WO2002059038A1 - Dispositif de purification d'hydrogene et systeme de generation de puissance a pile a combustible - Google Patents

Dispositif de purification d'hydrogene et systeme de generation de puissance a pile a combustible Download PDF

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WO2002059038A1
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carbon monoxide
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Kiyoshi Taguchi
Kunihiro Ukai
Seiji Fujiwara
Takeshi Tomizawa
Hidenobu Wakita
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen purifying apparatus for purifying a reformed gas containing hydrogen as a main component and containing carbon monoxide (hereinafter referred to as c ⁇ ) to provide high-purity hydrogen gas.
  • the present invention also relates to a hydrogen supply device such as a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel. '' Background technology
  • a fuel cell cogeneration system with high power generation efficiency and high overall efficiency has attracted attention as a distributed power generation device that effectively uses energy.
  • One of the methods for generating hydrogen is a steam reforming method.
  • a hydrogen source for fuel cells and other fuels raw materials such as natural gas, LPG, naphtha, gasoline, kerosene, and other hydrocarbons, alcohols such as methanol, and ethers are mixed with water to form a reforming catalyst.
  • the reformed gas obtained by the steam reforming reaction in the section is used.
  • the Pt catalyst used for the fuel cell electrode may be poisoned by CO contained in the reformed gas. When poisoning of the Pt catalyst occurs, hydrogen The reaction is hindered, and the power generation efficiency of the fuel cell is significantly reduced. Therefore, it is necessary to remove CO to 100 ppm or less, preferably 10 ppm or less, using a hydrogen purifier.
  • CO-shifting catalysts have used copper-zinc based catalysts and copper-chromium-based catalysts that can be used at 150-300 ° C as low-temperature CO shifting catalysts.
  • copper-zinc based catalysts and copper-chromium-based catalysts that can be used at 150-300 ° C as low-temperature CO shifting catalysts.
  • iron-chromium catalysts that function at 300 ° C or higher are used.
  • these CO shift catalysts can be used only as low-temperature CO shift catalysts or as a combination of high-temperature CO shift catalysts and low-temperature CO shift catalysts. Combination Had been used.
  • the CO shift reaction is an equilibrium reaction that does not easily proceed in the direction of reducing the CO concentration in the high-temperature region.
  • the CO concentration is reduced to 1% by volume. It was difficult to: As a result, the purification efficiency of the CO purification section connected later may be reduced.
  • the conventional technology has a problem that, for example, it takes a long time to start up the hydrogen purifier and the handling is complicated, so that it cannot be sufficiently applied to an application that repeatedly starts and stops. .
  • the present invention has been made in consideration of the above-described conventional problems, and has as its object to provide, for example, a hydrogen purification apparatus that can easily be heated at the time of starting and has high CO purification efficiency.
  • the present invention provides a hydrogen purifying apparatus which takes into consideration the above-mentioned conventional problems, for example, facilitates heating at startup, prevents methanation, and increases the efficiency of the apparatus.
  • the purpose is to:
  • a first present invention is a hydrogen purifying apparatus comprising a carbon monoxide conversion catalyst for removing carbon monoxide from a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, and steam,
  • the carbon monoxide conversion catalyst includes a metal oxide containing at least one element selected from Fe, Cr, Ce, Mo, W, Re, and Cu; and Pt, Pd, Rh, and Ru.
  • a hydrogen purification device containing at least one noble metal.
  • the carbon monoxide conversion catalyst is (1) at least one selected from Fe, Cr, Ce, Mo, W, Re, and Cu.
  • the hydrogen purification apparatus of the first aspect of the present invention which contains an element, a composite oxide in which other elements are composited, and (2) at least one noble metal of Pt, Pd, Rh, and Ru is there.
  • the composite oxide is formed by complexing at least one of Mo, W, and Re with Zr, and Mo, W, and Re are A hydrogen purification apparatus according to a second aspect of the present invention, wherein the hydrogen purification apparatus contains a higher atomic percentage than the noble metal contained in the composite oxide.
  • the composite oxide forms a solid solution. This is the third embodiment of the hydrogen purification apparatus of the present invention.
  • the carbon monoxide conversion catalyst is selected from the group consisting of (1) Fe, Cr, Ce, Re, Mo, W, and Cu.
  • the hydrogen purification apparatus according to the second invention wherein at least one of the elements and (2) at least one noble metal of Pt, Pd, Rh, and Ru are ion-exchanged or supported.
  • the carbon monoxide conversion catalyst comprises: the metal oxide or the composite oxide; and at least one noble metal of Pt, Pd, Rh, and Ru. And a zeolite is further mixed in the hydrogen purification apparatus according to the second aspect of the present invention.
  • the present invention seventh (corresponding to claim 7), the Zeorai metropolitan silica and alumina as a main component, the fifth or sixth invention of S i O2 / A 1 2 ⁇ 3 ratio is 4 or more It is a hydrogen purifier.
  • the zeolite is a fifth, sixth or fifth type selected from a Y-type, an L-type, a mordenite-type, a ZSM-5-type and a beta-type structure.
  • 7 is a hydrogen purification apparatus of the present invention No. 7.
  • a ninth aspect of the present invention is that the composite oxide is composed of hydrogen and Fe of the second aspect of the present invention composed of Fe and Cr, 6 and 1, or Fe, Cr and Ni. It is a purification device.
  • a tenth aspect of the present invention is the hydrogen purification apparatus according to the first aspect, wherein the metal oxide is iron oxide, and the particle size of the metal oxide is from 1011111 to 1 ⁇ . .
  • the metal oxide is iron oxide
  • the F e 2 ⁇ 3 and F e 3 ⁇ 4 of the first invention composed of at least one It is a hydrogen purifier.
  • a twelfth aspect of the present invention (corresponding to claim 12) is that the iron oxide has magnetism A tenth or eleventh hydrogen purification apparatus according to the present invention.
  • a thirteenth aspect of the present invention is a fuel cell power generation system using the carbon monoxide shift converter catalyst according to any one of the first to twelfth aspects of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration of a hydrogen generator including a hydrogen purifier according to Embodiments 1, 3, and 5 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing a configuration of a hydrogen generator including a hydrogen purifier according to Embodiments 2 and 6 of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing a configuration of a hydrogen generator including a hydrogen purifier according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic vertical sectional view showing a configuration of a hydrogen generator including a hydrogen purifier according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell power generator incorporating the hydrogen purifier of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing the configuration of the hydrogen purifying apparatus according to the present embodiment.
  • reference numeral 1 denotes a CO conversion catalyst (hereinafter, also simply referred to as a catalyst), which is installed inside the reaction chamber 2.
  • Reference numeral 3 denotes a reformed gas inlet from which reformed gas is introduced. The reformed gas reacted in the CO conversion catalyst 1 is discharged from the reformed gas outlet 4.
  • a diffusion plate 5 is provided upstream of the catalyst 1 so that the reformed gas flows uniformly. Further, in order to keep the reaction chamber 2 at a constant temperature, the outer periphery of a necessary portion was covered with a heat insulating material 6 made of ceramic wool.
  • the catalyst body 1 was prepared by coating a cordierite honeycomb with a catalyst in which Pt was supported on a composite oxide of zirconium (hereinafter referred to as Zr) and molybdenum (hereinafter referred to as Mo '). Using.
  • Fuels used to generate the reformed gas to be supplied to the hydrogen purifier include natural gas, methanol, gasoline, etc.
  • the reforming method is also the steam reforming that adds water vapor, and the part that adds air. Although there is reforming, etc., here we describe the case where natural gas is reformed by steam reforming. You.
  • composition of the reformed gas when natural gas is subjected to steam reforming varies slightly depending on the temperature of the reforming catalyst, but as an average value excluding steam, about 80% by volume of hydrogen, carbon dioxide, Each contains about 10% by volume of carbon monoxide.
  • the natural gas reforming reaction is carried out at about 500 to 800 ° C, while the shift reaction in which CO and steam react is performed at about 150 to 350 ° C.
  • the quality gas is supplied after cooling before the reformed gas inlet 3.
  • the C 2 O concentration after passing through the C 0 conversion catalyst 1 is reduced to about 0.5% by volume, and is discharged from the reformed gas outlet 4.
  • the CO conversion process is a temperature-dependent equilibrium reaction, and the lower the temperature, the lower the CO concentration.
  • the reaction rate on the catalyst decreases. Therefore, there is a temperature at which the CO concentration reaches a minimum.
  • Copper-based conversion catalysts such as copper-zinc catalysts and copper-chromium catalysts used as CO conversion catalysts in conventional hydrogen purifiers can perform CO conversion at low temperatures of 150 to 250 ° C. Depending on the conditions, the CO concentration can be reduced to several hundred to 1,000 ppm.
  • the copper-based catalyst needs to be activated by flowing a reducing gas such as hydrogen or reformed gas at the start-up of the apparatus after the copper-based catalyst is charged into the reactor, and has a heat resistance of about 300 ° C. Low. Therefore, it is necessary to dilute the reducing gas with an inert gas or the like to supply it, or to gradually react it at a small flow rate so that the heat of reaction during activation does not exceed the heat resistance temperature, and it is necessary to take a long time for the reaction. You. Also, when starting up the equipment, it is necessary to heat it slowly and for a long time so that the temperature does not exceed the heat-resistant temperature due to overheating. There are many problems with applications that return.
  • a reducing gas such as hydrogen or reformed gas
  • the noble metal catalyst Pt is used for a part of the catalyst body 1 and has extremely high heat resistance as compared with the copper-based catalyst. Even when the temperature sometimes rises to about 500 ° C, there is no significant deterioration of the catalyst. In addition, there is no need to perform a long-time reduction treatment unlike the copper-based catalyst. Also, even if air is mixed in when the device is stopped, the catalyst deteriorates less than the copper catalyst.
  • Precious metal catalysts containing Pt, Pd, Rh, Ru, and the like as active components have relatively low activity selectivity due to high activity. Therefore, depending on the conditions, the methane conversion reaction of CO or carbon dioxide may also proceed as a side reaction of the CO conversion reaction, and the consumption of hydrogen due to the progress of the methanation reaction may reduce the efficiency of the entire system Is concerned.
  • the methanation reaction becomes more remarkable as the temperature becomes higher.
  • the methane generation rate differs depending on the type of the noble metal. This is because the CO adsorption mechanism differs depending on the type of noble metal.Pd, Rh and Ru, which have a CO adsorption mechanism that facilitates the methanation reaction, generate methane at a relatively low temperature and cause the CO shift reaction.
  • the temperature range in which the process can be performed is narrowed.
  • the Pt catalyst used in the present embodiment hardly causes a methanation reaction and can perform a CO shift reaction in a wide temperature range. Therefore, a large amount of hydrogen is not consumed due to the progress of the methanation reaction, and the hydrogen purifier of the present embodiment can operate efficiently.
  • the activity of the Pt catalyst for the CO conversion reaction is improved, and the methanation reaction can be suppressed. This is due to the effect of changing the oxidation state of the Pt catalyst to a state in which the shift reaction proceeds easily.
  • the amount of Mo added is preferably equal to or more than the amount of Pt supported. Although the catalytic activity improves as the amount of Pt supported increases, the effect of merely increasing the amount of Pt cannot be obtained unless Mo is present in the same amount or more with respect to Pt.
  • molybdenum oxide has a lower heat resistance than a carrier such as zirconia, and when used at a temperature exceeding 600 ° C, the specific surface area may decrease and catalytic activity may decrease. There is. Also, since it is slightly water-soluble, it also reduces the possibility of Mo escaping over long periods of use.
  • the catalyst carrier for example, a composite oxide in which Mo is combined with Zr is used as the catalyst carrier, so that the stability of the catalyst carrier is improved and the activity of the catalyst is hardly reduced.
  • the ratio of Mo and Zr the lower the Mo (that is, the higher the Zr), the higher the heat resistance and the more stable.
  • the content of Mo is preferably at least 1 atomic%.
  • the Mo content is higher than 90 atomic%, almost the same performance as that of molybdenum oxide can be obtained.
  • the carrier is composed of a composite oxide in which at least one of Mo, W, and Re and Zr are composited, and oxygen in the composite oxide is excluded.
  • the same effect as described above can be obtained even when the composition ratio of the elements is 1 to 90 atomic percent with respect to the entire composite oxide.
  • the method of compounding Zr with Mo is not particularly limited, and examples thereof include a coprecipitation method, a sol-gel method, and an alkoxide method.
  • the zirconia may be impregnated with a Mo salt solution.
  • the BET specific surface area is a specific surface area determined by a known measurement method in which nitrogen is adsorbed on a powder.
  • the upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited, and a high activity can be obtained similarly even when the surface area is 100 to 200 square meters per lg. The effect of increasing the surface area is reduced. If the BET specific surface area of the metal oxide / composite metal oxide is less than 10 square meters per 1 g, Pt is not sufficiently adsorbed and the dispersion of Pt is reduced. No catalytic activity is obtained. If the amount of Pt supported is reduced in order to reduce the particle size of Pt, the number of active sites decreases, and sufficient activity cannot be obtained.
  • a composite oxide in which Mo is compounded with respect to Zr is used.
  • Mo tungsten (W) or rhenium (R e) may be compounded. Similar effects can be obtained. Since these elements have chemical properties similar to Mo, the effect of addition is the same as Mo. The same effect can be obtained by using these additional elements in combination.
  • the shape of the catalyst body is cordierite honeycomb, but the same performance can be obtained even if the shape of the carrier is pelletized and impregnated with a Pt salt to produce a CO conversion catalyst body. Is obtained. (Embodiment 2)
  • the catalyst body is divided into two stages and a cooling unit is provided in the middle of the catalyst body, and most of the operation and effect are similar to those of the first embodiment. Therefore, the present embodiment will be described focusing on the different points.
  • FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing the configuration of the hydrogen purifier according to the present embodiment.
  • the catalyst body is divided into the first catalyst body 11 and the second catalyst body 13, a cooling section is provided in the middle, and the reformed gas is cooled by the cooling fan 19, thereby reducing the CO concentration with a small amount of catalyst can do. Since the CO conversion reaction is an exothermic reaction, the heat of reaction generated in the upstream part of the catalyst is transferred to the downstream part by the reformed gas. For this reason, the temperature of the catalyst body is likely to be higher in the downstream portion, and even if the C0 concentration is sufficiently reduced in the upstream portion, the C0 concentration increases due to the reversion reaction in the high-temperature downstream portion.
  • the reverse reaction can be suppressed by lowering the temperature of the second catalyst body 13 on the downstream side than that of the first catalyst body 11.
  • a two-stage configuration is used.
  • the number of stages there is no particular limitation on the number of stages, and high characteristics can be obtained as long as the catalyst bodies in each stage can be controlled to optimal temperatures.
  • the carbon monoxide shift catalyst is divided into a plurality of stages, and each of the split carbon monoxide shift catalysts is disposed upstream of the reformed gas path.
  • a cooling unit for cooling at least one of the reformed gas between the carbon monoxide shift catalysts, and a radiator for releasing the heat of the reformed gas may be provided, and even with such a configuration, the same effect as described above can be obtained.
  • cooling fan was used as the cooling means, cooling with water may be used.
  • examples 1 and 2 will be described below as examples corresponding to the first embodiment.
  • a reformed gas containing 8% by volume of carbon monoxide, 8% by volume of carbon dioxide, 20% by volume of water vapor, and the balance of hydrogen was introduced at a flow rate of 10 liters per minute.
  • the composition of the gas discharged from the reformed gas outlet 4 was measured by gas chromatography.
  • a conventional copper-zinc catalyst was used as the catalyst body 1 in place of the above-mentioned composite oxide supporting Pt, and the reaction chamber 2 shown in FIG. It was installed in.
  • a reformed gas containing 8% by volume of carbon monoxide, 8% by volume of carbon dioxide, 20% by volume of steam, and the balance of hydrogen was introduced at a flow rate of 10 liters per minute.
  • the composition of the gas discharged from the reformed gas outlet 4 was measured by gas chromatography, and the lowest value of the CO concentration was 0.08% by volume. Met.
  • the operation of restarting after restarting the device was repeated 10 times, and the change in the activity of the catalyst was confirmed by measuring the CO concentration.
  • the lowest value of the CO concentration was 4% by volume.
  • the CO concentration after starting and stopping 10 times is significantly higher than that in the case of using the catalyst in the aforementioned example. Therefore, as described above, it has been confirmed that the hydrogen purifier of the present invention is not easily affected by oxygen contamination and the like and is stably operated for a long period of time even when the operation is repeatedly started and stopped. .
  • the present invention provides, for example, a reformed gas supply unit for supplying a reformed gas containing at least hydrogen gas, carbon monoxide, and steam;
  • a hydrogen purifier comprising a reaction chamber provided with a carbon monoxide shift catalyst located downstream, wherein the carbon monoxide shift catalyst is at least Mo or W or R with respect to Zr, for example. Let e be at least Pt supported on the composite oxide.
  • the composition ratio in the composite oxide is preferably such that Mo is 1 to 90 atomic% and the remaining force is r.
  • Pt is supported on the composite oxide of the present invention.
