JP2009292706A - Fuel reforming module and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料改質モジュール及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel reforming module and an operation method thereof.
水素は、石油精製、アンモニア合成、メタノール合成等に使用される化学工業の基幹原料である。また、近年では、水素ガスを燃料とする燃料電池が、エネルギーの利用効率が高く、しかも有害物質を殆ど排出しない点で、省エネルギーや環境保護の観点から注目されている。そのため、水素の需要は年々大きくなっており、このような要求に応えるべく、水素ガスを効率よく製造するための方法が検討されている。 Hydrogen is a key raw material of the chemical industry used for petroleum refining, ammonia synthesis, methanol synthesis and the like. In recent years, a fuel cell using hydrogen gas as a fuel has attracted attention from the viewpoint of energy saving and environmental protection because it has high energy use efficiency and emits almost no harmful substances. Therefore, the demand for hydrogen is increasing year by year, and methods for efficiently producing hydrogen gas are being studied in order to meet such demands.
水素ガスの製造方法の一つとして、燃料である炭化水素(例えば、天然ガス中のメタン)の酸化を部分的に生じさせて水素ガスを発生させる部分酸化改質反応が知られている。この方法は、発熱反応であるためエネルギー効率が良く、起動時間も短いといった利点を有することから、水素ガスの生成に関しては効率の良い方法であると言える。しかし、この部分酸化改質反応においては、高濃度の水素ガスを得るために、純度の高い酸素を用いる必要がある。そのため、高純度の酸素を準備するための複雑な工程が必要であり、またそのためにコストが高くなる等、酸素を準備する段階に改良の余地があった。 As one method for producing hydrogen gas, a partial oxidation reforming reaction in which hydrogen gas is generated by partially oxidizing a hydrocarbon (for example, methane in natural gas) as a fuel is known. Since this method is an exothermic reaction and has the advantages of high energy efficiency and short start-up time, it can be said that it is an efficient method for generating hydrogen gas. However, in this partial oxidation reforming reaction, it is necessary to use high-purity oxygen in order to obtain a high-concentration hydrogen gas. Therefore, a complicated process for preparing high-purity oxygen is necessary, and there is room for improvement in the stage of preparing oxygen, for example, the cost increases.
近年、高純度の酸素を供給する方法としては、酸素透過膜を用いる方法が知られている。酸素透過膜は、酸素を含む混合気(例えば空気)から酸素のみを透過させることができるものであり、この酸素透過膜を用いれば、高純度の酸素を比較的容易に供給することができる。酸素透過膜は、通常、平板状や管状の形態で用いられるが、このうち、平板状のものは、モジュール化する際にセパレータや高温シール材といった他の部材を組み合わせる必要があるため、モジュールの構造が複雑となり易い。一方、管状の酸素透過膜は、例えば、外側に空気、内側に燃料ガスを流すことでそのままモジュールとして用いることができることから、組み合わせる部材が少なくて済み、モジュールの構造を簡略化し易い。 In recent years, a method using an oxygen permeable membrane is known as a method for supplying high-purity oxygen. The oxygen permeable membrane can transmit only oxygen from an air-fuel mixture (for example, air). If this oxygen permeable membrane is used, high-purity oxygen can be supplied relatively easily. The oxygen permeable membrane is usually used in the form of a flat plate or a tube. Of these, the flat plate needs to be combined with other members such as a separator and a high-temperature sealant when modularized. The structure tends to be complicated. On the other hand, since the tubular oxygen permeable membrane can be used as it is as a module by flowing air outside and fuel gas inside, for example, the number of members to be combined is small, and the structure of the module is easy to simplify.
このようなモジュールでは、酸素透過膜によって分離された酸素が炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスと部分酸化改質反応することにより、水素ガス及び一酸化炭素ガスを含有する改質ガスを発生する。改質ガスに含まれる水素ガス及び一酸化炭素ガスは、燃料電池の原料として用いられる。 In such a module, oxygen separated by the oxygen permeable membrane undergoes a partial oxidation reforming reaction with a fuel gas mainly composed of hydrocarbon gas, thereby generating a reformed gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas. To do. Hydrogen gas and carbon monoxide gas contained in the reformed gas are used as fuel cell materials.
ところで、部分酸化改質反応により、改質ガスを効率よく生成させる方法として、酸素透過膜の燃料側に触媒(改質触媒)を配置する技術が知られている。そのような技術を用いた具体的な燃料改質モジュールの構造としては、管状の酸素透過膜と、その管の内側の中空領域に触媒を充填したチューブ型の構造が知られている(例えば、非特許文献1参照)
しかしながら、上記従来技術のように管状の酸素透過膜の内部に触媒を充填した管状の燃料改質モジュールは、長期間使用すると部分酸化改質反応によって副生する炭素が管内部に閉塞し、その結果ガス圧力が上昇して酸素透過膜が破壊し易くなる傾向があることが判明した。酸素透過膜が破壊されると、空気等の酸素含有ガスと燃料ガスとの分離ができなくなり水素製造が困難となるほか、燃料ガスの漏洩につながるおそれがある。 However, the tubular fuel reforming module in which the catalyst is filled in the tubular oxygen permeable membrane as in the above prior art, carbon used as a by-product by the partial oxidation reforming reaction is blocked inside the tube when used for a long period of time. As a result, it was found that the gas pressure tends to increase and the oxygen permeable membrane tends to break. If the oxygen permeable membrane is destroyed, the oxygen-containing gas such as air cannot be separated from the fuel gas, making it difficult to produce hydrogen and possibly leading to fuel gas leakage.
このような問題点を改善すべく、本発明者らは、管状の酸素透過膜の内壁を覆うように触媒層を配置して中心部に中空部を設けることによって、管閉塞に起因する酸素透過膜の破壊を防止することを検討した。このような構造にすることによって、炭素が析出して閉塞することによる圧力上昇を十分に抑制することができ、燃料改質モジュールの運転期間を長くすることが可能となった。 In order to remedy such problems, the present inventors have arranged a catalyst layer so as to cover the inner wall of the tubular oxygen permeable membrane and provided a hollow portion at the center, thereby allowing oxygen permeation due to tube blockage. We investigated the prevention of film breakage. By adopting such a structure, it is possible to sufficiently suppress an increase in pressure due to carbon deposition and blockage, and it is possible to extend the operation period of the fuel reforming module.
ところが、上述のような構造としても、例えば、管状の酸素透過膜を複数並列させた構造とした場合に、燃料改質モジュールごとに炭素の析出状態が異なるため、燃料ガスの流量がバラついて、安定的な運転を継続して行うことが困難となる場合があった。また、さらに長期間継続して運転を行った場合に、酸素透過膜が破壊してしまう場合があった。 However, even if the structure as described above is, for example, a structure in which a plurality of tubular oxygen permeable membranes are arranged in parallel, since the carbon deposition state differs for each fuel reforming module, the flow rate of the fuel gas varies, It may be difficult to continue stable operation. In addition, when the operation is continued for a longer period, the oxygen permeable membrane may be destroyed.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安定運転を長期間継続して行うことが可能な燃料改質モジュール及びその運転方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel reforming module capable of continuously performing stable operation for a long period of time and an operation method thereof.
上記目的を達成するため、本発明では、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質モジュールであって、中空部を有する外管と、中空部に設けられ外管の長手方向に延びる内管と、を備えており、内管は、管状の酸素透過膜と、酸素透過膜で形成され酸素含有ガスの流路となる中空部と、酸素透過膜の外壁の少なくとも一部を覆う触媒層と、を有しており、内管と外管との間に燃料ガス及び改質ガスの流路となる空隙部を有する燃料改質モジュールを提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, a fuel reforming module that generates a reformed gas containing hydrogen gas using a fuel gas and an oxygen-containing gas, the outer tube having a hollow portion, and a hollow portion An inner tube extending in the longitudinal direction of the outer tube, the inner tube comprising a tubular oxygen permeable membrane, a hollow portion formed of the oxygen permeable membrane and serving as a flow path for the oxygen-containing gas, and an oxygen permeable membrane And a catalyst layer that covers at least a part of the outer wall of the fuel, and a fuel reforming module having a gap portion serving as a flow path for the fuel gas and the reformed gas between the inner tube and the outer tube.
