JP2006290732A - Method for removing co, apparatus for removing co and its manufacturing method, hydrogen generator using the same and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はCO除去方法およびCO除去装置に係り、特に小型化に適したCO除去方法、CO除去装置とこの製造方法、これを用いた水素発生装置およびこれを用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a CO removal method and a CO removal device, and more particularly to a CO removal method, a CO removal device and a manufacturing method thereof suitable for downsizing, a hydrogen generator using the same, and a fuel cell system using the same.
近年、天然ガス、ナフサ等の軽質炭化水素や、メタノール等のアルコール類を改質用触媒の存在下で改質して、水素を含む気体を生成する改質器と、改質ガスが供給される燃料極、および空気が供給される酸化剤極を備えた燃料電池セルとを組み合わせた燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池システムは、メタノールのような液体燃料を用いた直接型メタノール燃料電池等に比べ、出力電圧が高く、高い発電効率が得られるため期待されている。 In recent years, reformers that produce light gas containing hydrogen by reforming light hydrocarbons such as natural gas and naphtha and alcohols such as methanol in the presence of a reforming catalyst and reformed gas have been supplied. There has been developed a fuel cell system that combines a fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode to which air is supplied. Such a fuel cell system is expected because it has a higher output voltage and higher power generation efficiency than a direct methanol fuel cell using a liquid fuel such as methanol.
アルコール類やジメチルエーテルを改質して得られる気体(改質ガス)は、水素のほかに副生物として二酸化炭素や約1%程度の一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は燃料電池スタックのアノード触媒を劣化させ、発電性能を低下させる原因となる。このため、改質部から燃料電池セルへ水素を含む気体を供給するときに、COシフト部を用いて一酸化炭素を二酸化炭素に変換したり、CO選択酸化部やCOメタン化部を用いて二酸化炭素やメタンに変換したりすることによって、一酸化炭素の濃度を低減する燃料電池システムも開発されている。(特許文献1)。 The gas (reformed gas) obtained by reforming alcohols and dimethyl ether contains carbon dioxide and about 1% of carbon monoxide as a by-product in addition to hydrogen. Carbon monoxide degrades the anode catalyst of the fuel cell stack and causes power generation performance to deteriorate. For this reason, when supplying a gas containing hydrogen from the reforming unit to the fuel cell, carbon monoxide is converted into carbon dioxide using a CO shift unit, or a CO selective oxidation unit or a CO methanation unit is used. Fuel cell systems that reduce the concentration of carbon monoxide by converting it to carbon dioxide or methane have also been developed. (Patent Document 1).
一酸化炭素濃度を低減する触媒としてアルミニウムを陽極酸化して、パラジウムを担持させたものがある(特許文献2)。特許文献2では、平衡計算からこの触媒を用いた反応器が約9モル%の一酸化炭素が含まれた水素を含む気体を、反応温度280℃にてほぼ全量の一酸化炭素をメタン化することができることが示されている。
As a catalyst for reducing the carbon monoxide concentration, there is a catalyst in which palladium is supported by anodizing aluminum (Patent Document 2). In
また、一酸化炭素濃度を低減する触媒としてアルミニウムを陽極酸化して、表面にアルミナの皮膜を形成し、ルテニウム、白金、ロジウムのいずれかを担持させたものが知られている。この触媒を用いた反応器は、反応器の出口温度を150℃以下にすることで、水素の消費が少なく、効率よく一酸化炭素の濃度を低減することができるものである。(特許文献3)
しかし、改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化し、一酸化炭素の濃度を下げるためには、改質ガス中へ酸素を供給するための手段、例えば空気ポンプを別途設ける必要があり、水素発生装置および燃料電池システムが大型化してしまう。 However, in order to oxidize carbon monoxide contained in the reformed gas and reduce the concentration of carbon monoxide, it is necessary to separately provide a means for supplying oxygen into the reformed gas, for example, an air pump. The generator and the fuel cell system are increased in size.
また、特許文献2の様にアルミニウムを陽極酸化して、パラジウムを担持させた触媒を用いて一酸化炭素をメタン化し、一酸化炭素の濃度を低減しようとした際に、特許文献2のような水素分離膜を用いない場合には、特許文献3に指摘されている通り二酸化炭素のメタン化により水素が消費されてしまうとされていた。
Further, as in
一方、特許文献3の様にアルミニウムを陽極酸化して、ルテニウム、白金、ロジウムのいずれかを担持させた触媒を用いて一酸化炭素をメタン化し、一酸化炭素の濃度を低減しようとした場合、特許文献2のような水素の消費は抑制される。しかし、特許文献3に指摘されている通り、200℃以下では触媒活性が低いとされていた。従って、反応器の単位容積あたりの一酸化炭素を低減する能力が低下してしまい、結果的に大きな反応器が必要となり、水素発生装置および燃料電池システムが大型化してしまうとされていた。
On the other hand, when anodizing aluminum as in Patent Document 3 and carbon monoxide is methanated using a catalyst supporting either ruthenium, platinum, or rhodium to reduce the concentration of carbon monoxide, The consumption of hydrogen as in
本発明は、このような事情を鑑みてされたもので、小型化に適したCO除去方法、CO除去装置とこの製造方法、これを用いた水素発生装置およびこれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a CO removal method, a CO removal device and a manufacturing method suitable for miniaturization, a hydrogen generator using the same, and a fuel cell system using the same. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明のCO除去装置は、少なくとも一酸化炭素と二酸化炭素と水素を含む被除去ガスに含まれる一酸化炭素の少なくとも一部のメタン化反応を促進し、前記一酸化炭素の少なくとも一部を除去するCO除去部と、前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the CO removal apparatus of the present invention promotes a methanation reaction of at least a part of carbon monoxide contained in a gas to be removed containing at least carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen. A CO removing unit that removes at least a part of the carbon oxide, a catalyst unit provided in the CO removing unit, wherein at least a part of the surface thereof is made of aluminum or an alloy containing aluminum, and at least a surface of the catalyst unit. A catalyst layer in which ruthenium is supported on alumina that is provided in part and anodized on the surface of the catalyst part, and a heating part for heating the temperature of the catalyst part to 250 ° C. or more. It is characterized by that.
また、上記目的を達成するために、本発明のCO除去装置の製造方法は、少なくとも一酸化炭素と二酸化炭素と水素を含む被除去ガスに含まれる一酸化炭素の少なくとも一部のメタン化反応を促進し、前記一酸化炭素の少なくとも一部を除去するCO除去部と、前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、を有することを特徴とするCO除去装置の製造方法であって、前記CO除去部を構成するアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金を陽極酸化することにより前記アルミナを形成し、前記アルミナにルテニウムの有機塩と有機溶媒を用いて前記ルテニウムを含浸することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the method for producing a CO removal apparatus of the present invention comprises at least a partial methanation reaction of carbon monoxide contained in a gas to be removed containing at least carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen. A CO removing unit that promotes and removes at least a part of the carbon monoxide, a catalyst unit that is provided in the CO removing unit, and at least a part of the surface of which is made of aluminum or an alloy containing aluminum, and the catalyst Provided on at least a part of the surface of the catalyst part, the catalyst layer in which the surface of the catalyst part is anodized and on which ruthenium is supported, and heating for heating the temperature of the catalyst part to 250 ° C. or more A method of manufacturing a CO removing device, comprising: anodizing aluminum or an alloy containing aluminum constituting the CO removing portion. The alumina is formed, characterized by impregnating the ruthenium by using an organic salt and an organic solvent of ruthenium to said alumina by.
