JP2004230223A - Co oxidation catalyst and production method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス中の一酸化炭素(CO)を除去可能なCO酸化触媒及びその製造方法に係り、特にメタノール等を水蒸気改質して得られた、水素ガスを主として含む改質ガスから、微量に含まれるCOを除去するCO酸化触媒及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、自動車はガソリンや軽油を動力用燃料としているが、大気汚染の原因となる窒素酸化物等を排出するため、環境汚染防止の観点から、排気ガスがクリーンな燃料電池への転換の実用実験が盛んに行われている。燃料電池は水素及び酸素を利用して化学反応のエネルギーを電気エネルギーに変換することにより、電気エネルギーを自動車動力用燃料の代替とするものである。化学反応での生成物は主として水(水蒸気)及び二酸化炭素であるので大気を汚染することがない。
【0003】
燃料電池には、その電解質材料(隔膜)によって、リン酸型燃料電池(以下、PAFCと称する。)、溶融炭酸塩型燃料電池(以下、MCFCと称する。)、固体電解型燃料電池(以下、SOFCと称する。)、固体高分子型燃料電池(以下、PEFCと称する。)に分類される。現在のところPAFCが最も商品化に近いといわれており、自動車にも採用されようとしている。一方、PEFCは作動温度が100℃以下と低く、電極の単位面積当たりのエネルギー(エネルギー密度)が高いため、移動用電源や小容量電源に適しており、携帯機器、例えばノートPCや携帯電話機等に応用されることが期待されている。
【0004】
図1は、PEFCの概要構成を示す図である。図1に示すように、PEFC10には外部より水素(H2)及び空気が燃料極11(アノード)及び空気極12(カソード)のセパレータ11A、12Aにそれぞれ供給され、燃料極の拡散層11Bから触媒としてPt微粒子が含まれる触媒層11CにH2が拡散され、触媒層11CにおいてH2=2H++2e−の反応が起こる。発生したプロトンH+は、高分子膜よりなる電解質膜13を流れ、また電子e−は外部回路14を流れ、空気極12に到達する。空気極12の触媒層12Cにおいては2H++O2+2e−=2H2Oの反応が起こり水が発生する。外部回路14を流れる電子により、負荷に電気エネルギーを与えることができる。
【0005】
ここで、PEFCの燃料極11にはH2が供給されるが、H2発生源としてメタン、天然ガス、エタノール、メタノール等が用いられている。例えば、メタノールから水素を得る方法の一つに、メタノール水蒸気改質法がある。図2は、メタノール水蒸気改質法を説明するブロック図である。図2に示すように、メタノール水蒸気改質法は、メタノールと水蒸気を加熱・反応させて水素を含む改質ガスを生成させる改質器21と、改質ガス中に含まれるCOを酸化してCO2に変換するCO除去装置22により構成される。ここで、改質器21では、例えばメタノールを原燃料として触媒を用いて水素を取り出すことができ、その反応は、CH3OH+H2O=CO2+3H2…(1)で表され、触媒はCu−ZnO−Al2O3を用いることが多い。ここで、改質器21では(1)の反応のみならず副次的にCOが発生する。COは燃料電池の触媒を被毒化し発電効率を著しく低下させるためPEFCでは100ppm以下に低下させる必要があると言われている。また、COは人体にも有害であるので除去する必要がある。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−334304号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、CO除去装置22で用いられるCOを酸化する触媒として、Pt触媒が検討されている。CO+1/2O2=CO2の酸化反応を促進し、CO濃度を低下するためである。
【0008】
しかし、Pt触媒は300℃程度の温度にならないとCO酸化活性が十分でない。かかる高温を必要とするCO除去器を携帯端末やノートPCに積載することは冷却部や断熱部が巨大となり、ノートPC等のコンパクト化のニーズに対して逆行してしまうという問題点がある。
【0009】
また、特開2000−334304号公報では、MnO2をCO酸化触媒として用いることが開示されている。しかし、MnO2は化学的に不安定であり金属容器を腐食させてしまうという問題点がある。
【0010】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、ガスに含まれるCOを低温で酸化できるCO酸化触媒及びその製造方法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOの群のうち少なくとも1種を含むCO酸化触媒が提供される。
【0012】
本発明によれば、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOの酸化マンガンは酸化活性が高く、COをCO2に酸化して、燃料電池の触媒等がCOにより被毒されるのを抑制することができ、また人体に有害なCOを大気中に放出することを回避することができる。
【0013】
当該CO酸化触媒は、多孔質状に形成されてもよく、平均粒子径が0.01μm〜1.0μmの範囲内であってもよい。CO酸化触媒の表面積が増して、酸化活性を更に高めることができる。
【0014】
また、Pt、Ru、Pd、及びそれらの合金の群のうち、少なくとも1種の貴金属微粒子が更に添加されていてもよい。このような貴金属微粒子は湿った環境下でも活性であるので、COが含まれるガスに水蒸気が含まれる場合に本発明の酸化マンガンのみではCO除去能力の低下のおそれがあるが、貴金属微粒子を添加することによりCO除去能力の低下を抑制することができる。また、COが含まれるガスの温度が例えば高温の場合は酸化活性が著しく向上するので、CO除去能力を向上することができる。
【0015】
