JP2004148138A - Hydrogen separation membrane and hydrogen production apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】分離膜において生じるピンホールの数が少なく、水素ガス中へのCOの混入量が少ない水素分離膜を提供する。
【解決手段】支持体と、前記支持体の少なくとも一の面の表面に配置されてなる、CO変成触媒を含む触媒部と、前記触媒部が配置されてなる一の面上に形成されてなる、水素を選択的に通過させる分離膜とを有する水素分離膜によって、上記課題は解決される。
【選択図】 図1Provided is a hydrogen separation membrane in which the number of pinholes generated in the separation membrane is small and the amount of CO mixed into hydrogen gas is small.
The catalyst is formed on a support, a catalyst portion including a CO conversion catalyst disposed on at least one surface of the support, and a surface on which the catalyst portion is disposed. The above problem is solved by a hydrogen separation membrane having a separation membrane for selectively passing hydrogen.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを含有する気体から水素ガスを選択的に取り出すために用いられる水素分離膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池に関する社会的関心が高まるにつれて、燃料である水素の供給手段の開発が望まれている。燃料電池に供給される水素ガスは、高純度であることが好ましい。特に、燃料電池が固体高分子型燃料電池(PEFC)である場合、触媒として用いられる白金に対して、一酸化炭素(CO)が電極の触媒毒として作用する。このため、水素ガス中のCO濃度は、数十ppm以下にまで減少する必要がある。
【0003】
高純度の水素ガスを供給する手段の一つとして、水素分離膜が挙げられる。水素分離膜は、水素を含有する混合ガスから水素ガスを分離するために用いられる。一般的には、混合ガス用の流路、水素分離膜が配置された分離層、高純度の水素ガス用の流路からなる水素製造装置を用いて、高純度の水素ガスが分離される。かような水素製造装置においては、混合ガス中の水素ガスのみが、分離層を貫通し、水素ガス用の流路へと供給される。
【0004】
水素分離膜において、水素を選択的に分離する作用を果たす分離膜は、支持体表面に化学蒸着法(CVD)や物理蒸着法(PVD)を用いて形成される。しかしながら、完全に欠陥のない分離膜を製造することは困難であり、多少のピンホールが分離膜には形成される。そして、このピンホールを通じて、混合ガスが水素ガス用の流路を流れる水素ガス中に混入してしまう。前述のように、COは、白金の触媒毒として、燃料電池に悪影響を及ぼす。かような水素ガス中に混入したCOは、高純度の水素ガス用の流路に、COをメタン化する触媒を担持することによって除去されうることが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−128506
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素ガス用の流路にメタン化触媒を担持させる手法は、分離膜においてピンホールが生じる問題を、根源的に解決するものではない。
【0007】
そこで、本発明が目的とするところは、分離膜において生じるピンホールの数が少なく、水素ガス中へのCOの混入量が少ない水素分離膜を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持体と、前記支持体の少なくとも一の面の表面に配置されてなる、CO変成触媒を含む触媒部と、前記触媒部が配置されてなる一の面上に形成されてなる、水素を選択的に通過させる分離膜とを有する水素分離膜である。
【0009】
【発明の効果】
本発明の水素分離膜は、支持体の表面にCO変成触媒を含む触媒部が形成されている。支持体の表面の凹凸は、この触媒部によって緩和されうる。支持体の表面に触媒部が形成されていると、触媒部が形成された面上に分離膜を製膜する際に、分離膜にピンホールが発生しにくい。したがって、ピンホールの発生数が少ない分離膜を有する水素分離膜が得られる。このように、本発明の水素分離膜は、分離膜においてピンホールが発生する問題を根源的に解決しうる。また、触媒部にはCOを他の化合物に変成するCO変成触媒が含まれる。このため、僅かに発生したピンホールを通じて分離膜を貫通したCOも、CO以外の化合物に変成される。
【0010】
このように、本発明の水素分離膜は、水素分離膜を貫通して水素ガス用の流路に混入するCOを効果的に除去し、燃料電池の被毒に大きく貢献する。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明は、支持体と、前記支持体の少なくとも一の面の表面に配置されてなる、CO変成触媒を含む触媒部と、前記触媒部が配置されてなる一の面上に形成されてなる、水素を選択的に通過させる分離膜とを有する水素分離膜である。
【0012】
