JPWO2014021385A1 - 炭化水素の改質用のペーパー状触媒及びペーパー状触媒配列体並びにペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体を備えた固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
炭化水素の改質用のペーパー状触媒及びペーパー状触媒配列体並びにペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体を備えた固体酸化物形燃料電池 Download PDFInfo
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Abstract
Description
SOFCは、電解質膜にイオン伝導性固体電解質を使用し、その電解質膜の一方の面に多孔質焼結体からなるアノード(燃料極)を、他の面にカソ−ド(空気極)を接合して構成される。アノードに燃料である水素、カソードに空気(酸素)をそれぞれ供給すると、以下の電気化学反応によって電気エネルギーを取り出すことができる。
アノ−ド反応:2H2+2O2- → 2H2O+4e- (反応1)
カソ−ド反応:O2+4e-→ 2O2- (反応2)
全反応 :2H2+O2→2H2O
このような炭化水素ガスの改質反応装置は、触媒が担持された粒状の改質触媒を改質反応装置の内部に充填し、該触媒を加熱して活性化させた状態で、炭化水素を含む燃料ガスと水蒸気を通過させることで、炭化水素燃料を水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含む燃料ガスに改質する。このような改質反応装置に用いられる改質用触媒としては、副反応として生成する炭素析出を抑制するため、炭素析出活性の低いRu、Rh等の貴金属担持触媒が使用されている(特許文献1段落0037参照)。
また、本発明の他の目的は、前記ペーパー状触媒を複数枚配列した、サーマルショックによる触媒構造および隣接材料の破壊が起こりづらいペーパー状触媒配列体を提供することである。
また、本発明の他の目的は、前記ペーパー状触媒を備えた内部改質型の固体酸化物形燃料電池を提供することである。
<1> 無機繊維をペーパー状に成形してなるペーパー状多孔質担体と、該ペーパー状多孔質担体の表面に分散担持された炭化水素に対する改質活性を有する金属触媒とを含み、前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維の少なくとも一部がイオン伝導性酸化物繊維であるペーパー状触媒。
<2> 前記ペーパー状多孔質担体において、前記イオン伝導性酸化物繊維の少なくとも一部が互いに接触している<1>記載のペーパー状触媒。
<3> 前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維全体に対する、前記イオン伝導性酸化物繊維の割合が10重量%以上である<1>又は<2>に記載のペーパー状触媒。
<4> 前記イオン伝導性酸化物繊維が、安定化ジルコニア繊維を含む<1>から<3>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<5> 前記ペーパー状多孔質担体が、アルミナ繊維又はアルミナ−シリカ複合酸化物繊維を含む<1>から<4>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<6> 前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維が、実質的にイオン伝導性酸化物繊維からなる<1>に記載のペーパー状触媒。
<7> 前記イオン伝導性酸化物繊維が、安定化ジルコニア繊維である<6>に記載のペーパー状触媒。
<8> 前記ペーパー状多孔質担体が、前記無機繊維を、CeO2を含むバインダーで結着させて形成されてなる<1>から<7>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<9> 前記ペーパー状多孔質担体の空隙率が、75体積%以上95体積%以下である<1>から<8>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<10> 前記金属触媒が、Ni及びMgを含む金属触媒である<1>から<9>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<11> <1>から<10>のいずれかに記載のペーパー状触媒を複数枚配列したペーパー状触媒配列体であって、炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒から、改質能が高いペーパー状触媒となるように順次配列していることを特徴とするペーパー状触媒配列体。
<12> ペーパー状触媒の配列が、平面配列である<11>に記載のペーパー状触媒配列体。
<13> 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気又は二酸化炭素との混合ガスを、<11>又は<12>に記載のペーパー状触媒配列体における炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒側から供給し、前記ペーパー状触媒配列体を構成するペーパー状触媒によって順次改質する炭化水素の改質方法。
<14> 前記炭化水素を含む原料ガスが、バイオガス又はバイオディーゼルである<13>に記載の炭化水素の改質方法。
<15> 固体電解質と、前記固体電解質の一方面に配置されたアノードと、前記固体電解質の他方面に配置されたカソードとを備え、<1>から<10>のいずれかに記載のペーパー状触媒又は<11>又は<12>に記載のペーパー状触媒配列体が、前記アノードの前段に配置されている固体酸化物形燃料電池。
<16> 前記ペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体が、アノードと接触して配置されてなる<15>に記載の固体酸化物形燃料電池。
<17> 前記固体電解質が、前記ペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体におけるペーパー状多孔質担体を構成するイオン伝導性酸化物繊維と同種のイオン伝導性酸化物からなる<15>又は<16>に記載の固体酸化物形燃料電池。