このような燃料改質モジュールは、燃料ガスと酸素含有ガスとから部分酸化改質反応等によって水素ガス及び一酸化炭素ガスを生成するために用いた場合、十分に高い部分酸化改質反応の転化率と水素ガス及び一酸化炭素ガスの選択率とを維持しつつ十分に長期間の運転を継続して行うことが可能となる。このような効果が得られる理由としては、以下の点が挙げられる。ただし、理由は以下の点に限定されるものではない。 When such a fuel reforming module is used to generate hydrogen gas and carbon monoxide gas from a fuel gas and an oxygen-containing gas by a partial oxidation reforming reaction or the like, a sufficiently high conversion of the partial oxidation reforming reaction is achieved. It is possible to continue operation for a sufficiently long period while maintaining the rate and the selectivity of hydrogen gas and carbon monoxide gas. The reason why such an effect is obtained is as follows. However, the reason is not limited to the following points.
本発明の燃料改質モジュールは、管状の酸素透過膜の外壁を覆うように触媒層を設けていることから、酸素透過膜で形成される内管の中空部に酸素含有ガスを、内管の外壁と外管の外壁との間に設けられた空隙部に原料の燃料ガス及び生成物である改質ガスを流通させることが可能となる。ここで、部分酸化改質反応は、主に触媒層で進行するが、副反応によって、経時的に触媒層内部やその周囲に炭素析出が発生すると考えられる。従来の管の中空部に触媒層を充填する燃料改質モジュールでは、炭素の析出によって中空部が閉塞し、燃料ガス圧力が上昇して酸素透過膜が破損するため、長期間運転を継続することができなかった。しかしながら、本発明の燃料改質モジュールでは、炭素析出が発生する触媒層を、管状の酸素透過膜の外壁を覆うようにして設けるとともに、内管の外壁と外管の内壁との間に空隙部を設けているため、触媒使用量を低減しつつ燃料ガス及び改質ガスの流路の断面積を十分に大きく維持することができる。このため、炭素析出が進行しても、酸素含有ガス流路におけるガス圧力の経時的な上昇が十分に抑制され、安定運転を長期間継続して行うことが可能となる。 In the fuel reforming module of the present invention, since the catalyst layer is provided so as to cover the outer wall of the tubular oxygen permeable membrane, the oxygen-containing gas is introduced into the hollow portion of the inner tube formed of the oxygen permeable membrane. It becomes possible to circulate the raw material fuel gas and the reformed gas as a product in a gap provided between the outer wall and the outer wall of the outer pipe. Here, the partial oxidation reforming reaction proceeds mainly in the catalyst layer, but it is considered that carbon deposition occurs with time in or around the catalyst layer due to side reactions. In a conventional fuel reforming module that fills the hollow part of a tube with a catalyst layer, the hollow part is blocked by the deposition of carbon, and the fuel gas pressure rises and the oxygen permeable membrane is damaged. I could not. However, in the fuel reforming module of the present invention, a catalyst layer in which carbon deposition occurs is provided so as to cover the outer wall of the tubular oxygen permeable membrane, and a gap is formed between the outer wall of the inner tube and the inner wall of the outer tube. Therefore, the cross-sectional areas of the flow paths of the fuel gas and the reformed gas can be maintained sufficiently large while reducing the amount of catalyst used. For this reason, even if carbon deposition progresses, the time-dependent increase in the gas pressure in the oxygen-containing gas flow path is sufficiently suppressed, and stable operation can be continued for a long period of time.
また、部分酸化改質反応は、燃料ガスを酸素で部分酸化して進行するものであるが、この反応が進行する場合に、管状の酸素透過膜の内側と外側との間に酸素の濃度勾配が発生する。すなわち、酸素透過膜の燃料ガスが供給される面側の方が、酸素濃度が低く、水素ガスや一酸化炭素ガスなどの還元ガス濃度が高くなる。このため、酸素透過膜には、還元ガス濃度が高い面側の方が膨張する還元膨張により、応力が発生すると考えられる。本発明の燃料改質モジュールでは、管状の酸素透過膜の外側の方が還元ガス濃度の高いガスと接触するため、管状の酸素透過膜は内側よりも外側すなわち外周部の方が還元膨張することとなる。このため、管状の酸素透過膜の内側に圧縮応力が発生する。通常、固体電解質材料で構成される酸素透過膜は、引張り応力よりも、圧縮応力に対して、一層大きい強度を有する。したがって、管状の酸素透過膜の外側に引張り応力が発生する従来の燃料改質モジュールよりも、酸化透過膜の割れの発生が十分に抑制されて安定運転を長期間継続して行うことが可能となる。 The partial oxidation reforming reaction proceeds by partially oxidizing the fuel gas with oxygen. When this reaction proceeds, the oxygen concentration gradient between the inner side and the outer side of the tubular oxygen permeable membrane. Occurs. That is, the oxygen permeable membrane on the surface side where the fuel gas is supplied has a lower oxygen concentration and a higher reducing gas concentration such as hydrogen gas or carbon monoxide gas. For this reason, it is considered that stress is generated in the oxygen permeable membrane due to reductive expansion in which the surface side having a higher reducing gas concentration expands. In the fuel reforming module of the present invention, since the outer side of the tubular oxygen permeable membrane is in contact with a gas having a higher reducing gas concentration, the tubular oxygen permeable membrane is reductively expanded on the outer side, that is, on the outer peripheral portion than the inner side. It becomes. For this reason, compressive stress is generated inside the tubular oxygen permeable membrane. Usually, an oxygen permeable membrane made of a solid electrolyte material has a higher strength against compressive stress than tensile stress. Therefore, compared to conventional fuel reforming modules in which tensile stress is generated outside the tubular oxygen permeable membrane, the occurrence of cracks in the oxide permeable membrane is sufficiently suppressed, and stable operation can be continued for a long period of time. Become.
本発明の燃料改質モジュールは、外管の中空部に複数の内管を備えており、複数の内管同士の間に燃料ガス及び改質ガスの流路となる空隙部を有することが好ましい。このように一本の外管の中空部に複数の内管を備えることによって、効率よく改質ガスを製造することが可能となる。また、内管同士の間にも燃料ガス及び改質ガスの流路となる空隙部を有しているため、燃料ガス及び改質ガスの流路の断面積を十分に大きく維持することができる。このため、炭素析出が進行しても、酸素含有ガス流路におけるガス圧力の経時的な上昇が十分に抑制され、安定運転を長期間継続して行うことが可能となる。 The fuel reforming module of the present invention preferably includes a plurality of inner pipes in the hollow portion of the outer pipe, and has a gap portion serving as a flow path for the fuel gas and the reformed gas between the plurality of inner pipes. . Thus, by providing a plurality of inner pipes in the hollow part of one outer pipe, it becomes possible to produce reformed gas efficiently. In addition, since the gap between the inner pipes serves as a flow path for the fuel gas and the reformed gas, the cross-sectional area of the flow path for the fuel gas and the reformed gas can be maintained sufficiently large. . For this reason, even if carbon deposition progresses, the time-dependent increase in the gas pressure in the oxygen-containing gas flow path is sufficiently suppressed, and stable operation can be continued for a long period of time.
本発明の燃料改質モジュールの触媒層は、セラミックペーパーと該セラミックペーパーに担持されている触媒とを有することが好ましい。これによって、高価な触媒の量を十分に低減しつつ、酸素、燃料ガス及び触媒を効率よく接触させることが可能となる。したがって、部分酸化改質反応の転化率と水素ガス及び一酸化炭素ガスの選択率とを十分に高くすることができる。 The catalyst layer of the fuel reforming module of the present invention preferably has ceramic paper and a catalyst supported on the ceramic paper. This makes it possible to efficiently bring oxygen, fuel gas, and catalyst into contact with each other while sufficiently reducing the amount of expensive catalyst. Therefore, the conversion rate of the partial oxidation reforming reaction and the selectivity of hydrogen gas and carbon monoxide gas can be sufficiently increased.
