JP5372780B2 - 一酸化炭素の選択メタン化のための触媒及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、特に燃料電池システムで使用するために、水素及び二酸化炭素含有流体中で一酸化炭素を選択的にメタン化する触媒組成物を使用する方法に関する。
低温PEM燃料電池(PEM=高分子電解質膜)は、明確な質の(defined quality)水素又は水素リッチガスを用いることによってのみ機能させることが可能である。特に一酸化炭素(CO)濃度は重要なパラメーターである。CO濃度は使用されるエネルギー担体及び改質方法に左右される。比較的高いCO濃度の除去は、更なる水素の生成を伴う水性ガスシフト反応により可能である。
Figure 0005372780
処理設計及び温度によってはこの反応は平衡反応であるので、COの残存濃度が通常は0.25〜1.5体積%でガス流に残存する。銅の含有量が高い触媒を使用する場合、例えば、COの除去を2500ppmまで達成することができる。しかしながら、水素リッチガス中のCO含有量は、アノード触媒の被毒を防ぐために更に減少させなければならない。この場合の基準値(guide value)は、多くても10〜50ppmの間である。
ガス流に存在するCOの量は通常は、良好な精製工程において、必要とされる限度未満に低減される。選択酸化は近年最も一般的なCO除去方法である。選択酸化は高度に発展しているが、中程度の選択性しかないという欠点だけでなく、空気の供給を正確に計測する必要があり、その結果、測定が高度なものとなり制御が複雑となる。必要とする酸素とCOの比を正確に維持できない場合、水素の損失が多くなる。更に、通常20℃以下という狭い温度ウィンドウは反応装置の複雑な熱制御を必要とする。また、酸化剤(酸素)のガスへの添加を通じて更に安全性の問題が生じる。H2との反応(メタン化)によるCOの除去は、処理技術において安全性の問題を不必要に実現できるおかげで、CO選択酸化よりも重要な利点を有する。
COのメタン化(一酸化炭素のメタンへの水素化)は、以下の反応式に従って進行する:
Figure 0005372780
進行する競争反応はCO2のメタンへの変換である:
Figure 0005372780
選択的COメタン化の特有の課題は、CO2で水素を更に消費するので、CO2ではなくCOを優先的に水素化すべきことである。熱力学的にCOのメタン化はCO2のメタン化よりも好ましい。CO2のメタン化は、リフォーメート中において200〜300ppmのCO濃度限度未満では発生しないことが知られている。リフォーメート中のCO濃度はおよそ15000ppm、即ち、示された上限の50倍よりも高い。およそ15〜25体積%であるCO2含有量は、CO含有量を超える大規模なものである。従ってCO選択触媒は、例えばPEM燃料電池で必要とされているように、CO濃度が低い場合は不可欠である。
COの選択メタン化は以前から公知である。当初はCOをニッケル触媒を通してメタン化していたが、CO2を予め洗浄(scrubbed)しなければならなかった。1968年にCOの選択メタン化のためのルテニウム触媒がBakerらによってクレームされた(特許文献1)。これは酸化アルミニウム担体物質に担持したルテニウム又はロジウム触媒を使用するものであった。非特許文献1では同様に、125〜300℃の間の温度において、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含むガス混合物中で、ルテニウム触媒を使用してCOを選択的にメタン化することについて記載されている。1972年の特許文献2は、この反応のためのラネーニッケル触媒がクレームされている。
特許文献3では、酸素消費の低減及びCO2のメタン化比率の低減を目的として、選択酸化用装置にメタン化工程が組み合わされている。メタン化のために使用された触媒は、酸化アルミニウム担体に担持したRu、Pt、Rh、Pd又はNiを含む。
特許文献4では、異なる温度基準の2つのメタン化工程が互いに連結されている。この利点は、高温度工程で(存在する場合には)少量のCO2しかメタン化されないが、一酸化炭素の大部分が既に分解されていることであるといわれている。次の低温メタン化工程で残存COが除去される。貴金属触媒、特にアルムニウム担体に担持されたRhが使用される。
特許文献5では、選択酸化のための第1工程と、活性成分としてロジウムを用いる次のメタン化工程とを一体化することについて記載されている。この一体化により、両工程を適切な条件下で行うことが可能になるといわれている。
また、より最近の特許出願、例えば特許文献6では、ガス精製の最終処理工程として、メタン化反応装置を選択酸化用装置の下流に接続することが記載されており、この理由は、より簡易な構造及びより優れた取り扱い性であり、主にルテニウムやニッケルを基礎とする従来の触媒を使用している。
特許文献7では、アルミニウム、チタン、ケイ素又はジルコニウムの酸化物から選択される耐火性無機酸化物に塗布されたメタン化触媒について検討されている。