本発明の他の観点によれば、MnCO3、MnO2、及びMnOOHの群のうち少なくとも1種を焼成する工程と、前記焼成する工程における生成物を微粉化する工程とを備えたCO酸化触媒の製造方法が提供される。
【0016】
本発明によれば、MnCO3、MnO2、及びMnOOHを焼成することにより、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOが得られると共に、電解法で得られる電析酸化マンガンと比較して、容易に微粉化することができる。その結果、比表面積の大なるCO酸化触媒が得られると共に、微粉化する工程において使用されるビーズや装置等の摩耗を低減することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【0018】
図3は、本発明の実施の形態に係るCO酸化触媒を用いたCO除去装置を備えた燃料電池システムのブロック図である。
【0019】
図3を参照するに、燃料電池システム30は、改質装置31と、CO酸化触媒32Aが充填されたCO除去装置32と、固体高分子型の燃料電池33などから構成されている。改質装置31にはメタノール及び水が供給・混合され、加熱器34により加熱されて改質反応部35において改質ガスが生成される。CO除去装置32は、空気と改質ガスが供給され、改質ガスに含まれるCOがCO除去装置32に充填されたCO酸化触媒32Aにより酸化され、CO2に変換される。H2を含んだ空気(CO2も微量含まれる)が燃料電池の燃料極36(アノード)に供給され、H+に変換されて、電解質膜38を経て空気極39において酸素と反応する。燃料極36で発生した電子が電気エネルギーとして外部回路40の負荷に供給される。なお、CO除去器32の改質ガス導入部には、改質ガスの温度調整用の冷却器41が設けられても良い。
【0020】
本発明のCO酸化触媒は、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOのうちいずれか1種の酸化マンガンからなる触媒である。
【0021】
従来MnO2についてはCO酸化触媒として用いることが知られていたが、本願発明者は長年の酸化マンガンに関する研究において、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOがガス中の一酸化炭素(CO)を効率よく酸化することを見出した。すなわち、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOはMnO2と比較して同等レベルであることを見出したものである。更に、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOは、MnO2と比較してより容易に多孔質状に形成することができるため、表面積を増加させることができるという特長を有する。したがって、MnO2と比較してより少量でも充分なCO酸化能力を確保できるので、CO除去装置32のコンパクト化が可能となる。さらに、MnO2は収納容器が金属製の場合は腐食させるおそれがあるが、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOはより化学的に安定であるので、そのような問題がない。したがって、CO除去装置の容器材料の選択の幅が広がる点で有利である。
【0022】
本発明の酸化マンガンのCO酸化触媒は、出発物質をMnCO3、MnO2、またはMnOOHとして、所定の温度で空気雰囲気あるいは酸素を含む不活性ガス雰囲気中において熱処理をすることにより得られる。具体的には、これらの出発物質をMn2O3に変換する場合は、509℃〜588℃、Mn3O4に変換する場合は589℃〜975℃、MnOに変換する場合は976℃以上に設定して1分〜5分加熱することが好ましい。この空気中での熱処理により、本発明の酸化マンガンが多孔質状に形成される。例えば10分より長く加熱すると緻密化が進行してしまい、多孔質性が失われてしまう。
【0023】
次いで加熱処理した酸化マンガンを室温の雰囲気に移動した後、ジルコニア(ZrO2)ビーズ等を用いたビーズミルや、ジェットミルにより粉砕する。粉砕後の平均粒子径を0.01μm〜1.0μmとする。0.01μmより微小化するには粉砕のプロセス時間が著しく増加し、ビーズの摩耗が激しくなるため経済的でない。また、1.0μmより大きいと酸化活性が低下し、CO低減量が低下してしまう。
【0024】
また、粉砕時間の観点からは、出発物質としてMnCO3を用いることが好ましい。MnCO3はMnO2と比較して、生成されたMn2O3、Mn3O4、及びMnOの粉砕が容易である。
【0025】
また更に、ビーズは、ジルコニアビーズの他、酸化チタン(TiO2)、アルミナ(Al2O3)、白金(Pt)等のビーズでもよい。ジルコニア、酸化チタン及びアルミナビーズは硬度の点で好ましく、白金はかかる粉砕工程中で摩耗したものが酸化マンガンに混入し、触媒として機能する点で好ましい。改質ガス中に水蒸気が含まれる場合であっても白金の触媒作用は低下しないため、CO酸化能力の低下を抑制することができる。また、ビーズの平均粒径は、0.5mmから5mmを用いることが好ましい。以上により本発明のCO酸化触媒が形成される。
【0026】
なお、上記の説明で用いた出発物質であるMnO2は、マンガン乾電池の溶液層に使用されるMnO2の不良品を使用してもよい。より低製造コスト化の観点から好適である。
【0027】
本発明のCO酸化触媒は、Pt、Ru、Pd、及びそれらの合金の群のうち、少なくとも1種の貴金属微粒子が更に添加されていてもよい。また、酸化銀、酸化銅であってもよい。かかる貴金属微粒子あるいは酸化金属微粒子はCO選択的酸化作用を有し、改質ガスが300℃以上の高温の場合は貴金属微粒子の酸化活性が増加するので、改質ガスを極めて低濃度のCO濃度に変換することができる。また、改質ガスに水蒸気が含まれる場合であっても、このような貴金属微粒子は酸化活性が低下しないので、本発明のCO酸化触媒のCO除去能力の低下を抑制することができる。
【0028】