  • the present invention is not limited to this.
  • Pt, Pd, Rh, Ru At least one of them.
  • a noble metal catalyst containing Pd, Rh, Ru, or the like as an active component may cause the methanation reaction to proceed as described above. Therefore, it is most preferable to use Pt. Therefore, even when Pd, Rh, Ru or the like is used, at least Pt is supported on the composite oxide, and it is desirable that these are added mainly with Pt.
  • the hydrogen purification apparatus of the present invention has improved durability of the CO conversion catalyst, and can operate stably even when the apparatus is repeatedly started and stopped.
  • reference numeral 1 denotes a CO conversion catalyst (hereinafter, also simply referred to as a catalyst), which is installed inside the reaction chamber 2.
  • Reference numeral 3 denotes a reformed gas inlet, through which reformed gas is introduced. The reformed gas reacted by the catalyst 1 is discharged from the reformed gas outlet 4.
  • a diffusion plate 5 is provided upstream of the catalyst 1 so that the reformed gas flows uniformly. Further, in order to keep the reactor at a constant temperature, necessary portions are covered with a heat insulating material 6 made of ceramic wool.
  • the catalyst body 1 S i 0 2 / A l 2 ⁇ 3 two 5 (silica one alumina ratio faujasite site type 4 or more of) Y-type zeolites (molar ratio) in the C e It was prepared by coating a cordierite honeycomb with one carrying Pt.
  • Fuels used to generate the reformed gas to be supplied to the hydrogen purifier include natural gas, methanol, gasoline, etc.
  • the reforming methods are steam reforming with steam and partial reforming with air. This section describes the case where natural gas is reformed by steam reforming.
  • the composition of the reformed gas when natural gas is subjected to steam reforming varies slightly depending on the temperature of the reforming catalyst, but as an average value excluding steam, about 80% by volume of hydrogen, carbon dioxide, Each contains about 10% by volume of carbon monoxide.
  • the reforming reaction of natural gas is performed at about 500 to 800 ° C, while the conversion reaction of CO and water vapor is performed at about 150 to 350 ° C.
  • the quality gas is supplied after cooling before the reformed gas inlet 3.
  • the CO concentration after passing through the contact medium 1 is reduced to about 1% by volume, and the reformed gas outlet 4 Is more exhausted.
  • the CO conversion process is a temperature-dependent equilibrium reaction, and the lower the temperature, the lower the CO concentration.
  • the reaction rate on the catalyst decreases. Therefore, there is a temperature at which the CO concentration reaches a minimum.
  • Copper-based conversion catalysts such as copper-zinc catalyst and copper-chromium catalyst used as CO conversion catalysts in conventional hydrogen purifiers can perform CO conversion at a low temperature of 150 to 250 ° C. Depending on the conditions, the CO concentration can be reduced to several hundred to 1,000 ppm.
  • the copper-based catalyst needs to be activated by flowing a reducing gas such as hydrogen / reforming gas after being charged into the reactor, and has a low heat resistance of about 300 ° C. Therefore, it is necessary to dilute the reducing gas with an inert gas or the like or to supply it with a small amount of gas so that the reaction heat at the time of activation does not exceed the heat resistant temperature. Cost. Also, when starting up the equipment, it is necessary to heat it slowly and for a long time so that the temperature does not exceed the heat-resistant temperature due to overheating. Many.
  • a reducing gas such as hydrogen / reforming gas
  • the catalyst body 1 a catalyst body containing a noble metal as an active component is used as the catalyst body 1, and the catalyst is greatly deteriorated even when the apparatus is started up to about 500 ° C. There is nothing.
  • the heat resistance of the catalyst body 1 is high, it is not necessary to perform the reduction treatment for a long time in order to suppress heat generation due to the heat of the reduction reaction as in the case of the copper-based catalyst. Also, even if air is mixed in when the device is stopped, the catalyst deteriorates less than the copper catalyst.
  • the active ingredient is supported in a highly dispersed manner, and the interaction between the carrier zeolite and the noble metal is achieved. Is large, so that deterioration is also suppressed.
  • Zeolite is generally composed mainly of silica and alumina.
  • Precious metal catalysts containing Pt ', Pd, Rh, Ru, and the like as active components have high activity and relatively low reaction selectivity. Therefore, depending on the conditions, the methane conversion reaction of CO or carbon dioxide may also proceed as a side reaction of the CO conversion reaction, and the consumption of hydrogen due to the progress of the methanation reaction may reduce the efficiency of the entire system Is concerned.
  • the methanation reaction becomes more pronounced as the temperature increases, but the methane production rate differs depending on the type of noble metal. This is because the mechanism of CO adsorption differs depending on the type of precious metal.Pd, which has a mechanism for adsorbing CO, which promotes the methanation reaction, emits methane even at relatively low temperatures. As a result, the temperature range in which the CO shift reaction can be performed is narrowed.
  • the Pt catalyst used in the present embodiment hardly causes a methanation reaction and can perform a CO shift reaction in a wide temperature range. Therefore, a large amount of hydrogen is not consumed by the progress of the methanation reaction, and the hydrogen purifying apparatus of the present embodiment is not consumed. The device can operate efficiently.
  • the amount of the noble metal to be supported may be any amount as long as the noble metal has a high degree of dispersion and can exhibit the required activity. As the noble metal content increases, the noble metal particles become larger and the amount of noble metal that does not contribute to the reaction increases. Conversely, if the noble metal content is low, sufficient activity cannot be obtained. For this reason, it is preferably between 0.1% by weight and 5% by weight with respect to the catalyst carrier, like a normal noble metal catalyst for combustion and exhaust gas purification.
  • Ce has the effect of suppressing the methanation reaction on the noble metal catalyst.
  • alumina, silica, titanium oxide or the like is used as a catalyst carrier for the noble metal catalyst.
  • the methanation reaction easily proceeds in a temperature range of 300 ° C or higher.
  • methanation reaction hardly proceeds even at a high temperature of about 450 ° C. Similar effects can be obtained by adding a transition metal selected from Cu, Fe, Cr, Re, Mo, and W in addition to Ce.
  • the added amount of Cu, Fe, Cr, Ce, Re, Mo, and W is preferably an amount capable of being efficiently supported in the pores of zeolite, and 0.5 to 10% by weight is most effective. is there.
  • zeolite having a Y-type structure was used.
  • the structure is not particularly limited as long as the zeolite has sufficiently large pores for a reaction gas (CO and water molecules).
  • a reaction gas CO and water molecules.
  • Mordenite, ZSM-5, and beta structures These have pores of 0.5 to 1 nm, and active sites in the pores can function effectively, so that high activity can be obtained.
  • the shape of the catalyst body is a cordierite honeycomb coated with a catalyst, but the zeolite shape is a pellet shape, and the catalyst is impregnated with a noble metal salt or the like, and the CO conversion catalyst body is formed. Even if it is produced, a CO shift catalyst having the same performance can be obtained.
  • zeolite supports Ce and Pt, but the same effect can be obtained by mixing zeolite with a noble metal supported on a metal oxide such as cerium oxide.
  • Embodiment 4 is similar to Embodiment 3 except that an air supply unit 25 (or an oxidizing gas supply unit) is provided upstream of the catalyst body 21 as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view showing the configuration of the hydrogen purifier according to the present embodiment.
  • reference numeral 21 denotes a CO conversion catalyst (hereinafter, also simply referred to as a catalyst), which is installed inside the reaction chamber 22.
  • 23 is a reformed gas inlet from which reformed gas is introduced. The reformed gas reacted by the catalyst 21 is discharged from the reformed gas outlet 24.
  • a diffusion plate 26 is provided upstream of the catalyst body 21 so that the reformed gas flows uniformly. Further, in order to keep the reactor at a constant temperature, the outer periphery is covered with a heat insulating material 27 made of ceramic wool.
  • the catalyst 21 By supplying air from the air supply unit 25, hydrogen or carbon monoxide in the reformed gas is oxidized by the catalyst 21. Normally, when starting Water condenses on the catalyst until the temperature of 21 rises sufficiently, and the oxidation reaction does not proceed sufficiently. For this reason, it does not generate heat even when air is added, so it takes time to start up.
  • the catalyst 21 contains hydrophobic zeolite, and the oxidation reaction occurs on the catalyst 21 even under the condition where a large amount of water vapor is contained, such as when the apparatus is started. Progresses, and the temperature of the catalyst body 21 rises quickly.
  • the amount of air to be added varies depending on the device configuration and the like, and is not particularly limited. However, it is necessary to select an air amount at which the temperature of the catalyst rapidly rises and the temperature of the catalyst body does not excessively rise.
  • the supplied air oxidizes Cu and generates heat at a temperature lower than the temperature at which the oxidation reaction of the catalyst starts, so that heat is generated.
  • the temperature of the catalyst body 21 rises faster.
  • silica one alumina ratio S i O 2 / A 1 2 ⁇ 3 5 Y-type zeolite preparative (referred to as Y in the table), C u, F e, C r, 1% by weight of Ce, Re, Mo, and W were supported, and 1% by weight of a noble metal (noble metal species is described in the table).
  • silica one alumina ratio S i O 2 / A 1 2 ⁇ 3 5 in L-type, Morudenai preparative, ZSM 5 type, the beta zeolite preparative (in the table, respectively L, M, and ZSM 5,] 3 1) by weight, and 1% by weight of Pt. These were coated on a cordierite honeycomb and placed in the reaction chamber 2 shown in FIG.
  • ⁇ -type zeolite can be obtained by using L-type, mordenite-type, ZSM5-type, and] 3-type zeolites.
  • an air supply unit 14 is provided upstream of the catalyst body 21 and the air is supplied at a flow rate of 0.2 liter per minute while starting up in the same manner as in the fifth embodiment. The time was measured. Table 5 summarizes these results.
  • Comparative Examples 2 to 4 are shown below as Comparative Examples corresponding to Examples: to 7.
  • an oxide having the composition shown in Table 7 or a noble metal supported on 1% by weight of alumina, and 42 to 47 as the catalyst body 1 were used.
  • an air supply unit 25 was provided upstream of the catalyst body 21 as shown in FIG. 3 and started in the same manner as in Comparative Example 3 while supplying air at a flow rate of 0.2 liter per minute. When the time was measured, it was 40 minutes.
  • the complex oxide of iron and chromium that does not contain noble metals cannot reduce CO enough, and the copper-zinc catalyst has a high initial activity, but its activity decreases significantly after repeated start-stop.
  • the activity is not reduced, but the methane concentration at 400 ° C. is high.
  • the startup time was also shortened by using Zeolite.
  • the hydrogen purification apparatus of the present invention has improved durability of the CO conversion catalyst, and operates stably even when the apparatus is repeatedly started and stopped. Startup time can also be reduced (Embodiment 5)
  • reference numeral 1 denotes a CO conversion catalyst (hereinafter, also simply referred to as a catalyst). ), which is installed inside the reaction chamber 2.
  • Reference numeral 3 denotes a reformed gas inlet from which reformed gas is introduced. The reformed gas reacted by the CO shift catalyst 1 is discharged from the reformed gas outlet 4.
  • a diffusion plate 5 is provided upstream of the catalyst 1 so that the reformed gas flows uniformly. Further, in order to keep the reactor at a constant temperature, necessary portions are covered with a heat insulating material 6 made of ceramic wool.
  • Fuels used to generate the reformed gas to be supplied to the hydrogen purifier include natural gas, methanol, gasoline, etc.
  • the reforming method is also the steam reforming that adds water vapor, and the part that adds air. There is reforming, etc., but here, the case where natural gas is reformed by steam reforming will be described.
  • composition of the reformed gas when natural gas is subjected to steam reforming varies slightly depending on the temperature of the reforming catalyst, but as an average value excluding steam, about 80% by volume of hydrogen, carbon dioxide, Each contains about 10% by volume of carbon monoxide.
  • the natural gas reforming reaction is carried out at about 500 to 800 ° C, while the shift reaction in which CO and steam react is performed at about 150 to 350 ° C.
  • the quality gas is supplied after cooling before the reformed gas inlet 3. After passing through the CO conversion catalyst 1, the CO concentration is reduced to about 1% by volume and discharged from the reforming gas outlet 4.
  • CO shift reaction is an equilibrium reaction depending on temperature, The more the CO concentration can be reduced. On the other hand, at low temperatures, the reaction rate on the catalyst decreases. Therefore, there are temperatures where the CO concentration has a minimum.
  • Copper-based conversion catalysts such as copper-zinc catalyst and copper-chromium catalyst used as co-transformation catalysts in conventional hydrogen purifiers can perform CO-transformation at low temperatures of 150 to 250 ° C. Depending on the conditions, the CO concentration can be reduced to several hundred to 1,000 ppm.
  • copper-based catalysts need to be activated by flowing a reducing gas such as hydrogen / reformed gas after filling in a reactor, and have a heat resistance of 3%.
  • a reducing gas such as hydrogen / reformed gas
  • Cost when starting up the equipment, it is necessary to heat it slowly and for a long time so that the temperature does not exceed the heat resistance temperature due to overheating. Many.
  • the catalyst body 1 uses Pt supported on a composite oxide of Fe and Cr having high heat resistance. Even at temperatures as high as ° C, the catalyst does not deteriorate significantly. Further, since the heat resistance of the catalyst body 1 is high, it is not necessary to perform the reduction treatment over a long period of time in order to suppress heat generation due to the heat of the reduction reaction, unlike a copper-based catalyst. Also, even if air is mixed in when the device is stopped, the catalyst deteriorates less than the copper catalyst.
  • Oxides of Fe and Cr each show activity in the metamorphic reaction even when they are used alone.However, since the reaction rate is low, the reaction rate increases. It must be used at low space velocities (SV) with a catalyst. When used at high temperatures, the equilibrium concentration of CO is high and the CO is sufficiently low. It cannot be reduced. Also, if a large amount of catalyst is used, it becomes difficult to reduce the size of the apparatus. When Fe and Cr are combined, the heat resistance is improved and the oxidation-reduction of the oxide accompanying the reaction proceeds smoothly, so that the reaction speed is improved and the activity is increased even in a temperature range of about 350 ° C. As shown, the limit is to reduce CO to about 2% by volume, which is not sufficient.
  • Precious metal catalysts containing Pt, Pd, Rh, Ru, and the like as active components have relatively low activity selectivity due to high activity. Therefore, depending on the conditions, the methane conversion reaction of CO or carbon dioxide may also proceed as a side reaction of the CO conversion reaction, and the consumption of hydrogen due to the progress of the methanation reaction may reduce the efficiency of the entire system Is concerned.
  • the methanation reaction becomes more pronounced at higher temperatures, but the meta-generation rate varies depending on the type of noble metal. This is because the CO adsorption mechanism differs depending on the type of noble metal.Pd, Rh, and Ru, which have a CO adsorption mechanism that facilitates the methanation reaction, generate methane even at relatively low temperatures and produce CO
  • the temperature range in which the reaction can be performed becomes narrow.
  • the Pt catalyst used in the present embodiment hardly causes a methanation reaction and can perform a CO shift reaction in a wide temperature range. Therefore, a large amount of hydrogen is not consumed by the progress of the methanation reaction, and the hydrogen purifying apparatus of the present embodiment can operate efficiently.
  • noble metal catalysts include alumina, silica, titanium oxide, etc.
  • the methanation reaction easily proceeds in a temperature range of 300 ° C or more.
  • an oxide of Fe or Cr is used as a catalyst carrier, the methanation reaction hardly proceeds even at a high temperature of about 450 ° C.
  • a composite oxide obtained by compounding (: 1: 1) into 6 is used as the catalyst carrier, so that the stability of the catalyst carrier is improved and the activity of the catalyst is hardly reduced.
  • the activity increases as the amount of Cr decreases (that is, the amount of Fe increases), but the heat resistance decreases as the Cr content decreases. Therefore, the content of Cr is preferably at least 1 atomic% with respect to Fe. However, when the Cr content is higher than 50 atomic%, almost the same performance as that of chromium oxide can be obtained. That is, in the hydrogen purifying apparatus, when the composition ratio of elements excluding oxygen in the oxide is 1 to 50 atomic percent of Cr with respect to Fe, the same effect as described above can be obtained.
  • the method of complexing Cr with Fe is not particularly limited, and examples thereof include a coprecipitation method, a sol-gel method, and an alkoxide method.
  • the iron oxide may be impregnated with a solution of a Cr salt.
  • a composite oxide in which Cr is compounded with Fe is used.
  • a catalyst carrier having a high specific surface area such as alumina, silica alumina, or zirconia is used. The same effect can be obtained by using a composite of Cr.
  • the catalyst body was formed by coating the catalyst on a cordierite honeycomb, but the carrier was formed into a pellet shape and impregnated with a Pt salt to prepare a CO conversion catalyst body.
  • a CO shift catalyst having the same performance can be obtained.
  • the amount of noble metal supported is such that noble metal has a high degree of dispersion and Any amount can be used as long as the activity can be exhibited.
