JPH11347414A - 改質ガス酸化触媒 - Google Patents

改質ガス酸化触媒

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JPH11347414A
JPH11347414A JP10162412A JP16241298A JPH11347414A JP H11347414 A JPH11347414 A JP H11347414A JP 10162412 A JP10162412 A JP 10162412A JP 16241298 A JP16241298 A JP 16241298A JP H11347414 A JPH11347414 A JP H11347414A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】固体高分子型燃料電池の燃料となる改質ガス中
に含まれ、燃料電池の触媒毒として作用する一酸化炭素
を選択的に酸化し二酸化炭素へ転化することのできる高
性能の改質ガス酸化触媒の提供を目的とする。 【解決手段】ゼオライト系の担体の中でも、特にMタイ
プのモルデナイトを用い、このモルデナイト担体に、白
金と他の金属成分とからなるバイメタルの合金金属を担
持する際に、白金合金中の白金以外の合金金属を20〜
50原子%としたことを特徴とする改質ガス中の一酸化
炭素の選択酸化触媒を用いることにより課題を解決す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池で水素の供給源として用いられる改質ガスに含まれ
る一酸化炭素を除去するための改質ガス酸化触媒に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来より白金系の電極触媒を用いた高分
子電解質型燃料電池(以下、「PEFC」と称する。)
は、その燃料として、メタン等のガスを改質して得た水
素ガスが広く用いられている。このような改質ガスを用
いるのは、コスト的な面を考慮してのことである。
【0003】ところが、この改質ガス中には、改質途中
で不可避的に生ずる一酸化炭素が含まれている。この一
酸化炭素の含有量自体約1%程度と少量ではあるが、こ
の少量の一酸化炭素は白金系の電極触媒の触媒毒として
作用し、PEFCの白金系の電極触媒の被毒による深刻
な性能低下を引き起こすことが知られていた。
【0004】この問題を解決するため、改質ガス中のこ
のような一酸化炭素の量を、1/100以下に低減する
ことが求められた。この要求を満たすために燃料電池へ
供給する改質ガスに2%程度の酸素ガスを混合し、「白
金担持のγ−アルミナ触媒により共存する一酸化炭素を
予め酸化して二酸化炭素とする方法」、「燃料電池の電
極触媒上で共存する一酸化炭素を酸化して二酸化炭素と
する方法」がGottesfeld等により提唱されて
きた。
【0005】このGottesfeld等の提唱する方
法では、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素とする際に、
燃料であるはずの水素ガスも同時に多量に酸化消費され
るため燃料の利用効率を引き下げる結果となっていた。
これは、γ−アルミナ又は電極触媒であるカーボンブラ
ックに担持した触媒粒子が、担体表面上に露出してお
り、一酸化炭素と共に燃料であるはずの水素も同時に吸
着し酸化するためと考えられてきた。吸着の速度は、ガ
ス分圧に比例する。即ち、改質ガスの主成分である水素
は高い分圧を持つため水素の消費速度が高くなるのであ
る。
【0006】このような問題を解決するため、本発明者
は燃料電池用燃料である改質ガス中の一酸化炭素を選択
的に酸化し、水素ガスの酸化損失を抑制することのでき
る触媒であって、分子サイズレベルの細孔を有する担体
に触媒が担持されている改質ガス酸化触媒を提唱してき
た(特開平7−256112)。この中で、白金、パラ
ジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、ニッケ
