JP4227776B2 - 金属担持固体超強酸触媒を用いた水蒸気改質用触媒および水蒸気改質方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素化合物類（ヘテロ原子を含む置換基を有する炭化水素化合物を含む）を水蒸気改質反応によって一酸化炭素および水素を含む混合ガスに変換する水蒸気改質触媒及び水蒸気改質方法に関し、さらには該水蒸気改質方法によって水素を含むガスを製造する水素製造装置、このような水素製造装置を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素製造プロセスにおいて最も重要な位置を占めているのが炭化水素化合物類と水蒸気を触媒の存在下で反応させ、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどを得るいわゆる炭化水素化合物類の水蒸気改質技術である。従来、水蒸気改質反応に用いる触媒における活性金属としては、ＮｉまたはＲｕが最も一般的である。一酸化炭素および水素を含む混合ガスを安価に製造するためには、安価な金属を少量担持した触媒が好ましい。しかしながら、Ｎｉは触媒として要求される担持量が多く、一方、Ｒｕは触媒として要求される担持量は少量であるが、価格が高いという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、炭化水素化合物類の水蒸気改質反応において、安価な金属を少量担持した触媒によって有効に一酸化炭素および水素を含む混合ガスに変換する技術を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するため、水蒸気改質によって一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造する方法について鋭意研究した結果、固体超強酸を担体として用いることにより、従来本反応に低活性であるといわれていた安価な金属を担持した触媒が前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
【０００５】
すなわち、本発明は、コバルトおよび／または周期律表第ＩＢ族より選ばれる少なくとも１種の金属を、ジルコニウムの酸化物もしくは水酸化物に硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持させた固体超強酸担体に担持してなる、炭化水素化合物類を水蒸気と反応させて一酸化炭素および水素を含む混合ガスに変換するための水蒸気改質用触媒に関する。
また本発明は、前記第ＩＢ族より選ばれる金属が、銅または銀である水蒸気改質用触媒に関する。
【０００６】
また本発明は、前記の水蒸気改質用触媒を用い、炭化水素化合物類および水蒸気を含む原料混合物から、一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造することを特徴とする水蒸気改質方法に関する。
また本発明は、前記の水蒸気改質方法により製造された一酸化炭素と水素を含む混合ガスを、後続の一酸化炭素選択除去工程で処理することを特徴とする水素製造装置に関する。
また本発明は、前記一酸化炭素選択除去工程が、水性ガス反応工程とそれに引き続く一酸化炭素選択酸化工程からなる水素製造装置に関する。
さらに本発明は、前記の水素製造装置と、該水素製造装置により製造される水素を燃料とする燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において水蒸気改質反応とは、炭化水素化合物類をスチームおよび触媒の存在下、一酸化炭素および水素を含むリフォーミングガスに変換する反応のことを言う。
【０００８】
本発明の原料となる炭化水素化合物類とは、炭素数１〜４０、好ましくは炭素数１〜３０の有機化合物である。具体的には、飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素などを挙げることができる。飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素については、鎖状、環状を問わず使用でき、芳香族炭化水素についても単環、多環を問わず使用できる。このような炭化水素化合物類は置換基を含むことができる。置換基としては、鎖状、環状のどちらをも使用でき、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルアリール基およびアラルキル基等を挙げることができる。また置換基は、酸素等のヘテロ原子を１個以上有していても良い。ヘテロ原子を有する置換基の例としては、水酸基（−ＯＨ）、アルコキシ基（−ＯＲ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、エステル基（−ＣＯＯＲ）、アルデヒド基（−ＣＨＯ）、アシル基（−Ｃ（＝Ｏ）Ｒ）等が挙げられる。置換基はこれらに限定されるものではなく触媒を被毒しないもの、もしくは好ましくない副反応、副生物を誘発しないものであれば使用することができる。
【０００９】
炭化水素化合物類の具体例としてはメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ドデカンなどの飽和脂肪族炭化水素、シクロペンタン、シクロヘキサンなどの脂環式炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンなどの不飽和脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンなどの芳香族炭化水素を挙げることができる。また、これらの混合物も好適に使用でき、例えば、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油など工業的に安価に入手できる材料を挙げることができる。またヘテロ原子を含む置換基を有する炭化水素化合物類の具体例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジメチルエーテル、フェノール、アニソール、アセトアルデヒド、酢酸などを挙げることができる。
【００１０】
また、上記原料は、水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素、酸素などを含んでいても使用可能である。例えば、原料の前処理として水素化脱硫を実施する場合、反応に用いた水素の残留分は特に分離することなく使用することが出来る。
一方、原料中の硫黄濃度は改質触媒を不活性化させる作用があるためなるべく低濃度であることが望ましく、好ましくは５０質量ｐｐｍ以下、より好ましくは２０質量ｐｐｍ以下とする。このため、必要であれば前もって原料を脱硫することが好ましい。
脱硫工程に供する原料中の硫黄濃度には特に制限はなく、脱硫工程において上記硫黄濃度に転換できる程度の硫黄濃度の原料であれば使用することができる。
【００１１】