<18> 燃料ガスが、バイオガス又はバイオディーゼルである<15>から<17>のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
10a 改質反応装置
10b 燃料電池システム
11 改質反応装置(第2の実施形態)
12 燃料電池システム(第3の実施形態)
20 改質反応部
20a 改質部
20b 気化部(加熱部)
20c 燃料電池部
21 反応管
21a 導入口
21b 排出口
22 電気炉(上段)
23 電気炉(下段)
24 固定器
27a アノード側導入口
27b アノード側排出口
28a カソード側導入口
28b カソード側排出口
30 ガス供給部
30A 炭化水素供給部
30B 水供給部
30C 不活性ガス供給部
30D 二酸化炭素供給部
30E 空気供給部
30a〜30e 流量制御手段
40 ガスクロマトグラフ
41 コールドトラップ
60 電気化学測定装置
P,P1〜P9 ペーパー状触媒
P’ ペーパー状触媒配列体(積層型)
P’’ ペーパー状触媒配列体(平面配列型)
A アノード(燃料極)
C カソード(空気極)
E 固体電解質
F 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
本発明は、無機繊維をペーパー状に成形してなるペーパー状多孔質担体と、該ペーパー状多孔質担体の表面に分散担持された炭化水素に対する改質活性を有する金属触媒とを含み、前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維の少なくとも一部がイオン伝導性酸化物繊維であるペーパー状触媒(以下、「本発明のペーパー状触媒」と記載する。)に関する。
本発明のペーパー状触媒は、無機繊維がペーパー状に成形されてペーパー状多孔質担体を構成し、その表面に炭化水素に対する改質活性を有する金属触媒(以下、「改質触媒」と称す場合がある。)が担持された構成を有する。
ペーパー状多孔質担体は、炭化水素に対する改質活性を有する金属触媒を担持させる役割を有する。ペーパー状多孔質担体は、無機繊維をペーパー状(不織布状)に成形してなり、無機繊維同士が絡み合うように接合したものであり、当該無機繊維の隙間からなる空隙は、少なくとも通気性を発現する程度に連通している。
簡単に説明すると、まず、所定量の無機繊維、バインダー成分、及び必要に応じて他の成分(気孔量調製剤、分散剤等)を所定量の溶媒にいれて、均一になるまで分散させたスラリーを作製する。次いで、スラリーに所定の凝集剤を順次添加してフロックを生成し、そのフロックに水力学的せん断力を加えて崩壊させると同時に200メッシュの抄き網を用いて脱水・抄造し、均質なシート状の複合体を得る。得られたシート状複合体を乾燥し、所定の熱処理及び加圧処理を行うことにより、均一な厚さのペーパー状(不織布状)の多孔質担体を得る。具体的な方法は実施例にて後述する。
なお、後述するように、無機繊維、バインダー成分と共に、金属触媒(改質触媒)の前駆体を添加したスラリーを使用して、ペーパー状多孔質担体の形成と、金属触媒の担持とを同時に行ってもよい。
本発明のペーパー状触媒において、金属触媒としては、炭化水素に対する改質活性を有するものであれば特に制限はないが、本発明のペーパー状触媒の好適な用途であるSOFCの作動温度(600℃以上)での耐熱性と、触媒活性を併せもつという点で、Ni、Co、Fe、Ru、Rh、Pt、Pd及びこれらの合金が挙げられる。これらの金属種は、本発明のペーパー状触媒の用途や、原料ガスの組成、反応条件などに応じて適宜選択される。例えば、Pt等の貴金属は、十分な改質活性を有し、かつ、熱分解炭素の生成が起こりづらいため、炭素析出が起こりやすい条件、例えば、低品位バイオガス(CH4とCO2の混合ガス)や、バイオディーゼル燃料(BDF)等高級炭化水素を含む原料ガスの改質に使用する場合に好適に使用できる。なお、金属触媒は、通常、その前駆体化合物(例えば、酸化物)を還元して製造するが、炭化水素に対する改質活性があれば、完全に金属まで還元されずに、一部が前駆体化合物の状態であってもよい。
Ni及びMgを含む金属触媒は、例えば、それぞれの前駆体(硝酸塩等)を含む水溶液を乾燥、熱処理して得られる複合酸化物(NiMgO)を還元して得ることができる。
また、上述の湿式抄紙法によるペーパー状多孔質担体の製造方法において、無機繊維、バインダー成分と共に、金属触媒の前駆体を添加したスラリーを使用して、ペーパー状多孔質担体の抄造と該ペーパー状多孔質担体への金属触媒の担持を同時に行ってもよい。この方法では、より簡便に均一に分散した金属触媒を含むペーパー状触媒を得ることができる。なお、金属触媒の前駆体は、熱処理や還元処理等の方法により、粒子状の金属触媒に転化するものであればよく、それぞれの金属種の硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、ハロゲン化物、アンモニウム塩、シュウ酸塩等を適宜選択して使用すればよい。
本発明のペーパー状触媒は、ペーパー状多孔質担体及びこれに担持された金属触媒を基本構成とするが、本発明の目的を損なわない範囲で、他の成分を含んでいてもよい。例えば、より触媒活性を高めるための助触媒成分や、ペーパー状触媒を他の部材に接合させるためのバインダー等が挙げられる。例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)は炭素析出の抑制効果が高く、他の成分として好適な一例である。
本発明のペーパー状触媒は、粒状触媒に代えて、従来の改質触媒器用の改質触媒や、内部改質型の固体酸化物形燃料電池用の改質触媒として好適に用いることができる。なお、本発明のペーパー状触媒は、その目的に応じて、単層で使用してもよいし、所定枚数を配列(積層)させてペーパー状触媒配列体として使用してもよい。
以下、本発明のペーパー状触媒の好適な応用例として、熱応力破壊の抑制に特に適したペーパー状触媒配列体および、本発明のペーパー状触媒(ペーパー状触媒配列体含む)を備えた内部改質型の固体酸化物形燃料電池について説明する。
本発明のペーパー状触媒配列体は、上記本発明の構成を有するペーパー状触媒を複数配列したペーパー状触媒配列体であって、炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒から、改質能が高いペーパー状触媒となるように順次配列していることを特徴とする。