特許文献8では、β−ゼオライト、モルデナイト及びフォージャサイトに担持したRu、Rh、Ni又はこれらの組み合わせからなる触媒を通した選択メタン化について記述されている。所望のCO濃度(100ppm未満)がこの方法で達成されるが、190℃(触媒が活性を示す温度)を超える温度での選択性は50%未満に著しく低下する。CO2の水素化は、一分子当たりCOの水素化の3/2の水素を消費するので、最大限の選択性の必要性は非常に重要である。更に、存続可能な触媒活性は、170〜180℃の間という非常に狭い温度ウィンドウでのみ達成される。
US−A−3615164 US−A−3663162 EP−A−1174486 EP−A−0946406 WO97/43207 EP−A−1246286 JP−A−2002/068707 EP−A−1707261 US−A−2005/0096212
Chemical Abstracts, volume 74, 1971, 35106u Handbook of heterogeneous catalysis, Vol.1 VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1997
従来技術では、確保されるべきCO2の含有量の維持をしつつCOの含有量を十分に低下させることができなかった。今日まで開発された触媒は、選択的に十分に作用しないか、極めて狭い温度範囲にでのみ作用するか、いずれかである。極めて狭い温度範囲により、特に「選択メタン化」という概念の工業的実施が非常に困難なものとなる。なぜなら、選択性が低下するとすぐに、反応装置が加熱され、これによりCO2の更なるメタン化が起こり、処理装置の熱的「暴走(runaway)」を引き起こすからである。この反応の発熱により結果的にホットスポットが生じる。このため、広い温度ウィンドウで機能しなければならない。同様に問題なことは、モノリスを触媒として使用した場合、モノリス内での断熱温度が増加することであり、これは実際に頻繁に起こる。
特に燃料電池の用途のため、供給される水素リッチガス中における必要な最大CO含有量及び広い温度ウィンドウでの必要な高い選択性(CO2ではなくCOのメタン化)には、好適な失活抵抗性(deactivation-resistant)触媒の発展に大きな可能性が未だに示されている。
従って、本発明の目的は、広い温度範囲内で選択的且つ活性であるCO選択メタン化触媒を提供することにある。
本目的は、水素及び二酸化炭素含有流体の一酸化炭素の選択メタン化のため、活性成分としてルテニウムを含み、担体物質としてランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物(LaCeZr酸化物)を含む触媒的活性組成物を使用する本発明によって達成される。
図1は、温度スクリーニングにおける選択されたRu触媒の活性及び選択性(同じ量のRuを担持した異なるLaCeZrOx担体に応じた評価)を示している。 図2は、温度スクリーニングにおける選択されたRu触媒の活性及び選択性(各量のRuに応じた評価)を示している。 図3は、異なる担体物質に担持した選択されたRu触媒の活性及び選択性を示している。 図4は、長期間試験における選択されたRu触媒の活性及び選択性を示している。 図5は、従来技術及び存在する特許出願のものと比較して、本発明の触媒の極めて高い活性及び選択性を示している。
担体物質としてランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物及び活性成分としてルテニウムを含む触媒により、長い期間を通して実際に一定の選択性で、広い温度範囲内においてCOのメタン化ができることが保証される。従来の触媒は、温度の上昇及び長い作用時間によって選択性が著しく低下することが分かっている。COのメタン化における温度ウィンドウはより低く正確な温度に従わなければならないので、本発明の触媒を用いれば、制御の複雑性は極めて低い程度しか必要とされない。更に、高温度でも良好に作用する触媒を、約220〜280℃で機能する予備精製(prepurification)工程(低温度変換)の下流に直接的に連結することができる。
従って、本発明は、水素及び二酸化炭素含有流体の一酸化炭素の選択メタン化のために、活性成分としてルテニウムを含み、担体物質としてランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物を含む触媒的活性組成物の使用方法であって、活性成分が担持された担体物質の全担持量が、触媒的活性組成物の全質量に対して0.1〜20質量%であり、担体物質が、全ての担体物質の質量に対して0.1〜15質量%の酸化ランタン、0.1〜15質量%の酸化セリウム及び30〜99.8質量%の酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする触媒的活性組成物の使用方法を提供する。
本発明は更に、水素及び二酸化炭素含有流体の一酸化炭素の選択メタン化のための触媒的活性組成物の使用方法、及び燃料電池の用途のための使用方法を提供する。
