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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

Method for removing co, apparatus for removing co and its manufacturing method, hydrogen generator using the same and fuel cell system using the same Download PDF

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JP2006290732A
JP2006290732A JP2006069068A JP2006069068A JP2006290732A JP 2006290732 A JP2006290732 A JP 2006290732A JP 2006069068 A JP2006069068 A JP 2006069068A JP 2006069068 A JP2006069068 A JP 2006069068A JP 2006290732 A JP2006290732 A JP 2006290732A
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JP
Japan
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catalyst
unit
carbon monoxide
removal
hydrogen
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Application number
JP2006069068A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshiyuki Isozaki
義之 五十崎
Fuminobu Tezuka
史展 手塚
Yoshio Hanakada
佳男 羽中田
Hideo Kitamura
英夫 北村
Hirosuke Sato
裕輔 佐藤
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen generator and a fuel cell system suitable for miniaturization. <P>SOLUTION: A catalyst section composed of aluminum is provided on the surface of a CO removal section which promotes the methanation reaction of a part of carbon monoxide contained in a reformed gas. A catalyst layer in which ruthenium is carried on γ-alumina formed by the anodic oxidation of the surface is provided in the catalyst section. The catalyst section is heated to a temperature of 250°C or higher. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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 Patent Document 2, a reactor using this catalyst from an equilibrium calculation methanates almost all the amount of carbon monoxide at a reaction temperature of 280 ° C. with a gas containing hydrogen containing about 9 mol% of carbon monoxide. It has been shown that it can.

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)
特開2002−68707公報 段落0050乃至0054 特開2003−119002公報 段落0023乃至0027 特開2003−340280公報 段落0002乃至0017
Also known is a catalyst in which aluminum is anodized as a catalyst for reducing the carbon monoxide concentration, an alumina film is formed on the surface, and any one of ruthenium, platinum and rhodium is supported. In the reactor using this catalyst, by setting the outlet temperature of the reactor to 150 ° C. or less, the consumption of hydrogen is small and the concentration of carbon monoxide can be efficiently reduced. (Patent Document 3)
JP 2002-68707 A Paragraphs 0050 to 0054 JP 2003-119002 A paragraphs 0023 to 0027 JP 2003-340280 A paragraphs 0002 to 0017

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 Patent Document 2, when anodizing aluminum and methanating carbon monoxide using a catalyst supporting palladium, the concentration of carbon monoxide is reduced, as in Patent Document 2. In the case where no hydrogen separation membrane is used, it has been assumed that hydrogen is consumed by methanation of carbon dioxide as pointed out in Patent Document 3.

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 Patent Document 2 is suppressed. However, as pointed out in Patent Document 3, the catalytic activity was considered to be low at 200 ° C. or lower. Therefore, the ability to reduce carbon monoxide per unit volume of the reactor is reduced, and as a result, a large reactor is required, and the hydrogen generator and the fuel cell system are increased in size.

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 hydrogen generator 100 and fuel cells 6.

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 hydrogen generator 100 is provided with a fuel supply means 1. The fuel supply means 1 stores a mixture of water and an organic compound containing carbon and hydrogen that serves as fuel for the fuel cell system. As the fuel, for example, a mixture of dimethyl ether and water, or a mixture of dimethyl ether, water and alcohols can be used. For the alcohols, methanol, ethanol, and the like are preferable, but methanol is particularly preferable because the mutual solubility of dimethyl ether and water is improved.

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 section 2 described later using the pressure of dimethyl ether.

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 unit 2 described later, the mixing ratio is preferably 1: 5.0 or less, ideally 1: 4.0 or less.

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 hydrogen generator 100 is provided with a vaporization unit 2. The vaporizer 2 is connected to the fuel supply means 1 by piping or the like. The fuel sent to the vaporizing unit 2 is heated and vaporized.

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 hydrogen generator 100 is provided with a reforming unit 3. The reforming unit 3 is connected to the vaporizing unit 2 by piping or the like. The vaporized fuel sent to the reforming unit 3 is reformed by the reforming unit 3 and becomes a gas containing hydrogen (reformed gas). A flow path through which the vaporized fuel passes is provided inside the reforming section 3, and a reforming catalyst for accelerating the reforming reaction of the vaporized fuel to the reformed gas is provided on the inner wall surface of the flow path. Is provided.