本発明の水素分離膜の構成および作用を図1に沿って説明する。図1は、本発明の水素分離膜の断面模式図である。セラミックスや金属を主成分として構成されうる。例えば、平均粒子径が数十μm程度の粒子の集合体が、支持体101として用いられる。支持体101の少なくとも一の面の表面には、CO変成触媒を含む触媒部102が配置される。通常は、支持体101は平板状であり、平板状の支持体における主面(面積が最大である面)に、触媒部102が配置される。触媒部102は、好ましくは支持体101の表面の凹凸を平坦化するように配置される。図1においては、触媒部102が支持体101の表面の凹部にのみ配置されているが、触媒部102は、支持体101の表面全体を覆うように配置されていてもよい。その場合には、触媒部102は触媒層を形成し、水素分離膜は、支持体101、触媒層、および分離膜103が、この順序で積層された構造となる。触媒部102は、平均粒子径が数μmの粒子から構成されうる。触媒部102に含まれるCO変成触媒は、COのメタン化反応、シフト反応、またはCO選択酸化反応などを促進して、分離膜103に生じたピンホール104を通じて進入してくるCOを無害な化合物へと変成する。触媒部102が形成されている面側に、水素を選択的に通過させる分離膜103が形成される。分離膜は、無電解メッキ、CVD、ゾル−ゲル法、スプレー熱分解法などの製膜方法を用いて形成されうる。ただし、図1に示す実施形態は、本発明の水素分離膜の一形態に過ぎず、かような実施態様に本発明の水素分離膜が限定されるわけではない。場合によっては、分離膜103を二層構造にしてもよく、他の層が積層されてもよい。ただし、積層数が多くなると、水素分離膜の厚さが大きくなることに留意する必要がある。
【0013】
製膜段階において、支持体101の表面に大きな凹凸がある場合には、ピンホール104が発生しやすい。そして、ピンホール104を通じて、改質ガス中のCOが水素ガス用の流路に混入する。その結果、下流の燃料電池を被毒させ、発電効率を低下させる。一方、本発明の水素分離膜においては、触媒部102によって、支持体101の表面が平坦化される。触媒部102によって支持体101の表面が平坦化されていると、ピンホール104が形成されづらい。さらに、ピンホール104が形成された場合においても、ピンホール104を通過したCOは、触媒部102に含まれるCO変成触媒によって除去されうる。このため、燃料電池に供給されるCO量を極めて低濃度にまで低下させることが可能である。つまり、本発明の水素分離膜は、水素ガス用の流路へCOが混入する原因となるピンホールの発生を抑制でき、その上、ピンホールを通過したCOをも効果的に除去しうる。このため、燃料電池などに、高純度の水素ガスを供給する手段として、非常に優れる。なお、CO変成触媒を含む触媒部によって、ピンホールを通過したCOを効果的に除去する効果を高めるためには、分離膜におけるピンホールが存在する部位に、触媒部が配置されてなることが好ましい。ピンホールが存在する部位に確実に触媒部が配置されるようにするには、支持体と分離膜との間に触媒部が層として存在するとよい。即ち、支持体、CO変成触媒を含む触媒層、および分離膜がこの順序で積層されていることが好ましい。
【0014】
ピンホールを通過したCOを除去するために、水素ガス用の流路に、別途、COをメタンに変成させるメタン化触媒を担持させる場合には、多量のメタン化触媒が必要となる。このため、水素製造装置の製造コストが上昇してしまう。また、水素ガス用の流路にメタン化触媒を担持させた場合、圧力損失が増大し、水素分離膜の水素透過性能が低下する恐れがある。この点、本発明の水素分離膜は、CO変成触媒を含む触媒部が、支持体と分離膜との間に配置された構成を有する。かような構成を有している本発明の水素分離膜においては、触媒部を多量に配置しなくとも、十分に水素ガス用の流路に混入するCOを除去することが可能である。水素分離膜に用いるCO変成触媒の量が少ないと、当然のことながら、水素分離膜の製造コストが低下する。
【0015】
また、本発明の水素分離膜においては、分離膜103を薄くすることが可能である。分離膜103を薄くすると、存在するピンホール数は多くなる傾向がある。図2は、分離膜の膜厚と分離膜を通過する気体におけるCO濃度との関係を示すグラフである。図2に示すように、分離膜の膜厚が小さくなると、分離膜を貫通するCO量は増加する傾向にある。装置の小型化のためには、分離膜を薄くすることが好ましいが、分離膜を薄くするとCO分離能が低下してしまう。本発明の水素分離膜は、分離膜と支持体との間に配置されたCO変成触媒を含むため、分離膜を貫通するCOを効果的に除去することができる。このため、分離膜を薄くしても下流に供給されるCO量を効果的に削減できる。分離膜の厚みを薄くすることによって、分離膜に使用される金属量を削減でき、水素分離膜全体の製造コストを抑制できる。また、水素分離膜を薄くすることによって、水素分離膜が設けられる水素製造装置が小型化されうる。
【0016】
次に、本発明の水素分離膜の各構成要素について、詳細に説明する。
【0017】
支持体は、アルミナ、シリカ、もしくはコーディライトからなる、またはこれらの複合セラミックス体からなることが好ましい。これらの支持体は、圧力損失が少ない。支持体の具体的構成や製造方法については、特に限定されない。公知の材料を用いても良いし、水素分離膜の支持体として機能する材料であれば、新たに開発された材料を用いても良い。
【0018】
支持体は、水素に対する耐食性が高い耐水素性の金属から形成されてもよい。耐水素性とは、水素と接触することによって水素脆化を生じて破壊される恐れが実質的にない性質を意味する。かような特性を有する金属は、耐水素性に優れるため、水素分離膜として優れる。耐水素性を有する金属は、SUS(ステンレス)または純鉄であってもよい。これらは、単体として用いられてもよく、2以上の材料を組み合わせた複合体として用いられてもよい。これらの材料からなる支持体を用いると、耐久性や熱衝撃性に優れる水素分離膜が得られる。SUSや純鉄を用いた場合には、図1に示すように多数の粒子からなる構成とは異なり、平板の表面が多孔状である支持体となる。
【0019】
支持体の大きさは特に限定されない。水素分離膜が設置される部位に応じて、適宜大きさを決定すればよい。支持体の厚さは、水素分離膜の厚さ以上であることが好ましい。支持体によって、分離膜が確実に支持されるようにするためである。
【0020】
支持体および触媒部は、粒子の集合体である材料を用い得るが、その場合には、支持体を構成する粒子の平均粒径が、前記触媒部を構成する粒子の平均粒径の5倍以上であることが好ましい。図1に示すように、触媒部を構成する粒子の粒径が、支持体を構成する粒子の粒径よりも小さいと、支持体表面の凹部を効果的に平坦化しうる。このため、支持体を構成する粒子の平均粒径が、触媒部を構成する粒子の平均粒径の5倍以上であることが好ましい。上限は特に限定されないが、通常の製造工程に従えば、支持体を構成する粒子の平均粒径は、触媒部を構成する粒子の平均粒径の10倍以下となる。支持体を構成する粒子の平均粒径、および、触媒部を構成する粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡などを用いて測定されうる。
【0021】
