(57)【要約】【課題】  触媒中に使用される貴金属元素量あたりの活性に優れ、車載可能なモノリス担持貴金属系シフト触媒を提供する。【解決手段】  少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をｘ質量％とし、該モノリス担体１Ｌあたりの該触媒活性粉末の被覆量をｙｇ／Ｌとしたときのｘ／ｙの値が０より大きく０．０５以下であるモノリス触媒である。【選択図】            なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をｘ質量％とし、該モノリス担体１Ｌあたりの該触媒活性粉末の被覆量をｙｇ／Ｌとしたときのｘ／ｙの値が０より大きく０．０５以下である、モノリス触媒。
【請求項２】
前記ｘの値が０．０１〜２．０であり、前記ｙの値が４０〜５００である、請求項１に記載のモノリス触媒。
【請求項３】
前記被覆層のうち最も薄い部分の厚さが０．１〜０．５ｍｍである、請求項１または２に記載のモノリス触媒。
【請求項４】
前記触媒活性粉末に含まれる担体は、熱に安定な酸化物である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモノリス触媒。
【請求項５】
前記触媒活性粉末は、セリウム元素および第４族または第５族元素を含む、請求項４に記載のモノリス触媒。
【請求項６】
前記触媒活性粉末中に含有される貴金属元素は、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元素からなる群から選択される１種または２種以上である、請求項５に記載のモノリス触媒。
【請求項７】
前記貴金属元素は白金元素である、請求項６に記載のモノリス触媒。
【請求項８】
前記第４族または第５族元素はニオブ元素である、請求項５〜７に記載のモノリス触媒。
【請求項９】
前記被覆層をｎ層有し（ｎ≧２）、かつ、第ｋ層中の貴金属元素濃度をＣｋ質量％としたとき、常に、
【数１】
2005034777.tif 000011
となることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のモノリス触媒。
【請求項１０】
前記被覆層をｎ層有し（ｎ≧２）、かつ、第ｋ層中の貴金属元素濃度をＣｋ質量％としたとき、常に、
【数２】
2005034777.tif 000012
となることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のモノリス触媒。
【請求項１１】
下記式（１）で示されるシフト反応を促進する活性を有するシフト触媒であって、
【化１】
2005034777.tif 000013
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のモノリス触媒を用いたシフト触媒。
【請求項１２】
下記式（１）で示されるシフト反応を行う反応器であって、
【化２】
2005034777.tif 000014
請求項１１に記載のシフト触媒が配置されている、シフト反応器。
【請求項１３】
請求項１１に記載のシフト触媒または請求項１２に記載のシフト反応器を搭載した、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移動体。
【請求項１４】
水素抽出器を搭載したことを特徴とする、請求項１３に記載の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移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモノリス触媒に関し、詳細には、一酸化炭素および水蒸気から、水素および二酸化炭素を生成するシフト反応を促進する活性を有するシフト触媒、並びに該触媒を搭載した燃料電池システム等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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および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の点では最も好ましい。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、下記式（２）で示されるメタノール改質反応
【０００４】
【化１】
2005034777.tif 000002
【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に対して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ＣＯ２に転化する必要があり、下記式（１）で示されるシフト反応
【０００６】
【化２】
2005034777.tif 000003
【０００７】
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。
【０００８】
従来、上記シフト反応を促進するシフト触媒としては、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。ここで、例えばシフト反応に供される水素リッチガス量が急激に増加した場合には、増加した該水素リッチガス中のＣＯをシフト反応により低減させるのに必要な水蒸気量も同時に増加するため、反応に必要な水蒸気を充分に供給することができず、シフト反応が充分に進行しなくなる場合があった。
【０００９】
この問題を解決すべく、例えば特許文献１には、シフト反応を促進する活性を有する触媒金属と、水蒸気を吸着可能な水蒸気吸着性物質とを備えることを特徴とするシフト反応触媒が開示されている。該文献１の触媒によれば、水蒸気吸着性物質の周囲の水蒸気分圧が平衡状態と比較して低い場合には、該水蒸気吸着性物質が水蒸気を放出し、この水蒸気を利用してシフト反応を進行させることができるため、シフト反応に供される水蒸気量が不足する場合にもシフト反応活性を充分に高く維持することができるとしている。なお該文献１において、前記水蒸気吸着性物質としてはゼオライトが例示されている。
【００１０】
しかしながら、一般に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った。
【００１１】
そこでこれらの問題を解決するため、前記Ｃｕ触媒以外のシフト触媒として、Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３等の貴金属系触媒が開発されている。この貴金属系触媒は、前記Ｃｕ触媒と比較して耐熱性が高く、空間速度ＳＶが増大した際のシフト活性の低下が相対的に少ないという特徴を有している。しかしながら、前記貴金属系触媒は、コストが高く、絶対的なシフト活性も前記Ｃｕ触媒と比較すると低いという問題がある。
