JP2001302205A - 水素含有ガス中の一酸化炭素低減方法および触媒 - Google Patents

水素含有ガス中の一酸化炭素低減方法および触媒

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JP2001302205A JP2000127553A JP2000127553A JP2001302205A JP 2001302205 A JP2001302205 A JP 2001302205A JP 2000127553 A JP2000127553 A JP 2000127553A JP 2000127553 A JP2000127553 A JP 2000127553A JP 2001302205 A JP2001302205 A JP 2001302205A
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hydrogen
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gas
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Koki Takamura
光喜 高村
Yasushi Hiramatsu
靖史 平松
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】燃料電池の水素源として利用するため、メタノ
ールの改質反応により得られた水素含有ガス中の一酸化
炭素濃度を効率的に低減する方法および触媒を提供す
る。 【解決手段】マンガン・白金共存系触媒の存在下、水素
含有ガス中の一酸化炭素に対して0.5〜2倍の酸素
を、40〜200℃で接触させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は触媒を用いて水素含
有ガス中の一酸化炭素を低減する方法および触媒に関
し、詳しくは燃料電池の水素源として利用するために、
炭化水素やメタノール等の改質反応により製造された水
素含有ガス中の一酸化炭素を低減する方法および触媒に
関する。
【0002】
【従来の技術】水素含有ガスは炭化水素やメタノール等
を水蒸気と改質反応させることにより製造され有機化学
品の原料として用いられているが、最近は特に燃料電池
の水素源としての利用が注目されている。これらの水素
含有ガスには一酸化炭素が含まれており、燃料電池の水
素源として利用する場合には一酸化炭素が燃料電池の電
極の白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させる
ために水素濃度を極力低下させる必要がある。一酸化炭
素の許容濃度は、例えばリン酸型燃料電池の場合は数%
以下であり、固体高分子型電池の場合は数10ppm以
下である。メタノールは比較的低温で水蒸気との改質反
応を行うことができ、一酸化炭素の含量が少ないことか
ら燃料電池の水素源として有利に使用することができ
る。このためメタノールを原料とする燃料電池の開発が
進められている。
【0003】触媒を用いて水素含有ガス中の一酸化炭素
を酸化して炭酸ガスとすることにより一酸化炭素濃度を
低減する方法としては、特開平5-245376号に酸化銅・酸
化アルミニウム・酸化マグネシウム触媒を用いて水蒸気
による一酸化炭素の変換を行う方法が記載されており、
特開平8-295502号には金属酸化物に金超微粒子を分散担
持された触媒を用いて一酸化炭素を選択的に酸化除去す
る方法が記載されている。また特開平9-30802 号には白
金・ルテニウム触媒を用いて、メタノールの改質反応に
より得られた水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減す
る装置が記載されている。特開平11-102719 号にはルテ
ニウムにアルカリ金属を添加した触媒を用いて水素リッ
チガス中に含まれる一酸化炭素濃度を選択的に酸化する
装置が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記の酸化銅・酸化ア
ルミニウム・酸化マグネシウム触媒を用いる方法 (特開
平5-245376号) は、反応温度が 300〜400 ℃と高く、一
酸化炭素の変換率が小さい。金属酸化物に金超微粒子を
分散担持された触媒を用いる方法 (特開平8-295502号)
は、低温で反応するものの、触媒が非常に高価である。
また白金・ルテニウム触媒を用いる方法 (特開平9-3080
2 号) やルテニウムにアルカリ金属を添加した触媒を用
いる方法 (特開平11-102719 号) も触媒が高価であり、
また一酸化炭素の一部が水素と反応してメタン化を起こ
しやすい。メタン化は水素を多く消費するとともに反応
時の発熱量が大きく、温度暴走し易く、反応温度の制御
が困難である。本発明の目的は、燃料電池の開発のため
に、メタノールの改質反応等により得られた水素含有ガ
ス中の一酸化炭素濃度を効率的に低減する方法および触
媒を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の如き
