し、例えば30分〜2時間が好適であるが、充填した触媒全体が還元するのに必要な時間であればよく、特にこの条件に制限されるものではない。   The reduction temperature is preferably 600°C to 1000°C, more preferably 700 to 900°C. Here, the catalyst layer temperature can be measured by inserting a K-type thermocouple near the center of the catalyst layer. The reduction time depends on the amount of the catalyst to be charged, and is preferably, for example, 30 minutes to 2 hours, but may be any time required for the reduction of the entire charged catalyst, and is not particularly limited to this condition. Absent.

改質反応器としては、固定床形式、流動床形式、移動床形式等が好適に用いられ、触媒層の温度が分かるように、反応器の大きさに合わせて、1〜数点にK型熱電対等を挿入して、温度を測定することが望ましい。その触媒層の入口温度としては、600〜950℃であることが好ましい。触媒層の入口温度が600℃未満の場合は、炭化水素が水素、一酸化炭素を主体とするガスへ改質する際の触媒活性がほとんど発揮されないため、好ましくない。一方、触媒層の入口温度が900℃を超える場合は、耐熱構造化が必要になるなど改質反応器及び装置が高価になるため経済的に不利となる。また、触媒層の入口温度は、650〜900℃であることがより好ましい。   As the reforming reactor, a fixed bed type, a fluidized bed type, a moving bed type, etc. are preferably used, and in order to understand the temperature of the catalyst bed, depending on the size of the reactor, one to several points of K type are used. It is desirable to insert a thermocouple or the like to measure the temperature. The inlet temperature of the catalyst layer is preferably 600 to 950°C. If the inlet temperature of the catalyst layer is lower than 600° C., the catalytic activity when reforming the hydrocarbon into a gas mainly containing hydrogen and carbon monoxide is hardly exhibited, which is not preferable. On the other hand, if the inlet temperature of the catalyst layer exceeds 900° C., the reforming reactor and the apparatus become expensive because of the need for heat resistant structure, which is economically disadvantageous. Further, the inlet temperature of the catalyst layer is more preferably 650 to 900°C.

また、本発明で使用する改質用触媒は、硫化水素等の硫黄化合物が共存する雰囲気下でも安定して改質反応を進行させることができるが、ガス中の硫黄化合物濃度は低ければ低いほど被毒されないため好ましい。特に、10ppm以下の濃度が好ましい。さらに5ppm以下の濃度がより好ましい。   Further, the reforming catalyst used in the present invention can stably proceed the reforming reaction even in an atmosphere in which a sulfur compound such as hydrogen sulfide coexists, but the lower the sulfur compound concentration in the gas, the lower the concentration. It is preferable because it is not poisoned. Particularly, a concentration of 10 ppm or less is preferable. Further, a concentration of 5 ppm or less is more preferable.

一方、改質反応器に内蔵される炭化水素の改質触媒は、炭化水素の改質反応を行う際、触媒表面上に析出する炭素、又は、ガス中に含まれる硫黄化合物由来の硫黄が触媒に吸着したり、触媒表面に金属微粒子として析出していたニッケルや、酸化セリウムの一部が硫化物化したりすることで、性能劣化する。   On the other hand, the hydrocarbon reforming catalyst contained in the reforming reactor is such that when the hydrocarbon reforming reaction is carried out, the carbon deposited on the catalyst surface or the sulfur derived from the sulfur compound contained in the gas is the catalyst. The performance of the catalyst deteriorates due to the adsorption to nickel, nickel deposited as metal fine particles on the catalyst surface, or part of cerium oxide being sulfided.

そこで、劣化した触媒を再生する方法として、改質反応器へ空気を導入し、空気に含まれる酸素と炭素との反応により触媒表面の炭素を燃焼させ、二酸化炭素として除去し、また、触媒表面で硫化物となったニッケルや酸化セリウム中の硫黄の一部を二酸化硫黄として除去し、ニッケルはマトリクスへと戻すことができる。さらに、水素を触媒と接触させ還元させることで、触媒表面に残留する硫黄を還元して硫化水素として除去でき、同時に、マトリクスからニッケル金属微粒子を析出させ、触媒活性を回復させることができる。   Therefore, as a method of regenerating the deteriorated catalyst, air is introduced into the reforming reactor, carbon on the catalyst surface is burned by the reaction between oxygen and carbon contained in the air, and is removed as carbon dioxide. It is possible to remove some of the sulfur in nickel and cerium oxide that have become sulfides as sulfur dioxide to return nickel to the matrix. Further, by contacting hydrogen with the catalyst to reduce it, the sulfur remaining on the catalyst surface can be reduced and removed as hydrogen sulfide, and at the same time, nickel metal fine particles can be precipitated from the matrix to restore the catalyst activity.

ここで、触媒と空気を接触させる温度は、触媒層の中心付近にK型熱電対を挿入して計測する触媒層温度が、炭素が燃焼可能な500℃以上で行うことが好ましい。一方、硫黄が酸化して二酸化硫黄として脱離する温度は800℃以上必要であるが、改質反応器や配管の材質を高価な耐熱合金にしない限り、設備保護上、触媒層温度を約830℃以上に昇温できないため、空気による再生で硫黄を除去できるのはごくわずかである。   Here, the temperature at which the catalyst and the air are brought into contact with each other is preferably such that the temperature of the catalyst layer measured by inserting a K-type thermocouple near the center of the catalyst layer is 500° C. or higher at which carbon can be burned. On the other hand, the temperature at which sulfur is oxidized and desorbed as sulfur dioxide needs to be 800° C. or higher, but unless the material of the reforming reactor or the pipe is made of an expensive heat-resistant alloy, the catalyst layer temperature is about 830 to protect the equipment. Since it is not possible to raise the temperature above 0°C, only a small amount of sulfur can be removed by regeneration with air.

また、空気を炭素が析出した触媒に接触させると、炭素の燃焼が発熱反応であるため、触媒温度が急激に上昇する。改質反応器や配管の材質を高価な耐熱合金としない限り、設備保護上、触媒層温度を約830℃以上に上昇させることは好ましくない。触媒層温度が発熱により830℃以上になりそうな時は、空気導入量を減らしたり、窒素導入量を増やしたりすることが好ましい。さらに、空気による炭素除去は、触媒層温度を500〜800℃の範囲で行うことがより好ましい。この工程では炭素が除去さえできればよいため、触媒層出口の二酸化炭素濃度を質量分析計、ガスクロマトグラフ、赤外線式CO2分析計等の分析装置で監視し、二酸化炭素濃度が0.5%以下になれば、炭素をほぼ除去できたと判断できる。 Further, when the air is brought into contact with the catalyst on which carbon is deposited, the combustion of carbon is an exothermic reaction, so the catalyst temperature rises rapidly. It is not preferable to raise the temperature of the catalyst layer to about 830° C. or more in terms of equipment protection unless the material of the reforming reactor and the pipe is an expensive heat-resistant alloy. When the temperature of the catalyst layer is likely to reach 830° C. or higher due to heat generation, it is preferable to reduce the amount of introduced air or increase the amount of introduced nitrogen. Further, it is more preferable that the removal of carbon by air is performed at a catalyst layer temperature of 500 to 800°C. In this step, since it is only necessary to remove carbon, the carbon dioxide concentration at the outlet of the catalyst layer is monitored by an analyzer such as a mass spectrometer, gas chromatograph, infrared CO 2 analyzer, etc., and the carbon dioxide concentration becomes 0.5% or less. If so, it can be judged that the carbon was almost removed.

上記の空気による触媒表面の析出炭素の除去が完了し、窒素等の不活性ガスでパージした後、水素を触媒と接触させて還元する温度は、硫黄を除去可能な600℃以上で行うことが好ましい。空気による燃焼後に触媒上に残留していた硫黄は、600℃以上の温度でH2Sとして十分速く脱離できる。この水素還元工程では、改質反応で活性種となるニッケル金属微粒子をニッケルマグネシア相から析出させる目的もあり、700℃以上で行うことがより好ましく、温度の上限は硫黄の除去とニッケル金属微粒子の析出を鑑みると、800℃以下であれば十分である。 After the removal of carbon deposits on the surface of the catalyst by the air is completed and after purging with an inert gas such as nitrogen, the temperature at which hydrogen is brought into contact with the catalyst and reduced is 600° C. or higher at which sulfur can be removed. preferable. Sulfur remaining on the catalyst after combustion with air can be desorbed sufficiently quickly as H 2 S at a temperature of 600° C. or higher. This hydrogen reduction step is also preferably performed at 700° C. or higher for the purpose of precipitating nickel metal fine particles that become active species in the reforming reaction from the nickel magnesia phase, and the upper limit of the temperature is the removal of sulfur and the removal of nickel metal fine particles. Considering precipitation, 800° C. or lower is sufficient.

一方、空気の代わりに水蒸気を導入することで、析出炭素や触媒上の硫黄を除去することも可能であるが、空気による再生と水素による還元によって除去される速度と比べ、非常に遅い。   On the other hand, it is possible to remove the deposited carbon and the sulfur on the catalyst by introducing water vapor instead of air, but it is much slower than the rate of removal by regeneration with air and reduction with hydrogen.

次に、具体例を示して、本発明の水素製造装置を用いた燃料電池システムについて詳細に説明する。図1は本発明の好適な燃料電池システムの一例を示す概略図である。   Next, a fuel cell system using the hydrogen production apparatus of the present invention will be described in detail with reference to specific examples. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a suitable fuel cell system of the present invention.

図1において、燃料供給源3からの燃料は燃料ポンプ4を経て、水タンク1から水ポンプ2を経た水と混合された後、熱交換器(気化器)5に導入されて気化され、改質器6に送り込まれる。   In FIG. 1, fuel from a fuel supply source 3 is mixed with water from a water tank 1 through a water pump 2 through a fuel pump 4, and then introduced into a heat exchanger (vaporizer) 5 to be vaporized and modified. It is sent to the pouch 6.