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 hydrogen generator 100 can be provided with a CO shift unit 4. The CO shift unit 4 is connected to the reforming unit 3 by piping or the like. The reformed gas reformed by the reforming unit 3 and sent to the CO shift unit 4 includes carbon dioxide and carbon monoxide as by-products in addition to hydrogen. Carbon monoxide degrades the anode catalyst of the fuel cell and causes the power generation performance of the fuel cell system to deteriorate. For this reason, the CO shift unit 4 is provided, and before the gas containing hydrogen is supplied from the reforming unit 3 to the fuel cell 6, the CO shift unit 4 shifts carbon monoxide to carbon dioxide and hydrogen to generate hydrogen. It is preferable to increase the generation amount. A flow path through which the reformed fuel passes is provided inside the CO shift section 4, and a shift for promoting a shift reaction of carbon monoxide contained in the reformed gas is provided on the inner wall surface of the flow path. A catalyst is provided.

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 hydrogen generator 100 is provided with a CO removing unit 5 (CO removing device). The CO removal unit 5 is connected to the CO shift unit 4 by piping or the like. The reformed gas (gas to be removed) that has undergone a shift reaction in the CO shift unit 4 and sent to the CO removal unit 5 still contains 1.0 mol% or less of carbon monoxide. As described above, this causes a decrease in the power generation performance of the fuel cell system. For this reason, before supplying the gas containing hydrogen from the reforming unit 3 to the fuel cell 6, the CO removing unit 5 causes the CO removing unit 5 to perform a methanation reaction that converts carbon monoxide into methane and water. The carbon monoxide is removed until the concentration of carbon monoxide is 100 mol ppm or less. Inside the CO removal unit 5, a catalyst unit 22 for promoting the methanation reaction of carbon monoxide contained in the reformed gas is provided.

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 fuel cell 6 is connected to the CO removing unit 5 by piping or the like. The reformed gas from which carbon monoxide has been removed is sent to the fuel cell 6. The fuel battery cell 6 reacts hydrogen in the reformed gas with oxygen in the atmosphere supplied using the pump 12. Along with the reaction, the fuel cell 6 generates water and generates power. In order to supply air to the fuel battery cell 6, a pump 12 is provided.

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 hydrogen generator 100 is provided with a combustion unit 7 (heating unit). The combustion unit 7 is connected to the fuel cell 6 by piping or the like. In the fuel cell 6, hydrogen and oxygen react to produce water, but the exhaust gas from the fuel cell 6 contains unreacted hydrogen. The combustion unit 7 burns the unreacted hydrogen using atmospheric oxygen supplied using the pump 13.

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 vaporization unit 2, the reforming unit 3, the CO shift unit 4 and the CO removal unit 5 are heated using combustion heat generated during combustion. The vaporization section 2, the reforming section 3, the CO shift section 4, the CO removal section 5, and the combustion section 7 are heat insulation sections for the purpose of heating efficiency, temperature uniformity, and protection of parts with low heat resistance such as surrounding electronic circuits. 8 is covered. In the reforming unit 3, the heat required for the reforming reaction performed therein is larger than that of the vaporizing unit 2, the CO shift unit 4, and the CO removing unit 5, so that the combustion heat is reformed from the combustion unit 7. It is preferable that the reforming unit 3 and the combustion unit 7 are brought into contact with each other or formed integrally so that they can be efficiently transmitted to the unit 3.

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 CO removing unit 5 will be described. FIG. 2 shows an exploded perspective view of the CO removing unit 5. The CO removal unit 5 is provided with a container 21, a catalyst unit 22, and a lid 23.

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 container 21 is formed by processing a base material. In order to improve the heat transfer characteristics during the catalytic reaction, it is preferable to use a material having high thermal conductivity for at least a part of the base material. In particular, aluminum, copper, an aluminum alloy, or a copper alloy is suitable for use as a material of the container 21 because it has not only high thermal conductivity but also excellent workability. Further, when the hydrogen generator is expected to be used for a long period of time, the thermal conductivity is not as high as that of an aluminum alloy or a copper alloy, but a stainless alloy is also preferable because of its excellent corrosion resistance.

