JP2010184202A - 水素生成触媒及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロジウムを含む第1の触媒と、例えばコバルト酸化物のような、アセトアルデヒドの水蒸気改質触媒機能を有する第2の触媒とを併用し、より好適には第2の触媒を含むコート層の上に、第1の触媒を含むコート層を備えた2層構造とする。
【選択図】なし
Description
このような固体高分子形燃料電池においては、純粋な水素を燃料源として用いることがエネルギ効率の観点からは好ましい。
これらの中でエタノールは、毒性が低く、植物等のバイオマス資源を原料として再生可能なエネルギ源であり、水素リッチな改質ガスを得る際の燃料として好適に用いることができるものと考えられる。
そして、燃料を水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質触媒としては、ペロブスカイト型酸化物を含む無機担体に触媒成分が担持されて成る水蒸気改質触媒が開示されている(特許文献1参照。)。
このような構成とすることにより、高いエタノール転化率を得ながら、水素選択性の高い(メタン濃度の低い)水素含有ガスを得ることができる。
なお、ロジウムを含有する第1の触媒と、アセトアルデヒドの水蒸気改質機能を有する第2の触媒とを配置することによって、上述した効果が得られるメカニズムについては、完全には明らかとなっていないが、以下のメカニズムを考えている。
すなわち、エタノールを活性化し、エタノールから水素を引き剥きアセトアルデヒドを生成し(1)、その後、アセトアルデヒドがメタンと一酸化炭素に分解する反応(2)、及びシフト反応(3)が進行すると推測される。
CH3CH2OH⇒CH3CHO+H2 ・・・(1)
CH3CHO⇒CH4+CO ・・・(2)
CO+H2O⇒CO2+H2 ・・・(3)
しかし、ロジウムを始めとする貴金属の値段は、近年高騰しており、ロジウムを多く使用することは避けたいところである。
但し、第2の触媒におけるエタノール転化活性は、一般にそれほど高くなく、また炭素析出による性能低下という問題もある。
CH3CHO+H2O⇒3H2+2CO ・・・(4)
すなわち、第1及び第2の触媒を組み合わせることによって、ロジウムを含有する第1の触媒がエタノールを転化し、第2の触媒においてアセトアルデヒドの水蒸気改質反応が進行することから、目的とした水素選択性の高いガスを高転化率で得ることができる。
第2の触媒を内層に配置することで、表層のロジウム触媒で転化されたアセトアルデヒドを吸着し、アセトアルデヒドの水蒸気改質反応をより効率的に進めることができると考えられる。
したがって、第2の触媒を多く配置し、少しでも多くのアセトアルデヒドを水蒸気改質反応により水素と一酸化炭素にすることが望まれる。
なお、基材(担体)が酸点を持っている触媒では、エタノールの脱水反応により、エチレンが生成し、炭素析出につながるため、アルミナ基材を用いる場合には、酸点をできるだけ減らした基材を用いることが望ましい。具体的には、アルカリ金属、アルカリ土類金属等を添加し、酸点を除去する方法を適用することができる。
上記触媒の調製方法としては、一般的な方法を適用して構わないが、共含浸により担持することにより、よりエタノール転化性能に優れ、かつ性能安定性に優れた触媒を得ることができる。
この場合、コバルト酸化物であることが重要であるため、コバルト酸化物を形成しやすい基材であることが望ましい。具体的には、α−Al2O3、CeO2、ZnO等、表面積があまり高くない基材を用いる。
このコバルト酸化物を含む触媒(第2の触媒)において、添加物は、水の活性化及びコバルト酸化物の酸化状態を適切に保つものとして機能する。この添加物が触媒中に含まれると、アセトアルデヒドの水蒸気改質反応が進行し、同時に炭素析出を抑制することができる。
添加物の担持量を上記範囲内とすることにより、炭素析出の虞がより低減され、しかも水素選択性のより高い改質ガスが得られる触媒(第2の触媒)とすることができる。
