JP2001347169A - メタノールの酸化的水蒸気改質反応による水素ガス製造触媒及びその製造法 - Google Patents

メタノールの酸化的水蒸気改質反応による水素ガス製造触媒及びその製造法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 メタノールの酸化的水蒸気改質反応による水
素製造触媒、その製造方法、及び該触媒を用いて水素ガ
スを製造する方法を提供する。 【解決手段】 Cu、Zn、Al、Zrの各硝酸塩水溶
液の混合物とNaOH水溶液及びNaCO3 水溶液を反
応させ、共沈法により沈殿物を生成させ、これをエージ
ング、ろ過、洗浄、乾燥してCuZnAlZr層状複水
酸化物からなる触媒前駆体を調製し、次いで、これを空
気雰囲気で熱分解してCuZnAlZr酸化物を得るこ
とから成るCuZnAlZr酸化物触媒の製造方法、前
記の方法で製造したメタノールの酸化的水蒸気改質反応
による水素製造用CuZnAlZr酸化物触媒、及びこ
のCuZnAlZr酸化物触媒を用いて、メタノールを
空気及び水蒸気共存下での酸化的水蒸気改質反応により
水素ガスに変換することから成る水素ガスの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本願発明は、新規なCuZn
AlZr酸化物触媒、その製造方法、及びこの触媒を用
いて、メタノールの部分酸化反応及び水蒸気改質反応を
同時に行って水素ガスを製造する方法(この反応を酸化
的水蒸気改質反応と呼ぶ)に関するものであり、さらに
詳しくは、メタノールの部分酸化反応及び水蒸気改質反
応の同時進行によりCOを全く含まない、あるいは極僅
かなCOしか含まない水素ガスの生成を可能とする、新
しいCuZnAlZr酸化物触媒、この触媒をハイドロ
タルサイト様層状複水酸化物から製造する方法、及びこ
の触媒を用いて、高い転化率及び選択率で水素ガスを製
造する方法に関するものである。本発明は、新規CuZ
nAlZr酸化物触媒、この触媒をハイドロタルサイト
様層状複水酸化物の熱分解により調製する方法、及びこ
の触媒を用いたメタノールの空気及び水蒸気共存下での
酸化的水蒸気改質反応による水素ガスの製造方法を提供
する。
【0002】
【従来の技術】化石燃料の枯渇が危惧される中、今日、
化石燃料に変わる新エネルギー源として水素が注目され
ている。水素は燃料電池の燃料となり、電気エネルギー
に変えられる。この場合、発電後の廃棄物は水のみであ
り、地球温暖化対策の点からもクリーンなエネルギー源
である。また、環境に負荷を与える窒素酸化物、イオウ
酸化物、炭化水素等も排出されず、環境に優しいエネル
ギー源である。燃料電池は大型で大出力の固定式及び小
型で軽量の移動式の両方式が有るが、自動車等での使用
が検討されている燃料電池は後者の移動式である。ここ
で問題となるのは、如何にして水素を得るかということ
である。その解決策の一つは、触媒を用いた以下のいず
れかの反応により、メタノールから水素を得る方法であ
る。 (1)メタノールの分解反応 CH3OH ⇔ 2H2 + CO △H = +92.0kJ/mol (2)メタノールの水蒸気改質反応 CH3OH + H2O ⇔ 3H2 + CO2 △H = +49.4kJ/mol (3)メタノールの部分酸化反応 CH3OH + (1/2)O2 ⇔ 2H2 + CO2 △H = −192.2kJ/mol △H :反応熱
【0003】上記反応で、得られた水素を燃料電池に導
入して電気に変換する際、ガス中にCOが痕跡(20p
pm)程度でも含まれると、それが燃料電池のPt電極
にダメージを与え、出力が急激に低下するという問題が
ある。したがって、水素ガス中にはCOが含まれないこ
とが望まれる。ところが、上記(1)の反応では水素と
共に大量のCOが生成し、上記(2)の反応でも(1)
の反応ほどではないが、100ppm以上のCOが生成
する。また、上記(3)の反応でも数10ppmのCO
が生成し、そのままでは燃料電池の燃料としては使用出
来ない。水素ガス中のCOを除去するために、水蒸気を
導入する、水性ガスシフト(water−gas sh
ift)反応(WGSR)、又は酸化反応が行われる
が、それに伴い、装置の大型化及びコスト高になるとい
う新たな問題が生じる。この水性ガスシフト反応及び酸
化反応の反応式を以下に示す。 (4)COの水性ガスシフト反応 CO + H2O ⇔ H2 + CO2 (5)COの酸化反応 CO + (1/2)O2 ⇔ CO2
【0004】したがって、新規触媒の開発によりCOを
発生させない水素製造法が待たれるところである。とこ
ろで、メタノールの部分酸化反応による水素製造方法と
して、CuOZnO触媒を使用する方法がある(T. Hua
ng and S. Wang, Appl. Catal., Vol.24,(1986) p.287.
