JP4250971B2 - Inorganic material and shift catalyst using the same - Google Patents

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    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セリウムとニオブとの複合酸化物からなる無機材料および、COにH2Oを作用させて水素ガスを発生させ、同時にCOをCO2に変換するいわゆるシフト反応に使用するシフト触媒、および該触媒の製造方法、該触媒を搭載した自動車などに関し、より詳細には、耐熱性に優れ、メタン生成率が低く、CO転化率が高いシフト触媒等に関する。
【0002】
【従来の技術】
水素−酸素燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも低温(通常100℃以下)で作動可能な固体高分子型燃料電池が注目を集め、近年自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる。
【0003】
固体高分子型燃料電池は、純粋な水素を燃料源として用いることがエネルギー効率からは最も好ましい。しかし、現段階においては、安全性・インフラ等を考慮して、メタノール、天然ガス、ガソリン等を燃料源として用い、これらを改質装置において水素リッチな改質ガスとする方法が模索されている。しかしながら、例えばメタノールを原料とする場合には、下記に示すメタノール改質反応
【0004】
【化2】

Figure 0004250971
【0005】
によって一酸化炭素が発生し、このCOは燃料電池の電極の白金系触媒の触媒毒として作用する。このため、このCOを白金電極触媒に無害なCO2に転化する必要があり、シフト反応(CO+H2O→CO2+H2)を利用して、改質ガス中に含まれるCO濃度を1体積%程度にまで低減させている。
【0006】
従来から、上記シフト反応にはCu/Zn系触媒、Cu/Zn/Al系触媒、Cu/Cr系触媒等のCu触媒が使用されている。しかしながらCu触媒は、操業停止時に還元雰囲気下に置かないと、触媒自身が酸化され活性が低下するという問題があった。また、空間速度SV(Space Velocity)の増大とともにCO低減率が急激に低下する場合がある。また、従来の触媒は、耐熱温度が低く、シンタリング、すなわち触媒を構成する金属の溶融および結合現象が生じ、触媒としての性能を著しく低下させる場合があった。シンタリングは不可逆的な現象であるため、過渡的な温度上昇が生じるとその後はシフト触媒の性能の著しい低下を招く。このためシフト反応部でCOを十分に処理できず、燃料ガス中の水素分圧の低下、燃料電池の電極の被毒などの弊害を招くことになる。そこで、CO低減率の向上、SV増による性能低下の抑制、耐熱性の向上を目的として、所定の酸化物が添加されたTiO2の多孔体にPtが担持されたシフト触媒が開示されている(特許文献1参照)。該文献1では、触媒性能が向上する原因は、酸化物を添加することによってPtを担持する担体の比表面積が向上することが一因と推察している。なお、酸化物としては、Al、Si、P、S、Vの少なくとも一種の酸化物を用いている。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−66320号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の触媒を使用しても還元雰囲気下での活性の低下を防止するには不十分であり、SV増加の際のシフト反応(CO+H2O→CO2+H2)も十分でない。特に、搭載スペースが制限される燃料改質式燃料電池自動車等に使用するには、よりCO低減率の高いシフト触媒の開発が望まれる。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シフト触媒を構成する元素の種類、組成割合等について詳細に検討した結果、少なくともセリウムとニオブとを含有する複合酸化物からなる無機材料は、極めて耐熱性に優れる無機材料であること、および該無機材料を担体として調製したCOシフト触媒は、還元雰囲気下でもその活性を失わないことを見出し本発明を完成させた。
【0010】
【発明の効果】
本発明の無機材料の製造方法によれば、耐熱性に優れる無機材料を調製することができる。該無機材料は、ハニカムモノリスとすることができ、該ハニカムに触媒活性成分を担持させるとCOシフト活性に優れる触媒を得る事ができる。特に、該無機材料を担体とするシフト触媒は、還元雰囲気下でも触媒活性を低下させることが少ない。
【0011】
本発明のシフト触媒は、50,000hr-1以上の空間速度でも十分にシフト触媒活性が確保でき、シフト反応装置の小型化が可能で、自動車などの収納体積が制限されるものにおいて特に有効である。更に、耐熱性に優れ、起動停止時の触媒安定性にも優れる。
【0012】
本発明のシフト触媒は、上記無機材料からなるハニカムモノリスに白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、並びにオスミウムからなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素を担持させ、これを乾燥および焼成することで得られ、調製が簡便である。しかも該方法によるシフト触媒はメタン生成率が低く、水素の無駄な消費がない。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の第一は、少なくともセリウムとニオブとを含有する複合酸化物からなり、CuKα線を用いたX線回折分析による酸化ニオブ由来の最高ピーク高さが、酸化セリウム由来の最高ピーク高さの10分の1以下であることを特徴とする無機材料である。
【0014】
セリウムは、希土類元素で展性・延性があり、発火合金としても用いられている鋼鉄状の金属である。一方、ニオブは周期律表第5族(バナジウム族)の元素で、展性、延性に富む金属である。従来からセリウムやニオブは触媒成分として使用されてきたが、本発明においてセリウムとニオブとの複合酸化物を調製したところ、該複合酸化物がセリウムやニオブ単独では得られない優れた耐熱性を有することを見出した。原料化合物のセリウム化合物とニオブ化合物から複合酸化物が形成されたことは、X線回折分析において該無機材料の酸化セリウム由来の最高ピークが、酸化セリウム単独の最高ピークよりも面間隔にして高間隔側にシフトしていることで確認することができる。なお、上記X線回折の数値は、以下の条件でX線回折分析を行った場合の値である。
【0015】
分析機器は、装置:マックサイエンス製広角X線回折装置(MXP18VAHF型)によった。X線源:CuKα、印加電圧:40KV、印加電流:300mA、測定変化角度:2θ、走査速度:4.000deg/min、分析刻み幅:0.020deg、カウント時間:0.50sec、カウント単位:CPS、発散スリット:1.00deg、散乱スリット:1.00deg、受光スリット:0.30mm。
【0016】
該分析は、データを平滑化し、規格化し、および差分を回折して得た数値である。
【0017】
平滑化として、測定して得られた分析生データを、下記式に示す加重平均法を用いて該当分析角度におけるピーク強度の加重平均値を算出した。
【0018】
【数1】
Figure 0004250971
【0019】
Y[x]:分析角度x°での加重平均カウント数
Y(x):分析角度x°での検出カウント数
加重平均処理を施す際の1点の平均値を求めるにあたり使用する数値の範囲は、より広角の分析値の加重平均を求めると確からしさが増大するが、きわめて微細な検出ピークを扱うには重要な情報を見失う場合がある。また、より狭角の分析値の加重平均を求めるとノイズが増加する。そこで本発明においては、上記式に従い、0.08°の範囲内に入った値を元に加重平均値を算出した。
【0020】
得られた平滑化処理結果は、例えば原料化合物として酸化セリウムと酸化ニオブを使用した場合に、得られた無機材料に含まれる酸化セリウムの最高ピークを例にすると、以下に示す方法で規格化した。図2に後記する実施例1〜5で得た無機材料および比較例1の担体の平滑化規格化したデータを示す。
【0021】
【数2】
Figure 0004250971
【0022】
A:定数
0(main):無機材料中の酸化セリウムの最高ピークの加重平均値
(main):酸化セリウムの最高ピークの加重平均カウント数
得られた平滑化処理結果は、該原料化合物に由来する回折ピークを含んでいる。担持量や相対強度、粒度などにもよるが、一般に原料化合物由来の回折ピークの方が強く観察され、場合によっては、求める無機材料の酸化セリウム由来の回折ピークはその強大なる原料化合物由来のピークに干渉し消滅したかのように観察される場合もある。そこで規格化した後、原料化合物由来の回折ピークとの差スペクトルを求め、無機材料に含まれる酸化セリウム由来の回折ピークと分離する。セリウム化合物とニオブ化合物とからセリウム−ニオブの複合酸化物が形成されると原料化合物由来のピークの固有ピークの存在比が低下する。そこで、原料化合物の最高ピークの回折強度が同一になるように上記式で定義する定数Aを乗じて、規格化した。
【0023】
差分とは、規格化して得られた分析結果から、同様に処理された原料化合物の分析結果を差し引き、差分回折ピークを作成して無機材料に含まれる酸化セリウム由来の回折ピークのみを抽出することである。図3〜5に後記する実施例1〜5で得た無機材料および比較例1の担体の差分回折パターンを示す。
【0024】
本発明の無機材料は、酸化セリウム由来のX線回折ピークが、酸化セリウム自体のX線回折ピークより面間隔側にシフトする。このようなシフトは、原料化合物に含まれるセリウムとニオブとが複合酸化物を形成していることを示すものである。すなわち、原料化合物(セリウム化合物、ニオブ化合物)自体は、セリウム−ニオブ複合酸化物領域(界面)を持たないことから、ピークシフトする可能性は考えられない。しかし、後記する図3からも明らかなように複合酸化物を形成することで、明らかに高面間隔側にピークシフトしており、ニオブとセリウムとの間に結晶内酸素原子を通じての結合関係が形成されたと判断できる。複合酸化物の形成によって酸化ニオブと酸化セリウムとの結合が密になるため、格子欠陥酸素位置への母材からの酸素原子の供給がより行われ易くなり、効果的に結合構造を維持することができる。なお、第2番の高さのピークや第3番の高さのピーク、酸化ニオブの各ピークについても上記と同様にデータを平滑化、規格化および差分を回折して得た数値を使用する。
【0025】