脱硫の方法にも特に制限はないが、例えば、適当な触媒と水素の存在下に水素化脱硫を行い、生成した硫化水素を酸化亜鉛などに吸収させる方法を挙げることができる。この場合用いることができる触媒の例としては、ニッケル−モリブデン、コバルト−モリブデンなどを成分とする触媒を挙げることができる。一方、適当な収着剤の存在下必要であれば水素の共存下硫黄分を収着させる方法も採用できる。この場合用いることができる収着剤としては特許第２６５４５１５号公報、特許第２６８８７４９号公報などに示されたような銅−亜鉛を主成分とする収着剤あるいはニッケル−亜鉛を主成分とする収着剤などを例示できる。
脱硫工程の実施方法にも特に制限はなく、本発明に係る水蒸気改質反応器の直前に設置した脱硫プロセスにより実施しても良いし、独立の脱硫プロセスにおいて処理を行った原料を使用しても良い。
【００１２】
反応系に導入するスチームの量は、原料炭化水素化合物類に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として規定され、この値は好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３である。この値が上記範囲より小さい場合には触媒上にコークが析出しやすくなる傾向があり、また得られる水素分率が低下する傾向があるという点で不利であり、一方大きい場合には改質反応は進むがスチーム発生設備、スチーム回収設備の肥大化を招く恐れがあるという点で不利である。添加の方法は特に制限はないが、反応帯域に原料炭化水素化合物類と同時に導入しても良いし、反応器帯域の別々の位置からあるいは何回かに分けて一部ずつ導入しても良い。
【００１３】
また、一酸化炭素を主に取得する目的などの場合においては、二酸化炭素を原料ガスに添加することも出来る。この場合の二酸化炭素の添加量は原料に含まれる炭素原子モル数（二酸化炭素分は除く）に対する二酸化炭素分子モル数の比（二酸化炭素／カーボン比）として規定され、その値は好ましくは０．１〜５、より好ましくは０．１〜３の範囲である。しかし、水素の製造が目的の場合必ずしも二酸化炭素の添加は必要ではない。
【００１４】
本発明は、水蒸気改質用触媒として、コバルトおよび／または周期律表第ＩＢ族より選ばれる少なくとも１種の金属を固体超強酸担体に担持してなる触媒を用いるものである。
固体超強酸とは、「ハメット酸度関数（Ｈ０）＜−１１．９３」であり（「超強酸・超強塩基」田部浩三、野依良治共著、講談社サイエンティフィック、１９８０年）、１００％硫酸よりも強い酸強度を持つような固体酸をいう。本発明においては、この定義に相当するものは広く用いることができる。
本発明において用いられる固体超強酸担体としては、ジルコニウムの水酸化物もしくは酸化物を担体として硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持したものを挙げることができる。
【００１５】
固体超強酸の調製方法としては、例えば、上記のような担体に硫酸根あるいは酸化タングステンの前駆体を担持した後焼成することにより行うことができる。硫酸根の前駆体の例としては、硫酸、硫酸アンモニウム、塩化スルフリル、塩化チオニル、ＳＯ2ガス等を挙げることができ、また、酸化タングステンの前駆体の例としてはメタタングステン酸アンモニウム、パラタングステン酸アンモニウム、１２タングストリン酸等を挙げることができる。
担持の方法は公知の適当な方法を採用できるが、水などの適当な溶媒に溶解した後、担体を懸濁させ、溶媒を乾燥するなどの方法を採ることができる。塩化スルフリル、塩化チオニルなどの水と反応しやすい前駆体を用いる場合にはヘキサン、塩化メチレンなどの溶媒を用いることが望ましい。
【００１６】
強酸性を発現させる方法としては、このようにして得られた前駆体が担持された触媒を焼成することが一般に採用される。このための焼成温度は、担体と硫酸根前駆体、あるいは酸化タングステン前駆体の組み合わせにより適宜選択される。具体例を挙げるならば、硫酸根−酸化ジルコニウムの組み合わせの場合、好ましくは５００℃〜８００℃、より好ましくは６００℃〜７００℃の範囲であり、酸化タングステン−酸化ジルコニウムの組み合わせの場合、好ましくは７００℃〜１，０００℃、より好ましくは８００℃〜９００℃の範囲である。しかし、焼成後上記の超強酸の定義に相当するものが得られれば良く、これらの条件に限定されるものではない。超強酸であることの確認は、例えば「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １２５９（１９８９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １１４８（１９７９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １８５１（１９８０）」、「J. Am. Chem. Soc. １０１，６４３９（１９７９）」などに記載されるパラフィンの骨格異性化や酸強度測定によって行うことができる。
【００１７】
本発明においては、以上に述べた固体超強酸担体に水蒸気改質反応に活性な金属（以下、活性金属と称する。）を担持した触媒を用いる。活性金属としては、コバルト、または銅、銀もしくは金（周期律表第ＩＢ族金属）から選択される金属が用いられ、特にコバルト、銅または銀が好ましく用いられる。該活性金属を含む触媒としては、これらの中のいずれか一つあるいは複数の金属種を含有する触媒が用いられる。
【００１８】
固体超強酸担体に活性金属を担持した触媒（以後、本発明触媒と称する。）の調製方法には特に制限はなく、硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持した後、焼成によって固体超強酸担体を調製し、その後に活性金属を担持する方法、あるいは先に活性金属と硫酸根もしくはタングステン酸化物とを担持した後に焼成によって固体超強酸性を発現させる方法など、公知のいかなる方法も適用可能である。
【００１９】
本発明触媒における活性金属の担持方法に関しても特に制限はなく、通常の含浸法、吸着法、イオン交換法など公知の方法を採用できる。通常、活性金属の塩もしくは錯体として水、エタノール、もしくはアセトンなどの溶媒に溶解させ、担体に含浸させる。担持させる金属塩もしくは金属錯体は、硝酸コバルト、硝酸銅、硝酸銀のような化合物を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。
【００２０】
本発明触媒中における活性金属の含有量（活性金属が複数ある場合はその総量として）は好ましくは０．０５〜２０質量％、より好ましくは０．１〜１０質量％、さらに好ましくは０．３〜５質量％のものが使用できる。含有量がこの範囲より多い場合、活性金属の凝集が多くなり表面に出る金属の割合が減少するという点で不利であり、該範囲より少ない場合には十分な活性を示すことが出来ないため多量の本発明触媒が必要となり反応器が大型化する傾向があるという点で不利である。
【００２１】
用いる触媒の形態については特に制限はない。例えば、打錠成形し粉砕後適当な範囲に整粒した触媒、押し出し成形した触媒、適当なバインダーを加え押し出し成形した触媒、粉末状触媒などを用いることができる。もしくは、打錠成形し粉砕後適当な範囲に整粒した担体、押し出し成形した担体、粉末あるいは球形、リング状、タブレット状、円筒状、フレーク状など適当な形に成形した担体などに金属を担持した触媒などを用いることができる。 また、触媒自体をモノリス状、ハニカム状などに成形した触媒、あるいは適当な素材を用いたモノリスやハニカムなどに触媒をコーティングしたものなどを用いることができる。
