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JP2005082409A6 - Hydrogen generator - Google Patents

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JP2005082409A6
JP2005082409A6 JP2003312931A JP2003312931A JP2005082409A6 JP 2005082409 A6 JP2005082409 A6 JP 2005082409A6 JP 2003312931 A JP2003312931 A JP 2003312931A JP 2003312931 A JP2003312931 A JP 2003312931A JP 2005082409 A6 JP2005082409 A6 JP 2005082409A6
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hydrogen
downstream catalyst
downstream
catalyst
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誠二 藤原
清 田口
邦弘 鵜飼
英延 脇田
幸宗 可児
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Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract


【課題】 分散型燃料電池に水素リッチガスを供給する水素生成装置は、起動性向上と低コスト化が望まれている。そのため少ない触媒量で、水素リッチガス中の一酸化炭素を効率よく安定して低濃度まで除去することが開発上の課題となっている。
【解決手段】
一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成する改質部1と、白金を主成分とする触媒を含む上流触媒層3と白金及びルテニウムを合金化した金属を主成分とする触媒を含む下流触媒層4を持った変成触媒を有する変成部2と、上流触媒層3と下流触媒層4との間に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部6とを備えた水素生成装置。
【選択図】 図1

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the startability and reduce the cost of a hydrogen generator for supplying a hydrogen rich gas to a distributed fuel cell. Therefore, it is a development problem to efficiently and stably remove carbon monoxide in the hydrogen-rich gas to a low concentration with a small catalyst amount.
[Solution]
A reforming section 1 for generating a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide, an upstream catalyst layer 3 containing a catalyst mainly composed of platinum, and a downstream catalyst layer comprising a catalyst mainly composed of a metal alloyed with platinum and ruthenium A hydrogen generator comprising a shift section 2 having a shift catalyst with 4 and an oxidizing gas supply section 6 for supplying an oxidizing gas between the upstream catalyst layer 3 and the downstream catalyst layer 4.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、水素生成装置に関する。さらに詳しくは、改質反応により生成した水素リッチガス中のCO(一酸化炭素)を除去し、燃料電池等の燃料に用いられる水素を生成する装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen generator. More specifically, the present invention relates to an apparatus that removes CO (carbon monoxide) in a hydrogen-rich gas produced by a reforming reaction and produces hydrogen used for fuel such as a fuel cell.

エネルギーを有効に利用する分散型発電装置として、発電効率および総合効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムが注目されている。   A fuel cell cogeneration system with high power generation efficiency and high overall efficiency has attracted attention as a distributed power generator that effectively uses energy.

燃料電池の多く、たとえば実用化されているリン酸型燃料電池や、開発が進められている固体高分子型燃料電池は、水素をもとにして発電する。しかし、水素はインフラとして整備されていないため、システムの設置場所で生成させる必要がある。   Many fuel cells, such as phosphoric acid fuel cells that have been put to practical use and solid polymer fuel cells that are being developed, generate power based on hydrogen. However, since hydrogen is not provided as infrastructure, it must be generated at the site where the system is installed.

水素を発生させるには、メタン、プロパン、ガソリン、灯油等の炭化水素燃料、メタノール等のアルコール燃料またはジメチルエーテル等のエーテル燃料に水蒸気を混合し、加熱した改質触媒に接触させることで行っている。通常、炭化水素燃料は500〜800℃程度、アルコールやエーテル燃料は200〜400℃程度の温度で改質される。   Hydrogen is generated by mixing steam with hydrocarbon fuels such as methane, propane, gasoline, kerosene, alcohol fuels such as methanol, or ether fuels such as dimethyl ether, and bringing them into contact with a heated reforming catalyst. . Usually, the hydrocarbon fuel is reformed at a temperature of about 500 to 800 ° C, and the alcohol or ether fuel is reformed at a temperature of about 200 to 400 ° C.

改質の際にはCOが発生し、高温で改質を行うほど発生するCOの濃度は上昇する。特に炭化水素燃料を用いる場合には、CO濃度が10体積%(ドライガスベース)前後となる。そこでCOと水蒸気とを接触させて水性ガスシフト反応を進行させる変成触媒を収めている変成部を設けることにより、数千ppm〜数体積%程度にCO濃度を低減させている。   During reforming, CO is generated, and the concentration of generated CO increases as reforming is performed at a higher temperature. In particular, when a hydrocarbon fuel is used, the CO concentration is about 10% by volume (dry gas base). Therefore, the CO concentration is reduced to about several thousand ppm to several volume% by providing a shift portion containing a shift catalyst that causes CO and water vapor to contact each other to advance the water gas shift reaction.

さらに、車載用や家庭用として用いられる固体高分子型燃料電池のように、100℃以下の低温で作動する燃料電池の場合には、電極に用いられているPt(白金)触媒が水素リッチガスに含まれているCOによって被毒されるため、水素リッチガスを燃料電池に供給する前にCO濃度を100ppm以下、好ましくは10ppm以下に除去しておく必要がある。そのため変成部後に触媒を充填した浄化部を水素生成装置に設け、COをメタン化または微量の空気を加えて選択的に酸化することによって、COを除去する構成がとられる。   Furthermore, in the case of a fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or less, such as a polymer electrolyte fuel cell used for in-vehicle use or home use, the Pt (platinum) catalyst used for the electrode is replaced with hydrogen-rich gas. Since it is poisoned by the contained CO, it is necessary to remove the CO concentration to 100 ppm or less, preferably 10 ppm or less before supplying the hydrogen-rich gas to the fuel cell. For this reason, a purification unit filled with a catalyst after the shift unit is provided in the hydrogen generator, and CO is methanated or selectively oxidized by adding a small amount of air to remove CO.

浄化部においてCO濃度を確実に100ppm以下にするためには、変成触媒によってCO濃度を数千ppm以下に低減することが必要である。従来、変成触媒としてCu−Zn系の触媒が用いられていた(例えば、特許文献1参照)。   In order to ensure that the CO concentration is 100 ppm or less in the purification section, it is necessary to reduce the CO concentration to several thousand ppm or less by the shift catalyst. Conventionally, a Cu—Zn-based catalyst has been used as a shift catalyst (see, for example, Patent Document 1).

また、貴金属触媒を含む変成触媒を用いる提案もなされている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, a proposal using a shift catalyst containing a noble metal catalyst has also been made (see, for example, Patent Document 2).

また、変成触媒を複数段に分ける方法も提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開平6−290801号公報 特開2000−178007号公報 特開2001−180912号公報
A method of dividing the shift catalyst into a plurality of stages has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).
JP-A-6-290801 JP 2000-178007 A JP 2001-180912 A

しかしながら上記従来技術にはいくつかの問題点がある。例えば、特許文献1記載の方法では、変成反応を進行させるにはCu−Zn系触媒の還元状態を常に保持する必要があるため、頻繁な起動停止を想定した分散型燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、停止時に空気が混入して触媒活性が低下する可能性があり、あまり実用的ではない。   However, the above prior art has several problems. For example, in the method described in Patent Document 1, since it is necessary to always maintain the reduced state of the Cu—Zn-based catalyst in order to proceed with the shift reaction, in the distributed fuel cell cogeneration system assuming frequent start and stop, The catalyst activity may be reduced due to air mixing at the time of stopping, which is not very practical.

また、特許文献2記載の方法では、触媒活性が低いため変成触媒後のCO濃度を数千ppm以下に低減するためには多くの触媒量を必要としており、多量の貴金属を用いることによる高コスト化、または装置の大型化、起動の長時間化等の課題がある。   Further, in the method described in Patent Document 2, since the catalytic activity is low, a large amount of catalyst is required to reduce the CO concentration after the shift catalyst to several thousand ppm or less, and the high cost due to the use of a large amount of noble metal. Or increase the size of the apparatus and the startup time.

また、特許文献3記載の方法では、貴金属を含む変成触媒においてCOを数千ppm以下に低減するために低温で反応させる。そのためには多くの触媒量が必要となり、やはり多量の貴金属を用いることによる高コスト化、または装置の大型化、起動の長時間化等の課題がある。   In the method described in Patent Document 3, the reaction is carried out at a low temperature in order to reduce CO to several thousand ppm or less in the shift catalyst containing a noble metal. For this purpose, a large amount of catalyst is required, and there are still problems such as an increase in cost due to the use of a large amount of noble metal, an increase in the size of the apparatus, and a long startup time.

