JP7798519B2 - Electrolytic cell unit, hydrocarbon production system, and method for operating electrolytic cell unit - Google Patents
Electrolytic cell unit, hydrocarbon production system, and method for operating electrolytic cell unitInfo
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Description
本発明は、電解質層を挟んで設けられる電極層と対極電極層を備えて構成される電解セルを備えた電解セルユニット及びそれを用いた炭化水素類製造システムと、電解セルユニットの運転方法に関する。 The present invention relates to an electrolytic cell unit equipped with an electrolytic cell comprising an electrode layer and a counter electrode layer sandwiching an electrolyte layer, a hydrocarbon production system using the same, and an operating method for the electrolytic cell unit.
電解セルユニットを備えて構成される炭化水素類製造システムが特許文献1又は2に開示されている。
特許文献1に開示のシステムは、水蒸気及び二酸化炭素から水素か合成用原料ガス(水素及び一酸化炭素の混合物を表す「合成ガス」)かのいずれかを生成する電解単セル(本発明の単セル型の電解セルユニットに相当する)の積み重ねを備えた高温電解質(HTE)反応器(本発明の電解反応部に相当)を備え、この電解単セルで得られた合成ガスを不均一系触媒作用によって所望の可燃ガスに変換する。
従って、この特許文献1に開示の技術は、電解反応部の下流側に炭化水素合成部を設け、水と二酸化炭素を出発原料として炭化水素を製造する。
特許文献1の図3を参照すると、このシステムは円筒形の大型装置となっている。
Patent Documents 1 and 2 disclose a hydrocarbon production system including an electrolysis cell unit.
The system disclosed in Patent Document 1 includes a high-temperature electrolyte (HTE) reactor (corresponding to the electrolytic reaction section of the present invention) equipped with a stack of electrolytic single cells (corresponding to the single-cell electrolytic cell units of the present invention) that produce either hydrogen or a synthesis feed gas ("synthesis gas" representing a mixture of hydrogen and carbon monoxide) from water vapor and carbon dioxide, and converts the synthesis gas obtained in the electrolytic single cells into a desired combustible gas by heterogeneous catalytic action.
Therefore, in the technology disclosed in Patent Document 1, a hydrocarbon synthesis section is provided downstream of an electrolysis reaction section, and hydrocarbons are produced using water and carbon dioxide as starting materials.
Referring to FIG. 3 of Patent Document 1, this system is a large cylindrical device.
一方、特許文献2に開示の技術は、電力から有用なガス(具合的にはメタン)を生成するパワーツーガスユニットに関し、具体的には固体酸化物(SOEC)の基本電解セルのスタックのカソードにメタン化反応触媒材料を含む技術が開示されている。
特許文献2に開示の技術でも、電解セルが電解反応部となり、カソードに設けられるメタン化反応触媒材料が炭化水素合成部を構成することとなる。
On the other hand, the technology disclosed in Patent Document 2 relates to a power-to-gas unit that produces useful gas (specifically, methane) from electricity, and specifically discloses a technology in which a methanation reaction catalyst material is included in the cathode of a stack of basic solid oxide electrolysis cells (SOEC).
In the technology disclosed in Patent Document 2, the electrolysis cell also serves as the electrolysis reaction section, and the methanation reaction catalyst material provided on the cathode constitutes the hydrocarbon synthesis section.
これらの先行技術において、電解反応部では、水と二酸化炭素とを共に電解する所謂「共電解」が行なわれる。炭化水素の合成(所謂、メタン化)には、不均一系触媒を使用する。 In these prior art technologies, the electrolysis reaction section performs so-called "co-electrolysis," in which water and carbon dioxide are electrolyzed together. A heterogeneous catalyst is used for the synthesis of hydrocarbons (so-called methanation).
しかしながら、電解反応部での共電解に関して以下のような問題があることを発明者等は見出した。
1.共電解の問題点
水の電解電圧が1.23V付近なのに対して二酸化炭素の電解電圧は1.33V付近であるため、二酸化炭素の電解反応は水の電解反応より起こり難い。結果、共電解反応を起こそうとしても二酸化炭素の電解反応が起こり難く、炭化水素類の合成に有用な一酸化炭素の濃度を充分確保することができない。
However, the inventors have found that the co-electrolysis in the electrolysis reaction section has the following problems.
1. Problems with co-electrolysis The electrolysis voltage of water is around 1.23 V, while the electrolysis voltage of carbon dioxide is around 1.33 V, making the electrolysis reaction of carbon dioxide more difficult to occur than the electrolysis reaction of water. As a result, even if a co-electrolysis reaction is attempted, the electrolysis reaction of carbon dioxide is difficult to occur, and it is not possible to ensure a sufficient concentration of carbon monoxide useful for the synthesis of hydrocarbons.
2.特許文献1に記載の装置を参照すると、装置は大型であり、炭化水素合成を特段のエネルギーを消費することなく効率的に行うという点で改善の余地がある。 2. With reference to the apparatus described in Patent Document 1, the apparatus is large and there is room for improvement in terms of efficiently synthesizing hydrocarbons without consuming significant energy.
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、水素源或いは一酸化炭素源とできる電解セルユニットとして、例えば、炭化水素類の合成に必要な水素及び一酸化炭素を適切に確保できる電解セルユニットを得る点にある。 In light of this situation, the primary objective of the present invention is to provide an electrolytic cell unit that can serve as a hydrogen source or a carbon monoxide source, for example, an electrolytic cell unit that can adequately secure the hydrogen and carbon monoxide necessary for the synthesis of hydrocarbons.
本発明に係る第1特徴構成は、
電解質層を挟んで電極層と対極電極層が形成された電解セルと、前記電極層で発生する水素を排出する排出路とを少なくとも備えた電解セルユニットとして構成され、
前記逆水性ガスシフト反応により二酸化炭素と前記水素を用いて一酸化炭素を生成する逆水性ガスシフト反応部を前記排出路の少なくとも一部に設けて構成され、
前記電解セルが固体酸化物形電解セルである点にある。
The first characteristic configuration of the present invention is:
an electrolysis cell unit including at least an electrolysis cell in which an electrode layer and a counter electrode layer are formed with an electrolyte layer sandwiched therebetween, and an exhaust path through which hydrogen generated in the electrode layer is exhausted;
a reverse water gas shift reaction unit that generates carbon monoxide using carbon dioxide and the hydrogen through the reverse water gas shift reaction is provided in at least a part of the exhaust passage,
The electrolytic cell is a solid oxide electrolytic cell.
電解セルユニットは電解セルを備え、この電解セルの電極層、対極電極層との間に電流が流れることにより、水素源となるガスから電解反応(電気分解反応)により水素を生成する。生成される水素は排出路に放出されるが、この部位の少なくとも一部を逆水性ガスシフト反応部とすることにより、排出路を流れる二酸化炭素と電極層で生成する水素を使用して一酸化炭素を生成することができる。 The electrolytic cell unit includes an electrolytic cell, and when an electric current flows between the electrode layer and counter electrode layer of the electrolytic cell, hydrogen is produced from the hydrogen source gas through an electrolysis reaction (electrolysis reaction). The hydrogen produced is released into the exhaust channel, and by making at least a portion of this area a reverse water-gas shift reactor, carbon dioxide flowing through the exhaust channel and hydrogen produced in the electrode layer can be used to produce carbon monoxide.
この電解セルユニットは、電解反応部としての機能部位と逆水性ガスシフト反応部としての機能部位は別部位として構成(前者は電解セル、後者は排出路)されるため、各部位に最適の材料を使用するとともに、適切な温度環境を保つことで、結果的に、電解反応部では十分分解できない二酸化炭素を、逆水性ガスシフト反応部で一酸化炭素とできる。さらに、このような電解反応及び逆水性ガスシフト反応を電解セルユニット内で行うこともできる。後述するように、両反応は比較的高温を必要とするため、同じユニット内に収めておくことが好ましい。 In this electrolytic cell unit, the functional parts for the electrolytic reaction section and the reverse water gas shift reaction section are constructed as separate sections (the former is the electrolytic cell, the latter the exhaust channel). Therefore, by using optimal materials for each section and maintaining an appropriate temperature environment, carbon dioxide that cannot be sufficiently decomposed in the electrolytic reaction section can be converted into carbon monoxide in the reverse water gas shift reaction section. Furthermore, these electrolytic reactions and reverse water gas shift reactions can also be carried out within the electrolytic cell unit. As described below, both reactions require relatively high temperatures, so it is preferable to house them within the same unit.
さらに本発明に係る電解セルは、固体酸化物形電解セルとして構成されるため、堅牢な構造でありながら高効率に電気分解を行え、さらに、その反応により発生する熱を逆水性ガスシフト反応部で利用できる。 Furthermore, because the electrolytic cell according to the present invention is configured as a solid oxide electrolytic cell, it can perform electrolysis highly efficiently despite its robust structure, and the heat generated by the reaction can be used in the reverse water gas shift reaction section.
さらに、固体酸化物形電解セルを支持体により支持する構造とすることもできる。この場合、安価な支持体を用いて薄層状の固体酸化物形電解セルとすることができるので、固体酸化物形電解セルの電極層や電解質層に使われる高価な材料の使用量を削減できるので、固体酸化物形電解セルの製造コストを削減できる。ここで、支持体には、セラミックスや金属材料を用いることができるが、支持体として金属を採用することで、安価な金属材料で強度を確保することで材料コストを抑制し、セラミックスより加工性が高いため、形状選択性が高くなるのでより好ましい。また、金属を支持体とする場合は、セラミックスを支持体とする場合よりも、薄くても十分な強度が確保できるため、支持体を薄くすることが可能となり、その結果、電解セルや電解セルユニットを薄型化し易くなり、小型化や軽量化もし易くなる。 Furthermore, the solid oxide electrolysis cell can be structured to be supported by a support. In this case, a thin-layer solid oxide electrolysis cell can be formed using an inexpensive support, thereby reducing the amount of expensive materials used in the electrode layers and electrolyte layers of the solid oxide electrolysis cell, thereby reducing the manufacturing cost of the solid oxide electrolysis cell. While ceramics or metal materials can be used for the support, using a metal as the support is preferable because it ensures strength with an inexpensive metal material, reduces material costs, and is more easily processable than ceramics, allowing for greater shape selectivity. Furthermore, when a metal support is used, sufficient strength can be ensured even at a thin thickness compared to when a ceramic support is used, allowing the support to be made thinner. As a result, it becomes easier to reduce the thickness, size, and weight of the electrolysis cell or electrolysis cell unit.
このように支持体を備える場合、この支持体を貫通する貫通孔が複数設けられ、前記支持体の一方の面に電極層が、他方の面に沿って排出路が設けられるとともに、この排出路の内面における少なくとも一部に逆水性ガスシフト反応部が設けられる構成とすることもできる。 When a support is provided in this manner, multiple through-holes may be provided through the support, an electrode layer may be provided on one surface of the support, and an exhaust channel may be provided along the other surface, with a reverse water gas shift reactor being provided on at least a portion of the inner surface of the exhaust channel.
この構成とすれば、支持体の一方面に電極層を設けて水素の生成を実現できる。このようにして生成される水素は、電極層から複数の貫通孔を介して排出路に導かれ、この部位の少なくとも一部に設けられている逆水性ガスシフト反応部での反応を良好に発生させ、二酸化炭素が供給された場合、少なくとも一酸化炭素の生成を行うことができる。 With this configuration, hydrogen can be generated by providing an electrode layer on one side of the support. The hydrogen generated in this manner is guided from the electrode layer to the exhaust channel via multiple through-holes, where it effectively undergoes a reaction in the reverse water gas shift reactor located in at least a portion of this area. When carbon dioxide is supplied, at least carbon monoxide can be generated.
本発明の第2特徴構成は、前記電解セルが平板型である点にある。 A second characteristic feature of the present invention is that the electrolytic cell is flat.
ここで平板型とは、部材が二次元の広がりを備えることを意味する。
電解セルは電解質層を挟んで、電極層及び対局電極層を備えて構成するが、これら両電極層の少なくとも一方の面側に所定のガスを流すことで、所定の電解反応を発生させることができる。例えば、後述する実施形態では、電極層側に電気分解の対象とする側(H2O,CO2、或いはそれらの両方)を流す。一方、対局電極層側では、この層に電解質層を介して導かれる酸素イオンを受容し、この層から酸素として放出する。ここで、放出される酸素は、対局電極層の酸素放出側面に流れる搬送ガスにより外部に放出する。
従って、電極層側、対局電極層側の両側において、この層が二次元的に広がる面を有することで、反応場の提供、その反応場への所定のガスの供給及び放出を効率的に行うことができる。また、電極層、対局電極層に対するガスの導入、導出も比較的簡易が構造で実現できる。
Here, the term "flat" means that the member has a two-dimensional extent.
The electrolytic cell is configured with an electrode layer and a counter electrode layer sandwiching an electrolyte layer, and a predetermined electrolytic reaction can be generated by flowing a predetermined gas on at least one side of these electrode layers. For example, in the embodiment described below, the target gas for electrolysis (H 2 O, CO 2 , or both) is flowed on the electrode layer side. Meanwhile, the counter electrode layer side receives oxygen ions guided to this layer via the electrolyte layer and releases them as oxygen. The released oxygen is released to the outside by a carrier gas flowing on the oxygen-releasing side of the counter electrode layer.
Therefore, since this layer has a two-dimensionally expanding surface on both the electrode layer side and the counter electrode layer side, it is possible to provide a reaction field and efficiently supply and release a predetermined gas to the reaction field. Also, the introduction and discharge of gas into and from the electrode layer and the counter electrode layer can be achieved with a relatively simple structure.
本発明の第3特徴構成は、
前記逆水性ガスシフト反応部に含有される逆水性ガスシフト触媒が白金、ニッケル、鉄のうちの少なくともいずれか1つを含む触媒である点にある。
The third characteristic configuration of the present invention is
The reverse water gas shift catalyst contained in the reverse water gas shift reactor is a catalyst containing at least one of platinum, nickel, and iron.
本特徴構成によれば、後述する様に活性の高い逆水性ガスシフト性能を得ることができる。 This characteristic configuration allows for highly active reverse water gas shift performance, as described below.
本発明の第4特徴構成は、
前記逆水性ガスシフト反応部に含有される逆水性ガスシフト触媒が、セリア、ジルコニア、アルミナのうちの少なくともいずれか1つを含む触媒である点にある。
The fourth characteristic configuration of the present invention is
The reverse water gas shift catalyst contained in the reverse water gas shift reactor is a catalyst containing at least one of ceria, zirconia, and alumina.
本特徴構成によれば、後述する様に活性の高い逆水性ガスシフト性能を得ることができるとともに、逆水性ガスシフト反応において必要となる高温環境において、その触媒能及び耐久性を得ることができる。セリア、ジルコニア、アルミナのうちの少なくとも1つは、逆水性ガスシフト触媒において、触媒活性成分を保持する役割を果たすが、このような成分であると、高温状態の使用にも耐えられる。 This characteristic configuration not only achieves highly active reverse water gas shift performance, as described below, but also ensures catalytic activity and durability in the high-temperature environments required for the reverse water gas shift reaction. At least one of ceria, zirconia, and alumina plays a role in retaining catalytically active components in the reverse water gas shift catalyst, and such components can withstand use at high temperatures.
また、セリアもしくはジルコニアを選択すると、電解セルの構成材料や支持体などに用いられる材料と熱膨張係数を近くできるので、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合などにも電解セルユニットがダメージを受けにくく、信頼性・耐久性に優れた電解セルユニットを実現できる。 In addition, by selecting ceria or zirconia, the thermal expansion coefficient can be made closer to that of the materials used for the constituent materials and support of the electrolytic cell, making the electrolytic cell unit less susceptible to damage even when subjected to repeated temperature cycles of low and high temperatures, resulting in an electrolytic cell unit with excellent reliability and durability.
逆水性ガスシフト触媒を得る場合、450℃以上の温度で焼成する焼成工程を少なくとも有することが好ましい。 When obtaining a reverse water gas shift catalyst, it is preferable to at least include a calcination step in which the catalyst is calcined at a temperature of 450°C or higher.
逆水性ガスシフト触媒の使用には、目的とする逆水性ガスシフト反応を起こすために、反応温度域を比較的高温域とする必要があるが、この温度域で焼成して得た触媒であると、触媒を安定的に使用することができる。450℃以上とすることが好ましいが、600℃以上、800℃以上とすると高温域での安定性を高めることができるのでさらに好ましい。本発明では、比較的高温域(例えば、600℃~800℃)で用いる固体酸化物形電解セルと組み合わせるため、触媒を安定的に使用することができる。また、焼成温度を高くし過ぎると焼成工程にかかるコストが高くなり過ぎるため、その上限は1200℃程度である。 When using a reverse water gas shift catalyst, the reaction temperature must be relatively high to cause the desired reverse water gas shift reaction. A catalyst obtained by calcining within this temperature range can be used stably. A temperature of 450°C or higher is preferable, but temperatures of 600°C or higher or 800°C or higher are even more preferable, as they enhance stability at high temperatures. In the present invention, the catalyst can be used stably because it is combined with a solid oxide electrolysis cell operated at relatively high temperatures (e.g., 600°C to 800°C). Furthermore, because the cost of the calcination process becomes too high if the calcination temperature is too high, the upper limit is approximately 1200°C.
逆水性ガスシフト触媒の使用に際しては、逆水性ガスシフト触媒を、還元前処理を施した後に反応に供することが好ましい。 When using a reverse water gas shift catalyst, it is preferable to subject the catalyst to a reduction pretreatment before use in the reaction.
逆水性ガスシフト触媒に含まる触媒活性成分は、その焼成工程において少なくともその一部が金属酸化物となっている場合が多いが、還元前処理(使用する前に還元処理を行う処理)を施しておくことで、酸化状態にある触媒活性成分が還元されて触媒活性を良好に発揮させることができる。 The catalytically active components contained in reverse water gas shift catalysts are often at least partially converted into metal oxides during the calcination process, but by subjecting the catalyst to pre-reduction treatment (a reduction treatment carried out before use), the oxidized catalytically active components can be reduced, allowing the catalyst to exhibit good catalytic activity.
本発明の第5特徴構成は、
前記逆水性ガスシフト反応部が平板型である点にある。
A fifth characteristic configuration of the present invention is
The reverse water gas shift reactor is of a flat plate type.