なお、支持体の形状、種類、製造方法などについては、特開2002−128512号公報、特開2002−126474号公報、特開平11−286785号公報などを適宜参照できる。
【0022】
触媒部に含まれるCO変成触媒は、COを除去する反応を促進する触媒であれば、特に限定されない。例えば、COをメタンに変成するメタン化触媒、COをCO2およびH2Oに変成するシフト触媒、またはCOを選択的に酸化するCO選択酸化触媒が、CO変成触媒として用いられうる。
【0023】
メタン化触媒とは、下記式(1):
【0024】
【化1】
【0025】
で表される反応によって、COを除去する反応を促進する触媒である。ルテニウム系またはニッケル系の触媒が一般に用いられている。ルテニウム系およびニッケル系は、COのメタン化能に優れるため好ましい。ただし、メタン化触媒が、これらに限定されるわけではない。
【0026】
シフト触媒とは、下記式(2):
【0027】
【化2】
【0028】
で表される反応によって、COを除去する反応を促進する触媒である。CuO−ZnO触媒、Fe系触媒などが、シフト触媒として知られている。CuO−ZnO触媒およびFe系触媒は、シフト反応を効果的に促進させうる。ただし、シフト触媒が、これらに限定されるわけではない。
【0029】
CO選択酸化触媒とは、ガス中に含まれる成分のうち、COを選択的に酸化する反応を促進する触媒である。CO選択酸化触媒によって、COが二酸化炭素(CO2)に転化される反応が促進される。CO選択酸化触媒としては、白金やルテニウムなどの貴金属を担持した触媒が用いられる。白金やルテニウムからなる触媒は、CO選択酸化能に優れるため好適である。ただし、CO選択酸化触媒が、これらに限定されるわけではない。
【0030】
触媒部は、CO変成触媒のみから形成されてもよいし、必要に応じてCO変成触媒以外の成分を含んでも良い。また、2種以上のCO変成触媒を組み合わせて用いても良い。
【0031】
触媒部は、支持体表面の凹凸を緩和するように配置されることが好ましい。支持体表面の凹凸が少ないと、触媒部が支持体上に配置された後に形成される分離膜における、ピンホールの発生が抑制される。触媒部は、図1に示すように、支持体表面の凹部にのみ配置して、支持体表面の凹凸を緩和してもよい。また、支持体表面が触媒部からなる触媒部によって被覆される程度に、多量の触媒部が配置されてもよい。ただし、配置される触媒部の量が多すぎると、水素分離膜が大型化する、触媒使用量が増加して水素分離膜の製造コストが増大する、水素分離膜の圧力損失が増大して水素分離膜の水素透過性能が低下する、といった弊害が生じる。このため、配置される触媒部は少ないことが好ましい。具体的には、触媒部は、支持体の厚さより薄く、かつ、分離膜の厚さより薄いことが好ましい。ここで触媒部の厚さとは、支持体上に配置されてなる触媒部の平均の厚さをいう。触媒部の平均の厚さは、支持体に配置された触媒部の体積をa、触媒部が配置されてなる支持体の表面積をbとすると、a/bで求められる量である。ただし、かような算出方法に限定されるものではなく、触媒部が触媒層として存在する場合には、触媒層の任意の9点を測定してその平均を触媒部の平均の厚さとしてもよい。
【0032】
分離膜は、混合ガスから、水素を選択的に通過させる機能を有する膜を意味する。分離膜は、触媒部が形成された支持体上に、製膜される。分離膜は、パラジウム(Pd)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、もしくはジルコニウム(Zr)の単体から形成されうる。分離膜は、前記元素の複合体から形成されてもよい。また、分離膜は、前記単体または前記複合体と銀(Ag)または銅(Cu)との合金から形成されてもよい。これらの材料から形成される分離膜は、水素をプロトン化して金属結晶格子間を拡散させ、透過させる性質が高い。分離膜の作用によって、複数成分からなる混合ガスから水素ガスのみが選択して取り出される。
【0033】
分離膜は、厚すぎると分離膜に用いられる金属使用量の増加に伴い、製造コストが上昇する。また、分離膜が厚すぎると水素透過性能が低下する恐れがある。一方、分離膜が薄すぎると、選択的に水素を通過させる性能が不十分になる恐れがある。これらを考慮すると、分離膜の厚さは、好ましくは2μm以下であり、より好ましくは1〜2μmである。分離膜の厚さは走査型電子顕微鏡によって測定されうる。
【0034】
続いて、本発明の水素分離膜の製造方法について簡単に説明する。ただし、以下の説明は、水素分離膜の製造方法の一態様に過ぎず、本発明の水素分離膜は、これ以外の方法によっても製造されうる。
【0035】
まず、所望する大きさの支持体を準備する。粒子の集合体を支持体として用いる場合には、粒子を必要に応じてバインダーなどを用いて固まらせた材料が用いられ得る。支持体の材質や製造方法は特に限定されず、上述した方法のほか、各種公知技術を用い得る。
【0036】
次に、載置された支持体の表面にCO変成触媒を含む水溶液を供給して、支持体の凹部に分布させる。CO変成触媒を含む水溶液の濃度は、使用するCO変成触媒に応じて調整する必要があり、特に限定されるべきものではない。効率を優先するのであれば、高濃度の水溶液を調製するとよい。CO変成触媒を含む水溶液を供給する際には、支持体は撥水性を有することが好ましい。撥水性を有していると、CO変成触媒を含む水溶液が、支持体表面の凹部に分布されやすい。これを焼成し、CO変成触媒を固着させる。これが触媒部となる。
【0037】
触媒部を形成した後に、分離膜を製膜する。分離膜は、無電解メッキ、CVD、ゾル−ゲル法、スプレー熱分解法などを用いて製膜されうる。製膜方法に関しては公知の知見を適宜参照できる。例えば、無電解メッキに関しては、S. Ilias, N. Su, U.I. Udo−Aka, F.G. King: Separation Science and Technology, 32,487−504(1997)を、CVDに関しては、S. Yan, H. Maeda, K. Kusakabe, S. Morooka: Ind. Eng. Chem. Res., 33, .2096−2101 (1994)を、ゾル−ゲル法に関しては、M. Chai, Y. Yamashita, M. Machida, K. Eguchi, H. Arai: J. MembraneSci., 97, 199−207 (1994)を、スプレー熱分解法に関しては、Z.Y. Li, H. Maeda, K. Kusakabe, S. Morooka, H. Anzai, S. Akiyama: J. Membrane Sci., 78,