本発明の無機材料に使用できる原料化合物としては、これらの硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、ハロゲン塩、亜硝酸塩、蓚酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩および水酸化物、アルコキサイドなどが例示でき、これらを溶解する溶媒の種類やpHなどによって適宜選択することができる。これらの中でも、工業的に使用するにあっては硝酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物などが好ましい。本発明では原料化合物としてこれらのゾルを用いることもできる。
【0026】
本発明では、上記原料化合物からなる複合酸化物であり、上記X線回折分析による酸化ニオブ由来の最高ピーク高さが、酸化セリウム由来の最高ピーク高さの10分の1以下であることを特徴とする。無機材料に含まれる酸化ニオブ由来のピークと酸化セリウム由来のピークとは必ずしも無機材料中の酸化セリウムと酸化ニオブの配合量に比例するものではないが、この範囲で特に耐熱性に優れるからである。
【0027】
また、本発明の無機材料は、上記X線回折分析によって、該無機材料の酸化セリウム由来の最高ピークが、原料として使用した酸化セリウム単独の最高ピークよりも面間隔にして高間隔側にシフトしている。原料化合物の酸化セリウムの該ピークよりも面間隔にして高間隔側にシフトということは、ニオブとの複合酸化物が形成されたことを意味するものである。
【0028】
該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の最高ピークは、2θにして28.44〜28.66°の範囲にはいることが好ましい。
【0029】
また、該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の第2番に高いピークが、面間隔にして1.63Åであることが好ましい。
【0030】
更に、該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の第3番に高いピークが、面間隔にして1.9Åに存在することがこのましい。
【0031】
また、本発明の無機材料は、Ce/Nb比が1以上、より好ましくは1.0〜5.0、特には3.0〜5.0であることが好ましい。Ce/Nb比が1を下回るとセリウムによる酸素移動能の効果が低下する場合がある。本発明の無機材料に使用できる他の元素としては、Si、Al、Zr、Ti等がある。
【0032】
また、本発明の無機材料は、BET比表面積が、40m2/g以上であることが好ましく、より好ましくは60m2/g以上、さらに好ましくは80m2/g以上である。特に40m2/g以上の比表面積があれば、十分な触媒活性が確保できる。
【0033】
本発明の無機材料の製造方法には制限はないが、水溶性セリウム化合物またはそのゾルと、水溶性ニオブ化合物またはそのゾルとを含む水溶液に、有機増粘剤または澱粉質を分散した後、蒸発乾固後焼成することで製造できる。水溶性セリウム化合物や水溶性ニオブ化合物としては、上記したセリウム化合物、ニオブ化合物の中から水溶性の化合物を選択して使用することができる。このように水溶性の化合物を使用すれば有機溶媒を使用せずに調製でき取り扱いが容易となり、廃液処理などの問題を回避することができる。また、有機増粘剤を添加することで、乾燥時のCeとNbの分離を抑制し、かつ微細な細孔を有するより安定した複合酸化物を得ることができる。なお、使用できる有機増粘剤としては、メチルセルロースエーテル、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロースがあり、澱粉質としてはコーンスターチ等がある。
【0034】
本発明の無機材料を製造するには、場合により水に分散させたセリウムとニオブ原料を十分攪拌し、これに有機増粘剤を添加して該増粘剤の粘度によって攪拌が困難となるまで混合する。乾燥方法は、例えば自然乾燥、蒸発乾固法、ロータリーエバポレーター、噴霧乾燥機、ドラムドライヤー、または沿送風乾燥機による乾燥などを用いることができる。乾燥時間は、使用する方法に応じて適宜選択すればよい。場合によっては、乾燥工程を行わずに、焼成工程において乾燥させることとしてもよい。また、該複合体の焼成は、温度200〜1000℃で30〜480分で十分である。
【0035】
本発明の無機材料を用いれば、下記式(1)で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒であって、
【0036】
【化3】
Figure 0004250971
【0037】
上記無機材料を担体として使用することを特徴とする、一酸化炭素シフト触媒を得ることができる。上記無機材料は耐熱性に優れるため触媒活性の低下を防止することができる。
【0038】
本発明では、該無機材料を担体して使用するが、該触媒には、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、並びにオスミウムからなる群から選ばれる少なくとも1種類の貴金属元素を触媒成分として含むことが好ましい。これらの元素の供給源としては特に制限されず広くこれらの元素を含有する化合物を使用することができる。このような化合物としては、これらの硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、ハロゲン塩、亜硝酸塩、蓚酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩および水酸化物、アルコキサイド、酸化物などが例示でき、これらを溶解する溶媒の種類やpHなどによって適宜選択することができる。これらの中でも、工業的に使用するにあっては硝酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物などが好ましい。
【0039】
上記無機材料を使用したシフト触媒が優れる理由については明確ではないが、耐熱性に優れる無機材料を担体に使用することのほかに、該無機材料に含まれるセリウムの酸素運搬能が関与していると考えられる。まず、上記式(1)で示されるシフト反応は、下記式に分解して理解することができる。
【0040】
【化4】
Figure 0004250971
【0041】
該(i)に基づく活性酸素(O)がCO酸化触媒の酸化活性点に存在すれば、上記式(ii)が効率的に進行する。この活性酸素(O)の運搬能に優れたセリウム元素を使用すると、(i)と(ii)との循環が円滑に回転し、水素生成反応が効率的に進行する。すなわち、H2OからH2を取り出すことのできる活性種(A)としてニオブを使用し、COの酸化能を有する活性種(B)として白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよび/またはオスミウム元素、およびセリウム元素という酸素運搬能に優れる活性種(C)とが触媒中に存在することで、低温でもシフト反応性に優れる触媒となる。なお、上記活性種(A)、(B)および(C)とは触媒中に存在すれば、気体状態のH2OからH2を生成することができ、触媒中でのこれらの成分の分散性などは問わない。活性種(A)と(B)とが隣接しない場合でも、セリウム元素を介して活性酸素(O)が運搬され、円滑な反応の進行が確保できるからである。また、酸化セリウムやセリウム−ジルコニウム複合体は、結晶内の酸素原子が移動できる酸化還元能のある金属であり、これらの使用によってシフト反応で生成したH2を消費するいわゆるメタネーション反応を抑制し得る。すなわち、上記式(1)によってCO2と共にH2が生成するが、改質反応ガスは高温であるため、逆シフト反応(CO2+H2→CO+H2O)やメタネーション反応(CO+3H2→CH4+H2O)が発生し、水素燃料が消費される場合がある。上記メタネーション反応はシフト反応とは独立した反応であるため、単にシフト触媒のCO転化率を評価しただけでは最終的な水素製造率への寄与率を知ることはできない。
【0042】
本発明では、上記元素に加え、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる貴金属元素を含有する。使用する原料化合物のうち、白金原料としてはジニトロジアミン白金、塩化白金などを用いることができるが、特にジニトロジアミン白金が好ましい。分散性に優れるからである。また、塩化物を使用するには大規模工業的に触媒を製造するに際して、その焼成排ガスによる大気汚染等を考えなければならないほか、排気配管の塩素腐食は多大な悪影響を与える。同様に、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム等は、硝酸塩、アンモニウム塩等を使用することが好ましい。これらの元素の配合量は質量換算で、該シフト触媒中に0.01〜20.0質量%であることが好ましく、より好ましくは1.0〜20.0質量%、特に好ましくは10.0〜15.0質量%である。0.01質量%を下回ると、CO転化率が十分でない場合がある。これらの元素は該触媒の活性成分と考えられ、CO転化率を向上させるにはこれらいわゆる貴金属元素を触媒表面に分布させることが好ましい。低温でもCOとの接触率が向上し、CO転化率が向上するからである。本発明では、特にCO転化率に優れる点で白金元素を含むことが好ましい。しかしながら、多大なる担持量では、経済性を考えるに不利となる場合がある。本発明では、特にCO転化率に優れる点で白金元素を含むことが好ましい。
【0043】
上記以外に、粘土鉱物や有機バインダー等を添加してもよい。有機バインダーとしては、メチルセルロースエーテル、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、コーンスターチなどがある。有機バインダーと共に、クルミ粒子、桃種粒子などを均一粒径に揃えたもの、あるいは粒子径が均一な高分子粒子など、焼成により消失する物質を気孔形成剤として用いてもよい。
【0044】
本発明の触媒を調製する方法としては特に制限はなく、一般的な触媒調製方法で製造できる。例えば、予め上記無機材料に貴金属元素以外の化合物を含む複合体を形成、乾燥、焼成し、ついで該焼成物に上記貴金属元素を担持させる方法が採用できる。
【0045】
該方法は、貴金属元素がより触媒外表面に多く存在し、少量でCO転化率を向上できる点で経済的に有利である。予め上記無機材料を担体として、これに貴金属元素を担持させるが、このような調製方法としては、上記貴金属を溶解または分散した溶液を調製し、該無機材料にこれら元素を含浸させ、次いで該溶液を乾燥してこれら元素を担持させ、これを乾燥、焼成して目的触媒を得る。
【0046】