課題を有する水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減す
る方法について鋭意検討した結果、マンガン・白金共存
系触媒を用い、一酸化炭素と酸素を接触させることによ
り水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を効率良く低減する
ことができることを見出し、本発明に到達した。即ち本
発明は、マンガン・白金共存系触媒の存在下、一酸化炭
素と酸素を接触させることを特徴とする水素含有ガス中
の一酸化炭素低減方法および、担体にマンガンおよび白
金含有成分を担持させてなる一酸化炭素低減用触媒であ
る。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明における原料の水素含有ガ
スは特に限定されないが、通常、炭化水素またはメタノ
ールの水蒸気改質、或いは部分酸化により製造される。
炭化水素としては、メタンを主成分とする気体状の天然
ガス、液体状のLPG、ナフサ、軽質油などが用いられ
る。炭化水素の水蒸気改質炉にはニッケル系触媒が用い
られ 800〜1000℃で反応させ、水素、一酸化炭素および
二酸化炭素を主成分とする合成ガスが製造される。本発
明における原料の水素含有ガスには、上記により製造さ
れた合成ガス中の一酸化炭素を鉄系触媒や銅系触媒を用
いて二酸化炭素に転化したものが用いられる。該水素含
有ガスには通常 1モル%程度の一酸化炭素が含まれる。
【0007】メタノールの水蒸気改質は銅−亜鉛系の触
媒、Pd,Pt などの貴金属系触媒を用いて、 200〜350 ℃
程で反応させ、水素および二酸化炭素を主成分とする合
成ガスが製造される。一般に貴金属系触媒を用いた場
合、該合成ガスには、1〜5モル%程度の一酸化炭素が
含まれ、銅−亜鉛系触媒を用いた場合、該合成ガスに
は、1モル%以下の一酸化炭素が含まれるが、これらの
合成ガスを本発明における原料の水素含有ガスとして直
接に使用される。
【0008】本発明おいて上記による原料の水素含有ガ
スに酸素含有ガスを添加し、マンガン・白金共存系触媒
を用いて反応させることにより、一酸化炭素が選択的に
酸化されて二酸化炭素となり、一酸化炭素濃度が低減さ
れる。触媒活性成分となるマンガンおよび白金を含有す
る組成物としては、共沈殿触媒、担持触媒などの形体を
選ぶことが出来る。共沈殿触媒では、マンガン、白金を
含む水溶液から、例えば炭酸アルカリ沈澱剤により沈澱
させる方法などを使うことが出来る。また担持触媒で
は、マンガン沈澱スラリーに担体成分スラリーを添加し
て炭酸ガスにより炭酸化する方法等から得られたマンガ
ン含有触媒に白金含有成分を担持するなど適宜採用でき
る。触媒担体は表面積の高いアルミナ、シリカ等が好適
であるが、活性成分担持の際の順序、方法は特に限定な
く、含浸法や析出法などの公知の方法を組み合わせて使
うことが出来る。車載型燃料電池に使用するためには担
体にマンガン含有成分および白金含有成分を担持させて
なる触媒が好ましい。組成物含有量としてはマンガンは
0.1〜80重量%、好ましくは 0.5〜50重量%であり、Pt
は0.05〜50重量%、好ましくは 0.2〜5 重量%である。
【0009】一酸化炭素を選択的に酸化するための反応
条件は次の通りである。反応温度は通常40〜200 ℃であ
り、好ましくは60〜160 ℃である。水素含有ガスへの酸
素添加量は一酸化炭素含量の 0.5〜4 倍、好ましくは
0.5〜2 倍である。圧力は常圧〜20気圧(0.1〜2MPa)程
度である。触媒の使用量はガス空間速度(GHSV)と
して 100〜50000[1/h]、好ましくは50〜30000[1/h]であ
る。
【0010】本発明の方法で使用されるマンガン・白金
共存系触媒は、酸素反応率が比較的低温域より高く、C
O酸化選択率が40〜180℃でほぼ一定であるのが特徴で
ある。すなわち 260℃までの温度で一酸化炭素と水素と
の反応によるメタン化反応は殆ど起こらない。また 200
℃以下の温度で炭酸ガスと水素による逆シフト反応が起
きず、一酸化炭素の酸化による炭酸ガス生成反応が酸素
の消費に対して 40%以上の選択率で行われる。本発明の
方法では、COが1モル%程度含まれるメタノールの水
蒸気改質による水素含有ガスを処理する場合、50〜200
℃程度の比較的低温でCO濃度を 0.1モル%以下とする
ことができ、水素燃焼量が極めて少ない。このため、本
発明の方法により50〜200 ℃程度の温度範囲で処理した
水素含有ガスをリン酸型燃料電池に極めて好適に用いる
ことができる。
【0011】
【実施例】次に実施例により本発明をより具体的に説明
する。但し本発明は以下の実施例により制限されるもの
ではない。なお、実施例1および各比較例における触媒
性能の評価における原料ガスには、CO 0.5モル%、O
2 0.5 モル%、CO2 24モル%、H2 75モル%(O2 /
COモル比=1.0)の組成の酸素を含有する改質ガス
を、また、実施例2においてはCO 0.5モル%、O2 0.