247−254(1993)などの文献や刊行物を参照しうる。
【0038】
本発明の水素分離膜は、水素製造装置に用いられ得る。水素製造装置は、燃料電池システムにおける、水素製造源として用いられる。以下、本発明の水素分離膜が適用されてなる燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。図3は、燃料電池システムの第一の実施形態を説明するための概略図である。
【0039】
高純度の水素ガス(改質ガス)を生成するための炭化水素系燃料と水とが、コントロールユニット(C/U)211からの信号によって制御される第一燃料噴射弁212と水噴射弁213により蒸発器214に供給される。蒸発器214には、別途、改質器215に隣接して設けられてなる燃焼器216から、燃焼ガスが供給される。蒸発器214における、炭化水素系燃料および水と燃焼ガスとの間での熱交換によって、炭化水素系燃料および水が、蒸発器214において気化する。
【0040】
気化した炭化水素系燃料および水は、燃料ガスとして改質器215に導入される。改質器215に導入された燃料ガスは、燃焼室216から発生する熱量を利用して、改質される。燃焼室216には、第二燃料噴射弁217が設けられており、熱量が不足した場合、コントロールユニット211からの信号によって燃料が追加供給される。
【0041】
ここで、CnHmで表される炭化水素系燃料と水との改質反応について説明する。燃料は、まず下記式(3)で表される反応によって、一酸化炭素および水素に変換される。さらに、下記式(4)で表されるシフト反応によって、白金の触媒毒である一酸化炭素が二酸化炭素および水素に変換される。式(4)のシフト反応は、一般的に低温では水素、高温ではCOの生成する方向に進行する。改質器215では、下記式(3)を主体として式(4)の反応が行われるが、高級炭化水素の改質反応では、通常改質温度が高いため、式(4)の反応はCOの生成する方向に進行し易い。
【0042】
【化3】
【0043】
改質器215で生成した改質ガスは、水素分離膜ユニット218の一次側通路219に供給される。改質ガスは水素分離膜ユニット218内の水素分離膜220によって水素が単離され、高純度の水素ガスとして、二次側通路221へ供給される。水素分離膜220を透過しえないガスおよび燃料電池222から排出される余剰水素は、燃焼器216に供給され、改質器215を加熱するために用いられる。水素分離膜ユニット218には、本発明の水素分離膜220が設けられる。このため、水素分離膜ユニット218によって、CO濃度を著しく低減させうる。また、CO変成触媒の使用量削減による製造コストの抑制、水素分離膜の薄型化による水素分離膜ユニットの小型化、ひいては燃料電池システムの小型化といった効果が得られる。
【0044】
二次側通路221へ供給された水素ガスは、燃料電池222に供給され、燃料電池222の燃料として使用される。別途、酸化剤として空気が、コントロールユニット211からの信号を受けた空気制御バルブ223の動作によって、燃料電池222に供給される。燃料電池では、下記式(5)〜(7)で表される電気化学反応によって、起電力が生じる。
【0045】
【化4】
【0046】
ここで、前記式(5)は陰極側における反応、前記式(6)は陽極側における反応を表す。燃料電池222全体としては、前記式(7)に示す反応が進行する。自動車の動力源としては、固体高分子型燃料電池(PEFC)の使用が検討されているが、PEFCは白金等の触媒を具備する。COは白金触媒に吸着して、触媒の機能を低下させ、前記式(6)に示したアノードにおける反応を阻害して燃料電池222の性能を低下させる。このため、COが膜を透過することを効果的に防止する本発明の水素分離膜は、PEFCに適用されると特に有益である。なお、燃料電池システムは、必要に応じて、CO除去器やCO選択酸化装置などのCO除去装置をさらに具備しても構わない。しかしながら、本発明の水素分離膜を用いれば、これらの装置を必要とせずとも、PEFCを稼動させることが可能である。この場合、燃料電池システムの小型化が達成される。したがって、自動車のような、動力装置の小型化および軽量化が強く求められる分野において、本発明の水素分離膜は特に有益であるといえる。なお、最終的に燃料電池222に供給される燃料ガス中のCO濃度は、数十ppm以下にまで低減させることが一般的である。
【0047】
さらに、本発明の水素分離膜が適用されてなる燃料電池システムの第二の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図4は、燃料電池システムの他の実施形態を説明するための概略図である。燃料電池システムの第二の実施形態は、(i)炭化水素系燃料ガスから水素リッチガスへの改質反応が進行する改質部、(ii)前記改質反応に必要な熱量を供給するための燃焼部、(iii)改質部で生じた水素ガスを選択的に通過させる水素分離膜、および(iv)前記水素分離膜を通過した水素ガス用の水素通路が、一体化されてなる水素製造装置を有する燃料電池システムである。ここでいう「一体化されてなる」とは、一の装置内部に、(i)改質部、(ii)燃焼部、(iii)水素分離膜、および(iv)水素通路が含まれており、改質反応により生じた水素ガスが改質部から直接的に水素分離膜を用いて分離される態様を意味する。したがって、配管を通じて、改質された水素リッチガスを水素分離膜が設けられてなるような実施態様は、本願でいう「一体化」には該当しない。
【0048】
改質部とは、炭化水素系燃料ガスから水素リッチガスへの改質反応が進行する部位を意味する。燃焼部とは、水素分離膜によって水素が分離された残りの燃料の全部もしくは一部、および/または、燃料電池の余剰水素を用いて燃焼を行い、改質部で行われる改質反応に必要な熱量を発生させる部位を意味する。水素分離膜としては、本発明の水素分離膜が用いられる。水素通路とは、水素分離膜によって分離された水素ガスが供給される部位を意味する。水素分離膜を通過した水素ガスが供給される部位であれば、特にその形状は限定されない。
【0049】
前記(i)〜(iv)が一体されてなる水素製造装置においては、改質反応が促進され、燃料電池システムの小型化が達成されうる。かような水素製造装置の効果を、該水素製造装置を有する燃料電池システムを用いて、説明する。
【0050】
