JPWO2002038268A1 - 炭化水素の改質触媒及びそれを用いた炭化水素の改質方法 - Google Patents

炭化水素の改質触媒及びそれを用いた炭化水素の改質方法 Download PDF

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Abstract

炭化水素の各種改質用として好適な触媒、並びにこの触媒を用いて炭化水素を改質し、水素又は合成ガスを製造する方法が開示されている。本発明の炭化水素の改質触媒は、酸化セリウムを含むアルミナ担体に、（ａ）ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム及びイリジウムの中から選ばれる少なくとも一種の白金族元素成分、（ｂ）コバルト成分及び／又はニッケル成分及び場合により（ｃ）アルカリ土類金属成分を担持してなるものである。また、該触媒を用いて炭化水素の水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質あるいは二酸化炭素改質を行うことにより、水素又は合成ガスが製造される。

Description

技術分野
本発明は、炭化水素の改質触媒及びそれを用いた炭化水素の改質方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、酸化セリウムを含むアルミナ担体に、活性成分として特定の白金族元素を担持してなる、炭化水素の各種改質用として好適な触媒、及び該触媒を用いて、炭化水素の水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質あるいは二酸化炭素改質を行う方法に関するものである。
背景技術
近年、環境問題から新エネルギー技術が脚光を浴びており、この新エネルギー技術の一つとして燃料電池が注目を集めている。この燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換させるものであって、エネルギーの利用効率が高いという特徴を有しており、民生用、産業用あるいは自動車用などとして、実用化研究が積極的になされている。
この燃料電池には、使用する電解質の種類に応じて、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、固体高分子形などのタイプが知られている。一方、水素源としては、メタノール、メタンを主体とする液化天然ガス、この天然ガスを主成分とする都市ガス、天然ガスを原料とする合成液体燃料、さらには石油系のナフサや灯油などの石油系炭化水素の使用の研究がなされている。
これらの石油系炭化水素を用いて水素を製造する場合、一般に、該炭化水素に対して、触媒の存在下に水蒸気改質処理がなされる。このような炭化水素の水蒸気改質処理の触媒として、従来から担体にルテニウムを活性成分として担持したものが研究されており、比較的高活性でかつ低スチーム／カーボン比の運転条件下でも炭素の析出が抑制されるなどの利点を有し、近年、長寿命の触媒を必要とする燃料電池への適用が期待されている。
他方、酸化セリウムがルテニウム触媒の助触媒的効果があることが見いだされてから、酸化セリウムとルテニウムをベースとした触媒の研究がなされいくつかの特許が出願されている（特公昭５９−２９６３３号公報、特開昭６０−１４７２４２号公報、特開平４−２８１８４５号公報、特開平９−１０５８６号公報、特開２０００−６１３０７号公報）。
さらに、ルテニウム以外にも白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ニッケルをベースにした触媒の研究もなされている。しかしながら、炭化水素の水蒸気改質触媒としての活性が未だ十分とは言えず、その上、炭素の析出量も多いという課題が残されていた。
また、水素の製造に関しては、前記の水蒸気改質処理の他に、自己熱改質処理、部分酸化改質処理、二酸化炭素改質処理などについても研究され、一般に同じ改質触媒で、上記の全ての改質処理ができることはわかっている。さらに、条件を若干変えることにより上記の全ての改質処理について、合成ガスの製造ができることも知られている。上記の自己熱改質処理、部分酸化改質処理、二酸化炭素改質処理についても、触媒として、ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウムなどの白金族元素が研究されているが、活性的に未だ不十分であった。
発明の開示
このような状況下で、本発明の第１の目的は、炭化水素の各種改質に好適に用いられる、白金族元素を活性成分とした活性に優れる炭化水素の改質触媒を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、上記改質触媒を用いて、炭化水素を効率よく水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質あるいは二酸化炭素改質処理する方法を提供することにある。
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、酸化セリウムを含むアルミナ担体に、特定の白金族元素成分とコバルト成分やニッケル成分、さらに場合によりアルカリ土類金属成分を担持させてなる触媒により、その目的を達成し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明は、
