JP5343297B2 - Catalytic reactor, catalyst heating method, and fuel reforming method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば炭化水素系の原料を水素含有ガスに改質する改質反応等の反応を行わせるための触媒反応装置、触媒加熱方法、又は燃料改質方法に関する。 The present invention relates to a catalytic reaction apparatus, a catalyst heating method, or a fuel reforming method for performing a reaction such as a reforming reaction for reforming a hydrocarbon-based raw material into a hydrogen-containing gas.
例えば、燃料電池に供給する水素をメタノール等の炭化水素ガスの改質によって得る技術が知られている。改質方法としては、水蒸気改質、部分酸化改質等が知られている。水蒸気改質は、吸熱反応であるため、外部からバーナや電気ヒータなどで反応器を加熱する必要がある。このため、反応速度が遅い、改質器が全体として複雑で大型化する、始動性や負荷応答性が悪い等の問題がある。一方、部分酸化改質は、発熱反応であるため、反応速度が速く負荷応答性も比較的良好である。しかしながら、部分酸化改質では、酸化反応に空気を用いるために、改質によって得られる改質ガス中の水素濃度が低下したり、アンモニアが発生する問題がある。また、空気の供給量を調整することが難しく触媒が部分的に高温になり、触媒のシンタリングが生じやすい。 For example, a technique for obtaining hydrogen to be supplied to a fuel cell by reforming a hydrocarbon gas such as methanol is known. As reforming methods, steam reforming, partial oxidation reforming and the like are known. Since steam reforming is an endothermic reaction, it is necessary to heat the reactor with a burner or an electric heater from the outside. For this reason, there are problems such as a low reaction rate, a complicated and large reformer as a whole, and poor startability and load response. On the other hand, since partial oxidation reforming is an exothermic reaction, the reaction rate is high and the load response is relatively good. However, in partial oxidation reforming, since air is used for the oxidation reaction, there is a problem that the hydrogen concentration in the reformed gas obtained by reforming is reduced or ammonia is generated. In addition, it is difficult to adjust the air supply amount, and the catalyst partially becomes hot, and the catalyst is likely to be sintered.
さらに、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用したオートサーマル法が考えられている(例えば、特許文献1参照)。この技術では、触媒温度の変動を抑制するように、改質器の出力変化に応じて酸化剤ガスの供給量、燃料ガスの供給量を変化させることで、触媒寿命の向上を図っている。しかしながら、このオートサーマル法では、部分酸化反応を含むため、上記部分酸化のみによる改質の場合と同様に、改質ガス中の水素濃度が低下したり、アンモニアが発生する問題がある。また、例えば自動車用途などにおいては、装置全体としてのさらなる小型、軽量化が望まれている。 Furthermore, an autothermal method using steam reforming and partial oxidation reforming together has been considered (see, for example, Patent Document 1). In this technique, the life of the catalyst is improved by changing the supply amount of the oxidant gas and the supply amount of the fuel gas according to the output change of the reformer so as to suppress the fluctuation of the catalyst temperature. However, since this autothermal method includes a partial oxidation reaction, there are problems in that the hydrogen concentration in the reformed gas is reduced and ammonia is generated, as in the case of reforming by only partial oxidation. Further, for example, in automobile applications, further reduction in size and weight of the entire apparatus is desired.
そこで、改質器を含めた装置全体としての小型化、始動性の改善のために、CO変成器の下段に設置したスチーム発生部をマイクロ波にて加熱する技術が考えられている(例えば、特許文献2参照)。また、反応器に供給する前の霧状に炭化水素系燃料にマイクロ波を照射して微細な液滴にする技術が知られている(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、特許文献2、特許文献3記載の構成では、水素リッチガスを得る改質反応が行われる改質器又は反応タンク(の触媒)が、バーナ又はヒータにて加熱されるようになっており、小型化や始動性の向上のためには改善の余地がある。 However, in the configurations described in Patent Document 2 and Patent Document 3, a reformer or a reaction tank (a catalyst thereof) in which a reforming reaction for obtaining a hydrogen-rich gas is performed is heated by a burner or a heater, There is room for improvement in order to reduce the size and startability.
本発明は、上記事実を考慮して、電気ヒータやバーナに頼ることなく触媒を加熱することができる触媒反応装置、燃料改質方法、燃料改質方法を得ることが目的である。 An object of the present invention is to obtain a catalytic reactor, a fuel reforming method, and a fuel reforming method capable of heating a catalyst without relying on an electric heater or a burner in consideration of the above facts.
上記目的を達成するために請求項1記載の発明に係る触媒反応装置は、触媒にマイクロ波吸収材が混合されて構成された触媒層を内蔵し、該触媒層に改質原料ガスと改質用ガスとを接触させて改質反応を生じさせることで改質ガスを得るための反応器と、前記反応器に導入したマイクロ波を前記触媒層に照射することで、前記改質反応を生じさせ又は維持させる設定温度となるように該触媒層を加熱するマイクロ波加熱装置と、を備えている。 In order to achieve the above object, a catalytic reaction apparatus according to the first aspect of the present invention incorporates a catalyst layer constituted by mixing a microwave absorber with a catalyst , and the reforming raw material gas and reforming are contained in the catalyst layer. The reforming reaction is caused by irradiating the catalyst layer with the reactor for obtaining the reformed gas by bringing the reforming reaction into contact with the working gas and the microwave introduced into the reactor. And a microwave heating device that heats the catalyst layer so that the set temperature is maintained or maintained .