また、特許文献2には、貴金属を含む変成触媒を用いたとき、変成部の上流から空気を導入し、変成触媒温度を維持することについて開示されている。しかし、変成部の上流より空気を導入することは、変成触媒の温度が高くなりすぎる場合があり、COのみを効果的に低減できない等の課題があった。   Patent Document 2 discloses that when a shift catalyst containing a noble metal is used, air is introduced from the upstream of the shift section to maintain the shift catalyst temperature. However, introducing air from the upstream of the shift section has a problem that the temperature of the shift catalyst may be too high, and only CO cannot be effectively reduced.

本発明は、上記従来の課題を考慮し、より低コスト化、装置のコンパクト化、起動時間の短縮化、又はCOをより効果的に低減することが可能な水素生成装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a hydrogen generator capable of reducing the cost, downsizing the apparatus, shortening the startup time, or reducing CO more effectively in consideration of the above-described conventional problems. And

上記の目的を達成するために、第1の本発明は、一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、前記水素リッチガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応によって低減する、上流触媒層と下流触媒層を持った変成触媒を有する変成部と、前記上流触媒層と前記下流触媒層との間に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部とを備えた水素生成装置である。   In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention includes a reforming unit that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide, and an upstream catalyst that reduces carbon monoxide in the hydrogen-rich gas by a water gas shift reaction. A hydrogen generation apparatus including a shift section having a shift catalyst having a layer and a downstream catalyst layer, and an oxidizing gas supply section that supplies an oxidizing gas between the upstream catalyst layer and the downstream catalyst layer.

又、第2の本発明は、前記上流触媒層は、白金を主成分とする触媒を有しており、
前記下流触媒層は、白金及びルテニウムを合金化した金属を主成分とする触媒を有する第1の本発明の水素生成装置である。
In the second aspect of the present invention, the upstream catalyst layer has a catalyst mainly composed of platinum,
The downstream catalyst layer is the hydrogen generator according to the first aspect of the present invention having a catalyst whose main component is a metal alloyed with platinum and ruthenium.

又、第3の本発明は、下流触媒層は、上流側に白金及びルテニウムを合金化した金属粒子と白金粒子を含む触媒を有する第一下流触媒層と、下流側に白金及びルテニウムを合金化した金属粒子とルテニウム粒子を含む触媒を有する第二下流触媒層とを備えた第1又は2の本発明の水素生成装置である。   Further, according to a third aspect of the present invention, the downstream catalyst layer includes a first downstream catalyst layer having a catalyst containing platinum particles and metal particles alloyed with platinum and ruthenium on the upstream side, and platinum and ruthenium alloyed on the downstream side. It is the 1st or 2nd hydrogen generator of this invention provided with the 2nd downstream catalyst layer which has a catalyst containing the metal particle and ruthenium particle which were made.

又、第4の本発明は、前記酸化性ガス供給部を第一酸化性ガス供給部とし、前記第一下流触媒層と前記第二下流触媒層との間に酸化性ガスを供給する第二酸化性ガス供給部を更に備えた第3の本発明の水素生成装置である。   In a fourth aspect of the present invention, the oxidizing gas supply unit is a first oxidizing gas supply unit, and an oxidizing gas is supplied between the first downstream catalyst layer and the second downstream catalyst layer. It is the hydrogen generator of the 3rd this invention further provided with the property gas supply part.

又、第5の本発明は、前記第一下流触媒層は、担体と白金塩水溶液とから含浸法により白金を担持させる工程と、水素還元を行う工程と、ルテニウム塩水溶液により含浸法によりルテニウムを担持させる工程と、水素還元を行う工程により製造された第一下流触媒層であり、
前記第二下流触媒層は、担体とルテニウム塩水溶液とから含浸法によりルテニウムを担持させる工程と、水素還元を行い工程と、白金塩水溶液により含浸法により白金を担持させる工程と、水素還元を行う工程により製造された第二下流触媒層である第3又は4の本発明の水素生成装置である。
According to a fifth aspect of the present invention, the first downstream catalyst layer comprises a step of supporting platinum by an impregnation method from a support and a platinum salt aqueous solution, a step of performing hydrogen reduction, and a ruthenium salt aqueous solution by an impregnation method. A first downstream catalyst layer produced by a supporting step and a hydrogen reduction step,
The second downstream catalyst layer performs a step of supporting ruthenium from the support and an aqueous ruthenium salt solution by an impregnation method, a step of performing hydrogen reduction, a step of supporting platinum by an impregnation method of an aqueous platinum salt solution, and performing hydrogen reduction. It is the 3rd or 4th hydrogen generator of the present invention which is the 2nd downstream catalyst layer manufactured by the process.

本発明により、従来の貴金属触媒層の上流側に空気供給部を設けた場合にくらべ、相対的に少ない空気供給量でCO低減が出来、また水素生成効率の観点からも有利となる条件でCO低減が可能な水素生成装置を提供することが出来る。   According to the present invention, CO can be reduced with a relatively small amount of air supply compared with the case where an air supply unit is provided on the upstream side of a conventional noble metal catalyst layer, and CO can be used under conditions that are advantageous from the viewpoint of hydrogen generation efficiency. A hydrogen generator that can be reduced can be provided.

又は、触媒を少なくしてもより効果的にCOを低減することが出来る水素生成装置を提供することが出来る。   Alternatively, it is possible to provide a hydrogen generator that can reduce CO more effectively even if the number of catalysts is reduced.

又は、触媒量を少なくすることで、変成部の熱容量も小さくすることができるため、起動時間の短縮化、低コスト化、またコンパクト化を実現した水素生成装置を提供することができる。   Alternatively, by reducing the amount of catalyst, the heat capacity of the shift section can also be reduced, so that it is possible to provide a hydrogen generator that achieves a reduction in start-up time, a reduction in cost, and a reduction in size.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における水素生成装置の構成図であり、同図において、1は改質部で、この改質器で改質ガス(水素リッチガス)を生成する。本発明に用いられる改質部1によって生成される水素リッチガスは、メタン、プロパン、都市ガス等の炭化水素、メタノール等のアルコールまたはジメチルエーテル等のエーテルに例示されるような少なくとも水素及び炭素から構成される原料に水蒸気や空気を混合し、加熱した改質触媒層を通過させて、主に水蒸気改質することによって生成される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a reforming unit, which generates a reformed gas (hydrogen-rich gas) with this reformer. The hydrogen-rich gas produced by the reforming unit 1 used in the present invention is composed of at least hydrogen and carbon as exemplified by hydrocarbons such as methane, propane and city gas, alcohols such as methanol or ethers such as dimethyl ether. It is produced by mixing steam or air with the raw material to be heated, passing through a heated reforming catalyst layer, and mainly steam reforming.

改質部1によって生成した水素リッチガスの組成は、改質方法、原料種によって異なるが、水蒸気を除くと水素が40〜60体積%、二酸化炭素が8〜25体積%、COが5〜15体積%となるのが一般的である。例えばメタンを水蒸気改質した場合、水素が約60体積%、二酸化炭素が5〜15体積%およびCOが5〜15体積%となる。また、低温で改質反応が可能なアルコールやエーテル等の原料の場合、改質後のCO濃度が1体積%前後となる場合もある。なお、構成の詳細はここでは省略する
2は変成部であり、水素リッチガス中のCOと水蒸気の水性ガスシフト反応を進行させるもので、上流触媒層3および下流触媒層4から構成される。本実施の形態1において上流触媒層3は担体としての酸化セリウム(セリア)にPtを担持した後コージェライトハニカムにコーティングしたものを用いた。
The composition of the hydrogen-rich gas produced by the reforming unit 1 varies depending on the reforming method and the raw material type, but excluding water vapor, hydrogen is 40 to 60% by volume, carbon dioxide is 8 to 25% by volume, and CO is 5 to 15% by volume. Generally, it is%. For example, when methane is steam reformed, hydrogen is about 60% by volume, carbon dioxide is 5 to 15% by volume, and CO is 5 to 15% by volume. In the case of a raw material such as alcohol or ether that can undergo a reforming reaction at a low temperature, the CO concentration after reforming may be about 1% by volume. The details of the configuration are omitted here. Reference numeral 2 denotes a metamorphic portion, which advances the water gas shift reaction between CO and water vapor in the hydrogen-rich gas, and is composed of an upstream catalyst layer 3 and a downstream catalyst layer 4. In the first embodiment, the upstream catalyst layer 3 is formed by supporting Pt on cerium oxide (ceria) as a carrier and then coating the cordierite honeycomb.

