説明

CO除去触媒及び燃料電池システム

【課題】高活性で安価なCO除去触媒及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】CO除去触媒は、ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去する選択酸化するCO除去触媒であって、示性式ABO3 で表される型のペロブスカイト型複合酸化物であると共に、前記BがB′とB″の二種類の構成元素からなり、且つ下記式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含むものである。AB′1-x B″x3 ・・・(1)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水素ガスを主成分として含むガス中の一酸化炭素を選択的に除去するのに好適なCO除去触媒及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
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ガスは、燃料ガスとして十分に普及している原料であり、これらのガスに対して触媒を用いて水素と一酸化炭素に改質でき、一酸化炭素を取り除く方法がある。
【0003】
一方、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が、この触媒は一酸化炭素により被毒され易いので、予め水素を主成分とする燃料ガスから一酸化炭素を極力除去する必要がある。一酸化炭素濃度が固体高分子型燃料電池を被毒しない50ppm以下好ましくは20ppm以下にまで安定的に低減させるためには、改質反応後に酸素を添加してCOを選択酸化する一酸化炭素選択酸化触媒(CO除去触媒)が必要である。
【0004】
前記CO除去触媒では、改質ガスとともに空気を吹き込むことによって、下式(A)の反応を進行させる。
CO+1/2O2→CO2 ・・・(A)
同時に、燃料となる水素を消費する、下式(B)の反応を抑制する。
2+1/2O2→H2O ・・・(B)
【0005】
このようなCOを選択的に酸化するCO触媒としては、結晶性シリケート担体上に白金等の活性金属を担持した触媒及び該触媒にバインダー成分を添加した触媒組成物などが提案されてきた(特許文献1、2)。
【0006】
【特許文献1】特開2003−47855号公報
【特許文献2】特開2004−89813号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら特許文献1にかかる提案の触媒では、貴金属を原料として用いているので、原料コストが高く、安価でしかも高活性なCO変性触媒の出現が望まれている。
また、特許文献2にかかる提案の触媒においても、テフロン(登録商標)粒子を付着するので、原料コストが高くなると共にその製造工程も追加となるので、CO触媒が高くなるという問題がある。
【0008】
本発明は、前記問題に鑑み、高活性で安価なCO除去触媒及び燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去するCO除去触媒であって、示性式ABO3 で表される型のペロブスカイト型複合酸化物であると共に、前記BがB′とB″の二種類の構成元素からなり、且つ下記式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含むことを特徴とするCO除去触媒にある。
AB′1-x B″x3 ・・・(1)
【0010】
第2の発明は、第1の発明において、前記AがLa、Ca、Sm、Ce、Sr、Ba及びPrから成る群から選ばれる少なくとも一種であると共に、前記B′がCo、Fe、Mn、Ni及びGdから成る群から選ばれる少なくとも一種であり、前記B″がCu、Co又はFeであることを特徴とするCO除去触媒にある。
【0011】
第3の発明は、第1又は2の発明において、xが0.01<x≦0.3の範囲であることを特徴とするCO除去触媒にある。
【0012】
第4の発明は、炭化水素系燃料を改質装置により改質し、第1乃至3のいずれか一つのCO除去触媒により改質ガス中のCOを除去し、その後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。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、ペロブスカイト結晶構造中に活性種を安定化させているため、高活性を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
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、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【0015】
[発明の実施形態]