)。この方法は、Cu:Zn(wt%)比=82:1
8〜7:93にてテスト実施した結果、Cu:Zn=4
0:60の触媒が、反応温度220〜290℃で最も高
活性を示した。しかし、触媒の活性劣化が1時間以内に
急速に生じた。また、酸素/メタノール比の増加と共に
CO濃度が増加した。
【0005】また、CuZn酸化物、CuZnAl酸化
物触媒による方法(L. Alejo, R. lago, M. A. Pena an
d J. L. G. Fierro, Appl. Catal., Vol.162 (1997) p.
281.)がある。このCuZn−酸化物触媒は、Cu:Z
n=20:80〜40:60であり、CuZnAl酸化
物−触媒は、Cu:Zn:Al=40:55:15であ
る。ここでは、触媒前駆体:Zn5 (CO32 (O
H)6 、Cu2 (CO3 )(OH)2 、Zn3 Cu2
(CO32 (OH)6 の混合物が加熱後ZnO,Cu
O混合物となる。反応温度は200〜230℃であり、
酸素/メタノール比は0.06である。さらに、Pd担
持ZnO触媒による方法(M. L. Cubeiro and J. L. G.
Fierro, J. Catal., Vol.179 (1998) p.150. )があ
る。このPd担持ZnO触媒のPd濃度は1〜5wt%
であり、反応温度は230〜270℃である。しかし、
この方法は、非常に高濃度(20〜40mol%)のC
Oを副生する。
【0006】このように、従来、メタノールの部分酸化
反応による水素製造方法が種々報告されているが、CO
を発生させない水素製造法としてはさらに改良すべき問
題があり、その開発が強く求められる。一方、メタノー
ルの水蒸気改質反応による水素の製造方法は数多くの報
告があるが、副生するCOを除去するために、水性ガス
シフト反応あるいは酸化反応を併用する必要があり、装
置の大型化及びコスト高が避けられない。このように、
従来、メタノールの部分酸化反応あるいは水蒸気改質反
応による水素ガスの製造方法が数多く報告されている
が、COを副生させない水素ガスの製造方法としてはさ
らに改良すべき課題があり、その解決が強く求められて
いる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このような状況の中
で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、メタノール
の部分酸化反応及び水蒸気改質反応を同時に行うこと
(酸化的水蒸気改質反応)により、高転化率及び高選択
率での水素ガス製造法を開発することを目標として鋭意
研究を進めたところ、(1)ハイドロタルサイト様層状
複水酸化物を共沈法で作製し、それを約450℃で加熱
することによりCuZnAlZr酸化物触媒を調製する
方法を見出し、また、(2)このCuZnAlZr酸化
物触媒を用いて、メタノールの酸化的水蒸気改質反応を
行ったところ、COを全く含まない、あるいは極僅かな
COしか含まない水素ガスの生成に成功し、本発明を完
成するに至った。すなわち、本発明は、メタノールの酸
化的水蒸気改質反応による水素ガスの製造方法に用いる
新規CuZnAlZr酸化物触媒を提供することを目的
とするものである。また、本発明は、ハイドロタルサイ
ト様層状複水酸化物からなる触媒前駆体から、上記Cu
ZnAlZr酸化物触媒を作製する方法を提供すること
を目的とするものである。さらに、本発明は、この触媒
を用いて、COを発生させない水素ガスを製造する方法
を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、以下の技術的手段から構成される。 (1)Cu、Zn、Al、Zrの各硝酸塩水溶液の混合
物とNaOH水溶液及びNaCO3 水溶液を反応させ、
共沈法により沈殿物を生成させ、これをエージング、ろ
過、洗浄、乾燥してCuZnAlZr層状複水酸化物か
らなる触媒前駆体を調製し、次いで、これを空気雰囲気
で熱分解してCuZnAlZr酸化物を得ることを特徴
とするCuZnAlZr酸化物触媒の製造方法。 (2)出発溶液中のCu、Zn、Al、Zrの分子比が
(Cu+Zn) /(Al+Zr) =2〜4である、前記
