JP2003251185A

JP2003251185A - 燃料改質触媒

Info

Publication number: JP2003251185A
Application number: JP2002059198A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Akama; 弘赤間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-09-09
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: JP3937877B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的低温であっても高い燃料転化率および
選択率での燃料改質を実現でき、改質触媒システムの大
幅なダウンサイズィングを可能にする炭化水素系燃料改
質触媒を提供する。【解決手段】燃料ガスが流通可能な、少なくとも１次
元的に貫通したマクロ細孔３を有する比較的高い比表面
積を持つ多孔性金属酸化物構造体からなる支持体と改質
触媒成分５とを含有させることによって、上記課題の解
決が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用燃料か
ら水素リッチガスを生成するための燃料改質触媒に関
し、より詳しくは、低温であっても高い改質効率を有
し、燃料改質に伴う副生成物の発生量が少ないコンパク
トな燃料改質触媒に関する。

【０００２】

【従来の技術】次世代の自動車用エネルギー源として燃
料電池に大きな期待が掛けられているが、その燃料であ
る水素の供給法が大きな課題となっている。

【０００３】水素の供給法には、水素をそのまま供給
する方法、メタンが主成分である都市ガスやプロパン
が主成分であるＬＰＧを改質・分解して得られた水素を
用いる方法、メタノール、エーテル、ガソリン、灯油
などの液体燃料を改質・分解して得られた水素を用いる
方法など、各種の方法が提案されている。

【０００４】しかしながら、上記の方法を適用するた
めには、高圧ボンベなどの特殊な貯蔵装備が必要とな
り、安全性、ハンドリング、インフラなどの克服すべき
課題が大きい。また、上記の方法を適用する場合に
も、取り扱い、インフラなどの問題点がある。上記の
方法を適用するにあたっては、メタノールをオンボード
で改質して水素を得る場合は、エネルギー密度が低い、
インフラ、毒性、価格などの数々の問題点がある。しか
し、内燃機関用燃料として従来使われているガソリンま
たはガソリン類似の炭化水素留分を用いる場合は、エネ
ルギー密度も比較的高く、インフラの問題もない。従っ
て、従来燃料として一般的に用いられてきたガソリンま
たはガソリン類似の炭化水素留分を水素源として、オン
ボードで改質することが、現段階においては、エネルギ
ー密度、搭載性、インフラストラクチャー、安全性など
の観点から最も好都合であるといえる。

【０００５】従来の炭化水素系燃料の改質の一実施形態
を、以下に例示する。まず、ニッケル系触媒を用いて、
燃料を７００℃〜８００℃程度の高温で改質し、水素含
有ガスを得る。改質ガス中には副生したＣＯが１０％程
度含有するため、引き続き次反応式（１）のＣＯ水性ガ
スシフト反応（ＣＯ変成反応）により、Ｈ₂に変換す
る。

【０００６】

【化１】

【０００７】このＣＯ変成反応は、典型的な熱力学支配
反応であり、高温ほど平衡が左に寄ることから、できる
だけ低温で効率よく反応を進めることが必要である。し
かし、現状では、低温で高活性な触媒がないため、高温
型触媒を用いてできるだけＣＯ濃度を下げておき、次い
で、低温型触媒で１％程度にまでＣＯ濃度を下げる方法
が採用されている。さらに、残留ＣＯを、ＣＯ選択酸化
触媒を用いて４０ｐｐｍ、あるいはそれ以下にまで除去
し、燃料電池スタックに送る。

【０００８】従って、従来の改質触媒システムは、燃料
改質触媒＋高温型ＣＯ変成触媒＋低温型ＣＯ変成触媒＋
ＣＯ選択酸化触媒の４ステージの触媒を必要とする。車
両への適用に際しては、小型化・軽量化が重要であり、
この４ステージある改質触媒システムの容量を減らすこ
とが求められている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記４ステージの触媒
において、最も容量を占めるのはＣＯ変成触媒である。
したがって、その上流側の燃料改質触媒から排出される
水素リッチガス中に含まれるＣＯ濃度を低減させること
ができれば、改質触媒システムの大幅なダウンサイズィ
ングが可能となる。また、各種耐熱対策費用の削減やエ
ネルギー効率の向上を考慮すると、より低温で改質反応
を進行させる改質触媒の開発が希求されている。

【００１０】上記事項に鑑み、本発明は、比較的低温で
あっても高い燃料転化率および選択率で燃料改質を実現
でき、改質触媒システムの大幅なダウンサイズィングを
可能にする炭化水素系燃料改質触媒を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決すべく鋭意検討したところ、炭化水素系燃料を含む
燃料ガスが流通可能な、少なくとも１次元的に貫通した
マクロ細孔を有する多孔性材料からなる支持体と改質触
媒成分とを含ませたモノリス型燃料改質触媒を用い、該
貫通したマクロ細孔に炭化水素系燃料を含む燃料ガスを
流通可能とすることによって、燃料改質触媒の燃料転化
率および選択率を高めることができることを見出し、本
発明を完成させた。

