JP6846714B2 - Catalyst composition, hydrogen production equipment, and hydrogen production method - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素の分解反応を促進する触媒組成物、水素製造装置、および、水素製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst composition that promotes a hydrocarbon decomposition reaction, a hydrogen production apparatus, and a hydrogen production method.
従来、メタン等の炭化水素を水蒸気改質して水素を製造する技術が実用化されている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, a technique for producing hydrogen by steam reforming a hydrocarbon such as methane has been put into practical use (for example, Patent Document 1).
しかし、炭化水素を水蒸気改質すると、水素のみならず二酸化炭素が生成されてしまうという問題がある。二酸化炭素は、地球温暖化の要因となっているため、大気への排出の低減が求められている。 However, when hydrocarbons are reformed by steam, there is a problem that not only hydrogen but also carbon dioxide is generated. Since carbon dioxide is a factor of global warming, it is required to reduce its emission to the atmosphere.
そこで、触媒の存在下で炭化水素を熱分解することで、二酸化炭素の排出量を低減して、水素を製造する技術が開発されている。 Therefore, a technique for producing hydrogen by reducing carbon dioxide emissions by thermally decomposing hydrocarbons in the presence of a catalyst has been developed.
上記炭化水素の分解反応をさらに効率よく促進する触媒組成物の開発が希求されている。 There is a need for the development of a catalyst composition that more efficiently promotes the decomposition reaction of the above hydrocarbons.
本発明は、このような課題に鑑み、炭化水素の分解反応をさらに効率よく促進することが可能な触媒組成物、および、これを用いた水素製造装置、ならびに、水素製造方法を提供することを目的としている。 In view of such problems, the present invention provides a catalyst composition capable of more efficiently promoting the decomposition reaction of hydrocarbons, a hydrogen production apparatus using the catalyst composition, and a hydrogen production method. I am aiming.
上記課題を解決するために、本発明に係る触媒組成物は、担体として機能する、プロトン伝導型の固体酸化物と、固体酸化物に担持され、炭化水素を固体炭素と水素とに直接分解する分解反応を促進する触媒と、を備え、ペレット形状、または、粒径が150μm以上300μm以下の粉体である。 In order to solve the above problems, the catalyst composition according to the present invention is supported on a proton-conducting solid oxide that functions as a carrier and a solid oxide, and directly decomposes hydrocarbons into solid carbon and hydrogen. comprising a catalyst to accelerate the decomposition reaction, a pellet shape or a particle diameter of Ru 300μm following powder der least 150 [mu] m.
また、プロトン伝導型の固体酸化物は、Ba(Zr1−yCey)1−x(A1−zBz)xO3−δ(ただし、x=0.05以上0.5以下、y=0以上1以下、z=0以上1以下、A=Y、Yb、Sc、Gd、および、Inのうちいずれか、B=Y、Yb、Sc、Gd、および、Inのうちいずれか)、LaYbO3−δ、および、LaScO3−δのうちのいずれか1または複数であってもよい。 Further, the proton-conducting solid oxide, Ba (Zr 1-y Ce y) 1-x (A 1-z B z) x O 3-δ ( However, x = 0.05 to 0.5, y = 0 or more and 1 or less, z = 0 or more and 1 or less, A = Y, Yb, Sc, Gd, or In, or B = Y, Yb, Sc, Gd, or In) , LaYbO 3-δ , and LaScO 3-δ may be any one or more.
上記課題を解決するために、本発明に係る水素製造装置は、担体として機能する、プロトン伝導型の固体酸化物、および、固体酸化物に担持され、炭化水素を固体炭素と水素とに直接分解する分解反応を促進する触媒を有する触媒組成物が収容された反応部と、炭化水素を含む原料ガスを反応部に供給する原料ガス供給部と、を備え、触媒組成物は、ペレット形状、または、粒径が150μm以上300μm以下の粉体である。 In order to solve the above problems, the hydrogen production apparatus according to the present invention is supported on a proton-conducting solid oxide that functions as a carrier and a solid oxide, and directly decomposes hydrocarbons into solid carbon and hydrogen. The catalyst composition comprises a reaction unit containing a catalyst composition having a catalyst for promoting the decomposition reaction, and a raw material gas supply unit for supplying a raw material gas containing a hydrocarbon to the reaction unit, and the catalyst composition has a pellet shape or a pellet shape. , a particle size of Ru 300μm or less of the powder der more than 150μm.
