JP5537232B2 - Method for reducing carbon monoxide concentration, hydrogen production apparatus, and fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、一酸化炭素濃度の低減方法、水素製造装置および燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a method for reducing a carbon monoxide concentration, a hydrogen production apparatus, and a fuel cell system.
燃料電池は燃料の燃焼反応による自由エネルギー変化を直接電気エネルギーとして取り出せるため、高い効率が得られるという特徴がある。さらに有害物質を排出しないことも相俟って、様々な用途への展開が図られている。特に固体高分子形燃料電池は、出力密度が高く、コンパクトで、しかも低温で作動するのが特徴である。 A fuel cell has a feature that high efficiency can be obtained because a free energy change caused by a combustion reaction of fuel can be directly taken out as electric energy. In addition to the fact that it does not emit harmful substances, it is being developed for various uses. In particular, solid polymer fuel cells are characterized by high power density, compactness, and operation at low temperatures.
一般的に燃料電池用の燃料ガスとしては水素を主成分とするガスが用いられるが、その原料には天然ガス、LPG、ナフサ、灯油等の炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等が用いられる。しかし、これらの原料中には水素以外の元素も存在するため、燃料電池に供される燃料ガス中に炭素由来の不純物が混入することは避けられない。 In general, as a fuel gas for a fuel cell, a gas containing hydrogen as a main component is used, and the raw materials thereof include natural gas, hydrocarbons such as LPG, naphtha and kerosene, alcohols such as methanol and ethanol, dimethyl ether and the like. Ether or the like is used. However, since elements other than hydrogen are also present in these raw materials, it is inevitable that carbon-derived impurities are mixed in the fuel gas supplied to the fuel cell.
このような不純物の中でも、一酸化炭素は燃料電池の電極触媒として使われている白金系貴金属を被毒するため、燃料ガス中に一酸化炭素が存在すると充分な発電特性が得られなくなる。特に低温作動させる燃料電池ほど一酸化炭素吸着は強く、被毒を受けやすい。このため固体高分子形燃料電池を用いたシステムでは燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が低減されていることが必要不可欠である。 Among such impurities, carbon monoxide poisons platinum-based noble metals used as electrode catalysts for fuel cells. Therefore, if carbon monoxide is present in the fuel gas, sufficient power generation characteristics cannot be obtained. In particular, a fuel cell operated at a low temperature has a stronger carbon monoxide adsorption and is more susceptible to poisoning. Therefore, in a system using a polymer electrolyte fuel cell, it is indispensable that the concentration of carbon monoxide in the fuel gas is reduced.
一酸化炭素濃度を低減させる方法としては、例えば原料を改質して得られた改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、水素と二酸化炭素に転化する方法、いわゆる水性ガスシフト反応が挙げられる。しかし、この方法では0.5〜1容量%程度までしか一酸化炭素濃度を低減することができない。 Examples of the method for reducing the carbon monoxide concentration include a method in which carbon monoxide in a reformed gas obtained by reforming a raw material is reacted with water vapor and converted into hydrogen and carbon dioxide, so-called water gas shift reaction. It is done. However, this method can reduce the carbon monoxide concentration only to about 0.5 to 1% by volume.
また、他の一酸化炭素濃度を低減させる方法として、改質ガスに酸素または酸素含有ガス(空気等)を導入し、一酸化炭素を二酸化炭素に変換する方法がある。しかし、この方法では、改質ガス中に大量に存在する水素も酸化されてしまうために、水素がロスするとともに一酸化炭素の除去が不十分となり得る。 As another method for reducing the carbon monoxide concentration, there is a method in which oxygen or an oxygen-containing gas (air or the like) is introduced into the reformed gas to convert the carbon monoxide into carbon dioxide. However, in this method, hydrogen present in a large amount in the reformed gas is also oxidized, so that hydrogen is lost and removal of carbon monoxide may be insufficient.
これに対して、下記反応式(2)で示されるように、一酸化炭素を水素でメタネーションしてメタンに変換することにより一酸化炭素濃度を低減させる方法もある。この方法では、改質ガスに二酸化炭素が含まれていると、副反応である二酸化炭素のメタネーションが起こり、水素がロスするとともに反応が暴走して反応温度が急激に上昇するおそれがある。そこで、一酸化炭素のみを選択的にメタネーションする方法が望まれている。
CO+3H2→CH4+H2O …(2)
On the other hand, as shown in the following reaction formula (2), there is also a method of reducing the carbon monoxide concentration by methanating carbon monoxide with hydrogen and converting it to methane. In this method, if carbon dioxide is contained in the reformed gas, methanation of carbon dioxide, which is a side reaction, occurs, hydrogen may be lost, and the reaction may run away, resulting in a rapid increase in reaction temperature. Therefore, a method for selectively methanating only carbon monoxide is desired.
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (2)
例えば、特許文献1では、所定の担体にルテニウムが担持された触媒を用いることにより、一酸化炭素のメタネーションの選択性が向上することが報告されている。 For example, Patent Document 1 reports that the selectivity of methanation of carbon monoxide is improved by using a catalyst in which ruthenium is supported on a predetermined carrier.
しかしながら、上述の特許文献1に記載の方法等の従来の方法には、一酸化炭素の転化率および得られる水素の濃度について、未だ改善の余地がある。 However, conventional methods such as the method described in Patent Document 1 described above still have room for improvement with respect to the conversion rate of carbon monoxide and the concentration of hydrogen obtained.
そこで本発明は、一酸化炭素の転化率および得られる水素の濃度が向上した、水素および一酸化炭素を含有する原料ガス中の一酸化炭素濃度の低減方法、ならびにこの方法を用いるメタネーション反応部を有する水素製造装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention relates to a method for reducing the concentration of carbon monoxide in a raw material gas containing hydrogen and carbon monoxide, in which the conversion rate of carbon monoxide and the concentration of hydrogen obtained are improved, and a methanation reaction unit using this method An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and a fuel cell system.