また、本発明では、管状の酸素透過膜を有する内管の中空部に酸素含有ガスを供給し、該酸素含有ガスに含まれる酸素の少なくとも一部が前記酸素透過膜の内部を拡散する工程と、酸素透過膜の外壁の少なくとも一部を覆う触媒層において、酸素透過膜の内部を拡散した酸素と、内管と該内管の周囲に設けられる外管との間の空隙部に供給される燃料ガスと、を部分酸化改質反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する工程と、を有する燃料改質モジュールの運転方法を提供する。 Further, in the present invention, a step of supplying an oxygen-containing gas to a hollow portion of an inner tube having a tubular oxygen permeable membrane, and at least a part of oxygen contained in the oxygen-containing gas diffuses inside the oxygen permeable membrane; In the catalyst layer covering at least a part of the outer wall of the oxygen permeable membrane, the oxygen diffused inside the oxygen permeable membrane is supplied to the gap between the inner tube and the outer tube provided around the inner tube. A method for operating a fuel reforming module is provided that includes a step of subjecting a fuel gas to a partial oxidation reforming reaction to generate a reformed gas containing hydrogen gas.
この運転方法により、燃料ガス流路側の経時的なガス圧力上昇を十分抑制するとともに酸素透過膜の還元膨張に伴う応力による破壊を十分抑制することができる。したがって、燃料改質モジュールの安定運転を長期間継続して行うことが可能となる。 By this operation method, it is possible to sufficiently suppress the gas pressure increase with time on the fuel gas flow path side and sufficiently suppress the breakage due to the stress accompanying the reduction expansion of the oxygen permeable membrane. Therefore, stable operation of the fuel reforming module can be continuously performed for a long time.
本発明の燃料改質モジュールの運転方法における触媒層は、セラミックペーパーとセラミックペーパーに担持されている触媒とを有しており、触媒において酸素と燃料ガスとを部分酸化改質反応させることが好ましい。 The catalyst layer in the operation method of the fuel reforming module of the present invention includes ceramic paper and a catalyst supported on the ceramic paper, and it is preferable that oxygen and fuel gas undergo partial oxidation reforming reaction in the catalyst. .
これによって、高価な触媒の量を十分に低減しつつ、酸素、燃料ガス及び触媒を効率よく接触させることが可能となる。したがって、部分酸化改質反応の転化率と水素ガス及び一酸化炭素の選択率とを十分に高くして運転することが可能となる。 This makes it possible to efficiently bring oxygen, fuel gas, and catalyst into contact with each other while sufficiently reducing the amount of expensive catalyst. Therefore, it becomes possible to operate with a sufficiently high conversion rate of the partial oxidation reforming reaction and selectivity of hydrogen gas and carbon monoxide.
本発明によれば、安定運転を長期間継続して行うことが可能な燃料改質モジュール及びその運転方法を提供することができる。本発明の燃料改質モジュールを用いることによって、十分に高い部分酸化改質反応の転化率と水素ガス及び一酸化炭素ガスの選択率とを実現する運転を長期間安定して継続することが可能となり、効率的に水素ガスを含む改質ガスを発生させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel reforming module which can perform a stable driving | operation continuously for a long period of time, and its operating method can be provided. By using the fuel reforming module of the present invention, it is possible to stably continue the operation for realizing a sufficiently high partial oxidation reforming reaction conversion rate and hydrogen gas and carbon monoxide gas selectivity over a long period of time. Thus, the reformed gas containing hydrogen gas can be generated efficiently.
以下、本発明の好適な実施形態について、場合により図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明は場合により省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted depending on the case.
(第1実施形態)
図1は、本発明の燃料改質モジュールの第1実施形態を模式的に示す軸方向断面図である。図2は、図1に示す燃料改質モジュールのII−II線に沿う断面構造を模式的に示す径方向断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is an axial sectional view schematically showing a first embodiment of a fuel reforming module of the present invention. FIG. 2 is a radial cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure taken along the line II-II of the fuel reforming module shown in FIG.
図1、2に示すように、燃料改質モジュール10は、管状の外管30と外管30の中空部に設けられる1本の内管20とを備える。すなわち、燃料改質モジュール10は、内管20と該内管20の周囲に設けられる外管30とからなる二重管構造を備える。内管20の外壁と外管30の外壁とは対向するように設けられており、内管20が外管30の内部に挿入された構造となっている。内管20は、管状の酸素透過膜2及びこの酸素透過膜2の外壁の少なくとも一部を覆うように形成された触媒層4を有する。内管20は、その長手方向に貫通する中空部6を有しており、内管20及び外管30は、全体としてチューブ型の構造を有している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料改質モジュール10における酸素透過膜2は、酸素イオン及び電子を伝導できる伝導体であり、その材質としては、単相型のペロブスカイト型構造酸化物や、酸素イオン伝導体と電子伝導体との混合組成から構成される複合体型の混合導電体が挙げられる。これらのうち、後者の複合体型混合導電体が、酸素イオン伝導体と電子伝導体を個々に選択して構成し得るため、材料選択の幅が広く、混合導電性を容易に制御することもできることから好ましい。好適な複合体型混合導電体の一例としては、酸素イオン伝導体としてCeO2−Sm2O3を有し、電子伝導体としてMnFe2O4を有する混合導電体が挙げられる。
The oxygen
酸素透過膜2の厚さは、100〜500μmであると好ましく、150〜250μmであるとより好ましい。酸素透過膜2がこのような厚さを有することで、十分な酸素透過性と十分な強度とを両立させることができる。この厚さが薄い場合、高い酸素透過性が得られるが、薄すぎると酸素透過膜2の成形が困難となるほか、強度も不十分となって十分なガス流量を確保することが困難となる傾向にある。一方、厚すぎると、酸素透過性が十分に得られなくなる場合があるほか、還元膨張に伴って発生する圧縮応力が過大となり、長期間使用によって酸素透過膜2の破壊が生じ易くなるおそれがある。
The thickness of the oxygen
酸素透過膜2が多孔質支持膜である場合、酸素透過膜2の厚さは1〜100μmであると好ましく、10〜50μmであるとより好ましい、多孔質支持膜は強度が高いため、他の材質に比べて薄層化することが容易である。このように薄層化することによって、高い酸素透過特性を得ることができる。
When the oxygen
触媒層4は、酸素透過膜2の外壁面に密着するように形成されており、酸素透過膜2と触媒層4とは一体的に形成されている。
The
触媒層4の態様は、特に限定されず、無機化合物からなる担体の表面に触媒が付着した態様や、多孔性を有する担体の孔内に付着した態様等が挙げられる。触媒層4としては、十分な転化率及び水素ガスの選択率を向上させる観点、及び管状の燃料改質モジュール10形成の容易性の観点から、担体としてセラミックペーパーを用い、該セラミックペーパーに触媒を付着させた構成とすることが好ましい。ただし、このような構成に限定されるものではなく、例えば、担体を用いずに酸素透過膜2の外壁面に触媒を直接付着させて触媒層4を形成してもよい。
The aspect of the
触媒層4を構成するセラミックペーパーとしては、マクロ多孔性の支持層上に、メソ多孔性の担体層が形成された積層構造を有するものが挙げられる。支持層としては、ハニカム状の支持層が好ましく、例えば、セラミックファイバーから構成されるものが好適である。その空隙率は、5〜95%であると好ましく、30〜90%であるとより好ましい。
Examples of the ceramic paper constituting the
担体層としては、例えば、メソ多孔性のアルミナ、シリカ、セリア、ジルコニア、チタニア等の無機酸化物や、これらを組み合わせた複合酸化物からなるものが挙げられる。なかでも、担体層は、メソ多孔性のシリカから構成されると、部分酸化改質反応による炭素の析出を低減できる傾向にある。担体層の好適な表面積は、好ましくは5〜1000m2/gであり、より好ましくは50〜500m2/gである。 Examples of the support layer include inorganic oxides such as mesoporous alumina, silica, ceria, zirconia, and titania, and composite oxides combining these. Among these, when the support layer is made of mesoporous silica, the carbon deposition due to the partial oxidation reforming reaction tends to be reduced. The suitable surface area of the carrier layer is preferably 5 to 1000 m 2 / g, more preferably 50 to 500 m 2 / g.