請求項1記載の触媒反応装置では、改質原料と改質用ガスとは、反応器内に供給されてマイクロ波の照射によって加熱されている触媒層に接触すると、改質反応を生じ、改質ガスが生成される。ここで、マイクロ波加熱装置からのマイクロ波によって、触媒層を直接的かつ選択的に加熱することができるため、触媒層が内蔵される反応器を加熱する必要がなくなり、改質反応を生じるための入力エネルギが小さくなり、エネルギ効率が高い。また、反応器全体を加熱する構成と比較して加熱対象の熱容量も小さくなるので、負荷応答性や始動性の向上が期待される。
また、本触媒反応装置では、触媒にマイクロ波吸収材が混合されて触媒層が構成されているため、マイクロ波が触媒層に効果的に吸収されて、触媒層が効率的に加熱される。これにより触媒反応を得るためのエネルギ効率が一層向上する。
In the catalytic reaction apparatus according to claim 1, when the reforming raw material and the reforming gas are brought into contact with the catalyst layer which is supplied into the reactor and heated by the microwave irradiation, a reforming reaction occurs, and the reforming reaction occurs. A quality gas is produced. Here, since the catalyst layer can be directly and selectively heated by the microwave from the microwave heating apparatus, it is not necessary to heat the reactor in which the catalyst layer is incorporated, and a reforming reaction occurs. Input energy is reduced, and energy efficiency is high. In addition, since the heat capacity of the object to be heated is smaller than the configuration in which the entire reactor is heated, an improvement in load response and startability is expected.
Moreover, in this catalyst reaction apparatus, the microwave absorber is mixed with the catalyst to form the catalyst layer, so that the microwave is effectively absorbed into the catalyst layer and the catalyst layer is efficiently heated. This further improves the energy efficiency for obtaining the catalytic reaction.
このように、請求項1記載の触媒反応装置では、電気ヒータやバーナに頼ることなく触媒を加熱することができる。このため、装置全体としての小型化や軽量化も可能になる。 Thus, in the catalytic reaction apparatus according to the first aspect, the catalyst can be heated without relying on an electric heater or a burner. For this reason, the whole apparatus can be reduced in size and weight.
上記目的を達成するために請求項2記載の発明に係る触媒反応装置は、触媒にマイクロ波吸収材が混合されて構成された触媒層を内蔵し、炭化水素系燃料と水との混合ガスが供給され、前記混合ガスを前記触媒層に接触させて改質反応を生じさせることで水素含有ガスを得るための反応器と、前記反応器に導入したマイクロ波を前記触媒層に照射することで、前記改質反応を生じさせ又は維持させる設定温度となるように該触媒層を加熱するマイクロ波加熱装置と、を備えている。 In order to achieve the above object, the catalytic reaction apparatus according to the invention of claim 2 has a built-in catalyst layer formed by mixing a microwave absorber with a catalyst, and a mixed gas of hydrocarbon fuel and water is included. is supplied, the reactor for the gas mixture obtained hydrogen-containing gas to cause by the catalytic reforming reaction in the catalyst layer, the microwaves introduced into said reactor by irradiating the catalyst layer And a microwave heating apparatus that heats the catalyst layer so as to have a set temperature for causing or maintaining the reforming reaction .
請求項2記載の触媒反応装置では、炭化水素原料と水とが気相で混合した混合ガスは、反応器内に供給されてマイクロ波加熱装置からのマイクロ波の照射によって加熱されている触媒層に接触すると、改質反応を生じ、水素含有ガスが生成される。ここで、マイクロ波を用いることで、触媒層を直接的かつ選択的に加熱することができるため、触媒層が内蔵される反応器を加熱する必要がなくなり、改質反応を生じるための入力エネルギが小さくなり、エネルギ効率が高い。特に、マイクロ波は、誘電損率が大きい水(水蒸気)との反応性が極めて高いので、改質反応の効率が一層向上する。また、反応器全体を加熱する構成と比較して加熱対象の熱容量も小さくなるので、負荷応答性や始動性の向上が期待される。
また、本触媒反応装置では、触媒にマイクロ波吸収材が混合されて触媒層が構成されているため、マイクロ波が触媒層に効果的に吸収されて、触媒層が効率的に加熱される。これにより触媒反応を得るためのエネルギ効率が一層向上する。
3. The catalyst reaction apparatus according to claim 2, wherein a mixed gas in which a hydrocarbon raw material and water are mixed in a gas phase is supplied into the reactor and heated by microwave irradiation from a microwave heating apparatus. When contacted, a reforming reaction occurs and a hydrogen-containing gas is generated. Here, since the catalyst layer can be directly and selectively heated by using the microwave, it is not necessary to heat the reactor in which the catalyst layer is incorporated, and the input energy for causing the reforming reaction is eliminated. Is small and energy efficient. In particular, since microwaves have extremely high reactivity with water (water vapor) having a high dielectric loss factor, the efficiency of the reforming reaction is further improved. In addition, since the heat capacity of the object to be heated is smaller than the configuration in which the entire reactor is heated, an improvement in load response and startability is expected.
Moreover, in this catalyst reaction apparatus, the microwave absorber is mixed with the catalyst to form the catalyst layer, so that the microwave is effectively absorbed into the catalyst layer and the catalyst layer is efficiently heated. This further improves the energy efficiency for obtaining the catalytic reaction.
このように、請求項2記載の触媒反応装置では、電気ヒータやバーナに頼ることなく触媒を加熱することができる。このため、装置全体としての小型化や軽量化も可能になる。 Thus, in the catalytic reaction apparatus according to the second aspect, the catalyst can be heated without relying on an electric heater or a burner. For this reason, the whole apparatus can be reduced in size and weight.
請求項3記載の発明に係る触媒反応装置は、請求項1又は請求項2記載の触媒反応装置において、前記マイクロ波加熱装置は、0.3GHz乃至30GHzの範囲のマイクロ波を用いて前記触媒層を加熱する。 A catalytic reaction apparatus according to a third aspect of the present invention is the catalytic reaction apparatus according to the first or second aspect , wherein the microwave heating device uses the microwave in a range of 0.3 GHz to 30 GHz. Heat.
請求項3記載の触媒反応装置では、0.3GHz乃至30GHzの範囲のマイクロ波(波長略1m乃至0.01m)を用いるため、装置をコンパクトに構成することが可能になる。 In the catalytic reaction apparatus according to the third aspect , since the microwave (wavelength of about 1 m to 0.01 m) in the range of 0.3 GHz to 30 GHz is used, the apparatus can be configured compactly.