本発明の実施形態は、特許請求の範囲、発明の詳細な説明及び実施例からから推測することができる。上述し、また以下で説明する本発明の主題の特徴は、述べた特定の組み合わせだけでなく、本発明の範囲を超えない範囲において別の組み合わせでも使用可能である。
本発明では、使用する担体物質は、ランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物(LaCeZr酸化物)である。
担体物質は、0.1〜15質量%、好ましくは5〜15質量%、より好ましくは10〜15質量%の酸化ランタンを有することが有利である。酸化セリウムの含量は、全ての担体物質の質量に対して0.1〜15質量%、好ましくは0.1〜10質量%、より好ましくは3〜7質量%が有利である。
担体物質の酸化ジルコニウム含量は、30〜99.8質量%であることが有利である。好ましい実施の形態では、この量は、酸化ランタン及び酸化セリウム及び上述した任意の更なる成分の質量の割合をそれぞれの場合に100質量%となるように補完する含量である。
列挙した成分に加えて、本発明に従って使用する担体物質は、これらの目的のための触媒化学において使用可能で慣用の更なる物質、例えば酸化アルミニウムを含んでよい。好適なバインダーは、十分に高いBET表面積を有するバインダーである。これらの追加的に使用されるバインダー物質のBET表面積は、有利には少なくとも120m2/gとすべきである。これら更なる物質の含有量は、担体物質全体の質量に対して30質量%を超えるべきでなく、好ましくは20質量%を超えるべきでない。
触媒的活性組成物は活性成分としてルテニウムを含む。活性成分は、酸化物としての触媒に存在することが好ましい。実際の活性物質は、水素での活性化によりその場で生成される。
担体物質に担持された活性ルテニウム成分の担持量は、有利には0.1〜20質量%、好ましくは0.1〜10質量%、より好ましくは0.1〜5質量%である。更に有利な範囲は、例えば1〜10質量%、1〜5質量%、そして2〜5質量%、及び3〜5質量%である。この数字は触媒的活性組成物の全質量に対するものである。
触媒活性システムの好ましい組成物は、全ての担体物質の質量に対して酸化ランタン含有量が0.1〜15質量%、酸化セリウム含有量が0.1〜15質量%であるランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物担体に、触媒的活性組成物の全質量に対して0.1〜20質量%のRuを含む。
触媒活性システムの更に好ましい組成物は、全ての担体物質の質量に対して酸化ランタン含有量が0.1〜15質量%、酸化セリウム含有量が0.1〜15質量%であるランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物担体に、触媒的活性組成物の全質量に対して2〜5質量%のRuを含む。
触媒活性システムの更に好ましい組成物は、全ての担体物質の質量に対して酸化ランタン含有量が0.1〜15質量%、酸化セリウム含有量が0.1〜10質量%であるランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物担体に、触媒的活性組成物の全質量に対して3〜5質量%のRuを含む。
触媒活性システムの特に好ましい組成物は、全ての担体物質の質量に対して酸化ランタン含有量が10〜15質量%、酸化セリウム含有量が3〜7質量%であるランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物担体に、触媒的活性組成物の全質量に対して3〜5質量%のRuを含む。
本発明に使用される触媒の組成物における更なる実施の形態は、実施例からから推測することができる。上述し、また以下で説明する触媒の特徴は、特定の組み合わせ及び値の範囲だけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、メインクレームの限度の範囲内で別の組み合わせ及びの値の範囲でも使用可能である。
更に、活性成分及び/又は担体物質は、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者に知られており、目的のために使用可能な更なる成分を少量ドープすることができる。
本発明に使用される触媒は、慣用の方法、例えば、活性成分及び任意のドーピング成分を好ましくは塩/水和物の状態で溶解し、次いで好適な方法、例えば含浸によりランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物担体に塗布することにより生成する。その後、触媒を乾燥し、焼成し、適宜還元し、適宜不動態化する。
活性成分は慣用の方法で、担体物質に、例えばモノリスへのウォッシュコートのように、含浸によって塗布することができる。手順及び処理条件は、例えば非特許文献2に記載されている。
