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JP7669031B2 - Biogas carbon dioxide reforming catalyst, its manufacturing method, and hydrogen production device using the same - Google Patents
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Description

本発明は、バイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒、その製造方法、および、それを用いた水素製造装置に関する。 The present invention relates to a catalyst for reforming biogas into carbon dioxide (CO 2 ), a method for producing the same, and a hydrogen production device using the same.

温室効果ガスの排出を全体としてゼロにする脱炭素社会・カーボンニュートラルの目標を達成するには、現在の化石燃料依存から脱出し、バイオマスなどのあらゆる再生可能なエネルギー資源をベースにした持続可能なエネルギー供給システムの構築が必要不可欠となる。 To achieve the goal of a decarbonized, carbon-neutral society in which greenhouse gas emissions are reduced to zero overall, it is essential to move away from our current reliance on fossil fuels and build a sustainable energy supply system based on all renewable energy resources, including biomass.

近年、メタン発酵技術を利用したウェット系バイオマスの利活用プロジェクトが数多く実施されているが、生成されたバイオガス(主にメタンと二酸化炭素を含有する。典型的な組成:メタン60%、二酸化炭素40%)の利用のほとんどが、CO放出を伴う熱効率の低い直接燃焼や発電に限られている。 In recent years, many projects have been carried out to utilize wet biomass using methane fermentation technology, but most of the use of the generated biogas (which contains mainly methane and carbon dioxide; typical composition: 60% methane, 40% carbon dioxide) is limited to direct combustion or power generation, which are low thermal efficiency and involve CO2 emissions.

最近、バイオガスの水素エネルギー変換技術の研究開発が始まっているが、その内容は、バイオガス中のCOを分離除去しており、メタンのみの利用にとどまっている(例えば、特許文献1を参照)。このため、COを有効利用してバイオガスの水素エネルギーへの変換技術を確立できれば、バイオガスの水素への転換の大幅なコストダウンと、最大のCO削減効果が得られる。 Recently, research and development of technology to convert biogas into hydrogen energy has begun, but the content of the technology is limited to the separation and removal of CO2 from biogas, and only methane is used (see, for example, Patent Document 1). Therefore, if a technology to convert biogas into hydrogen energy by effectively using CO2 could be established, it would be possible to significantly reduce the cost of converting biogas into hydrogen and achieve the greatest CO2 reduction effect.

一方、メタンから種々の触媒を用いて合成ガスを製造する技術がされている(例えば、特許文献2、非特許文献1を参照)。特許文献2によれば、ニッケル箔ハニカム構造体にニッケル、ニッケル-レニウム合金、ニッケル-ルテニウム合金の金属活性層を備えた触媒を用いた、メタンの水蒸気改質(CH+HO=3H+CO)を報告する。しかしながら、特許文献2の触媒をバイオガスの改質に用いた報告はない。 Meanwhile, there are technologies for producing synthetic gas from methane using various catalysts (see, for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1). Patent Document 2 reports steam reforming of methane ( CH4 + H2O = 3H2 + CO) using a catalyst equipped with a metal active layer of nickel, nickel-rhenium alloy, or nickel-ruthenium alloy on a nickel foil honeycomb structure. However, there are no reports of using the catalyst of Patent Document 2 for reforming biogas.

非特許文献1によれば、ステンレス製ハニカム構造体に多孔質アルミナ層と細孔にニッケル粒子とを備えたニッケル基ハニカム触媒を用いた、メタンのCO改質(ドライリフォーミング、CH+CO=2H+2CO)を報告する。 Non-Patent Document 1 reports on the CO2 reforming of methane (dry reforming, CH4 +CO2= 2H2 +2CO) using a nickel-based honeycomb catalyst having a stainless steel honeycomb structure with a porous alumina layer and nickel particles in the pores .

メタンのCO改質は、バイオガス中のCOを利用したCO改質と同様の反応式であるが、メタンのCO改質において、炭素析出による触媒劣化、それによる反応管の閉塞が問題となっていた。また、通常メタンのCO改質におけるメタンは天然ガス由来、COは火力発電由来であり、バイオガスのCO改質とは反応ガス由来源が異なっている。さらに、メタンのCO改質反応式におけるメタン/COの化学量論比は1であるが、バイオガスのCO改質では、同様の反応式であっても、バイオガスのメタン/COの化学量論比はおよそ1.5である。このように類似した反応であっても、バイオガスのCO改質において、メタンのCO改質に用いる触媒を必ずしも適用できるものではない。 The CO2 reforming of methane has a reaction formula similar to that of CO2 reforming using CO2 in biogas, but in the CO2 reforming of methane, catalyst deterioration due to carbon deposition and the resulting blockage of the reaction tube have been problems. In addition, methane in the CO2 reforming of methane usually comes from natural gas, and CO2 comes from thermal power generation, and the reaction gas origin is different from that in the CO2 reforming of biogas. Furthermore, the stoichiometric ratio of methane/ CO2 in the CO2 reforming reaction formula of methane is 1, but in the CO2 reforming of biogas, even though the reaction formula is similar, the stoichiometric ratio of methane/ CO2 of biogas is about 1.5. Even though the reactions are similar, the catalyst used in the CO2 reforming of methane cannot necessarily be applied to the CO2 reforming of biogas.

特開2017-206402号公報JP 2017-206402 A 特開2002-028490号公報JP 2002-028490 A

Choji Fukuharaら,Applied Catalysis A: General,468,2013,18-25Choji Fukuhara et al., Applied Catalysis A: General, 468, 2013, 18-25

本発明の課題は、バイオガスのCOを除去することなく水素製造するためのバイオガスCO改質触媒、その製造方法およびそれを用いた水素製造装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a biogas CO2 reforming catalyst for producing hydrogen without removing CO2 from biogas, a production method thereof, and a hydrogen production device using the same.

本発明のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒は、金属箔からなるハニカム構造体と、前記ハニカム構造体に担持された金属粒子からなる金属活性層とを備え、前記金属粒子は、少なくともニッケル(Ni)を含み、これにより上記課題を解決する。
前記金属粒子は、レニウム(Re)、セリウム(Ce)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、オスミウム(Os)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ランタン(La)、マグネシウム(Mg)、カルシュウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、および、銅(Cu)からなる群から少なくとも1つ選択されるさらなる金属元素を含んでよい。
前記さらなる金属元素は、Reおよび/またはCeであってもよい。
前記金属粒子は、NiとReまたはCeとからなり、前記Niは、10wt%以上80wt%以下の範囲であり、前記ReまたはCeは、20wt%以上90wt%以下の範囲であってもよい。
前記Niは、45wt%以上60wt%以下の範囲であり、前記ReまたはCeは、40wt%以上55wt%以下の範囲であってもよい。
前記金属粒子は、NiとReとCeとを含み、前記Niは、10wt%以上75wt%以下の範囲であり、前記Reは、5wt%以上40wt%以下の範囲であり、前記Ceは、0.5wt%以上50wt%以下の範囲であってもよい。
前記Niは、25wt%以上35wt%以下の範囲であり、前記Reは、25wt%以上35wt%以下の範囲であり、前記Ceは、25wt%以上35wt%以下の範囲であってもよい。
前記金属粒子は、1nm以上500nm以下の範囲の粒径を有してもよい。
前記金属粒子は、10nm以上200nm以下の範囲の粒径を有してもよい。
前記金属箔は、ニッケルまたはニッケル基合金、鉄基合金、または、ステンレスであってもよい。
前記ハニカム構造体は、400セル数/in以上2500セル数/in以下のセル密度を有してもよい。
本発明のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒の製造方法は、金属箔からなるハニカム構造体を、ニッケル(Ni)の強酸塩溶液に含侵させ、前記ハニカム構造体の細孔表面にNiの強酸塩粉末層を形成することと、前記強酸塩粉末層を熱分解することで、前記Niの酸化物粒子層を形成することと、前記酸化物粒子層を還元することで、Niを含有する金属粒子からなる金属活性層を形成することとを包含、これにより上記課題を解決する。
前記Niの強酸塩粉末層を形成することに続いて、さらなる金属元素の強酸塩粉末層を形成することを包含し、前記さらなる金属元素は、レニウム(Re)、セリウム(Ce)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、オスミウム(Os)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ランタン(La)、マグネシウム(Mg)、カルシュウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)および銅(Cu)からなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
前記Niの酸化物粒子層を形成することに続いて、さらなる金属元素の強酸塩粉末層を形成することと、前記さらなる金属元素の強酸塩粉末層を熱分解することで、前記さらなる金属元素の酸化物粒子層を形成するステップとを包含し、前記さらなる金属元素は、レニウム(Re)、セリウム(Ce)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、オスミウム(Os)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ランタン(La)、カルシュウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)および銅(Cu)からなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
前記Niの強酸塩粉末層を形成することに先立って、前記ハニカム構造体の細孔表面を酸処理してもよい。
前記酸処理は、硝酸、塩酸および硫酸からなる群から選択される強酸を用いてもよい。
本発明の水素製造装置は、バイオガスを供給する供給部と、前記供給部から供給された前記バイオガスから二酸化炭素(CO)改質反応を生じる触媒反応部とを備え、前記触媒反応部は、上記バイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒を備え、これにより上記課題を解決する。
前記供給部は、前記バイオガスに加えて水蒸気をさらに供給してもよい。
The biogas carbon dioxide ( CO2 ) reforming catalyst of the present invention comprises a honeycomb structure made of metal foil and a metal active layer made of metal particles supported on the honeycomb structure, the metal particles containing at least nickel (Ni), thereby solving the above-mentioned problems.
The metal particles may comprise at least one further metal element selected from the group consisting of rhenium (Re), cerium (Ce), manganese (Mn), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), osmium (Os), tin (Sn), zinc (Zn), lanthanum (La), magnesium (Mg), calcium (Ca), scandium (Sc), yttrium (Y), iron (Fe), cobalt (Co), aluminum (Al), silicon (Si), and copper (Cu).
The further metal element may be Re and/or Ce.
The metal particles may be composed of Ni and Re or Ce, the Ni being in the range of 10 wt % or more and 80 wt % or less, and the Re or Ce being in the range of 20 wt % or more and 90 wt % or less.
The Ni content may be in the range of 45 wt % or more and 60 wt % or less, and the Re or Ce content may be in the range of 40 wt % or more and 55 wt % or less.
The metal particles may contain Ni, Re and Ce, the Ni being in the range of 10 wt % or more and 75 wt % or less, the Re being in the range of 5 wt % or more and 40 wt % or less, and the Ce being in the range of 0.5 wt % or more and 50 wt % or less.
The Ni may be in the range of 25 wt % or more and 35 wt % or less, the Re may be in the range of 25 wt % or more and 35 wt % or less, and the Ce may be in the range of 25 wt % or more and 35 wt % or less.
The metal particles may have a particle size in the range of 1 nm to 500 nm.
The metal particles may have a particle size in the range of 10 nm to 200 nm.
The metal foil may be nickel or a nickel-based alloy, an iron-based alloy, or stainless steel.
The honeycomb structure may have a cell density of 400 cells/in 2 or more and 2500 cells/in 2 or less.
The method for producing a carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst for biogas of the present invention includes the steps of impregnating a honeycomb structure made of metal foil with a solution of a strong nickel (Ni) acid salt to form a powder layer of a strong Ni acid salt on the pore surface of the honeycomb structure, thermally decomposing the powder layer of the strong Ni acid salt to form an oxide particle layer of Ni, and reducing the oxide particle layer to form a metal active layer made of metal particles containing Ni, thereby solving the above-mentioned problem.
Following the formation of the Ni strong acid salt powder layer, a strong acid salt powder layer of a further metal element is formed, and the further metal element may be at least one selected from the group consisting of rhenium (Re), cerium (Ce), manganese (Mn), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), osmium (Os), tin (Sn), zinc (Zn), lanthanum (La), magnesium (Mg), calcium (Ca), scandium (Sc), yttrium (Y), iron (Fe), cobalt (Co), aluminum (Al), silicon (Si), and copper (Cu).
Following the formation of the Ni oxide particle layer, the method includes forming a powder layer of a strong acid salt of a further metal element, and thermally decomposing the powder layer of the strong acid salt of the further metal element to form the oxide particle layer of the further metal element, wherein the further metal element may be at least one selected from the group consisting of rhenium (Re), cerium (Ce), manganese (Mn), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), osmium (Os), tin (Sn), zinc (Zn), lanthanum (La), calcium (Ca), scandium (Sc), yttrium (Y), iron (Fe), cobalt (Co), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), and copper (Cu).
Prior to forming the Ni strong acid salt powder layer, the pore surfaces of the honeycomb structure may be subjected to an acid treatment.
The acid treatment may use a strong acid selected from the group consisting of nitric acid, hydrochloric acid and sulfuric acid.
The hydrogen production device of the present invention comprises a supply unit that supplies biogas, and a catalytic reaction unit that causes a carbon dioxide ( CO2 ) reforming reaction from the biogas supplied from the supply unit, and the catalytic reaction unit is equipped with a carbon dioxide ( CO2 ) reforming catalyst for the biogas, thereby solving the above-mentioned problem.
The supply unit may further supply water vapor in addition to the biogas.

