JP4272457B2 - 複合触媒膜及び改質器並びに燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合触媒膜及び改質器並びに燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来技術】
燃料電池は、反応生成物がCO2と水であり、しかも発電効率が30〜65%と高効率を示す為、クリーン、省エネルギーな発電システムとして知られている。
【0003】
近年、燃料電池の燃料供給の形式は種々検討されているが、主に、水素を燃料とする水素燃料電池、炭化水素、アルコール、エーテル等の炭化水素系原燃料を水素に改質し、生成した水素を燃料とする燃料改質型燃料電池、および炭化水素系原燃料を直接燃料とする、例えば、ダイレクトメタノール燃料電池に分類される。
【0004】
上記水素燃料電池は発電効率が高く、いち早く実用化されたが、燃料の貯蔵と移送が難しく、高圧容器、液化水素容器等を利用するため、体積あたりもしくは重量あたりのエネルギー密度が低く、特に車載用および携帯機器用電源などの小型化、軽量化が要求される用途には適していない。
【0005】
そのため、これらの用途に関しては、燃料として貯蔵、補充、充填が容易にできる液化ガスやアルコールを利用でき、燃料供給装置の小型化が可能な燃料改質型燃料電池やダイレクトメタノール燃料電池に期待が寄せられている。
【0006】
従来の燃料改質型燃料電池は、図3に示すように、燃料タンク1が、燃料ガス配管3を介して、改質装置5a、CO変性装置5b、CO選択酸化装置5cとからなる改質装置5の改質装置5aと接続されている。前記の改質装置5のCO選択酸化装置5cにはブロアー7が酸素含有ガス配管9を介して接続され、また、改質装置5のCO選択酸化装置5cには燃料電池セルスタック11がガス改質ガス配管13を介して接続されている。また、燃料電池セルスタック11にはブロアー15が酸素含有ガス供給配管17を介して接続されており、さらに排気ガス配管19が接続されている。
【0007】
このような従来の燃料改質型燃料電池では、ブロアー15から酸素含有ガスを燃料電池セルスタック11に供給し、燃料タンク1から改質装置5に供給された燃料を、改質装置5で改質して燃料から水素を製造し、燃料電池セルスタック11に供給し、発電を行う。
【0008】
このような燃料改質型燃料電池では、燃料として、液体もしくは液化ガスである炭化水素、アルコール、エーテルなどを用いることができ、簡易なシール容器が利用できることから、体積あたりもしくは重量あたりのエネルギー密度が高くなる。
【0009】
特に車載用および携帯機器用電源などの小型化、軽量化が要求される用途に対しては、メタノール、ジメチルエーテルの改質触媒シートとCO酸化触媒シートとを設けた触媒薄膜シート積層型改質装置が提案され、触媒シート間にコルゲートフィンを積層し多数の折り返し流路を構成して、改質装置を小型軽量化することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0010】
また、燃料改質型燃料電池における燃料電池用の水素製造方法として、改質ガスを水素分離膜で透過分離させ、CO及び/又はCO2を除去する方法、更には水素分離膜を通過、リークした微量のCO及び/又はCO2を除去するためのメタネーション触媒層を前記水素分離膜の後段に設けた水素製造装置が開発されている。さらに、改質ガスを生成する水蒸気改質触媒層を、水素分離膜の非透過側に設けた複合水素分離膜装置も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0011】
〔特許文献1〕
特開2000−154001号公報
〔特許文献2〕
特開2002−100388号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1では、複数の異なる機能を有する触媒膜を積層した触媒薄膜シート積層型改質器を利用して、燃料を改質し、改質ガス中のCOを触媒により除去することで水素を製造することはできるものの、300℃以上の高温で高い改質特性を有する改質触媒シートと、300℃より低温で高いCO除去性能を有するCO除去触媒シートを積層しているため、各触媒層を同時に最適温度に制御することが困難で、水素生成性能とCO除去性能とを両立できないという問題がある。また、CO除去触媒がCO酸化触媒であるため、CO除去を行う際に、改質により生成したガスへ酸素含有ガスを導入することが必要となり、システムが煩雑化するという問題があった。