75 モル%、CO2 25モル%、H2 73.75モル%(O2/
COモル比=1.5)の組成の酸素を含有する改質ガスを
用いた。常圧下、一定の空間速度 (SV) で反応温度を
40〜260 ℃に変化させた時の反応後のガス組成をガスク
ロマトグラフにより分析した。触媒性能の評価の結果を
示す図において、酸素反応率は原料ガス中の酸素の反応
率(転化率)を示し、CO酸化選択率は反応酸素の中で
CO酸化反応に寄与したものの比率を示す。反応酸素の
中でCO酸化反応に寄与しなかったものは殆ど水素の燃
焼に消費されている。
【0012】実施例1 Mnとして0.5wt%量の硝酸マンガン6水和物を溶かした水
溶液を用い、市販のアルミナ球(平均径1.5mm 、BET 比
表面積:200 〜240m2 /g)にエバポレータにて減圧乾
燥で0.5wt%のMnを担持し、乾燥した。次ぎに、0.5wt%Pt
相当のアセチルアセトナト白金のアセトン溶液を用い、
エバポレータにて減圧乾燥で更に0.5wt%の白金を担持
し、乾燥した後、360 ℃で焼成し、0.5wt%Mn-0.5wt%Pt/
アルミナ触媒を得た。触媒性能評価 (SV=6039[1/h])
の結果を図1に示す。該触媒を用いた場合、40〜260 ℃
の温度範囲ではメタンの発生はなく、反応温度が約 70
〜190 ℃の範囲でCO濃度が0.05mol%以下に低下した。
この温度範囲での酸素反応率が 90%以上であり、CO酸
化選択率が約40〜45% の範囲内であった。
【0013】実施例2 原料ガスの組成をO2 /COモル比=1.5に変更した以
外は実施例1と同様な条件で反応させた。触媒性能評価
(SV=6039[1/h]) の結果を図2に示す。原料ガスの組
成をO2 /COモル比=1.5にした場合、反応温度が約4
0〜190℃の範囲でCO濃度が0.05mol%以下に低下した。
この温度範囲での酸素反応率が90%以上であり、CO酸
化選択率が約30〜35% の範囲内であった。
【0014】比較例1 実施例1において白金を担持せずに0.5wt%Mn/アルミナ
触媒を得た。実施例1と同様な条件で反応させた (SV
=6039[1/h]) 。結果を図3に示す。該触媒では、40〜26
0 ℃の温度範囲ではメタンの発生はないが、CO濃度を
0.15mol%以下にすることができなかった。また、CO
酸化選択率は 40%以下であった。
【0015】比較例2 実施例1においてマンガンを担持せずに1.0wt%Pt/アル
ミナ触媒を得た。実施例1と同様な条件で反応させた
(SV=6152[1/h]) 。結果を図4に示す。該触媒では約
150℃以上にしないと酸素反応率を 80%以上とすること
ができなかった。また、CO濃度が 0.1mol%以下となる
のは約 130〜190 ℃の限られた温度範囲であった。
【0016】比較例3 実施例1においてマンガンを担持せずに、アセチルアセ
トナト白金に代えてアセチルアセトナトルテニウムを用
い、1.0wt%Ru/アルミナ触媒を得た。実施例1と同様な
条件で反応させた (SV=6152[1/h]) 。結果を図5に示
す。該触媒では 150℃以上でメタンの発生があり、温度
上昇によりメタン発生量が急激に増大した。また、約 1
30℃以上にしないと酸素反応率を 80%以上とすることが
できなかった。約 130℃以上の温度ではCO濃度が0.05
mol%以下となった。該触媒を用いた場合、低温では酸素
をCO濃度低減に有効に使用できず、高温ではメタンや
水素燃焼のために水素が大量に消費することになる。
【0017】
【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明の方法によればCOが1%程度含まれるメタノール
の水蒸気改質による水素含有ガスが50〜200 ℃程度の比
較的低温でCO濃度を 0.1mol%以下とすることができ、
水素損失が極めて少ない。従って本発明の方法により処
理した水素含有ガスはリン酸型等の燃料電池に極めて好
適に用いることができ、本発明の工業的意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の触媒における性能評価の結果を示す
図面である。
【図2】実施例2の触媒における性能評価の結果を示す
図面である。
【図3】比較例1の触媒における性能評価の結果を示す
図面である。
【図4】比較例2の触媒における性能評価の結果を示す
図面である。
【図5】比較例3の触媒における性能評価の結果を示す
図面である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // H01M 8/06 C10L 3/00 B Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB31 4G069 AA03 BA01B BB02A BB02B BC62A BC62B BC75A BC75B CC32 DA06 EB18Y EC03Y 4H060 AA01 AA04 BB08 BB11 FF02 GG02 5H027 AA04 BA01 BA16

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マンガン・白金共存系触媒の存在下、一酸
    化炭素と酸素を接触させることを特徴とする水素含有ガ
    ス中の一酸化炭素低減方法。
  2. 【請求項2】水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素に対
    して 0.5〜2 倍の酸素を、40〜200 ℃で接触させる請求
    項1に記載の水素含有ガス中の一酸化炭素低減方法。
  3. 【請求項3】担体にマンガンおよび白金含有成分を担持
    させてなる一酸化炭素低減用触媒。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100460433B1 (ko) * 2001-12-11 2004-12-08 (주)에너피아 개질가스 정제용 촉매 및 이를 이용하여 수소가 풍부한개질가스 내의 일산화탄소를 선택적으로 제거하는 방법

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