JP2004121960A

JP2004121960A - シフト触媒

Info

Publication number: JP2004121960A
Application number: JP2002288904A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Kobayashi; 小林　智明
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】ＣＯ転化率に優れる新規なシフト触媒を提供する。
【解決手段】シフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）に使用されるシフト触媒であって、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、セリウム元素、および白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種類の元素とを含むことを特徴とする。特にニオブを含有するものは、ＣＯ転化率に優れ、バナジウムを含有するとメタン生成率を効果的に抑制できる。
【選択図】　　　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＯにＨ_２Ｏを作用させて水素ガスを発生させ、同時にＣＯをＣＯ_２に変換するいわゆるシフト反応に使用するシフト触媒、および該触媒の製造方法、該触媒を搭載した自動車などに関し、より詳細には、耐熱性に優れ、メタン生成率が低く、ＣＯ転化率が高いシフト触媒等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素−酸素燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも低温（通常１００℃以下）で作動可能な固体高分子型燃料電池が注目を集め、近年自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、純粋な水素を燃料源として用いることがエネルギー効率からは最も好ましい。しかし、現段階においては、安全性・インフラ等を考慮して、メタノール、天然ガス、ガソリン等を燃料源として用い、これらを改質装置において水素リッチな改質ガスとする方法が模索されている。しかしながら、例えばメタノールを原料とする場合には、下記に示すメタノール改質反応
【０００４】
【化６】

【０００５】
によって一酸化炭素が発生し、このＣＯは燃料電池の電極の白金系触媒の触媒毒として作用する。このため、このＣＯを白金電極触媒に無害なＣＯ_２に転化する必要があり、シフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）を利用して、改質ガス中に含まれるＣＯ濃度を１体積％程度にまで低減させている。
【０００６】
従来から、上記シフト反応にはＣｕ／Ｚｎ系触媒、Ｃｕ／Ｚｎ／Ａｌ系触媒、Ｃｕ／Ｃｒ系触媒等のＣｕ触媒が使用されている。しかしながらＣｕ触媒は、操業停止時に還元雰囲気下に置かないと、触媒自身が酸化され活性が低下するという問題があった。また、空間速度ＳＶ（Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）の増大とともにＣＯ低減率が急激に低下する場合がある。そこで、ＣＯ低減率の向上、ＳＶ増による性能低下の抑制、耐熱性の向上を目的として、所定の酸化物が添加されたＴｉＯ_２の多孔体にＰｔが担持されたシフト触媒が開示されている（特許文献１）。該文献１では、触媒性能が向上する原因は、酸化物を添加することによってＰｔを担持する担体の比表面積が向上することが一因と推察している。なお、酸化物としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｖの少なくとも一種の酸化物を用いている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−６６３２０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の触媒を使用してもＳＶ増加の際のシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）は十分でなく、特に、搭載スペースが制限されるため、燃料改質式燃料電池自動車等に使用するにはよりＣＯ低減率の高いシフト触媒の開発が望まれる。
【０００９】
また、上記公報記載では、ＴｉＯ_２、白金元素および酸化物を必須の構成要素とし、所定の酸化物が添加されたＴｉＯ_２の多孔体にＰｔ含有溶液を含浸、乾燥および焼成して目的とする触媒を得ているが、ＴｉＯ_２の多孔体に酸化物を添加する工程とＰｔを担持させる工程とを必要とし、調製が煩雑である。空間速度が高くてもＣＯ転化率に優れ、かつメタン生成が抑制される新規なシフト触媒が望まれる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シフト触媒を構成する元素の種類、組成割合、調製方法等について詳細に検討した結果、セリウムを必須の元素とし、これに白金などのいわゆる白金族元素とを含む複合体の焼成物が、下記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒としてきわめて優れることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
【化７】

