JP2007000703A - 改質触媒及び改質触媒の製造方法、燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料の改質に際してカーボンの析出を抑制し、安定して水蒸気改質を行うことができる改質触媒、その製造方法及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の改質触媒は、燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、水酸化物を前駆体としてなる活性成分が高分散で担体に担持されてなるものであり、このような小さな粒径を有する活性成分を高分散で担体に担持させることで、水蒸気改質において炭化水素と反応して水蒸気改質が良好に進行し、HCの直接分解による炭素膜の被覆が防止される。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明の改質触媒は、燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、水酸化物を前駆体としてなる活性成分が高分散で担体に担持されてなるものであり、このような小さな粒径を有する活性成分を高分散で担体に担持させることで、水蒸気改質において炭化水素と反応して水蒸気改質が良好に進行し、HCの直接分解による炭素膜の被覆が防止される。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池用の例えば灯油等の原燃料を燃料ガスに燃料改質した後に残留するCOを除去する際のCO処理装置の性能安定性を向上させる改質触媒及び改質触媒の製造方法、燃料電池システムに関する。
近年、固体高分子型燃料電池(PEFC)は低公害で、さらに熱効率が高いため自動車用電源や分散電源等の幅広い分野での動力源としての適用が期待されている。この燃料電池に、その燃料である水素を供給するには幾つかの方法が考えられるが、例えば効率的な水素製造装置を用いる方法が有望であり、かかる水素製造においてはメタノールやメタン等が原料として用いられる。メタノールは、安価な液体燃料の中で容易に化石燃料から合成され、触媒を用いて比較的容易に水素に転換できる特徴を有する。また、メタンやプロパン等の代わりに原燃料として灯油を用いることもできるが、いずれにしても先ず原燃料を改質する必要がある。
例えば灯油を原燃料とする場合の燃料改質装置の一例を図2に示す。
図2に示すように燃料改質装置10は、例えば灯油等の原燃料11を水素(H2)に改質する改質触媒を有する改質器本体12と、該改質器本体12で改質された改質ガス13中に存在するCOを二酸化炭素に変成するCO変成触媒部14と、CO変成後の燃料ガスに残存するCOを除去し、COフリーの燃料ガス15とするCO除去触媒部16とから構成されている。
図2に示すように燃料改質装置10は、例えば灯油等の原燃料11を水素(H2)に改質する改質触媒を有する改質器本体12と、該改質器本体12で改質された改質ガス13中に存在するCOを二酸化炭素に変成するCO変成触媒部14と、CO変成後の燃料ガスに残存するCOを除去し、COフリーの燃料ガス15とするCO除去触媒部16とから構成されている。
ここで、前記改質器本体12では、メタンを原料とする場合には、約700℃程度にて改質触媒によって、下式の反応(式(1))を生じさせて水素含有の改質ガス13を得る。
CH4+H2O→CO+3H2 ・・・(1)
CH4+H2O→CO+3H2 ・・・(1)
このようにして得た改質ガスは多量の一酸化炭素を含み、このCOは燃料電池の働きを阻害する被毒物質として作用する。そこで、改質器本体12の後段に設けた例えばCu−Zn等のCO変成触媒を有するCO変成触媒部14において、約200〜450℃にてシフト反応を生じさせて、下記の反応(式(2))を生じさせてCOを二酸化炭素に変換する。
CO+H2O→CO2+H2 ・・・(2)
CO+H2O→CO2+H2 ・・・(2)
前記CO変成触媒部14を経た改質ガスは一酸化炭素が通常3000〜4000ppm程度にまで減少、除去されているが、燃料電池本体に導入する燃料ガスは、固体高分子型燃料電池の電極には主に白金触媒が用いられるので、通常20ppm以下好ましくは10ppm以下のCO濃度であることが必要であり、そのままの濃度では電池が被毒してしまう。そこで、例えばPtやRu等のCO除去触媒を有するCO除去触媒部16をCO変成触媒部14の後流に設けることにより、下記の反応(式(3))を生じさせて更なる一酸化炭素除去を行う(特許文献1、2)。