【００１２】さらに具体的には、以下の構成を有する発
明によって、上記課題は解決される。

【００１３】本発明は、燃料電池用燃料改質触媒におい
て、前記の少なくとも１次元的に貫通したマクロ細孔
が、１平方インチ当たり２５００個以上存在することを
特徴とするものである。

【００１４】本発明は、燃料電池用燃料改質触媒におい
て、前記の少なくとも１次元的に貫通したマクロ細孔を
有する多孔性材料が、金属酸化物を含むことを特徴とす
るものである。

【００１５】本発明は、燃料電池用燃料改質触媒におい
て、該貫通したマクロ細孔の平均直径が、１０μｍ以上
４００μｍ以下の範囲にあることを特徴とするものであ
る。

【００１６】本発明は、燃料電池用燃料改質触媒におい
て、前記平均直径が１０μｍ以上４００μｍ以下の範囲
にある貫通した前記のマクロ細孔に加えて、６０ｎｍ以
上１μｍ以下の範囲の平均直径を有するマクロ細孔を有
することを特徴とするものである。

【００１７】本発明は、燃料電池用燃料改質触媒におい
て、前記平均直径が１０μｍ以上４００μｍ以下の範囲
にある貫通した前記マクロ細孔、および６０ｎｍ以上１
μｍ以下の範囲の平均直径を有するマクロ細孔に加え
て、さらに、２ｎｍ以上６０ｎｍ未満の範囲に平均直径
を有するメソ細孔を有することを特徴とするものであ
る。

【００１８】本発明は、燃料電池用燃料改質触媒におい
て、前記支持体を形成する材料が、アルミナ、シリカ、
シリカアルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、
アルミノシリケート及びそれらの組合わせよりなる群か
ら選ばれた少なくとも１種の金属酸化物を含むことを特
徴とするものである。

【００１９】

【発明の効果】以上のように構成された本発明につい
て、次に請求項毎に効果を説明する。本発明の燃料電池
用燃料改質触媒は、燃料ガスが流通可能な、少なくとも
１次元的に貫通したマクロ細孔を有する多孔性材料から
なる支持体と、改質触媒成分とを含有させることで、該
貫通したマクロ細孔内で極めて効率よく炭化水素系燃料
を含む燃料ガスが改質され、燃料転化率および選択率を
高めることができる。

【００２０】このように、多孔性材料からなる支持体に
微細な貫通したマクロ細孔を多数設けることにより、実
質的な反応場が増大し、例えば、空間速度が１００，０
００ｈｒ^-1以上の極めて高い空間速度条件であっても、
燃料ガスの水素への転化を充分に進行させることができ
る。また、改質触媒成分が微細な、貫通したマクロ細孔
内部の表面上に良く分散できるため、活性が高く、比較
的低い温度であって高い転化率を達成できる。その上、
ＣＯなどの副生物の生成量を低く抑えることができる。
そして、燃料改質触媒によって改質された水素リッチガ
ス中に含まれるＣＯ濃度が低減される結果、該水素リッ
チガス中に含まれるＣＯ濃度を低減するためのＣＯ変成
触媒を簡素化でき、改質触媒システム全体の大幅なダウ
ンサイズィングが可能となる。燃料電池自動車に適用し
た場合においては、車体の軽量化、動力装置の小型化な
どが可能となる。さらに、従来方法と比較して低温で改
質反応を進行させることができるため、反応器などに各
種耐熱対策を施す必要が省ける。従って、本発明の燃料
改質触媒を用いてなる触媒システムを用いることによっ
て、システムの簡素化、信頼性の向上、設備コストの削
減などの効果が得られる。低温で改質反応を進行させる
ことができる他の効果としては、反応温度の昇温に要す
るエネルギー量が少なくて済むことから、エネルギー効
率が高まることが挙げられる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明は、少なくとも１次元的に
貫通したマクロ細孔を、例えば、１平方インチ当たり２
５００個以上有し、好ましくは２５００個以上３２００
０個以下の金属酸化物を含有した多孔性材料からなる支
持体と、改質触媒成分とを含んでおり、該貫通したマク
ロ細孔には炭化水素系燃料を含むガスが流通可能となっ
ている。少なくとも１次元的に貫通したマクロ細孔を、
１平方インチ当たり２５００個以上設けることにより、
触媒構造体の内部に、炭化水素系燃料を含む燃料ガスを
流通させ、拡散を容易にできるため、高い転化率を実現
できる。

【００２２】まず、本発明の燃料改質触媒におけるガス
の流れと改質反応について図面を参照しながら説明す
る。

【００２３】図１は、本発明に用いるモノリス型触媒の
微細な細孔構造を示す模式図である。本発明の燃料改質
触媒を構成する金属酸化物含有の多孔性モノリス型支持
体９は、気孔を多数含有しており、燃料ガスを流通でき
るような少なくとも１次元の貫通したマクロ細孔３と、
より径の小さなマクロ細孔、さらに径の小さなメソ細孔
を多数含んでいる。すなわち、比較的比表面積が大きな
金属酸化物を含む支持体に微細な貫通したマクロ細孔３
が多数設けられ、その貫通したマクロ細孔３表面に改質
触媒成分５が分散担持された燃料改質触媒である。