該方法において、乾燥方法は、例えば自然乾燥、蒸発乾固法、ロータリーエバポレーター、噴霧乾燥機、ドラムドライヤーによる乾燥などを用いることができる。乾燥時間は、使用する方法に応じて適宜選択すればよい。場合によっては、乾燥工程を行わずに、焼成工程において乾燥させることとしてもよい。また、焼成は、温度200〜1000℃で30〜480分で十分である。なお、上記貴金属元素を担持させるには、必要により、減圧、加熱、スプレー吹付けなどを併せ行なってもよい。また、貴金属元素の担持後の熱処理は、貴金属元素が触媒上に析出するに必要な温度と時間を選定して実施するが、貴金属元素ができるだけ均一に、微少な粒子で存在するような条件を選ぶことが最も好ましい。一般的に高温あるいは長時間の熱処理は、析出した白金族粒子の凝集を促進するので好ましくない。従って300〜600℃に加熱した空気(または窒素などの不活性ガス)または過熱スチームを使用して10〜240分の短時間で処理するのが好ましい方法である。上記の短時間の熱処理は、触媒調製工程の時間短縮という観点からも好ましい。
【0047】
また、本発明のシフト触媒は、上記無機材料を粒状物とした場合には、粒状物とすることができ、更に種々の外形を採用することができ、ペレット状、リング状、馬蹄状、リボン状などの任意の形状に成型してもよい。更に、第一の発明の無機材料から予めハニカムモノリスを形成し、該ハニカムモノリスに、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも1種類の貴金属元素をを担持させて、シフト触媒を製造してもよい。本発明の触媒は、粒状物、ペレット状、リング状、馬蹄状、リボン状などの不定形の場合には、該シフト触媒を反応容器に収納し、該容器に改質ガスを流入させれば、改質ガスに含まれるCOを効率的にCO2に変換することができる。また、このような反応容器を使用せずに、上記のようにハニカムモノリスに上記貴金属元素をコーティングした場合には、そのまま反応器型のシフト触媒とすることができる。
【0048】
本発明のシフト触媒は空間速度50,000hr-1以上で使用することができCO転化率に優れるため、シフト触媒反応器を小型化でき特に有利である。なお、ハニカムモノリスへの該貴金属元素のコーティングは、例えば、上記無機材料からなるハニカムモノリスに、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも1種の元素を担持させ、該ハニカムモノリスを乾燥および焼成して製造することができる。更に、予め調製した貴金属元素を、バインダーを配合して上記無機材料からなるハニカムモノリスにコーティングしてもよい。
【0049】
本発明のシフト触媒は、BET比表面積が、40m2/g以上であることが好ましく、より好ましくは60m2/g以上、さらに好ましくは80m2/g以上である。特に40m2/g以上の比表面積があれば、十分な触媒活性が確保できる。なお、触媒寿命の面では十分な白金属元素含有量および微細な白金属元素を焼成物に担持させることが重要であるが、40m2/g未満の低い比表面積の担体はこの両方の因子を満足させることは難しい。また、このようなBET比表面積を有することで、本発明のシフト触媒は、空間速度50,000hr-1以上、より好ましくは100,000hr-1以上で使用することができる。なお、本発明のシフト触媒は、その平均粒径がレーザー回折法で分析した場合において、1.0〜50μmであることが好ましい。この範囲で、CO転化率に優れるからである。
【0050】
本願発明のシフト触媒やシフト触媒反応器を搭載して、燃料改質式水素発生システム、燃料電池システム、または燃料改質式燃料電池自動車とすることできる。図1に、燃料改質式水素発生システムのシステムフロー図を示す。図面を参照しながら説明すると、まず、燃料タンクにメタノール、ガソリン、炭化水素などの燃料を供給する。この燃料は気化器によって気化し、脱硫器によって含まれる硫黄分を除去する。改質部では、通常は水蒸気を用いた水蒸気改質によって、該燃料を水素リッチな改質ガスへと改質する。また、水蒸気に加え、酸素を含むガスを同時に供給し、部分酸化反応を併発したオートサーマル改質によっても、水素リッチな改質ガスを得ることができる。次に、改質ガスをシフト反応器に送り、改質ガス中に含まれるCOをCO2に変換してCO濃度を1体積%程度にまで低減する。CO濃度が1体積%程度にまで低減された改質ガスを、続いてCO除去器に移送し、CO濃度をppmオーダーに低減する。このCO濃度をppmオーダーにまで低減した改質ガスおよび酸化剤(通常は空気)を燃料電池発電機に供給し、発電反応を進行させる。なお、燃料電池発電機からは使用済み燃料および酸化剤が排出される。
【0051】
本発明に係るシフト触媒は、上述の通り低温であっても優れたCO転化率を発現しうる。このような特性を有するシフト触媒を燃料改質ガス中のCO転化に用いることによって、燃料電池に供給される燃料ガス中のCO濃度を効率よく低下させることが可能である。特に、空間速度が高くてもCO濃度を極めて低濃度にまで低減させることができるため、搭載範囲の制限される自動車などでも有効に使用することができる。
【0052】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
【0053】
実施例1(Ce80Nb20
炭酸セリウム26.1gに対し、10質量%酸化ニオブゾル18.0g、濃硝酸30mlを加え十分攪拌した。これにメチルセルロースエーテル(信越化学工業製、商品名「Hi−メトローズ」)0.5gを添加し、メチルセルロースエーテルの粘性により攪拌子が回らなくなるまで攪拌混合した。これを150℃にて一昼夜乾燥および粉砕した。その後500℃にて1時間焼成し、BET比表面積約100m2/gの無機材料1を得た。該無機材料の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム80モル%、ニオブ20モル%であった。
【0054】
得られた無機材料のX線回折結果を図2〜5に示す。
【0055】
また、該無機材料についてTG−DTA分析を行なった。まず、室温から150℃まで昇温後30分保持し、10℃/分で600℃まで昇温した。重量減少率は200℃に到達したときから、600℃に到達したときの質量減少分を観測した。質量減少は0.7質量%であった。結果を図6にも示す。
【0056】
実施例2(Ce80Nb20
炭酸セリウム26.1gに対し、10質量%酸化ニオブゾル18.0g、濃硝酸30mlを加え十分攪拌した。これに等量の尿素を添加し、攪拌しながら3時間で98℃まで昇温し次いで2時間温度を保持した。これを室温まで冷却した後にろ過し、150℃にて一昼夜乾燥および粉砕した。その後500℃にて1時間焼成し、BET比表面積約100m2/gの無機材料2を得た。該無機材料の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム80モル%、ニオブ20モル%であった。
【0057】
得られた無機材料のX線回折結果を図2〜5に示す。
【0058】
実施例3(Ce50Nb50
実施例1において、炭酸セリウムを26.1g、濃硝酸を30ml、10質量%酸化ニオブゾルを80g使用する以外は実施例1と同じ方法で無機材料3を得た。該無機材料の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム50モル%、ニオブ50モル%であった。
【0059】
得られた無機材料のX線回折結果を図2〜5に示す。
【0060】
参考例4(Ce20Nb80
実施例1において、炭酸セリウムを25.0g、濃硝酸を30ml、10質量%、酸化ニオブゾルを300g使用する以外は実施例1と同じ方法で無機材料4を得た。該無機材料の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム20モル%、ニオブ80モル%であった。
【0061】
得られた無機材料のX線回折結果を図2〜5に示す。
【0062】
実施例5(Ce50Nb50
炭酸セリウムを26.1g、濃硝酸を30ml、10質量%、酸化ニオブゾルを80g使用し、10gの尿素を添加後、還流しながら100℃まで昇温し、沈殿物を得た。それを乾燥して無機材料5を得た。該無機材料の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム50モル%、ニオブ50モル%であった。
【0063】
得られた無機材料のX線回折結果を図2〜5に示す。
【0064】
実施例6
実施例1〜3、5および参考例4で得た無機材料を使用し、以下の手法で触媒化した。Pt金属含有量が8.451質量%のジニトロジアミン白金錯塩13.15gと、該無機材料10gとを加え十分に攪拌した。これを150℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、400℃にて1時間焼成し、実施触媒例1〜3、5および参考触媒例4を得た。該触媒の組成は元素換算で、白金10質量%であった。
【0065】
比較例1
比較担体例1として酸化セリウム(BET比表面積:約130m2/g)のX線回折結果を図2〜5に示す。
【0066】
また、無機材料に代えて上記酸化セリウムを使用したこと以外は、実施例6と同じ方法で比較触媒例1を得た。
【0067】
また、該化合物について実施例1と同様にしてTG−DTA分析を行なった。質量減少は2.4であった。結果を図6に示す。
【0068】
比較例2
比較担体例2としてCe/Zr=68/32(モル比)のセリウムジルコニウム複合酸化物粉末(BET比表面積70m2/g)を調製した。
【0069】
また、該化合物について実施例1と同様にしてTG−DTA分析を行なった。質量減少は4.1であった。結果を図6に示す。
【0070】
活性試験1
実施触媒例1〜3、5、参考触媒例4および比較触媒例1で調製した触媒をディスク上で圧縮した後破砕し、70〜36μmの粒径に整粒した。該触媒0.1gとケイ砂0.13gとを混合した後にガラス管に充填し、空間速度60,000hr−1の流速で2%水素含有窒素雰囲気を流し、400℃にて30分活性化処理を行った。次いで、窒素雰囲気下で該触媒を150℃に冷却し、200℃より昇温しながらガスクロマトグラフィーにて出口にて出口ガスを分析した。なお、投入ガス組成はいずれの触媒を使用した場合にも、CO/CO/H/HO/Nが、10/13.3/40/16.8/19.9体積%とした。出口CO濃度を測定し、下記式に基づいてCO転化率を求めた。
【0071】
【数3】
Figure 0004250971
【0072】
また、CH4生成率は規定のCH4ボンベガスから検定された検量線を元に計算した。表1に実施例および比較例で調製した触媒の組成、温度300℃での該触媒のCO転化率を示す。結果を図7にも示す。
【0073】
【表1】
Figure 0004250971

【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のシフト触媒を使用した燃料改質式水素発生システムのシステムフロー図である。
【図2】 図2は、比較例1、実施例1〜5で調製した無機材料のX線回折データの平滑化および規格化した後のデータである。
【図3】 図3は、比較例1、実施例1〜5で調製した無機材料の、27〜30°の差分回折パターンを示す図である。
