JP2535760B2 - メタノ―ルの水蒸気改質用触媒の製造方法 - Google Patents

メタノ―ルの水蒸気改質用触媒の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、メタノールの水蒸気改
質用触媒の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明
は、メタノールを水蒸気と反応させ水素を主成分とする
改質ガスを製造する際に使用する、主として銅の酸化
物、亜鉛の酸化物、アルミニウムの酸化物からなる高活
性、高選択性および長寿命の触媒を製造する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】メタノールが触媒の存在下で比較的容易
に水素を主成分とするガスに改質されることは従来から
良く知られている。特に、水蒸気の共存により水素含量
が高く分離の困難な一酸化炭素をほとんど含まないガス
に改質されることから、近年、今後増大が予想される燃
料電池等に使用する水素の簡便な供給源として注目を集
めている。水素ガスの製造法として、従来広く行われて
きた方法には、例えば、液化天然ガス(LNG)、液化
石油ガス(LPG)およびナフサ等の炭化水素を水蒸気
と高温、通常700℃以上の温度で反応させて、実質的
に水素および炭素酸化物からなるガス混合物に転化し、
これから一酸化炭素および炭酸ガスを除いて水素ガスを
製造する方法がある。しかしながら、この方法は、
(1)800〜1000℃といった極めて高い反応温度
を必要とし、(2)一般に脱硫工程を必要とし、更に
(3)水素ガスとの分離が比較的困難な多量の一酸化炭
素が併産されるので、中規模ないし小規模での水素ガス
製造法としては不適当である。
【0003】このため反応条件も温和であり、脱硫、一
酸化炭素の分離、変換等のための付帯設備の必要のない
メタノールの水蒸気改質が、比較的小規模の燃料電池用
の水素供給技術として注目を集めている。メタノールの
水蒸気改質反応は下記の反応からなる。 CHOH+HO→CO+3H−11.8KCal
/mol 従来メタノールを改質する触媒としては、担体に白金、
バラジウム等の白金族金属を担持した触媒、銅、ニッケ
ル、クロム、亜鉛など周期律表第IB族、第IIB族、第
IVA族、第VII 族の卑金属元素を担持した触媒やそれら
の酸化物からなる触媒など数多く提案されている。具体
的にはニッケルを主成分とする触媒(特開昭50−49
204号、同51−68488号、同51−12210
2号、同57−144031号、同58−69716号
の各公報)、白金族金属を活性成分とする触媒(特開昭
58−174237号、同58−177153号、およ
び同59−199043号公報)等が提案されている
が、これらの触媒の存在下で進行するのは上記反応式に
従う反応ではなく、メタノールから水素、一酸化炭素を
生成する分解反応が主体である。
【0004】高純度の水素を効率よく生産するに適した
上式の水蒸気改質反応を効果的に促進するのは、銅を主
成分とする触媒に限定されている。このような触媒とし
ては、例えば下記のような触媒が提案されている。 酸化銅、酸化クロムを主成分とする触媒で、更にマ
ンガン、バリウム等の酸化物を含有する触媒(特開昭5
4−11274号公報)。 酸化銅、酸化亜鉛、酸化アルミニウムを主成分とす
る触媒(特開昭49−47281号公報)、更に酸化ク
ロムを含有する触媒(特開昭57−174138号公
報)、更に、酸化マンガン、酸化ホウ素等を含有する触
媒(特開昭59−131501号公報)。 酸化銅、酸化ニッケル、酸化アルミニウムを主成分
とする触媒で、更にリチウム、カリウム等を含有する触
媒(特開平1−224046号公報)。 銅/酸化アルミニウム等、銅を含む2成分系共沈触
媒(H.Kobayashi,N.Takezawa, C.Minochi,. Chem. Let
