JP2002282691A - メタノール改質による水素製造用触媒 - Google Patents

メタノール改質による水素製造用触媒

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catalyst
methanol
reforming catalyst
zno
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Yasuo Saito
保夫 斎藤
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Japan Science and Technology Agency
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Japan Science and Technology Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 CO生成を抑制したメタノール改質触媒の提
供 【解決手段】 Pd−CeO2−ZnO系触媒のそれぞ
れを構成する原料化合物をこれらの溶媒に溶解し、均一
に混合した後、加熱して前記溶液を濃縮し、該濃縮物を
加熱・原料化合物を分解し、得られた分解物を粉砕後再
加熱することにより得られた触媒構成成分の酸化物の微
結晶からなる混晶を得、Pd酸化物を還元して前記酸化
物微結晶にPdを担持した構造からなるメタノール改質
触媒。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、メタノールの改質
により水素を製造するのに用いられる触媒であり、特に
該改質工程でのCO副生を極めて少なくなるように改良
した触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は高効率で排気ガスが少なく、
環境に優しいクリーンな発電システムとして認識され、
多くの研究がなされている。現在検討されている燃料電
池は、1,リン酸型、2,溶融炭酸塩型3,固体電解質
型、4固体高分子型の4種類に大別できる。中でも固体
高分子型は、動作温度が常温程度であり発電効率が高い
ため、電気自動車や可搬用電源、ビルや家庭の定置用分
散電源として期待されている。固体高分子型燃料電池
(PEFC)においては、燃料に水素が使われるが、該
燃料水素をメタノールの改質により生成させて供給する
方式では、メタノール改質器が組み込まれている。一
方、燃料電池のコンパクト化は、燃料電池が電気自動車
や可搬用電源としての需要が大きいことから、必須のこ
とである。したがって、メタノールを水素燃料源とする
限り、メタノール改質器のコンパクト化が必要である。
また、低温動作のPEFCでは、白金系の触媒が使用さ
れており、該触媒は改質ガスに含まれるCOに被毒さ
れ、性能が低下する問題があった。そこで、改質ガスに
含まれる一酸化炭素(CO)の濃度の大幅な低減を目的
として、メタノールの改質触媒そのものを、COの生成
の少ないものにする工夫、副生したCOをシフト反応を
利用してH2とCO2に変換する複合触媒、例えばシフト
反応の触媒として銅・ZnO系やパラジウム触媒系等を
利用する工夫などが検討されている。しかしながら、工
業的な触媒で見る限り、固体高分子型燃料電池(PEF
C)に適合するような、COを十分低減した水素は得ら
れていない。ただ、白金系の触媒を用いて、温度を変え
た2段階の触媒層を用いた、コンパクト化したCO濃度
を30〜100ppmまで低減した改質器の報告があ
る。
【0003】ところで前記Pd−CeO2−ZnO系触
媒は、はじめZnOに含浸させた(従来法)ものが調製
されたが、得られる触媒活性の安定性およびCO副生の
低減の点で充分とは言えなかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、前記
Pd−CeO2−ZnO系触媒の問題点を改善した触媒
を提供すること、より具体的には、触媒の製造が容易で
あり、かつ従来の触媒に比べて、COの副生が抑えられ
た触媒および該触媒の製造方法を提供することである。
本発明者は、前記課題を解決すべく前記Pd−CeO2
−ZnO系触媒を形成する原料化合物および製造方法を
検討したところ、前記触媒を構成する原料化合物として
溶媒に可溶な化合物を用い、これらを均一な溶液混合物
とし、該溶液の加熱濃縮、該原料化合物の加熱・分解、
これに続くそれぞれの成分の酸化物微結晶を形成させる
ための加熱、その微結晶に担持されたPd酸化物の還元
により形成されたPd−CeO2−ZnO系成分は、メ
タノール改質触媒として使用可能であり、特に、改質メ
タノール蒸気中に空気または酸素を導入することによ
り、従来のものに比べてCOの副生を極めて効果的に抑
えることができることを発見し、本発明の前記課題を解
決した。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、Pd−CeO
2−ZnO系触媒のそれぞれを構成する原料化合物をこ
