JP2005034777A - Monolithic catalyst - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a monolithic catalyst which has an excellent activity per amount of noble element used in the catalyst and is vehicle-mountable. <P>SOLUTION: The monolithic catalyst has a cover layer formed by covering a monolithic carrier with catalyst active powder having at least noble metal element and carrier. Therein, when the concentration of noble metal element in the catalyst active powder is x wt.% and the cover amount of the catalyst active powder per monolithic carrier 1L is y g/L, x/y is >0 and ≤0.05. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はモノリス触媒に関し、詳細には、一酸化炭素および水蒸気から、水素および二酸化炭素を生成するシフト反応を促進する活性を有するシフト触媒、並びに該触媒を搭載した燃料電池システム等に関する。   The present invention relates to a monolith catalyst, and more particularly to a shift catalyst having an activity of promoting a shift reaction for generating hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor, and a fuel cell system equipped with the catalyst.

水素−酸素燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも低温(通常100℃以下)で作動可能な固体高分子型燃料電池が注目を集め、近年自動車用低公害動力源としての開発および実用化が進んでいる。   Hydrogen-oxygen fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte, the type of electrode, etc., and representative types include alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. is there. Among them, a polymer electrolyte fuel cell that can operate at a low temperature (usually 100 ° C. or less) attracts attention, and in recent years, development and practical application as a low-pollution power source for automobiles has been advanced.

固体高分子型燃料電池は、純粋な水素を燃料源として用いることがエネルギー効率の点では最も好ましい。しかし、現段階においては、安全性・インフラ等を考慮して、メタノール、天然ガス、ガソリン等を燃料源として用い、これらを改質装置において水素リッチな改質ガスとする方法が模索されている。しかしながら、例えばメタノールを原料とする場合には、下記式(2)で示されるメタノール改質反応   In the polymer electrolyte fuel cell, it is most preferable in terms of energy efficiency to use pure hydrogen as a fuel source. However, at the present stage, in consideration of safety and infrastructure, etc., a method of using methanol, natural gas, gasoline, etc. as a fuel source and using these as hydrogen-rich reformed gas in the reformer is being sought. . However, for example, when methanol is used as a raw material, a methanol reforming reaction represented by the following formula (2)

Figure 2005034777
Figure 2005034777

によって一酸化炭素が発生し、このCOは燃料電池の電極の白金系触媒に対して触媒毒として作用する。このため、このCOを白金電極触媒に無害なCOに転化する必要があり、下記式(1)で示されるシフト反応 Carbon monoxide is generated by this, and this CO acts as a catalyst poison for the platinum-based catalyst of the electrode of the fuel cell. For this reason, it is necessary to convert this CO into CO 2 which is harmless to the platinum electrode catalyst, and the shift reaction represented by the following formula (1)

Figure 2005034777
Figure 2005034777

を利用して、改質ガス中に含まれるCO濃度を1体積%程度にまで低減させている。 Is used to reduce the CO concentration contained in the reformed gas to about 1% by volume.

従来、上記シフト反応を促進するシフト触媒としては、Cu/Zn系触媒、Cu/Zn/Al系触媒、Cu/Cr系触媒等のCu触媒が使用されている。ここで、例えばシフト反応に供される水素リッチガス量が急激に増加した場合には、増加した該水素リッチガス中のCOをシフト反応により低減させるのに必要な水蒸気量も同時に増加するため、反応に必要な水蒸気を充分に供給することができず、シフト反応が充分に進行しなくなる場合があった。   Conventionally, Cu catalysts such as a Cu / Zn-based catalyst, a Cu / Zn / Al-based catalyst, and a Cu / Cr-based catalyst have been used as the shift catalyst for promoting the shift reaction. Here, for example, when the amount of hydrogen-rich gas supplied to the shift reaction increases rapidly, the amount of water vapor required to reduce the increased CO in the hydrogen-rich gas by the shift reaction also increases at the same time. In some cases, the necessary water vapor could not be sufficiently supplied, and the shift reaction did not proceed sufficiently.

この問題を解決すべく、例えば特許文献1には、シフト反応を促進する活性を有する触媒金属と、水蒸気を吸着可能な水蒸気吸着性物質とを備えることを特徴とするシフト反応触媒が開示されている。該文献1の触媒によれば、水蒸気吸着性物質の周囲の水蒸気分圧が平衡状態と比較して低い場合には、該水蒸気吸着性物質が水蒸気を放出し、この水蒸気を利用してシフト反応を進行させることができるため、シフト反応に供される水蒸気量が不足する場合にもシフト反応活性を充分に高く維持することができるとしている。なお該文献1において、前記水蒸気吸着性物質としてはゼオライトが例示されている。   In order to solve this problem, for example, Patent Document 1 discloses a shift reaction catalyst comprising a catalytic metal having an activity for promoting a shift reaction and a water vapor adsorbing substance capable of adsorbing water vapor. Yes. According to the catalyst of Reference 1, when the water vapor partial pressure around the water vapor adsorbing material is low compared to the equilibrium state, the water vapor adsorbing material releases water vapor, and this water vapor is used to perform a shift reaction. It is said that the shift reaction activity can be maintained sufficiently high even when the amount of water vapor used for the shift reaction is insufficient. In Reference 1, zeolite is exemplified as the water vapor adsorbing substance.

しかしながら、一般にCu触媒は、操業停止時に還元雰囲気下に置かないと、触媒自身が酸化され活性が低下するという問題があった。また、空間速度SV(Space Velocity)の増大とともにCO低減率が急激に低下する場合があった。   However, in general, the Cu catalyst has a problem that if the catalyst is not placed in a reducing atmosphere when the operation is stopped, the catalyst itself is oxidized and its activity is lowered. In addition, the CO reduction rate may suddenly decrease as the space velocity SV (Space Velocity) increases.

そこでこれらの問題を解決するため、前記Cu触媒以外のシフト触媒として、Pt/Al等の貴金属系触媒が開発されている。この貴金属系触媒は、前記Cu触媒と比較して耐熱性が高く、空間速度SVが増大した際のシフト活性の低下が相対的に少ないという特徴を有している。しかしながら、前記貴金属系触媒は、コストが高く、絶対的なシフト活性も前記Cu触媒と比較すると低いという問題がある。 In order to solve these problems, noble metal catalysts such as Pt / Al 2 O 3 have been developed as shift catalysts other than the Cu catalyst. This noble metal-based catalyst has characteristics that heat resistance is higher than that of the Cu catalyst, and a decrease in shift activity when the space velocity SV increases is relatively small. However, the noble metal catalyst has a problem of high cost and low absolute shift activity compared to the Cu catalyst.

そこで、シフト活性を改善したシフト触媒として、例えば特許文献2には、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウムのうちの少なくとも一種によって構成される酸化物多孔体に、白金と、該白金と共存することによって該白金と一酸化炭素とが結合する力を弱める働きを有する所定の物質とを担持させて成るシフト触媒が開示されている。該文献1では、触媒性能が向上する原因としては、所定の物質を添加することによって白金の電子状態が変化して電子密度が低下することにより、白金と一酸化炭素とが結合する力が弱められることが一因と推察している。なお、所定の物質としては、モリブデン、レニウム、ニオブの少なくとも一種を例示している。   Therefore, as a shift catalyst with improved shift activity, for example, Patent Document 2 discloses that an oxide porous body composed of at least one of titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, and cerium oxide, platinum, There is disclosed a shift catalyst comprising a predetermined substance having a function of weakening the bonding force between platinum and carbon monoxide by coexisting with the platinum. In the literature 1, the catalyst performance is improved by adding a predetermined substance to change the electronic state of platinum and lowering the electron density, thereby weakening the bonding force between platinum and carbon monoxide. It is presumed that this is partly due. As the predetermined substance, at least one of molybdenum, rhenium, and niobium is exemplified.