また、上記目的を達成するために、本発明のCO除去方法は、少なくとも一酸化炭素と二酸化炭素と水素を含む被除去ガスに含まれる一酸化炭素の少なくとも一部のメタン化反応を促進し、前記一酸化炭素の少なくとも一部を除去するCO除去部と、前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、を有するCO除去装置を用いたCO除去方法であって、前記触媒部の温度を250℃以上に加熱することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the CO removal method of the present invention promotes a methanation reaction of at least a part of carbon monoxide contained in a gas to be removed containing at least carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen. A CO removal section for removing at least a part of the carbon monoxide; a catalyst section provided in the CO removal section, wherein at least a part of the surface thereof is made of aluminum or an alloy containing aluminum; and a surface of the catalyst section. And a catalyst layer in which ruthenium is supported on alumina formed by anodizing the surface of the catalyst part, and a CO removal method using a CO removal apparatus, the catalyst part The temperature of is heated to 250 ° C. or higher.
また、上記目的を達成するために、本発明の水素製造装置は、少なくとも炭素と水素を含有する有機化合物と水を含む燃料から、水素を含有する改質ガスを得るための改質部と、前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の少なくとも一部のメタン化反応を促進し、前記一酸化炭素の少なくとも一部を除去するCO除去部と、前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the hydrogen production apparatus of the present invention includes a reforming unit for obtaining a reformed gas containing hydrogen from a fuel containing at least an organic compound containing water and carbon and water, A CO removal unit that promotes a methanation reaction of at least a part of carbon monoxide contained in the reformed gas and removes at least a part of the carbon monoxide, and is provided in the CO removal unit. Ruthenium is supported on a catalyst part that is at least partly composed of aluminum or an alloy containing aluminum, and alumina that is provided on at least part of the surface of the catalyst part and is anodized on the surface of the catalyst part. And a heating part for heating the temperature of the catalyst part to 250 ° C. or higher.
また、上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、少なくとも炭素と水素を含有する有機化合物と水を含む燃料から、水素を含有する改質ガスを得るための改質部と、前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の少なくとも一部のメタン化反応を促進し、前記一酸化炭素の少なくとも一部を除去するCO除去部と、前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、前記改質反応によって得られた水素と、大気中の酸素を用いて発電を行う燃料電池セルと、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the fuel cell system of the present invention includes a reforming unit for obtaining a reformed gas containing hydrogen from a fuel containing at least an organic compound containing water and carbon and water, A CO removal unit that promotes a methanation reaction of at least a part of carbon monoxide contained in the reformed gas and removes at least a part of the carbon monoxide, and is provided in the CO removal unit. Ruthenium is supported on a catalyst part that is at least partly composed of aluminum or an alloy containing aluminum, and alumina that is provided on at least part of the surface of the catalyst part and is anodized on the surface of the catalyst part. Catalyst layer, a heating part for heating the temperature of the catalyst part to 250 ° C. or higher, a fuel cell that generates power using hydrogen obtained by the reforming reaction and oxygen in the atmosphere , Characterized by having a.
小型化に適したCO除去方法、CO除去装置とこの製造方法、これを用いた水素発生装置およびこれを用いた燃料電池システムを提供することができる。 It is possible to provide a CO removal method, a CO removal apparatus and a production method thereof, a hydrogen generation apparatus using the same, and a fuel cell system using the CO removal method suitable for downsizing.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1に本発明によるCO除去装置、およびこれを用いた燃料電池システムの第1の実施の形態を示す。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a CO removing apparatus according to the present invention and a fuel cell system using the same.
燃料電池システムは、水素発生装置100と、燃料電池セル6が設けられている。
The fuel cell system is provided with a
水素発生装置100には、燃料供給手段1が設けられている。燃料供給手段1には、燃料電池システムの燃料となる炭素と水素を含有する有機化合物と水の混合物が貯蔵されている。燃料には、例えばジメチルエーテルと水の混合物、またはジメチルエーテルと水とアルコール類の混合物を用いることができる。アルコール類にはメタノールやエタノール等が好ましいが、特にメタノールを用いた場合はジメチルエーテルと水の相互溶解性が向上するため好ましい。
The
燃料供給手段1には、例えば燃料電池システムと着脱可能な圧力容器を用いることができる。燃料はジメチルエーテルの圧力を利用し、後述する気化部2へ送液することができる。
As the fuel supply means 1, for example, a pressure vessel detachable from the fuel cell system can be used. The fuel can be sent to the vaporizing