  • the noble metal content increases, the noble metal particles become larger and the amount of noble metal that does not contribute to the reaction increases. Conversely, if the noble metal content is low, sufficient activity cannot be obtained. For this reason, it is preferably between 0.1% by weight and 10% by weight with respect to the catalyst carrier, like a normal noble metal catalyst for combustion and exhaust gas purification.
  • the catalyst body is divided into two stages, and a cooling unit is provided in the middle of the catalyst body.
  • a cooling unit is provided in the middle of the catalyst body.
  • FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing the configuration of the hydrogen purifier according to the present embodiment.
  • the CO concentration can be reduced with a small amount of catalyst.
  • the cooling unit in the example of Fig. 2, a plurality of pipes through which air passes are provided.
  • a heat recovery unit may be provided instead of the cooling unit.
  • the co-transformation reaction is an exothermic reaction
  • the heat of reaction generated in the upstream part of the catalyst is transferred to the downstream part by the reformed gas.
  • the temperature of the catalyst body is likely to be higher in the downstream portion, and even if the C0 concentration is sufficiently reduced in the upstream portion, the C0 concentration increases due to the reversion reaction in the high-temperature downstream portion. Therefore, the reverse reaction can be suppressed by lowering the temperature of the second catalyst body 13 on the downstream side than that of the first catalyst body 11.
  • the reaction chamber is divided into the first reaction chamber 12 and the second reaction chamber 14, but the temperature of the reformed gas is located at an intermediate position between the first catalyst body 11 and the second catalyst body 13. It is not necessary to divide the reaction chamber if a means such as a radiation fin is provided as a means for reducing the temperature.
  • the same type of catalyst is used for the first catalyst 11 and the second catalyst 13, but a second catalyst which is active at a lower temperature than the first catalyst is used.
  • the second catalyst 13 may be any catalyst as long as it has a higher activity at low temperatures for the metamorphic reaction than the first catalyst.
  • examples include a composite oxide of Zr and Ce supporting Pt.
  • a copper zinc catalyst is preferred.
  • the hydrogen purifier is a hydrogen purifier including a carbon monoxide shift catalyst for removing carbon monoxide from a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, and steam, wherein the carbon monoxide shift catalyst is It is composed of a plurality of stages, at least one of which has an oxide containing at least one element of Fe and Cr and at least one of Pt, Pd, Rh and Ru A first catalyst body containing a noble metal is installed, and at least one lower stage of the first catalyst body is provided with a second catalyst body that is active at a lower temperature than the first catalyst body. In that case, the same effect can be obtained.
  • the second catalyst body 13 may be one in which Pt is supported on an oxide containing at least one element of Zr, Ce, and A1, and in that case, the above-described second catalyst body 13 may also be used. The same effect can be obtained.
  • the second catalyst body may contain at least Cu and Zn, and in such a case, the same effect as above can be obtained.
  • Example 8 1% by weight of a noble metal (noble metal species is described in the table) was supported on metal oxides or composite oxides 1 to 10 having compositions shown in Table 8. This was coated on a Koji Elite honeycomb and placed in the reaction chamber 2 shown in FIG.
  • a reformed gas containing 8% by volume of carbon monoxide, 8% by volume of carbon dioxide, 20% by volume of water vapor, and the balance of hydrogen was introduced at a flow rate of 10 liters per minute.
  • the composition of the gas discharged from the reformed gas outlet 4 was measured by gas chromatography.
  • a reformed gas consisting of 8% by volume of carbon monoxide, 8% by volume of carbon dioxide, 20% by volume of steam, and the balance of hydrogen was introduced at a flow rate of 10 liters per minute.
  • the methane concentration in the gas after the reaction at the lowest value of the CO concentration and the temperature of the first catalyst 11 at 400 ° C. was 0.30% by volume and 0.005% by volume, respectively.
  • an operation to re-Pi repeatedly started 1 0 times, by measuring the CO concentration O to confirm the activity variation of the catalyst rollers, 0. 3 0 volume 0 /. Met.
  • Comparative Example 6 is described below as a comparative example corresponding to Examples 8 and 9. (Comparative Example 5)
  • an oxide having a composition shown in Table 9 or a noble metal supported on 1% by weight of alumina, and 11 to 19 were used as the catalyst 1, As in Example 8, it was set in the reaction chamber 2 shown in FIG.
  • a reformed gas containing 8% by volume of carbon monoxide, 8% by volume of carbon dioxide, 20% by volume of water vapor, and the balance of hydrogen was introduced at a flow rate of 10 liters per minute.
  • the composition of the gas discharged from the reformed gas outlet 4 was measured by gas chromatography. Measure the minimum value of the CO concentration when the temperature is changed, the methane concentration in the gas after the reaction at a catalyst temperature of 400 ° C, and stop and restart the device 10 times. Then, the minimum value of the CO concentration was measured to confirm the change in the activity of the catalyst. Table 9 summarizes these results. .
  • the hydrogen purification apparatus of the present invention has improved durability of the CO conversion catalyst, and can operate stably even when the apparatus is repeatedly started and stopped.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a hydrogen purifying apparatus according to Embodiment 7 of the present invention.
  • a reforming section 31, a reforming catalyst 32 contained in the reforming section 31, and a reforming catalyst 3 are shown.
  • a hydrogen gas supply unit is provided by a raw material supply unit 3 that supplies raw materials to 2, a water supply unit 3 that supplies water to the reforming catalyst 32, and a reforming heating unit 35 that heats the reforming catalyst 32.
  • Reference numeral 36 denotes a shift section to which the gas from the reforming section 31 is supplied, in which a shift catalyst body 37 is stored.
  • the hydrogen gas whose carbon monoxide has been reduced in the shift unit 36 becomes hydrogen gas whose carbon monoxide concentration has been reduced to 100 ppm or less through the purification unit 38 in order to further reduce the carbon monoxide. .
  • the supplied methane amount was set to 35 OLZ hours, and the heating amount was controlled by the reforming heating section 35 so that the temperature of the reforming catalyst 32 became about 700 ° C, and the water vapor reforming was performed.
  • the reaction was allowed to proceed.
  • the hydrogen gas after the reaction in the reforming section 31 was supplied to the shift section 36.
  • a shift reaction occurs between the carbon monoxide in the hydrogen gas and water vapor on the shift catalyst 37.
  • the invention described in the present embodiment is characterized in that a catalyst prepared by supporting Pt on an oxide of iron (hereinafter, referred to as Fe) is used as the conversion catalyst 37.
  • the modified catalyst body 37 is formed by coating the present catalyst on cordierite honeycomb.
  • Fe oxide as a carrier can suppress the formation of methanation and reduce carbon monoxide.
  • the reason for this is that Fe has the effect of attracting the electrons of Pt, which makes the adsorption of Pt and carbon monoxide in the shift reaction process weaker than that of the catalysts used conventionally. . Therefore, carbon monoxide adsorbed on Pt reacts with water, and the carbon dioxide generated is easily desorbed. The adsorption of element does not become rate-limiting. As a result, methane production can be suppressed.
  • Fe oxides are composed of Fe 2 ⁇ 3 or Z and Fe 3 ⁇ 4 , so that the shift reaction proceeds preferentially, and methane as a by-product of the reaction between carbon monoxide and hydrogen. Generation can be suppressed.
  • the F e oxide is present in the form of F e 2 ⁇ 3, itself is reduced with carbon monoxide F e 3 0 4 and. Becomes a two Produces carbon oxide.
  • F e 3 0 4 is oxidized by steam itself F e 2 ⁇ 3 next, to produce hydrogen.
  • F e oxide is present in F e 2 0 3 or Z and F e 3 Rei_4 by F e oxide itself repeatedly redox cycle, priority shift reaction of carbon monoxide and hydrogen Can be progressed. As a result, methane production can be suppressed.
  • the Fe oxide as a composite oxide of Cr or Z and Ni, it is possible to make the shift conversion catalyst excellent in durability.
  • Fe oxides are subject to thermal degradation when exposed to high temperatures, resulting in reduced catalytic activity.
  • Cr or Ni has the effect of suppressing thermal degradation of Fe at high temperatures, the catalyst activity can be maintained even after exposure to high temperatures.
  • the presence of Cr and / or Ni oxide at the grain boundaries of the Fe oxide prevents thermal condensation of the Fe oxide particles, resulting in a metamorphosis compared to the Fe oxide alone. Thermal degradation of the medium can be suppressed.
  • Fe oxide and Cr and / or Ni oxide form a solid solution to form a composite oxide, the movement, condensation, and growth of particles are reduced, and the thermal degradation of the metamorphic catalyst is further increased. Has the effect of suppressing
  • the particle size of the Fe oxide also affects the reactivity. Since the particle size of Pt in the present catalyst is about 1 nm to 10 nm, the carrier for supporting Pt preferably has a particle size of Pt or more. On the other hand, if the particle size is smaller than 10 nm, it tends to agglomerate at a high temperature, which causes thermal degradation of the shift catalyst. Also, if the particle size of the Fe oxide is larger than 1 ⁇ m, the surface area is reduced, and the interaction force between the Fe oxide and Pt is reduced. In order for the reaction to proceed effectively, it is desirable to use a particle size smaller than ⁇ . In this embodiment, the Fe oxide having a particle diameter of 30 nm was used.
  • the conversion catalyst 37 is also high when zeolite is used as a catalyst carrier and Fe is ion-exchanged and supported by Pt by impregnation. Catalyst activity is obtained.
  • zeolite Since zeolite has a large surface area, the catalytic reaction area increases, and the catalytic activity improves.
  • the ion exchange method as a loading method only replaces the acid sites in the zeolite, Fe can be loaded in a highly dispersed manner, leading to an improvement in catalytic activity.
  • F e carried by replacing the acid sites in zeolite is an acidic substance having an acid site, and is easy to attract electrons of other materials. Therefore, since electrons of Pt carried later are attracted to F e, in the process of the shift reaction, the adsorbing power of carbon monoxide adsorbed on Pt with carbon atoms is weakened. As a result, as in the case where Pt is supported on the Fe oxide, the methanation reaction is suppressed and the shift reaction is allowed to proceed selectively, so that carbon monoxide can be effectively reduced.
  • the same effect can be obtained by using oxides of A1, Si, Ce, Zr, and Ti instead of zeolite. These oxides can also easily increase the surface area and can be used as a carrier that easily supports Fe and Pt, so that the same effect can be obtained.
  • a hydrogen purifying apparatus comprising: a gas supply unit that supplies a hydrogen gas containing at least water vapor and carbon monoxide; and a shift unit that has a shift catalyst that shifts carbon monoxide and steam in the hydrogen gas.
  • the above-mentioned metamorphic catalyst body uses an oxide containing at least one element of A1, Si, Ce, Zr, and Ti as a catalyst carrier, and at least one of Cu, Zn, and Fe.
  • a transition metal and at least one noble metal of Pt, Pd, Rh, and Ru may be supported.
  • the catalyst carrier may be zeolite, and in such a case, the same effect as above can be obtained.
  • the conversion catalyst body has carried on the zeolite by ion exchange of at least one transition metal of Cu, Zn and Fe, at least one of Pt, Pd, Rh and Ru Two noble metals may be supported, and in this case, the same effect as described above can be obtained.
  • the reforming section 41 has a heating section 42 at a lower portion thereof, and the heating section 42 is connected to a combustion gas supply section 49 via a pipe.
  • the reforming section 41 includes a raw material supply section 43 and a reformed water supply section 44. Is connected.
  • the reforming section 41 is connected to a CO shift section 45, and the CO shift section 45 is connected to a CO purification section 47 via a pipe.
  • Inside the CO shift section 45 the CO shift catalyst of the present invention is installed.
  • a purified air supply unit 46 is connected to a pipe connecting the CO conversion unit 45 and the CO purification unit 47.
  • the inlet of the fuel cell power generation unit 48 is connected to the CO purification unit 47 via a pipe.
  • a combustion gas supply unit 49 is connected to an outlet of the fuel cell power generation system 48 via a pipe.
  • the combustion gas supplied from the combustion gas supply unit 49 is heated by the heating unit 42 to heat the reforming unit 41.
  • Water is supplied to the reforming section 41 from the reforming water supply section 44, and the water is heated by the heating section 42 to generate steam.
  • the reformed gas is generated by heating the generated steam and the raw material gas supplied from the raw material supply unit 43 by the heating unit.
  • the generated reformed gas is sent to the CO conversion unit 45, and the carbon monoxide contained in the reformed gas is reduced by the conversion reaction.
  • the reformed gas with reduced carbon monoxide is sent to the CO purification section 47, where it is oxidized by the air supplied from the purified air supply section 46, thereby further reducing carbon monoxide. .
  • the reformed gas that has exited the CO purification unit 47 is sent to the fuel cell power generation unit 48, where electricity is extracted by the generation of a power generation reaction.
  • the reformed gas remaining without contributing to the power generation reaction in the fuel cell 48 is discharged from the outlet of the fuel cell 48, sent to the combustion gas supply unit 49 through a pipe, and is heated together with the combustion gas into the heating unit 4. Sent to 2.
  • the carbon monoxide shift unit incorporated into the fuel cell power generation system of the present invention shown in Fig. 5 has improved durability of the CO shift catalyst, and is stable even when the device is repeatedly started and stopped. Can work on As a result, the CO concentration can be reduced at a high rate over a long period of time. Therefore, CO, which inhibits the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell, is stably removed by the CO purification unit, and a fuel cell power generation system that is effective for homes and vehicles can be realized.
  • Noble metals (noble metal species are listed in the table) were supported on the Fe oxide by 2% by weight. Then, it was formed into a slurry, which was coated on a cordierite honeycomb, and placed in a shift conversion section 36 as a shift catalyst 37 shown in FIG.
  • Methane gas is supplied from the raw material supply section 33 for 350 hours and water is supplied from the water supply section 34 for 1400 Z hours, and reforming is performed so that the temperature of the reforming catalyst 32 becomes 750 ° C.
  • the heating amount was controlled in the heating section 35 to allow the steam reforming reaction to proceed.
  • the conversion rate of methane becomes 100%
  • the composition of the gas supplied to the metamorphic section 36 is approximately 8% by volume of carbon monoxide, 8% by volume of carbon dioxide, 20% by volume of water vapor, and the balance Became hydrogen.
  • the gas composition discharged to the outlet of the shift section 36 was measured by gas chromatography.
  • a composite oxide was prepared by calcining a precipitate formed by mixing 'Cr or Z and Ni nitrate with Fe nitrate (ratio is shown in the table). After supporting 2 wt% of Pt on the prepared composite oxide, the slurry was formed into a slurry, which was coated on a cordierite honeycomb, and placed in a metamorphic section 36 as a metamorphic contact medium 37 shown in FIG.
  • Example 11 The operation was performed in the same manner as in Example 10, and the gas composition at the outlet of each of the shift sections 36 was measured by changing the temperature of the shift catalyst 37 as the initial characteristics of the shift catalyst 37. Thereafter, the temperature of the shift catalyst 37 was raised to 500 ° C. and cooled, and the same operation was performed again to measure the gas composition at the outlet of the shift section 36.
  • the experimental results shown in Table 11 support the following facts described above.
  • the initial activity is slightly lower than that of the Fe oxide alone by mixing the Fe oxide with the Cr or / and Ni oxide to form a composite oxide, but is 500.
  • the activity after increasing to C is higher.
  • the Fe oxide alone is exposed to high temperatures, it undergoes thermal degradation to lower its activity.However, by mixing Cr or Ni oxide into a composite oxide, the thermal degradation of the shift catalyst 37 Has been prevented.
  • the experimental results shown in Table 12 support the following facts described above.
  • the 7 nm and 2 m Fe oxide particles had higher CO concentrations than the other samples.
  • the particle size of the Fe oxide is preferably from 10 nm to 1 ⁇ , and more preferably from 3 O nm to l // m.
  • Example 2 The same operation as in Example 1 was performed for the operation, and the lowest value of the carbon monoxide concentration measured by changing the temperature of the shift catalyst 37 and the temperature of methane when the temperature of the shift catalyst 37 was 400 ° C. The concentration was measured. Table 13 shows the results of Samples 1 to 3.
  • the experimental results shown in Table 14 support the following facts described above.
  • the magnetic state of the Fe oxide is preferably ferromagnetic.
  • Example 10 2% by weight of transition metal (Fe, Cu, Zn) supported on zeolite or A1, Ce, Ti oxide support by ion-exchange method, and noble metal (noble metal species are listed in the table) After loading 2% by weight of the catalyst, it was formed into a slurry, which was coated on a cordierite honeycomb and placed in a shift conversion section 36 as a shift catalyst body 37 shown in FIG. As in Example 10, the lowest value of carbon monoxide measured by changing the temperature of the shift catalyst 37 and the methane concentration when the temperature of the shift catalyst 37 was 400 ° C are shown in Table 15. Was. operation The operation was the same as in Example 10.
  • the present invention can provide a hydrogen purifying apparatus that can be easily heated at the time of starting, for example, and has high C ⁇ purification efficiency.
  • the present invention can provide a hydrogen purifier that can be easily heated at the time of start-up, prevents methanation, and increases the efficiency of the device.