本発明は、水素および一酸化炭素を含有する原料ガスと触媒とを接触させて、該原料ガス中の一酸化炭素をメタネーションにより低減する、一酸化炭素濃度の低減方法であって、上記触媒は、アルミナを含む担体と該担体に担持された0.3〜3質量%のルテニウムとを含有し、かつ径方向に沿った触媒断面における径方向のルテニウムの相対担持深度X(Ru)が下記式(1)で表される条件を満たす、一酸化炭素濃度の低減方法を提供する。
25≦X(Ru)≦50 …(1)
[式中、X(Ru)は、触媒断面の半径に対するルテニウムの担持深度の比率(%)を示す。]
The present invention is a method for reducing the concentration of carbon monoxide, comprising bringing a raw material gas containing hydrogen and carbon monoxide into contact with a catalyst, and reducing carbon monoxide in the raw material gas by methanation. Contains a support containing alumina and 0.3 to 3% by mass of ruthenium supported on the support, and the relative supporting depth X (Ru) of ruthenium in the radial direction in the catalyst cross section along the radial direction is as follows: A method for reducing the carbon monoxide concentration that satisfies the condition represented by the formula (1) is provided.
25 ≦ X (Ru) ≦ 50 (1)
[Wherein, X (Ru) represents the ratio (%) of the ruthenium loading depth to the radius of the catalyst cross section. ]
上記触媒は、径方向に沿った触媒断面における径方向に対して、ルテニウム濃度の強度が最大値を示す位置における強度をY1、Y1の強度の5%を示す位置をP1、触媒の最表面の位置をP0、P0とP1の中間点をPmとした場合に、PmからP1の領域におけるルテニウム濃度の最大強度Y2と、前記Y1が下記式(3)で表される条件を満たす触媒であることが好ましい。これにより、一酸化炭素の転化率および得られる水素の濃度がさらに向上する。
2≦Y1/Y2≦10 …(3)
In the catalyst, the intensity at the position where the intensity of the ruthenium concentration shows the maximum value with respect to the radial direction in the cross section of the catalyst along the radial direction is Y1, the position where 5% of the intensity of Y1 is P1, and the position of the outermost surface of the catalyst. When the position is P0 and the intermediate point between P0 and P1 is Pm, the maximum intensity Y2 of the ruthenium concentration in the region from Pm to P1 and the catalyst satisfying the condition that Y1 is expressed by the following formula (3) Is preferred. This further improves the conversion of carbon monoxide and the concentration of hydrogen obtained.
2 ≦ Y1 / Y2 ≦ 10 (3)
また、本発明は、上述の一酸化炭素濃度の低減方法で一酸化炭素をメタネーションにより低減するメタネーション反応部を有する水素製造装置および該水素製造装置を備える燃料電池システムを提供する。 The present invention also provides a hydrogen production apparatus having a methanation reaction unit for reducing carbon monoxide by methanation by the carbon monoxide concentration reducing method described above, and a fuel cell system including the hydrogen production apparatus.
本発明によれば、一酸化炭素の転化率および得られる水素の濃度が向上した、水素および一酸化炭素を含有する原料ガス中の一酸化炭素濃度の低減方法、ならびにこの方法を用いるメタネーション反応部を有する水素製造装置および燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, a method for reducing the concentration of carbon monoxide in a raw material gas containing hydrogen and carbon monoxide, in which the conversion rate of carbon monoxide and the concentration of hydrogen obtained are improved, and the methanation reaction using this method A hydrogen production apparatus and a fuel cell system having a section can be provided.
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, although one embodiment of the present invention is described in detail, the present invention is not limited to this.
本実施形態の一酸化炭素の低減方法は、水素および一酸化炭素を含有する原料ガスと触媒とを接触させて、原料ガス中の一酸化炭素をメタネーションにより低減するものである。 In this embodiment, the method for reducing carbon monoxide is to bring hydrogen and carbon monoxide-containing source gas into contact with the catalyst, and reduce carbon monoxide in the source gas by methanation.
上記触媒は、アルミナを含む担体と該担体に担持された0.3〜3質量%のルテニウムとを含有し、かつ径方向に沿った触媒断面における径方向のルテニウムの相対担持深度X(Ru)が下記式(1)で表される条件を満たす。
25≦X(Ru)≦50 …(1)
[式中、X(Ru)は、触媒断面の半径に対するルテニウムの担持深度の比率(%)を示す。]
The catalyst contains a support containing alumina and 0.3 to 3% by mass of ruthenium supported on the support, and the relative support depth X (Ru) of ruthenium in the radial direction in the catalyst cross section along the radial direction. Satisfies the condition represented by the following formula (1).
25 ≦ X (Ru) ≦ 50 (1)
[Wherein, X (Ru) represents the ratio (%) of the ruthenium loading depth to the radius of the catalyst cross section. ]
図1は本発明の方法における触媒の一実施形態を示す模式断面図であり、触媒を径方向に沿った平面で切断したときの断面図である。
本明細書中、「ルテニウムの担持深度」とは、触媒の径方向に対して、触媒の最表面からルテニウムが存在する所定の位置までの距離を示す。ここで、ルテニウムが存在する所定の位置とは、EPMAを用いた線分析により、ルテニウム濃度が最大値を示す位置における強度に対して、その強度の1%の強度を示す位置をいう。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the catalyst in the method of the present invention, and is a cross-sectional view when the catalyst is cut along a plane along the radial direction.
In the present specification, “ruthenium loading depth” indicates the distance from the outermost surface of the catalyst to a predetermined position where ruthenium is present in the radial direction of the catalyst. Here, the predetermined position where ruthenium is present refers to a position showing 1% of the intensity relative to the intensity at the position where the ruthenium concentration shows the maximum value by line analysis using EPMA.
また本明細書中、「ルテニウムの相対担持深度」とは、触媒の半径に対する、ルテニウムの担持深度の比率を百分率(%)で表した値をいう。すなわち、触媒の半径をR、ルテニウムの担持深度をC、ルテニウムの相対担持深度をX(Ru)とすれば、X(Ru)=C/R×100(%)を意味する。なお、触媒の最表面から中心位置までルテニウムが存在している場合は、X(Ru)=100(%)となる。 In the present specification, the “relative loading depth of ruthenium” refers to a value expressed as a percentage (%) of the ratio of the loading depth of ruthenium to the radius of the catalyst. That is, if the radius of the catalyst is R, the loading depth of ruthenium is C, and the relative loading depth of ruthenium is X (Ru), it means X (Ru) = C / R × 100 (%). When ruthenium is present from the outermost surface of the catalyst to the center position, X (Ru) = 100 (%).
本実施形態の方法によれば、ルテニウムの相対担持深度X(Ru)が上記式(1)を満たす触媒、より好ましくは30≦X(Ru)≦48、さらに好ましくは32≦X(Ru)≦43を満たす触媒を用いることにより極めて高い選択性で一酸化炭素がメタネーションされる。 According to the method of the present embodiment, a catalyst in which the relative loading depth X (Ru) of ruthenium satisfies the above formula (1), more preferably 30 ≦ X (Ru) ≦ 48, more preferably 32 ≦ X (Ru) ≦. By using a catalyst satisfying 43, carbon monoxide is methanated with extremely high selectivity.