【００２４】一方、本発明では、このようなモノリス型
支持体９構造全体に改質触媒成分５が、極めて高分散担
持されていてもよく、さらに、貫通したマクロ細孔３お
よび細孔７は２次元、より好ましくは３次元的に複雑に
連結していることが好ましい。

【００２５】上記細孔７内では、燃料成分は濃縮される
ため、反応効率が高まり、燃料ガスから水素への燃料転
化率を高めることができ、その上、ＣＯなどの副生物の
生成量を低減できる（選択率の向上）。燃料転化率およ
び選択率が高くなるメカニズムは不明であるが、燃料ガ
スが流通する貫通したマクロ細孔３及び細孔７がいわゆ
る無数のミクロ反応器として有効に作用し、かつ細孔か
ら細孔への拡散が促進されるためではないかと考えられ
る。

【００２６】また、本発明になる触媒では微細な細孔７
が多く、気孔率が大きいため、骨格の占める割合が小さ
く、その結果、熱伝導率が小さくなり、熱効率が良くな
る効果も想定される。このため、比較的低温でも極めて
高い燃料転化率が得られるものと考えられる。本発明に
おいては、貫通したマクロ細孔は、反応を進めるうえで
は多い方が好ましいが、一方では、ガス流通抵抗が大き
くなるため、１平方インチ当り３２０００以下の細孔数
とするのが望ましい。

【００２７】本発明における、貫通したマクロ細孔３、
あるいはマクロ細孔、メソ細孔の平均直径は、例えば、
水銀圧入法や窒素吸着法などの一般的な方法で求めるこ
とができる。細孔分布を求める場合、ＢＪＨ式、ＤＲ式
などを用いるのが一般的である（触媒学会編、触媒講座
３、固体触媒のキャラクタリゼーション、講談社、ｐ２
１０〜ｐ２１３）。

【００２８】本発明で意味する細孔７の平均直径とは、
細孔直径をＤ、細孔容積をＶとした場合、Ｄ−（ｄＶ／
ｄＤ）プロット［横軸をＤ、縦軸を（ｄＶ／ｄＤ）］で
得られるピークトップを指す。この「ピークトップ」と
は、統計上の誤差に基づくピークを除いた、実質的なピ
ークのトップを意味する。従って、ノイズにより生じた
ピークはピークとしてはカウントしない。

【００２９】本発明においては、貫通したマクロ細孔３
の直径は、前述したように、燃料ガス流通による圧力損
失と接触面積との関係から１０μｍ〜４００μｍの範囲
の平均直径が好ましく、それよりも小さなマクロ細孔の
平均直径としては６０ｎｍ（６０ｎｍを含む）〜１μｍ
の範囲、さらにメソ細孔の平均直径としては２ｎｍ〜６
０ｎｍ（６０ｎｍを含まない）の範囲が好ましい。前記
貫通したマクロ細孔の平均直径を、１０μｍ以上４００
μｍ以下の範囲に制御することで、燃料改質触媒による
燃料ガスの燃料転化率および選択率を効果的に向上させ
ることができる。貫通したマクロ細孔の直径が大きくな
ると、燃料ガス成分を接触させる、いわゆる触媒接触面
積が少なくなり、ガス成分が貫通したマクロ細孔を吹き
抜ける確率が高くなる。一方、貫通したマクロ細孔が小
さすぎると、ガスの圧力損失が高くなり、望みの燃料を
送ることができなくなる。このような大きさのマクロ細
孔を形成することで、圧力損失を高めずに、燃料を効率
よく水素に転化することが可能になる。さらに、６０ｎ
ｍ以上１μｍ以下の範囲に平均直径を有するマクロ細孔
を設けることで、燃料ガスの燃料転化率および選択率を
一層効果的に向上させることができる。このような効果
が得られるメカニズムは現段階では不明であるが、貫通
したマクロ細孔に加えてさらにサイズの小さな微細細孔
を設けることで、該細孔が、反応分子および生成分子の
拡散を促進するため、転化率が高まる。また、各細孔が
いわゆるミクロ反応器として作用し、反応の完結性が高
まるために、高い選択性を与えるものと考えられる。さ
らに、よりサイズの小さな２ｎｍ以上６０ｎｍ未満の範
囲に平均直径を有するメソ細孔を設けることにより、上
記効果を著しく向上しているものと考えられる。

【００３０】尚、該平均直径の範囲の中に複数のピーク
が存在していても構わない、その場合は、むしろ好結果
を与える。

【００３１】以上の平均細孔直径の範囲が有効な理由は
不明であるが、より複雑な、しかも互いに連結した細孔
構造を持たせることにより、各細孔があたかも独立した
ミクロ反応器として作用するとともに、各反応器間にお
ける分子拡散が容易になり、高い転化率と選択性を発揮
するものと考えられる。

