JP6951140B2 - 改質方法、改質装置および改質構造体 - Google Patents
改質方法、改質装置および改質構造体 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6951140B2 JP6951140B2 JP2017139724A JP2017139724A JP6951140B2 JP 6951140 B2 JP6951140 B2 JP 6951140B2 JP 2017139724 A JP2017139724 A JP 2017139724A JP 2017139724 A JP2017139724 A JP 2017139724A JP 6951140 B2 JP6951140 B2 JP 6951140B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reformed
- oxygen
- modified structure
- oxygen permeable
- catalyst layer
- 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
Links
- 238000002407 reforming Methods 0.000 title claims description 72
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 42
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 290
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 290
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 190
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 128
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 110
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 98
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 92
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 92
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 92
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 81
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 69
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 55
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 claims description 54
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 48
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 42
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 42
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 42
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 34
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 27
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 15
- 238000002715 modification method Methods 0.000 claims description 13
- AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N oxide(2-) Chemical compound [O-2] AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 7
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910002077 partially stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 7
- NFYLSJDPENHSBT-UHFFFAOYSA-N chromium(3+);lanthanum(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Cr+3].[La+3] NFYLSJDPENHSBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011029 spinel Substances 0.000 claims description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 15
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 273
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 123
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 69
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 47
- 239000010408 film Substances 0.000 description 40
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 31
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 31
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 30
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 30
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 24
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 21
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 19
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 19
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 14
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 12
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 9
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 9
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 7
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)-N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)C(=O)NCCC(N1CC2=C(CC1)NN=N2)=O VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 4
- 239000006255 coating slurry Substances 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 4
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 3
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 3
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 3
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 3
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 3
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 3
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 3
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- JQMFQLVAJGZSQS-UHFFFAOYSA-N 2-[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]-N-(2-oxo-3H-1,3-benzoxazol-6-yl)acetamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)CC(=O)NC1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 JQMFQLVAJGZSQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CONKBQPVFMXDOV-QHCPKHFHSA-N 6-[(5S)-5-[[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]methyl]-2-oxo-1,3-oxazolidin-3-yl]-3H-1,3-benzoxazol-2-one Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)C[C@H]1CN(C(O1)=O)C1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 CONKBQPVFMXDOV-QHCPKHFHSA-N 0.000 description 2
- 229910002204 La0.8Sr0.2MnO3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017563 LaCrO Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N dichromium trioxide Chemical compound O=[Cr]O[Cr]=O QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- BDAGIHXWWSANSR-NJFSPNSNSA-N hydroxyformaldehyde Chemical compound O[14CH]=O BDAGIHXWWSANSR-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011533 mixed conductor Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229910000018 strontium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- WZFUQSJFWNHZHM-UHFFFAOYSA-N 2-[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]-1-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethanone Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)CC(=O)N1CC2=C(CC1)NN=N2 WZFUQSJFWNHZHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 1
- NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N N-[2-oxo-2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CCNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002926 oxygen Chemical class 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007634 remodeling Methods 0.000 description 1
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
- Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts
Description
A−1.装置の構成:
図1は、本実施形態の改質装置10の構成を概略的に示す説明図である。図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとする。図2以降についても同様である。
改質装置10において、空気室S1に空気が供給されると(第2の工程)、空気室S1に面する酸素解離触媒層113の触媒効果により、空気中の酸素をイオン化させる反応(1/2O2+2e−→O2−)が起こる。この反応により生じた酸化物イオンは、酸化物イオン伝導性を有する酸素透過膜111内を燃料室S2側へと移動する(図3参照)。
ここで、制御部250は、次のような燃料供給量制御を実行する。制御部250は、改質ガスRGに占める一酸化炭素の体積比率に対する水素の体積比率の比(以下、「H2/CO比」という)が、所定の範囲内(例えば1.5以上、2.5以下)になるように、燃料室S2における部分酸化改質反応の反応量を制御する。具体的には、制御部250は、質量分析計240から取得した組成信号Spに基づきH2/CO比を算出する。次に、制御部250は、算出したH2/CO比と上記所定の範囲との差に基づき、H2/CO比が所定の範囲内になるような、加湿器261による水蒸気の供給量と、二酸化炭素供給器262による二酸化炭素の供給量との少なくとも一方を設定し、加湿/二酸化炭素供給部260に対して水蒸気の供給量と二酸化炭素の供給量との少なくとも一方を指示する供給量指令信号Sfを送信する。例えば、H2/CO比が所定の範囲より低い場合、制御部250は、COの生成量が相対的に多い炭酸ガス改質反応を起こす二酸化炭素の供給量を少なくすることと、H2の生成量が相対的に多い水蒸気改質反応を起こす水蒸気の供給量を多くすることの少なくとも一方を指示する供給量指令信号Sfを送信する。また、H2/CO比が所定の範囲より高い場合、制御部250は、H2の生成量が相対的に多い水蒸気改質反応を起こす水蒸気の供給量を少なくすることと、COの生成量が相対的に多い炭酸ガス改質反応を起こす二酸化炭素の供給量を多くすることの少なくとも一方を指示する供給量指令信号Sfを送信する。このようにすれば、改質ガスRGの組成を、安定的に、例えばFischer−Tropsch反応過程で合成する飽和炭化水素に必要となる原料ガスの水素−一酸化炭素比とほぼ同じ組成とすることができる。
ここで、燃料室S2内における酸素分圧が低いと、炭化水素の改質反応より炭化水素の直接分解(CnHm→nC+(m/2)H2)が優先的に起こることによって部分酸化改質反応の効率が低下するおそれがある。特に、改質装置10のように酸素透過膜構造体110が筒状である場合(図1参照)、供給側接続管121に近い部分では、排出側接続管122に近い部分に比べて、改質前の炭化水素が多く存在するとともに、全透過量の一部しか酸素が透過しないため、導入された燃料ガスFGに対して相対的に酸素量が少ない。このため、供給側接続管121に近い部分では、排出側接続管122に近い部分に比べて、酸素分圧が低い。また、酸素透過膜111と燃料室S2との間に介在する改質触媒層112や支持体114の厚さ(酸素透過膜構造体110の径方向の厚さ)が厚いほど、酸素透過膜111を透過した酸素が燃料室S2に到達し難くなる。その結果、燃料室S2内における酸素分圧が低くなることもある。
後述するように、上述した改質装置10を、例えば改質触媒層112の厚さや上記炭化水素に対する追加ガスの割合((H2O+CO2)/CH4)が互いに異なる条件で運転したときの改質ガスRGの特性等を調べ流ことによって性能評価を行った。
酸素透過膜用の原料粉末として、酸化ランタン(La2O3)、炭酸ストロンチウム(SrCO3)、および酸化クロム(Cr2O3)の粉末を準備し、これらの原料粉末を、金属元素の割合がLa0.8Sr0.2CrO3−zの組成式となる比率で秤量した。なお、組成式中のzは、酸素の欠損量を表す酸素不定比である(以下同様)。これらの原料粉末にエタノールを加え、セラミックスボールと樹脂ポットを用いて15時間、湿式混合粉砕を行なった。その後、湯煎乾燥してエタノールを除去し、得られた混合粉末を1500℃で24時間仮焼成して、仮焼粉末であるLa0.8Sr0.2CrO3−zの粉末を得た。