ここで平板型とは、部位が二次元の広がりを備えることを意味する。
本発明にあって、逆水性ガスシフト反応部は少なくとも水素と二酸化炭素を供給する部位となるが、この部位を二次元的な広がりを有する部位とすることで、その広がり方向にガスを流して効率的に反応を進めることができる。これらの点に関しては、先に説明した電解セルの場合と同様である。
さらに、電解セルを平板型とする場合に、例えば、二次元構造上の形状を合わせてその結合を容易に実現できる。
Here, the term "flat" means that the region has a two-dimensional extent.
In the present invention, the reverse water gas shift reactor is a site for supplying at least hydrogen and carbon dioxide, and by making this site a site having a two-dimensional expansion, the gas can be caused to flow in the direction of the expansion, thereby allowing the reaction to proceed efficiently, as in the case of the electrolytic cell described above.
Furthermore, when the electrolytic cell is of a flat plate type, for example, the shape of the two-dimensional structure can be matched to easily realize the connection.
また、平弁型として、複数の逆水性ガスシフト反応部を重ねてスタックとする場合にも、容易にスタックを実現できる。当然、電解セルと組み合わせてスタックを構成してもよい。 Furthermore, as a flat valve type, stacks can be easily realized by stacking multiple reverse water gas shift reactors. Naturally, stacks can also be constructed by combining them with electrolytic cells.
本発明の第6特徴構成は、前記電解セルを複数有する電解セルスタックを含む構造とすることができる。 A sixth characteristic feature of the present invention is a structure including an electrolysis cell stack having a plurality of the electrolysis cells.
本発明の電解セルユニットは電解セルを備えて構成するが、この電解セルは、供給されるガスの電解機能を発揮できる機能部を備えていればよい。ここで、電解セルの支持構造、電気分解の対象とするガスの供給構造を問うものではない。
換言すると、電解セルを複数集合した構成を採用し、当該電解セルで電解機能を発揮する機能部に、電気分解の対象とするガスを供給するとともに、ガスの電気分解により生成されるガスを排気路に排気できればよい。
The electrolytic cell unit of the present invention is configured to include an electrolytic cell, and the electrolytic cell may have a functional part capable of electrolyzing a supplied gas, regardless of the support structure of the electrolytic cell or the supply structure of the gas to be electrolyzed.
In other words, it is sufficient to adopt a configuration in which multiple electrolytic cells are assembled, supply the gas to be electrolyzed to the functional part that performs the electrolytic function in the electrolytic cell, and exhaust the gas generated by the electrolysis of the gas to an exhaust path.
そこで、電解セルを複数有する電解セルスタックを構成することで、このスタックに電気分解の対象とするガスを流すとともに排出路を設け、スタックの状態で、所定のガスの電気分解を実行するとともに、その排気路の少なくとも一部を逆水性ガスシフト反応部とできる。 Therefore, by constructing an electrolytic cell stack containing multiple electrolytic cells, the gas to be electrolyzed can be passed through the stack, an exhaust path can be provided, and electrolysis of the specified gas can be carried out in the stack state, with at least a portion of the exhaust path serving as a reverse water-gas shift reactor.
このように、電解セル数を適宜調整した電解セルスタックを用いることで、その能力(電気分解能)、容量(H2Oの電気分解を行う場合はH2量,H2O、CO2の電気分解を行う場合はH2量及びCO量)を容易に調整できる。 In this way, by using an electrolytic cell stack in which the number of electrolytic cells is appropriately adjusted, its performance (electroresolution) and capacity (the amount of H2 when electrolyzing H2O , or the amount of H2O and CO when electrolyzing CO2 ) can be easily adjusted.
本発明の第7特徴構成は、
前記電解セルもしくは前記電解セルスタックと前記逆水性ガスシフト反応部の間に伝熱部を備えた点にある。
A seventh characteristic configuration of the present invention is
A heat transfer section is provided between the electrolytic cell or the electrolytic cell stack and the reverse water gas shift reactor.
本発明にあっては、電解セルが固体酸化物形電解セルであることから、先にも説明にもしたように、その温度は高温となる。そこで、電気分解により発生する、電解セルもしくは電解セルスタックからの熱を逆水性ガスシフト反応部で利用できる。
即ち、本発明の第10特徴構成に示すように、
前記逆水性ガスシフト反応部で発生する逆水性ガスシフト反応の吸熱に、前記電解セルの発熱を用いることができる。
In the present invention, since the electrolytic cell is a solid oxide electrolytic cell, its temperature becomes high as described above, and therefore, heat generated by electrolysis from the electrolytic cell or electrolytic cell stack can be utilized in the reverse water gas shift reactor.
That is, as shown in the tenth characteristic configuration of the present invention,
The heat generated by the electrolytic cell can be used for the endotherm of the reverse water gas shift reaction occurring in the reverse water gas shift reaction section.
本発明の第8特徴構成に係る電解セルユニットモジュールの特徴構成は、
これまで説明してきた電解セルユニットが複数集合された電解セルユニットモジュールとする点にある。
The electrolysis cell unit module according to an eighth characteristic configuration of the present invention is characterized by:
The electrolysis cell unit module is an assembly of a plurality of electrolysis cell units as described above.
発明者等は、これまで説明してきた電解セルを単一備えた電解セルユニットを「単セル型の電解セルユニット」と呼び、電解セルを複数集合させた電解セルスタックを備えた電解セルユニットを「集合型の電解セルユニット」と呼ぶ。つまり、生成ガス量を増やしたい場合に、単一の電解セルの水素排出路の少なくとも一部に逆水性ガスシフト反応部を備えた「単セル型の電解セルユニット」を複数集合させてモジュール化した「電解セルユニットモジュール」として使用することもできるし、電解セルを複数集合させた電解セルスタックの水素排出路の少なくとも一部に逆水性ガスシフト反応部を備えた「集合型の電解セルユニット」を複数集合させてモジュール化した「電解セルユニットモジュール」として使用することもできる。このように、電解セルユニットをモジュール化して、電解セル数を適宜調整することで、その能力(電気分解能)、容量(H2Oの電気分解を行う場合はH2量,H2O、CO2の電気分解を行う場合はH2量及びCO量)を容易に調整できる。 The inventors refer to an electrolytic cell unit including a single electrolytic cell as described above as a "single-cell electrolytic cell unit," and an electrolytic cell unit including an electrolytic cell stack formed by assembling a plurality of electrolytic cells as an "assembled electrolytic cell unit." That is, when it is desired to increase the amount of gas produced, a plurality of "single-cell electrolytic cell units" each including a reverse water-gas shift reaction unit in at least a portion of the hydrogen discharge channel of a single electrolytic cell can be assembled into a modularized "electrolytic cell unit module." Alternatively, a plurality of "assembled electrolytic cell units" each including a reverse water-gas shift reaction unit in at least a portion of the hydrogen discharge channel of an electrolytic cell stack formed by assembling a plurality of electrolytic cells can be assembled into a modularized "electrolytic cell unit module." In this way, by modularizing the electrolytic cell unit and appropriately adjusting the number of electrolytic cells, the performance (electrolytic resolution) and capacity (the amount of H2 when electrolyzing H2O , or the amount of H2 and CO when electrolyzing H2O and CO2 ) can be easily adjusted.
本発明の第9特徴構成に係る炭化水素類製造システムの特徴構成は、
これまで説明してきた電解セルユニットまたは電解セルユニットモジュールと、炭化水素類合成反応部とを少なくとも備える点にある。
A ninth characteristic configuration of the hydrocarbon production system of the present invention is as follows:
The feature is that the electrolytic cell unit or electrolytic cell unit module described above is at least provided with a hydrocarbon synthesis reaction section.
本特徴構成によれば、これまで説明してきた電解セルユニットまたは電解セルユニットモジュールから、少なくとも水素及び一酸化炭素の供給を受けて炭化水素類合成反応部において炭化水素類を合成できる。ここで、本発明に係る電解セルユニットまたは電解セルユニットモジュールには、少なくとも逆水性ガスシフト反応部を備えるため、前記逆水性ガスシフト反応部で発生する逆水性ガスシフト反応の吸熱に、前記電解セルの発熱を用いることができるため、効率の良い高性能な炭化水素類製造システムとなる。 This characteristic configuration allows hydrocarbons to be synthesized in the hydrocarbon synthesis reaction section by receiving at least hydrogen and carbon monoxide from the electrolytic cell unit or electrolytic cell unit module described above. Here, the electrolytic cell unit or electrolytic cell unit module according to the present invention includes at least a reverse water-gas shift reaction section, and therefore the heat generated by the electrolytic cell can be used to absorb the heat of the reverse water-gas shift reaction that occurs in the reverse water-gas shift reaction section, resulting in an efficient, high-performance hydrocarbon production system.
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図1は、発明者らが提案する炭化水素類製造システム100の1形態の構成を示している。このシステム100は、以下に示すように、電解反応部10を備えて構成されるが、少なくともこの電解反応部10は、今般、発明者らが提案する電解セルユニットを主体として構成される。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 shows the configuration of one embodiment of a hydrocarbon production system 100 proposed by the inventors. As will be described below, this system 100 is configured to include an electrolysis reaction section 10, and at least this electrolysis reaction section 10 is mainly composed of the electrolysis cell unit proposed by the inventors.
同図に示すように、この炭化水素類製造システム100は、電解反応部10、第1触媒反応部20、第2触媒反応部30、重質炭化水素分離部35(CnHm分離部と図示)、水分離部40(H2O分離部と図示)及び二酸化炭素分離部50(CO2分離部と図示)を順に備えて構成されている。 As shown in the figure, this hydrocarbon production system 100 is configured to include, in order, an electrolytic reaction section 10, a first catalytic reaction section 20, a second catalytic reaction section 30, a heavy hydrocarbon separation section 35 (illustrated as a CnHm separation section), a water separation section 40 (illustrated as an H2O separation section), and a carbon dioxide separation section 50 (illustrated as a CO2 separation section).
前記電解反応部10は流入するガスの少なくとも一部を電気分解する部位であり、前記第1触媒反応部20は流入するガスの少なくとも一部を逆水性ガスシフト反応する逆水性ガスシフト反応部であり、前記第2触媒反応部30は流入するガスの少なくとも一部を炭化水素類に合成する炭化水素類合成反応部として働くように構成されている。ここで、合成される炭化水素は、主にはCH4(炭素数が1の炭化水素)であるが、その他炭素数が2~4の低級飽和炭化水素類等を含む。さらに後に示すように、前記第2触媒反応部30に用いる触媒を適宜選定することにより、上記低級飽和炭化水素より炭素数が大きい重質炭化水素、飽和状態にない炭化水素或いは含酸素炭化水素等も合成することができる。 The electrolytic reaction unit 10 is a unit that electrolyzes at least a portion of the inflowing gas, the first catalytic reaction unit 20 is a reverse water-gas shift reaction unit that performs a reverse water-gas shift reaction on at least a portion of the inflowing gas, and the second catalytic reaction unit 30 is configured to function as a hydrocarbon synthesis reaction unit that synthesizes at least a portion of the inflowing gas into hydrocarbons. The hydrocarbons synthesized here are mainly CH4 (a hydrocarbon with one carbon atom), but also include lower saturated hydrocarbons with two to four carbon atoms. Furthermore, as will be described later, by appropriately selecting a catalyst used in the second catalytic reaction unit 30, it is possible to synthesize heavier hydrocarbons with a carbon number greater than the lower saturated hydrocarbons, non-saturated hydrocarbons, oxygen-containing hydrocarbons, and the like.
重質炭化水素分離部35、水分離部40及び二酸化炭素分離部50は、内部を流れるガスから所定の成分(記載順に、CnHm、H2O及びCO2)の少なくとも一部を除去する部位である。水分離部40及び二酸化炭素分離部50により除去・回収される成分は、図1に示すように、水戻し路41及び二酸化炭素戻し路51を介して、システムの所定の部位に戻されて再利用される。両戻し路41、51に対応して、それぞれを経て戻されるH2O及びCO2で示している。
結果、この炭化水素類製造システム100は、実質的にCO2をシステム外に放出することの無いカーボンクローズドシステムとして成立する。
The heavy hydrocarbon separation unit 35, the water separation unit 40, and the carbon dioxide separation unit 50 are units that remove at least a portion of predetermined components (CnHm, H2O , and CO2 , in that order) from the gas flowing therethrough. The components removed and recovered by the water separation unit 40 and the carbon dioxide separation unit 50 are returned to predetermined parts of the system via a water return line 41 and a carbon dioxide return line 51, as shown in Figure 1, and are reused. The H2O and CO2 returned via the return lines 41 and 51 are shown corresponding to the components.
As a result, this hydrocarbon production system 100 is established as a carbon-closed system that does not substantially release CO 2 outside the system.
同図において、各部の前に各部に流入するガスを示し、後に当該部から放出されるガスを示した。 In the diagram, the gas flowing into each part is shown before each part, and the gas released from that part is shown after.
前記電解反応部10では、出発原料としての、H2O及びCO2とが流入され、内部で電気分解されて、H2OはH2とO2とに分解されるとともに、一部のCO2がCOとO2とに分解され放出される。 In the electrolysis reaction section 10, H2O and CO2 as starting materials are introduced and electrolyzed inside, whereby H2O is decomposed into H2 and O2 , and some of the CO2 is decomposed into CO and O2 and released.
反応は、以下の様に記載される。
2H2O→2H2+O2 (式1)
2CO2→2CO+O2 (式2)
これらの式1、2は図1の電解反応部10を示す箱内にも示した。
The reaction is described as follows:
2H 2 O → 2H 2 +O 2 (Formula 1)
2CO2 → 2CO + O2 (Equation 2)
These formulas 1 and 2 are also shown in the box representing the electrolytic reaction section 10 in FIG.
前記第1触媒反応部20(逆水性ガスシフト反応部)では、H2とCO2が流入され、内部で逆水性ガスシフト反応が起こり、CO2がCOに、H2はH2Oになり放出される。 In the first catalytic reaction unit 20 (reverse water-gas shift reaction unit), H 2 and CO 2 are introduced and a reverse water-gas shift reaction occurs therein, whereby CO 2 is converted into CO and H 2 is converted into H 2 O, which are then released.
反応は、以下の平衡反応として記載されるが、逆水性ガスシフト反応は、以下の式3で記載される反応が右側に進む反応(CO2とH2が反応してCOとH2Oが生成する方向に進む反応)となる。
CO2+H2⇔CO+H2O (式3)
この式3は図1の第1触媒反応部20(逆水性ガスシフト反応部)を示す箱内にも示した。この箱内には、反応に使用する逆水性ガスシフト触媒cat1も模式的に示した。
The reaction is described as the following equilibrium reaction, but the reverse water gas shift reaction is a reaction in which the reaction described in the following equation 3 proceeds to the right (a reaction in which CO 2 and H 2 react to produce CO and H 2 O).
CO 2 + H 2 ⇔ CO + H 2 O (Formula 3)
This formula 3 is also shown in the box representing the first catalytic reaction section 20 (reverse water gas shift reaction section) in Fig. 1. The reverse water gas shift catalyst cat1 used in the reaction is also shown schematically in this box.
前記第2触媒反応部30(炭化水素類合成反応部)では、少なくともH2とCOが流入され、触媒反応により炭化水素類が合成される。例えば、COとH2からCH4が合成される反応は以下の平衡反応として記載されるが、COとH2からCH4が合成される反応は、以下の式4で記載される反応が右側に進む反応(COとH2が反応してCH4とH2Oが生成する方向に進む反応)となる。
CO+3H2⇔CH4+H2O (式4)
この式4は図1の第2触媒反応部30(炭化水素類合成反応部)を示す箱内にも示した。この箱内には、反応に使用する炭化水素類合成触媒cat2も模式的に示した。
さらに、この部位では(式3)の平衡反応も発生する。
また、前記第2触媒反応部30に用いる触媒の種類によっては、FT(Fischer-Tropsch)合成反応等を進行させることが可能であるため、COとH2からエタンやプロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等や、パラフィン、オレフィン系炭化水素等、様々な炭化水素類を合成することができる。
In the second catalytic reaction section 30 (hydrocarbon synthesis reaction section), at least H2 and CO are introduced, and hydrocarbons are synthesized by a catalytic reaction. For example, the reaction of synthesizing CH4 from CO and H2 is expressed as the following equilibrium reaction, but the reaction of synthesizing CH4 from CO and H2 is a reaction in which the reaction expressed in the following formula 4 proceeds to the right (a reaction in which CO and H2 react to produce CH4 and H2O ).
CO+3H 2 ⇔ CH 4 +H 2 O (Formula 4)
This formula 4 is also shown in the box representing the second catalytic reaction section 30 (hydrocarbon synthesis reaction section) in Fig. 1. The hydrocarbon synthesis catalyst cat2 used in the reaction is also shown schematically in this box.
Furthermore, the equilibrium reaction of (Equation 3) also occurs at this site.
Furthermore, depending on the type of catalyst used in the second catalytic reaction section 30, it is possible to proceed with a Fischer-Tropsch (FT) synthesis reaction or the like, and therefore various hydrocarbons such as ethane, propane, butane, pentane, hexane, paraffin, olefin-based hydrocarbons, etc. can be synthesized from CO and H2 .
後述するように、発明者等は、前記第2触媒反応部30に配置する炭化水素類合成触媒cat2として、その触媒活性成分としてルテニウムを用いる触媒の例を示しているが、その触媒活性成分として鉄やコバルト等を含む触媒では重質炭化水素も合成され、この種の重質炭化水素は温度低下に従って凝縮して搬送用ガスから分離できる。そこで、前述の重質炭化水素分離部35では、このようにして分離される炭化水素成分を分離する。 As described below, the inventors have shown an example of a catalyst that uses ruthenium as the catalytically active component of the hydrocarbon synthesis catalyst cat2 placed in the second catalytic reaction section 30. However, catalysts that contain iron, cobalt, or other catalytically active components also synthesize heavy hydrocarbons, and these types of heavy hydrocarbons condense as the temperature drops and can be separated from the carrier gas. Therefore, the aforementioned heavy hydrocarbon separation section 35 separates the hydrocarbon components separated in this manner.
前記水分離部40において生成したH2Oは分離され、水戻し路41(水リサイクルライン)を介して電解反応部10の上流側に戻される。 The H 2 O produced in the water separation section 40 is separated and returned to the upstream side of the electrolysis reaction section 10 via a water return line 41 (water recycle line).
前記二酸化炭素分離部50において生成したCO2は分離され、二酸化炭素戻し路51(二酸化炭素リサイクルライン)を介して電解反応部10の上流側に戻される。 The CO 2 produced in the carbon dioxide separation section 50 is separated and returned to the upstream side of the electrolysis reaction section 10 via a carbon dioxide return path 51 (carbon dioxide recycle line).
