JP2004344752A - 発泡担体触媒 - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒の有効表面積が増大し燃料改質性能に優れた燃料改質触媒を提供する。
【解決手段】発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は100〜500mm2である発泡担体触媒である。本発明によれば、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、触媒性能に優れる発泡担体触媒が得られる。また、本発明によれば、触媒活性金属を有効に利用することができる。
【選択図】 なし
【解決手段】発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は100〜500mm2である発泡担体触媒である。本発明によれば、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、触媒性能に優れる発泡担体触媒が得られる。また、本発明によれば、触媒活性金属を有効に利用することができる。
【選択図】 なし
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発泡担体に担持された発泡担体触媒に関する。より詳細には、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を100〜500mm2とすることにより、触媒の表面積が有効に確保され触媒性能に優れる発泡担体触媒および該触媒を利用した燃料改質触媒等に関する。
【0002】
【従来の技術】
発泡体とは、立体的な網状構造を有し、空隙率の著しく大きい金属またはセラミックス等の多孔体である。該発泡体は、その表面積の大きいことを利用して、触媒担体(本明細書中、「発泡担体」とも称する。)、電極材料の他、フィルターや消音剤等への応用が期待されている。
【0003】
なかでも、前記発泡体を担体とした、すなわち発泡担体に担持された触媒は、炭化水素燃料を改質して水素を発生させる燃料改質装置中の燃料改質触媒、シフト触媒、および一酸化炭素濃度低減触媒、並びに内燃機関の排出ガス浄化触媒等への利用が提案されている。
【0004】
一方、固体高分子燃料電池は比較的低温でも高電流密度が得られるため、自動車などの移動用電源として期待されている。この固体高分子燃料電池の水素源としては、純水素を利用するシステムや、メタノール等の炭化水素燃料を改質して得られる水素を利用する方法が知られている。後者の燃料改質装置としては、炭化水素の酸化反応で放出される熱量を吸熱反応である炭化水素の水蒸気改質反応に利用するいわゆるオートサーマル型燃料改質装置が知られている。
【0005】
ここで、例えば炭化水素燃料を改質して水素を発生させる燃料改質反応の触媒としては、従来、アルミナなどのペレット担体に触媒活性物質を担持させて触媒層を形成したペレット触媒や、セラミックスまたは同等の構造を付与した金属製のハニカム担体または発泡担体等の壁面に、含浸法等により触媒活性物質を担持させて触媒層を形成したモノリス触媒が一般に使用されている。例えば、特許文献1には、改質触媒体が、ハニカム構造、発泡体構造またはコルゲート構造をもつ担持体に触媒成分を担持させることによって構成される水素発生装置が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−264603号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ハニカム担体においては、担体の空孔の形状がガスの流れに垂直な断面において常に一定である。このため、入口部より入ったガスは他の空孔を通過することなく流通し、ガスの流れに対して抵抗を生じることは通常考えられない。また、ハニカム担体の有する構造上の特性により、該担体に触媒を担持させる際にも、入口部から触媒スラリーを吸入するだけで、目詰まりを起こすことなく触媒を担持することが可能である。
【0008】
これに対し、発泡担体は、担体の空孔の形状がガスの流れに垂直な断面において常に変化する複雑な構造を有している。このため、圧力損失も大きいが、反応ガス流量が大きく変動しても、発泡担体の緩衝作用により、後続の装置、例えば燃料改質触媒の場合には、後段のシフト反応器および一酸化炭素除去器等への負荷を減少させることができる。すなわち、発泡担体を用いると、後続の装置のロバスト性を高めることができるのである。しかしながら、従来の方法により入口部から触媒スラリーを吸入して該担体に触媒を担持させる際には、触媒スラリーが担体中で目詰まりを起こし、触媒の有効表面積が減少し、触媒性能が著しく低下するという問題点があった。
【0009】
そこで、本発明が目的とするところは、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、触媒の有効表面積が増大し触媒性能に優れた発泡担体触媒を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、触媒スラリーを発泡担体に担持させる際に、担持条件を調節することで、担持される触媒量が調節され、触媒の有効表面積が増大することを見出した。さらに、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積が100〜500mm2であると、触媒の表面積が有効に確保され、その結果、より優れた触媒性能が得られることを見出し、本発明を完成させた。
【0011】
すなわち本発明は、発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は100〜500mm2である発泡担体触媒を提供するものである。
【0012】
また本発明は、前記記載の発泡担体である燃料改質触媒、並びに該触媒が配置される燃料改質装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを固体高分子燃料電池システムを提供するものである。
【0013】
さらに本発明は、前記記載の燃料改質装置を搭載した燃料改質式水素発生システム、燃料電池システム、または燃料改質式燃料電池自動車を提供するものである。
【0014】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を100〜500mm2とすることで、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、触媒性能に優れる発泡担体が得られる。また、触媒活性金属を有効に利用することができる。特に、コーティング1回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量が5〜30g/Lであると、より優れた触媒性能が得られ、特に燃料改質触媒にあっては、効率的に水素ガスが発生しうる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、特に燃料改質触媒としての発泡担体触媒を例に挙げ、本発明の実施の形態について説明する。
【0016】
図1は本発明の燃料改質触媒を適用した燃料改質装置を含む固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。例えば、ガソリンを燃料とする固体高分子燃料電池システムは、図1に示すようにガソリンをオートサーマル改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質器、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器、一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減触媒および酸化剤である酸素を含むガスを導入・混合する手段を備えた一酸化炭素除去器、並びに固体高分子型燃料電池で構成されている。
【0017】
上記改質器は、燃料改質触媒(例えばRh系触媒)を収納した改質反応部を備えており、空気、水、ガソリンの供給を受け、改質反応部の燃料改質触媒によるオートサーマル反応を進行させて水素を含む改質ガスを生成してシフト反応器に送り出す。上記反応は、一般に350〜850℃で行われる。
【0018】
シフト反応器は、シフト触媒(例えばPt系、Cu―ZnO系触媒)を収納した水性ガスシフト反応部を備え、改質器出口のガスを受けて、水性ガスシフト反応を進行させて一酸化炭素濃度を低減し、水素濃度を高めた改質ガスを生成して一酸化炭素除去装置に送り出す。上記反応は、一般に150〜400℃で行われる。
【0019】