触媒層4に含まれる触媒としては、部分酸化改質反応を促進し得る金属等であれば特に制限無く用いることができる。例えば、Niを主成分とし、これをRu、Rh、Pt、Ir、Pd等の貴金属で修飾したものが挙げられる。
The catalyst contained in the
なかでも、触媒としては、主としてNiから構成され、副成分としてRu、Ir及びPdのうちの少なくとも1種の貴金属を含有するものが好適である。このような触媒は、部分酸化改質反応における炭素を析出させる副反応を良好に抑制することができる。なお、副成分である貴金属としては、Ru、Ir及びPdのうちの2種以上を組み合わせてもよい。 Among these, a catalyst mainly composed of Ni and containing at least one noble metal of Ru, Ir and Pd as a subcomponent is suitable. Such a catalyst can satisfactorily suppress a side reaction that precipitates carbon in the partial oxidation reforming reaction. In addition, as a noble metal which is a subcomponent, you may combine 2 or more types among Ru, Ir, and Pd.
このような好適な触媒において、主成分であるNiの含有量は、触媒全体に対して0.1〜90質量%であることが好ましく、1〜30質量%であることがより好ましく、5〜15質量%であることが更に好ましい。また、貴金属(Ru、Ir又はPd)の含有量は、触媒全体に対して0.01〜10質量%であることが好ましく、0.1〜5質量%であることがより好ましい。貴金属の含有量が0.01質量%未満であると、Niによる部分酸化改質反応の触媒効果が十分に促進されなくなるおそれがある。一方、10質量%を超える場合、高価な貴金属を多く含むため、コストが増大してしまう傾向にある。 In such a suitable catalyst, the content of Ni as a main component is preferably 0.1 to 90% by mass, more preferably 1 to 30% by mass with respect to the entire catalyst, More preferably, it is 15 mass%. Moreover, it is preferable that it is 0.01-10 mass% with respect to the whole catalyst, and, as for content of a noble metal (Ru, Ir, or Pd), it is more preferable that it is 0.1-5 mass%. If the noble metal content is less than 0.01% by mass, the catalytic effect of the partial oxidation reforming reaction by Ni may not be sufficiently promoted. On the other hand, when it exceeds 10 mass%, since it contains many expensive noble metals, it exists in the tendency for cost to increase.
触媒を構成する金属は、金属種ごとに別々に存在していることが好ましく、合金等を構成していないことが好ましい。また、これらの各金属は、金属単体で含まれていることが好ましいが、一部が金属塩等の化合物の状態で含まれていてもよい。さらに、これらの金属は、例えば、それぞれ粒子状の形態で上述した担体に付着することができる。この場合、例えば、Niの粒子径は、5〜50nm程度であると好ましく、その他の貴金属の粒子径は1〜10nm程度であるとより好ましい。 It is preferable that the metal which comprises a catalyst exists separately for every metal seed | species, and it is preferable not to comprise the alloy etc. Further, each of these metals is preferably contained as a single metal, but a part thereof may be contained in the form of a compound such as a metal salt. Further, these metals can be attached to the above-mentioned carrier, for example, in the form of particles. In this case, for example, the particle diameter of Ni is preferably about 5 to 50 nm, and the particle diameter of other noble metals is more preferably about 1 to 10 nm.
触媒層4は、上記の触媒に加え、Ce、LaまたはPr等の助触媒として機能する成分を更に含有していてもよい。これにより、触媒による部分酸化改質反応の促進効果が一層高められる傾向にある。なかでも、助触媒としてはセリウム酸化物(具体的にはCe2O3)を含有することが好ましい。触媒に加えてセリウム酸化物を更に含有することで、部分酸化反応の際の炭素析出を更に低減できるという効果も得られる。
The
触媒層4の厚さは、酸素透過膜2の1/1000〜30倍程度であると好ましく、1/100〜20倍程度であるとより好ましい。酸素透過膜2に対して触媒層4が薄すぎると、この触媒層4による部分酸化改質反応の促進効果が十分に発揮されなくなるおそれがある。一方、酸素透過膜2に比して厚すぎても、副反応が生じる割合が増え、部分酸化改質反応における水素ガスの選択性が低くなるおそれがある。
The thickness of the
内管20の外径は、1〜6.5mmであると好ましく、2〜4mmであるとより好ましい。この外径が1mm未満であると、内管20の内部の中空領域が狭くなり、内部に導入される酸素含有ガスによる内圧が過度に高くなって、酸素透過膜2にかかる負担が大きくなる傾向にある。また、管状の酸素透過膜を成形することが困難となるといった製造上の不都合も生じ易い傾向にある。一方、外径が6.5mmを超えると、体積あたりの酸素透過量が低下するため、酸素透過の効率が低くなる傾向にある。また、燃料改質モジュール10の小型化を十分に図れなくなるおそれもある。
The outer diameter of the
外管30は、内管20の外側に設けられ、燃料ガス及び部分酸化改質反応によって生成した改質ガスを外部雰囲気と遮断する機能を有するものである。外管30の材質は、燃料ガスや改質ガスを大量に透過させないものであれば特に限定されない。具体的には、市販のガラス製、セラミックス製または金属製のものが用いられ、製造コストや安全性の観点から、金属性のものが好ましく用いられる。
The
燃料改質モジュール10は、外管30の内壁と内管20の外壁との間の領域に、内管20の外周部を取り囲むようにして、燃料ガス及び/又は改質ガスの流路となる空隙部8を有する。燃料改質モジュール10は、空隙部8を有することにより、運転中に炭素析出により触媒層4が多少閉塞しても、ガス圧力の上昇を十分に抑制することができる。このため、長期間、安定運転を継続して行うことが可能となる。
The
空隙部8の径方向の厚さは、1mm以上であることが好ましい。当該厚さが1mm未満の場合、長期間運転を継続して行った場合に、ガス圧力の上昇を十分に抑制することが困難になる傾向がある。
The thickness of the
外管30の外径は、特に限定されず、例えば内管のサイズに応じて適宜設定することができる。
The outer diameter of the
上述したような構成を有する触媒改質モジュール10においては、燃料ガス導入部16から、内管20の外壁と外管20の内壁との間に設けられた空隙部8に燃料ガスが導入されるとともに、酸素含有ガス導入部12から、内管20の内部の中空部6に酸素を含むガス(酸素含有ガス)が供給される。
In the
燃料ガスとしては、例えば、天然ガス、LPGガス、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油等の炭化水素系燃料や、メタノール、エタノール等のアルコール系燃料、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル系燃料等のガスが挙げられる。酸素含有ガスとしては、空気や酸素が好ましい。以下、燃料ガスとしてメタンガス(図中CH4)を、酸素含有ガスとして空気(図中Air)を用いた場合の燃料改質モジュール10の運転方法を以下に説明する。
Examples of the fuel gas include hydrocarbon fuels such as natural gas, LPG gas, naphtha, gasoline, kerosene, and light oil, alcohol fuels such as methanol and ethanol, and ether fuels such as dimethyl ether and diethyl ether. Can be mentioned. As the oxygen-containing gas, air or oxygen is preferable. Hereinafter, the operation method of the
燃料改質モジュール10の運転方法は、管状の酸素透過膜2を有する内管20の中空部6に空気を供給し、空気に含まれる酸素の少なくとも一部が酸素透過膜2内を内側から外側に向かって拡散する第1工程と、酸素透過膜2の外壁を覆う触媒層4において、酸素透過膜2内を拡散した酸素と、内管20と内管20の周囲に設けられる外管30との間の空隙部8に供給される燃料ガスと、を部分酸化改質反応させて水素ガス及び一酸化炭素ガスを含有する改質ガスを生成する第2工程とを有する。
The
第1工程では、導入部12から中空部6に空気を導入し、導入部16から空隙部8にメタンガスを導入する。内管20(酸素透過膜2)の内外に流通するガス中の酸素濃度の相違により、中空部6の空気から酸素のみが酸素透過膜2中を拡散して酸素透過膜2の外壁面に供給される。
In the first step, air is introduced from the
第2工程では、酸素透過膜2の外壁面に供給された酸素が、空隙部8に供給されたメタンガスと接触する。そして、触媒層4と酸素透過膜2との界面において、メタンガスと酸素とが部分酸化改質反応(下記式(1))して、一酸化炭素ガスと水素ガスとを含む改質ガスを生成する。
CH4+1/2O2→CO+2H2・・・(1)
In the second step, oxygen supplied to the outer wall surface of the oxygen
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 (1)
第2工程では、用いる触媒の種類や触媒の温度によって、下記化学式(2)で表されるようなメタンと酸素との完全酸化反応が生じる。そして、この場合、完全酸化反応により生じた水及び二酸化炭素が、更に下記化学式(3)及び(4)で表されるようなメタンとの反応(改質反応)を生じて、水素と一酸化炭素とを生成する。つまり、この場合、全体として部分酸化改質反応が生じることになる。
CH4+2O2→2H2O+CO2・・・(2)
CH4+H2O→3H2+CO・・・・(3)
CH4+CO2→2H2+2CO・・・(4)
In the second step, a complete oxidation reaction between methane and oxygen as represented by the following chemical formula (2) occurs depending on the type of catalyst used and the temperature of the catalyst. In this case, the water and carbon dioxide generated by the complete oxidation reaction further undergo a reaction (reforming reaction) with methane as represented by the following chemical formulas (3) and (4), and hydrogen and monoxide To produce carbon. That is, in this case, the partial oxidation reforming reaction occurs as a whole.
