DE10058365A1 - Katalysator und Verfahren zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid in einem Wasserstoff-enthaltenden Gas sowie Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp, welches einen solchen Katalysator nutzt - Google Patents
Katalysator und Verfahren zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid in einem Wasserstoff-enthaltenden Gas sowie Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp, welches einen solchen Katalysator nutztInfo
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Abstract
Ein Katalysator zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid in einem Wasserstoff-enthaltenden Gas umfasst einen Aluminiumoxidhydratträger und darauf geträgert mindestens Platin. Mit einem Aluminiumoxidhydrat als Träger ist der Katalysator gegenüber einer Deaktivierung beständig, welche durch einen Sauerstoff-enthaltenden Kohlenwasserstoff in einem Wasserstoff-reichen Gas verursacht wird. Das Verfahren zum selektiven Entfernen von Kohlenmonoxid umfasst die Schritte Zugeben von Sauerstoff zu einem Wasserstoff-reichen, Kohlenmonoxid-enthaltenden Gas in einer Menge, die erforderlich ist, um mindestens einen Teil des Kohlenmonoxids zu oxidieren, und Inkontaktbringen des resultierenden Gemischs mit dem Katalysator zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid. Das Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp nutzt das obige Verfahren zum selektiven Entfernen von Kohlenmonoxid.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator zur selektiven Oxidation
von Kohlenmonoxid, welches in einer Kraftstoffgaszufuhr zu einer Anode
einer Brennstoffzelle vom Festpolymerelektrolyttyp vorliegt, ein Verfahren
zum selektiven Entfernen von Kohlenmonoxid mit einem solchen Katalysator
und ein Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp mit einem
solchen Katalysator.
Da Brennstoffzellen vom Festpolymerelektrolyttyp eine hohe
Ausgangsleistungsdichte aufweisen, bei geringen Temperaturen betrieben
werden können und im Wesentlichen kein Schadstoffe enthaltendes Abgas
ausstoßen, erregen sie eine große Aufmerksamkeit als Energiequelle mit
geringer Umweltverschmutzung nicht nur für stationäre Anwendungen
sondern auch für Anwendungen in Fahrzeugen.
Im Allgemeinen wird als Kraftstoffgas für eine Brennstoffzelle komprimiertes
Wasserstoffgas, hochreines Wasserstoffgas, das von einem
Flüssigwasserstofftank zugeführt wird, oder wasserstoffreiches Gas, das
durch Reformieren von verschiedenen Kraftstoffen (z. B. Alkoholen oder
Kohlenwasserstoffen) durch einen Reformer erhalten wird, verwendet. Es
ist jedoch bekannt, dass Verunreinigungen, wie etwa Kohlenmonoxid,
verkohltes Gas u. dgl., die in wasserstoffreichem Gas vorliegen, das im
Anodenkatalysator enthaltene Pt deaktivieren, was in einer höheren
Polarisierung und somit einer geringeren Ausgangsleistung resultiert, wenn
ein wasserstoffreiches Gas in einem Niedertemperaturbetrieb, z. B. beim
Start eines Motors verwendet wird.
Zur Vermeidung solcher Nachteile sind Anoden bekannt, welche durch
Legieren von Pt mit einem Edelmetall, wie etwa Pd, Rh, Ir, Ru, Os, Au o. dgl.
oder mit einem unedlen Metall, wie etwa Sn, W, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu
o. dgl. erhalten werden. Diese Anoden sind jedoch nur begrenzt gegenüber
einer Deaktivierung mit CO beständig und werden durch ein
wasserstoffreiches Gas, welches 100 ppm oder mehr Kohlenmonoxid
enthält, merklich deaktiviert.
Es wurden deshalb Katalysatoren vorgeschlagen, die selektiv nur
Kohlenmonoxid aus einem Wasserstoff-reichen Gas entfernen können, ohne
einen Verlust an Wasserstoff. Als solche Katalysatoren zur selektiven
Oxidation von Kohlenmonoxid sind Katalysatoren bekannt, die durch
Trägern von Edelmetallen, wie etwa Pt oder Ru auf Träger, wie etwa
Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid o. dgl. erhalten werden. Das heißt,
Sauerstoff wird einem Wasserstoff-reichen Gas in im Wesentlichen den
gleichen Molen zugegeben, wie Kohlenmonoxid in dem Wasserstoff-reichen
Gas enthalten ist, und das resultierende gemischte Gas wird mit dem obigen
Katalysator in Kontakt gebracht, um selektiv Kohlenmonoxid zu entfernen
(U. S. Patent 5,248,566, japanische Patentveröffentlichung Nr. 39-21742,
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-295503 und japanische
Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-101302).
