JP2008222501A - Co selective oxidation method and co selective oxidation reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、都市ガスやLPG、灯油、バイオガス等の炭化水素系燃料を改質して製造する改質ガスに含まれる一酸化炭素(CO)を、酸素と選択的に反応させて除去するために用いるCO選択酸化方法及びCO選択酸化反応器に関するものである。 The present invention removes carbon monoxide (CO) contained in reformed gas produced by reforming hydrocarbon fuels such as city gas, LPG, kerosene, and biogas by selectively reacting with oxygen. The present invention relates to a CO selective oxidation method and a CO selective oxidation reactor used for the purpose.
燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池のような改質ガス型燃料電池では、都市ガスやLPG、灯油、バイオガス等の炭化水素系燃料を、改質して水素リッチな改質ガス(燃料ガス)として燃料電池の燃料極(アノード)へ供給するようにしている。しかし、上記炭化水素系燃料の改質によって製造させる改質ガスに含まれている一酸化炭素(CO)は、上記燃料電池の電極触媒の被毒物質であるため、改質ガスを燃料電池の燃料極へ供給する前に予め除去することが必要とされる。 Among fuel cells, reformed gas fuel cells such as solid polymer fuel cells are reformed from hydrocarbon-based fuels such as city gas, LPG, kerosene, and biogas to produce hydrogen-rich reformed gas ( Fuel gas) is supplied to the fuel electrode (anode) of the fuel cell. However, carbon monoxide (CO) contained in the reformed gas produced by reforming the hydrocarbon fuel is a poisonous substance for the electrode catalyst of the fuel cell. It is necessary to remove in advance before supplying the fuel electrode.
そのために、固体高分子型燃料電池発電システムや、固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムでは、通常、上記炭化水素系燃料の改質処理を行う改質器の下流側に、シフトコンバータ(シフト反応器)と、CO除去反応器とからなるCO除去部を具備した燃料処理装置を構成してある。これにより、上記改質器で生成する改質ガス中のCOは、先ず、上記シフトコンバータにて、CO+H2O→CO2+H2なるシフト反応を行わせることで、改質ガス中のCO濃度を低減させるようにしてある。更に、上記シフトコンバータを通過した後の改質ガス中に残存するCOは、CO除去反応器にて、CO濃度を更に低減させるようにしてある。
Therefore, in a polymer electrolyte fuel cell power generation system and a polymer electrolyte fuel cell cogeneration system, a shift converter (shift reaction) is usually provided downstream of a reformer that performs the reforming process of the hydrocarbon fuel. And a
上記CO除去反応器におけるCO除去方式としては、CO選択酸化反応によるものと、メタネーション反応によるものとが知られている。 As a CO removal system in the CO removal reactor, a CO selective oxidation reaction and a methanation reaction are known.
上記CO選択酸化反応によるCO除去方式は、上記シフトコンバータより排出されるシフト反応後の改質ガスに対して外部から酸素(O2)又は空気を支燃剤として供給して、上記改質ガス中に残存しているCOを、CO選択酸化触媒の存在下で上記O2(空気中のO2)と選択的に反応させて、2CO+O2→2CO2なる酸化反応によりCOを除去するもので、上記CO選択酸化触媒としては、一般的に、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)を活性金属とした貴金属系の触媒が使用されている(たとえば、特許文献1、2、3、4参照)。
In the CO removal method by the CO selective oxidation reaction, oxygen (O 2 ) or air is supplied from the outside as a combustion support agent to the reformed gas after the shift reaction discharged from the shift converter, the CO remaining, by selectively reacted with the O 2 (O 2 in air) in the presence of a CO selective oxidation catalyst, intended to remove CO by 2CO + O 2 → 2CO 2 becomes oxidation reaction, As the CO selective oxidation catalyst, generally, a noble metal catalyst using platinum (Pt), ruthenium (Ru), or rhodium (Rh) as an active metal is used (for example,
一方、メタネーション反応によるCO除去方式は、上記改質ガス中に残存しているCOを、メタネーション反応用の触媒の存在下で改質ガス中のH2と反応させて、CO+3H2→CH4+H2Oなるメタネーション反応によりCOを除去するもので、上記メタネーション反応用の触媒としては、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)を活性金属として用いることが提案されている(たとえば、特許文献5参照)。 On the other hand, in the CO removal method by methanation reaction, CO remaining in the reformed gas is reacted with H 2 in the reformed gas in the presence of a catalyst for methanation reaction, and CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O removes CO by a methanation reaction. As the catalyst for the methanation reaction, platinum (Pt), rhodium (Rh), nickel (Ni), cobalt (Co) is used as an active metal. (For example, refer to Patent Document 5).
ところで、上記COの選択酸化反応と、メタネーション反応は共に発熱反応であるが、このうち、メタネーション反応は、選択酸化反応に比して発熱が速く、しかも、COと反応する反応物であるH2は、改質ガス中に多量に含まれているものであるため、熱暴走し易くて、制御が難しい。 By the way, both the selective oxidation reaction of CO and the methanation reaction are exothermic reactions. Of these, the methanation reaction generates heat faster than the selective oxidation reaction, and is a reactant that reacts with CO. Since H 2 is contained in a large amount in the reformed gas, thermal runaway tends to occur and control is difficult.
これに対し、上記CO選択酸化反応は、上記メタネーション反応に比して発熱が遅く、しかも、O2又は空気の供給を停止して、COと反応させる反応物であるO2の投入を停止すれば、該CO選択酸化反応の進行を停止させることが可能であるため、制御性がよい。このために、上記CO除去反応器としては、CO選択酸化反応器が広く用いられてきている。 On the other hand, the CO selective oxidation reaction generates heat slower than the methanation reaction, and stops the supply of O 2 or air to stop the supply of O 2 or air to stop the input of O 2 , which is a reaction product with CO. Then, since the progress of the CO selective oxidation reaction can be stopped, the controllability is good. For this reason, a CO selective oxidation reactor has been widely used as the CO removal reactor.
