JP6334161B2 - Hydrogen catalyst material - Google Patents
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Description
本発明は、水素触媒部材に関する。 The present invention relates to a hydrogen catalyst member.
近年、安全性、運搬性及び貯蔵能力に優れた水素貯蔵方法として、シクロヘキサンやデカリンのような炭化水素を用いた有機ハイドライドシステムが注目されている。これらの炭化水素は、常温で液体であるため、運搬性に優れている。 In recent years, an organic hydride system using hydrocarbons such as cyclohexane and decalin has attracted attention as a hydrogen storage method excellent in safety, transportability and storage capacity. Since these hydrocarbons are liquid at room temperature, they are excellent in transportability.
例えば、ベンゼンとシクロヘキサンは同じ炭素数を有する環状炭化水素であるが、ベンゼンは炭素同士の結合が二重結合である不飽和炭化水素であるのに対し、シクロヘキサンは二重結合を持たない飽和炭化水素である。そのため、水素触媒部材を使用すると、ベンゼンの水素付加反応によりシクロヘキサンが得られ、シクロヘキサンの脱水素反応によりベンゼンが得られる。すなわち、これらの炭化水素の水素付加と脱水素反応を利用することにより、水素の貯蔵とその供給が可能となる。 For example, benzene and cyclohexane are cyclic hydrocarbons having the same carbon number, but benzene is an unsaturated hydrocarbon in which the bonds between carbons are double bonds, whereas cyclohexane is a saturated hydrocarbon having no double bonds. Hydrogen. Therefore, when a hydrogen catalyst member is used, cyclohexane is obtained by the hydrogenation reaction of benzene, and benzene is obtained by the dehydrogenation reaction of cyclohexane. That is, hydrogen can be stored and supplied by utilizing hydrogenation and dehydrogenation of these hydrocarbons.
ところで、特許文献1には、通電で、アルミニウムの箔の表面を陽極酸化により多孔質酸化膜にし、それに金属触媒を担持した水素触媒部材において、エンボス加工によりこの箔の表面に間欠で円形の凸部を設けるか、または、波状の箔に平面箔を積層して巻回する方法が提案されている。
By the way, in
アルミニウムの箔を使用した水素触媒部材を積層または巻回して反応管に封入する場合であって、箔の表面積を増加させるために、エッチングによる方法により、孔食によるミクロンオーダーの穴径で、箔の両面から中心近くまでのトンネル状の穴(エッチングピット)をミクロンオーダーの間隔で複数設け、それに加えて、箔の表面積をより増加させるために、特許文献1のように、箔のピット内も含め表面を陽極酸化により多孔質酸化膜を形成した場合、陽極酸化が素材金属そのものを酸化する方法であって、形状が穴であるために、ある程度の奥行きが必要で、陽極酸化により箔の表面積を増加させようとすると、エッチングピット周辺部分がほとんど酸化されてしまう。そのため、箔間に空間を設けるために、箔に凸形状を設けようとして箔を変形させると、変形により箔にわれが発生しやすくなる。特に長尺ものを連続的に製造しようとすると、箔切れをおこしやすい。 When a hydrogen catalyst member using aluminum foil is stacked or wound and sealed in a reaction tube, the foil surface area of the foil is increased by a method by etching, with a hole diameter of micron order by pitting corrosion, in order to increase the surface area of the foil. In order to further increase the surface area of the foil, a plurality of tunnel-like holes (etching pits) from both sides to the vicinity of the center are provided at intervals of a micron order. In the case where a porous oxide film is formed by anodic oxidation on the surface, the anodic oxidation is a method of oxidizing the material metal itself, and since the shape is a hole, a certain amount of depth is required. If an attempt is made to increase the etching pit, the peripheral portion of the etching pit is almost oxidized. Therefore, if the foil is deformed so as to provide a convex shape on the foil in order to provide a space between the foils, the deformation tends to cause cracks in the foil. In particular, when trying to continuously manufacture a long product, it is easy to break the foil.