また下流触媒層4は担体としての酸化アルミニウム(アルミナ)にPtとRu(ルテニウム)を合金化した金属粒子を担持した後コージェライトハニカムにコーティングしたものを用いた。また、5は変成部に水を供給する水供給部、6は変成部2内に空気を供給する、本発明の酸化性ガス供給部の一例である空気供給部である。空気供給部6から供給する空気は上流触媒層3を通過した後の水素リッチガスと混合した後、下流触媒層4を通過するように構成した。   Further, the downstream catalyst layer 4 was formed by supporting metal particles obtained by alloying Pt and Ru (ruthenium) on aluminum oxide (alumina) as a carrier and then coating the cordierite honeycomb. In addition, 5 is a water supply unit that supplies water to the shift unit, and 6 is an air supply unit that is an example of the oxidizing gas supply unit of the present invention that supplies air into the shift unit 2. The air supplied from the air supply unit 6 was mixed with the hydrogen-rich gas after passing through the upstream catalyst layer 3 and then passed through the downstream catalyst layer 4.

7は下流触媒層を通過した後の温度を検出する温度検出部である。なお、温度検出部7は、下流触媒層4の温度、または下流触媒層4を通過する前の水素リッチガスの温度を測定する構成にしてもよい。   Reference numeral 7 denotes a temperature detection unit that detects the temperature after passing through the downstream catalyst layer. The temperature detector 7 may be configured to measure the temperature of the downstream catalyst layer 4 or the temperature of the hydrogen rich gas before passing through the downstream catalyst layer 4.

8は冷却部となる冷却ファンであり、変成部2の外側から下流触媒層4を冷却する。なお、冷却ファン8は、下流触媒層4を通過する前後の水素リッチガスを冷却する構成にしてもよい。   A cooling fan 8 serves as a cooling unit, and cools the downstream catalyst layer 4 from the outside of the shift unit 2. The cooling fan 8 may be configured to cool the hydrogen rich gas before and after passing through the downstream catalyst layer 4.

また、本実施の形態1においては温度検出部7で検出する温度を一定にするために、冷却ファン8をON−OFF制御させた。なお、温度検出部7、冷却ファン8は装置構成および運転条件によっては省くこともできる。   In the first embodiment, the cooling fan 8 is controlled to be turned on and off in order to make the temperature detected by the temperature detector 7 constant. The temperature detection unit 7 and the cooling fan 8 can be omitted depending on the device configuration and operating conditions.

また、制御部10は、水供給部5、空気供給部6、及び冷却ファン8に指令を出し、これら水供給部5、空気供給部6、及び冷却ファン8の出力制御を行う。特に、冷却ファン8の制御は、制御部10に入力された温度検出部7で検出された温度に基づいて上述のように、前記検出温度が一定になるように行われる。   Further, the control unit 10 issues a command to the water supply unit 5, the air supply unit 6, and the cooling fan 8, and performs output control of the water supply unit 5, the air supply unit 6, and the cooling fan 8. In particular, the control of the cooling fan 8 is performed so that the detected temperature becomes constant as described above based on the temperature detected by the temperature detector 7 input to the controller 10.

上記の構成における装置動作を説明する。
改質部1によって生成した水素リッチガスを変成部2に送る。このときの水素リッチガス中のCO濃度は約10%程度である。
The apparatus operation in the above configuration will be described.
The hydrogen-rich gas generated by the reforming unit 1 is sent to the shift unit 2. At this time, the CO concentration in the hydrogen-rich gas is about 10%.

変成部2内では、上流触媒層3で水素リッチガス中のCOと水素リッチガス中の水蒸気、および水供給部5から供給する水との反応である水性ガスシフト反応を進行させてCOを低減する。このとき上流触媒層3通過後の水素リッチガス中のCO濃度は約2%程度となる。   In the shift unit 2, the upstream catalyst layer 3 proceeds with a water gas shift reaction that is a reaction between CO in the hydrogen-rich gas, water vapor in the hydrogen-rich gas, and water supplied from the water supply unit 5 to reduce CO. At this time, the CO concentration in the hydrogen-rich gas after passing through the upstream catalyst layer 3 is about 2%.

上流触媒層3後の水素リッチガスは空気供給部6から送る空気と混合され、変成部2の下流触媒層4に送られる。この下流触媒層4では空気供給部6から供給される空気中の酸素が、CO低減の反応を促進させ、変成部2出口における水素リッチガス中のCO濃度を100ppm以下に低減する。   The hydrogen rich gas after the upstream catalyst layer 3 is mixed with the air sent from the air supply unit 6 and sent to the downstream catalyst layer 4 of the shift unit 2. In the downstream catalyst layer 4, oxygen in the air supplied from the air supply unit 6 promotes the CO reduction reaction, and reduces the CO concentration in the hydrogen-rich gas at the outlet of the shift unit 2 to 100 ppm or less.

変成部2後の水素リッチガス中のCO濃度を低減するために、変成部2上流から空気を供給するよりも、ある程度CO濃度が低減された変成部2の途中から空気を供給することが、少量の空気でもCOに対する酸素の割合を大きくすることができるため、空気供給の効果を大きくすることができる。また、CO低減のための空気供給量を少なくできるということは、酸化される水素量も少なくすることにつながり、水素生成効率の観点からも有利となる。   In order to reduce the CO concentration in the hydrogen-rich gas after the shift section 2, rather than supplying air from the upstream of the shift section 2, a small amount of air is supplied from the middle of the shift section 2 where the CO concentration is reduced to some extent. Since the ratio of oxygen to CO can be increased even with the air, the effect of air supply can be increased. Moreover, the fact that the amount of air supply for reducing CO can be reduced leads to a reduction in the amount of hydrogen to be oxidized, which is advantageous from the viewpoint of hydrogen generation efficiency.

下流触媒層4を構成しているPt、Ruを合金化した金属粒子は、COを効果的に低減することができる。水性ガスシフト反応は、Ptに吸着したCO分子と、Ruに吸着し、分解した水との反応によって進行する。PtとRuが合金化していることによって、Ptの隣にRuが存在する確率が高くなり、反応をさらに進行しやすくしている。   The metal particles obtained by alloying Pt and Ru constituting the downstream catalyst layer 4 can effectively reduce CO. The water gas shift reaction proceeds by a reaction between CO molecules adsorbed on Pt and water adsorbed on Ru and decomposed. Since Pt and Ru are alloyed, the probability that Ru is present next to Pt is increased, and the reaction is further facilitated.

通常、触媒温度が低温になるとPtにCOが吸着したまま脱離しにくくなり反応が進行せず、COが低減できにくくなる。しかしPt、Ruを合金化した金属粒子を含む触媒に酸素を供給すると、Ptの周囲に酸素が共存することによって、低温においてもCOの脱離を促進することができる。その結果、Pt表面からのCOが脱離されやすくなることで水性ガスシフト反応が進行し、CO低減の反応速度が速まり、低温においてもCOを低減することができる。また水性ガスシフト反応によるCO低減は低温ほど化学平衡的に有利なため、本発明においては変成部2出口後の水素リッチガス中のCO濃度を100ppm以下に低減することができる。   Normally, when the catalyst temperature is low, it is difficult to desorb while CO is adsorbed on Pt, the reaction does not proceed, and it is difficult to reduce CO. However, when oxygen is supplied to a catalyst including metal particles obtained by alloying Pt and Ru, the coexistence of oxygen around Pt can promote the desorption of CO even at a low temperature. As a result, CO is easily desorbed from the Pt surface, so that the water gas shift reaction proceeds, the reaction rate of CO reduction is increased, and CO can be reduced even at low temperatures. In addition, since CO reduction by water gas shift reaction is more advantageous in terms of chemical equilibrium at lower temperatures, in the present invention, the CO concentration in the hydrogen-rich gas after the outlet of the shift unit 2 can be reduced to 100 ppm or less.