さらに貴金属微粒子が導電性の微粉末、例えば導電性カーボン粉末に担持されていても良い。貴金属微粒子の実質的な表面積が増加するので酸化活性を高めることができると共に、貴金属微粒子の質量換算の添加量を低減でき、貴金属微粒子の添加によるコスト高を抑制することができる。
【0029】
本発明によれば、これらのCO酸化触媒により、改質ガス中のCOを酸化してCO2に変換して除去することができる。また、後述するようにこれらの酸化触媒は、比較的低温例えば80℃〜100℃であっても酸化活性が高く、効率的にCOを酸化することができるので、携帯端末、ノートPC等に使用することができる。以下本発明の実施例を説明する。
[実施例]
まず、本実施例のCO酸化触媒サンプルA〜Iを下記の方法で作製した。
【0030】
(サンプルA) MnCO3を出発原料として、大気圧下の空気雰囲気中において石英管中を550℃に加熱してMnCO3を通過させMn2O3を得た。この際の滞留時間を5分とした。
【0031】
次いで得られたMn2O3を室温まで冷却し、40質量%になるように水と混合してスラリーを作製した。このスラリーをビーズミル(スイスWAB社製、装置名DYNO−MILLシリーズ(容量約2Lの試作機))によりスラリー中のMn2O3を粉砕した。ビーズは直径約1mmのジルコニアビーズを用いて、スラリーを100mL/分の割合で供給し、滞留時間を約10分とした。
【0032】
得られたスラリーをCO除去装置の円筒状の容器に流し込み、約100℃で水分を蒸発させ乾燥させた。得られたMn2O3の粒子形状は粒状であり、その平均粒子径は約0.1μmであった。なお粒子径は、スラリーを水により薄めてネット状の試料台に掬い取り、透過電子顕微鏡により適切な倍率に拡大して、一次粒子の最大の直径を有する内接円及び最小の直径を有する外接円の直径の平均を粒子径とし、任意の20個の粒子の粒子径を平均して平均粒子径を求めた。
【0033】
(サンプルB) MnO2を出発原料として、サンプルAと同様の加熱条件によりMn2O3を得た。次いで、サンプルAと同様に粉砕を行い、平均粒子径0.2μmのMn2O3触媒を得た。
【0034】
(サンプルC) MnOOHを出発原料として、サンプルAと同様の加熱条件によりMn2O3を得た。次いで、サンプルAと同様に粉砕を行い、平均粒子径0.1μmのMn2O3触媒を得た。
【0035】
(サンプルD) MnCO3を出発原料として、石英管中を700℃に加熱し、滞留時間を2分としてMn3O4を得た。次いで、サンプルAと同様にして粉砕を行い、平均粒子径0.2μmのMn3O4触媒を得た。
【0036】
(サンプルE) MnO2を出発原料として、サンプルDと同様の加熱条件によりMn3O4を得た。次いで、サンプルAと同様に粉砕を行い、平均粒子径0.2μmのMn3O4触媒を得た。
【0037】
(サンプルF) MnOOHを出発原料として、サンプルDと同様の加熱条件によりMn3O4を得た。次いで、サンプルAと同様に粉砕を行い、平均粒子径0.1μmのMn3O4触媒を得た。
【0038】
(サンプルG) MnCO3を出発原料として、石英管中を1000℃に加熱し、滞留時間を2分としてMnOを得た。次いで、サンプルAと同様に粉砕を行い、平均粒子径0.1μmのMnO触媒を得た。
【0039】
(サンプルH) MnO2を出発原料として、サンプルGと同様の加熱条件によりMnOを得た。次いで、サンプルAと同様に粉砕を行い、平均粒子径0.2μmのMnO触媒を得た。
【0040】
(サンプルI) MnOOHを出発原料として、サンプルGと同様の加熱条件によりMnOを得た。次いで、サンプルAと同様に粉砕を行い、平均粒子径0.1μmのMnO触媒を得た。
【0041】
なお、上記サンプルA〜Iの作製において、加熱中の温度は石英管内の温度を直接測定できないので、装置により最適な温度は若干変動する。しかし、加熱後に得られたサンプルをX線回折により同定することにより、加熱温度を調整すればよい。
【0042】
次いでこれらのサンプルA〜I、及びPt微粒子(比較例)のCO除去性能を調べた。直径4cm高さ10cmの円筒状の容器のCO除去器にサンプルA〜I、及びPt微粒子(比較例)をそれぞれ充填し、混合ガス(CO2:50%、CO:0.05%、N2:49.95%)をガス流入口より1L/minの流量で送出した。なお、容器内のガスの温度が25℃、100℃、300℃になるように容器を加熱した。ガス流出口にCO検出器を設置し、排出されるガス中のCO濃度を測定した。ここで、CO検出器は排出されたガスを吸引し、放熱器等でガスの温度を低下させた後CO濃度を測定した。CO検出器は、定電位電解式を測定原理としたもので、CO濃度の測定範囲が0〜0.199%である(例えば新コスモス電機社製XC−341(CO濃度の測定範囲を拡張したもの))を用いた。
【0043】
図4は、本実施例のCO濃度の測定結果を示す図である。ガスの温度が25℃ではCO濃度は処理前の濃度とほぼ同じであることがわかる。ガスの温度が100℃ではサンプルA〜Iについては、0.01%以下となり、燃料極に用いられるPt等の触媒の被毒が問題ない程度までCO濃度が低減され、かつ人体にも悪影響を及ぼさないレベルであることが分かる。一方、比較例のPt微粒子は、CO濃度が0.02%〜0.05%であり、サンプルA〜Iに対してCO濃度の低減の度合いが低くなっていることが分かる。ガスの温度が300℃では、サンプルA〜IとPt微粒子は同等のCO除去能力を有することが分かる。300℃以上でPt微粒子の酸化活性が高くなったと推定される。
【0044】
本実施例によれば、Mn2O3、Mn3O4、及びMnOのサンプルA〜Iは、COを含む処理ガスの温度が100℃において、Pt微粒子触媒に対して高いCO除去能力を有する。したがって、携帯端末、ノートPC等の小型電気機器に適しており、PEFCの作動温度が70℃〜90℃であるので、CO除去装置を通したガスをPEFCの燃料極側にそのまま供給でき、温度調節を必要としない点で優れている。さらに100℃では、H2が酸化される反応は進まないため、CO酸化の選択性に優れている。したがって、H2を含む改質ガス中のCOのみを酸化・除去して、燃料電池にH2を供給するためのCO酸化触媒として優れている。