請求項4記載の発明に係る触媒反応装置は、請求項1〜請求項3の何れか1項記載の触媒反応装置において、前記触媒層には、粉末又は繊維状の前記マイクロ波吸収材が分散保持されている。 Catalytic reactor according to the invention of claim 4, wherein, in the catalytic reactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst layer, the microwave absorbing material in powder or fibrous dispersion Is retained .
請求項5記載の発明に係る触媒反応装置は、請求項1〜請求項4の何れか1項記載の触媒反応装置において、前記反応器は、マイクロ波が導入されて単一モードで共振し得る直方体形状の空胴共振器である。 The catalytic reaction apparatus according to claim 5 is the catalytic reaction apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the reactor can resonate in a single mode when a microwave is introduced. It is a rectangular parallelepiped cavity resonator.
請求項5記載の触媒反応装置では、反応器が単一モードの空胴共振器であるため、マイクロ波のエネルギを触媒層に集中させることができる。このため、触媒層の加熱時間を著しく短縮することができ、始動性や負荷応答性を改善することが可能である。また、空胴共振器が直方体であるため、共振状態の調整が容易である。 In the catalytic reaction apparatus according to the fifth aspect , since the reactor is a single-mode cavity resonator, the energy of the microwave can be concentrated on the catalyst layer. For this reason, the heating time of the catalyst layer can be remarkably shortened, and the startability and load response can be improved. Further, since the cavity resonator is a rectangular parallelepiped, the resonance state can be easily adjusted.
請求項6記載の発明に係る触媒反応装置は、請求項5記載の触媒反応装置において、前記触媒層は、前記共振状態の空胴共振器内における電界強度が最大となる部位に配設されている。 A catalytic reaction apparatus according to a sixth aspect of the present invention is the catalytic reaction apparatus according to the fifth aspect , wherein the catalyst layer is disposed at a portion where the electric field strength is maximum in the cavity resonator in the resonance state. Yes.
請求項6記載の触媒反応装置では、空胴共振器内におけるエネルギが最も集中する部位に触媒層が配置されるので、マイクロ波のエネルギを触媒層により一層集中させることができる。 In the catalytic reaction apparatus according to the sixth aspect , since the catalyst layer is arranged at the site where the energy is most concentrated in the cavity resonator, the energy of the microwave can be more concentrated on the catalyst layer.
上記目的を達成するために請求項7記載の発明に係る燃料改質方法は、マイクロ波吸収材が混合された触媒へのマイクロ波の照射によって加熱された前記触媒上で、改質原料ガスと改質用ガスとを改質反応させて改質ガスを得る。 Fuel reforming method according to the invention of claim 7, wherein in order to achieve the above object, over the catalyst heated by microwave irradiation to microwave absorbing material is mixed catalyst, a reforming raw material gas A reforming gas is obtained by a reforming reaction with the reforming gas.
請求項7記載の燃料改質方法では、触媒にマイクロ波を照射して該触媒を加熱しつつ、該触媒上で改質原料ガスと改質用ガスとの改質反応を生じさせる。この改質反応によって、改質ガスが生成される。ここで、マイクロ波によって触媒を直接的かつ選択的に加熱することができるため、反応を生じるための入力エネルギが小さくなり、エネルギ効率が高い。また、例えば触媒を内蔵する反応器全体を加熱する構成と比較して加熱対象の熱容量も小さくなるので負荷応答性や始動性の向上が期待される。 In the fuel reforming method of the seventh aspect , the reforming reaction between the reforming raw material gas and the reforming gas is caused on the catalyst while heating the catalyst by irradiating the catalyst with microwaves. A reformed gas is generated by this reforming reaction. Here, since the catalyst can be directly and selectively heated by the microwave, the input energy for causing the reaction is reduced, and the energy efficiency is high. In addition, since the heat capacity of the object to be heated becomes smaller compared to a configuration in which the entire reactor containing the catalyst is heated, for example, an improvement in load response and startability is expected.
このように、請求項7記載の燃料改質方法では、電気ヒータやバーナに頼ることなく触媒を加熱することができる。 Thus, in the fuel reforming method according to the seventh aspect, the catalyst can be heated without depending on the electric heater or the burner.
上記目的を達成するために請求項8記載の発明に係る燃料改質方法は、炭化水素系燃料と水とを触媒上で反応させて前記炭化水素系燃料を改質し、水素含有ガスを得る燃料改質方法であって、マイクロ波吸収材が混合された前記触媒にマイクロ波を照射して該触媒を加熱することで、前記改質反応を生じさせる。 In order to achieve the above object, a fuel reforming method according to an eighth aspect of the invention provides a hydrogen-containing gas by reforming the hydrocarbon fuel by reacting a hydrocarbon fuel and water on a catalyst. In the fuel reforming method, the reforming reaction is caused by irradiating the catalyst mixed with the microwave absorbing material with microwaves and heating the catalyst.
請求項8記載の燃料改質方法では、触媒にマイクロ波を照射して該触媒を加熱しつつ、該触媒上で炭化水素系燃料と水との改質反応を生じさせる。この改質反応によって、水素含有ガスが生成される。ここで、マイクロ波によって触媒を直接的かつ選択的に加熱することができるため、反応を生じるための入力エネルギが小さくなり、エネルギ効率が高い。また、例えば触媒を内蔵する反応器全体を加熱する構成と比較して加熱対象の熱容量も小さくなるので負荷応答性や始動性の向上が期待される。 In the fuel reforming method according to the eighth aspect , the catalyst is irradiated with microwaves to heat the catalyst, and a reforming reaction between the hydrocarbon fuel and water is caused on the catalyst. By this reforming reaction, a hydrogen-containing gas is generated. Here, since the catalyst can be directly and selectively heated by the microwave, the input energy for causing the reaction is reduced, and the energy efficiency is high. In addition, since the heat capacity of the object to be heated becomes smaller compared to a configuration in which the entire reactor containing the catalyst is heated, for example, an improvement in load response and startability is expected.
このように、請求項8記載の燃料改質方法では、電気ヒータやバーナに頼ることなく触媒を加熱することができる。 Thus, in the fuel reforming method according to the eighth aspect, the catalyst can be heated without depending on the electric heater or the burner.