【００３２】モノリス型支持体９に含まれる金属酸化物
の具体例としては、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジ
ルコニア、チタニア、シリカ−アルミナ、アルミノシリ
ケート（ゼオライト）などが挙げられるが、耐熱性、比
表面積、改質触媒成分との相性、細孔形成の容易さか
ら、アルミナが好ましい。少なくとも１次元的に貫通し
たマクロ細孔を有する多孔性材料が、金属酸化物を含む
ことにより、微細な貫通したマクロ細孔内部表面積を高
めるとともに、改質触媒成分の高分散担持が可能にな
り、燃料ガスの水素への転化が良好になるとともに、転
化性能を長時間安定に保つことが可能になる。さらに、
前記支持体を形成する材料に、アルミナ、シリカ、シリ
カアルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、アル
ミノシリケートおよびそれらの組合わせよりなる群から
選ばれた少なくとも１種の金属酸化物を含有させること
により上記のように燃料転化率および選択率の高い燃料
改質触媒を得ることができる。

【００３３】アルミナに耐熱性を付与するためにシリ
カ、マグネシア、チタニア等が添加されることもある。
特に、マグネシアやチタニアは、自身のみでは、例え
ば、６０ｍ²／ｇ以上の高比表面積は実現し難く、他の
金属酸化物成分に添加して用いてもよい。

【００３４】また、アルミノシリケート、すなわち、ゼ
オライトに関しては、ＭＦＩ型、モルデナイト、βゼオ
ライト、フォージャサイト、フェリエライト、チャバサ
イトなど各種のゼオライトを用いることができる。ゼオ
ライトを支持体に含ませると、細孔構造が複雑になり、
より高い選択性を実現できるため、好ましい。

【００３５】触媒に含ませる改質触媒成分５として、公
知の触媒成分を用いることができるが、例えば、ロジウ
ム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッ
ケル（Ｎｉ）などが挙げられる。改質触媒成分の担持量
は、用途や使用する金属酸化物支持体の種類などに応じ
て決定することができるが、０．１〜２０ｇ／リットル
−支持体程度が一般的である。

【００３６】本発明により得られるモノリス型燃料電池
用燃料改質触媒は、例えば、図２に示すように、脱硫黄
剤−燃料改質触媒−高温型ＣＯ変成（ＣＯ水性ガスシフ
ト）触媒−低温型ＣＯ変成（ＣＯ水性ガスシフト）触媒
−ＣＯ選択酸化触媒−燃料電池スタック−排水素燃焼触
媒といったシステムの中で用いられる。本触媒を用いる
場合、ＣＯ変成触媒は１段でも所定の性能を確保できる
こともあり、より高い性能要求に応じて２段化する場合
でも、容量を減ずることが可能になる。

【００３７】また、脱硫黄剤は、使用する燃料の性状に
応じて各種のものが用いられ、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の
脱硫黄剤やゼオライトに各種遷移金属酸化物を担持した
脱硫黄剤が有効である。脱硫黄剤を用いる場所として
は、使用条件によって、ＣＯ選択酸化触媒とスタックの
間に設置する場合もある。また、燃料改質触媒生じた水
素、あるいはスタックで使われなかった水素の一部を脱
硫黄剤に導入することで、脱硫黄の効率を高めることも
できる。

【００３８】ＣＯ選択酸化触媒では、触媒温度の制御が
極めて重要であり、熱交換器と併用したり、断熱システ
ムにしたり、あるいは、熱交換器にコートした触媒と断
熱条件運転の触媒を直列あるいは並列に連結させること
も有効である。

【００３９】排水素燃焼触媒では、スタックで使われな
かった水素の他に、スタック前段の触媒システムで生成
したＣＨ₄も燃焼させ、その燃焼熱を有効に回収して、
必要に応じてシステム部位あるいは触媒に熱を供給する
ことができる。この場合、各触媒の入口で、水分、酸素
量を制御することで、高効率のシステムを実現できる。

【００４０】なお、本発明の燃料改質触媒によって改質
される燃料ガスは、特に限定されるものではなく、炭化
水素系燃料を含むガスが代表例として挙げられる。炭化
水素系燃料としては、ガソリン、灯油、天然ガス（ＬＮ
Ｇ）、ナフサ、軽油等が挙げられる。これらは組み合わ
せて用いてもよい。また、燃料ガスには、空気や水蒸気
などの炭化水素系燃料以外の成分を必要に応じて含んで
いてもよい。

【００４１】次に、本発明の燃料改質触媒の製造方法に
ついて説明する。ただし、以下の方法は一実施形態に過
ぎず、例示する方法に限定されるものではない。例え
ば、使用する改質触媒成分の添加、担持方法や、添加
量、乾燥方法、焼成方法などは、製造する燃料改質触媒
のサイズや種類などに応じて従来方法に準じて適宜決定
すればよい。