【0045】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【0046】
例えば、実施の形態に係るCO酸化触媒を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池33(図3に示す。)からの排気が大気に放出される前に本発明のCO酸化触媒を流通するようにしても良い。排気中のCOを一層除去して環境に及ぼす悪影響を抑制することができる。
【0047】
また、本発明のCO酸化触媒は、自動車のエキゾーストパイプ中の三元触媒に加えて、排気ガス中のCO濃度を低減するために用いることができる。
【0048】
また、本発明のCO酸化触媒はCO除去装置として、低温での優れた酸化活性を有しているので、ノートPC等に電力を供給する燃料電池システムとして有望である。また、上述したCO除去装置において、CO酸化触媒を充填する容器は円筒状に限られず、また、容器内部に仕切り等を設けてガスが流通する経路長を長くしてもよい。CO濃度を低減することができる。
【0049】
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1) Mn2O3、Mn3O4、及びMnOの群のうち少なくとも1種を含むCO酸化触媒。
(付記2) 多孔質状に形成されてなることを特徴とする付記1記載のCO酸化触媒。
(付記3) 平均粒子径が0.01μm〜1μmの範囲内であることを特徴とする付記1または2記載のCO酸化触媒。
(付記4) Pt、Ru、Pd、及びそれらの合金の群のうち、少なくとも1種の貴金属微粒子が更に添加されてなることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載のCO酸化触媒。
(付記5) 前記貴金属微粒子が導電性カーボン粉末に担持されていることを特徴とする付記4のうち、いずれか一項記載のCO酸化触媒。
(付記6) 酸化銀または酸化銅の微粒子が更に添加されて成ることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載のCO酸化触媒。
(付記7) MnCO3、MnO2、及びMnOOHの群のうち少なくとも1種を加熱処理する工程と、
前記加熱処理する工程における生成物を微粉化する工程とを備えたCO酸化触媒の製造方法。
(付記8) 前記加熱処理は空気雰囲気中または不活性雰囲気中で行われることを特徴とする付記7記載のCO酸化触媒の製造方法。
(付記9) 改質ガスが供給され、CO酸化触媒層を用いて改質ガス中のCO濃度を低減するCO除去装置において、
前記CO酸化触媒層は、付記1〜6のうち、いずれか一項記載のCO酸化触媒を含むことを特徴とするCO除去装置。
(付記10) 前記改質ガスの温度を25℃〜300℃の範囲で処理することを特徴とする付記9記載のCO除去装置。
【0050】
【発明の効果】
以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、酸化活性の高いMn2O3、Mn3O4、及びMnOの酸化マンガンによりCO酸化触媒が構成されているので、ガスに含まれるCOを低温で効率良く酸化することができる。さらに、CO酸化の選択性に優れているので改質ガスのH2を消費せずにCO濃度を低減することができ、固体燃料電池システムのCO除去装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】PEFCの概要構成を示す図である。
【図2】メタノール水蒸気改質法を説明するブロック図である。
【図3】本発明の実施の形態に係るCO除去装置を備えた燃料電池システムのブロック図である。
【図4】本発明に係る実施例のCO濃度の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
30 燃料電池システム
31 改質装置
32 CO除去装置
32A CO酸化触媒
33 燃料電池
34 加熱器
35 改質反応部
36 燃料極
38 電解質膜
39 空気極
40 外部回路
41 冷却器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a CO oxidation catalyst capable of removing carbon monoxide (CO) in a gas and a method for producing the same, and particularly from a reformed gas mainly containing hydrogen gas obtained by steam reforming methanol or the like. The present invention relates to a CO oxidation catalyst for removing a trace amount of CO and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Currently, automobiles use gasoline or light oil as power fuel, but they emit nitrogen oxides and other pollutants that cause air pollution. Is being actively conducted. A fuel cell uses hydrogen and oxygen to convert the energy of a chemical reaction into electric energy, thereby using the electric energy as a substitute for a fuel for driving a vehicle. The products of the chemical reaction are mainly water (steam) and carbon dioxide, so that they do not pollute the atmosphere.