Description

明 細 書 水素精製装置および燃料電池発電システム
技術分野
本発明は、 水素を主成分とし一酸化炭素 （以下 c〇と記す） を含有す る改質ガスを精製し、 高純度の水素ガスを提供する水素精製装置に関す る。 また本発明は、 水素を燃料とする固体高分子型燃料電池などの水素 供給装置に関する。 ' 背景技術
エネルギーを有効に利用する分散型発電装置として、 発電効率および 総合効率の高い燃料電池コージエネレーションシステムが注目されてい る。
燃料電池の多く、 例えば実用化されているリン酸型燃料電池や、 開発 が進められている固体高分子型燃料電池は、 水素を燃料として発電する c しかし、 水素はインフラとして整備されていないため、 システムの設置 場所で生成させる必要がある。
水素生成方法の一つとして、 水蒸気改質法がある。 燃料電池などの水 素源として、 天然ガス、 L P G、 ナフサ、 ガソリン、 灯油等の炭化水素 系、 メタノール等のアルコール系、 エーテルなどの原料を水と混合して 、 改質触媒を設けた改質部で水蒸気改質反応させて得られる改質ガスを 用いる。 しかし、 1 0 0 °C以下の低温で動作する固体高分子型燃料電池 の場合には、 燃料電池の電極に用いる P t触媒が改質ガスに含まれる C Oによって被毒される恐れがある。 P t触媒の被毒が起こると、 水素の 反応が阻害され、 燃料電池の発電効率が著しく低下する。 そのため、 水 素精製装置を利用して、 COを 100 p pm以下、 好ましくは 10 p p m以下に除去する必要がある。
この水蒸気改質反応では一酸化炭素が副成分として生成するが、 一酸 化炭素は燃料電池電極触媒を劣化させるため、 特に固体高分子型燃料電 池に対しては、 一酸化炭素を 100 p pm以下、 好ましくは 10 p pm 以下に除去する必要がある。
通常、 COを除去するためには、 水素精製装置における、 改質部の後 に C O変成触媒体を設置した C O変成部で C Oと水蒸気とをシフト反応 させ、 二酸化炭素と水素とに転換し、 数千 p pm〜l体積％程度の濃度 まで CO濃度を低減させる。
その後、 微量の空気を利用して酸素を加え、 CO選択酸化触媒体によ つて、 燃料電池に悪影響をおよぼさない数！ pmレベルまで COを除去 する。 ここで、 充分に COを除去するためには、 CO濃度の 1〜3倍程 度の酸素を加える必要があるが、 このとき、 水素も酸素量に対応して消 費される。 しかし、 変成部出口の CO濃度が高い場合には、 加えるべき 酸素量も増加し、 消費される水素が増大するため、 装置全体の効率が大 きく低下する。
したがって、 CO変成触媒体を設置した CO変成部において、 COを 充分に低減させておくことが必要となる。
従来から、 CO変成触媒には、 低温用 CO変成触媒としては、 1 50 〜300°Cで使用可能な銅一亜鉛系触媒、 銅—クロム系触媒などが用い られ、 高温用 CO変成触媒としては、 300°C以上で機能する鉄一クロ ム系触媒などが用いられている。 これらの CO変成触媒は、 化学プラン トゃ燃料電池用水素発生器などの用途に応じて、 低温用 C O変成触媒の みで使用したり、 高温用 C O変成触媒と低温用 C O変成触媒とを組み合 わせて使用されていた。
しかしながら、 上記の銅系の低温用 c o変成触媒を中心に用いた場合
、 非常に高い触媒活性が得られるが、 使用前に還元処理を施レて活性化 させる必要がある。 そして、 活性化処理中に発熱するため、 触媒が耐熱 温度以上にならないように、 例えば還元ガスの供給量を調節しながら、 長時間かけて処理する必要があった。 また、 一度活性化させた C O変成 触媒は、 装置の停止時などに酸素が混入した場合には再酸化されて劣化 する可能性があるため、 酸化を防止するなどの対策が必要であった。 さ らに、 低温用 C O変成触媒は、 耐熱性が低く、 装置の始動時に触媒を急 激に加熱することができないため、 徐々に温度を上昇させるなどの対策 が必要であった。
一方、 高温用 C O変成触媒のみを用いた場合には、 耐熱性が高く温度 が多少上昇しすぎても問題はないため、 始動時の加熱などが容易になる。
しかしながら、 C O変成反応は、 高温領域において C O濃度を低減さ せる方向には進行しにくい平衡反応であり、 高温でしか機能しない高温 用 C O変成触媒を用いた場合には、 C O濃度を 1体積％以下にすること が困難であった。 そのため、 後に接続する C O浄化部での浄化効率が低 下してしまうことがあった。
このように、 従来の技術においては、 たとえば、 水素精製装置の起動 に時間を要したり、 取り扱いが煩雑なため、 頻繁に起動停止を繰り返す 用途には、 充分には適用できないという課題があった。
また、 特開 2 0 0 0— 1 7 8 0 0 7号公報のように、 還元処理を必要 としない貴金属系の触媒を用いることも考案されている。 貴金属系の触 媒は 2 5 0 °C〜3 5 0 °C程度で用いられているが、 高温領域では一酸化 炭素をシフト反応によって低減するだけでなく、 改質ガス中の一酸化炭 素と水素が反応し、 副生成物としてメタンを生成する反応が起きやすく 、 装置の効率の低下を招くことがあった。 発明の開示
本発明は、 上記従来のこのような課題を考慮し、 たとえば、 始動時の 加熱などが容易であり、 高い CO浄化効率を有する水素精製装置を提供 することを目的とする。
また、 本発明は、 上記従来のこのような課題を考慮し、 たとえば、 起 動時の加熱などが容易で、 かつメタン化を防止し、 装置の効率を上昇さ せた水素精製装置を提供することを目的とする。
第 1の本発明 （請求項 1に対応） は、 水素、 一酸化炭素および水蒸気 を含む改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素変成触媒体を備え た水素精製装置であって、 前記一酸化炭素変成触媒体は、 F e、 C r、 C e、 Mo、 W、 Re、 C uから選択される少なくとも 1つの元素を含 む金属酸化物と、 P t、 P d、 Rh、 Ruのうちの少なくとも一つの貴 金属とが含まれている水素精製装置である。
第 2の本発明 （請求項 2に対応） は、 前記一酸化炭素変成触媒体が、 (1) F e、 C r、 C e、 Mo、 W、 Re、 Cuから選択される少なく とも 1つの元素と、 他の元素が複合化した複合酸化物と、 （2) P t、 P d、 Rh、 Ruのうちの少なくとも 1つの貴金属とが含まれている第 1の本発明の水素精製装置である。
第 3の本発明 （請求項 3に対応） は、 前記複合酸化物が Mo、 W、 R eのうちの少なくとも 1つと Z rとが複合化して構成されており、 Mo 、 W、 R eが前記複合酸化物に含まれている貴金属よりも高い原子パー セント比率で含有されている第 2の本発明の水素精製装置である。
第 4の本発明 （請求項 4に対応） は、 前記複合酸化物が固溶体を形成 している第 3の本発明の水素精製装置である。
第 5の本発明 （請求項 5に対応） は、 前記一酸化炭素変成触媒体が、 ゼォライトに、 （1) F e、 C r、 C e、 Re、 Mo、 W、 Cuから選 択される元素のうちの少なくとも一種と、 （2) P t、 P d、 Rh、 R uのうちの少なくとも 1つの貴金属とがイオン交換または担持されてい る第 2の本発明の水素精製装置である。
第 6の本発明 （請求項 6に対応） は、 前記一酸化炭素変成触媒体が、 前記金属酸化物または前記複合酸化物と、 P t、 P d、 Rh、 Ruのう ちの少なくとも 1つの貴金属とが含まれ、 さらにゼォライトが混合され てある第 2の本発明の水素精製装置である。
第 7の本発明 （請求項 7に対応） は、 前記ゼォライ トはシリカおよび アルミナを主成分とし、 S i O2/A 12〇3比が 4以上である第 5または 第 6の本発明の水素精製装置である。
第 8の本発明 （請求項 8に対応） は、 前記ゼォライ トは、 Y型、 L型 、 モルデナイ ト型、 Z SM— 5型、 ベータ型構造より選択される一種で ある第 5、 6または 7の本発明の水素精製装置である。
第 9の本発明 （請求項 9に対応） は、 前記複合酸化物は、 F eとC r 、 6と 1、 または F eと C rと N iから構成される第 2の本発明の 水素精製装置である。
第 10の本発明 （請求項 10に対応） は、 前記金属酸化物は酸化鉄で あり、 前記金属酸化物の粒径が 1011111から 1 μπιまでである第 1の本 発明の水素精製装置である。
第 1 1の本発明 （請求項 1 1に対応） は、 前記金属酸化物は酸化鉄で あり、 F e 2〇3および F e 3〇4の少なくとも一方で構成される第 1の本 発明の水素精製装置である。
第 12の本発明 （請求項 12に対応） は、 前記酸化鉄は、 磁性を有す る第 1 0または第 1 1の本発明の水素精製装置である。
第 1 3の本発明 （請求項 13に対応） は、 第 1〜12の本発明のいずれかの 前記一酸化炭素変成除去触媒体を使用する燃料電池発電システムである。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の実施の形態 1、 3、 5に係る水素精製装置を含む 水素発生装置の構成を示す概略縦断面図である。
第 2図は、 本発明の実施の形態 2、 6に係る水素精製装置を含む水素 発生装置の構成を示す概略縦断面図である。
第 3図は、 本発明の実施の形態 4に係る水素精製装置を含む水素発生 装置の構成を示す概略縦断面図である。
第 4図は、 本発明の実施の形態 7に係る水素精製装置を含む水素発生 装置の構成を示す概略縦断面図である。
第 5図は、 本発明の水素精製装置を組み込んだ燃料電池発電- の構成を示す模式図である。
(符号の説明)
1 触媒体
2 反応室
3、 5 改質ガス入口
4、 6 改質ガス出口
5、 7 拡散散板
6、 8 断熱材
1 1 第一触媒体
1 2 第一反応室
1 3 第二触媒体 1 4 第二反応室
1 9 冷却ファン 発明を実施するための最良の形態
以下では、 本発明にかかる実施の形態について、 図面を参照しつつ説 明を行う。
(実施の形態 1 )
はじめに、 図 1を参照しながら、 本実施の形態における水素精製装置 の構成について説明する。 なお、 図 1は、 本実施の形態における水素精 製装置の構成を示す概略縦断面図である。
図 1において、 1は、 C O変成触媒体 （以下では、 単に触媒体ともい う） であり、 反応室 2の内部に設置した。 3は、 改質ガス入口であり、 ここから改質ガスを導入する。 C O変成触媒体 1で反応した改質ガスは 、 改質ガス出口 4より排出される。
なお、 触媒体 1の上流側には、 改質ガスが均一に流れるように拡散板 5を設置してある。 また、 反応室 2を一定温度に保っために、 必要箇所 は、 外周をセラミックウールからなる断熱材 6で覆った。
ここで、 触媒体 1には、 ジルコニウム （以下 Z rと記す） とモリブデ ン （以下 M o'と記す） との複合酸化物に P tを担持した触媒を、 コージ ェライトハニカムにコーティングしたものを用いた。
つぎに、 本実施の形態における水素精製装置の動作について説明する。 水素精製装置に供給する改質ガスを発生させるために用いる燃料とし ては、 天然ガス、 メタノール、 ガソリンなどがあり、 改質方法も、 水蒸 気を加える水蒸気改質、 空気を加えておこなう部分改質などがあるが、 ここでは、 天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを得る場合について述べ る。
天然ガスを水蒸気改質した場合の改質ガスの組成は、 改質触媒体の温 度によって多少変化するが、 水蒸気を除いた平均的な値として、 水素が 約 8 0体積％、 二酸化炭素、 一酸化炭素がそれぞれ約 1 0体積％含まれ る。
天然ガスの改質反応は、 5 0 0〜8 0 0 °C程度でおこなうのに対し、 C Oと水蒸気が反応する変成反応は、 1 5 0〜3 5 0 °C程度で進行する ため、 改質ガスは、 改質ガス入口 3の手前で冷却してから供給する。 C O変成触媒体 1通過後の C O濃度は、 約 0 . 5体積％まで低減され、 改 質ガス出口 4より排出される。
次に、 本実施の形態の水素精製装置の動作原理について説明する。 C O変成反応は、 温度に依存する平衡反応であり、 低温で反応させる ほど、 C O濃度を低減させることができる。 一方、 低温になると触媒上 での反応速度が低下する。 したがって、 C O濃度が極小値をとる温度が 存在する。
従来の水素精製装置において C O変成触媒として用いられる銅一亜鉛 触媒、 銅—クロム触媒などの銅系の変成触媒は、 1 5 0〜2 5 0 °Cの低 温で C O変成反応を行うことができ、 条件によっては、 C O濃度を数百 〜千 p p m前後にまで低減させることができる。
しかし、 銅系の触媒は、 反応器に充填した後、 装置の起動時に水素や 改質ガスなどの還元ガスを流通させて活性化させる必要があるとともに 、 耐熱性は 3 0 0 °C前後と低い。 したがって、 活性化時の反応熱で耐熱 温度を超えないように、 還元ガスを不活性ガスなどで希釈して供給する か、 または少流量で徐々に反応させる必要があり、 反応に長時間を要す る。 また、 装置の起動時にも、 過昇温によって耐熱温度を超えないよう に、 ゆっくりと長時間かけて加熱する必要があり、 頻繁に起動停止を繰 り返すような用途には、 問題点が多い。
一方、 本実施の形態の水素精製装置では、 触媒体 1の一部に貴金属触 媒 P tを用いており、 銅系の触媒と比較して非常に高い耐熱性を持った め、 装置の起動時に 500°C程度の高温になった場合でも、 触媒の大き な劣化は無い。 また、 銅系触媒のように、 長時間の還元処理を行う必要 もない。 また、 装置を停止させた場合に空気が混入しても銅系触媒より も触媒劣化は少ない。
なお、 P t、 P d、 Rh、 および Ruなどを活性成分とする貴金属触 媒は、 活性が高いために、 反応の選択性が比較的低い。 そのため、 条件 によっては、 CO変成反応の副反応として、 COまたは二酸化炭素のメ タン化反応も進行することがあり、 メタン化反応の進行による水素の消 費が、 装置全体の効率を低下させることが懸念される。
ただし、 通常、 CO変成反応を行う 1 50〜450°Cの温度領域では 、 高温になるほどメタン化反応が顕著となるが、 貴金属の種類によって も、 メタン生成率は異なる。 これは、 貴金属の種類によって COの吸着 機構が異なるためであり、 メタン化反応が進行しやすい COの吸着機構 をもつ P d、 Rhおよび Ruは、 比較的低温でメタンを発生させ、 CO 変成反応を行うことができる温度領域が狭くなる。 これに対して、 本実 施の形態で用いる P t触媒は、 メタン化反応を起こしにくく、 広い温度 範囲で CO変成反応を行うことができる。 したがって、 メタン化反応の 進行によって大量の水素が消費されることはなく、 本実施の形態の水素 精製装置は、 効率よく稼働することができる。
また、 Moを助触媒として添加することによって、 P t触媒の CO変 成反応に対する活性が向上するとともに、 メタン化反応を抑制すること ができる。 これは P t触媒の酸化状態を変成反応の進行しやすい状態に する効果によるものである。 また、 P tの担持量に対して M oの添加量は同量以上が好ましい。 P tの担持量が多いほど触媒活性は向上するが、 P tに対して、 M oが同 量以上存在しないと P t量を増加させただけの効果が得られない。
ただし、 酸化モリブデンは、 耐熱性がジルコニァなどの担体と比較し て低く、 6 0 0 °Cを越える温度になるような条件で使用した場合には、 比表面積が低下し触媒活性が低下する可能性がある。 また、 わずかに水 溶性であるため、 長期間使用することによって M oが流出する可能性も める。
本発明の水素精製装置では、 触媒担体として、 例えば M oに Z rを複 合化させた複合酸化物を用いており、 触媒担体の安定性が向上し、 触媒 の活性低下が生じにくい。 M oと Z rの比率は、 M oが少ない （すなわ ち、 Z rが多い） ほど耐熱性も上がり安定であるが、 M oの含有量の減 少とともに、 高温域でのメタン化反応が進行しやすくなる。 そのため、 M oの含有量は、 1原子％以上であることが好ましい。 ただし、 M oの 含有量が 9 0原子％よりも高いと、 酸化モリブデンとほぼ同じ性能しか 得られない。
すなわち、 本発明の水素精製装置は、 前記担体が M o、 W、 R eのう ちの少なくとも 1つと Z rとが複合化した複合酸化物で構成されており 、 その複合酸化物における酸素を除いた元素の組成比率が前記複合酸化 物全体に対して 1〜 9 0原子パーセントとしても上記と同様の効果が得 られる。
なお、 M oに対して Z rを複合化させる方法は、 特に限定はなく、 例 えば共沈法、 ゾルゲル法、 アルコキシド法などを用いることができる。 また、 ジルコニァに M o塩の溶液を含浸させても良い。
