JP2001149783A - 炭化水素燃料改質用の触媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決課題】 圧力損失が低減されていると共に機械的
性質特に耐衝撃特性に優れる炭化水素燃料改質用の触媒
体を提供すること。 【解決手段】 本発明は、触媒層と該触媒層とを支持す
る担体とからなり、炭化水素燃料を水素と二酸化炭素と
一酸化炭素とからなる改質ガスに変化させる段階、前記
改質ガス中の一酸化炭素濃度を減少させる変成ガスに改
質する段階、前記変成ガス中の一酸化炭素を選択的に酸
化させることで一酸化炭素濃度を更に減少させる段階の
少なくともいずれかを有する炭化水素燃料の改質工程で
用いられる炭化水素燃料改質用の触媒体において、担体
は、金属からなり断面ハニカム構造を有することを特徴
とする炭化水素燃料改質用の触媒体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は炭化水素燃料改質用
の触媒体に関する。詳しくは、炭化水素燃料の改質工程
において、炭化水素燃料を水素と二酸化炭素と一酸化炭
素とからなる改質ガスに変化させる段階と、前記改質ガ
スを一酸化炭素濃度が減少させられた変成ガスに改質す
る段階と、前記変成ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化
させる段階のいずれかで使用される触媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車用電源としてその実用化が図
られている燃料電池の燃料ガスとしては、一般にコスト
面の問題からメタノール等の炭化水素燃料を原料とし、
これを水素と二酸化炭素との混合ガスに変換したものが
用いられる。

【０００３】この炭化水素燃料を燃料電池用の燃料ガス
へと変換させる工程としては、炭化水素燃料と水又は空
気と混合して、水素、二酸化炭素、一酸化炭素の混合ガ
スに変化させた改質ガスへとする工程（リフォーミング
工程）と、燃料電池用触媒に対する触媒被毒の原因とな
る一酸化炭素の分圧を減少させるため、改質ガス中の一
酸化炭素を二酸化炭素に酸化させ、変成ガスに変化させ
る段階とからなる。また、近年では変成ガス中の一酸化
炭素を更に減少させるべく、変成ガス中の微量一酸化炭
素を選択酸化させ、燃料ガスから一酸化炭素を完全に除
去する工程が含まれる場合もある。そして、これらの各
工程においては反応温度の低減、反応の促進を目的とし
て各種の触媒体が使用されている。

【０００４】従来、この炭化水素燃料改質用の触媒体と
しては、アルミナ、ムライト、コーディエライト等のセ
ラミックをペレット状に成形した担体に触媒金属を担持
させたものが用いられている。そして、この触媒を反応
容器に充填させたものにガスを導入することで所望の反
応を生じさせるようにしている。しかし、このペレット
状の触媒を用いる場合、反応速度の向上を図るために
は、容器内に多量の触媒を充填する必要がある。その結
果、反応器前後におけるガスの圧力損失が高くなるた
め、反応器に導入するために反応器入口側の圧力を高く
する必要が生じ、装置の大型化を伴う場合がある。

【０００５】この圧力損失の問題から、近年の炭化水素
燃料改質用触媒体においては、ペレット状触媒体に替え
て、セラミックを断面ハニカム構造を有する筒状の成形
体を担体とし触媒粒子を担持させたセラミックハニカム
触媒体を用いるのが一般的となっている。このセラミッ
クハニカム触媒体で適用される担体は、周囲がセラミッ
ク薄壁に囲まれる多数のセル（格子）からなり、反応ガ
スをこのセルに通過させることで、反応ガスと薄壁表面
に担持された触媒粒子とを接触させるものであり、上記
ペレット状触媒体を用いた場合に比べ圧力損失を低減さ
せることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ペレッ
ト状にしてもハニカムにしてもセラミック成形体を担体
とした触媒体は、担体の機械的強度、特に靭性に乏しい
ため、衝撃に弱くその取り扱いに注意を要する。とりわ
け、電気自動車用電源という燃料電池の今後の需要を考
慮すれば、この触媒体を車載用とした場合、自動車走行
により生じる振動により担体に亀裂が生じたり、触媒体
同士又は触媒体と触媒体容器との摩擦により触媒体が摩
耗することがある。