本性能評価では、上記改質装置10において、酸素透過膜構造体110の改質触媒層112側に上記混合ガスMG(燃料ガスFGとしてのメタン(CH4)、水蒸気、二酸化炭素)を供給すると共に、酸素透過膜構造体110の酸素解離触媒層113側に空気を供給することにより、酸素透過膜構造体110の改質触媒層112の表面で改質反応を起こして改質ガスRGを生成した。なお、このとき、メタンの供給量を一定(例えば30(Ncc/min))とした。また、酸素透過膜111を透過する酸素の透過速度は、酸素透過膜111の膜厚で調整し、約5(Ncc/min)になるようにした。そして、改質ガス排出配管230から取り出される改質ガスRGの組成を、質量分析計240を使用して測定した。測定された改質ガスRGの組成から、上述したH2/CO比を算出した。また、試験開始から酸素透過膜構造体110が破損するまでの経過時間(以下、単に「破損までの経過時間」という)を測定した。酸素透過膜構造体110の破損の有無は目視により判定した。そして、試験開始から所定日数(本評価では5日)経過した時点で酸素透過膜構造体110の破損が無かった場合、該酸素透過膜構造体110は、炭素析出無し(「○」)と評価した。
<実験1>
図4は、本実験1の性能評価結果を示す説明図である。図4に示すように、本実験1では、上述した第2の酸素透過膜構造体110Bを用いており、支持体を兼ねる改質触媒層112の径方向の厚さは、1500(μm)である。実験1における実験例1−1〜1−6では、上記混合ガスMGにおける炭化水素に対する追加ガスの割合((H2O+CO2)/CH4)と、二酸化炭素の供給量(M3)(Ncc/min)に対する水蒸気の供給量(M2)(Ncc/min)の相対割合(M2/M3)(以下、「二酸化炭素に対する水蒸気の相対割合」という)との少なくとも1つが互いに異なる。
図5は、本実験2の性能評価結果を示す説明図である。図5に示すように、本実験2では、上述した支持体114と改質触媒層112とが互いに別の層である第1の酸素透過膜構造体110Aを用いた。実験例2−1〜2−6では、上述の実験例1−1〜1−6に対して、第1の酸素透過膜構造体110Aを用いる点で異なるが、その他の試験条件(炭化水素に対する追加ガスの割合((H2O+CO2)/CH4)、二酸化炭素に対する水蒸気の相対割合(H2O/CO2)は同じである。実験例2−1〜2−6で用いられた第1の酸素透過膜構造体110Aにおける改質触媒層112の径方向の厚さは200(μm)である。実験例2−1〜2−6の評価結果は、実験例1−1〜1−6の評価結果とほぼ同じであるが、実験例2−1〜2−6の評価結果では、実験例1−1〜1−6の評価結果に比べて、第1の酸素透過膜構造体110Aについての破損までの経過時間が長くなっている。これは、実験例2−1〜2−6に用いられた第1の酸素透過膜構造体110Aにおける改質触媒層112の径方向の厚さが比較的に厚いからであると考えられる。
図6は、本実験3の性能評価結果を示す説明図である。図6に示すように、本実験3では、上記実験2と同様、支持体114と改質触媒層112とが互いに別の層である第1の酸素透過膜構造体110Aを用いた。該第1の酸素透過膜構造体110Aにおける改質触媒層112の径方向の厚さは50(μm)である。実験例3−1〜3−7では、二酸化炭素に対する水蒸気の相対割合(H2O/CO2)は互いに同じであるが、炭化水素に対する追加ガスの割合((H2O+CO2)/CH4)が互いに異なる。実験例3−1〜3−7の評価結果では、炭化水素に対する追加ガスの割合が0.5以上である場合、炭素析出は確認されず、試験開始から5日間経過しても、第1の酸素透過膜構造体110Aの破損は確認されなかった。また、H2/CO比は、2.1〜2.4であり、上記所定の範囲内であることが分かる。これは、炭化水素に対する追加ガスの割合が0.5未満である場合、追加ガス(水蒸気)が少ないことによって、燃料室S2の酸素分圧が向上しないために、炭化水素の改質反応より炭化水素の直接分解が優先的に起こると考えられる。ただし、実験例3−7の評価結果では、炭化水素に対する追加ガスの割合が4であり、比較的に高いため、燃料室S2において反応に寄与させずに燃料室S2から排出される水蒸気や二酸化炭素が増加するため、改質ガスRGにおける水素選択性および一酸化炭素選択性が低下するおそれがある。したがって、炭化水素に対する追加ガスの割合は、3以下であることが好ましい。
図7は、本実験4の性能評価結果を示す説明図である。図7に示すように、本実験4では、上記実験2,3と同様、支持体114と改質触媒層112とが互いに別の層である第1の酸素透過膜構造体110Aを用いた。該第1の酸素透過膜構造体110Aにおける改質触媒層112の径方向の厚さは50(μm)である。実験例4−1〜4−5では、炭化水素に対する追加ガスの割合((H2O+CO2)/CH4)は互いに同じであるが、二酸化炭素に対する水蒸気の相対割合(H2O/CO2)が互いに異なる。実験例4−1〜4−4の評価結果では、二酸化炭素に対する水蒸気の相対割合が0.111以上、かつ、9以下である場合、炭素析出は確認されず、試験開始から5日間経過しても、第1の酸素透過膜構造体110Aの破損は確認されなかった。また、H2/CO比は、1.5〜2.5であり、上記所定の範囲内であることが分かる。実施例4−1のように、二酸化炭素に対する水蒸気の相対割合が0.111未満である場合、水蒸気の供給量が相対的に少ないことによって、燃料室S2の酸素分圧が向上しないために、炭化水素の改質反応より炭化水素の直接分解が優先的に起こると考えられる。また、実験例4−5のように、二酸化炭素に対する水蒸気の相対割合(M2/M3)が9より大きい場合、上記実施例2−10と同様、二酸化炭素が相対的に少ないことによって、炭酸ガス改質反応による発生する一酸化炭素が少ないため、H2/CO比が上記所定の範囲から外れたと考えられる。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
図8は、評価用の改質装置300の構成を概略的に示す説明図である。改質装置300は、酸素透過膜構造体310と、2本の透明石英管(第1透明石英管331および第2透明石英管332)と、2本のアルミナチューブ(第1アルミナチューブ321および第2アルミナチューブ322)と、電気炉350と、熱電対340とを備える。
