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JP2005238025A - Fuel reforming catalyst and fuel reforming system using the same - Google Patents

Fuel reforming catalyst and fuel reforming system using the same Download PDF

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JP2005238025A
JP2005238025A JP2004048333A JP2004048333A JP2005238025A JP 2005238025 A JP2005238025 A JP 2005238025A JP 2004048333 A JP2004048333 A JP 2004048333A JP 2004048333 A JP2004048333 A JP 2004048333A JP 2005238025 A JP2005238025 A JP 2005238025A
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fuel reforming
reforming
fuel
reforming catalyst
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JP2004048333A
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Japanese (ja)
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Fumihiro Haga
史浩 羽賀
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel reforming catalyst which exhibits excellent reforming effect even at a low temperature and gives a reformed gas having a low CO concentration, a low CH<SB>4</SB>concentration, and a high H<SB>2</SB>concentration. <P>SOLUTION: The fuel reforming catalyst is prepared by supporting a metal with different oxidation states on a carrier. Desirably, the catalyst is characterized in that the metal contains zero-valent cobalt and divalent cobalt oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料改質触媒に関し、より詳細には、酸化状態の異なる金属が担体に担持されている燃料改質触媒に関する。   The present invention relates to a fuel reforming catalyst, and more particularly to a fuel reforming catalyst in which metals having different oxidation states are supported on a carrier.

メタンやガソリンなどの炭化水素やメタノールなどのアルコール類を改質して水素を生成する方法は工業的に既に利用されている。一般には、改質反応には下記式で示す水蒸気改質と部分酸化改質、および水蒸気改質と部分酸化改質とを組み合わせたオートサーマル改質とがある。   A method for reforming hydrocarbons such as methane and gasoline and alcohols such as methanol to generate hydrogen has already been industrially used. In general, the reforming reaction includes steam reforming and partial oxidation reforming represented by the following formula, and autothermal reforming combining steam reforming and partial oxidation reforming.

Figure 2005238025
Figure 2005238025

しかし、一般的に炭化水素を改質するには改質温度を700〜900℃に設定する必要があり、その後に改質ガスの温度を下げるための熱交換器や、改質ガスに含まれるCOを低減するための高温シフトおよび低温シフト反応器など多くの装置を設置させる必要がある。このため、燃料改質装置および水素ガス製造装置のサイズの大型化、起動時間や起動エネルギーの増大などの欠点がある。   However, it is generally necessary to set the reforming temperature to 700 to 900 ° C. in order to reform hydrocarbons, and then included in the heat exchanger for lowering the temperature of the reformed gas, or reformed gas. It is necessary to install many devices such as high temperature shift and low temperature shift reactors to reduce CO. For this reason, there are drawbacks such as an increase in the size of the fuel reforming apparatus and the hydrogen gas production apparatus, and an increase in startup time and startup energy.

一方、改質原料ガスとして使用される炭化水素は、石油や天然ガスなどのいわゆる化石燃料資源であり、地球温暖化を促進する二酸化炭素を発生するという問題がある。また、メタノールも改質原料として使用することができ、改質温度も200〜300℃と低温であるが、毒性が高いという欠点がある。また、炭化水素と同様に化石燃料資源から製造するために、地球温暖化を促進する二酸化炭素を発生するという問題がある。   On the other hand, hydrocarbons used as reforming raw material gas are so-called fossil fuel resources such as oil and natural gas, and have a problem of generating carbon dioxide that promotes global warming. Methanol can also be used as a reforming raw material, and the reforming temperature is as low as 200 to 300 ° C., but has a drawback of high toxicity. Moreover, since it produces from a fossil fuel resource like a hydrocarbon, there exists a problem of generating the carbon dioxide which promotes global warming.

これに対して、エタノールは毒性が低く、かつ光合成により生産されるため、植物のようなバイオマス資源を原料として製造することができ、再生可能なエネルギー源として考えられる。このような理由から、エタノールを改質して水素を発生する方法が近年、検討されている。   On the other hand, since ethanol has low toxicity and is produced by photosynthesis, it can be produced using biomass resources such as plants as raw materials, and is considered as a renewable energy source. For these reasons, methods for reforming ethanol to generate hydrogen have been studied in recent years.

例えば、酸素存在下で水蒸気を使用してエタノールを改質する水素ガスの製造方法がある(特許文献1)。改質触媒として、α−アルミナまたはシリカ上にニッケルまたはニッケル+銅の混合物を担持した改質触媒を使用し、実施例では700℃で改質を行っている。
特表2003−503295号公報
For example, there is a method for producing hydrogen gas that reforms ethanol using water vapor in the presence of oxygen (Patent Document 1). As the reforming catalyst, a reforming catalyst in which a mixture of nickel or nickel + copper is supported on α-alumina or silica, and reforming is performed at 700 ° C. in the examples.
Special table 2003-503295 gazette

しかしながら、改質温度を700℃と高温にするには加温装置などが必要となる一方、改質後の改質ガスの温度を700℃以下にするために熱交換器も必要となる。さらに、このような高温での改質は、CH、COなどの副生物が多く発生し、CO濃度を低減するための高温シフト、および低温シフト反応器など多くの装置を設置する必要がある。このため、システムの大型化、起動時間、起動エネルギーの増大などの欠点を生じる。 However, a heating device or the like is required to increase the reforming temperature to 700 ° C., while a heat exchanger is also required to reduce the temperature of the reformed gas after reforming to 700 ° C. or lower. Furthermore, such reforming at high temperatures generates many by-products such as CH 4 and CO, and it is necessary to install many devices such as a high-temperature shift and low-temperature shift reactor for reducing the CO concentration. . For this reason, disadvantages such as an increase in system size, start-up time, and start-up energy occur.

また、従来の触媒を用いて低温域で改質反応を行うと、改質活性が悪いだけでなく、一般的にはCO濃度は低いがCH濃度が高くなり、その結果、得られる改質ガスに含まれるH濃度が低くなる場合があった。 In addition, when a reforming reaction is performed in a low temperature region using a conventional catalyst, not only the reforming activity is bad, but also the CO 4 concentration is low but the CH 4 concentration is generally high. In some cases, the concentration of H 2 contained in the gas was lowered.

上記現状に鑑み、本発明は、低温でも改質効果に優れ、CO濃度およびCH濃度が低く、かつH濃度が高い改質ガスを生成することのできる燃料改質触媒を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned present situation, the present invention provides a fuel reforming catalyst that is excellent in reforming effect even at low temperatures, can generate reformed gas with low CO concentration and CH 4 concentration, and high H 2 concentration. Objective.

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、担体に酸化状態の異なる金属が担持されてなる燃料改質触媒により、上記課題を解決されることを見出した。   As a result of intensive studies to achieve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by a fuel reforming catalyst in which metals having different oxidation states are supported on a carrier.

本発明の燃料改質触媒によれば、低温でも優れた改質活性を有する。このため改質原料の予熱に要する熱エネルギーが少なくても効率的な改質反応を行うことができる。また、シフト能も高いため、COやCHの副生を抑制することができ、高濃度のH含有ガスを製造することができる。さらに、前記燃料改質触媒は、優れた耐久性を有する。 The fuel reforming catalyst of the present invention has excellent reforming activity even at low temperatures. For this reason, an efficient reforming reaction can be performed even if the heat energy required for preheating the reforming raw material is small. In addition, since the shift ability is high, CO and CH 4 by-products can be suppressed, and a high-concentration H 2 -containing gas can be produced. Furthermore, the fuel reforming catalyst has excellent durability.

従って、本発明によれば、低温における優れた改質効果を長期に亘り示すことができる燃料改質触媒を提供することが可能となる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel reforming catalyst that can exhibit an excellent reforming effect at low temperatures over a long period of time.

本発明の第一は、担体に、酸化状態の異なる金属が担持されてなる燃料改質触媒である。   The first of the present invention is a fuel reforming catalyst in which metals having different oxidation states are supported on a carrier.

従来から、燃料改質触媒を使用して炭化水素やアルコール類などを改質して水素含有ガスを製造する方法として、ニッケル触媒などによる改質方法が知られているが、水素含有率低下の一因であるCO、メタンなどが副生する恐れがあった。   Conventionally, a reforming method using a nickel catalyst or the like is known as a method for producing a hydrogen-containing gas by reforming hydrocarbons or alcohols using a fuel reforming catalyst. There was a risk of CO, methane, etc. being a by-product.