CO+1/2O2→CO2 ・・・(3)
CO+1/2O2→CO2 ・・・(3)
ところで、水蒸気改質反応に用いられている触媒は一般にRu及びNiを触媒活性成分として担体にα-アルミナを代表とする耐熱性の酸化物が用いられている。
しかしながら、前記改質触媒を用い、更に水蒸気の供給量が少ない条件、或いは水蒸気供給が不安定で一時的に水蒸気が少ないような条件の場合では、炭化水素が直接分解してできるカーボン析出が起こる。
この理由として触媒に存在する酸性のサイト(反応する場所)が関係しているが、この酸性サイトはメイン反応である水蒸気改質反応の活性サイトでもあるため、安易にカーボン析出抑制のため酸性サイトをなくすことはできない、という問題がある。
しかしながら、前記改質触媒を用い、更に水蒸気の供給量が少ない条件、或いは水蒸気供給が不安定で一時的に水蒸気が少ないような条件の場合では、炭化水素が直接分解してできるカーボン析出が起こる。
この理由として触媒に存在する酸性のサイト(反応する場所)が関係しているが、この酸性サイトはメイン反応である水蒸気改質反応の活性サイトでもあるため、安易にカーボン析出抑制のため酸性サイトをなくすことはできない、という問題がある。
本発明は、前記問題に鑑み、燃料の改質に際してカーボンの析出を抑制し、安定して水蒸気改質を行うことができる改質触媒、その製造方法及び燃料電池システムを提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、水酸化物を前駆体としてなる活性成分が高分散で担体に担持されてなることを特徴とする改質触媒にある。
第2の発明は、第1の発明において、水酸化物を前駆体としてなる活性成分の粒径が5nm以下であることを特徴とする改質触媒にある。
第3の発明は、第1又は2の発明において、前記活性成分がRu,Rh,Niの少なくとも一種であることを特徴とする改質触媒にある。
第4の発明は、第1乃至3のいずれか一つの発明において、前記担体がAl2O3、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種類以上であることを特徴とする改質触媒にある。
第5の発明は、燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、前記活性成分がRu,Rh,Niの少なくとも一種であると共に、前記活性成分を担持する担体がAl2O3と、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種又は二種以上の組合せであることを特徴とする改質触媒にある。
第6の発明は、第3乃至5のいずれか一つの発明において、前記担体が塩基性酸化物と共に共存してなることを特徴とする改質触媒にある。
第7の発明は、第6の発明において、塩基性酸化物が、アルカリ土類金属であることを特徴とする改質触媒にある。
第8の発明は、第5の発明において、前記担体が無定形化されてなることを特徴とする改質触媒にある。
第9の発明は、第1乃至6のいずれか一つの発明において、前記担体の比表面積が5〜80m2/gであることを特徴とする改質触媒にある。
第10の発明は、担体成分の硝酸塩、酢酸塩或いは塩化物の水溶液を、アルカリで中和沈殿させた後、焼成することを特徴とする改質触媒の製造方法にある。
第11の発明は、第10の発明において、前記中和沈殿する際に、アルカリ土類金属を添加することを特徴とする改質触媒の製造方法にある。
第12の発明は、第10又は11の発明において、前記中和沈殿物を洗浄することを特徴とする改質触媒の製造方法にある。
第13の発明は、活性金属塩をアルカリで中和した後スラリー化すると共に、水酸化物スラリーに担体を所定量浸漬し、その後焼成することを特徴とする改質触媒の製造方法にある。
第14の発明は、第1乃至9の発明のいずれか一つの改質触媒を有する改質装置により原燃料を改質し、該改質した燃料ガスを燃料電池において発電することを特徴とする炭化水素系燃料を用いた燃料電池システムにある。
本発明の改質触媒によれば、副反応である炭素析出を防止し、活性成分の寿命が向上し、安定した水蒸気改質反応を行うことができる。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
[発明の実施形態]
本発明の第1の改質触媒は、燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、水酸化物を前駆体としてなる活性成分が高分散で担体に担持されてなるものである。