なお、本実施の形態1の装置構成と従来の貴金属変成触媒を用いて、空気を供給することなく水性ガスシフト反応を進行させた構成と比較した場合、本実施の形態ではCO低減の反応速度が、上述のような作用により速まるため、触媒量を少なくすることができ、従来の5分の1から10分の1の触媒量でCOを低減することができた。これにより、貴金属量も少なくなり、低コスト化に有利となる。   In addition, when compared with the configuration in which the apparatus configuration of the first embodiment and the conventional noble metal conversion catalyst are used to advance the water gas shift reaction without supplying air, the present embodiment has a CO reduction reaction rate. Since the speed is increased by the action as described above, the amount of catalyst can be reduced, and CO can be reduced with a catalyst amount of 1/5 to 1/10 of the conventional amount. This reduces the amount of noble metal, which is advantageous for cost reduction.

また、触媒が占める体積が少なくなるため、水素生成装置として、また燃料電池コージェネレーションシステムとしての省スペース化、コンパクト化が実現でき、持ち運びおよび設置条件の柔軟性という点からも有利である。   Further, since the volume occupied by the catalyst is reduced, space saving and compactness can be realized as a hydrogen generator and a fuel cell cogeneration system, which is advantageous in terms of carrying and flexibility in installation conditions.

さらに、触媒が占める体積が少ないということは、起動時などにおいて、室温もしくは外気温の状態である触媒温度をCO低減の反応が始まる温度(約100℃以上)まで上昇させる時間および熱量も少なくてすむため、COが低減できるまでの時間が少なくなる。また、暖気時間が短くなるという点から起動時のエネルギーロスも少なくできる。   Furthermore, the small volume occupied by the catalyst means that, at the time of start-up, the time and amount of heat for raising the catalyst temperature, which is in the state of room temperature or outside air temperature, to the temperature at which the CO reduction reaction starts (about 100 ° C. or more) are small. Therefore, the time until CO can be reduced is reduced. Moreover, the energy loss at the time of starting can also be reduced from the point that warm-up time becomes short.

なお、下流触媒層4の温度または下流触媒層4を通過する前後の水素リッチガスの温度を一定に保持するために、本実施の形態1においては冷却ファン8を使用しているが、空気供給部6からの空気量を増減することにより制御することも可能である。温度検出部7で検出する温度が一定の水準より低温になれば制御部10から空気供給部6より空気量を多くなるよう指令し、空気供給量を増加させて反応熱量を増加させる。一方、温度検出部7で検出する温度一定の水準より高温になれば制御部10から空気供給部6より空気量を少なくなるように指令し、空気供給量を少なくして反応熱量を減少させることで温度を一定に保つことができ、COをさらに安定に低減することができる。   In order to keep the temperature of the downstream catalyst layer 4 or the temperature of the hydrogen rich gas before and after passing through the downstream catalyst layer 4 constant in the first embodiment, the cooling fan 8 is used. It is also possible to control by increasing or decreasing the amount of air from 6. When the temperature detected by the temperature detection unit 7 becomes lower than a certain level, the control unit 10 instructs the air supply unit 6 to increase the air amount, and the air supply amount is increased to increase the reaction heat amount. On the other hand, if the temperature becomes higher than the constant temperature detected by the temperature detector 7, the controller 10 instructs the air supply unit 6 to reduce the amount of air, and the air supply amount is reduced to reduce the reaction heat amount. Thus, the temperature can be kept constant, and CO can be further stably reduced.

また、水などの媒体によって下流触媒層4または水素リッチガスの熱を奪う熱交換器を利用して媒体量を増減するなどの場合でも、下流触媒層4の温度または下流触媒層4を通過する水素リッチガスの温度を一定に保持して、安定してCOを低減することができる。また媒体として水を使用した場合、水素リッチガスから熱交換した熱により水を蒸発させ、水供給部5から変成部2内に送ることもでき、水性ガスシフト反応をより進行させることができるため、さらにCOを安定して低減することを可能とする。   Even when the amount of the medium is increased or decreased by using a heat exchanger that takes the heat of the downstream catalyst layer 4 or the hydrogen-rich gas with a medium such as water, the temperature of the downstream catalyst layer 4 or the hydrogen passing through the downstream catalyst layer 4 The temperature of the rich gas can be kept constant, and CO can be stably reduced. Further, when water is used as the medium, water can be evaporated by heat exchanged from the hydrogen-rich gas, and can be sent from the water supply unit 5 into the shift unit 2, and the water gas shift reaction can be further advanced. It is possible to stably reduce CO.

また、Pt、Ruを合金化した金属粒子にPt粒子またはRu粒子が混在していてもよい。   Further, Pt particles or Ru particles may be mixed in metal particles obtained by alloying Pt and Ru.

なお、本実施の形態では、Pt、Ruを合金化した金属粒子を含んだ触媒は、担体とPt塩水溶液およびRu塩水溶液とから含浸法により、Pt、Ruを担持した後、水素還元を行うことによって調製した。しかし、担持する方法は特に限定はなく、例えば共沈法、ゾルゲル法、析出沈殿法、アルコキシド法などを用いることができる。   In the present embodiment, the catalyst containing metal particles obtained by alloying Pt and Ru is subjected to hydrogen reduction after supporting Pt and Ru from a support, an aqueous solution of Pt salt and an aqueous solution of Ru salt by an impregnation method. Prepared. However, the supporting method is not particularly limited, and for example, a coprecipitation method, a sol-gel method, a precipitation precipitation method, an alkoxide method, or the like can be used.

また、触媒は高分散に担持できるよう担体に担持することが望ましい。触媒の担体としては、特に限定はなく、触媒活性成分を高分散状態で担持できるものであればよい。このようなものとしては、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、セリア、マグネシア、チタニア、ゼオライトなどが例示できる。触媒活性成分を高分散状態で担持できるゼオライトの種類としては、A型ゼオライト、X型ゼオライト、Y型ゼオライト、ベータ型ゼオライト、モルデナイト、ZSM−5等が例示できる。これらの担体は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The catalyst is preferably supported on a carrier so that it can be supported in a highly dispersed state. The catalyst carrier is not particularly limited as long as the catalyst active component can be supported in a highly dispersed state. Examples of such materials include alumina, silica, silica alumina, ceria, magnesia, titania, and zeolite. Examples of the type of zeolite that can carry the catalytically active component in a highly dispersed state include A-type zeolite, X-type zeolite, Y-type zeolite, beta-type zeolite, mordenite, and ZSM-5. These carriers may be used alone or in combination of two or more.

また、本実施の形態1では、コージェライトハニカムなどの担体基材に被覆させたが、ペレット形状にしてもかまわない。   In the first embodiment, a carrier base material such as a cordierite honeycomb is coated, but it may be formed in a pellet shape.

なお、本実施の形態1において変成部2内に上流触媒層3と下流触媒層4とを設置しているが、変成部を分割し、各々の触媒層を別個に設置してもよい。   In the first embodiment, the upstream catalyst layer 3 and the downstream catalyst layer 4 are installed in the shift unit 2, but the shift unit may be divided and each catalyst layer may be set separately.

なお、生成する水素量が少ないときなどの条件に応じて、空気供給部6から供給する空気量は増減する等、装置構成および使用条件に応じて設定することが必要である。   Note that the amount of air supplied from the air supply unit 6 needs to be set according to the apparatus configuration and usage conditions, such as increasing or decreasing the amount of air supplied from the air supply unit 6 according to conditions such as when the amount of hydrogen to be generated is small.

なお、COをさらに低減するためには変成部2の後に、水素リッチガス中のCOを選択酸化反応またはメタン化反応によって低減する触媒を収めている浄化部を設けてもよい。   In order to further reduce CO, a purifying unit containing a catalyst for reducing CO in the hydrogen-rich gas by selective oxidation reaction or methanation reaction may be provided after the shift unit 2.