【0013】
また、特許文献2では、燃料改質型燃料電池における燃料電池用の水素製造方法として水素分離膜及び/又はメタネーション触媒を利用することにより、改質ガス中のCOを、酸素含有ガスを導入することなく除去できるが、改質された300℃以上の高温のガスからのCO除去は、水素分離膜のみでは充分に達成できないという問題があった。
【0014】
また、水素分離膜とメタネーション触媒層とを併用することによりCO濃度を低減できるものの、水素生成性能とCO除去性能を両立するためには、改質触媒とCO除去触媒とを300℃以上に加熱する必要があり、改質ガスが高温となるため、固体高分子電解質を用いる場合には、電解質膜への導入ガスを冷却するための冷却機構を設ける必要がある。
【0015】
本発明は、改質温度、CO除去温度の低温化が可能で、かつ、酸素含有ガスを導入することなく被毒成分であるCOを除去することができるコンパクトな複合触媒膜及び改質器並びに燃料電池を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合触媒膜は、多孔質体の外表面に、炭化水素、アルコール、エーテルの内の少なくとも一つを改質して水素を製造する水蒸気改質能を有するとともに、前記多孔質体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する改質触媒層を設け、該改質触媒層の外表面に、前記改質触媒層により改質されたガス中に存在するCOを除去する触媒機能を有するとともに、前記改質触媒層の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有するCO除去触媒層を設けたことを特徴とする。
【0017】
これにより、燃料と改質触媒層及びCO除去層との接触性が向上するため、改質温度、CO除去温度を低温化することができ、かつO2を含むガスを導入することなく被毒成分であるCOを除去することができるコンパクトで簡素な発電システムを実現できる。
【0018】
即ち、複合触媒膜の平均細孔径を上記のように制御することで、分子の大きさが異なる燃料、CO、H2を効果的に分離できるとともに、燃料が、多孔質体、改質触媒層、CO除去層を通過する際に、改質触媒層及びCO除去触媒と十分に接触することができるため、改質効率が向上し、より低い温度でも、十分に燃料を改質することができる。
また、本発明の複合触媒膜は、改質触媒層が、水素を製造する水蒸気改質能を有する改質触媒により構成されていることを特徴とする。改質の方法としては、他に部分酸化法や、部分酸化法と水蒸気改質法を併用するオートサーマル法などがあるが、これらは、いずれも300℃を超える温度で改質が行われる。一方、水蒸気改質法では、300℃以下の温度で改質反応が進行する。そのため、水蒸気改質法を用いることで、300℃以下の低温での炭化水素系燃料の改質が可能となり、改質触媒層の片面に形成されたCO除去触媒層の活性温度に改質温度を近づけることができる。
これにより、機能の異なる複数の触媒膜を積層した場合でも、それぞれの触媒が、活性を示す温度で改質反応及びCO除去反応を高い効率で行うことが可能となり、改質器の小型化と高性能化を達成できる。
【0019】
また、本発明の複合触媒膜は、改質触媒層の平均細孔径が1〜10nmであり、CO除去触媒層の平均細孔径が0.2〜3nmであることを特徴とする。
【0020】
このような複合触媒膜では、改質触媒層の平均細孔径が1〜10nmに制御されることにより、改質触媒層において、質量の軽いガスが優先的に透過するクヌッセン拡散現象が起こり始め、燃料ガスよりも分子の大きさが小さい水素分子やCO分子などを優先的に透過するため、燃料は改質触媒層を通過するために長い時間を要し、燃料ガスと触媒との接触性が向上する。
【0021】
そのため、改質効率が向上し、より低い温度でも十分に燃料を改質することができる。
【0022】
また、CO除去触媒層の平均細孔径が0.2〜3nmに制御されることにより、改質ガスと触媒との接触性がさらに向上し、また、前記クヌッセン拡散に加え、分子ふるい機能により、COガスよりも小さい水素ガスは優先的に透過するが、未反応のCOガスはCO除去触媒層を迅速に透過できず、COとCO除去触媒との接触時間が長くなり、CO除去反応が促進されるために、より低い温度でも十分にCOを除去することができる。