本発明は、上記の課題を解決するためのもので、長尺ものを連続的に製造しようとしても、箔切れを起こさない水素触媒部材を提供するものである。
The present invention is intended to solve the above-described problems, and provides a hydrogen catalyst member that does not cause a foil break even when a long product is continuously manufactured.
本発明は、上記の課題を解決するために、下記の水素反応装置を提供するものである。
(1)金属触媒が担持されたアルミニウムの箔を使用し積層または巻回した水素触媒部材にあって、前記箔を変形して形成した凸形状のスペーサを有する水素触媒部材において、前記アルミニウムの箔は、孔食によるエッチングピットを有し、そのエッチングピット間のアルミニウム金属部分を残していて、その表面に羽毛状のγ―アルミナ層を有していることを特徴とした水素触媒部材。
(2)上記(1)において、前記凸形状の高さは、200μmから2000μmであることを特徴とした請求項1の水素触媒部材。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following hydrogen reaction apparatus.
(1) In a hydrogen catalyst member laminated or wound using an aluminum foil carrying a metal catalyst, the hydrogen catalyst member having a convex spacer formed by deforming the foil, the aluminum foil Is a hydrogen catalyst member characterized by having etching pits due to pitting corrosion, leaving an aluminum metal portion between the etching pits, and having a feather-like γ-alumina layer on the surface thereof.
(2) In the above (1), the height of the convex shape is 200 μm to 2000 μm.
本発明によれば、アルミニウムの箔を使用した水素触媒部材を積層または巻回して封入する場合であって、箔間に空間を設けるために、箔を変形して形成した凸形状を有し、また、箔の表面積を増加させるために、エッチングピットを有する水素触媒部材において、エッチングピット間のアルミニウム金属部分を残していて、その表面に羽毛状のγ―アルミナ層を有しているために、高表面積を維持しながら、長尺ものを連続的に製造しようとしても、箔切れを起こしにくい水素触媒部材を提供することができる。
According to the present invention, when a hydrogen catalyst member using an aluminum foil is laminated or wound and sealed, in order to provide a space between the foils, it has a convex shape formed by deforming the foil, In addition, in order to increase the surface area of the foil, in the hydrogen catalyst member having etching pits, the aluminum metal portion between the etching pits is left and the surface has a feathery γ-alumina layer. Even if it tries to manufacture a long thing continuously, maintaining a high surface area, the hydrogen catalyst member which does not raise | generate a foil break easily can be provided.
本発明に述べる金属触媒は、水素触媒用の金属で、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄などの金属及びこれらの合金を用いることができる。
金属触媒を担持する方法は、触媒金属をコロイド状に分散した液などに浸漬したり、金属触媒を無電解めっきしたりして行う。
The metal catalyst described in the present invention is a metal for a hydrogen catalyst, including metals such as nickel, palladium, platinum, rhodium, iridium, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, vanadium, osmium, chromium, cobalt, iron, and alloys thereof. Can be used.
The method for supporting the metal catalyst is carried out by immersing the catalyst metal in a colloidal dispersion or by electroless plating of the metal catalyst.