こうして得られた担持触媒は、必要であれば水素還元を行うことにより活性化される。
【００２２】
本発明は、前記の水蒸気改質用触媒を用い、炭化水素化合物類および水蒸気を含む原料混合物から、一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造することを特徴とする水蒸気改質方法である。
また本発明は、前記の水蒸気改質方法により製造された一酸化炭素と水素を含む混合ガスを、後続の一酸化炭素選択除去工程で処理することを特徴とする水素製造装置であり、前記一酸化炭素選択除去工程は、好ましくは、水性ガス反応工程とそれに引き続く一酸化炭素選択酸化工程を含む。
【００２３】
次に、本発明の水素製造装置が有する水蒸気改質装置が備えることのできる反応器の形態について述べる。本発明においては、流通式固定床反応器において、触媒として本発明触媒を備える構成とすることができる。反応器の形状としては、円筒状、平板状などそれぞれのプロセスの目的に応じた公知のいかなる形状を取ることができる。なお水蒸気改質装置に流動床反応器を用いることも可能である。
【００２４】
本発明の反応器に導入される流通原料（原料＋水蒸気）の空間速度は、ＧＨＳＶが好ましくは１００〜１００，０００ｈ-1、より好ましくは３００〜５０，０００ｈ-1、さらに好ましくは５００〜３０，０００ｈ-1の範囲において、それぞれの目的に鑑み設定される。
反応管の温度は好ましくは２００〜１０００℃、より好ましくは３００〜９００℃、さらに好ましくは５００〜８００℃の範囲である。
反応圧力は、特に限定されないが、好ましくは大気圧〜２０ＭＰａ、より好ましくは大気圧〜５ＭＰａ、さらに好ましくは大気圧〜１ＭＰａの範囲で実施される。
【００２５】
本発明は、前記の水素製造装置と、該水素製造装置により製造される水素を燃料とする燃料電池を備える燃料電池システムである。
本発明の水蒸気改質反応で得られる一酸化炭素と水素を含む混合ガスは固体酸化物形燃料電池のような場合であればそのまま燃料電池用の燃料として用いることができる。また、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池のように一酸化炭素の除去が必要な場合には、該燃料電池用水素の原料として好適に用いることができる。
燃料電池用水素の製造は、公知の方法を採用することができ、例えばシフト工程と一酸化炭素選択酸化工程で処理することにより実施できる。シフト工程とは一酸化炭素と水を反応させ水素と二酸化炭素に転換する工程であり、鉄−クロムの混合酸化物、銅−亜鉛の混合酸化物、白金、ルテニウムあるいはイリジウムなどを含有する触媒を用い、一酸化炭素含有量を好ましくは２容量％以下、より好ましくは１容量％以下、さらに好ましくは０．５容量％以下までに落とす。通常、リン酸形燃料電池ではこの状態の混合ガスを燃料として用いることができる。
【００２６】
一方、固体高分子形燃料電池では、さらに一酸化炭素濃度を低減させることが必要であるので一酸化炭素選択酸化工程などでさらに処理する。この工程では、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀あるいは金などを含有する触媒を用い、残存する一酸化炭素モル数に対し好ましくは０．５〜１０倍モル、より好ましくは０．７〜５倍モル、さらに好ましくは１〜３倍モルの酸素を添加することで一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に転換することにより一酸化炭素濃度を低減させる。この場合、一酸化炭素の酸化と同時に共存する水素と反応させメタンを生成させることで一酸化炭素濃度の低減を図ることもできる。
【００２７】
以下、本発明の燃料電池システム例を説明する。図１は本発明燃料電池発電システム例を示す概略図である。
図１において、燃料タンク３内の燃料は燃料ポンプ４を経て脱硫器５に流入する。脱硫器内には例えば銅−亜鉛系あるいはニッケル−亜鉛系の収着剤などを充填することができる。この時、必要であれば一酸化炭素選択酸化反応器１１からの水素含有ガスを添加できる。脱硫器５で脱硫された燃料は水タンク１から水ポンプ２を経た水と混合した後、気化器６に導入されて気化され、改質器７に送り込まれる。
【００２８】
改質器７の触媒として本発明の水蒸気改質用触媒を用い、改質器内に充填される。この時、スチーム／カーボン比は好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３に設定される。また、流通原料（原料＋水蒸気）の空間速度は上記の触媒量基準、標準温度・圧力換算でＧＨＳＶが好ましくは１００〜１００，０００ｈ−１、より好ましくは３００〜５０，０００ｈ−１、さらに好ましくは５００〜３０，０００ｈ−１の範囲に設定される。改質器反応管は燃料タンクからの燃料およびアノードオフガスを燃料とするバーナー１８により加温され、好ましくは２００〜１０００℃、より好ましくは３００〜９００℃、さらに好ましくは５００〜８００℃の範囲に調節される。
【００２９】
この様にして製造された水素と一酸化炭素を含有するガスは高温シフト反応器９、低温シフト反応器１０、一酸化炭素選択酸化反応器１１を順次通過させることで一酸化炭素濃度は燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで低減される。これらの反応器に用いる触媒の例としては高温シフト反応器９には鉄−クロム系触媒、低温シフト反応器１０には銅−亜鉛系触媒、一酸化炭素選択酸化反応器１１にはルテニウム系触媒等を挙げることができる。
【００３０】
固体高分子型燃料電池１７はアノード１２、カソード１３、固体高分子電解質１４からなり、アノード側には上記の方法で得られた高純度の水素を含有する燃料ガスが、カソード側には空気ブロアー８から送られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後（加湿装置は図示していない）導入される。
この時、アノードでは水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソードでは酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノードには白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒あるいはＰｔ−Ｒｕ合金触媒などが、カソードには白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒などが用いられる。通常アノード、カソードの両触媒とも、必要に応じてポリテトラフロロエチレン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。
【００３１】