以下、本発明のペーパー状触媒の好適な使用例である内部改質型の固体酸化物形燃料電池(以下、「本発明のSOFC」と記載する。)について説明する。
本発明のSOFCは、固体電解質と、前記固体電解質の一方面に配置されたアノードと、前記固体電解質の他方面に配置されたカソードとを備え、上記本発明のペーパー状触媒が、前記アノードの前段に配置されていることを特徴とする。
図2Aは、本発明の第1の実施形態のペーパー状触媒を使用した改質反応装置の概念図である。本実施形態に係る改質反応装置10は、改質反応部20と、改質反応部20に原料ガスを供給するガス供給部30とを備えている。
なお、本実施形態においては、燃料である炭化水素として、パームBDFを使用しているため、液体ポンプ(Liquid Pump)で流量を制御しているが、気体状の炭化水素を燃料とする場合には、マスフローコントローラー(MFC)等で流量制御を行えばよい。
ここで、図2Aの改質部20aの拡大図に示すように、ペーパー状触媒Pは、固定器24により固定されている。固定器24は、ペーパー状触媒の厚さや積層数に対応して調整できるよう設計されている。
改質温度は、通常、500〜900℃程度であり、接触時間(W/F)は、0.001〜1.5g-cat h mol-1程度である。
図3は、本発明の第2の実施形態のペーパー状触媒配列体を使用した改質反応装置の概念図である。
本実施形態に係る改質反応装置11は、改質反応部20において、ペーパー状触媒Pに代えて積層型のペーパー状触媒配列体P’を使用したものである。改質反応装置11において、改質反応部20の構成及びガス供給部30の一部の構成以外は、上述した第1の実施形態の改質反応装置10と同様の構成であるため、適宜説明を省略する。
ペーパー状触媒配列体P’を構成するペーパー状触媒P1〜P5は炭化水素に対する改質能が異なるペーパー状触媒であり、炭化水素に対する改質能が最も低いP1、P2、P3、P4、P5の順番で炭化水素に対する改質能が高くなるように配列している。
温度の低下(吸熱量)は、改質された炭化水素量に依存するため、ペーパー状触媒配列体の場合には、(改質前の)初期濃度の炭化水素及び水蒸気あるいは二酸化炭素と最初に接触する最前段のペーパー状触媒(図3におけるP1)において最も温度が低下する。後段に進むにしたがって、炭化水素濃度が減少するため、改質反応による吸熱量も減少し、低下する温度も小さくなる。特に前段のペーパー状触媒の改質活性が高すぎると、その部分で多量の炭化水素が改質され、後段における炭化水素濃度が小さくなり、改質反応にほとんど寄与しなくなる場合があり、結果として、ペーパー状触媒配列体の前段と後段において大きな温度差を生じることがある。このような場合には、ペーパー状触媒配列体におけるペーパー状触媒の位置による温度むらにより、サーマルショックによって、ペーパー状触媒配列体やペーパー状触媒配列体に隣接する部材が破壊されるおそれがある。一方で、吸熱反応を抑制するため、炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒のみを配列すると、未反応の炭化水素が改質ガスに残存するおそれがある。
原料ガスとして実際のバイオガス(CH4/CO2=1)を用いる場合には、必要に応じて、バイオガスにCH4あるいはCO2を添加して、原料ガス中のCH4/CO2の比率を変えてもよいし、炭素析出が起こらない範囲で、他の炭化水素燃料を添加してもよい。
改質温度は、通常、500〜900℃程度であり、接触時間(W/F)は、0.001〜1.5g-cat h mol-1程度である。
図4Aは、本発明の第3の実施形態の内部改質型SOFCシステムの概念図である。
本実施形態に係る燃料電池システム12は、上記第1、第2の実施形態における改質部20aに代えて、固体酸化物形燃料電池Fを含む燃料電池部20cを備えたものである。また、これに併せて反応管21、ガス供給部30の構成を変更している。
なお、単純に発電を行うだけならば、電気化学測定装置60は必要なく、外部負荷のみでもよい。
なお、ペーパー状触媒PとアノードAは、必ずしも接触させる必要はなく、特にペーパー状触媒PとアノードAとの熱膨張率の差が大きい場合などには、接触させないほうが好ましい。
図4Bにペーパー状触媒配列体をアノードに接触させて配置したSOFCの模式図を示す(燃料ガス:平行供給方式)。
図4Bに示すように、この形態でのペーパー状触媒配列体P’’は、4枚の炭化水素に対する改質能の異なるペーパー状触媒P6、P7、P8、P9が、炭化水素に対する改質能が最も低いP6、P7、P8、P9の順番で炭化水素に対する改質能が高くなるように配列したものであり、ペーパー状触媒P6、P7、P8、P9それぞれの面が、SOFCセルのアノードに接触するように配置されている。このような状態で、ペーパー状触媒P6側から燃料ガスを供給すると、ペーパー状触媒P6、P7、P8、P9それぞれの面に対して燃料ガスが平行に供給される。このような構成であると、セルに隣接する改質反応場の温度分布が均一化されるため、バイオガス又はバイオディーゼル等炭化水素燃料供給時の、特に大面積のSOFCセルを用いた直接内部改質発電に対して好適である。
平行供給方式でペーパー状触媒配列体を使用する具体例は、後述の実施例にて説明する。
改質温度は、通常、500〜900℃程度であり、接触時間(W/F)は、0.001〜1.5g-cat h mol-1程度である。
1.無機繊維
・安定化ジルコニア(YSZ)繊維:
ジルカー社製(品番:ZYBF−2)直径:3〜6μm
・アルミナ(Al2O3)繊維:
電気化学工業社製(品番:B100)、直径:3〜6μm
・シリカ-アルミナ複合酸化物(SiO2−Al2O3)繊維
イビデン社製(イビウール)、直径:2〜5μm
なお、X線回折法にて、アルミナ繊維及びシリカ−アルミナ繊維を評価したところ、非晶質であることが確認された。
2.酸化物ゾル(バインダー)
・ZrO2ゾル(日産化学工業社製、品番:ナノユースZR-30BS、pH9.8)
・Al2O3ゾル(日産化学工業社製、品番:アルミナゾル520、酸性)
・CeO2ゾル(日産化学工業社製、品番:ナノユースCE-20B、pH9.6)
3.イオン性ポリマー
・PDADMAC(polydiallyldimethylammonium chloride, Aldrich, Ltd.)
