JP4133432B2 - メタノールの水蒸気改質触媒および該触媒を用いるメタノールの水蒸気改質による水素の製造方法 - Google Patents
メタノールの水蒸気改質触媒および該触媒を用いるメタノールの水蒸気改質による水素の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールの水蒸気改質触媒および該触媒の存在下でメタノールを水蒸気改質することを特徴とする水素の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールの水蒸気改質反応は、次の式（１）、式（２）に示した反応からなると考えられている。
【０００３】
【化１】
【０００４】
上記の反応により、メタノールと水蒸気とから水素を製造することができる。
【０００５】
従来、メタノールの水蒸気改質触媒として、銅系触媒が活性及び選択性に優れていることが広く知られているが、銅系触媒は熱安定性に問題があるといわれている（非特許文献１）。
【０００６】
このように銅系触媒は熱安定性に問題があるといわれてはいるが、高い触媒活性を有することから、銅系触媒の改良に関する報告例はその数が多い。
【０００７】
例えば、銅系触媒として、銅、亜鉛および周期律表第８属の各金属元素を含有する触媒および該触媒を用いたメタノールの水蒸気改質反応に関する報告がなされている。
【０００８】
特許文献１には、酸化銅、酸化亜鉛、酸化ニッケルおよび酸化アルミニウムからなる触媒をプロセスに組み込んだメタノールの水蒸気改質法が報告されている。
【０００９】
特許文献２には、銅、亜鉛、クロムおよび鉄を主成分とする特定の触媒が、低温でのメタノール転化率が高く、高温時に生成ガス中の一酸化炭素濃度が低く抑えられること、さらに耐熱性が高く触媒寿命が延びることが報告されている。
【００１０】
本発明者らは、特許文献３において、銅、亜鉛および貴金属であるパラジウムおよび／または白金を含む特定の触媒およびこれを用いてメタノールと水蒸気とから水素を製造する方法について報告している。
【００１１】
しかしながら、これら公知の触媒は、触媒の活性および耐久性、一酸化炭素の副生率の点で充分満足すべきものとはいえない。
【００１２】
【非特許文献１】
触媒学会編「触媒講座・第9巻」（1985年5月10日発行) 講談社、P132〜134
【特許文献１】
特開昭５９-１５２２０５号公報
【特許文献２】
特開昭６０−７７１０４号公報
【特許文献３】
特開２００２−９５９７０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の従来技術に鑑み、触媒の活性および耐久性を損なわずに一酸化炭素の副生を抑制することのできるメタノールの水蒸気改質触媒を提供することを課題とする。また、本発明は、該触媒の存在下でメタノールを水蒸気改質することを特徴とする水素の製造方法を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前述の課題を解決すべく鋭意検討した結果、特定の金属元素の酸化物を触媒成分として含有する触媒が課題の解決に有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明は、
（１） 銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物およびアルミニウム酸化物を含むメタノールの水蒸気改質触媒、
（２） 還元処理前の前記（１）に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．２〜３０重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒、
（３） 還元処理前の前記（１）に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．５〜２５重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒、
（４） 還元処理前の前記（１）に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が１．０〜２２重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒、
（５） 前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の触媒が共沈法により調製されたものである、メタノールの水蒸気改質触媒、
（６） 前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の触媒の存在下で、メタノールを水蒸気改質することを特徴とする水素の製造方法
である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のメタノールの水蒸気改質触媒（以下単に「触媒」という。）は、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物および鉄酸化物を必須成分として含むことを特徴とする。
【００１７】
これらの各酸化物を必須成分として含む本発明の触媒は、触媒の活性および耐久性を損なわずに一酸化炭素の副生を抑制することができる。
【００１８】
本発明の触媒において、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率は、好ましくは０．２〜３０重量％、より好ましくは０．５〜２５重量％、特に好ましくは１．０〜２２重量％である。
【００１９】
本発明の触媒において、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．２重量％以上であると一酸化炭素の選択率が小さくなる点で好ましく、３０重量％以下であるとメタノールの転化率が高くなる点で好ましい。
【００２０】
本発明の触媒のなかでも、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物の各酸化物の合計量に占める銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物のそれぞれの含有率が、銅酸化物１５〜４０重量％、亜鉛酸化物４５〜６０重量％、パラジウム酸化物０．５〜３０重量％、鉄酸化物０．２〜３０重量％である触媒は好ましく、銅酸化物１５〜４０重量％、亜鉛酸化物４５〜６０重量％、パラジウム酸化物０．５〜３０重量％、鉄酸化物０．５〜２５重量％である触媒はより好ましく、銅酸化物１５〜４０重量％、亜鉛酸化物４５〜６０重量％、パラジウム酸化物０．５〜３０重量％、鉄酸化物１．０〜２２重量％である触媒は特に好ましい。
【００２１】
本発明の触媒には、本発明の効果を損なわない範囲であれば、金属元素および本発明の触媒において必須成分である各酸化物以外の酸化物を成分として含むことは差し支えない。金属元素としては、例えば、銅、亜鉛、パラジウム、鉄、白金、ジルコニウムが挙げられる。酸化物としては、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムが挙げられる。
【００２２】
本発明の触媒の製造方法には特に制限はないが、例えば、湿式法を用いて調製することができる。湿式法としては、含浸法および共沈法が挙げられるが、これらのなかでも共沈法は高い活性が得られる点で好ましい。
【００２３】
本発明の触媒の共沈法による製造方法を具体的に示すとすれば、例えば、銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩水溶液を混合した水溶液を塩基性化合物の水溶液と接触させ、析出した析出物を洗浄・回収し、回収した析出物を乾燥した後、焼成する方法が挙げられる。
【００２４】
銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩としては、塩基性化合物と反応させて得られる析出物を乾燥・焼成して各金属元素の酸化物を与えるものであれば特に制限はない。このような酸性塩としては、例えば、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩が挙げられる。