また、一酸化炭素除去器は、一酸化炭素濃度低減触媒(例えば、Pt系、Ru系触媒)を収納した一酸化炭素濃度低減部を備え、改質ガスに酸化剤である酸素を含むガスを導入・混合し、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素に変換し、燃料電池へ水素リッチな改質ガスを送り出す。
【0020】
さらに、固体高分子燃料電池は、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードとカソードの供給される燃料ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。
【0021】
従来、前記燃料改質触媒を担持させる担体としては、燃料改質効率や製造の簡便さ等の点で、メタルハニカム、セラハニカム等のハニカム担体や、メタルフォーム、セラフォーム等の発泡担体が広く用いられている。しかしながら発泡担体は、その構造上の特性から、入口部から触媒スラリーを吸入して該担体に触媒を担持させる際には、触媒スラリーが担体中で目詰まりを起こし、触媒性能に優れる燃料改質触媒を得ることは困難であった。
【0022】
本発明者らは上記の点に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、触媒スラリーを発泡担体に担持させる際に、担持条件、特に吸引時間およびスラリー濃度を調節することで、コーティング1回あたりに発泡担体に担持される触媒量が調節され、触媒の有効表面積が増大することを見出したのである。
【0023】
したがって、本発明の第一は、発泡担体に担持された燃料改質触媒であって、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は100〜500mm2である燃料改質触媒である。
【0024】
以下、図2を用いて「触媒の島」について説明する。ここで図2(a)は、発泡担体触媒の縦断面において、形成された触媒の島を説明する模式図である。「触媒の島」とは、図2(a)に示すように、発泡担体触媒の縦断面において、担持された触媒の領域のうち、0.006mm2以上の断面積を有するものをいう。なお、図2において、10は触媒の島、20はメタルフォームである。また、「縦断面」とは、入口側から出口側へのガスの流れに平行な面であり、例えば円柱型の発泡担体では、円柱の底面に垂直な面を指すものである。本発明では、1個の触媒の島を確認するのに必要な発泡担体の断面積は100〜500mm2である。かかる燃料改質触媒によれば、発泡担体に担持された触媒の表面積が有効に確保され、その結果得られる燃料改質装置も、従来と比較して炭化水素転化率およびH2+CO生成率に優れるためである。
【0025】
なお、本発明において、「炭化水素転化率」とは、下記式にしたがって算出するものとする。
【0026】
【数1】
【0027】
また、「炭化水素転化率に優れる」とは、温度500℃におけるその燃料改質装置の有する炭化水素転化率が99〜100%のものをいう。以下、本発明を詳細に説明する。
【0028】
一般に燃料改質装置は、少なくとも改質触媒を充填する触媒充填部を有するが、その他、原料供給口および酸素や空気などの分子状酸素含有ガスの供給口、水蒸気供給口とを有する。原料ガスが水蒸気や分子状酸素含有ガスとともに触媒充填部に供給される際の起動時の混合ガス温度は一般に−30〜50℃である。原料ガスは改質触媒によって酸素と反応するが、この反応は発熱反応であり、触媒充填部出口では一般に温度300〜800℃に達する。
【0029】
本発明で使用される触媒としては、例えば、担体に白金、ロジウム、パラジウムおよびルテニウムからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属元素を担持および焼成させて得たものがある。このような貴金属元素は水蒸気改質反応(例えば、CH3OH+H2O→3H2+CO2)に優れるため好ましく、特にロジウムは耐久性や触媒活性にも優れるため好ましい。
【0030】
前記触媒の担体としては、特に限定されることなく使用することができるが、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、セリウム−ジルコニウム複合酸化物などを使用することができる。好ましくは、酸化アルミニウムまたは酸化セリウムを使用することができる。これらの酸化物に貴金属を担持すると、炭化水素転化率およびH2+CO生成率に優れる触媒となるためである。なお、担体のBET比表面積は、好ましくは10〜300m2/g、より好ましくは40〜300m2/gである。また、担体の平均粒子径は、好ましくは0.1〜3μm、より好ましくは0.1〜50μmである。
【0031】
本発明に使用する燃料改質触媒は、特に制限されることなく従来公知の技術を用いて調製することができる。例えば、前記担体に担持すべき貴金属元素を含有する触媒調製溶液を用いて、含浸法、共沈法、競争吸着法など各種の技術を用いて前記貴金属元素を担持した後、焼成することにより調製することができる。
【0032】
以下、本発明に使用する燃料改質触媒の調製方法を、順を追って説明する。
【0033】
まず、前記貴金属元素を担持させる際の処理条件は、各種方法に応じて適宜選択することができる。通常は、前記担体と前記触媒調製溶液とを20〜90℃で1分間〜10時間、接触させる。例えば、前記貴金属元素を含む化合物を溶解または分散した触媒調製溶液を用い、これに前記担体を含浸させ、これを乾燥および焼成して焼成物を得てもよい。前記触媒調製溶液の溶媒としては、水のほか、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、カルボン酸類等、前記元素を含む化合物が溶解できる溶媒を広く使用することができる。
【0034】
その後、前記担体を乾燥するが、乾燥方法としては、例えば自然乾燥、蒸発乾固法、ロータリーエバポレーター、噴霧乾燥機、ドラムドライヤーによる乾燥などを用いることができる。その後焼成することができ、焼成条件は、通常、焼成温度200〜1000℃で、焼成時間は30〜480分で充分である。
【0035】
本発明で使用する燃料改質触媒は、前記担体に、さらにマンガン、鉄、コバルト、ニッケルまたは銅から選ばれる少なくとも1種類の元素を担持させたものであってもよい。これらの添加によって炭化水素転化率および/またはH2+CO生成率が向上するからである。これらの担持量は、好ましくは触媒あたり0.1〜40質量%であり、より好ましくは0.5〜8質量%である。これらの添加成分は前記貴金属と同時に担持させてもよく、別個に担持させてもよい。別個に担持させるには、前記添加成分を担持させた担体を、貴金属元素を含有する化合物を溶解または分散させた溶媒中に含浸させ、その後焼成すればよい。なお、含浸法のほか、共沈法、競争吸着法など各種の公知技術を利用することができる。
【0036】
本発明で使用する燃料改質触媒は、さらにアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移元素等を含んでいてもよい。
【0037】
アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等が好ましい。また、アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等が好ましい。そして希土類としては、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム等が好ましい。さらに、遷移元素としては、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等が好ましい。これら添加物の添加量は、特に制限されることはないが、添加量により炭化水素転化率やH2+CO生成率を変化させることができるため、所望の特性が得られる添加量にすることが好ましい。通常、触媒あたり0.1〜30質量%担持することにより制御可能である。
なお、これらの成分の担持は、前記貴金属元素や添加成分の担時と同時に行ってもよく、別個に行ってもよい。また、本発明において発泡担体に担持される触媒粉末の平均粒子径は、好ましくは0.1〜50μm、より好ましくは0.1〜3μmである。
【0038】
本発明の燃料改質触媒を担持する発泡担体としては、特に制限されず従来公知のものが好ましく使用されるが、好ましくは、メタルフォームまたはセラフォーム等が例示される。いずれもが特に制限されることなく使用されうるが、熱伝導率に優れる点で、特に好ましくはメタルフォームが用いられうる。なお、通気性や触媒活性を確保するために、本発明で使用される発泡担体の空隙率は好ましくは90〜99.8%、より好ましくは95〜99%である。発泡担体の空隙率が90%未満では空隙率が小さすぎて触媒の表面積が有効に確保されない。一方、99.8%を超えるとメタルフォームの構成要素が小さくなりすぎて触媒表面積を有効に確保して担持できない。