図2は、本発明の方法における触媒のルテニウムの径方向への濃度分布が好適な触媒の一例を示す模式図であり、触媒の径方向に沿った平面上のルテニウムの濃度分布を示している。 FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a catalyst having a suitable concentration distribution of ruthenium in the radial direction of the catalyst in the method of the present invention, and shows the concentration distribution of ruthenium on a plane along the radial direction of the catalyst. .
まず、径方向に沿って触媒を切断したときの断面を、EPMAを用いた線分析により、所定の位置におけるルテニウムの濃度の強度を測定し、その強度が最大値を示した位置における強度をY1とし、Y1の5%の強度を示す位置P1を決定する。そして、触媒の最表面の位置をP0として、P0とP1の中間点Pmを決定する。次いで、PmからP1の領域において、ルテニウム濃度の強度が最大値を示す強度Y2を求める。 First, the cross-section when the catalyst was cut along the radial direction was measured for the intensity of the ruthenium concentration at a predetermined position by line analysis using EPMA, and the intensity at the position where the intensity showed the maximum value was expressed as Y1. And a position P1 indicating 5% intensity of Y1 is determined. Then, assuming that the position of the outermost surface of the catalyst is P0, an intermediate point Pm between P0 and P1 is determined. Next, in the region from Pm to P1, the intensity Y2 at which the intensity of the ruthenium concentration shows the maximum value is obtained.
本実施形態の方法においては、かかるY1とY2が下記式(3)で示される条件を満たす触媒を用いることにより、一酸化炭素のメタネーションの選択性をさらに向上させることができる。
2≦Y1/Y2≦10 …(3)
さらに、Y1/Y2は、一酸化炭素のメタネーションの選択性をさらに向上させる点から2≦Y1/Y2≦7の条件を満たすことがより好ましく、2≦Y1/Y2≦5の条件を満たすことがさらに好ましい。
In the method of this embodiment, the selectivity of methanation of carbon monoxide can be further improved by using a catalyst in which such Y1 and Y2 satisfy the condition represented by the following formula (3).
2 ≦ Y1 / Y2 ≦ 10 (3)
Further, Y1 / Y2 more preferably satisfies the condition of 2 ≦ Y1 / Y2 ≦ 7 from the viewpoint of further improving the selectivity of methanation of carbon monoxide, and satisfies the condition of 2 ≦ Y1 / Y2 ≦ 5. Is more preferable.
担体は、その成分としてアルミナを含むものであれば、特に限定されない。例えば、γアルミナ、αアルミナなどを用いることができる。表面積が大きく、ルテニウムとの親和性が高い点から、γ−アルミナがより好ましい。また、アルミナと、シリカ、チタニア、ジルコニア等から選ばれる無機酸化物との混合物を使用することもできる。上記触媒においては担体として、担体の形状、大きさ、成型方法は特に限定するものではない。また成型時には適度なバインダーを添加して成形性を高めてもよい。 The carrier is not particularly limited as long as it contains alumina as its component. For example, γ alumina or α alumina can be used. Γ-alumina is more preferable because of its large surface area and high affinity with ruthenium. A mixture of alumina and an inorganic oxide selected from silica, titania, zirconia, and the like can also be used. In the above catalyst, the shape, size and molding method of the carrier are not particularly limited. Further, at the time of molding, an appropriate binder may be added to improve moldability.
上記担体は、球状あるいは円柱状の形状を有するものが好ましい。上記触媒の半径とは、担体が球状の場合はその半径をいい、円柱状の場合はその底面に平行に切断した断面の半径をいう。球状あるいは円柱の形状には、厳密にいう球および円柱だけでなく、その一部の形状は変形しているが、実質的には球あるいは円柱とみなすことができるものも包含する。また、球状および円柱状以外の他の形状の担体においても、上記球状あるいは円柱状の場合に準じて、上記ルテニウムの相対担持深度を制御することができる。
なお、担体が球状である場合、該担体の平均細孔径は特に限定されないが、6nm未満が好ましい。
The carrier preferably has a spherical or cylindrical shape. The radius of the catalyst means the radius when the support is spherical, and the radius of the cross section cut parallel to the bottom surface when the support is cylindrical. The shape of a sphere or a cylinder includes not only a sphere and a cylinder strictly but also a part of which is deformed, but also includes what can be substantially regarded as a sphere or a cylinder. Further, in the case of a carrier having a shape other than a spherical shape or a cylindrical shape, the relative loading depth of the ruthenium can be controlled in accordance with the spherical shape or the cylindrical shape.
When the support is spherical, the average pore diameter of the support is not particularly limited, but is preferably less than 6 nm.
上記担体には活性金属としてルテニウムが担持されるが、ルテニウム以外の金属を添加すると、逆シフト反応などの副反応が進行するため、活性金属はルテニウムのみとすることが好ましい。 Ruthenium is supported as an active metal on the carrier. However, when a metal other than ruthenium is added, a side reaction such as a reverse shift reaction proceeds. Therefore, the active metal is preferably only ruthenium.
担体へのルテニウムの担持量は、担体に対して、0.3〜3質量%であり、0.5〜2質量%が好ましい。0.3質量%未満であると触媒としての性能が充分でなく、3質量%より多いと、原料ガス中に含まれる二酸化炭素のメタン化反応が加速度的に進行するため、反応の暴走をまねくおそれがある。 The amount of ruthenium supported on the carrier is 0.3 to 3% by mass, preferably 0.5 to 2% by mass, based on the carrier. If it is less than 0.3% by mass, the performance as a catalyst is not sufficient, and if it exceeds 3% by mass, the methanation reaction of carbon dioxide contained in the raw material gas proceeds at an accelerated rate, leading to a runaway reaction. There is a fear.