【００４２】まず、モノリス型支持体を形成する金属酸
化物原料、および改質触媒成分の原料を準備する。

【００４３】金属酸化物の原料としては、例えば、アル
ミナゾル、シリカゾル、ジルコニアゾル、チタニアゾル
等の各種ゾルや、硝酸アルミニウム、硝酸ジルコニウム
等の金属硝酸塩等、あるいは上記金属のアルコキシド等
各種の原料が使用できる。また、上記金属酸化物の微粒
子粉末も有効である。

【００４４】上記原料を用いて多孔性モノリス構造体を
得るには、水溶液系で上記金属酸化物の沈殿を形成さ
せ、ゲル化させ、乾燥、焼成の過程を経る方法や、アル
コキシドを用いてゾルゲル法を経る方法等があげられる
が、多孔質化するためには、乾燥過程で、凍結乾燥法や
超臨界乾燥法を使うと、極めて嵩比重の小さなポーラス
材料であるエアロゲルを得ることができる。

【００４５】多孔性モノリス構造体は、例えば、比表面
積の比較的大きなアルミナのみによって形成すると、強
度が十分ではなく、崩れ易いことがある。このため、高
耐熱性セラミックであるコージェライト質やムライト質
の粒子、あるいは、ニッケル、ニッケル銅合金、ＳＵＳ
等の金属材、または、カオリナイト、シリカ・アルミナ
等からなるセラミックス繊維材を混ぜ込んで構造体の骨
格を形成しても良い。

【００４６】また、所定のサイズの貫通したマクロ細孔
を形成させる方法としては、アルミナ、シリカ、シリカ
アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、アルミ
ノシリケートの粉末を含む起泡性スラリーを経る製法も
用いることができる。この場合、メチルセルロース、エ
チルセルロース、ポリビニルアルコール等の有機結合材
や各種界面活性剤、有機溶剤、有機繊維を添加して適当
な貫通したマクロ細孔を形成させることができる。これ
らは、乾燥、焼成過程で除去することにより貫通したマ
クロ細孔を形成させる。

【００４７】貫通したマクロ細孔を得る別の方法とし
て、金属製細線等を用いて物理的に孔を開けることも有
効である。

【００４８】なお、貫通したマクロ細孔の大きさおよび
数は、走査電子顕微鏡あるいは実体顕微鏡の写真により
任意断面内の細孔直径の平均値として求め、また、該マ
クロ細孔の数は、該断面１インチ長当りに存在する孔の
平均数を２乗して１平方インチ当りの数とする。

【００４９】メソ細孔を形成するには、各種の界面活性
剤を添加することが有効であり、アニオン系、カチオン
系、両性、非イオン系のいずれも使用でき、界面活性剤
の大きさ、すなわちカーボン数を適当に選ぶことによ
り、細孔のサイズを制御可能である。

【００５０】得られる多孔性モノリス構造体の形状とし
ては、車両に搭載できれば特に制限されないが、円柱、
楕円柱、多角柱、立方体などの形状が例示できる。

【００５１】改質触媒成分の原料としては、例えば、硝
酸ロジウム、硝酸ルテニウム、硝酸ニッケル等の硝酸
塩、塩化ロジウム、塩化ルテニウム等の塩化物、ジニト
ロジアンミン白金、塩化白金酸、ビスアセチルアセトナ
ト塩等各種の原料が有効である。

【００５２】改質触媒成分の原料は、上記金属酸化物と
同時に仕込み、共沈させたり、加水分解重合させたりす
ることにより、多孔性モノリス構造体中に触媒活性成分
を分散担持することが可能である。

【００５３】また、改質触媒成分の分散担持にあたって
は、改質触媒成分を含まない多孔性モノリス構造体を形
成した後に、例えば、改質触媒成分の原料を含む水溶液
を用いて含浸法で担持することも勿論可能である。この
場合、細孔の奥にまで成分を浸透させて分散担持させる
ために、溶液濃度を薄くして、含浸回数を多くすること
や、クエン酸、りんご酸、琥珀酸等の有機酸を用いて、
多孔性モノリス構造体を構成する金属酸化物表面上への
改質触媒成分の吸着を弱める等の方法が有効である。

【００５４】もちろん、改質触媒成分の担持方法は、上
記二法を併用することもできる。すなわち、少なくとも
１成分は金属酸化物と同時に仕込み、多孔性モノリス構
造体を構成し、その後、その他の成分は含浸法で担持す
ること、または１成分を分割して上記二法により担持す
ることができる。

【００５５】多孔性モノリス構造体の前駆体となる沈殿
は、乾燥―焼成工程を経て、支持体として供するが、乾
燥工程における乾燥熱源は、スチーム、電気ヒータなど
によって加熱された空気を用いることができる。一般的
な熱風の温度は８０℃〜２００℃である。

【００５６】また、一般的な焼成は、４００℃〜５００
℃で１〜４時間程度行うことが多いが、細孔直径調整の
ために、例えば、７００℃〜１０００℃程度の高温で追
加焼成することもできる。