【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、セリウム元素、および白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種類の元素とを使用することで、耐熱性に優れ、空間速度が高くてもＣＯ転化率に優れるシフト触媒が得られる。
【００１３】
該触媒は、セリウム元素、およびチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素とを含む複合体を焼成した後に、該焼成物に白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素を担持させることで該シフト触媒を製造することができる。また、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素と、セリウム元素、およびニオブ元素とを含む複合体を乾燥および焼成することでも得られ、調製が簡便である。しかも該方法によるシフト触媒はメタン生成率が低く、水素の無駄な消費がない。
【００１４】
本発明のシフト触媒は、５０，０００ｈｒ^−１以上の空間速度でも十分にシフト触媒活性が確保でき、シフト反応装置の小型化が可能で、自動車などの収納体積が制限されるものにおいて特に有効である。更に、耐熱性に優れ、起動停止時の触媒安定性にも優れる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本願発明の第一は、上記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒であって、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、セリウム元素、および白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種類の元素とを含むことを特徴とする、シフト触媒である。
【００１６】
本発明のシフト触媒は、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、セリウム元素、および白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種類の元素を含有すればよく、このような元素の供給源としては特に制限されず広くこれらの元素を含有する化合物を使用することができる。このような化合物としては、これらの硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、ハロゲン塩、亜硝酸塩、蓚酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩および水酸化物、アルコキサイド、酸化物などが例示でき、これらを溶解する溶媒の種類やｐＨなどによって適宜選択することができる。これらの中でも、工業的に使用するにあっては硝酸塩、炭酸塩、酸化物、水酸化物などが好ましい。
【００１７】
本発明ではセリウムを必須元素とする点に特徴がある。本発明のシフト触媒が優れる理由については明確ではないが、セリウムの酸素運搬能が関与していると考えられる。まず、上記式（１）で示されるシフト反応は、下記式に分解して理解することができる。
【００１８】
【化８】