結果、この炭化水素類製造システム100では、最終的には炭化水素類が合成され、外部に供給することができる。 As a result, hydrocarbons are ultimately synthesized in this hydrocarbon production system 100 and can be supplied to the outside.
以上が、炭化水素類製造システム100の概要であるが、以下、各部の構成及びその役割に関して説明する。
〔電解反応部〕
先にも示した様に、この電解反応部10は、上記式1、式2に従って供給される電力を消費して流入するH2O及びCO2を分解する。
The above is an overview of the hydrocarbon production system 100. The configuration and role of each part will now be described.
[Electrolytic reaction section]
As previously described, the electrolytic reaction section 10 consumes the power supplied in accordance with the above formulas 1 and 2 to decompose the inflowing H 2 O and CO 2 .
図2に、この電解反応部10の断面構成を模式的に示した。
同図は、複数積層されて使用する電解セルユニットU(単セル型の電解セルユニット)を示したものであり、この電解セルユニットUは電解セル1を備え、電解セル1は、電解質層1aの一方の面に電極層2を、他方の面に対極電極層3を備えて構成される。電極層2は電解セル1におけるカソードとなり、対極電極層3がアノードとなる。因みに、この電解セルユニットUは、金属支持体4により支持されている。なお、ここでは、電解セル1として固体酸化物形電解セルを用いている。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the electrolytic reaction section 10. As shown in FIG.
The figure shows an electrolytic cell unit U (single-cell electrolytic cell unit) that is used by stacking a plurality of electrolytic cell units. This electrolytic cell unit U includes an electrolytic cell 1, and the electrolytic cell 1 is configured to include an electrode layer 2 on one surface of an electrolyte layer 1a and a counter electrode layer 3 on the other surface. The electrode layer 2 serves as the cathode in the electrolytic cell 1, and the counter electrode layer 3 serves as the anode. Incidentally, this electrolytic cell unit U is supported by a metal support 4. Here, a solid oxide electrolytic cell is used as the electrolytic cell 1.
前記電解質層1aは、その厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成できる。その構成材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジア安定化ジルコニア)やGDC(ガドリニウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)、LSGM(ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート)等を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。 The electrolyte layer 1a can be formed as a thin film with a thickness of 10 μm or less. Its constituent materials include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandia-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), SDC (samarium-doped ceria), and LSGM (strontium-magnesium-doped lanthanum gallate). Zirconia-based ceramics are particularly suitable.
この電解質層1aは、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば1100℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層1aが得られる。そのため、金属支持体4の損傷を抑制し、また、金属支持体4と電極層2との元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた電解セルユニットUを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層1aが低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。 This electrolyte layer 1a is preferably formed by a low-temperature firing method (e.g., a wet method using firing at a low temperature without firing at temperatures above 1100°C), a spray coating method (thermal spraying, aerosol deposition, aerosol gas deposition, powder jet deposition, particle jet deposition, cold spray, etc.), a PVD method (sputtering, pulsed laser deposition, etc.), a CVD method, etc. These low-temperature deposition processes can be used to obtain a dense electrolyte layer 1a with high airtightness and gas barrier properties without firing at temperatures above 1100°C, for example. This suppresses damage to the metal support 4 and interdiffusion of elements between the metal support 4 and the electrode layer 2, resulting in an electrolysis cell unit U with excellent performance and durability. Low-temperature firing methods and spray coating methods are particularly preferred, as they allow for low-cost devices to be produced. Furthermore, spray coating is even more preferable because it makes it easy to obtain a dense electrolyte layer 1a with high airtightness and gas barrier properties at low temperatures.
また、電解質層1aはガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層1aの緻密度は90%以上が好ましく、95%以上であるとより好ましく、98%以上であると更に好ましい。電解質層1aは、均一な層である場合は、その緻密度が95%以上であると好ましく、98%以上であるとより好ましい。また、電解質層1aが、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が98%以上である層(緻密電解質層)を含んでいると好ましく、99%以上である層(緻密電解質層)を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層1aの一部に含まれていると、電解質層1aが複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層1aを形成しやすくできるからである。 The electrolyte layer 1a is densely structured to prevent gas leaks and exhibit high ionic conductivity. The density of the electrolyte layer 1a is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and even more preferably 98% or more. If the electrolyte layer 1a is a uniform layer, its density is preferably 95% or more, and even more preferably 98% or more. If the electrolyte layer 1a is structured as multiple layers, it is preferable that at least a portion of these layers include a layer with a density of 98% or more (dense electrolyte layer), and even more preferably a layer with a density of 99% or more (dense electrolyte layer). If such a dense electrolyte layer is included as part of the electrolyte layer 1a, it is easier to form an electrolyte layer 1a that is dense and has high airtightness and gas barrier properties, even if the electrolyte layer 1a is structured as multiple layers.
電極層2は、金属支持体4の表側の面であって孔4aが設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。孔(貫通孔)4aが設けられた領域の全体が、電極層2に覆われている。つまり、孔4aは金属支持体4における電極層2が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての孔4aが電極層2に面して設けられている。 The electrode layer 2 can be provided as a thin layer on the front surface of the metal support 4 in an area larger than the area where the holes 4a are provided. When a thin layer is provided, its thickness can be, for example, approximately 1 μm to 100 μm, and preferably 5 μm to 50 μm. This thickness reduces the amount of expensive electrode layer material used, cutting costs, while ensuring sufficient electrode performance. The entire area where the holes (through-holes) 4a are provided is covered by the electrode layer 2. In other words, the holes 4a are formed inside the area of the metal support 4 where the electrode layer 2 is formed. In other words, all of the holes 4a are provided facing the electrode layer 2.
この電極層2の構成材料は、例えばNiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuO-CeO2、Cu-CeO2などの複合材を用いることができる。これらの例では、GDC、YSZ、CeO2を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、電極層2は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な電極層2が得られる。そのため、金属支持体4を傷めることなく、また、金属支持体4と電極層2との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。 The constituent material of this electrode layer 2 can be, for example, a composite material such as NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 , or Cu-CeO 2 . In these examples, GDC, YSZ, and CeO 2 can be called the aggregate of the composite material. The electrode layer 2 is preferably formed by a low-temperature firing method (e.g., a wet method using a firing process in a low-temperature range without firing at a high temperature range above 1100°C), a spray coating method (such as a thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, or cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulsed laser deposition method), or a CVD method. These processes that can be used in a low-temperature range can produce a good electrode layer 2 without firing at a high temperature range above 1100°C, for example. Therefore, it is preferable because it is possible to realize an electrochemical element having excellent durability without damaging the metal support 4 and suppressing interdiffusion of elements between the metal support 4 and the electrode layer 2. Furthermore, it is even more preferable to use a low-temperature firing method because it makes it easier to handle the raw materials.
対極電極層3は、電解質層1aの電極層2とは反対側の面に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層3の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層3が、La、Sr、Sm、Mn、CoおよびFeからなる群から選ばれる2種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。 The counter electrode layer 3 can be formed as a thin layer on the surface of the electrolyte layer 1a opposite the electrode layer 2. When a thin layer is used, its thickness can be, for example, approximately 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. This thickness reduces the amount of expensive counter electrode layer material used, thereby cutting costs, while still ensuring sufficient electrode performance. Examples of materials that can be used for the counter electrode layer 3 include composite oxides such as LSCF and LSM, ceria-based oxides, and mixtures of these. It is particularly preferable that the counter electrode layer 3 contain a perovskite-type oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co, and Fe.
これら電解質層1a、電極層2及び対極電極層3は、後述するように薄膜として形成されており、発明者は、これを薄層状に形成と呼んでいる。 The electrolyte layer 1a, electrode layer 2, and counter electrode layer 3 are formed as thin films, as described below, and the inventors refer to this as being formed in a thin layer.
先にも示したように、電解セルユニットUは金属支持体型としており、電極層2の支持体として金属支持体4を備え、この金属支持体4を挟んだ電極層2とは反対側にU字型の電極層側ガス供給路5aを形成する供給路形成部材5を設けている。さらに、この金属支持体4に表裏面を貫通する状態で多数の孔4aを設けている。電極層側ガス供給路5aを介して供給されるガス(H2O及びCO2)は電気分解の対象となり、多数の孔4aを介して電極層2に供給される。さらに、生成されるガス(H2、CO)は、この孔4aから流出される。 As described above, the electrolysis cell unit U is of a metal support type and includes a metal support 4 as a support for the electrode layer 2. A supply channel forming member 5 that forms a U-shaped electrode layer side gas supply channel 5a is provided on the opposite side of the metal support 4 from the electrode layer 2. Furthermore, a large number of holes 4a are formed in the metal support 4, penetrating the front and back surfaces. Gases (H 2 O and CO 2 ) supplied via the electrode layer side gas supply channel 5a are electrolyzed and supplied to the electrode layer 2 via the large number of holes 4a. Furthermore, the generated gases (H 2 , CO) flow out from the holes 4a.
一方、対極電極層3側に関しても、対極電極層側ガス供給路6aを形成するための供給路形成部材6を設けている。この供給路形成部材6は、図示するように、対極電極層3側に多くの溝を設け、この対極電極層側ガス供給路6aに搬送用のガスg2(例えば空気等)を供給するように構成されている。 On the other hand, a supply path forming member 6 is also provided on the counter electrode layer 3 side to form a counter electrode layer side gas supply path 6a. As shown in the figure, this supply path forming member 6 has many grooves on the counter electrode layer 3 side, and is configured to supply a carrier gas g2 (e.g., air) to this counter electrode layer side gas supply path 6a.
そして、金属支持体4は、電極層2、電解質層1a、対極電極層3を支持して電解セル1及び、電解セルユニットU全体の強度を保つ支持体としての役割を担う。この例では、金属支持体として板状の金属支持体4が用いるが、他の形状、例えば箱状、円筒状などの形状も可能である。このように金属支持体4を板状とする場合は、図2,図4から容易に理解されるように電解セルユニットUは平板型となる。
なお、金属支持体4は、支持体として電解セルユニットUを形成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、0.1mm~2mm程度、好ましくは0.1mm~1mm程度、より好ましくは0.1mm~0.5mm程度の厚みのものを用いることができる。本実施形態では、支持体を金属としているが、例えばセラミックスとすることも可能である。
The metal support 4 supports the electrode layer 2, the electrolyte layer 1a, and the counter electrode layer 3, and serves as a support that maintains the strength of the electrolytic cell 1 and the entire electrolytic cell unit U. In this example, a plate-shaped metal support 4 is used as the metal support, but other shapes, such as a box shape or a cylinder shape, are also possible. When the metal support 4 is plate-shaped in this way, the electrolytic cell unit U becomes a flat plate type, as can be easily understood from Figures 2 and 4 .
The metal support 4 may have sufficient strength as a support to form the electrolysis cell unit U, and may have a thickness of, for example, about 0.1 mm to 2 mm, preferably about 0.1 mm to 1 mm, and more preferably about 0.1 mm to 0.5 mm. In this embodiment, the support is made of metal, but it may also be made of, for example, ceramics.
金属支持体4は、例えば、金属板の表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の孔4aを有する。例えば、孔4aは、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、金属支持体4に設けることができる。孔4aは、金属支持体4の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。この孔4aは、ガスの移流方向(図2における紙面表裏方向)に傾けて設けてもよい。 The metal support 4 has, for example, a plurality of holes 4a that penetrate the front and back surfaces of the metal plate. For example, the holes 4a can be formed in the metal support 4 by mechanical, chemical, or optical drilling. The holes 4a function to allow gas to pass from the back surface of the metal support 4 to the front surface. The holes 4a may be formed at an angle to the gas advection direction (the direction from the front to the back of the paper in Figure 2).
金属支持体4の基材の材料としてフェライト系ステンレス材(Fe-Cr系合金の一例)を用いることで、電極層2や電解質層1aの材料として用いられるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)やGDC(ガドリニウム・ドープ・セリア、CGOとも呼ぶ)等と熱膨張係数を近づけることができる。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電解セルユニットUがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電解セルユニットUを実現できるので好ましい。 By using ferritic stainless steel (an example of an Fe-Cr alloy) as the base material for the metal support 4, the thermal expansion coefficient can be made closer to that of YSZ (yttria-stabilized zirconia) or GDC (gadolinium-doped ceria, also known as CGO), which are used as materials for the electrode layer 2 and electrolyte layer 1a. Therefore, the electrolysis cell unit U is less likely to be damaged even when subjected to repeated low- and high-temperature cycles. This is preferable because it allows for an electrolysis cell unit U with excellent long-term durability.
前記電解セルユニットUの供給路形成部材5、6には金属支持体4と同様の材料を採用することができ、その厚さもほぼ同一とできる。 The supply path forming members 5, 6 of the electrolysis cell unit U can be made of the same material as the metal support 4, and their thickness can also be approximately the same.
金属支持体4、両供給路形成部材5、6は導電性を有するが、気密に構成されることにより、各供給路5a、6aを分離するセパレータとして働くこととなる。 The metal support 4 and both supply path forming members 5 and 6 are conductive, but are constructed airtight, so they act as separators separating each supply path 5a and 6a.
以上の構成を有する電解セルユニットUは、電気分解動作にあっては電力供給部(図2において電池で示した)から電解質層1aを挟んで設けられる一対の電極層2、3間に直流電力を供給する。本実施形態では、図示するように電極層2側をマイナスに、対極電極層3側をプラスとする場合を示している。なお、電解セルユニットUの構成によっては、電極層2側をプラスに、対極電極層3側をマイナスにする場合もある。
そして、電極層2に、電気分解対象のガスであるH2O及びCO2を電解原料供給部(図1における電解反応部10の上流部位)から供給するとともに、対極電極層側に搬送用ガスg2を供給することで、電解セル1内で式1、式2に示した反応を起こさせ、分解されたガスを取り出すことができる。ここで、H2Oの供給に関しては、水と水蒸気の何れか一方であってもよいし、それらの両方であってもよい。従って、本発明にあっては、電解セルユニットUと、この電解セルユニットUに水および/または水蒸気と二酸化炭素を供給する電解原料供給部と、電力を供給する電力供給部とを少なくとも備えて電解セル装置が構築される。
During electrolysis, the electrolytic cell unit U having the above configuration supplies DC power from a power supply unit (shown as a battery in FIG. 2 ) between a pair of electrode layers 2 and 3 that are disposed on either side of the electrolyte layer 1 a. In this embodiment, as shown in the figure, the electrode layer 2 side is negative and the counter electrode layer 3 side is positive. Depending on the configuration of the electrolytic cell unit U, the electrode layer 2 side may be positive and the counter electrode layer 3 side may be negative.
Then, by supplying the gases to be electrolyzed, H 2 O and CO 2 , from the electrolysis raw material supply unit (upstream of the electrolysis reaction unit 10 in FIG. 1 ) to the electrode layer 2 and supplying a carrier gas g2 to the counter electrode layer side, the reactions shown in Equations 1 and 2 occur in the electrolysis cell 1, and the decomposed gas can be extracted. Here, the H 2 O may be supplied as either water or steam, or both. Therefore, in the present invention, an electrolysis cell device is constructed including at least an electrolysis cell unit U, an electrolysis raw material supply unit that supplies water and/or steam and carbon dioxide to the electrolysis cell unit U, and a power supply unit that supplies power.
電解反応において供給するガス(H2O、CO2)及び放出されるガス(H2O、H2、CO、O2、CO2)を、図2では、電解セルユニットUの上下に記載しているが、これは理解を容易とするためであり、実際は、上述の電極層側ガス供給路5a及び対極電極層側ガス供給路6aは、図2の紙面表裏方向に延びて形成されており、例えば、図2において電解セルユニットUの上側に記載の供給側のガス(H2O、CO2)を紙面表側から、電解セル1の下側に記載の放出側のガス(H2O、H2、CO、O2、CO2)を紙面裏側から、回収動作することができる(後述する図4参照のこと)。なお、電解反応において生成するO2の排出をスムーズにするために、例えば空気などの搬送用ガスg2を電解セルユニットUに流すこともできる。 In Fig. 2 , the gases supplied (H 2 O, CO 2 ) and the gases released (H 2 O, H 2 , CO, O 2 , CO 2 ) during the electrolysis reaction are depicted above and below the electrolytic cell unit U. However, this is for ease of understanding. In reality, the electrode layer side gas supply channel 5a and the counter electrode layer side gas supply channel 6a are formed to extend in the front-to-back direction of the page in Fig. 2 . For example, the supply side gases (H 2 O, CO 2 ) depicted above the electrolytic cell unit U in Fig. 2 can be recovered from the front side of the page, and the release side gases (H 2 O, H 2 , CO, O 2 , CO 2 ) depicted below the electrolytic cell 1 can be recovered from the back side of the page (see Fig. 4 described below). Note that a carrier gas g2 such as air can be flowed into the electrolytic cell unit U to smoothly discharge O 2 produced during the electrolytic reaction.
電解反応部10にH2OとCO2を供給して電気分解する場合、H2Oの方がCO2よりも電解電圧が低く、電気分解されやすいため、仮に、同量のH2OとCO2を電解反応部10に供給して電解反応を行う場合、電解反応部10の出口ではCO濃度よりもH2濃度の方が高くなり易く、未反応のCO2が残り易い。 When H2O and CO2 are supplied to the electrolysis reaction unit 10 and electrolyzed, H2O has a lower electrolysis voltage than CO2 and is therefore more easily electrolyzed. Therefore, if equal amounts of H2O and CO2 are supplied to the electrolysis reaction unit 10 to carry out an electrolysis reaction, the H2 concentration is likely to be higher than the CO concentration at the outlet of the electrolysis reaction unit 10, and unreacted CO2 is likely to remain.
〔第1触媒反応部(逆水性ガスシフト反応部)〕
先にも示した様に、第1触媒反応部20(逆水性ガスシフト反応部)は、逆水性ガスシフト反応を起こさせて、供給されるH2を使用してCO2をCOに変換し、H2をH2Oとする。即ち、H2OとCO2を供給して電気分解する電解反応部10において、分解されることなく残存しているCO2をCOに変換する。
[First catalytic reaction section (reverse water gas shift reaction section)]
As described above, the first catalytic reaction unit 20 (reverse water-gas shift reaction unit) causes a reverse water-gas shift reaction, converts CO2 to CO using supplied H2 , and converts H2 to H2 O. That is, in the electrolysis reaction unit 10, which supplies H2 O and CO2 and performs electrolysis, CO2 that remains without being decomposed is converted into CO.