【００５７】

【実施例】以下、本発明の燃料改質触媒を実施例及び比
較例を用いて更に詳細に説明する。しかしながら、本発
明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【００５８】（実施例１）硝酸アルミニウム９水和物Ａ
ｌ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ、酢酸ニッケル４水和物Ｎｉ
（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・４Ｈ₂Ｏ及び硝酸セリウム６水和物
Ｃｅ（ＮＯ₃）₃・６Ｈ₂Ｏの混合水溶液に尿素（ＮＨ₂）
₂ＣＯを６倍当量添加し、撹拌しながら、９８℃で尿素
を加水分解させることにより、沈殿を溶液中で均一に生
成させ、余分な溶液をデカンテーションにより除いて混
合均一ゲルを得た。

【００５９】得られたゲルにシリカアルミナファイバー
を５質量％、メチルセルロースを３質量％、ポリエチレ
ングリコールを２．５質量％添加し、ニーダーを用いて
混練した後、オクタンを３質量％添加し、泡立て器を用
いて、ホイップ状スラリーを得た。

【００６０】このスラリーを容器に移し、１２０℃で乾
燥処理し、次いで、窒素気流中において５００℃で焼成
した。さらに、空気気流中において７００℃で焼成し
た。

【００６１】一方、硝酸ロジウム０．０２Ｍ、ジニトロ
ジアンミン白金０．００５Ｍの混合水溶液を準備してお
き、上記焼成により得られたモノリス多孔質体を硝酸ロ
ジウム、ジニトロジアンミン白金水溶液に含浸した後、
１２０℃での乾燥を行った。この操作を数回繰り返した
後、空気気流中５００℃で焼成を行い、該多孔質体に約
０．５質量％のＲｈ及び約０．１質量％のＰｔを担持し
た多孔質モノリス触媒を得た。

【００６２】該多孔質モノリス触媒には、平均直径が約
９０μｍの連続気泡が認められ、気泡の個数は、約２２
５００個／平方インチであった。また、窒素吸着法を用
いて細孔直径と細孔容積との関係をＤ−（ｄＶ／ｄＤ）
プロットを作成することによって調査したところ、細孔
直径約１００ｎｍ及び約２．５ｎｍの位置に細孔分布の
ピークトップが認められた。

【００６３】この燃料改質触媒の性能を、触媒評価用の
固定床流通型反応装置を用いて以下の方法により評価し
た。ガソリンのモデル炭化水素燃料は、イソオクタン
（Ｃ₈Ｈ₁₈）とし、イソオクタン＝３．３体積％、空気
＝５５．２体積％、水蒸気＝４１．５体積％の組成の燃
料ガスを用いて、触媒層入口のガス温度４３０℃の条件
で改質反応を行った。触媒出口ガスは、ガスクロマトグ
ラフで分析し、下記式（１）：転化率（％）＝（入口ガス濃度−出口ガス濃度）／入口ガス濃度×１００（１）からイソオクタンの転化率を計算した。燃料ガス供給量
は、標準状態換算値で５０リットル／分とした。また、
ガス空間速度は１００，０００ｈ^-1とした。水素濃度
は、ドライ・Ｎ₂フリー条件で表示した。燃料転化率は
９２％であり、水素濃度は５５．４体積％、ＣＯ濃度は
４．８体積％であった。結果を燃料改質触媒の仕様と併
せて表１に示す。

【００６４】（実施例２）実施例１において、硝酸アル
ミニウム９水和物Ａｌ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ、酢酸ニッ
ケル４水和物Ｎｉ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・４Ｈ₂Ｏ及び硝酸
セリウム６水和物Ｃｅ（ＮＯ₃）₃・６Ｈ₂Ｏの混合水溶
液中にさらに硝酸ロジウム及びジニトロジアンミン白金
を添加し、同様に、尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯを用いた均一沈
殿法により混合均一ゲルを得た。

【００６５】以降は、硝酸ロジウムとジニトロジアンミ
ン白金の混合水溶液への含浸操作を省いて、同様にして
発泡処理を行い、約０．５質量％のＲｈと約０．１質量
％のＰｔとを担持した多孔質モノリス触媒を得た。

【００６６】該多孔質モノリス触媒には、平均直径が約
１０５μｍの連続気泡が認められ、気泡の個数は、約１
６９００個／平方インチであった。また、窒素吸着法を
用いて細孔直径と細孔容積との関係をＤ−（ｄＶ／ｄ
Ｄ）プロットを作成することによって調査したところ、
細孔直径約１１０ｎｍ及び約２．８ｎｍの位置に細孔分
布のピークトップが認められた。

【００６７】実施例１と同様にして燃料改質触媒の性能
を評価したところ、燃料転化率は９３％であり、水素濃
度は５６．５％、ＣＯ濃度は４．７体積％であった。結
果を燃料改質触媒の仕様と併せて表１に示す。