ジメチルエーテルと水の混合比(モル比)は、化学量論的には1:3が理想的である。しかし、実際の燃料電池システムでは、混合比が1:3に近いと一酸化炭素の生成量が増大してしまう。さらに、余剰となった水は後述するシフト反応や発電に用いることができるため、1:3.5以上とすることが好ましい。ただし、後述する気化部2において燃料を加熱・気化する際のエネルギーが増大してしまうため、混合比は1:5.0以下、理想的には1:4.0以下とすることが好ましい。
The mixing ratio (molar ratio) of dimethyl ether and water is ideally 1: 3 stoichiometrically. However, in an actual fuel cell system, when the mixing ratio is close to 1: 3, the amount of carbon monoxide produced increases. Furthermore, since the excess water can be used for a shift reaction and power generation described later, it is preferably set to 1: 3.5 or more. However, since the energy at the time of heating and vaporizing the fuel increases in the vaporizing
水素発生装置100には、気化部2が設けられている。気化部2は燃料供給手段1と配管等により接続されている。気化部2に送られた燃料は加熱されて気化する。
The
水素発生装置100には、改質部3が設けられている。改質部3は気化部2と配管等により接続されている。改質部3に送られた気化した燃料は、改質部3で改質され、水素を含有する気体(改質ガス)となる。改質部3の内部には気化した燃料が通過する流路が設けられており、流路の内壁面には気化した燃料の改質ガスへの改質反応を促進するための改質触媒が設けられている。
The
水素発生装置100には、COシフト部4を設けることができる。COシフト部4は改質部3と配管等により接続されている。改質部3にて改質され、COシフト部4に送られた改質ガスは、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このためCOシフト部4を設け、改質部3から燃料電池セル6へ水素を含む気体を供給する前に、COシフト部4にて一酸化炭素を二酸化炭素と水素へシフト反応させて、水素生成量の増加を図ることが好ましい。COシフト部4の内部には、改質された燃料が通過する流路が設けられており、流路の内壁面には改質ガスに含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するためのシフト触媒が設けられている。
The
水素発生装置100には、CO除去部5(CO除去装置)が設けられている。CO除去部5はCOシフト部4と配管等により接続されている。COシフト部4にてシフト反応され、CO除去部5に送られた改質ガス(被除去ガス)は、未だ1.0モル%以下の一酸化炭素が含まれている。前述の通り、これは燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、CO除去部5は、改質部3から燃料電池セル6へ水素を含む気体を供給する前に、CO除去部5にて一酸化炭素をメタンと水へ転化するメタン化反応させて、一酸化炭素の濃度が100モルppm以下になるまで一酸化炭素を除去する。CO除去部5の内部には、改質ガスに含まれる一酸化炭素のメタン化反応を促進するための触媒部22が設けられている。
The
燃料電池セル6はCO除去部5と配管等により接続されている。一酸化炭素が除去された改質ガスは燃料電池セル6に送られる。燃料電池セル6は、改質ガス中の水素とポンプ12を用いて供給される大気中の酸素とを反応させる。反応に伴い、燃料電池セル6は水を生成するとともに発電を行う。燃料電池セル6へ大気を供給するために、ポンプ12は設けられている。
The
水素発生装置100には、燃焼部7(加熱部)が設けられている。燃焼部7は燃料電池セル6と配管等により接続されている。燃料電池セル6では水素と酸素が反応して水が生成されるが、燃料電池セル6からの排出ガスには未反応の水素が含まれている。燃焼部7はこの未反応の水素をポンプ13を用いて供給される大気中の酸素を用いて燃焼させる。
The
このとき、燃焼の際に発生する燃焼熱を利用し、気化部2、改質部3、COシフト部4およびCO除去部5を加熱する。加熱の効率、温度の均一化および周囲の電子回路等の耐熱性の低い部品の保護のため、気化部2、改質部3、COシフト部4、CO除去部5、燃焼部7は断熱部8にて周囲を覆われている。なお、改質部3は、その内部で行われる改質反応に必要な熱が、気化部2、COシフト部4、CO除去部5に比べて大きいため、燃焼熱が燃焼部7から改質部3へ効率よく伝達できるように、改質部3と燃焼部7とを接触させたり、一体に形成したりすることが好ましい。
At this time, the
次に、CO除去部5の詳細について説明する。図2にCO除去部5の分解斜視図を示す。CO除去部5には、容器21、触媒部22、蓋23が設けられている。
Next, details of the
容器21は母材を加工して形成される。触媒反応時の伝熱特性を向上させるために、母材の少なくとも一部に熱伝導率の高い素材を用いることが好ましい。特にアルミニウム、銅、アルミニウム合金もしくは銅合金は、熱伝導率が高いばかりでなく、加工性も優れているため、容器21の素材として用いるのに適している。また、水素発生装置が長期にわたって使用されることが予想される場合、熱伝導率はアルミニウム合金や銅合金ほど高くないものの、耐腐食性に優れていることからステンレス合金も好ましい。
The
容器21には、触媒部22をはめ込むためのはめ込み部21aが設けられている。触媒部22がはめ込まれた後、後述する蓋23を設ける。必要に応じて触媒部22と容器21とを、また容器21と蓋23とを接合し、はめ込み部21aを封止することにより流路が形成されるように、はめ込み部21aは設けられている。形成される流路の形状には、例えば図2に示すような平行流路やサーペンタイン流路を用いることができる。
The
触媒部22は母材を加工して形成される。触媒部22は、母材の少なくとも一部にアルミニウム、またはアルミニウムを含む合金を用いる。
The
触媒部22には貫通溝22aが設けられている。貫通溝22aは触媒部22の一面に両端が貫通するように複数設けられている。また、貫通溝22aは互いに隣接するように設けられている。貫通溝22aを流れる改質ガスの温度のばらつきを抑制するために、貫通溝22aの幅は、1mm以下とすることが好ましい。貫通溝22aは触媒部22の母材を一般的な機械加工方法や、成型方法を用いて形成することが好ましい。
The
一般的な機械加工の例として、ワイヤを用いた放電加工(ワイヤカット)が挙げられる。ワイヤカットは細い金属線を工具電極とし、電極または被加工物を目的の形状に移動しながら放電加工を行う方法である。また、ワイヤカットの他にダイヤモンド等の砥粒をレジン等にて円盤状に固めたブレードを用い、砥粒加工を用いることも可能である。砥粒加工は、ブレードを高速回転させて被加工物上に接触させながら移動し、ブレードの軌跡の部分が砥粒によって研磨、除去されて目的の形状に加工するものである。ワイヤカットや砥粒加工は、貫通溝22aの様な、両端が貫通した溝を短時間で加工するのに非常に適している。
An example of general machining is electrical discharge machining (wire cutting) using a wire. Wire cutting is a method in which a thin metal wire is used as a tool electrode and electric discharge machining is performed while moving the electrode or workpiece to a target shape. In addition to wire cutting, it is also possible to use abrasive processing by using a blade in which abrasive grains such as diamond are hardened in a disk shape with a resin or the like. In the abrasive processing, the blade moves at high speed while contacting the workpiece, and the locus of the blade is polished and removed by the abrasive to be processed into a desired shape. Wire cutting and abrasive processing are very suitable for processing a groove having both ends penetrated, such as the through
一般的な成型方法の例として、鍛造加工が挙げられる。鍛造加工は棒または塊状の金属素材に工具を用いて圧力を加え、鍛錬効果を与えて材料の機械的性質を改善すると同時に、金属素材を目的の形状に成形する加工法である。また、鍛造加工のほかに鋳造加工を用いることも可能である。鋳造加工は、目的の形状の空洞を有する型へ、溶融した金属を流し込み、冷却した後に型を除去し、目的の形状に加工するものである。鍛造や鋳造は、触媒部22の様な複雑な形状の加工をするのに非常に適している。