ここで一般に、車載する目的で固体高分子燃料電池システム等に組み込まれて使用されるシフト触媒においては、触媒体積に対して処理すべきガス流量が多いために、空間速度(GHSV)が少なくとも10,000h−1程度以上の条件において充分に実用的であることが望まれている。 Here, in general, in a shift catalyst incorporated and used in a polymer electrolyte fuel cell system or the like for in-vehicle use, the gas flow rate to be processed is large with respect to the catalyst volume, so that the space velocity (GHSV) is at least 10. It is desired to be sufficiently practical under conditions of about 1,000,000 −1 or more.

また、一般にシフト触媒の形態としては、触媒を担持したペレットを所定の容器に充填してなるペレット触媒と、触媒を含む触媒組成物をハニカム等のモノリス担体にコーティングしてなるモノリス触媒とが知られている。上記の空間速度条件についてみると、モノリス触媒に比較してペレット触媒は一般に優れた性能を示すことが知られている。   In general, shift catalysts are known in the form of a pellet catalyst in which pellets carrying the catalyst are filled in a predetermined container, and a monolith catalyst in which a catalyst composition containing the catalyst is coated on a monolith support such as a honeycomb. It has been. In view of the above space velocity conditions, it is known that pellet catalysts generally exhibit superior performance compared to monolith catalysts.

一方、例えば車載用のシフト触媒について考えると、ペレット触媒の形態では振動時の磨耗や破砕の危険性が大きいのに対し、モノリス触媒の形態ではこれらの危険性が低く、車載時の振動の影響を排除することが可能となる。さらに、モノリス触媒の形態とすることによりシフト反応器の触媒充填部への触媒の充填が容易となり、その有する構造によって水素リッチガスの通気性が確保できる。加えて、水素リッチガスを供給した際に、該触媒を熱や焼成から防ぐことができ、触媒寿命および触媒活性を向上させることができる。したがって、車載時の条件を考慮すると、シフト触媒の形態としてはモノリス触媒の形態が好ましい。
特開2002−66326号公報 特開2002−273227号公報
On the other hand, for example, in the case of an on-vehicle shift catalyst, the risk of abrasion and crushing during vibration is great in the form of pellet catalyst, whereas in the form of monolith catalyst, these risks are low. Can be eliminated. Further, by adopting a monolithic catalyst form, the catalyst filling part of the shift reactor can be easily filled with the catalyst, and the hydrogen-rich gas permeability can be ensured by its structure. In addition, when the hydrogen-rich gas is supplied, the catalyst can be prevented from being heated and calcined, and the catalyst life and catalyst activity can be improved. Therefore, in consideration of conditions when the vehicle is mounted, a monolithic catalyst is preferable as the shift catalyst.
JP 2002-66326 A JP 2002-273227 A

ここで、例えば前記文献2に記載のハニカム形態のシフト触媒においては、3,600h−1と極めて低い空間速度条件ではCO低減性能に優れているが、例えば10,000h−1以上といった高い空間速度条件下でのCO低減性能については記載がなく明らかではない。 Here, for example, in the shift catalyst of honeycomb form according to the literature 2, is superior to the CO reduction performance at very low space velocity conditions as 3,600H -1, high space velocities, e.g. 10,000 h -1 or more The CO reduction performance under the conditions is not described and is not clear.

このように、例えば10,000h−1以上といった高い空間速度条件下で使用可能な、モノリス担体に担持された貴金属系シフト触媒が望まれてはいるものの、いまだその開発には至っていないのが現状である。 As described above, a noble metal-based shift catalyst supported on a monolith support that can be used under a high space velocity condition of, for example, 10,000 h −1 or more is desired, but has not yet been developed. It is.

そこで本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、触媒中に使用される貴金属元素量あたりの活性に優れるモノリス触媒、特に、車載可能なモノリス担持貴金属系シフト触媒を提供することを目的とするものである。   Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a monolith catalyst excellent in activity per noble metal element amount used in the catalyst, particularly a monolith-supported noble metal shift catalyst that can be mounted on a vehicle. It is what.

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、触媒活性粉末をモノリス担体にコーティングする際に、従来と比較してより貴金属元素濃度の低い触媒活性粉末を従来よりも厚くコーティングすることで、使用される貴金属元素量あたりの触媒活性が上昇することを見出した。さらに、かかる構成であっても、10,000h−1以上という高空間速度条件下で使用することができ、車載も可能であることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have obtained a catalytically active powder having a lower noble metal element concentration than before when coating the catalytically active powder on a monolith support. It has been found that the catalytic activity per the amount of noble metal element used is increased by thick coating. Furthermore, even if it was such a structure, it discovered that it could be used on high space velocity conditions of 10,000 h < -1 > or more, and a vehicle-mounted was possible, and completed this invention.

すなわち本発明は、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をx質量%とし、該モノリス担体1Lあたりの該触媒活性粉末の被覆量をyg/Lとしたときのx/yの値が0より大きく0.05以下であるモノリス触媒を提供するものである。   That is, the present invention has a coating layer obtained by coating a monolithic carrier with a catalytically active powder containing at least a noble metal element and a carrier, the noble metal element concentration in the catalytically active powder is x mass%, and the monolithic carrier 1L The present invention provides a monolith catalyst having a value of x / y of more than 0 and not more than 0.05 when the coating amount of the catalytically active powder per unit is yg / L.

また本発明は、前記記載のモノリス触媒を使用したシフト触媒、および該触媒が配置されたシフト反応器、並びに該触媒または該反応器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移動体を提供するものである。   The present invention also provides a shift catalyst using the monolith catalyst described above, a shift reactor in which the catalyst is disposed, a fuel reforming hydrogen generation system, a fuel cell system or a fuel equipped with the catalyst or the reactor. A reforming fuel cell moving body is provided.

本発明によれば、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有するモノリス触媒において、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をx質量%とし、該モノリス担体1Lあたりの該触媒活性粉末の被覆量をyg/Lとしたときのx/yの値を0より大きく0.05以下とすることで、使用される貴金属元素量あたりの活性が上昇する。すなわち、触媒金属元素、特に貴金属元素を有効に利用することが可能となる。また、本発明のシフト触媒は10,000〜100,000h−1と高い空間速度条件下においても使用できるため、車載が可能であり、固体高分子燃料電池システムや、該システムを搭載した車両等へ適用することができる。 According to the present invention, in a monolith catalyst having a coating layer formed by coating a monolithic carrier with a catalytically active powder containing at least a noble metal element and a carrier, the noble metal element concentration in the catalytically active powder is x mass%, When the amount of the catalytically active powder per liter of monolith support is yg / L, the value per noble metal element used is increased by setting the value of x / y to be larger than 0 and 0.05 or less. . That is, it is possible to effectively use catalytic metal elements, particularly noble metal elements. Moreover, since the shift catalyst of the present invention can be used even under a space velocity condition as high as 10,000 to 100,000 h −1, it can be mounted on a vehicle, such as a solid polymer fuel cell system, a vehicle equipped with the system, etc. Can be applied to.

