JP2019147105A - 燃焼触媒 - Google Patents
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Abstract
【課題】アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能な燃焼触媒を提供する。【解決手段】燃焼触媒は、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を燃焼する燃焼触媒である。燃焼触媒は、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含む。ロジウムは、燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されている。白金は、パラジウムよりも上流側、及びロジウムよりも下流側の少なくとも一方に配置されている。【選択図】図２
Description
本発明は、燃焼触媒に関する。更に詳細には、本発明は、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を燃焼する燃焼触媒に関する。
大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。例えば、大気中の二酸化炭素の増加をゼロに近づけるために、植物由来のエタノールを添加したガソリンが自動車の燃料として利用されている。
近年、燃料としてエタノール自体又はエタノール混合水を使用する固体酸化物形燃料電池の研究開発が行われている。この固体酸化物形燃料電池は、排出ガスがクリーンであり、発電効率が高く、燃料供給がし易いという利点がある。
一方で、一般的に固体酸化物形燃料電池は作動温度が高い。そのため、一般的には、固体酸化物形燃料電池の起動時、燃料を触媒に供給して燃焼させ、その燃焼により得られた熱によって、固体酸化物形燃料電池を作動温度まで温度上昇させる。
従来、アルコール燃料と炭化水素燃料と水蒸気を含む燃料ガスを改質して、水素含有ガスを製造するための燃料改質装置が提案されている。この燃料改質装置は、主にアルコール燃料を改質する触媒を備えた第１触媒部と、主に炭化水素を改質する触媒を備えた第２触媒部を有し、第１触媒部が第２触媒部よりも燃料ガス流路の上流側に配置されている（特許文献１参照。）。
しかしながら、特許文献１に記載の燃料改質装置は、アルコール燃料と炭化水素燃料を改質して、水素含有ガスを製造するための燃料改質装置であるため、これを用いてアルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を燃焼させようとしても、燃料電池起動用燃料を低温で燃焼できないという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能な燃焼触媒を提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムを燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明によれば、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能な燃焼触媒を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る燃焼触媒について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る燃焼触媒を用いたシステムの一例を模式的に示す構成図である。図１に示すように、システム１００は、起動用燃焼器１０と、燃料タンク２０と、燃料濃度検知器３０と、燃料ポンプ４０と、空気コンプレッサー５０と、熱交換器６０と、コントロールユニット７０と、燃料電池８０とを備える。
まず、第１の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る燃焼触媒を用いたシステムの一例を模式的に示す構成図である。図１に示すように、システム１００は、起動用燃焼器１０と、燃料タンク２０と、燃料濃度検知器３０と、燃料ポンプ４０と、空気コンプレッサー５０と、熱交換器６０と、コントロールユニット７０と、燃料電池８０とを備える。
そして、起動用燃焼器１０は、燃焼触媒１１と、温度調節装置１２とを有する。また、温度調節装置１２は、燃焼触媒１１を燃焼触媒の仕様に応じた所定温度、すなわち、いわゆるライトオフ温度に調節する。
ここで、「ライトオフ温度」とは、燃焼触媒の温度を低温域から高温域へ温度調節しながら、燃焼触媒に対して燃料を供給したときに、燃料が燃焼し始めた結果、著しい温度上昇が最初に検知された温度をいう。したがって、低温で燃焼可能な燃焼触媒は、ライトオフ性能が優れた燃焼触媒であることを意味する。また、燃焼触媒において燃焼可能な温度が低温化したことは、ライトオフ性能が向上したことを意味する。