しかしながら、本発明では、前記燃料改質触媒を作用させることにより、300〜500℃の低温でも改質反応の選択性が向上し、結果としてメタンなどの副生を抑制し、効率的な水素含有ガスの製造が可能となることが判明した。   However, in the present invention, by making the fuel reforming catalyst act, the selectivity of the reforming reaction is improved even at a low temperature of 300 to 500 ° C., and as a result, by-product such as methane is suppressed and efficient hydrogen content is achieved. It has been found that gas can be produced.

本発明の燃料改質触媒に用いられる金属としては、改質方法に準じて適宜至適なものを使用すればよいが、好ましくはニッケル、コバルト、白金、ロジウム、パラジウムおよびルテニウムのうち少なくとも1種が挙げられる。中でも、水蒸気改質活性に優れることから、コバルトが好ましい。   As the metal used in the fuel reforming catalyst of the present invention, an optimal metal may be used as appropriate according to the reforming method. Preferably, at least one of nickel, cobalt, platinum, rhodium, palladium and ruthenium is used. Is mentioned. Of these, cobalt is preferred because of its excellent steam reforming activity.

燃料改質触媒において酸化状態の異なる金属とは、コバルトを用いた場合には、0価のコバルトと、2価の酸化コバルトとが担体に担持されるのが好ましい。これにより、低温における高い触媒活性が得られるだけでなく、燃料改質触媒の耐久性を大幅に向上させることが可能となる。本願において、燃料改質触媒における金属の酸化状態は、X線回折(XRD)により得られるスペクトルから解析することができる。   When cobalt is used as the metal having a different oxidation state in the fuel reforming catalyst, it is preferable that zero-valent cobalt and divalent cobalt oxide are supported on the carrier. Thereby, not only high catalytic activity at a low temperature is obtained, but also the durability of the fuel reforming catalyst can be greatly improved. In the present application, the oxidation state of the metal in the fuel reforming catalyst can be analyzed from a spectrum obtained by X-ray diffraction (XRD).

燃料改質触媒における金属の含有量は、金属換算でそれぞれ触媒当たり2〜20質量%、より好ましくは5〜10質量%である。この範囲であれば、金属が担体上に均一に分散され、その結果、高い触媒活性を確保することができる。また、金属がコバルトの場合、0価のコバルトと2価の酸化コバルトとの比は、1:5〜5:1、好ましくは1:2〜2:1とするのがよい。これにより。高い水蒸気改質活性、メタネーション抑制能および耐久性を有する燃料改質触媒とすることができる。   The metal content in the fuel reforming catalyst is 2 to 20% by mass, more preferably 5 to 10% by mass per catalyst in terms of metal. If it is this range, a metal will be disperse | distributed uniformly on a support | carrier and, as a result, high catalyst activity can be ensured. When the metal is cobalt, the ratio of zero-valent cobalt to divalent cobalt oxide is 1: 5 to 5: 1, preferably 1: 2 to 2: 1. By this. A fuel reforming catalyst having high steam reforming activity, methanation suppressing ability and durability can be obtained.

なお、前記金属の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため好ましいが、実際には触媒粒子径が小さくなりすぎるとむしろ活性が低下する現象が見られる。そのため、前記触媒金属の平均粒子径は、好ましくは1〜15nmであり、より好ましくは2〜10nmである。本願における金属の「平均粒子径」は、X線回折における金属の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる金属の粒子径の平均値により測定することができる。   In addition, although the effective electrode area which an electrochemical reaction progresses increases so that the average particle diameter of the said metal is small, the phenomenon in which activity falls rather is actually seen when a catalyst particle diameter becomes small too much. Therefore, the average particle diameter of the catalyst metal is preferably 1 to 15 nm, more preferably 2 to 10 nm. The “average particle diameter” of the metal in the present application can be measured by the crystallite diameter obtained from the half width of the diffraction peak of the metal in X-ray diffraction or the average value of the particle diameter of the metal examined from a transmission electron microscope image. .

次に、本発明の燃料改質触媒に用いられる担体としては、改質方法に準じて適宜至適なものを使用すればよいが、好ましくは酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化スズ、酸化ビスマス、酸化鉛、酸化カドミウム、アルミナ、シリカ、ジルコニア、セリアのうち少なくとも1種が挙げられる。中でも、水の活性化能が高いという理由から、好ましくはアルミナが挙げられる。   Next, as the carrier used in the fuel reforming catalyst of the present invention, an optimal one may be used according to the reforming method, but preferably zinc oxide, magnesium oxide, tin oxide, bismuth oxide, oxidation Examples thereof include at least one of lead, cadmium oxide, alumina, silica, zirconia, and ceria. Among these, alumina is preferable because of its high ability to activate water.

前記担体は、BET比表面積が10〜200m/gであることが好ましく、より好ましくは50〜150m/gである。 The carrier preferably has a BET specific surface area of 10 to 200 m 2 / g, more preferably 50 to 150 m 2 / g.

本発明の燃料改質触媒の製造方法としては、まず担体に所望の金属を担持させた後、所定の温度で空気雰囲気下で焼成した後、さらに還元雰囲気下で焼成する方法が挙げられ、これにより担体上に担持させた金属の酸化状態を異ならせることが可能となる。   Examples of the method for producing the fuel reforming catalyst of the present invention include a method in which a desired metal is first supported on a carrier, calcined in an air atmosphere at a predetermined temperature, and further calcined in a reducing atmosphere. This makes it possible to vary the oxidation state of the metal supported on the carrier.

担体上に金属を担持させるには特に制限されないが、例えば、所望の金属を含有する溶液に担体を分散・含浸させる含浸法などが挙げられる。また、含浸法のほか、共沈法、競争吸着法など各種公知技術を用いて行えばよい。   Although there is no particular limitation on loading the metal on the support, for example, an impregnation method in which the support is dispersed and impregnated in a solution containing a desired metal can be mentioned. In addition to the impregnation method, various known techniques such as a coprecipitation method and a competitive adsorption method may be used.

金属の供給源としては特に制限されず、広くこれらを含有する化合物を使用することができる。このような化合物としては、上記金属の硝酸塩、塩化物、アンミン錯体、硫酸塩、酢酸塩、カルボニル錯体などが例示でき、これらを溶解する溶媒の種類やpHなどによって適宜選択することができる。これらの中でも、工業的に使用するには硝酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物などが好ましい。また、前記化合物を溶解する溶媒としては、水、アルコール、アセトン等が挙げられる。   The metal supply source is not particularly limited, and compounds containing these widely can be used. Examples of such compounds include nitrates, chlorides, ammine complexes, sulfates, acetates, and carbonyl complexes of the above metals, which can be appropriately selected depending on the type and pH of the solvent in which these are dissolved. Among these, nitrates, carbonates, oxides, hydroxides and the like are preferable for industrial use. Moreover, water, alcohol, acetone, etc. are mentioned as a solvent which melt | dissolves the said compound.

次に、所望の金属が担持された担体を、400〜550℃、より好ましくは500〜530℃の空気雰囲気下で焼成した後、350〜400℃、より好ましくは360〜390℃の還元雰囲気下で焼成する。これにより、図1に示すように、担体上に担持した金属の酸化状態を異なる燃料改質触媒を得ることができる。還元温度が350℃未満では酸化状態に変化を与えるには不十分であり、400℃を超えると還元反応が進行し過ぎて担体上の金属が全てメタル化し触媒活性が低下する恐れなどがあるため望ましくない。   Next, the carrier carrying the desired metal is fired in an air atmosphere at 400 to 550 ° C., more preferably 500 to 530 ° C., and then in a reducing atmosphere at 350 to 400 ° C., more preferably 360 to 390 ° C. Bake with. As a result, as shown in FIG. 1, fuel reforming catalysts having different oxidation states of the metals supported on the carrier can be obtained. If the reduction temperature is less than 350 ° C., it is insufficient to change the oxidation state. If the reduction temperature exceeds 400 ° C., the reduction reaction proceeds too much, and all the metals on the support may be metalized to reduce the catalytic activity. Not desirable.