請求項9記載の発明に係る燃料改質方法は、請求項7又は請求項8記載の燃料改質方法において、前記触媒に、0.3GHz乃至30GHzの範囲のマイクロ波を照射する。 A fuel reforming method according to a ninth aspect of the present invention is the fuel reforming method according to the seventh or eighth aspect , wherein the catalyst is irradiated with a microwave in a range of 0.3 GHz to 30 GHz.
請求項9記載の燃料改質方法では、0.3GHz乃至30GHzの範囲のマイクロ波(波長略1m乃至0.01m)を用いるため、本方法を実行するための装置をコンパクトに構成することが可能になる。 In the fuel reforming method according to claim 9 , since a microwave (wavelength of about 1 m to 0.01 m) in the range of 0.3 GHz to 30 GHz is used, the apparatus for executing the method can be configured compactly. become.
請求項10記載の発明に係る燃料改質方法は、請求項7〜請求項9の何れか1項記載の燃料改質方法において、前記触媒に、マイクロ波が導入されて共振状態とされた空胴共振器内でマイクロ波を照射する。
Fuel reforming method according to the invention of
請求項10記載の燃料改質方法では、マイクロ波の導入によって共振状態とされた空胴共振器内で触媒にマイクロ波を照射する。このため、マイクロ波のエネルギを触媒層に集中させることができ、触媒層の加熱時間を著しく短縮することができる。これにより、始動性や負荷応答性を改善することが可能である。 In the fuel reforming method of the tenth aspect , the catalyst is irradiated with the microwave in the cavity resonator brought into the resonance state by the introduction of the microwave. For this reason, microwave energy can be concentrated on the catalyst layer, and the heating time of the catalyst layer can be remarkably shortened. Thereby, startability and load responsiveness can be improved.
請求項11記載の発明に係る燃料改質方法は、請求項10記載の燃料改質方法において、前記触媒を、マイクロ波が導入されて共振状態とされた空胴共振器内における電界強度が最大となる位置に位置させてマイクロ波を照射する。 A fuel reforming method according to an eleventh aspect of the present invention is the fuel reforming method according to the tenth aspect , wherein the catalyst has a maximum electric field strength in a cavity resonator in which a microwave is introduced to be in a resonance state. The microwave is irradiated at a position where
請求項11記載の燃料改質方法では、空胴共振器内におけるエネルギが最も集中する部位に触媒層が配置されるので、マイクロ波のエネルギを触媒層により一層集中させることができる。 In the fuel reforming method according to the eleventh aspect , since the catalyst layer is disposed at the site where the energy is most concentrated in the cavity resonator, the energy of the microwave can be more concentrated on the catalyst layer.
以上説明したように本発明に係る触媒反応装置、触媒加熱方法、燃料改質方法は、電気ヒータやバーナに頼ることなく触媒を加熱することができるという優れた効果をそれぞれ有する。 As described above, the catalyst reaction apparatus, the catalyst heating method, and the fuel reforming method according to the present invention each have an excellent effect that the catalyst can be heated without relying on an electric heater or a burner.
本発明の実施形態に係る触媒反応装置が適用され、触媒加熱方法又は燃料改質方法が使用されるマイクロ波改質装置10について、図1乃至図5に基づいて説明する。
A
図1には、マイクロ波改質装置10の概略全体構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、燃料を改質して改質ガスを得る装置であり、この実施形態では、改質原料(燃料)として炭化水素系燃料を用いて、水素リッチの改質ガスを得る構成とされている。炭化水素系燃料としては、ガソリン、灯油、メタノール、エタノール(バイオマス由来のものを含む)などの液体燃料、天然ガス(主にメタン)、プロパン、ブタン、ナフサ等のガス燃料を用いることができる。この実施形態では、エタノール(C2H5OH)を改質原料として用いる例を示す。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic overall configuration of the
具体的には、マイクロ波改質装置10は、液体燃料であるエタノールと蒸発して改質用ガスとなる水との混合液(溶液)を貯留、送出する燃料供給部12を備えている。燃料供給部12は、燃料流路14を介して蒸発器16に連通されている。蒸発器16は、エタノールと水との混合液を気化するようになっている。蒸発器16は、燃料ガス流路18を介して改質部20に連通されている。以上により、改質部20には、燃料供給部12から送給され蒸発器16で気化した改質原料ガスとしてのエタノールガス(燃料ガス)と水蒸気(改質用ガス)との混合ガスが供給される構成である。
Specifically, the
改質部20は、供給された混合ガス中のエタノールを改質して改質ガスを生成する空間を形成する反応管22を備えている。反応管22は、後に詳述するマイクロ波を透過し易く耐熱性のある材料にて管状に構成されている。この実施形態では、反応管22は石英ガラスにて構成されている。なお、反応管22を構成する材料として緻密質のアルミナやムライトなどを用いることも可能である。この反応管22内には、エタノールの改質反応を促進するための触媒層24が配設されている。触媒層24には、ペレット状又はハニカム形状のものが用いられる。
The reforming
ここで、この実施形態において採用され、エタノールを水素リッチの改質ガスの改質する改質反応は、以下の式(1)、式(2)で表される各反応を含む。 Here, the reforming reaction employed in this embodiment and reforming ethanol with a hydrogen-rich reformed gas includes reactions represented by the following formulas (1) and (2).
C2H5OH + H2O → 4H2 + 2CO … (1)
2CO + 2H2O → 2H2 + 2CO2 … (2)
これらの式(1)、式(2)の反応は同時進行するので、これらをまとめて式(3)のように表すこともできる。
C 2 H 5 OH + H 2 O → 4H 2 + 2CO (1)
2CO + 2H 2 O → 2H 2 + 2CO 2 (2)
Since the reactions of these formulas (1) and (2) proceed simultaneously, they can be collectively represented as formula (3).