図7は、CO除去反応器としてCO選択酸化反応器を備えた形式の燃料処理装置の一例の概略を示すもので、炭化水素系燃料1の改質(水蒸気改質)処理を行う改質器2の下流側に、シフト反応触媒が充填された触媒層4aを有するシフトコンバータ4と、熱交換器5と、CO選択酸化触媒が充填された触媒層6aを有するCO選択酸化反応器(CO除去器)6とを縦型容器内に上方から順に備えたCO除去装置3を設けた構成としてある。
FIG. 7 shows an outline of an example of a fuel processing apparatus of a type provided with a CO selective oxidation reactor as a CO removal reactor, and a reformer for performing reforming (steam reforming) processing of
上記燃料処理装置のCO選択酸化反応器6の下流側には、固体高分子型燃料電池7のアノード7aが接続してある。これにより、炭化水素系燃料1を上記改質器2で改質処理して生成する改質ガス8を、上記シフトコンバータ4に導いて、約250℃の反応温度で上記改質ガス8中のCOをシフト反応させて、CO濃度を約1%以下まで低減させる。その後、上記シフト反応後の改質ガス8を、所要量のO2又は空気13を支燃剤として供給した状態で上記CO選択酸化反応器6へ導いて、約100〜150℃の反応温度で改質ガス8中に残留しているCOを選択的に酸化(燃焼)させてCO2に変換することで、改質ガス8中のCO濃度を10ppm以下に低減させるようにしてある。
An anode 7a of the polymer
又、上記CO選択酸化反応器6のCO選択酸化触媒の層6a内には、冷却管9を通過させて配設してある。更に、該冷却管9の下流側には、上記熱交換器5内を通過させて配設した冷却管10と、上記シフトコンバータ4内のシフト反応触媒の層4a内を通過させて配設した冷却管11とを順に連結した構成として、冷却水12を、上記CO選択酸化反応器6の冷却管9と、上記熱交換器5の冷却管10と、シフトコンバータ4の冷却管11へ順に流通させることができるようにしてある。これにより、上記CO選択酸化反応器6では、内部に充填されているCO選択酸化触媒の層6aを、上記冷却管9に流通させる冷却水12で冷却して、CO選択酸化反応熱を奪うことで、該CO選択酸化触媒の層6aを、CO選択酸化反応活性が高まる温度である約100〜150℃に保持させるようにしてある。
A
上記熱交換器5では、CO選択酸化反応器6のCO選択酸化触媒の層6aの冷却に供された後の昇温した冷却水12を、冷却管10に流通させることで、シフトコンバータ4より排出されるシフト反応処理後の改質ガス8の温度を、上記CO選択酸化反応器6におけるCO選択酸化反応に適した温度まで冷却するようにしてある。
In the
更に、上記シフトコンバータ4では、上記熱交換器5にて改質ガス8の冷却に供されることによって更に温度上昇した冷却水12を、冷却管11に流通させることで、内部に充填されているシフト反応触媒の層4aを冷却して、シフト反応熱を奪うことで、該シフト反応触媒の層4aを、シフト反応の反応温度である約250℃に保持させるようにしてある。
Further, in the
14は、冷却水12が上記CO選択酸化反応器6、熱交換器5、シフトコンバータ4の冷却に供されることに伴って温度上昇することで生じる水蒸気である(たとえば、特許文献6参照)。
なお、本出願人は、先の出願(特願2006−103999号)において、改質器の排熱を利用して水蒸発器で発生させた水蒸気を燃料の水蒸気改質のために改質器へ供給する際、上記と同様に冷却水をCO選択酸化反応器と、シフトコンバータの冷却に供することによって発生する水蒸気を一緒に改質器へ供給して、燃料の水蒸気改質に利用するようにすることを提案している。 In the previous application (Japanese Patent Application No. 2006-103999), the present applicant used the steam generated by the water evaporator by utilizing the exhaust heat of the reformer to reform the fuel for steam reforming. In the same manner as described above, the steam generated by supplying the cooling water to the CO selective oxidation reactor and the shift converter is supplied to the reformer together for use in the steam reforming of the fuel. Propose to be.
ところが、前述したように、従来のCO選択酸化反応に用いるCO選択酸化触媒は、活性金属としてPt、Ru、Rhという高価な貴金属を用いているため、CO選択酸化触媒に要するコストが嵩み、したがって、このCO選択酸化触媒に要するコストが、CO選択酸化反応器を備えた燃料処理装置の製造コストに対して比較的大きな比重を占めている。 However, as described above, since the CO selective oxidation catalyst used in the conventional CO selective oxidation reaction uses expensive noble metals such as Pt, Ru, and Rh as active metals, the cost required for the CO selective oxidation catalyst increases. Therefore, the cost required for this CO selective oxidation catalyst occupies a relatively large specific weight with respect to the manufacturing cost of the fuel processing apparatus equipped with the CO selective oxidation reactor.
したがって、燃料処理装置のコストダウン、更には、固体高分子型燃料電池発電システムや、固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムのコストダウンを図るために、上記のような貴金属系CO選択酸化触媒の使用量の低減を図ることが望まれている。 Therefore, in order to reduce the cost of the fuel processing apparatus, and further to reduce the cost of the solid polymer fuel cell power generation system and the solid polymer fuel cell cogeneration system, the precious metal-based CO selective oxidation catalyst as described above can be used. It is desired to reduce the amount used.