次いでＮａｆｉｏｎ（デュポン社）、Ｇｏｒｅ（ゴア社）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（旭硝子社）、Ａｃｉｐｌｅｘ（旭化成社）等の商品名で知られる高分子電解質膜の両側に該多孔質触媒層を積層しＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極集合体）が形成される。さらにＭＥＡを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷１５はアノード、カソードと電気的に連結される。
アノードオフガスはバーナー１８において燃焼され改質管の加温に用いられた後排出される。カソードオフガスは排気口１６から排出される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、炭化水素化合物類を水蒸気改質反応によって一酸化炭素及び水素を含む混合ガスに変換する際に、従来低活性とされていた安価な金属を用いることができる。これによって、一酸化炭素及び水素を含む混合ガスの安価な製造を達成することができ、燃料電池用燃料あるいはその原料として使用可能である
【００３３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３４】
［触媒の調製］
表面積１６５ｇ／ｃｍ2のγ−アルミナを触媒担体1とした。
オキシ塩化ジルコニルにアンモニア水を加えることで沈殿生成させた水酸化ジルコニウムに、焼成前の担持Ｗ量が１５質量%になるように０．１Ｍのメタタングステン酸アンモニウム水溶液を加え含浸担持する。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、空気流通下８５０℃で３時間焼成し、超強酸担体ＷＯｘ−ＺｒＯ2（Ｘ＝３〜４）を得た。これを担体２とした。この担体２について「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １２５９（１９８９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １１４８（１９７９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １８５１（１９８０）」、「J. Am. Chem. Soc. １０１，６４３９（１９７９）」の記載に基づいたヘキサンの骨格異性化試験を行ったところ、異性化反応活性を持つことが明らかとなり、固体超強酸であることが確認された。
【００３５】
上記担体１に、コバルト金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸コバルト水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ａとした。
上記担体１に、銅金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銅水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｂとした。
上記担体１に、銀金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銀水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｃとした。
【００３６】
上記担体２に、コバルト金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸コバルト水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｄとした。
上記担体２に、銅金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銅水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｅとした。
上記担体２に、銀金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銀水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｆとした。
【００３７】
［比較例１］
触媒調製例で得られた触媒Ａを打錠成型し、粉砕後、２５０〜５００μｍの範囲に整粒したもの２．２７ｇを固定床流通式反応器に充填し、ノルマルドデカン、スチーム混合ガスを原料として、７００℃および７５０℃で水蒸気改質反応を行った。それぞれの反応条件を表１に示す。
【００３８】
［比較例２］
触媒Ａの代りに触媒Ｂを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００３９】
［比較例３］
触媒Ａの代りに触媒Ｃを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４０】
［実施例１］
触媒Ａの代りに触媒Ｄを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４１】
［実施例２］
触媒Ａの代りに触媒Ｅを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４２】
［実施例３］
触媒Ａの代りに触媒Ｆを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４３】
表２に各触媒の各温度におけるノルマルドデカン転化率を示す。この表から明らかなように、γ−アルミナを担体として用いた場合には水蒸気改質活性の低い金属担持触媒も、固体超強酸を担体として用いることでその活性を大きく向上させることが可能であることが分かる。
【００４４】
［実施例４］
図１に示した構成の燃料電池システムにおいて、灯油を燃料として用いて試験を行った。この時、改質器７に導入する原料のスチーム／カーボン比は３．０に設定した。アノード入口のガスを分析した結果、水素を７２容量％（水蒸気を除外）含んでいた。
試験期間（１０時間）中、改質器は正常に作動し触媒の活性低下は認められなかった。燃料電池も正常に作動し電気負荷１５も順調に運転された。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 水タンク
２ 水ポンプ
３ 燃料タンク
４ 燃料ポンプ
５ 脱硫器
６ 気化器
７ 改質器
８ 空気ブロアー
９ 高温シフト反応器
１０ 低温シフト反応器
１１ 一酸化炭素選択酸化反応器
１２ アノード
１３ カソード
１４ 固体高分子電解質
１５ 電気負荷
１６ 排気口
１７ 固体高分子形燃料電池
１８ 加温用バーナー