C2H5OH + 3H2O → 6H2 + 2CO2 … (3)
したがって、本実施形態では、改質反応として主に水蒸気改質反応を用いている。このような水蒸気改質反応を促進する触媒としては、例えば、Al2O3、CeO2、ZrO2、TiO2、SiO2、MgO、ZnO、La2O3等の一種又は化合物の多孔質酸化物担体に、Rh、Ru、Pt、Pd等の貴金属を担持したものが用いられる。貴金属の担寺量について特に制限はないが、担体100重量%に対して0.1〜10重量%の範囲内とすることが好ましい。なお、水蒸気改質反応を比較的低温で行わせる場合には、貴金属に代えてCu系又はNi系の触媒を用いることができる。この実施形態の触媒層24では、CeO2担体にRhの微粉を担持したペレット状の触媒を採用している。
C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2 (3)
Therefore, in this embodiment, a steam reforming reaction is mainly used as the reforming reaction. Examples of the catalyst for promoting such a steam reforming reaction include porous oxidation of one or a compound such as Al 2 O 3 , CeO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 , MgO, ZnO, La 2 O 3, etc. A material carrier carrying a noble metal such as Rh, Ru, Pt, Pd or the like is used. Although there is no restriction | limiting in particular about the amount of temples of noble metal, It is preferable to set it in the range of 0.1 to 10 weight% with respect to 100 weight% of supports. When the steam reforming reaction is performed at a relatively low temperature, a Cu-based or Ni-based catalyst can be used in place of the noble metal. In the
以上説明した触媒層24は、反応管22内の長手方向中間部に保持されている。反応管22は、その長手方向一端部が上記した混合ガスが供給される原料供給口22Aとされ、長手方向他端部が改質ガスを排出する改質ガス排出口22Bとされている。触媒層24にはマイクロ波吸収材が添加されおり、反応管22の外周は断熱材36にて覆われているが、これらについて後述する。
The
また、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、マイクロ波改質装置10の改質部20は、改質反応を生じさせ又は維持するための熱を触媒層24に与えるマイクロ波加熱装置25を備えている。マイクロ波加熱装置25は、マイクロ波を触媒層24に照射することで該触媒層24を加熱する構成とされている。以下、具体的に説明する。
Further, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, the reforming
マイクロ波加熱装置25は、マイクロ波を発生するマイクロ波発信器26を備えている。マイクロ波発信器26としては、マグネトロン又は固体素子発信器が用いられる。マイクロ波周波数としては、0.3GHz乃至30GHz(波長1m乃至0.01m)の範囲内のものが用いられるが、1GHz乃至10GHzの範囲とすることが好ましい。マイクロ波発信器26は、同軸ケーブル28を介して反応器(改質器)として空胴共振器30に接続されている。これにより、マイクロ波加熱装置25では、マイクロ波発信器26が発生したマイクロ波が空胴共振器30内に導入されるようになっている。なお、同軸ケーブル28に代えて、導波管を用いることもできる。
The
空胴共振器30は、例えばアルミニウム、銅、黄銅との材料にて略直方体状(箱状)に形成されており、反応管22における少なくとも触媒層24の配設部位を内蔵している。なお、空胴共振器30に耐熱性が要求される場合には、例えば材質をステンレス鋼としても良い。空胴共振器30は、長手方向の一端30Aに同軸ケーブル28が接続されてマイクロ波が導入されるようになっており、単一モードの共振を生じるようにマイクロ波周波数に対する断面寸法(マイクロ波の進行方向である長手寸法×幅寸法)が決められている。
The
ここで、単一モードの空胴共振器30の共振モード(電磁界モード)は、TE10nモードとされる。図3に示される如く、このTEモードにおける1つ目の添え字「1」は空胴共振器30の幅方向における電界成分(定在波、振動の腹)の数を、2つ目の添え字「0」はマイクロ波進行方向(図3の矢印A参照)を向く電界成分の数を、3つ目の添え字「n」はマイクロ波進行方向(空胴共振器30の長手方向)に沿う電界成分の数を示す。電界強度を高くするためには「n」を3以下とすることが好ましく、この実施形態ではn=3としている。
Here, the resonance mode (electromagnetic field mode) of the single-
空胴共振器30は、例えば、マイクロ波周波数が1GHzの場合に断面寸法が略250mm×125mm、マイクロ波周波数が10GHzの場合に断面寸法が略20mm×10mm程度となる。マイクロ波周波数、空胴共振器30の断面寸法は、改質の用途によって適宜選定されるが、上記の通りエタノールの水蒸気改質を行う本実施形態では、一例として2.45GHzのマイクロ波を発生するマグネトロンがマイクロ波発信器26として採用され、空胴共振器30は、アルミニウムにて断面寸法が略110mm×55mmの直方体状に形成されている。
For example, the
また、図2に示される如く、マイクロ波加熱装置25は、反応管22に混合ガスが供給される状態で空胴共振器30を共振状態にするための調整手段として、マイクロ波の反射率を0に近づけるべくマイクロ波が入射される開口面積を変化させ得るアイリス(可変結合窓)32、及び空胴共振器30の周波数のマイクロ波周波数に対するずれを補正すべく空胴共振器30の長手寸法を変化させ得るプランジャ34とを備えている。アイリス32の開口面積、空胴共振器30の長手寸法(プランジャ34の位置)は、反応管22に供給される改質原料の種類(この実施形態ではエタノール)、及び流量、触媒層24(触媒)の種類や量に応じて適宜調整されるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
ここで、空胴共振器30の共振状態とは、空胴共振器30の周波数がマイクロ波周波数に一致する状態であり、この状態では反射率(反射電力)がほぼ0となる。上記した空胴共振器30の断面寸法は、空胴共振器30内が空の状態において共振を得るように設定されているため、マイクロ波の照射によって反応管22内の触媒層24を加熱する本実施形態では、アイリス32及びプランジャ34によって加熱対象に応じた共振状態に調整しうる構成が採用されている。なお、本実施形態のように、改質原料及び触媒(種類、量)が決まっている場合には、混合ガスの流量に対して共振の調整は敏感でないことを考慮して、改質原料及び触媒種類に合わせて空胴共振器30の共振をとっておき(予め調整された寸法としておき)、アイリス32及びプランジャ34を省略した構成とすることも可能である。
Here, the resonance state of the
そして、反応管22内の触媒層24は、図1に示される如く、共振状態の空胴共振器30内における電界強度Eが最大となる部位(定在波の腹位置)に配置されている。すなわち、上記の通りTE103モードの空胴共振器30における長手方向及び幅方向の各中央部に触媒層24が配置されている。以上により、マイクロ波改質装置10では、触媒層24にマイクロ波のエネルギを集中して照射し該触媒層24を加熱するエネルギ集中型のマイクロ波加熱装置25すなわち改質部20が実現されている。