本発明のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒は、金属箔からなるハニカム構造体と、ハニカム構造体に担持された金属粒子からなる金属活性層とをを備え、金属粒子は、少なくともニッケル(Ni)を含む。これにより、バイオガスのCO改質を可能に、水素を含む合成ガスを製造できる。特に、耐炭素析出性に優れるため、反応管の閉塞の虞がなく、長時間使用可能である。また、500~800℃程度の比較的低温でバイオガスの改質が可能であるため、本発明の触媒を採用すればエネルギー効率が向上した、バイオガスを用いた水素製造装置を提供できる。また、本発明の触媒は天然ガス及び石油などからのメタンのCO改質にも適用できる。 The carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst of biogas of the present invention comprises a honeycomb structure made of metal foil and a metal active layer made of metal particles supported on the honeycomb structure, the metal particles including at least nickel (Ni). This enables CO 2 reforming of biogas and production of synthetic gas containing hydrogen. In particular, since the catalyst has excellent resistance to carbon deposition, there is no risk of clogging of the reaction tube and it can be used for a long time. In addition, since biogas can be reformed at a relatively low temperature of about 500 to 800°C, if the catalyst of the present invention is adopted, a hydrogen production device using biogas with improved energy efficiency can be provided. In addition, the catalyst of the present invention can also be applied to CO 2 reforming of methane from natural gas and petroleum.

本発明のバイオガスのCO改質触媒を示す模式図Schematic diagram showing the biogas CO2 reforming catalyst of the present invention 本発明のCO改質触媒の製造工程を示すフローチャートFlowchart showing the manufacturing process of the CO2 reforming catalyst of the present invention 本発明のCO改質触媒の製造工程を示す別のフローチャートAnother flow chart showing the manufacturing process of the CO2 reforming catalyst of the present invention 本発明のCO改質触媒の製造工程を示すさらに別のフローチャートYet another flow chart showing the manufacturing process of the CO2 reforming catalyst of the present invention. 本発明の水素製造装置を示す模式図Schematic diagram showing a hydrogen production device of the present invention. 例3および例4の試料のSEM像を示す図FIG. 1 shows SEM images of samples of Examples 3 and 4. 例1~例4の試料を用いたバイオガスのCO改質によるメタン転換率(A)およびCO転換率(B)を示す図FIG. 1 shows methane conversion (A) and CO2 conversion (B) by CO2 reforming of biogas using samples from Examples 1 to 4. 例4の試料を用いたバイオガスのCO改質における反応管内の内圧の変化を示す図FIG. 1 shows the change in internal pressure in the reaction tube during CO2 reforming of biogas using the sample of Example 4. 反応後の例4の試料のSEM像を示す図FIG. 1 shows an SEM image of a sample of Example 4 after reaction. 反応後の例4の試料のTGA曲線を示す図FIG. 1 shows the TGA curve of the sample of Example 4 after reaction. 例1~例4の試料を用いたバイオガスのCO+HO共改質によるメタン転換率(A)およびCO転換率(B)を示す図FIG. 1 shows methane conversion (A) and CO2 conversion (B) from CO2 + H2O co-reforming of biogas using samples from Examples 1 to 4. 例4の試料を用いたバイオガスのCO+HO共改質における反応管内の内圧の変化を示す図FIG. 1 shows the change in the internal pressure in the reaction tube during co-reforming of biogas with CO 2 +H 2 O using the sample of Example 4. 反応後の例4の試料のSEM像を示す図FIG. 1 shows an SEM image of a sample of Example 4 after reaction. 反応後の例4の試料のTGA曲線を示す図FIG. 1 shows the TGA curve of the sample of Example 4 after reaction.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that like elements are given like numbers and their description will be omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明のバイオガスのCO改質触媒、および、その製造方法とについて説明する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, a biogas CO2 reforming catalyst and a method for producing the same according to the present invention will be described.

図1は、本発明のバイオガスのCO改質触媒を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a biogas CO2 reforming catalyst of the present invention.

本発明のバイオガスのCO改質触媒(以降では単にCO改質触媒と呼ぶ)100は、金属箔110からなるハニカム構造体と、それに担持された金属粒子120からなる金属活性層130とを備える。 The biogas CO2 reforming catalyst of the present invention (hereinafter simply referred to as the CO2 reforming catalyst) 100 comprises a honeycomb structure made of a metal foil 110 and a metal active layer 130 made of metal particles 120 supported thereon.

図1に示すように、ハニカム構造体とは、その中心軸方向に沿って形成された多角柱の流路(セル)が集合した構造体であり、六角柱に限らず、三角柱、四角柱など多角柱のセルが集合しているものも含む。本発明のCO改質触媒100は、このようなハニカム構造体を有するので、バイオガスの通過を容易にし、反応を促進できる。また、図1では全体として円柱状のハニカム構造体が示されるが、ハニカム構造体は、円柱に限らず、設置されるべき反応管の形状に応じて多角柱であってもよい。 As shown in Fig. 1, a honeycomb structure is a structure in which polygonal prism channels (cells) formed along the central axis direction are assembled, and includes not only hexagonal prisms but also triangular prisms, quadrangular prisms, and other polygonal prism cells assembled. The CO2 reforming catalyst 100 of the present invention has such a honeycomb structure, which facilitates the passage of biogas and promotes the reaction. In addition, although Fig. 1 shows a cylindrical honeycomb structure as a whole, the honeycomb structure is not limited to a cylinder, and may be a polygonal prism depending on the shape of the reaction tube to be installed.

本発明のCO改質触媒100は、金属粒子120として、少なくともニッケル(Ni)を含む。これにより、バイオガスのCO改質を可能にし、水素を含む合成ガスを製造できる。表面積の大きなハニカム構造体110に担持されるので、金属活性層130の表面積をさらに大きくでき、高効率で水素を製造できる。本発明のCO改質触媒100は、例えば、非特許文献1の触媒とはアルミナを使用しない点で異なる。 The CO2 reforming catalyst 100 of the present invention contains at least nickel (Ni) as the metal particles 120. This enables CO2 reforming of biogas and allows the production of synthesis gas containing hydrogen. Since it is supported on the honeycomb structure 110 with a large surface area, the surface area of the metal active layer 130 can be further increased, allowing hydrogen to be produced with high efficiency. The CO2 reforming catalyst 100 of the present invention is different from the catalyst of Non-Patent Document 1, for example, in that it does not use alumina.

これまで、Niを触媒として、メタンの水蒸気改質およびメタンのCO改質の報告はあるが、バイオガスのCO改質については報告はない。驚くべきことに、本発明のCO改質触媒100によれば、優れた耐炭素析出性により触媒劣化が小さく、反応管を閉塞することがない。このような効果については、実施例で詳述する。以降では各構成要素について詳細に説明する。 So far, there have been reports on steam reforming of methane and CO2 reforming of methane using Ni as a catalyst, but no reports on CO2 reforming of biogas. Surprisingly, the CO2 reforming catalyst 100 of the present invention has excellent carbon deposition resistance, so that catalyst deterioration is small and the reaction tube is not blocked. Such effects will be described in detail in the examples. Each component will be described in detail below.

金属箔110は、好ましくは、ニッケルまたはニッケルを主成分とするニッケル基、鉄を主成分とする鉄基合金、あるいは、ステンレスであり得る。これにより金属粒子130を担持し、金属活性層140を構成できる。金属箔110は、好ましくは、ニッケルまたはニッケル基合金が好ましい。これにより、ハニカム構造体そのものも触媒として機能し得るので、高い触媒活性が得られる。なお、本願明細書において、主成分とする量は、主成分とする金属の含有量が50wt%以上であることをいう。 The metal foil 110 can be preferably nickel or a nickel-based material mainly composed of nickel, an iron-based alloy mainly composed of iron, or stainless steel. This can support the metal particles 130 and form the metal active layer 140. The metal foil 110 is preferably nickel or a nickel-based alloy. This allows the honeycomb structure itself to function as a catalyst, resulting in high catalytic activity. In this specification, the amount of the main component means that the content of the main metal component is 50 wt% or more.

金属箔110の厚さは、例えば、数μm~数百μmであってよく、特に制限はない。加工性の観点から、好ましくは、20μm以上100μm以下の範囲である。 The thickness of the metal foil 110 may be, for example, several μm to several hundred μm, and is not particularly limited. From the viewpoint of processability, it is preferably in the range of 20 μm to 100 μm.

ハニカム構造体は、好ましくは、400セル数/in以上2500セル数/in以下のセル密度を有する(in:インチ、1インチ=2.54cm)。セル密度を400セル数/in以上とすることにより、金属粒子120の担持面積を大きくでき、触媒活性能を向上できる。セル密度を2500セル数/in以下とすることにより、バイオガスを通過させた際の圧力損失が大きくなるのを抑制できる。 The honeycomb structure preferably has a cell density of 400 cells/ in2 or more and 2500 cells/ in2 or less (in: inch, 1 inch = 2.54 cm). By setting the cell density to 400 cells/ in2 or more, the supporting area of the metal particles 120 can be increased, and the catalytic activity can be improved. By setting the cell density to 2500 cells/ in2 or less, the pressure loss when passing biogas can be suppressed from increasing.

ハニカム構造体は、触媒活性能の観点からは、より好ましくは、1000セル数/in以上2500セル数/in以下、なお好ましくは、2000セル数/in以上2500セル数/in以下のセル密度を有する。 From the viewpoint of catalytic activity, the honeycomb structure more preferably has a cell density of 1000 cells/ in2 or more and 2500 cells/ in2 or less, and further preferably has a cell density of 2000 cells/ in2 or more and 2500 cells/ in2 or less.

なお、本願明細書において、セル密度は、(ハニカム構造体に使用する波箔の長さ/ピッチ距離×2)/ハニカム構造体の断面積のようにして算出される。 In this specification, the cell density is calculated as follows: (length of corrugated foil used in honeycomb structure/pitch distance x 2)/cross-sectional area of honeycomb structure.

図1に示すハニカム構造体は、平板状の金属箔と、波状の金属箔とを重ね合わせ、巻回することによって得られるが、ハニカム構造体の製造方法はこれに限らない。 The honeycomb structure shown in FIG. 1 is obtained by overlapping and rolling a flat metal foil and a corrugated metal foil, but the method for manufacturing the honeycomb structure is not limited to this.

金属活性層130は、上述したように、ハニカム構造体に担持されるため、粉体化しにくく、熱伝導性に優れた金属粒子120からなるので、CO改質触媒100の表面積を増大できる。これにより、500~800℃程度の比較的低温でバイオガスの改質が可能となり、粉体状の触媒に比べて格段に耐炭素析出性に優れる。 As described above, the metal active layer 130 is supported on the honeycomb structure and is made of metal particles 120 that are difficult to powder and have excellent thermal conductivity, so that the surface area of the CO2 reforming catalyst 100 can be increased. This enables biogas reforming at a relatively low temperature of about 500 to 800°C, and is far more resistant to carbon deposition than powdered catalysts.

金属粒子120は、1μm以下の微細化された金属粒子であり、好ましくは、1nm以上500nm以下の範囲の粒径を有する。この範囲であれば、安定した触媒活性を提供できる。 The metal particles 120 are finely divided metal particles with a size of 1 μm or less, and preferably have a particle size in the range of 1 nm or more and 500 nm or less. This range can provide stable catalytic activity.

金属粒子120は、より好ましくは、10nm以上200nm以下の範囲の粒径を有する。この範囲であれば、表面積が増大するので、さらに高い触媒活性を提供できる。 More preferably, the metal particles 120 have a particle size in the range of 10 nm to 200 nm. This range increases the surface area, providing even higher catalytic activity.

金属粒子120は、触媒活性および耐炭素析出性の観点から、なお好ましくは、50nm以上195nm以下の範囲、50nm以上180nm以下の範囲、60nm以上115nm以下の範囲の粒径を有する。 From the viewpoint of catalytic activity and carbon precipitation resistance, the metal particles 120 preferably have a particle size in the range of 50 nm to 195 nm, 50 nm to 180 nm, or 60 nm to 115 nm.

なお、本願明細書において、粒径は、電子顕微鏡画像を基にして、平均40~100個の粒子について、Image J(ver. 1.51n;オープンソースでパブリックドメインの画像処理ソフトウェア)によって測定された平均値である。 In this specification, the particle size is the average value measured for an average of 40 to 100 particles based on electron microscope images using Image J (ver. 1.51n; open source, public domain image processing software).