本発明のアルミニウムの箔は、変形可能なアルミニウムの箔で、金属触媒が担持される。その厚さは、ロール状に巻き取れる範囲の厚さのものを使用する。たとえば、アルミニウム箔は数μmから数100μmで、20μmから200μm程度の工業的に生産されているものを利用できる。
また、純度は99.2%以上で、マンガン、鉄、マグネシウム、シリコン、銅、または鉛等を添加したものが使用できる。それらの添加物は、アルミニウムの強度またはエッチング性を改善することができる。
箔の表面形状として箔にエッチングによるミクロンオーダーの穴径の、トンネル状に粗面化した穴(エッチングピット)の構造を設けて、反応表面積を拡大させる。
エッチング処理は、塩酸などの塩素を含む溶液中に浸漬して化学溶解または電気化学反応により行う。エッチング性は全面腐食よりも特に孔食がおきやすいように、鉄、銅、鉛等の添加量を調節する。それらの添加量は1ppmから100ppm程度が好ましい。また、圧延、焼鈍等により結晶方位が揃えられるほうが、孔食が箔内部にまっすぐ伸びるので触媒作用の点で好ましい。
通常この場合のエッチングピットの穴径は、おおよそ大部分が0.2μmから2μm程度となる。エッチングピットの長さは、箔厚の40%から45%とする。また、エッチングピット間の残こったアルミニウム金属部分の幅は、平均で0.3μmから3μm程度が好ましい。より好ましくは平均で0.4μmから2μm程度となる。
0.3μm以下だと長尺ものを連続的に製造しようとすると箔切れを起こしやすい。3μmよりも大きいと、エッチングピットの数が少なくなり反応表面積が低下しやすい。
The aluminum foil of the present invention is a deformable aluminum foil on which a metal catalyst is supported. The thickness of the range of the range which can be wound up in roll shape is used. For example, an aluminum foil having an industrial production of about several μm to several hundred μm and about 20 μm to 200 μm can be used.
Further, the purity is 99.2% or more, and a material added with manganese, iron, magnesium, silicon, copper, lead or the like can be used. These additives can improve the strength or etchability of the aluminum.
As the surface shape of the foil, a structure of holes (etching pits) roughened in a tunnel shape having a hole diameter of micron order by etching is provided on the foil to increase the reaction surface area.
The etching process is performed by chemical dissolution or electrochemical reaction by immersing in a solution containing chlorine such as hydrochloric acid. For the etching property, the amount of iron, copper, lead or the like is adjusted so that pitting corrosion is more likely to occur than the overall corrosion. Their addition amount is preferably about 1 ppm to 100 ppm. In addition, it is preferable that the crystal orientation is aligned by rolling, annealing, or the like because pitting corrosion extends straight into the foil.
Usually, the hole diameter of the etching pits in this case is approximately 0.2 μm to 2 μm. The length of the etching pit is 40% to 45% of the foil thickness. Further, the width of the remaining aluminum metal portion between the etching pits is preferably about 0.3 μm to 3 μm on average. More preferably, the average is about 0.4 μm to 2 μm.
When it is 0.3 μm or less, it is easy to cause a foil break when trying to continuously manufacture a long product. When it is larger than 3 μm, the number of etching pits is reduced and the reaction surface area is likely to be lowered.
本発明のγ―アルミナ層は、エッチングピットの表面を含むアルミニウムの箔の表面を酸化させた膜層で、羽毛状に突き出た形状になっている。γ―アルミナ層には疑似γ結晶構造も含まれる。
エッチングピット間のアルミニウム金属部分を残して設ける。アルミニウム金属部分を多く残すことにより、より箔強度が得られるだけではなく、熱伝導の点でも好ましくなる。
γ―アルミナ層の厚さは、0.1μmから1μm程度となる。好ましくは0.2μmから0.5μm程度とする。
γ―アルミナ層は、一般的にベーマイト処理後焼成処理により得られる。また、ベーマイト処理の前に、シュウ酸等による陽極酸化によりアルマイト処理を行う。エッチングピット内の表面も多孔膜となり、表面積が増加するのでその点で好ましい。なお、アルマイトの厚さは、エッチングピット間の残こったアルミニウムの幅にもよるが、残こったアルミニウムの幅が平均で1μm程度の場合、厚くても0.2μm以下となる。
The γ-alumina layer of the present invention is a film layer obtained by oxidizing the surface of an aluminum foil including the surface of etching pits, and has a shape protruding in a feather shape. The γ-alumina layer also includes a pseudo γ crystal structure.
An aluminum metal portion between the etching pits is left and provided. By leaving a large amount of the aluminum metal portion, not only the foil strength can be obtained, but also in terms of heat conduction.