なお、図示しないが、温度調節装置は、例えば、燃焼触媒の温度を調節する電熱器などの加熱部と、燃焼触媒の温度を測定する熱電対などの温度測定部とを有することが好ましい。また、熱電対などの温度測定部は、詳しくは後述する燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿って燃焼触媒の直後に配置すればよい。
また、燃料タンク２０は、燃料を貯留する。ここで、特に限定されるものではないが、燃料は、アルコールと水を含む混合物が好ましく、エタノールと水を含む混合物がより好ましく、エタノール混合水が更に好ましい。また、エタノールの濃度は特に限定されるものではないが、エタノール濃度４０体積％以上５０体積％以下のエタノール混合水がより好ましく、エタノール濃度４５体積％のエタノール混合水が特に好ましい。
さらに、燃料濃度検知器３０は、燃料タンク２０に配置され、燃料タンク２０に貯留された燃料の濃度を検知する。燃料濃度検知器は、アルコールの濃度を検知することができれば、従来公知の濃度検知器を利用することができる。
そして、燃料ポンプ４０は、例えば、燃料電池の起動時において、燃料タンク２０に貯留された燃料の一部を燃料電池起動用燃料として起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１に供給する。また、燃料ポンプ４０は、例えば、燃料電池の作動時において、燃料タンク２０に貯留された燃料の一部を燃料電池作動用燃料として燃料電池８０に供給する。
さらに、空気コンプレッサー５０は、例えば、燃料電池の起動時において、外部から取り込んだ空気を起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１、及び熱交換器６０に供給する。また、空気コンプレッサー５０は、例えば、燃料電池の作動時において、外部から取り込んだ空気を熱交換器６０に供給する。
そして、熱交換器６０は、例えば、燃料電池の起動時、作動時において、供給された燃焼ガスと空気との熱交換を行い、温度上昇した空気を燃料電池８０に供給する。
また、コントロールユニット７０は、特に限定されるものではないが、例えば、燃料濃度検知器３０からの入力に基づいて、温度調節装置１２、燃料ポンプ４０及び空気コンプレッサー５０からなる群より選ばれた少なくとも１つを制御する。さらに、コントロールユニット７０は、特に限定されるものではないが、より具体的には、燃焼触媒仕様、濃度等の燃料仕様に基づいて、温度調節装置１２による燃焼触媒１１の温度燃料ポンプ４０による燃料の燃料供給量若しくは空気コンプレッサー５０による空気の空気供給量又はこれらの任意の組み合わせを制御する。これらは１つを単独で制御してもよく、２つ以上を任意に組み合わせて制御してもよい。
さらに、燃料電池８０は、特に限定されるものではないが、高温作動型の燃料電池であることが好ましく、より具体的には、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。
ここで、燃料電池の起動時から作動時までのシステムの動作についてより詳細に説明する。
まず、起動用燃焼器１０において、温度調節装置１２は、燃焼触媒１１をライトオフ温度に調節する。
また、燃料ポンプ４０は、燃料タンク２０に貯留された燃料の一部を燃料電池起動用燃料として起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１に供給する。一方、空気コンプレッサー５０は、外部から空気を取り込んだ空気を起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１に供給する。
なお、燃料電池起動用燃料は、燃焼触媒１１に供給されたときにガス化されていることが好ましい。また、特に限定されるものではないが、燃料電池起動用燃料は、例えば、燃料タンク２０から燃焼触媒１１に至るまでの間に配置された蒸発器（図示せず。）などによってガス化され、燃料電池起動用ガスになっていることが好ましい。さらに、燃料電池起動用ガスは、特に限定されるものではないが、水蒸気／炭素（Ｓ／Ｃ）が１．３以上２．５以下であることが好ましく、１．５以上２．０以下であることがより好ましく、２であることが更に好ましい。
さらに、温度調節装置１２によってライトオフ温度に調節された燃焼触媒１１は、供給された燃料を燃焼し、生成した燃焼ガスを熱交換器６０へ供給する。
また、空気コンプレッサー５０は、外部から取り込んだ空気を熱交換器６０にも供給する。
そして、熱交換器６０は、供給された燃焼ガスと空気との熱交換を行い、温度上昇した空気を燃料電池８０に供給し、温度降下した燃焼ガスを排気する。これにより、燃料電池８０を作動温度ないしその近傍まで温度上昇させる。なお、熱交換器によって温度上昇した空気を燃料電池に供給する際には、燃料電池のカソード（図示せず。）に温度上昇した空気を供給することが好ましい。