ここでの反応は、式3で示した通りであるが、この反応は吸熱反応であり、反応温度条件に応じた平衡反応である。結果、先にも説明したように、できるだけ高温側(例えば、600℃~800℃)で式3で示す反応を起こさせることができる触媒であると好ましい。 The reaction here is as shown in Equation 3, but this reaction is an endothermic reaction and an equilibrium reaction that depends on the reaction temperature conditions. As a result, as explained above, it is preferable to use a catalyst that can cause the reaction shown in Equation 3 to occur at as high a temperature as possible (e.g., 600°C to 800°C).
本明細書での触媒の説明に際して、触媒として活性を有する成分を「触媒活性成分」と、当該触媒活性成分を担持する担持体を「担体」と記載することがある。
発明者らは後述するように様々な触媒活性成分及び担体の組み合わせを検討したが、特定の組み合わせが好適であることを見出した。
この種の触媒の製造は、触媒活性成分(金属)を含有する溶液に担体を浸漬し、取り出して乾燥・加熱処理する含浸担持工程を実行することで、担体表面に触媒活性成分が分布する担体担持型の触媒(含浸担持物)を容易に得ることができる。この加熱処理は焼成処理となる。触媒の調製及び使用に関しては、図16、図17を参照して説明する。
In describing catalysts in this specification, a component having catalytic activity may be referred to as a "catalytically active component," and a support that supports the catalytically active component may be referred to as a "support."
As will be described later, the inventors have investigated various combinations of catalytically active components and supports, and have found that certain combinations are preferable.
This type of catalyst can be easily produced by an impregnation process in which a carrier is immersed in a solution containing catalytically active components (metals), removed, dried, and heated. This process is called a calcination process. The preparation and use of this catalyst will be described with reference to Figures 16 and 17.
ここで説明する調製方法は、様々な触媒活性成分、担体の組み合わせにおいて、出発原料を異にするだけで同様である。図16には、本発明に係る逆水性ガスシフト触媒cat1、炭化水素類合成触媒cat2の例を共に示した。同図において、逆水性ガスシフト触媒cat1の触媒活性成分をca1と、その担体をcb1と表記している。一方、炭化水素類合成触媒cat2に関しては、その触媒活性成分をca2と、その担体をcb2としている。 The preparation method described here is similar for various combinations of catalytically active components and carriers, except for the starting materials. Figure 16 shows examples of a reverse water gas shift catalyst cat1 and a hydrocarbon synthesis catalyst cat2 according to the present invention. In the figure, the catalytically active component of the reverse water gas shift catalyst cat1 is labeled ca1, and its carrier is labeled cb1. On the other hand, for the hydrocarbon synthesis catalyst cat2, its catalytically active component is labeled ca2, and its carrier is labeled cb2.
図16に示すように、触媒調製では、触媒活性成分ca1、ca2となる金属成分(金属触媒である)を含有する化合物の水溶液を得て、当該水溶液に担体cb1、cb2を投入して、撹拌、含浸する含侵担持工程(a)を実行した後、蒸発乾固、乾燥、その後、粉砕成形する乾燥・粉砕・成形工程(b)等を実行し、得られた成形体を、空気中で焼成する焼成工程(c)を実行することで、目的物(cat1、cat2)を得ることができる。従って、この形態の触媒は含浸担持触媒とも呼ばれる。 As shown in Figure 16, catalyst preparation involves preparing an aqueous solution of a compound containing metal components (metal catalysts) that will become catalytically active components ca1 and ca2. Then, carriers cb1 and cb2 are added to the aqueous solution and stirred and impregnated (impregnation support process (a)). This is followed by evaporation to dryness and drying, followed by a drying, crushing, and molding process (b) in which the carrier is crushed and molded. The resulting molded body is then calcined in air (calcination process (c)), yielding the desired product (cat1, cat2). Therefore, this form of catalyst is also known as an impregnated-supported catalyst.
この場合、図17に、逆水性ガスシフト触媒cat1の例で示すように、触媒を使用する部位に塗布して、焼成を行うこともできる。図17(a)には、孔4aが穿孔された金属支持体4に、逆水性ガスシフト触媒cat1を塗布して塗布層20aを形成し、焼成する塗布・焼成工程を示している。図17(b)には、この逆水性ガスシフト触媒cat1を使用する前に、H2を流して還元前処理する還元前処理工程を示している。 In this case, the catalyst can be applied to the location where it is to be used and then calcined, as shown in the example of reverse water gas shift catalyst cat1 in Fig. 17. Fig. 17(a) shows the application and calcination process in which the reverse water gas shift catalyst cat1 is applied to a metal support 4 having holes 4a to form a coating layer 20a, followed by calcination. Fig. 17(b) shows the pre-reduction process in which H2 is passed through the reverse water gas shift catalyst cat1 before use.
なお、空気中で焼成処理を行うと、担持した触媒活性成分ca1、ca2は、その一部もしくは全部が酸化された状態となっている。触媒を使用する前に、所謂、還元前処理を行って、酸化状態にある触媒活性成分を還元して、その活性を充分高めることもできる。図17(b)には、触媒の表面に還元性ガス(代表的にはH2)を流通させて還元前処理を行っている状態を示した。 When the calcination treatment is performed in air, the supported catalytic active components ca1 and ca2 are partially or completely oxidized. Before using the catalyst, a so-called reduction pretreatment can be performed to reduce the oxidized catalytic active components and sufficiently increase their activity. Figure 17(b) shows the state in which a reducing gas (typically H 2 ) is passed over the surface of the catalyst to perform the reduction pretreatment.
(使用する触媒)
この第1触媒反応部20に使用する逆水性ガスシフト触媒cat1として、発明者らは以下の要件を満たす触媒を選択している。
(Catalyst to be used)
The inventors selected a catalyst that satisfies the following requirements as the reverse water gas shift catalyst cat1 to be used in the first catalytic reaction section 20.
セリア系金属酸化物もしくはジルコニア系金属酸化物を主成分とする担体cb1に、白金、ニッケル及び鉄の何れか一方又は両方を触媒活性成分ca1として少なくとも担持して構成される触媒。ここで、触媒cat1の強度を高めることができるので、触媒全体に対する担体cb1の割合は55重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であるとより好ましく、65重量%以上であると更に好ましい。また、この割合の上限は、例えば、99.5重量%とできるが、これ以上となると触媒活性成分ca1を充分に担持できなくなり、逆水性ガスシフト触媒cat1としての効果を得にくくなる場合があるからである。 This catalyst is constructed by supporting at least one or both of platinum, nickel, and iron as catalytically active components ca1 on a support cb1 primarily composed of ceria-based metal oxide or zirconia-based metal oxide. Here, the proportion of support cb1 relative to the entire catalyst is preferably 55% by weight or more, more preferably 60% by weight or more, and even more preferably 65% by weight or more, in order to increase the strength of the catalyst cat1. The upper limit of this proportion can be set to, for example, 99.5% by weight, but if it is higher than this, the catalytically active component ca1 may not be sufficiently supported, making it difficult to achieve the desired effect as a reverse water gas shift catalyst cat1.
さらに、セリア系金属酸化物としては、ガドリニウム、サマリウム、イットリウムのうちの少なくともいずれか一つをドープしたセリアとすることもできる。
また、ジルコニア系金属酸化物としては、イットリア、スカンジアのうちの少なくともいずれか一つで安定化したジルコニアとすることもできる。
Furthermore, the ceria-based metal oxide may be ceria doped with at least one of gadolinium, samarium, and yttrium.
The zirconia-based metal oxide may be zirconia stabilized with at least one of yttria and scandia.
なお、逆水性ガスシフト反応を良好に進行させることができるので、触媒活性成分ca1の担持量が0.5重量%以上であることが好ましく、1重量%以上であるとより好ましく、5重量%以上であると更に好ましい。また、触媒活性成分ca1の担持量を増やし過ぎても、高分散に触媒活性成分ca1を担持させることが困難となり、触媒活性の大幅な向上が得にくくなる上、触媒コストも高くなるので、前記触媒活性成分ca1の担持量が35重量%以下であると好ましく、30重量%以下であるとより好ましく、25重量%以下であると更に好ましい。 In order to ensure good progress of the reverse water gas shift reaction, the amount of catalytically active component CA1 supported is preferably 0.5% by weight or more, more preferably 1% by weight or more, and even more preferably 5% by weight or more. Furthermore, if the amount of catalytically active component CA1 supported is too high, it becomes difficult to support the catalytically active component CA1 with high dispersion, making it difficult to achieve a significant improvement in catalytic activity and increasing catalyst costs. Therefore, the amount of catalytically active component CA1 supported is preferably 35% by weight or less, more preferably 30% by weight or less, and even more preferably 25% by weight or less.
さらに、白金、ニッケル及び鉄の何れか一方又は両方を触媒活性成分ca1に加えて、更なる触媒活性成分ca1として、銅を担持することも好ましい。この構成にあっては、銅の担持量は、主な媒活性成分ca1としてのニッケル及び鉄の何れか一方又は両方を触媒活性成分ca1の担持量と同一以下とする。 Furthermore, it is also preferable to add one or both of platinum, nickel, and iron to the catalytically active component ca1 and support copper as a further catalytically active component ca1. In this configuration, the amount of copper supported is equal to or less than the amount of one or both of nickel and iron, the main catalytically active components ca1, supported in the catalytically active component ca1.
以下に、第1触媒反応部20に使用する逆水性ガスシフト触媒cat1として、触媒活性成分ca1及び担体cb1を様々に変更した場合の実施例の試験結果に関して説明する。
触媒活性成分ca1としては、Ni、Feを検討しPt(白金)も検討した。
担体cb1は、ZrO2(ジルコニア)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、GDC(ガドリニウム・ドープ・セリア)、CeO2(セリア)を実施例として、Al2O3(アルミナ)も検討した。
The following describes test results of examples in which the catalytically active component ca1 and the carrier cb1 of the reverse water gas shift catalyst cat1 used in the first catalytic reaction section 20 are changed in various ways.
As the catalytically active component ca1, Ni, Fe, and Pt (platinum) were also investigated.
As the carrier cb1, ZrO 2 (zirconia), YSZ (yttria-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), and CeO 2 (ceria) were used as examples, and Al 2 O 3 (alumina) was also investigated.
以下の説明では、試験例1及び試験例2を紹介するが、両試験の差異は、逆水性ガスシフト触媒cat1の焼成において、試験例1はその焼成温度を450℃とし、試験例2はその焼成温度を600℃~1000℃と高温側に設定している点にある。 The following explanation introduces Test Example 1 and Test Example 2. The difference between the two tests is that when calcining the reverse water gas shift catalyst cat. 1, Test Example 1 used a calcination temperature of 450°C, while Test Example 2 used a higher calcination temperature of 600°C to 1000°C.
(試験例1)
第1触媒反応部20に使用する触媒として、担体を様々に変更した場合の実施例(1~19)の試験結果に関して説明する。
触媒活性成分としては、Ni、Feを検討しPt(白金)も検討した。
担体は、ZrO2(ジルコニア)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、GDC(ガドリニウム・ドープ・セリア)、CeO2(セリア)を実施例として、Al2O3(アルミナ)も検討した。
(Test Example 1)
The test results of Examples (1 to 19) in which the carrier used as the catalyst in the first catalytic reaction section 20 was changed in various ways will be described.
As catalytically active components, Ni, Fe, and Pt (platinum) were also investigated.
As the support, ZrO 2 (zirconia), YSZ (yttria stabilized zirconia), GDC (gadolinium doped ceria), and CeO 2 (ceria) were used as examples, and Al 2 O 3 (alumina) was also investigated.
(触媒調製)
逆水性ガスシフト触媒cat1の調製に際しては、目的とする触媒の組成に従って、水溶性のニッケル化合物(硝酸ニッケル、塩化ニッケル、硫酸ニッケル、硫酸ニッケルアンモニウム、酢酸ニッケル、シュウ酸ニッケル、クエン酸ニッケル等)、水溶性の鉄化合物(硝酸鉄、塩化鉄、硫酸鉄、硫酸鉄アンモニウム、酢酸鉄、シュウ酸鉄、クエン酸鉄等)の何れか一方又は両方を定量し溶かした水溶液を得る。また、更なる触媒活性成分ca1として銅を担持する際には水溶性の銅化合物(硝酸銅、塩化銅、硫酸銅、硫酸銅アンモニウム、酢酸銅、シュウ酸銅、クエン酸銅等)を同様に定量し、溶かした水溶液を得る。当該水溶液に所定量の担体粉(セリア、ジルコニア、GDC、YSZ、Al2O3)を投入し、撹拌、含浸した後、蒸発乾固、乾燥、その後、粉砕、成形した後、空気中で焼成する。この含侵が本発明にいう「含浸担持工程」であり、その結果物が「含浸担持物」である。
なお、下記の実施例の触媒は、硝酸ニッケル六水和物、硝酸鉄九水和物、硝酸銅三水和物をそれぞれ用いて調製した。また、Ptを用いた触媒はテトラアンミン白金水酸化物を用いて調製した。
(Catalyst preparation)
In preparing the reverse water gas shift catalyst cat1, an aqueous solution is prepared by dissolving a quantity of either or both of a water-soluble nickel compound (nickel nitrate, nickel chloride, nickel sulfate, nickel ammonium sulfate, nickel acetate, nickel oxalate, nickel citrate, etc.) and a water-soluble iron compound (iron nitrate, iron chloride, iron sulfate, ammonium iron sulfate, iron acetate, iron oxalate, iron citrate, etc.) according to the desired catalyst composition. When supporting copper as an additional catalytically active component ca1, an aqueous solution is prepared by dissolving a quantity of a water-soluble copper compound (copper nitrate, copper chloride, copper sulfate, copper ammonium sulfate, copper acetate, copper oxalate, copper citrate, etc. ) in a similar manner. A predetermined amount of carrier powder (ceria, zirconia, GDC, YSZ, Al2O3 ) is added to the aqueous solution, stirred, impregnated, evaporated to dryness, dried, crushed, molded, and calcined in air. This impregnation is referred to as the "impregnation supporting step" in the present invention, and the resultant product is the "impregnated supported material."
The catalysts in the following examples were prepared using nickel nitrate hexahydrate, iron nitrate nonahydrate, and copper nitrate trihydrate, respectively, and the Pt-based catalyst was prepared using tetraammineplatinum hydroxide.
上記の触媒調製に於ける、上記の蒸発乾固や乾燥、焼成の温度は、一般的に用いられる温度域で実施できるが、試験例1では、下記の実施例の触媒は、それぞれ、80℃、80℃、450℃とした。 The temperatures for the evaporation to dryness, drying, and calcination in the above catalyst preparation can be within the commonly used temperature range, but in Test Example 1, the catalysts in the following examples were heated to 80°C, 80°C, and 450°C, respectively.
表1に本発明に於ける逆水性ガスシフト触媒cat1の実施例1~19を示している。
なお、横軸は、担体cb1の種別、触媒活性成分としての金属担持量(重量%;表ではwt.%と表記)、CO吸着量(ml/g)、BET表面積(m2/g)としている。
なお、CO吸着量については、触媒を350℃で水素雰囲気下1時間の還元前処理を施した後に、CO吸着量を測定した。
Table 1 shows Examples 1 to 19 of the reverse water gas shift catalyst cat. 1 of the present invention.
The horizontal axis represents the type of carrier cb1, the amount of metal carried as a catalytically active component (weight %; expressed as wt. % in the table), the amount of CO adsorption (ml/g), and the BET surface area (m 2 /g).
The CO adsorption amount was measured after the catalyst was subjected to a reduction pretreatment in a hydrogen atmosphere at 350° C. for 1 hour.
(触媒活性試験)
触媒活性試験は、50%H2-50%CO2の混合ガス(H2とCO2が1:1(体積比)で含まれる混合ガス)を反応ガスとして用い、GHSV(Gas Hourly Space Velocity)を10000/hの条件で、反応温度を600℃~800℃まで50℃刻みで変えながら行った。
なお、触媒活性試験を行う前に、水素ガスを触媒層に通流しながら600℃で触媒の還元前処理を行った。
試験結果として、CO2転化率(%)と共に、反応部出口のCO濃度(%)、CH4濃度(%)を表2に記載した。
(Catalytic activity test)
The catalytic activity test was carried out using a 50% H 2 -50% CO 2 mixed gas (a mixed gas containing H 2 and CO 2 in a 1:1 (volume ratio)) as the reaction gas, under the condition of a GHSV (Gas Hourly Space Velocity) of 10,000/h, while changing the reaction temperature from 600°C to 800°C in 50°C increments.
Before the catalytic activity test, the catalyst was subjected to a reduction pretreatment at 600° C. while passing hydrogen gas through the catalyst layer.
As test results, the CO2 conversion rate (%), CO concentration (%) and CH4 concentration (%) at the outlet of the reaction section are shown in Table 2.
なお、CO2転化率(%)は触媒層出口のガス分析結果を基に以下の式に従って算出した。
〔CH4濃度〕+〔CO濃度〕/(〔CH4濃度〕+〔CO濃度〕+〔CO2濃度〕)
The CO2 conversion rate (%) was calculated according to the following formula based on the results of gas analysis at the outlet of the catalyst layer.
[CH 4 concentration] + [CO concentration] / ([CH 4 concentration] + [CO concentration] + [CO 2 concentration])
先にも示したように、第1触媒反応部20(逆水性ガスシフト反応部)で使用する逆水性ガスシフト触媒cat1としは、高温側(例えば、600~800℃付近)においてCO2転化率(%)が高いことが望ましい。 As mentioned above, it is desirable that the reverse water gas shift catalyst cat1 used in the first catalytic reaction section 20 (reverse water gas shift reaction section) has a high CO2 conversion rate (%) at high temperatures (for example, around 600 to 800°C).
(試験例2)
以下、試験例2の実施例(20~29)の試験結果に関して説明する。この例でも、
触媒活性成分としては、Ni、Feを検討し、Cuの添加についても検討した。
担体は、CeO2(セリア)、ZrO2(ジルコニア)を実施例とし、Al2O3(アルミナ)を検討している。
(Test Example 2)
The test results of Examples (20 to 29) of Test Example 2 will be explained below.
As catalytically active components, Ni and Fe were investigated, and the addition of Cu was also investigated.
As the carrier, CeO 2 (ceria) and ZrO 2 (zirconia) are used in the examples, and Al 2 O 3 (alumina) is also being investigated.
(触媒調製)
試験例2で用いる逆水性ガスシフト触媒cat1は、焼成温度を600℃、800℃、1000℃に変更した以外は、試験例1と同様の方法で調製した。
(Catalyst preparation)
The reverse water gas shift catalyst cat1 used in Test Example 2 was prepared in the same manner as in Test Example 1, except that the calcination temperature was changed to 600°C, 800°C, and 1000°C.