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 container 21 is provided with a fitting portion 21 a for fitting the catalyst portion 22. After the catalyst part 22 is fitted, a lid 23 described later is provided. The fitting part 21a is provided so that the flow path is formed by joining the catalyst part 22 and the container 21 as necessary and the container 21 and the lid 23 and sealing the fitting part 21a. . As the shape of the formed flow path, for example, a parallel flow path or a serpentine flow path as shown in FIG. 2 can be used.

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 catalyst portion 22 is formed by processing a base material. The catalyst unit 22 uses aluminum or an alloy containing aluminum as at least a part of the base material.

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 catalyst portion 22 is provided with a through groove 22a. A plurality of through grooves 22 a are provided on one surface of the catalyst portion 22 so that both ends penetrate. The through grooves 22a are provided so as to be adjacent to each other. In order to suppress the variation in temperature of the reformed gas flowing through the through groove 22a, the width of the through groove 22a is preferably 1 mm or less. The through groove 22a is preferably formed by using a general machining method or a molding method for the base material of the catalyst portion 22.

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 groove 22a, in a short time.

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 catalyst portion 22.

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 catalyst layer 33 is provided on the wall surface of the through groove 22a. Details of the catalyst layer 33 will be described later.

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 container 21 in which the catalyst unit 22 is fitted is provided with a lid 23. The lid | cover 23 is provided so that the insertion part 21a may be sealed. The lid 23 can be a plate-like member using a material having high thermal conductivity at least in part. Examples of the material having high thermal conductivity include aluminum, copper, an aluminum alloy, and a copper alloy. Further, when the flow channel structure is expected to be used for a long period of time, although the thermal conductivity is not as high as that of an aluminum alloy or a copper alloy, a stainless alloy can also be used because of its excellent corrosion resistance.

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 lid 23 is provided on the container 21 so as to cover an opening portion of the container 21 excluding a supply port 21b and a discharge port 21c described later. A lid 23 provided on the container 21 seals the fitting portion 21a so that a flow path is formed in which the supply port 21b and the discharge port 21c serve as an inlet and an outlet. That is, when the fitting portion 21a is sealed by the lid 23, a flow path is formed so that the fluid supplied from the supply port 21b is discharged from the discharge port 21c after passing through the through groove 22a.

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 container 21 is provided with a supply port 21b and a discharge port 21c so as to communicate with the fitting portion 21a. By sealing the fitting portion 21a into which the catalyst portion 22 is fitted in this way with the lid 23, the CO removal portion 5 having a parallel flow path in which the supply port 21b and the discharge port 21c serve as an inlet and an outlet is formed. 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 CO removal unit 5. A catalyst layer 33 is provided on the inner wall surface of the flow path.

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 removing unit 5 contains carbon dioxide and carbon monoxide as by-products in addition to hydrogen. As described above, carbon monoxide degrades the anode catalyst of the fuel battery cell and causes power generation performance to deteriorate. For this reason, the CO removal unit 5 uses the CO removal unit 5 to methanate carbon monoxide as shown in the formula (1) before supplying the gas containing hydrogen from the reforming unit 3 to the fuel cell 6. The carbon monoxide is removed until the concentration is 100 ppm or less.

CO+3H→CH+HO ・・・(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 catalyst layer 33 will be described. FIG. 3 shows an enlarged part of the cross section of the catalyst layer 33. The catalyst layer 33 has at least ruthenium 32 and, if necessary, other additives supported on the surface of the alumina coating 31. The alumina coating 31 can be formed by anodizing the surface of the aluminum portion of the catalyst portion 22.

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 alumina coating 31 will be described. The catalyst portion 22 is anodized using an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution to form an alumina film 31 on the surface of the aluminum portion of the catalyst portion 32. Thereafter, if necessary, the fine mouth formed in the alumina film 31 is enlarged using an acidic aqueous solution, and a hydration treatment is performed. Further, the catalyst part 22 is calcined at 350 ° C. or higher for 1 hour or longer, preferably at 450 to 550 ° C., if necessary. The baked alumina film 31 becomes γ-alumina.