更に、Pt、Ru、Rh等の貴金属を活性金属とした触媒では、反応温度が、CO選択酸化反応活性(温度)領域の上限に設定してある150℃を超えて上昇すると、COの選択酸化反応の選択能が低下して、COとH2によるメタネーション反応活性が上昇してしまう。このメタネーション反応は、前述したように発熱反応であり、しかも、COと反応する反応物であるH2は改質ガス中に多量に存在していることから、一旦メタネーション反応が始まると、加速度的にメタネーション反応が進行して、制御不能な熱暴走に繋がる可能性が懸念されるため、その対策が必要とされる。 Furthermore, in the case of a catalyst in which a noble metal such as Pt, Ru or Rh is an active metal, when the reaction temperature rises above 150 ° C. which is set as the upper limit of the CO selective oxidation reaction activity (temperature) region, the selective oxidation of CO The selectivity of the reaction decreases, and the methanation reaction activity due to CO and H 2 increases. As described above, this methanation reaction is an exothermic reaction, and since H 2 which is a reactant that reacts with CO is present in a large amount in the reformed gas, once the methanation reaction starts, Since there is a concern that the methanation reaction may accelerate and lead to uncontrollable thermal runaway, countermeasures are required.
なお、上記CO選択酸化反応では、O2又は空気を支燃剤として供給しているため、単に、廉価な卑金属を活性金属とする触媒を採用しようとしても、該卑金属の活性金属の酸化反応が生じてしまい、触媒活性、触媒性能の劣化の問題が生じてしまう。 In the CO selective oxidation reaction, since O 2 or air is supplied as a combustion support agent, an oxidation reaction of the active metal of the base metal occurs even if an attempt is made to employ a catalyst using an inexpensive base metal as the active metal. As a result, problems such as deterioration of catalyst activity and catalyst performance occur.
そこで、本発明者等は、CO選択酸化触媒の活性金属として廉価な卑金属を使用しても、CO選択酸化反応を長時間に亘って促進できるようにするための工夫、研究を重ねた結果、卑金属である活性金属の材質と、担体の材質との特定の組み合わせにより、CO選択酸化反応を長時間に亘り高効率で促進できることを見出し、本発明をなした。 Therefore, as a result of repeated efforts and research to enable the CO selective oxidation reaction to be promoted over a long period of time even when an inexpensive base metal is used as the active metal of the CO selective oxidation catalyst, The inventors have found that the CO selective oxidation reaction can be promoted with high efficiency over a long period of time by a specific combination of a base metal active metal material and a carrier material.
したがって、本発明の目的とするところは、改質ガス中のCO濃度を長時間に亘って高効率で低減させることができ、且つCO選択酸化触媒に要するコストを低減させることができるようにするためのCO選択酸化方法及びCO選択酸化反応器を提供しようとするものである。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the CO concentration in the reformed gas over a long period of time with high efficiency and to reduce the cost required for the CO selective oxidation catalyst. A CO selective oxidation method and a CO selective oxidation reactor are provided.
本発明は、上記課題を解決するために、炭化水素系燃料を改質した水素リッチな改質ガスを、所要量の酸素の存在下で、酸化セリウムの担体に酸化銅を活性金属として担持させてなるCu系CO選択酸化触媒に接触させて、上記改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去するCO選択酸化方法、及び、炭化水素系燃料を改質した水素リッチな改質ガスを流通させるためのガス流路内に、酸化セリウムの担体に酸化銅を活性金属として担持させてなるCu系CO選択酸化触媒を露出させて配設してなる構成を有するCO選択酸化反応器とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a hydrogen-rich reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel so that copper oxide is supported as an active metal on a cerium oxide support in the presence of a required amount of oxygen. A CO selective oxidation method in which carbon monoxide in the reformed gas is selectively oxidized and removed by contacting with a Cu-based CO selective oxidation catalyst, and a hydrogen-rich modified reformed hydrocarbon-based fuel. CO selective oxidation reaction having a structure in which a Cu-based CO selective oxidation catalyst formed by supporting copper oxide as an active metal on a cerium oxide support is exposed in a gas flow path for passing a gas. Use a vessel.
又、上記において、Cu系CO選択酸化触媒の担体として、酸化セリウムに、酸化アルミニウムを、セリウム及びアルミニウムに換算したモル百分率で20mol%以下の混合率で混合してなる担体を用いるようにする。 Further, in the above, as a support for the Cu-based CO selective oxidation catalyst, a support obtained by mixing cerium oxide with aluminum oxide at a mixing ratio of 20 mol% or less in terms of a molar percentage converted to cerium and aluminum is used.
更に、上記各構成におけるCu系CO選択酸化触媒として、酸化銅を、触媒全体に対する重量比で2.0〜20.0%となるよう担体に担持させたCu系CO選択酸化触媒を用いるようにする。 Further, as the Cu-based CO selective oxidation catalyst in each of the above-described configurations, a Cu-based CO selective oxidation catalyst in which copper oxide is supported on a support so that the weight ratio with respect to the whole catalyst is 2.0 to 20.0% is used. To do.
上述の各構成において、Cu系CO選択酸化触媒を、150℃から250℃とする温度条件の下で、改質ガスと接触させるようにする。 In each configuration described above, the Cu-based CO selective oxidation catalyst is brought into contact with the reformed gas under a temperature condition of 150 ° C. to 250 ° C.
更に、上述の各構成において、ガス流路の出口側に、改質ガスの温度を冷却するための熱交換器を介して固体高分子型燃料電池のアノード入口側を接続するようにした構成とする。 Further, in each of the above-described configurations, the anode inlet side of the polymer electrolyte fuel cell is connected to the outlet side of the gas flow path via a heat exchanger for cooling the reformed gas temperature; To do.