本発明の第1の改質触媒は、燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、水酸化物を前駆体としてなる活性成分が高分散で担体に担持されてなるものである。
水酸化物を前駆体としてなる活性成分はその粒径が5nm以下とするのが好ましい。
このような小さな粒径を有する活性成分を高分散で担体に担持させることで、水蒸気改質において炭化水素と反応して水蒸気改質が良好に進行し、HCの直接分解による炭素膜の被覆が防止される。
このような小さな粒径を有する活性成分を高分散で担体に担持させることで、水蒸気改質において炭化水素と反応して水蒸気改質が良好に進行し、HCの直接分解による炭素膜の被覆が防止される。
ここで、前記活性成分としては、例えばRu,Rh,Niの少なくとも一種を挙げることができる。
また、前記担体としては、水蒸気改質の改質触媒に用いるものであれば、何れでもよく、例えばAl2O3、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種類以上を用いることができる。
このような活性成分を担体に高分散化させる方法としては、活性金属塩をアルカリで中和した後、水酸化物スラリー化すると共に、前記水酸化物スラリーに担体を所定量浸漬し、その後焼成するようにすればよい。
ここで、前記アルカリとしては、例えばアンモニア、炭酸ナトリウム等を例示することができ、中和条件としては、pH6.5〜8とするのがよい。
また、前記担体を浸漬する水酸化物スラリー量としては、担体重量に対し、0.1〜5%とするのがよい。
これは、0.1%未満では、触媒反応に作用する活性サイトが少なく十分な反応速度が得られないこと、また5%を超えると活性サイトとなる粒子が凝集を起こしやすくなり高分散担持できなくなり更なる担持効果がないからである。
なお焼成は500〜1000℃とするのがよい。焼成温度が500℃未満であると、反応温度の方が高いため、活性サイトとなる粒子が反応時に凝集を起こしやすくなり、一方、1000℃を超えて焼成すると活性サイトとなる粒子の熱凝集を促進し高分散化が困難なためである。
また、前記担体を浸漬する水酸化物スラリー量としては、担体重量に対し、0.1〜5%とするのがよい。
これは、0.1%未満では、触媒反応に作用する活性サイトが少なく十分な反応速度が得られないこと、また5%を超えると活性サイトとなる粒子が凝集を起こしやすくなり高分散担持できなくなり更なる担持効果がないからである。
なお焼成は500〜1000℃とするのがよい。焼成温度が500℃未満であると、反応温度の方が高いため、活性サイトとなる粒子が反応時に凝集を起こしやすくなり、一方、1000℃を超えて焼成すると活性サイトとなる粒子の熱凝集を促進し高分散化が困難なためである。
なお、触媒成型は特に限定されるものではなく、例えば球状、円柱ペレット、ラシヒリング、ペルサドル型とすればよい。
このような方法により得られる活性成分はその粒径が5nm以下であり、担体表面に対する高分散が可能となる。これは活性成分の前駆体が塩基性の水酸基を有し、また固体酸性を有する担体サイトと強固に結びつくため焼成時の熱凝集が進みにくく、5nmという微粒子化を実現できるためである。
また、本発明の第2の改質触媒は、燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、前記活性成分がRu,Rh,Niの少なくとも一種であると共に、前記活性成分を担持する担体がAl2O3と、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種又は二種以上の組合せである。
担体の成分としてAl2O3を用いる場合、Al2O3と、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種又は二種以上の組合せとすることで、アルミナを結晶化させない状態である無定形な状態とすると共に、その無定形化させる場合に、アルカリによって中和沈澱させることで、水酸化物塩を形成し、その後焼成させることで前記水酸化物の水が占めていた部分を空隙化させて細孔を形成し、高比表面積化を図ることができる。
担体の成分としてAl2O3を用いる場合、Al2O3と、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種又は二種以上の組合せとすることで、アルミナを結晶化させない状態である無定形な状態とすると共に、その無定形化させる場合に、アルカリによって中和沈澱させることで、水酸化物塩を形成し、その後焼成させることで前記水酸化物の水が占めていた部分を空隙化させて細孔を形成し、高比表面積化を図ることができる。