CH 4 + 2O 2 → 2H 2 O + CO 2 (2)
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (3)
CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO (4)
上記(1)〜(4)の反応以外にも、不均化反応などの副反応が発生し、触媒層内部及び触媒層付近に炭素が析出する場合がある。燃料改質モジュール10は、触媒層4を有する内管20と外管30との間に空隙部8を有しているため、燃料ガス及び改質ガスの流通が殆ど妨げられず、ガス圧力の上昇を十分に抑制することができる。また、上述の部分酸化改質反応や改質反応は、主に触媒層4と酸素透過膜2との界面付近で発生することから、運転期間中において、部分酸化改質反応による転化率や水素ガス及び一酸化炭素の選択率を、高水準に維持することができる。したがって、長期間に亘って安定的に燃料改質モジュール10の運転を継続して行うことが可能となる。さらに、触媒層4を酸素透過膜2の外壁上にのみ配置していることから、触媒の有効利用が可能となり、例えば内管20の外壁と外管30の内壁との間の領域全体に触媒を充填する場合に比べて、触媒の使用量を十分に低減することができる。
In addition to the reactions (1) to (4), a side reaction such as a disproportionation reaction may occur, and carbon may precipitate in the catalyst layer and in the vicinity of the catalyst layer. Since the
燃料改質モジュール10によって生成した水素ガスを含む改質ガスは、未反応のメタンガスとともに、燃料改質モジュールの混合ガス排出部18から外部に排出される。そして、この燃料改質モジュール10の下流側に設けられたガス分離装置等(図示せず)により、水素ガス及び一酸化炭素ガスを、メタンガス、二酸化炭素ガスなどと分離することで、燃料電池等に利用される水素ガス及び一酸化炭素ガスを効率よく製造することができる。
The reformed gas containing hydrogen gas generated by the
次に、上述した構成を有する燃料改質モジュール10の好適な製造方法について説明する。まず、管状の形状を有する酸素透過膜2は、プレス成形、押出し成形、射出成形等によって形成することができる。なかでも、厚さ等が均一で均質な膜が得られることから、押出し成形が好ましい。
Next, a preferred method for manufacturing the
押出し成形による場合、例えば、まず、酸素透過膜を構成する材料(例えば、酸素イオン導電体や電子伝導体)の粉体を、有機バインダーや有機溶媒と混合して分散させた後、これを押出し成形機を用いて管状に押出し、グリーンチューブを得る。このようにして得られたグリーンチューブを、ある程度の温度で熱処理して、これに含まれる有機バインダーや有機溶媒を除去した後、1000〜1600℃程度で焼成することにより、管状の形状を有する酸素透過膜2が得られる。
In the case of extrusion molding, for example, first, powder of a material constituting the oxygen permeable membrane (for example, oxygen ion conductor or electronic conductor) is mixed with an organic binder or organic solvent and dispersed, and then extruded. Extrusion into a tube using a molding machine to obtain a green tube. The green tube thus obtained is heat-treated at a certain temperature to remove the organic binder and organic solvent contained therein, and then baked at about 1000 to 1600 ° C. to thereby form an oxygen having a tubular shape. A
触媒層4の形成においては、まず、触媒層4を形成するための触媒シートを準備する。触媒層4として、上述したような担体に触媒が付着した構成を有するものを用いる場合、触媒シートとしては、シート状の担体であるセラミックペーパーに触媒が付着した構成を有するものが挙げられる。このような触媒シートは、含浸法、スラリー法、スプレー法、塗布法、固相混合法等によって得ることができる。なかでも、含浸法は、セラミックペーパーへの均一な触媒の分散が可能であり、その担持量の調整も容易であることから好ましい。
In forming the
含浸法により担体にNiを付着させる場合、例えば、Niの原料として硝酸塩、塩酸塩、酢酸塩等を用い、これらのNiの塩を含む溶液を担体に含浸させた後、アンモニア蒸気等により原料を水酸化し、更に熱分解や水素還元を行うことによって高活性な金属Niに変化させる。これにより、担体にNiが担持された触媒シートが得られる。また、上述したようにNiを貴金属により修飾したり、更に助触媒を用いたりする場合は、これらの貴金属や助触媒も、Niと同様に含浸法によって担体に担持させることが好ましい。 When Ni is attached to the support by the impregnation method, for example, nitrates, hydrochlorides, acetates, etc. are used as Ni raw materials, and after impregnating the support with a solution containing these Ni salts, the raw materials are added by ammonia vapor or the like. It is converted into highly active metallic Ni by hydroxylation and further by thermal decomposition and hydrogen reduction. Thereby, a catalyst sheet in which Ni is supported on the carrier is obtained. Further, when Ni is modified with a noble metal as described above, or when a cocatalyst is used, it is preferable that these noble metal and cocatalyst are also supported on the support by an impregnation method in the same manner as Ni.
このようにして触媒シートを準備したら、この触媒シートを用いて管状の酸素透過膜2の外壁面上に触媒層4を形成する。具体的には、触媒シートを酸素透過膜2からなる管の外径に合わせて切断し、これを管の外壁面上に配置することにより、管状の酸素透過膜2の外壁を覆う触媒層4を形成することができる。なお、所望の厚さの触媒層4を形成するためには、酸素透過膜2の外壁面上に、触媒シートを複数重ねてもよい。酸素透過膜2の外側の壁面を覆うように触媒層4を形成する本実施形態の製造方法は、管状の酸素透過膜2の内側に触媒層を形成する場合に比べて、燃料改質モジュールを極めて容易に製造することが可能となる。
When the catalyst sheet is thus prepared, the
管状の酸素透過膜2の外壁面上に触媒シートを配置することで、酸素透過膜2及び触媒層4を備える内管20が形成される。そして、形成した内管20のサイズに応じて、外管30を準備する。外管30としては、市販の石英ガラス管を用いることができる。外管30の内部に、所定の隙間(空隙部8)を有するようにして、内管20を配置する。これによって、燃料改質モジュール10が得られる。
By arranging the catalyst sheet on the outer wall surface of the tubular oxygen
なお、燃料改質モジュール10を複数並列に並べて、二重管構造を複数有する燃料改質モジュールとしてもよい。これによって、水素ガスを含む改質ガスを効率的に製造することが可能となる。
Note that a plurality of
以上のとおり、燃料改質モジュール10は、燃料改質モジュール10が軸方向に中空である内管20と該内管20の外周部に沿って所定の隙間を有するように設けられる外管30とを有する二重管構造を有する。このため、燃料改質モジュール10内の燃料ガス及び酸素含有ガスの流通が十分に確保されるともに、触媒層を充填する構造に比べて触媒使用量を低減することができる。また、仮に部分酸化改質反応を長期間行うことにより炭素析出が生じ、触媒層4に詰まりが生じたとしても、それに起因する燃料ガスの圧力の増大は殆ど生じず、これによる酸素透過膜2の破壊は極めて生じ難くなる。また、燃料改質モジュール10を複数並列して用いた場合にも、各燃料改質モジュール10間の流量のばらつきを十分に抑制することができるため、部分酸化改質反応の転化率や水素ガス及び一酸化炭素ガスの選択率を十分に高く維持して運転を継続することが可能となる。
As described above, the
燃料改質モジュール10は、酸素透過膜2の外側に燃料ガスを、内管20の内側に酸素含有ガスを流通させて運転を行うものであることから、酸素透過膜2の還元膨張によって、酸素透過膜2には圧縮応力が発生することとなり、引張り応力が生じる従来の構造に比べて、酸素透過膜2の破壊を十分に抑制することができる。その結果、極めて耐久性に優れた燃料改質モジュールとすることができる。
Since the
(第2実施形態)
図3は、本発明の燃料改質モジュールの第2実施形態を模式的に示す径方向断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a radial cross-sectional view schematically showing a second embodiment of the fuel reforming module of the present invention.