【００２５】
各金属元素の酸性塩と接触させる塩基性化合物としては、例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩、重炭酸塩が挙げられる。
【００２６】
銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩水溶液を塩基性化合物の水溶液と接触させる方法としては、接触させて得られる水溶液のｐHを6〜9の範囲となるように制御できれば特に制限はなく、例えば、塩基性化合物の水溶液と各金属元素の酸性塩の水溶液を同時に混合する方法、塩基性化合物の水溶液に各金属元素の酸性塩水溶液を混合した水溶液を加える方法、各金属元素の酸性塩水溶液を混合した溶液に塩基性化合物の水溶液を加える方法が挙げられる。
【００２７】
銅、亜鉛、パラジウムおよび鉄の各金属元素の酸性塩水溶液と塩基性化合物の水溶液とを接触させる温度は、約１０〜約８０℃の温度範囲であれば特に制限はない。
【００２８】
銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩と塩基性化合物とを反応させて得られる析出物は、通常、室温〜５０℃の温度範囲の水で洗浄し、次いで約100〜160℃の温度範囲で空気または不活性ガス雰囲気下で乾燥させる。
【００２９】
乾燥した後、焼成することにより本発明の触媒を得ることができる。焼成は約200℃〜470℃の温度範囲で行うことができる。焼成温度は４５０℃以下が好ましい。また、焼成温度が３００℃以上であると該析出物の分解が充分行われる点で好ましい。焼成は、通常、空気または不活性ガスの存在下で行う。
【００３０】
焼成後の触媒は、そのままメタノールの水蒸気改質反応に用いることができるが、焼成後の触媒を液相または気相中で水素、一酸化炭素等の還元性ガスで処理した後、メタノールの水蒸気改質反応に用いることもできる。
【００３１】
本発明の触媒は、打錠成型または押し出し成型する他、ムライト、コージェライトなどのセラミック担体、シリカクロス、スポンジ状金属焼結多孔板等の上に担持せしめたハニカム状の形状にして反応に用いることもできる。
【００３２】
本発明における水素の製造方法は、本発明の触媒の存在下にメタノールと水（水蒸気）とを接触させることにより行われる。
【００３３】
メタノールの水蒸気改質反応の反応条件は、メタノールの転化率、生成する水素の収率などの所望値に応じ適宜決定することができる。
【００３４】
通常、メタノールと水の使用割合は、メタノール1モルに対して水０．５〜３０モルとなるように用いられるが、好ましくはメタノール1モルに対して水１〜１０モルである。
【００３５】
反応温度としては、通常、150〜600℃、 好ましくは、反応温度２００〜５００℃である。
【００３６】
反応圧力としては、通常、50kg/cm2G以下、好ましくは30kg/cm2G〜常圧である。
【００３７】
触媒に接触させるメタノールと水蒸気を含む混合ガスの空間速度は、50〜500,000hr-1、好ましくは100〜150,000hr-1の範囲である。
【００３８】
なお、本発明における水素の製造方法においては、必要に応じて水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、及び空気等のガスを共存させることもできる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４０】
（１）触媒の調製
[実施例１]
硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 6.12g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 6.95g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］26.10g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]12.91g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.78g、を純水200mlに溶解し水溶液（A液）を調製した。一方、炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］64.30ｇを純水200mlに溶解し水溶液（B液）を調整した。水４００ｍｌを入れたフラスコを用意し、室温でフラスコ内の水を攪拌しながら、これにA液およびB液を同一速度で滴下した。生成したスラリーを150分間攪拌した後、スラリー中の析出物を減圧濾過し、蒸留水にて十分に洗浄した。その後、回収した析出物を80℃に調節した乾燥器中で12時間乾燥させた後、大気下で温度350℃に調整した電気炉内で3時間焼成して酸化物を13.0ｇ得た。酸化物を打錠成型、粉砕した後、粉砕物1mlを採取した。これを小型反応管に充填し、H2/N2=1/9の混合ガGHSV=6000 [hr-1]、３５０℃にて還元処理を行い、触媒を得た。
【００４１】
[実施例2]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.74g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 12.69g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.45g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]1.06g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.66g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.60ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４２】
[実施例3]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 52.37g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 6.01g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］21.25g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]5.79g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.59g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.67ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４３】
[実施例4]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.86g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 13.86g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］21.02g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]5.79g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.70g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］60.29ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４４】