本発明にかかるCO除去触媒は、ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去する選択酸化するCO除去触媒であって、示性式ABO3 で表される型のペロブスカイト型複合酸化物であると共に、前記BがB′とB″の二種類の構成元素からなり、且つ下記式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含むものである。
AB′1-x B″x3 ・・・(1)
【0016】
ここで、式(1)において、前記Aサイトを、例えばLa、Ca、Sm、Ce、Sr、Ba及びPrから成る群から選ばれる少なくとも一種とすると共に、前記B′サイトを、Co、Fe、Mn、Ni及びGdから成る群から選ばれる少なくとも一種とし、さらに前記B″をCu、Co又はFeの活性種とすることで、CO選択除去性能を向上させることとなる。
【0017】
また、式(1)において、B″の活性種のxを0.01<x≦0.3の範囲とすることが好ましい。
これは、xが0.01以下であると、高性能なCO選択除去活性を示すことができないからであり、一方xが0.3より大きい場合には、ペロブスカイト結晶構造中に活性種を取り込むことができず、活性種が還元されて活性を失い、良好なCO選択除去活性を示すことができないからである。
【0018】
本発明によれば、COの選択除去において、従来のようなPt等の貴金属を用いることがないので、安価なCO選択除去触媒を提供できる。また、本発明の触媒は、ペロブスカイト結晶構造中に銅を安定化させているため、高活性を維持できる。
すなわち、銅等がペロブスカイト結晶構造体中に取り込まれることで、CO除去中においても還元されることがなく、COの選択酸化性能を長寿命で発揮することとなる。
【0019】
さらに、ペロブスカイト結晶構造中に活性種を安定担持しているため、長寿命である。
【0020】
ここで、本発明のCO除去触媒の温度範囲は例えば150〜250℃、より好適には180〜230℃とするのが好ましい。
【0021】
本発明に用いるペロブスカイト型複合酸化物は、複合酸化物の各構成元素の硝酸塩、酢酸塩、炭酸塩、クエン酸塩、塩酸塩等を、所望する複合酸化物の組成比に混合し、仮焼成した後粉砕して、熱処理焼成する固相反応により調整することができる。
また、複合酸化物の各構成要素の硝酸塩、酢酸塩、炭酸塩、クエン酸塩等を、所望する複合酸化物の組成比に混合し、水に溶解した後、必要に応じてNH4 OHや(NH42CO3 等のアルカリ溶液を滴下して沈殿物を生成し、濾過した後沈殿物を乾燥させて焼成する共沈法により調整することができる。
【0022】
以下にCO除去触媒の製造方法の一例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(1)製造法1
磁性皿上に、La、Ca、Sm、Ce、Sr、Ba及びPrから成る群から選ばれる少なくとも一種、Co、Fe、Mn、Ni及びGdから成る群から選ばれる少なくとも一種、さらにCu、Co又はFeの化学量論比で秤量後、純水を用いて、溶解し、所定温度(例えば100〜400℃)で蒸発乾固させる。
その後、粉砕し、例えば400〜1000℃で焼成する。
前記焼成後、得られた粉末は、ペロブスカイト型複合酸化物である。
【0023】
(2)製造法2
炭酸ナトリウム水溶液等のアルカリ溶液に、硝酸ランタニウム水溶液と硝酸マンガン水溶液を滴下し、その後さらに硝酸銅水溶液を滴下し、その後中和し、得られた沈殿物を濾過及び洗浄を繰り返した後、例えば110℃で蒸発乾固させる。
蒸発乾固した混合体を粉砕し、空気雰囲気下で焼成(700〜1000℃)する。
焼成後、得られた粉末は、ペロブスカイト型複合酸化物である。
【0024】
本発明により得られるペロブスカイト型複合酸化物を含むCO除去触媒を、固体高分子型燃料電池(PEFC)システムの改質装置で用いる場合には、図1に示すような形態が考えられる。
【0025】
図1に示すように、燃料改質装置10は、例えばメタン等の原燃料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。
例えば原燃料11として都市ガス(メタン主成分)又はLPG(プロパン主成分)を原料とする場合には、先ず、臭い成分である硫黄分(S分)を除去する。
次いで、約700℃程度にて改質器本体12の改質触媒によって、下式の反応を生じさせて水素含有ガスを得る。
CH4+H2O→CO+3H2 又は C38+3H2O→3CO+7H2
【0026】
このようにして得た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、後段の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、COを二酸化炭素に変換する。
前記CO変成触媒部14を経たガスから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15は、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、本発明にかかる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、更なる一酸化炭素除去を行う。