【0023】
また、本発明の複合触媒膜は、CO除去触媒層は、改質ガス中のCO2に対する水素の透過率が2倍以上であることを特徴とする。これにより、複合触媒膜において、水素よりも大きいCOの透過速度を抑制すると同時に、CO除去触媒機能によりCOを燃料電池に無害のCO2やCH4に変化させることができるとともに水素の純度を高めることが可能となる。
【0026】
また、本発明の複合触媒膜は、CO除去触媒層が、改質されたガス中に含まれるCOと水分とを選択的に反応させる触媒、もしくは改質されたガス中に含まれるCOと水素とを選択的に反応させる触媒のいずれかであることを特徴とする。これによりO2を含むガスを導入することなく簡素なシステムでCOを除去することが可能となる。
【0027】
また、本発明の複合触媒膜は、多孔質体の外表面及び/または内部にヒーターを有することを特徴とする。これにより吸熱反応である改質部を加熱するための加熱用部材を別途設ける必要がなくなり、改質器をコンパクトにできるとともに、触媒層の温度を最適な温度に均一に保つことが可能となる。
【0028】
また、本発明の改質器は上記説明した複合触媒膜を備えることを特徴とする。これにより、改質温度、CO除去温度の低温化が可能で、かつO2を含むガスを導入することなく被毒成分であるCOを除去することができるコンパクトな改質器を提供できる。
【0029】
また、本発明の燃料電池は、以上説明した改質器と燃料電池セルとを有することを特徴とする。このような燃料電池では、改質温度、CO除去温度の低温化が可能で、かつO2を含むガスを導入することなく被毒成分であるCOを除去することができる改質器を備えることにより、高濃度の水素を供給できるため出力密度の向上ができ、かつコンパクトで簡素な発電システムとなる。
【0030】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、図1に示すように、燃料タンク31が、燃料配管32により複合触媒膜33を備えた改質器35に接続され、この改質器35には改質ガス配管36を介して、燃料電池セルスタック39が接続されている。この燃料電池セルスタック39には、酸素含有ガス供給配管40を介して、ブロア42が接続されている。また、改質器35と、燃料電池セルスタック39には、それぞれ、改質排気ガス配管44と、排気ガス配管45とが接続されている。
【0031】
前記改質器35に収納された本発明の複合触媒膜33は、図2に示すように多孔質体33aの外表面に、多孔質な改質触媒層33bを設け、さらに該改質触媒層33bの外表面に、多孔質なCO除去触媒層33cを設けて構成される積層膜である。
【0032】
このような燃料電池において、燃料タンク31に貯蔵された燃料は、燃料配管32を通過して、改質器35に供給される。改質器35内で150〜300℃の所定の温度に加熱された燃料は、複合触媒膜33を通過する過程で水素へ改質され、改質ガス配管36を通過して燃料電池セルスタック39へと供給される。同時にブロア42から、空気配管40を介して、燃料電池セルスタック39に酸素含有ガスが供給され、発電反応を起こす。
【0033】
ここで、発電に用いられた排気ガスと発電に寄与しなかったガスは、排気ガス配管45より系外に排気される。
【0034】
なお、燃料ガスが改質器35内で複合触媒膜33を通過する際に、COあるいはCO2へと変性した成分の大半は、複合触媒膜33を通過することができず、改質排気ガス管44より、系外へ排気される。
【0035】
本発明の複合触媒膜33において、多孔質体33aは、複合触媒膜33に構造体としての強度を付与する役割を担っており、燃料ガスとの相互作用は一切必要ないため、ガス透過率を高めるために、その平均細孔径は0.02μm〜10μmの範囲であることが望ましく、構造体としての強度が高いものが好ましい。
【0036】
多孔質体33aの平均細孔径を0.02μm以上とすることで供給する燃料ガスの組成の変動なく、また、改質能に実質的に影響を及ぼすほどの圧力損失を生じることなく、改質触媒層33bに燃料ガスを供給することができる。また多孔質体33aの平均細孔径を10μm以下とすることで、充分な強度を付与できるとともに、改質触媒層33b、及びCO除去触媒層33cをピンホールやクラックなどの欠陥なく膜状に形成できる。
【0037】