[実施例5]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.99g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 10.51g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］21.27g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]11.71g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.76g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］63.45ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４５】
[実施例６]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.80g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 13.02g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.48g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]0.36g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.73g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.30ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４６】
[実施例７]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 2.34g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 7.68g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.02g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]14.54g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.78g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］65.39ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４７】
[比較例1]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.72g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 13.30g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.39g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.６5g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.04ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４８】
[比較例２]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 52.37g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 5.94g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］24.97g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.57g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］54.48ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４９】
[比較例３]
A液として硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 15.42g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.51g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.67g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.78ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００５０】
[比較例４]
A液として硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 11.70g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.84g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]6.53g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.73g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］61.27ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００５１】
[比較例5]
A液として硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 4.14g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］26.5g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]19.79g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.85g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］68.37ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００５２】
２）活性試験
上記の方法で調製した触媒について、メタノールの水蒸気改質反応の活性を測定した。原料として59.7重量％のメタノール水溶液H2O/CH3OH=1.2(モル／モル)を用い、O2/CH3OH=0.1(モル/モル)となるように空気を導入した。反応条件として反応温度250℃、常圧下にて、前記原料であるメタノール水溶液の供給速度を単位触媒量あたり60(L-solv./L-cat・h)にて行った。反応により生成したガスはガスクロマトグラフィーにて成分を測定した。加速劣化試験として反応開始後４８時間のメタノール転化率を求め、生成ガス中の一酸化炭素及び二酸化炭素の成分濃度より一酸化炭素の選択率を算出した。
【００５３】
【化２】
【００５４】
調製した触媒の組成および活性試験の結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、高い触媒活性および耐久性を有し、かつ、一酸化炭素の選択率が低いメタノールの水蒸気改質触媒を提供することができる。また、本発明の水素の製造方法によれば、長期にわたり効率よく水素を製造することが可能である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールの水蒸気改質触媒および該触媒の存在下でメタノールを水蒸気改質することを特徴とする水素の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールの水蒸気改質反応は、次の式（１）、式（２）に示した反応からなると考えられている。