【図4】 図4は、比較例1、実施例1〜5で調製した無機材料の、55〜58°の差分回折パターンを示す図である。
【図5】 図5は、比較例1、実施例1〜5で調製した無機材料の、46〜49°の差分回折パターンを示す図である。
【図6】 図6は、実施例1の無機材料、比較例1,2で使用する比較担体1,2のTG−DTA分析の結果を示す図である。
【図7】 図7は、実施例6、比較例1で調製した触媒のCO転化率を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inorganic material comprising a complex oxide of cerium and niobium, and CO to H 2 O is allowed to act to generate hydrogen gas, and at the same time, CO is converted to CO. 2 More specifically, a shift catalyst used in a so-called shift reaction for conversion into a catalyst, a method for producing the catalyst, an automobile equipped with the catalyst, and the like, more specifically, a shift having excellent heat resistance, low methane production rate, and high CO conversion rate It relates to catalysts.
[0002]
[Prior art]
Hydrogen-oxygen fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte, the type of electrode, etc., and representative types include alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. is there. Among them, a polymer electrolyte fuel cell that can operate at a low temperature (usually 100 ° C. or less) attracts attention, and in recent years, development and practical application as a low-pollution power source for automobiles is progressing.
[0003]
In the polymer electrolyte fuel cell, it is most preferable from the viewpoint of energy efficiency to use pure hydrogen as a fuel source. However, at the present stage, in consideration of safety and infrastructure, etc., a method of using methanol, natural gas, gasoline, etc. as a fuel source and using these as hydrogen-rich reformed gas in the reformer is being sought. . However, for example, when methanol is used as a raw material, the methanol reforming reaction shown below
[0004]
[Chemical formula 2]
Figure 0004250971
[0005]
Carbon monoxide is generated by this, and this CO acts as a catalyst poison of the platinum-based catalyst of the electrode of the fuel cell. For this reason, this CO is harmless to the platinum electrode catalyst. 2 Conversion to a shift reaction (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ), The concentration of CO contained in the reformed gas is reduced to about 1% by volume.
[0006]
Conventionally, Cu catalysts such as Cu / Zn-based catalysts, Cu / Zn / Al-based catalysts, and Cu / Cr-based catalysts have been used for the shift reaction. However, if the Cu catalyst is not placed in a reducing atmosphere when the operation is stopped, the catalyst itself is oxidized and its activity is lowered. In addition, the CO reduction rate may rapidly decrease as the space velocity SV (Space Velocity) increases. Further, the conventional catalyst has a low heat-resistant temperature, and sintering, that is, a melting and bonding phenomenon of the metal constituting the catalyst occurs, and the performance as a catalyst may be significantly reduced. Since sintering is an irreversible phenomenon, if the temperature rises transiently, the performance of the shift catalyst is significantly reduced thereafter. For this reason, CO cannot be sufficiently processed in the shift reaction section, which causes adverse effects such as a decrease in hydrogen partial pressure in the fuel gas and poisoning of fuel cell electrodes. Therefore, for the purpose of improving CO reduction rate, suppressing performance degradation due to SV increase, and improving heat resistance, TiO to which a predetermined oxide is added 2 A shift catalyst in which Pt is supported on a porous body is disclosed (see Patent Document 1). According to the document 1, it is assumed that the reason why the catalyst performance is improved is that the specific surface area of the carrier supporting Pt is improved by adding an oxide. As the oxide, at least one oxide of Al, Si, P, S, and V is used.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2002-66320 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the catalyst described in the above publication is used, it is not sufficient to prevent a decrease in activity under a reducing atmosphere, and the shift reaction (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ) Is not enough. In particular, development of a shift catalyst with a higher CO reduction rate is desired for use in a fuel reforming fuel cell vehicle or the like in which a mounting space is limited.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, as a result of detailed examination of the types and composition ratios of elements constituting the shift catalyst, the inorganic material composed of a composite oxide containing at least cerium and niobium is an inorganic material that is extremely excellent in heat resistance. The present invention was completed by finding that the CO shift catalyst prepared using the inorganic material as a carrier does not lose its activity even under a reducing atmosphere.