【0039】
本発明の燃料改質触媒は、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を100〜500mm2とすることにより、触媒の表面積が有効に確保され、その結果燃料改質性能に優れる。したがって、本発明において、触媒の島を1個確認するのに必要な発泡担体の断面積は100〜500mm2、好ましくは200〜500mm2、より好ましくは300〜500mm2である。かかる燃料改質触媒によれば、発泡担体に担持された触媒の表面積が有効に確保され、その結果得られる燃料改質装置も、従来と比較して炭化水素転化率およびH2+CO生成率に優れる。具体的には、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積が100mm2未満であると、触媒の表面積が有効に確保されないほか低触媒活性である。一方、500mm2を超えると、コーティング回数が非常に多くなり大変手間である。
【0040】
発泡担体への触媒のコーティングは、例えば以下のように行うことができる。予め燃料改質触媒を調製し、これらを1〜10倍の水で攪拌および粉砕して触媒スラリーを調製し、次いで発泡担体の入口部に該触媒スラリーを塗布し、該発泡担体を乾燥および焼成して行うことができる。
【0041】
この際、コーティング1回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量は特に制限されることはないが、好ましくは5〜30g/L、より好ましくは10〜30g/L、特に好ましくは15〜30g/Lである。ここで、触媒量が5g/L未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、30g/Lを超えると、触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。なお、ここで「コーティング1回あたりに発泡担体に担持される触媒量」とは、コーティングおよび焼成後に発泡担体に担持された触媒量をいうものとする。
【0042】
また、本発明においては、発泡担体にコーティングされる触媒スラリーの特性を調整することによっても達成することが可能である。しかしこれに制限されるものではない。まず、前記発泡担体の空隙率(%)(A)に対する、前記発泡担体にコーティングされる前記触媒スラリー中の触媒粉末の体積(mL)(B)の比の値、すなわち(B)/(A)(mL/%)は、好ましくは0.2〜1.2、より好ましくは0.5〜1.2、特に好ましくは0.8〜1.2である。この比の値が0.2未満であるとコーティング回数が非常に多くなり手間であり、一方、1.2を超えると触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。また、前記触媒スラリー中の触媒粉末濃度は好ましくは5〜25質量%、より好ましくは10〜25質量%、特に好ましくは15〜25質量%である。触媒スラリー中の触媒粉末濃度が5質量%未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、25質量%を超えると、触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。さらに、前記触媒スラリーの粘度は、好ましくは2〜18Pa・s、より好ましくは2〜15Pa・s、特に好ましくは5〜15Pa・sである。
触媒スラリー中の粘度が2Pa・s未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、18Pa・sを超えると触媒の表面積が有効に確保されない。なお、前記発泡担体への触媒スラリーのコーティング回数は特に制限されないが、好ましくは2回以上、より好ましくは3回以上、特に好ましくは5回以上行われる。これにより、発泡担体中のガスの流れに対する上流部、中央部および下流部に均一に触媒スラリーがコーティングされるためである。
【0043】
本発明では、前記触媒スラリーを発泡担体にコーティング後、焼成して得られた燃料改質触媒の平均貴金属量は、該触媒1リットルあたり好ましくは1.2〜9.6g、より好ましくは1.2〜2.4gである。1.2gを下回ると水素発生量が十分ではなく、9.6gを超えると、貴金属が凝集して触媒活性を発揮できない場合がある。
【0044】
本発明の改質装置に供給する原料ガスは、炭素数1〜20の炭化水素、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、ヘプタン、イソヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、イソノナン、デカン、イソデカン等がある。改質装置に供給する際の炭化水素の濃度は、好ましくは1〜10体積%、より好ましくは1〜5体積%である。また、原料ガスの供給量は、好ましくは触媒充填部に対してガス空間速度(GHSV)が1000〜200000h−1である。
【0045】
本発明の第二は、第一の発明の燃料改質触媒を配置した燃料改質装置、および該装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを含む固体高分子燃料電池システムである。以下、本発明を図1を参照して説明する。
【0046】
図1は、本発明の固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。例えば、メタノールを燃料とする固体高分子燃料電池システムは、図1に示すようにメタノールを本発明の改質装置で改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成させる。該改質ガスをシフト反応器に供給し、該ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減させる。次いでシフト反応器出口ガスに含まれる一酸化炭素を除去する触媒層を備えた一酸化炭素除去装置に供給して、一酸化炭素を低減させ、高純度の水素ガスを固体高分子型燃料電池に供給する。なお、シフト反応器からの排出ガスは、予め冷却部で冷却してから一酸化炭素除去器に供給すると、一酸化炭素の除去効率に優れる。
【0047】
シフト反応器に充填されるシフト触媒としては、例えばPt系、Cu−ZnO系触媒等の従来公知の触媒を使用することができ、CO除去器に充填するCO除去触媒としても、例えば、Pt系、Ru系触媒等の従来公知の触媒を使用することができる。
【0048】
なお、固体高分子型燃料電池は、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードとカソードによって供給される燃料ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。
【0049】
本発明の発泡担体触媒は、上述の通り触媒の島を1個確認するのに要する発泡担体の縦断面積が100〜500mm2である。このため、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、例えば燃料改質触媒に適用された場合には炭化水素転化率およびH2+CO生成率等の燃料改質性能に優れる燃料改質触媒が得られる。また、本発明の発泡担体触媒によれば触媒活性金属を有効に利用することができる。特に、コーティング1回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量が5〜30g/Lであると、より優れた触媒性能が得られ、例えば燃料改質触媒の場合には、効率的に炭化水素を分解して水素を発生できる。
【0050】
以上、燃料改質触媒を例に挙げて本発明の発泡担体触媒の実施の形態について説明したが、本発明の発泡担体触媒はこれに限定されることなく種々の触媒に適用されうる。本発明の発泡担体触媒の適用可能な触媒としては、例えば、燃料改質装置中のシフト触媒、一酸化炭素濃度低減触媒、内燃機関の排出ガス浄化触媒等が例示される。
【0051】
【実施例】
(実施例1)
(1)Al2O3(BET比表面積200m2/g)を担体として用い、0.058モルの硝酸ロジウム水溶液0.36リットル中に該担体を投入しロジウム元素を含浸させ、十分に攪拌した後に一日乾燥させ、その後400℃で焼成を行った。これをロジウム担持Al2O3触媒とする。
【0052】
(2)上記(1)で得た触媒200gに水0.5リットルを添加して、触媒を湿式粉砕して水性触媒スラリーを調製した。なお、粉砕は、市販のボール式振動ミルを用いて行い、ボール径、粉砕時間、振幅、振動周波数を調整することにより、平均粒子径を2〜3μm、触媒スラリー中の触媒粉末濃度を19%に調整した。また、該触媒スラリーの粘度は12.3Pa・sであった。
【0053】