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素化合物類（ヘテロ原子を含む置換基を有する炭化水素化合物を含む）を水蒸気改質反応によって一酸化炭素および水素を含む混合ガスに変換する水蒸気改質触媒及び水蒸気改質方法に関し、さらには該水蒸気改質方法によって水素を含むガスを製造する水素製造装置、このような水素製造装置を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素製造プロセスにおいて最も重要な位置を占めているのが炭化水素化合物類と水蒸気を触媒の存在下で反応させ、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどを得るいわゆる炭化水素化合物類の水蒸気改質技術である。従来、水蒸気改質反応に用いる触媒における活性金属としては、ＮｉまたはＲｕが最も一般的である。一酸化炭素および水素を含む混合ガスを安価に製造するためには、安価な金属を少量担持した触媒が好ましい。しかしながら、Ｎｉは触媒として要求される担持量が多く、一方、Ｒｕは触媒として要求される担持量は少量であるが、価格が高いという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、炭化水素化合物類の水蒸気改質反応において、安価な金属を少量担持した触媒によって有効に一酸化炭素および水素を含む混合ガスに変換する技術を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するため、水蒸気改質によって一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造する方法について鋭意研究した結果、固体超強酸を担体として用いることにより、従来本反応に低活性であるといわれていた安価な金属を担持した触媒が前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
【０００５】
すなわち、本発明は、コバルトおよび／または周期律表第ＩＢ族より選ばれる少なくとも１種の金属を、ジルコニウムの酸化物もしくは水酸化物に硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持させた固体超強酸担体に担持してなる、炭化水素化合物類を水蒸気と反応させて一酸化炭素および水素を含む混合ガスに変換するための水蒸気改質用触媒に関する。
また本発明は、前記第ＩＢ族より選ばれる金属が、銅または銀である水蒸気改質用触媒に関する。
【０００６】
また本発明は、前記の水蒸気改質用触媒を用い、炭化水素化合物類および水蒸気を含む原料混合物から、一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造することを特徴とする水蒸気改質方法に関する。
また本発明は、前記の水蒸気改質方法により製造された一酸化炭素と水素を含む混合ガスを、後続の一酸化炭素選択除去工程で処理することを特徴とする水素製造装置に関する。
また本発明は、前記一酸化炭素選択除去工程が、水性ガス反応工程とそれに引き続く一酸化炭素選択酸化工程からなる水素製造装置に関する。
さらに本発明は、前記の水素製造装置と、該水素製造装置により製造される水素を燃料とする燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において水蒸気改質反応とは、炭化水素化合物類をスチームおよび触媒の存在下、一酸化炭素および水素を含むリフォーミングガスに変換する反応のことを言う。
【０００８】
本発明の原料となる炭化水素化合物類とは、炭素数１〜４０、好ましくは炭素数１〜３０の有機化合物である。具体的には、飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素などを挙げることができる。飽和脂肪族炭化水素、不飽和脂肪族炭化水素については、鎖状、環状を問わず使用でき、芳香族炭化水素についても単環、多環を問わず使用できる。このような炭化水素化合物類は置換基を含むことができる。置換基としては、鎖状、環状のどちらをも使用でき、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルアリール基およびアラルキル基等を挙げることができる。また置換基は、酸素等のヘテロ原子を１個以上有していても良い。ヘテロ原子を有する置換基の例としては、水酸基（−ＯＨ）、アルコキシ基（−ＯＲ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、エステル基（−ＣＯＯＲ）、アルデヒド基（−ＣＨＯ）、アシル基（−Ｃ（＝Ｏ）Ｒ）等が挙げられる。置換基はこれらに限定されるものではなく触媒を被毒しないもの、もしくは好ましくない副反応、副生物を誘発しないものであれば使用することができる。
【０００９】
炭化水素化合物類の具体例としてはメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ドデカンなどの飽和脂肪族炭化水素、シクロペンタン、シクロヘキサンなどの脂環式炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンなどの不飽和脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンなどの芳香族炭化水素を挙げることができる。また、これらの混合物も好適に使用でき、例えば、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油など工業的に安価に入手できる材料を挙げることができる。またヘテロ原子を含む置換基を有する炭化水素化合物類の具体例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジメチルエーテル、フェノール、アニソール、アセトアルデヒド、酢酸などを挙げることができる。
【００１０】
また、上記原料は、水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素、酸素などを含んでいても使用可能である。例えば、原料の前処理として水素化脱硫を実施する場合、反応に用いた水素の残留分は特に分離することなく使用することが出来る。
一方、原料中の硫黄濃度は改質触媒を不活性化させる作用があるためなるべく低濃度であることが望ましく、好ましくは５０質量ｐｐｍ以下、より好ましくは２０質量ｐｐｍ以下とする。このため、必要であれば前もって原料を脱硫することが好ましい。
脱硫工程に供する原料中の硫黄濃度には特に制限はなく、脱硫工程において上記硫黄濃度に転換できる程度の硫黄濃度の原料であれば使用することができる。
【００１１】
脱硫の方法にも特に制限はないが、例えば、適当な触媒と水素の存在下に水素化脱硫を行い、生成した硫化水素を酸化亜鉛などに吸収させる方法を挙げることができる。この場合用いることができる触媒の例としては、ニッケル−モリブデン、コバルト−モリブデンなどを成分とする触媒を挙げることができる。一方、適当な収着剤の存在下必要であれば水素の共存下硫黄分を収着させる方法も採用できる。この場合用いることができる収着剤としては特許第２６５４５１５号公報、特許第２６８８７４９号公報などに示されたような銅−亜鉛を主成分とする収着剤あるいはニッケル−亜鉛を主成分とする収着剤などを例示できる。
脱硫工程の実施方法にも特に制限はなく、本発明に係る水蒸気改質反応器の直前に設置した脱硫プロセスにより実施しても良いし、独立の脱硫プロセスにおいて処理を行った原料を使用しても良い。
【００１２】
反応系に導入するスチームの量は、原料炭化水素化合物類に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として規定され、この値は好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３である。この値が上記範囲より小さい場合には触媒上にコークが析出しやすくなる傾向があり、また得られる水素分率が低下する傾向があるという点で不利であり、一方大きい場合には改質反応は進むがスチーム発生設備、スチーム回収設備の肥大化を招く恐れがあるという点で不利である。添加の方法は特に制限はないが、反応帯域に原料炭化水素化合物類と同時に導入しても良いし、反応器帯域の別々の位置からあるいは何回かに分けて一部ずつ導入しても良い。