[0010]
【The invention's effect】
According to the method for producing an inorganic material of the present invention, an inorganic material having excellent heat resistance can be prepared. The inorganic material can be a honeycomb monolith. When a catalytically active component is supported on the honeycomb, a catalyst having excellent CO shift activity can be obtained. In particular, a shift catalyst using the inorganic material as a carrier is less likely to reduce the catalytic activity even in a reducing atmosphere.
[0011]
The shift catalyst of the present invention has 50,000 hr. -1 Even at the above space velocity, the shift catalyst activity can be sufficiently ensured, the shift reaction apparatus can be miniaturized, and it is particularly effective when the storage volume of an automobile or the like is limited. Furthermore, it is excellent in heat resistance and excellent in catalyst stability when starting and stopping.
[0012]
In the shift catalyst of the present invention, at least one element selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium, and osmium is supported on the honeycomb monolith made of the inorganic material, and dried and fired. It is obtained and easy to prepare. Moreover, the shift catalyst produced by this method has a low methane production rate and no wasteful consumption of hydrogen.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The first of the present invention is a composite oxide containing at least cerium and niobium, and the highest peak height derived from niobium oxide by X-ray diffraction analysis using CuKα rays is the highest peak height derived from cerium oxide. It is an inorganic material characterized by being 1/10 or less.
[0014]
Cerium is a rare earth element that is malleable and ductile, and is a steel-like metal that is also used as an ignition alloy. On the other hand, niobium is an element belonging to Group 5 (Vanadium group) of the Periodic Table, and is a metal rich in malleability and ductility. Conventionally, cerium and niobium have been used as catalyst components, but when a composite oxide of cerium and niobium is prepared in the present invention, the composite oxide has excellent heat resistance that cannot be obtained with cerium or niobium alone. I found out. The formation of a complex oxide from the cerium compound and the niobium compound of the raw material compound indicates that the highest peak derived from the cerium oxide of the inorganic material is higher than the highest peak of cerium oxide alone in the X-ray diffraction analysis. This can be confirmed by shifting to the side. In addition, the numerical value of the said X-ray diffraction is a value at the time of performing an X-ray diffraction analysis on the following conditions.
[0015]
The analytical instrument was an apparatus: a wide-angle X-ray diffractometer (MXP18VAHF type) manufactured by Mac Science. X-ray source: CuKα, applied voltage: 40 KV, applied current: 300 mA, measurement change angle: 2θ, scanning speed: 4.000 deg / min, analysis step size: 0.020 deg, count time: 0.50 sec, count unit: CPS Divergence slit: 1.00 deg, scattering slit: 1.00 deg, light receiving slit: 0.30 mm.
[0016]
The analysis is a numerical value obtained by smoothing, normalizing and diffracting the data.
[0017]
As smoothing, the weighted average value of the peak intensity at the corresponding analysis angle was calculated using the weighted average method shown in the following formula for the analytical raw data obtained by measurement.
[0018]
[Expression 1]
Figure 0004250971
[0019]
Y [x]: Weighted average count at analysis angle x °
Y (x): Number of detection counts at analysis angle x °
The range of numerical values used to calculate the average value of one point when performing weighted average processing increases the accuracy when calculating the weighted average of a wider-angle analysis value, but is important for handling extremely fine detection peaks You may lose sight of important information. Further, noise is increased when a weighted average of narrower-angle analysis values is obtained. Therefore, in the present invention, the weighted average value is calculated based on the value within the range of 0.08 ° according to the above formula.
[0020]
The obtained smoothing result was normalized by the method shown below, for example, when the highest peak of cerium oxide contained in the obtained inorganic material was used as an example when cerium oxide and niobium oxide were used as raw material compounds. . FIG. 2 shows the smoothed and normalized data of the inorganic materials obtained in Examples 1 to 5 described later and the carrier of Comparative Example 1.
[0021]
[Expression 2]
Figure 0004250971
[0022]
A: Constant
Y 0 (main) : Weighted average value of the highest peak of cerium oxide in inorganic materials
Y (main) : Weighted average count of highest peak of cerium oxide
The obtained smoothing treatment result includes a diffraction peak derived from the raw material compound. Although depending on the supported amount, relative strength, particle size, etc., generally the diffraction peak derived from the raw material compound is observed more strongly, and in some cases, the diffraction peak derived from the cerium oxide of the desired inorganic material is the peak derived from the stronger raw material compound. It may be observed as if it disappeared by interfering with. Therefore, after normalization, a difference spectrum from the diffraction peak derived from the raw material compound is obtained and separated from the diffraction peak derived from cerium oxide contained in the inorganic material. When a cerium-niobium composite oxide is formed from a cerium compound and a niobium compound, the abundance ratio of the intrinsic peak of the peak derived from the raw material compound is lowered. Therefore, normalization was performed by multiplying by the constant A defined by the above formula so that the diffraction intensity of the highest peak of the raw material compound would be the same.
[0023]
The difference is to subtract the analysis result of the raw material compound processed in the same way from the analysis result obtained by normalization, create a differential diffraction peak and extract only the diffraction peak derived from cerium oxide contained in the inorganic material It is. 3 to 5 show the differential diffraction patterns of the inorganic material obtained in Examples 1 to 5 described later and the support of Comparative Example 1. FIG.
[0024]
In the inorganic material of the present invention, the X-ray diffraction peak derived from cerium oxide is shifted to the face spacing side from the X-ray diffraction peak of cerium oxide itself. Such a shift indicates that cerium and niobium contained in the raw material compound form a composite oxide. That is, since the raw material compound (cerium compound, niobium compound) itself does not have a cerium-niobium composite oxide region (interface), there is no possibility of a peak shift. However, as is clear from FIG. 3 to be described later, the formation of a complex oxide clearly shifts the peak to the high surface interval side, and the bonding relationship between niobium and cerium through the oxygen atoms in the crystal is present. It can be judged that it was formed. Since the formation of the complex oxide makes the bond between niobium oxide and cerium oxide dense, oxygen atoms from the base material are more easily supplied to the lattice defect oxygen position, and the bonded structure is effectively maintained. Can do. For the second height peak, the third height peak, and each niobium oxide peak, the values obtained by smoothing, normalizing, and diffracting the difference are used in the same manner as described above. .
[0025]
Examples of the raw material compounds that can be used in the inorganic material of the present invention include these nitrates, sulfates, ammonium salts, amines, carbonates, bicarbonates, halogen salts, nitrites, inorganic salts such as oxalic acid, and carboxylic acids such as formate. Examples thereof include salts, hydroxides, alkoxides, and the like, which can be appropriately selected depending on the type of solvent in which these are dissolved, pH, and the like. Among these, nitrates, carbonates, oxides, hydroxides and the like are preferable for industrial use. In the present invention, these sols can also be used as raw material compounds.
[0026]
In the present invention, it is a complex oxide composed of the above raw material compound, and the maximum peak height derived from niobium oxide by the X-ray diffraction analysis is 1/10 or less of the maximum peak height derived from cerium oxide. And This is because the peak derived from niobium oxide and the peak derived from cerium oxide contained in the inorganic material is not necessarily proportional to the blending amount of cerium oxide and niobium oxide in the inorganic material, but is particularly excellent in heat resistance within this range. .
[0027]
In the inorganic material of the present invention, according to the X-ray diffraction analysis, the highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material is shifted to a higher interval side with a plane interval than the highest peak of cerium oxide alone used as a raw material. ing. Shifting from the peak of the cerium oxide of the raw material compound to the higher spacing side with respect to the plane means that a complex oxide with niobium was formed.
[0028]
The highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material by the X-ray diffraction analysis is preferably in the range of 28.44 to 28.66 ° as 2θ.
[0029]
Moreover, it is preferable that the 2nd highest peak derived from the cerium oxide of the inorganic material by the X-ray diffraction analysis is 1.63 に し て in terms of the interplanar spacing.
[0030]
Further, it is preferable that the third highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material by the X-ray diffraction analysis is present at 1.9 cm in terms of the plane spacing.
[0031]
The inorganic material of the present invention preferably has a Ce / Nb ratio of 1 or more, more preferably 1.0 to 5.0, and particularly preferably 3.0 to 5.0. If the Ce / Nb ratio is less than 1, the effect of oxygen mobility by cerium may be reduced. Other elements that can be used in the inorganic material of the present invention include Si, Al, Zr, Ti, and the like.