本発明の燃料改質触媒は、粉状、顆粒状などの不定形であってもよく、燃料改質触媒をさらにハニカムモノリス、多孔質セラミックスなどに担持させて使用することが好ましい。ハニカムモノリス、多孔質セラミックスなどを使用すると、燃料改質器の触媒充填部への触媒の充填が容易であり、かつハニカム構造、多孔質構造によって原料ガスや改質ガスの通気性が確保できるからである。また、原料ガスを供給した際に、該触媒を熱や焼成から防ぐことができ、触媒寿命および触媒活性を向上させることができる。   The fuel reforming catalyst of the present invention may be in an irregular shape such as powder or granule, and it is preferable to use the fuel reforming catalyst supported on a honeycomb monolith, porous ceramics or the like. When honeycomb monoliths, porous ceramics, etc. are used, the catalyst filling part of the fuel reformer can be easily filled with the catalyst, and the air permeability of the raw material gas and the reformed gas can be secured by the honeycomb structure and the porous structure. It is. Further, when the raw material gas is supplied, the catalyst can be prevented from being heated and calcined, and the catalyst life and the catalytic activity can be improved.

ハニカムモノリスを構成する素材としては、セラハニカム(セラミックス、400セル〜3000セル、直径35mmφ)、メタルハニカム、メタルフォーム(Ni−Cr、20pores/inch〜50pores/inch、直径100mmφ)および/またはセラフォーム(セラミックス、9pores/inch〜30pores/inch、直径75mmφ)、オフセットフィン等があり、いずれを使用してもよい。セラハニカム、メタルフォーム、セラフォームは圧力損失に優れコーティング技術が容易であり好ましい。なお、通気性や触媒活性を確保するために、セル幅0.01〜10mm、1リットルあたりのセル数100〜10,000であることが好ましい。   As materials constituting the honeycomb monolith, ceramic honeycomb (ceramics, 400 cells to 3000 cells, diameter 35 mmφ), metal honeycomb, metal foam (Ni-Cr, 20 pores / inch to 50 pores / inch, diameter 100 mmφ) and / or ceramic foam (Ceramics, 9 pores / inch to 30 pores / inch, diameter 75 mmφ), offset fins, etc., any of which may be used. Cera honeycomb, metal foam, and Cera foam are preferable because they are excellent in pressure loss and easy in coating technology. In order to ensure air permeability and catalytic activity, the cell width is preferably 0.01 to 10 mm, and the number of cells per liter is preferably 100 to 10,000.

ハニカムモノリスへの触媒の担持は、例えば、上記燃料改質触媒を粉砕し、その後にスラリーを調製し、これをハニカムモノリスに含浸または塗布した後に該ハニカムモノリスを焼成すればよい。この場合、細孔の奥にまで成分を浸透させて分散担持させるために、溶液濃度を薄くして、含浸回数を多くする等の各種公知技術を適宜用いてもよい。   The catalyst may be supported on the honeycomb monolith, for example, by pulverizing the fuel reforming catalyst, thereafter preparing a slurry, impregnating or applying the slurry to the honeycomb monolith, and then firing the honeycomb monolith. In this case, various known techniques such as reducing the solution concentration and increasing the number of impregnations may be used as appropriate in order to infiltrate and carry the components deeply into the pores.

燃料改質触媒を粉砕するにあたっての粉砕方法は特に限定されず、好ましくはこれらを含む水性スラリーを湿式粉砕して、平均粒子径が2〜3μmとなるように調製する。粉砕に使用することのできる装置は特に限定されず、市販のボール式振動ミルなどを用いることができ、ボール径、粉砕時間、振幅、振動周波数を調製して所望の粒径を得る。   The pulverization method for pulverizing the fuel reforming catalyst is not particularly limited. Preferably, the aqueous slurry containing these is wet pulverized to prepare an average particle size of 2 to 3 μm. An apparatus that can be used for pulverization is not particularly limited, and a commercially available ball-type vibration mill or the like can be used, and a desired particle size is obtained by adjusting the ball diameter, pulverization time, amplitude, and vibration frequency.

ハニカムモノリスへの触媒の担持量は、改質原料の供給量などを考慮して所望の水素発生量が得られるように適宜決定すればよい。   The amount of catalyst supported on the honeycomb monolith may be appropriately determined so as to obtain a desired hydrogen generation amount in consideration of the supply amount of the reforming raw material.

次に、多孔質セラミックスを構成する素材としては、マグネシア、アルミナ、酸化ニッケル、酸化コバルト、ニッケル、コージエライト等があり、特に限定されない。多孔質セラミックスは、製造時にアルミナ粉末などがしばしば多孔部に入っており、これが触媒の担持を妨げる原因となることから、これを取り除くため洗浄などの前処理を行ってもよい。   Next, examples of the material constituting the porous ceramic include magnesia, alumina, nickel oxide, cobalt oxide, nickel, cordierite, and the like, and are not particularly limited. In the porous ceramics, alumina powder or the like often enters the porous part at the time of production, and this impedes catalyst loading. Therefore, pretreatment such as washing may be performed to remove this.

多孔質セラミックスへの触媒の担持は、上述したハニカムモノリスと同様に、調製したスラリーを含浸または塗布する方法などを用いて行えばよい。また、これに限定されず、粉砕した前記燃料改質触媒を多孔質セラミックスに充填して使用してもよい。   The catalyst may be supported on the porous ceramics by using a method of impregnating or applying the prepared slurry as in the above-described honeycomb monolith. Further, the present invention is not limited to this, and the pulverized fuel reforming catalyst may be used by filling porous ceramics.

本発明の燃料改質触媒に用いられる改質原料としては、炭化水素系化合物やアルコール類がある。炭化水素系化合物としては、メタン、プロパン、ブタン、ヘプタン、ヘキサンなどの軽質炭化水素、ガソリン、灯油、ナフサなどの石油系炭化水素などを用いることができる。また、アルコール類としては、炭素数1〜3のアルコール、特に好ましくは、メタノールやエタノール、特にエタノールの改質に好ましい。炭素数4以上のアルコールを使用すると、改質原料をガス化する際に過大なエネルギーが必要となる恐れがあり不利である。一方、エタノールはガス化が容易であり、特にそれ自体に毒性がなく、かつバイオマスから入手できるため環境保全の観点からも好ましい。本発明の燃料改質触媒によれば、原料としてバイオマスから生成可能なエタノールが好ましく用いられ、地球温暖化ガスであるメタンなどの副生を抑えて水素濃度が高い改質ガスを生成することができる。   Examples of reforming raw materials used in the fuel reforming catalyst of the present invention include hydrocarbon compounds and alcohols. Examples of the hydrocarbon compound include light hydrocarbons such as methane, propane, butane, heptane, and hexane, and petroleum hydrocarbons such as gasoline, kerosene, and naphtha. Moreover, as alcohol, C1-C3 alcohol, Especially preferably, it is preferable for modification | reformation of methanol and ethanol, especially ethanol. Use of alcohol having 4 or more carbon atoms is disadvantageous because excessive energy may be required when gasifying the reforming raw material. On the other hand, ethanol is easy to gasify, is not particularly toxic in itself, and is preferable from the viewpoint of environmental conservation because it can be obtained from biomass. According to the fuel reforming catalyst of the present invention, ethanol that can be generated from biomass is preferably used as a raw material, and by-product such as methane as a global warming gas can be suppressed to generate a reformed gas having a high hydrogen concentration. it can.

本発明の燃料改質触媒は、部分改質、水蒸気改質、オートサーマルのいずれの改質にも適する。エタノールは常温で液体であり、水も常温で液体であるため両者は任意の割合で混合することができる。このため、改質原料がエタノールである場合、原料タンクにエタノールと水とを混合して貯蔵でき、別個の水供給手段を設けることなく効率的な改質を行うことができる。このため、本発明の燃料改質触媒は、特にエタノールを用いた水蒸気改質に好適に用いられる。以下に、エタノールを水蒸気改質する場合の反応を示す。   The fuel reforming catalyst of the present invention is suitable for any reforming of partial reforming, steam reforming, and autothermal. Since ethanol is a liquid at normal temperature and water is also a liquid at normal temperature, both can be mixed at an arbitrary ratio. For this reason, when the reforming raw material is ethanol, ethanol and water can be mixed and stored in the raw material tank, and efficient reforming can be performed without providing a separate water supply means. For this reason, the fuel reforming catalyst of the present invention is particularly suitable for steam reforming using ethanol. The reaction when ethanol is steam reformed is shown below.