また、水蒸気、酸素、および、二酸化炭素のうちのいずれか1または複数を含む再生ガスを反応部に供給する再生ガス供給部を備えてもよい。 Further, a regenerated gas supply unit that supplies a regenerated gas containing any one or more of water vapor, oxygen, and carbon dioxide to the reaction unit may be provided.
上記課題を解決するために、本発明に係る水素製造方法は、担体として機能する、プロトン伝導型の固体酸化物、および、固体酸化物に担持され、炭化水素を固体炭素と水素とに直接分解する分解反応を促進する触媒を有する触媒組成物が収容された反応部に、炭化水素を含む原料ガスを供給する工程を含み、触媒組成物は、ペレット形状、または、粒径が150μm以上300μm以下の粉体である。
In order to solve the above problems, the hydrogen production method according to the present invention directly decomposes hydrocarbons into solid carbon and hydrogen, which are supported on a proton-conducting solid oxide and a solid oxide that function as a carrier. the reaction section in which the catalyst composition is housed with a catalyst which promotes the decomposition reaction of, look including the step of supplying a raw material gas containing hydrocarbon, the catalyst composition, a pellet shape 300μm or a particle size of 150μm or more, The following powders .
また、原料ガスを供給する工程を遂行した後に、水蒸気、酸素、および、二酸化炭素のうちいずれか1または複数を含む再生ガスを反応部に供給する工程を含んでもよい。 Further, after performing the step of supplying the raw material gas, a step of supplying the regenerated gas containing any one or more of steam, oxygen, and carbon dioxide to the reaction unit may be included.
本発明によれば、炭化水素の分解反応をさらに効率よく促進することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to more efficiently promote the decomposition reaction of hydrocarbons.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in such an embodiment are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals to omit duplicate description, and elements not directly related to the present invention are not shown. To do.
(水素製造装置100)
図1は、水素製造装置100を説明する図である。なお、図1中、ガスの流れを実線の矢印で示す。図1に示すように、水素製造装置100は、反応部110と、原料ガス供給部120と、再生ガス供給部130とを含む。本実施形態では、炭化水素としてCH4(メタン)を例に挙げて説明する。
(Hydrogen production device 100)
FIG. 1 is a diagram illustrating a
反応部110には、触媒組成物が収容されている。触媒組成物は、固体酸化物に触媒が担持されたものである。触媒は、炭化水素の分解反応(例えば、下記反応式(1)に示すメタンの分解反応)を促進するものであり、例えば、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Cu(銅)、Mn(マンガン)、Mo(モリブデン)のうち、いずれか1または複数である。
CH4 → C + 2H2 …反応式(1)
The catalyst composition is contained in the
CH 4 → C + 2H 2 … Reaction equation (1)
固体酸化物は、プロトン(H+)を伝導イオンとしたプロトン伝導型の固体酸化物である。プロトン伝導型の固体酸化物は、例えば、Ba(Zr1−yCey)1−x(A1−zBz)xO3−δ(ただし、x=0.05以上0.5以下、y=0以上1以下、z=0以上1以下、A=Y、Yb、Sc、Gd、および、Inのうちいずれか、B=Y、Yb、Sc、Gd、および、Inのうちいずれか)、LaYbO3−δ、および、LaScO3−δのうち、いずれか1または複数であり、好ましくはBrZrYO3−δであり、より好ましくはBrZr0.9Y0.1O3−δである。 The solid oxide is a proton- conducting solid oxide having a proton (H + ) as a conducting ion. Proton conductive solid oxide, for example, Ba (Zr 1-y Ce y) 1-x (A 1-z B z) x O 3-δ ( However, x = 0.05 to 0.5, y = 0 or more and 1 or less, z = 0 or more and 1 or less, A = Y, Yb, Sc, Gd, or In, or B = Y, Yb, Sc, Gd, or In) , LaYbO 3-δ , and LaScO 3-δ , preferably one or more, preferably BrZrYO 3-δ , and more preferably BrZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ .
反応部110は、触媒組成物の収容空間を、例えば、500℃以上の所定の温度、好ましくは、600℃以上の所定の温度に維持する。
The
原料ガス供給部120は、例えば、ポンプで構成される。原料ガス供給部120は、吸入側がメタンの供給源102に接続され、吐出側が反応部110に接続される。原料ガス供給部120によってメタンが反応部110に供給されると、触媒組成物上で、上記反応式(1)に示す分解反応(熱分解反応)が進行する。これにより、メタンからH2(水素)が製造されることになる。
The raw material
なお、上記したように、触媒組成物は、触媒の担体としてプロトン伝導型の固体酸化物を含んでいる。これにより、触媒組成物において、固体酸化物を介して炭化水素からプロトンを移動させる(炭化水素からプロトンを引き抜く)ことができる。したがって、プロトン伝導型の固体酸化物を含まない従来の触媒組成物と比較して、炭化水素の分解反応をさらに促進させることが可能となる。 As described above, the catalyst composition contains a proton-conducting solid oxide as a carrier of the catalyst. As a result, in the catalyst composition, protons can be transferred from the hydrocarbon (extracting the proton from the hydrocarbon) via the solid oxide. Therefore, it is possible to further promote the decomposition reaction of hydrocarbons as compared with the conventional catalyst composition containing no proton conduction type solid oxide.
再生ガス供給部130は、例えば、ポンプで構成される。再生ガス供給部130は、吸入側が再生ガスの供給源104に接続され、吐出側が反応部110に接続される。再生ガス供給部130は、原料ガス供給部120と排他的に駆動される。再生ガスは、固体炭素をガス化するガスであり、例えば、水蒸気、酸素、および、二酸化炭素のうちのいずれか1または複数である。
The regenerated
上記反応式(1)に示す反応が遂行されると、固体炭素が触媒組成物(触媒)上に析出し、触媒の機能(活性)が低下してしまう。そこで、再生ガス供給部130を備える構成により、触媒組成物上に析出した固体炭素をガス化して除去することができる。これにより、触媒の機能を再生することが可能となる。
When the reaction represented by the reaction formula (1) is carried out, solid carbon is precipitated on the catalyst composition (catalyst), and the function (activity) of the catalyst is lowered. Therefore, the solid carbon precipitated on the catalyst composition can be gasified and removed by the configuration including the regenerated
なお、再生ガス供給部130が再生ガスとして水蒸気を含むガスを反応部110に供給すると、下記反応式(2)に示す反応が進行し、固体炭素から有用な合成ガス(一酸化炭素と水素の混合ガス)を製造することができる。
C + H2O → CO+ H2 …反応式(2)
When the regenerated
C + H 2 O → CO + H 2 … Reaction equation (2)
(水素製造方法)
続いて、水素製造装置100を用いた水素製造方法について説明する。図2は、水素製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
(Hydrogen production method)
Subsequently, a hydrogen production method using the
(水素製造工程S110)
水素製造工程S110は、原料ガス供給部120を駆動して、反応部110に原料ガスを供給する工程である。水素製造工程S110を遂行することにより、例えば、上記反応式(1)に示す反応が進行し、反応部110において水素を製造することができる。
(Hydrogen production process S110)
The hydrogen production step S110 is a step of driving the raw material
(第1判定工程S120)
第1判定工程S120は、反応部110に収容された触媒組成物(触媒)が劣化したか否かを判定する工程である。触媒組成物が劣化したと判定するまで(S120におけるNO)、第1判定工程S120を遂行し、触媒組成物が劣化したと判定した場合(S120におけるYES)には、原料ガス供給部120を停止して再生工程S130に処理を移す。
(First determination step S120)
The first determination step S120 is a step of determining whether or not the catalyst composition (catalyst) contained in the
なお、第1判定工程S120は、触媒組成物が劣化したか否かを判定できればよく、判定の具体的な処理に限定はない。例えば、水素製造工程S110を開始してから所定時間が経過した場合に触媒組成物が劣化したと判定してもよい。また、触媒組成物の重量が所定値を超えた場合、つまり、触媒組成物に析出した固体炭素が所定値を超えた場合に、触媒組成物が劣化したと判定してもよい。さらに、反応部110から送出される生成ガス中の水素の含有率(濃度)が所定値未満となった場合に、触媒組成物が劣化したと判定してもよい。
In the first determination step S120, it is sufficient that it can be determined whether or not the catalyst composition has deteriorated, and the specific processing of the determination is not limited. For example, it may be determined that the catalyst composition has deteriorated when a predetermined time has elapsed from the start of the hydrogen production step S110. Further, when the weight of the catalyst composition exceeds a predetermined value, that is, when the solid carbon precipitated in the catalyst composition exceeds a predetermined value, it may be determined that the catalyst composition has deteriorated. Further, when the content (concentration) of hydrogen in the produced gas sent from the
(再生工程S130)
再生工程S130は、再生ガス供給部130を駆動して、反応部110に再生ガスを供給する工程である。再生工程S130を遂行することにより、例えば、上記反応式(2)に示す反応が進行し、触媒組成物上に析出した固体炭素をガス化して、触媒組成物から除去することができる。
(Regeneration step S130)
The regeneration step S130 is a step of driving the regeneration
(第2判定工程S140)
第2判定工程S140は、触媒組成物(触媒)の機能が向上したか、つまり、第1判定工程S120において劣化したと判定された状態と比較して、触媒の活性が向上したかを判定する工程である。触媒組成物の機能が向上したと判定するまで(S140におけるNO)、第2判定工程S140を遂行し、触媒組成物の機能が向上した場合(S140におけるYES)には、再生ガス供給部130を停止して水素製造工程S110からの処理を繰り返す。
(Second determination step S140)
The second determination step S140 determines whether the function of the catalyst composition (catalyst) has improved, that is, whether the activity of the catalyst has improved as compared with the state determined to have deteriorated in the first determination step S120. It is a process. The second determination step S140 is performed until it is determined that the function of the catalyst composition is improved (NO in S140), and when the function of the catalyst composition is improved (YES in S140), the regenerated
なお、第2判定工程S140は、触媒組成物の機能が向上したか否かを判定できればよく、判定の具体的な処理に限定はない。例えば、再生工程S130を開始してから所定時間が経過した場合に触媒組成物の機能が向上したと判定してもよい。 In the second determination step S140, it is sufficient that it can be determined whether or not the function of the catalyst composition is improved, and the specific processing of the determination is not limited. For example, it may be determined that the function of the catalyst composition has improved when a predetermined time has elapsed from the start of the regeneration step S130.
以上説明したように、本実施形態の水素製造装置100、および、これを用いた水素製造方法は、炭化水素の分解反応を促進する触媒と、プロトン伝導型の固体酸化物とを含む触媒組成物を用いて炭化水素を分解するため、プロトン伝導型の固体酸化物を含まない従来の触媒組成物と比較して、炭化水素の分解反応をさらに促進させることが可能となる。
As described above, the
(実施例)
BaZr0.9Y0.1O3−δにFeを担持させた触媒組成物を固相法で製造した。具体的に説明すると、BaCO3(炭酸バリウム)を61.8wt%(重量%)、Y2O3(酸化イットリウム)を3.5wt%、ZrO2(ジルコニア)を34.7wt%混合して粉体とした(擂り潰した)。その後、混合物を、空気雰囲気下、1400℃で5時間焼成して、BaZr0.9Y0.1O3−δ(プロトン伝導型の固体酸化物)を製造した。続いて、グラファイト0.135g(複数の細孔を形成するため)、BaZr0.9Y0.1O3−δ2.1g、Fe2O3(酸化鉄(III))0.9g、エチルセルロース0.03g(バインダー)をエタノール中で20時間混合し粉体とした。そして、混合物からエタノールを蒸発させて除去した後、32MPaでペレットに圧縮成形した。続いて、ペレットを、空気雰囲気下、1000℃で5時間焼成した。そして、焼成したペレットを破砕して篩い分けし、粒径が150μm以上300μm以下の、Fe2O3が30wt%担持された触媒組成物(実施例)を得た。
(Example)
A catalyst composition in which Fe was supported on BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ was produced by the solid phase method. Specifically, 61.8 wt% (weight%) of BaCO 3 (barium carbonate), 3.5 wt% of Y 2 O 3 (yttrium oxide), and 34.7 wt% of ZrO 2 (zirconia) are mixed and powdered. Made into a body (crushed). Then, the mixture was calcined at 1400 ° C. for 5 hours in an air atmosphere to produce BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (proton conduction type solid oxide). Subsequently, 0.135 g of graphite (to form multiple pores), BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ 2.1 g, Fe 2 O 3 (iron (III) oxide) 0.9 g, ethyl cellulose 0.03 g (binder) was mixed in ethanol for 20 hours to prepare a powder. Then, ethanol was evaporated and removed from the mixture, and then compression-molded into pellets at 32 MPa. Subsequently, the pellets were calcined at 1000 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. Then, the calcined pellets were crushed and sieved to obtain a catalyst composition (Example) having a particle size of 150 μm or more and 300 μm or less and carrying 30 wt% of Fe 2 O 3.
(メタンの分解特性)
触媒組成物10mgを反応部110に収容し、反応部110に原料ガスを供給して、触媒組成物の重量の変化(wt%)を測定した。なお、反応部110の温度は、800℃とした。また、原料ガスは、メタン5%とアルゴン(Ar)95%の混合ガスとした。さらに、原料ガス供給部120は、200ml/分で原料ガスを反応部110に供給した。また、触媒組成物として、実施例、比較例A、比較例B、比較例Cを収容した場合それぞれについて触媒組成物の重量変化を測定した。実施例は、上記Fe2O3が30wt%担持されたBaZr0.9Y0.1O3−δである。比較例Aは、Fe2O3が30wt%担持されたイットリア安定化ジルコニア(YSZ、酸化物イオン伝導型の固体酸化物)である。比較例Bは、Fe2O3が30wt%担持されたBaZrO3である。比較例Cは、BaZr0.8Fe0.2O3−δである。
(Methane decomposition characteristics)
10 mg of the catalyst composition was contained in the
図3は、触媒組成物の重量の変化を説明する図である。なお、図3中、縦軸は、重量変化(wt%)を示し、横軸は時間(秒)を示す。また、図3中、実施例を実線で示し、比較例Aを破線で示し、比較例Bを一点鎖線で示し、比較例Cを二点鎖線で示す。 FIG. 3 is a diagram illustrating a change in the weight of the catalyst composition. In FIG. 3, the vertical axis represents the weight change (wt%), and the horizontal axis represents the time (seconds). Further, in FIG. 3, Examples are shown by a solid line, Comparative Example A is shown by a broken line, Comparative Example B is shown by a alternate long and short dash line, and Comparative Example C is indicated by a two-dot chain line.
図3に示すように、触媒(Fe)を含む、実施例、比較例A、比較例Bでは、時間が経過するに従って、触媒組成物の重量が増加することが分った。つまり、実施例、比較例A、比較例Bは、時間が経過するに従って、固体炭素の析出量が増加する。したがって、実施例、比較例A、比較例Bでは、メタンの分解反応が進行することが確認された。一方、触媒を含まない比較例Cは、時間が経過しても、ほとんど重量が変化しない。 As shown in FIG. 3, in Examples, Comparative Example A, and Comparative Example B containing the catalyst (Fe), it was found that the weight of the catalyst composition increased with the passage of time. That is, in Examples, Comparative Example A, and Comparative Example B, the amount of solid carbon precipitated increases with the passage of time. Therefore, in Examples, Comparative Example A, and Comparative Example B, it was confirmed that the methane decomposition reaction proceeded. On the other hand, in Comparative Example C containing no catalyst, the weight hardly changes over time.
また、実施例は、比較例A、比較例Bと対比して、触媒組成物の重量の増加量が大きいことが分った。これにより、実施例は、比較例A、比較例Bよりも、メタンを効率よく分解できることが確認された。つまり、プロトン伝導型の固体酸化物を担体とした触媒組成物は、酸化物イオン伝導型等の他の固体酸化物を担体とした触媒組成物と比較して、炭化水素の分解反応を効率よく促進できることが分った。 Further, it was found that in the examples, the amount of increase in the weight of the catalyst composition was larger than that in the comparative examples A and B. From this, it was confirmed that the examples can decompose methane more efficiently than the comparative examples A and B. That is, a catalyst composition using a proton-conducting solid oxide as a carrier efficiently decomposes hydrocarbons as compared with a catalyst composition using another solid oxide such as an oxide ion-conducting type as a carrier. It turns out that it can be promoted.
(温度依存性)
実施例の触媒組成物10mgを反応部110に収容し、反応部110に原料ガスを供給して、固体炭素の生成量を測定した。なお、反応部110の温度は、700℃、800℃、900℃とした。また、原料ガスは、メタン5%とアルゴン95%の混合ガスとした。また、原料ガス供給部120は、200ml/分で原料ガスを反応部110に供給した。
(Temperature dependence)
10 mg of the catalyst composition of the example was contained in the
図4は、実施例の温度依存性を説明する図である。なお、図4中、縦軸は、最終的な固体炭素の生成量(無限時間反応させたときに生成される固体炭素の生成量)で規格化した固体炭素の生成比を示し、横軸は時間(秒)を示す。また、図4中、反応部110を900℃とした場合を実線で示し。800℃とした場合を破線で示し、700℃とした場合を一点鎖線で示す。
FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature dependence of the embodiment. In FIG. 4, the vertical axis indicates the production ratio of solid carbon normalized by the final amount of solid carbon produced (the amount of solid carbon produced when the reaction is carried out for infinite time), and the horizontal axis represents the production ratio of solid carbon. Indicates time (seconds). Further, in FIG. 4, the case where the
図4に示すように、反応部110が900℃である場合には180秒程度で定常状態に到達することが確認された。また、反応部110が800℃である場合には250秒程度で定常状態に到達することが分った。さらに、反応部110が700℃であっても、メタンを効率よく分解できることが確認された。
As shown in FIG. 4, it was confirmed that when the
(繰り返し特性)
実施例の触媒組成物10mgを反応部110に収容し、上記水素製造工程S110と、上記再生工程S130とを12回繰り返した。
(Repeat characteristics)
10 mg of the catalyst composition of the example was housed in the
なお、水素製造工程S110において、反応部110の温度は、800℃とした。また、原料ガスは、メタン5%とアルゴン95%の混合ガスとした。さらに、原料ガス供給部120は、200ml/分で原料ガスを反応部110に供給した。
In the hydrogen production step S110, the temperature of the
再生工程S130において、反応部110の温度は、800℃とした。また、再生ガスは、水素とした。さらに、再生ガス供給部130は、200ml/分で再生ガスを反応部110に供給した。
In the regeneration step S130, the temperature of the
図5は、実施例の繰り返し特性を説明する図である。なお、図5中、左の縦軸は固体炭素の析出量(wt%)を示し、右の縦軸は実施例中のFeの還元時間(1/秒)を示し、横軸は水素製造工程S110、再生工程S130の遂行回数を示す。また、図5中、固体炭素の析出量(wt%)を黒い丸で示し、Feの還元時間を白い四角で示す。 FIG. 5 is a diagram illustrating the repeating characteristics of the embodiment. In FIG. 5, the left vertical axis shows the amount of solid carbon precipitated (wt%), the right vertical axis shows the Fe reduction time (1 / sec) in the examples, and the horizontal axis shows the hydrogen production process. The number of times S110 and the regeneration step S130 are performed is shown. Further, in FIG. 5, the amount of solid carbon precipitated (wt%) is indicated by a black circle, and the reduction time of Fe is indicated by a white square.
図5に示すように、水素製造工程S110を遂行することによって生じる固体炭素の析出量は、1回目が最も多く、2回目、3回目と回数が増加するに従って減少する。しかし、3回目以降は、回数が増加しても固体炭素の析出量が減少しないことが確認された。 As shown in FIG. 5, the amount of solid carbon precipitated by carrying out the hydrogen production step S110 is the largest at the first time and decreases as the number of times increases from the second time to the third time. However, after the third time, it was confirmed that the amount of solid carbon precipitated did not decrease even if the number of times increased.
また、再生工程S130を遂行することによるFeの還元時間は、1回目が最も短く、2回目、3回目と回数が増加するに従って増加する。しかし、3回目以降は、回数が増加してもFeの還元時間が増加しないことが確認された。これにより、水素製造工程S110、再生工程S130を繰り返したとしても、触媒組成物の微細構造が安定していると推測できる。 Further, the reduction time of Fe by carrying out the regeneration step S130 is the shortest in the first time, and increases as the number of times increases in the second and third times. However, it was confirmed that the reduction time of Fe did not increase even if the number of times increased after the third time. As a result, it can be inferred that the fine structure of the catalyst composition is stable even if the hydrogen production step S110 and the regeneration step S130 are repeated.
以上の結果から、プロトン伝導型の固体酸化物を担体とした触媒組成物は、水素製造工程S110と、再生工程S130とを繰り返し遂行したとしても、触媒の機能が低下しないことが確認された。 From the above results, it was confirmed that the catalyst composition using the proton conduction type solid oxide as a carrier does not deteriorate the function of the catalyst even if the hydrogen production step S110 and the regeneration step S130 are repeatedly carried out.
プロトン伝導型の固体酸化物を含まない従来の触媒組成物は、固体炭素を除去する処理を施すと、触媒の機能が低下してしまうため、触媒組成物を繰り返し利用できないという問題があった。これに対し、本実施形態の触媒組成物は、水素製造工程S110と、再生工程S130とを複数回繰り返したとしても、触媒の機能の低下を防止することができる。したがって、触媒組成物を繰り返し利用することができ、触媒組成物に要するコストを低減することが可能となる。これにより、水素を低コストで製造することができる。 The conventional catalyst composition that does not contain a proton-conducting solid oxide has a problem that the catalyst composition cannot be repeatedly used because the function of the catalyst is deteriorated when the treatment for removing the solid carbon is performed. On the other hand, in the catalyst composition of the present embodiment, even if the hydrogen production step S110 and the regeneration step S130 are repeated a plurality of times, deterioration of the catalyst function can be prevented. Therefore, the catalyst composition can be used repeatedly, and the cost required for the catalyst composition can be reduced. As a result, hydrogen can be produced at low cost.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such an embodiment. It is clear that a person skilled in the art can come up with various modifications or modifications within the scope of the claims, which naturally belong to the technical scope of the present invention. Understood.