改質器6の改質触媒としては、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を用いて沈殿物を生成し、当該沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、当該混合物を乾燥及び焼成して製造された触媒を用いる。または、改質触媒は、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、当該沈殿物を仮焼し、仮焼された当該沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、当該混合物を乾燥及び焼成して製造された触媒を用いる。または、改質触媒は、ニッケル化合物とマグネシウム化合物とアルミニウム化合物の混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムとアルミニウムを共沈させて沈殿物を生成し、当該沈殿物を乾燥及び焼成して製造された触媒を用いる。   As the reforming catalyst of the reformer 6, a precipitation agent is used in a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to form a precipitate, and alumina powder and water or alumina sol is added to and mixed with the precipitate. To produce a mixture, and the catalyst produced by drying and calcining the mixture is used. Alternatively, the reforming catalyst was prepared by adding a precipitant to a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, calcining the precipitate, and calcining the precipitate. A catalyst produced by adding alumina powder and water or alumina sol to the precipitate and mixing them to form a mixture, and drying and calcining the mixture is used. Alternatively, the reforming catalyst comprises adding a precipitant to a mixed solution of a nickel compound, a magnesium compound and an aluminum compound to coprecipitate nickel, magnesium and aluminum to produce a precipitate, and drying and calcining the precipitate. The catalyst produced by

これらの触媒を球状、シリンダー状、リング状、ホイール状、粒状等に成型して、改質器内に充填する。改質器6に送り込まれた、水蒸気/炭素比(S/C)は、好ましくは0.3〜10、より好ましくは1〜5、さらに好ましくは2〜3.5に設定される。また、流入燃料(燃料+水蒸気)の空間速度(SV)は上記充填の触媒量基準、標準温度・圧力換算で、GHSV(Gas Hourly Space Velocity)が、好ましくは100〜100000h-1、より好ましくは500〜50000h-1、さらに好ましくは1000〜10000h-1の範囲に設定される。改質器反応管は、燃料タンクからの燃料及びアノードオフガスを燃料とするバーナー7により加熱され、好ましくは400〜1000℃ 、より好ましくは500〜900℃、さらに好ましくは600〜800℃の範囲に調節される。 These catalysts are molded into a spherical shape, a cylindrical shape, a ring shape, a wheel shape, a granular shape, etc., and filled in the reformer. The steam/carbon ratio (S/C) sent to the reformer 6 is preferably set to 0.3 to 10, more preferably 1 to 5, and further preferably 2 to 3.5. The space velocity (SV) of the inflowing fuel (fuel + water vapor) is preferably GHSV (Gas Hourly Space Velocity) in terms of the catalyst amount of the above filling, standard temperature/pressure conversion, preferably 100 to 100000 h -1 , more preferably 500~50000h -1, more preferably set in a range of 1000~10000h -1. The reformer reaction tube is heated by the burner 7 using the fuel from the fuel tank and the anode off gas as fuel, and is preferably in the range of 400 to 1000°C, more preferably 500 to 900°C, and further preferably 600 to 800°C. Adjusted.

このようにして製造された水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含有する改質ガスは、高温シフト反応器8、低温シフト反応器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、一酸化炭素濃度は、燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで低減される。これらの反応器に用いる触媒の例としては、高温シフト反応器8には鉄−クロム系触媒、低温シフト反応器9には銅−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、白金系触媒、金系触媒等を挙げることができる。   The reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide produced in this manner is passed through the high temperature shift reactor 8, the low temperature shift reactor 9, and the carbon monoxide selective oxidation reactor 10 sequentially, The carbon monoxide concentration is reduced to such an extent that it does not affect the characteristics of the fuel cell. Examples of catalysts used in these reactors are an iron-chromium catalyst for the high temperature shift reactor 8, a copper-zinc catalyst for the low temperature shift reactor 9, and a ruthenium catalyst for the carbon monoxide selective oxidation reactor 10. Examples thereof include catalysts, platinum-based catalysts and gold-based catalysts.

ここで、改質反応の硫黄被毒による触媒劣化を抑えるために、改質反応後の熱交換器の後段で改質ガス循環ライン20を経て、改質ガスの一部が改質行程前の原料ガス中に戻される、又は水素添加ライン19から新たに水素を改質行程前(熱交換器5の前)の原料ガス中に添加され、混合される。又は、低温シフト反応器9の後段から、シフト反応後ガス循環ライン21を経て、又は、一酸化炭素選択酸化反応器10の後段から、一酸化炭素選択酸化反応後ガス循環ライン22を経て、改質ガスの一部が改質行程前(熱交換器5の前)で原料ガス中に戻され、混合される。新たに添加する水素、改質反応後の改質ガスの一部、シフト反応後の改質ガスの一部、及び、一酸化炭素選択酸化反応後の改質ガスの一部の少なくとも1つを使用しても問題ないが、新たに水素を添加するよりも、反応して生じたガスを有効利用する方が好ましい。特に水素濃度が高い、シフト反応後の改質ガスや一酸化炭素選択酸化反応後の改質ガスを利用すると、改質反応後の改質ガスを利用するよりも、リターンの割合が少なくても改質前ガスの水素濃度を高めることができることから好ましい。   Here, in order to suppress the catalyst deterioration due to sulfur poisoning in the reforming reaction, a part of the reformed gas passes through the reformed gas circulation line 20 in the latter stage of the heat exchanger after the reforming reaction and before the reforming process. The hydrogen is returned to the raw material gas, or hydrogen is newly added from the hydrogen addition line 19 to the raw material gas before the reforming process (before the heat exchanger 5) and mixed. Alternatively, from the subsequent stage of the low temperature shift reactor 9 via the post-shift reaction gas circulation line 21 or from the subsequent stage of the carbon monoxide selective oxidation reactor 10 via the post-carbon monoxide selective oxidation reaction gas circulation line 22 A part of the quality gas is returned to and mixed with the raw material gas before the reforming process (before the heat exchanger 5). At least one of newly added hydrogen, a part of the reformed gas after the reforming reaction, a part of the reformed gas after the shift reaction, and a part of the reformed gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction Although there is no problem even if it is used, it is preferable to effectively utilize the gas generated by the reaction rather than newly adding hydrogen. When the reformed gas after the shift reaction or the reformed gas after the selective oxidation reaction of carbon monoxide, which has a particularly high hydrogen concentration, is used, even if the return ratio is smaller than that after the reformed gas after the reforming reaction is used. It is preferable because the hydrogen concentration of the pre-reforming gas can be increased.

また、生成した水素を含む改質ガスの一部、シフト反応工程後の改質ガスの一部、又は、一酸化炭素選択酸化反応工程後の改質ガスの一部を、炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻す、又は新たに水素を改質工程前の原料ガス中に添加する際の水素のモル濃度は、改質工程後の改質ガス、シフト反応工程後の改質ガス、選択酸化反応工程後の改質ガス、新たに添加する水素の総量で、原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して10〜100モル%(又は原料ガス(水素+炭化水素)中の水素濃度として9〜50モル%)とすることが好ましく、40〜100モル%(又は原料ガス(水素+炭化水素)中の水素濃度として28.5〜50モル%)とすることがより好ましい。ここで、原料ガス中の炭化水素の流量に対して、同じ水素の流量の場合、原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して100モル%(又は原料ガス(水素+炭化水素)中の水素濃度として50モル%)と計算できる。ガス中の炭化水素濃度が予め判っていない場合には、水素炎イオン化検出法等を用いて、濃度を測定可能である。また、水素濃度が予め判っていない場合には、ガスクロマトグラフィ等で測定可能である。水素濃度が原料ガス中のモル濃度に対して10モル%未満(初期の原料ガス中の水素の割合、即ち、原料ガス中に最初から存在している水素ガスの割合が10モル%未満)であると、水素による硫黄被毒低減効果がほとんどなく、好ましくない。また、水素濃度が原料ガス中のモル濃度に対して100モル%より多くする場合は、生成した改質ガスの25体積%以上を循環させる必要があるため、システム全体の効率を考慮すると、好ましくない。   In addition, a part of the reformed gas containing generated hydrogen, a part of the reformed gas after the shift reaction step, or a part of the reformed gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction step is used to reform hydrocarbons. The molar concentration of hydrogen when returning to the raw material gas in the step or newly adding hydrogen to the raw material gas before the reforming step is the reformed gas after the reforming step, the reformed gas after the shift reaction step, The total amount of reformed gas and hydrogen newly added after the selective oxidation reaction step is 10 to 100 mol% (or the hydrogen concentration in the source gas (hydrogen + hydrocarbon)) with respect to the molar concentration of the hydrocarbon in the source gas. Is preferably 9 to 50 mol%), and more preferably 40 to 100 mol% (or 28.5 to 50 mol% as the hydrogen concentration in the source gas (hydrogen+hydrocarbon)). Here, when the flow rate of hydrogen is the same as the flow rate of hydrocarbons in the raw material gas, 100 mol% (or hydrogen in the raw material gas (hydrogen+hydrocarbon)) with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas. The concentration can be calculated as 50 mol %). If the hydrocarbon concentration in the gas is not known in advance, the concentration can be measured using a hydrogen flame ionization detection method or the like. If the hydrogen concentration is not known in advance, it can be measured by gas chromatography or the like. The hydrogen concentration is less than 10 mol% with respect to the molar concentration in the raw material gas (the proportion of hydrogen in the initial raw material gas, that is, the proportion of hydrogen gas originally present in the raw material gas is less than 10 mole %). If so, hydrogen has almost no effect of reducing sulfur poisoning, which is not preferable. Further, when the hydrogen concentration is more than 100 mol% with respect to the molar concentration in the raw material gas, it is necessary to circulate 25% by volume or more of the produced reformed gas, which is preferable considering the efficiency of the entire system. Absent.

固体高分子型燃料電池12は、アノード13、カソード14、固体高分子電解質15からなり、アノード側には上記の方法で得られた高純度の水素を含有する燃料ガスが、カソード側には空気ブロアー11から送られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後(加湿装置は図示していない)導入される。   The solid polymer fuel cell 12 comprises an anode 13, a cathode 14, and a solid polymer electrolyte 15, and the fuel gas containing the high-purity hydrogen obtained by the above method is present on the anode side and the air is on the cathode side. The air sent from the blower 11 is introduced after performing an appropriate humidification treatment (a humidifier is not shown) if necessary.

この時、アノード13では、水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソード14では酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノード13には白金ブラック、活性炭担持のPt触媒又はPt−Ru合金触媒などが、カソード14には白金ブラック、活性炭担持のPt触媒などが用いられる。通常アノード、カソードの両触媒とも、必要に応じてポリテトラフロロエチレン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。   At this time, in the anode 13, a reaction in which hydrogen gas becomes a proton and releases an electron proceeds, and in the cathode 14, a reaction in which oxygen gas obtains an electron and a proton and becomes water proceeds. In order to accelerate these reactions, platinum black, Pt catalyst or Pt—Ru alloy catalyst supporting activated carbon, etc. are used for the anode 13, and platinum black, Pt catalyst supporting activated carbon, etc. are used for the cathode 14, respectively. Normally, both the anode and cathode catalysts are molded into a porous catalyst layer together with polytetrafluoroethylene, a low molecular weight polymer electrolyte membrane material, activated carbon, etc., if necessary.