Reformierte Gase, die durch Reformieren von Sauerstoff-enthaltenden
Kohlenwasserstoffen, wie etwa Methanol o. dgl. erhalten werden, enthalten
einige Prozentanteile an Verunreinigungen, wie etwa nicht umgesetzte
Alkohole und Zwischenprodukte einer Alkoholzersetzung, und diese
Verunreinigungen (Sauerstoff-enthaltende Kohlenwasserstoffe)
deaktivieren signifikant den verwendeten Katalysator. Deshalb sind große
Katalysatorvolumen erforderlich, wenn ein großes Entfernungsverhältnis von
Kohlenmonoxid mit herkömmlichen Katalysatoren angestrebt wird.
Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuge müssen so klein wie möglich sein, da sie
in einem begrenzten Raum des Kraftfahrzeugs untergebracht werden; und
die in solchen Brennstoffzellen verwendeten Katalysatoren sollten
wünschenswerterweise ein hohes Entfernungsverhältnis von Kohlenmonoxid
für ein wasserstoffreiches Gas aufweisen, selbst wenn das
wasserstoffreiche Gas Sauerstoff-enthaltende Kohlenwasserstoffe enthält.
Die vorliegende Erfindung wurde vollendet, um die oben erwähnten
Probleme des Standes der Technik zu lösen, wobei darauf abgezielt wurde,
einen Katalysator zur Oxidation von Kohlenmonoxid in einem Wasserstoff-
reichen Gas mit hoher Selektivität bereitzustellen, selbst wenn das
wasserstoffreiche Gas Sauerstoff-enthaltende Kohlenwasserstoffe enthält;
ein Verfahren zum Entfernen von Kohlenmonoxid mit einem solchen
Katalysator bereitzustellen; und ein Brennstoffzellsystem vom
Festpolymerelektrolyttyp mit einem solchen Katalysator bereitzustellen.
Als Folge der intensiven Forschung zum Erreichen der obigen Ziele haben
die Erfinder festgestellt, dass mit einem Aluminiumoxidhydratträger, welcher
Platin trägt, ein Katalysator zur Oxidation von Kohlenmonoxid mit hoher
Selektivität in einem Wasserstoff-enthaltenden Gas erhalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde basierend auf den obigen Erkenntnissen
vollendet.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Katalysator bereit, der eine hohe
selektive Oxidationsaktivität für Kohlenmonoxid in einem Wasserstoff-
enthaltenden Gas aufweist, welcher einen Aluminiumoxidhydratträger und
darauf geträgert mindestens Platin umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Struktur bereit, umfassend ein
integrales, insbesondere einstückiges Trägerelement, beschichtet mit einem
Katalysator zum selektiven Oxidieren von Kohlenmonoxid, wobei der
Katalysator einen Aluminiumoxidhydratträger und darauf geträgert
mindestens Platin umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Entfernen von
Kohlenmonoxid aus einem Wasserstoff-reichen Gas, welches
Kohlenmonoxid enthält, bereit, wobei das Verfahren die Schritte Zugeben
von Sauerstoff zu dem Wasserstoff-reichen Gas, welches Kohlenmonoxid
enthält, in einer Menge, die erforderlich ist, um mindestens einen Teil des
Kohlenmonoxids zu oxidieren, und Inkontaktbringen des resultierenden
Gemisches mit dem obigen Katalysator zur selektiven Oxidation von
Kohlenmonoxid umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin Brennstoffzellsystem vom
Festpolymerelektrolyttyp bereit, welches mindestens einen Reaktor umfasst,
der einen Katalysator zum selektiven Oxidieren von Kohlenmonoxid oder
eine Struktur enthält, die den Katalysator auf einem integralen
Trägerelement beschichtet aufweist, wobei der Katalysator einen
Aluminiumoxidhydratträger und darauf geträgert mindestens Platin umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellsystem
vom Festpolymerelektrolyttyp einen Kraftstoffbehälter, einen Reformer,
einen Reaktor zur katalytischen Kohlenoxid-Konvertierung, einen Reaktor
zum selektiven Oxidieren von Kohlenmonoxid mit dem obigen Katalysator
und eine Brennstoffzelle vom Festpolymerelektrolyttyp, die in dieser
Reihenfolge angeordnet sind.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die Beziehung zwischen der
Katalysatortemperatur (°C) und der Konzentration an CO (ppm) in einem
Austrittsgas zeigt; und
Fig. 2 ist eine graphisch Darstellung, die das Retentionsverhältnis
(%) der CO-Entfernungsfähigkeit zeigt, wenn Methanol einem Wasserstoff-
reichen Gas zugegeben wurde.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail erklärt.