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 alumina coating 31 is preferably 30 μm or more and 100 μm or less. This is because when the thickness of the alumina coating 31 is less than 30 μm or larger than 100 μm, the utilization efficiency of the catalyst is lowered. In addition, a large number of micropores are present on the surface of the alumina coating 31, but it is preferable that the average pore diameter of the micropores be 5 nm or more and 10 nm or less under the conditions of anodization and subsequent treatment with an acidic aqueous solution. . When the average pore diameter of the micropores is 5 nm or more and 10 nm or less, the selectivity for the methanation reaction of carbon dioxide shown in Formula (2) of the reaction shown in Formula (1) is improved.

CO+4H→CH+2HO ・・・(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 ruthenium 32 will be described. As described above, the alumina coating 31 has a large number of micropores on its surface. Ruthenium 32 is supported on the alumina film 31 having the fine holes by using a known method such as an impregnation method or a wash coating method.

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(C)等のルテニウムの有機塩と、例えばアセトン(CHCOCH)、アセチルアセトン(CHCOCHCOCH)またはテトラヒドロフラン((CHCHO)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(RuCl・nHO)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 ruthenium 32 can be impregnated in the alumina coating 31 using an organic solvent such as 3 CH 2 O). Further, ruthenium 32 can be impregnated into the alumina film 31 using an aqueous ruthenium chloride solution. However, ruthenium chloride (RuCl 3 · nH 2 O) has high acidity, and therefore, the aluminum portion below the alumina film 31 and ruthenium chloride. May react and the alumina coating 31 may peel off. Therefore, when considering the yield and process margin, it is preferable to impregnate the ruthenium 32 into the alumina film 31 using an organic salt of ruthenium and an organic solvent.

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 CO removal unit 5 will be described. The carbon monoxide concentration before removal of the reformed gas that removes carbon monoxide in the CO removal unit 5 is preferably 1.0 mol% or less as described above. Specifically, the reforming unit 3 is provided so as to suppress the generation of carbon monoxide during the reforming reaction or to promote the shift reaction of the carbon monoxide generated during the reforming reaction. Additives can be added to the resulting reforming catalyst. Further, instead of adding the additive to the reforming catalyst or simultaneously with adding the additive to the reforming catalyst, the CO shift unit 4 can be provided as described above.

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 CO removing unit 5 is heated using the combustion unit 7 so that the temperature of the catalyst unit 22 is 250 ° C. or higher. At this time, the temperature of the catalyst unit 22 can be measured by providing a temperature sensor inside the CO removing unit 5. However, as described above, the width of the through groove 22 a provided in the catalyst unit 22 is as small as 1 mm or less, and it may be difficult to provide a temperature sensor inside the CO removal unit 5. In such a case, the temperature of the catalyst unit 22 is indirectly measured by providing a temperature sensor on the outer wall surface of the CO removing unit 5.

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 fuel battery cell 6 will be described. The fuel cell 6 includes a fuel electrode 9 made of a porous sheet in which carbon black powder carrying Pt is held by a water-repellent resin binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and Pt is also carried. Oxidant electrode 10 made of a porous sheet in which the carbon black powder is held with a water-repellent resin binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and a cation exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group An electrolyte membrane 11 having proton conductivity made of, for example, Nafion (registered trademark of Du Pont) or the like is sandwiched. This porous sheet may contain a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer or fine particles coated with the polymer.

燃料極9に供給された水素は、燃料極9で
→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
1/2O+2H+2e→HO ・・・(4)
の様に反応する。
Hydrogen supplied to the fuel electrode 9 is H 2 → 2H + + 2e (3) at the fuel electrode 9.
It reacts like this. On the other hand, oxygen supplied to the oxidant electrode 10 is ½ O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (4) at the oxidant electrode 10.
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 combustion part 7 is demonstrated. Inside the combustion section 7, for example, a flow path through which fuel used for power generation in a serpentine shape or a parallel flow path shape is provided. The inner wall surface of the flow path is provided with a combustion catalyst such as alumina on which noble metal such as Pt or Pd or Pt and Pd is supported. The reason why the noble metal is used as the combustion catalyst is to prevent the oxidation and deterioration of the combustion catalyst without ancillary equipment for preventing the oxidation and deterioration of the catalyst when the fuel cell is stopped.