【００１９】
本発明では光エネルギーでも触媒活性能が高くて光触媒活性を有するＴｉＯ_２などのチタン元素を含有することができ、熱エネルギーを使用して上記式（ｉ）に基づくＨ_２ＯからＨ_２の生成を促している。従って、効率的に生成した活性酸素（Ｏ）がＣＯを酸化する該触媒上の酸化活性点に移動すれば、上記式（ｉｉ）で示す酸化反応も効率的に進行する。本発明では、この活性酸素（Ｏ）の運搬能に優れたセリウム元素を使用するため、（ｉ）と（ｉｉ）との循環が円滑に回転し、水素生成反応が効率的に進行すると考えられる。すなわち、Ｈ_２ＯからＨ_２を取り出すことのできる活性種（Ａ）としてチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよび／またはタンタル元素と、ＣＯの酸化能を有する活性種（Ｂ）として白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよび／またはオスミウム元素、およびセリウム元素という酸素運搬能に優れる活性種（Ｃ）とが触媒中に存在することで、低温でもシフト反応性に優れる触媒となると考えられる。なお、上記活性種（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）とは触媒中に存在すれば、気体状態のＨ_２ＯからＨ_２を生成することができ、触媒中でのこれらの成分の分散性などは問わない。活性種（Ａ）と（Ｂ）とが隣接しない場合でも、セリウム元素を介して活性酸素（Ｏ）が運搬され、円滑な反応の進行が確保できるからである。
【００２０】
本発明において、該セリウム元素と共に使用されるチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素は、周期律表の第４族または第５族に属する元素である（以下、第４族または第５族元素とも称する。）。上記のようにセリウムと複合体を形成することで従来の触媒と相違して温度３００℃でも優れたＣＯ転化率を発揮する。上記機構により水やＣＯの吸着を促進すると推定される。本発明では特に、ニオブ、バナジウム、チタン、ジルコニウムの少なくとも１種類を含有することが好ましく、特にニオブを使用するとＣＯ転化率に優れるシフト触媒を得る事ができる。なお、該元素は２種類を含んでいてもよい。このような２種類の組み合わせとしては、ニオブとバナジウムとの組み合わせ、ニオブとジルコニウムとの組み合わせ、バナジウムとジルコニウムとの組み合わせがある。特にジルコニウムを併用すると、耐熱性に優れるシフト触媒が得られる。
【００２１】
一方、本発明では、バナジウムの使用によってシフト反応で生成したＨ_２を消費するいわゆるメタネーション反応を抑制し得ることが判明した。すなわち、上記式（１）によってＣＯ_２と共にＨ_２が生成するが、改質反応ガスは高温であるため、逆シフト反応（ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ）やメタネーション反応（ＣＯ＋３Ｈ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ）が発生し、水素燃料が消費される場合がある。上記メタネーション反応はシフト反応とは独立した反応であるため、単にシフト触媒のＣＯ転化率を評価しただけでは最終的な水素製造率への寄与率を知ることはできない。ＣＯ転化率とメタン生成率とを測定したところ、特にバナジウムを使用すると高温でのメチル生成率を極めて有効に抑制できる。この点で、本発明の第二は、上記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒であって、白金元素とセリウム元素および、バナジウム元素とを含むことを特徴とする、シフト触媒である。
【００２２】
第一および第二の触媒において、該チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる元素の含有量は、元素換算で該シフト触媒基材中に５．０モル％以上であることが好ましく、より好ましくは１０．０〜９０．０モル％、特に好ましくは２０．０〜８０．０モル％である。５．０モル％を下回るとＣＯ転化率が十分でない場合がある。なお、２種類以上の元素を併用する場合にはその合計量で算出する。なお、以上の算出にあたっては酸素原子は含めない。
【００２３】
本発明では、上記元素に加え、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる元素を含有する（以下、白金族イ元素とも称する。）。使用する原料化合物のうち、白金原料としてはジニトロジアミン白金、塩化白金などを用いることができるが、特にジニトロジアミン白金が好ましい。分散性に優れるからである。また、塩化物を使用するには大規模工業的に触媒を製造するに際して、その焼成排ガスによる大気汚染等を考えなければならないほか、排気配管の塩素腐食は多大な悪影響を与える。同様に、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム等は、硝酸塩、アンモニウム塩等を使用することが好ましい。これらの元素の配合量は質量換算で、該シフト触媒中に０．０１〜２０．０質量％であることが好ましく、より好ましくは１．０〜２０．０質量％、特に好ましくは１０．０〜１５．０質量％である。０．０１質量％を下回ると、ＣＯ転化率が十分でない場合がある。これらの元素は該触媒の活性成分と考えられ、ＣＯ転化率を向上させるにはこれらいわゆる白金族元素を触媒表面に分布させることが好ましい。低温でもＣＯとの接触率が向上し、ＣＯ転化率が向上するからである。本発明では、特にＣＯ転化率に優れる点で白金元素を含むことが好ましい。
【００２４】
なお、本発明のシフト触媒は、更にアルミ元素および／または珪素元素を含んでもよい。これ等の元素の供給源となるアルミニウム化合物としては、α−アルミナ、β−アルミナ、γ−アルミナなどの酸化アルミニウム、ギブサイトやベーマイトなどの水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウムなどのアルミニウム塩等の他、焼成することで酸化物となるアルミニウム化合物を用いることができる。特にアルミナゾルなど、コロイド状のアルミナが好適に用いられる。同様に、ケイ素化合物としては、コロイド状シリカの他、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シラン、硫化ケイ素などの共有結合化合物：ケイ酸ナトリウム、ケイ酸アンモニウム、アルミノケイ酸ナトリウム、アルミノケイ酸アンモニウム、リンケイ酸ナトリウム、リンケイ酸アンモニウム等のケイ酸塩類、長石等のケイ素を含有するシリカの複塩：およびシリカ混合物を使用することができる。上記以外に、シリカ−アルミナ、さらにムライト、ゼオライトなどの粘土鉱物をアルミニウム化合物、ケイ素化合物として使用することができる。これらの含有量は触媒中に０．１〜５０．０質量％が適当である。多く添加することにより高い耐熱性が期待できるが、多く存在することが好ましい、セリウムやチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素存在比が低下してしまい、触媒作用として必ずしも好ましい結果をもたらさない場合がある。
【００２５】