金属粒子110は、好ましくは、レニウム(Re)、セリウム(Ce)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、オスミウム(Os)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ランタン(La)、マグネシウム(Mg)、カルシュウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、および、銅(Cu)からなる群から少なくとも1つ選択されるさらなる金属元素を含む。これにより、さらに高い触媒活性および耐炭素析出性が得られる。中でも、金属粒子は、Reおよび/またはCeをさらに含有するとよい。これらの元素であれば、特に、500~800℃の低温でバイオガスの改質を促進でき、高い触媒活性を長時間維持できる。さらに好ましくは、金属粒子は、ReおよびCeを含有するとよい。これらの元素であれば、耐炭素析出性に優れ、500~800℃の低温でバイオガスの改質をさらに促進でき、高い触媒活性をより長時間維持できる。 The metal particles 110 preferably contain at least one further metal element selected from the group consisting of rhenium (Re), cerium (Ce), manganese (Mn), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), osmium (Os), tin (Sn), zinc (Zn), lanthanum (La), magnesium (Mg), calcium (Ca), scandium (Sc), yttrium (Y), iron (Fe), cobalt (Co), aluminum (Al), silicon (Si), and copper (Cu). This provides even higher catalytic activity and carbon precipitation resistance. In particular, the metal particles may further contain Re and/or Ce. These elements can promote biogas reforming at low temperatures of 500 to 800 ° C., and can maintain high catalytic activity for a long time. More preferably, the metal particles may contain Re and Ce. These elements have excellent resistance to carbon deposition, can further promote biogas reforming at low temperatures of 500 to 800°C, and can maintain high catalytic activity for a longer period of time.

金属粒子110が、2種以上の金属元素を含有する場合、金属粒子は2種以上の金属元素の合金であってもよいし、単金属の混合物であってもよいが、触媒活性の観点から、合金が好ましい。 When the metal particles 110 contain two or more metal elements, the metal particles may be an alloy of two or more metal elements or a mixture of single metals, but from the viewpoint of catalytic activity, an alloy is preferred.

金属粒子110が、NiとReまたはCeとを含有する場合、好ましくは、Niは、10wt%以上80wt%以下の範囲であり、ReまたはCeは、20wt%以上90wt%以下の範囲である。この範囲であれば、高い触媒活性が得られる。この場合、なお好ましくは、Niは、45wt%以上60wt%以下の範囲であり、ReまたはCeは、40wt%以上55wt%以下の範囲である。この範囲であれば、金属粒子110は安定した合金となり、高い触媒活性が得られる。本願明細書において、wt%を質量パーセント(mass%)と表記してもよい。 When the metal particles 110 contain Ni and Re or Ce, preferably, Ni is in the range of 10 wt% to 80 wt%, and Re or Ce is in the range of 20 wt% to 90 wt%. Within these ranges, high catalytic activity can be obtained. In this case, more preferably, Ni is in the range of 45 wt% to 60 wt%, and Re or Ce is in the range of 40 wt% to 55 wt%. Within these ranges, the metal particles 110 become a stable alloy, and high catalytic activity can be obtained. In this specification, wt% may be expressed as mass percent (mass%).

Re原子は、水素原子との結合エネルギーが大きく、Ni原子上で生成した水素が原子状態でRe原子にトラップされ、水素スピルオーバー効果によりNi原子の酸化が抑制されることで、高い触媒活性が維持される。 Re atoms have a large bond energy with hydrogen atoms, so the hydrogen generated on the Ni atoms is trapped in the atomic state by the Re atoms, and the oxidation of the Ni atoms is suppressed by the hydrogen spillover effect, thereby maintaining high catalytic activity.

Ce原子は、3価と4価の価数変化により酸素を貯蔵供給能力(酸素ストレージ能)を有するため、特に、Reとともに用いると、Ni-Re合金触媒の近傍の雰囲気変動を抑制し、高い触媒活性が維持される。 Ce atoms have the ability to store and supply oxygen (oxygen storage ability) by changing between trivalent and tetravalent valences, so when used together with Re in particular, they suppress atmospheric fluctuations near the Ni-Re alloy catalyst, maintaining high catalytic activity.

金属粒子110が、NiとReとCeとを含有する場合、好ましくは、Niは、10wt%以上75wt%以下の範囲であり、Reは、5wt%以上40wt%以下の範囲であり、Ceは、0.5wt%以上50wt%以下の範囲である。この範囲であれば、高い触媒活性が得られる。この場合、なお好ましくは、Niは、25wt%以上35wt%以下の範囲であり、Reは、25wt%以上35wt%以下の範囲であり、Ceは、25wt%以上35wt%以下の範囲である。この範囲であれば、金属粒子110は安定した合金となり、高い触媒活性および高い耐炭素析出性が得られる。 When the metal particles 110 contain Ni, Re, and Ce, preferably, Ni is in the range of 10 wt% to 75 wt%, Re is in the range of 5 wt% to 40 wt%, and Ce is in the range of 0.5 wt% to 50 wt%. Within these ranges, high catalytic activity is obtained. In this case, more preferably, Ni is in the range of 25 wt% to 35 wt%, Re is in the range of 25 wt% to 35 wt%, and Ce is in the range of 25 wt% to 35 wt%. Within these ranges, the metal particles 110 become a stable alloy, and high catalytic activity and high carbon precipitation resistance are obtained.

なお、金属活性層130は、Niのみを含有する金属粒子、および、Niとさらなる金属元素とを含有する金属粒子の両方を含んでもよい。 The metal active layer 130 may contain both metal particles containing only Ni and metal particles containing Ni and an additional metal element.

次に、本発明のCO改質触媒の例示的な製造方法を説明する。
図2は、本発明のCO改質触媒の製造工程を示すフローチャートである。
ステップS210:金属箔からなるハニカム構造体を、ニッケル(Ni)の強酸塩溶液に含侵させ、ハニカム構造体の細孔表面にNiの強酸塩粉末層を形成する。
Next, an exemplary method for producing the CO2 reforming catalyst of the present invention will be described.
FIG. 2 is a flow chart showing the process for producing the CO2 reforming catalyst of the present invention.
Step S210: A honeycomb structure made of metal foil is immersed in a solution of a strong acid salt of nickel (Ni) to form a powder layer of a strong acid salt of Ni on the pore surfaces of the honeycomb structure.

ハニカム構造体は、Niの強酸塩粉末層を形成する前にアセトン、エタノール等中で超音波洗浄されるとよい。 The honeycomb structure may be ultrasonically cleaned in acetone, ethanol, etc. before forming the Ni strong acid salt powder layer.

Niの強酸塩粉末層は、Niの強酸塩またはその水和物からなるが、例示的には、Niの硝酸塩、硫酸塩、塩素酸塩、臭素酸塩、ヨウ素酸塩、過臭素酸塩、メタ過ヨウ素酸塩、チオシアン酸塩等あるが、中でも、反応効率の観点から、Niの硝酸塩、硫酸塩、塩素酸塩およびこれらの水和物が好ましい。 The strong Ni acid salt powder layer is made of a strong Ni acid salt or its hydrate, examples of which include Ni nitrates, sulfates, chlorates, bromates, iodates, perbromates, metaperiodates, and thiocyanates. Among these, Ni nitrates, sulfates, chlorates, and their hydrates are preferred from the viewpoint of reaction efficiency.

Niの強酸塩粉末層の形成は、(A)第1の元素の強酸塩水溶液を用いるか、または、(B)ハニカム構造体の細孔表面を酸を用いて酸処理すればよい。 The strong Ni acid salt powder layer can be formed by (A) using an aqueous solution of a strong acid salt of the first element, or (B) treating the pore surfaces of the honeycomb structure with an acid.

(A)まず、Niの強酸塩水溶液を用いてNiの強酸塩粉末層を形成する場合を説明する。Niの強酸塩水溶液(例えば硝酸ニッケル(II)六水和物水溶液)中にハニカム構造体を浸漬させ、ハニカム構造体の空孔および表面にNiの強酸塩水溶液を被覆する。なお、被覆する量は、ハニカム構造体の重量に対して1wt%以上20wt%以下の範囲が好ましい。 (A) First, a case where a strong Ni acid salt powder layer is formed using an aqueous solution of a strong Ni acid salt will be described. A honeycomb structure is immersed in an aqueous solution of a strong Ni acid salt (e.g., an aqueous solution of nickel (II) nitrate hexahydrate) to coat the pores and surfaces of the honeycomb structure with the aqueous solution of a strong Ni acid salt . The amount of the coating is preferably in the range of 1 wt % to 20 wt % of the weight of the honeycomb structure.

次いで、Niの強酸塩水溶液で被覆されたハニカム構造体を乾燥し、余剰の溶媒等を除去すれば、Niの強酸塩またはその水和物からなる強酸塩粉末層が担持されたハニカム構造体が得られる。乾燥は室温等で24時間放置してもよいが、二段階で乾燥することにより、溶媒を効率的に除去できる。二段階の乾燥は、40℃~80℃の温度範囲で3時間~10時間、80℃~150℃の温度範囲で3時間~10時間行えばよい。なお、必要に応じて、Niの強酸塩水溶液への浸漬および乾燥を繰り返し、Niの強酸塩粉末層の量を調製してもよい。 Next, the honeycomb structure coated with the strong Ni acid salt aqueous solution is dried to remove excess solvent, etc., to obtain a honeycomb structure carrying a strong Ni acid salt powder layer consisting of a strong Ni acid salt or its hydrate. The drying may be left at room temperature for 24 hours, but the solvent can be removed more efficiently by drying in two stages. The two-stage drying may be performed at a temperature range of 40°C to 80°C for 3 to 10 hours and at a temperature range of 80°C to 150°C for 3 to 10 hours. If necessary, the amount of the strong Ni acid salt powder layer may be adjusted by repeating the immersion in the strong Ni acid salt aqueous solution and drying.

(B)次に、酸を用いた酸処理によりNiの強酸塩粉末層を形成する場合を説明する。酸処理は、ハニカム構造体がNiまたはNi基合金である場合に適用できる。酸処理には、硝塩、硫酸、塩酸、臭素酸、ヨウ素酸、過臭素酸、メタ過ヨウ素酸、過マンガン酸、チオシアン酸等を採用できるが、中でも、反応効率の観点から、硝酸、硫酸および塩酸からなる群から選択される強酸が好ましい。これらの強酸(5%~20%溶液)中にハニカム構造体を浸漬させ、ハニカム構造体と強酸とを反応させる。 (B) Next, a case where a strong Ni acid salt powder layer is formed by acid treatment using an acid will be described. The acid treatment can be applied when the honeycomb structure is Ni or a Ni-based alloy. Nitrate, sulfuric acid, hydrochloric acid, bromic acid, iodic acid, perbromic acid, metaperiodic acid, permanganic acid, thiocyanic acid, etc. can be used for the acid treatment, but from the viewpoint of reaction efficiency, a strong acid selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid is preferable. The honeycomb structure is immersed in one of these strong acids (5% to 20% solution) to react with the strong acid.

例えば、NiまたはNi基合金からなるハニカム構造体を硝酸に浸漬させると、次式の反応が進み、Niの強酸塩粉末として硝酸ニッケル層が、ハニカム構造体の表面および空孔に形成される。ここで、硝酸ニッケルは水に易溶であるため、余剰の溶媒を伴う。
Ni+2HNO→Ni(NO+H ・・・(1)
For example, when a honeycomb structure made of Ni or a Ni-based alloy is immersed in nitric acid, the following reaction proceeds, and a nickel nitrate layer is formed on the surface and in the pores of the honeycomb structure as a powder of a strong Ni acid salt . Here, nickel nitrate is easily soluble in water, so it is accompanied by excess solvent.
Ni+ 2HNO3 →Ni( NO3 ) 2 + H2 ...(1)

次いで、Niの強酸塩水溶液で被覆されたハニカム構造体を乾燥し、余剰の溶媒等を除去すれば、Niの強酸塩またはその水和物からなる強酸塩粉末層が担持されたハニカム構造体が得られる。乾燥は、上述の乾燥と同様に行えばよい。 Next, the honeycomb structure coated with the aqueous solution of a strong Ni acid salt is dried to remove excess solvent, etc., to obtain a honeycomb structure carrying a strong acid salt powder layer made of a strong Ni acid salt or its hydrate. Drying can be performed in the same manner as described above.

なお、上述の酸処理(B)を行ってから処理(A)を行ってもよい。これにより、Niの強酸塩粉末層の形成を促進できる。 The above-mentioned acid treatment (B) may be performed before treatment (A). This will promote the formation of a powder layer of a strong Ni acid salt.

ステップS220:ステップS210で得られたNiの強酸塩粉末層を熱分解し、Niの酸化物粒子層を形成する。Niの強酸塩粉末層が担持されたハニカム構造体を、空気中、加熱・焼結すればよい。加熱・焼結条件は、強酸塩粉末層が分解されれば特に制限はないが、例示的には、空気中、400℃以上600℃以下の温度範囲で5時間以上12時間以下の時間である。これにより、1nm以上500nm以下の範囲の粒径を有するNiの酸化物粒子からなる酸化物粒子層が得られる。 Step S220: The Ni strong acid salt powder layer obtained in step S210 is thermally decomposed to form a Ni oxide particle layer. The honeycomb structure carrying the Ni strong acid salt powder layer is heated and sintered in air. There are no particular limitations on the heating and sintering conditions as long as the strong acid salt powder layer is decomposed, but an example of the heating and sintering conditions is in air at a temperature range of 400°C to 600°C for a time period of 5 hours to 12 hours. This results in an oxide particle layer made of Ni oxide particles having a particle size range of 1 nm to 500 nm.