【０００３】
【化１】
上記の反応により、メタノールと水蒸気とから水素を製造することができる。
【０００５】
従来、メタノールの水蒸気改質触媒として、銅系触媒が活性及び選択性に優れていることが広く知られているが、銅系触媒は熱安定性に問題があるといわれている（非特許文献１）。
【０００６】
このように銅系触媒は熱安定性に問題があるといわれてはいるが、高い触媒活性を有することから、銅系触媒の改良に関する報告例はその数が多い。
【０００７】
例えば、銅系触媒として、銅、亜鉛および周期律表第８属の各金属元素を含有する触媒および該触媒を用いたメタノールの水蒸気改質反応に関する報告がなされている。
【０００８】
特許文献１には、酸化銅、酸化亜鉛、酸化ニッケルおよび酸化アルミニウムからなる触媒をプロセスに組み込んだメタノールの水蒸気改質法が報告されている。
【０００９】
特許文献２には、銅、亜鉛、クロムおよび鉄を主成分とする特定の触媒が、低温でのメタノール転化率が高く、高温時に生成ガス中の一酸化炭素濃度が低く抑えられること、さらに耐熱性が高く触媒寿命が延びることが報告されている。
【００１０】
本発明者らは、特許文献３において、銅、亜鉛および貴金属であるパラジウムおよび／または白金を含む特定の触媒およびこれを用いてメタノールと水蒸気とから水素を製造する方法について報告している。
【００１１】
しかしながら、これら公知の触媒は、触媒の活性および耐久性、一酸化炭素の副生率の点で充分満足すべきものとはいえない。
【００１２】
【非特許文献１】
触媒学会編「触媒講座・第9巻」（1985年5月10日発行) 講談社、P132〜134
【特許文献１】
特開昭５９-１５２２０５号公報
【特許文献２】
特開昭６０−７７１０４号公報
【特許文献３】
特開２００２−９５９７０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の従来技術に鑑み、触媒の活性および耐久性を損なわずに一酸化炭素の副生を抑制することのできるメタノールの水蒸気改質触媒を提供することを課題とする。また、本発明は、該触媒の存在下でメタノールを水蒸気改質することを特徴とする水素の製造方法を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前述の課題を解決すべく鋭意検討した結果、特定の金属元素の酸化物を触媒成分として含有する触媒が課題の解決に有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明は、
（１） 銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物およびアルミニウム酸化物を含むメタノールの水蒸気改質触媒、
（２） 還元処理前の前記（１）に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．２〜３０重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒、
（３） 還元処理前の前記（１）に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．５〜２５重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒、
（４） 還元処理前の前記（１）に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が１．０〜２２重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒、
（５） 前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の触媒が共沈法により調製されたものである、メタノールの水蒸気改質触媒、
（６） 前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の触媒の存在下で、メタノールを水蒸気改質することを特徴とする水素の製造方法
である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のメタノールの水蒸気改質触媒（以下単に「触媒」という。）は、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物および鉄酸化物を必須成分として含むことを特徴とする。
【００１７】
これらの各酸化物を必須成分として含む本発明の触媒は、触媒の活性および耐久性を損なわずに一酸化炭素の副生を抑制することができる。
【００１８】
本発明の触媒において、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率は、好ましくは０．２〜３０重量％、より好ましくは０．５〜２５重量％、特に好ましくは１．０〜２２重量％である。
【００１９】
本発明の触媒において、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．２重量％以上であると一酸化炭素の選択率が小さくなる点で好ましく、３０重量％以下であるとメタノールの転化率が高くなる点で好ましい。
【００２０】
本発明の触媒のなかでも、銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物の各酸化物の合計量に占める銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物のそれぞれの含有率が、銅酸化物１５〜４０重量％、亜鉛酸化物４５〜６０重量％、パラジウム酸化物０．５〜３０重量％、鉄酸化物０．２〜３０重量％である触媒は好ましく、銅酸化物１５〜４０重量％、亜鉛酸化物４５〜６０重量％、パラジウム酸化物０．５〜３０重量％、鉄酸化物０．５〜２５重量％である触媒はより好ましく、銅酸化物１５〜４０重量％、亜鉛酸化物４５〜６０重量％、パラジウム酸化物０．５〜３０重量％、鉄酸化物１．０〜２２重量％である触媒は特に好ましい。
【００２１】
本発明の触媒には、本発明の効果を損なわない範囲であれば、金属元素および本発明の触媒において必須成分である各酸化物以外の酸化物を成分として含むことは差し支えない。金属元素としては、例えば、銅、亜鉛、パラジウム、鉄、白金、ジルコニウムが挙げられる。酸化物としては、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムが挙げられる。
【００２２】
本発明の触媒の製造方法には特に制限はないが、例えば、湿式法を用いて調製することができる。湿式法としては、含浸法および共沈法が挙げられるが、これらのなかでも共沈法は高い活性が得られる点で好ましい。
【００２３】
本発明の触媒の共沈法による製造方法を具体的に示すとすれば、例えば、銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩水溶液を混合した水溶液を塩基性化合物の水溶液と接触させ、析出した析出物を洗浄・回収し、回収した析出物を乾燥した後、焼成する方法が挙げられる。
【００２４】
銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩としては、塩基性化合物と反応させて得られる析出物を乾燥・焼成して各金属元素の酸化物を与えるものであれば特に制限はない。このような酸性塩としては、例えば、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩が挙げられる。
【００２５】
各金属元素の酸性塩と接触させる塩基性化合物としては、例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩、重炭酸塩が挙げられる。
【００２６】
銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩水溶液を塩基性化合物の水溶液と接触させる方法としては、接触させて得られる水溶液のｐHを6〜9の範囲となるように制御できれば特に制限はなく、例えば、塩基性化合物の水溶液と各金属元素の酸性塩の水溶液を同時に混合する方法、塩基性化合物の水溶液に各金属元素の酸性塩水溶液を混合した水溶液を加える方法、各金属元素の酸性塩水溶液を混合した溶液に塩基性化合物の水溶液を加える方法が挙げられる。