[0032]
The inorganic material of the present invention has a BET specific surface area of 40 m. 2 / g or more, more preferably 60 m 2 / g or more, more preferably 80 m 2 / g or more. Especially 40m 2 If the specific surface area is at least / g, sufficient catalytic activity can be ensured.
[0033]
The method for producing the inorganic material of the present invention is not limited, but the organic thickener or starch is dispersed in an aqueous solution containing the water-soluble cerium compound or its sol and the water-soluble niobium compound or its sol, and then evaporated. It can be manufactured by baking after drying. As the water-soluble cerium compound or water-soluble niobium compound, a water-soluble compound can be selected from the above-described cerium compounds and niobium compounds. Thus, if a water-soluble compound is used, it can be prepared without using an organic solvent and handling becomes easy, and problems such as waste liquid treatment can be avoided. Further, by adding an organic thickener, it is possible to suppress the separation of Ce and Nb during drying and to obtain a more stable composite oxide having fine pores. Examples of organic thickeners that can be used include methyl cellulose ether, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and carboxymethyl cellulose. Examples of starch substances include corn starch.
[0034]
In order to produce the inorganic material of the present invention, the cerium and niobium raw materials dispersed in water as occasion demands are sufficiently stirred, and an organic thickener is added thereto until stirring becomes difficult due to the viscosity of the thickener. Mix. As the drying method, for example, natural drying, evaporation to dryness, rotary evaporator, spray dryer, drum dryer, or dry blower can be used. What is necessary is just to select drying time suitably according to the method to be used. Depending on the case, it is good also as drying in a baking process, without performing a drying process. Further, the firing of the composite is sufficient at a temperature of 200 to 1000 ° C. for 30 to 480 minutes.
[0035]
If the inorganic material of the present invention is used, it is a shift catalyst used in the shift reaction represented by the following formula (1),
[0036]
[Chemical 3]
Figure 0004250971
[0037]
A carbon monoxide shift catalyst characterized by using the inorganic material as a carrier can be obtained. Since the inorganic material is excellent in heat resistance, a decrease in catalytic activity can be prevented.
[0038]
In the present invention, the inorganic material is used as a carrier, and the catalyst contains at least one noble metal element selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium, and osmium as a catalyst component. Is preferred. The supply source of these elements is not particularly limited, and compounds containing these elements can be widely used. Such compounds include nitrates, sulfates, ammonium salts, amines, carbonates, bicarbonates, halogen salts, nitrites, inorganic salts such as oxalic acid, carboxylates and hydroxides such as formate, Examples include alkoxides and oxides, which can be appropriately selected depending on the type and pH of the solvent in which these are dissolved. Among these, nitrates, carbonates, oxides, hydroxides and the like are preferable for industrial use.
[0039]
Although it is not clear why the shift catalyst using the inorganic material is excellent, in addition to using an inorganic material having excellent heat resistance as a support, the oxygen carrying ability of cerium contained in the inorganic material is involved. it is conceivable that. First, the shift reaction represented by the above formula (1) can be understood by being decomposed into the following formula.
[0040]
[Formula 4]
Figure 0004250971
[0041]
If the active oxygen (O) based on (i) is present at the oxidation active point of the CO oxidation catalyst, the above formula (ii) proceeds efficiently. When a cerium element having an excellent ability to transport active oxygen (O) is used, the circulation between (i) and (ii) rotates smoothly, and the hydrogen generation reaction proceeds efficiently. That is, H 2 O to H 2 Niobium is used as the active species (A) from which oxygen can be taken out, and oxygen, oxygen, platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and / or osmium elements, and cerium elements as the active species (B) having the ability to oxidize CO When the active species (C) excellent in the presence of the catalyst is present in the catalyst, it becomes a catalyst excellent in shift reactivity even at a low temperature. The active species (A), (B), and (C) are H in the gaseous state if they are present in the catalyst. 2 O to H 2 There is no limitation on the dispersibility of these components in the catalyst. This is because even when the active species (A) and (B) are not adjacent to each other, the active oxygen (O) is transported through the cerium element, and a smooth reaction can be ensured. Further, cerium oxide and cerium-zirconium composite are redox-capable metals that can move oxygen atoms in the crystal, and H generated by the shift reaction by using these metals. 2 So-called methanation reaction can be suppressed. That is, the above equation (1) is used for CO 2 2 Together with H 2 Although the reforming reaction gas is hot, the reverse shift reaction (CO 2 + H 2 → CO + H 2 O) and methanation reaction (CO + 3H) 2 → CH Four + H 2 O) may occur and hydrogen fuel may be consumed. Since the methanation reaction is an independent reaction from the shift reaction, it is impossible to know the contribution rate to the final hydrogen production rate simply by evaluating the CO conversion rate of the shift catalyst.
[0042]
In the present invention, in addition to the above elements, a noble metal element selected from platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium is contained. Among the raw material compounds to be used, dinitrodiamine platinum, platinum chloride and the like can be used as the platinum raw material, and dinitrodiamine platinum is particularly preferable. It is because it is excellent in dispersibility. In addition, in order to use chloride, when manufacturing a catalyst industrially on a large scale, air pollution caused by the calcined exhaust gas must be considered, and chlorine corrosion of the exhaust pipe has a great adverse effect. Similarly, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium are preferably nitrates, ammonium salts and the like. The compounding amount of these elements is preferably 0.01 to 20.0% by mass in the shift catalyst, more preferably 1.0 to 20.0% by mass, and particularly preferably 10.0 in terms of mass. ˜15.0 mass%. If it is less than 0.01% by mass, the CO conversion may not be sufficient. These elements are considered to be active components of the catalyst, and it is preferable to distribute these so-called noble metal elements on the catalyst surface in order to improve the CO conversion. This is because the contact rate with CO is improved even at low temperatures, and the CO conversion rate is improved. In the present invention, it is preferable that platinum element is contained particularly in terms of excellent CO conversion. However, a large loading amount may be disadvantageous in consideration of economy. In the present invention, it is preferable that platinum element is contained particularly in terms of excellent CO conversion.
[0043]
In addition to the above, clay minerals and organic binders may be added. Examples of the organic binder include methyl cellulose ether, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and corn starch. In addition to the organic binder, a substance that disappears upon firing, such as walnut particles, peach seed particles, etc., having a uniform particle diameter, or polymer particles having a uniform particle diameter, may be used as the pore-forming agent.
[0044]
There is no restriction | limiting in particular as a method of preparing the catalyst of this invention, It can manufacture with a general catalyst preparation method. For example, a method in which a composite containing a compound other than a noble metal element is previously formed on the inorganic material, dried and fired, and then the noble metal element is supported on the fired product can be employed.
[0045]
This method is economically advantageous in that a larger amount of noble metal element is present on the outer surface of the catalyst and the CO conversion can be improved with a small amount. The above-mentioned inorganic material is used as a carrier in advance and a noble metal element is supported on the carrier. As such a preparation method, a solution in which the above-mentioned noble metal is dissolved or dispersed is prepared, and the inorganic material is impregnated with these elements. Is dried to carry these elements, which are dried and calcined to obtain the target catalyst.
[0046]
In this method, for example, natural drying, evaporation to dryness, rotary evaporator, spray dryer, drying with a drum dryer or the like can be used. What is necessary is just to select drying time suitably according to the method to be used. Depending on the case, it is good also as drying in a baking process, without performing a drying process. Moreover, baking is sufficient at the temperature of 200-1000 degreeC for 30-480 minutes. In addition, in order to carry | support the said noble metal element, you may perform together pressure reduction, a heating, spray spraying, etc. as needed. The heat treatment after supporting the noble metal element is performed by selecting the temperature and time required for the noble metal element to deposit on the catalyst, but under such conditions that the noble metal element is present as uniformly as possible with fine particles. It is most preferable to choose. Generally, heat treatment at a high temperature or for a long time is not preferable because it promotes aggregation of precipitated platinum group particles. Accordingly, it is preferable to perform the treatment in a short time of 10 to 240 minutes using air (or an inert gas such as nitrogen) heated to 300 to 600 ° C. or superheated steam. The short heat treatment is preferable from the viewpoint of shortening the time of the catalyst preparation step.