図9は、性能評価結果を示す説明図である。本性能評価では、改質装置300において、第1アルミナチューブ321を介して酸素透過膜構造体310の燃料極側に燃料ガスFGとしてのメタンを供給すると共に、第2アルミナチューブ322を介して酸素透過膜構造体310の空気極側に空気を供給することにより、酸素透過膜構造体310の改質触媒層表面で改質反応をおこして改質ガスRGを生成した。なお、このとき、電気炉350を制御して、熱電対340により測定される酸素透過膜構造体310の温度(運転温度)を1000℃に維持した。メタンの供給量を例えば10(Ncc/min)とした。第1透明石英管331から取り出される改質ガスRGの組成を、四重極質量分析計(不図示)を使用して測定した。測定された改質ガスRGの組成から、上述したH2/CO比を算出した。
図9に示すように、実施例5−1で用いた酸素透過膜構造体310は、支持体を兼ねる改質触媒層を備えており、該改質触媒層の厚さが1500(μm)である。実施例5−1の評価結果では、酸素透過膜構造体310の破損までの経過時間が2日であった。破損した酸素透過膜構造体310について解体調査を行ったところ、改質触媒層の表面に炭素析出が確認されたが、改質触媒層のうち酸素透過膜近傍では炭素析出が確認されなかった。一方、実施例5−2で用いた酸素透過膜構造体310は、支持体と改質触媒層とが互いに別の層であり、該改質触媒層の厚さが50(μm)である。実施例5−2では、水蒸気と二酸化炭素を添加しないで改質を行ったにもかかわらず、H2/CO比は、1.9であり、改質特性は良好であった。また、試験後の酸素透過膜構造体310の改質触媒層を確認したところ、全く炭素析出が確認されなかった。これらから、反応に寄与する改質触媒層の厚みが50(μm)であれば、酸素透過膜を透過してきた酸素イオンと炭化水素とが反応できるため炭素が析出しないことが分かる。すなわち、改質触媒層が厚いと酸素イオンが燃料室に到達できず、炭化水素が直接分解されてしまうため炭素が析出したと考えられる。
Claims (16)
- 改質構造体を利用して、炭化水素を含む燃料ガスから一酸化炭素と水素とを含む改質ガスを生成する改質方法において、
前記改質構造体は、酸化物イオン伝導性と、電子伝導性または正孔伝導性と、を有する酸素透過層を含んでおり、かつ、筒状であり、
前記改質構造体の内周側に位置する内周側空間に、前記改質構造体の軸方向における一端部側から他端部側に向けて、燃料ガスと水蒸気とを供給する第1の工程と、
前記改質構造体の外周側に位置する外周側空間に、前記改質構造体の前記一端部側から前記他端部側に向けて、酸素を供給する第2の工程と、を含むことを特徴とする、改質方法。 - 請求項1に記載の改質方法において、
前記第1の工程において、前記改質構造体の前記内周側空間に、燃料ガスと水蒸気とに加えて、二酸化炭素を供給することを特徴とする、改質方法。 - 請求項2に記載の改質方法において、
前記第1の工程において、炭化水素の供給量(M1)(Ncc/min)に対する、水蒸気の供給量(M2)(Ncc/min)と二酸化炭素の供給量(M3)(Ncc/min)との合計量の割合((M2+M3)/M1)は0.5以上であることを特徴とする、改質方法。 - 請求項2または請求項3に記載の改質方法において、
前記第1の工程において、炭化水素の供給量(M1)(Ncc/min)に対する、水蒸気の供給量(M2)(Ncc/min)と二酸化炭素の供給量(M3)(Ncc/min)との合計量の割合((M2+M3)/M1)は3以下であることを特徴とする、改質方法。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の改質方法において、
前記改質構造体は、部分酸化改質反応を促進する触媒を含む改質触媒層を含んでおり、
前記改質触媒層は、前記酸素透過層に隣接して積層されており、
前記改質触媒層と前記酸素透過層との積層方向における前記改質触媒層の厚さは50(μm)以下であることを特徴とする、改質方法。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の改質方法において、
前記改質構造体は、部分酸化改質反応を促進する触媒を含む改質触媒層を含んでおり、
前記改質触媒層は、前記酸素透過層に対して前記改質構造体の前記内周側空間側または前記外周側空間側に隣接して配置され、
前記改質触媒層は、Niおよび貴金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト系酸化物、または、Niおよび貴金属を含む材料により形成されていることを特徴とする、改質方法。 - 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の改質方法において、
前記酸素透過層は、安定化ジルコニアとランタンクロマイトとを含む材料により形成されていることを特徴とする、改質方法。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の改質方法において、
前記改質構造体は、さらに、
支持体を含んでおり、
前記支持体の少なくとも一部は、部分安定化ジルコニアと安定化ジルコニアと酸化マグネシウムとスピネルとの少なくとも1つの種類を含む材料により形成されていることを特徴とする、改質方法。 - 改質構造体を利用して、炭化水素を含む燃料ガスから一酸化炭素と水素とを含む改質ガスを生成する改質装置において、
前記改質構造体は、酸化物イオン伝導性と、電子伝導性または正孔伝導性と、を有する酸素透過層を含んでおり、かつ、筒状であり、
前記改質装置は、さらに、
前記燃料ガスと水蒸気とを混合する混合部と、
前記改質構造体の内周側に位置する内周側空間に、前記改質構造体の軸方向における一端部側から他端部側に向けて、前記混合部により混合されたガスを供給する第1の供給部と、
前記改質構造体の外周側に位置する外周側空間に、前記改質構造体の前記一端部側から前記他端部側に向けて、酸素を供給する第2の供給部と、