[0003]
Depending on the electrolyte material (diaphragm), a fuel cell has a phosphoric acid fuel cell (hereinafter, referred to as PAFC), a molten carbonate fuel cell (hereinafter, referred to as MCFC), and a solid electrolytic fuel cell (hereinafter, referred to as MCFC). SOFC) and polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as PEFC). At present, PAFC is said to be the closest to commercialization, and is being adopted for automobiles. On the other hand, PEFC has a low operating temperature of 100 ° C. or lower and has a high energy per unit area of the electrode (energy density), so that it is suitable for a mobile power source or a small-capacity power source. It is expected to be applied to
[0004]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the PEFC. As shown in FIG. 1, hydrogen (H 2 ) and air are supplied to the PEFC 10 from the outside to the
[0005]
Here, H 2 is supplied to the fuel electrode 11 of the PEFC, and methane, natural gas, ethanol, methanol, or the like is used as an H 2 generation source. For example, one method of obtaining hydrogen from methanol is a methanol steam reforming method. FIG. 2 is a block diagram illustrating the methanol steam reforming method. As shown in FIG. 2, the methanol steam reforming method comprises heating and reacting methanol and steam to generate a reformed gas containing hydrogen, and oxidizing CO contained in the reformed gas to oxidize CO contained in the reformed gas. composed of CO remover 22 to be converted to CO 2. Here, in the reformer 21, hydrogen can be extracted using a catalyst, for example, using methanol as a raw fuel, and the reaction is represented by CH 3 OH + H 2 O = CO 2 + 3H 2 (1). Cu-ZnO-Al 2 O 3 is often used. Here, in the reformer 21, CO is generated not only in the reaction of (1) but also in a secondary manner. Since CO poisons the catalyst of the fuel cell and significantly lowers the power generation efficiency, it is said that PEFC needs to be reduced to 100 ppm or less. Also, CO is harmful to the human body and must be removed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-334304 A
[Problems to be solved by the invention]
Meanwhile, as a catalyst for oxidizing CO used in the CO removing device 22, a Pt catalyst is being studied. This is because the oxidation reaction of CO + 1 / 2O 2 = CO 2 is promoted, and the CO concentration is reduced.
[0008]
However, the Pt catalyst does not have sufficient CO oxidation activity unless the temperature reaches about 300 ° C. Mounting a CO remover that requires such a high temperature on a portable terminal or a notebook PC has a problem in that the cooling unit and the heat insulating unit become huge, which goes against the need for compactness of the notebook PC and the like.
[0009]
JP-A-2000-334304 discloses that MnO 2 is used as a CO oxidation catalyst. However, MnO 2 has a problem that it is chemically unstable and corrodes a metal container.
[0010]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a CO oxidation catalyst capable of oxidizing CO contained in a gas at a low temperature and a method for producing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, there is provided a CO oxidation catalyst comprising at least one of the group consisting of Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO.
[0012]
According to the present invention, manganese oxides of Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO have high oxidation activity, oxidize CO to CO 2 , and prevent the fuel cell catalyst and the like from being poisoned by CO. It is possible to suppress the emission of CO harmful to the human body into the atmosphere.
[0013]
The CO oxidation catalyst may be formed in a porous shape, and may have an average particle diameter in a range of 0.01 μm to 1.0 μm. The surface area of the CO oxidation catalyst is increased, and the oxidation activity can be further increased.