カチオン性
分子量::約3×105
電荷密度:5.5 meq/g
・A−PAM(anionic polyacrylamide, Kurita, Ltd.)
アニオン性
分子量::約4×106
電荷密度:0.64 meq/g
(1)ペーパー状多孔質担体Aの作製
無機繊維として、YSZ繊維2g、アルミナ繊維3gを、適量の蒸留水に投入し、ミキサーで約3分混合した。次いで、固形分濃度が0.15wt/vol%になるように蒸留水を添加し、スターラーで攪拌しながら、カチオン性ポリマーであるPDADMACを、固形分全量に対して、0.25〜1wt%となるように加え、分散している無機繊維表面を正に帯電させた。
次いで、焼成後に無機バインダーとして機能する酸化物ゾル(Al2O3ゾル)を、固形分重量で0.5〜2g加えた後、アニオン性ポリマーであるA−PAMを対固形分0.5wt%となるように加えた。なお、この際、元々の懸濁物質が正に帯電しているため、アニオン性ポリマーを投入した瞬間に、無機繊維等が凝集して玉状になる。そのため、後工程である紙抄き時(ろ過時)におけるろ水効率および歩留まり率が向上する。
次に、適量の市販のパルプを解繊してスラリーに加え、3分攪拌した。なお、パルプは、紙抄き後の湿潤状態の強度を確保し、ろ過用メッシュからの焼成前のペーパー状多孔質担体の採取を容易にする。また、パルプはペーパー状多孔質担体の焼成中に焼失し、空隙(拡散パス)を生成する。
得られたスラリーを市販の抄紙装置(熊谷理機工業株式会社製)に注ぎ込み、ろ過用金属網(200メッシュ)に懸濁混合物を脱水により堆積させた。形成された堆積物をメッシュから剥がし取り、350kPaで3分プレスし、105℃で乾燥させることで、ペーパー状多孔質担体(焼成前)を得た。直径は約16cmであった。
ペーパー状多孔質担体(焼成前)を大気雰囲気下、1300℃、10h焼成することにより、ペーパー状多孔質担体A(バインダー:Al2O3)を得た。図5にペーパー状多孔質担体Aの外観写真を示す。
バインダーとしての酸化物ゾルをAl2O3ゾルから、ZrO2ゾル又はCeO2ゾルに代えた以外は、ペーパー状多孔質担体Aと同様の方法で、それぞれペーパー状多孔質担体B(バインダー:ZrO2)、ペーパー状多孔質担体C(バインダー:CeO2)を得た。
無機繊維として、アルミナ繊維を使用せず、YSZ繊維(7mol%Y2O3 − 93mol%ZrO2)5gとし、Al2O3ゾルに代えて、ZrO2ゾルを使用した以外は、ペーパー状多孔質担体Aと同様の方法で、ペーパー状多孔質担体Dを得た。
ペーパー状多孔質担体A〜Cについて、水銀圧入法により、空隙率、モード径を測定した結果を表1に示す。
測定条件:圧力範囲:0.5〜5000psia(3.45KPa〜34.5MPa)
測定気孔直径の範囲:約300μm〜37nm
(1)Ni担持ペーパー状触媒1A〜1Cの作製
ペーパー状多孔質担体A〜Cを、それぞれ1mol/LのNi硝酸塩溶液に浸漬し、1時間後取り出し、105℃で3時間乾燥した。
次いで、大気中で400℃、5時間熱処理することにより、ペーパー状多孔質担体にNiO微粒子が分散担持された、ペーパー状触媒1A〜1C(還元前)を得た。
ペーパー状多孔質担体A〜Dを、それぞれ1mol/LのNi硝酸塩とMg硝酸塩とを含む溶液に浸漬し、1時間後取り出し、105℃で3時間乾燥した。
次いで、800℃で5時間熱処理することにより、ペーパー状多孔質担体にNiMgO微粒子が分散担持された、ペーパー状触媒2A〜2Dを得た。なお、ペーパー状触媒2A〜2Dにおいて、XRDの評価によりNiOとMgOの固溶体が形成されていることが確認された。以下、NiとMgとを含む金属触媒を、「Ni−Mg」と表記する。
(3−1)還元後の触媒表面観察
ペーパー状触媒1A(還元前)を、5%H2/N2中、900℃において、1時間還元処理を行った。図7(a)〜(c)にペーパー状触媒1A(還元後)のFE−SEM像を示す。また、図7(b)に見られるように、100〜500nm程度のNi微粒子が、YSZ繊維表面に均一に分散していることが確認された。
一方、図7(c)にみられるように、Al2O3繊維の表面には、粗大なNi粒子が確認され、YSZ繊維と比較して、Niの分散性が低かった。このことから、Al2O3繊維の表面ではNi微粒子は凝集して粗大粒子になっていると考えられる。
ペーパー状触媒1A(還元後)とペーパー状触媒2A(還元後)の金属触媒粒子の大きさは、ペーパー状触媒2Aの方が小さかった。このことから、Mgの添加により、触媒表面の微細化が進んでいることが示唆された。
図2Aの構成を有する本発明の第1の実施形態の改質反応装置(触媒活性評価装置)を使用して、バイオディーゼル燃料(パームBDF(C18H34.8O2))の水蒸気改質実験を行った。
実施例1の改質実験として、図2Aにおける改質部にペーパー状触媒1A(φ20mm)を、2枚重ねてセットし、H2を供給し、900℃、1時間還元処理を行った。
次いで、不活性ガスであるN2ガス:50mL/minをキャリヤガスとし、液体積ベースでBDF:6μL/min、蒸留水:21μL/minをS/Cが3.5となるように液クロ用ポンプで、600℃の気化器に供給してガス化した原料ガスを800℃の改質部に供給した。生成した改質ガスを自動ガスクロマトグラフで分析し、燃料の転化率、改質ガス中の水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、エチレンの濃度を計測した。
また、実施例2〜4の改質実験としてペーパー状触媒2A〜2Cを改質部にセットし、同様の試験を行った。