また、 酸化モリプデンとジルコユアとが、 固溶体を形成して均一に複 合化されている場合には、 担体の安定性が高くなるとともに、 メタン化 反応の進行も抑制される。 これは、 酸化モリブデンやジルコユアが固溶 せずに存在していた場合に、 それぞれ材料単独の低耐熱性、 メタン化反 応性の特性が現れるためである。 固溶体の形成は、 粉末 X線回折測定で 確認でき、 酸化モリブデンゃジルコ二ァの単相の回折線強度が小さいほ ど、 均一に固溶体が形成されていることが分かる。
充分な触媒活性を得るためには P t粒子を小さくし、 多くの活性点を 持つことが必要であるが、 このためには、 B E T比表面積が 1当たり 1 0平方メートル以上ある金属酸化物に P tを担持させるのが、 好ましい。 ここで、 B E T比表面積とは、 粉末に窒素を吸着させておこなう公知の 測定法で求められる比表面積のことである。
B E T比表面積の上限は、 特に限定はなく、 l g当たり 1 0 0〜2 0 0平方メートルであっても、 同様に高い活性が得られるが、 l g当たり 1 0 0平方メ一トル以上になると、 比表面積増加による効果は小さくな る。 金属酸化物おょぴ複合金属酸化物の B E T比表面積が、 1 g辺り 1 0平方メートル未満であった場合には、 P tが充分吸着せずに P tの分 散度が低下し、 充分な触媒活性が得られない。 なお、 P tの粒径を小さ くするため、 P t担持量を少なくした場合、 活性点の数が減少し、 充分 な活性は得られない。
また、 本実施の形態では、 Z rに対して M oを複合化させた複合酸化 物を用いたが、 M oの代わりに、 タングステン （W) やレニウム （R e ) を複合化させても同様の効果がえられる。 これらの元素は M oと類似 した化学的性質をもっため、 添加による効果も M oと同じである。 また 、 これらの添加元素を複合的に用いても同様の効果が得られる。
また、 本実施の形態では、 触媒体の形状はコージヱライトハ-カムで あるとしたが、 担体の形状をペレット形状とし、 P t塩を含浸させて C O変成触媒体を作製しても、 同様の性能を有する変成触媒体が得られる。 (実施の形態 2 )
次に本発明の実施の形態 2について述べる。 本実施の形態では図 2に 示すように、 触媒体を 2段に分割して触媒体の中間に冷却部を設けてお り、 作用効果の大部分は実施の形態 1と類似である。 したがって、 異な る点を中心に本実施の形態を説明する。
図 2は本実施の形態に係る水素精製装置の構成を示す概略縦断面図で ある。 触媒体を第一触媒体 1 1と第二触媒体 1 3に分割し、 中間に冷却 部を設け、 冷却ファン 1 9で改質ガスを冷却することにより、 少ない触 媒量で C O濃度を低減することができる。 C O変成反応は発熱反応であ るため、 触媒体の上流部で発生した反応熱は、 改質ガスによって下流部 に伝達される。 このため、 触媒体の温度は下流部の方が高温になりやす く、 上流部で C O濃度を充分に低減しても、 高温の下流部で再ぴ逆反応 により C O濃度が増加する。 したがって、 下流側の第二触媒体 1 3を第 一触媒体 1 1よりも低温にすることによって、 逆反応を抑制できる。 本実施の形態では 2段構成としたが、 特に段数に制限はなく、 各段の 触媒体がそれぞれ最適な温度に制御できる構成であれば高い特性が得ら れる。
たとえば、 本実施の形態に係る水素精製装置が、 上記一酸化炭素変成 触媒体が複数段に分割されているとともに、 上記分割された一酸化炭素 変成触媒体それぞれが上記改質ガスの経路の上流側から下流側に順に配 置されており、 上記各一酸化炭素変成触媒体間には、 上記改質ガスが熱 を放出するための放熱部、 および上記改質ガスの少なくとも一方を冷却 する冷却部が設けられていてもよく、 このように構成しても上記と同様 の効果が得られる。
また、 冷却手段としては冷却ファンを用いたが、 水による冷却を用い てもかまわない。 次に、 実施の形態 1に対応する実施例として以下に実施例 1および実 施例 2を記載する。
(実施例 1 )
表 1に示す組成の金属酸化物、 または複合酸化物 1〜2 2に P tを 1 原子％担持した。 これをコージヱライトハニカムにコーティングして触 媒体 1として図 1に示す反応室 2に設置した。
改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水 蒸気 2 0体積％、 残りが水素である改質ガスを、 毎分 1 0リ ッ トルの流 量で導入した。 改質ガス温度を制御し、 触媒体 1で反応させた後に、 改 質ガス出口 4より排出されるガスの組成をガスクロマトグラフィで測定 した。
C O濃度の最低値、 触媒温度が 4 0 0 °Cにおける反応後のガス中のメ タン濃度を測定し、 さらに、 装置を停止させた後、 再び起動させる動作 を 1 0回繰り返し、 C O濃度を測定して触媒の活性変化を確認した。 こ れらの結果を、 表 1にまとめて示す。
Figure imgf000015_0001
(表 1)
Figure imgf000016_0001
表 1に示された実験結果より、 前述したつぎのような事実が裏付けら れる。 酸化モリブデンは、 変成反応に対する活性が極めて高く、 メタン 化反応も抑制できるが、 ジルコニァと比較して、 装置の起動停止の繰り 返しにより触媒活性が低下しやすい。 また、 触媒担体として Moに Z r
ί
を複合化させた複合酸化物を用いるとき、 Moの比率が少ないほど、 （ 1) 触媒の活性低下は生じにくいが、 （2) たとえば高温域でのメタン 化反応は進行しやすくなる。 なお、 W、 R eは Moと同様の化学的性質を持つ。 したがって、 Z r に対して、 Wまたは R eを複合化させた複合酸化物を用いた場合にも、 Z rに対して Moを複合化させた複合酸化物を用いた場合と同様の実験 結果が得られる。
(実施例 2 )
¾[0の比率を1原子％、 2原子％とした複合酸化物に対して、 P tを 0. 5原子％〜3原子％の比率で担持した 23〜32の試料について、 実施例 1と同様に測定した。 これらの結果を表 2にまとめて示す。
(表 2)
Figure imgf000017_0001
表 2に示された実験結果より、 前述したつぎのような事実が裏付けら れる。 P t担持量を増加させるほど、 CO濃度はより低い濃度まで低減 できるが、 P t量が添加した Mo量を上回ると活性の向上は見られなく なり、 メタン化活性のみが上昇する。 次に、 実施の形態 2に対応する実施例として以下に実施例 3を記載す る。
(実施例 3 )
実施例 1で用いた表 1中の試料 7に示した Z rと M oの比率が原子数 にして 1対 1である複合酸化物に P tを 1原子％担持した。 このものを コージェライトハニカムにコーティングし、 第一触媒体 1 1と第二触媒 体 1 3の体積の合計を実施例 1と同じにして、 図 2に示す第一反応室 1 2と第二反応室 1 4にそれぞれ設置した。 改質ガス入口 1 5より、 一酸 化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水蒸気 2 0体積％、 残りが水素 である改質ガスを、 毎分 1 0リットルの流量で導入した。 C O濃度の最 低値、 第一触媒体 1 1の温度が 4 0 0 °Cにおける反応後のガス中のメタ ン濃度は、 それぞれ 0 . 0 9体積％、 0 . 0 6体積％であった。 さらに 、 装置を停止させた後、 再ぴ起動させる動作を 1 0回繰り返し、 C O濃 度を測定して触媒の活性変化を確認しところ、 0 . 1 1体積％であった。 次に、 実施例 1〜3に対する比較例として以下に比較例 1を記載する。
(比較例 1 )
上述した複合酸化物に P tを担持させたものの代わりに、 本比較例に おいては、 触媒体 1として従来の銅亜鉛触媒を用い、 実施例 1と同様に 、 図 1に示す反応室 2に設置した。 改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8 体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水蒸気 2 0体積％、 残りが水素である改 質ガスを、 毎分 1 0リツトルの流量で導入した。 改質ガス温度を制御し 、 触媒体 1で反応させた後に、 改質ガス出口 4より排出されるガスの組 成をガスクロマトグラフィで測定したところ、 C O濃度の最低値は 0 . 0 8体積％であった。 さらに、 装置を停止させた後、 再ぴ起動させる動 作を 1 0回繰り返し、 C O濃度を測定して触媒の活性変化を確認したと ころ、 C O濃度の最低値は 4体積％であった。 このように、 本比較例における触媒体を用いた場合、 1 0回起動停止 後の C O濃度は、 前述の実施例における触媒体を用いた場合よりも著し く高い。 したがって、 前述されたように、 本発明の水素精製装置は、 運 転の起動停止を繰り返した場合にも、 酸素混入などによる影響を受けに くく、 長期間にわたって安定に動作することが裏付けられた。
以上述べたところから明らかなように、 本発明は、 たとえば、 少なく とも水素ガス、 一酸化炭素および水蒸気を含む改質ガスを供給する改質 ガス供給部、 およぴ前記改質ガス供給部の下流側に位置する一酸化炭素 変成触媒体を具備した反応室を備える水素精製装置であって、 前記一酸 化炭素変成触媒体は、 たとえば Z rに対して少なくとも M oまたは Wま たは R eが複合化された複合酸化物に少なくとも P tを担持させたもの であるとする。
このとき、 複合酸化物における組成比率は、 M oが 1〜9 0原子％、 残り力 rであることが好ましい。
なお、 本発明の複合酸化物に担持されているのは、 上述された本実施 の形態では、 P tであったが、 これに限らず、 要するに、 P t、 P d、 R h、 R uの内の少なくとも一つであればよい。 ただし、 P d、 R h、 R uなどを活性成分とする貴金属触媒は、 前述したようにメタン化反応 を進行させてしまうことがあるため、 P tを利用することが最も好まし レ、。 よって、 P d、 R h、 R uなどを利用する場合にも、 前記複合酸化 物には少なくとも P tが担持されており、 これらは P tを主体として添 加されていることが望ましい。
このように、 本発明の水素精製装置は、 C O変成触媒体の耐久性が改 善されており、 装置の起動停止を繰り返した場合でも安定に動作するこ とができる。
(実施の形態 3 ) まず、 図 1を参照しながら、 本実施の形態における水素精製装置の構 成について説明する。
図 1において、 1は C O変成触媒体 （以下では、 単に触媒体ともいう ) であり、 反応室 2の内部に設置した。 3は改質ガス入口であり、 ここ から改質ガスを導入する。 触媒体 1で反応した改質ガスは、 改質ガス出 口 4より排出される。
なお、 触媒体 1の上流側には、 改質ガスが均一に流れるように拡散板 5を設置してある。 また、 反応器を一定温度に保っために、 必要箇所は 、 外周をセラミックウールからなる断熱材 6で覆ってある。
ここで、 触媒体 1は、 S i 02/A l 2〇3二 5 (モル比） の Y型ゼオラ イト (フォージャサイ ト型でシリカ一アルミナ比が 4以上のもの) に C eと P tを担持したものをコージェライトハニカムにコーティングする ことによって作成した。
つぎに、 本実施の形態における水素精製装置の動作について説明する。 水素精製装置に供給する改質ガスを発生させるために用いる燃料として は、 天然ガス、 メタノール、 ガソリンなどがあり、 改質方法も、 水蒸気 を加える水蒸気改質、 空気を加えておこなう部分改質などがあるが、 こ こでは、 天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを得る場合について述べる。 天然ガスを水蒸気改質した場合の改質ガスの組成は、 改質触媒体の温 度によって多少変化するが、 水蒸気を除いた平均的な値として、 水素が 約 8 0体積％、 二酸化炭素、 一酸化炭素がそれぞれ約 1 0体積％含まれ る。
天然ガスの改質反応は、 5 0 0〜 8 0 0 °C程度でおこなうのに対し、 C Oと水蒸気が反応する変成反応は、 1 5 0〜 3 5 0 °C程度で進行する ため、 改質ガスは、 改質ガス入口 3の手前で冷却してから供給する。 触 媒体 1通過後の C O濃度は、 約 1体積％まで低減され、 改質ガス出口 4 より排出される。
次に、 本実施の形態の水素精製装置の動作原理について説明する。 C O変成反応は、 温度に依存する平衡反応であり、 低温で反応させるほど 、 C O濃度を低減させることができる。 一方、 低温になると触媒上での 反応速度が低下する。 したがって、 C O濃度が極小値をとる温度が存在 する。
従来の水素精製装置において C O変成触媒として用いられる銅一亜鉛 触媒、 銅一クロム触媒などの銅系の変成触媒は、 1 5 0〜2 5 0 °Cの低 温で C O変成反応を行うことができ、 条件によっては、 C O濃度を数百 〜千 p p m前後にまで低減させることができる。
しかし、 銅系の触媒は、 反応器に充填した後、 水素ゃ改質ガスなどの 還元ガスを流通させて活性化させる必要があるとともに、 耐熱性は 3 0 0 °C前後と低い。 したがって、 活性化時の反応熱で耐熱温度を超えない ように、 還元ガスを不活性ガスなどで希釈して供給するか、 または少流 量で徐々に反応させる必要があり、 活性化に長時間を要する。 また、 装 置の起動時にも、 過昇温によって耐熱温度を超えないように、 ゆっく り と長時間かけて加熱する必要があり、 頻繁に起動停止を繰り返すような 用途には、 問題点が多い。
一方、 本発明の水素精製装置では、 触媒体 1として貴金属を活性成分 とする触媒体を用いており、 装置の起動時に 5 0 0 °C程度の高温になつ た場合でも、 触媒が大きく劣化することは無い。 また、 触媒体 1の耐熱 性が高いため、 銅系触媒のように、 還元反応の反応熱による発熱を抑制 するために、 長時間かけて還元処理を行う必要もない。 また、 装置を停 止させた場合に空気が混入しても銅系触媒よりも触媒劣化は少ない。
また、 ゼォライトを担体として用いることによって、 活性成分が高分 散に担持されるとともに、 担体であるゼォライ トと貴金属との相互作用 が大きいため劣化も抑制される。
ゼォライトはシリカとアルミナを主成分とするものが一般的であるが
、 3価の電子状態をとる A 1原子と 4価の電子状態をとる S i原子の比 率によって、 固体酸性や疎水性など様々な特性が発現する。 本実施の形 態で用いているゼォライ トは、 S i O 2/A 1 203比 = 5であり、 水に対 して親和性の低い疎水性ゼォライトである。 水素精製装置の起動時には 、 装置が充分な温度に昇温される前に水蒸気を多く含むガスが供給され る可能性がある。 このため、 従来は触媒体に凝縮した水が触媒の活性点 を覆い尽くし、 反応が開始するまでに長い時間を要していたり、 触媒を ヒーターで加熱したりしていた。 一方、 本発明では疎水性ゼォライ トを 用いているため、 水が触媒活性を低下させることなく、 比較的低温から 、 速やかに反応が開始させることができる。
なお、 P t'、 P d、 R h、 および R uなどを活性成分とする貴金属触 媒は、 活性が高いために、 反応の選択性が比較的低い。 そのため、 条件 によっては、 C O変成反応の副反応として、 C Oまたは二酸化炭素のメ タン化反応も進行することがあり、 メタン化反応の進行による水素の消 費が、 装置全体の効率を低下させることが懸念される。
通常、 C O変成反応を行う 1 5 0〜4 5 0 °Cの温度領域では、 高温に なるほどメタン化反応が顕著となるが、 貴金属の種類によっても、 メタ ン生成率は異なる。 これは、 貴金属の種類によって C Oの吸着機構が異 なるためであり、 メタン化反応が進行しゃすい C Oの吸着機構をもつ P d、 1 ¾1ぉょび1 11は、 比較的低温でもメタンを発生させ、 C O変成反 応を行うことができる温度領域が狭くなる。 これに対して、 本実施の形 態で用いる P t触媒は、 メタン化反応を起こしにくく、 広い温度範囲で C O変成反応を行うことができる。 したがって、 メタン化反応の進行に よって大量の水素が消費されることはなく、 本実施の形態の水素精製装 置は、 効率よく稼働することができる。
また、 貴金属の担持量としては、 貴金属が高い分散度となり、 必要な 活性が発揮できる量であれば良い。 貴金属の含有量が高いほど貴金属の 粒子は大きくなって反応に寄与しない貴金属量が増加し、 逆に貴金属の 含有量が少ない場合には充分な活性が得られない。 このため、 通常の燃 焼用ゃ排ガス浄化用の貴金属触媒と同じく、 触媒担体に対して 0. 1重 量％〜5重量％の間が好ましい。
また、 C eは貴金属触媒上でのメタン化反応を抑制する効果がある。 通常貴金属触媒にはアルミナやシリカ、 酸化チタン等が触媒担体として 用いられるが、 変成反応に用いると 300°C以上の温度領域で、 メタン 化反応が進行しやすい。 C eを貴金属と共存させた場合には、 450°C 程度の高温であっても、 メタン化反応はほとんど進行しない。 C e以外 にも Cu、 F e、 C r、 R e、 Mo、 Wから選択される遷移金属を添加 することによって、 同様の効果が得られる。