ル、コバルト又は鉄より選ばれる一種又は2種以上の混
合物若しくは合金を触媒として用いることが好適である
ことを開示した。
【0007】ここで述べた改質ガスを燃料として用いる
PEFCは、窒素酸化物等の有害物質の排出が全くない
ZEV(Zero Emittion Vehicl
e)の主流となるであろう電気自動車の実用化に大きく
寄与できるものでもある。従来の鉛蓄電池を使用した電
気自動車に比べれば、走行距離を飛躍的に上昇させるこ
とが可能である。また、この走行距離の問題をある程度
解決したニッケル−水素蓄電池を用いた電気自動車が普
及したとしても膨大な充電電力が必要であり、最終的に
は火力発電による二酸化炭素及び窒素酸化物の排出量を
増加させることになり、トータルでの環境配慮が十分で
はないということにもなり得る。
【0008】これに対し、高発電効率でしかも二酸化炭
素の排出を低減できるPEFCは、燃料の出発物質とし
てメタノール等を用い、これを水素に代えて燃料(改質
ガス)として用いるものである。このメタノールから水
素を得ることは、現在の技術では困難なことではなく、
十分に車載可能な装置により行える。この技術を電気自
動車に応用することで、既存のガソリンスタンドの設備
の転用使用が可能で、しかも長距離走行の可能な電気自
動車の提供が可能となるのである。
【0009】また、電気自動車にPEFCを用いること
を考えると、燃料である水素ガスの流速の変化により電
池性能の変動のないことが求められる。もし、電気自動
車の加速時及び減速時の、水素ガスの流速を変化させた
際に、十分に改質ガス中の一酸化炭素を除去ができてい
ないと、電気自動車の走行性能に悪影響を及ぼすことに
なる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】PEFCの性能を変動
させないためには、燃料となる改質ガス中の一酸化炭素
の酸化処理を行い、一酸化炭素による被毒を無くすこと
が必要である。この問題を解決することのできる可能性
を秘めた触媒担体としてゼオライト、また触媒元素とし
て白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウ
ム、ニッケル、コバルト又は鉄より選ばれる一種又は2
種以上の混合物若しくは合金が一酸化炭素の選択酸化触
媒として用いることを発明者は確信していたが、この中
でもどのような種類の触媒が、電気自動車のPEFC用
の改質ガス酸化触媒として使用できるレベルの一酸化炭
素の選択酸化触媒として最もふさわしいかは不明であっ
た。
【0011】特に、この改質ガス酸化触媒に求められる
触媒性能は、一般的な触媒とは全く異なり、一酸化炭素
の選択酸化を目的とするものであるから、適正な触媒元
素の選択と併せて、担体の持つ構造又は性質が非常に重
要となってくる。このような担体と触媒元素との組み合
わせに関しても、従来より明らかにできていなかった。
【0012】そこで、本発明者は特開平7−25611
2の出願を行った時点では考え得なかった、触媒担体と
触媒元素との組み合わせを考えることで、改質ガスを従
来以上に高精度に一酸化炭素を選択酸化することで、電
気自動車用燃料電池に応用できるレベルの改質ガス酸化
触媒の提供を目的とするのである。
【0013】
【課題を解決するための手段】上述した、より高精度に
一酸化炭素を選択酸化することのできる改質ガス酸化触
媒を得るために発明者は以下のように考えた。改質ガス
中の一酸化炭素を選択的に酸化できるのは、触媒を担持
するゼオライトが分子サイズレベルの細孔を有し、この
分子レベルの細孔内に所定の触媒を担持することで一酸
化炭素の選択酸化を可能とするのである。このような触
媒では、改質ガスが触媒の担体であるゼオライトの細孔
内を通過する際に、改質ガスの構成元素である水素、酸
素、一酸化炭素の各元素毎に通過速度に差異が生じるこ
とを利用するのである。
【0014】即ち、ゼオライトの細孔サイズに対して、
小さな元素分子ほどゼオライト細孔内の通過速度は速