(1)に記載のCuZnAlZr酸化物触媒の製造方
法。 (3)前記(1)又は(2)に記載の方法により製造さ
れる、メタノールの酸化的水蒸気改質反応による水素製
造用CuZnAlZr酸化物触媒。 (4)前記(1)又は(2)に記載の方法で製造したC
uZnAlZr酸化物触媒を用いて、メタノールを空気
及び水蒸気共存下での酸化的水蒸気改質反応により水素
ガスに変換することを特徴とする水素ガスの製造方法。 (5)酸素/メタノール(モル比)=0.1〜0.5、
水蒸気/メタノール(モル比)=0.8〜2.0であ
る、前記(4)に記載の水素ガスの製造方法。 (6)反応温度が200〜250℃である、前記(4)
に記載の水素ガスの製造方法。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に、本発明についてさらに詳
細に説明する。本発明の新規触媒は、CuZnAlZr
酸化物からなる。このCuZnAlZ酸化物触媒は、次
のようにして製造される。出発材料として、Cu、Z
n、Al、Zrの各硝酸塩を用意し、これらの水溶液の
混合物とNaOH水溶液及びNaCO3 水溶液を反応さ
せて、共沈法により沈殿物を生成させる。この場合、上
記混合物を攪拌しながら、これにNaOH水溶液、Na
CO3 水溶液、あるいはNaOH水溶液とNaCO3
溶液の混合液を室温でpHが約9で一定になるようにし
て少しづつ添加し、沈殿物を生成させる。NaOH水溶
液、NaCO3 水溶液は、個別的にあるいは同時的に添
加すればよく、それらの添加方法は、特に制限されな
い。
【0010】出発液中のCu、Zn、Al、Zrの分子
比は、(Cu+Zn) /(Al+Zr) =2〜4である
ことが好ましい。なお、(Al+Zr)のうち、Alあ
るいはZrのいずれかの分子が無くても構わない。すな
わち、この場合の分子比は、(Cu+Zn) /Zr=2
〜4あるいは(Cu+Zn) /Al=2〜4であること
が好ましい。次に、上記沈殿物を、例えば、約65℃前
後でエージングし、ろ過後、これを脱イオン水などでろ
液のpHが中性になるまで洗浄し、乾燥してハイドロタ
ルサイト様層状複水酸化物のCuZnAlZr層状複水
酸化物からなる触媒前駆体を調製する。それらの手段及
び条件は、特に制限されない。
【0011】次に、このハイドロタルサイト様層状複水
酸化物からなる触媒前駆体を空気雰囲気で、例えば、約
450℃で熱分解してCuZnAlZr酸化物を調製す
る。熱分解の方法及び条件は、好適には、例えば、上記
触媒前駆体を電気炉に入れ、室温から約10℃min-1
程度で約450℃まで昇温後、約5時間保持する方法が
例示されるが、これらは、上記触媒前駆体が熱分解する
加熱温度、加熱時間を採用すればよく、特に制限されな
い。
【0012】次に、本発明の方法では、上記方法で製造
したCuZnAlZr酸化物触媒を用いて、メタノール
を空気及び水蒸気共存下で酸化的水蒸気改質反応により
水素ガスに変換することにより、水素ガスを製造する
が、この場合、COを副生させることなく、あるいは極
僅かなCOを副生させるだけで水素ガスを生成させる。
この場合、酸素/メタノール(モル比)は、好適には
0.1〜0.5であり、水蒸気/メタノール(モル比)
は、好適には0.8〜2.0であり、この範囲において
高転化率及び高選択率で水素ガスが生成する。また、反
応温度は、200〜250℃、さらに好適には220〜
240℃である。本発明は、メタノールの酸化的水蒸気
改質反応により、COを副生させることなく、水素ガス
を製造する方法を提供することを可能にするものとして
有用である。
【0013】
【実施例】次に、実施例により本発明をさらに具体的に
説明するが、本発明は以下の実施例により何ら限定され
るものではない。 実施例1 本実施例では、触媒前駆体/触媒を調製した。 1)方法 Cu、Zn、Al、Zrの各硝酸塩水溶液の混合物(C
u、Zn、Al、Zrの分子比が(Cu+Zn) /(A
l+Zr) =2〜4、(Cu+Zn) /Zr=2〜4、
(Cu+Zn) /Al=2〜4のいづれかになるように
混合)を攪拌しながらNaOH水溶液(濃度;約2
M)、NaCO3 水溶液(濃度;約0.3M)、あるい