表3に調製した実施例(20~29)のそれぞれの触媒を示す。 Table 3 shows the catalysts prepared for each of the examples (20-29).
(触媒活性試験)
触媒活性試験は、H2とCO2が1:1(体積比)で含まれる混合ガスを反応ガスとして用い、GHSVを10000/hの条件で、反応温度を600℃~800℃まで50℃刻みで変えながら行った。
なお、触媒活性試験を行う前に、水素ガスを触媒層に通流しながら600℃で触媒の還元前処理を行った。
試験結果として、CO2転化率(%)と共に、反応部出口のCO濃度(%)、CH4濃度(%)を表4に記載した。
(Catalytic activity test)
The catalytic activity test was carried out using a mixed gas containing H 2 and CO 2 in a 1:1 (volume ratio) ratio as the reaction gas, under the condition of GHSV of 10,000/h, while changing the reaction temperature from 600°C to 800°C in 50°C increments.
Before the catalytic activity test, the catalyst was subjected to a reduction pretreatment at 600° C. while passing hydrogen gas through the catalyst layer.
As test results, the CO2 conversion rate (%), CO concentration (%) and CH4 concentration (%) at the outlet of the reaction section are shown in Table 4.
なお、参考までに、本実験条件でのCO2転化率の平衡値(計算値)を表4に示した。 For reference, the equilibrium values (calculated values) of the CO2 conversion rate under these experimental conditions are shown in Table 4.
鉄・ジルコニア触媒と鉄・アルミナ触媒
鉄・ジルコニア触媒について、焼成温度を450℃、600℃、800℃、1000℃とした場合の試験結果をそれぞれ実施例8、実施例22、実施例26、実施例29に示している。一方、鉄・アルミナ触媒については、焼成温度を450℃、600℃、800℃とした場合の試験結果をそれぞれ、実施例14、実施例23、実施例27に示している。これらの結果から分かるように、金属担持量は若干異なるが、鉄・ジルコニア触媒は鉄・アルミナ触媒よりも逆水性ガスシフト反応を行う上で、その活性に優れている。また、鉄・ジルコニア触媒は、焼成温度が450℃のもののみならず、600℃、800℃、1000℃と焼成温度を高くしたものでも非常に高い触媒活性を有しており、いずれの焼成温度にした場合でも、CO2転化率が平衡値の近傍に達している。
Iron-Zirconia Catalyst and Iron-Alumina Catalyst Test results for the iron-zirconia catalyst at calcination temperatures of 450°C, 600°C, 800°C, and 1000°C are shown in Examples 8, 22, 26, and 29, respectively. Meanwhile, test results for the iron-alumina catalyst at calcination temperatures of 450°C, 600°C, and 800°C are shown in Examples 14, 23, and 27, respectively. As can be seen from these results, although the metal loadings are slightly different, the iron-zirconia catalyst exhibits superior reverse water-gas shift reaction activity compared to the iron-alumina catalyst. Furthermore, the iron-zirconia catalyst exhibits very high catalytic activity not only at calcination temperatures of 450°C, but also at higher calcination temperatures of 600°C, 800°C, and 1000°C, and the CO2 conversion rate reaches near equilibrium at all calcination temperatures.
ニッケル・セリア触媒
焼成温度を450℃、600℃、800℃、1000℃とした場合の試験結果をそれぞれ実施例4、実施例20、実施例24、実施例28に示している。これらの結果から分かる様に、ニッケル・セリア触媒は、焼成温度が450℃のもののみならず、600℃、800℃、1000℃と焼成温度を高くしたものでも非常に高い触媒活性を有しており、いずれの焼成温度にした場合でも、CO2転化率が平衡値の近傍に達している。
The test results for nickel-ceria catalysts where the calcination temperatures were 450°C, 600°C, 800°C, and 1000°C are shown in Examples 4, 20, 24, and 28, respectively. As can be seen from these results, the nickel-ceria catalyst has very high catalytic activity not only when the calcination temperature was 450°C, but also when the calcination temperature was increased to 600°C, 800°C, and 1000°C, and the CO2 conversion rate reached near the equilibrium value at all of the calcination temperatures.
ニッケル・アルミナ触媒
焼成温度を450℃とした場合の試験結果を実施例7に示している。この結果では、ニッケル・アルミナ触媒では、先に述べたニッケル・セリア触媒と比べるとCO2転化率は低い結果となった。
The test results for the nickel-alumina catalyst when the calcination temperature was set to 450°C are shown in Example 7. The results showed that the nickel-alumina catalyst had a lower CO2 conversion rate than the nickel-ceria catalyst mentioned above.
ニッケル・銅・セリア触媒
焼成温度を450℃、600℃、800℃とした場合の試験結果をそれぞれ実施例6、実施例21、実施例25に示している。これらの結果から、ニッケル・銅・セリア触媒では、焼成温度が600℃や800℃のように高くなると若干CO2転化率が低下する傾向が見られるが、先に述べた焼成温度条件が同様の鉄・アルミナ触媒より優れている。また、焼成温度が450℃のニッケル・銅・セリア触媒では、CO2転化率が平衡値の近傍に達している。
The test results for nickel-copper-ceria catalysts at calcination temperatures of 450°C, 600°C, and 800°C are shown in Examples 6, 21, and 25, respectively. These results show that the nickel-copper-ceria catalyst tends to have a slightly lower CO2 conversion rate when the calcination temperature is increased to 600°C or 800°C, but is superior to the iron-alumina catalyst with the same calcination temperature conditions described above. Furthermore, the nickel-copper-ceria catalyst with a calcination temperature of 450°C achieves a CO2 conversion rate close to the equilibrium value.
逆水性ガスシフト触媒としての有用性
以上に示したように、鉄・ジルコニア系触媒やニッケル・セリア系触媒では、焼成温度を450℃~1000℃のように種々変更しても、非常に高い逆水性ガスシフト触媒活性を示すため、例えば600℃~800℃付近の高温域で使用する固体酸化物形の電解セルと組み合わせて使用する場合でも、高い性能と耐久性を確保し易くなり有用である。
Usefulness as a reverse water gas shift catalyst As described above, iron-zirconia-based catalysts and nickel-ceria-based catalysts exhibit extremely high reverse water gas shift catalytic activity even when the calcination temperature is changed to various temperatures, such as 450°C to 1000°C. Therefore, even when used in combination with a solid oxide electrolysis cell operated in a high temperature range, for example, around 600°C to 800°C, high performance and durability can be easily ensured, making them useful.
以上の結果から、先にも示したように、この第1触媒反応部20に使用する逆水性ガスシフト触媒cat1として、セリア系金属酸化物もしくはジルコニア系金属酸化物を主成分とする担体cb1に、ニッケル及び鉄の何れか一方又は両方を触媒活性成分ca1として少なくとも担持して構成される触媒を使用することができる。さらに、コストが許容できる程度であれば、白金も採用できる。 From the above results, as previously shown, it is possible to use a catalyst as the reverse water gas shift catalyst cat1 used in this first catalytic reaction section 20, which is constructed by supporting at least one or both of nickel and iron as catalytically active components ca1 on a carrier cb1 primarily composed of ceria-based metal oxide or zirconia-based metal oxide. Furthermore, platinum can also be used if the cost is acceptable.
さらに、担体cb1としてのセリア系金属酸化物としては、ガドリニウム、サマリウム、イットリウムのうちの少なくともいずれか一つをドープしたセリアとすることもできる。 Furthermore, the ceria-based metal oxide used as the carrier cb1 can be ceria doped with at least one of gadolinium, samarium, and yttrium.
また、担体cb1としてのジルコニア系金属酸化物は、イットリア、スカンジアのうちの少なくともいずれか一つで安定化したジルコニアとすることもできる。 Furthermore, the zirconia-based metal oxide used as the carrier cb1 can be zirconia stabilized with at least one of yttria and scandia.
さらに、ニッケル及び鉄の何れか一方又は両方を触媒活性成分ca1に加えて、更なる触媒活性成分ca1として銅を担持することも好ましい。 Furthermore, it is also preferable to add either or both of nickel and iron to the catalytically active component ca1 and support copper as a further catalytically active component ca1.
そして、第1触媒反応部20(逆水性ガスシフト反応部)に、上記逆水性ガスシフト触媒cat1を使用することにより、600~1000℃付近において、高活性ではあるが非常に高価であるPt触媒と同等以上のCO2転化率(%)で逆水性ガスシフト反応を行うことができる。
なお、本実施例の試験は、10000/hという非常に高いGHSV条件で行った試験であるので、GHSVを10000/hよりも小さくした条件、すなわち、処理するガス量に対して使用する触媒量を増やすことで、より高いCO2転化率(%)で逆水性ガスシフト反応を行うことも可能となる。
By using the reverse water gas shift catalyst cat1 in the first catalytic reaction section 20 (reverse water gas shift reaction section), the reverse water gas shift reaction can be performed at a CO2 conversion rate (%) at or above that of a highly active but very expensive Pt catalyst at around 600 to 1000°C.
It should be noted that the test in this example was conducted under conditions of a very high GHSV of 10,000/h. Therefore, it is possible to perform the reverse water-gas shift reaction with a higher CO2 conversion rate (%) under conditions where the GHSV is lower than 10,000/h, i.e., by increasing the amount of catalyst used relative to the amount of gas to be treated.
〔電解反応部と逆水性ガスシフト反応部の組み合わせ〕
これまでの説明では、図1に示すシステム構成に従って、ガスの移流方向に沿って電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20とを記載順に個別に設ける構成に沿って説明した。
電解反応部10の反応は反応条件によっては発熱反応となり、逆水性ガスシフト反応部20の反応は吸熱反応である。そこで、これら二つの反応部10、20を一体化することでシステムの熱効率を高めることができる。このように、これら二つの反応部10、20を組み合わせて、一体化する場合の構成を示したのが図3であり、一体とされていることを両部位を囲って示している。また、同箱内にこのように一体化された場合の反応を示した。基本的には、先に示した式1、式2、式3が行われることとなる。なお、電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20を組み合わせて、一体化する場合、それらを断熱性部材で共に囲うと、電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20との間の熱の授受を効率良く行えるので好ましい。また、電解反応部10で発生する熱を逆水性ガスシフト反応部20に伝熱させるために伝熱性部材を用いて電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20とを接続させても良い。
[Combination of electrolysis reactor and reverse water gas shift reactor]
In the above description, the electrolysis reactor 10 and the reverse water gas shift reactor 20 are individually provided in the order shown along the gas advection direction in accordance with the system configuration shown in FIG. 1 .
Depending on the reaction conditions, the reaction in the electrolytic reaction unit 10 may be exothermic, while the reaction in the reverse water gas shift reaction unit 20 is endothermic. Therefore, integrating these two reaction units 10 and 20 can improve the thermal efficiency of the system. Figure 3 shows a configuration in which these two reaction units 10 and 20 are combined and integrated, with both units enclosed to indicate their integration. The reactions in this integrated configuration are also shown in the same box. Essentially, the reactions represented by Equations 1, 2, and 3 above are carried out. When combining and integrating the electrolytic reaction unit 10 and the reverse water gas shift reaction unit 20, it is preferable to surround them with a heat-insulating member, as this allows for efficient heat transfer between the electrolytic reaction unit 10 and the reverse water gas shift reaction unit 20. Furthermore, a heat-transfer member may be used to connect the electrolytic reaction unit 10 and the reverse water gas shift reaction unit 20 to transfer heat generated in the electrolytic reaction unit 10 to the reverse water gas shift reaction unit 20.
〔電解反応部と逆水性ガスシフト反応部とを共に備えた電解セルユニット〕
上記概念に基づいて、電解反応部10となっている電解セルユニットUに、逆水性ガスシフト反応部20を設けることが好ましい。これは、電解セル1として600~800℃付近において作動する固体酸化物形電解セルを用いた場合、600~800℃付近において高い活性が得られる本願の逆水性ガスシフト触媒cat1では、電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20とを同程度の温度域で使用できるからである。
この場合も、電解反応部10を通過したガスが逆水性ガスシフト反応部20に導かれて逆水性ガスシフト反応を発生できればよい。
[Electrolysis cell unit equipped with both an electrolysis reaction section and a reverse water gas shift reaction section]
Based on the above concept, it is preferable to provide a reverse water gas shift reactor 20 in the electrolytic cell unit U that serves as the electrolytic reaction unit 10. This is because, when a solid oxide electrolytic cell that operates at around 600 to 800°C is used as the electrolytic cell 1, the reverse water gas shift catalyst cat1 of the present application, which exhibits high activity at around 600 to 800°C, can be used in the electrolytic reaction unit 10 and the reverse water gas shift reactor 20 in approximately the same temperature range.
In this case, too, it is sufficient that the gas that has passed through the electrolysis reactor 10 is guided to the reverse water-gas shift reactor 20 and the reverse water-gas shift reaction occurs.
このような逆水性ガスシフト反応部20を併設した電解セルユニットUを図4に示した。図4は、図2において断面で示した電解セルユニットUを、そのガスの移流方向を含めて描いた図である。 An electrolytic cell unit U equipped with such a reverse water gas shift reactor 20 is shown in Figure 4. Figure 4 is a diagram of the electrolytic cell unit U shown in cross section in Figure 2, including the direction of gas advection.
同図に示すように、電解セルユニットUの断面は基本的に同一である。
即ち、この電解セルユニットUも、電解質層1aを挟んで電極層2と対極電極層3が形成された電解セル1、その支持体としての機能を有するとともに、セパレータとして働く金属支持体4、供給路形成部材5、6を備えて構成されており、電極層側ガス供給路5a及び対極電極層側ガス供給路6aが形成される構成とされている。さらに詳細に説明すると、図からも判明するように、金属支持体4をガスの移流方向でみると、電解セル1に対応する部位には孔4aを設けているが、電極層2より下流側には孔を設けてはいない。従って、金属支持体4は、上記の電極層2に供給されるとともにこの電極層2から放出されるガスと、対極電極層3ガスに供給されるとともにこの対極電極層3から放出されるガスとを、有効に分離するセパレータとなる。
As shown in the figure, the cross sections of the electrolysis cell units U are basically the same.
That is, this electrolytic cell unit U also includes an electrolytic cell 1 in which an electrode layer 2 and a counter electrode layer 3 are formed with an electrolyte layer 1a sandwiched therebetween, a metal support 4 that functions as a support for the electrolytic cell 1 and also functions as a separator, and supply channel forming members 5 and 6, so that an electrode layer side gas supply channel 5a and a counter electrode layer side gas supply channel 6a are formed. More specifically, as is clear from the figure, when viewed in the gas advection direction, the metal support 4 has a hole 4a formed in a position corresponding to the electrolytic cell 1, but no hole is formed downstream of the electrode layer 2. Therefore, the metal support 4 serves as a separator that effectively separates the gas supplied to and released from the electrode layer 2 from the gas supplied to and released from the counter electrode layer 3.
ただし、この例では、前記電極層側ガス供給路5aの内面(供給路形成部材5の供給路側内面、金属支持体4の電極層2を形成した面とは反対側の面及び複数の孔4aの表面)に、先に説明した逆水性ガスシフト触媒cat1が塗布されている。この塗布層20aを太実線で示した。
さらに、電極層側ガス供給路5aは、電解反応部10を超えて先に延ばされており、この延長側にも、前記塗布層20aを設けている。
In this example, however, the reverse water gas shift catalyst cat1 described above is applied to the inner surface of the electrode layer-side gas supply channel 5a (the inner surface on the supply channel side of the supply channel-forming member 5, the surface of the metal support 4 opposite to the surface on which the electrode layer 2 is formed, and the surfaces of the plurality of holes 4a). This coating layer 20a is indicated by a thick solid line.
Furthermore, the electrode layer side gas supply passage 5a is extended beyond the electrolytic reaction section 10, and the coating layer 20a is also provided on this extension side.
結果、電解セルユニットUの電極層側ガス供給路5aは、電極層2で発生する少なくともH2を排出する排出路とされており、電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20とを一体に電解セルユニットUに備えた構成となる。 As a result, the electrode layer side gas supply path 5 a of the electrolytic cell unit U serves as an exhaust path for exhausting at least H 2 generated in the electrode layer 2, and the electrolytic reaction section 10 and the reverse water gas shift reaction section 20 are integrally provided in the electrolytic cell unit U.
この構成では、金属支持体4が電極層2で発生するH2と対極電極層3で発生するO2を分離するセパレータとして働く構成とされ、このセパレータのH2の排出路側の少なくとも一部が逆水性ガスシフト反応部20とされている。この構成でも、電解セルユニットUは平板型と言え、さらに逆水性ガスシフト反応部20も平板型と言える。 In this configuration, the metal support 4 functions as a separator that separates H2 generated in the electrode layer 2 from O2 generated in the counter electrode layer 3, and at least a portion of this separator on the H2 exhaust channel side serves as the reverse water-gas shift reactor 20. Even in this configuration, the electrolysis cell unit U can be said to be flat-plate type, and the reverse water-gas shift reactor 20 can also be said to be flat-plate type.
このようにして構成される電解セルユニットUを、図2、図4の左右方向に積層することで、多数の電解セルユニットUが積層され、それらが電気的に接続された電解セルスタックを形成することができる。従って、これまで説明してきた電解セルユニットUは「単セル型の電解セルユニット」と呼べ、当該電解セルスタックもユニットとして構成・使用できるため、「集合型の電解セルユニット」と呼べる。そして、単セル型の電解セルユニットを多数積層して、あるいは集合型の電解セルユニットである電解セルスタックを多数積層してモジュール化することができる。これら電解セルユニットモジュールでは、当然、生成される有用なガスは複数層に渡って得ることができる。 By stacking electrolytic cell units U configured in this manner in the left-right direction in Figures 2 and 4, a large number of electrolytic cell units U can be stacked and electrically connected to form an electrolytic cell stack. Therefore, the electrolytic cell units U described so far can be called "single-cell electrolytic cell units," and because the electrolytic cell stacks can also be configured and used as units, they can be called "aggregate electrolytic cell units." Furthermore, a large number of single-cell electrolytic cell units or a large number of aggregate electrolytic cell stacks can be stacked to form a module. In these electrolytic cell unit modules, the useful gases produced can naturally be obtained across multiple layers.