The thickness of the γ-alumina layer is about 0.1 μm to 1 μm. Preferably, it is about 0.2 μm to 0.5 μm.
The γ-alumina layer is generally obtained by baking after boehmite treatment. Further, before the boehmite treatment, alumite treatment is performed by anodic oxidation with oxalic acid or the like. The surface in the etching pit is also a porous film, which increases the surface area, which is preferable in that respect. The thickness of the alumite depends on the width of the remaining aluminum between the etching pits. However, when the remaining aluminum has an average width of about 1 μm, the thickness is 0.2 μm or less.
ベーマイト処理は、アルミニウムの箔の表面に、羽毛状水酸化アルミニウムを形成させることが目的であり、pH6からpH8、好ましくはpH7からpH8の水中で行い、大気圧下であれば90〜100℃で、温度が高いほどまた時間をかけるほど厚くなる。また加圧容器を使用し100℃以上とすれば処理時間を短縮できる。
焼成処理は、ベーマイト膜をγ―アルミナに転化させて、羽毛状のγ―アルミナを得ることが目的であり、通常は300℃から550℃で0.1時間から5時間程度行う。
The boehmite treatment is intended to form feathered aluminum hydroxide on the surface of the aluminum foil, and is performed in water at pH 6 to pH 8, preferably pH 7 to pH 8, and at 90 to 100 ° C. under atmospheric pressure. The higher the temperature, the thicker the time. Moreover, if a pressurized container is used and the temperature is 100 ° C. or higher, the processing time can be shortened.
The purpose of the baking treatment is to obtain a feathery γ-alumina by converting the boehmite film to γ-alumina, and is usually performed at 300 to 550 ° C. for about 0.1 to 5 hours.
本発明の水素触媒部材は、低級炭化水素の直接分解装置に関し、とくにメタン(CH4)等の低級炭化水素を触媒との接触により炭素と水素とに直接分解する装置、メタノール又はLPG、天然ガスなどの炭化水素燃料の一部を改質触媒コンバータによって水素を生成する水素発生装置、または炭化水素の水素付加と脱水素反応を利用することにより、水素の貯蔵とその供給を行う有機ハイドライドシステム等に使用できる。 The hydrogen catalyst member of the present invention relates to an apparatus for directly decomposing lower hydrocarbons, particularly an apparatus for directly decomposing lower hydrocarbons such as methane (CH4) into carbon and hydrogen by contact with a catalyst, methanol or LPG, natural gas, etc. A hydrogen generator that generates hydrogen from a part of the hydrocarbon fuel using a reforming catalytic converter, or an organic hydride system that stores and supplies hydrogen by using hydrogen addition and dehydrogenation of hydrocarbons Can be used.
箔を変形して形成した凸形状を得る方法は、たとえばエンボスロールによる型付けのローラーを使用した突き出し加工、または箔の全体を変形した波状加工など、特に限定なく利用できる。なお、凸形状を得る加工は、金属触媒を担持した後でも加工ができる。
凹凸加工の高さは、箔間の目的の通気性を得る大きさで、200μmから2000μmの高さのものを使用する。好ましくは300μmから1000μmの高さとする。
200μmよりも小さいと通気性が阻害されやすい。2000μmよりも大きいと小型になりづらいし加工が困難となる。
凸部の間隔は、特に積層同士の凸部が重ならないように設ける。
巻回する方法は、断面が円形、楕円形、長円形に巻回もの、または円形に巻回ものをつぶして長円形にしたもの、場合によってはつづら折りにしたものなど、挿入する反応容器に合わせて行う。
A method for obtaining a convex shape formed by deforming a foil can be used without any particular limitation, such as an extruding process using a molding roller by an embossing roll, or a corrugated process in which the entire foil is deformed. The processing for obtaining the convex shape can be performed even after the metal catalyst is supported.
The height of the concavo-convex process is such a size as to obtain the desired air permeability between the foils, and a height of 200 μm to 2000 μm is used. The height is preferably 300 μm to 1000 μm.