[0014]
Further, at least one kind of noble metal fine particles from the group of Pt, Ru, Pd, and alloys thereof may be further added. Since such noble metal fine particles are active even in a humid environment, when the gas containing CO contains water vapor, the manganese oxide of the present invention alone may reduce the CO removing ability. By doing so, it is possible to suppress a decrease in the CO removal ability. Further, when the temperature of the gas containing CO is, for example, a high temperature, the oxidation activity is remarkably improved, so that the CO removing ability can be improved.
[0015]
According to another aspect of the present invention, a CO oxidation catalyst comprising: a step of calcining at least one of a group of MnCO 3 , MnO 2 , and MnOOH; and a step of pulverizing a product in the calcining step. Is provided.
[0016]
According to the present invention, MnCO 3 , MnO 2 , and MnOOH are calcined to obtain Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO, as well as to manganese oxide deposited by electrolysis. , Can be easily pulverized. As a result, a CO oxidation catalyst having a large specific surface area can be obtained, and wear of beads, devices, and the like used in the pulverizing step can be reduced.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 3 is a block diagram of a fuel cell system including a CO removal device using a CO oxidation catalyst according to an embodiment of the present invention.
[0019]
Referring to FIG. 3, the
[0020]
The CO oxidation catalyst of the present invention is a catalyst composed of any one of manganese oxides of Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO.
[0021]
Conventionally, it has been known that MnO 2 is used as a CO oxidation catalyst. However, in the research on manganese oxide for many years, the present inventor has found that Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO contain carbon monoxide ( CO) was found to be efficiently oxidized. That is, they found that Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO were at the same level as MnO 2 . Further, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO have a feature that the surface area can be increased because they can be more easily formed into a porous state than MnO 2 . Therefore, a sufficient CO oxidizing ability can be ensured even with a smaller amount than that of MnO 2 , so that the
[0022]
The manganese oxide CO oxidation catalyst of the present invention can be obtained by performing heat treatment at a predetermined temperature in an air atmosphere or an inert gas atmosphere containing oxygen, using MnCO 3 , MnO 2 , or MnOOH as a starting material. Specifically, when converting these starting materials to Mn 2 O 3 is, 509 ℃ ~588 ℃, Mn 3 When converting to O 4 is 589 ℃ ~975 ℃, 976 ℃ above when converting into MnO And heating for 1 to 5 minutes. By the heat treatment in the air, the manganese oxide of the present invention is formed in a porous state. For example, if the heating is performed for more than 10 minutes, the densification proceeds, and the porosity is lost.
[0023]
Next, the heat-treated manganese oxide is transferred to an atmosphere at room temperature, and then pulverized by a bead mill using zirconia (ZrO 2 ) beads or the like or a jet mill. The average particle diameter after pulverization is set to 0.01 μm to 1.0 μm. If the particle size is reduced to less than 0.01 μm, the pulverization process time is significantly increased, and abrasion of the beads becomes severe, which is not economical. On the other hand, if it is larger than 1.0 μm, the oxidation activity decreases, and the amount of CO reduction decreases.
[0024]
Further, from the viewpoint of the pulverization time, it is preferable to use MnCO 3 as a starting material. MnCO 3, compared with MnO 2, Mn 2 O 3 generated, Mn 3 O 4, and it is easy grinding of MnO.
[0025]
Further, the beads may be beads of titanium oxide (TiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), platinum (Pt), etc. other than zirconia beads. Zirconia, titanium oxide and alumina beads are preferred in terms of hardness, and platinum is preferred in that abrasion during the pulverization step is mixed into manganese oxide and functions as a catalyst. Even when steam is contained in the reformed gas, the catalytic action of platinum does not decrease, so that a decrease in the CO oxidizing ability can be suppressed. The average particle size of the beads is preferably 0.5 mm to 5 mm. Thus, the CO oxidation catalyst of the present invention is formed.
[0026]
As the starting material MnO 2 used in the above description, a defective MnO 2 used for the solution layer of the manganese dry battery may be used. This is preferable from the viewpoint of lowering manufacturing costs.
[0027]
The CO oxidation catalyst of the present invention may further include at least one type of noble metal fine particles selected from the group consisting of Pt, Ru, Pd, and alloys thereof. Further, silver oxide or copper oxide may be used. Such a noble metal fine particle or a metal oxide fine particle has a CO-selective oxidizing effect, and when the reformed gas is at a high temperature of 300 ° C. or higher, the oxidizing activity of the noble metal fine particles increases. Can be converted. Even when steam is contained in the reformed gas, such noble metal fine particles do not decrease in oxidizing activity, so that it is possible to suppress a decrease in the CO removing ability of the CO oxidation catalyst of the present invention.
[0028]
Further, the noble metal fine particles may be supported on a conductive fine powder, for example, a conductive carbon powder. Since the substantial surface area of the noble metal particles increases, the oxidation activity can be increased, and the amount of the noble metal particles added in terms of mass can be reduced, and the cost increase due to the addition of the noble metal particles can be suppressed.