(3)上記(2)で得たAl2O3にロジウムを担持した触媒(ロジウム担持Al2O3触媒)の触媒スラリーをNi−Cr製(住友電工製)メタルフォーム担体(30ppi、900セル、空隙率95%:以下、「メタルフォーム」と称する。)に、触媒粉末重量が約60g/Lとなる量の前記触媒スラリーを3回に分けて、コーティング、200℃での乾燥、空気中400℃での焼成をそれぞれ行い、燃料改質触媒を得た。ここで、1回目のコーティングはメタルフォームの上方から触媒スラリー400mL(触媒粉末体積は76mL)をかけ、約2〜3秒間吸引することにより行った。2回目および3回目のコーティングも同様に、同量の触媒スラリーをメタルフォームにかけ、2回目はメタルフォームの下方から、3回目は再び上方から吸引することにより行った。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は59.6g/Lであった。
【0054】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を図3に示す。図3からわかるように、図3の写真3枚の合計である縦断面積68.7mm2中には、触媒の島は一つも存在しなかった。触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は124mm2であった。
【0055】
次に、上記で調製した燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。前記燃料改質触媒を触媒量10mLとして石英管に充填し、空間速度がGHSV=85024、106280、127536h−1になるように脱硫ガソリン、水蒸気、空気の混合ガスを導入した。この際のS/C=1.5、O2/C=0.4とした。反応温度は入口温度を500℃に固定し、脱硫ガソリン転化率(%)を測定した。なお脱硫ガソリン転化率は、下記式に従って算出した。
【0056】
【数2】
【0057】
上記実験結果を表1に示す。
【0058】
(実施例2)
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が25質量%となるように調整したこと、およびコーティング回数を2回にしたこと以外は実施例1と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は14.5pa・sであった。なお、1回目のコーティングの際にはメタルフォームの上方から触媒スラリーを吸入し、2回目のコーティングの際にはメタルフォームの下方から触媒スラリーを吸入した。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は58.6g/Lであった。また、触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は109mm2であった。
【0059】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例1と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表1に示す。
【0060】
(比較例1)
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が30質量%となるように調整したこと以外は実施例2と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は15.8pa・sであった。また、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は60g/Lであった。
【0061】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を実施例1と同様に光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を図4に示す。図4からわかるように、図4の写真3枚の合計である縦断面積68.7mm2中には、触媒の島は7個存在した。また、触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は10mm2であった。
【0062】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例1と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表1に示す。
【0063】
(比較例2)
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が38質量%となるように調整したこと、およびコーティング回数を1回にしたこと以外は実施例1と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は18.4pa・sであった。なお、コーティングの際にはメタルフォームの上方から触媒スラリーを吸入した。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は57.9g/Lであった。
【0064】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を実施例1と同様に光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を図5に示す。図5からわかるように、図5の写真3枚の合計である縦断面積68.7mm2中には、触媒の島は3個存在した。また、触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は23mm2であった。
【0065】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例1と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表1に示す。
【0066】
【表1】
【0067】
表1からわかるように、実施例1および2においては、いずれも99.3%以上と高い転化率を示した。これは、実施例1および2においては、触媒確認担体縦断面積がいずれも100mm2以上と大きいことから、触媒が発泡担体表面上に偏在することなく均一にコーティングされた結果であると考えられる。
【0068】
また、かかる燃料改質触媒は、コーティング1回あたりの担持触媒量を30g/L以下であり、担体の空隙率(%)に対するスラリー中の触媒粉末の体積(mL)の比の値が1.2以下であるという特徴を有することがわかる。さらには、コーティングする触媒スラリー中の触媒粉末濃度を25質量%以下に調整し、スラリー粘度を15Pa・s以下に調整し、コーティングは2回以上行うことが有効であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、冷却手段を含む固体高分子燃料電池システムの概要を示す図である。
【図2】図2(a)は、発泡担体触媒の縦断面において、形成された触媒の島を説明する模式図であり、図2(b)は、発泡担体の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を示す図である。
【図3】図3(a)は、実施例1で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図であり、図3(b)は、実施例1で使用したメタルフォーム担体の平面図および縦断面図である。
【図4】図4は、比較例1で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図である。
【図5】図5は、比較例2で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図である。
【符号の説明】
10…触媒の島、20…メタルフォーム。
【発明の属する技術分野】
本発明は、発泡担体に担持された発泡担体触媒に関する。より詳細には、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を100〜500mm2とすることにより、触媒の表面積が有効に確保され触媒性能に優れる発泡担体触媒および該触媒を利用した燃料改質触媒等に関する。
【0002】
【従来の技術】
発泡体とは、立体的な網状構造を有し、空隙率の著しく大きい金属またはセラミックス等の多孔体である。該発泡体は、その表面積の大きいことを利用して、触媒担体(本明細書中、「発泡担体」とも称する。)、電極材料の他、フィルターや消音剤等への応用が期待されている。
【0003】
なかでも、前記発泡体を担体とした、すなわち発泡担体に担持された触媒は、炭化水素燃料を改質して水素を発生させる燃料改質装置中の燃料改質触媒、シフト触媒、および一酸化炭素濃度低減触媒、並びに内燃機関の排出ガス浄化触媒等への利用が提案されている。