【0027】
このCO除去触媒部16では、ガス中の3000〜4000ppmのCOについて、更なる低減を目的に触媒反応を行わせる。これにより濃度が低減され、CO濃度を10〜20ppm程度あるいは10ppm以下にまで減少させる。
【0028】
以下、本発明のCO除去触媒を有する燃料改質装置を用いた燃料電池システムについて、図面を参照して説明する。
図2は、PEFC型燃料電池システムを示す概念図である。
図2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。
【0029】
前記改質装置による原燃料1005としては、例えば都市ガス、LPGガス又は灯油等を用いており、硫化物の除去に脱硫装置1007を設置している。
【0030】
前記原燃料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(例えば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、例えばRu/Al23等を例示することができるが、これに限定されるものではない。また、改質された改質ガス1008は、その後CO変成触媒部1006−2と、前述したCO除去触媒部1006−3とを通過して、燃料ガス1001としている。
【0031】
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。
【0032】
図2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を供給して改質ガス1008とする。その後、得られた改質ガス1008はCO変性触媒部1006−2及びCO除去触媒部1006−3を経て、燃料ガス1001とされ、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。
【0033】
本PEFC型燃料電池の発電システムは、安価でしかも長期間に亙ってCO除去ができるので、COが低減された燃料ガスを安定して得ることができ、長期間に亙って安定且つ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。
【実施例】
【0034】
以下、本発明の効果を示す実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0035】
[実施例1]
磁性皿上に、La(NO33・6H2Oを17.32g、Mn(NO32・6H2Oを22.6g、Cu(NO32・3H2Oを1.93g各々秤量し、イオン交換水50ccを加え溶解した。その後、前記溶解物を、ホットプレート上において、100℃で1時間、200℃で3時間、300℃で3時間蒸発乾固した。
その後、蒸発乾固物を粉砕し、450℃で5時間、850℃で10時間焼成して、LaMn0.8Cu0.23ペロブスカイト触媒を得た。
【0036】
[実施例2]
磁性皿上に、La(NO33・6H2Oを173.2g、Mn(CH3COO)2・4H2Oを78.4g、Cu(NO32・3H2Oを19.3g各々秤量し、イオン交換水80ccを加え溶解した。その後、前記溶解物を、ホットプレート上において、160℃で20分、乾燥器内110℃で12時間蒸発乾固した。
その後、蒸発乾固物を粉砕し、450℃で5時間、850℃で10時間焼成して、LaMn0.8Cu0.23ペロブスカイト触媒を得た。
【0037】
[実施例3]
ビーカに、La(NO33・6H2Oを173.2g、Mn(NO32・6H2Oを226.0g各々秤量し、イオン交換水を加えて750ccにして溶解した。その後前記溶解物を、Na2CO3水溶液(Na2CO3169.6gにイオン交換水を加えて750ccにした)に30分かけて滴下した。その後さらに、Cu(NO32・3H2Oを19.3g秤量し、イオン交換水を加え750ccにして溶解した溶液を、先ほどのNa2CO3水溶液に30分かけて滴下した。その後、硝酸を加えて混合溶液をpH=7に調整し、200分熟成した。前記熟成物を濾過・洗浄後、乾燥器内110℃で12時間蒸発乾固した。
その後、蒸発乾固物を粉砕し、450℃で5時間焼成して、LaMn0.8Cu0.23ペロブスカイト触媒を得た。
【0038】
[実施例4]
ビーカに、La(NO33・6H2Oを173.2g、Mn(NO32・6H2Oを226.0g各々秤量し、イオン交換水を加えて750ccにして溶解した。その後前記溶解物を、Na2CO3水溶液(Na2CO3169.6gにイオン交換水を加えて750ccにした)に30分かけて滴下した。その後さらに、Cu(NO32・3H2Oを19.3g秤量し、イオン交換水を加え750ccにして溶解した溶液を、先ほどのNa2CO3水溶液に30分かけて滴下した。その後、硝酸を加えて混合溶液をpH=7に調整し、2時間熟成した。前記熟成物を濾過・洗浄後、乾燥器内110℃で12時間蒸発乾固した。