生成の代替モードとして、担体物質と活性要素(成分)の塩/水和物と混練し、ドーピング成分とその後の押出物成分を混練し、適宜乾燥及び焼成し、適宜還元し並びに適宜不動態化する工程を含む。
担体物質と活性物質を混練する工程及び前記更なる行程は、公知の装置を用いた慣用の方法で行うことができる。
成形体は、当業者にとって公知で慣用の方法により未加工の粉末物質から製造することができる。この方法は非特許文献3に記載されているように、例えば打錠、凝集又は押出である。
成形又は塗布においては、当業者にとって公知の助剤、例えばバインダー、滑剤及び/又は溶剤等を添加することができる。
これにより、水素及び二酸化炭素含有流体において、一酸化炭素の選択メタン化に極めて好適な触媒的活性組成物が生じる。特定の反応条件によっては、最小の水素の減少量で、ガス混合物中のCOが10ppm未満という所望の大幅な低減が達成された。
有利なことに、COの選択メタン化はそれ故、好ましくは100〜300℃の範囲内で達成される。
180〜260℃の範囲におけるCOの選択メタン化は特に有利である。この温度により、上流の低温度変換と直接的な熱の統一が可能となる。従って、本発明のメタン化工程を、低温度変換工程に直接的に連結することが可能となる。この温度範囲内での高い活性及び高い選択性により、触媒の安定な、特に熱的に一体化した作動が実際に可能となることが保証される。
従って、触媒的活性組成物は、水素及び二酸化炭素含有流体でCOの良好な精製に極めて適しており、より特に燃料電池の用途のための水素の生成における使用に極めて適している。
本発明を以下の実施例により詳細に説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
[実施例]
実施例1:
206.3gのZrO2、29.6gのLa2(NO32、0.24gのCeO2及び31.3gの水酸化酸化アルミニウム(Pural SB)をニーダー内で混合し、希硝酸で酸性とした。押出可能な物質を生成するために十分な量の水を加えた。成形した押出物を乾燥し、焼成した。その後、この担体をRuCl3溶液(濃度は、再度焼成した最終生成物が、活性物質としてのRuを3質量%有する濃度である)と混合した。
実施例2:
279.8gのZrO2、12.5gのCeO2、31.5gのLa2(NO32及び33.3gの水酸化酸化アルミニウム(Pusal SB)を、実施例1に記載のように単体物質を生成するために使用した。その後、この担体をRuCl3溶液(濃度は、再度焼成した最終生成物が、活性物質としてのRuを3質量%有する濃度である)と混合した。
実施例3:
70質量%のZrO2、15質量%のCeO2、5質量%のLa23及び10質量%のAl23から構成される担体をRuCl3溶液(濃度は、再度焼成した最終生成物が活性物質としてのRuを3質量%有する濃度である)と混合した。
実施例4(比較例):
まず、37.5gのPZ2−25H(H−ZSM−5、MFI構造型、Zeochem社、モジュール=25)を11.8gの水酸化酸化アルミニウム(Versa250、UOP社)と共にニーダー内に入れ、蟻酸でわずかに腐食させた。この混合物を水と混合し、押出及び焼成した。その後、この担体を塩化ルテニウム水和物及び硝酸ランタン溶液(最終生成物が3質量%のRu及び5質量%のLaを含む濃度)で含浸した。この押出物を乾燥及び焼成した。
実施例5:(比較例)
まず、100gのPZ2−25H(H−ZSM−5、MFI構造型、Zeochem社、モジュール=25)を35.6gの水酸化酸化アルミニウム(Pusal SB)と共に入れ、蟻酸で腐食させた。この混合物を水、塩化ルテニウム水和物及び塩化鉄水和物と混合し、押出した。焼成後、最終生成物は3質量%のRu及び1質量%のFeが含まれていた。
実施例6:(比較例)
TiO2に5%のRuを担持させた市販のメタン化触媒の試験。
実施例7a−d:
70質量%のZrO2、15質量%のCeO2、5質量%のLa23及び10質量%のAl23から構成される担体を、RuCl3溶液と混合した。この溶液の濃度は、再度焼成した最終生成物が、活性物質として5質量%のRu(実施例7a)、4質量%のRu(実施例7b)、3質量%のRu(実施例7c)又は2質量%のRu(実施例7d)を有する濃度であった。
実施例8:
(特許文献9の再試験)
まず、150gのTZB213(β−ゼオライト、Sud−Chemie/Tricat社、モジュール=12)を50gの水酸化酸化アルミニウム(Pusal SB)と共にニーダー内に入れ、蟻酸でわずかに腐食させた。この混合物を水と混合し、押出及び焼成を行った。その後、この担体を、最終生成物が3質量%のRuを含む濃度のルテニウムニトロシルニトレートの溶液で含浸した。押出物の乾燥及び焼成を行った。
実施例9:
(特許文献7の再試験)
まず、432.8gのZrO2粉末を12gのメチルセルロース(Walocel、Wolff Cellulosics社)と共にニーダー内に入れ、硝酸でわずかに腐食させた。この混合物を水及び塩化ルテニウム水和物溶液と混合し、押出を行った。焼成の後、最終生成物は3質量%のRuを含んでいた。