また、比較例1の改質実験として、貴金属触媒として、Ru/γ−Al2O3触媒ビーズ(以下、単に「Ru/Al2O3触媒」と記載する。)を改質部にセットし、同様の試験を行った。また、比較例2の改質実験として、SOFCアノードに準じる、ペレット状Ni/安定化ジルコニア(Ni/ScSZ、Ni含有量:NiOとして56重量%)を改質触媒として使用して、同様の実験を行った。
図9(a)及び(b)に実施例1のBDF水蒸気改質試験の結果を示す。
BDF供給開始8時間後から、改質ガス中のCH4およびC2H4の生成量が急激に増加し(図9(b)参照)、また、CH4およびC2H4の生成量の急激な増加と同時にBDFの転化率が低下した(図9(a)参照)。
図10にペーパー状触媒1Aに対して、20時間のBDF水蒸気改質試験後のペーパー状触媒1AのFE−SEM像を示す。
図10の結果から、20時間の試験後のペーパー状触媒1Aには、炭素が析出していることがわかる。C2H4は炭素析出を誘発する前駆体として知られており、C2H4の濃度増加により、炭素析出が促進したものと考えられる。
一方で、ペーパー状触媒1Aを構成するYSZ繊維表面において、炭素が析出している部分とほとんどしていない部分が存在している。EDXの分析から炭素析出がAl2O3バインダー(Al2O3ゾル由来)上に選択的に検出されることから、Al2O3ゾルの使用が炭素析出を誘発することが明らかとなった。
また、炭素析出が起こっている領域で、Niの粗大化が進行していることも確認された。
これらの結果から、金属触媒としてNiを担持し、且つ、Al2O3バインダーを有するペーパー状触媒1Aは、BDFの水蒸気改質に対して、初期活性は高いが、炭素析出により活性が低下することが明らかとなった。
図11(a)〜(f)に実施例2〜4(ペーパー状触媒2A〜2C)及び比較例1のパーム油BDF(C18.0H34.8O2)の水蒸気改質実験(S/C=3.5)の結果を示す。また、図12に実施例2〜4(ペーパー状触媒2A〜2C)のH2濃度、C2H4濃度についてまとめて示す。
図11(a)に示されるように、実施例2〜4のすべてが、BDF転化率が高く、90%に近い値を示し、比較例1(Ru/Al2O3触媒)よりもBDF転化率が高くかった。また、Niのみを担持したペーパー状触媒1Aでは8時間で大きな活性低下が生じたが(図9(a)参照)、実施例2〜4では、50時間の試験中大きな活性低下は見られなかった。これらの結果から、金属触媒がNi−Mgである実施例2〜4は、BDF水蒸気改質性能に優れることが確認された。
一方、無機バインダーとしてCeO2ゾルを適用した実施例4(ペーパー状触媒2C)では、試験を通してH2濃度は70%(平衡値:71%)で安定していた。この結果は、バインダーとして添加したCeO2ゾルが、助触媒として機能し、BDF水蒸気改質反応を促進していることを示している。
金属触媒がNiのみであるペーパー状触媒1Aの場合は、金属触媒がNi−Mgであるペーパー状触媒2Aに比較して金属触媒粒子が粗大であった。また、析出炭素と考えられる像も観察された。これに対し、ペーパー状触媒2Aでは、試験後も金属触媒粒子の凝集や析出炭素のコントラストも観察されなかった。この観察結果は、金属触媒がNiと共にMgを含むことにより耐凝集性、耐炭素析出性が向上したことを示している。
(1)メタンドライリフォーミングに対する金属触媒(Ni)の担持量依存性
実施例5のペーパー状触媒として、以下のNi担持ペーパー状触媒1Eを製造し、メタンドライリフォーミングとして、模擬バイオガスの改質に対する金属触媒(Ni)の担持量依存性を評価した。
Ni担持量の異なるペーパー状触媒(総称して「ペーパー状触媒1E」と記載する)を以下の方法で作製した。
まず、アルミナ繊維に代えて、同重量のアルミナ−シリカ繊維(イビデン社製、イビウール)を使用し、バインダーとしてAl2O3ゾルに代えて、ZrO2ゾルを使用し、焼成条件を800℃、5hとした以外は、上記ペーパー状多孔質担体Aと同様の製造方法にて、ペーパー状多孔質担体Eを作製した。
実施例5のペーパー状触媒1Eのメタンドライリフォーミング性能評価を行った。図15にメタンドライリフォーミング(CH4/CO2=1、800℃)時のメタン転化率のW/F[g-cat h mol-1]依存性を示す。また、図15には従来の改質触媒の参考例として、先行文献(Asami K, Lia X, Fujimoto K, Koyama Y, Sakurama A, Kometani N, CO2 reforming of CH4 over ceria-supported metal catalysts. Catal Today 2003;84:27-31.)で開示されたNi/CeO2粉末触媒によるデータ(改質温度:850℃)を合わせて示す。
すなわち、実施例5(ペーパー状触媒1E)は、従来の粉末触媒より、メタンドライリフォーミング反応に対する優れた改質性能を有することが分かった。これは、図1Aに模式的に示したように、無機繊維ネットワークが作り出す自由度の高い空間構造がガスの三次元的拡散を促進し、燃料ガスと担持された金属触媒微粒子の接触効率が極めて高くなるためである。
図16の構成の改質反応装置(以下、「平面型改質器」と記載する場合がある。)を使用して、模擬バイオガス(CH4/CO2=1)の改質試験を行った。
実施例のペーパー状触媒配列体を構成するペーパー状触媒P6〜P9(1.25×5cm、厚み:1.5mm)は、以下のように作製したペーパー状多孔質担体Fに対し、含浸法により上記ペーパー状触媒1A、2Aの製法と同様の方法により、Ni又はNi−Mgを担持したものである。表5にペーパー状触媒P6〜P9の触媒種、Ni担持量、Ni/Mg(原子比)をまとめて示す。