発明者らは、上記電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20とを組み合わせる(電解反応部10の電極層側ガス供給路5aを逆水性ガスシフト反応部20とする)概念の下、電極層側ガス供給路5aに、粒状の逆水性ガスシフト触媒cat1を収納して実験を行った。
図5に、この実験に供した電解セルユニットUの断面を示した。
Based on the concept of combining the electrolysis reaction unit 10 and the reverse water gas shift reaction unit 20 (the electrode layer side gas supply channel 5a of the electrolysis reaction unit 10 is the reverse water gas shift reaction unit 20), the inventors conducted an experiment by storing a granular reverse water gas shift catalyst cat1 in the electrode layer side gas supply channel 5a.
FIG. 5 shows a cross section of the electrolysis cell unit U used in this experiment.
以下図5を参照しながら、具体的に説明する。同図には電解セルユニットUの断面図を示している。
ここでは、電解セル1として、金属支持型の固体酸化物形電解セルを用いた。金属支持体4として、厚さ0.3mmのフェライト系ステンレスの金属板に対して、レーザー加工により貫通孔(孔4aとなる)を複数設けて、金属基板を作製した。この金属基板の上に、電極層2と中間層2aを順に積層し、金属基板の中間層2aの上に、中間層2aを覆うように電解質層1aを積層した。更に、電解質層1aの上に、反応防止層7と対極電極層3を順に積層し、電解セル1を作製した。なお、電極層2を形成する材料としてはNiO粉末とGDC粉末の混合物を用い、中間層2aを形成する材料としてはGDC粉末を用い、電解質層1aを形成する材料としては8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)粉末を用い、反応防止層7を形成する材料としてはGDC粉末を用い、対極電極層3を形成する材料としてはGDC粉末とLSCF粉末の混合物を用いた。また、電極層2、中間層2a、電解質層1a、反応防止層7、対極電極層3の厚さが、それぞれ約25μm程度、約10μm程度、約5μm程度、約5μm程度、約20μm程度であった。なお、電極層2と電解質層1aの間に中間層2aを設けたり、電解質層1aと対極電極層3の間に反応防止層7を設けたりすることで、電解セル1の性能や耐久性を向上することができる。また、中間層2aや反応防止層7は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な中間層2aや反応防止層7が得られる。そのため、金属支持体4を傷めることなく、性能や耐久性に優れた電解セル1を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
A specific description will be given below with reference to Figure 5, which shows a cross-sectional view of the electrolysis cell unit U.
Here, a metal-supported solid oxide electrolysis cell was used as the electrolysis cell 1. A metal substrate was prepared as the metal support 4 by forming a plurality of through-holes (which became the holes 4a) in a 0.3 mm-thick ferritic stainless steel metal plate by laser processing. An electrode layer 2 and an intermediate layer 2a were sequentially laminated on the metal substrate, and an electrolyte layer 1a was laminated on the intermediate layer 2a of the metal substrate so as to cover the intermediate layer 2a. Furthermore, a reaction prevention layer 7 and a counter electrode layer 3 were sequentially laminated on the electrolyte layer 1a to prepare the electrolysis cell 1. The electrode layer 2 was formed using a mixture of NiO powder and GDC powder, the intermediate layer 2a was formed using GDC powder, the electrolyte layer 1a was formed using 8YSZ (8 mol% yttria-stabilized zirconia) powder, the reaction prevention layer 7 was formed using GDC powder, and the counter electrode layer 3 was formed using a mixture of GDC powder and LSCF powder. The thicknesses of the electrode layer 2, intermediate layer 2a, electrolyte layer 1a, reaction prevention layer 7, and counter electrode layer 3 were approximately 25 μm, approximately 10 μm, approximately 5 μm, approximately 5 μm, and approximately 20 μm, respectively. The performance and durability of the electrolysis cell 1 can be improved by providing the intermediate layer 2a between the electrode layer 2 and the electrolyte layer 1a, or by providing the reaction prevention layer 7 between the electrolyte layer 1a and the counter electrode layer 3. The intermediate layer 2a and the reaction prevention layer 7 are preferably formed by a low-temperature firing method (e.g., a wet method using a firing treatment in a low-temperature range that does not involve firing treatment in a high-temperature range higher than 1100°C), a spray coating method (such as a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulsed laser deposition method), or a CVD method. These processes that can be used in a low temperature range make it possible to obtain a good intermediate layer 2a and a good reaction-preventing layer 7 without using firing at a high temperature range, for example, higher than 1100°C. This is preferable because it allows for the realization of an electrolytic cell 1 with excellent performance and durability without damaging the metal support 4. Furthermore, the use of a low-temperature firing method is even more preferable because it facilitates the handling of raw materials.
上記のようにして得られた電解セルユニットUについて、その電極層側ガス供給路5a(電解反応部10で電気分解されたガスの排出路ともなっている)に、粒状に形成した逆水性ガスシフト触媒cat1を収納する場合の性能向上に関して検討した。 For the electrolysis cell unit U obtained as described above, we investigated the performance improvement achieved by installing a granular reverse water gas shift catalyst cat1 in the electrode layer side gas supply path 5a (which also serves as the discharge path for the gas electrolyzed in the electrolysis reaction section 10).
逆水性ガスシフト触媒cat1を収納しなかった場合の結果
電解セルユニットUにH2OとCO2を含むガスを供給しながら電解反応を行い、電解セルユニットUの出口ガスのH2とCOの比をガスクロマトグラフを用いて測定した。結果を以下の表5に示した。この実験結果を比較例A1,A2と記載した。
Results when no reverse water gas shift catalyst cat. 1 was installed Electrolysis reaction was carried out while supplying gas containing H2O and CO2 to the electrolytic cell unit U, and the ratio of H2 to CO in the outlet gas of the electrolytic cell unit U was measured using a gas chromatograph. The results are shown in Table 5 below. These experimental results are shown as Comparative Examples A1 and A2.
逆水性ガスシフト触媒cat1を収納した場合の結果
逆水性ガスシフト触媒cat1として、実施例2と同様の8YSZ担体にNiを約10%担持して得た粒状の触媒を収納して、電解セルユニットUにH2OとCO2を含むガスを供給しながら電解反応を行い、電解セルユニットUの出口ガスのH2とCOの比をガスクロマトグラフを用いて測定した。その結果を表6に示した。この実験結果を実施例A1と記載した。
Results when reverse water gas shift catalyst cat. 1 was installed. A granular catalyst obtained by supporting approximately 10% Ni on an 8YSZ carrier similar to that used in Example 2 was installed as reverse water gas shift catalyst cat. Electrolysis reaction was carried out while supplying gas containing H2O and CO2 to the electrolytic cell unit U, and the ratio of H2 to CO in the outlet gas of the electrolytic cell unit U was measured using a gas chromatograph. The results are shown in Table 6. This experimental result is referred to as Example A1.
以上の比較実験により、電解セル1が金属支持体4の上に薄層状に形成され、逆水性ガスシフト反応によりCO2と前記H2を用いてCOを生成する逆水性ガスシフト反応部20を、電解されたガスの排出路となる電極層側ガス供給路5aに設けた電解セルユニットUでは、電気分解により生成するH2に対するCOの組成比率を高めることができた。 The above comparative experiments demonstrated that in an electrolytic cell unit U in which the electrolytic cell 1 was formed as a thin layer on the metal support 4 and the reverse water-gas shift reactor 20, which produced CO using CO and the H by the reverse water-gas shift reaction, was provided in the electrode layer-side gas supply path 5a, which served as an exhaust path for the electrolyzed gas, the composition ratio of CO to H produced by electrolysis could be increased.
逆水性ガスシフト触媒cat1を電極層側ガス供給路5a(電解済みのガスの排出路となっている)に収納しない電解セルユニットUと、収納する電解セルユニットUとの比較では、出口では水素/一酸化炭素([H2/CO])比が約10以上から約5となり、電解反応部10の反応と逆水性ガスシフト反応部20の反応を組み合わせることで種々の炭化水素合成に有利となるCOの量を確保できるので好ましい。加えて、CO2のメタン化反応よりもCOのメタン化反応を採用する方が炭化水素類製造システム100としての熱効率を高めることができることから、電解反応部10の反応と逆水性ガスシフト反応部20の反応を組み合わせることでCOの量を確保できるので好ましい。これは、1モルのCO2をメタン化する場合は2モルのH2Oが生成するのに対して、1モルのCOをメタン化する場合は1モルのH2Oの生成で済むことから、COのメタン化反応を採用する炭化水素類製造システム100の方が、システム全体として1モルのH2O分の潜熱や顕熱のロス分を抑制できるからである。
なお、電解反応部10に導入するH2OとCO2の比率や電解反応部10の反応条件(電解電圧や反応温度等)、逆水性ガスシフト反応部20の反応条件(使用触媒量やGHSV、反応温度等)などを適宜調整することで、逆水性ガスシフト反応部20の出口での水素/一酸化炭素([H2/CO])比を、後段の第2触媒反応部30(炭化水素類合成反応部)に適した値(例えば、COのメタン化反応の当量比であるH2/CO=3など)に調整することができる。
Comparing an electrolytic cell unit U that does not include a reverse water gas shift catalyst cat1 in the electrode layer side gas supply channel 5a (which serves as the discharge channel for electrolyzed gas) with an electrolytic cell unit U that does include one, the hydrogen/carbon monoxide ([ H2 /CO]) ratio at the outlet is about 10 or more to about 5, and combining the reaction in the electrolysis reactor 10 with the reaction in the reverse water gas shift reactor 20 is preferable because it ensures an amount of CO that is advantageous for synthesizing various hydrocarbons. In addition, adopting a CO methanation reaction rather than a CO2 methanation reaction can improve the thermal efficiency of the hydrocarbon production system 100, and therefore combining the reaction in the electrolysis reactor 10 with the reaction in the reverse water gas shift reactor 20 is preferable because it ensures an amount of CO. This is because when 1 mole of CO2 is methanated, 2 moles of H2O are produced, whereas when 1 mole of CO is methanated, only 1 mole of H2O is produced, and therefore the hydrocarbon production system 100, which employs the CO methanation reaction, can reduce the loss of latent heat and sensible heat equivalent to 1 mole of H2O in the entire system.
By appropriately adjusting the ratio of H2O and CO2 introduced into the electrolytic reaction unit 10, the reaction conditions of the electrolytic reaction unit 10 (electrolytic voltage, reaction temperature, etc.), and the reaction conditions of the reverse water gas shift reaction unit 20 (amount of catalyst used, GHSV, reaction temperature, etc.), the hydrogen/carbon monoxide ([ H2 /CO]) ratio at the outlet of the reverse water gas shift reaction unit 20 can be adjusted to a value suitable for the downstream second catalytic reaction unit 30 (hydrocarbon synthesis reaction unit) (for example, H2 /CO = 3, which is the equivalent ratio for the CO methanation reaction).
〔電解セルスタック〕
これまで説明してきた単セル型の電解セルユニットUにおいては、供給流路構成部材5,6を別体として説明したが、先に説明したように、この種の電解セルユニットUを多数積層して電解セルスタックSTを形成する場合、単一のセパレータSを挟んで、一方の側を電極層側ガス供給路5aと、他方の側を対局電極層側ガス供給路6aとすることができる。
[Electrolysis cell stack]
In the single-cell electrolysis cell unit U described up to this point, the supply flow path constituent members 5, 6 have been described as separate entities. However, as described above, when a large number of this type of electrolysis cell unit U are stacked to form an electrolysis cell stack ST, a single separator S can be sandwiched between them, with the electrode layer side gas supply path 5a on one side and the counter electrode layer side gas supply path 6a on the other side.
図6、図7に、この種のセパレータSを備え、単セル型の電解セルユニットUを一対積層して構成される電解セルスタックSTを示している。この電解セルスタックSTは、装置的には積層数を適切に選定してモジュール化して使用できる。図6は、斜視図としているが、この図に示す断面は、図5に示す断面と同様に、ガスの流通方向(図6、右上がり方向)に交わる断面である。同図からも判明するように、セパレータSの電極層2側(同図において上側に位置する)に、電気分解の対象となるガスが流れる電極層側ガス供給路L2(図2における5a)が形成され、セパレータSの対局電極層3側(同図において下側に位置する)に、対局電極層3から放出されるガスを取り除くための対局電極層側ガス供給路L1(図2における6a)が形成される。 Figures 6 and 7 show an electrolysis cell stack ST equipped with this type of separator S and constructed by stacking a pair of single-cell electrolysis cell units U. This electrolysis cell stack ST can be modularized by appropriately selecting the number of layers. While Figure 6 is a perspective view, the cross section shown in this figure, like the cross section shown in Figure 5, is a cross section intersecting the gas flow direction (upward and to the right in Figure 6). As can be seen from this figure, an electrode layer-side gas supply channel L2 (5a in Figure 2) through which the gas to be electrolyzed flows is formed on the electrode layer 2 side of the separator S (located on the upper side in Figure 6), and a counter electrode layer-side gas supply channel L1 (6a in Figure 2) for removing gas released from the counter electrode layer 3 is formed on the counter electrode layer 3 side of the separator S (located on the lower side in Figure 6).
図7は、このようにして、一対の電解セルユニットUにより構成される電解セルスタックSTをガスの流路方向に切断した斜視図である。この構成にあっても、電極層側ガス供給路5aと対局電極層側ガス供給路6aとはセパレータSにより分離され、両流路を流れるガスが混合することはない。また、これら図6,7において、Zは、金属支持体4に形成される貫通孔4aの形成領域範囲を指している。 Figure 7 is a perspective view of an electrolysis cell stack ST composed of a pair of electrolysis cell units U, cut in the gas flow direction. Even with this configuration, the electrode layer side gas supply channel 5a and the counter electrode layer side gas supply channel 6a are separated by a separator S, so the gases flowing through the two channels do not mix. Also, in Figures 6 and 7, Z indicates the area in which the through holes 4a are formed in the metal support 4.
以上が、本発明に係る電解セルスタックSTの基本的な構成の説明である。
以下、セパレータSとして異なった形状のセパレータSa,Sbを対として備え、単一の筐体B内に電解反応部10及び逆水性ガスシフト反応部20を構築する例に関して説明する。図8はこの反応器500の断面を示しており、この反応器500に電源装置8を備えて構築される。
The above is a description of the basic configuration of the electrolysis cell stack ST according to the present invention.
Hereinafter, an example will be described in which a pair of separators Sa and Sb having different shapes are used as the separator S, and the electrolysis reaction unit 10 and the reverse water gas shift reaction unit 20 are constructed in a single housing B. Fig. 8 shows a cross section of this reactor 500, which is constructed with a power supply unit 8.
この反応器500にあっても、単セル型の電解セルユニットUは、金属支持体4の上に電極層2、電解質層1a及び対局電極層3を備えて構成される。さらに、第1ガス流路L1と第2ガス流路L2とを仕切る状態でセパレータSが設けられる。但し、このセパレータSとしては、対局電極層3の上側に第1ガス流路L1を形成するための、中央側が上に凸とされる第1セパレータSaが備えられるとともに、金属支持体4の下側に第2ガス流路L2を形成するために、中央側が下に凸とされる第2セパレータSbが備えられている。 In this reactor 500, the single-cell electrolysis cell unit U is configured to include an electrode layer 2, an electrolyte layer 1a, and a counter electrode layer 3 on a metal support 4. Furthermore, a separator S is provided to separate the first gas flow path L1 and the second gas flow path L2. However, this separator S includes a first separator Sa with an upward convex central portion to form the first gas flow path L1 above the counter electrode layer 3, and a second separator Sb with a downward convex central portion to form the second gas flow path L2 below the metal support 4.
図8からも判明するように、筐体内部底面側から、底部支持体SX、第1セパレータSa、電解セル1を上部に備えた金属支持体4、その上側にさらに、第1ガス流路L1を形成する形態で第1セパレータSaが設けられている。
さらに、上方の単セル型の電解セルユニットUに関しては、破断線より上側に示すように、電解セル1を上部に備えた金属支持体4、その電解セル1の最上位に位置する対局電極層3の上に接する状態で第2セパレータSbを設けている。結果、第2セパレータSbとその上側に位置する金属支持体4との間に第2ガス流路L2が形成されている。筐体内部天面側には、底部支持体SYを設けている。
このように積層する(集合する)ことで、第1ガス流路L1及び第2ガス流路L2を別個に構築している。
As can be seen from FIG. 8 , from the bottom side of the interior of the housing, there are a bottom support SX, a first separator Sa, a metal support 4 having an electrolysis cell 1 on top, and a first separator Sa provided above the metal support 4 so as to form a first gas flow path L1.
Furthermore, with regard to the upper single-cell electrolysis cell unit U, as shown above the broken line, a metal support 4 having an electrolysis cell 1 thereon and a second separator Sb are provided in contact with the counter electrode layer 3 located at the top of the electrolysis cell 1. As a result, a second gas flow path L2 is formed between the second separator Sb and the metal support 4 located above it. A bottom support SY is provided on the top surface inside the housing.
By stacking (assembling) the first gas flow path L1 and the second gas flow path L2 in this manner, the first gas flow path L1 and the second gas flow path L2 are separately constructed.
これらガス流路L1,L2へは、第1ガス流路L1については、筐体外側部位に設けられ、筐体入口L1inと筐体出口L1out間を、筐体内空間L1Sを介して接続する流路を形成することで、電解セルユニットU間に設けられる第1ガス流路L1へのガスの供給が可能となっている。一方、第2ガス流路L2については、筐体中央側部位に設けられ、筐体入口L2inから配管10を介して第2ガス流路L2に接続し、さらにマニホールドmを介して筐体出口L2outに導くことで第2ガス流路L2へのガスの供給が可能となっている。 The first gas flow path L1 is provided in a region outside the housing, and forms a flow path connecting the housing inlet L1in and the housing outlet L1out via the housing internal space L1S, enabling gas to be supplied to the first gas flow path L1 provided between the electrolysis cell units U. On the other hand, the second gas flow path L2 is provided in a region toward the center of the housing, and connects the housing inlet L2in to the second gas flow path L2 via piping 10, and is further guided to the housing outlet L2out via a manifold m, enabling gas to be supplied to the second gas flow path L2.
結果、第1ガス流路L1及び第2ガス流路L2を流れるガスの混合を起こすことなく、第1ガス流路L1に原料ガスを流すことで、所要の反応ガスを得ることができる。 As a result, the required reaction gas can be obtained by flowing the source gas through the first gas flow path L1 without causing mixing of the gases flowing through the first gas flow path L1 and the second gas flow path L2.