実施例10:
(特許文献7の再試験)
まず、250gの水酸化酸化アルミニウム(Pusal SB)をニーダーに入れ、蟻酸でわずかに腐食させた。この混合物を水及び塩化ルテニウム水和物溶液と混合し、押出を行った。焼成した後、最終生成物Ruは3質量%を含んでいた。
実施例11
(特許文献7の再試験)
まず、235.5gのTiO2粉末をニーダーに入れ、蟻酸でわずかに腐食させた。この混合物を水と塩化ルテニウム水和物溶液と混合し、押出を行った。焼成の後、最終生成物は3質量%のRuを含んでいた。
試験条件:
この実験のため、容積が50mlで直径が14mmの電気的に加熱された管型反応器を使用した。
この反応器の底において、直径が1.8〜2.2mmである4mlのステアタイト球を導入し、次いでこの上に触媒混合物を導入した。この触媒混合物は、直径が1.8〜2.2mmである約10mlのステアタイト球と完全に混合した約20mlの触媒からなる。使用した予備土台(preliminary bed)は、1.8〜2.2mmの直径を有する14mlのステアタイト球であり、これで反応器の残余容積を満たした。
まず、90l/hの窒素及び10l/hの水素で、230℃において1時間、この触媒を還元させた。実験のために選択されたガス組成物は、メタンの改質の後の低温変換工程の生産物の典型的なものであり、その組成は、33体積%のH2、28体積%のN2、25体積%のH2O、13体積%のCO2、0.5体積%のCO、0.5体積%のCH4であった。5000l・h-1・l-1 catの担持量が選択された。
全てのガスを設定して、反応器(230℃での還元の後)を150℃に冷却した後、実験を開始した。三時間ごとに、温度を段階的に上昇させた;最高温度は300℃であった。ガスの濃度はGC及びIRを用いて反応器の下流で測定した。
触媒を特定の条件下で分析した。
60%を超える選択性が満足すべきものであると考えられた。この選択性は温度の上昇と共に低下する。以下の表1は、選択性がこのパラメーター(60%)未満となった温度及びCOが10ppm未満に減少した温度を示している。最後の欄は、十分な活性(反応器の下流のCOが10ppm未満となった活性)及び十分な選択性(60%超)が達成された温度ウィンドウの範囲を示している。
Figure 0005372780
図1は、温度スクリーニングにおける選択されたRu触媒の活性及び選択性(同じ量のRuを担持した異なるLaCeZrOx担体に応じた評価)を示している。本発明で使用する触媒が、必要である高い選択性を維持している間に完全なCOの変換をする温度が広範囲であることが明らかとされた。
図2は、温度スクリーニングにおける選択されたRu触媒の活性及び選択性(各量のRuに応じた評価)を示している。高い選択性を維持している間の本発明の活性範囲におけるRu濃度の影響が明らかとされた。
図3は、異なる担体物質に担持した選択されたRu触媒の活性及び選択性を示している。これは、担体物質としてランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物に基づく本発明で使用する触媒が従来の触媒よりも優れていることを立証している。
図4は、長期間試験における選択されたRu触媒の活性及び選択性を示している。
図5は、従来技術及び存在する特許出願のものと比較して、本発明で使用する触媒の極めて高い活性及び選択性を示している。

Claims (4)

  1. 水素及び二酸化炭素含有流体中の一酸化炭素の選択メタン化のために、活性成分としてルテニウム及び担体物質としてランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物を含む触媒的活性組成物を使用する方法であって、担体物質に担持された活性成分の全担持量が、触媒的活性組成物の全質量に対して0.1〜20質量%であり、担体物質が、全ての担体物質の質量に対して0.1〜15質量%の酸化ランタン、0.1〜15質量%の酸化セリウム及び30〜99.8質量%の酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする触媒的活性組成物の使用方法。
  2. 担体物質に担持された活性成分の全担持量が、触媒的活性組成物の全質量に対して0.1〜10質量%である請求項1に記載の触媒的活性組成物の使用方法。
  3. 担体物質に担持された活性成分の全担持量が、触媒的活性組成物の全質量に対して2〜5質量%である請求項1又は2に記載の触媒的活性組成物の使用方法。
  4. 触媒的活性組成物が、全ての担体物質の質量に対して10〜15質量%の酸化ランタン及び3〜7質量%の酸化セリウムを有するランタン−セリウム−ジルコニウム酸化物担体、及び触媒的活性組成物の全質量に対して2〜5質量%のRuを含むことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の触媒的活性組成物の使用方法。
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