また、燃料電池が作動温度ないしその近傍まで温度上昇したとき、燃料電池を作動させるために、熱交換器６０によって温度上昇した空気を燃料電池８０のカソード（図示せず。）に供給するとともに、燃料ポンプ４０によって燃料電池作動用燃料を燃料電池８０のアノード（図示せず。）に供給することを開始する。このとき、燃料ポンプ４０によって燃料電池起動用燃料を起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１に供給することを停止することが好ましい。また、起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１に空気コンプレッサー５０によって空気を供給することを停止することも好ましい。
ここで、燃料電池起動用燃料と燃料電池作動用燃料とは同一の燃料を利用することができる。また、燃料電池起動用燃料と燃料電池作動用燃料とは異なる燃料を利用することもできる。なお、燃料電池起動用燃料と燃料電池作動用燃料とは上述したアルコールと水を含む混合物などの同一燃料を利用することが好ましい。
また、燃料電池作動用燃料は、燃料電池８０に供給されたときにガス化されていることが好ましい。また、特に限定されるものではないが、燃料電池作動用燃料は、例えば、燃料タンク２０から燃料電池８０に至るまでの間に配置された蒸発器（図示せず。）などによってガス化され、燃料電池作動用ガスになっていることが好ましい。ただし、高温作動型の燃料電池は、燃料電池の作動時においては温度が高いため、燃料電池起動用燃料の場合と異なり、燃料タンク２０から燃料電池８０に至るまでの間に蒸発器（図示せず。）などを配置しなくてもよい。
さらに、特に限定されるものではないが、燃料電池の作動時においては、燃料電池８０のカソード（図示せず。）からのカソード排気及びアノード（図示せず。）からのアノード排気を起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１へ供給することも可能である。燃料電池８０から排出されるアノード排気に未燃焼ガスが含まれる場合には、カソード排気及びアノード排気を燃焼触媒１１に供給することによって、未燃焼ガスを燃焼することもできる。このとき、起動用燃焼器１０は排気用燃焼器としても機能し、起動用燃焼器１０は排気用燃焼器を兼ねることとなる。
また、図２は、第１の実施形態に係る燃焼触媒を模式的に示す構成図である。図２に示すように、本実施形態の燃焼触媒１１は、パラジウム（Ｐｄ）を含むパラジウム含有触媒１１１Ａ、ロジウム（Ｒｈ）を含むロジウム含有触媒１１１Ｂ及び白金（Ｐｔ）を含む白金含有触媒１１１Ｃ，１１１Ｃを含み、ロジウム含有触媒１１１Ｂが図中矢印Ｚで示す燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウム含有触媒１１１Ａの直後に配置されており、白金含有触媒１１１Ｃがパラジウム含有触媒１１１Ａよりも上流側及びロジウム含有触媒１１１Ｂよりも下流側の双方に配置されている。
なお、本発明においては、白金含有触媒１１１Ｃがパラジウム含有触媒１１１Ａよりも上流側及びロジウム含有触媒１１１Ｂよりも下流側の双方に配置されている必要はなく、白金含有触媒１１１Ｃがパラジウム含有触媒１１１Ａよりも上流側及びロジウム含有触媒１１１Ｂよりも下流側の少なくとも一方に配置されていればよい。
上述したように、本実施形態の燃焼触媒は、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されており、白金がパラジウムよりも上流側、及びロジウムよりも下流側の少なくとも一方に配置されている燃焼触媒であるので、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能となる。すなわち、優れたライトオフ性能を有する燃焼触媒の提供を実現できる。
現時点においては、以下のようなメカニズムにより、燃焼触媒は、アルコールと水、特にエタノールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼できたと考えている。
貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されている燃焼触媒は、アルコール自体又はアルコールと水を含むアルコール混合水（特にエタノール自体又はエタノールと水を含むエタノール混合水）に由来して生成される中間生成物を生成、燃焼させるバランスが非常に優れているためと考えている。
ここで、中間生成物としては、例えば、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）、アセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）等のアルデヒドを挙げることができる。
特に、水素、一酸化炭素は燃焼し易い。また、エタノールから容易に生成されるアセトアルデヒドは、引火点温度及び発火点温度の双方が低い。