一般のアルミナとジルコニアとの複合酸化物は、アルミナ粉末に硝酸ジルコニウムを添加した後に焼成することにより、アルミナのα相転移温度を高温化できるので例えば1100℃で焼成してもその比表面積を80m2/gとすることができる。
なお、アルカリ沈澱においてナトリウム塩を用いる場合には、アルカリ沈澱した後に、洗浄をしてナトリウム塩を積極的に除去して、アルミナのβ化を抑制するようにしている。
なお、アルカリ沈澱においてナトリウム塩を用いる場合には、アルカリ沈澱した後に、洗浄をしてナトリウム塩を積極的に除去して、アルミナのβ化を抑制するようにしている。
このように、アルミナ以外のジルコニアの存在によりアルカリ中和することで、アルミナの無定形化を図り、担体の空隙量を多くすることで、高比表面積化を達成することができる。
この高表面積担体の調製としては、担体成分の硝酸塩、酢酸塩或いは塩化物の水溶液を、アルカリで中和沈殿させた後、焼成するようにしている。
この結果得られる担体の比表面積は5〜80m2/gであり、平均細孔径は10〜50nmである。
この結果得られる担体の比表面積は5〜80m2/gであり、平均細孔径は10〜50nmである。
ここで、前記アルカリとしては、例えばアンモニア、炭酸ナトリウム等を例示することができ、中和条件としては、pH7〜9とするのがよい。
焼成は700〜1100℃とするのがよい。焼成温度が700℃未満であると、反応時に担体の細孔構造変化が起こりやすくなり、活性サイトの熱凝集を促進させること、一方、1100℃を超えて焼成すると、担体に含まれるのアルミナのα相転移が起こり比表面積が大幅に低下するため好ましくない。
焼成は700〜1100℃とするのがよい。焼成温度が700℃未満であると、反応時に担体の細孔構造変化が起こりやすくなり、活性サイトの熱凝集を促進させること、一方、1100℃を超えて焼成すると、担体に含まれるのアルミナのα相転移が起こり比表面積が大幅に低下するため好ましくない。
また、前記担体が塩基性酸化物と共に共存してなることが更に好ましい。
この塩基性酸化物としては、MgO、CaO、SrO等のアルカリ土類金属であることが好ましい。
これは、例えばアルミナ等の担体成分の表面に存在するルイス酸点をアルカリ土類金属で中和し、炭化水素がルイス酸点への直接吸着を防止し、炭素被覆を防止するようにしている。
この塩基性酸化物としては、MgO、CaO、SrO等のアルカリ土類金属であることが好ましい。
これは、例えばアルミナ等の担体成分の表面に存在するルイス酸点をアルカリ土類金属で中和し、炭化水素がルイス酸点への直接吸着を防止し、炭素被覆を防止するようにしている。
この結果、Ru等の活性成分が高比表面積の担体に高分散で担持されることとなるので、水蒸気改質反応が良好に進行し、炭化水素の直接分解によるカーボン析出が防止される。
また、アルカリ土類金属で担体を複合化することで、高比表面積であると共に、ルイス酸点の中和を図ることができ、Ru等の活性成分のシンタリングを防止し、高分散で担持可能とすると共に、炭化水素の直接担体への吸着を防止してカーボン析出を防止する。
また、アルカリ土類金属で担体を複合化することで、高比表面積であると共に、ルイス酸点の中和を図ることができ、Ru等の活性成分のシンタリングを防止し、高分散で担持可能とすると共に、炭化水素の直接担体への吸着を防止してカーボン析出を防止する。
本発明の改質触媒を用いることにより副反応を抑制し安定して水蒸気改質反応を行うことができる。
以下、本発明の改質触媒を用いた改質装置を適用することのできる燃料電池の発電システムについて、図面を参照して説明する。
図1は、PEFC型燃料電池の発電システムを示す概念図である。
図1に示すように、本実施形態に係るPEFC型燃料電池発電システム(PEFC発電システム)1000は、燃料ガス1001を供給する燃料極1002−1と、空気1003を供給する空気極1002−2と、冷媒1004を供給して作動時の電気化学反応に伴う発生熱を除去する冷却部1002−3とからなる燃料電池1002と、燃料極1002−1に供給する燃料ガス1001を原燃料1005から改質する燃料改質装置1006とを具備してなり、燃料極1002−1に供給した燃料により発電されて、燃料電池1002から直流電力1020を得ている。この発電システム1000は、図示しない制御システムにより、燃料電池の起動、発電、停止及び警報・保護を全自動で行うようにしている。