ルテニウムの担持方法についても特に制限はなく、担持する金属の金属塩を溶媒に溶解した金属溶液を用いる含浸法、平衡吸着法、競争吸着法が好ましく採用される。特に競争吸着法を採用する場合には、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、フッ化水素酸、ホウ酸、ギ酸、酢酸、乳酸、シュウ酸、クエン酸、リンゴ酸等の競争吸着剤を用いることができる。これらの中で、含浸する際に使用する水溶液が取り扱いやすく、かつルテニウムを担持した後に、触媒表面に吸着した水溶液を除去しやすい点から、クエン酸が好ましい。 The ruthenium loading method is also not particularly limited, and an impregnation method, an equilibrium adsorption method, and a competitive adsorption method using a metal solution obtained by dissolving a metal salt of a supported metal in a solvent are preferably employed. When using the competitive adsorption method, use competitive adsorbents such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, boric acid, formic acid, acetic acid, lactic acid, oxalic acid, citric acid, malic acid, etc. Can do. Among these, citric acid is preferable because the aqueous solution used for impregnation is easy to handle and the aqueous solution adsorbed on the catalyst surface is easily removed after ruthenium is supported.
担持回数についても特に制限はなく、担持工程において、全てを同時に担持もしくは、数回に分けて担持することが好ましい。さらに、第1の工程において競争吸着法によりルテニウムを担持した後に、第2の工程において含浸法または平衡吸着法によりさらにルテニウムを担持することがより好ましい。 There is no particular limitation on the number of times of loading, and it is preferable to load all at the same time or in several times in the loading step. Further, it is more preferable that after ruthenium is supported by the competitive adsorption method in the first step, further ruthenium is supported by the impregnation method or the equilibrium adsorption method in the second step.
また、金属溶液に用いる溶媒は金属塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではないが、水またはエタノールが好ましい。 The solvent used in the metal solution is not particularly limited as long as it can dissolve the metal salt, but water or ethanol is preferable.
また金属塩は溶媒に溶解するものであれば特に限定されないが、Ruについては、RuCl3・nH2O、Ru(NO3)3、K2(RuCl5(H2O))、(NH4)2RuCl6、(Ru(NH3)6)Br3、Ru(NH3)6Cl3、Na2RuO4、K2RuO4、Ru(CO)5、[Ru(NH3)5Cl]Cl3、Ru3(CO)12およびRu(C5H7O2)2が好ましい。また、複数の金属塩を混合してもよい。 The metal salt is not particularly limited as long as it is soluble in a solvent, but for Ru, RuCl 3 .nH 2 O, Ru (NO 3 ) 3 , K 2 (RuCl 5 (H 2 O)), (NH 4 ) 2 RuCl 6 , (Ru (NH 3 ) 6 ) Br 3 , Ru (NH 3 ) 6 Cl 3 , Na 2 RuO 4 , K 2 RuO 4 , Ru (CO) 5 , [Ru (NH 3 ) 5 Cl] Cl 3 , Ru 3 (CO) 12 and Ru (C 5 H 7 O 2 ) 2 are preferred. A plurality of metal salts may be mixed.
担体に金属を担持した後、溶媒を除去する必要があるが、空気中での自然乾燥あるいは加熱乾燥、減圧下での脱気乾燥のいずれの方法を採用することができる。なお、乾燥した後、高温処理することも好ましく行われるが、この場合、水素雰囲気で、300〜800℃の温度で1〜5時間実施するのが好ましい。調製された触媒中には、担体や担持金属塩などに由来する塩化物イオンが残留している場合があるが、塩化物イオン濃度は100質量ppm以下とすることが必要である。好ましくは80質量ppm以下であり、特に好ましくは50質量ppm以下である。塩化物イオン濃度が100質量ppmより多いと、担持金属の凝集等を促進しCO選択酸化活性が低下する。上記の方法で調製された触媒を実用に供する場合、通常、前処理として、水素還元を行う。その条件として100〜800℃、好ましくは150〜250℃で1〜5時間、好ましくは1〜3時間を採用する。 Although it is necessary to remove the solvent after the metal is supported on the carrier, any method of natural drying in air, heat drying, or deaeration drying under reduced pressure can be employed. In addition, although it is also preferably performed after drying, it is preferably performed at a temperature of 300 to 800 ° C. for 1 to 5 hours in a hydrogen atmosphere. In the prepared catalyst, chloride ions derived from a carrier or a supported metal salt may remain, but the chloride ion concentration needs to be 100 mass ppm or less. Preferably it is 80 mass ppm or less, Most preferably, it is 50 mass ppm or less. When the chloride ion concentration is higher than 100 ppm by mass, aggregation of the supported metal is promoted and CO selective oxidation activity is lowered. When the catalyst prepared by the above method is put to practical use, hydrogen reduction is usually performed as a pretreatment. The conditions are 100 to 800 ° C., preferably 150 to 250 ° C., for 1 to 5 hours, preferably 1 to 3 hours.
なお、ルテニウムの相対担持深度は、例えば競争吸着剤の濃度の変更、担持する際の温度変更や減圧等により調節することができる。また、上記Y1/Y2は、例えば担持回数を2回以上とすること、担持する際の温度変更や減圧等により調節することができる。 The relative loading depth of ruthenium can be adjusted, for example, by changing the concentration of the competitive adsorbent, changing the temperature at the time of loading, or reducing the pressure. The Y1 / Y2 can be adjusted by, for example, setting the number of times of loading to 2 times or more, changing the temperature at the time of loading, reducing pressure, or the like.
上記一酸化炭素および水素を含有する原料ガスとしては、通常、燃料電池用の燃料ガスの出発原料(原燃料)として用いられる炭化水素、あるいはアルコールやエーテル等の含酸素炭化水素等を各種方法により改質反応を行って得られる水素を主成分とするガスが用いられる。原燃料としては、天然ガス、LPG、ナフサ、灯油、ガソリンまたはこれらに相当する各種溜分や、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素、メタノール、エタノール等の各種アルコール、およびジメチルエーテル等のエーテルなどが用いられる。 As the raw material gas containing carbon monoxide and hydrogen, hydrocarbons usually used as starting raw materials (raw fuels) for fuel cells or oxygen-containing hydrocarbons such as alcohols and ethers are used by various methods. A gas mainly containing hydrogen obtained by performing the reforming reaction is used. The raw fuel includes natural gas, LPG, naphtha, kerosene, gasoline or various equivalents thereof, hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane, various alcohols such as methanol and ethanol, and ethers such as dimethyl ether. Etc. are used.
上記原燃料を改質する方法としては、特に限定されるものではなく、水蒸気改質方法、部分酸化改質方法、オートサーマルリフォーミング等の各種方法が挙げられる。本実施形態においてはこれらのいずれの方法も採用することができる。 The method for reforming the raw fuel is not particularly limited, and various methods such as a steam reforming method, a partial oxidation reforming method, and autothermal reforming can be used. Any of these methods can be employed in the present embodiment.