（１）酸化セリウムを含むアルミナ担体に、（ａ）ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム及びイリジウムの中から選ばれる少なくとも一種の白金族元素成分及び（ｂ）コバルト成分及び／又はニッケル成分を担持してなる炭化水素の改質触媒、
（２）上記の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の水蒸気改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の水蒸気改質方法、
（３）上記の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の自己熱改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の自己熱改質方法、
（４）上記の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の部分酸化改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の部分酸化改質方法、及び
（５）上記の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の二酸化炭素改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の二酸化炭素改質方法、
を提供するものである。
発明を実施するための最良の形態
まず、本発明の炭化水素の改質触媒について説明する。
本発明の改質触媒においては、担体として、酸化セリウムを含むアルミナが用いられる。該アルミナとしては、市販のα、β、γ、η、θ、κ、χのいずれの結晶形態のものも使用できる。また、ベーマイト、バイアライト、ギブサイト等のアルミナ水和物を焼成したものも使用できる。この他に、硝酸アルミニウムにｐＨ８〜１０のアルカリ緩衝液を加えて水酸化物の沈殿を生成させ、これを焼成したものを使用してもよいし、塩化アルミニウムを焼成してもよい。また、アルミニウムイソプロポキシド等のアルコキシドを２−プロパノール等のアルコールに溶解させ、加水分解用の触媒として塩酸等の無機酸を添加してアルミナゲルを調製し、これを乾燥、焼成するゾル・ゲル法によって調製したものを使用することもできる。
酸化セリウムについては、市販の酸化セリウムも使用できるし、例えば、硝酸セリウム［Ｃｅ（ＮＯ）３・６Ｈ２Ｏ］、塩化セリウム［ＣｅＣｌ３・７Ｈ２Ｏ］、炭酸セリウム［Ｃｅ２（ＣＯ３）３・８Ｈ２Ｏ］等から通常の方法で調製したものも使用できる。
酸化セリウムを含むアルミナは、上記のアルミナと酸化セリウムを混合して使用してもよいが、アルミナに上記のセリウム化合物の水溶液を含浸させて調製したものの方が好ましい。
酸化セリウムとアルミナの割合については、酸化セリウム５〜４０重量％及びアルミナ９５〜６０重量％が好ましい。アルミナが９５重量％を超えると、酸化セリウムの効果がでない場合があり、アルミナが６０重量％未満であると、担体表面積の低下や触媒強度の低下を引き起こす場合があり好ましくない。
本発明の改質触媒においては、このようにして得られた酸化セリウムを含むアルミナ担体に、（ａ）ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム及びイリジウムの中から選ばれる少なくとも一種の白金族元素成分、（ｂ）コバルト成分及び／又はニッケル成分、及び必要により（ｃ）アルカリ土類金属成分が担持される。担持方法としては特に制限はなく、各成分を逐次担持させてもよいし、同時に担持させてもよい。例えば（ａ）成分、（ｂ）成分及び（ｃ）成分を含む溶液をそれぞれ調製し、逐次担持させる方法、あるいは（ａ）及び（ｂ）成分、（ａ）及び（ｃ）成分又は（ｂ）及び（ｃ）成分を含む溶液を調製し、この溶液と残りの成分を含む溶液を用いて逐次担持させる方法、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）成分を含む溶液を調製し、同時に担持させる方法を用いることができるが、同時に担持させる方法が、経済上好ましい。
担持操作としては、加熱含浸法、常温含浸法、真空含浸法、常圧含浸法、含浸乾固法、ポアファイリング法等の各種含浸法、浸漬法、軽度浸潤法、湿式吸着法、スプレー法、塗布法などの各種の方法が採用できるが、含浸法が好ましい。
また、担持操作の条件については、従来の場合と同様に、大気圧下または減圧下で好適に行うことができ、その際の操作温度としては特に制限はなく、室温又は室温付近で行うことができるし、必要に応じて加熱又は加温し、例えば室温〜８０℃程度の温度で好適に行うことができる。また、接触時間は１分間〜１０時間程度である。