An example of a general molding method is forging. Forging is a processing method in which a tool is applied to a bar or block of metal material to apply a forging effect to improve the mechanical properties of the material and simultaneously form the metal material into a desired shape. In addition to forging, casting can be used. In the casting process, molten metal is poured into a mold having a cavity having a target shape, and after cooling, the mold is removed and processed into a target shape. Forging and casting are very suitable for processing a complicated shape such as the
貫通溝22aの壁面には触媒層33が設けられている。触媒層33の詳細については後述する。
A
触媒部22がはめ込まれた容器21には、蓋23が設けられている。はめ込み部21aを封止するように、蓋23は設けられている。蓋23は、少なくとも一部に熱伝導率の高い素材を用いた板状部材を用いることができる。熱伝導率の高い素材の例としては、アルミニウム、銅、アルミニウム合金もしくは銅合金が挙げられる。また、流路構造体が長期にわたって使用されることが予想される場合、熱伝導率はアルミニウム合金や銅合金ほど高くないものの、耐腐食性に優れていることからステンレス合金を用いることもできる。
The
容器21の後述する供給口21b、排出口21cを除く開口部を覆うように、容器21に蓋23は設けられている。供給口21b、排出口21cが入口、出口となる流路が形成されるように、容器21に設けられた蓋23ははめ込み部21aを封止している。すわなち、蓋23によりはめ込み部21aが封止されると、供給口21bより供給された流体が貫通溝22aを通過した後に排出口21cから排出されるように、流路が形成される。
A
容器21には、はめ込み部21aと連通するように、供給口21b、排出口21cが設けられている。このようにして触媒部22がはめ込まれたはめ込み部21aを蓋23にて封止することにより、供給口21b、排出口21cが入口、出口となる平行流路を有するCO除去部5が形成される。
The
CO除去部5の内部には前述の通り平行流路形状やサーペンタイン形状の流路が設けられている。流路の内壁面には、触媒層33が設けられている。
As described above, a parallel channel shape or a serpentine shape channel is provided inside the
改質部3にて改質反応、COシフト部にてシフト反応され、CO除去部5に送られた改質ガスは、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。前述の通り一酸化炭素は燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、発電性能を低下させる原因となる。このためCO除去部5は、改質部3から燃料電池セル6へ水素を含む気体を供給する前に、CO除去部5にて式(1)に示す様に一酸化炭素をメタン化させて、濃度が100ppm以下になるまで一酸化炭素を除去する。
The reformed gas subjected to the reforming reaction in the reforming unit 3 and the shift reaction in the CO shift unit and sent to the
CO+3H2→CH4+H2O ・・・(1)
触媒層33の詳細について説明する。図3に触媒層33の断面の一部を拡大して示す。触媒層33は、アルミナ皮膜31の表面に少なくともルテニウム32、および必要に応じて他の添加物が担持されたものである。アルミナ皮膜31は触媒部22のアルミニウム部分の表面を陽極酸化して形成することができる。
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (1)
Details of the
アルミナ皮膜31の詳細について説明する。触媒部22を酸性水溶液またはアルカリ性水溶液を用いて陽極酸化して、触媒部32のアルミニウム部分の表面にアルミナ皮膜31を形成する。この後、必要に応じて酸性水溶液を用いてアルミナ皮膜31に形成された微細口を大きくし、水和処理を行う。さらに、触媒部22を必要に応じて350℃以上で1時間以上、好ましくは450〜550℃で焼成を行う。焼成されたアルミナ皮膜31はγ―アルミナとなる。
Details of the
アルミナ皮膜31の厚さは30μm以上100μm以下となるようにすることが好ましい。アルミナ皮膜31の厚さが30μm未満または100μmより大きくなった場合、触媒の利用効率が低下してしまうためである。また、アルミナ皮膜31の表面には多数の微細孔が存在するが、陽極酸化およびその後の酸性水溶液による処理の条件は、微細孔の平均細孔径が5nm以上10nm以下となるようにすることが好ましい。微細孔の平均細孔径を5nm以上10nm以下とすると、式(1)に示す反応の式(2)に示す二酸化炭素のメタン化反応に対する選択性が向上する。
The thickness of the
CO2+4H2→CH4+2H2O ・・・(2)
ルテニウム32の詳細について説明する。アルミナ皮膜31には、前述の通りその表面に多数の微細孔が存在する。この微細孔を有するアルミナ皮膜31に含浸法やウォッシュコート法などの公知の方法を用いてルテニウム32を担持する。
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (2)
Details of the
公知の触媒担持方法のうち例として含浸法について説明する。例えばルテニウムアセチルアセトナート(Ru(C5H7O2)3)等のルテニウムの有機塩と、例えばアセトン(CH3COCH3)、アセチルアセトン(CH3COCH2COCH3)またはテトラヒドロフラン((CH2)3CH2O)等の有機溶媒を用いて、ルテニウム32をアルミナ皮膜31に含浸させることができる。また、塩化ルテニウム水溶液を用いてルテニウム32をアルミナ皮膜31に含浸させることもできるが、塩化ルテニウム(RuCl3・nH2O)は酸性度が高いため、アルミナ皮膜31の下のアルミニウム部分と塩化ルテニウムが反応し、アルミナ皮膜31が剥離してしまう場合がある。従って、歩留やプロセスマージンを考慮した場合、ルテニウムの有機塩と有機溶媒を用いて、ルテニウム32をアルミナ皮膜31に含浸させる方が好ましい。
The impregnation method will be described as an example of known catalyst loading methods. For example the organic salts of ruthenium such as ruthenium acetylacetonate (Ru (C 5 H 7 O 2) 3), for example, acetone (CH 3 COCH 3), acetylacetone (CH 3 COCH 2 COCH 3) or tetrahydrofuran ((CH 2) The
CO除去部5のCO除去条件について説明する。CO除去部5にて一酸化炭素を除去する改質ガスの、除去前の一酸化炭素濃度は前述の通り1.0モル%以下が好ましい。具体的には、改質反応の際に一酸化炭素の生成を抑制するように、または改質反応の際に生成された一酸化炭素のシフト反応を促進するように、改質部3に設けられた改質触媒へ添加物を加えることができる。また、改質触媒へ添加物を加える代わりに、または改質触媒へ添加物を加えると同時に、前述の通りCOシフト部4を設けることができる。
The CO removal conditions of the
また、触媒部22の温度が250℃以上となるように、CO除去部5は燃焼部7を用いて加熱される。この時、触媒部22の温度をCO除去部5の内部に温度センサを設けて測定することができる。しかし、前述の通り触媒部22に設けられた貫通溝22aの幅は1mm以下と小さく、CO除去部5の内部に温度センサを設けることが困難な場合がある。この様な場合、CO除去部5の外壁面に温度センサを設けることによって触媒部22の温度を間接的に測定する。
Further, the
続いて、燃料電池セル6の詳細について説明する。燃料電池セル6は、Ptが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン(PTFE)などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートからなる燃料極9と、同様にPtが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン(PTFE)などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートからなる酸化剤極10で、スルホン酸基またはカルボン酸基などの陽イオン交換基を有するフルオロカーボン重合体、例えばNafion(Du Pont社の登録商標)等からなるプロトン導電性を有する電解質膜11を挟み込んでいる。この多孔質シートはスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、その重合体で被覆された微粒子を含んでも構わない。
Next, details of the
燃料極9に供給された水素は、燃料極9で
H2→2H++2e− ・・・(3)
の様に反応する。一方酸化剤極10に供給された酸素は、酸化剤極10で
1/2O2+2H++2e−→H2O ・・・(4)
の様に反応する。
Hydrogen supplied to the
It reacts like this. On the other hand, oxygen supplied to the
It reacts like this.