本発明の第一は、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をx質量%とし、該モノリス担体1Lあたりの該触媒活性粉末の被覆量をyg/Lとしたときのx/yの値が0より大きく0.05以下であるモノリス触媒である。   The first aspect of the present invention has a coating layer formed by coating a monolithic carrier with a catalytically active powder containing at least a noble metal element and a carrier, the noble metal element concentration in the catalytically active powder is x mass%, A monolith catalyst having a value of x / y greater than 0 and 0.05 or less, where the coating amount of the catalytically active powder per liter of support is yg / L.

本発明によれば、従来と比較してより貴金属元素濃度の低い触媒活性粉末をモノリス担体に厚くコーティングすることで、使用される貴金属元素量あたりの触媒活性が上昇する。また、本発明がシフト触媒に利用される場合には、10,000h−1以上という高い原料ガス空間速度条件下でも使用することができ、車両などの高空間速度条件が必要となる機器に搭載することが可能となる。 According to the present invention, the catalytic activity per noble metal element amount to be used is increased by coating the monolith support thickly with a catalytically active powder having a lower noble metal element concentration than in the prior art. Further, when the present invention is used for a shift catalyst, it can be used even under a high source gas space velocity condition of 10,000 h −1 or more, and is mounted on a device that requires a high space velocity condition such as a vehicle. It becomes possible to do.

ここで本発明のモノリス触媒は、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をx質量%とし、該モノリス担体1Lあたりの該触媒活性粉末の被覆量をyg/Lとしたときのx/yの値が0より大きく0.05以下である点に特徴がある。好ましくはx/yの値は0.0001〜0.01である。   Here, the monolith catalyst of the present invention has a coating layer formed by coating a monolithic carrier with a catalytically active powder containing at least a noble metal element and a carrier, and the concentration of the noble metal element in the catalytically active powder is x mass%, It is characterized in that the value of x / y is larger than 0 and 0.05 or less when the coating amount of the catalytically active powder per liter of the monolith support is yg / L. Preferably, the value of x / y is 0.0001 to 0.01.

まず、前記触媒活性粉末については、少なくとも貴金属元素および担体を含有していればよく、他の成分については特に制限されることはない。ここで、前記触媒活性粉末に含有される貴金属元素としては、特に限定されることはなく、従来触媒活性金属として好ましく用いられている元素を使用することができる。ここで、前記触媒活性粉末中の貴金属元素濃度(前記「x質量%」)は、金属換算で好ましくは0.01〜2質量%、より好ましくは0.1〜2質量%、特に好ましくは0.25〜2質量%である。貴金属元素の含有量が0.01質量%以上で特に顕著な触媒活性を得ることができる。一方、2質量%以下で、他の成分とのバランスが良好で優れた触媒活性が得られ、コストも低廉である。また貴金属元素の占める表面積を反応継続中に良好に維持でき、CHの生成および求めるべきHの消費が防止される。なお、2種類以上の貴金属元素を併用する場合にはその合計量で算出する。また、前記触媒活性粉末に含有される担体としては、触媒の担体として一般的に用いられているものを好ましく用いることができる。ここで好ましくは、該担体は酸化物担体であり、より好ましくは該酸化物担体は熱に安定なものである。熱に不安定な成分を含有した場合には、触媒反応中に崩壊してしまい触媒として不適切であるためである。なお、前記熱に安定な酸化物担体としては、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化セリウム(CeO)、酸化ウラン(UO)、酸化トリウム(ThO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ベリリウム(BeO)、酸化ケイ素(SiO)、酸化ニオブ(NbO)、酸化鉄(III)(Fe)、酸化マンガン(MnO)五酸化二リン(P)および五酸化二バナジウム(V)等の酸化物や、これらの窒化物および複合酸化物等が例示される。ここで、これらのうち1種を単独で用いてもよいが、2種以上を併用することもできる。前記担体のBET比表面積は、好ましくは40m/g以上であり、より好ましくは60m/g以上であり、特に好ましくは80m/g以上である。なお、担体を2種類以上併用する場合にはその合計量で算出する。 First, the catalytically active powder only needs to contain at least a noble metal element and a carrier, and the other components are not particularly limited. Here, the noble metal element contained in the catalytically active powder is not particularly limited, and an element conventionally used as a catalytically active metal can be used. Here, the noble metal element concentration (the “x mass%”) in the catalytically active powder is preferably 0.01 to 2 mass%, more preferably 0.1 to 2 mass%, and particularly preferably 0 in terms of metal. .25 to 2% by mass. Particularly remarkable catalytic activity can be obtained when the content of the noble metal element is 0.01% by mass or more. On the other hand, when the content is 2% by mass or less, a good balance with other components is obtained, an excellent catalytic activity is obtained, and the cost is low. Further, the surface area occupied by the noble metal element can be maintained well during the reaction, and the production of CH 4 and the consumption of H 2 to be obtained are prevented. In addition, when using together 2 or more types of noble metal elements, it calculates with the total amount. In addition, as the carrier contained in the catalytically active powder, those generally used as catalyst carriers can be preferably used. Preferably, the carrier is an oxide carrier, more preferably the oxide carrier is heat stable. This is because when a thermally unstable component is contained, it collapses during the catalytic reaction and is inappropriate as a catalyst. Examples of the heat-stable oxide carrier include zirconium oxide (ZrO 2 ), cerium oxide (CeO 2 ), uranium oxide (UO 2 ), thorium oxide (ThO 2 ), and aluminum oxide (Al 2 O 3). ), Calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), beryllium oxide (BeO), silicon oxide (SiO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O), iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ), manganese oxide ( Examples thereof include oxides such as MnO 2 ) diphosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) and divanadium pentoxide (V 2 O 5 ), and nitrides and composite oxides thereof. Here, one of these may be used alone, but two or more may be used in combination. The BET specific surface area of the carrier is preferably 40 m 2 / g or more, more preferably 60 m 2 / g or more, and particularly preferably 80 m 2 / g or more. In addition, when using 2 or more types of support | carriers together, it calculates with the total amount.

さらに、モノリス担体1Lあたりの該触媒活性粉末の被覆量(前記「yg/L」)は、好ましくは40〜500g/Lである。被覆量が40g/L以上で触媒活性に優れ、一方、500g/L以下で、触媒内の通風抵抗が低く抑えられ、ハニカム担体上への目詰まり等が抑制され、製造が容易である。   Furthermore, the coating amount of the catalytically active powder per liter of monolith support (the “yg / L”) is preferably 40 to 500 g / L. When the coating amount is 40 g / L or more, the catalyst activity is excellent. On the other hand, when the coating amount is 500 g / L or less, the ventilation resistance in the catalyst is kept low, clogging on the honeycomb carrier is suppressed, and the production is easy.