（ａ）成分源のルテニウム化合物として、例えば、ＲｕＣｌ３・ｎＨ２Ｏ、Ｒｕ（ＮＯ３）３、Ｒｕ２（ＯＨ）２Ｃｌ４・７ＮＨ３・３Ｈ２Ｏ、Ｋ２（ＲｕＣｌ５（Ｈ２Ｏ））、（ＮＨ４）２（ＲｕＣｌ５（Ｈ２Ｏ））、Ｋ２（ＲｕＣｌ５（ＮＯ））、ＲｕＢｒ３・ｎＨ２Ｏ、Ｎａ２ＲｕＯ４、Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＯ３）３、（Ｒｕ３Ｏ（ＯＡｃ）６（Ｈ２Ｏ）３）ＯＡｃ・ｎＨ２Ｏ、Ｋ４（Ｒｕ（ＣＮ）６）・ｎＨ２Ｏ、Ｋ２（Ｒｕ（ＮＯ）２）４（ＯＨ）（ＮＯ））、（Ｒｕ（ＮＨ３）６）Ｃｌ３、（Ｒｕ（ＮＨ３）６）Ｂｒ３、（Ｒｕ（ＮＨ３）６）Ｃｌ２、（Ｒｕ（ＮＨ３）６）Ｂｒ２、（Ｒｕ３Ｏ２（ＮＨ３）１４）Ｃｌ６・Ｈ２Ｏ、（Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＨ３）５）Ｃｌ３、（Ｒｕ（ＯＨ）（ＮＯ）（ＮＨ３）４）（ＮＯ３）２、ＲｕＣｌ２（ＰＰｈ３）３、ＲｕＣｌ２（ＰＰｈ３）４、（ＲｕＣｌＨ（ＰＰｈ３）３・Ｃ７Ｈ８、ＲｕＨ２（ＰＰｈ３）４、ＲｕＣｌＨ（ＣＯ）（ＰＰｈ３）３、ＲｕＨ２（ＣＯ）（ＰＰｈ３）３、（ＲｕＣｌ２（ｃｏｄ））ｎ、Ｒｕ（ＣＯ）１２、Ｒｕ（ａｃａｃ）３、（Ｒｕ（ＨＣＯＯ）（ＣＯ）２）ｎ、Ｒｕ２Ｉ４（ｐ−ｃｙｍｅｎｅ）２などのルテニウム塩を挙げることができる。好ましくは、取扱い上の点でＲｕＣｌ３・ｎＨ２Ｏ、Ｒｕ（ＮＯ３）３、Ｒｕ２（ＯＨ）２、Ｃｌ４・７ＮＨ３・３Ｈ２Ｏが用いられる。
（ａ）成分源の白金化合物として、ＰｔＣｌ４、Ｈ２ＰｔＣｌ６、Ｐｔ（ＮＨ３）４Ｃｌ２、（ＮＨ４）２ＰｔＣｌ２、Ｈ２ＰｔＢｒ６、ＮＨ４〔Ｐｔ（Ｃ２Ｈ４）Ｃｌ３〕、Ｐｔ（ＮＨ３）４（ＯＨ）２、Ｐｔ（ＮＨ３）２（ＮＯ２）２などを挙げることができる。
（ａ）成分源のロジウム化合物として、Ｎａ３ＲｈＣｌ６、（ＮＨ４）２ＲｈＣｌ６、Ｒｈ（ＮＨ３）５Ｃｌ３、ＲｈＣｌ３などを挙げることができる。
（ａ）成分源のパラジウム化合物として、（ＮＨ４）２ＰｄＣｌ６、（ＮＨ４）２ＰｄＣｌ４、Ｐｄ（ＮＨ３）４Ｃｌ２、ＰｄＣｌ２、Ｐｄ（ＮＯ３）２などを挙げることができる。
（ａ）成分源のイリジウム化合物として、（ＮＨ４）２ＩｒＣｌ６、ＩｒＣｌ３、Ｈ２ＩｒＣｌ６などを挙げることができる。
これらの化合物は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
一方、（ｂ）成分源のニッケル化合物として、Ｎｉ（ＮＯ３）２、ＮｉＳＯ４、ＮｉＣｌ２、Ｎｉ（ＯＨ）２、Ｎｉ（ＣＨ３ＣＯＯ）２などを挙げることができ、またコバルト化合物として、Ｃｏ（ＮＯ３）２、Ｃｏ（ＯＨ）２、ＣｏＣｌ２、ＣｏＳＯ４、Ｃｏ２（ＳＯ４）３、ＣｏＦ３などを挙げることができる。これらの化合物は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
さらに、必要に応じて用いられる（ｃ）成分源のアルカリ土類金属化合物として、ＢａＢｒ２、Ｂａ（ＢｒＯ３）２、ＢａＣｌ２、Ｂａ（ＣｌＯ２）２、Ｂａ（ＣｌＯ３）２、Ｂａ（ＣｌＯ４）２、ＢａＩ２、Ｂａ（Ｎ３）２、Ｂａ（ＮＯ２）２、Ｂａ（ＮＯ３）２、Ｂａ（ＯＨ）２、ＢａＳ、ＢａＳ２Ｏ６、ＢａＳ４Ｏ６、Ｂａ（ＳＯ３ＮＨ２）２等のＢａ塩；ＣａＢｒ２、ＣａＩ２、ＣａＣｌ２、Ｃａ（ＣｌＯ３）２、Ｃａ（ＩＯ３）２、Ｃａ（ＮＯ２）２、Ｃａ（ＮＯ３）２、ＣａＳＯ４、ＣａＳ２Ｏ３、ＣａＳ２Ｏ６、Ｃａ（ＳＯ３ＮＨ２）２、Ｃａ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２等のＣａ塩；ＭｇＢｒ２、ＭｇＣＯ３、ＭｇＣｌ２、Ｍｇ（ＣｌＯ３）２、ＭｇＩ２、Ｍｇ（ＩＯ３）２、Ｍｇ（ＮＯ２）２、Ｍｇ（ＮＯ３）２、ＭｇＳＯ３、ＭｇＳＯ４、ＭｇＳ２Ｏ６、Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＣｌＯ４）２等のＭｇ塩；ＳｒＢｒ２、ＳｒＣｌ２、ＳｒＩ２、Ｓｒ（ＮＯ３）２、ＳｒＯ、ＳｒＳ２Ｏ３、ＳｒＳ２Ｏ５、ＳｒＳ４Ｏ６、Ｓｒ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、Ｓｒ（ＯＨ）２等のＳｒ塩を挙げることができ、これらの化合物を一種単独でも、二種以上を併用してもよい。中でも、耐熱性の向上などの点からマグネシウム塩が好ましい。
なお、上記の（ａ），（ｂ），（ｃ）成分源の化合物は、上記の化合物に限定されるものではない。通常、一定の溶媒に対して溶解性を示すものだけに限らず、酸や酸性化合物の添加または共存によって十分に溶解できるものであれば、各種のものが使用可能である。したがって、溶解性の向上及びｐＨの調整のために、（ａ），（ｂ），（ｃ）成分源の各化合物の溶液には、塩酸、硫酸、硝酸等の無機酸、酢酸、しゅう酸等の有機酸を添加する場合がある。また、（ａ），（ｂ），（ｃ）成分源の各化合物の溶液の濃度は、触媒の各成分の担持量によって適宜決定すればよい。
本発明の改質触媒においては、（ａ）成分である白金族元素成分の担持量は、触媒全量に基づき、金属換算で、好ましくは０．１〜８重量％、より好ましくは０．５〜５重量％の範囲で選定される。この担持量が０．１重量％未満では触媒活性が不充分となる場合があり、８重量％を超えるとその量の割には触媒活性の向上効果がみられず、むしろ経済的に不利となる。
また、（ｂ）成分であるコバルト成分及び／又はニッケル成分の担持量は、触媒全量に基づき、金属換算で、好ましくは０．１〜２０重量％、より好ましくは０．５〜１０重量％の範囲で選定される。この担持量が０．１重量％未満では触媒活性の向上効果が充分に発揮されにくく、２０重量％を超えるとその量の割には触媒活性の向上効果が認められず、むしろ経済的に不利となる。