t., 1347(1976) )。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの触媒
は、本発明者らの知る限りでは、低温活性、選択性など
かなり改良されたものも見られるが、耐熱性に問題があ
り、長期間の連続運転を実施した場合、連続的にその活
性および選択性が低下する。この欠点は特に高温の反応
(反応温度250℃程度以上)下で顕著であり、比較的
高温下での長時間使用は困難である、などの問題を残し
ている。そこで本発明は、高活性、高選択性であり、し
かも耐熱性が向上したメタノールの水蒸気改質用触媒の
製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
〔発明の概要〕銅酸化物、亜鉛酸化物およびアルミニウ
ム酸化物を主成分とする触媒がメタノールの水蒸気改質
用触媒として有用であることは従来より知られている
(上記特開昭49−47281号公報等)。しかしなが
ら、かかる触媒においても、特にその耐熱性(耐久性)
に問題があることは前記したとおりである。ここに本発
明者らは、上記三成分を主成分とする触媒を製造するに
際し、従来法とは異なった特定の態様にて行うことによ
り、即ち、1)三成分共沈ではなく、銅および亜鉛をま
ず共沈させ、次に水和アルミナを配合し、かつ2)上記
銅および亜鉛の共沈を特定の条件下にて行う(即ち、沈
殿生成時のpHを常に塩基側に保つよう沈殿剤としての
アルカリ中に銅および亜鉛の水溶性化合物を滴下する)
ことにより、得られる触媒の活性を増大させ、しかもそ
の耐熱性を著しく向上し得ることを見出し、本発明に至
った。
【0007】即ち、本発明のメタノールの水蒸気改質用
触媒の製造方法は、銅の酸化物、亜鉛の酸化物およびア
ルミニウムの酸化物を主成分とするメタノールの水蒸気
改質用触媒の製造方法であって、銅の水溶性化合物およ
び亜鉛の水溶性化合物を含有する水溶液を沈殿剤である
アルカリ中に滴下することにより銅の塩基性炭酸塩およ
び/または水酸化物および亜鉛の塩基性炭酸塩および/
または水酸化物からなる沈殿物を生成させ、この沈殿物
をろ過、洗浄および所望により焼成に付すことにより塩
基性炭酸銅、水酸化銅、酸化銅からなる群から選ばれた
少なくとも一種の銅化合物と、塩基性炭酸亜鉛、水酸化
亜鉛、酸化亜鉛からなる群から選ばれた少なくとも一種
の亜鉛化合物とからなる組成物を調製し、次いでこの組
成物をアルミナ水和物と混合し、得られた混合物を焼成
および還元に付すことを特徴とするものである。
【0008】〔発明の具体的説明〕 <触媒の製造>本発明方法は、銅、亜鉛の沈殿を特定の
条件下で行うこと、および銅、亜鉛を含有する組成物を
予め調製後にアルミナ水和物と混合し焼成することを除
けば、従来公知の製造法と本質的に変わるものではな
い。本発明の方法における銅および亜鉛の原料として
は、それぞれの水溶性化合物であればよく、特に制限は
ないが、実用上は硝酸塩が好ましい。また、銅および亜
鉛それぞれの金属、合金、酸化物等のような水に不溶の
原料も、硝酸等の酸を加えて溶解し使用することは可能
である。本発明における銅と亜鉛の沈殿の生成は、苛性
アルカリ、炭酸アルカリ、重炭酸アルカリ等の水溶液中
へ前記水溶性化合物の水溶液を滴下し、溶液を常に塩基
性に保持しつつ実施される。沈殿生成時、銅、亜鉛溶液
中に沈殿剤としてアルカリを添加したり、アルカリ水溶
液中に金属化合物水溶液を一度に大量に投入する等は、
良好な沈殿が得られず好ましくない。また沈殿生成は、
通常室温から80℃程度の温度範囲で行われる。また沈
殿剤であるアルカリとしては取り扱い、経済面の両面か
ら炭酸ナトリウムが好適に使用される。
【0009】このようにして得られた沈殿スラリーはろ
過、洗浄更に場合により焼成された後、常法により、ア
ルミナ水和物と混合される。本発明で使用されるアルミ
ナ水和物には特に制限はなく、例えば、硝酸アルミニウ
ム水溶液と水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウム等のアル