(実施の形態2)
図2は本実施の形態における構成図である。本実施の形態において実施の形態1と異なる点は、下流触媒層を第一下流触媒層11と第二下流触媒層12に分割した点である。
また、温度検出部17は第二下流触媒層12を通過した後の水素リッチガス温度を検出する。なお、第一下流触媒層11または第二下流触媒層12の温度、または第一下流触媒層11を通過する前後の水素リッチガス温度を検出する構成にしてもよい。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a configuration diagram in the present embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that the downstream catalyst layer is divided into a first downstream catalyst layer 11 and a second downstream catalyst layer 12.
Further, the temperature detection unit 17 detects the hydrogen rich gas temperature after passing through the second downstream catalyst layer 12. Note that the temperature of the first downstream catalyst layer 11 or the second downstream catalyst layer 12 or the hydrogen rich gas temperature before and after passing through the first downstream catalyst layer 11 may be detected.

また、冷却ファン18は、変成部2の外側から第二下流触媒層12を冷却する。なお、第一下流触媒層11、また第一下流触媒層11および第二下流触媒層12を通過する前後の水素リッチガスを冷却する構成にしてもよい。   The cooling fan 18 cools the second downstream catalyst layer 12 from the outside of the shift unit 2. In addition, you may make it the structure which cools the hydrogen rich gas before and behind passing through the 1st downstream catalyst layer 11, the 1st downstream catalyst layer 11, and the 2nd downstream catalyst layer 12.

また、装置構成および条件においては冷却ファンを追加して設置することも可能である。
なお、本実施の形態においては温度検出部17で検出する温度を一定にするために、冷却ファン18をON−OFF制御させた。なお、温度検出部17、冷却ファン18は装置構成および運転条件によっては省くこともできる。
Further, a cooling fan can be additionally installed in the apparatus configuration and conditions.
In the present embodiment, the cooling fan 18 is ON / OFF controlled in order to keep the temperature detected by the temperature detector 17 constant. The temperature detection unit 17 and the cooling fan 18 can be omitted depending on the device configuration and operating conditions.

また、制御部20は、水供給部5、空気供給部6、及び冷却ファン8に指令を出し、水供給部5、空気供給部6、及び冷却ファン8の出力制御を行う。特に、冷却ファン8の制御は、制御部20に入力された温度検出部17で検出された温度に基づいて上述のように、前記検出温度が一定になるように行われる。   Further, the control unit 20 issues a command to the water supply unit 5, the air supply unit 6, and the cooling fan 8, and performs output control of the water supply unit 5, the air supply unit 6, and the cooling fan 8. In particular, the control of the cooling fan 8 is performed so that the detected temperature becomes constant as described above based on the temperature detected by the temperature detector 17 input to the controller 20.

本実施の形態において第一下流触媒層11には、PtとRuを合金化した金属粒子とPt粒子を含んだ触媒を用いた。その触媒は、アルミナ担体とPt塩水溶液とから含浸法によりPtを担持した後、水素還元を行い、続いてRu塩水溶液により含浸法によりRuを担持した後、水素還元を行うことにより調製した後、コージェライトハニカムにコーティングしたものを用いた。   In the present embodiment, the first downstream catalyst layer 11 is a catalyst containing metal particles obtained by alloying Pt and Ru and Pt particles. The catalyst was prepared by carrying Pt from an alumina carrier and an aqueous Pt salt solution by impregnation, followed by hydrogen reduction, and subsequently carrying Ru by impregnation with an aqueous Ru salt solution, followed by hydrogen reduction. The cordierite honeycomb coated was used.

また第二下流触媒層12には、PtとRuを合金化した金属粒子とRu粒子を含んだ触媒を用いた。その触媒は、アルミナ担体とRu塩水溶液とから含浸法によりRuを担持した後、水素還元を行い、続いてPt塩水溶液により含浸法によりPtを担持した後、水素還元を行うことにより調製した後、コージェライトハニカムにコーティングしたものを用いた。   For the second downstream catalyst layer 12, a catalyst containing metal particles obtained by alloying Pt and Ru and Ru particles was used. The catalyst was prepared by carrying Ru from an alumina carrier and an aqueous Ru salt solution after impregnation, followed by hydrogen reduction, and then carrying Pt by impregnation with an aqueous Pt salt solution, followed by hydrogen reduction. The cordierite honeycomb coated was used.

次に本実施の形態で用いる変成触媒の特徴について述べる。   Next, the characteristics of the shift catalyst used in the present embodiment will be described.

第一下流触媒層11に用いた触媒は、合金化された金属粒子だけを含む触媒に比べて、Pt粒子が混在しているためCOの吸着量が増加し、特に高温において反応速度が速くなるため、触媒量を減らすことができる。   Compared with a catalyst containing only alloyed metal particles, the catalyst used for the first downstream catalyst layer 11 increases the amount of adsorption of CO due to the presence of Pt particles, and the reaction rate increases particularly at high temperatures. Therefore, the amount of catalyst can be reduced.

また第二下流触媒層12に用いた触媒は、合金化された金属粒子だけを含む場合に比べて、Ru粒子が混在しているためRuの触媒特性が増加する。Ruは水分子を吸着、分解する活性が高いため、低温においても水性ガスシフト反応が進行し、CO低減活性を維持することができる。   In addition, the catalyst used for the second downstream catalyst layer 12 contains Ru particles in a mixed manner compared to the case where only the alloyed metal particles are included, so that the Ru catalytic characteristics are increased. Since Ru has a high activity of adsorbing and decomposing water molecules, the water gas shift reaction proceeds even at a low temperature, and CO reduction activity can be maintained.

水素生成装置では、上流側の改質部から高温の水素リッチガスが流れ、変成部を通過するにしたがって、触媒または触媒を収めている機体から熱が外部へ逃げていくため、水素生成装置の下流側ほど水素リッチガス温度は低くなる傾向がある。そこで、本実施の形態では、高温となる第一下流触媒層11に、PtとRuを合金化した金属粒子とPt粒子を含んだ触媒を用いた。これにより合金化された金属粒子だけを含む場合に比べて、COの吸着量が増加するため、特に高温において反応速度が速くなり、触媒量を減らすことができる。   In the hydrogen generator, high-temperature hydrogen-rich gas flows from the reforming section on the upstream side, and heat escapes to the outside from the catalyst or the airframe containing the catalyst as it passes through the transformation section. The hydrogen rich gas temperature tends to decrease toward the side. Therefore, in the present embodiment, a catalyst including metal particles obtained by alloying Pt and Ru and Pt particles is used for the first downstream catalyst layer 11 that is at a high temperature. As a result, the amount of CO adsorbed is increased as compared with the case where only alloyed metal particles are included, so that the reaction rate is increased particularly at high temperatures, and the amount of catalyst can be reduced.

また低温になりやすい第二下流触媒層12には、PtとRuを合金化した金属粒子とRu粒子を含んだ触媒を用いた。Ru粒子が多く存在することにより、水を吸着、分解する活性が増大し、低温においても水性ガスシフト反応活性を維持できるからである。   Moreover, the catalyst containing the metal particle and Ru particle | grains which alloyed Pt and Ru was used for the 2nd downstream catalyst layer 12 which becomes low temperature easily. This is because the presence of many Ru particles increases the activity of adsorbing and decomposing water, and the water gas shift reaction activity can be maintained even at low temperatures.

すなわち、上流側に高温でもCOを低減できる触媒、下流側に低温でもCOを低減できる触媒を組み合わせることによって、安定してCOを低減することを可能とした。   That is, by combining a catalyst that can reduce CO even at a high temperature on the upstream side and a catalyst that can reduce CO even at a low temperature on the downstream side, CO can be stably reduced.

なお、Pt粒子、Ru粒子の混在は、使用する燃料電池の種類または使用条件などによって設定することができる。   The mixture of Pt particles and Ru particles can be set according to the type of fuel cell to be used or the use conditions.

なお、このような金属粒子内の構成金属の分布は、TEMを用い、XMA分析を行うことにより確認できる。   In addition, the distribution of the constituent metal in such metal particles can be confirmed by performing XMA analysis using TEM.

なお、ここで述べたPt−Ru合金は、PtとRuとがそれぞれ40〜60atom%の割合であることが、合金化しやすいため望ましい。また、本発明においてPt粒子またはRu粒子が混在するときには、合金と共存するPt粒子、Ru粒子は、XMAなどの分析機器において、粒子内の他の金属が痕跡量以下のものを指し、具体的には90atm%以上がPt、Ruで構成されたものをそれぞれ指す。   In the Pt—Ru alloy described here, it is desirable that Pt and Ru are each in a ratio of 40 to 60 atom% because they are easily alloyed. In the present invention, when Pt particles or Ru particles coexist, the Pt particles and Ru particles coexisting with the alloy indicate that the other metals in the particles are less than the trace amount in an analytical instrument such as XMA. Indicates that 90 atm% or more is composed of Pt and Ru.