高純度の水素ガス(改質ガス)を生成するための炭化水素系燃料と水とが、コントロールユニット(C/U)311からの信号によって制御される第一燃料噴射弁312と水噴射弁313により蒸発器314に供給される。蒸発器314には、別途、水素製造装置324における燃焼部325から、燃焼ガスが供給される。蒸発器314における、炭化水素系燃料および水と燃焼ガスとの間での熱交換によって、炭化水素系燃料および水が、蒸発器314において気化する。
【0051】
気化した炭化水素系燃料および水は、燃料ガスとして水素製造装置324における改質部326に導入される。改質部326に導入された燃料ガスは、燃焼部325から発生する熱量を利用して、改質される。燃焼室316には、第二燃料噴射弁317が設けられており、熱量が不足した場合、コントロールユニット311からの信号によって燃料が追加供給される。
【0052】
改質部326で生成した改質ガスは、水素製造装置324に設けられてなる水素分離膜320によって水素が単離され、高純度の水素ガスとして、水素通路327を経て、燃料電池322へ供給される。水素分離膜320を透過しえないガスおよび燃料電池322から排出される余剰水素は、燃焼部325に供給され、改質部326を加熱するために用いられる。水素製造装置324には、本発明の水素分離膜320が設けられる。このため、水素製造装置324によって、CO濃度を著しく低減させうる。また、CO変成触媒の使用量削減による製造コストの抑制、水素分離膜の薄型化による燃料電池システムの小型化といった効果が得られる。
【0053】
燃料電池322には、酸化剤として空気が、コントロールユニット311からの信号を受けた空気制御バルブ323の動作によって、供給される。燃料電池では、前記式(5)〜(7)で表される電気化学反応によって、起電力が生じる。燃料電池システムの第二の実施形態においては、前記燃料電池システムの第一の実施形態と同様の電気化学反応が起きる。
【0054】
第二の実施形態の水素製造装置においては、改質部326で生成した水素ガスが、水素分離膜320によって改質反応と同時に選択的に単離される。そして、水素通路327を経て燃料電池322へと供給される。このため、前記第一の実施形態と比較して、改質反応をより効果的に促進することが可能である。つまり、改質反応によって生成した水素が、速やかに水素分離膜によって分離される。その結果、改質反応が生じる部位での水素濃度を効果的に減少させることができ、水素が改質される方向へ化学平衡が促進される。改質反応が促進される結果、必要となる改質触媒容量を削減することができ、燃料電池システムの小型化が達成されうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水素分離膜の断面模式図である。
【図2】分離膜の膜厚と分離膜を通過する気体におけるCO濃度との関係を示すグラフである。
【図3】燃料電池システムの第一の実施形態を説明するための概略図である。
【図4】燃料電池システムの他の実施形態を説明するための概略図である。
【符号の説明】
101…支持体、102…触媒部、103…分離膜、104…ピンホール、211…コントロールユニット(C/U)、212…第一燃料噴射弁、213…水噴射弁、214…蒸発器、215…改質器、216…燃焼器、217…第二燃料噴射弁、218…水素分離膜ユニット、219…一次側通路、220…水素分離膜、221…二次側通路、222…燃料電池、223…空気制御バルブ、311…コントロールユニット(C/U)、312…第一燃料噴射弁、313…水噴射弁、314…蒸発器、316…燃焼室、317…第二燃料噴射弁、320…水素分離膜、322…燃料電池、323…空気制御バルブ、324…水素製造装置、325…燃焼部、326…改質部、327…水素通路。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen separation membrane used for selectively extracting hydrogen gas from a gas containing hydrogen gas.
[0002]
[Prior art]
As public interest in fuel cells has increased, it has been desired to develop means for supplying hydrogen as a fuel. The hydrogen gas supplied to the fuel cell is preferably of high purity. In particular, when the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), carbon monoxide (CO) acts as a catalyst poison for the electrode with respect to platinum used as a catalyst. For this reason, the CO concentration in the hydrogen gas needs to be reduced to several tens ppm or less.
[0003]
One of means for supplying high-purity hydrogen gas is a hydrogen separation membrane. The hydrogen separation membrane is used to separate hydrogen gas from a mixed gas containing hydrogen. In general, high-purity hydrogen gas is separated using a hydrogen production apparatus including a mixed gas flow path, a separation layer provided with a hydrogen separation membrane, and a high-purity hydrogen gas flow path. In such a hydrogen production apparatus, only the hydrogen gas in the mixed gas passes through the separation layer and is supplied to the flow path for the hydrogen gas.