上記以外に、粘土鉱物や有機バインダー等を添加してもよい。有機バインダーとしては、メチルセルロースエーテル、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、コーンスターチなどがある。有機バインダーと共に、クルミ粒子、桃種粒子などを均一粒径に揃えたもの、あるいは粒子径が均一な高分子粒子など、焼成により消失する物質を気孔形成剤として用いてもよい。
【００２６】
本発明の触媒を調製する方法としては特に制限はなく、一般的な触媒調製方法で製造できる。例えば、予め上記白金族元素以外の化合物を含む複合体を形成、乾燥、焼成し、ついで該焼成物に上記白金族元素を担持させる方法が採用できる。すなわち本発明の第三は、上記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒の製造方法であって、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素とセリウム元素とを含む複合体を焼成した後に、該焼成物に白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素を担持させることを特徴とするシフト触媒の製造方法である。
【００２７】
該方法は、白金族元素がより触媒外表面に多く存在し、少量でＣＯ転化率を向上できる点で経済的に有利である。予め上記第４族または第５族元素とセリウム元素とを含む複合体を得て、これを乾燥および焼成し、次いでこの焼成物に白金族元素を担持させる。このような焼成物の成形方法としては、セリウム元素含有化合物および上記第４または５族元素含有化合物を溶解または分散した溶液を調製し、該溶液を乾燥してこれら元素を含有する複合体を形成させ、該複合体を焼成して焼成物を得る。該溶液のｐＨを変化させてこれらの元素を沈殿させて複合体を形成させ、これを乾燥および焼成して焼成物を得てもよい。このような溶液としては水のほか、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等、上記元素を含む化合物が溶解できる溶媒を広く使用することができる。また、有機溶媒にセリウム含有化合物を分散または溶解させ、これに上記第４または第５族元素含有化合物を添加し、次いで水等を添加して溶解度を変化させ、これらの元素を含む沈殿物を形成させ、これを乾燥および焼成して焼成物を製造してもよい。このような有機溶媒としては、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、ナフタレン等がある。更に、溶媒を使用せず、有機バインダーを用いてセリウム元素含有化合物および上記第４または５族元素含有化合物を混練、乾燥および焼成する方法でもよい。
【００２８】
該方法において、乾燥方法は、例えば自然乾燥、蒸発乾固法、ロータリーエバポレーター、噴霧乾燥機、ドラムドライヤーによる乾燥などを用いることができる。乾燥時間は、使用する方法に応じて適宜選択すればよい。場合によっては、乾燥工程を行わずに、焼成工程において乾燥させることとしてもよい。また、該複合体の焼成は、温度２００〜１０００℃で３０〜４８０分で十分である。
【００２９】
次いで、上記白金族元素含有溶液にこのようにして得た焼成物を含浸し、焼成物の表面に上記白金族元素を担持させ、次いでこれを乾燥および焼成してシフト触媒とする。なお、焼成物に上記白金族元素を担持させるには、必要により、減圧、加熱、スプレー吹付けなどを併せ行なってもよい。また、白金族元素の担持後の熱処理は、白金族元素が焼成物上に析出するに必要な温度と時間を選定して実施するが、白金族元素ができるだけ均一に、微少な粒子で存在するような条件を選ぶことが最も好ましい。一般的に高温あるいは長時間の熱処理は、析出した白金族粒子の凝集を促進するので好ましくない。従って３００〜６００℃に加熱した空気（または窒素などの不活性ガス）または過熱スチームを使用して１０〜２４０分の短時間で処理するのが好ましい方法である。上記の短時間の熱処理は、触媒調製工程の時間短縮という観点からも好ましい。
【００３０】
本発明の触媒は、セリウム元素含有化合物、上記白金族元素含有化合物、上記第４または５族元素含有化合物を含む溶液を調製し、これらの元素を含む複合体を形成させ、次いで乾燥および焼成する方法でも製造することができる。
【００３１】
該方法としては、セリウム元素含有化合物、上記白金族元素含有化合物、上記第４または５族元素含有化合物を溶解または分散した溶液を調製し、該溶液を乾燥してこれら元素を含有する複合体を形成させ、該複合体を焼成して触媒を製造することができる。上記第三の発明と同旨であって、該溶液のｐＨを変化させてこれらの元素を沈殿させて複合体を形成させ、これを乾燥および焼成してもよい。また、有機溶媒にセリウム含有化合物を分散または溶解させ、これに上記第４または第５族元素含有化合物と上記白金族元素含有化合物を添加し、水を添加して溶解度を変化させこれらの元素を含む沈殿物を形成させ、これを乾燥および焼成して触媒を製造してもよい。また、上記元素を含有する化合物を有機バインダー等と共に混練し、これを乾燥および粉砕し、次いで焼成して触媒を製造することもできる。該方法では、必須元素を含有する複合体を形成した後、該複合体を焼成するだけで触媒が製造できる利点がある。特にニオブ元素を含む場合、得られた触媒が耐熱性に優れ、そのＣＯ転化率が温度３００℃および４００℃でも低下せず好ましい。この点で、本発明の第四は、上記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒の製造方法であって、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素と、セリウム元素、およびニオブ元素とを含む複合体を得て、これを乾燥および焼成することを特徴とするシフト触媒の製造方法である。
【００３２】
本発明のシフト触媒は、ＢＥＴ比表面積が、４０ｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、より好ましくは６０ｍ^２／ｇ以上、さらに好ましくは８０ｍ^２／ｇ以上である。特に４０ｍ^２／ｇ以上の比表面積があれば、十分な触媒活性が確保できる。なお、触媒寿命の面では十分な白金族元素含有量および微細な白金族元素を焼成物に担持させることが重要であるが、４０ｍ^２／ｇ未満の低い比表面積の担体はこの両方の因子を満足させることは難しい。また、このようなＢＥＴ比表面積を有することで、本発明のシフト触媒は、空間速度５０，０００ｈｒ^−１以上、より好ましくは１００，０００ｈｒ^−１以上で使用することができる。なお、本発明のシフト触媒は、その平均粒径がレーザー回折法で分析した場合において、１．０〜５０μｍであることが好ましい。この範囲で、ＣＯ転化率に優れるからである。
【００３３】
また、本発明の触媒は、粒状物として使用できるが、更に種々の外形を採用することができ、ペレット状、リング状、馬蹄状、リボン状などの任意の形状に成型してもよい。この場合、該シフト触媒を反応容器に収納し、該容器に改質ガスを流入させれば、改質ガスに含まれるＣＯを効率的にＣＯ_２に変換することができる。また、このような反応容器を使用せずに、ハニカムモノリスに該触媒をコーティングしても、シフト触媒反応器とすることができる。すなわち本発明の第五は、上記式（１）で示されるシフト反応を行う反応器であって、本発明のシフト触媒が、該触媒を保持するハニカムモノリス表面にコーティングされていることを特徴とする、シフト触媒反応器である。上記のように、本発明のシフト触媒は空間速度５０，０００ｈｒ^−１以上で使用することができＣＯ転化率に優れるため、シフト触媒反応器を小型化でき特に有利である。なお、ハニカムモノリスへの触媒のコーティングは、上記第三および第四の発明に準じて、例えば、ハニカムモノリスに、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素とセリウム元素とを含浸等により付着させ、該ハニカムモノリスを焼成し、その後に、該焼成物に白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素を担持させて製造することができる。また、ハニカムモノリスに、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素と、セリウム元素、およびニオブ元素とを含浸などによって付着させ、該ハニカムモノリスを乾燥および焼成しても製造することができる。更に、予め調製した触媒を、バインダーを配合してハニカムモノリスにコーティングしてもよい。