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 CO removing unit 5. That is, the hydrogen generator and the fuel cell system can be reduced in size without deteriorating the catalyst of the fuel electrode 9 and reducing the power generation performance.

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 CO removal unit 5 to the methanation of carbon dioxide is high. Therefore, the amount of hydrogen consumed by the methanation reaction of carbon dioxide when removing carbon monoxide in the CO removal unit 5 can be reduced. That is, the hydrogen generation efficiency of the entire hydrogen generator is improved, and the power generation efficiency of the fuel cell system is improved.

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 CO removal unit 5, it is not necessary to supply oxygen to the CO removal unit 5. Therefore, it is not necessary to provide means for supplying oxygen to the CO removing unit 5, such as a pump, and the hydrogen generator and the fuel cell system can be downsized.

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 catalyst layer 33 in which ruthenium is supported on alumina is highly resistant to these by-products and can stably remove carbon monoxide for a long time.

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 CO removing unit 5b. Other configurations are the same as those of the first embodiment. In addition to the combustion unit 7, a heater 41 (heating unit) is provided in the CO removal unit 5b. As the heater 41, for example, a cartridge heater in which a high resistance metal is wound around an insulator can be used. The heater 41 receives energy supply from the outside, for example, electric power when a cartridge heater is used as the heater 41. The electric power supplied to the heater 41 is supplied from, for example, the fuel battery cell 6. The heater 41 supplied with energy from the outside generates heat and heats the CO removing unit 5.

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-like catalyst portions 42 are provided inside the container 21. The catalyst part 42 uses aluminum or an alloy containing aluminum in at least a part of the base material. The catalyst parts 42 are provided inside the container 21 with gaps, respectively, and the reformed gas supplied from the CO shift part 4 passes between the container 21 or the lid 23 and the catalyst part 42 or between the adjacent catalyst parts 42. Then, the fuel cell 6 is discharged.

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 catalyst layer 33 is provided on the surface of the catalyst portion 42. The detailed description of the catalyst layer 33 and the illustration thereof in FIG. 4 are the same as those in the first embodiment, and will be omitted.

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 CO removing unit 5b. That is, the hydrogen generator and the fuel cell system can be reduced in size without deteriorating the catalyst of the fuel electrode 9 and reducing the power generation performance.

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 CO removal unit 5b to the methanation of carbon dioxide is high. Therefore, the amount of hydrogen consumed by the methanation reaction of carbon dioxide when removing carbon monoxide in the CO removing unit 5b can be reduced. That is, the hydrogen generation efficiency of the entire hydrogen generator is improved, and the power generation efficiency of the fuel cell system is improved.

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 CO removal unit 5b uses a methanation reaction to remove carbon monoxide, it is not necessary to supply oxygen to the CO removal unit 5b. Therefore, it is not necessary to provide a means for supplying oxygen to the CO removing unit 5b, such as a pump, and the hydrogen generator and the fuel cell system can be downsized.

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 catalyst layer 33 in which ruthenium is supported on alumina is highly resistant to these by-products and can stably remove carbon monoxide for a long time.

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 heater 41 is provided, the heater 41 can be feedback-controlled. Therefore, the temperature of the CO removing unit 5b can be controlled with higher accuracy, and the concentration of carbon monoxide can be further reduced.

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-like catalyst portion 42 is provided, the processing of the catalyst portion 42 is less, and the manufacturing costs of the hydrogen generator and the fuel cell system can be reduced. Furthermore, plate-like members provided with other catalysts can be easily combined. For example, even if the reformed gas contains a substance that adversely affects the catalyst portion 42, a plate-like member provided with a catalyst that promotes the conversion of the adversely affected substance into a substance with less influence Can be provided in the CO removing section 5b.