[0047]
In addition, the shift catalyst of the present invention can be formed into a granular material when the inorganic material is formed into a granular material, and can adopt various shapes, such as a pellet shape, a ring shape, a horseshoe shape, and a ribbon. You may shape | mold into arbitrary shapes, such as a shape. Further, a honeycomb monolith is previously formed from the inorganic material of the first invention, and at least one noble metal element selected from platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium is supported on the honeycomb monolith, and a shift catalyst May be manufactured. When the catalyst of the present invention is in an irregular shape such as a granular material, a pellet shape, a ring shape, a horseshoe shape, or a ribbon shape, the shift catalyst is accommodated in a reaction vessel, and the reformed gas is allowed to flow into the vessel. , CO efficiently contained in reformed gas 2 Can be converted to Further, when the above-mentioned noble metal element is coated on the honeycomb monolith without using such a reaction vessel, a reactor-type shift catalyst can be used as it is.
[0048]
The shift catalyst of the present invention has a space velocity of 50,000 hr. -1 Since it can be used as described above and is excellent in CO conversion, the shift catalyst reactor can be downsized, which is particularly advantageous. The noble metal element is coated on the honeycomb monolith, for example, by supporting at least one element selected from platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium on the honeycomb monolith made of the inorganic material. Can be produced by drying and baking. Further, a precious metal element prepared in advance may be coated on a honeycomb monolith made of the above inorganic material by blending a binder.
[0049]
The shift catalyst of the present invention has a BET specific surface area of 40 m. 2 / g or more, more preferably 60 m 2 / g or more, more preferably 80 m 2 / g or more. Especially 40m 2 If the specific surface area is at least / g, sufficient catalytic activity can be ensured. In terms of catalyst life, it is important to support a sufficient amount of white metal element and a fine white metal element on the fired product. 2 A low specific surface area support of less than / g is difficult to satisfy both factors. Further, by having such a BET specific surface area, the shift catalyst of the present invention has a space velocity of 50,000 hr. -1 Or more, more preferably 100,000 hr -1 The above can be used. In addition, the shift catalyst of the present invention preferably has an average particle size of 1.0 to 50 μm when analyzed by a laser diffraction method. This is because the CO conversion rate is excellent within this range.
[0050]
The shift catalyst and shift catalyst reactor of the present invention can be mounted to provide a fuel reforming hydrogen generation system, a fuel cell system, or a fuel reforming fuel cell vehicle. FIG. 1 shows a system flow diagram of a fuel reforming hydrogen generation system. Referring to the drawings, first, fuel such as methanol, gasoline, hydrocarbons, etc. is supplied to the fuel tank. This fuel is vaporized by a vaporizer, and sulfur contained in the desulfurizer is removed. In the reforming section, the fuel is reformed into a hydrogen-rich reformed gas, usually by steam reforming using steam. Also, a hydrogen-rich reformed gas can be obtained by autothermal reforming in which a gas containing oxygen is simultaneously supplied in addition to water vapor and a partial oxidation reaction is also performed. Next, the reformed gas is sent to the shift reactor, and CO contained in the reformed gas is converted to CO. 2 And the CO concentration is reduced to about 1% by volume. The reformed gas whose CO concentration has been reduced to about 1% by volume is subsequently transferred to a CO remover to reduce the CO concentration to the order of ppm. The reformed gas and oxidant (usually air) whose CO concentration has been reduced to the order of ppm are supplied to the fuel cell generator, and the power generation reaction proceeds. Note that spent fuel and oxidant are discharged from the fuel cell generator.
[0051]
As described above, the shift catalyst according to the present invention can exhibit an excellent CO conversion rate even at a low temperature. By using the shift catalyst having such characteristics for CO conversion in the fuel reformed gas, it is possible to efficiently reduce the CO concentration in the fuel gas supplied to the fuel cell. In particular, even if the space velocity is high, the CO concentration can be reduced to a very low concentration, so that it can be used effectively even in an automobile or the like where the mounting range is limited.
[0052]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described using examples.
[0053]
Example 1 (Ce 80 Nb 20 )
To 26.1 g of cerium carbonate, 18.0 g of 10% by mass niobium oxide sol and 30 ml of concentrated nitric acid were added and sufficiently stirred. To this was added 0.5 g of methyl cellulose ether (trade name “Hi-Metroze”, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), and the mixture was stirred and mixed until the stirrer did not rotate due to the viscosity of methyl cellulose ether. This was dried and ground overnight at 150 ° C. Then, it is baked at 500 ° C. for 1 hour, and the BET specific surface area is about 100 m 2 / G of inorganic material 1 was obtained. The composition of the inorganic material was 80 mol% cerium and 20 mol% niobium in terms of each element.
[0054]
The X-ray diffraction results of the obtained inorganic material are shown in FIGS.
[0055]
Moreover, TG-DTA analysis was performed about this inorganic material. First, the temperature was raised from room temperature to 150 ° C. and held for 30 minutes, and the temperature was raised to 600 ° C. at 10 ° C./min. The weight reduction rate was observed from the time when it reached 200 ° C to the amount of mass reduction when it reached 600 ° C. The mass reduction was 0.7% by mass. The results are also shown in FIG.
[0056]
Example 2 (Ce 80 Nb 20 )
To 26.1 g of cerium carbonate, 18.0 g of 10% by mass niobium oxide sol and 30 ml of concentrated nitric acid were added and sufficiently stirred. An equal amount of urea was added thereto, the temperature was raised to 98 ° C. over 3 hours with stirring, and the temperature was maintained for 2 hours. This was cooled to room temperature, filtered, dried at 150 ° C. overnight and pulverized. Then, it is baked at 500 ° C. for 1 hour, and the BET specific surface area is about 100 m 2 / G of inorganic material 2 was obtained. The composition of the inorganic material was 80 mol% cerium and 20 mol% niobium in terms of each element.
[0057]
The X-ray diffraction results of the obtained inorganic material are shown in FIGS.
[0058]
Example 3 (Ce 50 Nb 50 )
Inorganic Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 26.1 g of cerium carbonate, 30 ml of concentrated nitric acid, and 80 g of 10 mass% niobium oxide sol were used. The composition of the inorganic material was cerium 50 mol% and niobium 50 mol% in terms of each element.
[0059]
The X-ray diffraction results of the obtained inorganic material are shown in FIGS.
[0060]
reference Example 4 (Ce 20 Nb 80 )
Inorganic Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1, except that 25.0 g of cerium carbonate, 30 ml of concentrated nitric acid, 10% by mass, and 300 g of niobium oxide sol were used. The composition of the inorganic material was 20 mol% cerium and 80 mol% niobium in terms of each element.
[0061]
The X-ray diffraction results of the obtained inorganic material are shown in FIGS.
[0062]
Example 5 (Ce 50 Nb 50 )
26.1 g of cerium carbonate, 30 ml of concentrated nitric acid and 10 g of niobium oxide sol were used. After adding 10 g of urea, the temperature was raised to 100 ° C. while refluxing to obtain a precipitate. It was dried to obtain inorganic material 5. The composition of the inorganic material was cerium 50 mol% and niobium 50 mol% in terms of each element.
[0063]
The X-ray diffraction results of the obtained inorganic material are shown in FIGS.
[0064]
Example 6
Example 1 3, 5 and Reference Example 4 Using the inorganic material obtained in the above, it was catalyzed by the following method. 13.15 g of dinitrodiamine platinum complex salt having a Pt metal content of 8.451 mass% and 10 g of the inorganic material were added and sufficiently stirred. This was dried overnight at 150 ° C., pulverized, and calcined at 400 ° C. for 1 hour. 3, 5 and Reference Catalyst Example 4 Got. The composition of the catalyst was 10% by mass in terms of element.
[0065]
Comparative Example 1
Comparative carrier example 1 cerium oxide (BET specific surface area: about 130 m 2 / G) X-ray diffraction results are shown in FIGS.
[0066]
Further, Comparative Catalyst Example 1 was obtained in the same manner as in Example 6 except that the cerium oxide was used instead of the inorganic material.
[0067]
The compound was subjected to TG-DTA analysis in the same manner as in Example 1. The mass loss was 2.4. The results are shown in FIG.
[0068]
Comparative Example 2
As Comparative Carrier Example 2, Ce / Zr = 68/32 (molar ratio) cerium-zirconium composite oxide powder (BET specific surface area 70 m 2 / G) was prepared.