さらに、必要に応じて担持される（ｃ）成分であるアルカリ土類金属成分の担持量は、触媒全量に基づき、金属換算で、好ましくは１〜２０重量％、より好ましくは２〜１０重量％の範囲で選定される。この担持量が１重量％未満では触媒の耐熱性の向上が充分でない場合があり、２０重量％を超えるとその量の割には触媒活性あるいは耐熱性の向上効果が認められず、むしろ触媒活性が低下する場合がある。
担体に、前記各成分の担持操作を行ったのち、乾燥処理するが、この乾燥方法としては、例えば自然乾燥、ロータリーエバポレーター又は送風乾燥機による乾燥方法などを用いることができる。
改質触媒の調製においては、通常、乾燥を行った後焼成を行うが、その場合、触媒活性成分である（ａ）成分が高温焼成により飛散や酸化、更には凝集を引き起こし、触媒活性を低下させる要因になることがあるため、（ａ）成分が担持された後は焼成を行わない方が好ましい。
焼成を行わない場合は、担持した各成分塩の分解工程を新たに組み合わせることが好ましい。これは、塩化物や硝酸化物等として担持された成分が、反応装置内で分解し、流出するのを防ぐためである。その分解工程としては、無酸素雰囲気下（窒素、水素等）で加熱する方法、もしくはアルカリ水溶液と反応させ、担持成分を水酸化物に変える方法等がある。中でも、アルカリ水溶液を用いる方法がより簡便である。その場合、アルカリ水溶液としては、アルカリ性を示すものであれば特に制限はなく、例えば、アンモニア水溶液、アルカリ金属やアルカリ土類金属化合物の水溶液が挙げられる。特に、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属水酸化物が好ましく用いられる。このアルカリ水溶液での分解工程では、高濃度のアルカリ水溶液を使用することが好ましい。
焼成を行う場合には、空気中または空気気流中で、通常４００〜８００℃、好ましくは４５０〜８００℃で、２〜６時間程度、好ましくは２〜４時間程度焼成する。
このようにして調製される触媒の形状及びサイズとしては、特に制限はなく、例えば、粉末状、球状、粒状、ハニカム状、発泡体状、繊維状、布状、板状、リング状など、一般に使用されている各種の形状及び構造のものが利用可能である。
上記調製された触媒を反応器に充填した後、反応前に水素還元を行う。水素還元は、通常、水素気流下、５００〜８００℃、好ましくは６００〜７００℃の温度で、１〜２４時間程度、好ましくは３〜１２時間程度行う。
本発明の炭化水素の改質触媒は、炭化水素の水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質又は二酸化炭素改質触媒として、好適に用いられる。
本発明の改質触媒の中で、（ａ）成分の白金族元素成分がルテニウム成分であるものが、触媒活性及びその他の点から好ましく、特に、炭化水素を水蒸気改質する際の触媒として有利である。
次に、本発明の炭化水素の改質方法について説明する。
本発明の炭化水素の改質方法には、前述の改質触媒を用いて、（１）炭化水素を水蒸気改質する方法、（２）炭化水素を自己熱改質する方法、（３）炭化水素を部分酸化改質する方法、及び（４）炭化水素を二酸化炭素改質する方法の４つの態様があり、これらの改質方法によって、水素又は合成ガスが得られる。
まず、前記（１）の水蒸気改質方法について説明する。
この方法における水蒸気改質反応に用いられる原料炭化水素としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等の炭素数が１〜１６程度の直鎖状又は分岐状の飽和脂肪族炭化水素、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロオクタン等の脂環式飽和炭化水素、単環及び多環芳香族炭化水素、都市ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油等の各種の炭化水素を挙げることができる。
また一般に、これらの原料炭化水素中に硫黄分が存在する場合には、脱硫工程を通して、通常、硫黄分が０．１ｐｐｍ以下になるまで脱硫を行うことが好ましい。原料炭化水素中の硫黄分が０．１ｐｐｍ程度より多くなると、水蒸気改質触媒が失活する原因になることがある。脱硫方法は特に限定されないが、水添脱硫、吸着脱硫などを適宜採用することができる。なお、水蒸気改質反応に使用する水蒸気としては特に制限はない。
反応条件としては、スチーム／カーボン（モル比）が、通常１．０〜１０、好ましくは１．５〜５、より好ましくは２〜４となるように炭化水素量と水蒸気量を決定すればよい。このようにスチーム／カーボン（モル比）を調整することにより、水素含有量の多い生成ガスを効率よく得ることができる。
反応温度は、通常、２００〜９００℃、好ましくは２５０〜９００℃、さらに好ましくは３００〜８００℃である。反応圧力は、通常０〜３ＭＰａ・Ｇ、好ましくは０〜１ＭＰａ・Ｇである。