次いで、デュポン社製Nafion(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)、旭硝子社製Flemion(登録商標)、旭化成社製Aciplex(登録商標)等の商品名で知られる高分子電解質膜の両側に前記多孔質触媒層を積層し、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極集合体)を形成する。さらにMEAを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。アノードオフガスは、バーナー7において燃焼され改質管の加熱に用いられた後排出される。カソードオフガスは、排気口16から排出される。   Next, polymer electrolyte membranes known by trade names such as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. The porous catalyst layers are laminated on both sides to form a MEA (Membrane Electrode Assembly). Further, the fuel cell is assembled by sandwiching the MEA with a separator made of a metal material, graphite, carbon composite, etc., having a gas supply function, a current collection function, and particularly a drain function which is important for the cathode. The anode off gas is burned in the burner 7, used for heating the reforming tube, and then discharged. The cathode off gas is discharged from the exhaust port 16.

ここで、燃料電池システムにおいて、脱硫工程を省略した場合、改質触媒が硫黄被毒耐性を保有している場合、下流のシフト触媒、一酸化炭素選択酸化触媒、アノード等に悪影響を及ぼす可能性がある。低温シフト反応触媒に使用する銅−亜鉛系触媒は、改質触媒に比べれば、非常に安価でかつ、硫黄吸着能を保有しており、低温でのシフト反応と硫黄のトラップを兼ねることができ、シフト反応活性が低下した場合は、低温シフト反応触媒を交換すればよい。   Here, in the fuel cell system, if the desulfurization step is omitted, and if the reforming catalyst has sulfur poisoning resistance, it may adversely affect the downstream shift catalyst, carbon monoxide selective oxidation catalyst, anode, etc. There is. The copper-zinc catalyst used for the low temperature shift reaction catalyst is much cheaper than the reforming catalyst and has the ability to adsorb sulfur, and can serve as both the shift reaction at low temperature and the sulfur trap. When the shift reaction activity decreases, the low temperature shift reaction catalyst may be replaced.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。なお、実施例8、実施例9、実施例10、実施例11、実施例12は、参考例である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the conditions in the Examples are one condition example adopted to confirm the feasibility and effects of the present invention. It is not limited to the example. The present invention can employ various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention. In addition, Example 8, Example 9, Example 10, Example 11, and Example 12 are reference examples.

<実験例1>
(比較例1)
硝酸ニッケルと硝酸マグネシウムを各金属元素のモル比が0.1:0.9になるように、硝酸ニッケル・6水和物を3.32g、硝酸マグネシウム・6水和物を26.38g精秤して、500mLの60℃の純水に溶かして、60℃に加温した混合水溶液を調製した。この混合水溶液に、炭酸カリウム15.8gを精秤して、250mLの60℃の純水に溶かして、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を250mL/min程度にゆっくり加え、ニッケルとマグネシウムを水酸化物として共沈させ、撹拌羽根で400rpm程度で十分に撹拌した。その後、60℃に保持したまま1時間程度撹拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で数回、洗浄と吸引ろ過を行った。各水溶液の温度は、アルコール温度計を水溶液中に挿入して測定した。洗浄の確認は、ろ液のpHが中性になっていることを、ポータブルpHメーターやpH試験紙で確認することができる。
<Experimental example 1>
(Comparative Example 1)
Precisely weigh 3.32 g of nickel nitrate hexahydrate and 26.38 g of magnesium nitrate hexahydrate so that the molar ratio of each metal element of nickel nitrate and magnesium nitrate is 0.1:0.9. Then, it was dissolved in 500 mL of pure water at 60° C. to prepare a mixed aqueous solution heated to 60° C. To this mixed aqueous solution, 15.8 g of potassium carbonate was precisely weighed, dissolved in 250 mL of pure water at 60° C., and the potassium carbonate aqueous solution heated to 60° C. was slowly added to about 250 mL/min to add nickel and magnesium to water. It was coprecipitated as an oxide and sufficiently stirred at about 400 rpm with a stirring blade. After that, stirring was continued for about 1 hour while maintaining the temperature at 60° C. for aging, suction filtration was performed, and washing and suction filtration were performed several times with pure water at 80° C. The temperature of each aqueous solution was measured by inserting an alcohol thermometer into the aqueous solution. For confirmation of washing, it can be confirmed that the pH of the filtrate is neutral with a portable pH meter or a pH test paper.

その後、得られた沈殿物を純水400mL程度の純水に分散させ、アルミナゾルをアルミナとして50質量%となるように加えて、撹拌羽根で350rpm程度で十分混合した。この混合物をナスフラスコに移してロータリーエバポレーターに取り付け、減圧下で約50℃に加温することで、水分を蒸発させた。ナスフラスコ内で固化したニッケルとマグネシウムとアルミナの混合物を蒸発皿に移して、雰囲気温度120℃で約24時間乾燥した。その後、乳鉢で粉砕し、粉末をるつぼに移して、空気中雰囲気温度950℃で約20時間焼成を行い、Ni0.1Mg0.9Oにアルミナが50質量%混合した触媒を約10g得た。得られた触媒の粉末を、加圧成型器を用いて20mmφの錠剤にプレス成型し、プレス成型体を粗粉砕することで、篩を用いて、0.5〜1.0mmに粒度調整した。得られた触媒の成分は、各実施例及び比較例とともに、表1に示すが、触媒全体量を100質量%として、金属としてニッケル及びマグネシウムの質量%と、酸化物としてアルミナの質量%を示している。 Then, the obtained precipitate was dispersed in pure water of about 400 mL of pure water, and alumina sol was added so as to be 50% by mass as alumina, and sufficiently mixed at about 350 rpm with a stirring blade. The mixture was transferred to an eggplant-shaped flask, attached to a rotary evaporator, and heated at about 50° C. under reduced pressure to evaporate water. The mixture of nickel, magnesium and alumina solidified in the eggplant flask was transferred to an evaporation dish and dried at an ambient temperature of 120° C. for about 24 hours. Then, the mixture was crushed in a mortar, the powder was transferred to a crucible, and the mixture was baked at an atmospheric temperature of 950° C. in the air for about 20 hours to obtain about 10 g of a catalyst in which Ni 0.1 Mg 0.9 O was mixed with alumina at 50 mass %. The powder of the obtained catalyst was press-molded into a tablet of 20 mmφ using a pressure molding machine, and the press-molded body was roughly crushed to adjust the particle size to 0.5 to 1.0 mm using a sieve. The components of the obtained catalyst are shown in Table 1 together with the respective examples and comparative examples. However, with the total amount of the catalyst being 100% by weight, nickel and magnesium as the metal by weight and alumina as the oxide by weight% were shown. ing.

上記により得られた触媒を0.08ml用いて、石英製の内径6mmφ、長さ500mmの反応管の中央に位置するように石英ウールで挟み込むように固定し、触媒層中央位置にシース式K型熱電対を挿入し、これら固定床反応管を電気炉中央の位置にセットした。   Using 0.08 ml of the catalyst obtained above, the reaction tube made of quartz and having an inner diameter of 6 mmφ and a length of 500 mm was fixed by sandwiching it with quartz wool so as to be located at the center, and a sheath type K type catalyst was placed at the center of the catalyst layer. A thermocouple was inserted and these fixed bed reaction tubes were set at the center of the electric furnace.

改質反応を始める前に、まず反応器を窒素雰囲気下で触媒層温度を800℃まで昇温した後、水素を100ml/min流しながら、30分間還元処理を行った。その後、800℃のまま、燃料電池向けの都市ガス改質反応を模擬して、常圧でメタンを14ml、H2Sを3ppmとなる濃度とし、(水蒸気モル数)/(上記メタンの炭素のモル数)=3となるよう、純水を精密ポンプで水蒸気として42ml/min導入しながら、0.1MPaの反応圧力で24時間実験を行った。ここで、実験上の取り扱い易さなどから、触媒被毒物質としてH2Sを使用した。本条件での触媒体積当たりのガス導入速度を表わす空間速度(SV:Space Velocity)は40000h-1であり、通常の燃料電池システム内の水素製造条件と比べ約10倍の流速で、加速試験条件となる。 Before starting the reforming reaction, first, the temperature of the catalyst layer was raised to 800° C. in a nitrogen atmosphere, and then reduction treatment was performed for 30 minutes while flowing hydrogen at 100 ml/min. Then, at 800° C., a city gas reforming reaction for a fuel cell was simulated to obtain a concentration of 14 ml of methane and 3 ppm of H 2 S at atmospheric pressure, and the concentration of (steam mole number)/(carbon of methane above) An experiment was conducted for 24 hours at a reaction pressure of 0.1 MPa while introducing pure water as water vapor at 42 ml/min with a precision pump so that the number of moles)=3. Here, H 2 S was used as a catalyst poisoning substance because of the ease of handling in experiments. The space velocity (SV: Space Velocity), which represents the gas introduction rate per catalyst volume under these conditions, is 40,000 h -1, which is about 10 times the flow rate of hydrogen production conditions in a normal fuel cell system, and accelerated test conditions. Becomes

改質反応器から出た生成ガスは氷温トラップを経由させて水分を除去した後、TCDガスクロマトグラフ(Yanaco製G2800、カラム:内径2mmφ、長さ4m、SHINCARBON ST、カラム温度120℃、TCD検出器140℃、Arキャリア)によって、ガスの分析を行った。改質反応の活性評価はメタン転化率で判断し、出口ガス中の各ガス成分濃度より、以下の式で算出した。本発明で起こる反応は、メタンと水蒸気から、水素、一酸化炭素、二酸化炭素が生成する。   After removing the water content of the produced gas from the reforming reactor through an ice temperature trap, a TCD gas chromatograph (Yanaco G2800, column: inner diameter 2 mmφ, length 4 m, SHIN CARBON ST, column temperature 120° C., TCD detection Gas analysis was performed by using a container (140° C., Ar carrier). The activity of the reforming reaction was evaluated based on the methane conversion rate, and calculated from the concentration of each gas component in the outlet gas by the following formula. The reaction that occurs in the present invention produces hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide from methane and steam.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

表1に、元素の含有量、H2/(CH+HS)、H2/(H2+CH4+H2S)、メタン転化率を示す。表1に示す各元素の含有量(質量%)は計算値であるが、実測値の測定方法としては、誘導結合プラズマ法(ICP)と呼ばれる方法を用いることができる。具体的には、試料を粉砕後、アルカリ融解剤(例えば炭酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウムなど)を加えて白金坩堝内で加熱融解し、冷却後に塩酸溶液に加温下で全量溶解させる。その溶液をICP分析装置へ挿入すると、装置内の高温プラズマ状態の中で試料溶液が原子化・熱励起し、これが基底状態に戻る際に元素固有の波長の発光スペクトルを生じるため、その発光波長及び強度から含有元素種、量を定性・定量することができる。 Table 1 shows the element contents, H 2 /(CH 4 +H 2 S), H 2 /(H 2 +CH 4 +H 2 S), and the methane conversion rate. Although the content (mass %) of each element shown in Table 1 is a calculated value, a method called an inductively coupled plasma method (ICP) can be used as a method for measuring an actually measured value. Specifically, after crushing the sample, an alkali melting agent (for example, sodium carbonate, sodium borate, etc.) is added to heat and melt in a platinum crucible, and after cooling, the whole amount is dissolved in a hydrochloric acid solution under heating. When the solution is inserted into an ICP analysis device, the sample solution is atomized and thermally excited in the high temperature plasma state inside the device, and when it returns to the ground state, an emission spectrum of a wavelength peculiar to the element is generated. Also, it is possible to qualitatively and quantitatively determine the contained element species and amount from the strength.