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 CO removing unit 5. The CO removal unit 5 is provided with a catalyst unit 24 in place of the catalyst unit 22 of the first embodiment. The catalyst part 24 is provided with a catalyst layer 33 on the surface of aluminum having a large number of voids or an alloy containing aluminum and on the surface of the voids. As aluminum having voids or an alloy containing aluminum, for example, an aluminum porous body, foamed aluminum, or aluminum having a honeycomb structure can be used. The detailed description of the catalyst layer 33 and the illustration in FIG. 5 are the same as those in the first embodiment, and will be omitted.

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 catalyst portion 24 can be made of spherical, columnar, plate-like or amorphous aluminum or an alloy containing aluminum. In addition, in FIG. 5, the example using the rectangular parallelepiped catalyst part 24 is shown in figure. The catalyst part 24 is provided in the fitting part 21a. The reformed gas supplied to the CO removing unit 5 flows through the gap of the catalyst unit 24 provided in the fitting unit 21a.

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 CO removing unit 5. That is, the hydrogen generator and the fuel cell system can be reduced in size without deteriorating the catalyst of the fuel electrode 9 and reducing the power generation performance.

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 CO removal unit 5 to the methanation of carbon dioxide is high. Therefore, the amount of hydrogen consumed by the methanation reaction of carbon dioxide when removing carbon monoxide in the CO removal unit 5 can be reduced. That is, the hydrogen generation efficiency of the entire hydrogen generator is improved, and the power generation efficiency of the fuel cell system is improved.

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 CO removal unit 5, it is not necessary to supply oxygen to the CO removal unit 5. Therefore, it is not necessary to provide means for supplying oxygen to the CO removing unit 5, such as a pump, and the hydrogen generator and the fuel cell system can be downsized.

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 catalyst layer 33 in which ruthenium is supported on alumina is highly resistant to these by-products and can stably remove carbon monoxide for a long time.

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 catalyst part 24 having a gap is provided, the processing of the catalyst part 24 is less, and the manufacturing cost of the hydrogen generator and the fuel cell system can be reduced. Furthermore, the member which has the space | gap provided with the other catalyst can be combined easily. For example, even if the reformed gas contains a substance that has an adverse effect on the catalyst section 24, a member provided with a catalyst that promotes the conversion of the substance having an adverse effect into another substance having a small influence is added to CO. The removal unit 5 can be provided.

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 vaporization unit 2, the CO shift unit 4, and the CO removal unit 5 may be integrally formed. In this case, the thermal resistance between each of the vaporization unit 2 and the CO shift unit 4 and the CO removal unit 5 is reduced, and the amount of hydrogen burned in the combustion unit 7 can be reduced. That is, the hydrogen generation efficiency of the entire hydrogen generator is improved, and the power generation efficiency of the fuel cell system is improved.

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 catalyst unit 22 is provided in the CO removal unit 5 has been described. However, the number of catalyst units 22 provided in the CO removal unit 5 is not limited to one, and for example, two catalyst units 22 may be provided as shown in FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a cross-sectional view of the two catalyst portions 22, and FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view in which a part of FIG. When two catalyst parts 22 are provided as shown in FIGS. 10 and 11, the catalyst part 22 can be provided so that the other catalyst part is combined with the through groove 22 a of one catalyst part 22.

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 catalyst portions 22 are combined in this way, the pitch of the flow paths formed after the combination can be reduced with respect to the pitch of the through grooves 22a provided in the catalyst portion 22, so that the processing of the catalyst portion 22 is performed. Becomes easy.

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(C)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 removing unit 5 shown in FIG. The container 21, the catalyst part 22, and the lid 23 were made of aluminum. A γ-alumina layer having a thickness of 50 μm was formed on the surface of the catalyst portion 22 to carry ruthenium. Ruthenium acetylacetonate (Ru (C 5 H 7 O 2 ) 3 ) is used as a ruthenium raw material, soaked in a saturated acetone solution for 24 hours, impregnated, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. Thus, the catalyst layer 33 was formed.

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 CO removal unit 5 was supplied with a reformed gas containing carbon dioxide and carbon monoxide in hydrogen to remove carbon monoxide. The temperature of the outer wall surface of the CO removing unit 5 was controlled at 225 ° C., 250 ° C., 275 ° C., and 300 ° C., and the reformed gas after the removal of carbon monoxide at each temperature was analyzed by a gas chromatograph. .