[0029]
According to the present invention, the CO in the reformed gas can be oxidized to CO 2 and removed by these CO oxidation catalysts. Further, as described later, these oxidation catalysts have a high oxidation activity even at a relatively low temperature, for example, 80 ° C. to 100 ° C., and can efficiently oxidize CO. can do. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[Example]
First, CO oxidation catalyst samples A to I of this example were produced by the following method.
[0030]
(Sample A) Using MnCO 3 as a starting material, the inside of a quartz tube was heated to 550 ° C. in an air atmosphere under atmospheric pressure and passed through MnCO 3 to obtain Mn 2 O 3 . The residence time at this time was 5 minutes.
[0031]
Next, the obtained Mn 2 O 3 was cooled to room temperature and mixed with water so as to be 40% by mass to prepare a slurry. Mn 2 O 3 in the slurry was pulverized by a bead mill (manufactured by WAB, Switzerland, DYNO-MILL series (prototype having a capacity of about 2 L)). The beads were zirconia beads having a diameter of about 1 mm, and the slurry was supplied at a rate of 100 mL / min, and the residence time was about 10 minutes.
[0032]
The obtained slurry was poured into a cylindrical container of a CO removal device, and the water was evaporated at about 100 ° C. and dried. The particle shape of the obtained Mn 2 O 3 was granular, and the average particle size was about 0.1 μm. The particle diameter is determined by diluting the slurry with water, scooping it on a net-shaped sample stage, expanding it to an appropriate magnification using a transmission electron microscope, and enclosing the primary particle in the inscribed circle with the largest diameter and the circumscribed circle with the smallest diameter. The average of the diameters of the circles was regarded as the particle diameter, and the average of the particle diameters of arbitrary 20 particles was determined to obtain the average particle diameter.
[0033]
(Sample B) Using MnO 2 as a starting material, Mn 2 O 3 was obtained under the same heating conditions as in Sample A. Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a Mn 2 O 3 catalyst having an average particle size of 0.2 μm.
[0034]
(Sample C) Using MnOOH as a starting material, Mn 2 O 3 was obtained under the same heating conditions as in Sample A. Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a Mn 2 O 3 catalyst having an average particle diameter of 0.1 μm.
[0035]
(Sample D) Using MnCO 3 as a starting material, the inside of a quartz tube was heated to 700 ° C., and the residence time was set to 2 minutes to obtain Mn 3 O 4 . Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a Mn 3 O 4 catalyst having an average particle diameter of 0.2 μm.
[0036]
(Sample E) Using MnO 2 as a starting material, Mn 3 O 4 was obtained under the same heating conditions as in Sample D. Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a Mn 3 O 4 catalyst having an average particle size of 0.2 μm.
[0037]
(Sample F) Using MnOOH as a starting material, Mn 3 O 4 was obtained under the same heating conditions as in Sample D. Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a Mn 3 O 4 catalyst having an average particle diameter of 0.1 μm.
[0038]
(Sample G) Using MnCO 3 as a starting material, the inside of a quartz tube was heated to 1000 ° C., and the residence time was 2 minutes to obtain MnO. Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a MnO catalyst having an average particle diameter of 0.1 μm.
[0039]
(Sample H) Using MnO 2 as a starting material, MnO was obtained under the same heating conditions as in Sample G. Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a MnO catalyst having an average particle size of 0.2 μm.
[0040]
(Sample I) Using MnOOH as a starting material, MnO was obtained under the same heating conditions as in Sample G. Next, pulverization was performed in the same manner as in Sample A to obtain a MnO catalyst having an average particle diameter of 0.1 μm.
[0041]
In the production of Samples A to I, the temperature during heating cannot be directly measured in the quartz tube, so that the optimum temperature slightly varies depending on the apparatus. However, the heating temperature may be adjusted by identifying the sample obtained after heating by X-ray diffraction.
[0042]
Next, the CO removal performance of these samples A to I and Pt fine particles (comparative example) was examined. Samples A to I and Pt fine particles (comparative example) were charged into a CO remover of a cylindrical container having a diameter of 4 cm and a height of 10 cm, respectively, and mixed gas (CO 2 : 50%, CO: 0.05%, N 2) : 49.95%) at a flow rate of 1 L / min from the gas inlet. The container was heated so that the temperature of the gas in the container became 25 ° C, 100 ° C, and 300 ° C. A CO detector was installed at the gas outlet, and the CO concentration in the discharged gas was measured. Here, the CO detector sucked out the discharged gas, lowered the temperature of the gas with a radiator or the like, and then measured the CO concentration. The CO detector uses a potentiostatic electrolysis method as a measurement principle, and has a CO concentration measurement range of 0 to 0.199% (for example, XC-341 manufactured by New Cosmos Electric Co., Ltd. )) Were used.