比較例1におけるメタン転化率は、表1に示すように、20時間後においてメタン転化率が0%となった。また、原料ガス中に水素が含まれない条件では、硫黄の被毒により、活性が短時間でゼロになってしまうことがわかった。   Regarding the methane conversion rate in Comparative Example 1, as shown in Table 1, the methane conversion rate became 0% after 20 hours. It was also found that under the condition that the raw material gas does not contain hydrogen, the activity becomes zero in a short time due to sulfur poisoning.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

(実施例1)
比較例1と同じ触媒を用いて、同じ還元処理を行い、改質反応において、メタン、H2S、水蒸気の量はそのままで、H2の量をCH4(H2S:3ppm)に対して9モル%の割合になるように、H2を1.2ml/minで導入した。したがって、SVは40500h-1となる以外は、比較例1と同様に行った。その結果、表1に示すように、22h反応後にはメタン転化率は0モル%となったが、若干寿命が延びた。
(Example 1)
The same reduction treatment was performed using the same catalyst as in Comparative Example 1, and in the reforming reaction, the amount of methane, H 2 S, and steam was unchanged, and the amount of H 2 was changed relative to CH 4 (H 2 S: 3 ppm). H 2 was introduced at a rate of 1.2 ml/min so that the total amount was 9 mol %. Therefore, the same procedure as in Comparative Example 1 was performed except that the SV was 40500 h −1 . As a result, as shown in Table 1, the methane conversion was 0 mol% after the reaction for 22 hours, but the life was slightly extended.

(実施例2)
実施例1と同じ条件下で、H2の量をCH4(H2S:3ppm)に対して14モル%の割合になるように変えて、H2を2ml/minで導入した。したがって、SVは41000h-1となる以外は、比較例1と同様に行った。その結果、表1に示すように、24h反応後のメタン転化率は41.5モル%と大きく向上した。
2のモル濃度は、原料ガス(CH4)に対して0.1倍以上が好ましいことがわかった。
(Example 2)
Under the same conditions as in Example 1, the amount of H 2 CH 4 (H 2 S : 3ppm) changed so that the proportion of 14 mol% with respect to, the introduction of H 2 in 2 ml / min. Therefore, the same procedure as in Comparative Example 1 was performed except that the SV was 41,000 h -1 . As a result, as shown in Table 1, the methane conversion rate after the reaction for 24 hours was significantly improved to 41.5 mol %.
It was found that the molar concentration of H 2 is preferably 0.1 times or more that of the source gas (CH 4 ).

(実施例3)
実施例1と同じ条件下で、H2の量をCH4(H2S:3ppm)に対して43モル%の割合になるように変えて、H2を6.0ml/minで導入した。したがって、SVは44000h-1となる以外は、比較例1と同様に行った。その結果、表1に示すように、実施例2よりもさらにメタン転化率が48.2モル%と向上し、硫黄被毒を抑えられることがわかった。
(Example 3)
Under the same conditions as in Example 1, the amount of CH 4 in H 2 (H 2 S: 3ppm ) changed so that the proportion of 43 mol% with respect to, the introduction of H 2 at 6.0 ml / min. Therefore, the same procedure as in Comparative Example 1 was performed except that the SV was 44000 h −1 . As a result, as shown in Table 1, it was found that the methane conversion rate was further improved to 48.2 mol% as compared with Example 2, and sulfur poisoning was suppressed.

(実施例4)
実施例1と同じ条件下で、H2の量をCH4(H2S:3ppm)に対して100モル%の割合になるように変えて、H2を14.0ml/minで導入した。したがって、SVは50000h−1となる以外は、比較例1と同様に行った。その結果、表1に示すように、実施例2よりもさらにメタン転化率が58.2モル%と向上し、硫黄被毒を抑えられることがわかった。
(Example 4)
Under the same conditions as in Example 1, the amount of H 2 CH 4 (H 2 S : 3ppm) changed so that the proportion of 100 mol% relative to, and H 2 introduced at 14.0 ml / min. Therefore, the same procedure as in Comparative Example 1 was performed except that the SV was 50000 h −1 . As a result, as shown in Table 1, it was found that the methane conversion rate was further improved to 58.2 mol% as compared with Example 2 and sulfur poisoning was suppressed.

(実施例5)
実施例1と同じ条件下で、H2の量をCH4(H2S:3ppm)に対して150モル%の割合になるように変えて、H2を21.0ml/minで導入した。したがって、SVは55000h-1となる以外は、比較例1と同様に行った。その結果、表1に示すように、実施例2よりもさらにメタン転化率が58.8モル%と向上したが、実施例4とほぼ同等レベルで硫黄被毒を抑えられることがわかった。しかし、生成したH2の有効利用を考えると、過剰のH2を循環させることは、エネルギーロスにも繋がることから、H2導入量は原料ガスの導入量以下であることが望ましいことがわかった。
(Example 5)
Under the same conditions as in Example 1, the amount of CH 4 in H 2 (H 2 S: 3ppm ) changed so that the proportion of 150 mol% relative to, and H 2 introduced at 21.0 ml / min. Therefore, the same procedure as in Comparative Example 1 was performed except that the SV was 55,000 h −1 . As a result, as shown in Table 1, the methane conversion was further improved to 58.8 mol% as compared with Example 2, but it was found that sulfur poisoning can be suppressed at a level almost equal to that in Example 4. However, considering the effective use of the generated H 2 , it is desirable that the amount of H 2 introduced is equal to or less than the amount of the raw material gas introduced, because circulating excess H 2 also leads to energy loss. It was

<実験例2>
(実施例6)
実施例3において、Ni0.1Mg0.9Oにアルミナが10質量%混合した触媒とし、原料ガスとして都市ガスを12ml、(水蒸気モル数)/(都市ガス中の炭素のモル数)=3となるよう、純水を精密ポンプで水蒸気として42ml/min導入しながら、さらに、H2の量を都市ガスに対して43モル%の割合になるように、H2を5.2ml/minで導入し、0.1MPaの反応圧力で50時間実験を行うこと以外は、全て実施例3と同じ条件で実施して、評価した。
<Experimental example 2>
(Example 6)
In Example 3, the catalyst was prepared by mixing Ni 0.1 Mg 0.9 O with alumina in an amount of 10% by mass, the raw material gas was 12 ml of city gas, and the number of (steam moles)/(moles of carbon in city gas)=3. While introducing pure water as water vapor with a precision pump at 42 ml/min, H 2 was introduced at 5.2 ml/min so that the amount of H 2 was 43 mol% with respect to city gas. Evaluations were carried out under the same conditions as in Example 3 except that the experiment was carried out at a reaction pressure of 0.1 MPa for 50 hours.

表2に、元素の含有量、H2/都市ガス、H2/(H2+都市ガス)、都市ガス中メタン転化率を示す。ここで、都市ガスの成分は、メタン89.6モル%、エタン5.6モル%、プロパン3.4モル%、ブタン1.4モル%の他、TBMが含まれる。その結果、50時間後でも都市ガス中メタン転化率が65.4モル%を保持でき、硫黄被毒を抑えて、高活性を保持できることがわかった。 Table 2 shows the content of elements, H 2 /city gas, H 2 /(H 2 +city gas), and methane conversion rate in city gas. Here, the components of city gas include TBM in addition to 89.6 mol% of methane, 5.6 mol% of ethane, 3.4 mol% of propane, 1.4 mol% of butane. As a result, it was found that even after 50 hours, the methane conversion rate in city gas could be kept at 65.4 mol %, sulfur poisoning could be suppressed, and high activity could be retained.

(比較例2)
実施例6において、原料ガスにH2を導入しないこと以外は、実施例6と同様に行った。その結果、42hで触媒活性がゼロになることが確認された。
(Comparative example 2)
In Example 6, except that no H 2 introduced to the raw material gas was performed in the same manner as in Example 6. As a result, it was confirmed that the catalyst activity became zero at 42 h.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

<実験例3>
(比較例3)
触媒調製において、硝酸ニッケル、硝酸セリウム、硝酸マグネシウムを各金属元素のモル比が0.1:0.1:0.8になるように、硝酸ニッケル・6水和物を2.63g、硝酸セリウム・6水和物を3.92g、硝酸マグネシウム・6水和物を18.54g精秤して、500mLの60℃の純水に溶かして、60℃に加温した混合水溶液を調製した。この混合水溶液に、炭酸カリウム12.5gを精秤して、250mLの60℃の純水に溶かして、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を250mL/min程度にゆっくり加え、ニッケル、セリウム、マグネシウムを水酸化物として共沈させ、撹拌羽根で400rpm程度で十分に撹拌した。その後、60℃に保持したまま1時間程度撹拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で数回、洗浄と吸引ろ過を行った。各水溶液の温度は、アルコール温度計を水溶液中に挿入して測定した。洗浄の確認は、ろ液のpHが中性になっていることを、ポータブルpHメーターやpH試験紙で確認することができる。
<Experimental example 3>
(Comparative example 3)
In the catalyst preparation, nickel nitrate hexahydrate and 2.63 g of nickel nitrate hexahydrate and cerium nitrate were used so that the molar ratio of each metal element of nickel nitrate, cerium nitrate and magnesium nitrate was 0.1:0.1:0.8. -3.92 g of hexahydrate and 18.54 g of magnesium nitrate hexahydrate were precisely weighed and dissolved in 500 mL of pure water at 60°C to prepare a mixed aqueous solution heated to 60°C. To this mixed aqueous solution, 12.5 g of potassium carbonate was precisely weighed, dissolved in 250 mL of pure water at 60° C., and the potassium carbonate aqueous solution heated to 60° C. was slowly added at about 250 mL/min to add nickel, cerium, magnesium. Was co-precipitated as a hydroxide and sufficiently stirred at about 400 rpm with a stirring blade. After that, stirring was continued for about 1 hour while maintaining the temperature at 60° C. for aging, suction filtration was performed, and washing and suction filtration were performed several times with pure water at 80° C. The temperature of each aqueous solution was measured by inserting an alcohol thermometer into the aqueous solution. For confirmation of washing, it can be confirmed that the pH of the filtrate is neutral with a portable pH meter or a pH test paper.