【００１３】
また、一酸化炭素を主に取得する目的などの場合においては、二酸化炭素を原料ガスに添加することも出来る。この場合の二酸化炭素の添加量は原料に含まれる炭素原子モル数（二酸化炭素分は除く）に対する二酸化炭素分子モル数の比（二酸化炭素／カーボン比）として規定され、その値は好ましくは０．１〜５、より好ましくは０．１〜３の範囲である。しかし、水素の製造が目的の場合必ずしも二酸化炭素の添加は必要ではない。
【００１４】
本発明は、水蒸気改質用触媒として、コバルトおよび／または周期律表第ＩＢ族より選ばれる少なくとも１種の金属を固体超強酸担体に担持してなる触媒を用いるものである。
固体超強酸とは、「ハメット酸度関数（Ｈ０）＜−１１．９３」であり（「超強酸・超強塩基」田部浩三、野依良治共著、講談社サイエンティフィック、１９８０年）、１００％硫酸よりも強い酸強度を持つような固体酸をいう。本発明においては、この定義に相当するものは広く用いることができる。
本発明において用いられる固体超強酸担体としては、ジルコニウムの水酸化物もしくは酸化物を担体として硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持したものを挙げることができる。
【００１５】
固体超強酸の調製方法としては、例えば、上記のような担体に硫酸根あるいは酸化タングステンの前駆体を担持した後焼成することにより行うことができる。硫酸根の前駆体の例としては、硫酸、硫酸アンモニウム、塩化スルフリル、塩化チオニル、ＳＯ2ガス等を挙げることができ、また、酸化タングステンの前駆体の例としてはメタタングステン酸アンモニウム、パラタングステン酸アンモニウム、１２タングストリン酸等を挙げることができる。
担持の方法は公知の適当な方法を採用できるが、水などの適当な溶媒に溶解した後、担体を懸濁させ、溶媒を乾燥するなどの方法を採ることができる。塩化スルフリル、塩化チオニルなどの水と反応しやすい前駆体を用いる場合にはヘキサン、塩化メチレンなどの溶媒を用いることが望ましい。
【００１６】
強酸性を発現させる方法としては、このようにして得られた前駆体が担持された触媒を焼成することが一般に採用される。このための焼成温度は、担体と硫酸根前駆体、あるいは酸化タングステン前駆体の組み合わせにより適宜選択される。具体例を挙げるならば、硫酸根−酸化ジルコニウムの組み合わせの場合、好ましくは５００℃〜８００℃、より好ましくは６００℃〜７００℃の範囲であり、酸化タングステン−酸化ジルコニウムの組み合わせの場合、好ましくは７００℃〜１，０００℃、より好ましくは８００℃〜９００℃の範囲である。しかし、焼成後上記の超強酸の定義に相当するものが得られれば良く、これらの条件に限定されるものではない。超強酸であることの確認は、例えば「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １２５９（１９８９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １１４８（１９７９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １８５１（１９８０）」、「J. Am. Chem. Soc. １０１，６４３９（１９７９）」などに記載されるパラフィンの骨格異性化や酸強度測定によって行うことができる。
【００１７】
本発明においては、以上に述べた固体超強酸担体に水蒸気改質反応に活性な金属（以下、活性金属と称する。）を担持した触媒を用いる。活性金属としては、コバルト、または銅、銀もしくは金（周期律表第ＩＢ族金属）から選択される金属が用いられ、特にコバルト、銅または銀が好ましく用いられる。該活性金属を含む触媒としては、これらの中のいずれか一つあるいは複数の金属種を含有する触媒が用いられる。
【００１８】
固体超強酸担体に活性金属を担持した触媒（以後、本発明触媒と称する。）の調製方法には特に制限はなく、硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持した後、焼成によって固体超強酸担体を調製し、その後に活性金属を担持する方法、あるいは先に活性金属と硫酸根もしくはタングステン酸化物とを担持した後に焼成によって固体超強酸性を発現させる方法など、公知のいかなる方法も適用可能である。
【００１９】
本発明触媒における活性金属の担持方法に関しても特に制限はなく、通常の含浸法、吸着法、イオン交換法など公知の方法を採用できる。通常、活性金属の塩もしくは錯体として水、エタノール、もしくはアセトンなどの溶媒に溶解させ、担体に含浸させる。担持させる金属塩もしくは金属錯体は、硝酸コバルト、硝酸銅、硝酸銀のような化合物を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。
【００２０】
本発明触媒中における活性金属の含有量（活性金属が複数ある場合はその総量として）は好ましくは０．０５〜２０質量％、より好ましくは０．１〜１０質量％、さらに好ましくは０．３〜５質量％のものが使用できる。含有量がこの範囲より多い場合、活性金属の凝集が多くなり表面に出る金属の割合が減少するという点で不利であり、該範囲より少ない場合には十分な活性を示すことが出来ないため多量の本発明触媒が必要となり反応器が大型化する傾向があるという点で不利である。
【００２１】
用いる触媒の形態については特に制限はない。例えば、打錠成形し粉砕後適当な範囲に整粒した触媒、押し出し成形した触媒、適当なバインダーを加え押し出し成形した触媒、粉末状触媒などを用いることができる。もしくは、打錠成形し粉砕後適当な範囲に整粒した担体、押し出し成形した担体、粉末あるいは球形、リング状、タブレット状、円筒状、フレーク状など適当な形に成形した担体などに金属を担持した触媒などを用いることができる。 また、触媒自体をモノリス状、ハニカム状などに成形した触媒、あるいは適当な素材を用いたモノリスやハニカムなどに触媒をコーティングしたものなどを用いることができる。
こうして得られた担持触媒は、必要であれば水素還元を行うことにより活性化される。
【００２２】
本発明は、前記の水蒸気改質用触媒を用い、炭化水素化合物類および水蒸気を含む原料混合物から、一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造することを特徴とする水蒸気改質方法である。
また本発明は、前記の水蒸気改質方法により製造された一酸化炭素と水素を含む混合ガスを、後続の一酸化炭素選択除去工程で処理することを特徴とする水素製造装置であり、前記一酸化炭素選択除去工程は、好ましくは、水性ガス反応工程とそれに引き続く一酸化炭素選択酸化工程を含む。
【００２３】