また、平均細孔径を0.02μm〜10μmの範囲に制御し、かつ構造体としての強度を維持するために、多孔質体33aを構成する無機粉末の平均粒径は、0.04μm〜20μmの範囲であることが望ましい。多孔質体33aを構成する無機粉末の平均粒径を0.04μm以上とすることで、十分なガス透過性を付与することができ、20μm以下とすることで、多孔質体33aに十分な強度を付与することができる。
【0038】
なお、多孔質体33aは改質時には加熱されるため、耐熱性を有する必要があり、また、高温の燃料や水蒸気にさらされるため、耐熱性が高く、化学的に安定なセラミック製であることが望ましい。
【0039】
多孔質体33aの表面に形成される改質触媒層33bを構成する改質触媒は、燃料ガスを改質して水素を製造する水蒸気改質能を有する必要があり、燃料ガスとの接触性を高め、改質効率を高めるため、微細な細孔を形成してなることが必要であり、その平均細孔径は多孔質体33aの平均細孔径より小さいことが必要である。特に、燃料ガスと改質反応により生成するガスとの混合ガス中の水素ガスが優先的に透過するためには、分子量の小さい分子が優先的に透過するクヌッセン拡散機構が機能し始める1〜10nmの平均細孔径を有することが好ましく、更にはクヌッセン拡散機構が支配的に機能する1〜5nmであることが好ましい。
【0040】
例えば改質触媒層33bの作製過程で、改質触媒層33bの焼成温度を変更することで前記した平均細孔径に制御できる。また、コロイド溶液などを用いて、改質触媒層33bを作製する場合には、Al、Si、Ti、Zr等の水酸化物コロイド溶液の粒子径を制御することで、前記した平均細孔径に制御できる。なお、望ましい範囲の平均細孔径に制御するためには、焼成温度は300〜900℃であることが望ましく、コロイド溶液の粒子径は1〜20nmであることが望ましい。
【0041】
また、改質触媒層33bは、例えば、Al2O3やSiO2に、改質能を有するCu、Zn、Pdなどを担持させたものが好適に用いられる。
【0042】
また、改質触媒層33b表面に形成されるCO除去触媒層33cは、改質ガスに含まれるCOとCO除去触媒層33cとの接触性を高め、CO除去性能を向上させるために、微細な細孔を有することが重要であり、かつ、その平均細孔径はCO除去触媒層33cの成膜性及び水素の高濃度化の点より、改質触媒層33bの平均細孔径より小さい平均細孔径であることが必要である。
【0043】
特に、水素を優先的に透過させ、燃料電池セルスタック39に供給する改質ガスの水素濃度を増加させ、CO,CO2を改質排気ガス配管44から排出するためには、CO除去触媒層33cの平均細孔径を、水素よりも分子径の大きいCO、CO2の透過速度を抑制可能なクヌッセン拡散機構が支配的になる、もしくは分子ふるい機構が支配的になる平均細孔径である0.2〜3nmとすることが好ましく、更には分子ふるい機構による水素の優先的な透過が支配的に起こる平均細孔径0.2〜1nmとすることが好ましい。
【0044】
これにより、燃料電池セルの電極触媒を被毒するCOのCO除去触媒層33c透過が抑制されるとともに、COとCO除去触媒との接触時間が長くなり、より効率的にCOを除去することが可能となる。また、CO2のCO除去触媒層33c透過も抑制され、改質ガス中の水素濃度が高くなり、発電効率も向上する。
【0045】
特に、CO除去触媒層33cは、改質ガス中に含まれるCO2に対して水素を2倍以上の透過率で、好ましくは4倍以上の透過率で優先的に透過することが好ましい。
【0046】
また、改質されたガス中に含まれるCO除去するためのCO除去触媒層33cの触媒は、従来用いられる酸化によるCO除去触媒に対して、酸素含有ガスの導入部を設ける必要が無くシステムが簡素化できる点より、酸素含有ガスを改質ガスに添加することなくCO除去が可能であるCOと水分とが選択的に反応する触媒、もしくは改質されたガス中に含まれるCOと水素とが選択的に反応する触媒のいずれかであることが好ましい。
【0047】
これらのCO除去触媒層33cは、例えば、Al2O3やSiO2に、CO除去能を有するCu、Zn、Fe、Ru、Pt、Ni、Cr、Rhなどを担持させたものが好適に用いられる。
【0048】
なお、酸素含有ガスを改質ガスに添加することなくCO除去が可能なCOと水分とが選択的に反応する触媒としては、FeとCrもしくはCuとZnを主成分とするものが好ましい。また、前記成分にCu、Zn、Fe、Cr等の金属粉末が添加されるものであってもよい。例えば、Al2O3やSiO2に、Cu、Znなどを担持させたものが好適に用いられる。