れらの溶媒に溶解し、均一に混合した後、加熱して前記
溶液を濃縮し、該濃縮物を加熱・原料化合物を分解し、
得られた分解物を粉砕後再加熱することにより得られた
触媒構成成分の酸化物の微結晶からなる混晶を得、Pd
酸化物を還元して前記酸化物微結晶にPdを担持した構
造からなるメタノール改質触媒である。好ましくは、原
料化合物が有機酸の塩からなることを特徴とする前記メ
タノール改質触媒であり、より好ましくは、有機酸が酢
酸であることを特徴とする前記メタノール改質触媒であ
り、一層好ましくは、溶媒が有機酸および/またはアル
コールまたはこれらに水を加えたものであることを特徴
とする前記各メタノール改質触媒であり、より一層好ま
しくは、Pd:ZnO:CeO2が0.1〜1.0:4
9.5〜49.95:49.5:49.95であること
を特徴とする前記各メタノール改質触媒であり、さらに
好ましくは原料メタノール蒸気に空気または酸素を導入
してメタノールを改質する方法に用いられることを特徴
とする前記各メタノール改質触媒である。
【0006】
【本発明の実施の態様】本発明を図面を参照しながらよ
り詳細に説明する。 A.第1図は、本発明の触媒の製造方法と、含浸法によ
る従来の触媒の製造法を説明するものである。 1,本発明の触媒の製造には、触媒を構成するPd、C
eOおよびZnOを生成する原料として、均一溶解する
化合物を用いる点に特徴がある。こうすることにより、
得られる触媒の特性が安定し、かつCOの生成量を抑え
ることができる。これに対して、従来の含浸法において
は、触媒の製造工程において、触媒の調製時に、最終触
媒を構成する成分に酸化物粉末を用いている。したがっ
て初期の工程において不均一系になるために、得られる
触媒活性が不安定になる、という不都合があった。 2,溶媒に溶ける原料化合物としては、酢酸塩のよう
な、有機酸の塩を好ましいものとして挙げることができ
るが、溶媒に溶け、熱分解により触媒構成成分の酸化物
の微結晶を生成するものであれば良い。 3,溶媒としては、有機酸、アルコールまたはこれらの
混合物、更にこれらに水を加えたものを好ましいものと
して挙げることができる。基本的には、前記原料化合物
を溶解すると共に、前記熱分解により触媒構成成分の酸
化物の微結晶の生成を妨害しないものであればよい。
【0007】4,図1における加熱濃縮工程は、150
℃〜250℃で行う。上限の温度は熱分解が実質的に起
こらない温度であるが、使用する溶媒により調節され
る。乾燥工程は、熱分解を避けてできる限り湿分を除く
工程であり、前記濃縮工程の温度未満で行われる。この
状態では単色・均一なアメ状(ゲル状、べっこう)状を
呈している。このように、乾燥されたものを、300℃
以上の温度で、段階的に加熱温度を上げながら、空気雰
囲気下で加熱すると、原料成分中の有機成分が分解・燃
焼され嵩高な固体となる。これを冷却し、粉砕した後、
更に高温で焼成すると触媒成分は微結晶酸化物(混晶)
の形で得られる。適宜、試料をかき混ぜて空気を導入さ
せることも酸化物形成には必要である。該、焼成過程の
雰囲気、特に温度を調整して行うと生成する微結晶(大
きさや結晶の組成など)の状態を制御できる。触媒中の
Pdの生成は、還元雰囲気で処理する別の工程を設けて
もよいが、メターノール改質反応のみの工程(還元)に
おいて実現できる。 B.本発明の触媒のもう一つの特徴は、一段触媒とする
ことが可能であり、これによりシステム全体をコンパク
ト化できる利点がある。一段化の際、例えば市販のCu
−ZnO触媒系を重ね合わせて使用すると、COの発生
は、TCDガスクロで検出されない程度、すなわち10
0ppm以下にすることが可能となることが分かった。 C.図2は、本発明の触媒を充填して、メタノールを改
質する工程を同伴ガスとしてHeまたは空気を用いて実
施し、変換率(%)およびCOの生成(%)と反応温度
(℃)との関連を考察した結果を示している。同伴ガス
として空気または改質ガス中に酸素を添加することによ
り、COの生成量を1%よりかなり低く抑えることがで
きることを示している。改質ガス中への酸素添加量は、
改質ガス中の酸素濃度として7〜10%の範囲にするの
が好ましい。
【0008】D.図3には、本発明の触媒(●)、およ
び市販の触媒(Cu−ZnO、■)を用い、同伴ガスと
して空気を用いて、メタノールを改質する場合の変換率
およびCO生成率と処理時間(原料の供給時間)の関係
を示す。本発明の触媒が安定であること、CO生成の抑
制特性が安定しており、かつ優れていることが分かる。
【0009】
【実施例】実施例1 酢酸パラジウム結晶0.71gおよび酢酸セリウム結晶
28.93gを秤量し、それぞれ酢酸水溶液を加えて加
熱溶解させた。これに酢酸亜鉛結晶40.37gを加え
て一昼夜混合撹拌を続けた。均一に溶解した後、約20
0℃で加熱濃縮し水分を蒸発させた。ゲル状に近くなっ
たら、再び100℃で一昼夜乾燥し固形化させた。乾燥
とは多少湿った状態である。各成分は分離せず均一な単
色のアメ状になるまで濃縮した(この状態にするのが重
要である。)。次いで空気雰囲気下電気炉内で有機物を