図1は、PEFC型燃料電池の発電システムを示す概念図である。
図1に示すように、本実施形態に係るPEFC型燃料電池発電システム(PEFC発電システム)1000は、燃料ガス1001を供給する燃料極1002−1と、空気1003を供給する空気極1002−2と、冷媒1004を供給して作動時の電気化学反応に伴う発生熱を除去する冷却部1002−3とからなる燃料電池1002と、燃料極1002−1に供給する燃料ガス1001を原燃料1005から改質する燃料改質装置1006とを具備してなり、燃料極1002−1に供給した燃料により発電されて、燃料電池1002から直流電力1020を得ている。この発電システム1000は、図示しない制御システムにより、燃料電池の起動、発電、停止及び警報・保護を全自動で行うようにしている。
前記改質装置による原燃料1005としては、例えば天然ガス(都市ガス:例えば13A)、LPGなどの気体燃料を挙げることができる。また、前記天然ガス及びLPGに含有されるS成分を除去するために本発明にかかる脱硫剤を用いた脱硫装置1007が設けられている。
前記脱硫装置1007により脱硫された原燃料1005は、燃料改質装置1006にて改質される。ここで、前記原燃料1005の改質は、主として、燃料改質装置1006の燃料改質器1006−1の改質器本体1006−1Aの改質触媒(図示せず)における水蒸気改質反応によって行われる。即ち、原燃料1005と水蒸気1009とを混合して改質触媒層に流通させ、改質器バーナ1006−1Bを用いて、例えば700〜800℃の温度で水蒸気改質反応(都市ガスを用いる場合にはCH4+H2O→CO+3H2)を起こさせることにより行われる。前記改質触媒としては、前述した第1改質触媒又は第2改質触媒を用いる。また、改質された燃料ガス1001は必要に応じてCO変成触媒部1006−2とPROx(PReferential OXidation)触媒部1006−3とを通過させるようにしてもよい。
また、前記冷媒1004の冷却ラインL1には、例えば水又は空気等を熱交する放熱部1010が設けられており、燃料電池発電における発熱の際に放熱するようにしている。また、本システムでは、前記放熱部1010等のように、前記燃料電池発電反応に付随して発生する熱を利用して各種の熱源とするようにしている。
図1のシステムにおいて、燃料電池発電の起動時の際には、改質器バーナ1006−1Bに原燃料1005を供給して改質器本体1006−1Aを昇温させて、水蒸気改質に適した所定の温度条件とした後、原燃料1005を供給して燃料ガス1001に改質する。その後、得られた燃料ガス1001は、必要に応じて更なる改質を経た後、燃料極1002−1に供給され、発電が開始される。前記燃料極1002−1からの排出ガスは、未反応ガスを利用するために、改質器バーナ1006−1Bに送られここで燃焼される。
本PEFC型燃料電池の発電システムは、前述した炭化水素系燃料用の脱硫剤を用いた脱硫装置1007で脱硫するので、長期間に亙って低温域から高温域において安定した脱硫を行うことができ、信頼性の高い燃料電池システムを提供することができる。
「触媒の調製方法」
まず、担体の調製方法について説明する。
実施例1の担体(ZrO2・Al2O3)の調製
所定量の硝酸アルミニウム及び硝酸ジルコニウムをイオン交換水に溶かし、pH4.0になるまでイオン交換水を添加する。40℃に保温し攪拌しながらpH7.0になるまで1Nアンモニア水を徐々に滴下する。2時間そのまま攪拌を続けて熟成させる。このときpHが徐々に低下するため、随時アンモニア水を滴下してpH7.0を保つようにした。このようにして得られた沈殿物を水洗、120℃で乾燥して担体となる酸化物の前駆体を得た。またこの前駆体はX線回折法による分析の結果、ジルコニア及びアルミナを含む複合水酸化物塩であり、Sherrerの式によるX線回折スペクトルの半価幅より一次粒子径が5nm以下であり、結晶化が進んでいないアモルファス状態であることを確認した。
続いてこの水酸化物を1000℃の焼成炉で24時間焼成することにより、ジルコニア及びアルミナを含む酸化物担体(担体番号1)を得た。
まず、担体の調製方法について説明する。
実施例1の担体(ZrO2・Al2O3)の調製