ステップS230:ステップS220で得られたNiの酸化物粒子層を還元し、Niを含有する金属粒子からなる金属活性層を形成する。具体的には、Niの酸化物粒子層が担持されたハニカム構造体を、還元雰囲気中、加熱すればよい。加熱条件は、酸化物粒子層が還元されれば特に制限はないが、例示的には、水素、窒素、希ガス等の還元雰囲気中、400℃以上600℃以下の温度範囲で少なくとも1時間以上である。加熱時間の上限は特に設定しないが、10時間以上行ってもそれ以上変化はないことから、10時間を上限としてもよい。ここでも、ステップS220で得られた粒径が維持されるため、1nm以上500nm以下の範囲の粒径を有するNiを含有する金属粒子からなる金属活性層が得られる。このようにして、図1を参照して説明した、ハニカム構造体と、その表面および細孔に担持された少なくともNiを含有する金属粒子からなる金属活性層とを備えたバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒が得られる。 Step S230: The Ni oxide particle layer obtained in step S220 is reduced to form a metal active layer made of metal particles containing Ni. Specifically, the honeycomb structure on which the Ni oxide particle layer is supported may be heated in a reducing atmosphere. The heating conditions are not particularly limited as long as the oxide particle layer is reduced, but for example, the heating conditions are at least 1 hour or more at a temperature range of 400°C to 600°C in a reducing atmosphere of hydrogen, nitrogen, rare gas, etc. The upper limit of the heating time is not particularly set, but since there is no further change even if the heating is performed for 10 hours or more, the upper limit may be 10 hours. Here, the particle size obtained in step S220 is maintained, so that a metal active layer made of metal particles containing Ni having a particle size in the range of 1 nm to 500 nm is obtained. In this way, a carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst for biogas is obtained, which is provided with a honeycomb structure and a metal active layer made of metal particles containing at least Ni supported on the surface and pores of the honeycomb structure, as described with reference to FIG. 1.

図3は、本発明のCO改質触媒の製造工程を示す別のフローチャートである。 FIG. 3 is another flow chart showing the process for producing the CO2 reforming catalyst of the present invention.

ステップS310およびS320は、図2を参照して説明したステップS210およびS220と同じであるため説明を省略する。 Steps S310 and S320 are the same as steps S210 and S220 described with reference to FIG. 2, so the description will be omitted.

ステップS330:ステップS320で得られたNiの酸化物粒子層が担持されたハニカム構造体において、Niの酸化物粒子層上にさらなる金属元素の強酸塩粉末層を形成する。さらなる金属元素は、レニウム(Re)、セリウム(Ce)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、オスミウム(Os)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ランタン(La)、カルシュウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)および銅(Cu)からなる群から少なくとも1つ選択される。 Step S330: In the honeycomb structure carrying the Ni oxide particle layer obtained in step S320, a powder layer of a strong acid salt of an additional metal element is formed on the Ni oxide particle layer. The additional metal element is at least one selected from the group consisting of rhenium (Re), cerium (Ce), manganese (Mn), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), osmium (Os), tin (Sn), zinc (Zn), lanthanum (La), calcium (Ca), scandium (Sc), yttrium (Y), iron (Fe), cobalt (Co), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), and copper (Cu).

さらなる金属元素の強酸塩粉末層は、さらなる金属元素の強酸塩またはその水和物からなるが、例示的には、さらなる金属元素の強酸塩は、さらなる金属元素の硝酸塩、硫酸塩、塩素酸塩、臭素酸塩、ヨウ素酸塩、過臭素酸塩、メタ過ヨウ素酸塩、過マンガン酸塩、チオシアン酸塩、過レニウム酸塩等あるが、中でも、反応効率の観点から、硝酸塩、硫酸塩、塩素酸塩およびこれらの水和物が好ましい。 The powder layer of the strong acid salt of the further metal element is composed of a strong acid salt of the further metal element or a hydrate thereof. Examples of the strong acid salt of the further metal element include nitrates, sulfates, chlorates, bromates, iodates, perbromates, metaperiodates, permanganates, thiocyanates, and perrhenates of the further metal element. Among these, nitrates, sulfates, chlorates, and hydrates thereof are preferred from the viewpoint of reaction efficiency.

さらなる金属元素の強酸塩粉末層は、さらなる金属元素の強酸塩水溶液を用いて形成される。具体的には、さらなる金属元素の強酸塩水溶液(例えばさらなる金属元素がReであれば過レニウム酸アンモニウム水溶液)中に、Niの酸化物粒子層を担持したハニカム構造体を浸漬させ、さらなる金属元素の酸化物粒子層を被覆する。なお、被覆する量は、ハニカム構造体の重量に対して0.5wt%以上10wt%以下の範囲が好ましい。これにより、後述する還元処理によって、Niとさらなる金属元素との合金化が進み、触媒活性を向上できる。 The powder layer of the strong acid salt of the further metal element is formed using an aqueous solution of the strong acid salt of the further metal element. Specifically, the honeycomb structure carrying the Ni oxide particle layer is immersed in an aqueous solution of the strong acid salt of the further metal element (for example, an aqueous solution of ammonium perrhenate if the further metal element is Re) to coat the further metal element with the oxide particle layer. The amount of coating is preferably in the range of 0.5 wt% to 10 wt% of the weight of the honeycomb structure. This allows the further alloying of Ni and the further metal element by the reduction treatment described below, improving the catalytic activity.

次いで、さらなる金属元素の強酸塩水溶液で被覆されたNiの酸化物粒子層を有するハニカム構造体を乾燥し、余剰の溶媒等を除去すれば、さらなる金属元素の強酸塩またはその水和物からなる強酸塩粉末層が担持されたハニカム構造体が得られる。乾燥は室温等で24時間放置してもよいが、二段階で乾燥することにより、確実に溶媒を除去できる。二段階の乾燥は、40℃~80℃の温度範囲で3時間~10時間、80℃~150℃の温度範囲で3時間~10時間行えばよい。なお、必要に応じて、さらなる金属元素の強酸塩水溶液への浸漬および乾燥を繰り返し、ハニカム構造体の強酸塩粉末層の量を調製してもよい。 Next, the honeycomb structure having the Ni oxide particle layer coated with the aqueous solution of a strong acid salt of the further metal element is dried and excess solvent and the like are removed to obtain a honeycomb structure carrying a strong acid salt powder layer consisting of a strong acid salt of the further metal element or its hydrate. The drying may be left at room temperature for 24 hours, but the solvent can be removed more reliably by drying in two stages. The two-stage drying may be performed at a temperature range of 40°C to 80°C for 3 hours to 10 hours and at a temperature range of 80°C to 150°C for 3 hours to 10 hours. If necessary, the amount of the strong acid salt powder layer of the honeycomb structure may be adjusted by repeating the immersion in the aqueous solution of a strong acid salt of the further metal element and drying.

ステップS340:ステップS330で得られたさらなる金属元素の強酸塩粉末層を熱分解し、さらなる金属元素の酸化物粒子層を形成する。これにより、Niの酸化物粒子層およびさらなる金属元素の酸化物粒子層が担持されたハニカム構造体が得られる。なお、熱分解の条件は、図2のステップS220と同様である。 Step S340: The strong acid salt powder layer of the additional metal element obtained in step S330 is pyrolyzed to form an oxide particle layer of the additional metal element. This results in a honeycomb structure carrying an oxide particle layer of Ni and an oxide particle layer of the additional metal element. The pyrolysis conditions are the same as those in step S220 of FIG. 2.

ステップS350:ステップS340で得られたNiの酸化物粒子層およびさらなる金属元素の酸化物粒子層を還元し、Niおよびさらなる金属元素を含有する金属粒子からなる金属活性層を形成する。なお、還元の条件は、図2のステップS230と同様である。 Step S350: The Ni oxide particle layer and the oxide particle layer of the further metal element obtained in step S340 are reduced to form a metal active layer consisting of metal particles containing Ni and the further metal element. Note that the reduction conditions are the same as those of step S230 in FIG. 2.

このようにして、図1を参照して説明した、ハニカム構造体と、その表面および細孔に担持されたNiおよびさらなる金属元素を含有する金属粒子(さらなる金属元素は、Re、Ce、Mn、Mo、W、Cr、Ta、Hf、Os、Sn、Zn、La、Ca、Sc、Y、Fe、Co、Mg、Al、SiおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される)からなる金属活性層とを備えたバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒が得られる。金属粒子が2種以上の元素からなる場合には、一部またはその全部が合金化されてよい。 In this way, a catalyst for reforming biogas into carbon dioxide (CO 2 ) is obtained, which includes a honeycomb structure and a metal active layer made of metal particles containing Ni and a further metal element (the further metal element is at least one selected from the group consisting of Re, Ce, Mn, Mo, W, Cr, Ta, Hf, Os, Sn, Zn, La, Ca, Sc, Y, Fe, Co, Mg, Al, Si and Cu) supported on the surface and pores of the honeycomb structure, as described with reference to Fig. 1. When the metal particles are made of two or more elements, a part or all of them may be alloyed.

なお、ステップS330およびS340を先に行い、次いでステップS310およびS320を行い、最後に、ステップS350を行ってもよい。 Alternatively, steps S330 and S340 may be performed first, then steps S310 and S320, and finally step S350.

図4は、本発明のCO改質触媒の製造工程を示すさらに別のフローチャートである。 FIG. 4 is yet another flow chart showing the process for producing the CO2 reforming catalyst of the present invention.

図4は、図3のステップS320を省略し、図3のステップS340と同時にする点が異なる以外は同様である。ステップS410は、図2および図3を参照して説明したステップS210およびS310と同じであるため説明を省略する。 Figure 4 is similar to Figure 3 except that step S320 is omitted and step S340 of Figure 3 is performed simultaneously. Step S410 is the same as steps S210 and S310 described with reference to Figures 2 and 3, and therefore will not be described here.

ステップS420:ステップS410で得られたNiの強酸塩粉末層が担持されたハニカム構造体において、Niの強酸塩粉末層上にさらなる金属元素の強酸塩粉末層を形成する。さらなる金属元素は、レニウム(Re)、セリウム(Ce)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、オスミウム(Os)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、ランタン(La)、カルシュウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)および銅(Cu)からなる群から少なくとも1つ選択される。なお、乾燥の条件は、図3のステップS330と同様であるため説明を省略する。 Step S420: In the honeycomb structure carrying the Ni strong acid salt powder layer obtained in step S410, a strong acid salt powder layer of an additional metal element is formed on the Ni strong acid salt powder layer. The additional metal element is at least one selected from the group consisting of rhenium (Re), cerium (Ce), manganese (Mn), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), osmium (Os), tin (Sn), zinc (Zn), lanthanum (La), calcium (Ca), scandium (Sc), yttrium (Y), iron (Fe), cobalt (Co), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si) and copper (Cu). The drying conditions are the same as those in step S330 in FIG. 3, so a description thereof will be omitted.

ステップS430:ステップS420で得られたNiの強酸塩粉末層およびさらなる金属元素の強酸塩粉末層を熱分解し、Niおよびさらなる金属元素の酸化物粒子層を形成する。具体的な手順は、図2のステップS210および図3のステップS340と同様であるため説明を省略する。図3と異なり、2種以上の金属元素を含有する金属粒子からなる金属活性層を調製する場合であっても、1回の酸化(熱分解)処理でよいため、効率的である。 Step S430: The Ni strong acid salt powder layer and the strong acid salt powder layer of the additional metal element obtained in step S420 are pyrolyzed to form an oxide particle layer of Ni and the additional metal element. The specific procedure is the same as step S210 in Fig. 2 and step S340 in Fig. 3, so the description is omitted. Unlike Fig. 3, even when preparing a metal active layer made of metal particles containing two or more metal elements, it is efficient because only one oxidation (pyrolysis) treatment is required.

ステップS440:ステップS430で得られた酸化物粒子層を還元する。これにより、Niおよびさらなる金属元素を含有する金属粒子からなる金属活性層が形成される。なお、還元の条件は、図2のステップS230および図3のステップS350と同様であるため説明を省略する。 Step S440: The oxide particle layer obtained in step S430 is reduced. This forms a metal active layer made of metal particles containing Ni and additional metal elements. Note that the conditions for reduction are similar to those in step S230 in FIG. 2 and step S350 in FIG. 3, and therefore will not be described here.

このようにして、図1を参照して説明した、ハニカム構造体と、その表面および細孔に担持されたNiおよびさらなる金属元素を含有する金属粒子(さらなる金属元素は、Re、Ce、Mn、Mo、W、Cr、Ta、Hf、Os、Sn、Zn、La、Ca、Sc、Y、Fe、Co、Mg、Al、SiおよびCuからなる群から少なくとも1つ選択される)からなる金属活性層とを備えたバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒が得られる。金属粒子が2種以上の元素からなる場合には、一部またはその全部が合金化されてよい。 In this way, a catalyst for reforming biogas into carbon dioxide (CO 2 ) is obtained, which includes a honeycomb structure and a metal active layer made of metal particles containing Ni and a further metal element (the further metal element is at least one selected from the group consisting of Re, Ce, Mn, Mo, W, Cr, Ta, Hf, Os, Sn, Zn, La, Ca, Sc, Y, Fe, Co, Mg, Al, Si and Cu) supported on the surface and pores of the honeycomb structure, as described with reference to Fig. 1. When the metal particles are made of two or more elements, a part or all of them may be alloyed.