Figure 2005238025
Figure 2005238025

上記した水蒸気改質は吸熱反応であるため、起動時に改質反応に必要な熱量を供給する必要がある。そこで、供給する水蒸気を熱媒体として昇温すると触媒の酸化による活性劣化を生じる場合がある。また、改質器の燃焼部における燃焼排ガスを熱媒体として用いた場合にも、燃焼排ガス中の酸素により酸化が生じ、触媒の活性劣化を招く場合などもある。   Since the steam reforming described above is an endothermic reaction, it is necessary to supply the amount of heat necessary for the reforming reaction at the time of startup. Therefore, when the temperature of the supplied steam is raised as a heat medium, the activity may be deteriorated due to oxidation of the catalyst. Further, even when the combustion exhaust gas in the combustion section of the reformer is used as a heat medium, oxidation may occur due to oxygen in the combustion exhaust gas, leading to deterioration of the activity of the catalyst.

そこで、反応中に酸化により触媒活性が所定の劣化度に到達した場合、本発明の燃料改質触媒は還元処理を施すことにより再生することができる。これにより、担体上の金属を所望の酸化状態にすることができ、触媒活性を回復させることができる。   Therefore, when the catalyst activity reaches a predetermined degree of deterioration due to oxidation during the reaction, the fuel reforming catalyst of the present invention can be regenerated by performing a reduction treatment. Thereby, the metal on a support | carrier can be made into a desired oxidation state, and catalyst activity can be recovered | restored.

触媒活性の劣化度は、例えば温度により検出することができ、触媒を充填した改質反応器内の温度が改質反応中に10〜50℃上昇した時点とする。これは、エタノールなどの水蒸気改質は吸熱反応であるため、触媒の劣化が生じて改質反応による吸熱量が小さくなるのに伴い改質反応器内の温度が上昇するのである。劣化度は、かような温度による検出の他に、CO濃度、エタノール濃度、水素濃度、CO濃度、HO濃度、ガス流量などによっても検出することができる。 The degree of deterioration of the catalyst activity can be detected, for example, by temperature, and is defined as the time when the temperature in the reforming reactor filled with the catalyst has increased by 10 to 50 ° C. during the reforming reaction. This is because the steam reforming of ethanol or the like is an endothermic reaction, and therefore the temperature in the reforming reactor increases as the catalyst deteriorates and the endothermic amount due to the reforming reaction decreases. The degree of deterioration can be detected not only by such temperature detection but also by CO concentration, ethanol concentration, hydrogen concentration, CO 2 concentration, H 2 O concentration, gas flow rate, and the like.

還元処理は、350〜400℃、好ましくは360〜390℃で、水素、一酸化炭素、好ましくは水素に接触させて行うのが好ましい。前記還元温度が350℃未満では酸化状態に変化を与えるのに不十分となる恐れがあり、400℃を超えると還元反応が進行し過ぎて担体上の金属が全てメタル化し触媒活性が低下する恐れなどがある。
還元しすぎの恐れがあるため望ましくない。
The reduction treatment is preferably performed at 350 to 400 ° C., preferably 360 to 390 ° C., in contact with hydrogen, carbon monoxide, preferably hydrogen. If the reduction temperature is less than 350 ° C., it may be insufficient to change the oxidation state. If the reduction temperature exceeds 400 ° C., the reduction reaction may proceed too much, and all of the metal on the support may be metalized to lower the catalytic activity. and so on.
This is not desirable because there is a risk of excessive reduction.

還元処理を行う時間は、触媒活性が所望の値に回復するように、燃料改質触媒の量、サイズ、還元ガスの流量などを考慮して適宜決定すればよいが、10分〜1時間程度行えば十分である。   The time for performing the reduction treatment may be appropriately determined in consideration of the amount of fuel reforming catalyst, the size, the flow rate of the reducing gas, etc. so that the catalytic activity is restored to a desired value, but it is about 10 minutes to 1 hour. It is enough to do.

また、改質ガスに含まれる水素ガスによって燃料改質触媒における金属が還元され、触媒活性の劣化を生じる場合もある。そこで、反応中に還元により触媒活性が所定の劣化度に到達した場合には、まず酸化処理を行った後、還元処理を行うことにより、燃料改質触媒を再生することができる。かような方法によっても、担体上の金属を所望の酸化状態にすることができ、触媒活性を再び高くすることができる。   Further, the metal in the fuel reforming catalyst may be reduced by the hydrogen gas contained in the reformed gas, resulting in deterioration of catalyst activity. Therefore, when the catalytic activity reaches a predetermined degree of deterioration due to reduction during the reaction, the fuel reforming catalyst can be regenerated by performing the oxidation treatment first and then performing the reduction treatment. Also by such a method, the metal on the support can be brought into a desired oxidation state, and the catalytic activity can be increased again.

この際の触媒活性の劣化度は、上記と同様に検出することができ、温度、CO濃度、エタノール濃度、水素濃度、CO濃度、HO濃度、ガス流量などの少なくとも1種によって検出することができる
酸化処理としては、400〜550℃、好ましくは500〜530℃で、空気などの酸素含有ガスに接触させて行うのが好ましい。前記酸化処理温度が400℃未満では処理時間を不要に長くする恐れがあり、550℃を超えると金属がシンタリングを生じて触媒活性の低下を招く恐れがあるため望ましくない。
The degree of deterioration of the catalyst activity at this time can be detected in the same manner as described above, and is detected by at least one of temperature, CO concentration, ethanol concentration, hydrogen concentration, CO 2 concentration, H 2 O concentration, gas flow rate, and the like. The oxidation treatment is preferably performed at 400 to 550 ° C., preferably 500 to 530 ° C., in contact with an oxygen-containing gas such as air. If the oxidation treatment temperature is less than 400 ° C., the treatment time may be unnecessarily prolonged. If the oxidation treatment temperature exceeds 550 ° C., the metal may be sintered and the catalyst activity may be reduced.

酸化処理を行う時間は、還元劣化した金属がCoOのように所望の酸化状態に回復するまで行えばよく、燃料改質触媒の量、サイズ、酸素含有ガスの流量などを考慮して適宜決定すればよいが、10分〜1時間程度行えば十分である。   The time for performing the oxidation treatment may be performed until the reduced and deteriorated metal recovers to a desired oxidation state such as CoO, and is appropriately determined in consideration of the amount and size of the fuel reforming catalyst, the flow rate of the oxygen-containing gas, and the like. It suffices to carry out for about 10 minutes to 1 hour.

酸化処理後に行う還元処理としては、上記したのと同様にして行えばよい。   The reduction treatment performed after the oxidation treatment may be performed in the same manner as described above.

このように、酸化による劣化または還元による劣化など燃料改質触媒の劣化状態に応じて上述した再生処理を施すのが好ましい。燃料改質触媒の劣化状態は、X線回折などの公知の方法により検出することができる。   Thus, it is preferable to perform the regeneration process described above according to the deterioration state of the fuel reforming catalyst such as deterioration due to oxidation or deterioration due to reduction. The deterioration state of the fuel reforming catalyst can be detected by a known method such as X-ray diffraction.

かような再生処理を行うことで回復した燃料改質触媒の活性は、後述の実施例に示す通り、当初の活性と同程度にまで回復させることができ、長期に亘って維持することができる。従来の燃料改質触媒では、劣化が生じた場合には適当な段階で触媒の交換を行っていた。しかしながら、本発明の燃料改質触媒を用いれば、改質反応と再生処理とを繰り返すことにより、触媒交換にかかるコスト、手間、時間などを削減することが可能となる。   The activity of the fuel reforming catalyst recovered by performing such regeneration treatment can be recovered to the same level as the initial activity and can be maintained over a long period of time as shown in the examples described later. . In a conventional fuel reforming catalyst, when deterioration occurs, the catalyst is replaced at an appropriate stage. However, by using the fuel reforming catalyst of the present invention, it is possible to reduce the cost, labor, time and the like required for catalyst replacement by repeating the reforming reaction and the regeneration process.