く、元素のサイズが大きくなるほどゼオライト細孔の通
過速度は遅くなる。従って、改質ガスの構成分子が水
素、酸素及び一酸化炭素であることを考えると、最も小
さな分子である水素の通過速度が酸素及び一酸化炭素に
比べ、格段に速くなることが容易に理解できる。また、
それぞれの元素の持つ極性を考慮すると、水素は無極性
分子であり、一酸化炭素のような分子は極性を有する。
このとき、ゼオライトの微細孔内には、極性基がたくさ
ん存在していることを考え合わせれば、一酸化炭素のよ
うな極性分子は非常にゼオライトの微細孔内に吸着し、
触媒酸化し易いものとなる。このことは、水素、酸素及
び一酸化炭素のそれぞれのゼオライトの細孔の内壁面に
担持した触媒粒子との接触反応時間が分子毎に異なるこ
とを意味する。
【0015】以上のことから、ゼオライトの細孔内での
触媒との接触反応時間は、水素が酸素及び一酸化炭素に
比べ、最も短時間となり、他の分子に比べ酸化反応を起
こしにくくなる。これに対し、酸素分子及び一酸化炭素
分子は、水素分子に比べ通過速度が遅く、触媒による酸
素分子と一酸化炭素分子との接触酸化反応を起こしやす
くなるのである。
【0016】上述したことを考慮すると、改質ガス中の
水素がより速く通過する微細孔を有する担体が望ましい
と言える。単に細孔径を大きくすれば、それだけ水素の
通過速度は容易に上昇させ、水素の損失をより低減させ
ることができる。しかし、一方では、酸素及び一酸化炭
素に酸化反応を効率よく起こさせなければならない。即
ち、ゼオライトの細孔径を選択するには一定の条件があ
り、改質ガス中の水素がより速く通過細孔を有する担体
であると同時に、酸素及び一酸化炭素の元素が進入しや
すく確実に一酸化炭素の触媒酸化ができる必要性がある
のである。
【0017】この条件を満足させる触媒担体として、ゼ
オライトの中でもモルデナイトが非常に有用であること
が、発明者の鋭意研究の結果判明した。ゼオライトは一
般に3〜9Åの幅の微細孔を有するといわれ、微細孔の
サイズにより約5種類のタイプに分類される。モルデナ
イトとは、一般にMタイプと言われるゼオライトで、微
細孔の平均径7Å前後ものである。本発明では、このモ
ルデナイトを担体として選択使用した。
【0018】更に、本発明者は、このモルデナイトを担
体として選択使用しても、適正な触媒担持を行わない
と、本発明の目的とする自動車用燃料電池の燃料として
使用できるレベルの改質ガスを得ることができないこと
が研究の結果分かった。言い換えれば、自動車用燃料電
池の改質ガス酸化触媒には高温域から低温域まで安定し
た触媒性能を発揮すること、及びガス流量の変動に強い
ことが求められ、本発明の目的は触媒の担体にモルデナ
イトを使用し、一定の触媒の組成条件を満たすことによ
り初めて達成できるものなのである。
【0019】即ち、従来より一般的に使用されてきた白
金、パラジウム等の単一金属を触媒元素とするものより
も、白金−ルテニウム、白金−鉄等のバイメタル触媒
が、幅広い温度領域で、改質ガス中の一酸化炭素の選択
酸化には非常に有用であることが分かった。中でも白金
−20〜50原子%合金金属の時に、最もトータルバラ
ンスとして優れた温度安定性及び改質ガス中の一酸化炭
素の選択酸化性を得ることが可能であることが判明し
た。
【0020】以下、触媒担体にモルデナイトを用いて、
触媒成分を白金−20〜50原子%合金金属としたとき
に、いかに優れた改質ガス中の一酸化炭素の選択酸化が
可能かを示す。まず最初に、白金合金系のバイメタル触
媒を選択した理由として、改質ガスの酸化処理速度を速
くできることがある。この白金合金系のバイメタル触媒
の酸化処理速度を比較するのに、モルデナイトに白金を
単独で担持した触媒、モルデナイトにパラジウムを単独
で担持した触媒及びアルミナを担体とした白金触媒を用
いた。この結果を表1に示す。なお、ここでは白金合金
系のバイメタル触媒として白金−ルテニウム触媒(白金
−30原子%合金金属)をモルデナイトに担持したもの
を用いた研究段階での結果を以て、本発明を説明する。
【0021】
【表1】