ここで、前記触媒活性粉末は、貴金属元素に加えて、その他の種々の金属元素を含有していてもよいが、前記触媒活性粉末は、セリウム元素および/または周期律表で第4族もしくは第5族に属する元素(本明細書中、「第4族または第5族元素」とも称する。)を含むものであることが好ましい。より好ましくは、前記触媒活性粉末は、貴金属元素に加え、セリウム元素および第4族または第5族元素の双方を含むものである。後述するように、これらの元素を含有することによって、本発明のモノリス触媒をシフト触媒として用いる際の触媒性能に優れるためである。さらに、本発明において、前記触媒活性粉末に含まれる貴金属元素は、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム元素からなる群から選択される1種または2種以上の元素であることが好ましい。また、前記第4族または第5族元素としては、例えばチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタル元素が例示される。これらの元素のうち1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。ここで、前記貴金属元素は白金元素であることが特に好ましく、前記第4族または第5族元素はニオブ元素であることが好ましい。これらの元素を含有することによって、本発明のモノリス触媒がシフト触媒として用いられる際の触媒活性に特に優れるためである。   Here, the catalytically active powder may contain various other metal elements in addition to the noble metal element. However, the catalytically active powder may be a cerium element and / or a group 4 or group in the periodic table. It preferably contains an element belonging to Group 5 (also referred to as “Group 4 or Group 5 element” in this specification). More preferably, the catalytically active powder contains both a cerium element and a Group 4 or Group 5 element in addition to a noble metal element. As will be described later, the inclusion of these elements results in excellent catalytic performance when the monolith catalyst of the present invention is used as a shift catalyst. Furthermore, in the present invention, the noble metal element contained in the catalytically active powder is preferably one or more elements selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium elements. Examples of the Group 4 or Group 5 element include titanium, zirconium, vanadium, niobium and tantalum elements. Among these elements, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Here, the noble metal element is particularly preferably a platinum element, and the Group 4 or Group 5 element is preferably a niobium element. By containing these elements, the monolith catalyst of the present invention is particularly excellent in catalytic activity when used as a shift catalyst.

前記モノリス担体としては、特に限定されず従来公知のものを用いることができ、例えば、メタルハニカム、セラハニカム、メタルフォームおよびセラフォーム等が例示される。   The monolith carrier is not particularly limited and conventionally known ones can be used. Examples thereof include metal honeycombs, ceramic honeycombs, metal foams, ceramic foams, and the like.

ここで本発明は、従来と比較して貴金属元素濃度の低い触媒活性粉末を従来よりも厚くコーティングすることにより被覆層を形成することで、従来と同程度の貴金属元素使用量にもかかわらず、高いシフト活性を得ることができる点に特徴がある。よって、前記触媒活性粉末の被覆層のうち、最も薄い部分の厚さは、好ましくは0.1〜0.5mmである。   Here, the present invention forms a coating layer by coating a catalytically active powder having a low noble metal element concentration compared to the conventional one thicker than the conventional one, regardless of the amount of noble metal element used at the same level as before. It is characterized in that high shift activity can be obtained. Therefore, the thickness of the thinnest portion of the coating layer of the catalytically active powder is preferably 0.1 to 0.5 mm.

本発明のモノリス触媒においては、前記被覆層は1層のみに限定されず、2層以上を有していてもよい。ここで例えば、本発明のモノリス触媒が被覆層をn層有しているとした場合、モノリス担体表面に近い方から第1層〜第n層と称するものとし、第1層を最下層とする。さらにこの場合に、隣接する層であって組成が全く同一のものは1層と数えるものとする。この際各被覆層は、各々上述の被覆層と同様の特徴、例えば被覆層中の貴金属元素濃度等、を有していればよく、その他特に限定されることはない。前記各被覆層中の貴金属元素濃度については、下層から上層へ向かうにつれて該濃度は常に増加しているかまたは常に減少していることが好ましい。なお、ここで、隣接する被覆層において、貴金属元素濃度以外の組成は異なるが貴金属元素濃度が等しい場合は、前記「増加」または「減少」に含まれるものとする。   In the monolith catalyst of the present invention, the coating layer is not limited to only one layer, and may have two or more layers. Here, for example, when the monolith catalyst of the present invention has n coating layers, it is referred to as the first layer to the n-th layer from the side closer to the monolith support surface, and the first layer is the bottom layer. . Further, in this case, adjacent layers having the same composition are counted as one layer. At this time, each coating layer is not particularly limited as long as it has the same characteristics as the above-described coating layer, for example, the concentration of the noble metal element in the coating layer. About the noble metal element density | concentration in each said coating layer, it is preferable that this density | concentration is always increasing or it is always decreasing as it goes from a lower layer to an upper layer. Here, in the adjacent coating layers, when the composition other than the noble metal element concentration is different but the noble metal element concentration is equal, it is included in the “increase” or “decrease”.

すなわち、本発明の一の好ましい態様によれば、本発明のモノリス触媒が前記被覆層をn層有し(n≧2)、かつ、第k層中の貴金属元素濃度をC質量%としたとき、常に、 That is, according to one preferable aspect of the present invention, the monolith catalyst of the present invention has n coating layers (n ≧ 2), and the noble metal element concentration in the kth layer is C k mass%. Always when

Figure 2005034777
Figure 2005034777

となることが好ましい。このように下層から上層へ向かうにつれて被覆層中の貴金属元素濃度が常に増加している場合には以下の利点がある。すなわち、一般にモノリス触媒においては、コーティングの際にモノリス担体の隅角部分に触媒活性粉末が厚く被覆されやすく、当該隅角部分の被覆層の深部に存在する触媒金属元素、特に貴金属元素が有効に利用されず、使用される貴金属元素量あたりの触媒活性が低下し、コストも上昇するという問題点がある。しかし上記の態様によれば、下層に含有される貴金属元素量をより少なくすることで、上記の問題点を解決することができるのである。 It is preferable that Thus, there are the following advantages when the concentration of the noble metal element in the coating layer is constantly increasing from the lower layer to the upper layer. That is, in general, in a monolith catalyst, the catalytically active powder is easily thickly coated on the corner portion of the monolith support during coating, and a catalytic metal element, particularly a noble metal element, existing deep in the coating layer of the corner portion is effective. There is a problem that the catalytic activity per amount of noble metal element used is lowered and the cost is increased. However, according to the above aspect, the above problem can be solved by reducing the amount of the noble metal element contained in the lower layer.

一方、本発明の他の好ましい態様によれば、本発明のモノリス触媒が前記被覆層をn層有し(n≧2)、かつ、第k層中の貴金属元素濃度をC質量%としたとき、常に、 On the other hand, according to another preferred embodiment of the present invention, the monolith catalyst of the present invention has n coating layers (n ≧ 2), and the noble metal element concentration in the k-th layer is C k mass%. Always when

Figure 2005034777
Figure 2005034777

となることが好ましい。このように下層から上層へ向かうにつれて被覆層中の貴金属元素濃度が常に減少している場合には以下の利点がある。すなわち、一般にモノリス触媒を用いた場合、モノリス中を原料ガスが通過することによって、モノリス担体に形成された被覆層の表面から熱が放散しやすく、これに伴って貴金属元素周辺の温度が低下し、触媒活性が低下する場合がある。これに対し上記の態様のように上層に含有される貴金属元素量をより少なくすると、上層の被覆層により被覆層からの放熱が抑制される結果、貴金属元素の周辺が高温に維持され、触媒活性の低下を防止することが可能となるのである。 It is preferable that In this way, when the concentration of the noble metal element in the coating layer is constantly decreasing from the lower layer to the upper layer, there are the following advantages. That is, in general, when a monolith catalyst is used, heat easily dissipates from the surface of the coating layer formed on the monolith support when the raw material gas passes through the monolith, and accordingly, the temperature around the noble metal element decreases. The catalytic activity may be reduced. On the other hand, if the amount of the noble metal element contained in the upper layer is reduced as in the above embodiment, the heat radiation from the coating layer is suppressed by the upper coating layer, so that the periphery of the noble metal element is maintained at a high temperature and the catalytic activity is increased. Therefore, it is possible to prevent the decrease.