【００３４】
本願発明のシフト触媒やシフト触媒反応器を搭載して、燃料改質式水素発生システム、燃料電池システム、または燃料改質式燃料電池自動車とすることできる。図１に、燃料改質式水素発生システムのシステムフロー図を示す。図面を参照しながら説明すると、まず、燃料タンクにメタノール、ガソリン、炭化水素などの燃料を供給する。この燃料は気化器によって気化し、脱硫器によって含まれる硫黄分を除去する。改質部では、通常は水蒸気を用いた水蒸気改質によって、該燃料を水素リッチな改質ガスへと改質する。また、水蒸気に加え、酸素を含むガスを同時に供給し、部分酸化反応を併発したオートサーマル改質によっても、水素リッチな改質ガスを得ることができる。次に、改質ガスをシフト反応器に送り、改質ガス中に含まれるＣＯをＣＯ_２に変換してＣＯ濃度を１体積％程度にまで低減する。ＣＯ濃度が１体積％程度にまで低減された改質ガスを、続いてＣＯ除去器に移送し、ＣＯ濃度をｐｐｍオーダーに低減する。このＣＯ濃度をｐｐｍオーダーにまで低減した改質ガスおよび酸化剤（通常は空気）を燃料電池発電機に供給し、発電反応を進行させる。なお、燃料電池発電機からは使用済み燃料および酸化剤が排出される。
【００３５】
本発明に係るシフト触媒は、上述の通り低温であっても優れたＣＯ転化率を発現しうる。このような特性を有するシフト触媒を燃料改質ガス中のＣＯ転化に用いることによって、燃料電池に供給される燃料ガス中のＣＯ濃度を効率よく低下させることが可能である。特に、空間速度が高くてもＣＯ濃度を極めて低濃度にまで低減させることができるため、搭載範囲の制限される自動車などでも有効に使用することができる。
【００３６】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
【００３７】
比較例１
Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、酸化セリウム（ＢＥＴ比表面積：約１３０ｍ^２／ｇ）１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し、比較触媒１を得た。
【００３８】
該触媒の白金含有量は、それぞれの元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は１２０ｍ^２／ｇであった。なお、ＢＥＴ比表面積の測定方法は、以下の通りである。すなわち、触媒を破砕したのち、０．８５〜１．２ｍｍの粒径に分級したもの０．２ｇ程度を正確に秤量し、２００℃で少なくとも３０分脱気したサンプルをＢ．Ｅ．Ｔ．（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）法により測定した。また、元素含有量は、ＩＣＰ法により測定した。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００３９】
比較例２
硝酸セリウム・９水和物３４．７ｇ、硝酸鉄・９水和物１８．０ｇ、濃硝酸３０ｍｌとを加え十分攪拌した。これにメチルセルロースエーテル（信越化学工業製、商品名「Ｈｉ−メトローズ」）０．５ｇを添加し、メチルセルロースエーテルの粘性によって攪拌子が回らなくなるまで攪拌混合した。これを１５０℃にて一昼夜乾燥および粉砕した。次いで５００℃にて１時間焼成し、ＢＥＴ比表面積約５４ｍ^２／ｇの焼成物を得た。該焼成物の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム８０モル％、鉄２０モル％であった。Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、該焼成物１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し、比較触媒２を得た。
【００４０】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は５４ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００４１】
比較例３
１０質量％酸化ニオブゾルの代わりに硝酸亜鉛を用いた以外は比較例２と同じ方法で、ＢＥＴ比表面積７７ｍ^２／ｇの焼成物を得た。該焼成物の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム８０モル％、亜鉛２０モル％であった。次いで、Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、該焼成物１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し、比較触媒３を得た。
【００４２】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は７７ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００４３】
実施例１
酸化セリウムに代えてＣｅ／Ｚｒ＝６８／３２（モル比）のセリウムジルコニウム複合酸化物（ＢＥＴ比表面積７０ｍ^２／ｇ）を用いた以外は比較例１の方法で触媒１を得た。
【００４４】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は６８ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００４５】
実施例２
炭酸セリウム２６．１ｇに対し、１０質量％酸化ニオブゾル１８．０ｇ、濃硝酸３０ｍｌを加え十分攪拌した。これにメチルセルロースエーテル（信越化学工業製、商品名「Ｈｉ−メトローズ」）０．５ｇを添加し、メチルセルロースエーテルの粘性により攪拌子が回らなくなるまで攪拌混合した。これを１５０℃にて一昼夜乾燥および粉砕した。その後５００℃にて１時間焼成し、ＢＥＴ比表面積約１００ｍ^２／ｇの焼成物を得た。該焼成物の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム８０モル％、ニオブ２０モル％であった。次いで、Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、該焼成物１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し、触媒２を得た。
【００４６】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は９８ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００４７】