なお、ステップS420を先に行い、次いでステップS410を行い、ステップS430、S440の順に行ってもよい。 In addition, step S420 may be performed first, followed by step S410, and then steps S430 and S440.

バイオガスの二酸化炭素改質に用いられる触媒としてCO改質触媒100を説明してきたが、本発明のCO改質触媒100を、天然ガス、石油などからのメタンのCO改質の触媒として使用してもよい。 Although the CO2 reforming catalyst 100 has been described as a catalyst for use in carbon dioxide reforming of biogas, the CO2 reforming catalyst 100 of the present invention may also be used as a catalyst for CO2 reforming of methane from natural gas, petroleum, and the like.

(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1で説明した本発明のバイオガスのCO改質触媒を用いた水素製造装置について説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a hydrogen production device using the biogas CO2 reforming catalyst of the present invention described in the first embodiment will be described.

図5は、本発明の水素製造装置を示す模式図である。 Figure 5 is a schematic diagram showing the hydrogen production device of the present invention.

本発明の水素製造装置500は、典型的には、固定床流通式触媒反応装置である。水素製造装置500は、バイオガスを供給する供給部101と、少なくとも実施の形態1で説明したCO改質触媒を備え、バイオガスから二酸化炭素(CO)改質反応を生じる触媒反応部102とを備えるが、以下に説明する構成に限定されない。 The hydrogen production device 500 of the present invention is typically a fixed-bed flow-type catalytic reaction device. The hydrogen production device 500 includes a supply unit 101 that supplies biogas, and a catalytic reaction unit 102 that includes at least the CO2 reforming catalyst described in the first embodiment and causes a carbon dioxide ( CO2 ) reforming reaction from the biogas, but is not limited to the configuration described below.

供給部101は、少なくともバイオガスを触媒反応部102に供給する。供給部101は、バイオガスに加えて窒素等の不活性ガスや水蒸気を供給するようにしてもよい。バイオガスとともに水蒸気を供給することにより、炭素の析出を抑える効果がある。この場合、例えば、蒸発器103と、水収容部104は、ポンプ105と、重量秤106とをさらに備えてもよい。 The supply unit 101 supplies at least biogas to the catalytic reaction unit 102. The supply unit 101 may supply an inert gas such as nitrogen or water vapor in addition to the biogas. Supplying water vapor together with the biogas has the effect of suppressing carbon deposition. In this case, for example, the evaporator 103 and the water storage unit 104 may further include a pump 105 and a weight scale 106.

水収容部104は、水蒸気の原料となる水を収容する。水収容部104には重量秤106が備えられており、水の量を計量することができる。これにより、蒸発器103に供給される水の供給量を把握できる。なお、供給部101は、重量秤106を有さなくてもよい。 The water storage section 104 stores water, which is the raw material for steam. The water storage section 104 is equipped with a weight scale 106, which allows the amount of water to be measured. This allows the amount of water supplied to the evaporator 103 to be known. Note that the supply section 101 does not necessarily have to have a weight scale 106.

水収容部104は、ポンプ105を介して、蒸発器103に接続される。ポンプ105は、水収容部104から送られてきた水を蒸発器103に圧送する。 The water storage section 104 is connected to the evaporator 103 via the pump 105. The pump 105 pumps the water sent from the water storage section 104 to the evaporator 103.

蒸発器103は、水を水蒸気に変換し、ボンベ(図示せず)等から供給されたバイオガスと、水蒸気とを含む混合気体を触媒反応部102に供給する。ボンベから供給されるバイオガスの成分は、主にメタンと二酸化炭素を含有する。 The evaporator 103 converts water into steam and supplies a mixture of biogas supplied from a cylinder (not shown) or the like and steam to the catalytic reaction section 102. The components of the biogas supplied from the cylinder mainly include methane and carbon dioxide.

触媒反応部102は、反応管107と、CO改質触媒10と、電気炉109と、石英ウール108とを有する。CO改質触媒10は、実施の形態1で説明したCO改質触媒100と同じであるため、説明を省略する。触媒反応部102は、ガスクロマトグラフ510と、コールドトラップ111と、フローメータ112とを有していてもよい。これらは水素製造装置500の外部構成として設けられていてもよい。 The catalytic reaction unit 102 has a reaction tube 107, a CO2 reforming catalyst 10, an electric furnace 109, and quartz wool 108. The CO2 reforming catalyst 10 is the same as the CO2 reforming catalyst 100 described in the first embodiment, so a description thereof will be omitted. The catalytic reaction unit 102 may have a gas chromatograph 510, a cold trap 111, and a flow meter 112. These may be provided as external components of the hydrogen production device 500.

反応管107は、内部が空洞の円筒形状を有している。反応管107は、図5に示すように、円筒形状の中心軸方向を上下方向として配置されている。反応管107の上部は、供給部101に接続されている。反応管107は、供給部101より供給されたバイオガス(必要に応じて水蒸気を含む)を内部に流通させる。 The reaction tube 107 has a cylindrical shape with a hollow interior. As shown in FIG. 5, the reaction tube 107 is arranged with the central axis of the cylindrical shape oriented vertically. The upper part of the reaction tube 107 is connected to the supply unit 101. The reaction tube 107 allows the biogas (including water vapor, if necessary) supplied from the supply unit 101 to flow inside.

CO改質触媒10は、反応管107の内部に配置され、水素を生成する反応を促進する。石英ウール108は、反応管107の内部に配置されたCO改質触媒10の上下に配置され、CO改質触媒10を固定する。電気炉109は、電熱ヒータを有し、所定の反応温度に調整する。 The CO2 reforming catalyst 10 is disposed inside the reaction tube 107 and promotes the reaction for producing hydrogen. Quartz wool 108 is disposed above and below the CO2 reforming catalyst 10 disposed inside the reaction tube 107 and fixes the CO2 reforming catalyst 10. The electric furnace 109 has an electric heater and adjusts the reaction temperature to a predetermined temperature.

ガスクロマトグラフ510は、反応管107の下部に接続される。ガスクロマトグラフ510は、反応管107から排出された排出ガスの組成を測定する。コールドトラップ111は、ガスクロマトグラフ510に接続される。コールドトラップ111は、反応管107からガスクロマトグラフ510を介して排出された排出ガス中の水蒸気を除去する。 The gas chromatograph 510 is connected to the lower part of the reaction tube 107. The gas chromatograph 510 measures the composition of the exhaust gas discharged from the reaction tube 107. The cold trap 111 is connected to the gas chromatograph 510. The cold trap 111 removes water vapor from the exhaust gas discharged from the reaction tube 107 via the gas chromatograph 510.

フローメータ112は、コールドトラップ111に接続される。フローメータ112は、反応管107からガスクロマトグラフ510、コールドトラップ111を介して排出された排出ガスの流量を測定する。 The flow meter 112 is connected to the cold trap 111. The flow meter 112 measures the flow rate of the exhaust gas discharged from the reaction tube 107 through the gas chromatograph 510 and the cold trap 111.

次に、本発明の水素製造装置500の動作を説明する。
まず、触媒反応部102に水素が導入されることで、CO改質触媒10は還元処理される。この工程は適宜省略されてもよい。反応管107は、電気炉109により所定の反応温度に調整される。
Next, the operation of the hydrogen production device 500 of the present invention will be described.
First, hydrogen is introduced into the catalytic reaction section 102, whereby the CO2 reforming catalyst 10 is reduced. This step may be omitted as appropriate. The reaction tube 107 is adjusted to a predetermined reaction temperature by the electric furnace 109.

次に、キャリアガスとして窒素等の不活性ガスと共に、バイオガス(必要に応じて水蒸気を含む)が反応管107に供給される。ここではわかりやすさのために、バイオガスは、主成分であるメタンと二酸化炭素であるとして説明する。これにより、式(2)に示す二酸化炭素(CO)改質反応により水素が生成される。
CH+CO→2H+2CO ・・・(2)
水素は、CO(一酸化炭素)、残留メタン、残留二酸化炭素等を含む排出ガスとともに排出される。
Next, biogas (containing water vapor as necessary) is supplied to the reaction tube 107 together with an inert gas such as nitrogen as a carrier gas. For ease of understanding, the biogas will be described as being mainly composed of methane and carbon dioxide. As a result, hydrogen is produced by the carbon dioxide (CO 2 ) reforming reaction shown in formula (2).
CH4 + CO22H2 +2CO...(2)
The hydrogen is discharged together with exhaust gases containing CO (carbon monoxide), residual methane, residual carbon dioxide, and the like.

本発明の水素製造装置によれば、多量の高温水蒸気を必要としないので、省エネ化が期待される。また、本発明の熱伝導率に優れたCO改質触媒を用いるので、500℃以上800℃以下の範囲の比較的低温での改質が可能となり、エネルギー効率のさらなる向上が期待できる。 The hydrogen production device of the present invention does not require a large amount of high-temperature steam, which is expected to save energy. In addition, the use of the CO2 reforming catalyst of the present invention, which has excellent thermal conductivity, enables reforming at a relatively low temperature in the range of 500°C to 800°C, which is expected to further improve energy efficiency.

次に、具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 Next, the present invention will be described in detail using specific examples, but please note that the present invention is not limited to these examples.

[ハニカム構造体]
純ニッケル圧延箔(Ni、箔加工:日本クロス圧延)を用いて、コルゲート加工により波状加工し、セル密度(単位平方インチ当たりのセル数)が2300であり、直径8mm、高さ10mmのハニカム構造体を製造した。表1にハニカム構造体の性状を示す。
[Honeycomb structure]
Pure nickel rolled foil (Ni, foil processing: Nippon Cross Rolling) was corrugated to produce a honeycomb structure having a cell density (number of cells per square inch) of 2300, a diameter of 8 mm, and a height of 10 mm. Table 1 shows the properties of the honeycomb structure.

表1において、構造体体積は、0.5024mであり、幾何学的表面積は、1つのハニカム構造体を製造するに必要な箔(波状加工用の箔を含む)の面積をいい、簡単には、平坦状態の箔の長さ×幅×2で算出された。 In Table 1, the structure volume is 0.5024 m3 , and the geometric surface area refers to the area of the foil (including the foil for corrugation) required to manufacture one honeycomb structure, which was simply calculated as the length of the foil in a flat state x the width x 2.

[例1~例4の試料の調製]
例1~例4では、それぞれ、Niを含有する金属粒子、NiおよびReを含有する金属粒子、NiおよびCeを含有する金属粒子、ならびに、Ni、ReおよびCeを含有する金属粒子からなる金属活性層を備えたハニカム構造体からなる触媒を製造した。
[Preparation of Samples for Examples 1 to 4]
In Examples 1 to 4, catalysts were produced that were made of a honeycomb structure having a metal active layer made of metal particles containing Ni, metal particles containing Ni and Re, metal particles containing Ni and Ce, and metal particles containing Ni, Re, and Ce.

まず例1の試料を調製した。
ハニカム構造体をアセトンで超音波洗浄し、乾燥させた後、室温下で、硝酸ニッケル(II)六水和物水溶液(濃度50%)に含侵させ、Niの強酸塩粉末層を形成した(図2のステップS210)。硝酸ニッケル(II)六水和物水溶液層中のNiは、それぞれ、ハニカム構造体に対して、5重量%であった。具体的には、ハニカム構造体を硝酸ニッケル(II)六水和物水溶液に含侵させ、60℃で6時間、次いで、120℃で6時間乾燥させ、余剰の溶媒を除去し、Niの強酸塩(硝酸ニッケル(II)六水和物)粉末層を形成した。
First, the sample of Example 1 was prepared.
The honeycomb structure was ultrasonically cleaned with acetone, dried, and then impregnated with an aqueous solution of nickel (II) nitrate hexahydrate (concentration 50%) at room temperature to form a powder layer of strong Ni acid salt (step S210 in FIG. 2). The amount of Ni in the aqueous solution of nickel (II) nitrate hexahydrate was 5% by weight relative to the honeycomb structure. Specifically, the honeycomb structure was impregnated with an aqueous solution of nickel (II) nitrate hexahydrate, dried at 60° C. for 6 hours and then at 120° C. for 6 hours to remove excess solvent, and a powder layer of strong Ni acid salt (nickel (II) nitrate hexahydrate) was formed.

次に、Niの強酸塩粉末層からNiの酸化物粒子層を形成した(図2のステップS220)。詳細には、硝酸ニッケル(II)六水和物粉末層が形成されたハニカム構造体を電気箱型炉にセットし、空気中、500℃で6~8時間焼結させ、硝酸ニッケル(II)六水和物を酸化ニッケルにした。 Next, a Ni oxide particle layer was formed from the Ni strong acid salt powder layer (step S220 in FIG. 2). In detail, the honeycomb structure with the nickel nitrate (II) hexahydrate powder layer formed thereon was placed in an electric box furnace and sintered in air at 500°C for 6 to 8 hours to convert the nickel nitrate (II) hexahydrate into nickel oxide.