【0049】
また、酸素含有ガスを改質ガスに添加することなく、CO除去が可能である改質されたガス中に含まれるCOと水素とが選択的に反応する触媒としては、Ni、Ru、Ptを主成分とするものが好ましい。例えば、Al2O3やSiO2に、Ni、Rhなどを担持させたものが好適に用いられる。
【0050】
本発明における酸素含有ガスを改質ガスに添加することなくCO除去が可能な触媒は、小型化と冷却システムの簡素化の観点より300℃以下の温度で改質ガス中に含まれるCOガスを除去できるものが好ましく、更には多孔質体33a上に積層し細孔を有するという観点よりゾルゲル法、含浸法などの溶液法により作製できるものが特に好ましい。
【0051】
また本発明の複合触媒膜33において、触媒反応に必要な熱の供給は、小型化と触媒の最適温度への到達時間の短縮が可能な点より、多孔質体33aの内部にはヒーター33dが設けられている。なお、表面に設けてもよい。
【0052】
上記ヒーター33dは、例えば、Ni、Ni−Cr、Pt、Ta、Ta−Reなどから形成される。また、ヒーター33dを設けず、別途、複合触媒膜33を加熱するためのバーナーやヒーターなどを設けてもよい。
【0053】
以上のような複合触媒膜33の製造方法について説明する。
【0054】
例えば、Al2O3などの無機粉末と有機バインダーと溶剤から成るスラリーを作製し、このスラリーからドクターブレード法で多孔質体33aとなるシート状の多孔質体成形体を作製する。この多孔質体成形体の片側の面に、抵抗体ペーストを用いて、印刷法によりヒーターパターンを形成する。
【0055】
さらに、このヒーターパターンを形成した多孔質成形体のヒーターパターンを形成した側の面に、他の多孔質成形体を積層し、内部にヒーターパターンを具備した積層体を作製する。
【0056】
この積層体を乾燥後、900℃〜1400℃の温度で焼成し、多孔質体33aを作製する。これにより、ヒーター33dを具備する多孔質体33aが得られる。
【0057】
なお、無機粉末は、Al2O3以外にも安価で、化学的な耐久性が高いことからSiO2やZrO2などが好適に用いられる。また、その他の無機粉末でもよいことは言うまでもない。
【0058】
次に、触媒担持体となるγ−Al2O3の前駆体であるAlOOH溶液もしくはSiO2のコロイド溶液に、Cu及びZnの水溶性溶液もしくはPd及びZnの水溶性溶液を添加し、改質触媒層33bの前駆体溶液を作製する。次に多孔質体33aの片方の外表面にディップコーティング、スピンコーティング等の手法で成膜し、焼成することにより改質触媒層33bを形成することができる。改質触媒層33bの前駆体溶液においては前記に限定されるものではなく、CuとZnもしくはPdとZnの有機化合物と担持体となるAl、Si、Tiの有機化合物のうち少なくとも1つとをアルコール等の溶媒中で複合化して作製することもできるし、また予め担持体となるγ−Al2O3膜、SiO2膜、TiO2膜を多孔質体33a表面に形成した後、前記触媒成分を含浸担持することでも作製できる。
【0059】
なお、改質触媒層33bを構成する改質触媒は、低温で容易に炭化水素、アルコール、エーテルのうち少なくとも一つの燃料ガスを改質して水素を製造することができる水蒸気改質触媒である。特に本発明における水蒸気改質触媒としては小型化と冷却システムの簡素化の観点より、300℃以下の温度でメタノール、ジメチルエーテルを水蒸気改質することができるものが好ましく、更に生産性の観点より、ゾルゲル法、含浸法などの溶液法により作製できるものが特に好ましい。
【0060】
次に、触媒担持体となるγ−Al2O3の前駆体であるAlOOH溶液もしくはSiO2のコロイド溶液に、CO除去触媒の活性成分であるCu、Zn、Fe、Ru、Pt、Ni、Crなどの金属塩もしくは金属アルコキシドを添加して、CO除去触媒前駆体ゾルを作製する。
【0061】
このCO除去触媒前駆体を、前記の多孔質体33aと改質触媒層33bの積層体の改質触媒層33b側の表面にディップコーティングし、乾燥後、焼成する。このコーティング、乾燥、焼成の工程を繰り返して、所望の厚さのCO除去触媒層33cを作製できる。
【0062】
なお、CO除去触媒前駆体ゾルは、CO除去触媒層33cの平均細孔径を微細にするために、コロイド以外にアルコキシド溶液等を用いることが望ましい。
【0063】