本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)炭化水素系燃料を改質した水素リッチな改質ガスを、所要量の酸素の存在下で、酸化セリウムの担体に酸化銅を活性金属として担持させてなるCu系CO選択酸化触媒に接触させて、上記改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去するCO選択酸化方法、及び、炭化水素系燃料を改質した水素リッチな改質ガスを流通させるためのガス流路内に、酸化セリウムの担体に酸化銅を活性金属として担持させてなるCu系CO選択酸化触媒を露出させて配設してなる構成を有することを特徴とするCO選択酸化反応器としてあるので、CO選択酸化触媒の活性金属を、卑金属であるCu系とすることで、貴金属系のCO選択酸化触媒を不要にできるため、触媒に要するコストを大幅に削減することができる。
(2)又、Cu系CO選択酸化触媒を用いることにより、その制御温度を、従来の貴金属系のCO選択酸化触媒を用いていた場合に要求されていた100℃から150℃の制御温度に比して高めることができる。このために、CO選択酸化反応器にて、上記Cu系CO選択酸化触媒の冷却に必要とされる冷却能力を、従来のCO選択酸化反応器にて貴金属系のCO選択酸化触媒の冷却のために要求されていた冷却能力に比して軽減することが可能になる。更に、上記Cu系CO選択酸化触媒を用いたCO選択酸化反応器に対しては、上流側に設けてあるシフトコンバータによるシフト反応処理後の改質ガスを、温度をあまり低下させずに供給できるようになるため、CO選択酸化反応器の上流側に設けてあるシフトコンバータや、熱交換器に要求される改質ガスの冷却能力も従来に比して軽減することが可能になる。したがって、上記CO選択酸化反応器におけるCu系CO選択酸化触媒の冷却面積を削減でき、更には、上記シフトコンバータにおけるシフト反応触媒の冷却面積も削減することが可能になることから、CO選択酸化反応器やシフトコンバータにおける冷却構造の簡略化して、該冷却構造の体積を低減することが可能になるため、CO選択酸化反応器や、シフトコンバータの容積自体を低減させることが可能になり、燃料処理装置の低コスト化を図ることが実現可能になる。
(3)Cu系CO選択酸化触媒の担体として、酸化セリウムに、酸化アルミニウムを、セリウム及びアルミニウムに換算したモル百分率で20mol%以下の混合率で混合してなる担体を用いるようにすることにより、Cu系CO選択酸化触媒のCO選択酸化活性を良好なものとすることができる。
(4)Cu系CO選択酸化触媒として、酸化銅を、触媒全体に対する重量比で2.0〜20.0%となるよう担体に担持させたCu系CO選択酸化触媒を用いるようにすることにより、Cu系CO選択酸化触媒のCO選択酸化活性を更に良好なものとすることが可能になる。
(5)Cu系CO選択酸化触媒を150℃から250℃とする温度条件の下で、改質ガスと接触させるようにすることにより、改質ガスのCO選択酸化反応を効率よく行わせることができる。
(6)ガス流路の出口側に、改質ガスの温度を冷却するための熱交換器を介して固体高分子型燃料電池のアノード入口側を接続するようにした構成とすることにより、Cu系CO選択酸化触媒を用いたCO選択酸化反応器を、従来の貴金属系のCO選択酸化触媒を用いていた場合の制御温度よりも高い温度で制御する場合であっても、該CO選択酸化反応器より送出される改質ガスの温度を、上記固体高分子型燃料電池の温度制限以下の温度に容易に冷却した後、固体高分子型燃料電池のアノードへ供給できる。
According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) A Cu-based CO selective oxidation catalyst in which a hydrogen-rich reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel is supported on a cerium oxide support as an active metal in the presence of a required amount of oxygen. CO selective oxidation method for selectively oxidizing and removing carbon monoxide in the reformed gas by contacting the gas, and gas flow for circulating a hydrogen-rich reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel Since it is a CO selective oxidation reactor characterized by having a structure in which a Cu-based CO selective oxidation catalyst formed by supporting copper oxide as an active metal on a cerium oxide support is exposed in the channel. Since the active metal of the CO selective oxidation catalyst is made of Cu, which is a base metal, a noble metal-based CO selective oxidation catalyst can be dispensed with, and the cost required for the catalyst can be greatly reduced.
(2) Further, by using a Cu-based CO selective oxidation catalyst, the control temperature is compared with a control temperature of 100 ° C. to 150 ° C., which is required when a conventional noble metal-based CO selective oxidation catalyst is used. Can be increased. For this purpose, the cooling capacity required for cooling the Cu-based CO selective oxidation catalyst in the CO selective oxidation reactor is the same as that for cooling the noble metal-based CO selective oxidation catalyst in the conventional CO selective oxidation reactor. It is possible to reduce the cooling capacity required for the above. Furthermore, for the CO selective oxidation reactor using the Cu-based CO selective oxidation catalyst, the reformed gas after the shift reaction treatment by the shift converter provided on the upstream side can be supplied without much lowering the temperature. Therefore, the cooling capacity of the reformed gas required for the shift converter and the heat exchanger provided on the upstream side of the CO selective oxidation reactor can be reduced as compared with the conventional case. Therefore, the cooling area of the Cu-based CO selective oxidation catalyst in the CO selective oxidation reactor can be reduced, and further, the cooling area of the shift reaction catalyst in the shift converter can be reduced. The volume of the cooling structure can be reduced by simplifying the cooling structure in the reactor and the shift converter, so that the volume of the CO selective oxidation reactor and the shift converter itself can be reduced. It becomes feasible to reduce the cost of the apparatus.
(3) As a support for the Cu-based CO selective oxidation catalyst, by using a support obtained by mixing cerium oxide with aluminum oxide at a mixing ratio of 20 mol% or less in terms of a mole percentage converted to cerium and aluminum, The CO selective oxidation activity of the Cu-based CO selective oxidation catalyst can be improved.
(4) By using a Cu-based CO selective oxidation catalyst in which copper oxide is supported on a carrier so as to be 2.0 to 20.0% by weight ratio to the whole catalyst as a Cu-based CO selective oxidation catalyst. Further, it becomes possible to further improve the CO selective oxidation activity of the Cu-based CO selective oxidation catalyst.
(5) By making the Cu-based CO selective oxidation catalyst come into contact with the reformed gas under a temperature condition of 150 ° C. to 250 ° C., the CO selective oxidation reaction of the reformed gas can be performed efficiently. it can.