例えば、上記実施形態において、触媒組成物が分解する炭化水素としてメタンを例に挙げて説明した。炭化水素は、メタンに限定されない。例えば、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン等であってもよいし、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、および、ブチレンのうち、2以上の混合ガス(例えば、都市ガス、天然ガス、石油ガス)であってもよい。 For example, in the above embodiment, methane has been described as an example of the hydrocarbon that the catalyst composition decomposes. Hydrocarbons are not limited to methane. For example, it may be ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butylene, etc., or a mixed gas of two or more of methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, and butylene (for example, city gas, Natural gas, oil gas) may be used.
また、上記実施形態において、プロトン伝導型の固体酸化物に触媒が担持された触媒組成物を例に挙げて説明した。しかし、触媒組成物は、炭化水素の分解反応を促進する触媒と、プロトン伝導型の固体酸化物と、を含んでいればよい。 Further, in the above embodiment, a catalyst composition in which a catalyst is supported on a proton-conducting solid oxide has been described as an example. However, the catalyst composition may contain a catalyst that promotes the decomposition reaction of hydrocarbons and a proton-conducting solid oxide.
また、上記実施形態において、水素製造装置100が再生ガス供給部130を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、再生ガス供給部130は必須の構成ではない。同様に、水素製造方法において、再生工程S130を遂行する場合を例に挙げて説明した。しかし、再生工程S130は必須の処理ではない。
Further, in the above embodiment, the configuration in which the
本発明は、炭化水素の分解反応を促進する触媒組成物、水素製造装置、および、水素製造方法に利用することができる。 The present invention can be used in a catalyst composition that promotes a hydrocarbon decomposition reaction, a hydrogen production apparatus, and a hydrogen production method.
100 水素製造装置
120 原料ガス供給部
130 再生ガス供給部
S110 水素製造工程
S130 再生工程
100
Claims (6)
前記固体酸化物に担持され、炭化水素を固体炭素と水素とに直接分解する分解反応を促進する触媒と、
を備え、
ペレット形状、または、粒径が150μm以上300μm以下の粉体である触媒組成物。 A proton-conducting solid oxide that functions as a carrier,
A catalyst supported on the solid oxide that promotes a decomposition reaction that directly decomposes hydrocarbons into solid carbon and hydrogen.
With
Pellet form, or a particle diameter of Ru 300μm following powder der than 150μm catalyst composition.
炭化水素を含む原料ガスを前記反応部に供給する原料ガス供給部と、
を備え、
前記触媒組成物は、ペレット形状、または、粒径が150μm以上300μm以下の粉体である水素製造装置。 It contained a proton-conducting solid oxide that functions as a carrier , and a catalyst composition that is supported on the solid oxide and has a catalyst that promotes a decomposition reaction that directly decomposes hydrocarbons into solid carbon and hydrogen. Reaction part and
A raw material gas supply unit that supplies a raw material gas containing a hydrocarbon to the reaction unit, and a raw material gas supply unit.
Equipped with a,
The catalyst composition, pellet form, or a particle diameter of 150μm or more 300μm following powder Der Ru hydrogen production apparatus.
前記触媒組成物は、ペレット形状、または、粒径が150μm以上300μm以下の粉体である水素製造方法。 It contained a proton-conducting solid oxide that functions as a carrier and a catalyst composition that is supported on the solid oxide and has a catalyst that promotes a decomposition reaction that directly decomposes hydrocarbons into solid carbon and hydrogen. the reaction section, viewed including the step of supplying a raw material gas containing hydrocarbon,
The method for producing hydrogen , wherein the catalyst composition is a powder having a pellet shape or a particle size of 150 μm or more and 300 μm or less.
水蒸気、酸素、および、二酸化炭素のうちいずれか1または複数を含む再生ガスを前記反応部に供給する工程を含む請求項5に記載の水素製造方法。 After performing the step of supplying the raw material gas,
The hydrogen production method according to claim 5, further comprising a step of supplying a regenerated gas containing any one or more of steam, oxygen, and carbon dioxide to the reaction unit.
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