はNaOH水溶液(濃度;約2M)とNaCO3 水溶液
(濃度;約0.3M)の混合液を室温でpHが約9で一
定になるようにして少しづつ添加し、沈殿物を得た。
【0014】次に、沈殿物を65℃、30分間、攪拌し
ながらエージングし、ろ過後、沈殿物を脱イオン水でろ
液のpHが7になるまで数回(3〜5回)洗浄した後、
70℃で乾燥して、CuZnAlZr層状複水酸化物
(触媒前駆体)を調製した。次に、このCuZnAlZ
r層状複水酸化物(触媒前駆体)を空気雰囲気の電気炉
で、450℃、5時間加熱してCuZnAlZr酸化物
(本発明の触媒)を調製した。 2)結果 本実施例で合成したCuZnAlZr酸化物触媒(45
0℃加熱後)の物理、化学的特性を表1に示す。表1中
において、触媒の名称はCZAZ−A〜Fで表し、前駆
体の金属Cu、Zn、Al、Zrの分子比は蛍光X線分
析(X-ray fluorescence spectroscopy)測定の結果、
BET は窒素吸着法から求めた比表面積、H2 消費量は
TPR(temperature programmed reduction)−N2
測定から求めた結果、SCu、DCu 、tCuはそれぞれCu
の比表面積、分散度、粒子径を表している。
【0015】
【表1】
【0016】実施例2 (メタノールの酸化的水蒸気改質反応による水素ガス製
造) 1)装置 本実施例の触媒実験に使用した酸化的水蒸気改質反応触
媒実験装置を図1に示す。この装置は次の構成からな
る。構成:小型電気炉7、石英ガラス製反応管(直径;
4mm)8、マイクロフィーダー(メタノールと水の混
合液供給装置)5、ガスクロマトグラフィー(ガス分析
器)10、記録計(ガスクロマトグラフィーの出力を記
録)11、アルゴンガスボンベ1、空気(酸素濃度;2
0.2%、窒素濃度;79.8%)ボンベ2、温度コン
トローラー9、リボンヒーター6、流量調整器3、4
【0017】2)実験条件及び方法 実験条件を次に示す。 (a)実験方法 実験は、常圧固定床流通式により以下の条件で行った。 触媒使用量:90mg 触媒粒径:0.30〜0.355mmφ 反応温度:180〜290℃ (b)還元法 測定に先立ちCuZnAlZr酸化物触媒の還元を行っ
た。すなわち、石英ガラス製反応管に詰められたCuZ
nAlZr酸化物触媒90mgに水素を10cm3 mi
-1で流しながら、触媒温度を室温から300℃まで5
℃min-1で昇温した。300℃、2時間保持した後、
測定温度まで降温し、測定に入った。
【0018】(c)測定方法 水/メタノール(モル比)=1.3をマイクロフィーダ
ーを用いて1.6又は2.5cm3-1の割合で触媒層
に導入した。空気(酸素濃度;20.2%、窒素濃度;
79.8%)を10〜20cm3 min-1、キャリアー
ガスとしてアルゴンガスを43cm3 min-1で導入し
た。反応生成物及び未反応物はオンラインで繋がった2
台のガスクロマトグラフィー(TCD検出器付)で分析
した。1台目のガスクロマトグラフィーはポラパックQ
の充填された2m長さの分離カラムが付いており、水、
メタノールの分析を行った。2台目のガスクロマトグラ
フィーは活性炭の充填された長さ2mの分離カラムが付
いており、水素、空気、CO、CO2 、メタンの分析を
行った。なお、測定データは反応開始後25時間後のも
のを使用した。
【0019】3)触媒 表1に示したCZAZ−A〜Fの6種類のCuZnAl
Zr酸化物触媒を使用し、還元操作を実施した後、測定
を行った。 4)測定結果 反応温度が230℃の場合の測定結果を表2に示す。表
2において、各触媒についてのメタノール転化率はmo
l%及びmmolkg(触媒) -1-1、水素生成量はm
molkg(触媒) -1-1、TOFはx103-1で示
されており、さらにCO及びCO2 選択率(mol%)
が示してある。
【0020】
【表2】
【0021】実施例3 (メタノールの部分酸化反応、水蒸気改質反応、酸化的
水蒸気改質反応の比較) CZAZ−C触媒を用い、反応温度が200〜290℃
における結果について図2に示す。図中、(A)はメタ
ノール転化率、(B)は水素生成量、(C)はCO及び
CO2 選択率の結果を示す。酸化的水蒸気改質反応にお