したがって、燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿って上流側に配置された貴金属触媒成分であるパラジウムにおいて、アルコール（特にエタノール）の燃焼までは至らないアルコール（特にエタノール）の酸化によって、アセトアルデヒド、水素、一酸化炭素、メタン等が生成する。そして、燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されている貴金属触媒成分であるロジウムにおいて、これらの中間生成物が燃焼する。
ただし、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。したがって、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
ここで、各構成要素について更に詳細に説明する。
上記パラジウムを含むパラジウム含有触媒は、パラジウム自体であってもよい。また、パラジウム含有触媒は、パラジウムが一体構造型担体に担持されていてもよい。一体構造型担体としては、例えば、コーディエライトなどのセラミック、フェライト系ステンレスなどの金属等の耐熱性材料からなるハニカム担体を挙げることができる。さらに、パラジウム含有触媒は、パラジウムを担持する高比表面積基材ないし助触媒を含有していてもよい。高比表面積基材ないし助触媒としては、例えば、アルミニウム、ジルコニウム、ケイ素、チタン、セリウムなどの酸化物を挙げることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。特に限定されるものではないが、例えば、高比表面積基材ないし助触媒として機能し得るセリウムジルコニウム（Ｃｅ，Ｚｒ）酸化物を適用することが好ましい。
上記ロジウムを含むロジウム含有触媒は、ロジウム自体であってもよい。また、ロジウム含有触媒は、ロジウムが一体構造型担体に担持されていてもよい。一体構造型担体としては、例えば、コーディエライトなどのセラミック、フェライト系ステンレスなどの金属等の耐熱性材料からなるハニカム担体を挙げることができる。さらに、ロジウム含有触媒は、ロジウムを担持する高比表面積基材ないし助触媒を含有していてもよい。高比表面積基材ないし助触媒としては、例えば、アルミニウム、ジルコニウム、ケイ素、チタン、セリウムなどの酸化物を挙げることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。特に限定されるものではないが、例えば、高比表面積基材ないし助触媒として機能し得るジルコニウム（Ｚｒ）酸化物を適用することが好ましい。
上記白金を含む白金含有触媒は、白金自体であってもよい。また、白金含有触媒は、白金が一体構造型担体に担持されていてもよい。一体構造型担体としては、例えば、コーディエライトなどのセラミック、フェライト系ステンレスなどの金属等の耐熱性材料からなるハニカム担体を挙げることができる。さらに、白金含有触媒は、白金を担持する高比表面積基材ないし助触媒を含有していてもよい。高比表面積基材ないし助触媒としては、例えば、アルミニウム、ジルコニウム、ケイ素、チタン、セリウムなどの酸化物を挙げることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。特に限定されるものではないが、例えば、高比表面積基材ないし助触媒として機能し得るアルミニウムセリウム（Ａｌ，Ｃｅ）酸化物を適用することが好ましい。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図３は、第２の実施形態に係る燃焼触媒を模式的に示す構成図である。なお、第２の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。したがって、システムに関する重複する説明は省略する。
次に、第２の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図３は、第２の実施形態に係る燃焼触媒を模式的に示す構成図である。なお、第２の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。したがって、システムに関する重複する説明は省略する。
本実施形態の燃焼触媒は、上述した貴金属触媒成分の一部又は全部が、少なくとも１つの一体構造型担体に担持されており、少なくともパラジウムとロジウムが同一の一体構造型担体に担持されていることが、上述した第１の実施形態の燃焼触媒と相違している。
つまり、図３に示すように、本実施形態の燃焼触媒１１Ａは、パラジウムを含むパラジウム含有触媒１１２Ａ、ロジウムを含むロジウム含有触媒１１２Ｂ及び白金を含む白金含有触媒１１２Ｃ，１１２Ｃを含み、ロジウム含有触媒１１２Ｂが図中矢印Ｚで示す燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウム含有触媒１１２Ａの直後に配置されており、白金含有触媒１１２Ｃがパラジウム含有触媒１１２Ａよりも上流側及びロジウム含有触媒１１２Ｂよりも下流側の双方に配置されている。また、パラジウム含有触媒１１２Ａとロジウム含有触媒１１２Ｂが同一の一体構造型担体に担持されている。