図3に示すように、燃料改質モジュール50は、管状の外管32と外管32の中空部に設けられ、外管32の長手方向に延びる4本の内管20とから構成される。すなわち、4本の内管20が外管32の中空部に挿入された構造となっている。内管20は、それぞれ管状の酸素透過膜2及びこの酸素透過膜2の外壁の少なくとも一部を覆うように形成された触媒層4を有する。内管20は、その長手方向に貫通する中空部6を有しており、内管20及び外管32は、全体としてチューブ型の構造を有している。
As shown in FIG. 3, the
本実施形態の燃料改質モジュール50は、外管32の中空部に4本の内管20が設けられている点で、外管30の中空部に1本の内管20が設けられている第1実施形態の燃料改質モジュール10と相違する。燃料改質モジュール50の外管32並びに内管20を構成する酸素透過膜2及び触媒層4の材質及び形成方法は、第1実施形態と同様である。
In the
燃料改質モジュール50は、内管20の外壁と該外壁に対向する外管32の内壁との間及び内管20同士の間に燃料ガス及び改質ガスの流路となる空隙部8を有している。これによって、燃料ガス及び改質ガスの流路の断面積を十分に大きくすることができる。また、燃料ガスを内管20の外壁に効率よく接触させることが可能となり、また、長期間、安定運転を継続して行うことが可能となる。
The
燃料改質モジュール50は、1本の外管32の内部に4本の内管20を備えているため、燃料改質モジュール10に比べて改質ガスの発生量を増加させることができる。このため、燃料改質モジュール全体のサイズをコンパクトにすることができる。外管32の中空部に設けられる内管20の本数は特に限定されず、5本以上の内管を設けることも可能である。ただし、内管の本数を増やしすぎると、空隙部8、すなわち燃料ガス及び改質ガスの流路の断面積が小さくなって、運転中に空隙部8におけるガス圧力が上昇しやすくなる傾向がある。
Since the
内管は、内管同士が互いに接触しないように配置されることが好ましく、外管の中空部に内管同士の間隔及び内管と外管との間隔を同一にすることがより好ましい。これによって、炭素の析出による閉塞を十分に抑制しつつ部分改質酸化反応を効率的に進行させることが可能となる。 The inner pipes are preferably arranged so that the inner pipes do not come into contact with each other, and it is more preferable that the distance between the inner pipes and the distance between the inner pipe and the outer pipe be the same in the hollow portion of the outer pipe. This makes it possible to efficiently advance the partial reforming oxidation reaction while sufficiently suppressing clogging due to carbon deposition.
内管20の外径は、1〜6.5mmであると好ましく、2〜4mmであるとより好ましい。この外径が1mm未満であると、内管20の内部の中空領域が狭くなり、内部に導入される酸素含有ガスによる内圧が過度に高くなって、酸素透過膜2にかかる負担が大きくなる傾向にある。また、管状の酸素透過膜を成形することが困難となるといった製造上の不都合も生じ易い傾向にある。一方、外径が6.5mmを超えると、体積あたりの酸素透過量が低下するため、酸素透過の効率が低くなる傾向にある。また、燃料改質モジュール50の小型化を十分に図れなくなるおそれもある。
The outer diameter of the
外管32は、上記第1実施形態の外管30と同様の機能を有するものであり、外管30と同様の材質とすることができる。外管30の外径は、特に限定されず、内管のサイズや本数によって適宜設定することができる。
The
上述したような構成を有する触媒改質モジュール50は、第1実施形態の燃料改質モジュール10と同様にして、燃料ガス導入部から、空隙部8に燃料ガスが導入されるとともに、酸素含有ガス導入部から内管20の内部の中空部6に酸素を含むガス(酸素含有ガス)が供給される。そして、燃料改質モジュール10と同様にして運転を行って改質ガスを生成することができる。
The
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記各実施形態においては、燃料改質モジュールは、どちらもその断面が円形のものを例示したが、内管の内部の中空部分及び内管と外管との間の空隙部が設けられるような構造であれば、その断面形状は特に限定されるものではない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in each of the above-described embodiments, the fuel reforming modules are exemplified by those having a circular cross section, but a hollow portion inside the inner tube and a gap between the inner tube and the outer tube are provided. If it is such a structure, the cross-sectional shape will not be specifically limited.
以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example at all.
[触媒シートの作製]
(酸素透過膜チューブの作製)
Ce0.85Sm0.15O2の酸素イオン伝導体の粉体と、MnFe2O4の電子伝導体の粉体の混合粉を調製した。この混合粉を有機バインダー及び有機溶媒に分散させた後、押し出し成形法により管状に成形してグリーンチューブを得た。このグリーンチューブを空気中で熱処理して有機バインダー及び有機溶媒を除去したのち、更に1000−1600℃で焼成して、外径3.0mm、内径2.6mm及び厚み200μmの管状の形状を有する酸素透過膜からなる酸素透過膜チューブを得た。
[Production of catalyst sheet]
(Production of oxygen permeable membrane tube)
A mixed powder of an oxygen ion conductor powder of Ce 0.85 Sm 0.15 O 2 and an electron conductor powder of MnFe 2 O 4 was prepared. This mixed powder was dispersed in an organic binder and an organic solvent, and then formed into a tubular shape by an extrusion method to obtain a green tube. This green tube is heat-treated in air to remove the organic binder and organic solvent, and then fired at 1000-1600 ° C. to form an oxygen tube having an outer diameter of 3.0 mm, an inner diameter of 2.6 mm, and a thickness of 200 μm. An oxygen permeable membrane tube made of a permeable membrane was obtained.
(触媒シート1の作製)
厚さ0.5mmのシート状のセラミックファイバー(株式会社ITM製、ペーパー320、空隙率約80%)を、550℃、空気中で焼成することによって、これに含まれる有機バインダーを除去した。次に、これにコロイダルシリカ(30質量%SiO2含有、触媒化成工業株式会社製)を含浸させ、アンモニア処理、乾燥及び焼成を行った。これにより、セラミックファイバーからなるマクロ多孔性触媒支持体上に、担体層であるメソ多孔性シリカ担体(20質量%)がコートされた担体を得た。
(Preparation of catalyst sheet 1)
The organic binder contained therein was removed by firing a sheet-like ceramic fiber having a thickness of 0.5 mm (made by ITM Co., Ltd., paper 320, porosity of about 80%) at 550 ° C. in the air. Next, this was impregnated with colloidal silica (containing 30% by mass of SiO 2 , produced by Catalyst Chemical Industry Co., Ltd.), and ammonia treatment, drying and firing were performed. As a result, a support in which a mesoporous silica support (20% by mass) as a support layer was coated on a macroporous catalyst support made of ceramic fibers was obtained.
得られた担体に、塩化イリジウム(IV)水溶液を含浸し、続いてアンモニア処理、乾燥及び水素を含む還元性気流での焼成を順次行うことにより、担体に1.1質量%のIrを担持させた。さらに、硝酸ニッケルと硝酸ランタン(III)の混合水溶液を含浸させ、続いてアンモニア処理、乾燥及び水素を含む還元性気流での焼成を順次行うことにより、担体に10質量%のNi、及び5.6質量%のLa2O3を更に担持させた。このようにして、厚さ0.5mmの触媒シート1(Ir−Ni−La2O3/SiO2の組成を有する)を複数製造した。 The obtained support was impregnated with an iridium (IV) chloride aqueous solution, followed by ammonia treatment, drying, and firing in a reducing air stream containing hydrogen, thereby supporting 1.1 mass% of Ir on the support. It was. Further, by impregnating a mixed aqueous solution of nickel nitrate and lanthanum nitrate (III), followed by ammonia treatment, drying, and firing in a reducing air stream containing hydrogen, 10% by mass of Ni on the carrier, and 5. 6% by mass of La 2 O 3 was further supported. In this way, a plurality of catalyst sheets 1 (having a composition of Ir—Ni—La 2 O 3 / SiO 2 ) having a thickness of 0.5 mm were manufactured.