Cu、 F e、 C r、 C e、 Re、 Mo、 Wの添加量としては、 ゼオラ イ トの細孔内に効率よく担持できる量が好ましく、 0. 5〜10重量％ がもっとも効果的である。
また、 本実施例では Y型構造のゼォライ トを用いたが、 反応ガス （C Oと水分子） に対して充分に大きな細孔を有していれば、 特に構造に限 定はなく、 L型、 モルデナイ ト型、 Z SM— 5型、 ベータ型構造でもよ レ、。 これらのものは 0. 5〜 1 nmの細孔を有しており、 細孔内の活性 点が有効に機能できるため、 高い活性が得られる。
また本実施の形態では、 ゼォライトのシリカ一アルミナ比が S i O2/ A 1203= 5のものを用いたが、 4以上であれば、 高い性能が得られる。 また、 シリカ比率が多いほど疎水性が高くなつて好ましいが、 S i ChZ A 1203= 200を越えると、 シリカの比率が多くなつても特性は変わ らない。
また、 本実施の形態では、 触媒体の形状は、 触媒をコージェライトハ ェカムにコーティングしたものを用いたが、 ゼォライ トの形状をペレツ ト形状とし、 貴金属塩等を含浸させて C O変成触媒体を作製しても、 同 様の性能を有する C O変成触媒体が得られる。
また、 本実施の形態では、 ゼォライトに C eと P tを担持したが、 酸 化セリゥム等の金属酸化物に貴金属を担持したものとゼォライ トを混合 しても同様の効果が得られる。
(実施の形態 4 )
次に発明の実施の形態 4について述べる。 本実施の形態は、 図 3に示 すように触媒体 2 1の上流側に空気供給部 2 5 (または酸化ガス供給部 ) が設けられている以外は実施の形態 3と類似である。
図 3は本実施の形態に係る水素精製装置の構成を示す概略断面図であ る。 図 3において、 2 1は C O変成触媒体 （以下では、 単に触媒体とも いう） であり、 反応室 2 2の内部に設置した。 2 3は改質ガス入口であ り、 ここから改質ガスを導入する。 触媒体 2 1で反応した改質ガスは、 改質ガス出口 2 4より排出される。
なお、 触媒体 2 1の上流側には、 改質ガスが均一に流れるように拡散 板 2 6を設置してある。 また、 反応器を一定温度に保っために、 必要箇 所は、 外周をセラミックウールからなる断熱材 2 7で覆ってある。
ここで、 触媒体 2 1は、 S i 02ZA l 2〇3 = 5 (モル比） の Y型ゼォ ライ ト （フォージャサイト型でシリカ一アルミナ比が 4以上のもの） に C eと P tを担持したものをコージェライトハニカムにコーティングす ることによって作成した。
空気供給部 2 5から空気を供給することによって、 触媒体 2 1で改質 ガス中の水素または一酸化炭素が酸化される。 通常、 起動時には触媒体 2 1の温度が充分に上昇するまで触媒上に水が凝縮し、 酸化反応は充分 に進行しない。 このため、 空気を加えても発熱しないため、 起動に時間 を要する。 ここで本実施の形態では触媒体 2 1には疎水性ゼォライ トが 含有しており、 装置の起動時のように、 多量の水蒸気が含まれている条 件でも触媒体 2 1上で酸化反応が進行し、 触媒体 2 1の温度は速やかに 上昇する。 なお、 加える空気量は装置構成等によって異なり、 特に限定 しないが、 触媒温度が速やかに昇温するとともに、 極端に触媒体の温度 が過昇温しない空気量を選択する必要がある。
また、 触媒体 2 1に用いているゼォライトに C uを担持 （または含有 ) させておくと、 触媒の酸化反応が開始する温度より低温で、 供給した 空気が C uを酸化し発熱するため、 触媒体 2 1の温度はより早く上昇す る。 一度酸化された銅は空気の供給を停止すると再ぴ改質ガスによって 還元されるため、 元の金属状態にもどり、 次の起動時には再ぴ発熱させ ることができる。
次に、 実施の形態 3に対応する実施例として以下に実施例 4、 および 実施例 5を記載する。
(実施例 4 )
表 3に示すように、 シリカ一アルミナ比が S i O 2/A 1 2〇3 = 5の Y 型ゼオライ ト （表中では Yと記す） に対して、 C u、 F e、 C r、 C e 、 R e、 M o、 Wを 1重量％担持し、 さらに貴金属 （貴金属種は表中に 記載） を 1重量％担持した。 同じくシリカ一アルミナ比が S i O 2/A 1 2〇3 = 5の L型、 モルデナイ ト型、 Z S M 5型、 ベータ型ゼオライ ト （ 表中では、 それぞれ L、 M、 Z S M 5、 ]3と記す） に対して、 0 6を1 重量％担持し、 同様に P tを 1重量％担持した。 これらをコージェライ トハニカムにコーティングして、 図 1に示す反応室 2に設置した。
改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水 蒸気 20体積％、 残りが水素である改質ガスを、 毎分 1 0リ ッ トルの流 量で導入した。 改質ガス温度を制御し、 触媒体 1で反応させた後に、 改 質ガス出口 4より排出されるガスの組成をガスクロマトグラフィで測定 した。
温度を変化させた場合の CO濃度の最低値、 触媒温度が 400°Cにお ける反応後のガス中のメタン濃度を測定し、 さらに、 装置を停止させた 後、 再ぴ起動させる動作を 1 0回繰り返し、 CO濃度の最低値を測定し て触媒の活性変化を確認した。 これらの結果を、 表 3にまとめて示す。
(表 3 ) o o o O
ト
L
試料 No. の
試料 CO濃度 (%) 10回起動停止後 00oCにおける
CO濃度 (%) メタン濃度 (%)
1 Pt/Cu/Y 0.30 0.40 0.01
2 Pt/Fe/Y 0.60 0.02
3 Pt/Cr/Y 0.90 0.91 0.03
4 Pt/Ce/Y 0.40 0.40 0.03
5 Pt/Re/Y 0.45 0.60 0.04
6 Pt/Mo/Y 0.55 0.02
7 Pt/W/Y 0.70 0.02
8 Ru/Ce/Y 0.90 0.92 1.70
9'. Rh/Fe/Y 0.80 1.02
10 Pd/Fe/Y 0.70 0.71 0.70
11 Pt/Ce/L 0.41 0.41 0.03
12 Pt/Ce/M 0.42 0.42 0.03
13 Pt/Ce/ZSM5 0.40 0.40 0.03
14 Pt/Ce/ β 0.43 0.43 0.03 表 3に示された実験結果より、 前述したつぎのような事実が裏付けら れる。 Cu、 F e、 C r、 C e、 R e、 Mo、 WとP 1:を担持した Y型 ゼォライ トは活性が高く、 メタン化反応も抑制できる。 特に C eがもつ とも効果的である。 また、 P tの代わりに Ru、 P d、 および Rhを用 いた場合には、 メタン化反応が起こりやすくなり、 メタン濃度が高くな る。
また、 L型、 モルデナイト型、 Z SM5型、 ]3型のゼォライトを用い ても γ型ゼォライ トと同様の効果が得られる。
(実施例 5 )
実施例 4で用いた表 3中の試料 4に示した P tZC e/Y型 （フォー ジャサイ ト型） ゼォライトにおいて、 表 4に示すように、 ゼォライ トの シリカ一アルミナ比が、 1から 1000までのものについて、 実施例 4 と同様にコージェライトハニカムにコーティングして、 図 1に示す反応 室 2に設置した。
改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水 蒸気 20体積0/。、 残りが水素である改質ガスを、 毎分 1 0リ ッ トルの流 量で導入を開始し、 触媒体 1の温度が上昇して CO濃度が 1体積％を下 回るまでの時間 （起動時間） を測定した。 これらの結果を表 4にまとめ て示す。
Figure imgf000027_0001
(表 4 )
Figure imgf000028_0002
次に実施の形態 4に対応する実施例として以下に実施例 6およぴ実施 例 7を示す。 '
(実施例 6 )
実施例 5で、 図 3に示すように触媒体 2 1の上流側に空気供給部 1 4 を設け、 毎分 0 . 2.リットルの流量で空気を供給しながら、 実施例 5と 同様に起動時間を測定した。 これらの結果を表 5にまとめて示す。
Figure imgf000028_0001
(表 5)
Figure imgf000029_0001
(実施例 7 )
実施例 4で用いた表 3中の試料 1で示した P t /C u/Y型ゼォライ トにおいて、 表 6に示すように、 ゼォライトのシリカ一アルミナ比が、 1から 1 000までのものについて、 実施例 6と同様に起動時間を測定 した。 これらの結果を表 6にまとめて示す。
(表 6)
試料 No. シリカ Zアルミナ比 起動時間
(min)
33 1 25
34 2 15
35 3 10
36 4 2
37 5 1
38 10 0.5
39 50 0.5
40 200 0.5
41 1000 0.5 次に実施例 ：〜 7に対応する比較例として、 以下に比較例 2〜 4を示 す。
(比較例 2 )
本発明のゼォライ トに希土類または遷移金属を担持させたものの代わ りに、 表 7に示す組成の酸化物、 または貴金属 1重量％をアルミナに担 持したもの、 42〜47を触媒体 1として用い、 実施例 4と同様に、 図 に示す反応室 2に設置した。 改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8体積 %、 二酸化炭素 8体積％、 水蒸気 20体積％、 残りが水素である改質ガ スを、.毎分 10リットルの流量で導入した。 改質ガス温度を制御し、 触 媒体 1で反応させた後に、 改質ガス出口 4より 出されるガスの組成を ガスクロマトグラフィで測定した。 温度を変化させた場合の CO濃度の 最低値、 触媒温度が 400°Cにおける反応後のガス中のメタン濃度を測 定し、 さらに、 装置を停止させた後、 再ぴ起動させる動作を 10回繰り 返し、 CO濃度の最低値を測定して触媒の活性変化を確認した。 これら の結果を、 表 7にまとめて示す。
(表 7)
試料 No.金属酸化物または CO濃度 (%) 10回起動停止後の 400°Cにおける 複合酸化物 CO濃度 (%) メタ 濃度 (%)
42 Feo.9Cro.iOx 3.5 3.5 0.004
43 鲖一 鈴 0.1 6.2 0.001
44 PtZアルミナ 2.1 2.1 1.20
45 RuZアルミナ 1.9 1.9 , .5.5
46 PdZアルミナ 2.5 2.5 1.81
47 RhZアルミナ 2.0 2.0 4.5 (比較例 3 )
実施例 4で用いた表 3中の試料 4に示した P t / C e /Y型ゼォライ トの代わりに、 酸化セリウムに P tを 1重量％担持し、 実施例 4と同様 にコージェライトハニカムにコーティングして、 図 1に示す反応室 2に 設置した。
改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水 蒸気 2 0体積％、 残りが水素である改質ガスを、 毎分 1 0リットルの 量で導入を開始し、 触媒体 1の温度が上昇して C O濃度が 1体積％を下 回るまでの時間 （起動時間） を測定したところ、 5 5分であった。
(比較例 4 )
比較例 3で、 図 3に示すように触媒体 2 1の上流側に空気供給部 2 5 を設け、 毎分 0 . 2リッ トルの流量で空気を供給しながら、 比較例 3と 同様に起動時間を測定したと^ろ、 4 0分であった。
このように、 本比較例における触媒体を用いた場合、 次のような事実 が裏付けられる。 貴金属を含まない鉄とクロムの複合酸化物は充分に C Oが低減できず、 銅一亜鉛触媒は初期活性は高いが、 起動停止を繰り返 すと著しく活性低下する。 また、 アルミナに貴金属を担持させたものは 、 活性の低下はみられないが、 4 0 0 °Cにおけるメタン濃度は高い。 ま た、 起動時間もゼォライ トを用いることによって短くなった。
以上述べたところから明らかなように、 このように、 本発明の水素精 製装置は、 C O変成触媒体の耐久性が改善されており、 装置の起動停止 を繰り返した場合でも安定に動作し、 起動時間も短縮することができる (実施の形態 5 )
まず、 図 1を参照しながら、 本実施の形態における水素精製装置の構 成について説明する。
図 1において、 1は C O変成触媒体 （以下では、 単に触媒体ともいう ) であり、 反応室 2の内部に設置しされている。 3は改質ガス入口であ り、 ここから改質ガスを導入する。 C O変成触媒体 1で反応した改質ガ スは、 改質ガス出口 4より排出される。
なお、 触媒体 1の上流側には、 改質ガスが均一に流れるように拡散板 5を設置してある。 また、 反応器を一定温度に保っために、 必要箇所は 、 外周をセラミックウールからなる断熱材 6で覆ってある。
ここで、 触媒体 1には、 鉄 （以下 F eと記す） とクロム （以下 C rと 記す） との複合酸化物に P tを担持した触媒を、 コージヱライトハユカ ムにコ一ティングしたものを用いた。
つぎに、 本実施の形態における水素精製装置の動作について説明する。 水素精製装置に供給する改質ガスを発生させるために用いる燃料とし ては、 天然ガス、 メタノール、 ガソリンなどがあり、 改質方法も、 水蒸 気を加える水蒸気改質、 空気を加えておこなう部分改質などがあるが、 ここでは、 天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを得る場合について述べ る。
天然ガスを水蒸気改質した場合の改質ガスの組成は、 改質触媒体の温 度によって多少変化するが、 水蒸気を除いた平均的な値として、 水素が 約 8 0体積％、 二酸化炭素、 一酸化炭素がそれぞれ約 1 0体積％含まれ る。
天然ガスの改質反応は、 5 0 0〜8 0 0 °C程度でおこなうのに対し、 C Oと水蒸気が反応する変成反応は、 1 5 0〜3 5 0 °C程度で進行する ため、 改質ガスは、 改質ガス入口 3の手前で冷却してから供給する。 C O変成触媒体 1通過後の C O濃度は、 約 1体積％まで低減され、 改質ガ ス出口 4より排出される。
次に、 本実施の形態の水素精製装置の動作原理について説明する。
C O変成反応は、 温度に依存する平衡反応であり、 低温で反応させる ほど、 C O濃度を低減させることができる。 一方、 低温になると触媒上 での反応速度が低下する。 したがって、 C O濃度が極小値をとる温度が 存在する。
従来の水素精製装置において c o変成触媒として用いられる銅一亜鉛 触媒、 銅一クロム触媒などの銅系の変成触媒は、 1 5 0〜2 5 0 °Cの低 温で C O変成反応を行うことができ、 条件によっては、 C O濃度を数百 〜千 p p m前後にまで低減させることができる。
しかし、 従来技術のところで説明したように、 銅系の触媒は、 反応器 に充填した後、 水素ゃ改質ガスなどの還元ガスを流通させて活性化させ る必要があるとともに、 耐熱性は 3 0 0 °C前後と低い。 したがって、 活 性化時の反応熱で耐熱温度を超えないように、 還元ガスを不活性ガスな どで希釈して供給するか、 または少流量で徐々に反応させる必要があり 、 反応に長時間を要する。 また、 装置の起動時にも、 過昇温によって耐 熱温度を超えないように、 ゆつく りと長時間かけて加熱する必要があり 、 頻繁に起動停止を繰り返すような用途には、 問題点が多い。
一方、 本発明の水素精製装置では、 触媒体 1として高い耐熱性を持つ F eと C rの複合酸化物に対して P tを担持したものを用いており、 装 置の起動時に 5 0 0 °C程度の高温になった場合でも、 触媒が大きく劣化 することは無い。 また、 触媒体 1の耐熱性が高いため、 銅系触媒のよう に、 還元反応の反応熱による発熱を抑制するために、 長時間かけて還元 処理を行う必要もない。 また、 装置を停止させた場合に空気が混入して も銅系触媒よりも触媒劣化は少ない。
F eや C rの酸化物は、 それぞれ酸化物単独でも変成反応に活性を示 すが、 反応速度が遅いため、 反応速度が高くなる 4 0 0 °C以上の高温で 使用するか、 大量の触媒を用いて低い空間速度 （S V) で使用する必要 がある。 高温で使用すると C Oの平衡濃度は高くなり、 充分に C Oを低 減することはできない。 また、 大量の触媒を用いると、 装置の小型化が 困難になる。 F eと C rを複合化させると耐熱性が向上するとともに、 反応に伴う酸化物の酸化還元が円滑に進むようになるため、 反応速度が 向上し、 350°C程度の温度域でも活性を示すようになるが、 2体積％ 程度まで COを低減するのが限度であり、 充分ではない。
ここで、 F eと C rの複合酸化物に貴金属を加えると、 反応速度が向 上し、 200°C〜300°C程度の温度域でも活性を示すようになる。 こ れは、 C〇が貴金属に対してが高い吸着性を示すことと、 貴金属が F e や rの酸化還元を促進することによるものである。