[0004]
In the hydrogen separation membrane, a separation membrane that functions to selectively separate hydrogen is formed on the surface of a support using a chemical vapor deposition method (CVD) or a physical vapor deposition method (PVD). However, it is difficult to manufacture a completely defect-free separation film, and some pinholes are formed in the separation film. Then, the mixed gas is mixed into the hydrogen gas flowing through the flow path for the hydrogen gas through the pinhole. As described above, CO adversely affects a fuel cell as a catalyst poison of platinum. It is known that CO mixed in such hydrogen gas can be removed by supporting a catalyst for methanizing CO in a high-purity hydrogen gas flow path (for example, see Patent Document 1). .).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-128506
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method of supporting the methanation catalyst in the flow path for hydrogen gas does not fundamentally solve the problem of pinholes in the separation membrane.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide a hydrogen separation membrane in which the number of pinholes generated in the separation membrane is small and the amount of CO mixed into the hydrogen gas is small.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is formed on a support, a catalyst portion including a CO conversion catalyst, which is disposed on at least one surface of the support, and formed on one surface on which the catalyst portion is disposed. And a separation membrane through which hydrogen can be selectively passed.
[0009]
【The invention's effect】
In the hydrogen separation membrane of the present invention, a catalyst section containing a CO shift catalyst is formed on the surface of a support. Irregularities on the surface of the support can be mitigated by the catalyst portion. When the catalyst part is formed on the surface of the support, when forming the separation membrane on the surface on which the catalyst part is formed, pinholes are not easily generated in the separation membrane. Therefore, a hydrogen separation membrane having a separation membrane with a small number of pinholes is obtained. Thus, the hydrogen separation membrane of the present invention can fundamentally solve the problem of pinholes occurring in the separation membrane. Further, the catalyst section includes a CO conversion catalyst that converts CO into another compound. For this reason, CO that has penetrated the separation membrane through the slightly generated pinhole is also transformed into a compound other than CO.
[0010]
As described above, the hydrogen separation membrane of the present invention effectively removes CO that passes through the hydrogen separation membrane and enters the flow path for hydrogen gas, and greatly contributes to poisoning of the fuel cell.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention is formed on a support, a catalyst portion including a CO conversion catalyst, which is disposed on at least one surface of the support, and formed on one surface on which the catalyst portion is disposed. And a separation membrane through which hydrogen can be selectively passed.
[0012]
The configuration and operation of the hydrogen separation membrane of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the hydrogen separation membrane of the present invention. It can be composed mainly of ceramics and metals. For example, an aggregate of particles having an average particle diameter of about several tens μm is used as the
[0013]
In the film formation stage, if there are large irregularities on the surface of the
[0014]
When a methanation catalyst for converting CO into methane is separately supported in the hydrogen gas flow path in order to remove CO that has passed through the pinhole, a large amount of methanation catalyst is required. For this reason, the production cost of the hydrogen production apparatus increases. Further, when a methanation catalyst is carried in the flow path for hydrogen gas, the pressure loss increases, and the hydrogen permeation performance of the hydrogen separation membrane may decrease. In this regard, the hydrogen separation membrane of the present invention has a configuration in which the catalyst section containing the CO shift catalyst is disposed between the support and the separation membrane. In the hydrogen separation membrane of the present invention having such a configuration, it is possible to sufficiently remove CO mixed into the flow path for hydrogen gas without arranging a large number of catalyst units. If the amount of the CO conversion catalyst used for the hydrogen separation membrane is small, the production cost of the hydrogen separation membrane naturally decreases.
[0015]
Further, in the hydrogen separation membrane of the present invention, the
[0016]
Next, each component of the hydrogen separation membrane of the present invention will be described in detail.
[0017]
The support is preferably made of alumina, silica, or cordierite, or a composite ceramic body thereof. These supports have low pressure losses. There is no particular limitation on the specific structure and manufacturing method of the support. A known material may be used, or a newly developed material may be used as long as the material functions as a support of the hydrogen separation membrane.
[0018]
The support may be formed from a hydrogen resistant metal having high corrosion resistance to hydrogen. The term “hydrogen resistance” means a property that there is substantially no risk of hydrogen embrittlement and destruction due to contact with hydrogen. A metal having such characteristics is excellent in hydrogen resistance, and thus is excellent as a hydrogen separation membrane. The metal having hydrogen resistance may be SUS (stainless steel) or pure iron. These may be used as a single substance or as a composite of two or more materials. When a support made of these materials is used, a hydrogen separation membrane having excellent durability and thermal shock resistance can be obtained. In the case where SUS or pure iron is used, unlike a structure composed of a large number of particles as shown in FIG. 1, the support becomes a support having a flat plate surface.
[0019]
The size of the support is not particularly limited. The size may be appropriately determined according to the site where the hydrogen separation membrane is installed. The thickness of the support is preferably equal to or greater than the thickness of the hydrogen separation membrane. This is to ensure that the separation membrane is supported by the support.
[0020]
The support and the catalyst part may use a material that is an aggregate of particles. In this case, the average particle diameter of the particles constituting the support is five times the average particle diameter of the particles constituting the catalyst part. It is preferable that it is above. As shown in FIG. 1, when the particle diameter of the particles constituting the catalyst portion is smaller than the particle diameter of the particles constituting the support, the concave portions on the surface of the support can be effectively flattened. For this reason, it is preferable that the average particle diameter of the particles constituting the support is at least 5 times the average particle diameter of the particles constituting the catalyst portion. Although the upper limit is not particularly limited, according to a normal manufacturing process, the average particle diameter of the particles constituting the support is 10 times or less the average particle diameter of the particles constituting the catalyst portion. The average particle size of the particles constituting the support and the average particle size of the particles constituting the catalyst portion can be measured using a scanning electron microscope or the like.