灯油あるいはそれ以上の沸点を有する炭化水素を原料とする場合、水蒸気改質触媒層の入口温度を６３０℃以下、好ましくは６００℃以下に保って水蒸気改質を行うのがよい。入口温度が６３０℃を超えると、炭化水素の熱分解が促進され、生成したラジカルを経由して触媒あるいは反応管壁に炭素が析出して、運転が困難になる場合がある。なお、触媒層出口温度は特に制限はないが、６５０〜８００℃の範囲が好ましい。６５０℃未満では水素の生成量が充分でないおそれがあり、８００℃を超えると、反応装置は耐熱材料を必要とする場合があり、経済的に好ましくない。
なお、水素製造の場合と合成ガス製造とでは反応条件が若干異なる。水素製造の場合は、水蒸気は多めに入れ、反応温度は低めで、反応圧力は低めである。逆に、合成ガス製造の場合は、水蒸気は少なめ、反応温度は高め、反応圧力は高めになる。
このような炭化水素の水蒸気改質方法においては、改質触媒として、（ａ）成分の白金族元素成分が、ルテニウム成分であるものが好適である。
次に、本発明の改質触媒を用いた炭化水素の自己熱改質方法、部分酸化改質方法及び二酸化炭素改質方法について説明する。
自己熱改質反応は炭化水素の酸化反応と炭化水素と水蒸気の反応が同一リアクター内又は連続したリアクター内で起こり、水素製造と合成ガス製造では反応条件は若干異なるが、通常、反応温度は２００〜１，３００℃、好ましくは４００〜１，２００℃、より好ましくは５００〜９００℃である。スチーム／カーボン（モル比）は、通常、０．１〜１０、好ましくは０．４〜４である。酸素／カーボン（モル比）は、通常、０．１〜１、好ましくは０．２〜０．８である。反応圧力は、通常、０〜１０ＭＰａ・Ｇ、好ましくは０〜５ＭＰａ・Ｇ、より好ましくは０〜３ＭＰａ・Ｇである。炭化水素としては、水蒸気改質反応と同様なものが使用される。
部分酸化改質反応は炭化水素の部分酸化反応が起こり、水素製造と合成ガス製造では反応条件は若干異なるが、通常、反応温度は３５０〜１，２００℃、好ましくは４５０〜９００℃である。酸素／カーボン（モル比）は、通常、０．４〜０．８、好ましくは０．４５〜０．６５である。反応圧力は、通常、０〜３０ＭＰａ・Ｇ、好ましくは０〜５ＭＰａ・Ｇ、より好ましくは０〜３ＭＰａ・Ｇである。炭化水素としては、水蒸気改質反応と同様なものが使用される。
二酸化炭素改質反応は炭化水素と二酸化炭素の反応が起こり、水素製造と合成ガス製造では反応条件は若干異なるが、通常、反応温度は２００〜１，３００℃、好ましくは４００〜１，２００℃、より好ましくは５００〜９００℃である。二酸化炭素／カーボン（モル比）は、通常、０．１〜５、好ましくは０．１〜３である。水蒸気を入れる場合には、スチーム／カーボン（モル比）は、通常、０．１〜１０、好ましくは０．４〜４である。酸素を入れる場合には、酸素／カーボン（モル比）は、通常、０．１〜１、好ましくは０．２〜０．８である。反応圧力は、通常、０〜１０ＭＰａ・Ｇ、好ましくは０〜５ＭＰａ・Ｇ、より好ましくは０〜３ＭＰａ・Ｇである。炭化水素としては、通常はメタンが用いられるが、水蒸気改質反応と同様なものが使用される。
以上の改質反応の反応方式としては、連続流通式、回分式のいずれの方式であってもよいが、連続流通式が好ましい。連続流通式を採用する場合、炭化水素の液空間速度（ＬＨＳＶ）は、通常、０．１〜１０ｈｒ−１、好ましくは０．２５〜５ｈｒ−１である。また、炭化水素としてメタンなどのガスを用いる場合は、ガス時空間速度（ＧＨＳＶ）は、通常、２００〜１００，０００ｈｒ−１である。
反応形式としては、特に制限はなく、固定床式、移動床式、流動床式いずれも採用できるが、固定床式が好ましい。反応器の形式としても特に制限はなく、例えば管型反応器等を用いることができる。
上記のような条件で本発明の改質触媒を用いて、炭化水素の水蒸気改質反応、自己熱改質反応、部分酸化反応、炭酸ガス改質反応を行なわせることにより水素を含む混合物を得ることができ、燃料電池の水素製造プロセスに好適に使用される。また、メタノール合成、オキソ合成、ジメチルエーテル合成、フィッシャー・トロプッシュ合成用の合成ガスも効率よく得ることができる。
次に、本発明を実施例及び試験例によってさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例１
硝酸セリウム〔Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製〕１２６ｇを２００ミリリットルの純水に溶解させ、これをアルミナ担体（ＮＡ−３、日揮ユニバーサル社製）２００ｇに含浸させた。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、８０℃、３時間乾燥させた。さらに、マッフル炉にて、７５０℃、３時間焼成し、酸化セリウムを含有するアルミナ担体を調製した。その担体は、アルミナが８０重量％で、酸化セリウムが２０重量％であった。
次いで、上記担体４０ｇに、活性成分としての三塩化ルテニウム（ＲｕＣｌａ・ｎＨ２Ｏ、田中貴金属社製；Ｒｕ含有量３９．１６重量％）４．３ｇと硝酸コバルト〔Ｃｏ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製〕９．１ｇを３０ミリリットルの純水に溶解させた水溶液を含浸させ、その後、ロータリーエバポレーターを用いて８０℃、３時間乾燥させた。