As shown in FIG. 1, the
また、改質部20は、マイクロ波のエネルギを触媒層24に吸収するために、マイクロ波吸収材を触媒層24に添加している。マイクロ波吸収材としては、誘電損率が大きい材量の粉末又は繊維状のもの、例えば、MnO2、Co2O3、Fe3O4等の粉末又はWC、SiC、若しくはSiC系の複合酸化物粉末や繊維状のものを用いることができる。また、SiC系の複合酸化物としては、Si−C−O、Si−C−Zr−O、Si−C−Ti−O等を挙げることができる。この実施形態では、マイクロ波吸収材として、SiC粉末及びSi−C−Zr−Oの粉末の混合物を、触媒層24に略均一に分散(保持)させている。このマイクロ波吸収材の添加量は、触媒100重量%に対して5〜10重量%の範囲内とした。
In addition, the reforming
さらに、改質部20、マイクロ波加熱装置25は、反応管22の外周を覆う断熱材36を備えており、マイクロ波の照射によって加熱された触媒層24から熱が放出されることを防止するようになっている。断熱材36は、例えばアルミナファイバー等のマイクロ波を透過し易い材料にて構成されている。なお、上記した空胴共振器30の共振の調整には、断熱材36の影響も考慮されている。
Further, the reforming
図1に示される如く、マイクロ波改質装置10は、制御装置38を備えている。制御装置38は、負荷側からの水素(改質ガス)要求量に応じて、燃料供給部12を作動し又は混合液の供給量を制御し、また改質部20を制御するようになっている。すなわち、制御装置38は、負荷側からの水素要求量に応じて、マイクロ波発信器26が発生するマイクロ波電力の出力、アイリス32の開口面積、プランジャ34の位置等を制御するようになっている。なお、アイリス32、プランジャ34を備えない構成においては、これらの制御が必要ないことは言うまでもない。
As shown in FIG. 1, the
以上説明したマイクロ波改質装置10は、例えば、燃料電池、特に自動車の駆動源としての負荷変動の大きい電気モータに電力を供給するための燃料電池に対し水素リッチガスを供給するための水素供給装置として適用される。
The
なお、炭化水素系の燃料を改質(後述する如き水蒸気改質)する場合、水蒸気と燃料ガスとの混合比であるスチーム/カーボン比(以下、S/C比という)は、0.5〜5の範囲とすることが好ましく、特に1〜3の範囲とすることが好ましい。S/C比が0.5よりも小さくなると、触媒層24上に炭素が析出することが問題となり(式(1)参照)、S/C比が5を超えると過剰の水蒸気を必要とし、蒸発器16、改質部20等で多量のエネルギを消費することとなり好ましくない。式(3)から判るように、改質原料としてエタノールを用いる本構成では、S/C比が1.5以上で、改質原料が持つ水素原子量に対し最大の水素ガス(1モルのエタノールに対し6モルの水素ガス)を得ることができる。この実施形態では、改質部20(反応管22)に供給される混合ガスのS/C比が1.5となるように、燃料供給部12におけるエタノールと水との混合比が調節されている。
When reforming hydrocarbon fuel (steam reforming as described later), the steam / carbon ratio (hereinafter referred to as S / C ratio), which is the mixing ratio of steam and fuel gas, is 0.5 to A range of 5 is preferable, and a range of 1 to 3 is particularly preferable. When the S / C ratio is less than 0.5, carbon is deposited on the catalyst layer 24 (see formula (1)), and when the S / C ratio exceeds 5, excess water vapor is required. A large amount of energy is consumed in the
次に、第1の実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
上記構成のマイクロ波改質装置10では、燃料供給部12から蒸発器に16に供給された水とエタノールとの混合液は、該蒸発器16で蒸発して水蒸気とエタノールとの混合ガスとして改質部20の反応管22内に供給される。この混合ガスは、マイクロ波の照射によって加熱されている触媒層24に接触する。すると、エタノールが水蒸気改質されて、水素リッチの改質ガスが生成される。この改質ガスは、燃料電池等の水素消費装置等に送給される。
In the
このとき、マイクロ波加熱装置25では、マイクロ波発信器26が所定周波数のマイクロ波を発振して、このマイクロ波が空胴共振器30に導入されることで該空胴共振器30が共振状態になっている。そして、共振状態の空胴共振器30内における電界強度が最大の部分に配置された触媒層24にマイクロ波のエネルギが集中的に照射され、触媒層24が直接的かつ選択的に加熱され、この熱によって、吸熱反応である上記したエタノールの水蒸気改質が行われる。
At this time, in the
ここで、マイクロ波改質装置10では、触媒層24の加熱にマイクロ波を用いるため、上記の通り触媒層24を内部から直接的かつ選択的に加熱することができる。このため、本マイクロ波改質装置10では、例えば反応管22を介して触媒層24に熱を伝達する構成のように、反応管22の管壁や触媒層前後の空間(ガス)を加熱するためのエネルギを消費することがない。すなわち、マイクロ波を用いることで外部エネルギで加熱すべき対象の熱容量が小さくなり、吸熱反応である水蒸気改質を維持するためのエネルギを低く抑えつつ、高濃度の水素ガスを含む改質ガスを得ることができる。したがって、マイクロ波改質装置10では、炭化水素原料から水素ガスを高効率で生成することができる。これにより、マイクロ波改質装置10では、装置全体として小型、軽量化を図ることができる。
Here, since the
また、マイクロ波改質装置10では、触媒層24にマイクロ波吸収材が添加されているため、マイクロ波が触媒層に効果的に吸収されて、触媒層24が効率的に加熱される。これにより水蒸気改質触媒反応を維持するためのエネルギ効率が一層向上する。
Moreover, in the
さらに、マイクロ波改質装置10では、反応器として空胴共振器30を有するため、マイクロ波のエネルギを触媒層24に集中させることができる。特に、触媒層24が空胴共振器30内における電界強度が最大となる部位に配置されるため、マイクロ波のエネルギを触媒層により一層集中させることができる。これらにより、マイクロ波改質装置10では、触媒層24の加熱時間を著しく短縮することができ、改質部20(改質工程)の始動性や負荷応答性を向上することができる。また、空胴共振器30は、直方体に形成されているため、例えば円筒型の場合と比較して共振状態の調整が容易である。
Furthermore, since the
以下、上記各効果を得るマイクロ波改質装置10による改質実験結果を説明する。
Hereinafter, the result of the reforming experiment by the
図4には、水蒸気改質を行わせる触媒層24をマイクロ波の照射により加熱した際の加熱プロファイルが示されている。この図は、設定(目標)温度を800℃として加熱を行った場合の触媒層24の温度の時間変化を示しており、この温度は放射温度計により測定した。この実験では、触媒層24の温度が設定温度になるように、マイクロ波発信器26のマイクロ波出力を制御した。この図4から、マイクロ波改質装置10では、触媒層24の温度を極めて短時間で設定通りの温度にすること(温度制御)が実現されていることがわかる。
FIG. 4 shows a heating profile when the
具体的には、図4に示す結果を得た実験では、マイクロ波の照射開始直後には、略100℃/秒で触媒層24の温度が上昇し、マイクロ波の照射開始から略7秒後に触媒層の温度が600℃に達し、マイクロ波の照射開始から略25秒で触媒層24の温度が略800℃で安定する結果が得られた。また、触媒層24の温度が600℃のときのマイクロ波の出力は略65W、温度が800℃のときのマイクロ波の出力は略94Wであり、消費電力が小さいことも確かめられた。さらに、図示は省略するが、マイクロ波の出力制御に代えて、プランジャ34の位置制御を行った場合にも、図4と同様の加熱プロファイルを得ることができた。また、800℃以外の設定温度に対しても、短時間で設定通りの加熱を行うことができることが確かめられている。