コバルト酸化物に対する添加物としては、鉄(Fe)の添加効果が高いようであるが、これは鉄との組合せにより、コバルト酸化物のみでは不足している機能を補強できるためであり、具体的には、水を活性化する機能およびコバルト酸化物の酸化状態を適切に保つ機能に優れているためであると考えられる。一方、クロム(Cr)、マンガン(Mn)などは、同様の機能を有するものの、鉄(Fe)ほどには優れず、効果が少ないようである。
コバルト酸化物においては、Co3O4特有のXRDパターンを得ることができる。
本段階において用いられる無機担体の原料としては、焼成により所望の無機担体となりうる原料であれば特に制限されない。アルミナを例にとると、ベーマイトアルミナ、ギブサイトなどの水酸化アルミニウム、あるいはγアルミナ、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム等が挙げられる。
この触媒調製溶液を調製する段階では、まず、Rh原料として、硝酸ロジウム等のRh化合物を準備する。さらに、これらの化合物を溶解させるための溶媒を準備する。その後、準備した溶媒に原料であるRh化合物を添加し、必要であれば撹拌して、触媒調製溶液を調製する。
触媒調製溶液中のRhの濃度は特に制限されず、後述する担持段階において用いられる無機担体の量や所望の担持量、担持方法等を考慮して、適宜調節することができる。
担持させるための具体的な手法としては、例えば、含浸法、共沈法、競争吸着法などの触媒調製分野において従来公知の手法が採用されうる。処理条件は、採用される手法に応じて適宜選択されうるが、通常は、常温〜80℃で0.5〜4時間程度、無機担体と触媒調製溶液とを接触させればよい。
上記の方法で得られた触媒を所望の用途に採用する目的で、得られた触媒に対して、さらに粉砕や篩分けといった加工を施してもよい。
具体的には、酢酸コバルト、硝酸コバルトなどを用いることができ、これらを熱分解させる。例えば、一旦水に溶解させて乾燥した後、焼成して酸化物を生成させる。得られたコバルト酸化物担持粉末には、粉砕や篩分けといった加工をさらに施してもよい。
これら添加物の添加方法としては、コバルト酸化物担持時に同時に添加物を添加する方法や、先に添加物を添加し、後にコバルト酸化物を担持する方法もあるが、本発明においては、コバルト酸化物を担持した後に、上記のような添加物を担持することが望ましい。
例えば、Feを添加する場合には、原料として硝酸鉄などを用いることができ、水などの溶媒に溶解させる。この溶液に、コバルト酸化物担持粉末を分散、含浸させる。その後、乾燥、焼成を経ることにより、鉄添加コバルト酸化物触媒粉末を得ることができる。
なお、ここでは、含浸法による添加物添加方法を記載したが、従来公知の各種方法を用いても良い。処理条件は、採用される手法に応じて適宜選択されうるが、通常は、常温〜80℃で0.5〜4時間程度、コバルト酸化物触媒粉末と添加物調製溶液とを接触させればよい。
乾燥させるための具体的な手法としては、例えば、自然乾燥、蒸発乾固法のほか、ロータリーエバポレータや沿送風乾燥機等を用いた乾燥などが採用され得る。乾燥時間は、採用される手法に応じて適宜設定することができる。場合によっては、この乾燥段階を省略し、後述の焼成段階において乾燥させるようにしてもよい。
ハニカム担体としては、通常のセラミックハニカムの他に、メタルハニカムを用いることも可能である。さらには、セラミックや各種メタルのフォーム、マイクロリアクタに塗布するのも有効である。
例えば、触媒粉末、バインダー、溶媒を粉砕用のボールと共に、ボールミルの粉砕用ポットに仕込み、所定の時間粉砕することで得られる。得られたスラリーをハニカムに塗布し、乾燥、焼成することで、本発明の水素生成触媒を得ることができる。
このとき、内層と表層の触媒粉末の種類により、ハニカム等担体への密着性を考慮し、バインダーの種類を変更したり、バインダー混合割合、粉砕時間等を適宜変更したりすることが望ましい。
ロジウムを含有する第1の触媒が多いと、高いエタノール転化率は得られるものの、メタンが多く生成し、結果として水素濃度のあまり高くないガスが得られる。したがって、第2の触媒をより多く混合することによって、メタン濃度が低く、水素濃度の高いガスを得ることができる。