【0004】
一方、固体高分子燃料電池は比較的低温でも高電流密度が得られるため、自動車などの移動用電源として期待されている。この固体高分子燃料電池の水素源としては、純水素を利用するシステムや、メタノール等の炭化水素燃料を改質して得られる水素を利用する方法が知られている。後者の燃料改質装置としては、炭化水素の酸化反応で放出される熱量を吸熱反応である炭化水素の水蒸気改質反応に利用するいわゆるオートサーマル型燃料改質装置が知られている。
【0005】
ここで、例えば炭化水素燃料を改質して水素を発生させる燃料改質反応の触媒としては、従来、アルミナなどのペレット担体に触媒活性物質を担持させて触媒層を形成したペレット触媒や、セラミックスまたは同等の構造を付与した金属製のハニカム担体または発泡担体等の壁面に、含浸法等により触媒活性物質を担持させて触媒層を形成したモノリス触媒が一般に使用されている。例えば、特許文献1には、改質触媒体が、ハニカム構造、発泡体構造またはコルゲート構造をもつ担持体に触媒成分を担持させることによって構成される水素発生装置が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−264603号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ハニカム担体においては、担体の空孔の形状がガスの流れに垂直な断面において常に一定である。このため、入口部より入ったガスは他の空孔を通過することなく流通し、ガスの流れに対して抵抗を生じることは通常考えられない。また、ハニカム担体の有する構造上の特性により、該担体に触媒を担持させる際にも、入口部から触媒スラリーを吸入するだけで、目詰まりを起こすことなく触媒を担持することが可能である。
【0008】
これに対し、発泡担体は、担体の空孔の形状がガスの流れに垂直な断面において常に変化する複雑な構造を有している。このため、圧力損失も大きいが、反応ガス流量が大きく変動しても、発泡担体の緩衝作用により、後続の装置、例えば燃料改質触媒の場合には、後段のシフト反応器および一酸化炭素除去器等への負荷を減少させることができる。すなわち、発泡担体を用いると、後続の装置のロバスト性を高めることができるのである。しかしながら、従来の方法により入口部から触媒スラリーを吸入して該担体に触媒を担持させる際には、触媒スラリーが担体中で目詰まりを起こし、触媒の有効表面積が減少し、触媒性能が著しく低下するという問題点があった。
【0009】
そこで、本発明が目的とするところは、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、触媒の有効表面積が増大し触媒性能に優れた発泡担体触媒を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、触媒スラリーを発泡担体に担持させる際に、担持条件を調節することで、担持される触媒量が調節され、触媒の有効表面積が増大することを見出した。さらに、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積が100〜500mm2であると、触媒の表面積が有効に確保され、その結果、より優れた触媒性能が得られることを見出し、本発明を完成させた。
【0011】
すなわち本発明は、発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は100〜500mm2である発泡担体触媒を提供するものである。
【0012】
また本発明は、前記記載の発泡担体である燃料改質触媒、並びに該触媒が配置される燃料改質装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを固体高分子燃料電池システムを提供するものである。
【0013】
さらに本発明は、前記記載の燃料改質装置を搭載した燃料改質式水素発生システム、燃料電池システム、または燃料改質式燃料電池自動車を提供するものである。
【0014】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を100〜500mm2とすることで、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、触媒性能に優れる発泡担体が得られる。また、触媒活性金属を有効に利用することができる。特に、コーティング1回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量が5〜30g/Lであると、より優れた触媒性能が得られ、特に燃料改質触媒にあっては、効率的に水素ガスが発生しうる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、特に燃料改質触媒としての発泡担体触媒を例に挙げ、本発明の実施の形態について説明する。
【0016】
図1は本発明の燃料改質触媒を適用した燃料改質装置を含む固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。例えば、ガソリンを燃料とする固体高分子燃料電池システムは、図1に示すようにガソリンをオートサーマル改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質器、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器、一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減触媒および酸化剤である酸素を含むガスを導入・混合する手段を備えた一酸化炭素除去器、並びに固体高分子型燃料電池で構成されている。
【0017】
上記改質器は、燃料改質触媒(例えばRh系触媒)を収納した改質反応部を備えており、空気、水、ガソリンの供給を受け、改質反応部の燃料改質触媒によるオートサーマル反応を進行させて水素を含む改質ガスを生成してシフト反応器に送り出す。上記反応は、一般に350〜850℃で行われる。
【0018】
シフト反応器は、シフト触媒(例えばPt系、Cu―ZnO系触媒)を収納した水性ガスシフト反応部を備え、改質器出口のガスを受けて、水性ガスシフト反応を進行させて一酸化炭素濃度を低減し、水素濃度を高めた改質ガスを生成して一酸化炭素除去装置に送り出す。上記反応は、一般に150〜400℃で行われる。
【0019】
また、一酸化炭素除去器は、一酸化炭素濃度低減触媒(例えば、Pt系、Ru系触媒)を収納した一酸化炭素濃度低減部を備え、改質ガスに酸化剤である酸素を含むガスを導入・混合し、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素に変換し、燃料電池へ水素リッチな改質ガスを送り出す。
【0020】
さらに、固体高分子燃料電池は、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードとカソードの供給される燃料ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。
【0021】
従来、前記燃料改質触媒を担持させる担体としては、燃料改質効率や製造の簡便さ等の点で、メタルハニカム、セラハニカム等のハニカム担体や、メタルフォーム、セラフォーム等の発泡担体が広く用いられている。しかしながら発泡担体は、その構造上の特性から、入口部から触媒スラリーを吸入して該担体に触媒を担持させる際には、触媒スラリーが担体中で目詰まりを起こし、触媒性能に優れる燃料改質触媒を得ることは困難であった。
【0022】
本発明者らは上記の点に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、触媒スラリーを発泡担体に担持させる際に、担持条件、特に吸引時間およびスラリー濃度を調節することで、コーティング1回あたりに発泡担体に担持される触媒量が調節され、触媒の有効表面積が増大することを見出したのである。
【0023】
したがって、本発明の第一は、発泡担体に担持された燃料改質触媒であって、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は100〜500mm2である燃料改質触媒である。
【0024】
以下、図2を用いて「触媒の島」について説明する。ここで図2(a)は、発泡担体触媒の縦断面において、形成された触媒の島を説明する模式図である。「触媒の島」とは、図2(a)に示すように、発泡担体触媒の縦断面において、担持された触媒の領域のうち、0.006mm2以上の断面積を有するものをいう。なお、図2において、10は触媒の島、20はメタルフォームである。また、「縦断面」とは、入口側から出口側へのガスの流れに平行な面であり、例えば円柱型の発泡担体では、円柱の底面に垂直な面を指すものである。本発明では、1個の触媒の島を確認するのに必要な発泡担体の断面積は100〜500mm2である。かかる燃料改質触媒によれば、発泡担体に担持された触媒の表面積が有効に確保され、その結果得られる燃料改質装置も、従来と比較して炭化水素転化率およびH2+CO生成率に優れるためである。