改質ガスの組成は、H=64.0%、CO=20.0%、CO=1.0%、CH=5.0%、N=10.0%である。ここで、N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 catalyst part 22 shown in Example 1, a commercially available ruthenium / γ-alumina catalyst was used. The shape of the catalyst was particulate, and the particulate catalyst was supported on an aluminum through groove having the same shape as the catalyst portion 22 by using a wash coat method.

(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 catalyst part 22 shown in Example 1, a commercially available ruthenium / γ-alumina catalyst was used. Although it is a ruthenium / γ-alumina catalyst as in Comparative Example 1, it is a different product. The shape of the catalyst was particulate, and the particulate catalyst was supported on an aluminum through groove having the same shape as the catalyst portion 22 by using a wash coat method.

(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 catalyst part 24 shown in Example 3, a commercially available ruthenium / zeolite catalyst was used. The shape of this catalyst was granular, and this granular catalyst was filled in the fitting portion 21a.

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 CO removal unit 5 at this time. The molar ratio of dimethyl ether to water at this time was 1: 4.

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 removing unit 5 shown in FIG. The container 21, the catalyst part 22, and the lid 23 were made of aluminum. A γ-alumina layer was formed on the surface of the catalyst portion 22 to carry ruthenium.

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 CO removal unit 5 was supplied with a reformed gas containing carbon dioxide and carbon monoxide in hydrogen to remove carbon monoxide. The temperature of the outer wall surface of the CO removing unit 5 was controlled at 225 ° C., 250 ° C., 275 ° C., and 300 ° C., and the reformed gas after the removal of carbon monoxide at each temperature was analyzed by a gas chromatograph. .

改質ガスの組成は、H+CO=65%、CO=20%、CH=5%、N=10%である。HとCOの組成を、H=62.0%/CO=3.0%、H=64.0%/CO=1.0%、H=64.5%/CO=0.5%、H=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、N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.

本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態を示す構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The block diagram which shows 1st Embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態の一部を示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view showing a part of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態の一部を示す拡大断面図。1 is an enlarged sectional view showing a part of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 本発明による燃料電池システムの第2の実施の形態の一部を示す斜視図。The perspective view which shows a part of 2nd Embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの第3の実施の形態の一部を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows a part of 3rd Embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例を示す図。The figure which shows the Example of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例を示す図。The figure which shows the Example of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例を示す図。The figure which shows the Example of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例を示す図。The figure which shows the Example of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施の形態の変形例の一部を示す断面図。Sectional drawing which shows a part of modification of embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施の形態の変形例の一部を示す拡大断面図。The expanded sectional view which shows a part of modification of embodiment of the fuel cell system by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Fuel supply means 2 Vaporization part 3 Reforming part 4 CO shift part 5, 5b CO removal part 6 Fuel cell 7 Combustion part 8 Thermal insulation part 9 Fuel electrode 10 Oxidant electrode 11 Electrolyte membrane 12 Pump 13 Pump 21 Containers 22 and 42 Catalyst part 21a Insertion part 21b Supply port 21c Discharge port 22a Through groove 23 Cover 24 Catalyst part 31 Alumina coating 32 Ruthenium 33 Catalyst layer 41 Heater 100 Hydrogen generator

Claims (9)

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。
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.
前記触媒部には、互いに隣接する幅が1mm以下である複数の貫通溝が設けられ、
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.
前記触媒層は、平均細孔径が5nm以上10nm以下のγ−アルミナにルテニウムが担持された触媒層であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のCO除去装置。   The CO removal apparatus according to claim 1 or 2, wherein the catalyst layer is a catalyst layer in which ruthenium is supported on γ-alumina having an average pore diameter of 5 nm or more and 10 nm or less. 前記CO除去部にて前記一酸化炭素の少なくとも一部が除去される前の、前記被除去ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度は1.0モル%以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のCO除去装置。   The concentration of carbon monoxide contained in the gas to be removed before at least a part of the carbon monoxide is removed by the CO removing unit is 1.0 mol% or less. The CO removal apparatus according to any one of claims 1 to 3. 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.
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.
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:
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:
前記化合物がジメチルエーテルであることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, wherein the compound is dimethyl ether.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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