なお、本発明においては、白金含有触媒１１２Ｃがパラジウム含有触媒１１２Ａよりも上流側及びロジウム含有触媒１１２Ｂよりも下流側の双方に配置されている必要はなく、白金含有触媒１１２Ｃがパラジウム含有触媒１１２Ａよりも上流側及びロジウム含有触媒１１２Ｂよりも下流側の少なくとも一方に配置されていればよい。
上述したように、本実施形態の燃焼触媒は、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、貴金属成分の一部又は全部が少なくとも１つの一体構造型担体に担持されており、少なくともパラジウムとロジウムが同一の一体構造体型担体に担持されており、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されており、白金がパラジウムよりも上流側、及びロジウムよりも下流側の少なくとも一方に配置されている燃焼触媒であるので、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能となる。すなわち、優れたライトオフ性能を有する燃焼触媒の提供を実現できる。また、一体構造型担体にスラリー塗布する際に塗り分けることによって、同一の一体構造型担体にパラジウムとロジウムを所定の配置とすることが可能である。これにより、部品点数を少なくすることができるといった副次的な利点がある。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図４は、第３の実施形態に係る燃焼触媒を模式的に示す構成図である。なお、第３の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。したがって、システムに関する重複する説明は省略する。
次に、第３の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図４は、第３の実施形態に係る燃焼触媒を模式的に示す構成図である。なお、第３の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。したがって、システムに関する重複する説明は省略する。
本実施形態の燃焼触媒は、上述した白金が、パラジウムよりも上流側に配置されていることが、上述した第１又は第２の実施形態の燃焼触媒と相違している。
つまり、図４に示すように、本実施形態の燃焼触媒１１Ｂは、パラジウムを含むパラジウム含有触媒１１３Ａ、ロジウムを含むロジウム含有触媒１１３Ｂ及び白金を含む白金含有触媒１１３Ｃを含み、ロジウム含有触媒１１３Ｂが図中矢印Ｚで示す燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウム含有触媒１１３Ａの直後に配置されており、白金含有触媒１１３Ｃがパラジウム含有触媒１１３Ａよりも上流側に配置されている。
上述したように、本実施形態の燃焼触媒は、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されており、白金がパラジウムよりも上流側に配置されている燃焼触媒であるので、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料をより低温で燃焼可能となる。すなわち、優れたライトオフ性能を有する燃焼触媒の提供を実現できる。また、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を燃焼可能な温度がより低温化しているので、ライトオフ性能がより向上した燃焼触媒の提供を実現できる。なお、本実施形態の燃焼触媒は、現時点において最も優れたライトオフ性能を有する。
＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。なお、第４の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。
次に、第４の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。なお、第４の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。
本実施形態の燃焼触媒は、当該燃焼触媒が、燃料電池から排出される未燃焼ガスも燃焼することが、上述した第１〜第３の実施形態の燃焼触媒と相違している。
つまり、本実施形態の燃焼触媒１１（１１Ａ，１１Ｂ）は、排気用燃焼器を兼ねる起動用燃焼器１０に配置されている（図１参照。）。ここで、燃料電池の作動時においては、燃料電池８０のカソード（図示せず。）からのカソード排気及びアノード（図示せず。）からのアノード排気が、排気用燃焼器を兼ねる起動用燃焼器１０に配置された燃焼触媒１１（１１Ａ，１１Ｂ）へ供給される。そして、燃料電池８０から排出されるアノード排気に含まれる未燃焼ガスが燃焼触媒１１で燃焼される。