Specifically, in the experiment that obtained the results shown in FIG. 4, immediately after the start of microwave irradiation, the temperature of the
以上の通り、マイクロ波改質装置10では、触媒層24の温度を、きわめて短時間で正確に目標温度にすることができるため、改質部20の始動性や負荷応答性を著しく向上することができる。
As described above, in the
図5は、触媒層24の温度とエタノールの改質率との関係を示している。エタノールの改質率(転化率)は、改質原料であるエタノールが転化された割合であり、改質ガス中にエタノールが存在しない場合(式(1)が完全に行われた場合)に100%となる。この実験は、エタノール1モルに対し水3モルを混合してS/C比が1.5となる条件で行われた。図5から、触媒層24の温度が比較的低温である400℃からエタノールの改質率がほぼ100%となり、この改質率は、比較的高温である800℃までの各温度で維持されることがわかる。また、改質ガス中の水素ガス濃度は、触媒層24の温度が400℃のときに略45%、触媒層24の温度が800℃のときに略66%の高濃度である結果が得られた。
FIG. 5 shows the relationship between the temperature of the
さらに、マイクロ波改質装置10では、触媒層24の温度が800℃の場合に、水素生成量の理論値(式(3)が完全に行われた場合)に対し略77%という高い水素生成量が得られた。これを水素選択率で表すと、略154%となる。ここで、水素選択率は、エタノール1モル(水素原子数H=6)を改質して得られた水素ガスの割合を示し、上記の通り式(3)を完全に行い得る(水素ガスを構成する水素原子数H=12となり得る)S/C=1.5の場合には、理論値は200%である。本実施形態における水素選択率154%は、エタノール1モルに対し略4.6モル(理論値6モル)の水素ガスが得られることを示す。
Furthermore, in the
以下に、比較例として、G.A Delugna,J.R.Salge,L.D.Schmidt,X.E.Verykios「Renewable Hydrogen from Ethanol by Autothermal Reforming」,SIENCE VOL303 13 February 2004に記載されたエタノールの改質例を示す。この比較例では、改質反応を維持するために外部ヒータを用いており、また触媒として本実施形態と同様のRh−CeO2系の触媒を用いて、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用したオートサーマル法を採用している。さらに、この比較例では、上記改質後にPt−CeO2系の触媒を用いてシフト反応(CO+H2O→CO2+H2)を行い、COを低減して水素生成量を増すようになっている。この比較例では、700℃以上での改質では、本実施形態と同様に100%に近いエタノールの改質率が得られるが、400℃でのエタノール改質率は50%以下であり、低温域での改質率が低い(上記論文のFig3B参照)。これに対して、本実施形態では、図5に示す通り400℃で100%近いエタノール改質率が実現されている。比較例における水素選択率は、オートサーマル法による改質反応のみの場合に、エタノール1モルに対し3.3モルの水素が得られることに相当する最大略110%(同Fig3A参照、理論値は167%)の結果が出ている。また、シフト反応を併用した場合の水素選択率は、最大略130%(エタノール1モルに対し水素3.9モル)とされている。本実施形態の水蒸気改質による水素選択率154%は、比較例のオートサーマルによる改質反応との比較で、水素生成率が略4割向上したことを示している。 As a comparative example, G. A Delagna, J. et al. R. Salge, L.M. D. Schmidt, X.M. E. An example of the modification of ethanol described in Verykios "Renewable Hydrogen from Ethanol by Automatic Thermal Reforming", SIENCE VOL303 13 February 2004 is shown. In this comparative example, an external heater is used to maintain the reforming reaction, and steam reforming and partial oxidation reforming are performed using the same Rh—CeO 2 -based catalyst as in the present embodiment as the catalyst. The combined autothermal method is used. Further, in this comparative example, after the reforming, a shift reaction (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) is performed using a Pt—CeO 2 -based catalyst to reduce CO and increase the amount of hydrogen generated. In this comparative example, in the reforming at 700 ° C. or higher, an ethanol reforming rate close to 100% is obtained as in the present embodiment, but the ethanol reforming rate at 400 ° C. is 50% or less, and the low temperature The reforming rate in the region is low (see FIG. 3B in the above paper). On the other hand, in the present embodiment, an ethanol reforming rate close to 100% is realized at 400 ° C. as shown in FIG. The hydrogen selectivity in the comparative example is about 110% at maximum corresponding to the fact that 3.3 mol of hydrogen is obtained for 1 mol of ethanol in the case of only the reforming reaction by the autothermal method (see FIG. 3A, the theoretical value is 167%). Further, the hydrogen selectivity when the shift reaction is used in combination is about 130% at maximum (3.9 mol of hydrogen per 1 mol of ethanol). The hydrogen selectivity of 154% by steam reforming of this embodiment indicates that the hydrogen production rate has improved by about 40% compared with the reforming reaction by autothermal of the comparative example.