本発明のモノリス触媒を製造する方法としては、特に限定されず従来公知の方法を用いることができる。例えば、予め貴金属元素、担体およびその他の必要な添加物を含む組成物を焼成および粉砕して触媒活性粉末を調製し、これに水および必要な添加剤を添加後、攪拌および粉砕して触媒活性粉末スラリーとし、これをモノリス担体にコーティングして被覆層を形成し、該モノリス担体を乾燥および焼成することにより製造することができる。   It does not specifically limit as a method to manufacture the monolith catalyst of this invention, A conventionally well-known method can be used. For example, a composition containing a precious metal element, a carrier and other necessary additives is calcined and pulverized in advance to prepare a catalytically active powder. After adding water and necessary additives to this, stirring and pulverizing are performed to obtain catalytic activity. It can be produced by preparing a powder slurry, coating this onto a monolith carrier to form a coating layer, and drying and firing the monolith carrier.

本発明の第二は、下記式(1)で示されるシフト反応を促進する活性を有するシフト触媒であって、   The second of the present invention is a shift catalyst having an activity of promoting the shift reaction represented by the following formula (1),

Figure 2005034777
Figure 2005034777

本発明のモノリス触媒を用いたシフト触媒である。以下、本発明のモノリス触媒をシフト触媒に適用する場合の実施態様について詳細に説明するが、本発明は以下の態様のみに限定されるものではない。 This is a shift catalyst using the monolith catalyst of the present invention. Hereinafter, embodiments in which the monolith catalyst of the present invention is applied to a shift catalyst will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments.

まず、一酸化炭素および水蒸気から水素および二酸化炭素を生成するシフト反応は、下記式(i)および(ii)に分解して理解することができる。   First, the shift reaction for producing hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor can be understood by being decomposed into the following formulas (i) and (ii).

Figure 2005034777
Figure 2005034777

ここで、上記式(i)で示す反応によりHOからHが生成する際に同時に生成した活性酸素(O)が、COを酸化する触媒金属上の酸化活性点に移動すれば、上記式(ii)で示す酸化反応も効率的に進行する。よって、本発明のシフト触媒において上記式(1)で示すシフト反応を効率よく進行させるためには、前記触媒層中にHOからHを取り出すことのできる活性種(A)、COの酸化能を有する活性種(B)および酸素運搬能に優れる活性種(C)が存在することが好ましい。前記3種の活性種が存在することで、低温でもシフト反応性に優れる触媒が得られるのである。ここで、上記活性種(A)、(B)および(C)は触媒中に存在すれば、気体状態のHOからHを生成することができ、触媒中でのこれらの成分の分散性などは問わない。活性種(A)および(B)が隣接しない場合でも、活性種(C)を介して活性酸素(O)が運搬され、円滑な反応の進行が確保できるからである。また、活性種(A)が存在することで、従来の触媒と相違して温度300℃という低温でも優れたCO転化率を発揮し、かつ上記機構により水やCOの吸着が促進される。 Here, if the active oxygen (O) generated simultaneously when H 2 is generated from H 2 O by the reaction represented by the above formula (i) moves to the oxidation active point on the catalyst metal that oxidizes CO, The oxidation reaction represented by formula (ii) also proceeds efficiently. Therefore, in order in the shift catalyst of the present invention to proceed efficiently shift reaction represented by the formula (1), the active species which can be taken out of H 2 from the H 2 O in the catalyst layer (A), the CO It is preferable that an active species (B) having an oxidizing ability and an active species (C) having an excellent oxygen carrying ability are present. Due to the presence of the three active species, a catalyst having excellent shift reactivity can be obtained even at low temperatures. Here, if the active species (A), (B) and (C) are present in the catalyst, H 2 can be produced from gaseous H 2 O, and the dispersion of these components in the catalyst It doesn't matter about sex. This is because even when the active species (A) and (B) are not adjacent to each other, the active oxygen (O) is transported through the active species (C), and a smooth reaction can be ensured. In addition, the presence of the active species (A) exhibits excellent CO conversion even at a low temperature of 300 ° C. unlike conventional catalysts, and the above mechanism promotes water and CO adsorption.

本発明において、貴金属元素は前記(B)の活性種である。したがって、本発明のモノリス触媒がシフト触媒として用いられる場合には、貴金属元素に加えて前記(A)および(C)の活性種がさらに被覆層中に存在することが好ましい。ここで、前記(A)の活性種としては前記第4族または第5族元素が挙げられる。また、前記(C)の活性種としてはセリウム元素が例示される。なお、上述のように、本発明のシフト触媒においては、被覆層を形成する触媒活性粉末中に含有される貴金属元素としては白金元素が特に好ましく、第4族または第5族元素としては、ニオブ元素が特に好ましい。これらが触媒層中に存在することにより高いCO転化率が得られ、さらに白金元素が存在する場合には副反応であるメタン生成反応を抑制する効果も併せて得られるためである。   In the present invention, the noble metal element is the active species (B). Therefore, when the monolith catalyst of the present invention is used as a shift catalyst, it is preferable that the active species (A) and (C) are further present in the coating layer in addition to the noble metal element. Here, examples of the active species of (A) include the Group 4 or Group 5 elements. Moreover, a cerium element is illustrated as an active species of (C). As described above, in the shift catalyst of the present invention, platinum element is particularly preferable as the noble metal element contained in the catalytically active powder forming the coating layer, and niobium as the Group 4 or Group 5 element. Elements are particularly preferred. This is because when these elements are present in the catalyst layer, a high CO conversion rate is obtained, and when a platinum element is present, an effect of suppressing a methane formation reaction as a side reaction is also obtained.

また、本発明のモノリス触媒において、触媒活性粉末がセリウム元素を含有する場合、該触媒活性粉末中のセリウム元素の含有量は、金属換算で好ましくは5〜95モル%、より好ましくは30〜90モル%である。セリウム元素の含有量が5モル%以上で充分な触媒活性が得られる。一方、95モル%以下で、他の成分とのバランスが良好で優れた触媒活性が得られる。   In the monolith catalyst of the present invention, when the catalytically active powder contains a cerium element, the content of the cerium element in the catalytically active powder is preferably 5 to 95 mol%, more preferably 30 to 90, in terms of metal. Mol%. Sufficient catalytic activity is obtained when the content of the cerium element is 5 mol% or more. On the other hand, at 95 mol% or less, a good balance with other components and excellent catalytic activity can be obtained.