[0043]
FIG. 4 is a diagram showing the measurement results of the CO concentration of this example. It can be seen that when the gas temperature is 25 ° C., the CO concentration is almost the same as the concentration before the treatment. At a gas temperature of 100 ° C., samples A to I are 0.01% or less, the CO concentration is reduced to such an extent that poisoning of a catalyst such as Pt used for the fuel electrode is not a problem, and the human body is adversely affected. It can be seen that the level has no effect. On the other hand, the Pt fine particles of the comparative example have a CO concentration of 0.02% to 0.05%, which indicates that the degree of reduction of the CO concentration is lower than that of samples A to I. At a gas temperature of 300 ° C., it can be seen that Samples A to I and the Pt fine particles have the same CO removal ability. It is estimated that the oxidation activity of the Pt fine particles increased at 300 ° C. or higher.
[0044]
According to this embodiment, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO samples A to I have a high CO removal ability with respect to the Pt fine particle catalyst when the temperature of the processing gas containing CO is 100 ° C. . Therefore, it is suitable for small electric devices such as portable terminals and notebook PCs. Since the operating temperature of the PEFC is 70 ° C. to 90 ° C., the gas that has passed through the CO removal device can be directly supplied to the fuel electrode side of the PEFC. It is excellent in that it does not require adjustment. Further, at 100 ° C., the reaction of oxidizing H 2 does not proceed, so that the selectivity of CO oxidation is excellent. Thus, by oxidizing and removing only CO in the reformed gas containing of H 2, it is excellent as a CO oxidation catalyst to supply of H 2 to the fuel cell.
[0045]
Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes may be made within the scope of the present invention described in the appended claims. Changes are possible.
[0046]
For example, in the fuel cell system including the CO oxidation catalyst according to the embodiment, the exhaust gas from the fuel cell 33 (shown in FIG. 3) is caused to flow through the CO oxidation catalyst of the present invention before being discharged to the atmosphere. May be. It is possible to further remove CO in the exhaust gas and suppress the adverse effect on the environment.
[0047]
Further, the CO oxidation catalyst of the present invention can be used for reducing the CO concentration in exhaust gas, in addition to the three-way catalyst in the exhaust pipe of an automobile.
[0048]
Further, the CO oxidation catalyst of the present invention has excellent oxidation activity at a low temperature as a CO removal device, and thus is promising as a fuel cell system for supplying electric power to a notebook PC or the like. Further, in the above-described CO removing device, the container filled with the CO oxidation catalyst is not limited to a cylindrical shape, and a partition or the like may be provided inside the container to increase the length of the gas circulation path. CO concentration can be reduced.
[0049]
In addition, the following supplementary notes are disclosed with respect to the above description.
(Supplementary Note 1) A CO oxidation catalyst containing at least one member from the group consisting of Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO.
(Supplementary Note 2) The CO oxidation catalyst according to Supplementary Note 1, which is formed in a porous shape.
(Supplementary note 3) The CO oxidation catalyst according to Supplementary note 1 or 2, wherein the average particle diameter is in a range of 0.01 µm to 1 µm.
(Supplementary Note 4) The CO according to any one of Supplementary Notes 1 to 3, wherein at least one kind of noble metal fine particles is further added from a group of Pt, Ru, Pd, and an alloy thereof. Oxidation catalyst.
(Supplementary Note 5) The CO oxidation catalyst according to any one of Supplementary Note 4, wherein the noble metal fine particles are supported on conductive carbon powder.
(Supplementary note 6) The CO oxidation catalyst according to any one of Supplementary notes 1 to 3, wherein fine particles of silver oxide or copper oxide are further added.
(Supplementary Note 7) a step of heat-treating at least one of a group of MnCO 3 , MnO 2 , and MnOOH;
And pulverizing the product in the heat treatment step.
(Supplementary note 8) The method for producing a CO oxidation catalyst according to supplementary note 7, wherein the heat treatment is performed in an air atmosphere or an inert atmosphere.
(Supplementary Note 9) In a CO removing device in which a reformed gas is supplied and the CO concentration in the reformed gas is reduced using a CO oxidation catalyst layer,
The CO removal device, wherein the CO oxidation catalyst layer includes the CO oxidation catalyst according to any one of Supplementary notes 1 to 6.
(Supplementary Note 10) The CO removal device according to Supplementary Note 9, wherein the treatment is performed at a temperature of the reformed gas in a range of 25 ° C to 300 ° C.
[0050]
【The invention's effect】
As is apparent from the details described above, according to the present invention, since the CO oxidation catalyst is composed of Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and manganese oxide of MnO having high oxidation activity, it is contained in the gas. CO can be efficiently oxidized at a low temperature. Furthermore, since it has excellent selectivity for CO oxidation, it is possible to reduce the CO concentration without consuming H 2 of the reformed gas, and it can be used for a CO removal device of a solid fuel cell system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a PEFC.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a methanol steam reforming method.
FIG. 3 is a block diagram of a fuel cell system including a CO removal device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of a CO concentration of an example according to the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (5)
前記加熱処理する工程における生成物を微粉化する工程とを備えたCO酸化触媒の製造方法。Heat-treating at least one of the group consisting of MnCO 3 , MnO 2 , and MnOOH;
And pulverizing the product in the heat treatment step.
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