本発明の燃料改質触媒は、上述した通り優れた各種特性を有する。従って、これを燃料改質システムに用いれば、エネルギー効率および耐久性に優れるだけでなく、地球温暖化ガスであるメタンなどの副生を抑制することが可能である。従って、環境安全性にも優れた燃料改質システムを提供することが可能となる。以下、本発明の燃料改質システムを説明する。   The fuel reforming catalyst of the present invention has various excellent properties as described above. Therefore, if this is used in a fuel reforming system, not only is it excellent in energy efficiency and durability, but it is possible to suppress by-products such as methane, which is a global warming gas. Therefore, it is possible to provide a fuel reforming system that is also excellent in environmental safety. Hereinafter, the fuel reforming system of the present invention will be described.

本発明の燃料改質システムは、上述の燃料改質触媒を有する改質反応器と、該改質反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する一酸化炭素シフト反応器と、該一酸化炭素シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択反応器と、燃料電池とを少なくとも含む。   The fuel reforming system of the present invention includes a reforming reactor having the above-described fuel reforming catalyst, and a carbon monoxide shift reaction that reduces carbon monoxide contained in the exhaust gas from the reforming reactor by a water gas shift reaction. A carbon monoxide selective reactor for removing carbon monoxide contained in the exhaust gas from the carbon monoxide shift reactor, and a fuel cell.

エタノールなどを原料とする燃料改質システムは、まず、燃料改質触媒が充填された改質反応器で原料改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成させる。次に、該改質ガスを一酸化炭素シフト反応器に供給し、該改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減させる。次いで、一酸化炭素シフト反応器出口ガスに含まれる一酸化炭素を除去する触媒層を備えた一酸化炭素選択反応器に供給して、一酸化炭素を低減させ、高純度の水素ガスを燃料電池に供給する。   In a fuel reforming system using ethanol or the like as a raw material, first, the raw material is reformed in a reforming reactor filled with a fuel reforming catalyst to generate a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. Next, the reformed gas is supplied to a carbon monoxide shift reactor, and the carbon monoxide contained in the reformed gas is reduced by a water gas shift reaction. Next, the carbon monoxide is supplied to a carbon monoxide selective reactor having a catalyst layer for removing carbon monoxide contained in the outlet gas of the carbon monoxide shift reactor to reduce carbon monoxide, and high purity hydrogen gas is supplied to the fuel cell. To supply.

本発明の燃料改質システムは、部分改質、水蒸気改質、オートサーマルのいずれの改質にも適する。従って、改質原料、改質方法に応じて、酸素供給手段、水供給手段などを配設してもよく、さらに、必要に応じて加熱器、予熱器などを配設してよい。   The fuel reforming system of the present invention is suitable for any reforming of partial reforming, steam reforming, and autothermal. Therefore, an oxygen supply means, a water supply means, etc. may be provided according to the reforming raw material and the reforming method, and further, a heater, a preheater, etc. may be provided as necessary.

図2に本発明の好ましい態様の一例である燃料改質システムの概略図を示す。燃料改質システム100において、1は蒸発器、2は改質反応器、3は熱交換器、4はCOシフト反応器、5はCO選択反応器、6は燃料電池、7は原料タンク、8はポンプを示す。   FIG. 2 shows a schematic diagram of a fuel reforming system which is an example of a preferred embodiment of the present invention. In the fuel reforming system 100, 1 is an evaporator, 2 is a reforming reactor, 3 is a heat exchanger, 4 is a CO shift reactor, 5 is a CO selective reactor, 6 is a fuel cell, 7 is a raw material tank, 8 Indicates a pump.

原料は、原料タンク7から、原料供給パイプを通って蒸発器1へと供給される。エタノールの水蒸気改質の場合、原料タンク7内ではエタノールと水とが所定の割合で混合されていてもよく、エタノールタンクと水タンクとが別々に配設されパイプを合流させることで所定の割合に混合させてもよい。   The raw material is supplied from the raw material tank 7 to the evaporator 1 through the raw material supply pipe. In the case of the steam reforming of ethanol, ethanol and water may be mixed in a predetermined ratio in the raw material tank 7, and the ethanol tank and the water tank are separately provided and a predetermined ratio is obtained by joining the pipes. May be mixed.

原料は、予め所定の温度まで熱源である熱交換器3により昇温させて蒸発器1に供給し、沸騰・気化される。蒸発器1で得られたエタノールと水蒸気とが混合された原料ガスは、所定のパイプを介して改質反応器2へ供給される。原料ガスは所定の温度を有するため、この熱を利用して改質反応器2で水蒸気改質反応が起こる。   The raw material is heated in advance by a heat exchanger 3 as a heat source up to a predetermined temperature, supplied to the evaporator 1, and boiled / vaporized. The raw material gas obtained by mixing the ethanol and water vapor obtained in the evaporator 1 is supplied to the reforming reactor 2 through a predetermined pipe. Since the raw material gas has a predetermined temperature, a steam reforming reaction takes place in the reforming reactor 2 using this heat.

水とエタノールの混合比は、モル比で1:1〜20:1とするのが好ましく、より好ましくは3:1〜10:1である。また、S/C比は0.5〜10であればよく、O/C比は0〜1であればよい。なお、原料の供給量は、触媒充填部に対してSVが1,000〜300,000h−1である。ただし、空間速度が高くなれば、それだけ触媒接触時間が短くなるので転化率が低くなる。また、S/Cが低ければ、Hの濃度も必然的に低くなる場合がある。さらに、O/Cも低ければ低いほどH濃度が高まるためよいが、酸素による部分酸化反応の反応熱が少なくなるため転化率が低くなる場合がある。 The mixing ratio of water and ethanol is preferably 1: 1 to 20: 1 by mole ratio, more preferably 3: 1 to 10: 1. Further, S / C ratio may be any 0.5~10, O 2 / C ratio may be a 0-1. In addition, as for the supply amount of a raw material, SV is 1,000-300,000h- 1 with respect to a catalyst filling part. However, the higher the space velocity, the shorter the catalyst contact time and the lower the conversion rate. Further, if the S / C is low, the H 2 concentration may inevitably be low. Further, the lower the O 2 / C, the better because the H 2 concentration increases. However, since the reaction heat of the partial oxidation reaction with oxygen decreases, the conversion rate may decrease.

反応方式としては、原料を連続的に触媒に接触させる連続流通式が好ましく用いられる。圧力は、0.1〜1MPa・G、好ましくは0.1〜0.15MPa・Gとするのがよい。改質反応温度は、200〜600℃、より好ましくは350〜450℃である。このような温度に調整するために予め原料を熱交換器3などの加熱装置などによって予熱する方法の他、改質反応器のみを加熱する方法を用いてもよい。温度が200℃を下回ると原料や水成分の気化が不十分となり、一方600℃を超えると触媒が失活する場合がある。   As the reaction system, a continuous flow system in which the raw material is continuously brought into contact with the catalyst is preferably used. The pressure is 0.1 to 1 MPa · G, preferably 0.1 to 0.15 MPa · G. The reforming reaction temperature is 200 to 600 ° C, more preferably 350 to 450 ° C. In order to adjust to such a temperature, in addition to a method of preheating the raw material in advance by a heating device such as the heat exchanger 3, a method of heating only the reforming reactor may be used. When the temperature is lower than 200 ° C., vaporization of the raw materials and water components becomes insufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 600 ° C., the catalyst may be deactivated.

また、従来、エタノールの水蒸気改質は、600〜800℃で行われていた。これに対して、本願では200〜600℃と低温で改質を行うことができる。従って、システムの小型化、起動時間、起動エネルギーの低下が図れる。   Conventionally, steam reforming of ethanol has been performed at 600 to 800 ° C. In contrast, in the present application, the modification can be performed at a low temperature of 200 to 600 ° C. Therefore, it is possible to reduce the size of the system, the startup time, and the startup energy.

次に、改質反応器2から得られた改質ガスは、そのまま燃料電池の燃料として供給してよい。さらに、燃料電池の他に、化学工業原料などとしても使用できる。特に燃料電池の中でも、高温作動型と類別される溶融炭酸塩型燃料電池や固体酸化物型燃料電池は、水素以外にも一酸化炭素や炭化水素も燃料として利用できるので、これらの燃料電池に改質反応器2から得られた水素含有ガスを直接用いてもよい。   Next, the reformed gas obtained from the reforming reactor 2 may be supplied as fuel for the fuel cell as it is. Further, it can be used as a raw material for chemical industry in addition to the fuel cell. In particular, among fuel cells, molten carbonate fuel cells and solid oxide fuel cells, which are classified as high-temperature operation types, can use carbon monoxide and hydrocarbons as fuels in addition to hydrogen. The hydrogen-containing gas obtained from the reforming reactor 2 may be used directly.