カリ水溶液を反応させた沈殿物から得られる、無定型の
アルミナ水和物、ベーマイトゲル、バイアライト、ジブ
サイト等の結晶性アルミナ水和物等が使用できる。得ら
れた組成物は常法により成形、乾燥され、焼成される。
本発明における銅化合物、亜鉛化合物およびアルミナ水
和物の量比は、原子比で銅1に対して、亜鉛0.2〜
3、好ましくは0.3〜1.5、アルミニウム0.01
〜2、好ましくは0.1〜1である。成型触媒の形状は
柱状、錠剤、球状、粒状、顆粒状、板状などである。
【0010】乾燥は、常法に従い、例えば常圧下または
減圧下で、100℃以下の温度で行われる。焼成条件に
ついても特に制限はなく、例えば、空気中で焼成温度2
00℃以上、好ましくは250〜600℃程度の温度
で、1〜5時間程度焼成される。焼成された組成物は酸
化物であり、これを触媒として調製するには常法により
還元し賦活する必要がある。この賦活処理は、予め水素
ガス、一酸化炭素などの還元性ガス雰囲気で150〜4
00℃で触媒を加熱して行うこともできるが、加熱され
た触媒に水蒸気改質反応時と同様にメタノールと水の混
合物を接触させ、発生したガスで還元することも可能で
ある。
【0011】<メタノール気相触媒反応>上記のように
して得られた触媒は、メタノールまたはメタノールと水
との混合物を原料として水素を得ようとする反応に対し
て、長時間の連続高温反応において高活性、高選択性を
保持する優れた性能を有するものである。なお、本発明
の効果を最もよく亮受することができるのは、メタノー
ルと水を原料とする水蒸気改質反応で、この触媒を18
0℃以上、特に250℃以上で使用する場合であるが、
一般にメタノールの水蒸気改質反応で採用されている反
応条件は、反応温度150〜400℃、好ましくは18
0〜350℃、メタノールに対する水のモル比はメタノ
ール1モルに対し水は1〜7モル、好ましくは1〜5モ
ル、メタノールの空間速度50〜50000hr-1、好
ましくは100〜15000hr-1、反応圧力50kg
/cm2 以下である。このような条件下で得られた改質
ガス中の一酸化炭素の含有量は極めて微量であり、通常
は実用上ほとんど支障とならない程度である。また併産
する二酸化炭素は常法により容易に分離し得るので、簡
単に良質の水素ガスが得られる。
【0012】
【実施例】実施例1 Cu(NO・3HO 181.2gおよびZn
(NO・6HO 223.1gを含む水溶液
0.8リットルを無水炭酸ナトリウム476.6g(硝
酸塩の3倍モル)を含む水溶液3リットルの中に充分に
攪拌しながら滴下し、35℃で沈殿を生成させた。沈殿
物をろ過し、更にイオン交換水で充分に洗浄した。次
に、この沈殿物のスラリーとアルミナ水和物であるベー
マイトゲル(含水率:23%)16.5gとを充分に混
練しながら乾燥し、270℃で3時間塩分解を行った。
成型(3φ×4mm)後300℃で3時間焼成した。この
焼成物10mlをラシヒリング(3×4mm)20mlで希釈
し、反応器に充填後、反応温度を250℃にした以外は
表−1に示した条件で2時間還元し、触媒−1を得た。
次に、アルミナ水和物として、バイアライト(含水率:
44%)22.6g、ジブサイト(含水率:38%)2
0.5gをそれぞれ用いた以外は上記と全く同様にして
触媒を調製し、触媒−2、−3を得た。このようにして
得た各触媒を使用し、表−1に示す条件下でメタノール
の水蒸気改質反応を行った。反応開始後15時間および
2000時間の時点で測定したメタノール転化率を表−
2に示す。
【0013】実施例2 実施例1の沈殿物を塩分解(270℃、3時間)し、酸
化物とした後にベーマイトゲルと混練した以外は実施例
1の触媒−1と全く同様にして触媒を調製し、触媒−4
を得た。この触媒につき、実施例1と同様にして活性評
価を行った。結果を表−2に示す。
【0014】比較例1 Cu(NO・3HO 181.2gおよびZn