(触媒シート2の作製)
硝酸ランタンに代えて硝酸プラセオジム(III)を用いることにより、担体にLa2O3を5.6質量%担持させる代わりに、5.7質量%のPr2O3を担持させたこと以外は、触媒シート1と同様にして触媒シート2(Ir−Ni−Pr2O3/SiO2の組成を有する)を複数製造した。
(Preparation of catalyst sheet 2)
By using praseodymium nitrate (III) instead of lanthanum nitrate, instead of supporting 5.6% by mass of La 2 O 3 on the support, 5.7% by mass of Pr 2 O 3 was supported, A plurality of catalyst sheets 2 (having a composition of Ir—Ni—Pr 2 O 3 / SiO 2 ) were produced in the same manner as the catalyst sheet 1.
(触媒シート3の作製)
硝酸ランタンに代えて硝酸セリウム(III)を用いることにより、担体にLa2O3を5.6質量%担持させる代わりに、5.6質量%のCeO2を担持させたこと以外は、触媒シート1と同様にして触媒シート3(Ir−Ni−CeO2/SiO2の組成を有する)を複数製造した。
(Preparation of catalyst sheet 3)
By using cerium (III) nitrate instead of lanthanum nitrate, a catalyst sheet except that 5.6% by mass of CeO 2 was supported instead of 5.6% by mass of La 2 O 3 on the support. In the same manner as in Example 1 , a plurality of catalyst sheets 3 (having a composition of Ir—Ni—CeO 2 / SiO 2 ) were produced.
[実施例1〜4、7〜10]
(燃料改質モジュールの作製)
上記の通り作製した触媒シート1〜3を所定のサイズに切断し、酸素透過膜チューブの外壁に密着するように巻きつけて、触媒層と酸素透過膜チューブとを有する内管を作製した。用いた触媒シートの種類、触媒層の長手方向の長さ及び触媒層の体積は表1に示す通りとした。
[Examples 1 to 4, 7 to 10]
(Production of fuel reforming module)
The catalyst sheets 1 to 3 produced as described above were cut into a predetermined size and wound so as to be in close contact with the outer wall of the oxygen permeable membrane tube to produce an inner tube having a catalyst layer and an oxygen permeable membrane tube. The type of catalyst sheet used, the length in the longitudinal direction of the catalyst layer, and the volume of the catalyst layer were as shown in Table 1.
市販の石英ガラス管(肉厚:1mm、外径:12mm)内に、作製した内管を挿入して内管及び外管(石英ガラス管)の位置を固定し、二重管構造を有する燃料改質モジュールを作製した。内管の外壁と外管の内壁との間の間隔は、触媒層を配置した部分において、3mmであった。このような燃料改質モジュールを複数作製した。 A fuel having a double tube structure by inserting the produced inner tube into a commercially available quartz glass tube (wall thickness: 1 mm, outer diameter: 12 mm) and fixing the positions of the inner tube and the outer tube (quartz glass tube). A modified module was produced. The distance between the outer wall of the inner tube and the inner wall of the outer tube was 3 mm in the portion where the catalyst layer was disposed. A plurality of such fuel reforming modules were produced.
(運転評価)
作製した燃料改質モジュールの内管の中空部に空気を、内管と外管との間の空隙部に市販のメタンガスをそれぞれ表1に示す流量で供給して部分改質反応させる運転を行い、燃料改質モジュールの性能評価を行った。評価結果は表1に示すとおりであった。
(Driving evaluation)
Supplying air to the hollow part of the inner pipe of the produced fuel reforming module and supplying commercially available methane gas to the gap between the inner pipe and the outer pipe at the flow rates shown in Table 1 to perform a partial reforming reaction The performance of the fuel reforming module was evaluated. The evaluation results are as shown in Table 1.
[比較例1〜2]
(燃料改質モジュールの作製)
上記の通り作製した触媒シート1〜3を、酸素透過膜チューブの外壁上に設ける代わりに、酸素透過膜チューブで形成される中空部に充填して、酸素透過膜チューブと該酸素透過膜チューブの中空部に触媒層とを有する内管を用いたこと以外は、実施例1〜4と同様にして燃料改質モジュールを作製した。
[Comparative Examples 1-2]
(Production of fuel reforming module)
Instead of providing the catalyst sheets 1 to 3 prepared as described above on the outer wall of the oxygen permeable membrane tube, the hollow portion formed by the oxygen permeable membrane tube is filled, and the oxygen permeable membrane tube and the oxygen permeable membrane tube A fuel reforming module was produced in the same manner as in Examples 1 to 4, except that an inner tube having a catalyst layer in the hollow portion was used.
(運転評価)
作製した燃料改質モジュールの内管の中空部に市販のメタンガスを、内管と外管との間の空隙部に空気をそれぞれ表1に示す流量で供給して運転を行い、燃料改質モジュールの性能評価を行った。評価結果は表1に示すとおりであった。
(Driving evaluation)
The fuel reforming module is operated by supplying commercially available methane gas to the hollow portion of the inner tube of the produced fuel reforming module and supplying air to the gap between the inner tube and the outer tube at the flow rates shown in Table 1, respectively. The performance evaluation was performed. The evaluation results are as shown in Table 1.
[実施例5,6]
図3に示すように、一本の外管の中空部に4本の内管を挿入して均等に配置したこと以外は、実施例1〜4と同様にして燃料改質モジュールを作製した。外管としては、市販の石英ガラス管(肉厚:1mm、外径:30mm)内に、上記の通り作製した内管を挿入して内管及び外管(石英ガラス管)の位置を固定し、外管と当該外管内に挿入された4本の内管とを備える燃料改質モジュールを作製した。内管の外壁と外管の内壁との間の間隔は、触媒層を配置した部分において、約6.5mmであった。また、一つの内管の外壁と別の内管の外壁との間隔は、触媒層を配置した部分において約5.3mmであった。このような燃料改質モジュールを複数作製した。
[Examples 5 and 6]
As shown in FIG. 3, fuel reforming modules were produced in the same manner as in Examples 1 to 4, except that four inner tubes were inserted into the hollow portion of one outer tube and arranged uniformly. As the outer tube, the inner tube produced as described above is inserted into a commercially available quartz glass tube (thickness: 1 mm, outer diameter: 30 mm) to fix the positions of the inner tube and the outer tube (quartz glass tube). A fuel reforming module including an outer tube and four inner tubes inserted into the outer tube was produced. The distance between the outer wall of the inner tube and the inner wall of the outer tube was about 6.5 mm at the portion where the catalyst layer was disposed. Moreover, the space | interval of the outer wall of one inner pipe and the outer wall of another inner pipe was about 5.3 mm in the part which has arrange | positioned the catalyst layer. A plurality of such fuel reforming modules were produced.
用いた触媒シートの種類、長手方向における内管4本分の触媒層の合計長さ及び触媒層の合計体積は表1に示す通りとした。作製した燃料改質モジュールを用い、実施例1〜4と同様にして運転評価を行った。なお、メタンガス及び空気の流量は表1に示す通りとした。評価結果は表1に示すとおりであった。 Table 1 shows the types of catalyst sheets used, the total length of the catalyst layers for the four inner tubes in the longitudinal direction, and the total volume of the catalyst layers. Using the produced fuel reforming module, the operation was evaluated in the same manner as in Examples 1 to 4. The flow rates of methane gas and air were as shown in Table 1. The evaluation results are as shown in Table 1.
[比較例3]
上記の通り作製した触媒シート1〜3を、酸素透過膜チューブの外壁上に設ける代わりに、酸素透過膜チューブで形成される中空部に充填して、酸素透過膜チューブと該酸素透過膜チューブの中空部に触媒層とを有する内管を用いたこと以外は、実施例5,6と同様にして燃料改質モジュールを作製した。
[Comparative Example 3]
Instead of providing the catalyst sheets 1 to 3 prepared as described above on the outer wall of the oxygen permeable membrane tube, the hollow portion formed by the oxygen permeable membrane tube is filled, and the oxygen permeable membrane tube and the oxygen permeable membrane tube A fuel reforming module was produced in the same manner as in Examples 5 and 6, except that an inner tube having a catalyst layer in the hollow portion was used.