しかしながら、改質ガスに含まれるCOは触媒劣化の一因となる場合がある。従って、改質ガスは、水蒸気を添加してシフト反応により一酸化炭素濃度を低減するCOシフト反応器4や、微量の酸素を添加して一酸化炭素の選択酸化反応により一酸化炭素濃度を低減するCO選択反応器5を所定のパイプにより接続し、これらを介して一酸化炭素濃度を低減させるのが望ましい。   However, CO contained in the reformed gas may contribute to catalyst deterioration. Therefore, the reformed gas is a CO shift reactor 4 in which water vapor is added to reduce the carbon monoxide concentration by a shift reaction, or a small amount of oxygen is added to reduce the carbon monoxide concentration by a selective oxidation reaction of carbon monoxide. It is desirable to connect the CO selective reactor 5 to be connected by a predetermined pipe and reduce the carbon monoxide concentration through these.

COシフト反応器4に充填されるシフト触媒は、例えばPt系、Cu系、Fe系、Cu―ZnO系触媒などの従来公知の触媒を称することができ、CO選択反応紀に充填する触媒も例えば、Pt系、Ru系触媒などの従来公知のCO除去触媒を使用することができる。また、一酸化炭素濃度は、COシフト反応によって1%程度まで低減でき、一酸化炭素選択酸化反応により100ppm以下に低減することができる。なお、COシフト反応器4からの排出ガスは、予め冷却部などで冷却してからCO選択反応器5に供給してもよく、一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。この他にも、深冷分離法、PAS法、水素貯蔵合金或いはパラジウム膜拡散法などを用いて不純物を除去し、高純度の水素ガスを得ることができる。   The shift catalyst charged in the CO shift reactor 4 may be a conventionally known catalyst such as a Pt-based, Cu-based, Fe-based, or Cu-ZnO-based catalyst. Conventionally known CO removal catalysts such as Pt-based and Ru-based catalysts can be used. The carbon monoxide concentration can be reduced to about 1% by the CO shift reaction, and can be reduced to 100 ppm or less by the carbon monoxide selective oxidation reaction. The exhaust gas from the CO shift reactor 4 may be cooled in advance by a cooling unit or the like and then supplied to the CO selective reactor 5 to improve the carbon monoxide removal efficiency. In addition, impurities can be removed by using a cryogenic separation method, a PAS method, a hydrogen storage alloy, a palladium membrane diffusion method, or the like to obtain a high purity hydrogen gas.

このようにCO濃度が低減され、高純度の水素ガスを含む燃料ガスは、所定のパイプを介して燃料電池6へ供給され、移動体の駆動エネルギー源などとして用いることができる。燃料電池の種類は特に限定されないが、実用性・安全性などの観点から固体高分子燃料電池などが好ましく用いられる。固体高分子燃料電池は、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードおよびカソードにおいて供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。   In this way, the fuel gas having a reduced CO concentration and containing high-purity hydrogen gas is supplied to the fuel cell 6 through a predetermined pipe, and can be used as a drive energy source for the moving body. The type of the fuel cell is not particularly limited, but a polymer electrolyte fuel cell or the like is preferably used from the viewpoints of practicality and safety. A solid polymer fuel cell is configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane selectively permeable to hydrogen ions between an anode and a cathode, and by an electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas supplied at the anode and cathode. An electromotive force is generated and generated.

上述した燃料改質システムにおいて触媒活性が劣化した場合、上述した触媒再生操作を施すことにより、触媒交換をすることがなく改質性能を回復させることができる。図3に、触媒再生操作をさらに備えた燃料改質システムの好ましい態様の一例である概略図を示す。   When catalyst activity deteriorates in the fuel reforming system described above, the reforming performance can be recovered without performing catalyst replacement by performing the above-described catalyst regeneration operation. FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a preferred embodiment of a fuel reforming system further provided with a catalyst regeneration operation.

図3の燃料改質システムは、改質反応器2に当該改質反応器2内の温度を検出する温度センサ10、および、再生用ガス発生装置9が配設されている。   In the fuel reforming system of FIG. 3, a temperature sensor 10 for detecting the temperature in the reforming reactor 2 and a regeneration gas generator 9 are disposed in the reforming reactor 2.

燃料改質システムにおいて、改質反応が進むと時間とともに改質率が徐々に低下し、改質反応の吸熱量が小さくなることにより、触媒温度すなわち改質反応器内の温度が上昇する。そこで、触媒温度センサにより測定することにより、改質反応器内の温度が所定の温度まで昇温した時には、燃料ガスの供給を一時停止し、触媒再生操作を行うのが好ましい。   In a fuel reforming system, as the reforming reaction proceeds, the reforming rate gradually decreases with time, and the endothermic amount of the reforming reaction decreases, thereby increasing the catalyst temperature, that is, the temperature in the reforming reactor. Therefore, it is preferable to temporarily stop the supply of the fuel gas and perform the catalyst regeneration operation when the temperature in the reforming reactor is raised to a predetermined temperature by measuring with a catalyst temperature sensor.

触媒再生操作は、以下の手順に従って行う。燃料改質触媒の劣化状態は、X線回折など公知の方法により検出することができる。従って、還元劣化、酸化劣化など金属の劣化状態に応じて触媒再生操作を行うのが好ましい。   The catalyst regeneration operation is performed according to the following procedure. The deterioration state of the fuel reforming catalyst can be detected by a known method such as X-ray diffraction. Therefore, it is preferable to perform the catalyst regeneration operation according to the deterioration state of the metal such as reduction deterioration or oxidation deterioration.

まず、改質反応器内の燃料改質触媒が酸化により劣化した場合は、燃料改質反応を停止し、還元処理を行う。還元処理には、水素、一酸化炭素などの還元ガスを再生用ガス発生装置9から改質反応器2へ送り込むことにより行う。再生用ガス発生装置9は、還元ガスなどを供給することが可能であれば特に限定されず、水の電気分解、放電改質などによる水素発生装置が設置されればよい。また、還元ガスの供給手段としては、かような再生用ガス発生装置によるものに限られず、燃料改質による水素を供給したり、別途設けた水素タンクから供給するなどの手段であってもよく特に限定されない。また、還元処理には一定以上の熱容量が必要となるため、改質反応器内の温度は、350〜400℃、特に360〜390℃とするのが好ましい。また、還元ガスの供給は、空間速度が速すぎると金属のシンタリングを招く恐れがあり、遅すぎると再生操作に長時間を要するため、これらを考慮して還元ガスの供給量を適宜決定するとよい。還元処理を行う時間は、燃料改質触媒の量、サイズ、還元ガスの流量などを考慮して適宜決定すればよいが、10分〜1時間程度行えば十分である。かような還元処理を行うことにより、燃料改質触媒における金属が所望の酸化状態となり高い触媒活性を回復させることができる。その後、触媒再生操作を停止し、燃料改質反応を再開すればよい。   First, when the fuel reforming catalyst in the reforming reactor deteriorates due to oxidation, the fuel reforming reaction is stopped and the reduction process is performed. The reduction process is performed by sending a reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide from the regeneration gas generator 9 to the reforming reactor 2. The regeneration gas generator 9 is not particularly limited as long as it can supply a reducing gas or the like, and a hydrogen generator by water electrolysis, discharge reforming, or the like may be installed. Further, the reducing gas supply means is not limited to that using the regeneration gas generator, and may be means such as supplying hydrogen by fuel reforming or supplying from a separately provided hydrogen tank. There is no particular limitation. Moreover, since a heat capacity of a certain level or more is required for the reduction treatment, the temperature in the reforming reactor is preferably 350 to 400 ° C, particularly 360 to 390 ° C. In addition, if the space velocity is too high, the supply of the reducing gas may cause metal sintering, and if it is too slow, it takes a long time for the regeneration operation. Good. The time for performing the reduction treatment may be appropriately determined in consideration of the amount of fuel reforming catalyst, the size, the flow rate of the reducing gas, and the like, but it is sufficient that the time is about 10 minutes to 1 hour. By performing such a reduction treatment, the metal in the fuel reforming catalyst becomes a desired oxidation state, and high catalytic activity can be recovered. Thereafter, the catalyst regeneration operation may be stopped and the fuel reforming reaction may be restarted.