なお、硫黄を含んでいる原燃料をそのまま改質工程に供給してしまうと、改質触媒が被毒を受け、改質触媒の活性が発現せず、また寿命も短くなるため、改質反応に先だって、原燃料を脱硫処理しておくことが好ましい。脱硫反応の条件は、原燃料の状態および硫黄含有量によって異なるため一概には言えないが、通常、反応温度は常温〜450℃が好ましく、特に常温〜300℃が好ましい。反応圧力は常圧〜1MPaが好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。SVは原料が液体の場合で0.01〜15h−1の範囲が好ましく、0.05〜5h−1の範囲がさらに好ましく、0.1〜3h−1の範囲が特に好ましい。気体原料を用いる場合は、100〜10,000h−1の範囲が好ましく、200〜5,000h−1の範囲がさらに好ましく、300〜2,000h−1の範囲が特に好ましい。 If the raw fuel containing sulfur is supplied to the reforming process as it is, the reforming catalyst will be poisoned, the activity of the reforming catalyst will not be expressed, and the life will be shortened. Prior to this, it is preferable to desulfurize the raw fuel. The conditions for the desulfurization reaction vary depending on the state of the raw fuel and the sulfur content, and thus cannot be generally stated, but the reaction temperature is usually preferably from room temperature to 450 ° C, particularly preferably from room temperature to 300 ° C. The reaction pressure is preferably from normal pressure to 1 MPa, and particularly preferably from normal pressure to 0.2 MPa. Preferably in the range of 0.01~15H -1 when SV raw materials is a liquid, more preferably in the range of 0.05~5H -1, range 0.1~3H -1 are particularly preferred. When using a gas precursor is preferably in the range of 100~10,000H -1, more preferably in the range of 200~5,000H -1, range 300~2,000H -1 are particularly preferred.
また改質反応条件も必ずしも限定されるものではないが、通常、反応温度は200〜1000℃が好ましく、特に400〜850℃が好ましい。反応圧力は常圧〜1MPaが好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。SVは0.01〜40h−1が好ましく、特に0.1〜10h−1が好ましい。改質反応により得られるガス(改質ガス)は、主成分として水素を含むものの、他の成分としては、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気等が含有される。 Further, although the reforming reaction conditions are not necessarily limited, usually, the reaction temperature is preferably 200 to 1000 ° C, particularly preferably 400 to 850 ° C. The reaction pressure is preferably from normal pressure to 1 MPa, and particularly preferably from normal pressure to 0.2 MPa. SV is preferably 0.01 to 40 h −1 , particularly preferably 0.1 to 10 h −1 . The gas (reformed gas) obtained by the reforming reaction contains hydrogen as a main component, but other components include carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.
本実施形態においては、原料ガスとして上記改質ガスを直接用いることも可能であるが、かかる改質ガスを予め前処理して一酸化炭素濃度をある程度低減させたものを用いてもよい。かかる前処理としては、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるため、改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、水素と二酸化炭素に転化する方法、いわゆる水性ガスシフト反応が挙げられる。水性ガスシフト反応以外の前処理としては、一酸化炭素を吸着分離する方法、あるいは膜分離する方法等が挙げられる。 In the present embodiment, it is possible to directly use the above reformed gas as a raw material gas, but it is also possible to use a gas in which the carbon monoxide concentration is reduced to some extent by pretreating such a reformed gas in advance. Examples of such pretreatment include a method of reacting carbon monoxide in the reformed gas with water vapor to convert it into hydrogen and carbon dioxide in order to reduce the concentration of carbon monoxide in the reformed gas, so-called water gas shift reaction. . Examples of the pretreatment other than the water gas shift reaction include a method of adsorptive separation of carbon monoxide or a method of membrane separation.
本実施形態においては、改質ガス中の一酸化炭素を低減し、かつ水素を増やすためにも、改質ガスをさらに水性ガスシフト反応したものを原料ガスとするのが好ましく、これにより一酸化炭素濃度の低減をより効果的にすることができる。水性ガスシフト反応は改質ガスの組成等によって、必ずしも反応条件は限定されるものではないが、通常、反応温度は120〜500℃が好ましく、特に150〜450℃が好ましい。反応圧力は常圧〜1MPaが好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。空間速度(SV)は100〜50,000h−1が好ましく、特に300〜10,000h−1が好ましい。 In the present embodiment, in order to reduce carbon monoxide in the reformed gas and increase hydrogen, it is preferable to use the reformed gas as a raw material gas that is further subjected to a water gas shift reaction. The concentration can be reduced more effectively. The reaction conditions for the water gas shift reaction are not necessarily limited depending on the composition of the reformed gas and the like, but the reaction temperature is usually preferably 120 to 500 ° C, and particularly preferably 150 to 450 ° C. The reaction pressure is preferably from normal pressure to 1 MPa, and particularly preferably from normal pressure to 0.2 MPa. Space velocity (SV) is preferably 100~50,000h -1, especially 300~10,000H -1 are preferred.
原料ガスにおける一酸化炭素濃度は、通常0.1〜2容量%である。一方、原料ガスにおける水素濃度は通常40〜85容量%である。また、原料ガスには、一酸化炭素および水素以外の成分として、例えば窒素、二酸化炭素等が含まれていてもよい。 The carbon monoxide concentration in the raw material gas is usually 0.1 to 2% by volume. On the other hand, the hydrogen concentration in the source gas is usually 40 to 85% by volume. The source gas may contain, for example, nitrogen, carbon dioxide, etc. as components other than carbon monoxide and hydrogen.
水素および一酸化炭素を含有する原料ガスと触媒とを接触させて一酸化炭素のメタネーション反応を行う際、反応圧力は、燃料電池システムの経済性、安全性等も考慮し、常圧〜1MPaの範囲が好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。反応温度としては、一酸化炭素濃度を低下させる温度であれば、特に限定はないが、低温では反応速度が遅くなり、高温では選択性が低下するため、通常は80〜350℃が好ましく、100〜300℃がより好ましく、200〜240℃が特に好ましい。GHSVは過剰に高すぎると一酸化炭素のメタネーション反応が進行しにくくなり、一方低すぎると装置が大きくなりすぎるため、1,000〜50,000h−1の範囲が好ましく、特に3,000〜30,000h−1の範囲が好ましい。 When the methanation reaction of carbon monoxide is carried out by bringing a raw material gas containing hydrogen and carbon monoxide into contact with the catalyst, the reaction pressure is from normal pressure to 1 MPa in consideration of the economics and safety of the fuel cell system. Is preferable, and normal pressure to 0.2 MPa is particularly preferable. The reaction temperature is not particularly limited as long as it lowers the carbon monoxide concentration. However, the reaction rate is low at low temperatures and the selectivity is low at high temperatures. -300 degreeC is more preferable, and 200-240 degreeC is especially preferable. If GHSV is too high, the methanation reaction of carbon monoxide does not proceed easily. On the other hand, if it is too low, the apparatus becomes too large. Therefore, the range of 1,000 to 50,000 h −1 is preferable, particularly 3,000 to 3,000. A range of 30,000 h −1 is preferred.