さらに、本発明のモノリス触媒において、触媒活性粉末が第4族または第5族元素を含有する場合、該触媒活性粉末中の第4族または第5族元素の含有量は、金属換算で好ましくは5〜50モル%である。第4族または第5族元素の含有量が5モル%以上で充分な触媒活性が得られる。一方、50モル%以下で、他の成分とのバランスが良好で優れた触媒活性が得られる。なお、2種類以上の元素を併用する場合にはその合計量で算出する。   Furthermore, in the monolith catalyst of the present invention, when the catalytically active powder contains a Group 4 or Group 5 element, the content of the Group 4 or Group 5 element in the catalytically active powder is preferably in terms of metal. 5 to 50 mol%. Sufficient catalytic activity can be obtained when the content of the Group 4 or Group 5 element is 5 mol% or more. On the other hand, at 50 mol% or less, a good balance with other components and excellent catalytic activity can be obtained. In addition, when using together 2 or more types of elements, it calculates with the total amount.

ここで従来、前記(A)、(B)および(C)の活性種を有する、モノリス担持シフト触媒としては、例えば活性種(A)の原料である酸化ジルコニウムと、活性種(C)の原料である酸化セリウムとを混合してスラリーとし、モノリス基材を該スラリーでコーティングして乾燥および焼成した後、該コーティング層上に活性種(B)である白金元素を担持させたシフト触媒が知られている。しかしながら、該シフト触媒では、前記活性種(A)、(B)および(C)が近接して存在し、協働して作用することができるのは白金元素が担持された前記コーティング層表面付近に限られてしまうため、高空間速度条件下においては、シフト活性が低下するものと推測される。これに対し、本発明のシフト触媒においては、被覆層を形成する触媒活性粉末中に前記活性種(A)、(B)および(C)が均一に存在する。このため、被覆層表面に限らず被覆層全体において前記活性種が協働して作用することができ、高空間速度条件下においても高いシフト活性を維持することができるものと考えられる。   Here, conventionally, as the monolith-supported shift catalyst having the active species (A), (B) and (C), for example, zirconium oxide which is a raw material of the active species (A), and a raw material of the active species (C) A shift catalyst is known in which a cerium oxide is mixed to form a slurry, a monolith substrate is coated with the slurry, dried and fired, and then a platinum element as an active species (B) is supported on the coating layer. It has been. However, in the shift catalyst, the active species (A), (B) and (C) are close to each other and can act in cooperation in the vicinity of the surface of the coating layer on which platinum element is supported. Therefore, it is presumed that shift activity decreases under high space velocity conditions. On the other hand, in the shift catalyst of the present invention, the active species (A), (B) and (C) are uniformly present in the catalytically active powder forming the coating layer. For this reason, it is considered that the active species can work in cooperation not only on the surface of the coating layer but also on the entire coating layer, and a high shift activity can be maintained even under high space velocity conditions.

本発明のモノリス触媒がシフト触媒に適用される場合、該モノリス触媒の被覆層には、シフト活性を高める目的で上記の他にも種々の成分を含むことができる。例えば、特開2002−273227号公報に記載されているように、モリブデンおよびレニウム元素等の、貴金属元素と一酸化炭素とが結合する力を弱める働きを有する物質をさらに含んでいてもよい。これらの金属を含有することで、シフト活性のより一層の向上を図ることが可能となる。   When the monolith catalyst of the present invention is applied to a shift catalyst, the coating layer of the monolith catalyst can contain various components in addition to the above for the purpose of enhancing the shift activity. For example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-273227, a substance having a function of weakening the bonding force between a noble metal element and carbon monoxide, such as molybdenum and a rhenium element, may be further included. By containing these metals, the shift activity can be further improved.

本発明において、被覆層を形成する触媒活性粉末は、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム元素等の貴金属元素を含有する。該貴金属元素を含有させるために使用する原料化合物としては、例えば白金元素の原料化合物としてはジニトロジアミン白金、塩化白金などが例示されるが、特にジニトロジアミン白金が好ましい。触媒活性粉末中での分散性に優れるからである。また、塩化物を使用するには大規模工業的に触媒を製造するに際して、その焼成排ガスによる大気汚染等を考えなければならないほか、排気配管の塩素腐食は多大な悪影響を与える。同様に、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム元素等の原料化合物としては、硝酸塩、アンモニウム塩等を使用することが好ましい。また、前記セリウム元素の原料化合物としては、酸化セリウムやセリウムジルコニウム複合酸化物が好ましい。これらの化合物は、結晶内の酸素原子が移動できる酸化還元能のある化合物であることから、これらの使用によってシフト反応で生成したHを消費するいわゆるメタネーション反応を抑制し得るためである。さらに、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタル元素等の第4族または第5族元素の原料化合物としては、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブおよび五酸化二バナジウム、並びにこれらの窒化物および複合酸化物等の本発明において担体として用いられる化合物が例示される。なかでも製造が簡便になる点で、本発明において担体として用いられる化合物が好ましく用いられ、特に好ましくは、上記の理由からセリウムジルコニウム複合酸化物が用いられる。 In the present invention, the catalytically active powder forming the coating layer contains a noble metal element such as platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium elements. Examples of the raw material compound used for containing the noble metal element include dinitrodiamine platinum and platinum chloride as the raw material compound of platinum element, and dinitrodiamine platinum is particularly preferable. This is because the dispersibility in the catalytically active powder is excellent. In addition, in order to use chloride, when manufacturing a catalyst industrially on a large scale, it is necessary to consider air pollution due to the calcined exhaust gas, and chlorine corrosion of the exhaust pipe has a great adverse effect. Similarly, as a raw material compound such as rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium, nitrates, ammonium salts and the like are preferably used. The cerium element material compound is preferably cerium oxide or a cerium-zirconium composite oxide. This is because these compounds are compounds having a redox ability capable of moving oxygen atoms in the crystal, so that the use of these compounds can suppress the so-called methanation reaction that consumes H 2 generated in the shift reaction. Furthermore, as a raw material compound of Group 4 or Group 5 elements such as titanium, zirconium, vanadium, niobium and tantalum elements, cerium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, niobium oxide and divanadium pentoxide, and nitrides thereof Examples of the compound used as a carrier in the present invention, such as complex oxides. Among them, a compound used as a carrier in the present invention is preferably used in terms of easy production, and cerium-zirconium composite oxide is particularly preferably used for the above reasons.

本発明のシフト触媒を反応容器に収納し、該容器に改質ガスを流入させることにより、改質ガスに含まれるCOを効率的にCOに変換することができる。すなわち、シフト反応器として使用することができる。また、このような反応容器を使用せずに、モノリス触媒である本発明のシフト触媒を直接用いることによってもシフト反応器とすることができる。すなわち本発明の第三は、下記式(1)で示されるシフト反応を行う反応器であって、 By storing the shift catalyst of the present invention in a reaction vessel and allowing the reformed gas to flow into the vessel, CO contained in the reformed gas can be efficiently converted to CO 2 . That is, it can be used as a shift reactor. Moreover, it can be set as a shift reactor also by using directly the shift catalyst of this invention which is a monolith catalyst, without using such a reaction container. That is, the third of the present invention is a reactor for performing a shift reaction represented by the following formula (1),

Figure 2005034777
Figure 2005034777

本発明のシフト触媒が配置されているシフト反応器である。上記のように、本発明のシフト触媒は空間速度10,000h−1以上で使用する場合にもCO転化率に優れるため、シフト反応器を小型化でき特に有利である。 It is the shift reactor by which the shift catalyst of this invention is arrange | positioned. As described above, since the shift catalyst of the present invention is excellent in CO conversion even when used at a space velocity of 10,000 h −1 or more, the shift reactor can be miniaturized and is particularly advantageous.