Der Katalysator der vorliegenden Erfindung umfasst auf einem
Aluminiumoxidhydratträger geträgertes Platin. Das als Träger für den
Katalysator verwendete Aluminiumoxidhydrat ist eine Verbindung, die im
Verlauf der Überführung von Aluminiumhydroxid in Aluminiumoxid durch
Brennen und Dehydratisieren erhalten wird und wird durch die chemische
Formel Al2O3 . nH2O (n = 1-3) dargestellt.
Verbindungen der obigen chemischen Formel, worin n = 3, können z. B.
Bayerit, Gibbsit und Nordstrandit umfassen. Für Verbindungen der
chemischen Formel, worin n = 2, gibt es keine bekannten Verbindungen,
welche eindeutige Kristallformen aufweisen, auch wenn es davon Gel-artige
Verbindungen gibt. Für Verbindungen der chemischen Formel, worin n =
1, gibt es z. B. Diaspor und Boehmit. Unter diesen Verbindungen sind
Boehmit, Boehmitgel, Pseudo-Boehmit und Gemische von zwei oder
mehreren davon bevorzugt.
Auch wenn der in der vorliegenden Erfindung verwendete
Aluminiumoxidhydratträger keine spezielle Begrenzung hinsichtlich der
spezifischen BET-Oberfläche aufweist, ist die spezifische Oberfläche des
Aluminiumoxidhydratträgers bevorzugt 150 m2/g oder mehr, mehr bevorzugt
200 m2/g oder mehr, zweckmäßigerweise 200 bis 400 m2/g.
Das Aluminiumhydroxid, ein Rohmaterial für Aluminiumoxidhydrat, kann
durch bekannte Verfahren erhalten werden, wie etwa Neutralisierung von
Aluminiumsulfat, Hydrolyse von Aluminiumalkoxid u. dgl. Von diesen
Verfahren ist die Hydrolyse von Aluminiumalkoxid bevorzugt, mit welcher
ein Aluminiumoxidhydrat hergestellt werden kann, welches keine
Verunreinigungen enthält und welches eine hohe spezifische BET-Oberfläche
aufweist.
Wie oben erwähnt umfasst der Katalysator der vorliegenden Erfindung
Platin, welches auf einem Aluminiumoxidhydratträger geträgert ist. Auch
wenn es keine besondere Beschränkung hinsichtlich des Zustands des auf
einem Aluminiumoxidhydratträger geträgerten Pt gibt, ist das Pt bevorzugt
im Zustand des reinen Metalls oder einem Niedervalenzzustand, wie etwa
als PtO, PtO2 o. dgl. Zwei oder mehrere dieser Zustände können
nebeneinander vorliegen. Von diesen Zuständen ist ein metallischer Zustand
besonders bevorzugt.
Auch wenn es keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Menge an
geträgertem Pt gibt, beträgt die Menge an Pt bevorzugt 0,1 bis 20 Gew.-%,
mehr bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-% als Metall ausgedrückt, bezogen auf die
Masse des Katalysators.
Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich des
Herstellungsverfahrens des Katalysators der vorliegenden Erfindung. Der
Katalysator der vorliegenden Erfindung kann durch herkömmliche Verfahren,
wie etwa Imprägnierung, Wasserabsorption, Evaporation und Trocknen
u. dgl. hergestellt werden. Der Katalysator kann z. B. durch Zugabe einer
Lösung oder Suspension einer Platinverbindung (eines Ausgangsmaterials)
zu einem Trägerpulver, Trocknen des resultierenden Gemisches durch
Verdampfen, Unlöslich machen der Träger-geträgerten Komponente mit
einer Säure oder einer Base und dann Unterziehen des resultierenden
Materials einer Reduzierungsbehandlung zur Aktivierung der Träger
geträgerten Komponente hergestellt werden.