以上により、本実施形態の如く触媒層24の加熱にマイクロ波を用いることで、上記の通りエネルギ効率が高いこと、触媒温度を短時間で設定温度にすることができる(触媒温度の制御応答性が良好である)ことのほか、400℃の低温でエタノールの改質率が略100%となることから改質温度を低下することができることがわかると共に、ヒータによる外部加熱と比較して水素生成率を大幅に向上することができることがわかった。
As described above, by using microwaves for heating the
このように、低温での改質率が高く又は水素生成率が高くなるメカニズムとして、触媒層24は、マクロ的には低温でありながら、ミクロ的には粒子界面等で局所的な高温部が生成されて触媒が活性化されている(ミクロ的に改質反応が促進されている)ことが考えられる。また、マイクロ波によって触媒層24が内部からほぼ均一の温度に加熱されることで、触媒層24の温度分布の生じていない各部において均一かつ高効率の改質反応が生じていることが考えられる。触媒層24に温度分布が生じないので、該触媒層24のシンタリングが生じることも防止される。
As described above, as a mechanism that the reforming rate at a low temperature is high or the hydrogen production rate is high, the
また、マイクロ波改質装置10では、上記の如くエネルギ集中型のマイクロ波照射(出力制御)によって触媒層24の温度の制御応答性が高いため、発熱を伴う酸化反応を用いることなく水蒸気改質反応のみを採用することができる。これにより、改質ガス中の水素濃度を高濃度にすることができ、また窒素(空気)の混入によるアンモニアの生成も防止される。
Further, in the
このように、本実施形態に係るマイクロ波改質装置10、それぞれマイクロ波改質装置10に適用された触媒加熱方法、燃料改質方法では、電気ヒータやバーナに頼ることなく触媒層24内部から選択的に加熱することができる。これにより、エネルギ効率が高く、温度制御性の良好な改質装置、改質工程を得ることができる。特に、マイクロ波の照射によって触媒粒子界面でミクロ的な触媒表面の活性化により改質反応の促進が生じ、外部加熱方式と比較して高濃度かつ高効率に水素ガスを生成することが可能になった。
As described above, in the
なお、上記実施形態では、マイクロ波改質装置10の改質部20で水蒸気改質反応のみが行われる例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、改質部20で部分酸化、オートサーマルによる改質やシフト反応を行わせても良く、また例えば、改質部20で燃料ガスに水素を添加して改質ガソリンなどを得るための改質反応を行わせて良い。
In the above-described embodiment, an example in which only the steam reforming reaction is performed in the reforming
また、上記実施形態では、マイクロ波改質装置10が連続改質処理に適用された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、バッチ処理で反応を行わせる触媒の加熱にマイクロ波を用いるようにしても良い。
Moreover, although the example which applied the
10 マイクロ波改質装置(触媒反応装置)
24 触媒層(触媒、マイクロ波吸収材)
25 マイクロ波加熱装置
30 空胴共振器(反応器)
10 Microwave reformer (catalytic reactor)
24 Catalyst layer (catalyst, microwave absorber)
25
Claims (11)
前記反応器に導入したマイクロ波を前記触媒層に照射することで、前記改質反応を生じさせ又は維持させる設定温度となるように該触媒層を加熱するマイクロ波加熱装置と、
を備えた触媒反応装置。 A catalyst layer configured by mixing a microwave absorber with a catalyst is incorporated , and a reforming gas is generated by bringing the reforming raw material gas and the reforming gas into contact with the catalyst layer. A reactor for,
Irradiating the catalyst layer with microwaves introduced into the reactor, thereby heating the catalyst layer to a set temperature that causes or maintains the reforming reaction ; and
A catalytic reaction apparatus comprising:
前記反応器に導入したマイクロ波を前記触媒層に照射することで、前記改質反応を生じさせ又は維持させる設定温度となるように該触媒層を加熱するマイクロ波加熱装置と、
を備えた触媒反応装置。 Catalyst is mixed microwave absorbing material incorporates a catalyst layer formed, a gas mixture of hydrocarbon fuel and water is supplied, causing a reforming reaction of the mixed gas is brought into contact with the catalyst layer A reactor for obtaining a hydrogen-containing gas,
Irradiating the catalyst layer with microwaves introduced into the reactor, thereby heating the catalyst layer to a set temperature that causes or maintains the reforming reaction ; and
A catalytic reaction apparatus comprising:
マイクロ波吸収材が混合された前記触媒にマイクロ波を照射して該触媒を加熱することで、前記改質反応を生じさせる燃料改質方法。 A fuel reforming method in which a hydrocarbon fuel and water are reacted on a catalyst to reform the hydrocarbon fuel to obtain a hydrogen-containing gas,
A fuel reforming method for causing the reforming reaction by irradiating the catalyst mixed with a microwave absorber with microwaves and heating the catalyst.
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