その後、得られた沈殿物を純水400mL程度の純水に分散させ、アルミナゾルをアルミナとして50質量%となるように加えて、撹拌羽根で350rpm程度で十分混合した。この混合物をナスフラスコに移してロータリーエバポレーターに取り付け、減圧下で約50℃に加温することで、水分を蒸発させた。ナスフラスコ内で固化したニッケル、セリウム、マグネシウム、アルミナの混合物を蒸発皿に移して、雰囲気温度120℃で約24時間乾燥した。その後、乳鉢で粉砕後、粉末をるつぼに移して、空気中雰囲気温度950℃で約20時間焼成を行い、Ni0.1Ce0.1Mg0.8Oにアルミナが50質量%混合した触媒を約10g得た。得られた触媒の粉末を、加圧成型器を用いて20mmφの錠剤にプレス成型し、プレス成型体を粗粉砕することで、篩を用いて、0.5〜1.0mmに粒度調整した。得られた触媒の成分は、表3に示すが、触媒全体量を100質量%として、金属としてニッケル、セリウム、及びマグネシウムの質量%と、酸化物としてアルミナの質量%を示している。 Then, the obtained precipitate was dispersed in pure water of about 400 mL of pure water, and alumina sol was added so as to be 50% by mass as alumina, and sufficiently mixed at about 350 rpm with a stirring blade. This mixture was transferred to an eggplant-shaped flask, attached to a rotary evaporator, and heated at about 50° C. under reduced pressure to evaporate water. The mixture of nickel, cerium, magnesium and alumina solidified in the eggplant flask was transferred to an evaporation dish and dried at an ambient temperature of 120° C. for about 24 hours. Then, after crushing in a mortar, the powder was transferred to a crucible and fired at an atmospheric temperature of 950° C. for about 20 hours to obtain about 10 g of a catalyst in which Ni 0.1 Ce 0.1 Mg 0.8 O was mixed with 50% by mass of alumina. The obtained catalyst powder was press-molded into tablets of 20 mmφ using a pressure molding machine, and the press-molded body was roughly crushed to adjust the particle size to 0.5 to 1.0 mm using a sieve. The components of the obtained catalyst are shown in Table 3, and the total amount of the catalyst is 100% by mass, and the mass% of nickel, cerium, and magnesium as the metal and the mass% of alumina as the oxide are shown.

上記により得られた触媒を、比較例1と同様に改質反応を行った。その結果、表3の比較例3に示すように、15h反応時点で転化率がゼロとなった。この詳細は不明だが、セリウムは水蒸気を優先的に吸着することが知られており、水蒸気由来の酸素が活性金属であるニッケルの酸化を促進し、硫黄被毒による劣化と相乗して、活性劣化を加速したと考えられる。   The catalyst thus obtained was subjected to a reforming reaction in the same manner as in Comparative Example 1. As a result, as shown in Comparative Example 3 in Table 3, the conversion rate became zero at the time of reaction for 15 hours. Although the details are unknown, it is known that cerium adsorbs water vapor preferentially, and oxygen derived from water vapor promotes the oxidation of nickel, which is an active metal, and synergizes with the deterioration due to sulfur poisoning, resulting in activity deterioration. Is believed to have accelerated.

(実施例7)
比較例3で調製したセリウムを含む触媒を用いて、実施例4と同様の条件で反応を行った。その結果、表3示すように、メタン転化率を59.5モル%と向上させ、硫黄被毒を抑えられることがわかった。
(Example 7)
Using the catalyst containing cerium prepared in Comparative Example 3, the reaction was carried out under the same conditions as in Example 4. As a result, as shown in Table 3, it was found that the methane conversion rate was improved to 59.5 mol% and sulfur poisoning could be suppressed.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

<実験例4>
(実施例8)
触媒調製において、硝酸ニッケル、硝酸マグネシウム、硝酸アルミニウムを各金属元素のモル比が0.054:0.485:0.462になるように、硝酸ニッケル・6水和物を3.32g、硝酸マグネシウム・6水和物を26.38g、硝酸アルミニウム・9水和物を36.79g精秤して、500mLの60℃の純水に溶かして、60℃に加温した混合水溶液を調製した。この混合水溶液に、炭酸カリウム29.4gを精秤して、250mLの60℃の純水に溶かして、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を250mL/min程度にゆっくり加え、ニッケル、マグネシウム、アルミニウムを水酸化物として共沈させ、撹拌羽根で400rpm程度で十分に撹拌した。その後、60℃に保持したまま1時間程度撹拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で数回、洗浄と吸引ろ過を行った。各水溶液の温度は、アルコール温度計を水溶液中に挿入して測定した。洗浄の確認は、ろ液のpHが中性になっていることを、ポータブルpHメーターやpH試験紙で確認することができる。
<Experimental example 4>
(Example 8)
In preparing the catalyst, 3.32 g of nickel nitrate hexahydrate and magnesium nitrate were used so that the molar ratio of each metal element of nickel nitrate, magnesium nitrate, and aluminum nitrate was 0.054:0.485:0.462.・26.38 g of hexahydrate and 36.79 g of aluminum nitrate nonahydrate were precisely weighed and dissolved in 500 mL of pure water at 60°C to prepare a mixed aqueous solution heated to 60°C. To this mixed aqueous solution, 29.4 g of potassium carbonate was precisely weighed, dissolved in 250 mL of pure water at 60° C., and the potassium carbonate aqueous solution heated to 60° C. was slowly added to about 250 mL/min to add nickel, magnesium, and aluminum. Was co-precipitated as a hydroxide and sufficiently stirred at about 400 rpm with a stirring blade. After that, stirring was continued for about 1 hour while maintaining the temperature at 60° C. for aging, suction filtration was performed, and washing and suction filtration were performed several times with pure water at 80° C. The temperature of each aqueous solution was measured by inserting an alcohol thermometer into the aqueous solution. For confirmation of washing, it can be confirmed that the pH of the filtrate is neutral with a portable pH meter or a pH test paper.

その後、得られた沈殿物をナスフラスコに移してロータリーエバポレーターに取り付け、減圧下で約50℃に加温することで、水分を蒸発させた。ナスフラスコ内で固化したニッケル、マグネシウム、アルミナの混合物を蒸発皿に移して、雰囲気温度120℃で約24時間乾燥した。その後、乳鉢で粉砕後、粉末をるつぼに移して、空気中雰囲気温度950℃で約20時間焼成を行い、Ni0.1Mg0.9Oへアルミナ50質量%を混合した触媒と同じモル数のニッケル、マグネシウム、アルミニウムを含有する触媒を約10g得た。得られた触媒の粉末を、加圧成型器を用いて20mmφの錠剤にプレス成型し、プレス成型体を粗粉砕することで、篩を用いて、0.5〜1.0mmに粒度調整した。得られた触媒の成分は、表3に示すが、触媒全体量を100質量%として、金属としてニッケル及びマグネシウムの質量%と、酸化物としてアルミナの質量%を示している。 After that, the obtained precipitate was transferred to an eggplant-shaped flask, attached to a rotary evaporator, and heated to about 50° C. under reduced pressure to evaporate water. The mixture of nickel, magnesium and alumina solidified in the eggplant flask was transferred to an evaporation dish and dried at an ambient temperature of 120° C. for about 24 hours. Then, after crushing in a mortar, the powder is transferred to a crucible and fired at an atmospheric temperature of 950° C. for about 20 hours in the air, and the same molar number of nickel as the catalyst obtained by mixing 50% by mass of alumina with Ni 0.1 Mg 0.9 O. About 10 g of a catalyst containing magnesium, magnesium and aluminum was obtained. The powder of the obtained catalyst was press-molded into a tablet of 20 mmφ using a pressure molding machine, and the press-molded body was roughly crushed to adjust the particle size to 0.5 to 1.0 mm using a sieve. The components of the obtained catalyst are shown in Table 3, and the total amount of the catalyst is 100 mass %, and the mass% of nickel and magnesium as the metal and the mass% of alumina as the oxide are shown.

上記により得られた触媒を、実施例4と同様に改質反応を行った。その結果、表4の実施例8に示すように、24h反応時点で転化率が55.6モル%となり、実施例4と同様に、硫黄被毒を抑えられることがわかった。   The catalyst thus obtained was subjected to a reforming reaction in the same manner as in Example 4. As a result, as shown in Example 8 of Table 4, it was found that the conversion was 55.6 mol% at the time of reaction for 24 hours, and that sulfur poisoning could be suppressed as in Example 4.

(実施例9)
実施例8の触媒調製において、硝酸ニッケル、硝酸マグネシウム、硝酸アルミニウムを各金属元素のモル比が0.091:0.822:0.087になるように、硝酸ニッケル・6水和物を5.983g、硝酸マグネシウム・6水和物を47.479g、硝酸アルミニウム・9水和物を7.358g精秤し、Ni0.1Mg0.9Oへアルミナを10質量%混合した触媒と同じモル数のニッケル、マグネシウム、アルミニウムを含有する触媒を約10g得た。
(Example 9)
In the preparation of the catalyst of Example 8, nickel nitrate hexahydrate was mixed with nickel nitrate hexahydrate so that the molar ratio of each metal element of nickel nitrate, magnesium nitrate and aluminum nitrate was 0.091:0.822:0.087. 983 g, 47.479 g of magnesium nitrate hexahydrate, 7.358 g of aluminum nitrate nonahydrate were precisely weighed, and the same molar number as the catalyst obtained by mixing 10% by mass of alumina with Ni 0.1 Mg 0.9 O was used. About 10 g of a catalyst containing nickel, magnesium and aluminum was obtained.