さらに、燃焼部7の詳細について説明する。燃焼部7の内部には、例えばサーペンタイン形状や、平行流路形状の発電に用いられた燃料が流れる流路が設けられている。流路の内壁面には、例えば、PtまたはPd、もしくはPtおよびPdなどの貴金属が担持されたアルミナなどの燃焼触媒が設けられている。燃焼触媒に貴金属を用いるのは、燃料電池の停止時に触媒の酸化、劣化を防止するための付帯設備なしに、燃焼触媒の酸化、劣化を防止するためである。
Furthermore, the detail of the
このようにしてできた水素発生装置および燃料電池システムは、小型のCO除去部5にて改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を十分に低減することができる。すなわち、燃料極9の触媒を劣化させ発電性能を低下させることなく、水素発生装置および燃料電池システムを小型化することができる。
The hydrogen generator and the fuel cell system thus made can sufficiently reduce the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas by the small
また、CO除去部5における一酸化炭素のメタン化反応の、二酸化炭素のメタン化反応に対する選択性が高い。従って、CO除去部5において一酸化炭素を除去する際の、二酸化炭素のメタン化反応によって消費される水素の量を少なくすることができる。すなわち、水素発生装置全体の水素発生効率が向上し、燃料電池システムの発電効率が向上する。
Moreover, the selectivity of the methanation of carbon monoxide in the
また、CO除去部5において、一酸化炭素を除去する際にメタン化反応を利用しているため、CO除去部5へ酸素を供給する必要がない。従って、CO除去部5に酸素を供給するための手段、例えばポンプ等を設ける必要がなく、水素発生装置および燃料電池システムを小型化することができる。
In addition, since the methanation reaction is utilized when removing carbon monoxide in the
また、ジメチルエーテルを含む燃料を用いた場合、未改質のジメチルエーテルやジメチルエーテルの改質反応に伴う一酸化炭素や二酸化炭素以外の副生成物がCO除去部に送られても、陽極酸化されてできたアルミナにルテニウムが担持された触媒層33はこれら副生成物に対する耐性が強く、長時間安定して一酸化炭素を除去することができる。
When fuel containing dimethyl ether is used, unmodified dimethyl ether and by-products other than carbon monoxide and carbon dioxide accompanying the reforming reaction of dimethyl ether are anodized even if they are sent to the CO removal section. In addition, the
なお、改質部3には気化した燃料の改質ガスへの改質反応を促進するための改質触媒が設けられている例について説明したが、改質触媒とCOシフト触媒の混合物を設けてもかまわない。改質触媒とCOシフト触媒の混合物を設けているため、炭素基準における一酸化炭素の収率が高くなってしまう現象を低減できる。 Although the reforming unit 3 has been described with respect to the example in which the reforming catalyst for promoting the reforming reaction of the vaporized fuel to the reformed gas has been described, a mixture of the reforming catalyst and the CO shift catalyst is provided. It doesn't matter. Since the mixture of the reforming catalyst and the CO shift catalyst is provided, the phenomenon that the yield of carbon monoxide on a carbon basis is increased can be reduced.
(第2の実施の形態)
図4に本発明による水素発生装置および燃料電池システムの第2の実施の形態を示す。なお、図1に示す第1の実施の形態の各部と同一部分は、同一符号で示し、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment of the hydrogen generator and fuel cell system according to the present invention. In addition, the same part as each part of 1st Embodiment shown in FIG. 1 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted.
図4は、CO除去部5bの内部を透過して図示している。その他の構成は第1の実施の形態と同一である。CO除去部5bには、燃焼部7に加えてヒータ41(加熱部)が設けられている。ヒータ41は、例えば絶縁体に高抵抗の金属を巻きつけたカートリッジヒータを用いることができる。ヒータ41は外部からエネルギーの供給、例えばヒータ41にカートリッジヒータを用いた場合は電力、を受ける。ヒータ41に供給される電力は、例えば燃料電池セル6から供給される。外部からエネルギーが供給されたヒータ41は発熱し、CO除去部5を加熱する。
FIG. 4 illustrates the inside of the
容器21の内部には板状の触媒部42が複数設けられている。触媒部42は、母材のすくなくとも一部にアルミニウム、またはアルミニウムを含む合金を用いる。触媒部42は、それぞれ間隙をもって容器21の内部に設けられ、COシフト部4から供給された改質ガスは、容器21または蓋23と触媒部42との間、もしくは隣接する触媒部42との間を流れ、燃料電池セル6へと排出される。
A plurality of plate-
触媒部42の表面には触媒層33が設けられている。触媒層33の詳細な説明および図4への図示は、第1の実施の形態と同様のため省略する。
A
このようにしてできた水素発生装置および燃料電池システムは、小型のCO除去部5bにて改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を十分に低減することができる。すなわち、燃料極9の触媒を劣化させ発電性能を低下させることなく、水素発生装置および燃料電池システムを小型化することができる。
In the hydrogen generator and the fuel cell system thus formed, the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas can be sufficiently reduced by the small
また、CO除去部5bにおける一酸化炭素のメタン化反応の、二酸化炭素のメタン化反応に対する選択性が高い。従って、CO除去部5bにおいて一酸化炭素を除去する際の、二酸化炭素のメタン化反応によって消費される水素の量を少なくすることができる。すなわち、水素発生装置全体の水素発生効率が向上し、燃料電池システムの発電効率が向上する。
In addition, the selectivity of the methanation of carbon monoxide in the
また、CO除去部5bにおいて、一酸化炭素を除去する際にメタン化反応を利用しているため、CO除去部5bへ酸素を供給する必要がない。従って、CO除去部5bに酸素を供給するための手段、例えばポンプ等を設ける必要がなく、水素発生装置および燃料電池システムを小型化することができる。
In addition, since the
また、ジメチルエーテルを含む燃料を用いた場合、未改質のジメチルエーテルやジメチルエーテルの改質反応に伴う一酸化炭素や二酸化炭素以外の副生成物がCO除去部に送られても、陽極酸化されてできたアルミナにルテニウムが担持された触媒層33はこれら副生成物に対する耐性が強く、長時間安定して一酸化炭素を除去することができる。
When fuel containing dimethyl ether is used, unmodified dimethyl ether and by-products other than carbon monoxide and carbon dioxide accompanying the reforming reaction of dimethyl ether are anodized even if they are sent to the CO removal section. In addition, the
また、ヒータ41が設けられているため、ヒータ41をフィードバック制御することができる。従って、CO除去部5bの温度をより精度よく制御することができ、より一酸化炭素の濃度を低減することができる。
Further, since the
また、板状部材の触媒部42が設けられているため、触媒部42の加工が少なく、水素発生装置および燃料電池システムの製造コストを低減することができる。さらに、他の触媒が設けられた板状部材を容易に組み合わせることができる。例えば改質ガス中に触媒部42に対して悪影響を及ぼす物質が含まれている場合でも、この悪影響を及ぼす物質を他の影響が少ない物質への転化を促進する触媒が設けられた板状部材をCO除去部5bに設けることができる。
Further, since the plate-
なお、改質部3には気化した燃料の改質ガスへの改質反応を促進するための改質触媒が設けられている例について説明したが、改質触媒とCOシフト触媒の混合物を設けてもかまわない。改質触媒とCOシフト触媒の混合物を設けているため、炭素基準における一酸化炭素の収率が高くなってしまう現象を低減できる。 Although the reforming unit 3 has been described with respect to the example in which the reforming catalyst for promoting the reforming reaction of the vaporized fuel to the reformed gas has been described, a mixture of the reforming catalyst and the CO shift catalyst is provided. It doesn't matter. Since the mixture of the reforming catalyst and the CO shift catalyst is provided, the phenomenon that the yield of carbon monoxide on a carbon basis is increased can be reduced.