その後、蒸発乾固物を粉砕し、750℃で5時間焼成して、LaMn0.8Cu0.23ペロブスカイト触媒を得た。
【0039】
[実施例5]
磁性皿上に、La(NO33・6H2Oを173.2g、Ni(NO32・6H2Oを93.1g、Cu(NO32・3H2Oを19.3g各々秤量し、イオン交換水100ccを加え溶解した。その後前記溶解物を、ホットプレート上において、160℃で1時間、230℃で5時間、300℃で16時間蒸発乾固した。
その後、蒸発乾固物を粉砕し、450℃で5時間焼成して、LaNi0.8Cu0.23ペロブスカイト触媒を得た。
【0040】
[実施例6]
ビーカに、La(NO33・6H2Oを173.2g、Ni(NO32・6H2Oを93.1g各々秤量し、イオン交換水を加えて750ccにして溶解した。その後前記溶解物を、Na2CO3水溶液(Na2CO3169.6gにイオン交換水を加えて750ccにした)に30分かけて滴下した。その後さらに、Cu(NO32・3H2Oを19.3g秤量し、イオン交換水を加え750ccにして溶解した溶液を、先ほどのNa2CO3水溶液に30分かけて滴下した。その後、硝酸を加えて混合溶液をpH=7に調整し、2時間熟成した。前記熟成物を濾過・洗浄後、乾燥器内110℃で12時間蒸発乾固した。
その後、蒸発乾固物を粉砕し、450℃で5時間焼成して、LaNi0.8Cu0.23ペロブスカイト触媒を得た。
【0041】
[比較例]
850℃で10時間焼成後のLa23を0.5mol、MnO2を0.8mol、CuOを0.2mol の割合で混合している触媒を用いた。
【0042】
得られた実施例1〜6のペロブスカイト触媒及び比較例の触媒を用い、CO濃度3000ppmのH2、CO2、CH4混合ガス中に、O2/CO=1.5の割合で空気を導入し、選択酸化性能を評価した。
【0043】
その結果を図3に示す。図3は触媒層の平均温度とCO転化率との関係図である。
図3に示すように、実施例1〜6のペロブスカイト触媒は比較例触媒に較べて、各々の温度において、CO転化率が良好であることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【0044】
以上のように、本発明にかかるCO除去触媒は、安価な卑金属を活性種としてペロブスカイト構造に取り込むことで、安定してCO除去反応を進行させることができ、安定した燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】実施形態にかかる燃料改質装置の概略図である。
【図2】PEFC型燃料電池システムを示す概念図である。
【図3】触媒層の平均温度とCO転化率との関係図である。
【符号の説明】
【0046】
11 原燃料
12 改質器本体
13 改質ガス
14 CO変成触媒部
15 燃料ガス
16 CO除去触媒部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去するCO除去触媒であって、
示性式ABO3 で表される型のペロブスカイト型複合酸化物であると共に、
前記BがB′とB″の二種類の構成元素からなり、且つ下記式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含むことを特徴とするCO除去触媒。
AB′1-x B″x3 ・・・(1)
【請求項2】
請求項1において、
前記AがLa、Ca、Sm、Ce、Sr、Ba及びPrから成る群から選ばれる少なくとも一種であると共に、
前記B′がCo、Fe、Mn、Ni及びGdから成る群から選ばれる少なくとも一種であり、
前記B″がCu、Co又はFeであることを特徴とするCO除去触媒。
【請求項3】
請求項1又は2において、
xが0.01<x≦0.3の範囲であることを特徴とするCO除去触媒。
【請求項4】
炭化水素系燃料を改質装置により改質し、請求項1乃至3のいずれか一つのCO除去触媒により改質ガス中のCOを除去し、その後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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−326528(P2006−326528A)
【公開日】平成18年12月7日(2006.12.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−155818(P2005−155818)
【出願日】平成17年5月27日(2005.5.27)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成16年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、固体高分子形燃料電池システム技術開発事業、固体高分子形燃料電池要素技術開発事業、産業活力再生特別措置法第30条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】(504145342)国立大学法人九州大学 (960)
【Fターム(参考)】