(6) By adopting a configuration in which the anode inlet side of the polymer electrolyte fuel cell is connected to the outlet side of the gas flow path via a heat exchanger for cooling the temperature of the reformed gas, Even if the CO selective oxidation reactor using the system CO selective oxidation catalyst is controlled at a temperature higher than the control temperature when the conventional noble metal-based CO selective oxidation catalyst is used, the CO selective oxidation reaction The temperature of the reformed gas delivered from the vessel can be easily cooled to a temperature below the temperature limit of the polymer electrolyte fuel cell and then supplied to the anode of the polymer electrolyte fuel cell.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(イ)(ロ)乃至図5は本発明のCO選択酸化方法及びCO選択酸化反応器の実施の一形態を示すもので、概説すると、酸化セリウム(CeO2)を担体とし、且つ該担体に酸化銅(CuO)を活性金属として担持させてなるCO選択酸化触媒(以下、Cu系CO選択酸化触媒という)17を、ガス流路16に露出させた状態で具備してなるCO選択酸化反応器15を構成して、上記ガス流路16に、都市ガスやLPG、灯油、バイオガス等の炭化水素系燃料を改質して生成させた改質ガス8を、所要量のO2又は空気13を支燃剤として混合した状態で流通させて、該改質ガス8中のCOを、上記Cu系CO選択酸化触媒17の存在下でO2と選択的に反応(酸化)させてCO2を生成させることで、上記改質ガス8中のCO濃度を低減させるようにする。
1 (a) (b) to FIG. 5 show one embodiment of a CO selective oxidation method and a CO selective oxidation reactor of the present invention. Briefly, cerium oxide (CeO 2 ) is used as a carrier, and CO selective oxidation comprising CO selective oxidation catalyst (hereinafter referred to as Cu-based CO selective oxidation catalyst) 17 having copper oxide (CuO) supported on the support as an active metal in a state exposed to
詳述すると、上記Cu系CO選択酸化触媒17は、活性金属であるCuOの含有量を、触媒全体に対する重量比で2.0%から20.0%、好ましくは8.0%としてあるものとする。このようにCuOの含有率を設定したのは、図3に示す如く、触媒温度[℃]と該温度で得られるCO除去率(CO反応率)[%]との関係を、Cu系CO選択酸化触媒 におけるCuOの含有量を2.0%(線A)、5.0%(線B)、8.3%(線C)、20.0%(線D)と種々変化させた場合についてそれぞれ調べた結果から明らかなように、CuOの含有量が2.0%から20.0%の範囲内であれば、150℃以上の所要の活性温度域にてCO選択酸化触媒として用いるのに十分なCO除去率が得られ、更に、CuOの含有量を8.0%付近とすると、CO除去率が最も高くなる一方、CuOの含有量が2.0%未満の場合、得られるCO除去率が低下して、CO選択酸化触媒として用いるには不十分になるためである。また、20.0%を超える場合には、CuOがCeO2に物理的に担持され難くなるためである。
More specifically, the Cu-based CO
なお、図3では、線Cとして、CuOの含有量を8.3%とした場合の結果を示してあるが、本発明者等が、その後、CuOの含有量を、より容易に設定(調製)し易い8.0%としたCu系CO選択酸化触媒17について検討したところ、CuOの含有量を8.3%とした場合と同様の高いCO除去率が得られ、しかも、後述するように、本発明者等の実施した反応安定性能確認試験(寿命試験)においても良好な結果を得られることが判明している。
In FIG. 3, the result when the CuO content is set to 8.3% is shown as the line C. However, the inventors subsequently set the CuO content more easily (preparation). The Cu-based CO
更に、上記活性金属であるCuOを担持させるCeO2の担体には、上記活性金属であるCuOの比表面積の向上を目的として、アルミナ(Al2O3)を混合するようにしておくことが望ましい。これはAl2O3の添加がCuOの微細化に有効なためである。この場合のAl2O3のCeO2に対する混合割合は、それぞれAl及びCeに換算した状態でのモル百分率(mol%=Al[mol]/(Al[mol]+Ce[mol])×100、以下、本明細書におけるmol%の記載はすべて同様とする。)で、20mol%を上限とするようにし、好ましくは、CeO2に、10mol%のAl2O3を混合した担体を用いるようにする。このように担体におけるCeO2に対するAl2O3の混合割合を設定したのは、活性金属であるCuOの含有量を触媒全体に対する重量比で8.0%に固定した条件の下で、図4に示す如く、触媒層温度[℃]と該温度で得られるCO反応率[%]との関係を、Cu系CO選択酸化触媒 の担体におけるCeO2に対するAl2O3の混合割合を、0mol%(線E)、3mol%(線F)、10mol%(線G)、20mol%(線H)と種々変化させた場合についてそれぞれ調べた結果から明らかなように、CeO2のみからなる担体(線E)を用いる場合は、CO選択酸化触媒として使用するために所望される、たとえば、95%以上のCO反応率を得るための制御温度幅(活性温度域)が比較的狭いのに対し、CeO2にAl2O3を20mol%までの範囲内で混合した担体(線F、線G、線H)を用いる場合は、上記と同様に95%以上のCO反応率を得るための制御温度幅(活性温度域)を広げることができ、特に、Al2O3の混合割合を10mol%とした担体を用いる場合は、活性温度域を高温域でも広くすることができて制御温度範囲の上限温度を引き上げることが可能になる一方、CeO2に対するAl2O3の混合割合が、Al及びCe換算で20mol%を超えると、CuOの微細化が鈍化し、CO選択酸化触媒として用いるには不十分になるためである。 Furthermore, it is desirable that alumina (Al 2 O 3 ) is mixed in the CeO 2 support for supporting the active metal CuO for the purpose of improving the specific surface area of the active metal CuO. . This is because the addition of Al 2 O 3 is effective for miniaturization of CuO. In this case, the mixing ratio of Al 2 O 3 to CeO 2 is the mole percentage (mol% = Al [mol] / (Al [mol] + Ce [mol])) × 100 in terms of Al and Ce, respectively. In the present specification, all the descriptions of mol% are the same.), So that the upper limit is 20 mol%, and preferably, a support in which 10 mol% of Al 2 O 3 is mixed with CeO 2 is used. . In this way, the mixing ratio of Al 2 O 3 to CeO 2 in the support was set under the condition that the content of CuO as the active metal was fixed at 8.0% by weight with respect to the whole catalyst. As shown in FIG. 4, the relationship between the catalyst layer temperature [° C.] and the CO reaction rate [%] obtained at the temperature is expressed as follows: the mixing ratio of Al 2 O 3 to CeO 2 in the support of the Cu-based CO selective oxidation catalyst is 0 mol%. (line E), 3 mol% (line F), 10 mol% (line G), as is clear from the results of examining each case where was varied 20 mol% and (line H), the carrier consisting of only CeO 2 (line In the case of using E), the control temperature range (active temperature range) for obtaining a CO reaction rate of, for example, 95% or more, which is desired for use as a CO selective oxidation catalyst, is relatively narrow, whereas CeO 2 in A 2 O 3 by mixing carrier in a range of up to 20 mol% (line F, a line G, a line H) in the case of using a controlled temperature range (the activation temperature for obtaining the above and CO reaction rate of 95% or more in the same manner In particular, when using a support in which the mixing ratio of Al 2 O 3 is 10 mol%, the active temperature range can be widened even in a high temperature range, and the upper limit temperature of the control temperature range can be increased. On the other hand, if the mixing ratio of Al 2 O 3 with respect to CeO 2 exceeds 20 mol% in terms of Al and Ce, the refinement of CuO slows down and becomes insufficient for use as a CO selective oxidation catalyst. It is.