(第3の実施の形態)
図5に本発明による水素発生装置および燃料電池システムの第3の実施の形態を示す。なお、図1に示す第1の実施の形態の各部と同一部分は、同一符号で示し、その説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a hydrogen generator and a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. In addition, the same part as each part of 1st Embodiment shown in FIG. 1 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted.
図5は、CO除去部5の分解斜視図を示す。CO除去部5には、第1の実施の形態の触媒部22に替えて触媒部24が設けられている。触媒部24は多数の空隙を有するアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金の表面および空隙表面に触媒層33が設けられたものである。空隙を有するアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金には、例えばアルミニウム多孔質体、発泡アルミニウムまたは、ハニカム構造のアルミニウムを用いることができる。触媒層33の詳細な説明および図5への図示は、第1の実施の形態と同様のため省略する。
FIG. 5 shows an exploded perspective view of the
触媒部24には、球状、柱状、板状または不定形のアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金を用いることができる。なお、図5には代表して直方体の触媒部24を用いた例を図示している。触媒部24は、はめ込み部21aに設けられる。はめ込み部21aに設けられた触媒部24の空隙をCO除去部5に供給された改質ガスが流れる。
The
このようにしてできた水素発生装置および燃料電池システムは、小型のCO除去部5にて改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を十分に低減することができる。すなわち、燃料極9の触媒を劣化させ発電性能を低下させることなく、水素発生装置および燃料電池システムを小型化することができる。
The hydrogen generator and the fuel cell system thus made can sufficiently reduce the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas by the small
また、CO除去部5における一酸化炭素のメタン化反応の、二酸化炭素のメタン化反応に対する選択性が高い。従って、CO除去部5において一酸化炭素を除去する際の、二酸化炭素のメタン化反応によって消費される水素の量を少なくすることができる。すなわち、水素発生装置全体の水素発生効率が向上し、燃料電池システムの発電効率が向上する。
Moreover, the selectivity of the methanation of carbon monoxide in the
また、CO除去部5において、一酸化炭素を除去する際にメタン化反応を利用しているため、CO除去部5へ酸素を供給する必要がない。従って、CO除去部5に酸素を供給するための手段、例えばポンプ等を設ける必要がなく、水素発生装置および燃料電池システムを小型化することができる。
In addition, since the methanation reaction is utilized when removing carbon monoxide in the
また、ジメチルエーテルを含む燃料を用いた場合、未改質のジメチルエーテルやジメチルエーテルの改質反応に伴う一酸化炭素や二酸化炭素以外の副生成物がCO除去部に送られても、陽極酸化されてできたアルミナにルテニウムが担持された触媒層33はこれら副生成物に対する耐性が強く、長時間安定して一酸化炭素を除去することができる。
When fuel containing dimethyl ether is used, unmodified dimethyl ether and by-products other than carbon monoxide and carbon dioxide accompanying the reforming reaction of dimethyl ether are anodized even if they are sent to the CO removal section. In addition, the
また、空隙を有する触媒部24が設けられているため、触媒部24の加工が少なく、水素発生装置および燃料電池システムの製造コストを低減することができる。さらに、他の触媒が設けられた空隙を有する部材を容易に組み合わせることができる。例えば改質ガス中に触媒部24に対して悪影響を及ぼす物質が含まれている場合でも、この悪影響を及ぼす物質を他の影響が少ない物質への転化を促進する触媒が設けられた部材をCO除去部5に設けることができる。
Moreover, since the
なお、改質部3には気化した燃料の改質ガスへの改質反応を促進するための改質触媒が設けられている例について説明したが、改質触媒とCOシフト触媒の混合物を設けてもかまわない。改質触媒とCOシフト触媒の混合物を設けているため、炭素基準における一酸化炭素の収率が高くなってしまう現象を低減できる。 Although the reforming unit 3 has been described with respect to the example in which the reforming catalyst for promoting the reforming reaction of the vaporized fuel to the reformed gas has been described, a mixture of the reforming catalyst and the CO shift catalyst is provided. It doesn't matter. Since the mixture of the reforming catalyst and the CO shift catalyst is provided, the phenomenon that the yield of carbon monoxide on a carbon basis is increased can be reduced.
なお、詳述した各実施の形態の説明及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。また、詳述した各実施の形態に係る水素発生装置および燃料電池システムは種々の用途で用いられる水素の製造、発電に利用可能である。例えば、気化部2とCOシフト部4、CO除去部5とは一体に形成してもかまわない。この場合、気化部2とCOシフト部4、CO除去部5とのそれぞれの間の熱抵抗が低下し、燃焼部7で燃焼させる水素の量を低減することができる。すなわち、水素発生装置全体の水素発生効率が向上し、燃料電池システムの発電効率が向上する。
In addition, it should not be understood that the detailed description and drawings of each embodiment limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques are possible for those skilled in the art. In addition, the hydrogen generator and the fuel cell system according to each of the embodiments described in detail can be used for the production and power generation of hydrogen used in various applications. For example, the
また、本実施の形態では、CO除去部5には1つの触媒部22が設けられている例について説明した。しかしCO除去部5の内部に設けられる触媒部22の数は1つに限られるものではなく、例えば図10及び図11に示す様に2つの触媒部22を設けても構わない。図10は2つの触媒部22の断面図、図11は図10(b)の一部を拡大した拡大断面図である。図10および図11に示す様に2つの触媒部22を設ける場合、一方の触媒部22の貫通溝22aに他方の触媒部が組み合わされる様に、触媒部22を設けることができる。
Further, in the present embodiment, the example in which one
このように2つの触媒部22を組み合わせた場合、触媒部22に設けられた貫通溝22aのピッチに対し、組み合わせ後に形成される流路のピッチを小さくすることができるため、触媒部22の加工が容易となる。
When the two
図2に示すCO除去部5を用いて、水素発生装置の改質ガスに含まれる一酸化炭素の除去を行った。容器21、触媒部22、蓋23の材質はアルミニウムを用いた。触媒部22の表面に厚さ50μmのγ−アルミナ層を形成し、ルテニウムを担持した。ルテニウムの原料はルテニウムアセチルアセトナート(Ru(C5H7O2)3)を用い、飽和アセトン溶液に24時間浸漬して含浸させた後、120℃にて乾燥し、さらに500℃にて焼成して触媒層33を形成した。
Carbon monoxide contained in the reformed gas of the hydrogen generator was removed using the
CO除去部5には、水素に二酸化炭素と一酸化炭素等が含まれる改質ガスを供給して一酸化炭素の除去を行った。CO除去部5の外壁面の温度を225℃、250℃、275℃、300℃にて制御して、それぞれの温度における一酸化炭素が除去された後の改質ガスについてガスクロマトグラフにて分析した。
The
改質ガスの組成は、H2=64.0%、CO2=20.0%、CO=1.0%、CH4=5.0%、N2=10.0%である。ここで、N2は本来改質ガスには含まれないものであるが、ガスクロマトグラフにて改質ガスを分析する都合上、内部標準物質として用いている。その結果を図6および図7に示す。 The composition of the reformed gas is H 2 = 64.0%, CO 2 = 20.0%, CO = 1.0%, CH 4 = 5.0%, N 2 = 10.0%. Here, N 2 is originally not included in the reformed gas, but is used as an internal standard substance for the convenience of analyzing the reformed gas with a gas chromatograph. The results are shown in FIGS.