用いた触媒シートの種類、長手方向における内管4本分の触媒層の合計長さ及び触媒層の合計体積は表1に示す通りとした。作製した燃料改質モジュールを用い、比較例1〜2と同様にして運転評価を行った。なお、メタンガス及び空気の流量は表1に示す通りとした。評価結果は表1に示すとおりであった。 Table 1 shows the types of catalyst sheets used, the total length of the catalyst layers for the four inner tubes in the longitudinal direction, and the total volume of the catalyst layers. Operation evaluation was performed in the same manner as in Comparative Examples 1 and 2 using the produced fuel reforming module. The flow rates of methane gas and air were as shown in Table 1. The evaluation results are as shown in Table 1.
表1中、酸素透過膜の「酸素透過量」は、供給量から排出量を引き、酸素透過膜の単位面積で除することによって算出した。また、「改質ガス発生量」は、燃料改質モジュールからの排出ガスの流量と組成分析結果とから計算される水素ガスと一酸化炭素ガスの合計流量であり、「転化率」は[(H2+H2O)/(2CH4+H2+H2O)]、「水素選択率」は[H2/(H2+H2O)]、「CO選択率」は[CO/(CO+CO2)]で計算した値を百分率で表したものである(各ガスの流量から計算)。なお、「改質ガスの発生量」、「転化率」、「水素選択率」及び「CO選択率」は、運転を1〜4時間継続して行い、平均値を求めたものである。 In Table 1, the “oxygen permeation amount” of the oxygen permeable membrane was calculated by subtracting the discharge amount from the supply amount and dividing it by the unit area of the oxygen permeable membrane. The “reformed gas generation amount” is the total flow rate of hydrogen gas and carbon monoxide gas calculated from the flow rate of the exhaust gas from the fuel reforming module and the composition analysis result, and the “conversion rate” is [( H 2 + H 2 O) / (2CH 4 + H 2 + H 2 O)], “hydrogen selectivity” is [H 2 / (H 2 + H 2 O)], and “CO selectivity” is [CO / (CO + CO 2 ). ] Is expressed as a percentage (calculated from the flow rate of each gas). The “reformed gas generation amount”, “conversion rate”, “hydrogen selectivity” and “CO selectivity” are obtained by performing the operation continuously for 1 to 4 hours and obtaining average values.
表1中、「圧力」及び「炭素析出量」は、運転を5時間行った時点の燃料ガス側の圧力及び触媒層に析出した触媒質量に対する炭素質量割合である。当該炭素質量は、運転後の各燃料改質モジュールから触媒層を回収し、空気気流中で熱重量分析を行うことにより求めた。なお、熱重量分析では、室温から800℃の温度範囲内おける質量減少量を元にして炭素質量を求めた。 In Table 1, “pressure” and “carbon deposition amount” are the pressure on the fuel gas side when the operation is performed for 5 hours and the mass ratio of carbon to the mass of catalyst deposited on the catalyst layer. The carbon mass was determined by collecting the catalyst layer from each fuel reforming module after operation and performing thermogravimetric analysis in an air stream. In thermogravimetric analysis, the carbon mass was determined based on the mass loss in the temperature range from room temperature to 800 ° C.
表1中、「耐熱サイクル性」は、室温から1000℃まで昇温し、その後室温付近まで冷却する工程を1サイクルとして、酸素透過膜が割れに至るまでのサイクル数を、昇降温速度(50℃/hour及び600℃/hour)を変えて、それぞれ測定したものである。 In Table 1, “heat cycle resistance” refers to the step of heating from room temperature to 1000 ° C. and then cooling to near room temperature as one cycle. (° C./hour and 600 ° C./hour) were measured respectively.
表1に示すとおり、チューブ状の酸素透過膜の外壁を覆うように触媒層を形成して、酸素透過膜の中空部に空気を供給し、外側(外管との空隙部)に燃料ガスを供給する実施例1〜10の燃料改質モジュールは、高い転化率と水素ガス及び一酸化炭素の高い選択率とを維持しつつ長期間に亘って安定運転が可能であることがわかった。 As shown in Table 1, a catalyst layer is formed so as to cover the outer wall of the tube-shaped oxygen permeable membrane, air is supplied to the hollow portion of the oxygen permeable membrane, and fuel gas is supplied to the outer side (void portion with the outer tube). It was found that the supplied fuel reforming modules of Examples 1 to 10 can be stably operated over a long period of time while maintaining a high conversion rate and a high selectivity of hydrogen gas and carbon monoxide.
一方、比較例1〜3のようにチューブ状の酸素透過膜の内側の中空部に触媒層が充填された構造では、酸素が供給されない触媒層の内側の方で炭素析出が進行し、ガス圧力が上昇してしまうことが確認された。また、耐熱衝撃性にも劣ることが確認された。 On the other hand, in the structure in which the catalyst layer is filled in the hollow portion inside the tubular oxygen permeable membrane as in Comparative Examples 1 to 3, carbon deposition proceeds toward the inside of the catalyst layer to which oxygen is not supplied, and the gas pressure Was confirmed to rise. It was also confirmed that the thermal shock resistance was poor.
2…酸素透過膜、4…触媒層、6…中空部、8… 空隙部、10,50…燃料改質モジュール、12…酸素含有ガス導入部(導入部)、14…排出部、16…燃料ガス導入部(導入部)、18…混合ガス排出部、20…内管、30,32…外管。 2 ... oxygen permeable membrane, 4 ... catalyst layer, 6 ... hollow part, 8 ... gap part, 10, 50 ... fuel reforming module, 12 ... oxygen-containing gas introduction part (introduction part), 14 ... discharge part, 16 ... fuel Gas introduction part (introduction part), 18 ... Mixed gas discharge part, 20 ... Inner pipe, 30, 32 ... Outer pipe.
Claims (5)
中空部を有する外管と、
前記中空部に設けられ前記外管の長手方向に延びる内管と、を備えており、
前記内管は、管状の酸素透過膜と、前記酸素透過膜で形成され前記酸素含有ガスの流路となる中空部と、前記酸素透過膜の外壁の少なくとも一部を覆う触媒層と、を有しており
前記内管と前記外管との間に前記燃料ガス及び前記改質ガスの流路となる空隙部を有する燃料改質モジュール。 A fuel reforming module that generates a reformed gas containing hydrogen gas using a fuel gas and an oxygen-containing gas,
An outer tube having a hollow portion;
An inner tube provided in the hollow portion and extending in a longitudinal direction of the outer tube,
The inner tube has a tubular oxygen permeable membrane, a hollow portion formed of the oxygen permeable membrane and serving as a flow path for the oxygen-containing gas, and a catalyst layer that covers at least a part of the outer wall of the oxygen permeable membrane. And a fuel reforming module having a gap between the inner tube and the outer tube that serves as a flow path for the fuel gas and the reformed gas.
前記複数の内管同士の間に前記燃料ガス及び前記改質ガスの流路となる空隙部を有する請求項1記載の燃料改質モジュール。 A plurality of inner tubes are provided in the hollow portion of the outer tube;
The fuel reforming module according to claim 1, wherein a gap portion serving as a flow path for the fuel gas and the reformed gas is provided between the plurality of inner pipes.
前記酸素透過膜の外壁の少なくとも一部を覆う触媒層において、前記酸素透過膜の内部を拡散した前記酸素と、前記内管と該内管の周囲に設けられる外管との間の空隙部に供給される燃料ガスと、を部分酸化改質反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する工程と、を有する燃料改質モジュールの運転方法。 Supplying an oxygen-containing gas to a hollow portion of an inner tube having a tubular oxygen-permeable membrane, and diffusing at least part of the oxygen contained in the oxygen-containing gas inside the oxygen-permeable membrane;
In the catalyst layer covering at least a part of the outer wall of the oxygen permeable membrane, in the gap between the oxygen diffused inside the oxygen permeable membrane and the outer tube provided around the inner tube and the inner tube And a step of generating a reformed gas containing hydrogen gas by subjecting the supplied fuel gas to a partial oxidation reforming reaction.
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