以上のことから、本発明で用いるCu系CO選択酸化触媒17の最適な組成は、8%CuO/10mol%Al2O3−CeO2となる。かかる組成のCu系CO選択酸化触媒17によれば、150℃から250℃の制御温度(活性温度域)で、従来の貴金属系CO選択酸化触媒と同様のCO選択酸化反応を行わせることができるようになる。このことは、図5に示す、反応時間の経過に伴うCO反応率の変化を調べた反応安定性能確認試験の結果から明らかであり、ほぼ100%のCO反応率を1000時間程度の長時間に亘り、安定して得ることができることが判明している。
From the above, the optimum composition of the Cu-based CO
上記のような組成のCu系CO選択酸化触媒17を製造する場合は、触媒の分野で広く知られている含浸法や、共沈法を用いて、前述した如きCeO2、又は、CeO2にAl2O3を所要の割合で混合してなる成分を有する担体に、活性金属であるCuOを担持させて、Cu系CO選択酸化触媒17を調整するようにすればよい。又、その形状としては、ペレット状、ハニカム状、プレート型等、使用形態に応じた形状を適宜選択するようにすればよい。
When producing the Cu-based CO
次に、本発明のCO選択酸化反応器15の具体的構成について述べる。図1(イ)(ロ)はペレット状のCu系CO選択酸化触媒17を使用する場合の装置構成を示すもので、上下方向の角筒容器18の下端開口部をガス入口19とし且つ上端開口部をガス出口20として、該角筒容器18の内側に上記ガス入口19からガス出口20に至るガス流路16を形成する。更に、上記角筒容器18の内側には、所要形状の冷却管21、たとえば、上記角筒容器18の左側壁近傍位置と右側壁近傍位置で交互に屈曲しながら該角筒容器18の上端部から下端部に至る蛇行形状の冷却管21を、前後方向所要間隔で複数本、たとえば、3本配置する。上記各冷却管21の上下両端部は、上記角筒容器18の側壁(図では右側壁)を貫通させて外部に突出させ、該角筒容器18の外部に突出させた各冷却管21の上端部を、冷却水供給ライン22に並列に接続すると共に、各冷却管21の下端部を、冷却水排出ライン23に並列に接続する。
Next, a specific configuration of the CO
上記各冷却管21における角筒容器18の内側に位置する部分の所要個所、たとえば、該各冷却管21における左右方向に延びている部分の外周面の上下左右位置に、放射方向へ所要寸法突出する冷却フィン24をそれぞれ取り付ける。
The required dimensions project in the radial direction at the required positions of the portions of the
更に、上記角筒容器18の内部の空隙には、ペレット状に形成した上記Cu系CO選択酸化触媒17を充填し、且つ上記角筒容器18の下端のガス入口19と上端のガス出口20に、上記ペレット状のCu系CO選択酸化触媒17の粒径よりも小さい径の多数の貫通孔を有する触媒受け板25をそれぞれ取り付けて、CO選択酸化反応器15を構成する。
Furthermore, the space inside the
以上の構成としてあるCO選択酸化反応器15を使用する場合は、たとえば、図2に示す如き燃料処理装置を構成するようにする。
When using the CO
具体的には、改質器2に、燃料供給ライン26と、該改質器2の排熱を利用して水蒸気28を発生させる水蒸発器27より水蒸気28を導く水蒸気供給ライン29を接続する。上記改質器2の下流側には、図7に示したものと同様の、約250℃の反応温度でシフト反応を行わせるようにしてあるシフトコンバータ4と、該シフトコンバータ4より排出される改質ガス8の温度を、下流側のCO選択酸化反応器15におけるCO選択酸化反応に適した温度まで低下させるための熱交換器5を順に設け、更に、該熱交換器5における改質ガス8の出口に、図1(イ)(ロ)に示した構成としてあるCO選択酸化反応器15のガス入口19を接続する。
Specifically, the
上記CO選択酸化反応器15の冷却管21に接続してある冷却水排出ライン23の下流側には、上記熱交換器5内に配設してある冷却管10と、上記シフトコンバータ4におけるシフト反応触媒(図示せず)の層内を通過するよう配設してある冷却管11を順に接続する。なお、上記各冷却管21,10,11の径や長さ寸法、更には、冷却水供給ライン22から上記CO選択酸化反応器15の冷却管21へ供給する冷却水12の温度や流量や圧力は、上記CO選択酸化反応器15に充填してあるCu系CO選択酸化触媒17の温度を、150℃から250℃の活性温度域に保持でき、且つ、上記シフトコンバータ4におけるシフト反応触媒(図示せず)の温度が、約250℃に保持できるように設定してあるものとする。
On the downstream side of the cooling
上記シフトコンバータ4の冷却管11の下流側には、水蒸気ライン30の上流側端部となる一端部を接続し、該水蒸気ライン30の下流側端部となる他端部を、上記水蒸気供給ライン29における上記改質器2の直ぐ上流側位置に接続する。これにより、冷却水供給ライン22を通して上記CO選択酸化反応器15の冷却管21へ供給される冷却水12が、該CO選択酸化反応器15の冷却、及び、上記シフトコンバータ4の冷却に供されることによって発生する水蒸気14を、上記水蒸気ライン30を通して上記水蒸気供給ライン29へ導いて、該水蒸気供給ライン29を通して水蒸発器27より導かれる水蒸気28と一緒に上記改質器2へ供給して、該改質器2における炭化水素系燃料1の水蒸気改質に利用できるようにしてある。
One end that is the upstream end of the