けるメタノール転化率は、反応温度が200℃から上昇
すると共に増加し、230℃で既に100mol%であ
った。一方、部分酸化反応及び水蒸気改質反応における
メタノール転化率は、酸化的水蒸気改質反応におけるそ
れに比べて低く、290℃でようやく100mol%で
あった(図2(A))。水素生成量については、メタノ
ールの酸化的水蒸気改質反応が部分酸化反応、水蒸気改
質反応に比べて多く、反応温度230℃で約1.7倍も
の水素が生成されることが判った(図2(B))。ま
た、酸化的水蒸気改質反応において、200〜230℃
の反応温度におけるCO選択率はゼロ、CO2 選択率は
100mol%であった(図2(C))。
【0022】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明は、メタノー
ルの酸化的水蒸気改質反応による水素製造の触媒、その
製造法、及びこの触媒を用いて、メタノールの酸化的水
蒸気改質反応により水素ガスを製造する方法に係るもの
であり、本発明により、1)メタノールの酸化的水蒸気
改質反応による水素ガス製造用CuZnAlZr酸化物
触媒を提供することができる、2)この触媒を用いて、
メタノールの酸化的水蒸気改質反応を行うことにより、
COを副生させないで水素ガスを製造することができ
る、3)新エネルギー源としての水素ガスの新しい生産
方法を提供することができる、等の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で用いた装置の説明図である。
【図2】CZAZ−C触媒を用い、メタノールの部分酸
化反応、水蒸気改質反応、酸化的水蒸気改質反応に及ぼ
す反応温度の効果を示す説明図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾崎 利彦 愛知県名古屋市北区八代町2丁目109番地 八代寮202号 Fターム(参考) 4G040 EA02 EA06 EA07 EB16 EC01 4G069 AA02 AA08 BB06A BB06B BC16A BC16B BC31A BC31B BC35A BC35B BC51A BC51B CC25 DA05 EB18Y EC02Y EC03Y FA01 FB09 FB34 FC08

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Cu、Zn、Al、Zrの各硝酸塩水溶
    液の混合物とNaOH水溶液及びNaCO3 水溶液を反
    応させ、共沈法により沈殿物を生成させ、これをエージ
    ング、ろ過、洗浄、乾燥してCuZnAlZr層状複水
    酸化物からなる触媒前駆体を調製し、次いで、これを空
    気雰囲気で熱分解してCuZnAlZr酸化物を得るこ
    とを特徴とするCuZnAlZr酸化物触媒の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 出発溶液中のCu、Zn、Al、Zrの
    分子比が(Cu+Zn) /(Al+Zr) =2〜4であ
    る、請求項1に記載のCuZnAlZr酸化物触媒の製
    造方法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の方法により製造
    される、メタノールの酸化的水蒸気改質反応による水素
    製造用CuZnAlZr酸化物触媒。
  4. 【請求項4】 請求項1又は2に記載の方法で製造した
    CuZnAlZr酸化物触媒を用いて、メタノールを空
    気及び水蒸気共存下での酸化的水蒸気改質反応により水
    素ガスに変換することを特徴とする水素ガスの製造方
    法。
  5. 【請求項5】 酸素/メタノール(モル比)=0.1〜
    0.5、水蒸気/メタノール(モル比)=0.8〜2.
    0である、請求項4に記載の水素ガスの製造方法。
  6. 【請求項6】 反応温度が200〜250℃である、請
    求項4に記載の水素ガスの製造方法。
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