【0025】
なお、本発明において、「炭化水素転化率」とは、下記式にしたがって算出するものとする。
【0026】
【数1】
【0027】
また、「炭化水素転化率に優れる」とは、温度500℃におけるその燃料改質装置の有する炭化水素転化率が99〜100%のものをいう。以下、本発明を詳細に説明する。
【0028】
一般に燃料改質装置は、少なくとも改質触媒を充填する触媒充填部を有するが、その他、原料供給口および酸素や空気などの分子状酸素含有ガスの供給口、水蒸気供給口とを有する。原料ガスが水蒸気や分子状酸素含有ガスとともに触媒充填部に供給される際の起動時の混合ガス温度は一般に−30〜50℃である。原料ガスは改質触媒によって酸素と反応するが、この反応は発熱反応であり、触媒充填部出口では一般に温度300〜800℃に達する。
【0029】
本発明で使用される触媒としては、例えば、担体に白金、ロジウム、パラジウムおよびルテニウムからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属元素を担持および焼成させて得たものがある。このような貴金属元素は水蒸気改質反応(例えば、CH3OH+H2O→3H2+CO2)に優れるため好ましく、特にロジウムは耐久性や触媒活性にも優れるため好ましい。
【0030】
前記触媒の担体としては、特に限定されることなく使用することができるが、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、セリウム−ジルコニウム複合酸化物などを使用することができる。好ましくは、酸化アルミニウムまたは酸化セリウムを使用することができる。これらの酸化物に貴金属を担持すると、炭化水素転化率およびH2+CO生成率に優れる触媒となるためである。なお、担体のBET比表面積は、好ましくは10〜300m2/g、より好ましくは40〜300m2/gである。また、担体の平均粒子径は、好ましくは0.1〜3μm、より好ましくは0.1〜50μmである。
【0031】
本発明に使用する燃料改質触媒は、特に制限されることなく従来公知の技術を用いて調製することができる。例えば、前記担体に担持すべき貴金属元素を含有する触媒調製溶液を用いて、含浸法、共沈法、競争吸着法など各種の技術を用いて前記貴金属元素を担持した後、焼成することにより調製することができる。
【0032】
以下、本発明に使用する燃料改質触媒の調製方法を、順を追って説明する。
【0033】
まず、前記貴金属元素を担持させる際の処理条件は、各種方法に応じて適宜選択することができる。通常は、前記担体と前記触媒調製溶液とを20〜90℃で1分間〜10時間、接触させる。例えば、前記貴金属元素を含む化合物を溶解または分散した触媒調製溶液を用い、これに前記担体を含浸させ、これを乾燥および焼成して焼成物を得てもよい。前記触媒調製溶液の溶媒としては、水のほか、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、カルボン酸類等、前記元素を含む化合物が溶解できる溶媒を広く使用することができる。
【0034】
その後、前記担体を乾燥するが、乾燥方法としては、例えば自然乾燥、蒸発乾固法、ロータリーエバポレーター、噴霧乾燥機、ドラムドライヤーによる乾燥などを用いることができる。その後焼成することができ、焼成条件は、通常、焼成温度200〜1000℃で、焼成時間は30〜480分で充分である。
【0035】
本発明で使用する燃料改質触媒は、前記担体に、さらにマンガン、鉄、コバルト、ニッケルまたは銅から選ばれる少なくとも1種類の元素を担持させたものであってもよい。これらの添加によって炭化水素転化率および/またはH2+CO生成率が向上するからである。これらの担持量は、好ましくは触媒あたり0.1〜40質量%であり、より好ましくは0.5〜8質量%である。これらの添加成分は前記貴金属と同時に担持させてもよく、別個に担持させてもよい。別個に担持させるには、前記添加成分を担持させた担体を、貴金属元素を含有する化合物を溶解または分散させた溶媒中に含浸させ、その後焼成すればよい。なお、含浸法のほか、共沈法、競争吸着法など各種の公知技術を利用することができる。
【0036】
本発明で使用する燃料改質触媒は、さらにアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移元素等を含んでいてもよい。
【0037】
アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等が好ましい。また、アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等が好ましい。そして希土類としては、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム等が好ましい。さらに、遷移元素としては、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等が好ましい。これら添加物の添加量は、特に制限されることはないが、添加量により炭化水素転化率やH2+CO生成率を変化させることができるため、所望の特性が得られる添加量にすることが好ましい。通常、触媒あたり0.1〜30質量%担持することにより制御可能である。
なお、これらの成分の担持は、前記貴金属元素や添加成分の担時と同時に行ってもよく、別個に行ってもよい。また、本発明において発泡担体に担持される触媒粉末の平均粒子径は、好ましくは0.1〜50μm、より好ましくは0.1〜3μmである。
【0038】
本発明の燃料改質触媒を担持する発泡担体としては、特に制限されず従来公知のものが好ましく使用されるが、好ましくは、メタルフォームまたはセラフォーム等が例示される。いずれもが特に制限されることなく使用されうるが、熱伝導率に優れる点で、特に好ましくはメタルフォームが用いられうる。なお、通気性や触媒活性を確保するために、本発明で使用される発泡担体の空隙率は好ましくは90〜99.8%、より好ましくは95〜99%である。発泡担体の空隙率が90%未満では空隙率が小さすぎて触媒の表面積が有効に確保されない。一方、99.8%を超えるとメタルフォームの構成要素が小さくなりすぎて触媒表面積を有効に確保して担持できない。
【0039】
本発明の燃料改質触媒は、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を100〜500mm2とすることにより、触媒の表面積が有効に確保され、その結果燃料改質性能に優れる。したがって、本発明において、触媒の島を1個確認するのに必要な発泡担体の断面積は100〜500mm2、好ましくは200〜500mm2、より好ましくは300〜500mm2である。かかる燃料改質触媒によれば、発泡担体に担持された触媒の表面積が有効に確保され、その結果得られる燃料改質装置も、従来と比較して炭化水素転化率およびH2+CO生成率に優れる。具体的には、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積が100mm2未満であると、触媒の表面積が有効に確保されないほか低触媒活性である。一方、500mm2を超えると、コーティング回数が非常に多くなり大変手間である。
【0040】
発泡担体への触媒のコーティングは、例えば以下のように行うことができる。予め燃料改質触媒を調製し、これらを1〜10倍の水で攪拌および粉砕して触媒スラリーを調製し、次いで発泡担体の入口部に該触媒スラリーを塗布し、該発泡担体を乾燥および焼成して行うことができる。
【0041】
この際、コーティング1回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量は特に制限されることはないが、好ましくは5〜30g/L、より好ましくは10〜30g/L、特に好ましくは15〜30g/Lである。ここで、触媒量が5g/L未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、30g/Lを超えると、触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。なお、ここで「コーティング1回あたりに発泡担体に担持される触媒量」とは、コーティングおよび焼成後に発泡担体に担持された触媒量をいうものとする。
【0042】