【００６８】（実施例３）実施例１において、硝酸アル
ミニウム９水和物Ａｌ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ、酢酸ニッ
ケル４水和物Ｎｉ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・４Ｈ₂Ｏ、及び硝
酸セリウム６水和物Ｃｅ（ＮＯ₃）₃・６Ｈ₂Ｏの混合水
溶液に、硝酸ジルコニウム５水和物Ｚｒ（ＮＯ₃）₄・５
Ｈ₂Ｏを加え、尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯを６倍当量添加し、
撹拌しながら、９８℃で尿素を加水分解させることによ
り、沈殿を溶液中で均一に生成させ、余分な溶液をデカ
ンテーションにより除いて混合均一ゲルを得た。

【００６９】以下、実施例１と同様にして、Ｒｈを約
０．５質量％及びＰｔを約０．１質量％担持した多孔質
モノリス触媒を得た。

【００７０】該多孔質モノリス触媒には、平均直径が約
８０μｍの連続気泡が認められ、気泡の個数は、約２８
９００個／平方インチであった。また、窒素吸着法を用
いて細孔直径と細孔容積との関係をＤ−（ｄＶ／ｄＤ）
プロットを作成することによって調査したところ、細孔
直径約９０ｎｍ及び約２．２ｎｍの位置に細孔分布のピ
ークトップが認められた。

【００７１】実施例１と同様にして、燃料改質触媒の性
能を評価したところ、燃料転化率は９４％であり、水素
濃度は５４％、ＣＯ濃度は５．０体積％であった。結果
を燃料改質触媒の仕様と併せて表１に示す。

【００７２】（実施例４）実施例１において、硝酸アル
ミニウム９水和物Ａｌ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ、酢酸ニッ
ケル４水和物Ｎｉ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・４Ｈ₂Ｏ、及び硝
酸セリウム６水和物Ｃｅ（ＮＯ₃）₃・６Ｈ₂Ｏの混合水
溶液に、硝酸マグネシウム６水和物Ｍｇ（ＮＯ₃）₂・６
Ｈ₂Ｏを加え、尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯを６倍当量添加し、
撹拌しながら、９８℃で尿素を加水分解させることによ
り、沈殿を溶液中で均一に生成させ、余分な溶液をデカ
ンテーションにより除いて混合均一ゲルを得た。

【００７３】以下、実施例１と同様にして、Ｒｈを約
０．５質量％及びＰｔを約０．１質量％担持した多孔質
モノリス触媒を得た。

【００７４】該多孔質モノリス触媒には、平均直径が約
９０μｍの連続気泡が認められ、気泡の個数は、約２２
５００個／平方インチであった。また、窒素吸着法を用
いて細孔直径と細孔容積との関係をＤ−（ｄＶ／ｄＤ）
プロットを作成することによって調査したところ、細孔
直径約９５ｎｍ及び約２．５ｎｍの位置に細孔分布のピ
ークトップが認められた。

【００７５】実施例１と同様にして燃料改質触媒の性能
を評価したところ、燃料転化率は９０％であり、水素濃
度は５２％、ＣＯ濃度は５．２体積％であった。結果を
燃料改質触媒の仕様と併せて表１に示す。

【００７６】（実施例５）実施例１において、硝酸アル
ミニウム９水和物Ａｌ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ、酢酸ニッ
ケル４水和物Ｎｉ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・４Ｈ₂Ｏ、及び硝
酸セリウム６水和物Ｃｅ（ＮＯ₃）₃・６Ｈ₂Ｏの混合水
溶液に、尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯを添加し、均一沈殿法によ
り混合均一ゲルを得た後、このゲルにシリカアルミナフ
ァイバーを５質量％、メチルセルロースを３質量％、ポ
リエチレングリコールを２．５質量％添加する工程で、
チタニアゾルを添加し、以下は、実施例１と同様にし
て、ホイップ状スラリーを経て、Ｒｈが約０．５質量％
及びＰｔが約０．１質量％担持された多孔質モノリス触
媒を得た。

【００７７】該多孔質モノリス触媒には、平均直径が約
１２０μｍの連続気泡が認められ、気泡の個数は、約１
４４００個／平方インチであった。また、窒素吸着法を
用いて細孔直径と細孔容積との関係をＤ−（ｄＶ／ｄ
Ｄ）プロットを作成することによって調査したところ、
細孔直径約１２０ｎｍ及び約２．２ｎｍの位置に細孔分
布のピークトップが認められた。

【００７８】実施例１と同様にして燃料改質触媒の性能
を評価したところ、燃料転化率は９２％であり、水素濃
度は５５．５％、ＣＯ濃度は４．９体積％であった。結
果を燃料改質触媒の仕様と併せて表１に示す。

【００７９】（実施例６）実施例５において、チタニア
ゾルの代わりに、シリカ／アルミナ比が約４５のβゼオ
ライトを５％添加した以外は、同様にして、Ｒｈが約
０．５質量％及びＰｔが約０．１質量％担持された多孔
質モノリス触媒を得た。