【００２７】
銅、亜鉛、パラジウムおよび鉄の各金属元素の酸性塩水溶液と塩基性化合物の水溶液とを接触させる温度は、約１０〜約８０℃の温度範囲であれば特に制限はない。
【００２８】
銅、亜鉛、パラジウム、鉄の各金属元素の酸性塩と塩基性化合物とを反応させて得られる析出物は、通常、室温〜５０℃の温度範囲の水で洗浄し、次いで約100〜160℃の温度範囲で空気または不活性ガス雰囲気下で乾燥させる。
【００２９】
乾燥した後、焼成することにより本発明の触媒を得ることができる。焼成は約200℃〜470℃の温度範囲で行うことができる。焼成温度は４５０℃以下が好ましい。また、焼成温度が３００℃以上であると該析出物の分解が充分行われる点で好ましい。焼成は、通常、空気または不活性ガスの存在下で行う。
【００３０】
焼成後の触媒は、そのままメタノールの水蒸気改質反応に用いることができるが、焼成後の触媒を液相または気相中で水素、一酸化炭素等の還元性ガスで処理した後、メタノールの水蒸気改質反応に用いることもできる。
【００３１】
本発明の触媒は、打錠成型または押し出し成型する他、ムライト、コージェライトなどのセラミック担体、シリカクロス、スポンジ状金属焼結多孔板等の上に担持せしめたハニカム状の形状にして反応に用いることもできる。
【００３２】
本発明における水素の製造方法は、本発明の触媒の存在下にメタノールと水（水蒸気）とを接触させることにより行われる。
【００３３】
メタノールの水蒸気改質反応の反応条件は、メタノールの転化率、生成する水素の収率などの所望値に応じ適宜決定することができる。
【００３４】
通常、メタノールと水の使用割合は、メタノール1モルに対して水０．５〜３０モルとなるように用いられるが、好ましくはメタノール1モルに対して水１〜１０モルである。
【００３５】
反応温度としては、通常、150〜600℃、 好ましくは、反応温度２００〜５００℃である。
【００３６】
反応圧力としては、通常、50kg/cm2G以下、好ましくは30kg/cm2G〜常圧である。
【００３７】
触媒に接触させるメタノールと水蒸気を含む混合ガスの空間速度は、50〜500,000hr-1、好ましくは100〜150,000hr-1の範囲である。
【００３８】
なお、本発明における水素の製造方法においては、必要に応じて水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、及び空気等のガスを共存させることもできる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４０】
（１）触媒の調製
[実施例１]
硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 6.12g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 6.95g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］26.10g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]12.91g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.78g、を純水200mlに溶解し水溶液（A液）を調製した。一方、炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］64.30ｇを純水200mlに溶解し水溶液（B液）を調整した。水４００ｍｌを入れたフラスコを用意し、室温でフラスコ内の水を攪拌しながら、これにA液およびB液を同一速度で滴下した。生成したスラリーを150分間攪拌した後、スラリー中の析出物を減圧濾過し、蒸留水にて十分に洗浄した。その後、回収した析出物を80℃に調節した乾燥器中で12時間乾燥させた後、大気下で温度350℃に調整した電気炉内で3時間焼成して酸化物を13.0ｇ得た。酸化物を打錠成型、粉砕した後、粉砕物1mlを採取した。これを小型反応管に充填し、H2/N2=1/9の混合ガGHSV=6000 [hr-1]、３５０℃にて還元処理を行い、触媒を得た。
【００４１】
[実施例2]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.74g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 12.69g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.45g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]1.06g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.66g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.60ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４２】
[実施例3]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 52.37g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 6.01g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］21.25g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]5.79g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.59g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.67ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４３】
[実施例4]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.86g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 13.86g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］21.02g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]5.79g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.70g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］60.29ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４４】
[実施例5]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.99g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 10.51g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］21.27g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]11.71g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.76g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］63.45ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４５】