なお、 P t、 P d、 Rh、 および Ruなどを活性成分とする貴金属触 媒は、 活性が高いために、 反応の選択性が比較的低い。 そのため、 条件 によっては、 CO変成反応の副反応として、 COまたは二酸化炭素のメ タン化反応も進行することがあり、 メタン化反応の進行による水素の消 費が、 装置全体の効率を低下させることが懸念される。
通常、 CO変成反応を行う 150〜450°Cの温度領域では、 高温に なるほどメタン化反応が顕著となるが、 貴金属の種類によっても、 メタ 生成率は異なる。 これは、 貴金属の種類によって COの吸着機構が異 なるためであり、 メタン化反応が進行しやすい COの吸着機構をもつ P d、 Rhおよび Ruは、 比較的低温でもメタンを発生させ、 CO変成反 応を行うことができる温度領域が狭くなる。 これに対して、 本実施の形 態で用いる P t触媒は、 メタン化反応を起こしにくく、 広い温度範囲で CO変成反応を行うことができる。 したがって、 メタン化反応の進行に よって大量の水素が消費されることはなく、 本実施の形態の水素精製装 置は、 効率よく稼働することができる。
また、 F eや C rは貴金属触媒上でのメタン化反応を抑制する効果が ある。 通常貴金属触媒にはアルミナやシリカ、 酸化チタン等が触媒担体 として用いられるが、 変成反応に用いると 3 0 0 °C以上の温度領域で、 メタン化反応が進行しやすい。 F eや C rの酸化物を触媒担体として用 いた場合には、 4 5 0 °C程度の高温であっても、 メタン化反応はほとん ど進行しない。
本発明の水素精製装置では、 触媒担体として、 6に(： 1：を複合化さ せた複合酸化物を用いており、 触媒担体の安定性が向上し、 触媒の活性 低下が生じにくい。
F eと C rの比率は、 C rが少ない （すなわち、 F eが多い） ほど活 性が増すが、 C rの含有量の減少とともに、 耐熱性が低下する。 そのた め、 C rの含有量は F eに対して、 1原子％以上であることが好ましい。 ただし、 C rの含有量が 5 0原子％よりも高いと、 酸化クロムとほぼ同 じの性能しか得られない。 すなわち、 上記水素精製装置は、 上記酸化物 における酸素を除いた元素の組成比率が、 F eに対して C rが 1〜 5 0 原子パーセントである場合、 上記と同様の効果が得られる。
なお、 F eに対して C rを複合化させる方法は、 特に.限定はなく、 例 えば共沈法、 ゾルゲル法、 アルコキシド法などを用いることができる。 また、 酸化鉄に C r塩の溶液を含浸させても良い。
また、 本実施の形態では、 F eに対して C rを複合化させた複合酸化 物を用いたが、 代わりに、 アルミナやシリカアルミナ、 ジルコユア等の 高い比表面積を有する触媒担体に F eや C rを複合化させたものを用い ても同様の効果が得られる。
また、 本実施の形態では、 触媒体の形状は、 触媒をコージェライ トハ 二カムにコーティングしたものを用いたが、 担体の形状をペレツト形状 とし、 P t塩を含浸させて C O変成触媒体を作製しても、 同様の性能を 有する C O変成触媒体が得られる。
また、 貴金属の担持量としては、 貴金属が高い分散度となり、 必要な 活性が発揮できる量であれば良い。 貴金属の含有量が高いほど貴金属の 粒子は大きくなって反応に寄与しない貴金属量が増加し、 逆に貴金属の 含有量が少ない場合には充分な活性が得られない。 このため、 通常の燃 焼用ゃ排ガス浄化用の貴金属触媒と同じく、 触媒担体に対して 0 . 1重 量％〜1 0重量％の間が好ましい。
(実施の形態 6 )
次に本発明の実施の形態 6について述べる。 本実施の形態は図 2に示 すように、 触媒体を 2段に分割して触媒体の中間に冷却部を設けており 、 作用効果の大部分は実施の形態 5と類似である。 したがって、 異なる 点を中心に本実施の形態を説明する。
図 2は本実施の形態に係る水素精製装置の構成を示す概略縦断面図で ある。 触媒体を第一触媒体 1 1と第二触媒体 1 3に分割し、 中間に冷却 部 2 0を設けることにより、 少ない触媒量で C O濃度を低減することが できる。 冷却部としては、 図 2の例では、 空気が通るパイプを複数本設 けている。 冷却部の代わりに熱回収部が設けられていても良い。
c o変成反応は発熱反応であるため、 触媒体の上流部で発生した反応 熱は、 改質ガスによって下流部に伝達される。 このため、 触媒体の温度 は下流部の方が高温になりやすく、 上流部で C O濃度を充分に低減して も、 高温の下流部で再ぴ逆反応により C O濃度が増加する。 したがって 、 下流側の第二触媒体 1 3を第一触媒体 1 1よりも低温にすることによ つて、 逆反応を抑制できる。
本実施の形態では 2段構成としたが、 特に段数に制限はなく、 各段の 触媒体がそれぞれ最適な温度に制御できる構成であれば高い特性が得ら れる。 すなわち、 上記一酸化炭素変成触媒体は複数段で構成されており 、 各触媒体の間の位置に冷却部もしくは熱回収部が設けられていても同 様の効果が得られる。 また、 本実施の形態では反応室を第一反応室 1 2と第二反応室 1 4に 分けたが、 第一触媒体 1 1と第二触媒体 1 3の中間位置に改質ガスの温 度を低下させる手段として、 例えば放熱フィンのようなものを設けてい れば、 特に反応室を分ける必要はない。
また、 本実施の形態では第一触媒体 1 1と第二触媒体 1 3に同種の触 媒を用いたが、 第二触媒体として第一触媒体よりも低温で活性のあるも のを用いることによって、 C O濃度がさらに低減できる。 第二触媒体 1 3としては、 第一触媒体よりも変成反応に対する低温での活性が高いも のであれば何でも良いが、 例えば Z rと C eの複合酸化物に P tを担持 したものや、 銅亜鉛触媒が好ましい。
また上記水素精製装置は、 水素、 一酸化炭素および水蒸気を含む改質 ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素変成触媒体を備えた水素精製 装置であって、 上記一酸化炭素変成触媒体が複数段で構成されており、 少なくともその 1段には、 F e、 C rのうち少なくとも 1つの元素を含 む酸化物と、 P t、 P d、 R h、 R uのうちの少なくとも 1つの貴金属 とが含まれた第一触媒体が設置され、 上記第一触媒体の下段の少なくと も 1段には、 上記第一触媒体よりも低温で活性を持つ第二触媒体が設置 されていてもよく、 その場合も同様の効果が得られる。
また、 上記第二触媒体 1 3は、 Z r、 C e、 A 1のうち少なくとも一 つの元素が含まれた酸化物に P tが担持されたものであってもよく、 そ の場合も上記と同様の効果が得られる。
また、 上記第二触媒体は、 少なくとも C uと Z nを含んでもよく、 そ の場合も上記と同様の効果が得られる。
次に、 実施の形態 5に対応する実施例として以下に実施例 8を記載す る。
(実施例 8 ) 表 8に示す組成の金属酸化物、 または複合酸化物 1〜1 0に貴金属 （ 貴金属種は表中に記載） を 1重量％担持した。 これをコージエライ トハ 二カムにコーティングして、 図 1に示す反応室 2に設置した。
改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水 蒸気 2 0体積％、 残りが水素である改質ガスを、 毎分 1 0リ ッ トルの流 量で導入した。 改質ガス温度を制御し、 触媒体 1で反応させた後に、 改 質ガス出口 4より排出されるガスの組成をガスクロマトグラフィで測定 した。
温度を変化させた場合の C O濃度の最低値、 触媒温度が 4 0 0 °Cにお ける反応後のガス中のメタン濃度を測定し、 さらに、 装置を停止させた 後、 再び起動させる動作を 1 0回繰り返し、 C O濃度の最低値を測定し て触媒の活性変化を確認した。 これらの結果を、 表 8にまとめて示す。
(表 8 )
Figure imgf000038_0001
表 8に示された実験結果より、 前述したつぎのような事実が裏付けら れる。 P tを担持した酸化鉄は、 変成反応に対する活性が極めて高く、 メタン化反応も抑制できるが、 P tを担持した酸化クロムと比較して、 装置の起動停止の繰り返しにより触媒活性が低下しゃすい。
また、 触媒担体として F eに C rを複合化させた複合酸化物を用いる とき、 1原子％以上であれば C rの比率が多くなるほど、 触媒の活性低 下は生じにくいが、 5 0原子％を越えると酸化鉄と複合化させた効果が なくなり、 P tを担持させた酸化クロムと同じ活性となる。
また、 P tの代わりに R u、 P d、 および R hを用いた場合には、 メ タン化反応が起こりやすくなり、 メタン濃度が高くなる。
次に実施の形態 6に対応する実施例として以下に実施例 9を記載する。 (実施例 9 )
実施例 8で用いた表 8中の試料 5に示した F eと C rの比率が原子数 にして 9対 1である複合酸化物に P tを 1重量％担持した。 このものを コージェライ トハニカムにコーティングし、 第一触媒体 1 1と第二触媒 体 1 3の体積の合計を実施例 8と同じにして、 図 2に示す第一反応室 1 2と第二反応室 1 4にそれぞれ設置した。
改質ガス入口 1 5より、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水蒸気 2 0体積％、 残りが水素である改質ガスを、 毎分 1 0 リ ッ トルの 流量で導入した。 C O濃度の最低値、 第一触媒体 1 1の温度が 4 0 0 °C における反応後のガス中のメタン濃度は、 それぞれ 0 . 3 0体積％、 0 . 0 0 5体積％であった。 さらに、 装置を停止させた後、 再ぴ起動させる 動作を 1 0回繰り返し、 C O濃度を測定して触媒の活性変化を確認しと ころ、 0 . 3 0体積0 /。であった。
次に実施例 8、 9に対応する比較例として、 以下に比較例 6を記載す る。 (比較例 5 )
本発明の酸化物に P tを担持させたものの代わりに、 表 9に示す組成 の酸化物、 または貴金属 1重量％をアルミナに担持したもの、 1 1〜1 9を触媒体 1として用い、 実施例 8と同様に、 図 1に示す反応室 2に設 置した。
改質ガス入口 3より、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水 蒸気 20体積％、 残りが水素である改質ガスを、 毎分 10リットルの流 量で導入した。 改質ガス温度を制御し、 触媒体 1で反応させた後に、 改 質ガス出口 4より排出されるガスの組成をガスクロマトグラフィで測定 した。 温度を変化させた場合の CO濃度の最低値、 触媒温度が 400°C における反応後のガス中のメタン濃度を測定し、 さらに、 装置を停止さ せた後、 再び起動させる動作を 10回繰り返し、 CO濃度の最低値を測 定して触媒の活性変化を確認した。 これらの結果を、 表 9にまとめて示 す。 .
(表 9 )
10回起動停'止後の棚 Όにおける 試料 No. 金属酸化物または CO濃度 (%)
複合酸化物 CO濃度 〉 メタン濃度 (%)
11 酸化鉄 ： ' '' 3.7 4.8 0.005
12. 酸化クロム 4.5 4.6 0.01
13 Feo.9Cro.lOx 3.5 3.5 0.004
14 銅-亜鉛 0.1 6.2 0.001
15 PtZアルミナ 2.1 ,. , 2:1:· ',. 1.20
16 RuZアルミナ 1.9 1.9 . 5.5
17 PdZアルミナ 2.5 2.5 1.81
18 Rh アルミナ 2.0 2.0 . 4.5
19 Ρί/θβο.δΖΓθ.δΟχ 0.2 0.2 . 0.40 このように、 本比較例における触媒体を用いた場合、 表 9に示された 実験結果より、 次のような事実が裏付けられる。 貴金属を含まない酸化 鉄、 酸化クロム、 鉄とクロムの複合酸化物は充分に C Oが低減できず、 銅一亜鉛触媒は初期活性は高いが、 起動停止を繰り返すと著しく活性低 下する。 また、 アルミナに貴金属を担持させたものは、 活性の低下はみ られないが、 4 0 0 °Cにおけるメタン濃度は高い。 また、 ？ 1:を。 6と Z rの複合酸化物に担持したものを用いた場合、 変成反応には有効であ るが、 4 0 0 °C程度の高温では、 ややメタン濃度が高くなる。
このように、 本発明の水素精製装置は、 C O変成触媒体の耐久性が改 善されており、 装置の起動停止を繰り返した場合でも安定に動作するこ とができる。
(実施の形態 7 )
図 4は本発明の実施の形態 7における水素精製装置の構成図であり、 同図において、 改質部 3 1、 改質部 3 1内に収められた改質触媒 3 2 、 改質触媒 3 2 へ原料を供給する原料供給部 3 3、 改質触媒 3 2 へ水を供 給する水供給部 3 4、 改質触媒 3 2を加熱する改質加熱部 3 5で水素ガ ス供給部を構成するが、 それらの詳細な説明は省略する。 3 6は改質部 3 1からのガスが供給される変成部で、 変成触媒体 3 7が収められてい る。 変成部 3 6で一酸化炭素が低減された水素ガスはさらに一酸化炭素 を低減するために、 浄化部 3 8を通って一酸化炭素濃度が 1 0 0 p p m 以下に低減された水素ガスとなる。
上記の構成における装置動作を、 メタンガスを原料とした一実施例を もとに説明する。 装置起動時において改質加熱部 3 5により、 改質部 3 1の加熱を開始し、 改質触媒 3 2 へ熱を伝えた。 続いて原料供給部 3 3 から、 原料である炭化水素成分としてのメタンガスを改質触媒 3 2に、 水供給部 3 4から、 メタンガス 1モルに対して 4モルの水を改質触媒 3 2に供給した。
なお、 ここでは供給メタン量を 3 5 O L Z時間とし、 改質触媒 3 2の 温度が約 7 0 0 °Cとなるように改質加熱部 3 5で加熱量を制御し、 水蒸 気改質反応を進行させた。 改質部 3 1内で反応後の水素ガスを変成部 3 6に供給した。
変成部 3 6では変成触媒体 3 7上において、 水素ガス中の一酸化炭素 と水蒸気によるシフ ト反応が起こる。 本実施の形態に示す発明では、 変 成触媒体 3 7として鉄 （以下 F eと示す） の酸化物に P tを担持するこ とによって調製した触媒を用いることを特徴とする。 本実施の形態では 、 本触媒をコージヱライトハニカムにコーティングすることで変成触媒 体 3 7を形成している。
本触媒では、 シフ ト反応の過程において、 一酸化炭素の炭素原子が P tに吸着し水分子と反応して二酸化炭素を生成し、 P tから脱離するこ とによって反応が進行する。 しかし、 従来用いられていた貴金属系の触 媒は、 担体として A 1、 S i、 C eなどの酸化物を用いていたため、 一 酸化炭素の炭素原子と P tとの吸着力が強く、 P t上で二酸化炭素が生 成しても P tから脱離しにくくなることがあった。 そのため P t上の吸 着サイトが飽和してしまい、 一酸化炭素の吸着が律速となってしまうこ とがあった。 その結果、 水素ガス中の P tに吸着していない一酸化炭素 と水素が反応し、 メタンを副生成物として生成してしまっていた。
しかし本発明のように、 担体として F e酸化物を用いることによって メタン化の生成を抑制し、 一酸化炭素を低減することができる。 この理 由として、 F eは P tの電子を引き寄せる作用があるため、 シフト反応 の過程に起こる P tと一酸化炭素の炭素原子との吸着を従来使用してい た触媒よりも弱くしている。 よって、 P tに吸着した一酸化炭素が水と 反応して生成した二酸化炭素が脱離しやすくなり、 P t上への一酸化炭 素の吸着が律速になることはない。 その結果、 メタン生成を抑制するこ とができる。
さらに F e酸化物は F e 2〇3または Zおよび F e 3〇4で構成すること によって、 シフト反応を優先的に進行させ、 一酸化炭素と水素との反応 による副生成物としてのメタンの生成を抑制することができる。 水蒸気 と一酸化炭素を含む水素ガス中において、 F e酸化物が F e 2〇3の状態 で存在していると、 自身は一酸化炭素で還元されて F e 304と.なり、 二 酸化炭素を生成する。 F e 304は水蒸気によって酸化されて自身は F e 2〇3となり、 水素を生成する。 このように F e酸化物が F e 20 3または Zおよび F e 3〇4で存在し、 F e酸化物自身が酸化還元サイクルを繰り 返すことによって、 一酸化炭素と水素のシフト反応を優先的に進行させ ることができる。 その結果、 メタン生成を抑制することができる。
また、 F e酸化物を C rまたは Zおよび N i との複合酸化物にするこ とによって、 変成触媒体を耐久性に優れたものにすることができる。 通 常、 F e酸化物は高温にさらされると熱劣化を引き起こしてしまい、 触 媒作用が低下してしまう。 しかし、 C rまたは N iが高温での F eの熱 劣化を抑制する効果があるため、 高温にさらされた後でも、 触媒活性を 維持することができる。 F e酸化物の粒界に C rまたは/および N i酸 化物が存在することによって、 F e酸化物粒子の熱による凝縮を防ぐた め、 F e酸化物単独で存在する場合よりも変成触媒体の熱劣化を抑制す ることができる。 さらに、 F e酸化物と C rまたは/およぴ N i酸化物 が固溶体を形成し複合酸化物になる場合は、 粒子の移動、 凝縮、 成長が 減少するため、 いっそう変成触媒体の熱劣化を抑制する効果がある。