If it is smaller than 200 μm, the air permeability tends to be hindered. If it is larger than 2000 μm, it is difficult to reduce the size and processing becomes difficult.
The interval between the convex portions is provided so that the convex portions between the stacked layers do not overlap each other.
The method of winding is to match the reaction vessel to be inserted, such as a circular, elliptical, oval cross-section, or a circular shape obtained by crushing a circular shape into an oval shape, or in some cases a zigzag folded shape. Do it.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、金属触媒を担持するまえの水素触媒部材の拡大した概略断面図を示している。アルミニウムの箔1には、エッチングにより、両表面から内部に向かって、孔食によるミクロンオーダーの穴径でトンネル状の穴であるエッチングピット2がミクロンオーダーの間隔で複数設けられている。そして、エッチングピット2間には、ミクロンオーダーの幅でアルミニウム金属部分を残していて、アルミニウムの箔1の中央部分のアルミニウム金属部分と一体となっている。エッチングピット2を含む表面には、シュウ酸等による陽極酸化により、サブミクロンオーダー厚さの多孔質のアルマイト処理層3を設けている。そして、そのアルマイト処理層3の表面には、羽毛状のγ―アルミナ層4を設けている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an enlarged schematic cross-sectional view of a hydrogen catalyst member before carrying a metal catalyst. The
図2は、箔を変形して形成する凸形状として、アルミニウムの箔1にエンボス加工する場合を示していて、巻回途中の水素触媒部材を示している。アルミニウムの箔1にエンボス加工により凸変形部5を設けることにより、巻回でアルミニウム箔1同士の密着を防止し反応前後の物質(水素媒体や水素)の流れを円滑化している。
アルミニウムの箔1をコイル状に巻回すると、容器断面形状が円筒の場合、収納が容易である。
FIG. 2 shows a case where the
When the
図3は、箔を変形して形成する凸形状として波状としたアルミニウムの箔1aに、平面のアルミニウムの箔1bを積層して巻回した水素触媒部材を示している。波状加工の形状は、波状曲線でも山形直線でもまたその中間でもよい。
FIG. 3 shows a hydrogen catalyst member obtained by laminating and winding a
以下、本発明の水素触媒部材の製造方法を実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the method for producing a hydrogen catalyst member of the present invention will be described based on examples.
(実施例1)
まず、120μmのアルミニウムの箔を、塩酸水溶液中に浸漬して、液温80℃で、6分間連続的にエッチングし、平均直径が0.9μm、平均深さが52μmのエッチングピットを両面に全面で得た。次に、シュウ酸溶液中で、陽極酸化法により多孔質酸化膜層を形成し、その後その細孔を拡大した。次に、沸騰水中でボイル後、450℃で30分間加熱して、表面が羽毛状のγ―アルミナ層を得た。このときエッチングピット間の残こったアルミニウム金属部分の幅は、平均で0.5μmであった。
次に、その処理した箔を脱水素用の白金触媒をコロイド状に分散した液に浸漬し、白金触媒を担持した。
次に、連続的にエンボスロールによる型付けのローラーを使用した凸状変形加工を行った。凸状変形加工は、高さが平均で310μm、直径が1.5mm、間隔が7mmから12mmのランダムであった。次に、水素反応容器の形状に合わせて、図2に示すように、その担持した箔を巻軸に巻回してコイルとし、水素触媒部材を得た。
Example 1
First, a 120 μm aluminum foil is immersed in a hydrochloric acid aqueous solution and continuously etched at a liquid temperature of 80 ° C. for 6 minutes. Etching pits having an average diameter of 0.9 μm and an average depth of 52 μm are formed on both surfaces. Got in. Next, a porous oxide film layer was formed by an anodic oxidation method in an oxalic acid solution, and then the pores were enlarged. Next, after boiling in boiling water, heating was performed at 450 ° C. for 30 minutes to obtain a γ-alumina layer having a feathery surface. At this time, the width of the aluminum metal portion remaining between the etching pits was 0.5 μm on average.