[実施例６]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.80g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 13.02g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.48g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]0.36g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.73g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.30ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４６】
[実施例７]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 2.34g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 7.68g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.02g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]14.54g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.78g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］65.39ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４７】
[比較例1]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 11.72g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 13.30g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.39g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.６5g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.04ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４８】
[比較例２]
A液として硝酸パラジウム[Pd(NO3)2]水溶液 52.37g（Pd；5wt%含有）、硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 5.94g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］24.97g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.57g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］54.48ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００４９】
[比較例３]
A液として硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 15.42g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.51g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.67g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］57.78ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００５０】
[比較例４]
A液として硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 11.70g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］25.84g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]6.53g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.73g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］61.27ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００５１】
[比較例5]
A液として硝酸銅・三水和物 [Cu(NO3)2・3H2O] 4.14g、硝酸亜鉛・六水和物［Zn(NO3)2・6H2O］26.5g、硝酸鉄・九水和物[Fe(NO3)3・９H2O]19.79g、硝酸アルミニウム・九水和物[Al（NO3）3・9H2O]4.85g、B液として炭酸ナトリウム・十水和物［Na2CO3・10H2O］68.37ｇを含む液をそれぞれ調製し、実施例１と同様な方法を用いて触媒を得た。
【００５２】
２）活性試験
上記の方法で調製した触媒について、メタノールの水蒸気改質反応の活性を測定した。原料として59.7重量％のメタノール水溶液H2O/CH3OH=1.2(モル／モル)を用い、O2/CH3OH=0.1(モル/モル)となるように空気を導入した。反応条件として反応温度250℃、常圧下にて、前記原料であるメタノール水溶液の供給速度を単位触媒量あたり60(L-solv./L-cat・h)にて行った。反応により生成したガスはガスクロマトグラフィーにて成分を測定した。加速劣化試験として反応開始後４８時間のメタノール転化率を求め、生成ガス中の一酸化炭素及び二酸化炭素の成分濃度より一酸化炭素の選択率を算出した。
【００５３】
【化２】
調製した触媒の組成および活性試験の結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
【発明の効果】
本発明によれば、高い触媒活性および耐久性を有し、かつ、一酸化炭素の選択率が低いメタノールの水蒸気改質触媒を提供することができる。また、本発明の水素の製造方法によれば、長期にわたり効率よく水素を製造することが可能である。
Claims (6)
- 銅酸化物、亜鉛酸化物、パラジウム酸化物、鉄酸化物およびアルミニウム酸化物を含むメタノールの水蒸気改質触媒
- 還元処理前の請求項１に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．２〜３０重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒
- 還元処理前の請求項１に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が０．５〜２５重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒
- 還元処理前の請求項１に記載の触媒において、前記触媒の調製時における各金属原料基準で完全酸化されたとして計算した、銅酸化物（ＣｕＯとして計算）、亜鉛酸化物（ＺｎＯとして計算）、パラジウム酸化物（ＰｄＯとして計算）および鉄酸化物（Ｆｅ 2 Ｏ 3 として計算）の各酸化物の合計量に占める鉄酸化物の含有率が１．０〜２２重量％である、メタノールの水蒸気改質触媒
- 請求項１〜４のいずれか1項に記載の触媒が共沈法により調製されたものである、メタノールの水蒸気改質触媒
- 請求項1〜４のいずれか1項に記載の触媒の存在下で、メタノールを水蒸気改質することを特徴とする水素の製造方法
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