続いて、５モル／リットル濃度の水酸化ナトリウム溶液１リットル中に、上記の触媒を浸し、ゆっくり１時間攪拌し、含浸させた化合物の分解を行った。その後、触媒を蒸留水でよく洗浄し、再度ロータリーエバポレーターで８０℃、３時間乾燥させ、Ｒｕ４重量％、Ｃｏ４重量％、ＣｅＯ２　１８重量％及びＡｌ２Ｏ３残余からなる触媒１（このような組成の触媒を４Ｒｕ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒と記す。以下同様）を得た。
実施例２
実施例１と同様にして調製した担体４０ｇに、三塩化ルテニウム（ＲｕＣｌ３・ｎＨ２Ｏ、田中貴金属社；Ｒｕ含有量３９．１６重量％）４．３ｇと硝酸コバルト〔Ｃｏ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製〕９．１ｇ、さらに硝酸マグネシウム〔Ｍｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製〕１０．３ｇを２５ミリリットルの純水に溶解させた水溶液を含浸させ、その後、ロータリーエバポレーターを用いて８０℃、３時間乾燥させた。
その後、実施例１と同様な操作を行い、４Ｒｕ／４Ｃｏ／４Ｍｇ／１７．４ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒２を得た。
実施例３
実施例１において、三塩化ルテニウムの使用量を０．５１ｇに変えた以外は、実施例１と同様な操作を行い、０．５Ｒｕ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒３を得た。
実施例４
実施例１において、三塩化ルテニウムの使用量を２．０４ｇに変えた以外は、実施例１と同様な操作を行い、２Ｒｕ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒４を得た。
実施例５
実施例１において、三塩化ルテニウムの使用量を８．２ｇに変えた以外は、実施例１と同様な操作を行い、８Ｒｕ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒５を得た。
実施例６
実施例２において、三塩化ルテニウムの使用量を８．２ｇに変えた以外は、実施例２と同様な操作を行い、８Ｒｕ／４Ｃｏ／４Ｍｇ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒６を得た。
実施例７
実施例１において、三塩化ルテニウムの使用量を１０．２ｇに変えた以外は、実施例１と同様な操作を行い、１０Ｒｕ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒７を得た。
比較例１
実施例１において、担体に活性成分を担持させる際に、硝酸コバルトを使用せず、かつ純水の使用量を３６ミリリットルにした以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｒｕ／１９ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる比較触媒１を得た。
実施例８
実施例１において、三塩化ルテニウムの代わりに、塩化白金酸（Ｈ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製）４．２ｇを用いた以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｐｔ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒８を得た。
実施例９
実施例１において、三塩化ルテニウムの代わりに、硝酸パラジウム〔Ｐｄ（ＮＯ３）２、和光純薬工業社製〕３．５ｇを用いた以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｐｄ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒９を得た。
実施例１０
実施例１において、三塩化ルテニウムの代わりに、塩化ロジウム（ＲｕＣｌ３・３Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製）４．１ｇを用いた以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｒｈ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒１０を得た。
実施例１１
実施例１において、担体に活性成分を担持させる際に、三塩化ルテニウムの代わりに、塩化イリジウム酸塩酸溶液（Ｈ２ＩｒＣｌ６、小島化学薬品社製、Ｉｒ含有量＝１００ｇ／リットル）１６ミリリットルを用い、かつ純水の使用量を２０ミリリットルにした以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｉｒ／４Ｃｏ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる触媒１１を得た。
比較例２