Ptは面心立方構造をとるが、異種の金属と合金化することにより、格子定数が変化する。その変化はXRDを測定することにより、容易に測定可能である。   Pt has a face-centered cubic structure, but the lattice constant is changed by alloying with a dissimilar metal. The change can be easily measured by measuring XRD.

また、本実施の形態2においても、触媒の担体としては特に限定はなく、触媒活性成分を高分散状態で担持できるものであればよい。このようなものとしては、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、セリア、マグネシア、チタニア、ゼオライトなどが例示できる。触媒活性成分を高分散状態で担持できるゼオライトの種類としては、A型ゼオライト、X型ゼオライト、Y型ゼオライト、ベータ型ゼオライト、モルデナイト、ZSM−5等が例示できる。これらの担体は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   In the second embodiment, the catalyst carrier is not particularly limited as long as the catalyst active component can be supported in a highly dispersed state. Examples of such materials include alumina, silica, silica alumina, ceria, magnesia, titania, and zeolite. Examples of the type of zeolite that can support the catalytically active component in a highly dispersed state include A-type zeolite, X-type zeolite, Y-type zeolite, beta-type zeolite, mordenite, and ZSM-5. These carriers may be used alone or in combination of two or more.

また、実施の形態2としては、コージェライトハニカムなどの担体基材に被覆させても、ペレット形状にしてもかまわない。   In the second embodiment, a carrier base material such as a cordierite honeycomb may be coated, or may be in a pellet shape.

なお、本実施の形態2において変成部2内に上流触媒層3と第一下流触媒層11と第二下流触媒層12とを設置しているが、個別の変成部として分割し、各々の触媒層を別個に設置してもよい。   In the second embodiment, the upstream catalyst layer 3, the first downstream catalyst layer 11, and the second downstream catalyst layer 12 are installed in the shift section 2, but are divided as individual shift sections, and each catalyst is divided. The layers may be installed separately.

(実施の形態3)
図3は本実施の形態における構成図である。本実施の形態3において実施の形態2と異なる点は、第一下流触媒層11と第二下流触媒層12との間に、本発明の第二酸化性ガス供給部の一例である下流触媒層間空気供給部21を設けて、第一下流触媒層11を通過した後の水素リッチガス中に直接空気を供給することである。なお、温度検出部17で検出する温度を一定にするための冷却ファン18の制御は装置構成および条件に応じて各々設定することが可能である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a configuration diagram in the present embodiment. The third embodiment is different from the second embodiment in that the downstream catalyst interlayer air that is an example of the second dioxide gas supply unit of the present invention is provided between the first downstream catalyst layer 11 and the second downstream catalyst layer 12. The supply unit 21 is provided to supply air directly into the hydrogen rich gas after passing through the first downstream catalyst layer 11. The control of the cooling fan 18 for making the temperature detected by the temperature detection unit 17 constant can be set according to the device configuration and conditions.

なお、制御部30は、水供給部5、空気供給部6、冷却ファン18及び下流触媒層間空気供給部21に指令を出し、これらの機器の出力制御を行う。特に、冷却ファン18の制御は、制御部10に入力された温度検出部7で検出された温度に基づいて上述のように、前記検出温度が一定になるように行われる。   The control unit 30 issues a command to the water supply unit 5, the air supply unit 6, the cooling fan 18, and the downstream catalyst interlayer air supply unit 21 to perform output control of these devices. In particular, the control of the cooling fan 18 is performed so that the detected temperature becomes constant as described above based on the temperature detected by the temperature detection unit 7 input to the control unit 10.

第一下流触媒層11を通過した後の水素リッチガス中に直接空気を供給することによって、第二下流触媒層12でCOを低減するために必要な空気を第一下流触媒層11に予め供給する必要がない。つまり、第一下流触媒層11で必要な空気は空気供給部6から、第二下流触媒層12で必要な空気は下流触媒層間空気供給部21から、と分割して供給することができる。第一下流触媒層11であらかじめ第二下流触媒層12に必要な空気を供給すると、第一下流触媒層11内で余分な空気中の酸素が水素を酸化して消費することもあるため、空気を分割して供給することによって水素消費を抑制し、効率よく水素を生成することができる。   By supplying air directly into the hydrogen-rich gas after passing through the first downstream catalyst layer 11, air necessary for reducing CO in the second downstream catalyst layer 12 is supplied in advance to the first downstream catalyst layer 11. There is no need. That is, the air necessary for the first downstream catalyst layer 11 can be divided and supplied from the air supply unit 6, and the air necessary for the second downstream catalyst layer 12 can be divided and supplied from the downstream catalyst interlayer air supply unit 21. If necessary air is supplied to the second downstream catalyst layer 12 in advance by the first downstream catalyst layer 11, excess oxygen in the air may oxidize and consume hydrogen in the first downstream catalyst layer 11. By dividing and supplying hydrogen, hydrogen consumption can be suppressed and hydrogen can be generated efficiently.

また、起動時および生成水素量を変化させるときなどに空気供給部6および下流触媒層間空気供給部21からの空気量をそれぞれ増減させることによっても、水素を酸化することによる消費を抑制することができ、効率よく水素を生成することができる。なお、空気供給量については装置構成および運転条件などに従い、各々の相応に設定することができる。   Further, the consumption due to the oxidation of hydrogen can also be suppressed by increasing or decreasing the amount of air from the air supply unit 6 and the downstream catalyst interlayer air supply unit 21 at the time of startup and when changing the amount of generated hydrogen. And can generate hydrogen efficiently. The air supply amount can be set in accordance with the apparatus configuration and operating conditions.

なお、個別の変成部として分割し、各々の触媒層を別個に設置してもよい。   In addition, it may be divided as individual metamorphic parts and each catalyst layer may be installed separately.

以下、本発明の水素生成装置を実施例に基づいてより具体的に説明する。   Hereinafter, the hydrogen generator of the present invention will be described more specifically based on examples.

(実施例1)
塩化白金酸水溶液および塩化ルテニウム水溶液を用いて、含浸法によりγ−アルミナにPtおよびRuを担持し、900℃で水素還元処理を行い、Pt−Ru/アルミナを調製した。なお、Ptは50atm%、Ruは50atm%とした。XRDで格子定数を測定したところ、3.857Åであり、Ptの格子定数3.923Åより小さくなっており合金化しているのが確認された。この触媒を、固形分として5wt%になるようにアルミナゾルと水を加えて、ボールミルし、触媒スラリーを調製した。この触媒スラリーを、直径80mm、長さ40mmのコージェライトハニカムに被覆した。担持量はPt3g/Lとなるように、ハニカムに担持した。得られた触媒を、図1に示した、実施の形態1において説明した水素生成装置の変成部2内の下流触媒層4として設置した。
(Example 1)
Pt and Ru were supported on γ-alumina by an impregnation method using a chloroplatinic acid aqueous solution and a ruthenium chloride aqueous solution, and hydrogen reduction treatment was performed at 900 ° C. to prepare Pt-Ru / alumina. Pt was 50 atm% and Ru was 50 atm%. When the lattice constant was measured by XRD, it was 3.857 、, which was smaller than the lattice constant of 3.923 P and was confirmed to be alloyed. Alumina sol and water were added to the catalyst so that the solid content was 5 wt%, and ball milled to prepare a catalyst slurry. The catalyst slurry was coated on a cordierite honeycomb having a diameter of 80 mm and a length of 40 mm. The honeycomb was supported on the honeycomb so that the amount supported was 3 g / L of Pt. The obtained catalyst was installed as the downstream catalyst layer 4 in the shift section 2 of the hydrogen generator described in Embodiment 1 shown in FIG.

改質部1で、メタンガスと水から生成した水素リッチガスを変成部2に供給した。改質部1出口のガス組成を水蒸気を除去した後ガスクロマトグラフィで測定すると、COが10体積%、二酸化炭素が10体積%、メタンが3体積%、残りが水素であった。   In the reforming unit 1, hydrogen-rich gas generated from methane gas and water was supplied to the transformation unit 2. When the gas composition at the outlet of the reforming unit 1 was measured by gas chromatography after removing water vapor, CO was 10% by volume, carbon dioxide was 10% by volume, methane was 3% by volume, and the remainder was hydrogen.