本発明のシフト触媒やシフト反応器を搭載して、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などに利用することができる。図1に、車両に搭載された燃料改質式水素発生システムのシステムフロー図を示す。図面を参照しながら説明すると、まず、燃料タンクにメタノール、ガソリン、炭化水素などの燃料が供給される。該燃料は気化器内において気化し、必要により脱硫器によって含まれる硫黄分が除去される。改質部では、通常は水蒸気を用いた水蒸気改質によって、該燃料は水素リッチな改質ガスへと改質される。また、水蒸気に加え、酸素を含むガスを同時に供給し、部分酸化反応を併発したオートサーマル改質によっても、水素リッチな改質ガスを得ることができる。次に、改質ガスをシフト部に送り、改質ガス中に含まれるCOをCOに変換してCO濃度を1体積%程度にまで低減する。CO濃度が1体積%程度にまで低減された改質ガスを、続いてCO選択酸化部に移送し、CO濃度をppmオーダーに低減する。このCO濃度をppmオーダーにまで低減した改質ガスおよび酸化剤(通常は空気)を燃料電池に供給し、発電反応を進行させる。なお、燃料電池からは使用済み燃料および酸化剤が排出される。なお、前記燃料改質式水素発生システムはさらに水素分離膜等を有する水素抽出器を有していることが好ましい。これにより、発生した水素ガスを容易に分離および精製することが可能となるためである。 The shift catalyst and shift reactor of the present invention can be mounted and used in a fuel reforming hydrogen generation system, a fuel cell system, or a fuel reforming fuel cell vehicle. FIG. 1 shows a system flow diagram of a fuel reforming hydrogen generation system mounted on a vehicle. Referring to the drawings, first, fuel such as methanol, gasoline, hydrocarbons, etc. is supplied to the fuel tank. The fuel is vaporized in the vaporizer, and if necessary, sulfur contained in the desulfurizer is removed. In the reforming section, the fuel is reformed into a hydrogen-rich reformed gas, usually by steam reforming using steam. Also, a hydrogen-rich reformed gas can be obtained by autothermal reforming in which a gas containing oxygen is simultaneously supplied in addition to water vapor and a partial oxidation reaction is also performed. Next, the reformed gas is sent to the shift unit, and CO contained in the reformed gas is converted to CO 2 to reduce the CO concentration to about 1% by volume. The reformed gas with the CO concentration reduced to about 1% by volume is subsequently transferred to the CO selective oxidation unit, and the CO concentration is reduced to the ppm order. The reformed gas and oxidant (usually air) whose CO concentration has been reduced to the order of ppm are supplied to the fuel cell to advance the power generation reaction. Note that spent fuel and oxidant are discharged from the fuel cell. The fuel reforming hydrogen generation system preferably further includes a hydrogen extractor having a hydrogen separation membrane or the like. This is because the generated hydrogen gas can be easily separated and purified.

本発明のモノリス触媒は、上述の通りシフト触媒に適用されると優れたCO転化率を発現しうる。このような特性を有するシフト触媒を燃料改質ガス中のCO転化に用いることによって、燃料電池に供給される燃料ガス中のCO濃度を効率よく低下させることが可能である。特に、空間速度が高くてもCO濃度を極めて低濃度にまで低減させることができるため、搭載範囲の制限される自動車等の移動体などでも有効に使用することができる。   The monolith catalyst of the present invention can exhibit an excellent CO conversion rate when applied to a shift catalyst as described above. By using the shift catalyst having such characteristics for CO conversion in the fuel reformed gas, it is possible to efficiently reduce the CO concentration in the fuel gas supplied to the fuel cell. In particular, since the CO concentration can be reduced to a very low concentration even when the space velocity is high, it can be used effectively even in a moving body such as an automobile in which the mounting range is limited.

以上、シフト触媒を例に挙げて本発明のモノリス触媒の実施の形態について説明したが、本発明のモノリス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。   The embodiment of the monolith catalyst of the present invention has been described above by taking the shift catalyst as an example, but the monolith catalyst of the present invention is not limited to this and can be applied to various catalysts.

次に、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。   Next, the present invention will be described in detail using examples.

実施例1
Ce/Zr=68/32(モル比)のセリウムジルコニウム複合酸化物(BET比表面積70m/g)を担体として用い、金属換算で白金元素を8.451質量%含有するジニトロジアミン白金錯塩13.2gを総液量1.0Lの水溶液にした後、該担体を投入し、白金元素を含浸させ、充分に攪拌した後に一日乾燥させて、その後400℃で1時間焼成することにより触媒活性粉末を得た。
Example 1
12. Dinitrodiamine platinum complex salt containing 8.451% by mass of platinum element in terms of metal, using cerium-zirconium composite oxide (BET specific surface area 70 m 2 / g) of Ce / Zr = 68/32 (molar ratio) as a carrier. After making 2 g into an aqueous solution having a total liquid volume of 1.0 L, the carrier is added, impregnated with platinum element, sufficiently stirred, dried for one day, and then calcined at 400 ° C. for 1 hour to obtain a catalytically active powder. Got.

前記触媒活性粉末200gに塗布助剤としてアルミナゾル(アルミナに換算して4g相当量)を添加し、さらに水1.0Lを添加して、湿式粉砕することにより触媒活性粉末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1時間行い、この際、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1.0〜5.0μmに調整した。なお、前記触媒活性粉末中の白金元素含有量は0.5質量%であった。   A catalytically active powder slurry was prepared by adding alumina sol (equivalent to 4 g in terms of alumina) as a coating aid to 200 g of the catalytically active powder, and further adding 1.0 L of water and wet grinding. The pulverization is performed for 1 hour using a commercially available ball-type vibration mill. At this time, the average particle diameter is adjusted to 1.0 to 5.0 μm by adjusting the ball diameter, pulverization time, amplitude, and vibration frequency. did. The platinum element content in the catalytically active powder was 0.5% by mass.

0.12Lのコージェライト製ハニカムモノリス担体(400セル/インチ)に、上記で調製した触媒活性粉末スラリーをコーティングし、200℃で乾燥し、空気中で500℃で焼成し、シフト触媒を得た。ここで、該モノリス担体への触媒活性粉末の被覆量は24g(200g/L)であり、該シフト触媒全体積に占める白金元素の含有量は1.0g/Lであった。   A 0.12 L cordierite honeycomb monolith support (400 cells / inch) was coated with the catalyst active powder slurry prepared above, dried at 200 ° C., and fired at 500 ° C. in air to obtain a shift catalyst. . Here, the coating amount of the catalytically active powder on the monolith support was 24 g (200 g / L), and the content of platinum element in the total volume of the shift catalyst was 1.0 g / L.