次に、本発明の水素製造装置が有する水蒸気改質装置が備えることのできる反応器の形態について述べる。本発明においては、流通式固定床反応器において、触媒として本発明触媒を備える構成とすることができる。反応器の形状としては、円筒状、平板状などそれぞれのプロセスの目的に応じた公知のいかなる形状を取ることができる。なお水蒸気改質装置に流動床反応器を用いることも可能である。
【００２４】
本発明の反応器に導入される流通原料（原料＋水蒸気）の空間速度は、ＧＨＳＶが好ましくは１００〜１００，０００ｈ-1、より好ましくは３００〜５０，０００ｈ-1、さらに好ましくは５００〜３０，０００ｈ-1の範囲において、それぞれの目的に鑑み設定される。
反応管の温度は好ましくは２００〜１０００℃、より好ましくは３００〜９００℃、さらに好ましくは５００〜８００℃の範囲である。
反応圧力は、特に限定されないが、好ましくは大気圧〜２０ＭＰａ、より好ましくは大気圧〜５ＭＰａ、さらに好ましくは大気圧〜１ＭＰａの範囲で実施される。
【００２５】
本発明は、前記の水素製造装置と、該水素製造装置により製造される水素を燃料とする燃料電池を備える燃料電池システムである。
本発明の水蒸気改質反応で得られる一酸化炭素と水素を含む混合ガスは固体酸化物形燃料電池のような場合であればそのまま燃料電池用の燃料として用いることができる。また、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池のように一酸化炭素の除去が必要な場合には、該燃料電池用水素の原料として好適に用いることができる。
燃料電池用水素の製造は、公知の方法を採用することができ、例えばシフト工程と一酸化炭素選択酸化工程で処理することにより実施できる。シフト工程とは一酸化炭素と水を反応させ水素と二酸化炭素に転換する工程であり、鉄−クロムの混合酸化物、銅−亜鉛の混合酸化物、白金、ルテニウムあるいはイリジウムなどを含有する触媒を用い、一酸化炭素含有量を好ましくは２容量％以下、より好ましくは１容量％以下、さらに好ましくは０．５容量％以下までに落とす。通常、リン酸形燃料電池ではこの状態の混合ガスを燃料として用いることができる。
【００２６】
一方、固体高分子形燃料電池では、さらに一酸化炭素濃度を低減させることが必要であるので一酸化炭素選択酸化工程などでさらに処理する。この工程では、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀あるいは金などを含有する触媒を用い、残存する一酸化炭素モル数に対し好ましくは０．５〜１０倍モル、より好ましくは０．７〜５倍モル、さらに好ましくは１〜３倍モルの酸素を添加することで一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に転換することにより一酸化炭素濃度を低減させる。この場合、一酸化炭素の酸化と同時に共存する水素と反応させメタンを生成させることで一酸化炭素濃度の低減を図ることもできる。
【００２７】
以下、本発明の燃料電池システム例を説明する。図１は本発明燃料電池発電システム例を示す概略図である。
図１において、燃料タンク３内の燃料は燃料ポンプ４を経て脱硫器５に流入する。脱硫器内には例えば銅−亜鉛系あるいはニッケル−亜鉛系の収着剤などを充填することができる。この時、必要であれば一酸化炭素選択酸化反応器１１からの水素含有ガスを添加できる。脱硫器５で脱硫された燃料は水タンク１から水ポンプ２を経た水と混合した後、気化器６に導入されて気化され、改質器７に送り込まれる。
【００２８】
改質器７の触媒として本発明の水蒸気改質用触媒を用い、改質器内に充填される。この時、スチーム／カーボン比は好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３に設定される。また、流通原料（原料＋水蒸気）の空間速度は上記の触媒量基準、標準温度・圧力換算でＧＨＳＶが好ましくは１００〜１００，０００ｈ−１、より好ましくは３００〜５０，０００ｈ−１、さらに好ましくは５００〜３０，０００ｈ−１の範囲に設定される。改質器反応管は燃料タンクからの燃料およびアノードオフガスを燃料とするバーナー１８により加温され、好ましくは２００〜１０００℃、より好ましくは３００〜９００℃、さらに好ましくは５００〜８００℃の範囲に調節される。
【００２９】
この様にして製造された水素と一酸化炭素を含有するガスは高温シフト反応器９、低温シフト反応器１０、一酸化炭素選択酸化反応器１１を順次通過させることで一酸化炭素濃度は燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで低減される。これらの反応器に用いる触媒の例としては高温シフト反応器９には鉄−クロム系触媒、低温シフト反応器１０には銅−亜鉛系触媒、一酸化炭素選択酸化反応器１１にはルテニウム系触媒等を挙げることができる。
【００３０】
固体高分子型燃料電池１７はアノード１２、カソード１３、固体高分子電解質１４からなり、アノード側には上記の方法で得られた高純度の水素を含有する燃料ガスが、カソード側には空気ブロアー８から送られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後（加湿装置は図示していない）導入される。
この時、アノードでは水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソードでは酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノードには白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒あるいはＰｔ−Ｒｕ合金触媒などが、カソードには白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒などが用いられる。通常アノード、カソードの両触媒とも、必要に応じてポリテトラフロロエチレン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。
【００３１】
次いでＮａｆｉｏｎ（デュポン社）、Ｇｏｒｅ（ゴア社）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（旭硝子社）、Ａｃｉｐｌｅｘ（旭化成社）等の商品名で知られる高分子電解質膜の両側に該多孔質触媒層を積層しＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極集合体）が形成される。さらにＭＥＡを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷１５はアノード、カソードと電気的に連結される。
アノードオフガスはバーナー１８において燃焼され改質管の加温に用いられた後排出される。カソードオフガスは排気口１６から排出される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、炭化水素化合物類を水蒸気改質反応によって一酸化炭素及び水素を含む混合ガスに変換する際に、従来低活性とされていた安価な金属を用いることができる。これによって、一酸化炭素及び水素を含む混合ガスの安価な製造を達成することができ、燃料電池用燃料あるいはその原料として使用可能である
【００３３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３４】