また、本発明においては、発泡担体にコーティングされる触媒スラリーの特性を調整することによっても達成することが可能である。しかしこれに制限されるものではない。まず、前記発泡担体の空隙率(%)(A)に対する、前記発泡担体にコーティングされる前記触媒スラリー中の触媒粉末の体積(mL)(B)の比の値、すなわち(B)/(A)(mL/%)は、好ましくは0.2〜1.2、より好ましくは0.5〜1.2、特に好ましくは0.8〜1.2である。この比の値が0.2未満であるとコーティング回数が非常に多くなり手間であり、一方、1.2を超えると触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。また、前記触媒スラリー中の触媒粉末濃度は好ましくは5〜25質量%、より好ましくは10〜25質量%、特に好ましくは15〜25質量%である。触媒スラリー中の触媒粉末濃度が5質量%未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、25質量%を超えると、触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。さらに、前記触媒スラリーの粘度は、好ましくは2〜18Pa・s、より好ましくは2〜15Pa・s、特に好ましくは5〜15Pa・sである。
触媒スラリー中の粘度が2Pa・s未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、18Pa・sを超えると触媒の表面積が有効に確保されない。なお、前記発泡担体への触媒スラリーのコーティング回数は特に制限されないが、好ましくは2回以上、より好ましくは3回以上、特に好ましくは5回以上行われる。これにより、発泡担体中のガスの流れに対する上流部、中央部および下流部に均一に触媒スラリーがコーティングされるためである。
【0043】
本発明では、前記触媒スラリーを発泡担体にコーティング後、焼成して得られた燃料改質触媒の平均貴金属量は、該触媒1リットルあたり好ましくは1.2〜9.6g、より好ましくは1.2〜2.4gである。1.2gを下回ると水素発生量が十分ではなく、9.6gを超えると、貴金属が凝集して触媒活性を発揮できない場合がある。
【0044】
本発明の改質装置に供給する原料ガスは、炭素数1〜20の炭化水素、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、ヘプタン、イソヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、イソノナン、デカン、イソデカン等がある。改質装置に供給する際の炭化水素の濃度は、好ましくは1〜10体積%、より好ましくは1〜5体積%である。また、原料ガスの供給量は、好ましくは触媒充填部に対してガス空間速度(GHSV)が1000〜200000h−1である。
【0045】
本発明の第二は、第一の発明の燃料改質触媒を配置した燃料改質装置、および該装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを含む固体高分子燃料電池システムである。以下、本発明を図1を参照して説明する。
【0046】
図1は、本発明の固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。例えば、メタノールを燃料とする固体高分子燃料電池システムは、図1に示すようにメタノールを本発明の改質装置で改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成させる。該改質ガスをシフト反応器に供給し、該ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減させる。次いでシフト反応器出口ガスに含まれる一酸化炭素を除去する触媒層を備えた一酸化炭素除去装置に供給して、一酸化炭素を低減させ、高純度の水素ガスを固体高分子型燃料電池に供給する。なお、シフト反応器からの排出ガスは、予め冷却部で冷却してから一酸化炭素除去器に供給すると、一酸化炭素の除去効率に優れる。
【0047】
シフト反応器に充填されるシフト触媒としては、例えばPt系、Cu−ZnO系触媒等の従来公知の触媒を使用することができ、CO除去器に充填するCO除去触媒としても、例えば、Pt系、Ru系触媒等の従来公知の触媒を使用することができる。
【0048】
なお、固体高分子型燃料電池は、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードとカソードによって供給される燃料ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。
【0049】
本発明の発泡担体触媒は、上述の通り触媒の島を1個確認するのに要する発泡担体の縦断面積が100〜500mm2である。このため、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、例えば燃料改質触媒に適用された場合には炭化水素転化率およびH2+CO生成率等の燃料改質性能に優れる燃料改質触媒が得られる。また、本発明の発泡担体触媒によれば触媒活性金属を有効に利用することができる。特に、コーティング1回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量が5〜30g/Lであると、より優れた触媒性能が得られ、例えば燃料改質触媒の場合には、効率的に炭化水素を分解して水素を発生できる。
【0050】
以上、燃料改質触媒を例に挙げて本発明の発泡担体触媒の実施の形態について説明したが、本発明の発泡担体触媒はこれに限定されることなく種々の触媒に適用されうる。本発明の発泡担体触媒の適用可能な触媒としては、例えば、燃料改質装置中のシフト触媒、一酸化炭素濃度低減触媒、内燃機関の排出ガス浄化触媒等が例示される。
【0051】
【実施例】
(実施例1)
(1)Al2O3(BET比表面積200m2/g)を担体として用い、0.058モルの硝酸ロジウム水溶液0.36リットル中に該担体を投入しロジウム元素を含浸させ、十分に攪拌した後に一日乾燥させ、その後400℃で焼成を行った。これをロジウム担持Al2O3触媒とする。
【0052】
(2)上記(1)で得た触媒200gに水0.5リットルを添加して、触媒を湿式粉砕して水性触媒スラリーを調製した。なお、粉砕は、市販のボール式振動ミルを用いて行い、ボール径、粉砕時間、振幅、振動周波数を調整することにより、平均粒子径を2〜3μm、触媒スラリー中の触媒粉末濃度を19%に調整した。また、該触媒スラリーの粘度は12.3Pa・sであった。
【0053】
(3)上記(2)で得たAl2O3にロジウムを担持した触媒(ロジウム担持Al2O3触媒)の触媒スラリーをNi−Cr製(住友電工製)メタルフォーム担体(30ppi、900セル、空隙率95%:以下、「メタルフォーム」と称する。)に、触媒粉末重量が約60g/Lとなる量の前記触媒スラリーを3回に分けて、コーティング、200℃での乾燥、空気中400℃での焼成をそれぞれ行い、燃料改質触媒を得た。ここで、1回目のコーティングはメタルフォームの上方から触媒スラリー400mL(触媒粉末体積は76mL)をかけ、約2〜3秒間吸引することにより行った。2回目および3回目のコーティングも同様に、同量の触媒スラリーをメタルフォームにかけ、2回目はメタルフォームの下方から、3回目は再び上方から吸引することにより行った。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は59.6g/Lであった。
【0054】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を図3に示す。図3からわかるように、図3の写真3枚の合計である縦断面積68.7mm2中には、触媒の島は一つも存在しなかった。触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は124mm2であった。
【0055】
次に、上記で調製した燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。前記燃料改質触媒を触媒量10mLとして石英管に充填し、空間速度がGHSV=85024、106280、127536h−1になるように脱硫ガソリン、水蒸気、空気の混合ガスを導入した。この際のS/C=1.5、O2/C=0.4とした。反応温度は入口温度を500℃に固定し、脱硫ガソリン転化率(%)を測定した。なお脱硫ガソリン転化率は、下記式に従って算出した。
【0056】
【数2】
【0057】
上記実験結果を表1に示す。
【0058】
(実施例2)