改質部1を出た水素リッチガス中に水供給部5から水を約5g/分の流量で加えた。水は変成部2内で水蒸気となり、水素リッチガス中のCOと水性ガスシフト反応が上流触媒層3上で進行してCOを低減する。また、上流触媒層3を通過したガス組成を水蒸気を除去した後ガスクロマトグラフィで測定すると、COが2体積%、二酸化炭素が18体積%、メタンが3体積%、残りが水素であった。   Water was added to the hydrogen rich gas exiting the reforming unit 1 from the water supply unit 5 at a flow rate of about 5 g / min. Water becomes water vapor in the metamorphic section 2, and CO in the hydrogen-rich gas and the water gas shift reaction proceed on the upstream catalyst layer 3 to reduce CO. Further, when the gas composition that passed through the upstream catalyst layer 3 was measured by gas chromatography after removing water vapor, CO was 2% by volume, carbon dioxide was 18% by volume, methane was 3% by volume, and the remainder was hydrogen.

上流触媒層3を通過した水素リッチガスを下流触媒層4に供給した。下流触媒層4でのSVが10000h−1となるよう改質部1で水素リッチガス流量を調整した。また、空気供給部6から空気を1.5L/分で供給した。 The hydrogen rich gas that passed through the upstream catalyst layer 3 was supplied to the downstream catalyst layer 4. The hydrogen rich gas flow rate was adjusted in the reforming unit 1 so that the SV in the downstream catalyst layer 4 was 10,000 h −1 . Air was supplied at 1.5 L / min from the air supply unit 6.

また、冷却ファン8によって、下流触媒層4を冷却し、温度検出部7で検出される温度を変化させ、変成部2出口から排出されるガスの組成を、水蒸気を除去した後、ガスクロマトグラフィで測定した。   Further, the downstream catalyst layer 4 is cooled by the cooling fan 8, the temperature detected by the temperature detection unit 7 is changed, the composition of the gas discharged from the outlet of the shift unit 2 is removed by the gas chromatography after the water vapor is removed. It was measured.

(比較例1)
また比較として、実施例1と同一の水素生成装置を用いて、空気供給部から空気を供給しないときに、変成部2出口から排出されるガスの組成を、水蒸気を除去した後、ガスクロマトグラフィで測定した。
(Comparative Example 1)
For comparison, when the same hydrogen generator as in Example 1 was used and the air was not supplied from the air supply unit, the composition of the gas discharged from the outlet of the transformation unit 2 was removed by gas chromatography after removing water vapor. It was measured.

(比較例2)
また比較として、実施例1の下流触媒層4の触媒を変え測定を行った。
(Comparative Example 2)
For comparison, measurement was performed by changing the catalyst of the downstream catalyst layer 4 of Example 1.

塩化白金酸水溶液を用いて酸化セリウム(セリア)にPtを担持して調製したPt/セリアを、固形分として5wt%になるようにアルミナゾルと水を加えて、ボールミルし、触媒スラリーを調製した。この触媒スラリーを、直径80mm、長さ40mmのコージェライトハニカムに被覆した。担持量はPt3g/Lとなるように、ハニカムに担持した。得られた触媒を、実施例1と同一の水素生成装置の変成部2内の下流触媒層4として設置し、空気供給部6から空気を1.5L/分で供給し、変成部2出口から排出されるガスの組成を、水蒸気を除去した後、ガスクロマトグラフィで測定した。   Pt / ceria prepared by supporting Pt on cerium oxide (ceria) using an aqueous chloroplatinic acid solution was added to an alumina sol and water so that the solid content was 5 wt%, and ball milled to prepare a catalyst slurry. This catalyst slurry was coated on a cordierite honeycomb having a diameter of 80 mm and a length of 40 mm. The supported amount was supported on the honeycomb so as to be Pt 3 g / L. The obtained catalyst was installed as the downstream catalyst layer 4 in the shift unit 2 of the same hydrogen generator as in Example 1, and air was supplied from the air supply unit 6 at 1.5 L / min. The composition of the discharged gas was measured by gas chromatography after removing water vapor.

実施例1、比較例1及び比較例2の結果を図4に示す。   The results of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are shown in FIG.

図4中の実施例1のように、実施の形態1に示す水素生成装置の構成及び動作によって、変成部2出口の水素リッチガス中のCO濃度を100ppm以下にすることができた。   As in Example 1 in FIG. 4, the CO concentration in the hydrogen rich gas at the outlet of the shift unit 2 could be reduced to 100 ppm or less by the configuration and operation of the hydrogen generator shown in Embodiment 1.

(実施例2)
塩化白金酸水溶液を用いて、含浸法によりγ−アルミナにPtを担持し、350℃で水素還元を行った。このPt/アルミナに、塩化ルテニウム水溶液によりRuを担持し、900℃で水素還元処理を行い、Pt−Ru(Pt)/アルミナを調製した。なお、Ptは50atm%、Ruは50atm%とした。
(Example 2)
Using an aqueous chloroplatinic acid solution, Pt was supported on γ-alumina by an impregnation method, and hydrogen reduction was performed at 350 ° C. Ru was supported on this Pt / alumina by an aqueous ruthenium chloride solution, and hydrogen reduction treatment was performed at 900 ° C. to prepare Pt—Ru (Pt) / alumina. Pt was 50 atm% and Ru was 50 atm%.

XRDで格子定数を測定したところ、3.859Åであり、Ptの格子定数3.923Åより小さくなっており合金化しているのが確認された。この触媒は、XMA解析より、PtとRuを約1:1.2の原子比で含む粒子と、その9割以上がPtである粒子が観測された。   When the lattice constant was measured by XRD, it was 3.859 、, which was smaller than the lattice constant of 3.923 P, confirming that it was alloyed. From this XMA analysis, particles containing Pt and Ru in an atomic ratio of about 1: 1.2 and particles having 90% or more of this catalyst were observed for this catalyst.

この触媒を、固形分として5wt%になるようにアルミナゾルと水を加えて、ボールミルし、触媒スラリーを調製した。この触媒スラリーを、直径80mm、長さ10mmのコージェライトハニカムに被覆した。担持量はPt3g/リットルとなるように、ハニカムに担持した。この様に製造した触媒を触媒Aとする。   Alumina sol and water were added to the catalyst so that the solid content was 5 wt%, and ball milled to prepare a catalyst slurry. This catalyst slurry was coated on a cordierite honeycomb having a diameter of 80 mm and a length of 10 mm. The honeycomb was supported on the honeycomb so that the amount supported was 3 g / liter Pt. The catalyst thus produced is referred to as catalyst A.

また、塩化ルテニウム水溶液を用いて、含浸法によりγ−アルミナにRuを担持し、350℃で水素還元を行った。このRu/アルミナに、塩化白金酸水溶液によりPtを担持し、900℃で水素還元処理を行い、Ru−Pt(Ru)/アルミナを調製した。なお、Ptは50atm%、Ruは50atm%とした。   Further, Ru was supported on γ-alumina by an impregnation method using an aqueous ruthenium chloride solution, and hydrogen reduction was performed at 350 ° C. This Ru / alumina was loaded with Pt by a chloroplatinic acid aqueous solution and subjected to hydrogen reduction treatment at 900 ° C. to prepare Ru—Pt (Ru) / alumina. Pt was 50 atm% and Ru was 50 atm%.

XRDで格子定数を測定したところ、3.852Åであり、合金化しているのが確認された。この触媒のXMA解析を行ったところ、PtとRuを約1.2:1の原子比で含む粒子と、その9割以上がRuである粒子が観測された。この触媒も同様にして触媒スラリーを調製し、直径80mm、長さ20mmのコージェライトハニカムに被覆した。この様に製造した触媒を触媒Bとする。   When the lattice constant was measured by XRD, it was 3.852 kg, and it was confirmed that it was alloyed. As a result of XMA analysis of this catalyst, particles containing Pt and Ru in an atomic ratio of about 1.2: 1 and particles having 90% or more of Ru were observed. A catalyst slurry was prepared in the same manner for this catalyst, and coated on a cordierite honeycomb having a diameter of 80 mm and a length of 20 mm. The catalyst thus produced is referred to as catalyst B.