実施例３
沸騰した水１００ｍｌにバナジン酸アンモニウム５．８ｇを加え、シュウ酸・２水和物８．９ｇを少量ずつ添加して溶解した。これを室温まで冷却した後に硝酸セリウム・９水和物２１．７ｇを加え、これを溶解した後に１．５倍モル量のアンモニア水溶液を添加し沈殿を生成させた。これをろ過し、水洗した後に１５０℃で一昼夜乾燥および粉砕した。その後５００℃にて１時間焼成し、ＢＥＴ比表面積４５ｍ^２／ｇの焼成物を得た。該焼成物の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム８０モル％、バナジウム２０モル％であった。次いで、Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、該焼成物１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し、触媒３を得た。
【００４８】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は４４ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００４９】
実施例４
脱水したノルマルヘキサンに酸化セリウム粉末１８．０ｇを分散させ、チタニウムイソプロポキサイド７．４４ｇを加えて十分に攪拌した。これに水１００ｍｌを急激に加え、ろ過および水洗した。これを１５０℃で一昼夜乾燥および粉砕し、次いで５００℃にて１時間焼成し、ＢＥＴ比表面積１１６ｍ^２／ｇの焼成物を得た。該焼成物の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム８０モル％、チタニウム２０モル％であった。次いで、Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、該焼成物１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し触媒４を得た。
【００５０】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は１１２ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００５１】
実施例５
沸騰した水１００ｍｌにバナジン酸アンモニウム２．４ｇを加え、シュウ酸３．７ｇを少量ずつ添加して溶解した。これを室温まで冷却した後に、酸化セリウム１８ｇを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥および粉砕し、更に５００℃で１時間焼成してＢＥＴ比表面積５４ｍ^２／ｇの焼成物を得た。該焼成物の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム８４モル％、バナジウム１６モル％であった。次いで、Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、該焼成物１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し、触媒５を得た。
【００５２】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は５０ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００５３】
実施例６
水１００ｇに１３質量％酸化ニオブゾル１５．４ｇと酸化セリウム１８．０ｇとを加え十分に攪拌した後、１５０℃で一昼夜乾燥および粉砕した。その後、５００℃で１時間焼成し、ＢＥＴ比表面積８５ｍ^２／ｇの焼成物を得た。該焼成物の組成は、それぞれの元素換算で、セリウム９０モル％、ニオブ１０モル％であった。次いで、Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．１５ｇと、該焼成物１０ｇとを加え十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥したのち粉砕し、４００℃にて１時間焼成し、触媒６を得た。
【００５４】
該触媒の白金含有量は元素換算で、白金１０質量％であり、ＢＥＴ比表面積は８０ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００５５】
実施例７
Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１４．８ｇと１０質量％酸化ニオブゾル１２．１ｇ、Ｃｅ／Ｚｒ＝６８／３２なるセリウムジルコニウム複合酸化物（ＢＥＴ比表面積７０ｍ^２）１０ｇとを加え、十分に攪拌したのち１５０℃にて一昼夜乾燥および粉砕した。これを４００℃で１時間焼成し、触媒７を得た。
【００５６】
該触媒の組成は、それぞれの元素換算で、白金１０質量％、セリウム５６モル％、ニオブ１７モル％、ジルコニウム２７モル％であり、ＢＥＴ比表面積は６０ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００５７】
実施例８
沸騰した水１００ｍｌにバナジン酸アンモニウム２．９ｇを加え、シュウ酸４．５ｇを少量ずつ添加して溶解した。これを室温まで冷却した後に、Ｐｔ金属含有量８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１４．８ｇと１０ｇのＣｅ／Ｚｒ＝６８／３２なるセリウムジルコニウム複合酸化物（ＢＥＴ比表面積７０ｍ^２）とを加え、十分に攪拌した。これを１５０℃で一昼夜乾燥および粉砕し、４００℃で１時間焼成し、触媒８を得た。
【００５８】
該触媒の組成は、それぞれの元素換算で、白金１０質量％、セリウム４９モル％、ジルコニウム２３モル％、バナジウム２８モル％であり、ＢＥＴ比表面積は６５ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００５９】
実施例９
Ｐｔ金属含有量が８．４５１質量％のジニトロジアミン白金錯塩１３．９ｇと１０質量％酸化ニオブゾル５．７ｇ、Ｃｅ／Ｚｒ＝６８／３２なるセリウムジルコニウム複合酸化物（ＢＥＴ比表面積７０ｍ^２）１０ｇとを加え、十分に攪拌したのち１５０℃にて一昼夜乾燥および粉砕した。これを４００℃で１時間焼成し、触媒９を得た。
【００６０】
該触媒の組成は、それぞれの元素換算で、白金１０質量％、セリウム６２モル％、ニオブ９モル％、ジルコニウム２９モル％であり、ＢＥＴ比表面積は６８ｍ^２／ｇであった。表１に該触媒によるＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００６１】
活性試験１
実施例１〜８および比較例１〜３で調製した触媒をディスク上で圧縮した後破砕し、７０〜３６μｍの粒径に整粒した。該触媒０．１ｇとケイ砂０．１３ｇとを混合した後にガラス管に充填し、空間速度６０，０００ｈｒ^−１の流速で２％水素含有窒素雰囲気を流し、４００℃にて３０分活性化処理を行った。次いで、窒素雰囲気下で該触媒を１５０℃に冷却し、２００℃より昇温しながらガスクロマトグラフィーにて出口ガスを分析した。なお、投入ガス組成はいずれの触媒を使用した場合にも、ＣＯ／ＣＯ_２／Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ／Ｎ_２が、１０／１３．３／４０／１６．８／１９．９体積％とした。出口ＣＯ濃度を測定し、下記式に基づいてＣＯ転化率を求めた。
【００６２】
【数１】