(NO・6HO 223.1gを含む水溶液
0.8リットルの中に無水炭酸ナトリウム476.6g
(硝酸塩の3倍モル)を含む水溶液3リットルを充分に
攪拌しながら滴下し、35℃で沈殿を生成させた以外は
実施例1の触媒−1と全く同様にして触媒を調製し、比
較触媒−1を得た。この触媒につき実施例1と同様にし
て活性評価を行った。結果を表−2に示す。
【0015】比較例2 アルミナ水和物の代わりにγ−アルミナ12.7gを用
いた以外は実施例1と全く同様にして触媒を調製し、比
較触媒−2を得た。この触媒の活性を実施例1と同様に
評価した。結果を表−2に示す。
【0016】比較例3 Cu(NO・3HO 181.2gおよびZn
(NO・6HO 223.1gおよびAl(N
・9HO 93.8gを含む水溶液1.0リ
ットルを無水炭酸ナトリウム476.6gを含む水溶液
3リットルの中に充分に攪拌しながら滴下し、35℃で
沈殿を生成させた。次に、この沈殿物を混練しながら乾
燥し、270℃で3時間塩分解を行い、成型(3φ×4
mm)後300℃で3時間焼成した。この焼成物を実施例
1と同様に還元し、比較触媒−3を得た。この触媒の活
性を実施例1と同様に評価した。結果を表−2に示す。
以上、調製した触媒および比較触媒の組成は全てCu:
Zn:Al=1.5:1.5:0.5(原子比)であ
る。
【0017】実施例3 触媒−1を使用し、反応温度を表−3に示すように変化
させた以外は表−1と同様の条件下でメタノールの水蒸
気改質反応を行い、2000時間経過後の生成ガス組成
(dryベース)を測定した。結果を表−3に示す。
【0018】 表−1 触媒量 L.H.S.V. 反応器温度 圧力 反応器供給原料 (メタノールベース) 10ml 2hr-1 300℃ 大気圧 HO/メタノール =1.5(モル比)
【0019】 表−2 実施例 触媒名 メタノール転化率(%) 15時間後 2000時間後 実施例1 触媒−1 99.2 82.0 触媒−2 98.9 78.2 触媒−3 99.0 76.8 実施例2 触媒−4 99.1 81.6 比較例1 比較触媒−1 96.8 54.1 比較例2 比較触媒−2 97.7 58.8 比較例3 比較触媒−3 96.6 50.6
【0020】 表−3 反応温度 生成ガス組成(%) (℃) CO CO 260 74.8 24.6 0.6 280 74.7 24.4 0.9 300 74.6 24.1 1.3
【0021】
【発明の効果】本発明の方法により製造された触媒は、
前記したように、メタノールの水蒸気改質反応に対し活
性および選択性が共に高く、しかも耐久性(耐熱性)が
大きく向上している。上記の効果は、本発明の方法によ
り触媒を調製することにより、銅および亜鉛の高活性で
より安定な結合状態が酸化アルミを含めて生起されてい
るためと考えられる。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】銅の酸化物、亜鉛の酸化物およびアルミニ
    ウムの酸化物を主成分とするメタノールの水蒸気改質用
    触媒の製造方法であって、銅の水溶性化合物および亜鉛
    の水溶性化合物を含有する水溶液を沈殿剤であるアルカ
    リ中に滴下することにより銅の塩基性炭酸塩および/ま
    たは水酸化物および亜鉛の塩基性炭酸塩および/または
    水酸化物からなる沈殿物を生成させ、この沈殿物をろ
    過、洗浄および所望により焼成に付すことにより塩基性
    炭酸銅、水酸化銅、酸化銅からなる群から選ばれた少な
    くとも一種の銅化合物と、塩基性炭酸亜鉛、水酸化亜
    鉛、酸化亜鉛からなる群から選ばれた少なくとも一種の
    亜鉛化合物とからなる組成物を調製し、次いでこの組成
    物をアルミナ水和物と混合し、得られた混合物を焼成お
    よび還元に付すことを特徴とする方法。
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