Next, the treated foil was immersed in a colloidally dispersed platinum catalyst for dehydrogenation to carry the platinum catalyst.
Next, the convex-shaped deformation process which used the roller of the shaping | molding by an embossing roll continuously was performed. The convex deformation process was random with an average height of 310 μm, a diameter of 1.5 mm, and an interval of 7 mm to 12 mm. Next, in accordance with the shape of the hydrogen reaction vessel, as shown in FIG. 2, the supported foil was wound around a winding shaft to form a coil to obtain a hydrogen catalyst member.
(実施例2)
まず、110μmのアルミニウムの箔を、塩酸水溶液中に浸漬して、液温80℃で、6分間連続的にエッチングし、平均直径が0.8μm、平均深さが50μmのエッチングピットを両面に全面で得た。次に、沸騰水中でボイル後、450℃で30分間加熱して、表面が羽毛状のγ―アルミナ層を得た。このときエッチングピット間の残こったアルミニウム金属部分の幅は、平均で0.6μmであった。
次に、その処理した箔を脱水素用の白金触媒をコロイド状に分散した液に浸漬し、白金触媒を担持した。
次に、上記の箔を二つに分け、図3に示すように、一方には連続的に波状加工を行った。波状加工の凹凸の高さは、平均で1mm程度の高さとした。
次に、水素反応容器の形状に合わせて、その担持した波状加工箔ともう一方の平面箔とを重ねて巻回してコイルとし、水素触媒部材を得た。
(Example 2)
First, a 110 μm aluminum foil is immersed in an aqueous hydrochloric acid solution and continuously etched at a liquid temperature of 80 ° C. for 6 minutes. Got in. Next, after boiling in boiling water, heating was performed at 450 ° C. for 30 minutes to obtain a γ-alumina layer having a feathery surface. At this time, the width of the remaining aluminum metal portion between the etching pits was 0.6 μm on average.
Next, the treated foil was immersed in a colloidally dispersed platinum catalyst for dehydrogenation to carry the platinum catalyst.
Next, said foil was divided into two, and as shown in FIG. 3, one side was continuously waved. The height of the corrugations of the corrugated processing was about 1 mm on average.
Next, in accordance with the shape of the hydrogen reaction vessel, the supported corrugated processed foil and the other flat foil were overlapped and wound into a coil to obtain a hydrogen catalyst member.
1…アルミニウムの箔、2…エッチングピット、3…アルマイト処理層、4…γ―アルミナ層、5…凸変形部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記アルミニウムの箔の前記エッチング処理を行った表面に対し、ベーマイト処理を行い、さらに焼成処理を行う工程(b)と、A step (b) of performing a boehmite treatment on the surface of the aluminum foil subjected to the etching treatment, and further performing a firing treatment;
前記アルミニウムの箔の前記焼成処理を行った表面に対し、金属触媒を担持する工程(c)と、A step (c) of supporting a metal catalyst on the surface of the aluminum foil subjected to the baking treatment;
前記焼成処理を行った前記アルミニウムの箔を変形して凸形状を形成する工程(d)と、A step (d) of forming a convex shape by deforming the aluminum foil subjected to the baking treatment;
前記工程(a)〜工程(d)により得られるアルミニウムの箔を使用し、積層または巻回した水素触媒部材を得る工程(e)と、を備え、Using the aluminum foil obtained by the steps (a) to (d), obtaining a hydrogen catalyst member laminated or wound, and (e),
前記工程(a)〜工程(d)により得られる前記アルミニウムの箔は、前記エッチングピット間にアルミニウム金属部分を残している、水素触媒部材の製造方法。The method for producing a hydrogen catalyst member, wherein the aluminum foil obtained by the steps (a) to (d) leaves an aluminum metal portion between the etching pits.
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