そして、この例にあっては、第2ガス流路L2に、逆水性ガスシフト触媒cat1を配置することで、逆水性ガスシフト反応部20を形成することができる。この構成は、先に、図5で説明した構成と実質的に同一であり、集合型の電解セルユニットを、複数の単セル1が集合した電解セルスタックSTとして構成するものとしている。
従って、この構成は、単セル型の電解セルユニットUの電極層側ガス供給路L2(図2における5a)に逆水性ガスシフト触媒cat1を備えて、逆水性ガスシフト反応部20とする例であり、電極層側ガス供給路L2は水素排出路となる。そして、このような単セル型の電解セルユニットUを複数集合することで、「電解セルユニットモジュールM」を構築することができる。
In this example, a reverse water gas shift catalyst cat1 is disposed in the second gas flow path L2 to form a reverse water gas shift reaction section 20. This configuration is substantially the same as the configuration described above with reference to Fig. 5, and the assembled electrolysis cell unit is configured as an electrolysis cell stack ST in which a plurality of single cells 1 are assembled.
Therefore, this configuration is an example in which the electrode layer side gas supply channel L2 (5a in FIG. 2) of the single-cell electrolysis cell unit U is provided with the reverse water gas shift catalyst cat1 to form a reverse water gas shift reaction section 20, and the electrode layer side gas supply channel L2 serves as a hydrogen discharge channel. An "electrolysis cell unit module M" can be constructed by assembling a plurality of such single-cell electrolysis cell units U.
一方、図9に示す例は、図8に示した例と同様の構造であるが、反応器500に設けられるマニホールドmに繋がる所定のセパレータ接続部位に、逆水性ガスシフト触媒cat1を配置することで、この部位を逆水性ガスシフト反応部20としている。この例では、マニホールドmの一部を逆水性ガスシフト反応部20としている。
従って、この構成は、単セル型の電解セルユニットUの電極層側ガス供給路L2(図2における5a))に続く排出路(水素排出路となっている)に逆水性ガスシフト触媒cat1を備えて、逆水性ガスシフト反応部20とする例である。そして、このような単セル型の電解セルユニットUを複数集合することでも、「電解セルユニットモジュールM」を構成することができる。
9 has the same structure as the example shown in Fig. 8, but a reverse water gas shift catalyst cat1 is disposed at a predetermined separator connection portion connected to a manifold m provided in the reactor 500, and this portion serves as a reverse water gas shift reaction portion 20. In this example, a part of the manifold m serves as the reverse water gas shift reaction portion 20.
Therefore, this configuration is an example in which a reverse water gas shift catalyst cat1 is provided in the discharge channel (which serves as a hydrogen discharge channel) continuing from the electrode layer side gas supply channel L2 (5a in FIG. 2) of a single-cell electrolysis cell unit U, forming a reverse water gas shift reaction section 20. Furthermore, an "electrolysis cell unit module M" can also be constructed by assembling a plurality of such single-cell electrolysis cell units U.
さらに付言すると、この構成では、第2ガス流路L2、マニホールドmを介して合流して筐体出口L2outに導かれるガスは、下流側に配置された逆水性ガスシフト触媒cat1との接触により、順次、逆水性ガスシフト反応を起こすこととなる。従って、この構成では、単セル型の電解セルユニットU単位で、個々に逆水性ガスシフト反応部20を設けるのではなく、実質的に、単セル型の電解セルユニットUの集合体としての電解セルスタックST(集合型の電解セルユニット)に続く排出路(水素排出路となっている)を逆水性ガスシフト反応部20とする例ともなっている。この構成では、逆水性ガスシフト反応部20の数は最下流側単独でも、同図に示すように複数であってもよく、その数を問うものではない。そして、このような逆水性ガスシフト反応部20を水素排出路に備えた集合型の電解セルユニットを複数集合することでも、「電解セルユニットモジュールM」を構築することもできる。 Furthermore, in this configuration, the gases that join via the second gas flow path L2 and the manifold m and are guided to the housing outlet L2out sequentially undergo a reverse water gas shift reaction upon contact with the reverse water gas shift catalyst cat1 located downstream. Therefore, in this configuration, rather than providing a reverse water gas shift reactor 20 for each individual single-cell electrolysis cell unit U, the discharge path (which serves as a hydrogen discharge path) leading to the electrolysis cell stack ST (an aggregated electrolysis cell unit), which is an aggregate of single-cell electrolysis cell units U, essentially serves as the reverse water gas shift reactor 20. In this configuration, the number of reverse water gas shift reactors 20 may be a single unit on the most downstream side, or multiple units as shown in the same figure; the number is not critical. Furthermore, an "electrolysis cell unit module M" can also be constructed by assembling multiple aggregated electrolysis cell units each equipped with a reverse water gas shift reactor 20 in the hydrogen discharge path.
ここで、図8に示すように、単セル型の電解セルユニットU内に逆水性ガスシフト反応部20を設けるとともに、その下流側にさらに逆水性ガスシフト反応部20を設けてもよい。 Here, as shown in Figure 8, a reverse water-gas shift reactor 20 may be provided within the single-cell electrolysis cell unit U, and a further reverse water-gas shift reactor 20 may be provided downstream of the single-cell electrolysis cell unit U.
〔電解反応部と逆水性ガスシフト反応部との間に熱交換部を設置〕
これまでの説明では、電解反応部10と第一触媒反応部(逆水性ガスシフト反応部)20とを、一体化する例に関して主に説明したが、両部位10、20間に熱交換部11を設けて、両部位間で熱融通が可能な構成を採用してもよい。例えば、先に説明した図4の構造においては、逆水性ガスシフト反応部20を下流側に延出しているが、この延出部との間に別途、熱伝導率の高い熱交換層を設けることもできる。この構成を図1に対応して図10に例示的に示した。中抜きの二重線は両部位間での熱移動を示している。この構成では、各部位10、20の温度を適切に制御できる。
[A heat exchanger is installed between the electrolysis reactor and the reverse water gas shift reactor]
In the above explanation, we have mainly described an example in which the electrolysis reaction section 10 and the first catalytic reaction section (reverse water gas shift reaction section) 20 are integrated. However, a heat exchange section 11 may be provided between the two sections 10, 20 to allow heat transfer between the two sections. For example, in the structure shown in FIG. 4 described above, the reverse water gas shift reaction section 20 extends downstream, but a separate heat exchange layer with high thermal conductivity may be provided between the two sections. This configuration is shown in FIG. 10, corresponding to FIG. 1. The hollow double lines indicate heat transfer between the two sections. With this configuration, the temperatures of the sections 10, 20 can be appropriately controlled.
発明者等は、これまで説明してきた電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20とからなるシステムを「電解反応システム」と呼んでいる。 The inventors refer to the system consisting of the electrolysis reaction unit 10 and reverse water gas shift reaction unit 20 described above as an "electrolysis reaction system."
〔第2触媒反応部(炭化水素類合成反応部)〕
この第2触媒反応部30(炭化水素類合成反応部)では、少なくともH2とCOが流入され、触媒反応により炭化水素類(メタンやカーボン数が2以上の様々な炭化水素)等を生成する。
[Second catalytic reaction section (hydrocarbon synthesis reaction section)]
At least H2 and CO are introduced into this second catalytic reaction section 30 (hydrocarbon synthesis reaction section), and hydrocarbons (methane and various hydrocarbons with two or more carbon atoms) and the like are produced by catalytic reaction.
(炭化水素類合成触媒の例)
この第2触媒反応部30に使用する触媒(炭化水素類合成触媒cat2)の活性試験として、発明者らは以下に示す評価試験1、評価試験2及び評価試験3を行った。
(Examples of hydrocarbon synthesis catalysts)
As activity tests of the catalyst (hydrocarbon synthesis catalyst cat2) used in the second catalytic reaction section 30, the inventors conducted evaluation tests 1, 2, and 3 shown below.
なお、炭化水素類合成触媒cat2の例として、担体や触媒活性成分を様々に変更して触媒を調製した。触媒活性成分ca2としては、Ru、RuにMo、V、Fe、Coなどを添加したもの、Niについて検討した。担体cb2としては、ZrO2、Al2O3、SiO2、MgO、TiO2を検討した。 As an example of hydrocarbon synthesis catalyst cat2, catalysts were prepared by changing the carrier and catalytically active component in various ways. As catalytically active component ca2, Ru, Ru with Mo, V, Fe, Co, etc., and Ni were investigated. As carrier cb2, ZrO2 , Al2O3 , SiO2 , MgO , and TiO2 were investigated.
(触媒調製)
炭化水素類合成触媒cat2の調製も、図16、17で説明した採用する手法とする。
即ち、目的とする触媒の組成に従って、水溶性のルテニウム化合物(硝酸ルテニウム、塩化ルテニウム、硫酸ルテニウム、硫酸ルテニウムアンモニウム、酢酸ルテニウム、シュウ酸ルテニウム、クエン酸ルテニウム等)を定量し溶かした水溶液を得る。また、更なる触媒活性成分としてモリブデン、バナジウム、鉄、コバルトを担持する際には水溶性のこれら金属化合物を同様に定量し、溶かした水溶液を得る。当該水溶液を用いて、所定量の担体粒(ZrO2、Al2O3、SiO2、MgO、TiO2)に触媒活性成分を例えば含浸担持し、乾燥処理や焼成処理、還元処理等の必要な処理工程を施して炭化水素類合成触媒cat2を得ることができる。
なお、下記の実施例の触媒は、塩化ルテニウム水溶液、モリブデン酸アンモニウム水溶液、シュウ酸バナジル水溶液、硝酸鉄水溶液、硝酸コバルト水溶液をそれぞれ用い、ルテニウムとルテニウム以外の触媒活性成分を両方担持する場合は、逐次担持法(ルテニウム以外の触媒活性成分を担体にまず担持し、その後にルテニウムを担持する2段階の担持法)を用いて調製した。
(Catalyst preparation)
The hydrocarbon synthesis catalyst cat2 is also prepared by the method described with reference to FIGS.
That is, an aqueous solution is prepared by dissolving a measured amount of a water-soluble ruthenium compound (ruthenium nitrate, ruthenium chloride, ruthenium sulfate, ruthenium ammonium sulfate, ruthenium acetate, ruthenium oxalate, ruthenium citrate, etc.) according to the composition of the target catalyst. Furthermore, when supporting molybdenum, vanadium, iron, or cobalt as an additional catalytically active component, a similar amount of a water-soluble metal compound is similarly measured and dissolved in the aqueous solution. Using this aqueous solution, a predetermined amount of carrier particles ( ZrO2 , Al2O3 , SiO2 , MgO, TiO2 ) is impregnated with the catalytically active component, for example, and the resulting catalyst is subjected to necessary treatments such as drying, calcination, and reduction to obtain the hydrocarbon synthesis catalyst cat2.
The catalysts in the following examples were prepared using an aqueous ruthenium chloride solution, an aqueous ammonium molybdate solution, an aqueous vanadyl oxalate solution, an aqueous iron nitrate solution, and an aqueous cobalt nitrate solution, respectively, and when both ruthenium and a catalytically active component other than ruthenium were supported, they were prepared using a sequential support method (a two-stage support method in which a catalytically active component other than ruthenium is first supported on a support, and then ruthenium is supported).
(評価試験1)
評価試験1では、COを12.4%、CO2を24.8%、H2を37.2%、H2Oを12.4%を含み、残部をN2とした混合ガスを反応ガスに用い、GHSVを4000/h(WETベース)とし、275℃~360℃の間の反応温度で炭化水素類合成触媒cat2の活性試験を行った。なお、この場合の反応ガスは、電解反応部10で水と二酸化炭素の共電解反応を二酸化炭素の電解反応率が低い条件で行われ、その後段に設置された逆水性ガスシフト反応部20において二酸化炭素の逆水性ガスシフト反応が行われた後のCO、CO2、H2、H2Oの混合ガスを炭化水素類合成反応部30に導入して炭化水素合成反応を実施するモデルを想定したものの一例である。
(Evaluation Test 1)
In evaluation test 1, a mixed gas containing 12.4% CO, 24.8% CO2 , 37.2% H2 , 12.4% H2O , and the remainder N2 was used as the reactant gas, and an activity test of the hydrocarbon synthesis catalyst cat2 was performed at a GHSV of 4000/h (wet basis) and a reaction temperature between 275° C. and 360° C. Note that the reactant gas in this case is an example of an assumed model in which a co-electrolysis reaction of water and carbon dioxide is carried out in the electrolysis reaction unit 10 under conditions where the electrolysis reaction rate of carbon dioxide is low, and then the reverse water-gas shift reaction of carbon dioxide is carried out in the reverse water-gas shift reaction unit 20 installed downstream, and the resulting mixed gas of CO, CO2 , H2 , and H2O is introduced into the hydrocarbon synthesis reaction unit 30 to carry out the hydrocarbon synthesis reaction.
試験結果の整理に際して、以下の二つの指標を採用した。 The following two indicators were used to organize the test results.
1.CO2除去想定炭化水素転換率=〔出口ガス中の炭化水素のカーボン数〕/〔出口ガス中のカーボン数-出口CO2のカーボン数〕
この指標は、触媒反応で得られた炭化水素類合成反応部30の出口ガスからCO2を除いた場合の炭化水素への変換率を示す指標となり、この指標が高いことが好ましい。
1. CO2 removal assumed hydrocarbon conversion rate = [carbon number of hydrocarbons in outlet gas] / [carbon number in outlet gas - carbon number of outlet CO2 ]
This index indicates the conversion rate to hydrocarbons when CO2 is removed from the outlet gas of the hydrocarbon synthesis reaction section 30 obtained by the catalytic reaction, and it is preferable that this index is high.
2.C1-C4発熱量(MJ/Nm3)=Σ(Nn×HN) / Σ Nn
Nn [mol]:触媒反応部ガス中のCn炭化水素のモル数(n=1~4)
HN [MJ / m3(N)]:触媒反応部ガス中のCn炭化水素の発熱量
〔H1 = 39.8、H2 = 69.7、H3 = 99.1、H4 = 128.5〕
この指標は、触媒反応で得られた炭化水素類合成反応部30の出口ガス中に含まれるC1~C4成分の量を示す指標となり、この値が39.8を超える場合、メタン以外にもエタンやプロパン、ブタンなどの炭化水素類が生成していることが確認できる。
2. C1-C4 calorific value (MJ/Nm 3 ) = Σ (Nn x HN) / Σ Nn
Nn [mol]: Number of moles of Cn hydrocarbons in the catalytic reaction gas (n = 1 to 4)
HN [MJ/ m3 (N)]: Heat value of Cn hydrocarbons in the catalytic reaction gas [H1 = 39.8, H2 = 69.7, H3 = 99.1, H4 = 128.5]
This index indicates the amount of C1 to C4 components contained in the outlet gas of the hydrocarbon synthesis reaction section 30 obtained by the catalytic reaction, and if this value exceeds 39.8, it can be confirmed that hydrocarbons such as ethane, propane, and butane are being produced in addition to methane.
評価試験1について、以下に示す表7、表8には、本発明に於ける炭化水素類合成触媒cat2の実施例B1~B3を示している。 For Evaluation Test 1, Tables 7 and 8 below show Examples B1 to B3 of the hydrocarbon synthesis catalyst cat. 2 of the present invention.
表7、表8に示されるように、CO、CO2、H2、H2Oの混合ガスから、炭化水素類合成触媒cat2として、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒や、ルテニウムに加えてモリブデンまたはバナジウムを担持した触媒を用いて、炭化水素類が合成できることが確認できた。
以上の結果から、上記の炭化水素類製造システム100により、C1-C4発熱量が39MJ/Nm3以上の高カロリーガスを生成し得ることが確認できた。
As shown in Tables 7 and 8, it was confirmed that hydrocarbons can be synthesized from a mixed gas of CO, CO 2 , H 2 , and H 2 O using, as the hydrocarbon synthesis catalyst cat 2, a catalyst in which ruthenium is supported on an alumina carrier, or a catalyst in which molybdenum or vanadium is supported in addition to ruthenium.
From the above results, it was confirmed that the hydrocarbon production system 100 can produce high-calorie gas with a C1-C4 calorific value of 39 MJ/ Nm3 or more.
(評価試験2)
評価試験2では、COを0.45%、CO2を18.0%、H2を71.55%、H2Oを10.0%を含む混合ガスを反応ガスに用い、GHSVを5000/h(DRYベース)とし、約230℃~約330℃の間の反応温度で炭化水素類合成触媒cat2の活性試験を行った。なお、この場合の反応ガスは、電解反応部10で水と二酸化炭素の共電解反応を二酸化炭素の電解反応率が低い条件で行われた場合に得られる混合ガスを炭化水素類合成反応部30に導入して炭化水素合成反応を実施するモデルを想定したものの一例である。
(Evaluation Test 2)
In evaluation test 2, a mixed gas containing 0.45% CO, 18.0% CO2 , 71.55% H2 , and 10.0% H2O was used as the reactant gas, and an activity test of the hydrocarbon synthesis catalyst cat2 was carried out at a GHSV of 5000/h (DRY basis) and a reaction temperature between approximately 230° C. and approximately 330° C. The reactant gas in this case is an example of an assumed model in which a mixed gas obtained when a co-electrolysis reaction of water and carbon dioxide is carried out in the electrolysis reaction section 10 under conditions where the electrolysis reaction rate of carbon dioxide is low is introduced into the hydrocarbon synthesis reaction section 30 to carry out the hydrocarbon synthesis reaction.
試験結果の整理に際して、以下の二つの指標を採用した。 The following two indicators were used to organize the test results.
1 炭化水素転換率=〔出口ガス中の炭化水素のカーボン数〕/〔出口ガス中のカーボン数〕
この指標は、流入される全炭素の内、CO2に変換されることなく炭化水素に変換された炭素数の割合を示す指標となり、この指標が高いことが好ましい。
1. Hydrocarbon conversion rate = [carbon number of hydrocarbons in outlet gas] / [carbon number in outlet gas]
This index indicates the proportion of carbon atoms that are converted into hydrocarbons without being converted into CO2 out of the total carbon atoms that are introduced, and it is preferable that this index is high.
2 CO2除去想定炭化水素転換率=〔出口ガス中の炭化水素のカーボン数〕/〔出口ガス中のカーボン数-出口CO2のカーボン数〕
この指標は、触媒反応で得られた炭化水素類合成反応部の出口ガスからCO2を除いた場合の炭化水素への変換率を示す指標となり、この指標も高いことが好ましい。
2. CO2 removal assumed hydrocarbon conversion rate = [carbon number of hydrocarbons in outlet gas] / [carbon number in outlet gas - carbon number of outlet CO2 ]
This index indicates the conversion rate to hydrocarbons when CO2 is removed from the outlet gas of the hydrocarbon synthesis reaction section obtained by the catalytic reaction, and it is preferable that this index is also high.