更に、上記CO選択酸化反応器15で用いるCu系CO選択酸化触媒17の活性温度域が150℃から250℃としてあって、従来の貴金属系CO選択酸化触媒の活性温度域である100℃から150℃に比して高温域であることに鑑みて、上記CO選択酸化反応器15の下流側には、熱交換器31を設けて、該熱交換器31の下流側に、改質ガス8を加湿するための加湿器32と、固体高分子型燃料電池7のアノード7aを順に接続するようにしてある。これにより、上記CO選択酸化反応器15を上記Cu系CO選択酸化触媒17の活性温度域である150℃から250℃の制御温度とした状態にて、CO選択酸化反応によりCO濃度が低減された後、該CO選択酸化反応器15より排出される改質ガス8を、上記熱交換器31で、固体高分子型燃料電池7の温度制限、たとえば、80℃〜90℃に設定されている温度制限以下の温度まで冷却し、その後、該冷却された改質ガス8を、加湿器32で加湿してから、上記固体高分子型燃料電池7のアノード7aへ供給できるようにしてある。
Further, the active temperature range of the Cu-based CO
33は上記水蒸発器27へ水34を供給するためのポンプ35を備えた水供給ライン、36は上記冷却水供給ライン22に設けたポンプである。その他、図2において、図7に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
33 is a water supply line provided with a
以上の構成としてある燃料処理装置によれば、上記改質器2で炭化水素系燃料1を水蒸気改質して水素リッチな改質ガス8を発生させると、該改質ガス8は、先ず、シフトコンバータ4に導かれて、該シフトコンバータ4の冷却管11に流通させる冷却水12によって約250℃の反応温度に保持されたシフト反応触媒(図示せず)と接触することで、上記改質ガス8に含まれているCOがシフト反応させられて、CO濃度が低減される。
According to the fuel processing apparatus having the above configuration, when the
その後、上記シフトコンバータ4より排出される改質ガス8は、熱交換器5へ導かれて、冷却管10を流通する冷却水12により、下流側のCO選択酸化反応器15でのCO選択酸化反応に適した温度に調整される。
Thereafter, the reformed
その後、上記熱交換器5を通過した改質ガス8を、支燃剤となるO2又は空気13を所要量加えてから、上記CO選択酸化反応器15のガス入口19よりガス流路6内へ供給すると、該ガス流路16内では、冷却管21を流通する冷却水12によって150℃から250℃の活性温度域に保持されるよう温度制御されたCu系CO選択酸化触媒17との接触により、上記改質ガス8に含まれているCOが、選択的にO2と反応させられてCO2とされることで、CO濃度が更に低減される。
Thereafter, the reformed
しかる後、上記、Cu系CO選択酸化反応器15におけるCO選択酸化反応によってCO濃度が低減された改質ガス8が、熱交換器31にて、固体高分子型燃料電池7の制限温度以下に温度低下させられた後、加湿器32にて加湿された状態で固体高分子型燃料電池7のアノード7aへ供給されるようになる。
Thereafter, the reformed
このように、上記CO選択酸化反応器15は、活性金属を卑金属であるCu系としてあるCO選択酸化触媒17を用いるようにしていることから、貴金属系のCO選択酸化触媒を用いる場合に比して、触媒に要するコストを大幅に削減することができる。
As described above, the CO
又、Cu系CO選択酸化触媒17を用いることによって、その制御温度を150℃から250℃に設定できるため、貴金属系のCO選択酸化触媒を用いていた従来のCO選択酸化反応器の100℃から150℃の制御温度に比して、制御温度を高めることで、該CO選択酸化反応器15における上記Cu系CO選択酸化触媒17の冷却に必要とされる冷却能力を、従来のCO選択酸化反応器で用いられていた上記貴金属系のCO選択酸化触媒の冷却に必要とされた冷却能力に比して軽減することが可能になる。
Further, since the control temperature can be set from 150 ° C. to 250 ° C. by using the Cu-based CO
更に、上記CO選択酸化反応器15に対しては、該CO選択酸化反応器15の上流側に設けてあるシフトコンバータ4によるシフト反応処理後の改質ガス8を、温度あまり低下させずに供給できるようになるため、上記シフトコンバータ4や、熱交換器5に要求される改質ガス8の冷却能力も従来に比して軽減することが可能になる。
Further, the reformed
よって、上記CO選択酸化反応器15におけるCu系CO選択酸化触媒17の冷却面積を削減でき、更には、上記シフトコンバータ4におけるシフト反応触媒(図示せず)の冷却面積も削減することが可能になることから、上記CO選択酸化反応器15やシフトコンバータ4における冷却構造の簡略化を図ることができる。この冷却構造の簡略化によって該冷却構造の体積を低減することが可能になるため、CO選択酸化反応器15や、シフトコンバータ4の容積自体を低減させることが可能になり、燃料処理装置の低コスト化を図ることが実現可能になる。
Therefore, the cooling area of the Cu-based CO
なお、上記CO選択酸化反応器15の制御温度が高まることに伴って、該CO選択酸化反応器15の下流側に、CO選択酸化反応後の改質ガス8を固体高分子型燃料電池7へ供給する前に温度低下させるため熱交換器31を設けるようにしてあるが、該熱交換器31では、上記CO選択酸化反応器15の下流側のCu系CO選択酸化触媒17の存在しない個所にて、該CO選択酸化反応器15より排出される流体(気体)である改質ガス8を冷却すればよいため、広く一般的に用いられている流体用の熱交換器を用いて容易に冷却することができるため、この熱交換器31に大きな容積が求められることはなく、又、コストが嵩むこともない。
As the control temperature of the CO
しかも、上記Cu系CO選択酸化触媒17の活性金属として用いているCuOは、その材質の特性として、たとえ高温域であってもメタネーション反応を促進することがないため、従来の貴金属系CO選択酸化触媒を使用する場合に懸念されていたメタネーション反応発生による発熱暴走が生じる虞を解消できて、CO選択酸化反応の制御性を向上させることができる。