を備えることを特徴とする、改質装置。 - 請求項9に記載の改質装置において、
前記混合部は、燃料ガスと水蒸気と二酸化炭素とを混合し、
前記改質装置は、さらに、
前記改質構造体から排出された前記改質ガスにおける一酸化炭素と水素とを検知する検知部と、
前記検知部により検知された一酸化炭素の含有量と水素の含有量との相対割合が所定の範囲内になるように、前記混合部における水蒸気と二酸化炭素との混合割合を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする、改質装置。 - 改質構造体を利用して、炭化水素を含む燃料ガスから一酸化炭素と水素とを含む改質ガスを生成する改質装置において、
前記改質構造体は、酸化物イオン伝導性と、電子伝導性または正孔伝導性と、を有する酸素透過層を含んでおり、かつ、筒状であり、
前記改質装置は、さらに、
前記改質構造体の内周側に位置する内周側空間に、前記改質構造体の軸方向における一端部側から他端部側に向けて、燃料ガスを供給する第3の供給部と、
前記改質構造体の前記内周側空間に、前記改質構造体の前記一端部側から前記他端部側に向けて、水蒸気を供給する第4の供給部と、
前記改質構造体の外周側に位置する外周側空間に、前記改質構造体の前記一端部側から前記他端部側に向けて、酸素を供給する第5の供給部と、を備えることを特徴とする、改質装置。 - 請求項11に記載の改質装置において、
前記改質装置は、さらに、
前記改質構造体の前記内周側空間に、二酸化炭素を供給する第6の供給部と、
前記改質構造体から排出された前記改質ガスにおける一酸化炭素と水素とを検知する検知部と、
前記検知部により検知された一酸化炭素の含有量と水素の含有量との相対割合が所定の範囲内になるように、前記第4の供給部による水蒸気と前記第6の供給部による二酸化炭素との供給割合を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする、改質装置。 - 炭化水素と酸素との部分酸化改質反応を利用して、炭化水素を含む燃料ガスから一酸化炭素と水素とを含む改質ガスを生成する改質構造体において、
前記改質構造体は、
酸化物イオン伝導性と、電子伝導性または正孔伝導性と、を有する酸素透過層を含んでおり、かつ、筒状であり、
前記改質構造体の内周側に位置する内周側空間に、前記改質構造体の軸方向における一端部側から他端部側に向けて、燃料ガスと水蒸気とが供給され、
前記改質構造体の外周側に位置する外周側空間に、前記改質構造体の前記一端部側から前記他端部側に向けて、酸素が供給される構成であることを特徴とする、改質構造体。 - 請求項13に記載の改質構造体において、
前記改質構造体は、部分酸化改質反応を促進する触媒を含む改質触媒層を含んでおり、
前記改質触媒層は、前記酸素透過層に対して前記改質構造体の前記内周側空間側または前記外周側空間側に隣接して配置され、
前記改質触媒層は、Niおよび貴金属の少なくとも一方を含むペロブスカイト系酸化物、または、Niおよび貴金属を含む材料により形成されていることを特徴とする、改質構造体。 - 請求項13または請求項14に記載の改質構造体において、
前記酸素透過層は、安定化ジルコニアとランタンクロマイトとを含む材料により形成されていることを特徴とする、改質構造体。 - 請求項14または請求項15に記載の改質構造体において、
前記改質構造体は、さらに、
支持体を含んでおり、
前記支持体の少なくとも一部は、部分安定化ジルコニアと安定化ジルコニアと酸化マグネシウムとスピネルとの少なくとも1つの種類を含む材料により形成されていることを特徴とする、改質構造体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017139724A JP6951140B2 (ja) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | 改質方法、改質装置および改質構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017139724A JP6951140B2 (ja) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | 改質方法、改質装置および改質構造体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019019033A JP2019019033A (ja) | 2019-02-07 |
JP6951140B2 true JP6951140B2 (ja) | 2021-10-20 |
Family
ID=65352691
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017139724A Active JP6951140B2 (ja) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | 改質方法、改質装置および改質構造体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6951140B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021014390A (ja) * | 2019-07-16 | 2021-02-12 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックス焼結体の製造方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001139303A (ja) * | 1999-11-04 | 2001-05-22 | Hitachi Ltd | 水素・一酸化炭素混合ガスの製造方法、製造装置及びこれを備える燃料・電力併産プラント |