図3は、一酸化炭素のメタネーション反応を行うメタネーション反応器として好適に用いられる反応装置の一例を示す模式断面図である。図3に示した反応装置は固定床流通式反応装置であり、図3はガスの流通方向に沿った平面で反応装置を切断したときの断面図を示している。
図3に示した反応装置においては、反応容器21の内部に触媒が充填されており、触媒層22の上流側にはガス導入口23が、下流側にはガス排出口24がそれぞれ設けられている。また、反応容器21の外周の触媒層22に対応する位置には、触媒層22を加熱するためのヒータ25が配置されている。
反応容器21のガス導入口23からは、水素および一酸化炭素を含有する原料ガスが導入される。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a reaction apparatus suitably used as a methanation reactor for performing a methanation reaction of carbon monoxide. The reaction apparatus shown in FIG. 3 is a fixed bed flow type reaction apparatus, and FIG. 3 shows a cross-sectional view of the reaction apparatus cut along a plane along the gas flow direction.
In the reaction apparatus shown in FIG. 3, the inside of the reaction vessel 21 is filled with a catalyst, and a gas inlet 23 is provided on the upstream side of the catalyst layer 22 and a gas outlet 24 is provided on the downstream side. Yes. A heater 25 for heating the catalyst layer 22 is disposed at a position corresponding to the catalyst layer 22 on the outer periphery of the reaction vessel 21.
A source gas containing hydrogen and carbon monoxide is introduced from the gas inlet 23 of the reaction vessel 21.
また、本実施形態に係る燃料電池システムは、水素製造装置と燃料電池スタックを備え、例えば、図4の構成を備える。図4は本実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略図である。 Further, the fuel cell system according to the present embodiment includes a hydrogen production apparatus and a fuel cell stack, and includes, for example, the configuration of FIG. FIG. 4 is a schematic view showing an example of the fuel cell system of the present embodiment.
図4において、燃料タンク3内の燃料は燃料ポンプ4を経て脱硫器5に流入する。脱硫器5内には例えば銅−亜鉛系あるいはニッケル−亜鉛系の収着剤などを充填することができる。このとき、必要であれば改質器7の下流、シフト反応器9の下流、メタネーション反応器10の下流、およびアノードオフガスの少なくともいずれかからの水素含有ガスを添加できる。脱硫器5で脱硫された燃料は水タンク1から水ポンプ2を経た水と混合した後、気化器6に導入されて気化され、改質器7に送り込まれる。 In FIG. 4, the fuel in the fuel tank 3 flows into the desulfurizer 5 through the fuel pump 4. The desulfurizer 5 can be filled with, for example, a copper-zinc-based or nickel-zinc-based sorbent. At this time, if necessary, a hydrogen-containing gas from at least one of the downstream of the reformer 7, the downstream of the shift reactor 9, the downstream of the methanation reactor 10, and the anode off-gas can be added. The fuel desulfurized in the desulfurizer 5 is mixed with water from the water tank 1 through the water pump 2, introduced into the vaporizer 6, vaporized, and sent to the reformer 7.
改質器7に充填する触媒としてはニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系などの触媒を用いることができる。改質器7の反応管は燃料タンク3からの燃料およびアノードオフガスを燃料とするバーナー17により加温され、好ましくは350〜700℃の範囲に調節される。 As the catalyst filled in the reformer 7, a nickel-based, ruthenium-based, or rhodium-based catalyst can be used. The reaction tube of the reformer 7 is heated by a burner 17 using fuel from the fuel tank 3 and anode off gas as fuel, and is preferably adjusted to a range of 350 to 700 ° C.
このようにして製造された水素と一酸化炭素を含有する改質ガスは、シフト反応器9、メタネーション反応器10を順次通過させることで燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで一酸化炭素濃度が低減される。シフト反応器に用いる触媒の例としては、シフト反応器9には鉄−クロム系触媒および/あるいは銅−亜鉛系触媒が挙げられる。メタネーション反応器10には上記本実施形態の触媒が用いられる。 The reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide produced in this manner is passed through the shift reactor 9 and the methanation reactor 10 in order, so that the carbon monoxide does not affect the characteristics of the fuel cell. The concentration is reduced. As an example of the catalyst used in the shift reactor, the shift reactor 9 includes an iron-chromium catalyst and / or a copper-zinc catalyst. The methanation reactor 10 uses the catalyst of this embodiment.
固体高分子形燃料電池16はアノード11、カソード12、固体高分子電解質13からなり、アノード11側には上記の方法で得られた一酸化炭素濃度が低減された原料ガスが、カソード12側には空気ブロアー8から送られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後で導入される。このとき、アノード11では水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソード12では酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノード11には白金黒、活性炭担持のPt触媒あるいはPt−Ru合金触媒などが、カソード12には白金黒、活性炭担持のPt触媒などが用いられる。通常アノード11、カソード12の両触媒とも、必要に応じてポリテトラフルオロエチレン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。 The polymer electrolyte fuel cell 16 includes an anode 11, a cathode 12, and a solid polymer electrolyte 13. A raw material gas having a reduced carbon monoxide concentration obtained by the above method is provided on the anode 11 side. In this case, the air sent from the air blower 8 is introduced after appropriate humidification treatment if necessary. At this time, a reaction in which hydrogen gas becomes protons and emits electrons proceeds at the anode 11, and a reaction in which oxygen gas obtains electrons and protons to become water proceeds at the cathode 12. In order to promote these reactions, platinum black and Pt catalyst or Pt-Ru alloy catalyst supported on activated carbon are used for the anode 11, and platinum black and Pt catalyst supported on activated carbon are used for the cathode 12, respectively. In general, both the anode 11 and cathode 12 catalysts are formed into a porous catalyst layer together with polytetrafluoroethylene, a low molecular weight polymer electrolyte membrane material, activated carbon or the like as necessary.