なお、第1の触媒と第2の触媒とで、触媒金属の担持量が異なる場合には、各触媒中に含まれる触媒金属に関する金属換算値で上記の関係を有していることが望ましいことになる。
ロジウムを含有する第1の触媒は、比較的高い空間速度(SV)でも高い反応性を示すが、第2の触媒は、高い空間速度(SV)では、十分な性能を発揮できないことがある。すなわち、第2の触媒が、十分な性能を発揮できることが水素濃度の高いガスを得るために重要であることから、第2の触媒の触媒層体積を確保するため、上記のように第1の触媒よりも第2の触媒のコート厚さを大きくすることが望ましい。
本発明の水素生成触媒が配置された水素生成装置は、例えば、固体高分子型燃料電池に供給される水素含有ガスを製造するために用いられる。
また、このような装置により得られた水素含有ガスを、内燃機関に供給することによって、燃焼効率の向上を図ることができる。さらに、排気浄化部に供給することによって、排気浄化率を向上するために用いることもできる。
例えば、本発明の水素生成触媒を含むスラリーを調製し、このスラリーをハニカム担体に塗布して得られるハニカム担体の形態が例示される。ハニカムとしては、通常のセラミックハニカムの他に、メタルハニカムも適用可能である。さらには、セラミックや各種メタルのフォーム、マイクロリアクタに塗布するのも効果的である。
所定量の炭酸ナトリムを10%硝酸溶液に溶解させた。炭酸ナトリウムの溶解を確認した後、硝酸ロジウム溶液を加え、アルミナにロジウム及びナトリムを含浸させた。このとき、ロジウムおよびナトリムの担持量が、得られる触媒(アルミナとロジウムとナトリム)の全量に対してそれぞれ4質量%(金属換算)となるように含浸させた。
その後、得られた粉末を150℃で一晩乾燥後、500℃で1時間マッフル炉にて焼成し、第1の触媒としてRh−Na/Al2O3触媒を調製した。
硝酸コバルト・六水和物を蒸留水に溶解したコバルト含有溶液を用いてセリアに含浸させた。このときの含浸量としては、得られる触媒(鉄とコバルト酸化物とセリア)の全量に対してコバルトの担持量が10質量%(金属換算)となるようにした。その後、得られた粉末を150℃で一晩乾燥後、500℃のマッフル炉にて1時間焼成することによって、セリアにCo酸化物を担持した触媒を得た(以後、Co/CeO2と表記)。
続いて、硝酸鉄・九水和物を蒸留水に溶解した鉄含有溶液を用い、上記で得られたCo/CeO2触媒に、得られる触媒(鉄とコバルト酸化物とセリア)の全量に対して鉄の担持量が0.22質量%(金属換算)となるように含浸させた。その後、得られた含浸粉末を150℃で一晩乾燥後、500℃のマッフル炉にて1時間焼成することにより、第2の触媒として、Co/CeO2にFe酸化物を担持した触媒を得た(以後、Fe/Co/CeO2と表記)。
上記により調製したRh−Na/Al2O3触媒の粉末及びFe/Co/CeO2触媒の粉末(質量比、3:1)をバインダーとしてのアルミナゾル、溶媒としての水と共に、磁性ボールミルポット中に仕込み、1時間混合及び粉砕して、スラリーを調製した。
次に、調製したスラリーを、モノリス担体であるセラミックスハニカムに塗布し、130℃で通風乾燥し、400℃で1時間焼成することによって、本例の水素生成触媒を得た。なお、このときのスラリー塗布量については、スラリー中に含有される触媒の質量(バインダーとしてアルミナゾルを除く)がモノリス担体の体積に対して200g/Lとなるように調節した。
上記により調製したRh−Na/Al2O3触媒の粉末と、Fe/Co/CeO2触媒の粉末との質量比を1:1としたこと以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。
上記により調製したRh−Na/Al2O3触媒の粉末と、Fe/Co/CeO2触媒の粉末との質量比を1:3としたこと以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。