US20030039601A1 (en) * | 2001-08-10 | 2003-02-27 | Halvorson Thomas Gilbert | Oxygen ion transport membrane apparatus and process for use in syngas production |
JP2003183004A (ja) * | 2001-12-14 | 2003-07-03 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 合成ガスの製造方法、これを利用した液体燃料製造システム及び燃料電池発電システム |
US7229537B2 (en) * | 2003-07-10 | 2007-06-12 | Praxair Technology, Inc. | Composite oxygen ion transport element |
JP2005281077A (ja) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Teikoku Oil Co Ltd | 磁器組成物、複合材料及び化学反応装置 |
JP2008189540A (ja) * | 2007-01-12 | 2008-08-21 | Tdk Corp | 酸素透過膜及び水素発生装置 |
CN101733048B (zh) * | 2009-12-25 | 2012-07-25 | 中国科学技术大学 | 用于气相氧化反应的中空纤维膜反应器及其制备和应用 |
-
2017
- 2017-07-19 JP JP2017139724A patent/JP6951140B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019019033A (ja) | 2019-02-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rebollo et al. | Exceptional hydrogen permeation of all-ceramic composite robust membranes based on BaCe 0.65 Zr 0.20 Y 0.15 O 3− δ and Y-or Gd-doped ceria | |
US20110195342A1 (en) | Solid oxide fuel cell reactor | |
US10981786B2 (en) | Process for producing compressed hydrogen in a membrane reactor and reactor therefor | |
JP4583810B2 (ja) | プロトン伝導性セラミックスおよびその製造方法 | |
JP5838268B2 (ja) | 酸素透過膜 | |
JP2009292706A (ja) | 燃料改質モジュール及びその運転方法 | |
JP2005174704A (ja) | 燃料電池用改質装置、燃料電池、燃料電池の作動方法 | |
JP6951140B2 (ja) | 改質方法、改質装置および改質構造体 | |
JP5031616B2 (ja) | 酸素分離材及びその製造方法 | |
JP7055473B2 (ja) | 固体酸化物形セル用電極及びそれを用いた固体酸化物形セル | |
JP2005081246A (ja) | 酸素分離膜エレメント及びその製造方法 | |
JP2016016389A (ja) | 酸素透過膜および改質器 | |
JP6782106B2 (ja) | 改質装置 | |
JP6845102B2 (ja) | 改質構造体および改質装置 | |
JP2024512432A (ja) | アンモニア脱水素 | |
JP2005281077A (ja) | 磁器組成物、複合材料及び化学反応装置 | |
JP5956227B2 (ja) | 酸素透過膜 | |
CN104078697A (zh) | 固体氧化物型燃料电池单电池及其制造方法 | |
JP2007335314A (ja) | 単室型固体酸化物形燃料電池、単室型固体酸化物形燃料電池システム及び単室型固体酸化物形燃料電池の運転方法 | |
WO2014207993A1 (ja) | 固体酸化物形燃料電池用のアノード支持体、アノード支持型固体酸化物形燃料電池、及び燃料電池システム | |
JP6075155B2 (ja) | 酸素透過膜、酸素分離方法及び燃料電池システム | |
JP2008246314A (ja) | 水素分離装置及び燃料電池 | |
JP5449120B2 (ja) | シール構成部材を形成する方法及び固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法 | |
Kee | Protonic ceramics for electrochemical hydrogen compression | |
JP2009149459A (ja) | 燃料改質モジュール及び水素発生装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200529 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210201 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210209 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210405 |
|
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: 20210907 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210924 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6951140 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |