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JP5117769B2 - REACTOR AND METHOD FOR PRODUCING REACTOR - Google Patents
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Description

本発明は、反応器及び反応器の製造方法に関する。 The present invention relates to a reactor and a method for producing the reactor.

近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として、水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池が自動車や携帯電子機器などに応用され始めている。燃料となる水素は、常温、常圧で気体であるためにそのまま貯留すると単位体積あたりの貯蔵量が充分でなく、また貯蔵方法に問題があることから、水素分子として貯留するのではなく、メタノール等のアルコールや炭化水素等の組成に水素原子を含む化合物として貯留し、貯留したアルコール又は炭化水素等を触媒の存在下で反応させることにより水素を主成分としたガスを生成し、水素を主成分としたガスを燃料電池に供給することが好ましい。
このような燃料電池へ水素を供給するための小型の化学反応装置として、シリコンやガラスに代表される基板で微細な反応流路を形成し、流路内でメタノール水溶液等を元に小規模の化学反応を起こさせる改質器と呼ばれる装置がある。このような小型改質器を含め、容積当たりの大きな表面積をもつ微小空間で反応を行うことにより、従来よりも精密に濃度や温度を制御できる反応器をマイクロリアクターと呼んでいる。マイクロリアクターは、大量の反応生成物を得るために、従来の化学プラントのように反応容器をスケールアップするのではなく、その利点を活かして、複数並べることで生成物の量を稼ぐ発電システムが考えられている。
In recent years, as a clean power source with high energy conversion efficiency, fuel cells that generate electric energy by electrochemical reaction of hydrogen have begun to be applied to automobiles and portable electronic devices. Since hydrogen used as fuel is a gas at normal temperature and normal pressure, if it is stored as it is, the amount of storage per unit volume is not sufficient and there is a problem in the storage method. This is stored as a compound containing hydrogen atoms in the composition of alcohol, hydrocarbons, etc., and by reacting the stored alcohol, hydrocarbons, etc. in the presence of a catalyst, a gas containing hydrogen as a main component is generated. It is preferable to supply the gas as a component to the fuel cell.
As a small chemical reaction device for supplying hydrogen to such a fuel cell, a fine reaction channel is formed by a substrate typified by silicon or glass, and a small-scale chemical reaction device is formed on the basis of an aqueous methanol solution or the like in the channel. There are devices called reformers that cause chemical reactions. Including such a small reformer, a reactor capable of controlling the concentration and temperature more precisely than before by performing the reaction in a minute space having a large surface area per volume is called a microreactor. In order to obtain a large amount of reaction products, the microreactor does not scale up the reaction vessel like a conventional chemical plant. It is considered.

発電システムの一例として、例えば、燃料容器内のメタノール等の発電用燃料を気化器により気化し、気化された発電用燃料を改質器により水素ガスの他、二酸化炭素、一酸化炭素を含む改質ガスに改質し、その改質された改質ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素除去器により除去(濃度を下げ)し、一酸化炭素除去後の水素ガスを燃料電池(発電セル)に供給する。燃料電池では水素と酸素を電気エネルギーに変換するが、水素が導入される水素極内に全ての水素が電気化学反応を引き起こすまで滞留させておくと、水素濃度が著しく低い状態が長く続き発電効率の低下を招くため、改質ガス中の水素のうち70%程度を電気エネルギーに変換し、残りの水素を触媒燃焼器にて空気中の酸素との反応により燃焼させて熱エネルギーに変換し、改質器及び一酸化炭素除去器を加熱して所定の化学反応が進行するように改質させるための反応熱に充てている。
ここで、化学反応を進行させるための重要な機能物質である触媒を前述した微細な反応流路内に形成し、前述の化学反応を効率良く進行させている。例えば、メタノール燃料と水とを反応させて、水素と二酸化炭素を得る水蒸気改質反応(下記化学反応式(1)参照)のために使用される触媒として、Cu/ZnOやPd/ZnOなどが挙げられる。
CHOH+HO→3H+CO・・・(1)
As an example of a power generation system, for example, power generation fuel such as methanol in a fuel container is vaporized by a vaporizer, and the vaporized power generation fuel is reformed by hydrogen gas, carbon dioxide, and carbon monoxide by a reformer. The carbon monoxide in the reformed reformed gas is removed (reduced in concentration) by the carbon monoxide remover, and the hydrogen gas after carbon monoxide removal is used as a fuel cell (power generation cell). To supply. In a fuel cell, hydrogen and oxygen are converted into electrical energy. However, if all hydrogen is allowed to stay in the hydrogen electrode where hydrogen is introduced until it causes an electrochemical reaction, the hydrogen concentration will continue to be extremely low for a long time. Therefore, about 70% of the hydrogen in the reformed gas is converted into electric energy, and the remaining hydrogen is burned by reaction with oxygen in the air in a catalytic combustor to convert it into heat energy. The reformer and the carbon monoxide remover are heated and used for reaction heat for reforming so that a predetermined chemical reaction proceeds.
Here, a catalyst, which is an important functional substance for advancing a chemical reaction, is formed in the fine reaction channel described above, and the above-described chemical reaction is efficiently advanced. For example, Cu / ZnO, Pd / ZnO, etc. are used as a catalyst used for the steam reforming reaction (refer to the following chemical reaction formula (1)) to obtain hydrogen and carbon dioxide by reacting methanol fuel with water. Can be mentioned.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)

ところで、前述した触媒を用いてメタノール燃料から水素を製造するために300℃程度の高温が必要であるが、このために真空断熱容器中に改質器、一酸化炭素除去器及び触媒燃焼器を収容することで熱損失を低減するとともに、改質のための反応熱は前述の通り触媒燃焼による発熱によって補っている。このとき、触媒燃焼器から改質器への伝熱性は、効率良く水素を製造するための重要な要素であり、加えて微細な反応流路を反応物が通過する際に生じる圧力損失を低減するためにも、反応流路上の触媒形態として、一般的な粒状充填型よりもチャンネル壁面に直接固定化するプレート型の方が適している。このようなプレート型触媒は、限られた空間に、より反応効率の高い触媒をできるだけ表面積を大きくし、しかも強固に固定化する必要がある。   By the way, in order to produce hydrogen from methanol fuel using the catalyst described above, a high temperature of about 300 ° C. is necessary. For this purpose, a reformer, a carbon monoxide remover, and a catalyst combustor are installed in a vacuum heat insulating container. The housing reduces heat loss, and the reaction heat for reforming is supplemented by heat generated by catalytic combustion as described above. At this time, the heat transfer from the catalytic combustor to the reformer is an important factor for efficiently producing hydrogen, and in addition, the pressure loss generated when the reactants pass through the fine reaction channel is reduced. Therefore, a plate type that is directly fixed to the channel wall surface is more suitable as a catalyst form on the reaction flow path than a general granular packing type. Such a plate-type catalyst needs to have a surface area of a catalyst with higher reaction efficiency as large as possible and be firmly fixed in a limited space.

そこで、プレート型触媒の一例として、自動車の排気ガスの浄化等に使用するハニカム状の孔をもつ円筒形の触媒支持体に触媒活性種を担持したモノリス触媒などがある。このようなプレート型触媒に対して密着性の向上を検討した例として、三次元網目構造を有する多孔質金属基板表面にスラリー液をコーティングし、その後に焼結処理を施すことによって触媒粉末を固着担持する手法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、プレート型触媒の触媒付着強度を高めるために、ゾルゲル法を用いて調整した酸化物前駆体を上述のスラリー液に混ぜておく方法がある。コーティング後に焼結処理によって形成された酸化物が触媒粉末と触媒支持体との付着強度を高める働きをする。ゾルゲル法の代表例としては、アルミニウムアルコキシドの加水分解によって生成したコロイドを含む溶液からアルミナを形成する方法がある。
特開2005−007298号公報
Therefore, as an example of a plate-type catalyst, there is a monolith catalyst in which a catalytic active species is supported on a cylindrical catalyst support having a honeycomb-like hole used for purifying exhaust gas of automobiles. As an example of examining the improvement in adhesion to such a plate-type catalyst, the slurry powder is coated on the surface of a porous metal substrate having a three-dimensional network structure, and then the catalyst powder is fixed by applying a sintering treatment. A supporting method is known (for example, see Patent Document 1).
In addition, there is a method in which an oxide precursor prepared using a sol-gel method is mixed with the above slurry liquid in order to increase the catalyst adhesion strength of the plate-type catalyst. The oxide formed by the sintering process after coating functions to increase the adhesion strength between the catalyst powder and the catalyst support. A typical example of the sol-gel method is a method of forming alumina from a solution containing a colloid generated by hydrolysis of aluminum alkoxide.
JP-A-2005-007298

しかしながら、上記従来のプレート型触媒及びその製造方法においては、次のような問題があった。まず、触媒層と触媒支持体との付着強度を確保するために、三次元網目構造のような特殊な処理を施した触媒支持体を必要とし、このような処理をするための工数とコストを要するという問題がある。或いは、予め触媒支持体に、触媒材料と親和性が高い金属酸化物薄膜などの層を設けて付着強度の向上を図る必要がある。具体的には、プレート支持体上へのコージェライトやムライトなどのセラミックスの形成や、アルコキシドの加水分解法による酸化物ゾル膜形成等の方法があるが、これらにおいても、この層形成のための工数やコストを要する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、容易に支持体への付着強度の向上を図ることができる反応器及び反応器の製造方法を提供することを目的としている。
However, the conventional plate-type catalyst and the manufacturing method thereof have the following problems. First, in order to ensure the adhesion strength between the catalyst layer and the catalyst support, a catalyst support that has been subjected to a special treatment such as a three-dimensional network structure is required, and the man-hours and costs for such treatment are reduced. There is a problem that it takes. Alternatively, it is necessary to improve the adhesion strength by providing a layer of a metal oxide thin film having a high affinity with the catalyst material in advance on the catalyst support. Specifically, there are methods such as the formation of ceramics such as cordierite and mullite on the plate support, and the formation of oxide sol films by hydrolysis of alkoxides. Man-hours and costs are required.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to provide a manufacturing method of the reactor and the reactor can be facilitated improved adhesion strength to the support.

上記課題を解決するため、請求項1の発明の反応器は、アルコールの改質反応を起こす反応器であって、支持体と、前記支持体上に形成され、ZnOを含み、多孔質触媒である素地膜と、前記素地膜に分散して配置され前記改質反応に寄与するPd/ZnOを含む触媒粒子と、を含む複合触媒層と、を備えことを特徴とする
記複合触媒層は多結晶であることが好ましい。
前記複合触媒層の前記触媒粒子の結晶格子径と前記多孔質触媒である前記素地膜の細孔径がほぼ等しいことが好ましい。
また反応器は、前記支持体と前記複合触媒層の間に、さらに中間層を形成し、前記中間層が前記素地膜と同じ材料で構成されてもよい。
これら反応器を製造する反応器の製造方法として、
前記素地膜となる材料の溶液に前記触媒の材料を分散した触媒溶液を前記支持体上に塗布し、その後、焼成処理を施すことによって前記複合触媒層を形成してもよい。
或いは、前記支持体上に中間層となる材料を有する溶液を塗布することによって中間層を形成し、前記中間層に前記触媒溶液を塗布し、その後焼成処理を施し、前記複合触媒層を前記中間層上に形成してもよい。
In order to solve the above-mentioned problems, a reactor according to the invention of claim 1 is a reactor that causes a reforming reaction of alcohol, and is formed of a support, and formed on the support , contains ZnO, and is a porous catalyst . a certain matrix film, and the catalyst particles are arranged dispersed in the matrix layer containing a contributing Pd / ZnO in the reforming reaction, and the composite catalyst layer containing, characterized in that Ru comprising a.
Before SL composite catalyst layer is preferably polycrystalline.
It is preferable that the crystal lattice diameter of the catalyst particles of the composite catalyst layer is substantially equal to the pore diameter of the base film that is the porous catalyst .
The reactor may further include an intermediate layer formed between the support and the composite catalyst layer, and the intermediate layer may be made of the same material as the base film.
As a manufacturing method of the reactor for manufacturing these reactors,
The composite catalyst layer may be formed by applying a catalyst solution in which the catalyst material is dispersed in a solution of the material to be the base film on the support, and then performing a calcination treatment.
Alternatively, an intermediate layer is formed by applying a solution having a material to be an intermediate layer on the support, the catalyst solution is applied to the intermediate layer, and then subjected to a firing treatment, and the composite catalyst layer is applied to the intermediate layer. It may be formed on the layer.

本発明によれば、粒子状の触媒の特性を損なうことなく、支持体への付着強度を向上させることができる。   According to the present invention, the adhesion strength to the support can be improved without impairing the characteristics of the particulate catalyst.

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されないものとする。
図1は、複合触媒層102が形成されたFe−Cr−Al系ステンレス等の支持体101の概略側断面図である。
《複合触媒層》
複合触媒層102は、支持体101上に形成されて、略粒子状の分散質であり、反応に寄与する触媒103と、分散媒である素地膜104とを含んでいる。触媒103は、Pdを含むことが好ましく、例えばPd/ZnO触媒が挙げられる。素地膜104は、亜鉛を含むことが好ましく、例えばZnO触媒が挙げられる。
膜状の酸化亜鉛素地膜104は、触媒103のバインダーとして使用される。Fe-Cr-Al系ステンレスに1000℃程度の温度での熱処理を施すことによって表面にアルミナの凹凸が形成されるが、触媒層102の形成時には液体である素地膜104を分散媒として用いることによって、Fe-Cr-Al系ステンレス上に形成されたアルミナの凹凸へのアンカー効果が期待できる。そのため、支持体101上にPd/ZnO触媒を直接形成した場合に比べて生じる剥がれやひび割れ等を防止できる。
このような触媒103と素地膜104からなる複合触媒層102は、多結晶であり、結晶子径が約17nm、細孔が約17〜20nm程度である。複合触媒層102は、多孔質体のため、微視的に見ると表面に細かい凹凸が形成されているので表面積が大きい。また、複合触媒層102の膜厚は、10μm〜150μmが好ましい。10μmよりも薄い場合には、触媒機能が低く、150μmよりも厚い場合には、複合触媒層102が支持体101から剥がれ易くなるためである。
支持体101としては、例えば、上述以外のステンレス、ガラス、或いはプラスチック等が挙げられる。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated examples.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional side view of a support 101 such as Fe—Cr—Al stainless steel on which a composite catalyst layer 102 is formed.
<Composite catalyst layer>
The composite catalyst layer 102 is formed on the support 101, is a substantially particulate dispersoid, and includes a catalyst 103 that contributes to the reaction, and a base film 104 that is a dispersion medium. The catalyst 103 preferably contains Pd, such as a Pd / ZnO catalyst. The base film 104 preferably contains zinc, for example, a ZnO catalyst.
The film-like zinc oxide base film 104 is used as a binder for the catalyst 103. By subjecting the Fe-Cr-Al stainless steel to heat treatment at a temperature of about 1000 ° C., irregularities of alumina are formed on the surface, but when the catalyst layer 102 is formed, the liquid base film 104 is used as a dispersion medium. An anchor effect on the irregularities of alumina formed on Fe-Cr-Al stainless steel can be expected. Therefore, it is possible to prevent peeling or cracking that occurs as compared with the case where the Pd / ZnO catalyst is directly formed on the support 101.
The composite catalyst layer 102 composed of the catalyst 103 and the base film 104 is polycrystalline, and has a crystallite diameter of about 17 nm and pores of about 17 to 20 nm. Since the composite catalyst layer 102 is a porous body, when viewed microscopically, fine irregularities are formed on the surface, so that the surface area is large. The film thickness of the composite catalyst layer 102 is preferably 10 μm to 150 μm. This is because when the thickness is smaller than 10 μm, the catalytic function is low, and when the thickness is larger than 150 μm, the composite catalyst layer 102 is easily peeled off from the support 101.
Examples of the support 101 include stainless steel, glass, or plastic other than those described above.

図2は、酢酸亜鉛溶液の調整方法を示したフローチャート、図3及び図4は、触媒103となるPd/ZnO触媒の調整方法を示したフローチャート、図5は、触媒溶液の調整方法を示したフローチャートである。
次に、複合触媒層102の作製方法について説明する。
(1)酢酸亜鉛溶液
図2に示すように、亜鉛の酢酸塩溶液を調整する。本実施例では、酸化亜鉛膜の形成のために、酢酸亜鉛の加水分解によって酸化亜鉛の前駆体である水酸化亜鉛を形成するゾルゲル法を用いる。酢酸亜鉛の加水分解は、水中のプロトンを引き抜く作用を持つ物質を添加することで開始するが、溶媒を水にすると、プロトン引き抜き作用をもつ物質(例えば、アンモニアなど)で添加した直後からゲル化が始まってしまい、溶液の安定性が悪いことから本実施例では溶媒をアルコール、具体的には2−メトキシエタノールとし、プロトン引き抜き材(反応開始材)としてモノエタノールアミンを使用する。
FIG. 2 is a flowchart showing a method for adjusting a zinc acetate solution, FIGS. 3 and 4 are flowcharts showing a method for adjusting a Pd / ZnO catalyst as the catalyst 103, and FIG. 5 shows a method for adjusting a catalyst solution. It is a flowchart.
Next, a method for producing the composite catalyst layer 102 will be described.
(1) Zinc acetate solution As shown in FIG. 2, a zinc acetate solution is prepared. In this embodiment, a sol-gel method in which zinc hydroxide, which is a precursor of zinc oxide, is formed by hydrolysis of zinc acetate is used for forming the zinc oxide film. Zinc acetate hydrolysis starts by adding a substance that extracts protons in water, but when water is used as a solvent, gelation starts immediately after addition of a substance having proton-extracting action (for example, ammonia). In this example, the solvent is alcohol, specifically 2-methoxyethanol, and monoethanolamine is used as a proton extracting material (reaction initiator).

(2)Pd/ZnO触媒
次に、共沈法を用いてPd/ZnO触媒を調整する。出発原料として、パラジウムと亜鉛の混合溶液を用いることができ、例えば硝酸パラジウムと硝酸亜鉛の混合溶液を用いることができる。なお、触媒中のパラジムの含有量(担持量)は、出発原料により調整することができる。触媒中のパラジウムが3重量%程度存在すれば十分に水素を生成する水蒸気改質反応を起こすことができるが、8〜22重量%程度含有することによってより効果的に水素を生成することができる。
沈殿剤としては、炭酸ナトリウム水溶液を用いることができ、他に炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、クエン酸ナトリウム、アンモニア等の塩基性水溶液を用いることができる。
そして、出発原料に沈殿剤を混合することで、パラジウムが共沈担体である亜鉛水酸化物とともに沈殿する。この方法として、図3に示すように、蒸留水等の溶媒中に出発原料と沈殿剤とを同時に滴下する同時滴下方法と、図4に示すように、出発原料中に沈殿剤を直接滴下する沈殿剤滴下方法の二つの方法がある。
(a)同時滴下法
蒸留水中に、出発原料の溶液と、沈殿剤の溶液とを同時に滴下する。出発原料の溶液は酸性であり、沈殿剤の溶液は塩基性であるため、混合した溶液のpHは2つの溶液が滴下されることにより変動する。このとき、混合した溶液のpHを6.5〜8.5に維持しながら沈殿物を形成することが好ましい。
(b)沈殿剤滴下法
出発原料の溶液に沈殿剤の溶液を徐々に滴下する。出発原料の溶液と沈殿剤の溶液を混合することによって中和熱が発生する。このとき、混合した溶液の温度を20〜60℃に保つことが好ましく、30〜50℃に保つことがより好ましい。
同時滴下法、沈殿剤滴下法のいずれかの方法により形成した沈殿をろ過し、沈殿を得る。沈殿に蒸留水を加えて攪拌し、再びろ過を行う洗浄過程を数回繰り返し、最後のろ過後の沈殿物を乾燥させる。
乾燥させた沈殿物に対して焼成処理を行う。焼成により亜鉛水酸化物は亜鉛酸化物となる。焼成は、例えば窒素等の不活性ガス雰囲気に沈殿物を500℃以上、1時間おくことにより行うことができる。
以上のようにして、Pd/ZnO触媒が得られる。
(2) Pd / ZnO catalyst Next, a Pd / ZnO catalyst is prepared using a coprecipitation method. As a starting material, a mixed solution of palladium and zinc can be used. For example, a mixed solution of palladium nitrate and zinc nitrate can be used. Note that the content (supported amount) of paradium in the catalyst can be adjusted by the starting material. If palladium in the catalyst is present in an amount of about 3% by weight, a steam reforming reaction that sufficiently generates hydrogen can occur, but if it is contained in an amount of about 8-22% by weight, hydrogen can be generated more effectively. .
As the precipitant, an aqueous sodium carbonate solution can be used, and in addition, a basic aqueous solution such as sodium hydrogen carbonate, sodium hydroxide, sodium citrate, ammonia or the like can be used.
And by mixing a precipitant with a starting material, palladium precipitates with the zinc hydroxide which is a coprecipitation support | carrier. As this method, as shown in FIG. 3, a simultaneous dropping method in which the starting material and the precipitating agent are simultaneously dropped into a solvent such as distilled water, and as shown in FIG. 4, the precipitating agent is directly dropped into the starting material. There are two methods of dropping the precipitant.
(A) Simultaneous dripping method A solution of a starting material and a solution of a precipitant are simultaneously dropped into distilled water. Since the starting material solution is acidic and the precipitant solution is basic, the pH of the mixed solution varies as the two solutions are added dropwise. At this time, it is preferable to form a precipitate while maintaining the pH of the mixed solution at 6.5 to 8.5.
(B) Precipitating agent dropping method The precipitation agent solution is gradually added dropwise to the starting material solution. Heat of neutralization is generated by mixing the starting material solution and the precipitant solution. At this time, the temperature of the mixed solution is preferably maintained at 20 to 60 ° C, and more preferably maintained at 30 to 50 ° C.
The precipitate formed by either the simultaneous dropping method or the precipitating agent dropping method is filtered to obtain a precipitate. Distilled water is added to the precipitate and stirred, and the washing process of filtering again is repeated several times to dry the precipitate after the last filtration.
A calcination treatment is performed on the dried precipitate. By firing, the zinc hydroxide becomes zinc oxide. Calcination can be performed, for example, by placing the precipitate in an inert gas atmosphere such as nitrogen at 500 ° C. or more for 1 hour.
As described above, a Pd / ZnO catalyst is obtained.

(3)触媒溶液
次に、図5に示すように、Pd/ZnO触媒と増粘剤としてヒドロキシエチルセルロース(HEC)を混合して混合粉体とした上で、この混合粉体を母液の酢酸亜鉛溶液に分散させ、粘度調整のため酢酸亜鉛溶液を適宜滴下する。さらに、分散剤としてポリエチレングリコール(PEG)を混合して触媒溶液を調整する。
(3) Catalyst Solution Next, as shown in FIG. 5, after mixing a Pd / ZnO catalyst and hydroxyethyl cellulose (HEC) as a thickener to obtain a mixed powder, this mixed powder is used as a mother liquor zinc acetate. Disperse in the solution, and drop the zinc acetate solution appropriately for viscosity adjustment. Further, a catalyst solution is prepared by mixing polyethylene glycol (PEG) as a dispersant.

その後、支持体を触媒溶液に浸積し、次いで浸積した支持体を引き上げて、常温で乾燥した後、Air気流中で焼成処理を行う。焼成温度としては500℃程度が好ましい。このようにして支持体上に複合触媒層が形成される。また、複合触媒層の形成は、後述するように支持体上への触媒溶液の塗布や流入によっても行うことができる。   Thereafter, the support is immersed in the catalyst solution, and then the immersed support is pulled up, dried at room temperature, and then fired in an air stream. The firing temperature is preferably about 500 ° C. In this way, a composite catalyst layer is formed on the support. Moreover, formation of a composite catalyst layer can also be performed by application | coating or inflow of the catalyst solution on a support body so that it may mention later.

《反応器》
次に、上述の支持体101及び複合触媒層102を利用した反応器1について説明する。図6は反応器1の正面、側面、及び平面を示す斜視図であり、図7は図6の切断線VII-VIIに沿って切断した際の矢視断面図である。
反応器1は、流路基板10と、流路基板10の上部に設けられた蓋基板20と、を備えている。
《Reactor》
Next, the reactor 1 using the support 101 and the composite catalyst layer 102 will be described. 6 is a perspective view showing the front, side, and plane of the reactor 1, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the cutting line VII-VII in FIG.
The reactor 1 includes a flow path substrate 10 and a lid substrate 20 provided on the upper portion of the flow path substrate 10.

図8は流路基板10の上面図、図9は図8の切断線VIIII-VIIIIに沿って切断した際の矢視断面図、図10は流路基板10の下面図である。流路基板10としては、例えば、ステンレス基板、ガラス基板、シリコン基板、またはセラミック基板等を用いることができる。流路基板10の上面には、蛇行した溝11が形成されている。溝11の内壁面には、本発明のPd/ZnOからなる略粒子状の反応触媒103と、この反応触媒103を内部に覆う膜状の酸化亜鉛からなる素地膜104とを有する複合触媒層102が被膜されている。このとき素地膜104は多孔質であるため、反応触媒103は一部の表面が外部に露出されている。この溝11は、蓋基板20により蓋されることにより反応流路となる。なお、蓋基板20にも流路基板10と同様に、溝が形成されていても良い。
また、流路基板10の下面には、葛折り状の電気抵抗体からなる薄膜ヒータ13が形成されている。薄膜ヒータ13は電圧が印加されることによって吸熱反応である改質反応時に熱源となるとともに、複合触媒層102や後述する担持層の焼成時に用いられる。
8 is a top view of the flow path substrate 10, FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the cutting line VIIII-VIIII in FIG. 8, and FIG. 10 is a bottom view of the flow path substrate 10. As the flow path substrate 10, for example, a stainless steel substrate, a glass substrate, a silicon substrate, a ceramic substrate, or the like can be used. A meandering groove 11 is formed on the upper surface of the flow path substrate 10. On the inner wall surface of the groove 11, a composite catalyst layer 102 having a substantially particulate reaction catalyst 103 made of Pd / ZnO of the present invention and a base film 104 made of a film-like zinc oxide covering the reaction catalyst 103 inside. Is coated. At this time, since the base film 104 is porous, a part of the surface of the reaction catalyst 103 is exposed to the outside. The groove 11 becomes a reaction flow path by being covered with the lid substrate 20. Note that a groove may be formed in the lid substrate 20 as well as the flow path substrate 10.
Further, a thin film heater 13 made of a twisted electric resistor is formed on the lower surface of the flow path substrate 10. The thin film heater 13 serves as a heat source during a reforming reaction that is an endothermic reaction when a voltage is applied, and is also used during firing of the composite catalyst layer 102 and a support layer described later.

図11は蓋基板20の上面図、図12は図11の切断線XII-XIIに沿って切断した際の矢視断面図である。蓋基板20には、流路基板10の溝11の両端部と対応する位置に、厚さ方向に貫通する導入孔21、排出孔22が設けられている。導入孔21は気化器203から反応物を反応流路へ案内し、排出孔22は、溝11とそれに対向する蓋基板20の対向する反応流路から生成物を排出し、一酸化炭素除去器205へ案内する。
蓋基板20としては、例えば、ステンレス基板、ガラス基板、シリコン基板、またはセラミック基板等を用いることができる。
11 is a top view of the lid substrate 20, and FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line XII-XII in FIG. The lid substrate 20 is provided with introduction holes 21 and discharge holes 22 penetrating in the thickness direction at positions corresponding to both ends of the groove 11 of the flow path substrate 10. The introduction hole 21 guides the reactant from the vaporizer 203 to the reaction flow path, and the discharge hole 22 discharges the product from the reaction flow path facing the groove 11 and the lid substrate 20 facing the groove 11, thereby removing the carbon monoxide remover. Guide to 205.
As the lid substrate 20, for example, a stainless steel substrate, a glass substrate, a silicon substrate, a ceramic substrate, or the like can be used.

次に、反応器1の製造方法について説明する。反応器1は、例えば以下の3種類の製造方法により製造することができる。以下、図13〜図15により3種類の製造方法について説明する。
<第1の製造方法>
図13に示すように、予めサンドブラスト等で所定の形状に溝11が形成された流路基板10(図13(a))の溝11が設けられている面に、ドライフィルムフォトレジスト30を貼り付ける(図13(b))。次に、フォトリソグラフィー法により、ドライフィルムフォトレジスト30の溝11に対応する部分を除去する(図13(c))。
Next, the manufacturing method of the reactor 1 is demonstrated. The reactor 1 can be manufactured by, for example, the following three types of manufacturing methods. Hereinafter, three types of manufacturing methods will be described with reference to FIGS.
<First manufacturing method>
As shown in FIG. 13, a dry film photoresist 30 is pasted on the surface of the flow path substrate 10 (FIG. 13A) in which the grooves 11 are formed in a predetermined shape by sandblasting or the like in advance. It is attached (FIG. 13 (b)). Next, the portion corresponding to the groove 11 of the dry film photoresist 30 is removed by photolithography (FIG. 13C).

次に、Pd/ZnO触媒及び膜状の酸化亜鉛からなる複合触媒層102となる触媒溶液102aを流路基板10の上面にコーティングする(図13(d))。   Next, the upper surface of the flow path substrate 10 is coated with a catalyst solution 102a to be a composite catalyst layer 102 made of a Pd / ZnO catalyst and a film-like zinc oxide (FIG. 13 (d)).

コーティングした触媒溶液102aが乾燥したら、ピーリング(引き剥がし)法を用いて、ドライフィルムフォトレジスト30を流路基板10から剥離する(図13(e))。ドライフィルムフォトレジスト30上の乾燥した触媒層は、溝11表面に付着した触媒層を残し、ドライフィルムフォトレジスト30とともにリフトオフされる。剥離後は必要があればピーリング法により残ったドライフィルムフォトレジスト30の僅かな残渣(スカム)をプラズマアッシングにより除去する(ディスカム)後、触媒層の焼成処理を行なう。
その後、流路基板10の上面に蓋基板20を接合させる(図13(f))。流路基板10と蓋基板20との接合は、例えば陽極接合や蝋付け等の接合方法により行うことができる。
When the coated catalyst solution 102a is dried, the dry film photoresist 30 is peeled off from the flow path substrate 10 using a peeling (peeling) method (FIG. 13 (e)). The dried catalyst layer on the dry film photoresist 30 is lifted off together with the dry film photoresist 30 leaving a catalyst layer adhering to the surface of the groove 11. After peeling, if necessary, a slight residue (scum) of the dry film photoresist 30 left by the peeling method is removed by plasma ashing (discum), and then the catalyst layer is baked.
Thereafter, the lid substrate 20 is bonded to the upper surface of the flow path substrate 10 (FIG. 13 (f)). The flow path substrate 10 and the lid substrate 20 can be bonded by, for example, a bonding method such as anodic bonding or brazing.

以上により、反応器1が形成される。なお、薄膜ヒータは、図13(e)の工程の後、或いは図13(f)の工程の後に、流路基板10又は蓋基板20の外面に設けてもよい。また、蓋基板20における溝11との対向面に溝を設けてもよく、蓋基板20における溝11との対向面に担持層を形成してもよく、蓋基板20における溝11との対向面に複合触媒層102を形成してもよい。   Thus, the reactor 1 is formed. The thin film heater may be provided on the outer surface of the flow path substrate 10 or the lid substrate 20 after the step of FIG. 13 (e) or after the step of FIG. 13 (f). Further, a groove may be provided on the surface of the lid substrate 20 facing the groove 11, a support layer may be formed on the surface of the lid substrate 20 facing the groove 11, and the surface of the lid substrate 20 facing the groove 11. Alternatively, the composite catalyst layer 102 may be formed.

<第2の製造方法>
図14に示すように、まだ溝11が形成されていない流路基板10の上面に、ドライフィルムフォトレジスト30を貼り付ける(図14(a))。次に、フォトリソグラフィー法により、流路基板10の溝11を形成する部分に対応する位置のドライフィルムフォトレジスト30を除去する(図14(b))。次いで、サンドブラスト法、ケミカルエッチング法等により流路基板10に溝11を形成する。
以下、第1の製造方法と同様にして反応器1が形成される(図14(d),(e),(f))。
<Second production method>
As shown in FIG. 14, the dry film photoresist 30 is affixed on the upper surface of the flow path substrate 10 in which the groove 11 is not yet formed (FIG. 14 (a)). Next, the dry film photoresist 30 at a position corresponding to a portion where the groove 11 of the flow path substrate 10 is formed is removed by photolithography (FIG. 14B). Next, the grooves 11 are formed in the flow path substrate 10 by a sandblast method, a chemical etching method, or the like.
Thereafter, the reactor 1 is formed in the same manner as in the first production method (FIGS. 14 (d), (e), (f)).

<第3の製造方法>
図15に示すように、予め溝11が形成された流路基板10(図15(a))の溝11が設けられている面に、蓋基板20を接合させる(図15(b))。流路基板10と蓋基板20との接合は、例えば陽極接合等の接合方法により行うことができる。
<Third production method>
As shown in FIG. 15, the lid substrate 20 is bonded to the surface of the flow path substrate 10 (FIG. 15A) in which the grooves 11 are formed in advance (FIG. 15B). The flow path substrate 10 and the lid substrate 20 can be bonded by a bonding method such as anodic bonding.

次に、流路基板10と蓋基板20との接合により形成された流路に、導入孔21または排出孔22から上述の触媒溶液102aを流入させる(図15(c))。   Next, the above-described catalyst solution 102a is caused to flow from the introduction hole 21 or the discharge hole 22 into the flow path formed by joining the flow path substrate 10 and the lid substrate 20 (FIG. 15 (c)).

次いで、製造装置炉内に流路基板10及び蓋基板20を配置し、炉内を加熱するか或いは薄膜ヒータ13の発熱による熱処理を行い、金属酸化物前駆体を焼成して金属酸化物を形成する。   Next, the flow path substrate 10 and the lid substrate 20 are placed in a manufacturing apparatus furnace, and the furnace is heated or heat treatment is performed by heat generated by the thin film heater 13, and the metal oxide precursor is baked to form a metal oxide. To do.

流路に触媒溶液102aを流入させたら、触媒溶液102aを乾燥・焼成する(図15(d))。上記乾燥、焼成の少なくともいずれか一方は、製造装置炉内に流路基板10及び蓋基板20を配置して炉内を加熱するか或いは薄膜ヒータ13の発熱による熱処理を行うことによって達成される。以上により複合触媒層102が形成され、反応器1が形成される。   When the catalyst solution 102a is caused to flow into the flow path, the catalyst solution 102a is dried and fired (FIG. 15 (d)). At least one of the drying and baking is achieved by placing the flow path substrate 10 and the lid substrate 20 in the production apparatus furnace and heating the inside of the furnace or performing heat treatment by heat generation of the thin film heater 13. Thus, the composite catalyst layer 102 is formed, and the reactor 1 is formed.

この反応器1を薄膜ヒータ13により250〜400℃に加熱し、導入孔21からメタノール等の燃料、水、及び酸素や過酸化水素等の酸化剤の混合物を流入させると、反応器1内で下記化学反応式(2)、(3)で示される反応が生じ、水素ガスと、二酸化炭素ガス等が排出孔22から排出される。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 ・・・(2)
CH3OH+1/2・O2→2H2+CO2 ・・・(3)
When the reactor 1 is heated to 250 to 400 ° C. by the thin film heater 13 and a mixture of fuel such as methanol, water, and an oxidizing agent such as oxygen and hydrogen peroxide is introduced from the introduction hole 21, Reactions represented by the following chemical reaction formulas (2) and (3) occur, and hydrogen gas, carbon dioxide gas and the like are discharged from the discharge hole 22.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (2)
CH 3 OH + 1/2 · O 2 → 2H 2 + CO 2 (3)

なお、反応器1と隣接して、反応器1を加熱するための燃焼器を設けてもよい。燃焼器は、流路に例えばPt/Al23のような燃焼触媒の層を形成して反応器1と同様に設けることができる。この場合、反応器1で生成された水素を燃料電池に供給した後に残存している水素を燃焼器の燃料として導入することにより、効率的に発熱することができる。 A combustor for heating the reactor 1 may be provided adjacent to the reactor 1. The combustor can be provided in the same manner as the reactor 1 by forming a layer of a combustion catalyst such as Pt / Al 2 O 3 in the flow path. In this case, heat can be efficiently generated by introducing the hydrogen generated in the reactor 1 after being supplied to the fuel cell as the fuel for the combustor.

《発電装置》
次に、反応器1を用いた発電装置200について説明する。
図16は、発電装置200のブロック図である。この発電装置200は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistant)、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体210を動作させるための電源として用いられる。
<< Power generation equipment >>
Next, the power generator 200 using the reactor 1 will be described.
FIG. 16 is a block diagram of the power generation device 200. The power generation device 200 is provided in a notebook personal computer, a mobile phone, a PDA (Personal Digital Assistant), an electronic notebook, a wristwatch, a digital still camera, a digital video camera, a game device, a game machine, and other electronic devices. Yes, it is used as a power source for operating the electronic device main body 210.

発電装置200は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留した燃料容器201と、燃料容器201から供給された燃料と水を気化させる気化器202と、気化器202から供給された燃料と水の混合気から上記化学反応式(3)によって水素を生成する改質器(反応器)203と、改質器203から供給された混合気中の副生成物の一酸化炭素を下記化学反応式(4)のように酸化させることで混合気から一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器204と、一酸化炭素除去器204から供給された混合気のうち水素ガスと外気の酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成する発電セル205と、改質器203を加熱して上記化学反応式(3)の反応を良好に行うために必要な温度に設定する燃焼触媒が設けられた触媒燃焼器206と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器204及び燃料電池型発電セル205に供給する空気ポンプ(図示しない)等を備える。
2CO+O2→2CO2 ・・・(4)
The power generation apparatus 200 is supplied from a fuel container 201 that stores fuel such as methanol and water separately or in a mixed state, a vaporizer 202 that vaporizes the fuel and water supplied from the fuel container 201, and the vaporizer 202. A reformer (reactor) 203 for generating hydrogen from the mixed gas of fuel and water by the above chemical reaction formula (3), and carbon monoxide as a by-product in the mixture supplied from the reformer 203 The carbon monoxide remover 204 that removes carbon monoxide from the air-fuel mixture by oxidation as shown in the following chemical reaction formula (4), and the hydrogen gas and the outside air out of the air-fuel mixture supplied from the carbon monoxide remover 204 A power generation cell 205 that generates electric energy by an electrochemical reaction with oxygen gas, and a combustion catalyst that heats the reformer 203 and sets the temperature to a temperature necessary for satisfactorily performing the reaction of the chemical reaction formula (3). Established And it comprises a catalytic combustor 206, the outside air of the air pump (not shown) for supplying the sucked air into the carbon monoxide remover 204, and fuel cell type power generation cell 205 sucks the air or the like.
2CO + O 2 → 2CO 2 (4)

上記化学反応式(3)で示される反応が生じる改質器203として、上述の反応器1を用いることができる。   The above reactor 1 can be used as the reformer 203 in which the reaction represented by the chemical reaction formula (3) occurs.

なお、燃料容器201に貯留された燃料は、メタノールの代わりに、エタノール等のアルコール類やジメチルエーテル等のエーテル類やガソリン等の組成に水素原子を含む有機化合物が適用可能である。   As the fuel stored in the fuel container 201, an organic compound containing hydrogen atoms in the composition of alcohols such as ethanol, ethers such as dimethyl ether, gasoline, or the like can be used instead of methanol.

発電セル205は、図示しないが、触媒微細粒子を担持した燃料極と、触媒微粒子を担持した空気極と、燃料極と空気極との間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜と、を備えている。発電セル205の燃料極には、一酸化炭素除去器204から生成物の混合気が供給されており、発電セル205の空気極には、空気ポンプから空気が供給されている。燃料極において、電気化学反応式(5)に示すように、混合気中の水素は、燃料極の触媒粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離される。水素イオンは、固体高分子電解質膜を通じて酸素極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。酸素極において、電気化学反応式(6)に示すように、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通って燃料極から酸素極に移動した電子と、空気中の酸素とが反応して水が生成される。このときの電子の移動が電気エネルギーとなる。なお、燃料極側では未反応の多くの水素はオフガスとして触媒燃焼器206に送られて燃焼され、改質反応のエネルギーとして利用される。
2→2H++2e-・・・(5)
2H++1/2O2+2e-→H2O・・・(6)
Although not shown, the power generation cell 205 includes a fuel electrode carrying catalyst fine particles, an air electrode carrying catalyst fine particles, a film-like solid polymer electrolyte membrane interposed between the fuel electrode and the air electrode, It has. A mixture of products is supplied from the carbon monoxide remover 204 to the fuel electrode of the power generation cell 205, and air is supplied from an air pump to the air electrode of the power generation cell 205. At the fuel electrode, as shown in the electrochemical reaction formula (5), hydrogen in the gas mixture is separated into hydrogen ions and electrons by the action of the catalyst particles of the fuel electrode. Hydrogen ions are conducted to the oxygen electrode through the solid polymer electrolyte membrane, and electrons are taken out by the fuel electrode. In the oxygen electrode, as shown in the electrochemical reaction formula (6), hydrogen ions that have passed through the solid polymer electrolyte membrane, electrons that have moved from the fuel electrode to the oxygen electrode through an external circuit, and oxygen in the air are Reaction produces water. The movement of electrons at this time becomes electric energy. On the fuel electrode side, a large amount of unreacted hydrogen is sent to the catalytic combustor 206 as off-gas and burned, and used as energy for the reforming reaction.
H 2 → 2H + + 2e (5)
2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O (6)

そして、図16に示すように、発電装置200は、発電セル205により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するDC/DCコンバータ207と、DC/DCコンバータ207に接続される2次電池208と、それらを制御する制御部209も備える。
DC/DCコンバータ207は発電セル205により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体210に供給する機能の他に、発電セル205により生成された電気エネルギーを2次電池208に充電し、発電セル205側が運転されていない時に、電子機器本体220に2次電池208側から電気エネルギーを供給する機能も果たせるようになっている。制御部209は気化器202、改質器203、一酸化炭素除去器204、触媒燃焼器206、発電セル205を運転するために必要な図示しないポンプやバルブ類、そして、ヒータ類、DC/DCコンバータ207等を制御し、電子機器本体210に安定して電気エネルギーが供給されるような制御を行う。
As shown in FIG. 16, the power generation apparatus 200 includes a DC / DC converter 207 that converts electrical energy generated by the power generation cell 205 into an appropriate voltage, and a secondary battery 208 that is connected to the DC / DC converter 207. And a control unit 209 for controlling them.
The DC / DC converter 207 converts the electric energy generated by the power generation cell 205 into an appropriate voltage and then supplies the electric energy to the electronic device main body 210. In addition, the DC / DC converter 207 converts the electric energy generated by the power generation cell 205 into the secondary battery 208. When the power generation cell 205 side is not operated, the electronic device main body 220 can also function to supply electric energy from the secondary battery 208 side. The controller 209 includes a vaporizer 202, a reformer 203, a carbon monoxide remover 204, a catalytic combustor 206, pumps and valves (not shown) necessary for operating the power generation cell 205, heaters, DC / DC Control is performed so that electric energy is stably supplied to the electronic device main body 210 by controlling the converter 207 and the like.

以上のように、複合触媒層102が、略粒子状の触媒103と、層状の多孔質体である素地膜104とを含むので、素地膜104が触媒103のバインダーとして作用することによって、触媒103単身よりも付着強度が向上し、平滑な面である支持体上にも確実に密着させることができる。また、素地膜104である単身と比べても素地膜104の材料であるZnO膜よりも触媒特性に優れたPd/ZnO触媒である触媒103を含有させているので、反応速度を向上することが可能となる。
また、付着強度の向上のために、従来の述のゾルゲル法を用いて、メタノール改質のためのプレート型触媒を形成する場合に、アルコキシド法で容易に調整可能であるアルミナを用いると、触媒層内に形成されたアルミナの酸性質が作用してメタノールの脱水反応によるエーテルが生成し、このエーテルがメタノール改質反応を阻害するというおそれがあった。これに対し複合触媒層102の材料の構成では、担持体としてアルミナを用いることないのでアルミナを使用した場合に想定される触媒反応の阻害が生じることもなく、Pd/ZnO触媒の性能を発揮でき、反応効率にも優れる。
特に、触媒溶液として、酢酸亜鉛を出発原料としたゾルゲル法において、溶媒をアルコールとすることによって触媒溶液の保存安定性が高く、工業的に安定した触媒層の形成が可能であることに加えて、増粘剤や分散剤などの添加剤を加えることによって触媒層の厚さを制御することができる。
As described above, since the composite catalyst layer 102 includes the substantially particulate catalyst 103 and the base film 104 that is a layered porous body, the base film 104 acts as a binder of the catalyst 103, whereby the catalyst 103 Adhesive strength is improved as compared with a single body, and it is possible to reliably adhere to a support having a smooth surface. In addition, since the catalyst 103, which is a Pd / ZnO catalyst having better catalytic characteristics than the ZnO film that is the material of the base film 104, is contained compared to the single body that is the base film 104, the reaction rate can be improved. It becomes possible.
In addition, in order to improve the adhesion strength, when forming a plate-type catalyst for methanol reforming using the sol-gel method described above, if alumina that can be easily adjusted by the alkoxide method is used, the catalyst There was a possibility that the acid property of the alumina formed in the layer acted to produce ether by dehydration reaction of methanol, and this ether hindered the methanol reforming reaction. On the other hand, in the configuration of the material of the composite catalyst layer 102, alumina is not used as the support, and therefore, the catalytic reaction expected when alumina is used does not occur and the performance of the Pd / ZnO catalyst can be exhibited. Excellent reaction efficiency.
In particular, in the sol-gel method using zinc acetate as a starting material as a catalyst solution, in addition to the fact that the storage stability of the catalyst solution is high by using an alcohol as the solvent, an industrially stable catalyst layer can be formed. The thickness of the catalyst layer can be controlled by adding additives such as thickeners and dispersants.

[変形例]
図17は、支持体101と複合触媒層102との間に中間層107が形成された変形例を示した概略側面図である。
図17に示すように、支持体101と複合触媒層102との間に中間層107としてZnO膜を設けることによって、複合触媒層102の支持体101への付着強度をさらに高めることができる。中間層107のZnO膜は、亜鉛塩溶液、例えば上述した酢酸亜鉛溶液を、上述の支持体101と同様の支持体101上にコーティングして焼成することによって得られ、このZnO膜上にさらに、上述の触媒溶液をコーティングして焼成することによって上述した複合触媒層102を形成する。
また反応器1は、溝11を備えた構造になっているがこれに限らず反応器1内部空間に流路を仕切る壁を形成し、この壁の表面に複合触媒層102を形成してもよい。
[Modification]
FIG. 17 is a schematic side view showing a modification in which an intermediate layer 107 is formed between the support 101 and the composite catalyst layer 102.
As shown in FIG. 17, by providing a ZnO film as the intermediate layer 107 between the support 101 and the composite catalyst layer 102, the adhesion strength of the composite catalyst layer 102 to the support 101 can be further increased. The ZnO film of the intermediate layer 107 is obtained by coating and baking a zinc salt solution, for example, the above-described zinc acetate solution on the support 101 similar to the above-described support 101, and further, on this ZnO film, The composite catalyst layer 102 described above is formed by coating and baking the above-described catalyst solution.
Although the reactor 1 has a structure including the groove 11, the present invention is not limited thereto, and a wall for partitioning the flow path is formed in the internal space of the reactor 1, and the composite catalyst layer 102 is formed on the surface of this wall. Good.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(本発明例1)
図2に示したフローチャートによって、酢酸亜鉛二水和物1gにプロトン引き抜き材としてモノエタノールアミン0.2〜0.3ml、溶媒として2−メトキシエタノール8〜10mlを添加して酢酸亜鉛の加水分解によって酢酸亜鉛溶液を調整した。
次に、上述の共沈法を用いてPd/ZnO触媒を調整した。パラジウム含有量が50g/Lの硝酸パラジウム水溶液と硝酸亜鉛・六水和物を100mlの蒸留水に混合してなる混合溶液を得た。なお、得られる触媒中のパラジウムの含有率が15重量%となるように、硝酸亜鉛・六水和物及び硝酸パラジウムの混合溶液を調整した。また、沈殿剤として0.76mol/Lの炭酸ナトリウム水溶液を作製した。そして、40℃に維持しながら、硝酸亜鉛六水和物及び硝酸パラジウムの混合溶液と沈殿剤とを同時に滴下して沈殿物を生成した。滴下後の混合溶液のpHを7.3〜7.7に維持しながら沈殿物を形成した。その後、1時間攪拌を継続し、さらに12時間静置した後、ろ過を行った。
次いで、ろ過物に蒸留水を加えて40℃で20分間攪拌し、再びろ過を行う洗浄過程を3回繰り返した。4回目のろ過後に得られた沈殿物を100℃で12時間乾燥させた後、N気流中で500℃、1時間の焼成処理を行い、Pd/ZnO触媒を得た。
次いで、Pd/ZnO触媒1gに増粘剤としてヒドロキシエチルセルロース(HEC)0.1gを添加して混合粉体とし、母液である酢酸亜鉛溶液15〜20gに混合粉体を加え、さらに酢酸亜鉛溶液を3〜5gを滴下した。このとき分散剤としてポリエチレングリコール(PEG)0.5gを添加して混合し、触媒溶液を調整した。
その後、ステンレス基板を触媒溶液に浸積し、浸積したステンレス基板を引き上げて常温で乾燥した後、Air気流中で500℃の焼成処理を行った。このようにして厚さ約50μmの複合触媒層を形成した。
(Invention Example 1)
According to the flowchart shown in FIG. 2, by adding 0.2 to 0.3 ml of monoethanolamine as a proton extractant and 8 to 10 ml of 2-methoxyethanol as a solvent to 1 g of zinc acetate dihydrate, hydrolysis of zinc acetate is performed. A zinc acetate solution was prepared.
Next, a Pd / ZnO catalyst was prepared using the coprecipitation method described above. An aqueous solution of palladium nitrate having a palladium content of 50 g / L and zinc nitrate hexahydrate were mixed with 100 ml of distilled water to obtain a mixed solution. A mixed solution of zinc nitrate / hexahydrate and palladium nitrate was adjusted so that the content of palladium in the obtained catalyst was 15% by weight. Moreover, 0.76 mol / L sodium carbonate aqueous solution was produced as a precipitant. Then, while maintaining the temperature at 40 ° C., a mixed solution of zinc nitrate hexahydrate and palladium nitrate and a precipitating agent were simultaneously added dropwise to produce a precipitate. A precipitate was formed while maintaining the pH of the mixed solution after dropping at 7.3 to 7.7. Thereafter, stirring was continued for 1 hour, and the mixture was allowed to stand for 12 hours, followed by filtration.
Next, the washing process of adding distilled water to the filtrate, stirring at 40 ° C. for 20 minutes, and performing filtration again was repeated three times. The precipitate obtained after the fourth filtration was dried at 100 ° C. for 12 hours, and then subjected to a calcination treatment at 500 ° C. for 1 hour in an N 2 stream to obtain a Pd / ZnO catalyst.
Next, 0.1 g of hydroxyethyl cellulose (HEC) as a thickener is added to 1 g of Pd / ZnO catalyst to obtain a mixed powder. The mixed powder is added to 15 to 20 g of the zinc acetate solution as the mother liquor, and the zinc acetate solution is further added. 3-5g was dripped. At this time, 0.5 g of polyethylene glycol (PEG) was added and mixed as a dispersant to prepare a catalyst solution.
Thereafter, the stainless steel substrate was immersed in the catalyst solution, and the immersed stainless steel substrate was pulled up and dried at room temperature, followed by firing at 500 ° C. in an air stream. In this way, a composite catalyst layer having a thickness of about 50 μm was formed.

(比較例)
比較例として、上述した本発明と同様に共沈法を用いて調製したPd/ZnO触媒を0.5mm〜1.0mmの大きさにペレット化したものを使用した。
(Comparative example)
As a comparative example, a Pd / ZnO catalyst prepared by using a coprecipitation method in the same manner as the present invention described above and pelletized to a size of 0.5 mm to 1.0 mm was used.

次に、支持体上に形成した触媒層の付着強度及び触媒活性を、以下の方法によって評価した。
(付着強度)
作製した触媒層の付着強度を評価するために、エアブロー試験を行った。Pd/ZnO触媒膜の片面にエアノズルを用いて5cmの高さから約0.5MPaの圧縮空気を10秒間ブロー後、ブロー前後の触媒の重量を測定した。
その結果、比較例では触媒層の欠落が目視できるのに対して、本発明例1の複合触媒層の重量減少率は1.36〜1.87%とほとんど減少しなかった。
(触媒活性)
作製した複合触媒層と、比較例の触媒とを用いてメタノールと水と酸素を原料とした酸化的水蒸気改質反応を行った。具体的には作製した触媒に、メタノールと水の混合液をGHSV(Gas Hourly Space Velocity)=100000/hの条件で通した。メタノールと水の混合比は1:2(モル比)とした。反応温度を250℃、300℃、350℃、400℃に保持し、反応器の出口のメタノール流量を計測し、触媒重量あたりのメタノール転化率を計算した。メタノール転化反応温度と、メタノール転化率の関係を表1及び図18に示す。

Figure 0005117769
表1及び図18の結果より、比較例の触媒(Pd/ZnO触媒単身)の性能と比較して本発明例1の複合触媒層は、触媒重量当たりのメタノール反応速度がほぼ同じ値であり、特に350℃〜400℃では若干転化率が向上した。したがって、本発明例1で用いた複合触媒層中のZnO膜はPd/ZnO触媒の性能を阻害することなく触媒付着強度を向上させる効果があることが認められる。 Next, the adhesion strength and catalytic activity of the catalysts layer formed on the support was evaluated by the following methods.
(Adhesion strength)
To evaluate the adhesion strength of the prepared catalysts layers were air blow test. Using an air nozzle on one side of the Pd / ZnO catalyst film, compressed air of about 0.5 MPa from a height of 5 cm was blown for 10 seconds, and the weight of the catalyst before and after blowing was measured.
As a result, while the lack of the catalyst layer was visible in the comparative example, the weight reduction rate of the composite catalyst layer of Example 1 of the present invention was hardly reduced to 1.36 to 1.87%.
(Catalytic activity)
An oxidative steam reforming reaction using methanol, water, and oxygen as raw materials was performed using the prepared composite catalyst layer and the catalyst of the comparative example. Specifically, a mixed solution of methanol and water was passed through the prepared catalyst under the condition of GHSV (Gas Hourly Space Velocity) = 100000 / h. The mixing ratio of methanol and water was 1: 2 (molar ratio). The reaction temperature was maintained at 250 ° C., 300 ° C., 350 ° C., and 400 ° C., the methanol flow rate at the outlet of the reactor was measured, and the methanol conversion per catalyst weight was calculated. The relationship between the methanol conversion reaction temperature and the methanol conversion rate is shown in Table 1 and FIG.
Figure 0005117769
From the results of Table 1 and FIG. 18, the composite catalyst layer of Example 1 of the present invention has substantially the same methanol reaction rate per catalyst weight as compared with the performance of the catalyst of the comparative example (Pd / ZnO catalyst alone), In particular, the conversion rate slightly improved at 350 ° C to 400 ° C. Therefore, it is recognized that the ZnO film in the composite catalyst layer used in Example 1 of the present invention has an effect of improving the catalyst adhesion strength without hindering the performance of the Pd / ZnO catalyst.

(本発明例2)
上述の本発明例1と同様に酢酸亜鉛溶液、Pd/ZnO触媒を調整し、さらに、酢酸亜鉛溶液、Pd/ZnO触媒、増粘剤及び分散材から触媒溶液を調整した。次いで、ステンレス基板を酢酸亜鉛溶液に浸積し、乾燥、焼成処理後、さらに触媒溶液に浸積し、乾燥、焼成処理を行った。このようにして中間層及び複合触媒層を支持体上に形成した。このようにして厚さ約50μmの複合触媒層及び厚さ約2μmの中間層を形成した。
中間層を設けない本発明例1と、中間層を設けた本発明例2において、それぞれ複合触媒層の表面を走査型電子顕微鏡にて評価した結果、中間層を設けない複合触媒層(本発明例1)には、所々に複合触媒層の剥離にはならない程度のひび割れが生じていたのに対して、中間層を設けた複合触媒層(本発明例2)では、ひび割れの発生が抑制されていることが確認できた。
(Invention Example 2)
A zinc acetate solution and a Pd / ZnO catalyst were prepared in the same manner as in the above-mentioned Invention Example 1, and further a catalyst solution was prepared from a zinc acetate solution, a Pd / ZnO catalyst, a thickener and a dispersing agent. Next, the stainless steel substrate was immersed in a zinc acetate solution, dried and fired, and further immersed in a catalyst solution, followed by drying and firing. In this way, an intermediate layer and a composite catalyst layer were formed on the support. In this way, a composite catalyst layer having a thickness of about 50 μm and an intermediate layer having a thickness of about 2 μm were formed.
In the present invention example 1 in which no intermediate layer is provided and in the present invention example 2 in which an intermediate layer is provided, the surface of the composite catalyst layer is evaluated by a scanning electron microscope. In Example 1), cracks that did not cause separation of the composite catalyst layer occurred in some places, whereas in the composite catalyst layer (Invention Example 2) provided with an intermediate layer, the occurrence of cracks was suppressed. It was confirmed that

複合触媒層102が形成された支持体101の概略側断面図である。It is a schematic sectional side view of the support body 101 in which the composite catalyst layer 102 was formed. 酢酸亜鉛溶液の調整方法を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the adjustment method of a zinc acetate solution. Pd/ZnO触媒の調整方法を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the adjustment method of a Pd / ZnO catalyst. Pd/ZnO触媒の調整方法を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the adjustment method of a Pd / ZnO catalyst. 触媒溶液の調整方法を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the adjustment method of a catalyst solution. 反応器1の正面、側面、及び平面を示す斜視図である。2 is a perspective view showing the front, side, and plane of the reactor 1. FIG. 図6の切断線VII-VIIに沿って切断した際の矢視断面図である。It is arrow sectional drawing at the time of cut | disconnecting along the cutting line VII-VII of FIG. 流路基板10の上面図である。3 is a top view of a flow path substrate 10. FIG. 図8の切断線VIIII-VIIIIに沿って切断した際の矢視断面図である。It is arrow sectional drawing at the time of cut | disconnecting along the cutting line VIIII-VIIII of FIG. 流路基板10の下面図である。2 is a bottom view of a flow path substrate 10. FIG. 蓋基板20の上面図である。3 is a top view of the lid substrate 20. FIG. 図11の切断線XII-XIIに沿って切断した際の矢視断面図である。It is arrow sectional drawing at the time of cut | disconnecting along the cutting line XII-XII of FIG. 反応器1の第1の製造方法を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a first production method for a reactor 1. FIG. 反応器1の第2の製造方法を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing a second manufacturing method of the reactor 1. FIG. 反応器1の第3の製造方法を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a third manufacturing method for reactor 1. 発電装置200のブロック図である。2 is a block diagram of a power generation device 200. FIG. 支持体101と複合触媒層102との間に中間層107が形成された変形例を示した概略側面図である。FIG. 6 is a schematic side view showing a modified example in which an intermediate layer 107 is formed between a support 101 and a composite catalyst layer 102. 本発明例1と比較例におけるメタノール添加率と反応温度の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the methanol addition rate and reaction temperature in this invention example 1 and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 反応器
101 支持体
102 複合触媒層
103 触媒
104 素地膜
107 中間層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reactor 101 Support body 102 Composite catalyst layer 103 Catalyst 104 Base film 107 Intermediate layer

Claims (6)

アルコールの改質反応を起こす反応器であって、
支持体と
前記支持体上に形成され、ZnOを含み、多孔質触媒である素地膜と、前記素地膜に分散して配置され前記改質反応に寄与するPd/ZnOを含む触媒粒子と、を含む複合触媒層と、
を備えことを特徴とする反応器
A reactor for reforming alcohol,
And support,
A composite catalyst comprising: a base film that is formed on the support and contains ZnO and is a porous catalyst; and catalyst particles containing Pd / ZnO that are dispersed in the base film and contribute to the reforming reaction Layers,
Reactor, wherein the Ru with the.
前記複合触媒層は多結晶であることを特徴とする請求項1に記載の反応器。 The reactor according to claim 1, wherein the composite catalyst layer is polycrystalline. 前記複合触媒層の前記触媒粒子の結晶格子径と前記多孔質触媒である前記素地膜の細孔径がほぼ等しいことを特徴とする請求項1または2に記載の反応器。 The reactor according to claim 1 or 2 , wherein a crystal lattice diameter of the catalyst particles of the composite catalyst layer and a pore diameter of the base film which is the porous catalyst are substantially equal. 前記支持体と前記複合触媒層の間に、さらに中間層を形成し、前記中間層が前記素地膜と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の反応器。 The intermediate layer is further formed between the said support body and the said composite catalyst layer, The said intermediate layer is comprised with the same material as the said base film, The statement to any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. The reactor described. 請求項1〜の何れか一項に記載の反応器を製造する反応器の製造方法において、
前記素地膜となる材料の溶液に前記触媒の材料を分散した触媒溶液を前記支持体上に塗布し、その後、焼成処理を施すことによって前記複合触媒層を形成することを特徴とする反応器の製造方法。
In the manufacturing method of the reactor which manufactures the reactor as described in any one of Claims 1-4 ,
A composite catalyst layer is formed by applying a catalyst solution in which the catalyst material is dispersed in a solution of a material to be a base film on the support, and then performing a calcination treatment. Production method.
前記支持体上に中間層となる材料を有する溶液を塗布することによって中間層を形成し、
前記中間層に前記触媒溶液を塗布し、その後焼成処理を施し、前記複合触媒層を前記中間層上に形成することを特徴とする請求項に記載の反応器の製造方法。
An intermediate layer is formed by applying a solution having a material to be an intermediate layer on the support,
The method for producing a reactor according to claim 5 , wherein the catalyst solution is applied to the intermediate layer and then subjected to a calcination treatment to form the composite catalyst layer on the intermediate layer.
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