アルミナ繊維に代えて、アルミナ−シリカ繊維(イビデン社製、イビウール)を使用し、バインダーとしてAl2O3ゾルに代えて、ZrO2ゾルを使用し、焼成条件を800℃、5hとした以外は、ペーパー状多孔質担体Aと同様の製造方法にて、ペーパー状多孔質担体Fを作製した。
また、比較例として、ペーパー状多孔質担体F(5×5cm、厚み:1.5mm)に、Ni担持量:3.8重量%でNiを均一に担持(傾斜化無し)したペーパー状触媒(5×5cm)を使用した。
作製した実施例(傾斜化あり)のペーパー状触媒配列体及び比較例(傾斜化無し)のペーパー状触媒を図16に示すように配置し、YSZ板で封止した反応器(平面型改質器)を使用して、ペーパー状触媒配列体内(4cm×4cm内)の温度分布を評価する実験を行った。図17(a),(b)に平面型改質器内に配置された実施例のペーパー状触媒配列体及び比較例のペーパー状触媒の断面模式図をしめす。
図18に実施例のペーパー状触媒配列体に対して、模擬バイオガスを、800℃、GHSV=2880h-1の条件で、P6側からP9側に供給した際のガス流れ方向の温度分布を示す。図中の横軸は、ペーパー状触媒配列体の左端から0.5mmの位置を0とした時のガス入口側からの距離であり、縦軸は、改質反応に起因する温度低下量である。また、図18には実施例(傾斜化あり)のペーパー状触媒配列体と同じ大きさである比較例のペーパー状触媒を用いて同様の評価を行った結果を示している。
すなわち、ペーパー状触媒配列体におけるペーパー状触媒の配列を好適化することにより、転化率を落とさずに、平面型反応器内の温度勾配の発生を抑制できることが示された。
図19は、図16の平面型反応器にて、実施例のペーパー状触媒配列体を用いて、100時間のメタンのドライリフォーミング試験を行った結果である。図のように、100時間安定して改質が行われており、試験中、燃料と空気のセパレーターとして改質反応場に隣接して配置した厚さ240μmのYSZ板が破壊されることはなかった。また、試験後、YSZ板を取り外してペーパー状触媒配列体を観察したところ、炭素析出は生じていなかった(図20(a)参照)。
一方、均一に触媒が担持されている比較例のペーパー状触媒で同様の評価を行ったところ、燃料入口側の大きな温度低下に起因して熱応力が発生し、35時間後にYSZ板に割れが発生した。さらに、この温度低下に伴い熱力学的に炭素析出を生じやすい環境となり、炭素の生成が顕著に見られた(図20(b)参照)。
このように触媒が傾斜化している実施例のペーパー状触媒配列体では、長時間安定的に水素および一酸化炭素を製造することができ、隣接するYSZ板の機械的劣化や破損の抑制に大きく寄与することが示された。
(3−5−1)内部改質型SOFC
(1)ペーパー状触媒配列体を備えた電解質支持型SOFCの作製
アノード材料として、NiO−YSZ(NiO:56重量%)、カソード材料としてLa0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)とYSZ(LSM:50重量%)を使用し、電解質としてのYSZ板(5×5cm、厚み:240μm)を用いた。
YSZ板にスクリーン印刷でアノード材料、カソード材料を4×4cmで塗布し、所定の条件(アノード:1300℃、3h、カソード:1200℃、5h)で焼成することにより、電解質支持型SOFCを得た。
なお、このペーパー状触媒配列体は、上記(3−4)(1)のペーパー状触媒配列体と同一である。
また、比較例として、図21(b)に示すような構成のペーパー状触媒をアノードと接触するように配置し、比較例の内部改質型SOFCを得た。なお、比較例で用いられたペーパー状触媒は、実施例で用いられたペーパー状触媒配列体と同じ大きさである。
図21に示した構成の内部改質型SOFCシステムを用いて、模擬バイオガスを燃料ガスとした発電実験を行った。なお、燃料ガスの供給は、P6側から行った。
まず、H2を供給し、ペーパー状触媒を800℃、1時間で還元処理した。次いで、下記条件で模擬バイオガスを供給して燃料ガスの改質及び発電を行い、100mA・cm-2の定電流密度下で電圧劣化率を評価した。
燃料ガス:バイオガス:(CH4+CO2)、CH4/CO2=1
アノード側流量:CH4:90mL/min、CO2:90mL/min
カソード側:電気炉内の空気に暴露
測定温度:800℃
電流密度:100mA・cm-2
これに対し、触媒が傾斜化しているペーパー触媒配列体を備えた実施例の内部改質型SOFCでは、電圧は安定しており、試験後、ペーパー触媒配列体には炭素析出は見られなかった。
また、実施例のペーパー状触媒配列体を5cm角のアノード支持型セルのアノード側に隣接して配置し、200mA・cm-2の定電流密度下で同様の長期安定性試験を行ったところ、電圧劣化率1.7%/1000hを達成した。また、600時間の試験後、ペーパー触媒配列体を積層したアノード側に炭素析出は見られなかった。
以上の結果から、アノードに隣接してペーパー状触媒を配置した実施例の内部改質型SOFCは、従来のSOFCと比較して、模擬バイオガスを燃料ガスとして発電を行っても、安定的に高出力で発電することが可能であることが確認された。
(1)アノード支持型SOFCの作製
ボタン型アノード支持型ハーフセル(アノード支持体(NiO:YSZ=5.6:4.4)、厚さ:0.8mm、直径:20mm、YSZ電解質厚さ:8μm、佐賀県窯業技術センター製)の電解質側に、ペロブスカイト型カソードペースト及びカソード集電体ペーストを、アノード側にアノード集電体ペーストをスクリーン印刷し、900℃で5時間焼成してアノード支持型ボタンセルを作製した。
図2Bに示した構成の外部改質型SOFCシステムを用いて、模擬バイオガス、又は模擬BDFを燃料ガスとした発電実験を行った。
(2−1)模擬バイオガスによる発電