【００６３】
また、ＣＨ_４生成率は規定のＣＨ_４ボンベガスから検定された検量線を元に計算した。表１に実施例および比較例で調製した触媒の組成、温度３００℃および４００℃で該触媒のＣＯ転化率、ＣＨ_４生成率を示す。
【００６４】
【表１】

【００６５】
各比較例および実施例の結果から、該触媒に使用する元素を変化させた場合のＣＯ転化率およびＣＨ_４生成率の要約を表２、図２Ａ、図２Ｂに示す。
【００６６】
比較例２，３では、酸化セリウムの単一酸化物を基材とした比較例１に比べて温度３００℃におけるＣＯ転化率が大きく下回るのに対して、実施例１〜４では、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、チタン元素の使用によって、温度３００℃と４００℃におけるＣＯ転化率がいずれも４９．９％以上と高値であり、しかも温度変化に対する変動の少ない触媒であることが分る。特に、実施例２に示すようにニオブ元素を使用すると、温度３００℃、４００℃におけるＣＯ転化率がそれぞれ７０．０％、６７．０％と高値で安定した。また、実施例７に示すようにニオブにジルコニウムを併用しても、温度３００℃、４００℃におけるＣＯ転化率がそれぞれ６１．５％、６５．６％と高値で安定した。
【００６７】
また、温度４００℃におけるＣＨ_４生成率は、実施例３のバナジウム元素の使用によって効率的に抑制されている。従って、実施例３では、温度３００℃および４００℃においてＣＯ転化率に優れると共に、特に温度４００℃ではメタネーション反応が抑制されるため生成したＨ_２の消費が少ないことが分る。
【００６８】
【表２】