［触媒の調製］
表面積１６５ｇ／ｃｍ2のγ−アルミナを触媒担体1とした。
オキシ塩化ジルコニルにアンモニア水を加えることで沈殿生成させた水酸化ジルコニウムに、焼成前の担持Ｗ量が１５質量%になるように０．１Ｍのメタタングステン酸アンモニウム水溶液を加え含浸担持する。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、空気流通下８５０℃で３時間焼成し、超強酸担体ＷＯｘ−ＺｒＯ2（Ｘ＝３〜４）を得た。これを担体２とした。この担体２について「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １２５９（１９８９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １１４８（１９７９）」、「J. Chem. Soc. Chem. Commun. １８５１（１９８０）」、「J. Am. Chem. Soc. １０１，６４３９（１９７９）」の記載に基づいたヘキサンの骨格異性化試験を行ったところ、異性化反応活性を持つことが明らかとなり、固体超強酸であることが確認された。
【００３５】
上記担体１に、コバルト金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸コバルト水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ａとした。
上記担体１に、銅金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銅水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｂとした。
上記担体１に、銀金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銀水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｃとした。
【００３６】
上記担体２に、コバルト金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸コバルト水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｄとした。
上記担体２に、銅金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銅水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｅとした。
上記担体２に、銀金属として担持量が２質量％になるように０．１Ｍの硝酸銀水溶液を加え含浸担持した。乾固、１２０℃で１２時間乾燥後、７００℃で３時間水素還元し、触媒Ｆとした。
【００３７】
［比較例１］
触媒調製例で得られた触媒Ａを打錠成型し、粉砕後、２５０〜５００μｍの範囲に整粒したもの２．２７ｇを固定床流通式反応器に充填し、ノルマルドデカン、スチーム混合ガスを原料として、７００℃および７５０℃で水蒸気改質反応を行った。それぞれの反応条件を表１に示す。
【００３８】
［比較例２］
触媒Ａの代りに触媒Ｂを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００３９】
［比較例３］
触媒Ａの代りに触媒Ｃを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４０】
［実施例１］
触媒Ａの代りに触媒Ｄを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４１】
［実施例２］
触媒Ａの代りに触媒Ｅを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４２】
［実施例３］
触媒Ａの代りに触媒Ｆを用いた以外は比較例１と同様に反応を行った。
【００４３】
表２に各触媒の各温度におけるノルマルドデカン転化率を示す。この表から明らかなように、γ−アルミナを担体として用いた場合には水蒸気改質活性の低い金属担持触媒も、固体超強酸を担体として用いることでその活性を大きく向上させることが可能であることが分かる。
【００４４】
［実施例４］
図１に示した構成の燃料電池システムにおいて、灯油を燃料として用いて試験を行った。この時、改質器７に導入する原料のスチーム／カーボン比は３．０に設定した。アノード入口のガスを分析した結果、水素を７２容量％（水蒸気を除外）含んでいた。
試験期間（１０時間）中、改質器は正常に作動し触媒の活性低下は認められなかった。燃料電池も正常に作動し電気負荷１５も順調に運転された。
【００４５】
【表１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 水タンク
２ 水ポンプ
３ 燃料タンク
４ 燃料ポンプ
５ 脱硫器
６ 気化器
７ 改質器
８ 空気ブロアー
９ 高温シフト反応器
１０ 低温シフト反応器
１１ 一酸化炭素選択酸化反応器
１２ アノード
１３ カソード
１４ 固体高分子電解質
１５ 電気負荷
１６ 排気口
１７ 固体高分子形燃料電池
１８ 加温用バーナー
Claims (6)
- コバルトおよび／または周期律表第ＩＢ族より選ばれる少なくとも１種の金属を、ジルコニウムの酸化物もしくは水酸化物に硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持させた固体超強酸担体に担持してなる、炭化水素化合物類を水蒸気と反応させて一酸化炭素および水素を含む混合ガスに変換するための水蒸気改質用触媒。
- 第ＩＢ族より選ばれる金属が、銅または銀であることを特徴とする請求項１記載の水蒸気改質用触媒。
- 請求項１又は２記載の触媒を用い、炭化水素化合物類および水蒸気を含む原料混合物から、一酸化炭素および水素を含む混合ガスを製造することを特徴とする水蒸気改質方法。
- 請求項３記載の水蒸気改質方法により製造された一酸化炭素と水素を含む混合ガスを、後続の一酸化炭素選択除去工程で処理することを特徴とする水素製造装置。
- 一酸化炭素選択除去工程が水性ガス反応工程とそれに引き続く一酸化炭素選択酸化工程からなることを特徴とする請求項４記載の水素製造装置。
- 請求項４又は５記載の水素製造装置と、該水素製造装置により製造される水素を燃料とする燃料電池を備える燃料電池システム。
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| JP2002237053A JP4227776B2 (ja) | 2002-08-15 | 2002-08-15 | 金属担持固体超強酸触媒を用いた水蒸気改質用触媒および水蒸気改質方法 |
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| JP2002237053A JP4227776B2 (ja) | 2002-08-15 | 2002-08-15 | 金属担持固体超強酸触媒を用いた水蒸気改質用触媒および水蒸気改質方法 |
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