上述したように、本実施形態の燃焼触媒は、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されており、白金がパラジウムよりも上流側、及びロジウムよりも下流側の少なくとも一方に配置されている燃焼触媒であるので、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能となる。すなわち、優れたライトオフ性能を有する燃焼触媒の提供を実現できる。また、本実施形態の燃焼触媒は、燃料電池から排出される未燃焼ガスも燃焼する燃焼触媒であるので、燃料電池から排出されるアノード排気に含まれる未燃焼ガスを燃焼させて、未燃焼炭化水素の低減が可能な燃焼触媒の提供を実現できる。
＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図５は、第５の実施形態に係る燃焼触媒を模式的に示す構成図である。なお、第５の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。したがって、システムに関する重複する説明は省略する。
次に、第５の実施形態に係る燃焼触媒について詳細に説明する。図５は、第５の実施形態に係る燃焼触媒を模式的に示す構成図である。なお、第５の実施形態に係る燃焼触媒も第１の実施形態に係る燃焼触媒と同様に図１に例示したシステムにおいて用いられる。したがって、システムに関する重複する説明は省略する。
本実施形態の燃焼触媒は、燃焼電池起動用燃料の流れ方向と未燃焼ガスの流れ方向が同一方向であり、上述した白金が、図中矢印Ｚで示す未燃焼ガスの流れ方向に沿ってロジウムよりも下流側に配置されていることが、上述した第４の実施形態の燃焼触媒と相違している。
つまり、図５に示すように、本実施形態の燃焼触媒１１Ｃは、パラジウムを含むパラジウム含有触媒１１４Ａ、ロジウムを含むロジウム含有触媒１１４Ｂ及び白金を含む白金含有触媒１１４Ｃを含み、ロジウム含有触媒１１４Ｂが図中矢印Ｚで示す未燃焼ガスの流れ方向に沿ってパラジウム含有触媒１１４Ａの直後に配置されており、燃焼電池起動用燃料の流れ方向と未燃焼ガスの流れ方向が同一方向であり、白金含有触媒１１４Ｃが、図中矢印Ｚで示す未燃焼ガスの流れ方向に沿ってロジウム含有触媒１１４Ｂよりも下流側に配置されている。
上述したように、本実施形態の燃焼触媒は、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されており、白金がパラジウムよりも上流側に配置されている燃焼触媒であるので、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能となる。すなわち、優れたライトオフ性能を有する燃焼触媒の提供を実現できる。また、本実施形態の燃焼触媒は、燃料電池から排出される未燃焼ガスも燃焼する燃焼触媒であるので、燃料電池から排出されるアノード排気に含まれる未燃焼ガスを燃焼させて、未燃焼炭化水素の更なる低減が可能な燃焼触媒の提供を実現できる。なお、本実施形態の燃焼触媒は、現時点において、優れたライトオフ性能と未燃焼ガスの浄化性能を有する。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
まず、コージェライト製ハニカム担体に５質量％のパラジウム（Ｐｄ）を担持したセリウムジルコニウム（Ｃｅ，Ｚｒ）酸化物を含むスラリーをコートして、本例に用いるパラジウム（Ｐｄ）含有触媒を作製した。また、コージェライト製ハニカム担体に５質量％のロジウム（Ｒｈ）を担持したジルコニウム（Ｚｒ）酸化物を含むスラリーをコートして、本例に用いるロジウム（Ｒｈ）含有触媒を作製した。さらに、コージェライト製ハニカム担体に５質量％の白金（Ｐｔ）を担持したアルミニウムセリウム（Ａｌ，Ｃｅ）酸化物を含むスラリーをコートして、本例に用いる白金（Ｐｔ）含有触媒を作製した。
まず、コージェライト製ハニカム担体に５質量％のパラジウム（Ｐｄ）を担持したセリウムジルコニウム（Ｃｅ，Ｚｒ）酸化物を含むスラリーをコートして、本例に用いるパラジウム（Ｐｄ）含有触媒を作製した。また、コージェライト製ハニカム担体に５質量％のロジウム（Ｒｈ）を担持したジルコニウム（Ｚｒ）酸化物を含むスラリーをコートして、本例に用いるロジウム（Ｒｈ）含有触媒を作製した。さらに、コージェライト製ハニカム担体に５質量％の白金（Ｐｔ）を担持したアルミニウムセリウム（Ａｌ，Ｃｅ）酸化物を含むスラリーをコートして、本例に用いる白金（Ｐｔ）含有触媒を作製した。
上記作製した各触媒をそれぞれ１ｃｍ３のサイズにカットし、反応管内に燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿って上流側から第１触媒としてのパラジウム（Ｐｄ）含有触媒、第２触媒としてのロジウム（Ｒｈ）含有触媒、及び第３触媒としての白金（Ｐｔ）含有触媒の順列で直列に配置して、本例の燃焼触媒を作製した。本例の仕様の一部を表１に示す。なお、表１中の「Ｐｄ」はパラジウム（Ｐｄ）含有触媒、「Ｒｈ」はロジウム（Ｒｈ）含有触媒、「Ｐｔ」は白金（Ｐｔ）含有触媒を示す。
（実施例２、比較例１〜比較例４）