次いでNafion(デュポン社製)、Gore(ゴア社製)、Flemion(旭硝子社製)、Aciplex(旭化成社製)等の商品名で知られる高分子電解質膜の両側に上述の多孔質触媒層を積層しMEA(Membrane Electrode Assembly)が形成される。さらにMEAを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷14はアノード11、カソード12と電気的に連結される。アノードオフガスはバーナー17において消費される。カソードオフガスは排気口15から排出される。 Next, the above-mentioned porous catalyst layer is laminated on both sides of a polymer electrolyte membrane known by a trade name such as Nafion (DuPont), Gore (Gore), Flemion (Asahi Glass), Aciplex (Asahi Kasei), etc. Then, a MEA (Membrane Electrode Assembly) is formed. Further, the fuel cell is assembled by sandwiching the MEA with a separator having a gas supply function, a current collecting function, particularly an important drainage function in the cathode, and the like made of a metal material, graphite, carbon composite and the like. The electric load 14 is electrically connected to the anode 11 and the cathode 12. The anode off gas is consumed in the burner 17. The cathode off gas is discharged from the exhaust port 15.
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited to these Examples.
[触媒調製]
(触媒A1、A2、A3、A4)
市販の粒子状のγ−アルミナ担体に、金属Ru量で0.5質量%の塩化ルテニウムを、競争吸着剤であるクエン酸水溶液を用いて担持し、乾燥により水分を除去した後、還元することでRu/Al2O3触媒(A1)を調製した。
ここで、競争吸着剤であるクエン酸水溶液の濃度を変えることで、Ruの担持深度、濃度分布を変えた触媒をそれぞれ、触媒A1、触媒A2、触媒A3、触媒A4とした。
(触媒B1)
金属Ru量が2質量%としたこと以外は上記触媒A1と同様にして調製された触媒を触媒B1とした。
(触媒A5、A6)
市販の粒子状のγ−アルミナ担体に、第1の工程において金属Ru量で0.25質量%の塩化ルテニウムを、競争吸着剤のクエン酸水溶液を用いて担持し、乾燥により水分を除去した。引き続き、第2の工程において金属Ru量で0.25重量%の塩化ルテニウムを含浸法で担持し、乾燥により水分を除去した後、還元することでRu/Al2O3触媒(A5)を調製した。
ここで、競争吸着剤であるクエン酸水溶液の濃度を変えることで、Ruの担持深度、濃度分布を変えた触媒をそれぞれ、触媒A5、触媒A6とした。
(触媒B2)
金属Ru量が2質量%としたこと以外は上記触媒A5と同様にして調製された触媒を触媒B2とした。
[Catalyst preparation]
(Catalysts A1, A2, A3, A4)
A commercially available particulate γ-alumina carrier is loaded with 0.5% by mass of ruthenium chloride in the form of a metal Ru using a citric acid aqueous solution as a competitive adsorbent, and after removing moisture by drying, it is reduced. A Ru / Al 2 O 3 catalyst (A1) was prepared.
Here, catalysts having different Ru loading depth and concentration distribution by changing the concentration of the citric acid aqueous solution, which is a competitive adsorbent, were designated as catalyst A1, catalyst A2, catalyst A3, and catalyst A4, respectively.
(Catalyst B1)
A catalyst prepared in the same manner as the catalyst A1 except that the amount of metal Ru was 2% by mass was designated as catalyst B1.
(Catalyst A5, A6)
In a first step, a commercially available particulate γ-alumina support was supported with ruthenium chloride having a metal Ru content of 0.25% by mass using a citric acid aqueous solution of a competitive adsorbent, and moisture was removed by drying. Subsequently, in the second step, Ru / Al 2 O 3 catalyst (A5) is prepared by supporting ruthenium chloride of 0.25 wt% in terms of metal Ru by impregnation method, removing moisture by drying, and then reducing. did.
Here, catalysts having different Ru loading depth and concentration distribution by changing the concentration of the citric acid aqueous solution as the competitive adsorbent were designated as catalyst A5 and catalyst A6, respectively.
(Catalyst B2)
A catalyst prepared in the same manner as the catalyst A5 except that the amount of metal Ru was 2% by mass was defined as catalyst B2.
(実施例1〜6、比較例1,2)
[メタネーション反応]
上記触媒を上述の図3に示す反応装置に充填し、前処理として、200℃で1時間水素還元を行った。
(Examples 1-6, Comparative Examples 1 and 2)
[Methanation reaction]
The above-mentioned catalyst was charged in the reaction apparatus shown in FIG. 3 and hydrogen reduction was performed at 200 ° C. for 1 hour as a pretreatment.
次に、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)を含む原料ガスを触媒層に供給し、原料ガス中の一酸化炭素のメタネーション反応を行った。反応条件は、GHSVを8,000h−1、反応温度(触媒層入口温度)を200〜240℃とした。また、原料ガス組成は、標準条件として、H2:55.5容量%、CO:5,000容量ppm、CO2:24容量%、H2O:20容量%とした。 Next, a raw material gas containing hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ) was supplied to the catalyst layer, and a methanation reaction of carbon monoxide in the raw material gas was performed. The reaction conditions were such that GHSV was 8,000 h −1 and the reaction temperature (catalyst layer inlet temperature) was 200 to 240 ° C. Further, the raw material gas composition, as standard conditions, H 2: 55.5% by volume, CO: 5,000 volume ppm, CO 2: 24 volume%, H 2 O: was 20 volume%.
上記の一酸化炭素のメタネーション反応において、反応開始から所定時間経過時に、触媒層下流端におけるガス組成の測定を行った。ガス分析にはTCDガスクロマトグラフィーを使用した。その結果を表1および表2に示す。 In the carbon monoxide methanation reaction, the gas composition at the downstream end of the catalyst layer was measured when a predetermined time had elapsed from the start of the reaction. TCD gas chromatography was used for gas analysis. The results are shown in Tables 1 and 2.