【００６９】
ニオブ元素の使用によってＣＯ転化率が向上するため、ニオブ元素の配合量について検討すると、表３および図２Ｃに示す結果となる。ニオブ元素の使用量の増加に従ってＣＯ転化率が上昇することが分る。
【００７０】
【表３】

【００７１】
触媒調製方法の相違によるＣＯ転化率を、表４および図２Ｄに示す。なお、比較例および実施例に示したように、比較例１、実施例３および５は、バナジウム元素とセリウム元素とを含む複合体を焼成して一旦焼成物を得てから、該焼成物に白金元素を担持させて調製したものであり、実施例８は、白金元素、セリウム元素およびバナジウム元素とを含む複合体を焼成し、いわゆる共含浸によって調製したものである。一旦焼成した場合には、３００℃のＣＯ転化率は、バナジウムの含有量の増加に伴ってＣＯ転化率が上昇するが、共含浸の場合には必ずしも増加するわけではない。
【００７２】
【表４】

【００７３】
活性試験２
比較例１と実施例２とにおいて調製した触媒を使用して、空間速度が６０，０００および１００，０００ｈｒ⁻１の場合のＣＯ転化率とＣＨ_４生成率を測定した。なお、１００，０００ｈｒ^−１の場合の測定は、ガス流量を変化させずに触媒量を調整して測定した。結果を表５および図２Ｅに示す。表５から明らかなように、比較例１の触媒は、温度３００℃でのＣＯ転化率が低いが、本発明のシフト触媒は、温度３００℃および４００℃の双方において、安定してＣＯ転化率を高く維持することができる。特に、空間速度が１００，０００ｈｒ^−１の条件でも、温度４００℃におけるＣＨ_４生成率を比較例１より低値にすることができる。
【００７４】
【表５】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシフト触媒を使用した燃料改質式水素発生システムのシステムフロー図である。
【図２】実施例の結果を示す図である。

Claims

下記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒であって、

チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素、セリウム元素、および白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種類の元素とを含むことを特徴とする、シフト触媒。
チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含むことを特徴とする、請求項１記載シフト触媒。
チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる元素の含有量が、元素換算で該シフト触媒中に１０モル％以上である、請求項１または２記載のシフト触媒。
白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる元素の含有量が、質量換算で該シフト触媒中に０．０１〜２０．０質量％である、請求項１〜３のいずれかに記載のシフト触媒。
下記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒であって、

白金元素とセリウム元素および、バナジウム元素とを含むことを特徴とする、シフト触媒。
更に、ニオブ元素および／またはジルコニウム元素を含有することを特徴とする、請求項５記載のシフト触媒。
更に、アルミ元素および／または珪素元素を含むものである、請求項１〜６のいずれかに記載のシフト触媒。
空間速度５０，０００ｈｒ^−１以上で使用することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のシフト触媒。
下記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒の製造方法であって、

チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１種類の元素とセリウム元素とを含む複合体を焼成した後に、該焼成物に白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素を担持させることを特徴とするシフト触媒の製造方法。
下記式（１）で示されるシフト反応に使用されるシフト触媒の製造方法であって、

白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウムから選ばれる少なくとも１種の元素と、セリウム元素、およびニオブ元素とを含む複合体を得て、これを乾燥および焼成することを特徴とするシフト触媒の製造方法。
下記式（１）で示されるシフト反応を行う反応器であって、

請求項１〜８に記載のいずれかのシフト触媒が、該触媒を保持するハニカムモノリス表面にコーティングされていることを特徴とする、シフト触媒反応器。
請求項１〜８のいずれかに記載のシフト触媒または、請求項１１記載のシフト触媒反応器を搭載した、燃料改質式水素発生システム、燃料電池システム、または燃料改質式燃料電池自動車。