Die Platinverbindungen als Ausgangsmaterialien können z. B. Platinsäure,
Platinhalogenide, (z. B. Platinchlorid, Platinbromid und Platinjodid),
Platinsulfid, Platinselenid, Platintellurid, halogenierte Platinsäuren (z. B.
Chlorplatinsäure, Bromplatinsäure und Jodplatinsäure), Alkalimetall- oder
Ammoniumsalze von Platinsäure, Chlorplatinsäure o. dgl. (z. B.
Natriumchlorplatinat und Natriumplatinat), Platinsalze von anorganischen
Säuren, Organoplatinverbindungen (z. B. Trichlorethylenplatinat und
Platincarbonylverbindungen) und Platinkomplexe umfassen.
Nachdem die obige Platinverbindung auf einem Trägerpulver geträgert ist,
kann die Unlöslichmachung durch ein herkömmliches Verfahren
durchgeführt werden. Wenn die Platinverbindung eine saure
Platinverbindung ist, wird eine Behandlung mit einer Base durchgeführt, und
wenn die Platinverbindung eine basische Platinverbindung ist, wird eine
Behandlung mit einer Säure durchgeführt. In jedem Fall kann eine
Neutralisierung und Präzipitation stattfinden.
Für die Reduktionsbehandlung zur Aktivierung der unlöslich gemachten auf
dem Trägerpulver geträgerten Komponente kann ein
Nassreduktionsverfahren verwendet werden, in dem die unlöslich gemachte
Komponente mit einem Reduktionsmittel, wie etwa Ameisensäure, Formalin,
Hydrazin o. dgl. behandelt wird, oder ein Gasphasenreduktionsverfahren
verwendet werden, in dem die unlöslich gemachte Komponente in einem
Wasserstoff-enthaltenden Gasstrom behandelt wird.
Beim Nassreduktionsverfahren beträgt die Behandlungstemperatur
üblicherweise von Raumtemperatur bis 100°C und die Behandlungsdauer
beträgt 24 Stunden oder weniger. Bevorzugt beträgt die
Behandlungstemperatur 40 bis 60°C und die Behandlungszeit beträgt 30
Minuten bis 4 Stunden.
Beim Gasphasen-Reduktionsverfahren gibt es keine Beschränkung
hinsichtlich des verwendeten Wasserstoffgehalts im Gas, auch wenn es
bevorzugt ist, ein Gas zu verwenden, welches Wasserstoff in einer Menge
von 5 bis 20 Vol.-% enthält, wobei der Rest im Wesentlichen Stickstoff ist.
Die Behandlungstemperatur beträgt üblicherweise von Raumtemperatur bis
400°C, bevorzugt 100 bis 250°C. Die Behandlungsdauer beträgt
üblicherweise 10 Minuten bis 4 Stunden, bevorzugt 30 Minuten bis 2
Stunden.
Der Katalysator kann nach der Reduktionsbehandlung ohne weitere
Behandlung verwendet werden, auch wenn er bevorzugt gewaschen wird.
Waschen entfernt unlösliche Zersetzungsbestandteile, die aus der
Platinverbindung gebildet wurden und Zersetzungsbestandteile, die aus dem
Reduktionsmittel gebildet wurden.
Im Herstellungsverfahren des Katalysators der vorliegenden Erfindung sind
die Temperaturen in allen Behandlungsschritten bevorzugt 400°C oder
niedriger. Eine Behandlungstemperatur von höher als 400°C würde das als
Träger verwendete Aluminiumoxidhydrat unerwünschterweise in ein
Übergangsaluminiumoxid, wie etwa den γ-Typ, δ-Typ, η-Typ, θ-Typ, κ-Typ,
χ-Typ o. dgl. überführen und den Zustand des Katalysatormetalls ändern.