また、 フェライトまたはマグネタイトなどに代表される磁性を有する F e酸化物を使用することにより、 P tを F e酸化物に担持する際、 F eの磁性の作用により P tが高分散に担持され、 触媒活性を向上させる ことができる。 これは、 P tが高分散になるので反応表面積が増えるた めである。
また、 F e酸化物の粒径も反応性に影響を与える。 本触媒においての P tの粒径は約 1 n mから 1 0 n m程度であるため、 P tを担持するた めの担体は P t以上の粒径であることが望ましい。 また、 粒径が 1 0 n m りも小さいと高温時に凝集しやすく、 変成触媒体の熱劣化の要因と なってしまう。 また、 F e酸化物の粒径が 1 μ mよりも大きくなつてし まうと、 表面積が減少し、 また F e酸化物と P tとの相互作用の力が低 下してしまうため、 シフト反応を効果的に進行させるためには、 Ι μ πι より小さい粒径を使用することが望ましい。 なお、 本実施の形態での F e酸化物の粒径は、 3 0 n mのものを用いた。
また、 変成触媒体 3 7は、 触媒担体としてゼォライトを用い、 F eを イオン交換することによって担持し、 さらに含浸法によって P tを担持 することによって調製した触媒を使用することによつても高い触媒活性 が得られる。
ゼォライトは表面積が大きいため、 触媒反応面積が増大し、 触媒活性 が向上する。 また、 担持法としてのイオン交換法は、 ゼォライト中の酸 点を置換するだけであるため、 F eを高分散に担持でき、 触媒活性の向 上へとつながる。 また、 ゼォライ ト中の酸点を置換して担持された F e は酸点を持つ酸性物質であり、 他物質の電子を引き寄せやすい。 よって 、 後で担持された P tの電子が F eに引き寄せられるため、 シフト反応 の過程の際、 P t上に吸着する一酸化炭素の炭素原子との吸着力を弱め る。 その結果、 F e酸化物に P tを担持したときと同様に、 メタン化反 応を抑制してシフト反応を選択的に進行させ、 一酸化炭素を効果的に低 減することができる。
なお、 F eの代わりに C u、 Z nを担持することによつても F eと同 様の効果が得られる。 Cu、 Z nも F eと同様にゼォライトにイオン交 換によって担持することが容易にでき、 その後に担持された P t中の電 子を引き寄せる作用も持っているためである。
なお、 P tの代わりに他の貴金属、 P d、 Ru、 Rhでも同様の効果 が得られる。
なお、 ゼォライ トの代わりに A 1、 S i、 C e、 Z r、 T iの酸化物 を使用することによつても同様の効果が得られる。 これらの酸化物は表 面積を大きくすることも容易であり、 F eおよび P tを担持しやすい担 体として使用できるため、 同様の効果が得られる。
すなわち、 少なくとも水蒸気と一酸化炭素を含有する水素ガスを供給 するガス供給部と、 前記水素ガス中の一酸化炭素と水蒸気をシフト反応 させる変成触媒体を有する変成部とを具備する水素精製装置において、 上記変成触媒体は A 1、 S i、 C e、 Z r、 T iのうち少なくとも一つ の元素が含まれた酸化物を触媒担体とし、 Cu、 Zn、 F eの少なくと も 1つの遷移金属と、 P t、 P d、 Rh、 R uのうち少なくとも一つの 貴金属を担持していてもよく、 その場合も上記と同様の効果が得られる。 また上記触媒担体がゼォライトであってもよく、 その場合も上記と同 様の効果が得られる。
また、 上記変成触媒体が、 上記ゼォライトに Cu、 Zn、 F eの少な くとも 1つの遷移金属をイオン交換することによって担持させた後、 P t、 P d、 Rh、 R uのうち少なくとも一つの貴金属を担持していても よく、 その場合も上記と同様の効果が得られる。
以下に図 5に示す本発明の一酸化炭素変成除去触媒を使用した燃料電 池発電システムの構成を説明する。 改質部 41はその下部に加熱部 42 を有し、 加熱部 42は配管を介して燃焼ガス供給部 49と接続されてい る。 また、 改質部 41には、 原料供給部 43、 およぴ改質水供給部 44 が接続されている。 そして、 改質部 4 1は、 C O変成部 4 5に接続され 、 C O変成部 4 5は、 配管を介して C O浄化部 4 7と接続されている。 C O変成部 4 5の内部には本発明の C O変成触媒が設置されている。 C O変成部 4 5と C O浄化部 4 7とを接続する配管には、 浄化空気供給部 4 6が接続されている。 そして、 C O浄化部 4 7には、 配管を介して燃 料電池発電部 4 8の入口が接続されている。 燃料電池発電システム 4 8 の出口には、 配管を介して燃焼ガス供給部 4 9が接続されている。
次に図 5に示す本発明の燃料電池発電システムの動作について説明す る。
燃焼ガス供給部 4 9から供給された燃焼ガスは、 加熱部 4 2により燃 焼されることにより、 改質部 4 1を加熱する。 改質部 4 1には改質水供 給部 4 4から水が供給され、 この水は加熱部 4 2により加熱され水蒸気 が発生する。 発生した水蒸気と原料供給部 4 3から供給された原料ガス が加熱部により加熱されることにより、 改質ガスが発生する。 発生した 改質ガスは、 C O変成部 4 5に送られ、 変成反応により改質ガスに含ま れる一酸化炭素が低減される。 一酸化炭素が低減された改質ガスは、 C O浄化部 4 7に送られ、 浄化空気供給部 4 6から供給された空気によつ て酸化されることにより、 さらに一酸化炭素が低減される。 C O浄化部 4 7を出た改質ガスは、 燃料電池発電部 4 8に送られ、 発電反応が生じ ることにより電気が取り出される。 燃料電池 4 8において発電反応に寄 与することなく残留した改質ガスは、 燃料電池 4 8の出口から排出され 、 配管を介して燃焼ガス供給部 4 9に送られ、 燃焼ガスとともに加熱部 4 2に送られる。
図 5に示す本発明の燃料電池発電システムに組み込ませる一酸化炭素 変成部は （すでに述べたとおり） 、 C O変成触媒体の耐久性が改善され ており、 装置の起動停止を繰り返した場合でも安定に動作することがで きるため、 長期間にわたって C O濃度を高率よぐ低減できる。 従って燃 料電池において水素と酸素の電気化学的反応を阻害する C Oが C O浄化 部によつて安定に除去され、 家庭用や車の動力源等に有効な燃料電池発 電システムを実現できる。
次に実施の形態 7に対応する実施例として、 以下に実施例 1 0 〜 1 5 を記载する。
(実施例 1 0 )
F e酸化物に貴金属 （貴金属種は表中に記載） を 2重量％担持した。 その後スラリー状にして、 これをコージェライ トハニカムにコーティン グして、 図 4に示す変成触媒体 3 7として変成部 3 6に設置した。
原料供給部 3 3からメタンガスを 3 5 0 時間、 水供給部 3 4から 水を 1 4 0 0 Z時間で供給し、 改質触媒 3 2の温度が 7 5 0 °Cとなるよ うに改質加熱部 3 5で加熱量を制御し、 水蒸気改質反応を進行させた。 その結果、 メタンの転換率が 1 0 0 %となり、 変成部 3 6に供給される ガスの組成はおよそ、 一酸化炭素 8体積％、 二酸化炭素 8体積％、 水蒸 気 2 0体積％、 残りが水素となった。 その組成のガスが変成触媒体 3 7 で反応した後、 変成部 3 6出口に排出されるガス組成をガスクロマトグ ラフィで測定した。
変成触媒体 3 7の温度を変化させて測定した一酸化炭素濃度の最低値 、 変成触媒体 3 7の温度を 4 0 0 °Cとした場合のメタン濃度を測定した c 試料 1 〜 5の結果を表 1 0に示す。 (表 1 0 )
Figure imgf000048_0001
表 1 0に示された実験結果より、 前述した次のような事実が裏付けら れる。 'P tを F e酸化物に担持することによって、 従来の P t Zアルミ ナ触媒よりもメタン化が抑制され、 か ό一酸化炭素も確実に低減できる c また、 P tの代わりに R uを用いた場合はメタン化がやや進行し、 P d、 R liを用いた場合は一酸化炭素濃度が多少高くなる。
(実施例 1 1 )
F e硝酸塩に' C rまたは Zおよび N i硝酸塩を混合して形成された沈 殿物を焼成することによつて複合酸化物を作成した （比率は表中に記載 ) 。 作成した複合酸化物に P tを 2重量％担持した後スラリー状にし、 これをコージェライ トハュカムにコーティングして、 図 4に示す変成触 媒体 3 7として変成部 3 6に設置した。
運転動作は実施例 1 0と同様に行い、 変成触媒体 3 7の初期特性とし て、 変成触媒体 3 7の温度を変化させて、 それぞれの変成部 3 6出口に おけるガス組成を測定した。 その後、 変成触媒体 3 7の温度を 5 0 0 °C まで上昇させ冷却した後、 再度同様な操作を行い、 変成部 3 6出口のガ ス組成を測定した。 初期特性測定時に変成触媒体 3 7の温度を変化させ て得られた一酸化炭素濃度の最低値および変成触媒体 3 7を 5 0 0 °Cで 処理した後に変成触媒体 3 7の温度を変化させて得られた一酸化炭素濃 度の最低値を表 1 1に示す。
(表 1 1 )
Figure imgf000049_0001
表 1 1に示された実験結果より、'前述した次のような事実が裏付けら れる。 F e酸化物に C rまたは/および N i酸化物を混合して複合酸化 物にすることによって、 F e酸化物単独のものよりも初期活性はやや劣 るものの、 5 0 0 。Cまで上昇させた後の活性は上回る。 F e酸化物単独 では、 高温にさらすことによって熱劣化して活性の低下を招くが、 C r または N i酸化物を混合して複合酸化物にすることによって、 変成触媒 体 3 7の熱劣化を防止している。
(実施例 1 2 )
異なる粒径をした F e酸化物 （粒径は表中に記載） に、 P tを 2重量 %担持した後スラリ一状にし、 これをコージェライトハニカムにコーテ イングして、 図 4に示す変成触媒体 3 7として変成部 3 6に設置した。 運転動作は実施例 1 0と同様の操作を行い、 変成触媒体 3 7の温度を 変化させて測定した一酸化炭素濃度の最低値、 変成触媒体 3 7の温度を 4 0 0 °Cとした場合のメタン濃度を測定した。 試料 1 〜 6の結果を表 1 2に示す。 なお、 本実施の形態での粒径は平均粒径である。
(表 1 2)
Figure imgf000050_0002
表 1 2に示された実験結果より、 前述した次のような事実が裏付けら れる。 F e酸化物の粒径が 7 nmの試料と 2 mの試料は他の試料より も CO濃度が高くなった。 F e酸化物の粒径は 1 0 nmから 1 μπιであ ることが望ましく、 3 O nm〜 l //mが更に望ましい。
(実施例 1 3)
酸化状態の異なる F e酸化物 （酸化状態は表中に記載） に P tを 2重 量％担持した後スラリー状にし、 これをコージヱライ トハニカムにして 、 図 4に示す変成触媒体 3 7として変成部 3 6に設置した。
運転動作は実施例 1と同様の操作を行い、 変成触媒体 37の温度を変 化させて測定した一酸化炭素濃度の最低値、 変成触媒体 37の温度を 4 00°Cとした場合のメタン濃度を測定した。 試料 1〜3の結果を表 1 3 に示す。
(表 1 3)
Figure imgf000050_0001
表 1 3に示された実験結果より、 前述した次のような事実が裏付けら れる。 F e酸化物の酸化状態が F e〇の試料は他の試料よりも CO濃度 が高くなった。 F e酸化物の酸化状態は F e 2〇3または F e 3〇4である ことが望ましい。
(実施例 14)
磁性の異なる F e酸化物 （磁性状態は表中に記載） に P tを 2重量％ 担持した。 試料 1〜3について、 試料 1 g当たりの CO吸着量によって 、 P tの粒径を測定した。 結果を表 14に示す。
(表 14)
Figure imgf000051_0001
表 14に示された実験結果より、 前述した次のような事実が裏付けら れる。 F e酸化物の磁性状態が強磁性 （磁性を有する） 試料は他の試料 よりも P t粒径が小さくなつた （P tが高分散に担持された。 ） 。 F e 酸化物の磁性状態は強磁性であることが望ましい。
(実施例 1 5)
ゼォライトまたは A 1、 C e、 T iの酸化物担体に、 遷移金属 （F e 、. Cu、 Z n) をイオン交換法によって 2重量％担持し、 さらに貴金属 (貴金属種は表中に記載） を 2重量％担持した後スラリー状にし、 'これ をコージェライトハニカムにコーティングして、 図 4に示す変成触媒体 37として変成部 36に設置した。 実施例 10と同様に、 変成触媒体 3 7の温度を変化させて測定した一酸化炭素の最低値、 および変成触媒体 37の温度を 400°Cとした場合のメタン濃度を表 1 5に示した。 運転 動作は実施例 1 0と同様の操作を行つた,
(表 1 5 )
Figure imgf000052_0001
1 5に示された実験結果より、 前述した次のような事実が裏付けら れる。 F eをイオン交換によってゼォライ トに担持し、 さらに P tを担 持することによって、 変成反応に対する活性が極めて高く、 かつメタン 化を抑制できることがわかる。 C u 、 Z nをイオン交換させた触媒も F eほどでもないが、 メタン化を抑制することができる。 F eが P tと P t上に吸着した一酸化炭素の炭素原子との間の吸着力を弱めて、 選択的 にシフト反応を起こしているこ が明らかである。 産業上の利用可能性
以上の説明から明らかなように、 本発明は、 たとえば、 始動時の加熱 などが容易であり、 高い C〇浄化効率を有する水素精製装置を提供する ことができる。
また、 本発明は、 たとえば、 起動時の加熱などが容易で、 かつメタン 化を防止し、 装置の効率を上昇させた水素精製装置を提供することがで きる。

Claims

求 の
1. 水素、 一酸化炭素および水蒸気を含む改質ガスから一酸化炭素 を除去する一酸化炭素変成触媒体を備えた水素精製装置であって、 前記一酸化炭素変成嘖触媒体は、 F e、 C r、 C e、 Mo、 W、 R e、 Cuから選択される少なく とも 1つの元素を含む金属酸化物と、 P t、 P d、 Rh、 R uのうちの少なく とも一つの貴金属とが含まれている水
2. 前記一酸化炭素変成触媒体は、
(1) F e、 C r、 C e、 Mo、 W、 Re、 Cuから選択される少な く とも 1つの元素と、 他の元素が複合化した複合酸化物と、
(2) P t、 P d、 Rh、 Ruのうちの少なく とも 1つの貴金属とが 含まれている請求項 1記載の水素精製装置。
3. 前記複合酸化物が Mo、 W、 R eのうちの少なく とも 1つと Z rとが複合化して構成されており、 Mo、 W、 R eが前記複合酸化物に 含まれている貴金属よりも高い原子パーセント比率で含有されている請 求項 2記載の水素精製装置。
4. 前記複合酸化物が固溶体を形成している請求項 3記載の水素精
5. 前記一酸化炭素変成触媒体は、 ゼォライ トに、
(1) F e、 C r、 C e、 Re、 Mo、 W、 Cuから選択される元素 のうちの少なく とも一種と、
(2) P t、 P d、 Rh、 R 11のうちの少なく とも 1つの貴金属とが イオン交換または担持されている請求項 2記載の水素精製装置。
6. 前記一酸化炭素変成触媒体は、 前記金属酸化物または前記複合 酸化物と、 P t、 P d、 Rh、 Ruのうちの少なくとも 1つの貴金属と が含まれ、 さらにゼォライトが混合されてある請求項 2記載の水素精製
7. 前記ゼォライトはシリカ及ぴアルミナを主成分とし、 Si02/Al203 比が 4以上である請求項 5または 6記載の水素精製装置。
8. 前記ゼォライトは、 Y型、 L型、 モルデナイ ト型、 Z SM— 5 型、 ベータ型構造より選択される一種である請求項 5、 6または 7記載 の水素精製装置。
9. 前記複合酸化物は、 F eと C r、 F eと N i、 または F eと C rと N iから構成される請求項 2記載の水素精製装置。
10. 前記金属酸化物は酸化鉄であり、 前記金属酸化物の粒径が 10 nmから 1 /zmまでである請求項 1記載の水素精製装置。
1 1. 前記金属酸化物は酸化鉄であり、 F e 2〇3および F e 3〇4の少 なくとも一方で構成される請求項 1記載の水素精製装置。
12. 前記酸化鉄は、 磁性を有する請求項 10または 1 1記載の水素
1 3. 請求項 1〜 1 2のいずれかに記載の前記一酸化炭素変成除去触 媒体を使用する燃料電池発電システム。
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