【0022】ここで接触時間は、広く触媒化学の分野で
用いられるW/Fとして表した。ここで、Wは担持触媒
重量(金属触媒重量と担体重量との総和として表される
もの)を意味し、Fは反応ガスの流速を示している。従
って、このW/Fは、一定量のガスが一定量の触媒に接
触している時間を意味するものとなるのである。表1の
欄外に記載した括弧書きは実際に研究段階で用いた触媒
量をWとして表示し、改質ガスの単位時間あたりの流量
をFとして表示している。以下同様である。即ち、ここ
では白金−ルテニウムを担持した触媒のみ、その触媒担
持量を他に比べて1/4量としている。
【0023】表1から分かることは、白金−ルテニウム
触媒での接触時間が1/4であっても、流量が同一であ
れば、従来の触媒であるアルミナを担体とした白金触媒
に比べても、その他の触媒と担体との組み合わせに比べ
ても、優れたCO転化率を示すことが分かる。この結果
は、見方を変えればの白金−ルテニウム触媒を用いれ
ば、触媒担持量を1/4量に減らしても、その他の触媒
と担体との組み合わせに比べ、優れたCO転化率を示す
ことになる。
【0024】即ち、モルデナイトに白金を単独で担持し
た触媒及びモルデナイトにパラジウムを単独で担持した
触媒のそれぞれと比較しても、白金−ルテニウム担持触
媒との接触時間を1/4とした場合の方が優れたCO転
化率を示しているのである。これは、触媒担体にモルデ
ナイトを用いて、白金合金系のバイメタル触媒を担持す
ると、改質ガス中のCOの酸化処理速度の迅速化が可能
となることを意味している。
【0025】次に、何故金属触媒成分の構成を白金−2
0〜50原子%合金金属とすることとしたのかを説明す
る。以上及び以下において、白金−20〜50原子%合
金金属とは、触媒元素である白金と他の合金元素のそれ
ぞれの原子数量の総和に対し、他の金属原子の原子数量
の割合が20〜50原子%であることを意味するものと
して用いる。以下、同様の表現はここで述べた意味に解
釈するものとする。表2に触媒成分の原子数量の構成を
変動させたときのCO転化率及び選択率等の測定結果を
示した。
【0026】
【表2】
【0027】この表2は、白金−ルテニウム合金を触媒
成分として用い、反応温度150℃で、構成原子量を変
動させ、担体であるモルデナイトに担持して改質ガス中
の一酸化炭素の選択酸化触媒として使用したときの転化
率、選択率等を示している。
【0028】本明細書における転化率、選択率等につい
て説明すると。改質ガスは、水素(H2)、酸素
(O2)、一酸化炭素(CO)により構成されている。
本発明にいう改質ガス中の一酸化炭素の選択酸化触媒
は、改質ガス中に含まれる酸素(O2)で一酸化炭素
(CO)を触媒毒とならない二酸化炭素(CO2)へと
転化する役割を果たすものである。このとき一酸化炭素
(CO)を選択酸化できないとすると、改質ガス中に含
まれる酸素(O2)はPEFCの燃料となる水素(H2
を酸化して水(H2O)に変えることになり、燃料効率
を落とすことになるのである。
【0029】そこで、ここでは改質ガス中に存在する一
酸化炭素分子の内の何%が二酸化炭素分子に転化したか
を表す指標を「CO転化率(%)」、改質ガス中の酸素
分子の何%を消費したかを表す指標を「O2転化率
(%)」、そして改質ガス中の酸素分子の内の何%が一
酸化炭素分子を選択的に酸化したかを表す指標として
「選択率(%)」として表している。
【0030】表2に表した結果より、ルテニウム原子を
20〜50原子%含む白金−ルテニウム合金金属触媒に
おいて60%以上のCO転化率を示している。従来の、
白金をアルミナ担体に担持した触媒では、60%以上の
CO転化率は達成できなかった。従って、発明者は60
%以上の転化率を達成できる金属触媒の原子構成を白金
−20〜50原子%合金元素の範囲が最適であると判断
したのである。
【0031】そして、もう一つの要求特性である、一定
の温度範囲で改質ガス中のCOを安定して得ることがで
きる必要がある。表3には、反応温度を150℃とした
場合と200℃とした場合との、本発明に係るモルデナ