[EPMAを用いた線分析]
Ru担持深度を制御した触媒である触媒A1〜A4、触媒B1について、触媒の径方向に沿った平面で触媒を切断したときの断面を、EPMAを用いた線分析により測定した。触媒A1の結果を図5に、触媒A2の結果を図6に、触媒B1の結果を図7に、触媒A3の結果を図8に、触媒A4の結果を図9に、それぞれ示す。これらの図における横軸は、触媒の径方向の相対位置(%)を示している。ここで、「径方向の相対位置」とは、触媒の径方向に沿った、半径に対する触媒の最表面位置から所定の位置までの距離の比率を百分率(%)で表した値をいい、触媒の最表面位置が0(%)、中心位置が100(%)である。また、縦軸は、所定の相対位置でのルテニウム濃度の強度を示している。
[Line analysis using EPMA]
Regarding the catalysts A1 to A4 and the catalyst B1 which are catalysts with controlled Ru loading depth, the cross section when the catalyst was cut along a plane along the radial direction of the catalyst was measured by line analysis using EPMA. FIG. 5 shows the results of catalyst A1, FIG. 6 shows the results of catalyst A2, FIG. 7 shows the results of catalyst B1, FIG. 8 shows the results of catalyst A3, and FIG. 9 shows the results of catalyst A4. The horizontal axis in these figures indicates the relative position (%) in the radial direction of the catalyst. Here, the “relative position in the radial direction” refers to a value expressed as a percentage (%) of the ratio of the distance from the outermost surface position of the catalyst to a predetermined position along the radial direction of the catalyst with respect to the radius. The outermost surface position is 0 (%) and the center position is 100 (%). The vertical axis represents the intensity of ruthenium concentration at a predetermined relative position.
径方向へのRuの濃度分布を制御した触媒である触媒A5、触媒A6、触媒B2について、触媒の径方向に沿った平面で触媒を切断したときの断面を、EPMAを用いた線分析により測定した。触媒A5の結果を図10に、触媒B2の結果を図11に、触媒A6の結果を図12にそれぞれ示す。 For catalyst A5, catalyst A6, and catalyst B2, which are catalysts in which the concentration distribution of Ru in the radial direction is controlled, the cross section when the catalyst is cut along a plane along the radial direction of the catalyst is measured by line analysis using EPMA did. FIG. 10 shows the result of the catalyst A5, FIG. 11 shows the result of the catalyst B2, and FIG. 12 shows the result of the catalyst A6.
上記EPMAを用いた線分析を行った結果に基づいて、触媒A1〜A6、触媒B1〜B2のX(Ru)、およびY1/Y2を算出した。その結果を表1および表2に示す。 Based on the results of the line analysis using the EPMA, X (Ru) and Y1 / Y2 of the catalysts A1 to A6 and the catalysts B1 to B2 were calculated. The results are shown in Tables 1 and 2.
表1、2から明らかであるように、実施例1〜6では、いずれもメタネーション反応を行ったときの一酸化炭素の転化率が95%以上であり、かつH2濃度(wetベース)が54容量%以上である。一方、比較例1ではCO転化率が不十分であり、比較例2ではH2濃度が低い。 As is clear from Tables 1 and 2, in each of Examples 1 to 6, the conversion rate of carbon monoxide when the methanation reaction was performed was 95% or more, and the H 2 concentration (wet basis) was 54% or more by volume. On the other hand, in Comparative Example 1, the CO conversion rate is insufficient, and in Comparative Example 2, the H 2 concentration is low.
1…水タンク、2…水ポンプ、3…燃料タンク、4…燃料ポンプ、5…脱硫器、6…気化器、7…改質器、8…空気ブロアー、9…シフト反応器、10…メタネーション反応器、11…アノード、12…カソード、13…固体高分子電解質、14…電気負荷、15…排気口、16…固体高分子形燃料電池、17…加温用バーナー、21…反応容器、22…触媒層、23…ガス導入口、24…ガス排出口、25…ヒータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Water tank, 2 ... Water pump, 3 ... Fuel tank, 4 ... Fuel pump, 5 ... Desulfurizer, 6 ... Vaporizer, 7 ... Reformer, 8 ... Air blower, 9 ... Shift reactor, 10 ... Meta Nation reactor, 11 ... anode, 12 ... cathode, 13 ... solid polymer electrolyte, 14 ... electric load, 15 ... exhaust port, 16 ... solid polymer fuel cell, 17 ... heating burner, 21 ... reaction vessel, 22 ... catalyst layer, 23 ... gas inlet, 24 ... gas outlet, 25 ... heater.
Claims (4)
前記触媒は、アルミナを含む担体と該担体に担持された0.3〜3質量%のルテニウムとを含有し、かつ径方向に沿った触媒断面における径方向のルテニウムの相対担持深度X(Ru)が下記式(1)で表される条件を満たし、
前記担体が球状又は円柱状の形状を有する、一酸化炭素濃度の低減方法。
25≦X(Ru)≦50 …(1)
[式中、X(Ru)は、触媒断面の半径に対するルテニウムの担持深度の比率(%)を示し、前記ルテニウムの担持深度とは、触媒の径方向に対して、触媒の最表面からルテニウムが存在する所定の位置までの距離を示し、前記ルテニウムが存在する所定の位置とは、EPMAを用いた線分析により、ルテニウム濃度が最大値を示す位置における強度に対して、その強度の1%の強度を示す位置をいう。] A method for reducing the concentration of carbon monoxide, comprising bringing a source gas containing hydrogen and carbon monoxide into contact with a catalyst to reduce carbon monoxide in the source gas by methanation,
The catalyst contains a support containing alumina and 0.3 to 3% by mass of ruthenium supported on the support, and the relative support depth X (Ru) of ruthenium in the radial direction in the cross section of the catalyst along the radial direction. There meets the condition represented by the following formula (1),
A method for reducing a carbon monoxide concentration, wherein the carrier has a spherical or cylindrical shape .
25 ≦ X (Ru) ≦ 50 (1)
Wherein, X (Ru), the ratio of ruthenium supported depth to the radius of the catalyst section of (%) shows the A ruthenium supported depth, with respect to the radial direction of the catalyst, the ruthenium from the outermost surface of the catalyst The predetermined position where ruthenium exists is 1% of the intensity relative to the intensity at the position where the ruthenium concentration shows the maximum value by line analysis using EPMA. The position which shows the intensity | strength of . ]
2≦Y1/Y2≦10 …(3) The catalyst has Y1 at the position where the intensity of the ruthenium concentration shows the maximum value with respect to the radial direction in the cross section of the catalyst along the radial direction, P1 at the position showing 5% of the intensity of Y1, and the outermost surface of the catalyst. When the position is P0 and the intermediate point between P0 and P1 is Pm, the maximum intensity Y2 of the ruthenium concentration in the region from Pm to P1 and the catalyst satisfying the condition represented by the following formula (3), Y1. The method for reducing the carbon monoxide concentration according to claim 1.
2 ≦ Y1 / Y2 ≦ 10 (3)
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