所定量の硝酸アルミニウム及び硝酸ジルコニウムをイオン交換水に溶かし、pH4.0になるまでイオン交換水を添加する。40℃に保温し攪拌しながらpH7.0になるまで1Nアンモニア水を徐々に滴下する。2時間そのまま攪拌を続けて熟成させる。このときpHが徐々に低下するため、随時アンモニア水を滴下してpH7.0を保つようにした。このようにして得られた沈殿物を水洗、120℃で乾燥して担体となる酸化物の前駆体を得た。またこの前駆体はX線回折法による分析の結果、ジルコニア及びアルミナを含む複合水酸化物塩であり、Sherrerの式によるX線回折スペクトルの半価幅より一次粒子径が5nm以下であり、結晶化が進んでいないアモルファス状態であることを確認した。
続いてこの水酸化物を1000℃の焼成炉で24時間焼成することにより、ジルコニア及びアルミナを含む酸化物担体(担体番号1)を得た。
実施例2〜8の担体の調製
一部硝酸塩を塩化物、酢酸塩に変え、更に構成元素をセリウム、ネオジム、ランタン及びプラセオジムに変えたこと以外は実施例1の担体と同様な調製法により、実施例2〜8の担体(担体番号2〜8)を得た。
担体の調製リストを表1に示す。
なお、表1中、※1)は、sherrerの式によるX線回折スペクトルの半価幅より算出した値であり、※2)は、1000℃×24時間焼成後の値である。
一部硝酸塩を塩化物、酢酸塩に変え、更に構成元素をセリウム、ネオジム、ランタン及びプラセオジムに変えたこと以外は実施例1の担体と同様な調製法により、実施例2〜8の担体(担体番号2〜8)を得た。
担体の調製リストを表1に示す。
なお、表1中、※1)は、sherrerの式によるX線回折スペクトルの半価幅より算出した値であり、※2)は、1000℃×24時間焼成後の値である。
「担体への塩基性酸化物の高分散添加」
イオン交換水に表1の担体(担体番号1〜8)を添加し、攪拌してスラリー化する。更にアルカリ土類金属の硝酸塩を添加し、これに1Nのアンモニア水を添加してpH7.0にする。この担体を含む沈殿物を水洗濾過し、焼成炉にて500℃、5時間焼成することにより塩基性酸化物を含む実施例担体1〜8を得た。上記方法により調製した担体は、ピリジンを200℃にて担体に飽和吸着し、徐々に昇温して脱離するピリジン量を記録するという昇温脱離プログラム法(TPD法)により酸性点の中和度合を測定した。
イオン交換水に表1の担体(担体番号1〜8)を添加し、攪拌してスラリー化する。更にアルカリ土類金属の硝酸塩を添加し、これに1Nのアンモニア水を添加してpH7.0にする。この担体を含む沈殿物を水洗濾過し、焼成炉にて500℃、5時間焼成することにより塩基性酸化物を含む実施例担体1〜8を得た。上記方法により調製した担体は、ピリジンを200℃にて担体に飽和吸着し、徐々に昇温して脱離するピリジン量を記録するという昇温脱離プログラム法(TPD法)により酸性点の中和度合を測定した。
なお、前記TPD法においては、脱離するピリジン量が多ければ酸性点が多く存在し、脱離する温度が高ければ強酸点が存在していることを意味する。塩基性酸化物を含む担体の調製リストを表2に示す。
表2の塩基性酸化物を含む担体の調製リストにおいて、TPD法において650℃までの昇温により脱離したピリジン量を吸着ピリジン量の比として算出した。
表2の塩基性酸化物を含む担体の調製リストにおいて、TPD法において650℃までの昇温により脱離したピリジン量を吸着ピリジン量の比として算出した。
「活性成分の担持」
最初に5重量%の硝酸ルテニウム(Ru(NO3)4)水溶液に1Nのアンモニア水をpH7.5になるまで添加し、黒色の水酸化ルテニウムを含むスラリーを調製した。
同様な方法にて水酸化ニッケル、水酸化ロジウムを含むスラリーを得た。
続いて表2に示す担体(実施例担体1〜8)に触媒成分の水酸化塩を含むスラリーを所定量添加し蒸発乾固法により、触媒成分を担持した。この状態では触媒成分は水酸化物であるので、これを700℃で5時間焼成することにより実施例触媒(触媒番号1〜8)を得た。またα−アルミナ及びジルコニアを含むアルミナ担体に、水酸化ルテニウム及び水酸化ニッケルを含むスラリーを所定量添加し、蒸発乾固した触媒9〜12を調製した。
なお比較触媒については各々の元素の硝酸塩を担体に含浸し蒸発乾固させて調製した。触媒リストについて表3に示す。
最初に5重量%の硝酸ルテニウム(Ru(NO3)4)水溶液に1Nのアンモニア水をpH7.5になるまで添加し、黒色の水酸化ルテニウムを含むスラリーを調製した。
同様な方法にて水酸化ニッケル、水酸化ロジウムを含むスラリーを得た。
続いて表2に示す担体(実施例担体1〜8)に触媒成分の水酸化塩を含むスラリーを所定量添加し蒸発乾固法により、触媒成分を担持した。この状態では触媒成分は水酸化物であるので、これを700℃で5時間焼成することにより実施例触媒(触媒番号1〜8)を得た。またα−アルミナ及びジルコニアを含むアルミナ担体に、水酸化ルテニウム及び水酸化ニッケルを含むスラリーを所定量添加し、蒸発乾固した触媒9〜12を調製した。