In addition, CuO used as the active metal of the Cu-based CO
更に、上記CO選択酸化反応器1の制御温度を150℃から250℃と高い状態でCO選択酸化反応熱を回収できるため、該CO選択酸化反応器15の熱により、冷却管21へ供給する冷却水12の加熱を行って、改質器2における炭化水素系燃料1の水蒸気改質に用いる水蒸気14を発生させるための熱量を、貴金属系CO選択酸化触媒を用いていたことに起因して100℃から150℃の制御温度とされていた従来のCO選択酸化反応器に比して、効率よく回収することができる。このために、炭化水素系燃料1の水蒸気改質処理に伴って発生する熱を効率よく回収できる高効率な燃料処理装置を構築することが可能になる。
Further, since the CO selective oxidation reaction heat can be recovered with the control temperature of the CO
次に、図6は、本発明のCO選択酸化反応器の実施の他の形態として、Cu系CO選択酸化触媒17を、伝熱フィン37に塗布した状態で使用する場合の装置構成を示すものである。
Next, FIG. 6 shows an apparatus configuration when the Cu-based CO
具体的には、中空の矩形の平板状とし、且つ一組の対角の一方の角部近傍に冷却水入口39を設けると共に、他方の角部近傍に冷却水出口40を設けて、内部に冷却水12を流通させることができるようにしてある冷却管38を構成する。上記平板状の冷却管38を、所要間隔で複数枚(図では3枚)平行に配置すると共に、隣接する冷却管38の2組の対辺部のうち、一方の対辺部同士を、板状の連結材41を介してそれぞれ全長に亘って連結して、隣接する各冷却管38同士の間に、該各冷却管38と、隣接する冷却管38同士を連結している2枚の連結材41とに囲まれたガス流路16aを形成して、一方の開口部をガス入口42とし、他方の開口部をガス出口43とする。更に、上記ガス流路16a内に、上記Cu系CO選択酸化触媒17を塗布してなる波板状の伝熱フィン37を、該伝熱フィン37の波状に湾曲する方向が、上記ガス流路16aと直角方向となるように挿入配置してCO選択酸化反応器15aを構成してある。
Specifically, it has a hollow rectangular flat plate shape, and a cooling
以上の構成としてあるCO選択酸化反応器15aを用いる場合は、上記各冷却管38の冷却水入口39と冷却水出口40に、図1に示したと同様の冷却水供給ライン22と冷却水排出ライン23とを接続すると共に、図1に示したCO選択酸化反応器15と同様にして図2に示した燃料処理装置に組み込むようにする。これにより、改質器2における炭化水素系燃料1の水蒸気改質により生成した後、シフトコンバータ4におけるシフト反応によりCO濃度が低減させられた改質ガス8を、支燃剤となるO2又は空気13を所要量加えてから、上記CO選択酸化反応器15aのガス流路16aへガス入口42より供給すると、該ガス流路16a内にて、改質ガス8が、冷却管38を流通する冷却水12によって150℃から250℃の活性温度域に保持されるよう温度制御された伝熱フィン37の表面のCu系CO選択酸化触媒17と接触することで、上記改質ガス8に含まれているCOが、選択的にO2と反応させられてCO2とされるため、改質ガス8のCO濃度が更に低減されるようになる。
When the CO
したがって、本実施の形態によっても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。 Accordingly, the present embodiment can provide the same effects as those of the above embodiment.
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、CeO2又はCeO2に前述した所定の混合割合でAl2O3を混合した組成の担体に、前述した所定の含有量のCuOを担持させてなるCu系CO選択酸化触媒17を、改質ガス8を流通させるガス流路16,16aに露出させた状態で配設してあれば、CO選択酸化反応器15,15aにおけるガス流路16,16aの断面積や長さや経路等を適宜変更してもよく、又、Cu系CO選択酸化触媒17の形状を変更してもよい。更に、上記ガス流路16,16aに配設してあるCu系CO選択酸化触媒17を、前述した所定の活性温度域(CO選択酸化反応器15,15aの制御温度)に保持するように冷却できれば、冷却管21,38の長さや形状や経路等を適宜変更してよく、更には、冷却フィン24や伝熱フィン37の有無や形状、配置等は自在に変更してもよい。
The present invention is not limited only to the above-described embodiment, and the predetermined content described above is added to the carrier having a composition in which CeO 2 or CeO 2 is mixed with Al 2 O 3 at the predetermined mixing ratio described above. As long as the Cu-based CO
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。 Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 炭化水素系燃料
7 固体高分子型燃料電池
7a アノード
8 改質ガス
13 酸素又は空気
15,15aCO選択酸化反応器
16,16a ガス流路
17 Cu系CO選択酸化触媒
31 熱交換器
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