即ち、Al、Si、Ti、Zr等の水酸化物コロイド溶液の粒子径と、焼成温度を変更することでも所定の平均細孔径に制御できるが、好ましくは、Al、Si、Ti、Zr等の金属アルコキシドを利用したゾルゲル法により作製することが好ましい。ゾルゲル法を用いた場合には、ゾル濃度、ゾル合成時の温度、焼成温度、アルコキシドの種類、溶媒の種類を変化させることにより、CO除去触媒層33cの平均細孔径を制御することが可能である。例えば、ゾルの合成時の温度、焼成温度を高くしたり、ゾル濃度を高くすることで細孔は大きくなる。またアルコキシドにメチル基、ビニル基、フェニル基等の有機官能基を有するものを利用することで、特に、平均細孔径を微細に制御することが可能となる。
【0064】
また、CO除去触媒の前駆体溶液は、その他にも、例えば、触媒成分の金属の有機化合物と担持体となるAl、Si、Ti、Zrの有機化合物のうち少なくとも1つをアルコール等の溶媒中で複合化して作製することもできるし、また予め担持体となるSiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2等の内少なくとも1つを含む酸化物膜を改質触媒層33bの表面に形成した後、前記触媒成分を含浸担持することでも作製できる。
【0065】
以上説明した複合触媒膜33は、コンパクトで高効率な改質能力を有するものであり、このような複合触媒膜33を用いた改質器35は、従来の改質器1に比べ、格段に小型化できるとともに、300℃以下の温度でも高い改質能力を有するものである。
【0066】
また、本発明の複合触媒膜33と燃料電池セルとを組み合わせることで、燃料電池セルに高濃度の水素を供給できるため、発電性能を向上させることができ、またシステムが簡素化されると同時に小型化が可能になるため、小型で、高効率の発電性能を有する燃料電池を提供できる。
【0067】
なお、燃料電池セルとしては、例えばフッ素系高分子電解質膜、無機系電解質、有機/無機複合電解質、耐熱性高分子電解質などを電解質として用いたものを採用できるが、複合触媒膜を通過した水素を含有するガスの温度は100℃以上の温度であり、また冷却システムを簡素にする点より、電解質膜は100℃以上の耐熱性を有することが好ましい。
【0068】
本発明の燃料電池は、事業所、家庭の電源に使用される定置式、電気自動車などに使用される車載式および携帯機器電源に使用される携帯型のものに好適に利用できる。中でも、本発明により得られる燃料電池の簡素化の効果を活かして従来の燃料電池よりも小型化したことで、ノート式パソコン、携帯電話、その他携帯端末などの電源に特に好適に利用することができる。
【0069】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【0070】
【実施例】
改質触媒層33bの作製
厚さ1500μmの表1記載の平均細孔径を有する気孔率42%のα−Al2O3多孔質体、気孔率38%のホウケイ酸ガラス多孔質体、気孔率40%のコーディエライト多孔質体を作製し、この多孔質体33aの片方の表面に、表1記載の担持体の前駆体のコロイド溶液に、改質触媒の活性成分である表1記載の活性金属を含有する金属塩もしくは金属アルコキシドを添加した改質触媒前駆体ゾルをディップコーティングし、乾燥後300℃〜700℃で焼成した。
【0071】
このコーティング、乾燥、焼成の操作を6回繰り返し、改質触媒層33bを作製した。また同時に改質触媒前駆体ゾルの一部をそのまま乾燥し、粉末形状の改質触媒を作製し、300℃〜700℃で焼成した焼結体を用い、窒素吸着法により細孔径分布(BJH法)を測定し、平均細孔径を算出した。
【0072】
なお、前記改質触媒前駆体ゾルの調整温度を適宜変化させて、改質触媒層33bの平均細孔径を表1に示す値となるよう調整した。
【0073】
なお、改質触媒層33bの厚さは5μmであった。
【0074】
CO除去触媒層33cの作製
前記改質触媒層33bの表面に、表1記載の担持体の前駆体溶液にCO除去触媒の活性成分である表1記載の活性金属を含有する金属塩もしくは金属アルコキシドを添加した改質触媒前駆体ゾルをディップコーティングし、乾燥後300℃〜700℃で焼成した。このコーティング、乾燥、焼成の操作を6回繰り返し、CO除去触媒層33cを作製した。
【0075】