模擬バイオガス発電評価用のペーパー状触媒2E(φ20mm)は、0.1mol/LのNi硝酸塩と1.0mol/LMg硝酸塩とを含む溶液に浸漬して触媒担持を行った以外は、上記(3−3)(1)のペーパー状触媒1Eと同じ製法で作製した。表6にペーパー状触媒2Eの構成を示す。
図2Bにおける改質反応装置10aにおける改質部に、ペーパー状触媒2Eを2枚重ねてセットし、SOFCシステム10bに上記アノード支持型ボタンセルをセットした。
まず、改質反応装置10aにH2を供給し、ペーパー状触媒を800℃、15時間で還元処理した。次いで、下記発電条件で改質反応装置10aに模擬バイオガスを供給して燃料ガスの改質を行い、改質後のガスを後段のSOFCシステム10bに供給して、電流電圧特性を評価した。また、比較例として、改質反応装置10aにペーパー触媒を使用せずに同様の発電試験を行った。図23Aに模擬バイオガスでの発電試験の結果を示す。
燃料ガス:バイオガス(CH4+CO2)、CH4/CO2=1
アノード側流量:CH4:20mL/min、CO2:20mL/min
カソード側流量:Air:150mL/min
測定温度:800℃
模擬BDF発電評価用のペーパー状触媒として、ペーパー状触媒3E及びペーパー状触媒1Gを作製した。
ペーパー状触媒3E(φ20mm)は、1.0mol/LのNi硝酸塩と1.0mol/LMg硝酸塩とを含む溶液に浸漬して触媒担持を行った以外は、上記(3−3)(1)のペーパー状触媒1Eと同じ製法で作製した。
ペーパー状触媒1G(φ20mm)は、YSZ繊維に換えてBaTiO3粉末を用い、1.0mol/Lの塩化ルテニウム溶液に浸漬して触媒担持を行った以外は、上記(3−3)(1)のペーパー状触媒1Eと同じ製法で作製した。表6にペーパー状触媒3E及び1Gの構成をまとめて示す。
図2Bにおける改質反応装置10aにおける改質部に、ペーパー状触媒1Gを一段目(燃料入口側)に、ペーパー状触媒3Eを二段目(SOFC側)に重ねてセットし、SOFCシステム10bに上記アノード支持型ボタンセルをセットした。
まず、改質反応装置10aにH2を供給し、ペーパー状触媒を800℃、5時間で還元処理した。次いで、下記発電条件で改質反応装置10aに模擬BDFを供給して燃料ガスの改質を行い、改質後のガスを後段のSOFCシステム10bに供給して、電流電圧特性を評価した。また、参考例として、改質反応装置10aにペーパー触媒を使用せずに同様の発電試験を行った。図23Bに模擬BDFでの発電試験の結果を示す。
燃料ガス:模擬BDF:パルミチン酸メチルエステル(C17H34O2)とオレイン酸メチルエステル(C19H36O2)の1:1混合液
水蒸気添加量(S/C):2.0
アノード側流量(液流量):模擬BDF:6μL/min、水:12μL/min
カソード側流量:Air:150mL/min
測定温度:800℃
<1> 無機繊維をペーパー状に成形してなるペーパー状多孔質担体と、該ペーパー状多孔質担体の表面に分散担持された炭化水素に対する改質活性を有する金属触媒とを含み、前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維の少なくとも一部がイオン伝導性酸化物繊維である炭化水素の改質用のペーパー状触媒。
<2> 前記ペーパー状多孔質担体において、前記イオン伝導性酸化物繊維の少なくとも一部が互いに接触している<1>記載のペーパー状触媒。
<3> 前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維全体に対する、前記イオン伝導性酸化物繊維の割合が10重量%以上である<1>又は<2>に記載のペーパー状触媒。
<4> 前記イオン伝導性酸化物繊維が、安定化ジルコニア繊維を含む<1>から<3>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<5> 前記ペーパー状多孔質担体が、アルミナ繊維又はアルミナ−シリカ複合酸化物繊維を含む<1>から<4>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<6> 前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維が、実質的にイオン伝導性酸化物繊維からなる<1>に記載のペーパー状触媒。
<7> 前記イオン伝導性酸化物繊維が、安定化ジルコニア繊維である<6>に記載のペーパー状触媒。
<8> 前記ペーパー状多孔質担体が、前記無機繊維を、CeO2を含むバインダーで結着させて形成されてなる<1>から<7>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<9> 前記ペーパー状多孔質担体の空隙率が、75体積%以上95体積%以下である<1>から<8>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<10> 前記金属触媒が、Ni及びMgを含む金属触媒である<1>から<9>のいずれかに記載のペーパー状触媒。
<11> <1>から<10>のいずれかに記載のペーパー状触媒を複数枚配列したペーパー状触媒配列体であって、炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒から、改質能が高いペーパー状触媒となるように順次配列している炭化水素の改質用のペーパー状触媒配列体。
<12> ペーパー状触媒の配列が、平面配列である<11>に記載のペーパー状触媒配列体。