Wie der Katalysator der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht
besonders begrenzt. Zum Beispiel ist es möglich, einen wie oben
hergestellten Katalysator mit einem Bindemittel zu mischen und das
resultierende Gemisch in eine gewünschte Form durch Zusammenpressen,
Extrudieren o. dgl. zu bringen. Der Träger kann in die gewünschte Form
gebracht werden, bevor eine Platinverbindung auf dem Träger geträgert
wird. Der Träger für den Katalysator der vorliegenden Erfindung ist nicht auf
eine bestimmte Form begrenzt und somit kann er beispielsweise in Form
einer Kugel, eines Pellets, eines Zylinders, einer Bienenwabe, einer Spirale,
eines Körnchens und eines Rings vorliegen. Die Form, Größe usw. des
Trägers kann jeweils abhängig von den Anwendungsbedingungen des
Katalysators festgelegt werden.
Es ist auch möglich, den Katalysator auf ein integrales Trägerelement
aufzubringen, um eine Katalysator-beschichtete Struktur bereitzustellen. Die
integralen Trägerelemente können z. B. Bienenwaben-artige oder geschäumte
Keramiken (z. B. Cordierit, Mullit oder Ferrit) oder Metalle (z. B. rostfreier
Stahl) sein.
Die Katalysator-beschichtete Struktur kann durch Beschichten des
Katalysators der vorliegenden Erfindung auf das oben erwähnte integrale
Trägerelement mit oder ohne ein geeignetes Bindemittel durch ein
Beschichtungsverfahren wie etwa Waschbeschichten o. dgl. hergestellt
werden. Alternativ kann die Katalysator-beschichtete Struktur hergestellt
werden, indem nur ein Träger auf ein integrales Trägerelement beschichtet
wird, und dann eine Platinverbindung auf das integrale Trägerelement
aufgebracht wird.
Das Bindemittel kann ein herkömmliches Bindemittel sein, wie etwa ein
Aluminiumoxid-Sol, Silika-Sol, Aluminiumnitrat o. dgl.
Es wird nun das Verfahren zum selektiven Entfernen von Kohlenmonoxid
gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt. In dem Verfahren wird Sauerstoff
zu einem Wasserstoff-reichen Gas, welches Kohlenmonoxid enthält, in einer
erforderlichen Menge zugegeben, um mindestens einen Teil des in dem
obigen Gas enthaltenen CO zu oxidieren und das resultierende Gemisch wird
mit dem Katalysator der vorliegenden Erfindung in Kontakt gebracht, um
selektiv nur CO zu oxidieren und zu entfernen, wobei im Wesentlichen kein
Wasserstoff verloren geht. Das Verfahren wird z. B. auf ein Gas, zugeführt
von einem Reaktor zur katalytischen Kohlenoxid-Konvertierung eines
Brennstoffzellsystems vom Festpolymerelektrolyttyp, wie später
beschrieben, angewandt.
Der Sauerstoff wird üblicherweise in Form von Luft zugegeben.
Hochkonzentrierter Sauerstoff ist für die Oxidation von CO vorteilhaft, auch
wenn überschüssiger Sauerstoff auch Wasserstoff oxidiert. Um ein hohes
Entfernungsverhältnis (%) von CO ohne Verringerung des
Rückgewinnungverhältnisses (%) von Wasserstoff zu erzielen, beträgt das
molare Verhältnis von Sauerstoff zu CO bevorzugt 0,5 bis 2,5, mehr
bevorzugt 0,7 bis 1,5.
Die Temperatur, bei der das Gas in Kontakt mit dem Katalysator gebracht
wird, beträgt bevorzugt 60 bis 220°C, mehr bevorzugt 100 bis 170°C.
Die Raumgeschwindigkeit des Gases (GHSV) beträgt üblicherweise 5000 bis
150.000/h, bevorzugt 10.000 bis 100.000/h.
Mit dem Entfernungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann die CO-
Konzentration im Gas auf 100 ppm oder weniger, falls nötig auf 50 ppm
oder weniger, weiterhin sogar auf 30 ppm oder weniger mit einem
Rückgewinnungsverhältnis von Wasserstoff in der Höhe von 98% oder
mehr verringert werden.
Ein höheres Entfernungsverhältnis (%) von CO als in herkömmlichen
Verfahren kann mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erreicht
werden, selbst wenn das zu behandelnde Gas einige Prozent an nicht
reformierten Bestandteilen, wie etwa Kohlenwasserstoffen (z. B. Methan),
Sauerstoff-enthaltenden Kohlenwasserstoffen (z. B. Methanol) u. dgl.
zusammen mit 20 bis 30% H2O, CO2 und N2 enthält.