上記により得られた触媒を、実施例4と同様に改質反応を行った。その結果、表4の実施例9に示すように、24h反応時点で転化率が91.4モル%、60h反応時点でも63.4モル%となり、硫黄被毒を抑え、高活性を維持できることがわかった。   The catalyst thus obtained was subjected to a reforming reaction in the same manner as in Example 4. As a result, as shown in Example 9 of Table 4, the conversion was 91.4 mol% at the time of 24 h reaction and 63.4 mol% at the time of 60 h reaction, and sulfur poisoning can be suppressed and high activity can be maintained. all right.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

<実験例5>
(比較例4)
硝酸ニッケル水溶液をアルミナ粉末に、20質量%となるように含浸した酸化物を蒸発皿に移して、120℃で約24時間乾燥した後、粉末をるつぼに移して、空気中500℃で約20時間焼成を行いニッケル/アルミナ触媒を得た以外は、比較例1と同様に反応試験を行った。なお、Niの担持量は、20質量%であった。その結果、表5の比較例4に示すように、10h反応時点で転化率がゼロとなった。従来触媒では、原料ガスにHを混合しないと、Niが20質量%含有していても、硫黄の被毒により、短時間で劣化することがわかった。
<Experimental example 5>
(Comparative example 4)
The aqueous solution of nickel nitrate was impregnated in alumina powder to 20% by mass, and the oxide was transferred to an evaporation dish and dried at 120° C. for about 24 hours. Then, the powder was transferred to a crucible and dried in air at 500° C. for about 20 hours. A reaction test was conducted in the same manner as in Comparative Example 1 except that the nickel/alumina catalyst was obtained by performing time calcination. The amount of Ni supported was 20% by mass. As a result, as shown in Comparative Example 4 in Table 5, the conversion rate became zero at the time of the reaction for 10 hours. It has been found that, in the conventional catalyst, if H 2 is not mixed with the raw material gas, even if Ni is contained in an amount of 20 mass %, it is deteriorated in a short time due to sulfur poisoning.

(実施例10)
硝酸ニッケル水溶液をアルミナ粉末に、20質量%となるように含浸した酸化物を蒸発皿に移して、120℃で約24時間乾燥した後、粉末をるつぼに移して、空気中500℃で約20時間焼成を行いニッケル/アルミナ触媒を得た以外は、実施例4と同様に反応試験を行った。なお、Niの担持量は、20質量%であった。その結果、表5の実施例10に示すように、24h反応時点でも41モル%を維持し、その後もほぼ一定となることがわかった。原料ガス中にHを混合することで、反応中にNi上に吸着した硫黄がHによってHSとして脱離を促進され、被毒が抑制されるからだと考えられる。
(Example 10)
The aqueous solution of nickel nitrate was impregnated in alumina powder to 20% by mass, and the oxide was transferred to an evaporation dish and dried at 120° C. for about 24 hours. Then, the powder was transferred to a crucible and dried in air at 500° C. for about 20 hours. A reaction test was performed in the same manner as in Example 4 except that the nickel/alumina catalyst was obtained by performing time calcination. The amount of Ni supported was 20% by mass. As a result, as shown in Example 10 in Table 5, it was found that 41 mol% was maintained even at the time of the reaction for 24 hours and remained almost constant thereafter. By mixing of H 2 in the feed gas, sulfur adsorbed on Ni is promoted desorption as H 2 S by H 2, it is considered because poisoning is suppressed during the reaction.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

(比較例5)
アセチルアセトナートルテニウム水溶液をアルミナ粉末に、1質量%となるように含浸した酸化物を蒸発皿に移して、120℃で約24時間乾燥した後、粉末をるつぼに移して、空気中500℃で約20時間焼成を行いRu/アルミナ触媒を得た以外は、比較例1と同じ条件で評価した。その結果、表6のように、メタン転化率は11.3モル%となった。貴金属であることから、比較例1と比べると高活性であるが、硫黄被毒による活性劣化は同様に起こった。
(Comparative Example 5)
Aqueous acetylacetonatoluthenium solution was transferred to alumina powder, and the oxide that had been impregnated to 1% by mass was transferred to an evaporation dish and dried at 120°C for about 24 hours. Evaluation was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the Ru/alumina catalyst was obtained by calcining for about 20 hours. As a result, as shown in Table 6, the methane conversion rate was 11.3 mol %. Since it is a noble metal, it has higher activity than that of Comparative Example 1, but activity deterioration due to sulfur poisoning occurred similarly.

(実施例11)
比較例5と同様の方法でRu/アルミナ触媒を得て、実施例4と同様に反応試験を行った。その結果、表6のように、メタン転化率は38.2モル%となった。貴金属触媒でも同様の効果が得られることがわかった。
(Example 11)
A Ru/alumina catalyst was obtained in the same manner as in Comparative Example 5, and a reaction test was conducted in the same manner as in Example 4. As a result, as shown in Table 6, the methane conversion was 38.2 mol%. It was found that the same effect can be obtained with the noble metal catalyst.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

(比較例6)
アセチルアセトナート白金水溶液をアルミナ粉末に、1質量%となるように含浸した酸化物を蒸発皿に移して、120℃で約24時間乾燥した後、粉末をるつぼに移して、空気中500℃で約20時間焼成を行いPt/アルミナ触媒を得た以外は、比較例1と同じ条件で評価した。その結果、表7のように、メタン転化率は15.3モル%となった。貴金属であることから、比較例1と比べると高活性であるが、硫黄被毒による活性劣化は同様に起こった。
(Comparative example 6)
The acetylacetonato platinum aqueous solution was transferred to an alumina powder by impregnating the oxide with 1% by mass into an evaporation dish and dried at 120°C for about 24 hours, and then the powder was transferred to a crucible at 500°C in air. Evaluation was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1 except that Pt/alumina catalyst was obtained by carrying out calcination for about 20 hours. As a result, as shown in Table 7, the methane conversion rate was 15.3 mol %. Since it is a noble metal, it has higher activity than Comparative Example 1, but activity deterioration due to sulfur poisoning occurred similarly.

(実施例12)
比較例5と同様の方法でPt/アルミナ触媒を得て、実施例4と同様に反応試験を行った。その結果、表7のように、メタン転化率は46.2モル%となった。貴金属触媒でも同様の効果が得られることがわかった。
(Example 12)
A Pt/alumina catalyst was obtained in the same manner as in Comparative Example 5, and a reaction test was conducted in the same manner as in Example 4. As a result, as shown in Table 7, the methane conversion rate was 46.2 mol%. It was found that the same effect can be obtained with the noble metal catalyst.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

<実験例6>
(実施例13)
実施例4において、Ni0.1Mg0.9Oにアルミナが10質量%混合した触媒とし、原料ガスとしてプロパンガス(プロパンが98モル%、エタンが0.4モル%、イソブタンが1.6モル%、硫黄分が8ppm)を5.7ml、(水蒸気モル数)/(上記模擬都市ガス中の炭素のモル数)=3となるよう、純水を精密ポンプで水蒸気として51.5ml/min導入しながら、0.1MPaの反応圧力で24時間実験を行った。ここで、プロパンガスには、付臭剤として硫黄分が8ppm添加されている。さらに、H2の量をプロパンガスに対して100モル%の割合になるように、H2を5.7ml/minで導入し、0.1MPaの反応圧力で50時間実験を行うこと以外は、全て実施例4と同じ条件で行い、評価した。
<Experimental example 6>
(Example 13)
In Example 4, the catalyst was prepared by mixing Ni 0.1 Mg 0.9 O with 10% by mass of alumina, and propane gas (98 mol% of propane, 0.4 mol% of ethane, 1.6 mol% of isobutane, and sulfur) was used as a raw material gas. Minute water is introduced by a precision pump as water vapor at 51.5 ml/min so that 5.7 ml of (8 ppm) and (molar number of water vapor)/(molar number of carbon in the above simulated city gas)=3, The experiment was conducted at a reaction pressure of 0.1 MPa for 24 hours. Here, 8 ppm of sulfur was added to the propane gas as an odorant. Furthermore, except that H 2 was introduced at 5.7 ml/min so that the amount of H 2 was 100 mol% with respect to propane gas, and the experiment was performed at a reaction pressure of 0.1 MPa for 50 hours. All were performed and evaluated under the same conditions as in Example 4.

表8に、元素の含有量、H2/プロパンガス、H2/(H2+プロパンガス)、プロパン転化率を示す。その結果、50時間後でもプロパン転化率が58.3モル%を保持でき、原料がプロパンガスでもHを添加することで、硫黄被毒を抑えて、高活性を保持できることがわかった。 Table 8 shows the element contents, H 2 /propane gas, H 2 /(H 2 +propane gas), and the propane conversion rate. As a result, it was found that the propane conversion could be maintained at 58.3 mol% even after 50 hours, and sulfur poisoning was suppressed and high activity could be maintained by adding H 2 even if the raw material was propane gas.

(比較例7)
実施例13において、原料ガスにH2を導入しないこと以外は、実施例13と同様に行った。その結果、45hで活性がゼロになることが確認された。
(Comparative Example 7)
In Example 13, except that no H 2 introduced to the raw material gas was performed in the same manner as in Example 13. As a result, it was confirmed that the activity became zero at 45 hours.

Figure 0006701778
Figure 0006701778

<実験例7>
(実施例14)
図1に示した構成の燃料電池システムにおいて、都市ガスを燃料として用いて試験を行った。この時、改質器6には、実施例6で使用した触媒を充填し、導入する原料ガスの(水蒸気モル数)/(都市ガス中の炭素のモル数)は3とし、さらに、一酸化炭素選択酸化反応後のガスの一部を循環させ、H2の量を都市ガスに対して43モル%の割合になるようにして、SVは3000h-1となるように設定した。また、高温シフト反応器及び低温シフト反応器には、Fe23/Cr23触媒及びCu/ZnO触媒を充填し、一酸化炭素選択酸化反応器にはRu/Al23触媒を充填した。アノード入口のガスを分析した結果、水素を75%(水蒸気を除く)含んでいた。試験期間(500h)中、改質器は正常に作動し触媒の活性低下は認められなく、また、燃料電池も正常に作動した。
<Experimental example 7>
(Example 14)
In the fuel cell system having the configuration shown in FIG. 1, a test was conducted using city gas as a fuel. At this time, the reformer 6 was filled with the catalyst used in Example 6, the raw material gas to be introduced had a (water vapor mole number)/(carbon mole number in city gas) of 3, and further, monoxide A part of the gas after the carbon selective oxidation reaction was circulated so that the amount of H 2 was 43 mol% with respect to the city gas, and the SV was set to 3000 h −1 . Further, the high temperature shift reactor and the low temperature shift reactor are filled with Fe 2 O 3 /Cr 2 O 3 catalyst and Cu/ZnO catalyst, and the carbon monoxide selective oxidation reactor is filled with Ru/Al 2 O 3 catalyst. Filled. Analysis of the gas at the anode inlet showed that it contained 75% hydrogen (excluding steam). During the test period (500 h), the reformer operated normally, no reduction in catalyst activity was observed, and the fuel cell also operated normally.

