CHEMKIN-PRO: メタン燃料を用いた水蒸気改質の反応シミュレーション

技術情報
詳細化学反応解析支援ソフトウェア
CHEMKIN-PRO: メタン燃料を用いた水蒸気改質の反応シミュレーション
Reaction Design社製CHEMKIN-PROは化学反応の解析を支援するために開発されたソフトウェアです。燃焼
反応をはじめとして、触媒表面上の反応や半導体基板上の薄膜成長反応など、幅広い分野の研究開発に活用
されています。本稿では、メタン（CH4）燃料を用いた水蒸気改質の反応シミュレーションについて紹介します。
■ 背景
化炭素（CO 2）に変え、触媒表面へ吸着させて無害化する
水蒸気改質とは、炭化水素系燃料と水蒸気（H 2 O）か
技術が用いられており、CO濃度を10ppm以下に抑える
ら水素（H 2 ）を生成する製造技術です。化学反応により
役割を担っています。これは、COが燃料電池のセルスタッ
炭化水素系燃料の組成や性質を変化させる操作のこと
クに混入すると電池性能が低下するため、燃料改質装置
を「改質」と呼びます。例えば、家庭用燃料電池には燃料
で発生したCOをできるだけ抑える必要があるためです。
改質装置が実装されており、都市ガス等から水素を取り
今回は、ソフトウェアに含まれる反応器モデルのなか
出す仕組みが取り入れられています（図1）。
からStagnation-flow Reac torとPlug-flow Reac tor
そこで本稿では、都市ガスや天然ガスの主成分である
（PFR）を選択して燃料改質装置のプロセスをモデル化し
メタンに注目し、燃料改質装置における水蒸気改質の反
ました（図3）。このシミュレーションモデルは、触媒表面
応シミュレーションについて取り上げました。
上の化学反応と進行方向の気体流れを同時に考慮する
ことができます。
図1 燃料改質装置の概略図
■ 熱平衡計算による予備考察
図3 燃料改質装置のプロセスモデル
温度と圧力による影響を調べるため、ソフトウェア付属
■ 化学反応機構
の熱力学データベースを用いて熱平衡計算を行いました
つぎに化学反応機構を定義します。ここではメタンを
（図2）。熱平衡状態において、高温かつ低圧条件下では、
メタンの改質を促進させる傾向にあることがわかります。
原料とする水蒸気改質反応について取り上げました。
水蒸気改質反応をひとつの化学反応式で表すとCH4 +
2H2O → 4H2+ CO2です。しかし実際は、気体の流れのなか
で反応したり、
触媒表面上で様々な化学種が吸着や脱離を
繰り返したりして、
複雑に反応が進行します。
それらひとつ
ひとつの反応素過程を記述したものが化学反応機構です。
今回は文献 1- 4 ）をもとに反応素過程をモデル化して、
化学反応機構を定義しました（図4）。化学種の数は87種、
反応式の数は432式です。ここで用いた触媒は、ロジウ
図2 熱平衡状態における温度・圧力の影響
ム（Rh）、ニッケル（Ni）、プラチナ（Pt）の3種類です。
■ 燃料改質装置のモデル化
燃料改質装置の製造プロセスは、一般的に、改質部、
CO変成部、CO浄化部で構成されます（図3）。各反応器に
は燃料を改質させるための仕掛けが含まれており、例え
ば改質部では燃料と水蒸気から水素を取り出すための
触媒が用いられています。さらにCO変成部とCO浄化部
では、燃料改質に伴い発生する一酸化炭素（CO）を、二酸
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図4 触媒表面上の化学反応機構（抜粋）
詳 細 化 学 反 応 解 析 支 援ソフトウェア
■ 反応シミュレーション
◇設定条件◇
シミュレーションモデルにRh、Ni、Pt系触媒の化学反応機
燃料改質装置 反応圧力：40 kPa
構と反 応速 度データを含めて、水蒸気改 質の反 応シミュ
-流入条件-
レーションを行いました。設定条件および反応器内のおも
原料：メタン（CH4 ）、水蒸気（H2O）
な化学反応は右記の通りです。とりわけ燃料改質装置内の
流速：130 cm/sec、流入温度：135℃
CO濃度に注目して計算を行いました。
-おもな化学反応-
本ソフトウェアを用いることで、化学種の濃度変化や触
改質部：Rh系触媒／表面温度 740℃ 媒表面上の被覆率の値を詳しく調べることが可能です。
改質反応 CH4 + H2O → 3H2 + CO
①
CO変成部：Ni系触媒／表面温度 375∼740℃ シフト反応 CO + H2O → H2 + CO2
②
CO浄化部：Pt系触媒／表面温度 150∼375℃
選択酸化反応 2CO + O2 → 2CO2
③
空気流入量：0.01 cm3/sec
■ CO濃度の推移
改質部において、原料ガスが触媒表面に近づくと、徐々に
改質反応①が進行します（図5）。シミュレーションの結果、ス
チームカーボン比1.4のときにCO濃度は触媒表面付近でおお
よそ7％となりました（表1）。スチームカーボン比は、供給する
図5 改質部における各化学種の濃度分布
水蒸気とメタンのモル比率を表します。
続いてCO変成部においても、引き続き改質反応①が進行
しますが、その後、すみやかにシフト反応②が優勢となり、
CO濃度が徐々に下がってCO2 濃度が上昇します（図6）。
さらにCO濃度を低減させるべく、CO浄化部に空気を供
給して選択酸化反応③を促進させます。このとき、触媒表
面の被覆率CO（s）の値が徐々に大きくなることがわかりま
した（図7）。これは、CO分子が触媒表面に吸着して、気体中
のCO濃度が下がることを意味します。それゆえCO浄化部
では、これら触媒作用により、最終的にCO濃度が10ppm以
下となることがわかりました。
図6 CO変成部における各化学種の濃度分布
■ 展望
石油や石炭などの化石燃料のなかで、比較的クリーンで環
境に優しいエネルギー資源のひとつが天然ガスです。昨今、
シェールガスに対する採掘技術の飛躍的な進歩に伴い、天
然ガスの可採年数が大幅に上昇することがわかりました。こ
れを受けて、天然ガス、とりわけメタン燃料に対する期待が
従前にも増して高まりつつあります。
さりとて、化石燃料の枯渇は徐々に深刻さを増しています。
限りあるエネルギー資源の有効利用に向けて、今後も触媒
技術を応用した研究開発が積極的に進められていくものと
期待されます。
1）G. P. Smith
GRI-Mech 3.0,
http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/.
図7 CO浄化部におけるCO濃度と被覆率の関係
2）N. E. McGuire
3）E. S. Hecht
4）K. Shah
394, 257-267
（2011）
.
295, 40-51（2005）.
28, 303-313（2005）.
表1 シミュレーション結果
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