[0069]
The compound was subjected to TG-DTA analysis in the same manner as in Example 1. The mass loss was 4.1. The results are shown in FIG.
[0070]
Activity test 1
Example of catalyst 1 to 3, 5, Reference catalyst example 4 The catalyst prepared in Comparative Catalyst Example 1 was compressed on a disk and then crushed and sized to a particle size of 70 to 36 μm. After mixing 0.1 g of the catalyst and 0.13 g of silica sand, the mixture was filled in a glass tube, and the space velocity was 60,000 hr. -1 A 2% hydrogen-containing nitrogen atmosphere was allowed to flow at a flow rate of 30 ° C., and an activation treatment was performed at 400 ° C. for 30 minutes. Next, the catalyst was cooled to 150 ° C. in a nitrogen atmosphere, and the outlet gas was analyzed at the outlet by gas chromatography while raising the temperature from 200 ° C. The input gas composition is CO / CO regardless of which catalyst is used. 2 / H 2 / H 2 O / N 2 Was 10 / 13.3 / 40 / 16.8 / 19.9 volume%. The outlet CO concentration was measured, and the CO conversion rate was determined based on the following formula.
[0071]
[Equation 3]
Figure 0004250971
[0072]
CH Four The production rate is the specified CH Four The calculation was made based on a calibration curve verified from cylinder gas. Table 1 shows the compositions of the catalysts prepared in Examples and Comparative Examples, and the CO conversion rate of the catalysts at a temperature of 300 ° C. The results are also shown in FIG.
[0073]
[Table 1]
Figure 0004250971

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system flow diagram of a fuel reforming hydrogen generation system using a shift catalyst of the present invention.
FIG. 2 is the data after smoothing and normalizing the X-ray diffraction data of the inorganic materials prepared in Comparative Example 1 and Examples 1 to 5.
FIG. 3 is a diagram showing a 27-30 ° differential diffraction pattern of the inorganic materials prepared in Comparative Example 1 and Examples 1-5.
4 is a diagram showing a differential diffraction pattern of 55 to 58 ° of the inorganic materials prepared in Comparative Example 1 and Examples 1 to 5. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a 46-49 ° differential diffraction pattern of inorganic materials prepared in Comparative Example 1 and Examples 1-5.
6 is a diagram showing the results of TG-DTA analysis of the inorganic material of Example 1 and Comparative Carriers 1 and 2 used in Comparative Examples 1 and 2. FIG.
7 is a graph showing the CO conversion rate of the catalysts prepared in Example 6 and Comparative Example 1. FIG.

Claims (15)

下記式(1)で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒であって、
Figure 0004250971
Ce/Nbのモル比が1.0〜5.0であるセリウムとニオブとの複合酸化物からなり、CuKα線を用いたX線回折分析による酸化ニオブ由来の最高ピーク高さが、酸化セリウム由来の最高ピーク高さの10分の1以下である無機材料、または前記無機材料からなるハニカムモノリスを担体として使用し、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、並びにオスミウムからなる群から選ばれる少なくとも1種類を担持してなることを特徴とする、一酸化炭素シフト触媒。
A shift catalyst used in the shift reaction represented by the following formula (1),
Figure 0004250971
It consists of a complex oxide of cerium and niobium with a Ce / Nb molar ratio of 1.0 to 5.0, and the highest peak height derived from niobium oxide by X-ray diffraction analysis using CuKα rays is derived from cerium oxide. At least one selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium, using an inorganic material having a maximum peak height of 1/10 or less, or a honeycomb monolith made of the inorganic material as a carrier. A carbon monoxide shift catalyst characterized by supporting a kind .
前記白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも1種類の含有量が、質量換算で該シフト触媒中に0.1〜20.0質量%である、請求項記載のシフト触媒。 The platinum, rhodium, palladium, ruthenium, at least one content selected from iridium and osmium is 0.1 to 20.0 wt% in said shift catalyst in mass conversion, shift catalyst of claim 1, wherein . 該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の最高ピークが、酸化セリウム単独の最高ピークよりも面間隔にして高間隔側にシフトしている、請求項1または2記載のシフト触媒。 The shift catalyst according to claim 1 or 2 , wherein the highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material by the X-ray diffraction analysis is shifted to a higher interval side with respect to the surface interval than the highest peak of cerium oxide alone . 該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の最高ピークが、酸化セリウム単独の最高ピークよりも面間隔にして0.02Å以上高間隔側にシフトしている、請求項1または2記載のシフト触媒。 Highest peak from the cerium oxide of the inorganic materials by the X-ray diffraction analysis, is shifted in the plane spacing than the maximum peak more than 0.02Å high distance side of cerium oxide alone, according to claim 1 or 2, wherein Shift catalyst. 該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の最高ピークが、面間隔にして3.11から3.13Åの範囲に存在することを特徴とする、請求項記載のシフト触媒。 4. The shift catalyst according to claim 3 , wherein the highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material by the X-ray diffraction analysis is present in the range of 3.11 to 3.13 面 in terms of face spacing . 該X線回折分析による、該無機材料の酸化セリウム由来の最高ピークが2θにして28.44〜28.66°の格子面に帰属されることを特徴とする、請求項記載のシフト触媒。 The shift catalyst according to claim 3 , wherein the highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material by the X-ray diffraction analysis is assigned to a lattice plane of 28.44 to 28.66 ° in 2θ . 該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の第2番に高いピークが、面間隔にして1.63Åであることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のシフト触媒。 The shift catalyst according to any one of claims 1 to 6 , wherein the second highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material according to the X-ray diffraction analysis is 1.63 面 in terms of face spacing . 該第2番に高いピークが、2θにして56.3〜56.6°の格子面に帰属されることを特徴とする請求項7に記載シフト触媒。 The shift catalyst according to claim 7 , wherein the second highest peak is attributed to a lattice plane of 56.3 to 56.6 ° in 2θ . 該X線回折分析による該無機材料の酸化セリウム由来の第3番に高いピークが、面間隔にして1.9Åに存在することを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載のシフト触媒。 The shift according to any one of claims 1 to 8, wherein a third highest peak derived from cerium oxide of the inorganic material by the X-ray diffraction analysis is present at a surface spacing of 1.9 mm. catalyst. 該第3番に高いピークが、2θにして47.4〜47.8°の格子面に帰属されることを特徴とする、請求項記載のシフト触媒。 The shift catalyst according to claim 7 , wherein the third highest peak is attributed to a lattice plane of 47.4 to 47.8 ° in 2θ . 前記無機材料が、水溶性セリウム化合物またはそのゾルと、水溶性ニオブ合物またはそのゾルとを含む水溶液に、有機増粘剤または澱粉質を分散した後、蒸発乾固後焼成して得られた無機材料である請求項1〜10のいずれかに記載のシフト触媒。The inorganic material was obtained by dispersing an organic thickener or starch in an aqueous solution containing a water-soluble cerium compound or its sol and a water-soluble niobium compound or its sol, followed by evaporation to dryness and baking. It is an inorganic material, The shift catalyst in any one of Claims 1-10. 請求項1〜11のいずれかに記載のシフト触媒を搭載した、燃料改質式水素発生システム、燃料電池システム、または燃料改質式燃料電池自動車。Equipped with shift catalyst according to any one of claims 1 to 11, the fuel reforming type hydrogen generation system, a fuel cell system or a fuel reforming type fuel cell vehicle. 水溶性セリウム化合物またはそのゾルと、水溶性ニオブ合物またはそのゾルとを含む水溶液に、有機増粘剤または澱粉質を分散した後、蒸発乾固後焼成して前記無機材料を得る請求項1〜11のいずれかに記載のシフト触媒の製造方法。2. The inorganic material is obtained by dispersing an organic thickener or starch in an aqueous solution containing a water-soluble cerium compound or a sol thereof and a water-soluble niobium compound or a sol thereof, followed by evaporation to dryness and baking. method for producing a shift catalyst according to any one of 1 to 11. 該蒸発乾固温度が100℃以上であることを特徴とする、請求項13記載の製造方法。The method according to claim 13 , wherein the evaporation to dryness temperature is 100 ° C or higher. 該焼成温度が250〜600℃であることを特徴とする請求項13または14記載の製造方法。The method according to claim 13 or 14 , wherein the firing temperature is 250 to 600 ° C.
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