(比較例8)
図1に示した構成の燃料電池システムにおいて、一酸化炭素選択酸化反応後のガスの一部を循環させないこと以外は、実施例8と同様に試験を行った。その結果、改質触媒で硫黄被毒による活性低下が起こり、500h経過した時点で、アノード入口のガス中の水素は35モル%(水蒸気を除く)以下まで低下していた。
以上の結果から、生成した水素の一部を改質反応へ循環させることで、硫黄被毒による活性劣化を抑え、安定的に運転できることがわかった。
(Comparative Example 8)
In the fuel cell system having the configuration shown in FIG. 1, the same test as in Example 8 was conducted except that a part of the gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction was not circulated. As a result, the activity of the reforming catalyst was reduced by sulfur poisoning, and after 500 hours, the hydrogen in the gas at the anode inlet was reduced to 35 mol% (excluding steam) or less.
From the above results, it was found that by circulating a part of the generated hydrogen to the reforming reaction, activity deterioration due to sulfur poisoning was suppressed and stable operation was possible.

本発明によれば、天然ガス、LNG、シェールガス、都市ガス、LPG等で、触媒の被毒物質となる硫化水素を含有するガス中のメタン等の軽質炭化水素を、水素や一酸化炭素等の化学物質へ転換できる高活性且つ高い耐炭素析出性を有する改質用触媒を用いた炭化水素の改質方法及び改質装置において、生成した水素の一部を改質反応の原料ガスとして循環させることで、硫黄被毒による触媒劣化を一定に抑えることが可能になる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。   According to the present invention, in natural gas, LNG, shale gas, city gas, LPG, etc., light hydrocarbons such as methane in the gas containing hydrogen sulfide, which is a poisoning substance of the catalyst, are converted into hydrogen, carbon monoxide, etc. In a hydrocarbon reforming method and reforming apparatus that uses a reforming catalyst having high activity and high carbon deposition resistance that can be converted to other chemical substances, a part of generated hydrogen is circulated as a raw material gas for the reforming reaction. By doing so, it becomes possible to constantly suppress the catalyst deterioration due to sulfur poisoning. Therefore, the present invention has high industrial applicability.

1 水タンク
2 水ポンプ
3 燃料供給源
4 燃料ポンプ
5 熱交換器(気化器)
6 改質器
7 加温用バーナー
8 高温シフト反応器
9 低温シフト反応器
10 一酸化炭素選択酸化反応器
11 空気ブロアー
12 固体高分子形燃料電池
13 アノード
14 カソード
15 固体高分子電解質
16 排気
17 水素供給源
18 水素用ブロワー
19 水素添加ライン
20 改質後ガス循環ライン
21 シフト反応後ガス循環ライン
22 一酸化炭素選択酸化後ガス循環ライン
1 water tank 2 water pump 3 fuel supply source 4 fuel pump 5 heat exchanger (vaporizer)
6 Reformer 7 Heating Burner 8 High Temperature Shift Reactor 9 Low Temperature Shift Reactor 10 Carbon Monoxide Selective Oxidation Reactor 11 Air Blower 12 Solid Polymer Fuel Cell 13 Anode 14 Cathode 15 Solid Polymer Electrolyte 16 Exhaust 17 Hydrogen Supply source 18 Blower for hydrogen 19 Hydrogen addition line 20 Recycled gas circulation line 21 Shift reaction gas circulation line 22 Carbon monoxide selective oxidation gas circulation line

Claims (12)

水蒸気改質反応用触媒を用いて、硫黄化合物と炭化水素を含む原料ガスを改質して、炭化水素から水素と一酸化炭素を含む第1の改質ガスを生成させる炭化水素の改質工程を含む、炭化水素の改質による水素の製造方法であって、
前記水蒸気改質反応用触媒が、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、前記沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、前記混合物を、少なくとも乾燥及び焼成することを含む触媒製造工程により製造され、
前記炭化水素の改質工程で生成した水素を含む前記第1の改質ガスの一部を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻す、又は、新たに水素を前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に導入することを特徴とする炭化水素の改質による水素の製造方法。
A hydrocarbon reforming step of reforming a raw material gas containing a sulfur compound and a hydrocarbon using a steam reforming reaction catalyst to generate a first reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbon. A method for producing hydrogen by reforming a hydrocarbon, comprising:
The catalyst for steam reforming reaction, a precipitant is added to a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, and to the precipitate, alumina powder and water, Alternatively, alumina sol is added and mixed to produce a mixture, and the mixture is produced by a catalyst production process including at least drying and calcination,
A part of the first reformed gas containing hydrogen generated in the hydrocarbon reforming step is returned to the raw material gas in the hydrocarbon reforming step, or new hydrogen is reformed into the hydrocarbon. A method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, characterized by being introduced into a raw material gas in a quality process.
初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記生成した水素を含む前記第1の改質ガスの一部を前記原料ガス中に戻した後、又は、新たに水素を前記改質工程における原料ガス中に導入した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合が、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%であることを特徴とする請求項1に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
The proportion of hydrogen in the initial source gas is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the source gas,
Before reforming, after returning a part of the first reformed gas containing the generated hydrogen into the raw material gas, or after newly introducing hydrogen into the raw material gas in the reforming step. 2. The reforming of hydrocarbon according to claim 1, wherein the ratio of hydrogen in the raw material gas is 10 to 100 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbon in the raw material gas before the reforming. Method for producing hydrogen by.
前記触媒製造工程が、前記沈殿物の生成後、前記沈殿物を仮焼することを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。 The method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons according to claim 1 or 2 , wherein the catalyst production step includes calcining the precipitate after the formation of the precipitate. 前記水蒸気改質反応用触媒が、前記混合溶液に、更にセリウム化合物を添加して製造され、触媒表面に酸化セリウム微粒子が存在していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。 The steam reforming reaction catalyst, to the mixed solution, further manufactured by adding a cerium compound, any one of claims 1 to 3, characterized in that the cerium oxide microparticles in the catalyst surface is present A method for producing hydrogen by reforming the hydrocarbon according to 1. 前記硫黄化合物と炭化水素を含む原料ガスが、天然ガス、LNG、シェールガス、都市ガス、又はLPGから選ばれることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。 Raw material gas containing a hydrocarbon with the sulfur compound, natural gas, LNG, shale gas, city gas, or reformed hydrocarbons according to any one of claims 1-4, characterized in that it is selected from LPG Quality of hydrogen production method. 前記炭化水素の改質工程で生成した前記第1の改質ガスを、シフト反応させて、前記第1の改質ガス中の水素の割合を増加させるシフト反応工程をさらに含み、
前記炭化水素の改質工程で生成した水素を含む前記第1の改質ガスの一部、又は前記シフト反応工程を経た後の第2の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻すことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
Further comprising a shift reaction step of causing a shift reaction of the first reformed gas generated in the hydrocarbon reforming step to increase a ratio of hydrogen in the first reformed gas,
At least one of a part of the first reformed gas containing hydrogen generated in the hydrocarbon reforming step and a part of the second reformed gas after the shift reaction step is used as the hydrocarbon. method for producing hydrogen by reforming a hydrocarbon according to any one of claims 1 to 5, characterized in that return in the feed gas in the reforming process of.
初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記炭化水素の改質工程で生成した前記第1の改質ガスの一部又は前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合が、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%であることを特徴とする請求項に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法。
The proportion of hydrogen in the initial source gas is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the source gas,
At least one of a part of the first reformed gas generated in the hydrocarbon reforming step and a part of the second reformed gas after the shift reaction step is reformed with the hydrocarbon. The ratio of hydrogen in the raw material gas before reforming after returning to the raw material gas in the step is 10 to 100 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas before reforming. The method for producing hydrogen by reforming hydrocarbon according to claim 6 , characterized in that.
請求項に記載の炭化水素の改質による水素の製造方法を用いた、燃料電池の運転方法であって、
前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスを、一酸化炭素選択酸化反応器に通して、前記第2の改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する一酸化炭素選択酸化反応工程と、
前記一酸化炭素選択酸化反応工程を経た後の第3の改質ガスを、燃料ガスとして固体高分子型燃料電池へと導入して、燃料電池を作動させる燃料電池作動工程とを、さらに含み、
前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスの一部、及び、前記一酸化炭素選択酸化反応工程を経た後の前記第3の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻すことを特徴とする燃料電池の運転方法。
A method for operating a fuel cell, which uses the method for producing hydrogen by reforming hydrocarbon according to claim 6 .
Selective carbon monoxide for converting the carbon monoxide in the second reformed gas into carbon dioxide by passing the second reformed gas after the shift reaction step through a carbon monoxide selective oxidation reactor. Oxidation reaction step,
Further comprising a fuel cell operation step of operating the fuel cell by introducing the third reformed gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction step into the polymer electrolyte fuel cell as a fuel gas,
At least one of a part of the second reformed gas after the shift reaction step and a part of the third reformed gas after the carbon monoxide selective oxidation reaction step is subjected to the carbonization. A method of operating a fuel cell, which comprises returning to the raw material gas in a hydrogen reforming step.
前記炭化水素の改質による水素の製造方法における初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記水素の製造方法における、炭化水素の改質工程で生成した前記第1の改質ガスの一部又は前記シフト反応工程を経た後の前記第2の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記炭化水素の改質工程における原料ガス中に戻した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合が、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%であることを特徴とする請求項に記載の燃料電池の運転方法。
The ratio of hydrogen in the initial source gas in the method for producing hydrogen by reforming hydrocarbon is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbon in the source gas,
In the hydrogen production method, at least one of a part of the first reformed gas generated in the hydrocarbon reforming step or a part of the second reformed gas after the shift reaction step, The ratio of hydrogen in the raw material gas before reforming after returning to the raw material gas in the hydrocarbon reforming step is 10 to 10 with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas before reforming. It is 100 mol%, The operating method of the fuel cell of Claim 8 characterized by the above-mentioned.
ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、前記沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、前記混合物を、少なくとも乾燥及び焼成することを含む触媒製造工程により製造された水蒸気改質反応用触媒を用いて、
硫黄化合物と炭化水素を含有する原料ガスから、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含む第1の改質ガスを製造する改質反応手段と、
前記第1の改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフト反応手段と、
前記シフト反応手段通過後の第2の改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換する一酸化炭素選択酸化反応手段とを有し、
シフト反応手段後又は一酸化炭素選択酸化反応手段通過後の少なくとも一方の改質ガスに含まれる水素の一部を前記改質反応手段に循環させる手段を有することを特徴とする水素の製造装置。
A precipitant is added to a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, and the precipitate is mixed with alumina powder and water or alumina sol. Using a catalyst for steam reforming reaction produced by a catalyst production process comprising producing a mixture and drying and calcining the mixture at least,
From a feed gas containing sulfur compounds and hydrocarbons, and reforming reaction unit to produce a first reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide,
Shift reaction means for converting carbon monoxide contained in the first reformed gas into carbon dioxide,
A carbon monoxide selective oxidation reaction means for converting carbon monoxide contained in the second reformed gas after passing through the shift reaction means into carbon dioxide,
An apparatus for producing hydrogen, comprising means for circulating a part of hydrogen contained in at least one reformed gas after the shift reaction means or after passing through the carbon monoxide selective oxidation reaction means to the reforming reaction means.
初期の原料ガス中の水素の割合が、前記原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10モル%未満であり、
前記改質反応手段又はシフト反応手段通過後の少なくとも一方の改質ガスに含まれる水素一部を前記改質反応手段に循環させる手段を有し、前記炭化水素の改質手段における原料ガス中に戻した後の、改質前の原料ガス中の水素の割合を、前記改質前の原料ガス中の炭化水素のモル濃度に対して、10〜100モル%に制御する制御手段を有することを特徴とする請求項10に記載の水素の製造装置
The proportion of hydrogen in the initial source gas is less than 10 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the source gas,
The raw material gas in the hydrocarbon reforming means has a means for circulating a part of hydrogen contained in at least one reformed gas after passing through the reforming reaction means or the shift reaction means to the reforming reaction means. And a control means for controlling the ratio of hydrogen in the raw material gas before reforming to 10 to 100 mol% with respect to the molar concentration of hydrocarbons in the raw material gas before reforming. The apparatus for producing hydrogen according to claim 10 , wherein:
水供給手段と、原料ガス供給手段と、ニッケル化合物とマグネシウム化合物との混合溶液に沈殿剤を添加して、ニッケルとマグネシウムを共沈させて沈殿物を生成し、前記沈殿物に、アルミナ粉末と水、又は、アルミナゾルを加えて混合して混合物を生成し、前記混合物を、少なくとも乾燥及び焼成することを含む触媒製造工程により製造された水蒸気改質反応用触媒が充填された炭化水素の改質器と、前記改質器を加熱する加熱手段と、シフト反応器と、一酸化炭素選択酸化反応器と、固体高分子型燃料電池とを備える燃料電池の運転装置であって、
さらに、前記水供給手段から供給される水と前記原料ガス供給手段から供給される硫黄化合物と炭化水素を含有する原料ガスとを前記改質器へ導入する配管と、前記改質器から排出される第1の改質ガスを前記シフト反応器へ導入する配管と、前記シフト反応器から排出される第2の改質ガスを前記一酸化炭素選択酸化反応器へ導入する配管と、前記一酸化炭素選択酸化反応器から排出される第3の改質ガスを前記固体高分子型燃料電池へ導入する配管と、
前記改質器へ導入する配管と前記シフト反応器へ導入する配管との間で熱交換するための熱交換器と、
前記シフト反応器から排出される前記第2の改質ガスの一部、及び、前記一酸化炭素選択酸化反応器から排出される前記第3の改質ガスの一部の少なくとも一方を、前記水と前記原料ガスとを前記改質器へ導入する配管へ導入する配管とを備えていることを特徴とする燃料電池の運転装置。
A water supply means, a raw material gas supply means, and a precipitant is added to a mixed solution of a nickel compound and a magnesium compound to coprecipitate nickel and magnesium to produce a precipitate, and to the precipitate, an alumina powder and Reforming of hydrocarbons filled with a catalyst for steam reforming reaction produced by a catalyst production process including adding water or alumina sol and mixing to form a mixture, and at least drying and calcining the mixture. And a heating means for heating the reformer, a shift reactor, a carbon monoxide selective oxidation reactor, and a fuel cell operating device comprising a polymer electrolyte fuel cell,
Further, a pipe for introducing water supplied from the water supply means, a raw material gas containing a sulfur compound and hydrocarbons supplied from the raw material gas supply means into the reformer, and discharged from the reformer. A pipe for introducing a first reformed gas into the shift reactor, a pipe for introducing a second reformed gas discharged from the shift reactor into the carbon monoxide selective oxidation reactor, and A pipe for introducing a third reformed gas discharged from the carbon selective oxidation reactor into the polymer electrolyte fuel cell;
A heat exchanger for exchanging heat between the pipe introduced into the reformer and the pipe introduced into the shift reactor;
At least one of a part of the second reformed gas discharged from the shift reactor and a part of the third reformed gas discharged from the carbon monoxide selective oxidation reactor is treated with the water. And a pipe for introducing the raw material gas into a pipe for introducing the raw material gas into the reformer.
JP2016026047A 2015-02-13 2016-02-15 Method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, apparatus for producing hydrogen, operating method for fuel cell, and operating apparatus for fuel cell Active JP6701778B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015026803 2015-02-13
JP2015026803 2015-02-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016153368A JP2016153368A (en) 2016-08-25
JP6701778B2 true JP6701778B2 (en) 2020-05-27