次に、酸化物粒子層を還元し、Niを含有する金属粒子の金属活性層を形成した(図2のステップS230)。詳細には、酸化ニッケルが形成されたハニカム構造体を電気管状炉にセットし、水素雰囲気中、430℃で1時間還元し、酸化ニッケルをNi金属にした。このようにして例1の試料(Ni5)を調製した。 Next, the oxide particle layer was reduced to form a metal active layer of metal particles containing Ni (step S230 in FIG. 2). In detail, the honeycomb structure on which nickel oxide was formed was placed in an electric tubular furnace and reduced in a hydrogen atmosphere at 430° C. for 1 hour to convert the nickel oxide into Ni metal. In this way, the sample (Ni5) of Example 1 was prepared.

例2の試料を調製した。
例1と同様に調製した酸化ニッケルを担持したハニカム構造体を、過レニウム酸アンモニウム水溶液(濃度5%)に含侵させ、Reの強酸塩粉末層を形成した(図4のステップS430)。過レニウム酸アンモニウム水溶液層中のReは、ハニカム構造体に対して、5重量%であった。具体的には、ハニカム構造体を過レニウム酸アンモニウム水溶液に含侵させ、60℃で6時間、次いで、120℃で6時間乾燥させ、余剰の溶媒を除去し、酸化ニッケル上にReの強酸塩(過レニウム酸アンモニウム)粉末層を形成した。
The sample of Example 2 was prepared.
A honeycomb structure carrying nickel oxide prepared in the same manner as in Example 1 was impregnated with an aqueous solution of ammonium perrhenate (concentration 5%) to form a powder layer of a strong acid salt of Re (step S430 in FIG. 4). The amount of Re in the aqueous solution of ammonium perrhenate was 5% by weight relative to the honeycomb structure. Specifically, the honeycomb structure was impregnated with an aqueous solution of ammonium perrhenate, dried at 60° C. for 6 hours and then at 120° C. for 6 hours to remove excess solvent, and a powder layer of a strong acid salt of Re (ammonium perrhenate) was formed on the nickel oxide.

次に、Reの強酸塩粉末層からReの酸化物粒子層を形成した(図4のステップS440)。詳細には、酸化ニッケル上に過レニウム酸アンモニウムが形成されたハニカム構造体を電気箱型炉にセットし、空気中、500℃で6~8時間焼結させ、酸化ニッケル上に酸化レニウムを形成した。 Next, an oxide particle layer of Re was formed from the strong acid salt powder layer of Re (step S440 in FIG. 4). In detail, the honeycomb structure with ammonium perrhenate formed on nickel oxide was set in an electric box furnace and sintered in air at 500°C for 6 to 8 hours to form rhenium oxide on nickel oxide.

次に、酸化物粒子層を還元し、NiおよびReを含有する金属粒子の金属活性層を形成した(図4のステップS450)。詳細には、酸化ニッケルおよび酸化レニウムが形成されたハニカム構造体を電気管状炉にセットし、水素雰囲気中、430℃で1時間還元し、酸化ニッケルおよび酸化レニウムをNiおよびReの金属にした。このようにして例2の試料(Ni5Re5)を調製した。 Next, the oxide particle layer was reduced to form a metal active layer of metal particles containing Ni and Re (step S450 in FIG. 4). In detail, the honeycomb structure on which nickel oxide and rhenium oxide were formed was placed in an electric tubular furnace and reduced in a hydrogen atmosphere at 430° C. for 1 hour to convert the nickel oxide and rhenium oxide into Ni and Re metals. In this way, the sample of Example 2 (Ni5Re5) was prepared.

例3の試料を調製した。
例1と同様に調製した酸化ニッケルを担持したハニカム構造体を、硝酸セリウム水溶液(濃度10wt%)に含侵させ、Ceの強酸塩粉末層を形成した(図4のステップS430)。硝酸セリウム水溶液層中のCeは、ハニカム構造体に対して、4.5重量%であった。具体的には、ハニカム構造体を硝酸セリウム水溶液に含侵させ、60℃で6時間、次いで、120℃で6時間乾燥させ、余剰の溶媒を除去し、酸化ニッケル上にCeの強酸塩(硝酸セリウム)粉末層を形成した。
The sample of Example 3 was prepared.
A honeycomb structure supporting nickel oxide prepared in the same manner as in Example 1 was impregnated with an aqueous cerium nitrate solution (concentration: 10 wt%) to form a powder layer of a strong acid salt of Ce (step S430 in FIG. 4). The Ce in the aqueous cerium nitrate solution layer was 4.5 wt% relative to the honeycomb structure. Specifically, the honeycomb structure was impregnated with an aqueous cerium nitrate solution, dried at 60°C for 6 hours and then at 120°C for 6 hours to remove excess solvent, and a powder layer of a strong acid salt of Ce (cerium nitrate) was formed on the nickel oxide.

次に、Ceの強酸塩粉末層からCeの酸化物粒子層を形成した(図4のステップS440)。詳細には、酸化ニッケル上に硝酸セリウムが形成されたハニカム構造体を電気箱型炉にセットし、空気中、500℃で6~8時間焼結させ、酸化ニッケル上に酸化セリウムを形成した。 Next, a Ce oxide particle layer was formed from the Ce strong acid salt powder layer (step S440 in FIG. 4). In detail, the honeycomb structure with cerium nitrate formed on nickel oxide was set in an electric box furnace and sintered in air at 500°C for 6 to 8 hours to form cerium oxide on nickel oxide.

次に、酸化物粒子層を還元し、NiおよびCeを含有する金属粒子の金属活性層を形成した(図4のステップS450)。詳細には、酸化ニッケルおよび酸化セリウムが形成されたハニカム構造体を電気管状炉にセットし、水素雰囲気中、430℃で1時間還元し、酸化ニッケルおよび酸化セリウムをNiおよびCeの金属にした。このようにして例3の試料(Ni5Ce4)を調製した。 Next, the oxide particle layer was reduced to form a metal active layer of metal particles containing Ni and Ce (step S450 in FIG. 4). In detail, the honeycomb structure on which nickel oxide and cerium oxide were formed was placed in an electric tubular furnace and reduced in a hydrogen atmosphere at 430° C. for 1 hour to convert the nickel oxide and cerium oxide into Ni and Ce metals. In this way, the sample of Example 3 (Ni5Ce4) was prepared.

例4の試料を調製した。
例2と同様に調製した酸化ニッケルおよび酸化レニウムを担持したハニカム構造体を、硝酸セリウム水溶液(濃度10wt%)に含侵させ、Ceの強酸塩粉末層を形成した(図4のステップS430)。硝酸セリウム水溶液層中のCeは、ハニカム構造体に対して、5重量%であった。具体的には、ハニカム構造体を硝酸セリウム水溶液に含侵させ、60℃で6時間、次いで、120℃で6時間乾燥させ、余剰の溶媒を除去し、酸化ニッケルおよび酸化レニウム上にCeの強酸塩(硝酸セリウム)粉末層を形成した。
The sample of Example 4 was prepared.
A honeycomb structure supporting nickel oxide and rhenium oxide prepared in the same manner as in Example 2 was impregnated with an aqueous cerium nitrate solution (concentration: 10 wt%) to form a strong acid salt of Ce powder layer (step S430 in FIG. 4). The Ce in the aqueous cerium nitrate solution layer was 5 wt% relative to the honeycomb structure. Specifically, the honeycomb structure was impregnated with an aqueous cerium nitrate solution, dried at 60° C. for 6 hours and then at 120° C. for 6 hours to remove excess solvent, and a strong acid salt of Ce (cerium nitrate) powder layer was formed on the nickel oxide and rhenium oxide.

次に、Ceの強酸塩粉末層からCeの酸化物粒子層を形成した(図4のステップS440)。詳細には、酸化ニッケルおよび酸化レニウム上に硝酸セリウムが形成されたハニカム構造体を電気箱型炉にセットし、空気中、500℃で6~8時間焼結させ、酸化ニッケルおよび酸化レニウム上に酸化セリウムを形成した。 Next, a Ce oxide particle layer was formed from the Ce strong acid salt powder layer (step S440 in FIG. 4). In detail, the honeycomb structure in which cerium nitrate was formed on nickel oxide and rhenium oxide was set in an electric box furnace and sintered in air at 500°C for 6 to 8 hours to form cerium oxide on the nickel oxide and rhenium oxide.

次に、酸化物粒子層を還元し、Ni、ReおよびCeを含有する金属粒子の金属活性層を形成した(図4のステップS450)。詳細には、酸化ニッケル、酸化レニウムおよび酸化セリウムが形成されたハニカム構造体を電気管状炉にセットし、水素雰囲気中、430℃で1時間還元し、酸化ニッケル、酸化レニウムおよび酸化セリウムをNi、ReおよびCeの金属にした。このようにして例4の試料(Ni5Re5Ce5)を調製した。 Next, the oxide particle layer was reduced to form a metal active layer of metal particles containing Ni, Re, and Ce (step S450 in FIG. 4). In detail, the honeycomb structure on which nickel oxide, rhenium oxide, and cerium oxide were formed was placed in an electric tubular furnace and reduced in a hydrogen atmosphere at 430° C. for 1 hour to convert nickel oxide, rhenium oxide, and cerium oxide into Ni, Re, and Ce metals. In this way, the sample of Example 4 (Ni5Re5Ce5) was prepared.

このようにして得られた例1~例4の試料について、表面のモルフォロジー、組成をエネルギー分散型X線分析(EDS)付属の走査型電子顕微鏡(SEM、日本電子(JEOL)製、FE-SEM JSM-7000F)に測定した。例1~例4の粒子径を、SEM像から40~100個の粒子についてImage J(ver. 1.51n;オープンソースでパブリックドメインの画像処理ソフトウェア)を用いて算出した。例1~例4の試料について全自動ガス吸着装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、BELSORP36)を用い窒素吸脱着等温線を測定し、BET法比表面積を測定した。結果を図6および表2に示す。
The surface morphology and composition of the samples of Examples 1 to 4 thus obtained were measured using a scanning electron microscope (SEM, manufactured by JEOL, FE-SEM JSM-7000F) equipped with an energy dispersive X-ray analyzer (EDS). The particle sizes of Examples 1 to 4 were calculated from the SEM images of 40 to 100 particles using Image J (ver. 1.51n; open source, public domain image processing software). The nitrogen adsorption/desorption isotherms of the samples of Examples 1 to 4 were measured using a fully automatic gas adsorption apparatus (manufactured by Microtrack Bell, BELSORP36), and the BET specific surface area was measured. The results are shown in FIG. 6 and Table 2.

図6は、例3および例4の試料のSEM像を示す図である。 Figure 6 shows SEM images of samples from Examples 3 and 4.

図6によれば、図2および図3の方法を実施することにより、ハニカム構造体の表面に金属粒子からなる金属活性層が形成されたことが確認された。図示しないが、例1および例2の試料も同様の形態を示した。 As shown in Figure 6, it was confirmed that by carrying out the methods of Figures 2 and 3, a metal active layer made of metal particles was formed on the surface of the honeycomb structure. Although not shown, the samples of Examples 1 and 2 also showed a similar morphology.

表2の結果を参照すれば、金属活性層中の各金属元素の質量パーセントは、仕込み組成と実質一致した。得られた試料の粒子径は、Niの含有量が低減するにつれて、小さくなった。また、試料のBET法比表面積は、Niの含有量が低減するにつれて、大きくなった。 Referring to the results in Table 2, the mass percentage of each metal element in the metal active layer was substantially consistent with the charged composition. The particle size of the obtained sample became smaller as the Ni content decreased. In addition, the BET specific surface area of the sample became larger as the Ni content decreased.

[例1~例4の試料を用いたバイオガスのCO改質]
図5に示す固定床流通式反応装置を用いて、例1~例4の試料のバイオガスのCO改質に対する触媒特性を調べた。バイオガスには、60%メタンと40%COとを含有する模擬ガスを使用した。703K(430℃)で、窒素気流中、1時間の還元処理後、表3に示す条件でCO改質を行った。
[ CO2 reforming of biogas using samples from Examples 1 to 4]
The catalytic properties of the samples of Examples 1 to 4 for CO2 reforming of biogas were investigated using the fixed-bed flow-type reactor shown in Figure 5. A simulated gas containing 60% methane and 40% CO2 was used as the biogas. After reduction treatment for 1 hour in a nitrogen stream at 703K (430°C) , CO2 reforming was carried out under the conditions shown in Table 3.

700℃から50℃間隔で降温させ、各温度で5時間保持した。出口側のガス組成をクロマトグラフ510(図5)で分析し、ガス総流量をフローメータ112(図5)で測定した。これにより、メタンとCOとの転換率を計算した。また、測定時の反応管107(図5)内の内圧を測定した。炭素析出量を、反応後の試料の示差熱・熱重量同時測定装置(株式会社島津製作所製、TG-60)を用いて熱重量示差熱分析(TG-DTA)により算出した。昇温速度5℃/分、大気流量50mL/分で、室温から1173K(900℃)まで昇温しながら、重量変化を測定した。また、反応後の試料の様子をSEM像で観察した。これらの結果を図7~図10に示す。 The temperature was lowered from 700°C in 50°C intervals, and each temperature was held for 5 hours. The gas composition at the outlet was analyzed by a chromatograph 510 (Fig. 5), and the total gas flow rate was measured by a flow meter 112 (Fig. 5). This allowed the conversion rate of methane to CO2 to be calculated. The internal pressure in the reaction tube 107 (Fig. 5) during the measurement was also measured. The amount of carbon deposition was calculated by thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTA) using a differential thermal and thermogravimetric simultaneous measurement device (TG-60, manufactured by Shimadzu Corporation) of the sample after the reaction. The weight change was measured while raising the temperature from room temperature to 1173K (900°C) at a heating rate of 5°C/min and an air flow rate of 50mL/min. The state of the sample after the reaction was also observed by SEM images. These results are shown in Figs. 7 to 10.