また、従来の水素発生装置の比較例として以下の3つの水素発生装置についても同様の実験を行った。 Further, as a comparative example of the conventional hydrogen generator, the same experiment was performed for the following three hydrogen generators.
(比較例1)
実施例1に示す触媒部22に替えて、市販のルテニウム/γ−アルミナの触媒を用いた。この触媒の形状は粒子状であり、この粒子状の触媒を触媒部22と同形状のアルミニウムの貫通溝にウォッシュコート法を用いて担持した。
(Comparative Example 1)
Instead of the
(比較例2)
実施例1に示す触媒部22に替えて、市販のルテニウム/γ−アルミナの触媒を用いた。比較例1と同様にルテニウム/γ−アルミナの触媒ではあるが、異なる商品である。この触媒の形状は粒子状であり、この粒子状の触媒を触媒部22と同形状のアルミニウムの貫通溝にウォッシュコート法を用いて担持した。
(Comparative Example 2)
Instead of the
(比較例3)
実施例3に示す触媒部24に替えて、市販のルテニウム/ゼオライトの触媒を用いた。この触媒の形状は粒状であり、この粒状の触媒をはめ込み部21aに充填した。
(Comparative Example 3)
Instead of the
図6に示す通り、比較例1乃至比較例3の水素発生装置については、いずれも250℃以上では、二酸化炭素のメタン化による水素の消費量が増加してしまった。一方、実施例1の水素発生装置については250℃以上では二酸化炭素のメタン化による水素の消費量は増加しているが、比較例1乃至比較例3にくらべて大幅に水素の消費量が少ないことが確認できた。 As shown in FIG. 6, in the hydrogen generators of Comparative Examples 1 to 3, the consumption of hydrogen due to methanation of carbon dioxide increased at 250 ° C. or higher. On the other hand, for the hydrogen generator of Example 1, the amount of hydrogen consumed by methanation of carbon dioxide increases at 250 ° C. or higher, but the amount of hydrogen consumed is significantly less than that of Comparative Examples 1 to 3. I was able to confirm.
また、図7に示す通り、比較例3については、250℃までは改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が100モルppm以下となるまで一酸化炭素を除去できたものの、275℃では改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が100モルppmより大きくなってしまった。比較例1及び比較例2の水素発生装置については、いずれの温度においても改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が100モルppm以下まで一酸化炭素を除去できなかった。一方、実施例1の水素発生装置については、250℃以上では、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が100モルppm以下となるまで一酸化炭素を除去できることが確認できた。 Further, as shown in FIG. 7, in Comparative Example 3, carbon monoxide could be removed up to 250 ° C. until the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas became 100 mol ppm or less. The concentration of carbon monoxide contained in the quality gas has become larger than 100 mol ppm. Regarding the hydrogen generators of Comparative Examples 1 and 2, carbon monoxide could not be removed until the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas was 100 mol ppm or less at any temperature. On the other hand, with respect to the hydrogen generator of Example 1, it was confirmed that carbon monoxide could be removed at 250 ° C. or higher until the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas became 100 mol ppm or lower.
なお、実施例1に示す水素発生装置について、20W出力の発電出力に相当する約250cc/minの水素ガスを発生させる条件で、ジメチルエーテルの改質を連続運転した。この時のCO除去部5によるCO除去後の一酸化炭素の濃度の変化を図8に示す。このときのジメチルエーテルと水のモル比は1:4とした。
In addition, about the hydrogen generator shown in Example 1, the reforming | reformation of dimethyl ether was continuously operated on the conditions which generate | occur | produce about 250 cc / min hydrogen gas equivalent to the electric power generation output of 20W output. FIG. 8 shows the change in the concentration of carbon monoxide after the CO removal by the
図8に示す通り、比較例3に示す水素発生装置は運転時間が経過するに従い、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が増加していってしまった。一方、実施例1に示す水素発生装置は、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が100モルppm以下となるまで、安定して一酸化炭素を除去できることが確認できた。 As shown in FIG. 8, in the hydrogen generator shown in Comparative Example 3, the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas increased as the operating time passed. On the other hand, it was confirmed that the hydrogen generator shown in Example 1 can stably remove carbon monoxide until the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas becomes 100 mol ppm or less.
実施例1と同様に、図2に示すCO除去部5を用いて、水素発生装置の改質ガスに含まれる一酸化炭素の除去を行った。容器21、触媒部22、蓋23の材質はアルミニウムを用いた。触媒部22の表面にγ−アルミナ層を形成し、ルテニウムを担持した。
Similarly to Example 1, carbon monoxide contained in the reformed gas of the hydrogen generator was removed using the
CO除去部5には、水素に二酸化炭素と一酸化炭素等が含まれる改質ガスを供給して一酸化炭素の除去を行った。CO除去部5の外壁面の温度を225℃、250℃、275℃、300℃にて制御して、それぞれの温度における一酸化炭素が除去された後の改質ガスについてガスクロマトグラフにて分析した。
The
改質ガスの組成は、H2+CO=65%、CO2=20%、CH4=5%、N2=10%である。H2とCOの組成を、H2=62.0%/CO=3.0%、H2=64.0%/CO=1.0%、H2=64.5%/CO=0.5%、H2=65.0%/CO=0%とした改質ガスを供給して、それぞれの改質ガスの組成における一酸化炭素が除去された後の改質ガスについてガスクロマトグラフにて分析した。ここで、N2は本来改質ガスには含まれないものであるが、ガスクロマトグラフにて改質ガスを分析する都合上、内部標準物質として用いている。その結果を図9に示す。 The composition of the reformed gas is H 2 + CO = 65%, CO 2 = 20%, CH 4 = 5%, N 2 = 10%. The composition of H 2 and CO is as follows: H 2 = 62.0% / CO = 3.0%, H 2 = 64.0% / CO = 1.0%, H 2 = 64.5% / CO = 0. A reformed gas having 5% and H 2 = 65.0% / CO = 0% is supplied, and the reformed gas after the removal of carbon monoxide in the composition of each reformed gas is obtained by gas chromatography. analyzed. Here, N 2 is originally not included in the reformed gas, but is used as an internal standard substance for the convenience of analyzing the reformed gas with a gas chromatograph. The result is shown in FIG.