分解(約300℃)させる。このときも時間をかけて、
ゆっくり燃焼させた。次第に炭化(黒色化)し、泡立ち
嵩高くなる。分解時は燃焼の白煙が発生するので、排煙
装置を設ける必要がある。完全に熱分解・燃焼すると、
体積は十分の一程度に減少した。一旦電気炉から試料を
取り出して粉砕し、最終的に焼成(600℃、 一昼
夜)した。時おり試料をかき混ぜて空気を入れてやるこ
とにより、微結晶酸化物(混晶化)の生成に有効であ
る。得られた粉末は褐色であり、該粉末を、以降のメタ
ノールの改質触媒として使用した。この場合触媒中のP
d濃度は1%である。
【0010】上記本発明の触媒の製造法により得られた
触媒〔表1中の5(*3)〕の活性およびCO生成の特
性と、従来の触媒を用いた場合のそれらの特性とを以下
の表1にまとめた。メタノール改質の実験は、改質ガス
中の酸素ガスの濃度が10%近くになるように、空気を
同伴ガスとして導入させた。反応温度を250℃とし
た。改質気体の空間速度は640/時間とした。この改
質反応は、以下のような反応(部分酸化改質反応)で進
む。 4CH3OH+2H2O+O2→10H2+4CO2
【0011】
【表1】
【0012】上記結果から、本発明の触媒の性能は従来
のものに比べて優れていることが理解できる。
【0013】本発明の触媒特性を、他の触媒との組み合
わせによる効果を検討すべく、市販のCu−ZnO系触
媒と組み合わせた場合について検討した。 実施例2 Cu−ZnO(市販の工業用触媒) (1.11g)+Pd
−CeO2−ZnO (7.69g) (本法の混晶化法)の
組み合わせ(積層構造)について試験した。反応条件
は、 空間速度;270/時間、反応温度;200〜2
50℃、(メタノール/水)比;1.0(同伴ガス中)で
ある。得られた結果を表2に示す。
【0014】
【表2】
【0015】以上のことから、他の触媒系との組み合わ
せによりCOの生成を、より抑制する可能性を示唆して
いる。
【0016】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の触媒を利用
することにより、よりコンパクトで、よりCOの発生を
少なくしたメタノール改質装置を設計できる可能性を高
めた点で、優れた効果がもたらされるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の触媒と従来の触媒の製造フロー
【図2】 本発明の触媒による、酸素存在下でのメタノ
ール変換特性
【図3】 本発明の触媒とCu−ZnO系触媒でのメタ
ノール変換特性
フロントページの続き Fターム(参考) 4G040 EA02 EA07 EC03 4G069 AA03 AA08 BA21C BB02A BB02B BB06A BB06B BC35A BC35B BC35C BC43A BC43B BC43C BC72A BC72B BC72C BE08C CC25 CC32 EA01Y FA01 FA02 FB34 FB78 FC02 FC08 FC10 4G140 EA02 EA07 EC03 5H027 AA06 BA01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Pd−CeO2−ZnO系触媒のそれぞ
    れを構成する原料化合物をこれらの溶媒に溶解し、均一
    に混合した後、加熱して前記溶液を濃縮し、さらに該濃
    縮物を加熱・原料化合物を分解し、得られた分解物を粉
    砕後再加熱することにより得られた触媒構成成分の酸化
    物の微結晶からなる混晶を得、Pd酸化物を還元して得
    られるPdを前記酸化物微結晶に担持した構造からなる
    メタノール改質触媒。
  2. 【請求項2】 原料化合物が有機酸の塩からなることを
    特徴とする請求項1に記載のメタノール改質触媒。
  3. 【請求項3】 有機酸が酢酸であることを特徴とする請
    求項2に記載のメタノール改質触媒。
  4. 【請求項4】 溶媒が有機酸および/またはアルコール
    またはこれらに水を加えたものであることを特徴とする
    請求項1、2または3に記載のメタノール改質触媒。
  5. 【請求項5】 Pd:ZnO:CeO2が0.1〜1.
    0:49.5〜49.95:49.5〜49.95であ
    ることを特徴とする請求項1、2、3または4に記載の
    メタノール改質触媒。
  6. 【請求項6】 原料メタノール蒸気に空気または酸素を
    導入してメタノール改質する方法に用いられることを特
    徴とする請求項1、2、3、4または5に記載のメタノ
    ール改質触媒。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2020518433A (ja) * 2017-05-01 2020-06-25 ディーエスエム アイピー アセッツ ビー.ブイ.Dsm Ip Assets B.V. 水素化プロセスのための金属粉末状触媒
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