なお比較触媒については各々の元素の硝酸塩を担体に含浸し蒸発乾固させて調製した。触媒リストについて表3に示す。
「炭化水素の改質性能評価」
定床流通式リアクタを用いて表4に示す反応条件にて炭化水素の改質性能評価を行った。
なお、触媒性能の評価には下記のパラメータを用いた。
CH4反応率(%)=[(生成+CO2量(mol/h))/(原料CH4量(mol/h))×100
定床流通式リアクタを用いて表4に示す反応条件にて炭化水素の改質性能評価を行った。
なお、触媒性能の評価には下記のパラメータを用いた。
CH4反応率(%)=[(生成+CO2量(mol/h))/(原料CH4量(mol/h))×100
評価は表4に示す条件にて連続2000時間の評価を行い、CH4反応率の低下度合及び抜き出した触媒に付着したC量から効果の有無を判断した。そのメタン改質の評価結果を表5に示す。
表5より本発明の触媒はメタンの水蒸気改質反応において安定した性能を示すことが判明した。
以上のように、本発明にかかる改質触媒は、副反応である炭素析出を防止し、活性成分の寿命が向上し、安定した燃料電池の水蒸気改質反応に用いるのに適している。
1001 燃料ガス
1002 燃料電池
1005 原燃料
1006 燃料改質装置
1006−1A 改質器本体
1006−2 CO変成触媒部
1006−3 PROx触媒部
1002 燃料電池
1005 原燃料
1006 燃料改質装置
1006−1A 改質器本体
1006−2 CO変成触媒部
1006−3 PROx触媒部
Claims (14)
- 燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、
水酸化物を前駆体としてなる活性成分が高分散で担体に担持されてなることを特徴とする改質触媒。 - 請求項1において、
水酸化物を前駆体としてなる活性成分の粒径が5nm以下であることを特徴とする改質触媒。 - 請求項1又は2において、
前記活性成分がRu,Rh,Niの少なくとも一種であることを特徴とする改質触媒。 - 請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
前記担体がAl2O3、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種類以上であることを特徴とする改質触媒。 - 燃料電池用の炭化水素系の原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒であって、
前記活性成分がRu,Rh,Niの少なくとも一種であると共に、
前記活性成分を担持する担体がAl2O3と、ZrO2、CeO2、Nd2O3、La2O3、Pr2O3のうち一種又は二種以上の組合せであることを特徴とする改質触媒。 - 請求項3乃至5のいずれか一つにおいて、
前記担体が塩基性酸化物と共に共存してなることを特徴とする改質触媒。 - 請求項6において、
塩基性酸化物が、アルカリ土類金属であることを特徴とする改質触媒。 - 請求項5において、
前記担体が無定形化されてなることを特徴とする改質触媒。 - 請求項1乃至6のいずれか一つにおいて、
前記担体の比表面積が5〜80m2/gであることを特徴とする改質触媒。 - 担体成分の硝酸塩、酢酸塩或いは塩化物の水溶液を、アルカリで中和沈殿させた後、焼成することを特徴とする改質触媒の製造方法。
- 請求項10において、
前記中和沈殿する際に、アルカリ土類金属を添加することを特徴とする改質触媒の製造方法。 - 請求項10又は11において、
前記中和沈殿物を洗浄することを特徴とする改質触媒の製造方法。 - 活性金属塩をアルカリで中和した後スラリー化すると共に、
水酸化物スラリーに担体を所定量浸漬し、その後焼成することを特徴とする改質触媒の製造方法。 - 請求項1乃至9のいずれか一つの改質触媒を有する改質装置により原燃料を改質し、該改質した燃料ガスを燃料電池において発電することを特徴とする炭化水素系燃料を用いた燃料電池システム。
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- 2005-06-21 JP JP2005181123A patent/JP2007000703A/ja not_active Withdrawn
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