また、改質反応器内の燃料改質触媒が還元により劣化した場合は、まず酸化処理を行った後に、還元処理を行う。酸化処理は、改質反応器内にコンプレッサ等を用いて空気などの酸素含有ガスを供給することにより行えばよい。還元劣化した燃料改質触媒の金属が、供給された酸素含有ガスと反応して再生され、この時の反応熱により改質反応器内の温度は上昇する。従って、金属を所望の酸化状態とするには、400〜550℃、特に500〜530℃にコントロールしながら行うのが好ましい。酸化処理を行う時間は、燃料改質触媒の量、サイズ、還元ガスの流量などを考慮して適宜決定すればよいが、10分〜1時間程度行えば十分である。   Further, when the fuel reforming catalyst in the reforming reactor deteriorates due to the reduction, the oxidation treatment is first performed and then the reduction treatment is performed. The oxidation treatment may be performed by supplying an oxygen-containing gas such as air into the reforming reactor using a compressor or the like. The reduction-degraded metal of the fuel reforming catalyst reacts with the supplied oxygen-containing gas and is regenerated, and the temperature in the reforming reactor rises due to the reaction heat at this time. Therefore, in order to bring the metal into a desired oxidation state, it is preferable to carry out while controlling at 400 to 550 ° C, particularly 500 to 530 ° C. The time for performing the oxidation treatment may be appropriately determined in consideration of the amount and size of the fuel reforming catalyst, the flow rate of the reducing gas, etc., but it is sufficient that the time is about 10 minutes to 1 hour.

酸化処理を行った後は、上記したのと同様にして還元処理を行うことにより、燃料改質触媒における金属が所望の酸化状態となり高い触媒活性を回復することができ、その後、燃料改質反応を再開させればよい。   After performing the oxidation treatment, the reduction treatment is performed in the same manner as described above, whereby the metal in the fuel reforming catalyst becomes a desired oxidation state and high catalytic activity can be recovered. Can be resumed.

また、上記した触媒再生操作は、改質反応器内の温度により触媒劣化を測定するものであったが、測定手段は特にこれに限定されない。   Moreover, although the above-mentioned catalyst regeneration operation measures the catalyst deterioration based on the temperature in the reforming reactor, the measuring means is not particularly limited to this.

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。また、当該実施例において、「%」は特記しない限り質量百分率を表わすものとする。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples. In the examples, “%” represents a mass percentage unless otherwise specified.

<実施例1>
(1)燃料改質触媒の調製
硝酸コバルト水溶液(30質量%)を用い、コバルトをアルミナに含浸した。含浸条件は、室温で4時間とした。コバルトは、得られる触媒の総質量中、10質量%(コバルト換算)となるように担体に担持させた。これを、120℃で3時間乾燥後、空気中500℃で3時間焼成を行った。
<Example 1>
(1) Preparation of fuel reforming catalyst Using a cobalt nitrate aqueous solution (30% by mass), cobalt was impregnated into alumina. The impregnation conditions were 4 hours at room temperature. Cobalt was supported on the carrier so as to be 10% by mass (cobalt conversion) in the total mass of the obtained catalyst. This was dried at 120 ° C. for 3 hours and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours.

次に焼成物をハニカム担体にコーティングするため、焼成物約200gに水を添加し、粉砕してスラリーとした。   Next, in order to coat the fired product on the honeycomb carrier, water was added to about 200 g of the fired product and pulverized into a slurry.

得られたスラリーをコージエライト製ハニカム担体(4ミル 400セル)に、触媒粉末の担持量が200g/Lとなるように塗布し、120℃で乾燥し、400℃で焼成した後、水素気流中375℃で1時間還元処理することにより、Co/Al(375)触媒を得た。 The obtained slurry was applied to a cordierite honeycomb carrier (4 mil 400 cells) so that the supported amount of catalyst powder was 200 g / L, dried at 120 ° C., fired at 400 ° C., and then 375 in a hydrogen stream. A Co / Al 2 O 3 (375) catalyst was obtained by reduction treatment at 1 ° C. for 1 hour.

(2)改質ガスの製造
Co/Al(375)触媒が担持されたハニカム担体を用いて、小型燃料改質装置によりエタノール改質を行った。
(2) Production of reformed gas Using a honeycomb carrier carrying a Co / Al 2 O 3 (375) catalyst, ethanol reforming was performed by a small fuel reformer.

原料タンクにエタノール水溶液(エタノール:水=1:4(モル比))を入れ、ポンプにより蒸発器に供給し、ガス化した後にエタノール空間速度5000h−1となるように改質反応器に導入した。この際、S/C=2、O/C=0.1とした。また、改質反応器におけるCo/Al(375)触媒サイズは20mlとした。 An ethanol aqueous solution (ethanol: water = 1: 4 (molar ratio)) was placed in the raw material tank, supplied to the evaporator by a pump, and after gasification, it was introduced into the reforming reactor so that the ethanol space velocity was 5000 h −1 . . At this time, S / C = 2 and O 2 /C=0.1 were set. The Co / Al 2 O 3 (375) catalyst size in the reforming reactor was 20 ml.

反応器内の温度400℃にて反応を開始したところ安定して反応が進行し、改質ガスが生成した。表1に、1時間経過後に反応器から得られた改質ガスをガスクロマトグラフにて分析した結果を示す。また表2に、反応器から得られた改質ガスをガスクロマトグラフにて分析し算出して得られたエタノール転化率の経時変化を示す。なお、エタノールの転化率は下記式に基づいて算出した。   When the reaction was started at a temperature of 400 ° C. in the reactor, the reaction proceeded stably and reformed gas was generated. Table 1 shows the result of analyzing the reformed gas obtained from the reactor after 1 hour by gas chromatography. Table 2 shows the change over time in the ethanol conversion obtained by analyzing and calculating the reformed gas obtained from the reactor using a gas chromatograph. The ethanol conversion was calculated based on the following formula.

Figure 2005238025
Figure 2005238025

<比較例1>
硝酸ニッケル水溶液(30質量%)を用い、ニッケルをアルミナに含浸した。含浸条件は、室温で4時間とした。ニッケルは、得られる触媒の総質量中、10質量%(ニッケル換算)となるように担体に担持させた。これを、120℃で3時間乾燥後、空気中500℃で3時間焼成を行った。
<Comparative Example 1>
An aqueous nickel nitrate solution (30% by mass) was used to impregnate the alumina with nickel. The impregnation conditions were 4 hours at room temperature. Nickel was supported on the carrier so as to be 10% by mass (in terms of nickel) in the total mass of the resulting catalyst. This was dried at 120 ° C. for 3 hours and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours.

次に焼成物をハニカム担体にコーティングするため、焼成物約200gに水を添加し、粉砕してスラリーとした。   Next, in order to coat the fired product on the honeycomb carrier, water was added to about 200 g of the fired product and pulverized into a slurry.

得られたスラリーをコージエライト製ハニカム担体(4ミル 400セル)に、触媒粉末の担持量が200g/Lとなるように塗布し、120℃で乾燥し、400℃で焼成した後、水素気流中500℃で1時間還元処理することにより、Ni/Al触媒を得た以外は、実施例1と同様にして改質ガスの製造を行った。 The obtained slurry was applied to a cordierite honeycomb carrier (4 mil, 400 cells) so that the supported amount of catalyst powder was 200 g / L, dried at 120 ° C., fired at 400 ° C., and then heated in a hydrogen stream. A reformed gas was produced in the same manner as in Example 1 except that a Ni / Al 2 O 3 catalyst was obtained by reduction treatment at 1 ° C. for 1 hour.

<比較例2>
実施例1の(1)において、水素気流中での還元処理温度を300℃としてCo/Al(300)を調製したことを除いては、実施例1と同様にして改質ガスの製造を行った。
<Comparative example 2>
In Example 1 (1), except that Co / Al 2 O 3 (300) was prepared at a reduction treatment temperature in a hydrogen stream of 300 ° C., the reformed gas was Manufactured.