実施例2および3
触媒活性粉末中の白金元素含有量および触媒活性粉末被覆量を表1の値となるようにしたこと以外は、上記実施例1に記載の方法によりシフト触媒を調製した。
Examples 2 and 3
A shift catalyst was prepared by the method described in Example 1 except that the platinum element content and the catalytic active powder coating amount in the catalytically active powder were adjusted to the values shown in Table 1.

Figure 2005034777
Figure 2005034777

活性試験
上記実施例1〜3において調製したシフト触媒についてシフト活性試験を行った。
Activity test The shift activity test was done about the shift catalyst prepared in the said Examples 1-3.

まず、前記触媒各40mLに対し、空間速度(GHSV)30,000h−1で2%水素含有窒素雰囲気を流し、400℃で1時間活性化処理を行った。次いで、窒素雰囲気下で該触媒を200℃に冷却し、昇温しながらガスクロマトグラフィーにより出口ガスを分析した。この際空間速度は30,000h−1であった。なお、全てのシフト触媒の活性試験において、投入ガス組成は、CO/HO/H/CO/Nが、2.5/24/35/15/23.5体積%とし、反応ガスの流速は20L/分とした。 First, for each 40 mL of the catalyst, a 2% hydrogen-containing nitrogen atmosphere was passed at a space velocity (GHSV) of 30,000 h −1 , and an activation treatment was performed at 400 ° C. for 1 hour. Next, the catalyst was cooled to 200 ° C. in a nitrogen atmosphere, and the outlet gas was analyzed by gas chromatography while raising the temperature. At this time, the space velocity was 30,000 h −1 . In all shift catalyst activity tests, the input gas composition was 2.5 / 24/35/15 / 23.5% by volume of CO / H 2 O / H 2 / CO 2 / N 2 and the reaction The gas flow rate was 20 L / min.

出口ガスの分析により得た出口CO濃度を用いて、下記式によりCO転化率を算出した。上記の結果を図2に示す。   Using the outlet CO concentration obtained by analyzing the outlet gas, the CO conversion rate was calculated by the following formula. The results are shown in FIG.

Figure 2005034777
Figure 2005034777

表1からわかるように、本発明のシフト触媒は、30,000h−1と従来よりも極めて高い空間速度条件下にもかかわらず、例えば出口ガス温度が300℃では約30%と高いシフト活性を示した。 As can be seen from Table 1, the shift catalyst of the present invention has a shift activity as high as about 30% at an outlet gas temperature of 300 ° C., for example, despite a very high space velocity condition of 30,000 h −1. Indicated.

以上のように、本発明によれば、触媒中に使用される貴金属元素量あたりの活性に優れ、貴金属元素を有効に利用可能なモノリス触媒を得ることが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a monolith catalyst that is excellent in activity per amount of noble metal element used in the catalyst and can effectively use the noble metal element.

図1は、車両に搭載された燃料改質式水素発生システムのシステムフロー図を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a system flow diagram of a fuel reforming hydrogen generation system mounted on a vehicle. 実施例1〜3において調製された本発明のシフト触媒について活性試験を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the activity test about the shift catalyst of this invention prepared in Examples 1-3.

Claims (14)

少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をx質量%とし、該モノリス担体1Lあたりの該触媒活性粉末の被覆量をyg/Lとしたときのx/yの値が0より大きく0.05以下である、モノリス触媒。   Having a coating layer formed by coating a monolithic carrier with a catalytically active powder containing at least a noble metal element and a carrier, wherein the catalytic activity per liter of the monolithic carrier is set to x% by mass of the noble metal element concentration in the catalytically active powder The monolith catalyst whose value of x / y when the coating amount of powder is set to yg / L is larger than 0 and 0.05 or less. 前記xの値が0.01〜2.0であり、前記yの値が40〜500である、請求項1に記載のモノリス触媒。   The monolith catalyst according to claim 1, wherein the value of x is 0.01 to 2.0, and the value of y is 40 to 500. 前記被覆層のうち最も薄い部分の厚さが0.1〜0.5mmである、請求項1または2に記載のモノリス触媒。   The monolith catalyst of Claim 1 or 2 whose thickness of the thinnest part among the said coating layers is 0.1-0.5 mm. 前記触媒活性粉末に含まれる担体は、熱に安定な酸化物である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のモノリス触媒。   The monolith catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the carrier contained in the catalytically active powder is a heat-stable oxide. 前記触媒活性粉末は、セリウム元素および第4族または第5族元素を含む、請求項4に記載のモノリス触媒。   The monolithic catalyst according to claim 4, wherein the catalytically active powder contains a cerium element and a Group 4 or Group 5 element. 前記触媒活性粉末中に含有される貴金属元素は、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム元素からなる群から選択される1種または2種以上である、請求項5に記載のモノリス触媒。   The monolith catalyst according to claim 5, wherein the noble metal element contained in the catalytically active powder is one or more selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium elements. 前記貴金属元素は白金元素である、請求項6に記載のモノリス触媒。   The monolith catalyst according to claim 6, wherein the noble metal element is a platinum element. 前記第4族または第5族元素はニオブ元素である、請求項5〜7に記載のモノリス触媒。   The monolith catalyst according to claim 5, wherein the Group 4 or Group 5 element is a niobium element. 前記被覆層をn層有し(n≧2)、かつ、第k層中の貴金属元素濃度をC質量%としたとき、常に、
Figure 2005034777
となることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載のモノリス触媒。
When the coating layer has n layers (n ≧ 2) and the noble metal element concentration in the kth layer is C k mass%,
Figure 2005034777
The monolith catalyst according to any one of claims 1 to 8, wherein
前記被覆層をn層有し(n≧2)、かつ、第k層中の貴金属元素濃度をC質量%としたとき、常に、
Figure 2005034777
となることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載のモノリス触媒。
When the coating layer has n layers (n ≧ 2) and the noble metal element concentration in the kth layer is C k mass%,
Figure 2005034777
The monolith catalyst according to any one of claims 1 to 8, wherein
下記式(1)で示されるシフト反応を促進する活性を有するシフト触媒であって、
Figure 2005034777
請求項1〜10のいずれか1項に記載のモノリス触媒を用いたシフト触媒。
A shift catalyst having an activity of promoting a shift reaction represented by the following formula (1),
Figure 2005034777
The shift catalyst using the monolith catalyst of any one of Claims 1-10.
下記式(1)で示されるシフト反応を行う反応器であって、
Figure 2005034777
請求項11に記載のシフト触媒が配置されている、シフト反応器。
A reactor for performing a shift reaction represented by the following formula (1),
Figure 2005034777
A shift reactor in which the shift catalyst according to claim 11 is arranged.
請求項11に記載のシフト触媒または請求項12に記載のシフト反応器を搭載した、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移動体。   A fuel reforming type hydrogen generation system, a fuel cell system, or a fuel reforming type fuel cell moving body equipped with the shift catalyst according to claim 11 or the shift reactor according to claim 12. 水素抽出器を搭載したことを特徴とする、請求項13に記載の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移動体。   The fuel reforming type hydrogen generation system, fuel cell system, or fuel reforming type fuel cell moving body according to claim 13, wherein a hydrogen extractor is mounted.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008529791A (en) * 2005-02-16 2008-08-07 ビーエーエスエフ、カタリスツ、エルエルシー Water-gas shift noble metal catalyst having oxide support modified with rare earth elements

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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