[0021]
In addition, about the shape, kind, manufacturing method, etc. of a support body, JP-A-2002-128512, JP-A-2002-126474, JP-A-11-286785, and the like can be appropriately referred to.
[0022]
The CO conversion catalyst contained in the catalyst section is not particularly limited as long as it promotes the reaction for removing CO. For example, a methanation catalyst for converting CO to methane, 2 And H 2 A shift catalyst that converts to O or a CO selective oxidation catalyst that selectively oxidizes CO can be used as the CO conversion catalyst.
[0023]
The methanation catalyst is represented by the following formula (1):
[0024]
Embedded image
[0025]
Is a catalyst that promotes the reaction for removing CO by the reaction represented by Ruthenium-based or nickel-based catalysts are commonly used. Ruthenium-based and nickel-based are preferred because they have excellent CO methanation ability. However, the methanation catalyst is not limited to these.
[0026]
The shift catalyst is represented by the following formula (2):
[0027]
Embedded image
[0028]
Is a catalyst that promotes the reaction for removing CO by the reaction represented by CuO—ZnO catalysts, Fe-based catalysts, and the like are known as shift catalysts. The CuO—ZnO catalyst and the Fe-based catalyst can effectively promote the shift reaction. However, the shift catalyst is not limited to these.
[0029]
The CO selective oxidation catalyst is a catalyst that promotes a reaction of selectively oxidizing CO among components contained in the gas. The CO selective oxidation catalyst converts CO into carbon dioxide (CO 2 ) Is promoted. As the CO selective oxidation catalyst, a catalyst supporting a noble metal such as platinum or ruthenium is used. A catalyst made of platinum or ruthenium is preferable because of its excellent CO selective oxidation ability. However, the CO selective oxidation catalyst is not limited to these.
[0030]
The catalyst section may be formed only of the CO shift catalyst, or may include components other than the CO shift catalyst as needed. Further, two or more types of CO shift catalysts may be used in combination.
[0031]
The catalyst section is preferably arranged so as to reduce unevenness on the surface of the support. When there are few irregularities on the surface of the support, the generation of pinholes in the separation membrane formed after the catalyst portion is disposed on the support is suppressed. As shown in FIG. 1, the catalyst portion may be arranged only in the concave portion on the surface of the support to reduce the unevenness on the surface of the support. Further, a large number of catalyst parts may be arranged to such an extent that the surface of the support is covered with the catalyst part composed of the catalyst part. However, if the amount of the catalyst unit to be disposed is too large, the hydrogen separation membrane becomes large, the amount of catalyst used increases, the production cost of the hydrogen separation membrane increases, and the pressure loss of the hydrogen separation membrane increases, and There is an adverse effect that the hydrogen permeability of the separation membrane is reduced. For this reason, it is preferable that the number of the catalyst parts arranged is small. Specifically, the catalyst portion is preferably thinner than the thickness of the support and thinner than the thickness of the separation membrane. Here, the thickness of the catalyst portion refers to the average thickness of the catalyst portion disposed on the support. The average thickness of the catalyst unit is an amount determined by a / b, where a is the volume of the catalyst unit disposed on the support, and b is the surface area of the support on which the catalyst unit is disposed. However, the present invention is not limited to such a calculation method. In the case where the catalyst portion is present as a catalyst layer, any nine points of the catalyst layer are measured, and the average is taken as the average thickness of the catalyst portion. Good.
[0032]
The separation membrane means a membrane having a function of selectively passing hydrogen from a mixed gas. The separation membrane is formed on a support on which the catalyst unit is formed. The separation membrane may be formed of a simple substance of palladium (Pd), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), or zirconium (Zr). The separation membrane may be formed from a composite of the above elements. Further, the separation membrane may be formed from an alloy of the simple substance or the composite and silver (Ag) or copper (Cu). Separation membranes formed from these materials have a high property of protonating hydrogen to diffuse and permeate between metal crystal lattices. By the action of the separation membrane, only hydrogen gas is selectively extracted from the mixed gas composed of a plurality of components.
[0033]
If the separation membrane is too thick, the production cost increases with an increase in the amount of metal used for the separation membrane. Further, if the separation membrane is too thick, the hydrogen permeability may be reduced. On the other hand, if the separation membrane is too thin, the ability to selectively pass hydrogen may be insufficient. In consideration of these, the thickness of the separation membrane is preferably 2 μm or less, more preferably 1-2 μm. The thickness of the separation membrane can be measured by a scanning electron microscope.
[0034]
Subsequently, the method for producing a hydrogen separation membrane of the present invention will be briefly described. However, the following description is merely one embodiment of the method for producing a hydrogen separation membrane, and the hydrogen separation membrane of the present invention can be produced by other methods.
[0035]
First, a support having a desired size is prepared. When an aggregate of particles is used as a support, a material obtained by solidifying particles with a binder or the like as necessary can be used. The material and manufacturing method of the support are not particularly limited, and various known techniques can be used in addition to the above-described methods.
[0036]
Next, an aqueous solution containing a CO conversion catalyst is supplied to the surface of the placed support to distribute the solution in the concave portions of the support. The concentration of the aqueous solution containing the CO shift catalyst needs to be adjusted according to the CO shift catalyst to be used, and is not particularly limited. If priority is given to efficiency, a high-concentration aqueous solution may be prepared. When supplying the aqueous solution containing the CO shift catalyst, the support preferably has water repellency. When it has water repellency, the aqueous solution containing the CO shift catalyst is easily distributed to the concave portions on the surface of the support. This is calcined to fix the CO shift catalyst. This is the catalyst section.