Family

ID=56760377

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016026047A Active JP6701778B2 (en) 2015-02-13 2016-02-15 Method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, apparatus for producing hydrogen, operating method for fuel cell, and operating apparatus for fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6701778B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108144621B (en) * 2017-12-19 2020-12-04 南京理工大学 Catalyst suitable for preparing synthesis gas by catalytic reforming of shale gas and carbon dioxide and preparation method thereof
MA53001B1 (en) 2018-06-29 2022-06-30 Shell Int Research Electrically heated reactor and method of gas conversion using said reactor

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5817791B2 (en) * 1974-08-29 1983-04-09 トウホウガス カブシキガイシヤ Abra gas seizouhouhou
JPS5763387A (en) * 1980-10-03 1982-04-16 Hitachi Ltd Preparation of fuel gas
JP3242514B2 (en) * 1992-11-27 2001-12-25 大阪瓦斯株式会社 City gas desulfurization method
JP3264066B2 (en) * 1993-12-08 2002-03-11 富士電機株式会社 Fuel cell fuel reformer
JPH07215701A (en) * 1994-01-28 1995-08-15 Tokyo Gas Co Ltd Steam reforming method of hydrocarbon
JP4222827B2 (en) * 2002-03-25 2009-02-12 新日本製鐵株式会社 Hydrocarbon reforming method
US20050229491A1 (en) * 2004-02-03 2005-10-20 Nu Element, Inc. Systems and methods for generating hydrogen from hycrocarbon fuels
JP4332733B2 (en) * 2004-08-24 2009-09-16 戸田工業株式会社 Hydrocarbon cracking catalyst and method for producing hydrogen using the hydrocarbon cracking catalyst
JP2006076802A (en) * 2004-09-07 2006-03-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Hydrogen production apparatus and fuel cell system equipped with the same, and method for producing hydrogen
JP4882215B2 (en) * 2004-09-21 2012-02-22 富士電機株式会社 Fuel cell power generator equipped with a system for supplying reformed recycle gas for desulfurization
JP2006096623A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Primary reformer integrated with thermal desulfurizer
JP2006351310A (en) * 2005-06-15 2006-12-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell system and its operation method
JP4799995B2 (en) * 2005-10-20 2011-10-26 東京瓦斯株式会社 Steam reformer
JP4776403B2 (en) * 2006-03-08 2011-09-21 新日本製鐵株式会社 Hydrocarbon reforming catalyst
EP1944268A1 (en) * 2006-12-18 2008-07-16 BP Alternative Energy Holdings Limited Process
US7837973B2 (en) * 2007-05-08 2010-11-23 Air Products And Chemicals, Inc. Hydrogen production method
JP5161621B2 (en) * 2007-09-27 2013-03-13 三洋電機株式会社 Fuel cell reformer
US9393551B2 (en) * 2009-05-19 2016-07-19 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Catalyst for reforming tar-containing gas, method for preparing catalyst for reforming tar-containing gas, method for reforming tar-containing gas using catalyst for reforming tar containing gas, and method for regenerating catalyst for reforming tar-containing gas
JP5659536B2 (en) * 2010-03-31 2015-01-28 新日鐵住金株式会社 Catalyst for reforming tar-containing gas, method for producing the same, and method for reforming tar-containing gas
WO2013068904A1 (en) * 2011-11-09 2013-05-16 Basf Se Catalyst composition for steam reforming of methane in fuel cells

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016153368A (en) 2016-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101781721B1 (en) Ni/CGO and Ni-Ru/CGO based pre-reforming catalysts formulation for methane rich gas production from diesel precessing for fuel cell applications
WO2006068135A1 (en) Desulfurizing agent for organosulfur compound-containing fuel oil, and process for producing hydrogen for fuel cell
WO2008001632A1 (en) Catalyst for steam reformation, hydrogen production apparatus, and fuel cell system
US7067453B1 (en) Hydrocarbon fuel reforming catalyst and use thereof
JP6607387B2 (en) Desulfurization method and desulfurizer
JP6701778B2 (en) Method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons, apparatus for producing hydrogen, operating method for fuel cell, and operating apparatus for fuel cell
JP6631245B2 (en) Method for producing catalyst for reforming hydrocarbon and method for reforming light hydrocarbon
JP5593106B2 (en) Hydrogen production method, hydrogen production apparatus and fuel cell system
JP3943902B2 (en) Hydrocarbon desulfurization catalyst, desulfurization method, and fuel cell system
JP4267483B2 (en) Adsorbent for removing sulfur compounds and method for producing hydrogen for fuel cells
JP4080225B2 (en) Hydrocarbon desulfurization method and fuel cell system
CA2593413C (en) Hydrocarbon fuel reforming catalyst and use thereof
JP4227777B2 (en) Water gas shift reaction method, hydrogen production apparatus and fuel cell system using the method
JP2015150486A (en) Hydrogen production catalyst, production method thereof, and hydrogen production method
JP4227780B2 (en) Steam reforming catalyst, steam reforming method and fuel cell system
JP2011212535A (en) Reforming catalyst for tar-containing gas, manufacturing method therefor, and method for reforming tar-containing gas
JP5659533B2 (en) Catalyst for reforming tar-containing gas, method for producing the same, and method for reforming tar-containing gas
JP4057314B2 (en) Hydrocarbon desulfurization method and fuel cell system
JP4772552B2 (en) Carbon monoxide selective methanation catalyst, hydrogen generator and fuel cell system
JP5462685B2 (en) Steam reforming catalyst, hydrogen production apparatus and fuel cell system
JP2004066035A (en) Method of desulfurizing hydrocarbon and fuel cell system
WO2012090957A1 (en) Desulfurization system, hydrogen-manufacturing system, fuel-cell system, fuel-desulfurization method, and method for manufacturing hydrogen
JP5741510B2 (en) Fuel cell power generation system
JP5726513B2 (en) Fuel cell desulfurization system, fuel cell hydrogen production system, fuel cell system, and hydrocarbon fuel desulfurization method
JP5409484B2 (en) Steam reforming catalyst, hydrogen production apparatus and fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181003

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190527

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190604

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190725

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191112

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200407

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200420

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6701778

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151