Das Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp der vorliegenden
Erfindung umfasst mindestens einen Reaktor zum selektiven Oxidieren von
Kohlenmonoxid unter Verwendung des Katalysators der vorliegenden
Erfindung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das
Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp der vorliegenden
Erfindung gebildet durch:
- a) einen Behälter für einen Kraftstoff, umfassend einen Kohlenwasserstoff und/oder einen Sauerstoff-enthaltenden Kohlenwasserstoff;
- b) einen Reformer, zu dem der obige Kraftstoff, Wasser und gegebenenfalls Luft zugeführt werden, um in Kontakt mit einem Reformierungskatalysator gebracht zu werden, um H2, CO und CO2 zu erzeugen;
- c) einen Reaktor zur katalytischen Kohlenoxid-Konvertierung, in dem das im Reformer gebildete reformierte Gas mit Dampf gemischt wird und das resultierende Gemisch in Kontakt mit einem Katalysator gebracht wird, um die CO-Konzentration in dem Gemisch auf 2 Vol.-% oder weniger zu verringern;
- d) einen Reaktor, in dem das im Reaktor zur katalytischen Kohlenoxid-Konvertierung gebildete Gas mit einer vorbestimmten Luftmenge vermischt wird und das resultierende Gemisch mit dem Katalysator der vorliegenden Erfindung in Kontakt gebracht wird, um selektiv Kohlenmonoxid zu oxidieren, wodurch die CO-Konzentration im Gemisch auf 100 ppm oder weniger verringert wird und
- e) eine Brennstoffzelle vom Festpolymerelektrolyttyp.
Eine der obigen Bestandteile können zusammengefasst werden oder andere
Bestandteile können dem System der vorliegenden Erfindung hinzugefügt
werden. Wenn z. B. Methanol als Kraftstoff verwendet wird, kann der
Reaktor zur katalytischen Kohlenoxid-Konvertierung in den Reformer als eine
Einheit inkorporiert werden. Da 10 bis 20% H2 ungenutzt im Abgas von der
Anode der Brennstoffzelle vom Festpolymerelektrolyttyp verbleiben, ist es
möglich, einen katalytischen Brenner dem System der vorliegenden
Erfindung hinzuzufügen, sodass das Anodenabgas und Luft dem
katalytischen Brenner zugeführt werden, um den restlichen Wasserstoff zu
verbrennen und die resultierende Verbrennungswärme z. B. für die
Verdampfung von als Kraftstoff verwendetem Methanol zu nutzen.
In dem Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp der vorliegenden
Erfindung nutzt der Reaktor zum selektiven Oxidieren von Kohlenmonoxid
den Katalysator der vorliegenden Erfindung, der eine hervorragende
Selektivität zur Oxidation von CO aufweist, und somit können der
Katalysator und der Reaktor klein gemacht werden, wobei ein
wasserstoffreiches Gas mit geringer CO-Konzentration der stromab davon
gelegenen Brennstoffzelle zugeführt wird. Als Folge kann die Deaktivierung
des Anodenkatalysators unterdrückt werden, wodurch die Lebenszeit des
Anodenkatalysators verlängert wird.
Die vorliegende Erfindung wird genauer durch die folgenden Beispiele
erläutert, ohne dass dadurch der Umfang der vorliegenden Erfindung, wie
er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, beschränkt werden soll.
In einen abtrennbaren Kolben, ausgestattet mit einem Rückflusskühler,
wurden 500 g Aluminiumisopropoxid (Chemikalie in Spezialqualität,
erhältlich von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) und 3 kg reines Wasser
eingebracht. Der Kolbeninhalt wurde bei 80°C für 24 Stunden gerührt, um
das Aluminiumisopropoxid vollständig zu hydrolysieren und
Aluminiumhydroxid zu präzipitieren. Das Aluminiumhydroxidpräzipitat wurde
mit einer großen Menge an reinem Wasser gewaschen und dann in einem
Ofen bei 400°C für 1 Stunde wärmebehandelt, um einen Träger (Boehmit)
zur Katalysatorherstellung zu erhalten.