なお、担持体前駆体溶液はテトラエトキシシラン0.05molとビニルトリエトキシシラン0.05molをエタノール中で混合したアルコキシド溶液を作製し、これに水0.5mol、塩酸0.001molを加えたエタノール溶液を滴下、攪拌することで作製した。また試料No.10〜12には市販のSiO2コロイド溶液を利用した。
【0076】
また同時に、CO除去触媒前駆体ゾルの一部をそのまま乾燥し、粉末形状のCO除去触媒を作製し、300〜700℃で焼成した焼結体を用い、窒素吸着法により細孔径分布(BJH法)を測定し、平均細孔径を算出した。また、2nm以下の細孔を有するものに関してはAr吸着法により細孔径分布を測定し、平均細孔径を算出した。
【0077】
なお、CO除去触媒層33cの平均細孔径についても、CO除去触媒前駆体ゾルの調整温度を適宜変化させ、表1の値となるよう調整した。
【0078】
なお、CO除去触媒層33cの厚さは0.5μmであった。
【0079】
水素/CO2分離性能の測定
多孔質体33a、改質触媒層33bおよびCO除去触媒層33cからなる複合触媒膜33の多孔質体33a側に水素とCO2の混合ガス(体積比1:1)を圧力100kPaで流通させ、CO除去触媒層33c側に透過したガス流量を石鹸膜流量計で測定し、また、多孔質体33a側の排気ガス濃度及び透過したガス濃度をガスクロマトグラフィーで測定した。
【0080】
透過したガス濃度とガス流量の測定値より、各ガスの単位時間、複合触媒膜33の単位面積あたりの透過量を算出し、多孔質体33a側の排気ガス及び透過したガス濃度とガス流量より算出される多孔質体33a側と透過側の各ガスの分圧差を対数平均により算出した。
【0081】
さらに、各ガスの単位時間、複合触媒膜の単位面積あたりの透過量から単位圧力あたりの透過量を算出し、各ガスの透過率(mol/m2/sec/Pa)とした。また、水素/CO2の分離性能は、(水素透過率)/(CO2透過率)として算出した。なお、測定は、表2の複合触媒膜33の温度と同一の温度で行った。
【0082】
水素生成量、膜通過後の水素濃度の測定
メタノール燃料と水蒸気を、水蒸気/カーボン(メタノールの場合はカーボン数3)のモル比が2となるように調整し、表2に記載した複合触媒膜33の温度(150℃〜300℃)で複合触媒膜33の多孔質体33a側に流通し、CO除去触媒層33c側に透過したガス流量を石鹸膜流量計で測定した。
【0083】
また、ガス濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、水素生成量及び水素濃度を算出した。なお、表2に記載した水素生成量は(発生した水素量)/(供給したメタノール量)をモル比で表している。
【0084】
出力密度の測定
市販のフッ素系高分子電解質膜の両面に、Pt触媒を担持したカーボンブラック粉末を塗布し、さらに、銀ペーストを網状に印刷して電極を形成し、燃料電池セルを作製し、出力測定用の装置にセットした。出力測定用の装置は、燃料電池セルの両面にそれぞれガス流路が設けられており、燃料電池セルに燃料ガス及び酸素含有ガスを供給し、発電試験が実施できるように設計されたものである。
【0085】
このような出力測定用の装置と、複合触媒膜33を収納した改質器35とを接続し、改質器35に燃料を供給し、複合触媒膜33を通過した改質ガスを水バブリングにより水蒸気と混合して、燃料電池セルの片面に供給し、他方の面には同じく水蒸気と混合した酸素含有ガスを導入し、電源および電圧計を発電部に接続して発電させ、最大出力条件で4時間連続測定した。4時間経過後の出力密度並びにその他の測定値を表2に示した。
【0086】
なお、燃料は、全てメタノールを用いて発電試験を行った。
【0087】
【表1】
【0088】
【表2】
【0089】
本発明の改質触媒層33bの平均細孔径を変化させた試料No.1〜5、本発明のCO除去触媒層33cの平均細孔径を変化させた試料No.6〜10においては、それぞれ平均細孔径が大きくなるにともない、水素生成量が増加する傾向にあり、膜通過後のH2濃度が低下する傾向にあるが、燃料ガスの改質触媒との接触性、改質ガスのCO除去触媒との接触性に優れることから両触媒反応は充分に進行している。
【0090】
また、これらの試料においては、CO除去触媒層33cの平均細孔径が改質触媒層33bよりも小さいことより、H2の選択的な透過が起こりCOの透過が十分に抑制されたため、燃料電池セル出力112mW/cm2以上の高い特性を示した。特に、改質触媒層33bでのガスの接触性が高く、CO除去触媒層33cの成膜性の優れる1〜10nmの平均細孔径を有する試料No.2〜4、及びH2/CO2分離性能に優れる0.2〜3nmの平均細孔径を有する試料No.7〜9においては、高い水素発生量と水素濃度を実現することができ、結果として出力密度が134mW/cm2以上と優れた特性を示した。