【０００７】そこで、本発明は従来の触媒体に比べて、
圧力損失が低減されると共に機械的性質特に耐衝撃特性
に優れる炭化水素燃料改質用の触媒体を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、触媒層と該触
媒層とを支持する担体とからなり、炭化水素燃料を水素
と二酸化炭素と一酸化炭素とからなる改質ガスに変化さ
せる段階、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を減少させ
る変成ガスに改質する段階、前記変成ガス中の一酸化炭
素を選択的に酸化させることで一酸化炭素濃度を更に減
少させる段階の少なくともいずれかを含む炭化水素燃料
の改質工程で用いられる炭化水素燃料改質用の触媒体に
おいて、担体は、金属からなり断面ハニカム構造を有す
ることを特徴とする炭化水素燃料改質用の触媒体であ
る。

【０００９】従来の炭化水素燃料改質用触媒体の担体と
して用いられているアルミナ、ムライト等のセラミック
の成形体は、微視的に見ればその構造は多孔質体であ
り、そのため担体としたときの触媒体の靭性を低下させ
るのである。本発明は、担体を構成する材料をセラミッ
クから金属に替えたものである。金属は、機械的強度が
高い上に、弾性を有し靭性に優れることから、衝撃に対
しても破損しにくく、緩衝材を使用することなく直接容
器に装填して使用することができる。従って、本発明の
触媒体は、自動車のように絶えず衝撃を受けるような機
器に搭載した場合においても高い信頼性を確保すること
ができる。

【００１０】また、上述のようにハニカム構造を有する
触媒体によれば、ペレット状触媒体に比べ反応器前後の
圧力損失が低減させることが可能となるが、本発明のよ
うに担体材料を金属とすることで、担体の強度を確保し
つつ各セルの壁厚を薄くすることができる。従って、本
発明によれば、従来のセラミックハニカム触媒に比べて
も圧力損失を低減させることができ、装置サイズの小型
化を図ることが可能となる。

【００１１】更に、金属は熱伝導率が良好であることか
ら、本発明のように担体を金属製とすることで、触媒の
熱伝導率を確保することができる。その結果、所定の反
応温度に加熱する際の加熱時間を短縮することができ、
エネルギー効率を高くすることができる。

【００１２】ここで、担体を構成する金属については、
特に限定されるものではないが、本発明の対象となる炭
化水素燃料改質工程の各反応における反応温度（６００
〜７００℃）を考慮すれば、耐酸化特性に優れた耐熱合
金、例えばステンレス系の耐熱合金材（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ
ｌ合金等）を用いるのが好ましい。

【００１３】ここで、本発明において触媒層を構成する
触媒金属は、目的とする炭化水素燃料の改質反応におい
て一般的なものを用いる。例えば、白金金属又は白金酸
化物を主成分とするＰｔ系触媒、ルテニウム金属又はル
テニウム酸化物を主成分とするＲｕ系触媒、ニッケル酸
化物を主成分とするＮｉ系触媒、銅と亜鉛の酸化物を主
成分とするＣｕ−Ｚｎ系触媒が一般的であり、これらの
触媒はリフォーミング工程、変成ガスの改質工程、一酸
化炭素選択酸化工程のいずれでも使用可能である。ま
た、一酸化炭素選択酸化工程に使用される触媒体おいて
は、ゼオライト触媒を担持したものが特に良い。ここで
使用されるゼオライトとしては、ＺＳＭ−５型ゼオライ
ト、Ａ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライ
ト、モルデナイトといったいずれのタイプのゼオライト
も使用できる。

【００１４】また、上記触媒粒子を担体に担持させる場
合、白金系触媒やルテニウム系触媒等の触媒の種類によ
っては、触媒層をウォッシュコートと触媒粒子とから構
成したものとするのが好ましい。ウオッシュコートによ
り、触媒粒子の分散度を高め触媒体全体の活性が向上す
るからである。このウオッシュコートとしては、アルミ
ナ、シリカ、ジルコニアを適用することができる。そし
て、触媒層を形成させる方法としては、ウオッシュコー
トの塗布と触媒粒子の担持とを別々にし、先にウオッシ
ュコートを塗布し、その後触媒粒子を担持させる場合の
他、先に触媒成分を含む液体を塗布する方法、又は両者
を混合した液体を担体に塗布することでウオッシュコー
トと触媒粒子とを同時に塗布する方法のいずれも適用す
ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面と共に説明する。