In einen abtrennbaren Kolben wurden 0,29 g Chlorplatinsäure (Chemikalie
in Spezialqualität, erhältlich von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 24,9 g
des oben erhaltenen Boehmits und 100 ml Wasser gegeben. Weiterhin
wurde dazu eine geeignete Menge einer wässrigen Kaliumhydroxidlösung
zur Einstellung des pH-Werts auf 10 zugegeben, um eine
Platinaufschlämmung zu erhalten. Getrennt davon wurden 0,18 g
Natriumborhydroxid in 13,8 g Wasser gelöst, um eine Reduktionslösung
herzustellen. Während die Platinaufschlämmung bei 50°C gehalten wurde,
wurde die Reduktionslösung in die Platinaufschlämmung über 4 Minuten
tropfenweise eingebracht, um eine Reduktionsbehandlung durchzuführen.
Der resultierende Feststoff wurde durch Filtration gesammelt, mit Wasser
gewaschen, bei 120°C für 2 Stunden getrocknet, um 25 g eines
Katalysatorpulvers zu erhalten, welches 0,46% Pt, geträgert auf einem
Boehmit-Trägerpulver aufwies. Das resultierende Katalysatorpulver wurde
durch eine 8 Tonnen Presse zusammengedrückt und zerkleinert. Das
resultierende Material wurde gesiebt, um Teilchen mit 80 bis 100 mesh als
Katalysatorprobe zu erhalten.
In einen abtrennbaren Kolben wurden 0,29 g Chlorplatinsäure (Chemikalie
in Spezialqualität, erhältlich von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 24,9 g
γ-Aluminiumoxid (TA-2301, erhältlich von Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
und 100 ml Wasser eingeführt. Dazu wurde eine geeignete Menge an
wässriger Kaliumhydroxidlösung zur Einstellung des pH-Werts auf 10
zugegeben, um eine Platinaufschlämmung zu erhalten. Getrennt davon
wurden 0,18 g Natriumborhydroxid in 13,8 g Wasser gelöst, um eine
Reduktionslösung herzustellen. Während die Platinaufschlämmung bei 50°C
gehalten wurde, wurde die Reduktionslösung in die Platinaufschlämmung
über 4 Minuten tropfenweise eingebracht, um eine Reduktionsbehandlung
durchzuführen. Der resultierende Feststoff wurde durch Filtration
gesammelt, mit Wasser gewaschen, bei 120°C für 2 Stunden getrocknet,
um 25 g eines Katalysatorpulvers zu erhalten, welches 0,46% Pt, geträgert
auf einem Aluminiumoxidträgerpulver aufwies.
Das Katalysatorpulver wurde durch eine 8 Tonnen Presse
zusammengedrückt und zerkleinert. Das resultierende Material wurde
gesiebt, um Teilchen mit 80 bis 100 mesh als Katalysatorprobe zu erhalten.
Die Katalysatorproben in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden
hinsichtlich der selektiven Oxidationsaktivität für CO in einem Wasserstoff-
enthaltenden Gas durch das folgende Verfahren bewertet.
0,5 cm3 jeder Katalysatorprobe wurde in ein Quarzreaktionsröhrchen mit
einem Innendurchmesser von 8 mm gegeben. Eines der folgenden Gase mit
verschiedenen Zusammensetzungen wurde durch das Röhrchen bei einer
Rate von 20 Liter pro Stunde geleitet, während es auf 160°C, 180°C
bzw. 200°C vorgewärmt war. Das umgesetzte Gas wurde durch
Gaschromatographie analysiert. Die in den Austrittsgasen gemessenen CO-
Konzentrationen sind in Fig. 1 gezeigt und die Entfernungsverhältnisse (%)
von CO sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Retentionsverhältnisse (%) der CO-
Entfernungsfähigkeit im Fall von zugegebenem Methanol sind in Fig. 2
gezeigt.
Wasserstoff | 43,7%, |
CO | 8,050 ppm, |
CO2 | 18,4%, |
O2 | 1,23%, |
H2O | 22% und |
Stickstoff | Rest. |
Wasserstoff | 43,7%, |
CO | 8,050 ppm, |
CO2 | 18,4%, |
O2 | 1,23%, |
H2O | 21%, |
Methanol | 1% und |
Stickstoff | Rest. |
Wie aus Tabelle 2 deutlich wird, war in Vergleichsbeispiel 1 unter
Verwendung eines γ-Aluminiumoxidträgers das Entfernungsverhältnis (%)
von CO sehr gering für das Methanol-enthaltende Gas (wasserstoffreiches
Gas B). Im Gegensatz dazu war in Beispiel 1 unter Verwendung eines
Boehmit-Trägers das Retentionsverhältnis (%) der CO-Entfernungsfähigkeit
hervorragend.