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が25質量%となるように調整したこと、およびコーティング回数を2回にしたこと以外は実施例1と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は14.5pa・sであった。なお、1回目のコーティングの際にはメタルフォームの上方から触媒スラリーを吸入し、2回目のコーティングの際にはメタルフォームの下方から触媒スラリーを吸入した。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は58.6g/Lであった。また、触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は109mm2であった。
【0059】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例1と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表1に示す。
【0060】
(比較例1)
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が30質量%となるように調整したこと以外は実施例2と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は15.8pa・sであった。また、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は60g/Lであった。
【0061】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を実施例1と同様に光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を図4に示す。図4からわかるように、図4の写真3枚の合計である縦断面積68.7mm2中には、触媒の島は7個存在した。また、触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は10mm2であった。
【0062】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例1と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表1に示す。
【0063】
(比較例2)
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が38質量%となるように調整したこと、およびコーティング回数を1回にしたこと以外は実施例1と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は18.4pa・sであった。なお、コーティングの際にはメタルフォームの上方から触媒スラリーを吸入した。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は57.9g/Lであった。
【0064】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を実施例1と同様に光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を図5に示す。図5からわかるように、図5の写真3枚の合計である縦断面積68.7mm2中には、触媒の島は3個存在した。また、触媒の島を1個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は23mm2であった。
【0065】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例1と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表1に示す。
【0066】
【表1】
【0067】
表1からわかるように、実施例1および2においては、いずれも99.3%以上と高い転化率を示した。これは、実施例1および2においては、触媒確認担体縦断面積がいずれも100mm2以上と大きいことから、触媒が発泡担体表面上に偏在することなく均一にコーティングされた結果であると考えられる。
【0068】
また、かかる燃料改質触媒は、コーティング1回あたりの担持触媒量を30g/L以下であり、担体の空隙率(%)に対するスラリー中の触媒粉末の体積(mL)の比の値が1.2以下であるという特徴を有することがわかる。さらには、コーティングする触媒スラリー中の触媒粉末濃度を25質量%以下に調整し、スラリー粘度を15Pa・s以下に調整し、コーティングは2回以上行うことが有効であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、冷却手段を含む固体高分子燃料電池システムの概要を示す図である。
【図2】図2(a)は、発泡担体触媒の縦断面において、形成された触媒の島を説明する模式図であり、図2(b)は、発泡担体の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を示す図である。
【図3】図3(a)は、実施例1で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図であり、図3(b)は、実施例1で使用したメタルフォーム担体の平面図および縦断面図である。
【図4】図4は、比較例1で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図である。
【図5】図5は、比較例2で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡(倍率21倍)により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図である。
【符号の説明】
10…触媒の島、20…メタルフォーム。
Claims (10)
- 発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を1個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は100〜500mm2である、発泡担体触媒。
- コーティング1回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量は5〜30g/Lである、請求項1に記載の発泡担体触媒。
- 前記担体の空隙率(%)に対する触媒スラリー中の触媒粉末の体積(mL)の比の値が0.2〜1.2(mL/%)である、請求項1または2に記載の発泡担体触媒。
- 前記発泡担体にコーティングされる触媒スラリー中の触媒粉末濃度は25質量%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発泡担体触媒。
- 前記発泡担体にコーティングされる触媒スラリーの粘度が2〜15Pa・sである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発泡担体触媒。
- コーティング回数が2回以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発泡担体触媒。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の発泡担体触媒を用いた燃料改質触媒。
- 請求項7に記載の燃料改質触媒が配置される、燃料改質装置。
- 請求項8に記載の燃料改質装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを含む固体高分子燃料電池システム。
- 請求項8に記載の燃料改質装置を搭載した燃料改質式水素発生システム、燃料電池システム、または燃料改質式燃料電池自動車。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003143716A JP2004344752A (ja) | 2003-05-21 | 2003-05-21 | 発泡担体触媒 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014507274A (ja) * | 2011-02-14 | 2014-03-27 | ジョンソン、マッセイ、パブリック、リミテッド、カンパニー | 水蒸気改質プロセスに使用される触媒 |
JP2016007589A (ja) * | 2014-06-26 | 2016-01-18 | ダイセルポリマー株式会社 | 微粒子の担体 |
-
2003
- 2003-05-21 JP JP2003143716A patent/JP2004344752A/ja not_active Withdrawn
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