【００８０】該多孔質モノリス触媒には、平均直径が約
１８０μｍの連続気泡が認められ、気泡の個数は、約８
１００個／平方インチであった。また、窒素吸着法を用
いて細孔直径と細孔容積との関係をＤ−（ｄＶ／ｄＤ）
プロットを作成することによって調査したところ、細孔
直径約１５０ｎｍ、約１０ｎｍ及び約２．４ｎｍの位置
に細孔分布のピークトップが認められた。

【００８１】実施例１と同様にして燃料改質触媒の性能
を評価したところ、燃料転化率は９１％であり、水素濃
度は５２．４％、ＣＯ濃度は４．８体積％であった。結
果を燃料改質触媒の仕様と併せて表１に示す。

【００８２】（比較例１）実施例１で得られた混合均一
ゲルを１５０℃で乾燥した後、５００℃で焼成して得た
触媒（０．５％Ｒｈ−０．１％Ｐｔ−１０％Ｎｉ−１０
％Ｃｅ／Ａｌ₂Ｏ₃）をアトマイザーで粉砕し、硝酸酸性
アルミナゾル１．５質量％と水、さらに硝酸を加えて、
ボールポットミルを用いてスラリー化した。

【００８３】得られたスラリーを１平方平方インチ当り
約４００セルの通気孔を有するコージェライト質ハニカ
ムにスラリーを塗布し、乾燥、焼成工程を経て、実施例
１と同サイズのハニカム状モノリス燃料改質触媒を得
た。該ハニカムへの触媒の塗布量は、約２６０ｇ／リッ
トル−ハニカムであり、これは、実施例１の触媒量とほ
ぼ同量である。

【００８４】実施例１と同様にして燃料改質触媒の性能
を評価したところ、燃料転化率は７３％であり、水素濃
度は４２．５％、ＣＯ濃度は５．６体積％であった。結
果を燃料改質触媒の仕様と併せて表１に示す。

【００８５】

【表１】

【００８６】表１に示す通り、実施例の各触媒は、比較
例１のハニカムに塗布した改質触媒の性能に比べて、燃
料転化率に優れていた。また、反応後のガス中のＣＯ濃
度は、実施例と比較例とで同等の結果が得られたが、水
素とＣＯとの選択率に換算すれば、本発明に係る燃料改
質触媒は、水素ガスの生成に関する選択率に優れている
といえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るモノリス型触媒構造体の細孔構
造を表す模式図である。

【図２】本発明に係るモノリス型触媒を車載する際の
触媒システムの一例を示す図である。

【符号の説明】

３…貫通したマクロ細孔５…改質触媒成分７…細孔９…支持体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G069 AA03 AA12 BA01A BA02A BA03A BA03B BA04A BA05A BA06A BA07A BB02B BB06B BC68B BC71B BC75B CC17 CC32 EA19 EC09X EC16X EC16Y EC17X EC17Y EC18X EC18Y 5H027 AA02 BA01 BA16 BA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系燃料を改質して水素リッチガ
スを得るためのモノリス型触媒であって、少なくとも１
次元的に貫通したマクロ細孔を有する多孔性材料からな
る支持体と、改質触媒成分と、を含み、該貫通したマク
ロ細孔に炭化水素系燃料を含むガスが流通可能であるこ
とを特徴とするモノリス型燃料電池用燃料改質触媒。
【請求項２】前記の少なくとも１次元的に貫通したマ
クロ細孔が、１平方インチ当たり２５００個以上存在す
ることを特徴とする請求項１記載のモノリス型燃料電池
用燃料改質触媒。
【請求項３】前記の少なくとも１次元的に貫通したマ
クロ細孔を有する多孔性材料が、金属酸化物を含むこと
を特徴とする請求項１又は請求項２記載のモノリス型燃
料電池用燃料改質触媒。
【請求項４】該貫通したマクロ細孔の平均直径が、１
０μｍ以上４００μｍ以下の範囲にあることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれか1項に記載のモノリス型燃料
電池用燃料改質触媒。
【請求項５】平均直径が１０μｍ以上４００μｍ以下
の範囲にある貫通した前記のマクロ細孔に加えて、６０
ｎｍ以上１μｍ以下の範囲の平均直径を有するマクロ細
孔を有することを特徴とする請求項４記載のモノリス型
燃料電池用燃料改質触媒。
【請求項６】平均直径が１０μｍ以上４００μｍ以下
の範囲にある貫通した前記マクロ細孔、および６０ｎｍ
以上１μｍ以下の範囲の平均直径を有するマクロ細孔に
加えて、さらに、２ｎｍ以上６０ｎｍ未満の範囲に平均
直径を有するメソ細孔を有することを特徴とする請求項
４又は請求項５に記載にモノリス型燃料電池用燃料改質
触媒。
【請求項７】支持体を形成する材料が、アルミナ、シ
リカ、シリカアルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネ
シア、アルミノシリケートおよびそれらの組合わせより
なる群から選ばれた少なくとも１種の金属酸化物を含む
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか1項に記載の
モノリス型燃料電池用燃料改質触媒。