Der Katalysator der vorliegenden Erfindung umfassend Platin, geträgert auf
einem Aluminiumoxidhydratträger, zeigt eine hervorragende Selektivität zur
Oxidation von Kohlenmonoxid, welches in einem Wasserstoff-enthaltenden
Gas vorliegt. Der Katalysator der vorliegenden Erfindung zeigt auch eine
hervorragende Oxidationsselektivität bei der Entfernung von CO aus einem
Wasserstoff-reichen Gas, welches einen Sauerstoff-enthaltenden
Kohlenwasserstoff enthält, das durch ein Alkoholreformieren o. dgl. erhalten
wird. Mit dem Katalysator der vorliegenden Erfindung kann das System zum
Entfernen von CO aus einem durch Alkoholrefomieren erhaltenen
Wasserstoff-reichen Gas klein gemacht werden.
Ein Katalysator zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid in einem
Wasserstoff-enthaltenden Gas umfasst einen Aluminiumoxidhydratträger
und darauf geträgert mindestens Platin. Mit einem Aluminiumoxidhydrat als
Träger ist der Katalysator gegenüber einer Deaktivierung beständig, welche
durch einen Sauerstoff-enthaltenden Kohlenwasserstoff in einem
Wasserstoff-reichen Gas verursacht wird. Das Verfahren zum selektiven
Entfernen von Kohlenmonoxid umfasst die Schritte Zugeben von Sauerstoff
zu einem Wasserstoff-reichen, Kohlenmonoxid-enthaltenden Gas in einer
Menge, die erforderlich ist, um mindestens einen Teil des Kohlenmonoxids
zu oxidieren, und Inkontaktbringen des resultierenden Gemischs mit dem
Katalysator zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid. Das
Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp nutzt das obige
Verfahren zum selektiven Entfernen von Kohlenmonoxid.
Claims (8)
1. Katalysator zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid in einem
Wasserstoff-enthaltenden Gas, welcher einen
Aluminiumoxidhydratträger und darauf geträgert mindestens Platin
umfasst.
2. Katalysator zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid nach
Anspruch 1, worin das Aluminiumoxidhydrat mindestens eines
ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Boehmit, Pseudo-Boehmit
und Boehmit-Gel ist.
3. Struktur umfassend ein integrales Trägerelement, beschichtet mit
einem Katalysator zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid,
worin der Katalysator einem Aluminiumoxidhydratträger und darauf
geträgert mindestens Platin umfasst.
4. Struktur nach Anspruch 3, worin das Aluminiumoxidhydrat
mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus
Boehmit, Pseudo-Boehmit und Boehmit-Gel ist.
5. Verfahren zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus einem Wasserstoff-
enthaltenden Gas, umfassend die Schritte
- a) Zugeben von Sauerstoff zu dem Wasserstoff-reichen, Kohlenmonoxid enthaltenden Gas in einer Menge, die erforderlich ist, um mindestens einen Teil des Kohlenmonoxids zu oxidieren und
- b) Inkontaktbringen des resultierenden Gemisches mit einem Katalysator zur selektiven Oxidiation von Kohlenmonoxid oder mit einer Struktur, welche den Katalysator auf einem integralen Trägerelement beschichtet aufweist, worin der Katalysator einen Aluminiumoxidhydratträger und darauf geträgert mindestens Platin umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Aluminiumoxidhydrat
mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus
Boehmit, Pseudo-Boehmit und Boehmit-Gel ist.
7. Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp, umfassend
mindestens einen Reaktor zum selektiven Oxidieren von
Kohlenmonoxid, wobei der Reaktor einen Katalysator zur selektiven
Oxidation von Kohlenmonoxid oder eine Struktur, die den Katalysator
auf einem integralen Trägerelement beschichtet aufweist, enthält,
wobei der Katalysator einen Aluminiumoxidhydratträger und darauf
geträgert mindestens Platin umfasst.
8. Brennstoffzellsystem vom Festpolymerelektrolyttyp nach Anspruch
7, worin das Aluminiumoxidhydrat mindestens eines ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Boehmit, Pseudo-Boehmit und Boehmit-
Gel ist.
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