[0037]
After forming the catalyst part, a separation membrane is formed. The separation membrane may be formed using electroless plating, CVD, a sol-gel method, a spray pyrolysis method, or the like. Known knowledge can be appropriately referred to for the film forming method. For example, regarding electroless plating, S.A. Ilias, N.M. Su, U.S.A. I. Udo-Aka, F .; G. FIG. King: Separation Science and Technology, 32, 487-504 (1997); Yan, H .; Maeda, K .; Kusakabe, S .; Morooka: Ind. Eng. Chem. Res. , 33,. 2096-1101 (1994) is described by M.M. Chai, Y .; Yamashita, M .; Machida, K .; Eguchi, H .; Arai: J. Membrane Sci. , 97, 199-207 (1994); Y. Li, H .; Maeda, K .; Kusakabe, S .; Morooka, H .; Anzai, S .; Akiyama: J.A. Membrane Sci. , 78,
247-254 (1993).
[0038]
The hydrogen separation membrane of the present invention can be used for a hydrogen production device. The hydrogen production device is used as a hydrogen production source in a fuel cell system. Hereinafter, a fuel cell system to which the hydrogen separation membrane of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the first embodiment of the fuel cell system.
[0039]
A first
[0040]
The vaporized hydrocarbon-based fuel and water are introduced into the
[0041]
Where C n H m The reforming reaction between the hydrocarbon-based fuel and water represented by the following formula will be described. The fuel is first converted to carbon monoxide and hydrogen by a reaction represented by the following formula (3). Further, carbon monoxide, which is a catalyst poison of platinum, is converted into carbon dioxide and hydrogen by a shift reaction represented by the following formula (4). The shift reaction of the formula (4) generally proceeds in a direction of generating hydrogen at a low temperature and generating CO at a high temperature. In the
[0042]
Embedded image
[0043]
The reformed gas generated in the
[0044]
The hydrogen gas supplied to the
[0045]
Embedded image
[0046]
Here, equation (5) represents the reaction on the cathode side, and equation (6) represents the reaction on the anode side. The reaction represented by the formula (7) proceeds as a whole of the
[0047]
Further, a second embodiment of the fuel cell system to which the hydrogen separation membrane of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining another embodiment of the fuel cell system. The second embodiment of the fuel cell system includes (i) a reforming section in which a reforming reaction from a hydrocarbon-based fuel gas to a hydrogen-rich gas proceeds, and (ii) a heat source for supplying heat required for the reforming reaction. Hydrogen production in which a combustion section, (iii) a hydrogen separation membrane for selectively passing hydrogen gas generated in a reforming section, and (iv) a hydrogen passage for hydrogen gas passing through the hydrogen separation membrane are integrated. It is a fuel cell system having a device. Here, “integrated” means that (i) a reforming section, (ii) a combustion section, (iii) a hydrogen separation membrane, and (iv) a hydrogen passage are included in one device. Means that hydrogen gas generated by the reforming reaction is separated directly from the reforming section by using a hydrogen separation membrane. Therefore, an embodiment in which a reformed hydrogen-rich gas is provided with a hydrogen separation membrane through a pipe does not correspond to “integration” in the present application.
[0048]
The reforming section means a portion where a reforming reaction from a hydrocarbon-based fuel gas to a hydrogen-rich gas proceeds. The combustion part is a part that burns using all or part of the remaining fuel from which hydrogen has been separated by the hydrogen separation membrane and / or excess hydrogen from the fuel cell, and is necessary for the reforming reaction performed in the reforming part. Means a site that generates a large amount of heat. As the hydrogen separation membrane, the hydrogen separation membrane of the present invention is used. The hydrogen passage means a portion to which the hydrogen gas separated by the hydrogen separation membrane is supplied. The shape is not particularly limited as long as the portion is supplied with hydrogen gas that has passed through the hydrogen separation membrane.
[0049]
In the hydrogen production apparatus in which the above (i) to (iv) are integrated, the reforming reaction is promoted, and downsizing of the fuel cell system can be achieved. The effect of such a hydrogen production device will be described using a fuel cell system having the hydrogen production device.
[0050]
A first
[0051]
The vaporized hydrocarbon-based fuel and water are introduced into the reforming
[0052]
In the reformed gas generated in the reforming
[0053]
Air as an oxidant is supplied to the
[0054]
In the hydrogen production apparatus according to the second embodiment, the hydrogen gas generated in the reforming
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a hydrogen separation membrane of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of a separation membrane and the concentration of CO in a gas passing through the separation membrane.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a first embodiment of a fuel cell system.
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining another embodiment of the fuel cell system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記支持体の少なくとも一の面の表面に配置されてなる、CO変成触媒を含む触媒部と、
前記触媒部が配置されてなる一の面上に形成されてなる、水素を選択的に通過させる分離膜と、
を有する水素分離膜。A support,
A catalyst portion comprising a CO conversion catalyst, which is disposed on at least one surface of the support;
A separation membrane formed on one surface on which the catalyst unit is arranged, and through which hydrogen is selectively passed;
A hydrogen separation membrane having:
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007000858A (en) * | 2005-05-23 | 2007-01-11 | Kobe Steel Ltd | Hydrogen permeation member and its manufacturing method |
| JP2009291740A (en) * | 2008-06-06 | 2009-12-17 | Hitachi Ltd | Hydrogen separation member and hydrogen generating apparatus |
| JP2011116577A (en) * | 2009-12-01 | 2011-06-16 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Hydrogen producing apparatus |
| KR20190143593A (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-31 | 한국에너지기술연구원 | Pd-based metal dense hydrogen permeation membrane using a Ni-based porous support with methanation catalyst function |
| CN110759316A (en) * | 2019-10-28 | 2020-02-07 | 中科液态阳光(苏州)氢能科技发展有限公司 | Reforming and separating integrated reaction device |
-
2002
- 2002-10-28 JP JP2002313177A patent/JP2004148138A/en not_active Withdrawn
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