評価試験2について、使用した触媒(実施例B4~実施例B16)を表9に、試験結果を表10にそれぞれ示す。 For Evaluation Test 2, the catalysts used (Examples B4 to B16) are shown in Table 9, and the test results are shown in Table 10.
(評価試験3)
評価試験3では、H2とCOが3:1(体積比)で含まれる混合ガス(H2/CO=3)を反応ガスに用い、GHSVを2000/hとし、235℃~約330℃の間の反応温度で炭化水素類合成触媒cat2の活性試験を行った。この活性試験では、チタニア担体にルテニウムに加えて鉄もしくはコバルトを担持した触媒(実施例B17,B18)を用いた。なお、この場合の反応ガスは、電解反応部10で水の電気分解を行って得た水素に一酸化炭素を添加した混合ガスや、水と二酸化炭素の共電解反応を行って得たガスから必要に応じて水分を分離したり二酸化炭素を分離したりして得た水素と一酸化炭素の混合ガスを炭化水素類合成反応部30に導入して炭化水素合成反応を実施するモデルを想定したものの一例である。
(Evaluation Test 3)
In evaluation test 3, a mixed gas containing H2 and CO at a volume ratio of 3:1 ( H2 /CO = 3) was used as the reactant gas, and an activity test of hydrocarbon synthesis catalyst cat2 was performed at a GHSV of 2000/h and a reaction temperature between 235°C and approximately 330°C. In this activity test, a catalyst (Examples B17 and B18) in which iron or cobalt in addition to ruthenium was supported on a titania carrier was used. Note that the reactant gas in this case is an example of an assumed model in which a mixed gas obtained by adding carbon monoxide to hydrogen obtained by electrolysis of water in the electrolysis reaction section 10, or a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide obtained by separating water or carbon dioxide as needed from a gas obtained by a co-electrolysis reaction of water and carbon dioxide, is introduced into the hydrocarbon synthesis reaction section 30 to perform a hydrocarbon synthesis reaction.
評価試験3の結果を表11に示す。 The results of Evaluation Test 3 are shown in Table 11.
表11に示されるように、H2とCOを含む混合ガスから、炭化水素類合成触媒cat2として、チタニア担体にルテニウムと鉄またはコバルトを担持した触媒を用いて、炭化水素類が合成できることが確認できた。 As shown in Table 11, it was confirmed that hydrocarbons can be synthesized from a mixed gas containing H 2 and CO using a catalyst in which ruthenium and iron or cobalt are supported on a titania carrier as the hydrocarbon synthesis catalyst cat 2.
上記の炭化水素類製造システム100により、C1-C4発熱量が39MJ/Nm3以上の高カロリーガスを生成し得ることが確認できた。 It was confirmed that the hydrocarbon production system 100 described above can produce high-calorie gas with a C1-C4 calorific value of 39 MJ/Nm 3 or more.
以上の結果から、先にも示した様に、この第2触媒反応部30(炭化水素類合成反応部)に金属酸化物担体cb2に触媒活性成分ca2として少なくともルテニウムが担持された触媒を使用できる。さらに触媒活性成分ca2として、モリブデン、バナジウム、鉄、コバルトのうち少なくとも一つを担持することが好ましい。 From the above results, as previously shown, a catalyst in which at least ruthenium is supported on a metal oxide support cb2 as the catalytically active component ca2 can be used in this second catalytic reaction section 30 (hydrocarbon synthesis reaction section). Furthermore, it is preferable to support at least one of molybdenum, vanadium, iron, and cobalt as the catalytically active component ca2.
なお、炭化水素類合成触媒cat2として、金属酸化物担体cb2に少なくともルテニウムが担持された触媒とし、ルテニウムの担持量は0.1重量%以上5重量%以下とすることが好ましいことや、前記金属酸化物担体cb2に、ルテニウムに加えて、さらに触媒活性成分ca2として、モリブデン、バナジウム、鉄、コバルトのうち少なくとも一つを担持することが好ましいことが分かった。 It was also found that the hydrocarbon synthesis catalyst cat2 is preferably a catalyst in which at least ruthenium is supported on a metal oxide carrier cb2, with the amount of ruthenium supported being 0.1% by weight or more and 5% by weight or less, and that in addition to ruthenium, the metal oxide carrier cb2 preferably further supports at least one of molybdenum, vanadium, iron, and cobalt as a catalytically active component ca2.
ここで、前記モリブデン、バナジウム、鉄、コバルトのうち少なくとも一つの担持量は0.2重量%以上、6重量%以下とできる。 Here, the amount of at least one of molybdenum, vanadium, iron, and cobalt supported can be 0.2% by weight or more and 6% by weight or less.
また、このような炭化水素類合成触媒cat2の内、活性の高い触媒の一酸化炭素吸着量は0.4ml/g以上となっていた。 Furthermore, among these hydrocarbon synthesis catalysts cat. 2, the highly active catalysts had a carbon monoxide adsorption capacity of 0.4 ml/g or more.
〔重質炭化水素分離部〕
この重質炭化水素分離部35に至るガスは冷却されることにより、炭化水素類合成反応部30から放出されるガスに含有される重質炭化水素が凝縮し、重質炭化水素を外部に取出すことができる。例えば、上記の実施例B17に示した2wt.%Ru/2wt.%Fe/TiO2触媒を用いた炭化水素類合成反応部30において、H2とCOが3:1(体積比)で含まれる混合ガス(H2/CO=3)を導入して、275℃で反応を行ったところ、重質炭化水素分離部35において平均鎖長炭素数26の直鎖高級脂肪族炭化水素を取り出すことができ、325℃で反応を行ったところ、重質炭化水素分離部35において平均鎖長炭素数18の直鎖高級脂肪族炭化水素を取り出すことができた。
[Heavy Hydrocarbon Separation Section]
The gas reaching the heavy hydrocarbon separation section 35 is cooled, thereby condensing the heavy hydrocarbons contained in the gas released from the hydrocarbon synthesis reaction section 30, and the heavy hydrocarbons can be extracted to the outside. For example, in the hydrocarbon synthesis reaction section 30 using the 2 wt. % Ru/2 wt. % Fe/ TiO2 catalyst shown in Example B17 above, a mixed gas containing H2 and CO at a volume ratio of 3:1 ( H2 /CO=3) was introduced and the reaction was carried out at 275°C, and straight-chain higher aliphatic hydrocarbons with an average chain length of 26 carbon atoms were extracted in the heavy hydrocarbon separation section 35. When the reaction was carried out at 325°C, straight-chain higher aliphatic hydrocarbons with an average chain length of 18 carbon atoms were extracted in the heavy hydrocarbon separation section 35.
〔水分離部〕
この水分離部40には凝縮器を配しており、流入されるH2Oを含有するガスを所定の温度・圧力に調整して、凝縮させ水を外部に取出す。
[Water separation section]
The water separation section 40 is provided with a condenser, which adjusts the temperature and pressure of the H 2 O-containing gas that is introduced thereinto, condenses the gas, and extracts the condensed water to the outside.
〔二酸化炭素分離部〕
例えば、この部位50にはPSAを配しており、流入されるCO2を含有するガスから所定の温度・圧力下で吸着剤に吸着してCO2を分離するとともに、分離されたCO2を吸着剤から脱離させることで、CO2を良好に分離する。分離されたCO2は二酸化炭素戻し路51を介して、電解反応部10の前に戻して再利用することができる。
なお、PSA等を用いて、二酸化炭素分離部と水分離部を同一の分離部とすることもできる。
[Carbon dioxide separation section]
For example, a PSA is provided in this section 50, which separates CO2 from the inflowing CO2- containing gas by adsorbing it onto an adsorbent at a predetermined temperature and pressure, and then desorbs the separated CO2 from the adsorbent, thereby effectively separating CO2 . The separated CO2 can be reused by returning it to the front of the electrolysis reaction section 10 via the carbon dioxide return path 51.
It is also possible to use PSA or the like to form the carbon dioxide separation section and the water separation section into the same separation section.
〔別実施形態〕
(1)上記の実施形態では、二酸化炭素分離部50において分離されたCO2を電解反応部10の前に戻したが、本発明に係る炭化水素類製造システム100では、CO2のCOへの変換は主に逆水性ガスシフト反応部20で行うため、CO2の戻り先を逆水性ガスシフト反応部20の前としても良い。この構成を図11に示した。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, the CO2 separated in the carbon dioxide separation unit 50 is returned to the upstream side of the electrolysis unit 10. However, in the hydrocarbon production system 100 according to the present invention, the conversion of CO2 to CO is mainly performed in the reverse water-gas shift reactor 20. Therefore, the CO2 may be returned to the upstream side of the reverse water-gas shift reactor 20. This configuration is shown in FIG.
先に示した様に、電解反応部10と逆水性ガスシフト反応部20との間において、熱移動を起こさせる、及び、電解反応部10において水の電気分解のみを行うとの概念の下、先に図8,図9に示した反応器500の構成を採用した例を、図12に示した。この例では、反応器500の筐体B内を2分割し、その一方を電解反応部10とし、他方を逆水性ガスシフト反応部20とする。
そして、電解反応部10から放出される水素を含むガスに二酸化炭素を供給して、反応器500下部に設けた逆水性ガスシフト反応部20に導くとこで、所定のガス(例えば、炭化水素類の合成に好適なガス)を得ることができる。
このようにして電解セル1を複数有する電解セルスタックSTを構築し、その排気路に本発明の逆水性ガスシフト反応部20を設けても良い。また、この構成とした「集合型の電解セルユニット」を複数集合してモジュール化して、「電解セルユニットモジュールM」としても良い。
12 shows an example of adopting the configuration of the reactor 500 shown in Figures 8 and 9 based on the concept of causing heat transfer between the electrolytic reaction unit 10 and the reverse water gas shift reaction unit 20 and performing only water electrolysis in the electrolytic reaction unit 10. In this example, the inside of the housing B of the reactor 500 is divided into two, one of which is the electrolytic reaction unit 10 and the other is the reverse water gas shift reaction unit 20.
Carbon dioxide is then supplied to the hydrogen-containing gas released from the electrolysis reaction section 10, and the gas is introduced into the reverse water-gas shift reaction section 20 located at the bottom of the reactor 500, whereby a desired gas (e.g., a gas suitable for the synthesis of hydrocarbons) can be obtained.
In this manner, an electrolytic cell stack ST having a plurality of electrolytic cells 1 may be constructed, and the reverse water gas shift reactor 20 of the present invention may be provided in the exhaust passage of the electrolytic cell stack ST. Furthermore, a plurality of "collected electrolytic cell units" having this configuration may be assembled into a module to form an "electrolytic cell unit module M."
(2)上記の実施形態では、炭化水素類合成反応部30から得られるガス中のH2に関しては、特に述べなかったが、水素分離膜等を使用してH2を分離する水素分離部(図上H2分離部と記載)60を設けて、H2を分離して別途使用しても良い。この構成を図13に示した。この例では、水素分離部60において分離したH2の戻り先を逆水性ガスシフト反応部20の前として、逆水性ガスシフト反応に利用しても良い。 (2) In the above embodiment, no particular mention was made of H2 in the gas obtained from the hydrocarbon synthesis reaction unit 30. However, a hydrogen separation unit (shown as H2 separation unit in the figure) 60 that separates H2 using a hydrogen separation membrane or the like may be provided to separate H2 for separate use. This configuration is shown in Figure 13. In this example, the H2 separated in the hydrogen separation unit 60 may be returned to the upstream side of the reverse water-gas shift reaction unit 20 and used for the reverse water-gas shift reaction.
(3)上記の実施形態では、水分離部40を炭化水素類合成反応部30の下手側に設けたが、図14に示すように、逆水性ガスシフト反応部20と炭化水素類合成反応部30との間に水分離部40を設けても良い。この水分離部40の主な機能は、炭化水素合成反応を行い易くするためのものとなる。 (3) In the above embodiment, the water separation unit 40 was provided downstream of the hydrocarbon synthesis reaction unit 30. However, as shown in FIG. 14, the water separation unit 40 may be provided between the reverse water gas shift reaction unit 20 and the hydrocarbon synthesis reaction unit 30. The main function of this water separation unit 40 is to facilitate the hydrocarbon synthesis reaction.
(4)上記の実施形態では、電解反応部10にH2OとCO2の両方を供給して電気分解反応に供する例を示したが、図15に示すように、電解反応部10にH2Oのみを供給して電気分解反応に供するシステムとしても良い。この場合、炭化水素合成で消費する炭素は逆水性ガスシフト反応部20に二酸化炭素として投入する。 (4) In the above embodiment, an example was shown in which both H 2 O and CO 2 were supplied to the electrolysis reaction unit 10 for the electrolysis reaction, but as shown in Fig. 15, a system may be used in which only H 2 O is supplied to the electrolysis reaction unit 10 for the electrolysis reaction. In this case, carbon consumed in hydrocarbon synthesis is input to the reverse water gas shift reaction unit 20 as carbon dioxide.
(5)上記の実施形態では、電解反応部10と第1触媒反応部20とを一体化した構成を示したが、これら反応部10.20に加えて、第2触媒反応部30を一体化して構成することも可能である。この場合の構成例を図18に示した。因みに、この図において、30aは、炭化水素類合成触媒cat2の塗布層を示している。
この構成の場合も、これら各反応部10、20、30は金属支持体4、供給路形成部材5上に構成することができ、この金属支持体4は、生成される炭化水素と酸素とを分離するセパレータとして働くこととなっている。
(5) In the above embodiment, the electrolytic reaction section 10 and the first catalytic reaction section 20 are integrated into one structure. However, it is also possible to integrate the second catalytic reaction section 30 in addition to the reaction sections 10 and 20. An example of this structure is shown in FIG. 18. In this figure, 30a indicates a coating layer of the hydrocarbon synthesis catalyst cat2.
In this configuration, each of the reaction sections 10, 20, and 30 can be constructed on a metal support 4 and a supply path forming member 5, and the metal support 4 acts as a separator to separate the produced hydrocarbons from oxygen.
(6)上記の実施形態では、炭化水素類合成反応部30にてメタンなどの炭化水素を合成する例を示したが、炭化水素類合成反応部30に用いる炭化水素類合成触媒の選定の仕方によっては炭化水素類合成反応部30に導入される水素と一酸化炭素等から化学原料を合成することもできる。 (6) In the above embodiment, an example was shown in which hydrocarbons such as methane were synthesized in the hydrocarbon synthesis reaction section 30. However, depending on how the hydrocarbon synthesis catalyst used in the hydrocarbon synthesis reaction section 30 is selected, it is also possible to synthesize chemical raw materials from hydrogen, carbon monoxide, etc. introduced into the hydrocarbon synthesis reaction section 30.
1 電解セル
1a 電解質層
2 電極層
3 対極電極層
4 金属支持体(支持体・セパレータ)
4a 孔(貫通孔)
5 供給路形成部材(セパレータ)
6 供給路形成部材(セパレータ)
10 電解反応部
20 第1触媒反応部(逆水性ガスシフト反応部)
20a 塗布層
30 第2触媒反応部(炭化水素類合成反応部)
40 水分離部
50 二酸化炭素分離部
60 水素分離部
M 電解セルモジュール
U 電解セルユニット(単セル型の電解セルユニット)
S セパレータ
ST 電解セルスタック(集合型の電解セルユニット)
cat1 逆水性ガスシフト触媒
ca1 触媒活性成分
cb1 担体
cat2 炭化水素類合成触媒
ca2 触媒活性成分
cb2 担体
1 Electrolytic cell 1a Electrolyte layer 2 Electrode layer 3 Counter electrode layer 4 Metal support (support/separator)
4a hole (through hole)
5. Supply path forming member (separator)
6 Supply path forming member (separator)
10 Electrolysis reaction section 20 First catalytic reaction section (reverse water gas shift reaction section)
20a Coating layer 30 Second catalytic reaction section (hydrocarbon synthesis reaction section)
40 Water separation section 50 Carbon dioxide separation section 60 Hydrogen separation section M Electrolysis cell module U Electrolysis cell unit (single cell type electrolysis cell unit)
S Separator ST Electrolysis cell stack (collected electrolysis cell unit)
Cat1 Reverse water gas shift catalyst Ca1 Catalytically active component Cb1 Carrier Cat2 Hydrocarbon synthesis catalyst Ca2 Catalytically active component Cb2 Carrier
Claims (11)
逆水性ガスシフト反応により二酸化炭素と前記水素を用いて一酸化炭素を生成する逆水性ガスシフト反応部を前記排出路の少なくとも一部に設けて構成されるとともに、前記電解セルスタックが前記逆水性ガスシフト反応部と一体化され、
前記電解セルが固体酸化物形電解セルであり、
前記電解セルが600℃~800℃の温度で使用されると共に、前記逆水性ガスシフト反応部が600℃~800℃の温度で使用され、
前記電解セルスタックと前記逆水性ガスシフト反応部とが断熱性部材で共に囲われ、前記電解セルスタックで発生する熱を前記逆水性ガスシフト反応部で利用する電解セルユニット。 An electrolysis cell unit comprising at least an electrolysis cell stack having a plurality of electrolysis cells each including an electrode layer and a counter electrode layer sandwiching an electrolyte layer , and an exhaust path for exhausting hydrogen generated in the electrolysis cell stack,
a reverse water-gas shift reactor that generates carbon monoxide using carbon dioxide and the hydrogen by a reverse water-gas shift reaction is provided in at least a part of the exhaust passage, and the electrolysis cell stack is integrated with the reverse water-gas shift reactor;
the electrolysis cell is a solid oxide electrolysis cell;
the electrolysis cell is operated at a temperature of 600°C to 800°C, and the reverse water gas shift reactor is operated at a temperature of 600°C to 800°C;
The electrolytic cell unit includes the electrolytic cell stack and the reverse water gas shift reactor surrounded by a heat insulating member, and heat generated in the electrolytic cell stack is utilized in the reverse water gas shift reactor.
逆水性ガスシフト反応により二酸化炭素と前記水素を用いて一酸化炭素を生成する逆水性ガスシフト反応部を前記排出路の少なくとも一部に設けて構成されるとともに、前記電解セルスタックが前記逆水性ガスシフト反応部と一体化され、a reverse water-gas shift reactor that generates carbon monoxide using carbon dioxide and the hydrogen by a reverse water-gas shift reaction is provided in at least a part of the exhaust passage, and the electrolysis cell stack is integrated with the reverse water-gas shift reactor;
前記電解セルが固体酸化物形電解セルである電解セルユニット。The electrolysis cell unit, wherein the electrolysis cell is a solid oxide electrolysis cell.
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