図9に示す通り、一酸化炭素の濃度が1.0%以下の改質ガスが供給された水素発生装置については、いずれも250℃以上では一酸化炭素の濃度が100ppm以下まで一酸化炭素を除去できた。一方、一酸化炭素の濃度が2.0%、3.0%の改質ガスが供給された水素発生装置については、300℃では一酸化炭素の濃度が100ppm程度まで一酸化炭素が除去できたものの、250℃では一酸化炭素の濃度が100ppm程度まで一酸化炭素が除去できなかった。 As shown in FIG. 9, all of the hydrogen generators supplied with the reformed gas having a carbon monoxide concentration of 1.0% or less had carbon monoxide concentration up to 100 ppm or less at 250 ° C. or higher. I was able to remove it. On the other hand, for the hydrogen generator supplied with the reformed gas having a carbon monoxide concentration of 2.0% and 3.0%, the carbon monoxide could be removed at 300 ° C. until the carbon monoxide concentration was about 100 ppm. However, at 250 ° C., carbon monoxide could not be removed until the concentration of carbon monoxide was about 100 ppm.
1 燃料供給手段
2 気化部
3 改質部
4 COシフト部
5、5b CO除去部
6 燃料電池セル
7 燃焼部
8 断熱部
9 燃料極
10 酸化剤極
11 電解質膜
12 ポンプ
13 ポンプ
21 容器
22、42 触媒部
21a はめ込み部
21b 供給口
21c 排出口
22a 貫通溝
23 蓋
24 触媒部
31 アルミナ皮膜
32 ルテニウム
33 触媒層
41 ヒータ
100 水素発生装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、
前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、
前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、
を有することを特徴とするCO除去装置。 A CO removal section that promotes a methanation reaction of at least a portion of carbon monoxide contained in a gas to be removed containing at least carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, and removes at least a portion of the carbon monoxide;
A catalyst unit provided in the CO removal unit, wherein at least a part of the surface thereof is made of aluminum or an alloy containing aluminum;
A catalyst layer provided on at least a part of the surface of the catalyst portion, the ruthenium supported on alumina formed by anodizing the surface of the catalyst portion;
A heating unit for heating the temperature of the catalyst unit to 250 ° C. or higher;
CO removal apparatus characterized by having.
前記触媒層は、前記貫通溝の表面に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のCO除去装置。 The catalyst portion is provided with a plurality of through grooves having a width of 1 mm or less adjacent to each other,
The CO removal apparatus according to claim 1, wherein the catalyst layer is provided on a surface of the through groove.
前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、
前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、
前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、
を有することを特徴とするCO除去装置の製造方法であって、
前記CO除去部を構成するアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金を陽極酸化することにより前記アルミナを形成し、
前記アルミナにルテニウムの有機塩と有機溶媒を用いて前記ルテニウムを含浸することを特徴とするCO除去装置の製造方法。 A CO removal section that promotes a methanation reaction of at least a portion of carbon monoxide contained in a gas to be removed containing at least carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, and removes at least a portion of the carbon monoxide;
A catalyst unit provided in the CO removal unit, wherein at least a part of the surface thereof is made of aluminum or an alloy containing aluminum;
A catalyst layer provided on at least a part of the surface of the catalyst portion, the ruthenium supported on alumina formed by anodizing the surface of the catalyst portion;
A heating unit for heating the temperature of the catalyst unit to 250 ° C. or higher;
A method for manufacturing a CO removal apparatus, comprising:
Forming the alumina by anodizing aluminum or an alloy containing aluminum constituting the CO removal section;
A method for producing a CO removal apparatus, wherein the alumina is impregnated with ruthenium using an organic salt of ruthenium and an organic solvent.
前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、
前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、を有するCO除去装置を用いたCO除去方法であって、
前記触媒部の温度を250℃以上に加熱することを特徴とするCO除去方法。 A CO removal section that promotes a methanation reaction of at least a portion of carbon monoxide contained in a gas to be removed containing at least carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, and removes at least a portion of the carbon monoxide;
A catalyst unit provided in the CO removal unit, wherein at least a part of the surface thereof is made of aluminum or an alloy containing aluminum;
This is a CO removal method using a CO removal device provided on at least a part of the surface of the catalyst part, and having a catalyst layer in which ruthenium is supported on alumina formed by anodizing the surface of the catalyst part. And
A CO removing method, wherein the temperature of the catalyst part is heated to 250 ° C. or higher.
前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の少なくとも一部のメタン化反応を促進し、前記一酸化炭素の少なくとも一部を除去するCO除去部と、
前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、
前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、
前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、
を有することを特徴とする水素発生装置。 A reforming unit for obtaining a reformed gas containing hydrogen from a fuel containing an organic compound containing at least carbon and hydrogen and water;
A CO removal unit that promotes a methanation reaction of at least a portion of carbon monoxide contained in the reformed gas and removes at least a portion of the carbon monoxide;
A catalyst part provided in the CO removal part, at least a part of the surface of which is made of aluminum or an alloy containing aluminum;
A catalyst layer provided on at least a part of the surface of the catalyst portion, the ruthenium supported on alumina formed by anodizing the surface of the catalyst portion;
A heating unit for heating the temperature of the catalyst unit to 250 ° C. or higher;
A hydrogen generator characterized by comprising:
前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の少なくとも一部のメタン化反応を促進し、前記一酸化炭素の少なくとも一部を除去するCO除去部と、
前記CO除去部に設けられ、その表面の少なくとも一部がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成された触媒部と、
前記触媒部の表面の少なくとも一部に設けられ、前記触媒部の表面が陽極酸化されてできたアルミナに、ルテニウムが担持された触媒層と、
前記触媒部の温度を250℃以上に加熱するための加熱部と、
前記改質反応によって得られた水素と、大気中の酸素を用いて発電を行う燃料電池セルと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A reforming unit for obtaining a reformed gas containing hydrogen from a fuel containing an organic compound containing at least carbon and hydrogen and water;
A CO removal unit that promotes a methanation reaction of at least a portion of carbon monoxide contained in the reformed gas and removes at least a portion of the carbon monoxide;
A catalyst unit provided in the CO removal unit, wherein at least a part of the surface thereof is made of aluminum or an alloy containing aluminum;
A catalyst layer provided on at least a part of the surface of the catalyst portion, the ruthenium supported on alumina formed by anodizing the surface of the catalyst portion;
A heating unit for heating the temperature of the catalyst unit to 250 ° C. or higher;
A fuel cell that generates power using hydrogen obtained by the reforming reaction and oxygen in the atmosphere;
A fuel cell system comprising:
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2006
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