【0091】
また、本発明の試料No.11では、H2/CO2分離性能が2.0と低くなったため、実用的に問題はないものの、出力密度が109mW/cm2と若干低くなった。
【0092】
また、CO除去触媒層33cの平均細孔径が、改質触媒層33bの平均細孔径以上の本発明の範囲外である試料No.12においては、改質されたガス中のH2とCO2の分離性能が1.4と低く、複合触媒膜通過後のH2濃度が低くなったことにくわえ、CO除去触媒層33cの平均細孔径が、5nmと大きくなったために、COがCO除去触媒層33cを透過してしまい電極の被毒を促進させ、結果として85mW/cm2と低い出力密度となった。
【0093】
また、本発明の範囲外である多孔質体33aの平均細孔径が5nmと改質触媒層33bよりも小さい試料No.13においては、改質触媒層33b、CO除去触媒層33cの触媒機能、分離機能は高いものの、多孔質体33aの平均細孔径が小さいため、燃料ガスの通過抵抗が大きく、燃料ガスの一部しか触媒に到達できず、供給した燃料に対するH2生成量が低下し、結果として48mW/cm2と非常に低い出力密度となった。
【0094】
また、複合触媒膜33の温度、または触媒材料、担持体材料を変化させた本発明の試料No.14〜26では、水素生成量が炭化水素系燃料に対して2.1以上で、かつ複合触媒膜33通過後の水素濃度が75%以上であり、高い水素発生量と水素濃度を実現することができ、結果として123mW/cm2以上の高い出力密度が得られた。
【0095】
【発明の効果】
本発明の複合触媒膜では、複合触媒膜の多孔質体、改質触媒層、CO除去層の平均細孔径を制御することで、改質温度、CO除去温度の低温化が可能で、かつ、酸素含有ガスを導入することなく被毒成分であるCOを除去することができるコンパクトな複合触媒膜及び改質器並びに燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池を示す概略図である。
【図2】本発明の複合触媒膜を示す縦断面図である。
【図3】従来の燃料電池を示す概略図である。
【符号の説明】
33・・・複合触媒膜
33a・・・多孔質体
33b・・・改質触媒層
33c・・・CO除去触媒層
33d・・・ヒーター
35・・・改質器
Claims (7)
- 多孔質体の外表面に、炭化水素、アルコール、エーテルの内の少なくとも一つを改質して水素を製造する水蒸気改質能を有するとともに、前記多孔質体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する改質触媒層を設け、該改質触媒層の外表面に、前記改質触媒層により改質されたガス中に存在するCOを除去する触媒機能を有するとともに、前記改質触媒層の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有するCO除去触媒層を設けたことを特徴とする複合触媒膜。
- 前記改質触媒層の平均細孔径が1〜10nmであり、前記CO除去触媒層の平均細孔径が0.2〜3nmであることを特徴とする請求項1記載の複合触媒膜。
- 前記CO除去触媒層は、改質ガス中のCO2に対する水素の透過率が2倍以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の複合触媒膜。
- 前記CO除去触媒層が、改質されたガス中に含まれるCOと水分とを選択的に反応させる触媒、もしくは改質されたガス中に含まれるCOと水素とを選択的に反応させる触媒のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の複合触媒膜。
- 前記多孔質体の外表面及び/または内部にヒーターを有することを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれかに記載の複合触媒膜。
- 請求項1乃至5のうちいずれかに記載の複合触媒膜を備えることを特徴とする改質器。
- 請求項6に記載の改質器と燃料電池セルとを有することを特徴とする燃料電池。
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