<13> 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気又は二酸化炭素との混合ガスを、<11>又は<12>に記載のペーパー状触媒配列体における炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒側から供給し、前記ペーパー状触媒配列体を構成するペーパー状触媒によって順次改質する炭化水素の改質方法。
<14> 前記炭化水素を含む原料ガスが、バイオガス又はバイオディーゼルである<13>に記載の炭化水素の改質方法。
<15> 固体電解質と、前記固体電解質の一方面に配置されたアノードと、前記固体電解質の他方面に配置されたカソードとを備え、<1>から<10>のいずれかに記載のペーパー状触媒又は<11>又は<12>に記載のペーパー状触媒配列体が、前記アノードの前段に配置されている固体酸化物形燃料電池。
<16> 前記ペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体が、アノードと接触して配置されてなる<15>に記載の固体酸化物形燃料電池。
<17> 前記固体電解質が、前記ペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体におけるペーパー状多孔質担体を構成するイオン伝導性酸化物繊維と同種のイオン伝導性酸化物からなる<15>又は<16>に記載の固体酸化物形燃料電池。
<18> 燃料ガスが、バイオガス又はバイオディーゼルである<15>から<17>のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
Claims (18)
- 無機繊維をペーパー状に成形してなるペーパー状多孔質担体と、該ペーパー状多孔質担体の表面に分散担持された炭化水素に対する改質活性を有する金属触媒とを含み、前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維の少なくとも一部がイオン伝導性酸化物繊維であることを特徴とするペーパー状触媒。
- 前記ペーパー状多孔質担体において、前記イオン伝導性酸化物繊維の少なくとも一部が互いに接触している請求項1記載のペーパー状触媒。
- 前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維全体に対する、前記イオン伝導性酸化物繊維の割合が10重量%以上である請求項1又は2に記載のペーパー状触媒。
- 前記イオン伝導性酸化物繊維が、安定化ジルコニア繊維を含む請求項1から3のいずれかに記載のペーパー状触媒。
- 前記ペーパー状多孔質担体が、アルミナ繊維又はアルミナ−シリカ複合酸化物繊維を含む請求項1から4のいずれかに記載のペーパー状触媒。
- 前記ペーパー状多孔質担体を構成する無機繊維が、実質的にイオン伝導性酸化物繊維からなる請求項1に記載のペーパー状触媒。
- 前記イオン伝導性酸化物繊維が、安定化ジルコニア繊維である請求項6に記載のペーパー状触媒。
- 前記ペーパー状多孔質担体が、前記無機繊維を、CeO2を含むバインダーで結着させて形成されてなる請求項1から7のいずれかに記載のペーパー状触媒。
- 前記ペーパー状多孔質担体の空隙率が、75体積%以上95体積%以下である請求項1から8のいずれかに記載のペーパー状触媒。
- 前記金属触媒が、Ni及びMgを含む金属触媒である請求項1から9のいずれかに記載のペーパー状触媒。
- 請求項1から10のいずれかに記載のペーパー状触媒を複数枚配列したペーパー状触媒配列体であって、
炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒から、改質能が高いペーパー状触媒となるように順次配列していることを特徴とするペーパー状触媒配列体。 - ペーパー状触媒の配列が、平面配列である請求項11に記載のペーパー状触媒配列体。
- 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気又は二酸化炭素との混合ガスを、請求項11又は12に記載のペーパー状触媒配列体における炭化水素に対する改質能が低いペーパー状触媒側から供給し、前記ペーパー状触媒配列体を構成するペーパー状触媒によって順次改質することを特徴とする炭化水素の改質方法。
- 前記炭化水素を含む原料ガスが、バイオガス又はバイオディーゼルである請求項13に記載の炭化水素の改質方法。
- 固体電解質と、前記固体電解質の一方面に配置されたアノードと、前記固体電解質の他方面に配置されたカソードとを備え、請求項1から10のいずれかに記載のペーパー状触媒又は請求項11又は12に記載のペーパー状触媒配列体が、前記アノードの前段に配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
- 前記ペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体が、アノードと接触して配置されてなる請求項15に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記固体電解質が、前記ペーパー状触媒又はペーパー状触媒配列体におけるペーパー状多孔質担体を構成するイオン伝導性酸化物繊維と同種のイオン伝導性酸化物からなる請求項15又は16に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 燃料ガスが、バイオガス又はバイオディーゼルである請求項15から17のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
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