まず、上記により調製したRh−Na/Al2O3触媒の粉末をバインダーとしてのアルミナゾル、溶媒としての水と共に、磁性ボールミルポット中に仕込み、1時間混合及び粉砕して、スラリーを調製した。次に、調製したスラリーを、モノリス担体であるセラミックスハニカムに塗布し、130℃で通風乾燥し、400℃で1時間焼成して、セラミックスハニカム上に、下層のRh−Na/Al2O3触媒層を形成した。
このときのスラリー塗布量としては、スラリー中に含有される触媒の質量(バインダーとしてアルミナゾルを除く)がモノリス担体の体積に対して150g/Lとなるように調節した。
このとき、スラリー塗布量としては、スラリー中に含有される触媒の質量(バインダーとしてアルミナゾルを除く)がモノリス担体の体積に対して50g/Lとなるように調節した。なお、Rh−Na/Al2O3触媒を含むコート層の厚さt1とFe/Co/CeO2触媒を含むコート層の厚さt2の比t1/t2は、2.5であった。
下層としてのRh−Na/Al2O3触媒層をモノリス担体の体積に対して100g/L、表層としてのFe/Co/CeO2触媒層を同じく100g/Lとなるように調整したこと以外は、上記実施例4と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。
このとき、両コート層の厚さ比t1/t2は、0.9であった。
下層としてのRh−Na/Al2O3触媒層をモノリス担体の体積に対して50g/L、表層としてのFe/Co/CeO2触媒層を150g/Lとなるように調整したこと以外は、上記実施例4と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。
このとき、両コート層の厚さ比t1/t2は、0.5であった。
まず、上記により調製したFe/Co/CeO2触媒の粉末をバインダーとしてのアルミナゾル、溶媒としての水と共に、磁性ボールミルポット中に仕込み、0.5時間混合及び粉砕して、スラリーを調製した。次に、調製したスラリーを、モノリス担体であるセラミックスハニカムに塗布し、130℃で通風乾燥し、400℃で1時間焼成して、セラミックスハニカム上に、下層のFe/Co/CeO2触媒層を形成した。
このとき、スラリー塗布量としては、スラリー中に含有される触媒の質量(バインダーとしてアルミナゾルを除く)がモノリス担体の体積に対して50g/Lとなるように調節した。
このときのスラリー塗布量としては、スラリー中に含有される触媒の質量(バインダーとしてアルミナゾルを除く)がモノリス担体の体積に対して150g/Lとなるように調節した。ここで、Rh−Na/Al2O3触媒を含むコート層の厚さt1とFe/Co/CeO2触媒を含むコート層の厚さt2の比t1/t2は、2.1であった。
下層としてのFe/Co/CeO2触媒層をモノリス担体の体積に対して100g/L、表層としてのRh−Na/Al2O3触媒層を同じく100g/Lとなるように調整したこと以外は、上記実施例7と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。
なお、両コート層の厚さ比t1/t2は、0.7であった。
下層としてのFe/Co/CeO2触媒層をモノリス担体の体積に対して50g/L、表層としてのRh−Na/Al2O3触媒層を150g/Lとなるように調整したこと以外は、上記実施例7と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。
このとき、両コート層の厚さ比t1/t2は、0.4であった。
第2の触媒として、Co3O4試薬(和光純薬製)をそのまま用いたこと以外は、上記実施例3と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。
第2の触媒として、Co3O4試薬(和光純薬製)をそのまま用いたこと以外は、上記実施例6と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。なお、Rh−Na/Al2O3触媒を含むコート層の厚さt1とFe/Co/CeO2触媒を含むコート層の厚さt2の比t1/t2は、0.5であった。