イトに白金−ルテニウムを担持して、改質ガス酸化触媒
と他の触媒とのCO転化率及び選択率を表した。
【0032】
【表3】
【0033】この表3から分かるように、従来のアルミ
ナ担体に担持した白金触媒も、モルデナイトに担持した
白金触媒も200℃から150℃への反応温度の低下に
伴い、著しくCO転化率及びO2転化率が低下してい
る。モルデナイトに担持したルテニウム触媒を用いた場
合でも、著しい触媒機能の低下が起こっている。これに
対し、白金−30原子%ルテニウムとした白金合金触媒
のみが、反応温度を変化させても触媒機能の変動が最も
少ないことが明らかである。これは白金−ルテニウム触
媒は、反応温度の変動に大きく左右されないことを意味
する。この現象は、白金−20〜50原子%ルテニウム
の組成領域で見られ、しかも白金に対する合金元素であ
るルテニウムを鉄、コバルト、ロジウム、ニッケル、マ
ンガン、錫、モリブデンに置き換えても同様の傾向を示
すことが判明した。
【0034】以上の結果から判断するに、モルデナイト
を担体として用い、白金と合金元素とを白金−20〜5
0原子%合金金属とした場合にのみ、改質ガス中の一酸
化炭素を、より高精度に選択酸化することのできるトー
タルバランスに優れた改質ガス酸化触媒となるのであ
る。
【0035】そして、モルデナイトを担体として用い、
触媒の組成を白金−20〜50原子%合金金属とした場
合、改質ガス流量が変化してもCO転化率(%)、O2
転化率(%)、そして選択率(%)のそれぞれに大きな
変化は見られず、安定した改質ガス酸化が可能となる。
この改質ガスの流量変化に対するCO転化率等の安定性
について、表4に示す。このとき比較用に、白金をモル
デナイトに担持した触媒、ルテニウムをモルデナイトに
担持した触媒、白金をアルミナに担持した触媒を用いた
結果を示した。
【0036】
【表4】
【0037】表4に示す結果から、原子比が白金−30
%ルテニウムとした白金−ルテニウム触媒を用いた場合
のみCO転化率等の測定値に大きな変動は見られず、他
の触媒を用いた場合は改質ガスの流量の増加に伴いCO
転化率等の値が減少している。このことから、従来の触
媒は改質ガス流量の増加に追随するだけの一酸化炭素の
触媒酸化速度を有するものではないと言える。これに対
して、白金−ルテニウム触媒を用いると一酸化炭素の触
媒酸化速度が速く、改質ガス流量の変化にも十分対応可
能となることが分かる。
【0038】最後に、ゼオライトの中でも、モルデナイ
トを選択的に担体として用いる理由について説明する。
ゼオライトには前述したようにゼオライトの持つ微細孔
径のサイズにより、数種類に分類される。ここでは、A
タイプ、Mタイプ(モルデナイト)及びXタイプの3種
を用いて一酸化炭素の選択酸化試験を行った結果を表5
に示す。ここで、Mタイプがモルデナイトである。
【0039】
【表5】
【0040】表5の結果より、Mタイプ(モルデナイ
ト)と比較して、より大きな微細孔径を持つXタイプ及
びより小さな微細孔径を持つAタイプのいずれも、モル
デナイトの持つCO転化率及び選択率より劣るというこ
とが分かる。即ち、微細孔径が大きすぎると微細孔内で
一酸化炭素分子等と微細孔内壁との接触頻度が減少し一
酸化炭素や酸素の細孔内に滞留する時間が水素の滞留時
間と比べて大差なくなり、その結果、一酸化炭素の選択
酸化反応自体が起こりにくくなり、逆に水素との反応は
起こりやすく水素消費が大きくなる。また、微細孔径が
小さすぎると微細孔内部への、改質ガスの侵入が困難と
なるため、ゼオライトの表層での触媒酸化が優勢とな
り、選択酸化性を示しにくくなるものと考えられる。従
って、Mタイプ(モルデナイト)の持つ微細孔径が改質
ガス酸化触媒として最も適切であると言えることにな
る。
【0041】以上の結果から総合的に判断するに、モル
デナイトを担体として用い、白金と合金元素の原子比を
白金−20〜50原子%合金金属とした場合に、改質ガ
ス中の一酸化炭素を、より高精度に選択酸化することの
できるトータルバランスに優れた改質ガス酸化触媒とな