得られた触媒Aを、図2の実施の形態2において説明した水素生成装置の第一下流触媒層11として、触媒Bを同じく第二下流触媒層12として設置した。   The obtained catalyst A was installed as the first downstream catalyst layer 11 of the hydrogen generator described in Embodiment 2 of FIG.

実施例1と同様に、水素リッチガスを変成部2内に供給し、空気供給部6から空気を1.5L/分で供給し、変成部2出口から排出されるガスの組成を、水蒸気を除去した後、ガスクロマトグラフィで測定した。   As in Example 1, hydrogen rich gas is supplied into the shift unit 2, air is supplied from the air supply unit 6 at 1.5 L / min, and water vapor is removed from the composition of the gas discharged from the shift unit 2 outlet. And then measured by gas chromatography.

図5に実施例1と実施例2を比較した結果を示す。   FIG. 5 shows the result of comparison between Example 1 and Example 2.

実施の形態2に示す水素生成装置の構成及び動作によって、実施例2の方がさらに広い温度範囲においてCOを100ppm以下にすることができた。   With the configuration and operation of the hydrogen generator shown in Embodiment 2, CO was able to be reduced to 100 ppm or less in Example 2 in a wider temperature range.

(実施例3)
実施例2で得られた触媒Aを、図3の実施の形態3において説明した水素生成装置の第一下流触媒層11として、触媒Bを第二下流触媒層12としてそれぞれ設置した。
(Example 3)
The catalyst A obtained in Example 2 was installed as the first downstream catalyst layer 11 of the hydrogen generator described in Embodiment 3 of FIG. 3, and the catalyst B was installed as the second downstream catalyst layer 12, respectively.

実施例1と同様に水素リッチガスを変成部2内に供給した。またこのときの空気供給量は、空気供給部6からは0.5L/分、下流触媒層間空気供給部21からは0.5L/分の流量で供給した。実施例1および2と同様に、変成部2出口から排出されるガスの組成を、水蒸気を除去した後、ガスクロマトグラフィで測定した。   The hydrogen rich gas was supplied into the shift unit 2 in the same manner as in Example 1. The air supply amount at this time was supplied from the air supply unit 6 at a flow rate of 0.5 L / min and from the downstream catalyst interlayer air supply unit 21 at a flow rate of 0.5 L / min. As in Examples 1 and 2, the composition of the gas discharged from the outlet of the transformation section 2 was measured by gas chromatography after removing water vapor.

図6に実施例2と実施例3を比較した結果を示す。   FIG. 6 shows the result of comparison between Example 2 and Example 3.

実施の形態3に示す水素生成装置の構成及び動作によって、実施例2と比較して供給空気量を減少させても、COを100ppm以下にすることができた。   With the configuration and operation of the hydrogen generator shown in Embodiment 3, CO could be reduced to 100 ppm or less even when the amount of supplied air was reduced as compared with Example 2.

本発明の水素生成装置は、相対的に少ない空気供給量で、また水素生成効率の観点からも有利となる条件でCO低減ができるという効果を有するもので、水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システム等として有用である。   The hydrogen generator according to the present invention has an effect that CO can be reduced with a relatively small air supply amount and also in terms of advantageous hydrogen generation efficiency. The hydrogen generator and the fuel using the hydrogen generator It is useful as a battery system.

本発明の実施の形態1における水素生成装置の構成図Configuration diagram of a hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態2における水素生成装置の構成図Configuration diagram of a hydrogen generator in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態3における水素生成装置の構成図Configuration diagram of a hydrogen generator in Embodiment 3 of the present invention 本発明の実施例1、比較例1及び比較例2における変成部2出口のCO濃度を表す図The figure showing CO density | concentration of the metamorphosis part 2 exit in Example 1, Comparative example 1, and Comparative example 2 of this invention 本発明の実施例1、及び実施例2における変成部2出口のCO濃度を表す図The figure showing CO concentration of the metamorphic part 2 exit in Example 1 and Example 2 of this invention 本発明の実施例2、及び実施例3における変成部2出口のCO濃度を表す図The figure showing CO density | concentration of the metamorphic part 2 exit in Example 2 and Example 3 of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 改質部
2 変成部
3 上流触媒層
4 下流触媒層
5 水供給部
6 空気供給部
7 温度検出部
8 冷却ファン
10 制御部
11 第一下流触媒層
12 第二下流触媒層
17 温度検出部
18 冷却ファン
20 制御部
21 下流触媒層間空気供給部
30 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reforming part 2 Transformation part 3 Upstream catalyst layer 4 Downstream catalyst layer 5 Water supply part 6 Air supply part 7 Temperature detection part 8 Cooling fan 10 Control part 11 First downstream catalyst layer 12 Second downstream catalyst layer 17 Temperature detection part 18 Cooling fan 20 Control unit 21 Downstream catalyst interlayer air supply unit 30 Control unit

Claims (5)

一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、
前記水素リッチガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応によって低減する、上流触媒層と下流触媒層を持った変成触媒を有する変成部と、
前記上流触媒層と前記下流触媒層との間に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部とを備えた水素生成装置。
A reforming section for producing a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide;
A shift section having a shift catalyst having an upstream catalyst layer and a downstream catalyst layer for reducing carbon monoxide in the hydrogen-rich gas by a water gas shift reaction;
A hydrogen generator comprising an oxidizing gas supply unit that supplies an oxidizing gas between the upstream catalyst layer and the downstream catalyst layer.
前記上流触媒層は、白金を主成分とする触媒を有しており、
前記下流触媒層は、白金及びルテニウムを合金化した金属を主成分とする触媒を有する請求項1記載の水素生成装置。
The upstream catalyst layer has a catalyst mainly composed of platinum,
The hydrogen generator according to claim 1, wherein the downstream catalyst layer includes a catalyst mainly composed of a metal alloyed with platinum and ruthenium.
前記下流触媒層は、上流側に白金及びルテニウムを合金化した金属粒子と白金粒子を含む触媒を有する第一下流触媒層と、下流側に白金及びルテニウムを合金化した金属粒子とルテニウム粒子を含む触媒を有する第二下流触媒層とを備えた請求項1又は2記載の水素生成装置。   The downstream catalyst layer includes a metal particle obtained by alloying platinum and ruthenium on the upstream side and a catalyst containing platinum particles, and a metal particle obtained by alloying platinum and ruthenium and ruthenium particles on the downstream side. The hydrogen generator according to claim 1, further comprising a second downstream catalyst layer having a catalyst. 前記酸化性ガス供給部を第一酸化性ガス供給部とし、
前記第一下流触媒層と前記第二下流触媒層との間に酸化性ガスを供給する第二酸化性ガス供給部を更に備えた請求項3記載の水素生成装置。
The oxidizing gas supply unit is a first oxidizing gas supply unit,
The hydrogen generator according to claim 3, further comprising a second dioxide gas supply unit that supplies an oxidizing gas between the first downstream catalyst layer and the second downstream catalyst layer.
前記第一下流触媒層は、担体と白金塩水溶液とから含浸法により白金を担持させる工程と、水素還元を行う工程と、ルテニウム塩水溶液により含浸法によりルテニウムを担持させる工程と、水素還元を行う工程により製造された第一下流触媒層であり、
前記第二下流触媒層は、担体とルテニウム塩水溶液とから含浸法によりルテニウムを担持させる工程と、水素還元を行う工程と、白金塩水溶液により含浸法により白金を担持させる工程と、水素還元を行う工程により製造された第二下流触媒層である請求項3又は4記載の水素生成装置。
The first downstream catalyst layer includes a step of supporting platinum by an impregnation method from a support and an aqueous solution of platinum salt, a step of performing hydrogen reduction, a step of supporting ruthenium by an impregnation method of an aqueous ruthenium salt solution, and performing hydrogen reduction. A first downstream catalyst layer produced by a process,
The second downstream catalyst layer performs a step of supporting ruthenium from a support and an aqueous ruthenium salt solution by an impregnation method, a step of performing hydrogen reduction, a step of supporting platinum by an impregnation method of an aqueous platinum salt solution, and performing hydrogen reduction. The hydrogen generator according to claim 3 or 4, wherein the hydrogen generator is a second downstream catalyst layer produced by a process.
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