第2の触媒として、Co3O4試薬(和光純薬製)をそのまま用いたこと以外は、上記実施例9と同様の操作を繰り返すことによって、本例の水素生成触媒を得た。なお、両コート層の厚さ比t1/t2は、0.6であった。
上記により調製したRh−Na/Al2O3触媒をバインダーとしてのアルミナゾル、溶媒としての水と共に、磁性ボールミルポット中に仕込み、1時間混合及び粉砕して、スラリーを調製した。
次いで、調製したスラリーをモノリス担体であるセラミックスハニカムに、含有される触媒質量がモノリス担体の体積に対して200g/Lとなるように塗布し、130℃で通風乾燥し、400℃で1時間焼成することによって、第2の触媒を含まない本例の水素生成触媒を得た。
Rh−Na/Al2O3触媒の代わりにFe/Co/CeO2触媒を用いたことを除いて、上記比較例1と同様の操作を繰り返すことによって、第1の触媒を含まない本例の水素生成触媒を得た。
Rh−Na/Al2O3触媒の代わりにCo3O4試薬(和光純薬製)をそのまま用いたことを除いて、上記比較例1と同様の操作を繰り返すことによって、第1の触媒を含まない本例の水素生成触媒を得た。
〈前処理〉
500℃の条件下における10体積%H2/N2バランスガスの気流中に、上記各実施例及び比較例により得られたそれぞれの水素生成触媒を1時間放置した。
次に、エタノール及び水の混合物(反応液)を、S/C=2.0、及び液空間速度(LHSV:エタノールの流量(cm3/h)/モノリス触媒体積(cm3))=20h−1となるように上記各例の触媒に供給した。
なお、「S/C」とは、エタノール(炭素原子換算)の供給速度に対する水の供給速度の比、即ち、H2O供給速度(モル/秒)/(エタノール供給速度(モル/秒)×2)をいう。
実施例4〜6、7〜9についても、同様に第2の触媒の割合が多いほど、メタン濃度が低く、水素濃度の高いガスが得られている。
また、本発明の水素生成触媒は、貴金属であるロジウムの使用量を減らすことができるため、低コスト化を図ることができる。
Claims (12)
- エタノールから水素を含有するガスを得るのに用いられる水素生成触媒であって、ロジウムを含有する第1の触媒と、アセトアルデヒドの水蒸気改質機能を有する第2の触媒とを備えたことを特徴とする水素生成触媒。
- 第2の触媒の質量割合が第1の触媒よりも多いことを特徴とする請求項1に記載の水素生成触媒。
- 第1の触媒と第2の触媒とが混合されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の水素生成触媒。
- 第1の触媒と第2の触媒とが二層コートされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の水素生成触媒。
- 第2の触媒が内層、第1の触媒が表層であることを特徴とする請求項4に記載の水素生成触媒。
- 第2の触媒層の厚みが第2の触媒層よりも厚いことを特徴とする請求項4又は5に記載の水素生成触媒。
- 第1の触媒が、Rh及びNaをアルミナに担持して成る触媒であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の水素生成触媒。
- 第2の触媒がコバルト酸化物を含有していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの鋼に記載の水素生成触媒。
- コバルト酸化物がCo3O4であることを特徴とする請求項8に記載の水素生成触媒。
- 第2の触媒がFe及びCoの酸化物をセリアに担持して成る触媒であることを特徴とする請求項8に記載の水素生成触媒。
- 第1の触媒を調製するに際して、アルミナにロジウム含有溶液とナトリウム含有溶液を同時に含浸させることを特徴とする請求項7に記載の水素生成触媒の製造方法。
- 第2の触媒を調製するに際して、セリアに、コバルト含有溶液を含浸させた後、鉄含有溶液を含浸させることを特徴とする請求項10に記載の水素生成触媒の製造方法。
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