るのである。以下、最適と思われる実施の形態について
説明する。
【0042】
【発明の実施の形態】本発明にいう改質ガス酸化触媒の
最適と思われる実施の形態について説明する。ここで用
いた担体であるモルデナイトは、一般的なイオン交換法
にて作成した。 第一実施形態 ここで用いた担体であるモルデナイト
は、ナトリウム置換型である。このモルデナイトに、白
金−ルテニウムを触媒担持した。この触媒担持方法は、
次の通りである。
【0043】[Pt(NH34]Cl2、[Ru(N
36]Cl3を用い、モルデナイト担体とイオン交換
することで、最終的に白金−30原子%ルテニウムの組
成として触媒成分を担持した。その後、酸素雰囲気下で
500℃×1時間の酸化処理を施して、PEFC用の改
質ガス酸化触媒を得た。
【0044】この触媒を用いて、改質ガス(CO 1
%、O2 0.5%、H2 バランス)の酸化試験を行い、
その結果を、他の結果と共に、表6中に示す。結果とし
て、90%以上の一酸化炭素の選択酸化を達成すること
ができ、反応温度150℃の低温度帯でも安定した一酸
化炭素の選択酸化が可能であった。
【0045】第2実施形態 ここで用いた担体であるモ
ルデナイトは、一般的なイオン交換法にて作成した。こ
のモルデナイトに、白金−鉄を触媒担持した。この触媒
担持方法は、次の通りである。
【0046】[Pt(NH34]Cl2、Fe(NO3
3を用い、モルデナイト担体とイオン交換することで、
最終的に原子比で白金−30原子%鉄の組成として触媒
成分を担持した。その後、酸素雰囲気下で500℃×1
時間の酸化処理を施して、PEFC用の改質ガス酸化触
媒を得た。
【0047】この触媒を用いて、改質ガス(CO 1
%、O2 0.5%、H2 バランス)の酸化試験を行い、
その結果を、他の結果と共に、表4中に示す。結果とし
て、白金−ルテニウム触媒を用いた場合には及ばないも
のの、従来の改質ガス酸化触媒を用いた場合に比べれ
ば、安定した高い効率で一酸化炭素の選択酸化を達成す
ることができ、反応温度150℃の低温度帯では80%
以上の優れた一酸化炭素の選択酸化が可能であった。
【0048】更に、発明者は、各実施形態で得られた本
発明に係る改質ガス酸化触媒と従来の改質ガス酸化触媒
との性能を比較するため、アルミナ担体に白金を担持し
た改質ガス酸化触媒を製造した。このときの触媒担持
は、塩化白金酸の溶液にてアルミナを処理する一般的な
含浸法にて行った。そして、この触媒を用いて、改質ガ
ス(CO 1%、O2 0.5%、H2 バランス)の酸化
試験を行い、その結果を、他の結果と共に、表6中に示
した。
【0049】
【表6】
【0050】
【発明の効果】以上に示した結果から、本発明に係る改
質ガス酸化触媒が有する一酸化炭素の選択酸化性能及び
触媒性能の安定性は、従来知られた触媒に比べて極めて
トータルバランスに優れたものであることが分かる。本
発明に係る改質ガス酸化触媒を用いて改質ガスを予備処
理することで、PEFCの一酸化炭素被毒を防止し、P
EFC性能の改質ガスに起因した変動を無くすことが可
能となる。更に、本発明に係る改質ガス酸化触媒を電気
自動車に応用することにより、現在のガソリン車と同等
の走行距離及び諸性能を持つZEVの実現化に大きく寄
与することが可能となる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゼオライト系の担体に白金合金触媒を担
    持した触媒において、担体にはモルデナイトを用い、担
    持した白金合金中の白金以外の合金金属を20〜50原
    子%としたことを特徴とする改質ガス中の一酸化炭素を
    選択酸化するための改質ガス酸化触媒。
  2. 【請求項2】 白金合金の合金元素は、ルテニウム、
    鉄、ロジウム、コバルト、モリブデン、ニッケル、マン
    ガンのいずれか一種であることを特徴とする請求項1に
    記載の改質ガス酸化触媒。
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