図7は、例1~例4の試料を用いたバイオガスのCO改質によるメタン転換率(A)およびCO転換率(B)を示す図である。
図8は、例4の試料を用いたバイオガスのCO改質における反応管内の内圧の変化を示す図である。
FIG. 7 shows the methane conversion (A) and CO2 conversion (B) by CO2 reforming of biogas using the samples of Examples 1 to 4.
FIG. 8 is a diagram showing the change in internal pressure in the reaction tube during CO2 reforming of biogas using the sample of Example 4.

図7および図8には、参考のため、商用Ni/Al粒状触媒(Clariant社製、FCR-4-02)の結果(単にFCR-4と示す)を併せて示す。図7によれば、いずれの試料も、測定した温度範囲において、バイオガスをCO改質することが示された。特に、測定した温度範囲において、例1(Ni5)、例2(Ni5Re5)、例3(Ni5Ce4)、例4(Ni5Re5Ce5)の順に転換率は向上し、例4のそれは、商用Ni/Al粒状触媒のそれと同等の高い触媒活性を示した。このことから、例1~例4の試料は、バイオガスのCO改質触媒として機能することが示され、特に、NiとReとCeとを含有する試料は、高い触媒活性を示し、NiとCeとを含有する試料は次いで高い触媒活性を示した。 For reference, Fig. 7 and Fig. 8 also show the results of a commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst (Clariant, FCR-4-02) (simply indicated as FCR-4). Fig. 7 shows that all samples reformed biogas to CO 2 in the measured temperature range. In particular, in the measured temperature range, the conversion rate improved in the order of Example 1 (Ni5), Example 2 (Ni5Re5), Example 3 (Ni5Ce4), and Example 4 (Ni5Re5Ce5), and the conversion rate of Example 4 showed high catalytic activity equivalent to that of the commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst. This shows that the samples of Examples 1 to 4 function as CO 2 reforming catalysts for biogas, and in particular, the sample containing Ni, Re, and Ce showed high catalytic activity, followed by the sample containing Ni and Ce.

さらに、図7および図8に示すように、例4(Ni5Re5Ce5)は、700℃で商用Ni/Al粒状触媒と同等の高いメタン転化率およびそれと同レベルのCO転化率を示した。しかしながら、商用Ni/Al粒状触媒は、反応開始後直ぐにメタン転化率とCO転化率とは低下し、反応開始50分後反応管内の圧力も上がり始め、反応開始2時間後反応管内圧は反応装置の設定上限(0.2MPa)になり、実験強制的に中断された。これは、Ni/Al粒状触媒に炭素析出が生じるとともに、触媒粉体化による反応管が閉塞されたためと考える。一方、例4の試料は、反応管内の内圧の上昇を示さなかった。図示しないが、例1~例3の試料も同様に、反応管内の内圧の上昇を示さなかった。このことから、例1~例4の試料は、耐炭素析出性に優れたバイオガスのCO改質触媒であることが示唆される。 Furthermore, as shown in Figures 7 and 8, Example 4 (Ni5Re5Ce5) showed a high methane conversion rate and a CO2 conversion rate at 700 ° C. equivalent to that of the commercial Ni / Al 2 O 3 granular catalyst. However, with the commercial Ni / Al 2 O 3 granular catalyst, the methane conversion rate and CO2 conversion rate decreased immediately after the start of the reaction, and the pressure in the reaction tube began to rise 50 minutes after the start of the reaction, and 2 hours after the start of the reaction, the pressure in the reaction tube reached the upper limit set for the reactor (0.2 MPa), and the experiment was forcibly interrupted. This is thought to be due to carbon deposition on the Ni / Al 2 O 3 granular catalyst and the reaction tube being blocked by catalyst powderization. On the other hand, the sample of Example 4 did not show an increase in the internal pressure in the reaction tube. Although not shown, the samples of Examples 1 to 3 also did not show an increase in the internal pressure in the reaction tube. This suggests that the samples of Examples 1 to 4 are biogas CO2 reforming catalysts with excellent resistance to carbon deposition.

図9は、反応後の例4の試料のSEM像を示す図である。 Figure 9 shows an SEM image of the sample of Example 4 after reaction.

反応前の図6(B)と反応後の図9とを比較すると、金属活性層の金属粒子の粒径が大きくなっていた。これは、析出した炭素によるものと考える。 Comparing Figure 6(B) before the reaction with Figure 9 after the reaction, the particle size of the metal particles in the metal active layer has increased. This is believed to be due to the precipitated carbon.

図10は、反応後の例4の試料のTGA曲線を示す図である。 Figure 10 shows the TGA curve of the sample of Example 4 after the reaction.

図10には、参考のため、反応後の商用Ni/Al粒状触媒のTGA曲線についても示す。図10によれば、例4の試料の炭素析出による重量変化は21%であり、Ni/Al粒状触媒のそれは20%であり、ほぼ同様であった。しかしながら、例4の試料の反応条件が、反応時間1200分(5時間@700℃+5時間@650℃+5時間@600℃+5時間@550℃)であり、Ni/Al粒状触媒の反応条件が、反応時間120分(2時間@520℃)であることに基づけば、例4の試料における炭素析出速度は、商用Ni/Al粒状触媒に比べて劇的に遅いことが分かる。図示しないが、例1~例3の試料も、例4と同様のTGA曲線を示した。このことから、例1~例4の試料は、耐炭素析出性に優れたバイオガスのCO改質触媒であることが示唆される。 For reference, Fig. 10 also shows the TGA curve of the commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst after the reaction. According to Fig. 10, the weight change due to carbon deposition of the sample of Example 4 was 21%, and that of the Ni/Al 2 O 3 granular catalyst was 20%, which was almost the same. However, based on the reaction conditions of the sample of Example 4, which was a reaction time of 1200 minutes (5 hours @ 700 ° C + 5 hours @ 650 ° C + 5 hours @ 600 ° C + 5 hours @ 550 ° C), and the reaction conditions of the Ni/Al 2 O 3 granular catalyst, which was a reaction time of 120 minutes (2 hours @ 520 ° C), it can be seen that the carbon deposition rate in the sample of Example 4 was dramatically slower than that of the commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst. Although not shown, the samples of Examples 1 to 3 also showed TGA curves similar to those of Example 4. This suggests that the samples of Examples 1 to 4 are biogas CO2 reforming catalysts with excellent resistance to carbon deposition.

以上から、本発明のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒は、金属箔からなるハニカム構造体と、それに担持された少なくともNiを含有する金属粒子からなる金属活性層とを備えることにより、優れた触媒活性を示すとともに、耐炭素析出性および触媒粉体化抑制に優れる。 From the above, the biogas carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst of the present invention is equipped with a honeycomb structure made of metal foil and a metal active layer made of metal particles containing at least Ni supported on the honeycomb structure, and therefore exhibits excellent catalytic activity as well as excellent resistance to carbon precipitation and suppression of catalyst powderization.

[例1~例4の試料を用いたバイオガスのCO+HO共改質]
図5に示す固定床流通式反応装置を用いて、バイオガスの転換率向上および組成調整を目的として、例1~例4の試料のバイオガスのCO+HO共改質に対する触媒特性を調べた。バイオガスには、60%メタンと40%COとを含有する模擬ガスを使用し、水蒸気を流した。703K(430℃)で、窒素気流中、1時間の還元処理後、表4に示す条件でCO+HO共改質を行った。
[CO 2 +H 2 O co-reforming of biogas using samples from Examples 1 to 4]
Using the fixed-bed flow-type reactor shown in Figure 5, the catalytic properties of the biogas samples of Examples 1 to 4 for CO 2 + H 2 O co-reforming were investigated for the purpose of improving the biogas conversion rate and adjusting the composition. A simulated gas containing 60% methane and 40% CO 2 was used as the biogas, and water vapor was allowed to flow. After reduction treatment for 1 hour in a nitrogen stream at 703 K (430 °C), CO 2 + H 2 O co-reforming was performed under the conditions shown in Table 4.

バイオガスのCO改質と同様にして、メタンとCOとの転換率、反応管内の内圧、炭素析出量を算出し、反応後の試料の様子をSEM像で観察した。これらの結果を図11~図14に示す。 As in the case of CO2 reforming of biogas, the conversion rate of methane and CO2 , the internal pressure in the reaction tube, and the amount of carbon deposition were calculated, and the state of the sample after the reaction was observed with a SEM image. These results are shown in Figures 11 to 14.

図11は、例1~例4の試料を用いたバイオガスのCO+HO共改質によるメタン転換率(A)およびCO転換率(B)を示す図である。
図12は、例4の試料を用いたバイオガスのCO+HO共改質における反応管内の内圧の変化を示す図である。
FIG. 11 shows methane conversion (A) and CO2 conversion (B) by CO 2 +H 2 O co-reforming of biogas using the samples of Examples 1 to 4.
FIG. 12 is a diagram showing the change in the internal pressure in the reaction tube during CO 2 +H 2 O co-reforming of biogas using the sample of Example 4.

図11および図12には、参考のため、商用Ni/Al粒状触媒の結果を併せて示す。図11によれば、いずれの試料も、測定した温度範囲において、バイオガスをCO+HO共改質することが示された。 For reference, the results of a commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst are also shown in Figures 11 and 12. Figure 11 shows that both samples co-reformed biogas to CO 2 +H 2 O in the measured temperature range.

特に、測定した温度範囲において、例1(Ni5)、例2(Ni5Re5)、例3(Ni5Ce4)、例4(Ni5Re5Ce5)の順に転換率は向上し、例3および例4のそれは、商用Ni/Al粒状触媒のそれと同等に高い触媒活性を示した。このことから、例1~例4の試料は、バイオガスのCO+HO共改質触媒として機能することが示され、特に、NiとReとCeとを含有する試料は、高い触媒活性を示し、NiとCeとを含有する試料は次いで高い触媒活性を示した。 In particular, within the measured temperature range, the conversion rate increased in the order of Example 1 (Ni5), Example 2 (Ni5Re5), Example 3 (Ni5Ce4), and Example 4 (Ni5Re5Ce5), and those of Examples 3 and 4 showed high catalytic activity equivalent to that of the commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst. This indicates that the samples of Examples 1 to 4 function as catalysts for co-reforming of biogas to CO 2 +H 2 O, and in particular, the sample containing Ni, Re, and Ce showed high catalytic activity, followed by the sample containing Ni and Ce.

また、図7のバイオガスのCO改質と比較すると、水蒸気を用いることにより、例1~例4の試料のメタンの転換率は、向上した。例えば、例4の試料について、700℃、5時間のバイオガスのCO改質によるメタンの転換率は55%であったが、700℃、5時間のバイオガスのCO+HO共改質によるメタンの転換率は75%であった。 In addition, the use of steam improved the methane conversion rates of the samples in Examples 1 to 4, compared to the CO2 reforming of biogas in Figure 7. For example, for the sample in Example 4, the methane conversion rate by CO2 reforming of biogas at 700°C for 5 hours was 55%, but the methane conversion rate by CO2 + H2O co-reforming of biogas at 700°C for 5 hours was 75%.

なお、図11の波動幅は、図7のそれに比べて大きくなっているが、これは、水の供給速度を安定化することにより改善する。 Note that the wave width in Figure 11 is larger than that in Figure 7, but this can be improved by stabilizing the water supply rate.

さらに、図11および図12に示すように、例3(Ni5Ce4)および例4(Ni5Re5Ce5)は、700℃、650℃で商用Ni/Al粒状触媒と同等の高いメタン転化率およびそれと同レベルのCO転化率を示した。しかしながら、商用Ni/Al粒状触媒は、650℃で反応開始20分後反応管内の圧力も上がり始め、反応開始3時間後反応管内圧は反応装置の設定上限(0.2MPa)になり、実験強制的に中断された。これは、Ni/Al粒状触媒に炭素析出が生じるとともに、触媒粉体化による反応管が閉塞されたためと考える。 Furthermore, as shown in Figures 11 and 12, Example 3 (Ni5Ce4) and Example 4 (Ni5Re5Ce5) showed high methane conversion and CO2 conversion at the same level as the commercial Ni/ Al2O3 granular catalyst at 700°C and 650°C. However, with the commercial Ni/ Al2O3 granular catalyst, the pressure in the reaction tube began to rise 20 minutes after the start of the reaction at 650°C, and 3 hours after the start of the reaction, the pressure in the reaction tube reached the upper limit set for the reactor (0.2 MPa), and the experiment was forcibly interrupted. This is thought to be due to carbon deposition on the Ni / Al2O3 granular catalyst and blockage of the reaction tube due to catalyst powdering.