上記第１触媒、第２触媒及び第３触媒として用いるパラジウム（Ｐｄ）含有触媒、ロジウム（Ｒｈ）含有触媒、及び白金（Ｐｔ）含有触媒の反応管内における配置の順序を表１に示すように変更したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、各例の燃焼触媒を作製した。上記各例の仕様の一部を表１に示す。
上記第１触媒、第２触媒及び第３触媒として用いるパラジウム（Ｐｄ）含有触媒、ロジウム（Ｒｈ）含有触媒、及び白金（Ｐｔ）含有触媒の反応管内における配置の順序を表１に示すように変更したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、各例の燃焼触媒を作製した。上記各例の仕様の一部を表１に示す。
［性能評価］
上記各例の燃焼触媒を用いて、下記の性能を評価した。
上記各例の燃焼触媒を用いて、下記の性能を評価した。
（ライトオフ性能の評価）
下記条件下、上記各例の燃焼触媒におけるライトオフ性能試験によりライトオフ性能を評価した。
下記条件下、上記各例の燃焼触媒におけるライトオフ性能試験によりライトオフ性能を評価した。
＜評価条件＞
・燃料電池起動用燃料：４５体積％エタノールと５５体積％の純水とを混合したエタノール混合水を使用した。このエタノール混合水は、ガス化すると、水蒸気／炭素が２（Ｓ／Ｃ＝２）である。
・試験方法：図６は、ライトオフ性能試験の要領を示す断面図である。図６に示すように、各例で作製した反応管１３内に配置された第１触媒１１０Ａ、第２触媒１１０Ｂ及び第３触媒１１０Ｃからなる燃焼触媒１１を、反応管１３とともに電気炉１２Ａ内に入れた。なお、図中矢印Ｚで示す燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿って燃焼触媒の直後に熱電対を配置した。次いで、電気炉によって燃焼触媒の温度が一定になるように調整した。温度が安定した後に、蒸発器でガス化させたエタノール混合水と空気を反応管内に供給し、ライトオフ温度を測定した。このとき、空間速度（ＳＶ）は１０００００ｈ−１とした。また、このとき、液空間速度（ＬＨＳＶ）は６．９ｈ−１とした。得られた結果を表１に併記する。
・燃料電池起動用燃料：４５体積％エタノールと５５体積％の純水とを混合したエタノール混合水を使用した。このエタノール混合水は、ガス化すると、水蒸気／炭素が２（Ｓ／Ｃ＝２）である。
・試験方法：図６は、ライトオフ性能試験の要領を示す断面図である。図６に示すように、各例で作製した反応管１３内に配置された第１触媒１１０Ａ、第２触媒１１０Ｂ及び第３触媒１１０Ｃからなる燃焼触媒１１を、反応管１３とともに電気炉１２Ａ内に入れた。なお、図中矢印Ｚで示す燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿って燃焼触媒の直後に熱電対を配置した。次いで、電気炉によって燃焼触媒の温度が一定になるように調整した。温度が安定した後に、蒸発器でガス化させたエタノール混合水と空気を反応管内に供給し、ライトオフ温度を測定した。このとき、空間速度（ＳＶ）は１０００００ｈ−１とした。また、このとき、液空間速度（ＬＨＳＶ）は６．９ｈ−１とした。得られた結果を表１に併記する。
（燃焼性能の評価）
下記条件下、上記各例の燃焼触媒における燃焼試験により燃焼性能を評価した。
下記条件下、上記各例の燃焼触媒における燃焼試験により燃焼性能を評価した。
＜評価条件＞
・燃料電池起動用燃料：４５体積％エタノールと５５体積％の純水とを混合したエタノール混合水を使用した。このエタノール混合水は、ガス化すると、水蒸気／炭素が２（Ｓ／Ｃ＝２）である。
・試験方法：上記ライトオフ性能試験において、ライトオフ温度に到達した後、更に温度が安定した後で、排出ガスをサンプリングバックに採取し、株式会社ガステック製のガス検知管（エタノール用（１１２Ｌ）、アンモニア用（３Ｌ）、低級炭化水素用（１０３）、ホルムアルデヒド用（９１）、アセトアルデヒド用（９２Ｌ））を使用して、各排出ガス成分濃度を測定した。得られた結果を表１に併記する。
・燃料電池起動用燃料：４５体積％エタノールと５５体積％の純水とを混合したエタノール混合水を使用した。このエタノール混合水は、ガス化すると、水蒸気／炭素が２（Ｓ／Ｃ＝２）である。
・試験方法：上記ライトオフ性能試験において、ライトオフ温度に到達した後、更に温度が安定した後で、排出ガスをサンプリングバックに採取し、株式会社ガステック製のガス検知管（エタノール用（１１２Ｌ）、アンモニア用（３Ｌ）、低級炭化水素用（１０３）、ホルムアルデヒド用（９１）、アセトアルデヒド用（９２Ｌ））を使用して、各排出ガス成分濃度を測定した。得られた結果を表１に併記する。
表１より、本発明の範囲に属する実施例１及び実施例２においては、ライトオフ温度がそれぞれ１２０℃及び１００℃であることが分かる。これに対して、本発明外の比較例１〜４においては、ライトオフ温度が１４０℃であることが分かる。実施例１及び実施例２は、比較例１〜比較例４と比較してライトオフ温度が著しく低いことが分かる。そのため、実施例１及び実施例２の燃焼触媒によれば、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を低温で燃焼可能であることが分かる。
このような効果が得られたのは、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されており、白金がパラジウムよりも上流側、及び上記ロジウムよりも下流側の少なくとも一方に配置されている燃焼触媒であるためと考えられる。
また、表１より、実施例２においては、ライトオフ温度が１００℃であることが分かる。これに対して、実施例１においては、ライトオフ温度が１２０℃であることが分かる。実施例２は、実施例１と比較してライトオフ温度がより低いことが分かる。そのため、実施例２の燃焼触媒によれば、アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料をより低温で燃焼可能であることが分かる。
このような効果が得られたのは、貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、ロジウムが燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿ってパラジウムの直後に配置されており、白金がパラジウムよりも上流側に配置されている燃焼触媒であるためと考えられる。
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上述した各実施形態や実施例に記載した構成は、各実施形態や実施例に限定されるものではなく、各実施形態の構成要素を変更したり、各実施形態の構成要素を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
１０ 起動用燃焼器
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 燃焼触媒
１１０Ａ 第１触媒
１１０Ｂ 第２触媒
１１０Ｃ 第３触媒
１１１Ａ，１１２Ａ，１１３Ａ，１１４Ａ パラジウム含有触媒
１１１Ｂ，１１２Ｂ，１１３Ｂ，１１４Ｂ ロジウム含有触媒
１１１Ｃ，１１２Ｃ，１１３Ｃ，１１４Ｃ 白金含有触媒
１２ 温度調節装置
１２Ａ 電気炉（加熱部）
１２Ｂ 熱電対（温度測定部）
１３ 反応管
２０ 燃料タンク
３０ 燃料濃度検知器
４０ 燃料ポンプ
５０ 空気コンプレッサー
６０ 熱交換器
７０ コントロールユニット
８０ 燃料電池
１００ システム
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 燃焼触媒
１１０Ａ 第１触媒
１１０Ｂ 第２触媒
１１０Ｃ 第３触媒
１１１Ａ，１１２Ａ，１１３Ａ，１１４Ａ パラジウム含有触媒
１１１Ｂ，１１２Ｂ，１１３Ｂ，１１４Ｂ ロジウム含有触媒
１１１Ｃ，１１２Ｃ，１１３Ｃ，１１４Ｃ 白金含有触媒
１２ 温度調節装置
１２Ａ 電気炉（加熱部）
１２Ｂ 熱電対（温度測定部）
１３ 反応管
２０ 燃料タンク
３０ 燃料濃度検知器
４０ 燃料ポンプ
５０ 空気コンプレッサー
６０ 熱交換器
７０ コントロールユニット
８０ 燃料電池
１００ システム
Claims (5)
- アルコールと水を含む燃料電池起動用燃料を燃焼する燃焼触媒であって、
貴金属触媒成分としてパラジウム、ロジウム及び白金を含み、
上記ロジウムは、上記燃料電池起動用燃料の流れ方向に沿って上記パラジウムの直後に配置されており、
上記白金は、上記パラジウムよりも上流側、及び上記ロジウムよりも下流側の少なくとも一方に配置されている
ことを特徴とする燃焼触媒。 - 上記貴金属触媒成分の一部又は全部が、少なくとも１つの一体構造型担体に担持されており、
少なくとも上記パラジウムと上記ロジウムが同一の一体構造型担体に担持されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼触媒。 - 上記白金は、上記パラジウムよりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼触媒。
- 当該燃焼触媒は、上記燃料電池から排出される未燃焼ガスも燃焼することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃焼触媒。
- 上記燃料電池起動用燃料の流れ方向と上記未燃焼ガスの流れ方向が同一方向であり、
上記白金は、上記未燃焼ガスの流れ方向に沿って上記ロジウムよりも下流側に配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の燃焼触媒。
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- 2018-02-27 JP JP2018033297A patent/JP6997948B2/ja active Active
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