【００１６】図１は、本実施形態に係る炭化水素燃料改
質用触媒体１の概略斜視図である。炭化水素燃料改質用
触媒体１は、断面ハニカム構造の金属製担体２の表面上
に触媒層３を積層させている。そして、この触媒層３
は、触媒粒子４とウォッシュコート５とからなってい
る。

【００１７】この炭化水素燃料改質用触媒１の製造方法
は以下の通りである。まず、担体２の製造工程は図２に
示す通りである。図２に示すように、ステンレス系の耐
熱合金材（Ｆｅ―２０%Ｃｒ−５％Ａｌ―０．０８%Ｌ
ａ）からなる、波型フォイル１０と平形フォイル１１と
を多層に重ね合わせて巻き込むことで、断面ハニカム形
状の筒状の担体２とすることができる。尚、この担体の
単位面積あたりのセル数、つまりセル密度は、目的する
触媒体の径に応じて、波型フォイルの波数及び波形フォ
イルと平形フォイルとで形成される層の数を調整するこ
とで変化させることができる。

【００１８】以上の様に形成した担体２は、９００℃で
１５時間加熱処理を行う。これは、担体金属と、その後
に塗布するウオッシュコートとの密着強度を高めるため
のアンカーとして金属表面に酸化アルミニウムのウイス
カーを成長させるためである。尚、この熱処理は、本実
施形態のようにフォイルから担体を組み上げた後に行う
場合のみならず、先にフォイルに熱処理を行った後、担
体として組み上げても良い。

【００１９】次に、前処理を施した担体２に触媒層３を
形成させる。まず、ウオッシュコートを塗布するが、本
実施形態では、このウオッシュコートとしてジルコニア
のコロイド溶液中に上記担体を浸漬した後、吹き付け乾
燥させることにより塗布した。そして、触媒成分を含む
錯体を液状でスプレーすることにより触媒粒子として白
金粒子を担持させた。

【００２０】本実施形態に係る触媒体を内径５０ｍｍ、
内容量１００ｌのステンレス容器に充填し、振動試験を
行い触媒体の破損状況を確認した。振動試験は。ステン
レス容器を振動数３０Ｈｚ、振幅５ｍｍで１０時間振動
させ、剥離した触媒層の質量を測定することにより行っ
た。

【００２１】この結果、本実施形態に係る金属ハニカム
触媒体の触媒層の剥離量は、担持させた触媒層全体の１
％以下であった。これに対し、同一のステンレス容器に
充填したペレット状触媒体について同一の条件で振動試
験を行ったところ、充填した触媒体重量に対して約７％
の粉末（破損した担体、触媒層）が発生した。この結果
から、本実施形態に係る触媒体は振動に対して高い耐久
性を有することが確認された。

【００２２】次に、本実施形態に係る触媒体を同じステ
ンレス容器に充填し、５００℃のメタノール燃料を１０
０００ｈ^−１の空間速度で流す改質実験を行った。その
際に測定された圧力損失を、比較としてセラミックハニ
カム触媒体、ペレット触媒体における値と共に示すと表
１のようになる。

【００２３】

【表１】

【００２４】この表１から明らかなように、本実施形態
に係る触媒は圧力損失がセラミックハニカム触媒及びペ
レット触媒のいずれよりも低いことが確認された。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の炭化水素燃
料改質用の触媒体は、担体の構成材料を従来のセラッミ
クから金属にしたものであり、これにより機械的性質特
に耐衝撃特性に優れたものとすることができる。本発明
の炭化水素燃料改質用の触媒体は、特に、電気自動車用
の燃料電池電源への適用を可能とする

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る炭化水素燃料改質用の触媒体
の概略斜視図。

【図２】担体の製造工程を示す図。

【符号の説明】

１ 炭化水素燃料改質用触媒体 ２ 担体 ３ 触媒層 ４ 触媒粒子 ５ ウオッシュコート １０ 波型フォイル １１ 平型フォイル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】触媒層と該触媒層とを支持する担体とから
   なり、 炭化水素燃料を水素と二酸化炭素と一酸化炭素とからな
   る改質ガスに変化させる段階、前記改質ガス中の一酸化
   炭素濃度を減少させる変成ガスに改質する段階、前記変
   成ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化させることで一酸
   化炭素濃度を更に減少させる段階の少なくともいずれか
   を有する炭化水素燃料の改質工程で用いられる炭化水素
   燃料改質用の触媒体において、 前記担体は、金属からなり断面ハニカム構造を有するこ
   とを特徴とする炭化水素燃料改質用の触媒体。