一方、例4の試料は、反応管内の内圧の上昇を示さなかった。図示しないが、例1~例3の試料も同様に、反応管内の内圧の上昇を示さなかった。このことから、例1~例4の試料は、耐炭素析出性に優れたバイオガスのCO+HO共改質触媒であることが示唆される。 On the other hand, the sample of Example 4 did not show an increase in the internal pressure in the reaction tube. Although not shown, the samples of Examples 1 to 3 also did not show an increase in the internal pressure in the reaction tube. This suggests that the samples of Examples 1 to 4 are biogas CO 2 +H 2 O co-reforming catalysts with excellent carbon deposition resistance.

図13は、反応後の例4の試料のSEM像を示す図である。 Figure 13 shows an SEM image of the sample of Example 4 after reaction.

反応前の図6(B)と反応後の図13とを比較すると、金属活性層の金属粒子の粒径が大きくなっていた。これは、析出した炭素によるものと考える。 Comparing Figure 6(B) before the reaction with Figure 13 after the reaction, the particle size of the metal particles in the metal active layer has increased. This is believed to be due to the precipitated carbon.

図14は、反応後の例4の試料のTGA曲線を示す図である。 Figure 14 shows the TGA curve of the sample of Example 4 after the reaction.

図14には、参考のため、反応後の商用Ni/Al粒状触媒のTGA曲線についても示す。図14によれば、例4の試料の炭素析出による重量変化は6%であり、Ni/Al粒状触媒のそれは11%であり、例4の試料の方が炭素析出量は少なかった。また、例4の試料の反応条件が、反応時間1200分(5時間@700℃+5時間@650℃+5時間@600℃+5時間@550℃)であり、Ni/Al粒状触媒の反応条件が、反応時間400分(5時間@700℃+3時間@650℃)であることに基づけば、例4の試料における炭素析出速度は、商用Ni/Al粒状触媒に比べて劇的に遅いことが分かる。図示しないが、例1~例3の試料も、例4と同様のTGA曲線を示した。このことから、例1~例4の試料は、バイオガスのCO改質触媒であり、HOとの共改質により、触媒活性ならびに耐炭素析出性がさらに向上するが示された。 For reference, FIG. 14 also shows the TGA curve of the commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst after the reaction. According to FIG. 14, the weight change due to carbon deposition in the sample of Example 4 was 6%, while that of the Ni/Al 2 O 3 granular catalyst was 11%, and the amount of carbon deposition in the sample of Example 4 was smaller. In addition, based on the reaction conditions of the sample of Example 4 being a reaction time of 1200 minutes (5 hours @ 700 ° C + 5 hours @ 650 ° C + 5 hours @ 600 ° C + 5 hours @ 550 ° C) and the reaction conditions of the Ni/Al 2 O 3 granular catalyst being a reaction time of 400 minutes (5 hours @ 700 ° C + 3 hours @ 650 ° C), it can be seen that the carbon deposition rate in the sample of Example 4 is dramatically slower than that of the commercial Ni/Al 2 O 3 granular catalyst. Although not shown, the samples of Examples 1 to 3 also showed TGA curves similar to those of Example 4. This indicates that the samples of Examples 1 to 4 are catalysts for CO 2 reforming of biogas, and that co-reforming with H 2 O further improves the catalytic activity and carbon deposition resistance.

以上から、本発明のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒は、金属箔からなるハニカム構造体と、それに担持された少なくともNiを含有する金属粒子からなる金属活性層とを備えることにより、優れた触媒活性を示すとともに、耐炭素析出性および触媒粉体化抑制に優れる。本発明のバイオガスのCO改質触媒に、HOとの共改質を行えば、触媒活性および耐炭素析出性をさらに向上させることができる。 From the above, the carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst of the present invention, which is provided with a honeycomb structure made of metal foil and a metal active layer made of metal particles containing at least Ni supported thereon, exhibits excellent catalytic activity, and is excellent in carbon precipitation resistance and catalyst powdering suppression. If the biogas CO 2 reforming catalyst of the present invention is co-reformed with H 2 O, the catalytic activity and carbon precipitation resistance can be further improved.

また、特許文献2のメタンの水蒸気改質では、S/C比は3以上が必要となるが、本発明では、表4に示すように、1または1以下であり、多量の高温水蒸気を発生する必要がなく、大きな省エネルギー効果が期待される(必要な熱エネルギー量は水蒸気反応システムの1/3以下になる)。 In addition, in the steam reforming of methane in Patent Document 2, an S/C ratio of 3 or more is required, but in the present invention, as shown in Table 4, the S/C ratio is 1 or less, so there is no need to generate large amounts of high-temperature steam, and a significant energy saving effect is expected (the amount of thermal energy required is 1/3 or less of that required in a steam reaction system).

本発明のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒は、高い触媒活性を示し、かつ、耐炭素析出性に優れるため、バイオガスの二酸化炭素改質への使用に限らず、天然ガスなどのメタンの二酸化炭素改質への応用もできる。車両用燃料電池、携帯電話用燃料電池、携帯PC用燃料電池、家庭用定置型燃料電池、水素ステーション、半導体製造等へ水素を供給する水素製造装置に適用される。 The biogas carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst of the present invention exhibits high catalytic activity and has excellent resistance to carbon deposition, and therefore can be used not only for carbon dioxide reforming of biogas but also for carbon dioxide reforming of methane such as natural gas. The catalyst is applied to fuel cells for vehicles, fuel cells for mobile phones, fuel cells for portable PCs, stationary fuel cells for home use, hydrogen stations, hydrogen production equipment that supplies hydrogen to semiconductor manufacturing, etc.

100 バイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒
110 金属箔
120 金属粒子
130 金属活性層
500 水素製造装置
101 供給部
102 触媒反応部
103 蒸発器
104 水収容部
105 ポンプ
106 重量秤
107 反応管
108 石英ウール
109 電気炉
111 コールドトラップ
112 フローメータ
510 ガスクロマトグラフ
REFERENCE SIGNS LIST 100 Biogas carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst 110 Metal foil 120 Metal particles 130 Metal active layer 500 Hydrogen production device 101 Supply section 102 Catalytic reaction section 103 Evaporator 104 Water storage section 105 Pump 106 Weight scale 107 Reaction tube 108 Quartz wool 109 Electric furnace 111 Cold trap 112 Flow meter 510 Gas chromatograph

Claims (13)

金属箔からなるハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体に担持された金属粒子からなる金属活性層と
を備え、
前記金属粒子は、ニッケル(Ni)と、レニウム(Re)またはセリウム(Ce)とからなり、
前記Niは、10wt%以上80wt%以下の範囲であり、
前記ReまたはCeは、20wt%以上90wt%以下の範囲である、バイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒。
A honeycomb structure made of metal foil;
and a metal active layer made of metal particles supported on the honeycomb structure.
The metal particles are made of nickel (Ni) and rhenium (Re) or cerium (Ce);
The Ni content is in the range of 10 wt % or more and 80 wt % or less,
A catalyst for reforming biogas with carbon dioxide (CO 2 ), wherein the Re or Ce is in the range of 20 wt % or more and 90 wt % or less .
前記Niは、45wt%以上60wt%以下の範囲であり、
前記ReまたはCeは、40wt%以上55wt%以下の範囲である、請求項に記載のCO改質触媒。
The Ni content is in the range of 45 wt % or more and 60 wt % or less,
The CO2 reforming catalyst according to claim 1 , wherein the Re or Ce is in the range of 40 wt % or more and 55 wt % or less.
金属箔からなるハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体に担持された金属粒子からなる金属活性層と
を備え、
前記金属粒子は、NiとReとCeとを含み、
前記Niは、10wt%以上75wt%以下の範囲であり、
前記Reは、5wt%以上40wt%以下の範囲であり、
前記Ceは、0.5wt%以上50wt%以下の範囲である、バイオガスの二酸化炭素(CO 改質触媒。
A honeycomb structure made of metal foil;
a metal active layer made of metal particles supported on the honeycomb structure;
Equipped with
The metal particles include Ni, Re, and Ce,
The Ni content is in the range of 10 wt % or more and 75 wt % or less,
The Re is in the range of 5 wt % or more and 40 wt % or less,
The catalyst for reforming biogas with carbon dioxide (CO 2 ) , wherein the Ce content is in the range of 0.5 wt % to 50 wt %.
前記Niは、25wt%以上35wt%以下の範囲であり、
前記Reは、25wt%以上35wt%以下の範囲であり、
前記Ceは、25wt%以上35wt%以下の範囲である、請求項に記載のCO改質触媒。
The Ni content is in the range of 25 wt % or more and 35 wt % or less,
The Re is in the range of 25 wt % or more and 35 wt % or less,
The CO2 reforming catalyst according to claim 3 , wherein the Ce is in the range of 25 wt% to 35 wt%.
前記金属粒子は、1nm以上500nm以下の範囲の粒径を有する、請求項1~のいずれかに記載のCO改質触媒。 The CO2 reforming catalyst according to any one of claims 1 to 4 , wherein the metal particles have a particle size in the range of 1 nm to 500 nm. 前記金属粒子は、10nm以上200nm以下の範囲の粒径を有する、請求項に記載のCO改質触媒。 6. The CO2 reforming catalyst of claim 5 , wherein the metal particles have a particle size in the range of 10 nm to 200 nm. 前記金属箔は、ニッケルまたはニッケル基合金、鉄基合金、または、ステンレスである、請求項1~のいずれかに記載のCO改質触媒。 The CO2 reforming catalyst according to any one of claims 1 to 6 , wherein the metal foil is made of nickel or a nickel-based alloy, an iron-based alloy, or stainless steel. 前記ハニカム構造体は、400セル数/in2以上2500セル数/in2以下のセル密度を有する、請求項1~のいずれかに記載のCO改質触媒。 The CO2 reforming catalyst according to any one of claims 1 to 7 , wherein the honeycomb structure has a cell density of 400 cells/in2 or more and 2500 cells/in2 or less. 金属箔からなるハニカム構造体を、ニッケル(Ni)の強酸塩溶液に含侵させ、前記ハニカム構造体の細孔表面にNiの強酸塩粉末層を形成することと、
前記強酸塩粉末層を熱分解することで、前記Niの酸化物粒子層を形成することと、
前記Niの酸化物粒子層が形成された前記ハニカム構造体をさらなる金属元素の強酸塩溶液に含侵させ、前記ハニカム構造体の細孔表面に前記さらなる金属元素の強酸塩粉末層を形成することと、
前記さらなる金属の強酸塩粉末層を熱分解することで、前記さらなる金属の酸化物粒子層を形成することと、
前記Niおよび前記さらなる金属の酸化物粒子層を還元することで、Niおよび前記さらなる金属元素を含有する金属粒子からなる金属活性層を形成すること
を包含
前記さらなる金属元素は、レニウム(Re)および/またはセリウム(Ce)である、請求項1~のいずれかに記載のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒の製造方法。
A honeycomb structure made of a metal foil is impregnated with a solution of a strong acid salt of nickel (Ni) to form a powder layer of a strong acid salt of Ni on the pore surfaces of the honeycomb structure;
forming the Ni oxide particle layer by thermally decomposing the strong acid salt powder layer;
The honeycomb structure on which the Ni oxide particle layer is formed is impregnated with a strong acid salt solution of an additional metal element to form a strong acid salt powder layer of the additional metal element on the pore surface of the honeycomb structure;
forming a layer of oxide particles of the further metal by pyrolyzing a layer of a strong acid salt powder of the further metal;
forming a metal active layer composed of metal particles containing Ni and the further metal element by reducing the oxide particle layer of Ni and the further metal element ;
The method for producing a biogas to carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst according to any one of claims 1 to 8 , wherein the further metal element is rhenium (Re) and/or cerium (Ce).
前記Niの強酸塩粉末層を形成することに先立って、前記ハニカム構造体の細孔表面を酸処理する、請求項に記載の方法。 The method according to claim 9 , wherein the pore surfaces of the honeycomb structure are treated with an acid prior to forming the Ni strong acid salt powder layer. 前記酸処理は、硝酸、塩酸および硫酸からなる群から選択される強酸を用いる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 10 , wherein the acid treatment uses a strong acid selected from the group consisting of nitric acid, hydrochloric acid and sulfuric acid. バイオガスを供給する供給部と、
前記供給部から供給された前記バイオガスから二酸化炭素(CO)改質反応を生じる触媒反応部と
を備え、
前記触媒反応部は、請求項1~のいずれかに記載のバイオガスの二酸化炭素(CO)改質触媒を備える、水素製造装置。
a supply unit for supplying biogas;
and a catalytic reaction section that causes a carbon dioxide (CO 2 ) reforming reaction from the biogas supplied from the supply section,
A hydrogen production device, wherein the catalytic reaction section is provided with a carbon dioxide (CO 2 ) reforming catalyst for biogas according to any one of claims 1 to 8 .
前記供給部は、前記バイオガスに加えて水蒸気をさらに供給する、請求項1に記載の水素製造装置。 The hydrogen production device according to claim 12 , wherein the supply unit further supplies water vapor in addition to the biogas.
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