<比較例3>
実施例1の(1)において、水素気流中での還元処理温度を500℃としてCo/Al(500)を調製したことを除いては、実施例1と同様にして改質ガスの製造を行った。
<Comparative Example 3>
In Example 1 (1), except that Co / Al 2 O 3 (500) was prepared at a reduction treatment temperature in a hydrogen stream of 500 ° C., the reformed gas was Manufactured.

Figure 2005238025
Figure 2005238025

Figure 2005238025
Figure 2005238025

<実施例2>
実施例1と同様にしてハニカム担体にCo/Al(375)触媒を設置し、これを用いて図3に示す燃料改質装置によりエタノール改質を行った。
<Example 2>
In the same manner as in Example 1, a Co / Al 2 O 3 (375) catalyst was installed on the honeycomb carrier, and ethanol reforming was performed using the fuel reformer shown in FIG.

原料タンクにエタノール水溶液(エタノール:水=1:4(モル比))を入れ、ポンプにより蒸発器に供給し、ガス化した後にエタノール空間速度5000h−1となるように改質反応器に導入した。この際、S/C=2、O/C=0.1とした。 An ethanol aqueous solution (ethanol: water = 1: 4 (molar ratio)) was placed in the raw material tank, supplied to the evaporator by a pump, and after gasification, it was introduced into the reforming reactor so that the ethanol space velocity was 5000 h −1 . . At this time, S / C = 2 and O 2 /C=0.1 were set.

反応器内の温度400℃にて反応を開始したところ安定して反応が進行し、改質ガスが生成したが、100時間を経過したところ転化率の低下により触媒温度が20℃上昇した。触媒のXRD回折により解析した結果、触媒はCo3価の状態となっており酸化劣化していた。そこで、改質反応を一旦中断し、改質反応器へ放電改質による再生用ガス発生装置から375℃の水素ガスを空間速度1000h−1として供給し30分再生処理を行った後、改質反応を開始したところ、再び改質ガスが生成した。表3に、発生した改質ガスをガスクロマトグラフにて分析した経時変化結果を示す。 When the reaction was started at a temperature of 400 ° C. in the reactor, the reaction proceeded stably and a reformed gas was produced, but after 100 hours, the catalyst temperature rose by 20 ° C. due to a decrease in conversion. As a result of analysis by XRD diffraction of the catalyst, the catalyst was in a Co trivalent state and was oxidized and deteriorated. Therefore, once interrupted reforming reaction, after a 375 ° C. of hydrogen gas from the regeneration gas generator according to the reforming reactor to discharge the reforming was carried out by supplying 30 minutes recovery processing space velocity 1000h -1, modification When the reaction was started, reformed gas was generated again. Table 3 shows the results of changes over time when the generated reformed gas was analyzed with a gas chromatograph.

Figure 2005238025
Figure 2005238025

<結果>
実施例1と各比較例とを比べると、実施例1ではメタンなどの副生が抑制され、水素濃度が高い値を示した。また、実施例1と比較例2とを比べると、実施例1では、エチレンなどの副生が抑制され、転化率も高いため、水素濃度が高い値を示した。本発明によれば副生物を抑えて、水素を主成分とする改質ガスを効率的に製造できた。
<Result>
When Example 1 was compared with each comparative example, by-product such as methane was suppressed in Example 1, and the hydrogen concentration showed a high value. Further, when Example 1 and Comparative Example 2 were compared, Example 1 showed a high hydrogen concentration because by-products such as ethylene were suppressed and the conversion rate was high. According to the present invention, by-products can be suppressed and a reformed gas containing hydrogen as a main component can be efficiently produced.

実施例1と比較例3の転化率の経時変化を比較すると、実施例1では転化率の低下がほとんど起こらず安定した転化率を示した。本発明によれば安定して水素を主成分とする改質ガスを製造できた。   When the change over time in the conversion rate of Example 1 and Comparative Example 3 was compared, Example 1 showed a stable conversion rate with almost no decrease in the conversion rate. According to the present invention, a reformed gas containing hydrogen as a main component can be produced stably.

実施例2では、転化率が低下しかけても再生処理により再び高い転化率を示した。本発明によれば継続的に水素を主成分とする改質ガスを製造できた。   In Example 2, even when the conversion rate decreased, a high conversion rate was shown again by the regeneration treatment. According to the present invention, a reformed gas containing hydrogen as a main component could be produced continuously.

本発明の燃料改質装置は、副生成物が少なく高濃度の水素含有ガスを製造でき、特に水素の供給装置として有用である。   The fuel reformer of the present invention can produce a high-concentration hydrogen-containing gas with few by-products, and is particularly useful as a hydrogen supply device.

燃料改質触媒の模式図を示す。The schematic diagram of a fuel reforming catalyst is shown. 本発明の態様の一例である燃料改質システムの概略図を示す。1 is a schematic view of a fuel reforming system which is an example of an embodiment of the present invention. 本発明の態様の一例である、燃料改質触媒の再生手段を備えた燃料改質システムの概略図を示す。1 is a schematic view of a fuel reforming system including a fuel reforming catalyst regeneration unit, which is an example of an embodiment of the present invention. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…蒸発器、
2…改質反応器、
3…熱交換器、
4…COシフト反応器、
5…CO選択反応器、
6…燃料電池、
7…原料タンク、
8…ポンプ、
9…再生用ガス発生装置、
10…温度センサ。
1 ... Evaporator,
2 ... reforming reactor,
3 ... heat exchanger,
4 ... CO shift reactor,
5 ... CO selective reactor,
6 ... Fuel cell,
7 ... Raw material tank,
8 ... pump,
9 ... Regeneration gas generator,
10: Temperature sensor.

Claims (8)

担体に、酸化状態の異なる金属が担持されてなる燃料改質触媒。   A fuel reforming catalyst in which metals having different oxidation states are supported on a carrier. 前記金属が、0価のコバルトと2価の酸化コバルトとを含むことを特徴とする請求項1記載の燃料改質触媒。   The fuel reforming catalyst according to claim 1, wherein the metal contains zero-valent cobalt and divalent cobalt oxide. 請求項1または2に記載の燃料改質触媒を、ハニカムモノリスまたは多孔質セラミックスに担持した燃料改質触媒。   A fuel reforming catalyst in which the fuel reforming catalyst according to claim 1 or 2 is supported on a honeycomb monolith or porous ceramics. エタノールの改質に用いられる請求項1〜3のいずれかに記載の燃料改質触媒。   The fuel reforming catalyst according to any one of claims 1 to 3, which is used for reforming ethanol. 請求項1〜4のいずれかに記載の燃料改質触媒を有する改質反応器と、該改質反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する一酸化炭素シフト反応器と、該一酸化炭素シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択反応器と、燃料電池とを少なくとも含む燃料電池システム。   A reforming reactor having the fuel reforming catalyst according to any one of claims 1 to 4, and a carbon monoxide shift reaction for reducing carbon monoxide contained in an exhaust gas from the reforming reactor by a water gas shift reaction. A fuel cell system comprising at least a reactor, a carbon monoxide selective reactor for removing carbon monoxide contained in exhaust gas from the carbon monoxide shift reactor, and a fuel cell. 担体に金属を担持させ、これを400〜550℃の空気雰囲気下で焼成した後、さらに350〜400℃の還元雰囲気下で焼成する燃料改質触媒の製造方法。   A method for producing a fuel reforming catalyst, in which a metal is supported on a carrier, calcined in an air atmosphere at 400 to 550 ° C, and then calcined in a reducing atmosphere at 350 to 400 ° C. 反応中に活性が低下した燃料改質触媒を350〜400℃の還元ガスに接触させて行う請求項1〜4記載の燃料改質触媒の再生方法。   The method for regenerating a fuel reforming catalyst according to claim 1, wherein the fuel reforming catalyst whose activity is reduced during the reaction is brought into contact with a reducing gas at 350 to 400 ° C. 前記燃料改質触媒を400〜550℃の酸素含有ガスに接触させた後、さらに350〜400℃の還元ガスに接触させて行う請求項7記載の燃料改質触媒の再生方法。   The method for regenerating a fuel reforming catalyst according to claim 7, wherein the fuel reforming catalyst is brought into contact with an oxygen-containing gas at 400 to 550 ° C and then further brought into contact with a reducing gas at 350 to 400 ° C.
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