実施例１において、担体に活性成分を担持させる際に、三塩化ルテニウムの代わりに、塩化白金酸（Ｈ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製）４．２ｇを用い、かつ硝酸コバルトを使用せず、純水の使用量を３６ミリリットルにした以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｐｔ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる比較触媒２を得た。
比較例３
実施例１において、担体に活性成分を担持させる際に、三塩化ルテニウムの代わりに、硝酸パラジウム〔Ｐｄ（ＮＯ３）２、和光純薬工業社製〕３．５ｇを用い、かつ硝酸コバルトを使用せず、純水の使用量を３６ミリリットルにした以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｐｄ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる比較触媒３を得た。
比較例４
実施例１において、担体に活性成分を担持させる際に、三塩化ルテニウムの代わりに、塩化ロジウム〔ＲｈＣｌ３・３Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製〕４．１ｇを用い、かつ硝酸コバルトを使用せず、純水の使用量を３６ミリリットルにした以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｒｈ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる比較触媒４を得た。
比較例５
実施例１において、担体に活性成分を担持させる際に、三塩化ルテニウムの代わりに、塩化イリジウム酸塩酸溶液（Ｈ２ＩｒＣｌ６、小島化学薬品社製、Ｉｒ含有量＝１００ｇ／リットル）１６ミリリットルを用い、かつ硝酸コバルトを使用せず、純水の使用量を２０ミリリットルとした以外は、実施例１と同様な操作を行い、４Ｉｒ／１８ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒からなる比較触媒５を得た。
試験例１
触媒１〜触媒７及び比較触媒１について、水蒸気改質触媒としての活性を、下記の方法により、Ｃｌ転化率として測定・評価した。結果を第１表に示す。
＜Ｃｌ転化率の測定＞
０．５〜１ｍｍ径に粉砕した各触媒１．０ミリリットルにＳｉＣ４．０ミリリットルを加えたものを、内径２０ｍｍの石英反応管に充填した。反応管内で触媒を水素気流中で、６００℃で１時間水素還元処理を行った後、硫黄分０．１ｐｐｍ以下まで脱硫した市販のＪＩＳ１号灯油を原料炭化水素として用い、ＬＨＳＶ＝１５ｈｒ−１、スチーム／カーボン（モル比）＝１の条件でＪＩＳ１号灯油及び水蒸気を導入し、常圧、反応温度６００℃（触媒層の中央部）で水蒸気改質反応（加速劣化試験）を実施した。得られたガスをサンプリングしてガスクロマトグラフィーにてその成分と濃度を測定した。この結果をもとに、Ｃｌ転化率を下記式により求めた。
Ｃｌ転化率（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００
〔上記式において、Ａ＝ＣＯモル流量＋ＣＯ２モリ流量＋ＣＨ４モル流量（いずれも反応器出口における流量）、Ｂ＝反応器入口側の灯油の炭素モル流量である。〕
Figure 2002038268
試験例２
触媒８〜触媒１１及び比較触媒２〜比較触媒５について、水蒸気改質触媒としての活性を、下記の方法により、Ｃｌ転化率として測定・評価した。結果を第２表に示す。
＜Ｃｌ転化率の測定＞
０．５〜１ｍｍ径に粉砕した各触媒１．５ミリリットルにＳｉＣ３．５ミリリットルを加えたものを、内径２０ｍｍの石英反応管に充填した。反応管内で触媒を水素気流中で、６００℃で１時間水素還元処理を行った後、硫黄分０．１ｐｐｍ以下まで脱硫した市販のＪＩＳ１号灯油を原料炭化水素として用い、ＬＨＳＶ＝６ｈｒ−１、スチーム／カーボン（モル比）＝３の条件でＪＩＳ１号灯油及び水蒸気を導入し、常圧、反応温度５８０℃（触媒層の中央部）で水蒸気改質反応（加速劣化試験）を実施した。１時間後得られたガスをサンプリングして、前記と同様にしてＣｌ転化率を求めた。
Figure 2002038268
試験例３
触媒１及び比較触媒１を用い、以下のようにして各種炭化水素の水蒸気改質を行った。
０．５〜１ｍｍ径に粉砕した各触媒１．５ミリリットルにＳｉＣ３．５ミリリットルを加えたものを、内径２０ｍｍの石英反応管に充填した。反応管内で触媒を水素気流中で、６００℃で１時間水素還元処理を行った後、第４表に示す原料の炭化水素を用い、第４表に示す条件で、常圧で水蒸気改質反応（加速劣化試験）を実施した。１時間後得られたガスをサンプリングして、Ｃｌ転化率又はＨＣ転化率を求めた。Ｃｌ転化率は前記と同様にして求め、ＨＣ転化率は下記式より求めた。結果を第４表に示す。
ＨＣ転化率（％）＝｛１−（生成物中の炭化水素の炭素原子の数／原料中の炭化水素の炭素原子の数）｝×１００
なお、用いたナフサの組成を第３表に示す。
Figure 2002038268
Figure 2002038268
試験例４
触媒１及び比較触媒１を用い、以下のようにしてナフサ及びメタンの自己熱改質を行った。
０．５〜１ｍｍ径に粉砕した各触媒１．５ミリリットルにＳｉＣ３．５ミリリットルを加えたものを、内径２０ｍｍの石英反応管に充填した。反応管内で触媒を水素気流中で、６００℃で１時間水素還元処理を行った後、第５表に示す原料の炭化水素を用い、第５表に示す条件で、常圧で自己熱改質反応を実施した。１時間後得られたガスをサンプリングして、前記と同様にしてＨＣ転化率を求めた。結果を第５表に示す。なお、用いたナフサの組成は第３表に示すとおりである。
Figure 2002038268
試験例５
触媒１及び比較触媒１を用い、以下のようにしてナフサ及びメタンの部分酸化改質を行った。
０．５〜１ｍｍ径に粉砕した各触媒１．５ミリリットルにＳｉＣ３．５ミリリットルを加えたものを、内径２０ｍｍの石英反応管に充填した。反応管内で触媒を水素気流中で、６００℃で１時間水素還元処理を行った後、第６表に示す原料の炭化水素を用い、第６表に示す条件で、常圧で部分酸化改質反応を実施した。１時間後得られたガスをサンプリングして、ナフサ転化率又はＨＣ転化率を求めた。ＨＣ転化率は前記と同様にして求め、ナフサ転化率は下記式より求めた。結果を第６表に示す。
ナフサ転化率（％）＝｛１−（生成物中のナフサの重量／原料ナフサの重量）｝×１００
なお、用いたナフサの組成は第３表に示すとおりである。
Figure 2002038268
試験例６
触媒１及び比較触媒１を用い、以下のようにしてメタンの二酸化炭素改質を行った。
０．５〜１ｍｍ径に粉砕した各触媒１．５ミリリットルにＳｉＣ３．５ミリリットルを加えたものを、内径２０ｍｍの石英反応管に充填した。反応管内で触媒を水素気流中で、６００℃で１時間水素還元処理を行った後、メタンを用い、第７表に示す条件で、常圧で二酸化炭素改質反応を実施した。１時間後得られたガスをサンプリングして、ＣＯ収率を求めた。ＣＯ収率は下記式より求めた。結果を第７表に示す。
ＣＯ収率（％）＝｛（生成物中のＣＯのモル数）／（原料中のＣＯ２＋ＣＨ４のモル数）｝×１００
Figure 2002038268
産業上の利用可能性
本発明の炭化水素の改質触媒は、酸化セリウムを含むアルミナ担体に、活性成分として特定の白金族元素を担持してなるものであって、触媒活性に優れ、炭化水素の各種改質用として好適に用いられる。該触媒を用いることにより、炭化水素の水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質あるいは二酸化炭素改質を効率よく実施することができ、水素又は合成ガスが高転化率で得られる。

Claims (14)

  1. 酸化セリウムを含むアルミナ担体に、（ａ）ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム及びイリジウムの中から選ばれる少なくとも一種の白金族元素成分及び（ｂ）コバルト成分及び／又はニッケル成分を担持してなる炭化水素の改質触媒。
  2. さらに、（ｃ）アルカリ土類金属成分を担持してなる請求項１記載の炭化水素の改質触媒。
  3. 酸化セリウムを含むアルミナ担体が、酸化セリウム５〜４０重量％及びアルミナ９５〜６０重量％を含む担体である請求項１記載の炭化水素の改質触媒。
  4. （ａ）成分の担持量が、触媒全量に基づき、金属換算で０．１〜８重量％である請求項１記載の炭化水素の改質触媒。
  5. （ｂ）成分の担持量が、触媒全量に基づき、金属換算で０．１〜２０重量％である請求項１記載の炭化水素の改質触媒。
  6. （ｃ）成分の担持量が、触媒全量に基づき、金属換算で１〜２０重量％である請求項２記載の炭化水素の改質触媒。
  7. 炭化水素の水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質又は二酸化炭素改質触媒である請求項１記載の炭化水素の改質触媒。
  8. （ａ）成分の白金族元素成分がルテニウム成分である請求項１記載の炭化水素の改質触媒。
  9. 炭化水素の水蒸気改質触媒である請求項８記載の炭化水素の改質触媒。
  10. 請求項１記載の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の水蒸気改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の水蒸気改質方法。
  11. 炭化水素の改質触媒として、（ａ）成分の白金族元素成分がルテニウム成分であるものを用いる請求項１０記載の炭化水素の水蒸気改質方法。
  12. 請求項１記載の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の自己熱改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の自己熱改質方法。
  13. 請求項１記載の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の部分酸化改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の部分酸化改質方法。
  14. 請求項１記載の炭化水素の改質触媒を用いて炭化水素の二酸化炭素改質を行い、水素又は合成ガスを製造することを特徴とする炭化水素の二酸化炭素改質方法。
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