【００１２】
そこで、シフト活性を改善したシフト触媒として、例えば特許文献２には、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウムのうちの少なくとも一種によって構成される酸化物多孔体に、白金と、該白金と共存することによって該白金と一酸化炭素とが結合する力を弱める働きを有する所定の物質とを担持させて成るシフト触媒が開示されている。該文献１では、触媒性能が向上する原因としては、所定の物質を添加することによって白金の電子状態が変化して電子密度が低下することにより、白金と一酸化炭素とが結合する力が弱められることが一因と推察している。なお、所定の物質としては、モリブデン、レニウム、ニオブの少なくとも一種を例示している。
【００１３】
ここで一般に、車載する目的で固体高分子燃料電池システム等に組み込まれて使用されるシフト触媒においては、触媒体積に対して処理すべきガス流量が多いために、空間速度（ＧＨＳＶ）が少なくとも１０，０００ｈ−１程度以上の条件において充分に実用的であることが望まれている。
【００１４】
また、一般にシフト触媒の形態としては、触媒を担持したペレットを所定の容器に充填してなるペレット触媒と、触媒を含む触媒組成物をハニカム等のモノリス担体にコーティングしてなるモノリス触媒とが知られている。上記の空間速度条件についてみると、モノリス触媒に比較してペレット触媒は一般に優れた性能を示すことが知られている。
【００１５】
一方、例えば車載用のシフト触媒について考えると、ペレット触媒の形態では振動時の磨耗や破砕の危険性が大きいのに対し、モノリス触媒の形態ではこれらの危険性が低く、車載時の振動の影響を排除することが可能となる。さらに、モノリス触媒の形態とすることによりシフト反応器の触媒充填部への触媒の充填が容易となり、その有する構造によって水素リッチガスの通気性が確保できる。加えて、水素リッチガスを供給した際に、該触媒を熱や焼成から防ぐことができ、触媒寿命および触媒活性を向上させることができる。したがって、車載時の条件を考慮すると、シフト触媒の形態としてはモノリス触媒の形態が好ましい。
【特許文献１】特開２００２−６６３２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２７３２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ここで、例えば前記文献２に記載のハニカム形態のシフト触媒においては、３，６００ｈ−１と極めて低い空間速度条件ではＣＯ低減性能に優れているが、例えば１０，０００ｈ−１以上といった高い空間速度条件下でのＣＯ低減性能については記載がなく明らかではない。
【００１７】
このように、例えば１０，０００ｈ−１以上といった高い空間速度条件下で使用可能な、モノリス担体に担持された貴金属系シフト触媒が望まれてはいるものの、いまだその開発には至っていないのが現状である。
【００１８】
そこで本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、触媒中に使用される貴金属元素量あたりの活性に優れるモノリス触媒、特に、車載可能なモノリス担持貴金属系シフト触媒を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、前記の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、触媒活性粉末をモノリス担体にコーティングする際に、従来と比較してより貴金属元素濃度の低い触媒活性粉末を従来よりも厚くコーティングすることで、使用される貴金属元素量あたりの触媒活性が上昇することを見出した。さらに、かかる構成であっても、１０，０００ｈ−１以上という高空間速度条件下で使用することができ、車載も可能であることを見出し、本発明を完成させた。
【００２０】
すなわち本発明は、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をｘ質量％とし、該モノリス担体１Ｌあたりの該触媒活性粉末の被覆量をｙｇ／Ｌとしたときのｘ／ｙの値が０より大きく０．０５以下であるモノリス触媒を提供するものである。
【００２１】
また本発明は、前記記載のモノリス触媒を使用したシフト触媒、および該触媒が配置されたシフト反応器、並びに該触媒または該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移動体を提供するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有するモノリス触媒において、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をｘ質量％とし、該モノリス担体１Ｌあたりの該触媒活性粉末の被覆量をｙｇ／Ｌとしたときのｘ／ｙの値を０より大きく０．０５以下とすることで、使用される貴金属元素量あたりの活性が上昇する。すなわち、触媒金属元素、特に貴金属元素を有効に利用することが可能となる。また、本発明のシフト触媒は１０，０００〜１００，０００ｈ−１と高い空間速度条件下においても使用できるため、車載が可能であり、固体高分子燃料電池システムや、該システムを搭載した車両等へ適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の第一は、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をｘ質量％とし、該モノリス担体１Ｌあたりの該触媒活性粉末の被覆量をｙｇ／Ｌとしたときのｘ／ｙの値が０より大きく０．０５以下であるモノリス触媒である。
【００２４】
本発明によれば、従来と比較してより貴金属元素濃度の低い触媒活性粉末をモノリス担体に厚くコーティングすることで、使用される貴金属元素量あたりの触媒活性が上昇する。また、本発明がシフト触媒に利用される場合には、１０，０００ｈ−１以上という高い原料ガス空間速度条件下でも使用することができ、車両などの高空間速度条件が必要となる機器に搭載することが可能となる。
【００２５】
ここで本発明のモノリス触媒は、少なくとも貴金属元素と担体とを含有する触媒活性粉末をモノリス担体に被覆してなる被覆層を有し、該触媒活性粉末中の貴金属元素濃度をｘ質量％とし、該モノリス担体１Ｌあたりの該触媒活性粉末の被覆量をｙｇ／Ｌとしたときのｘ／ｙの値が０より大きく０．０５以下である点に特徴がある。好ましくはｘ／ｙの値は０．０００１〜０．０１である。
【００２６】
まず、前記触媒活性粉末については、少なくとも貴金属元素および担体を含有していればよく、他の成分については特に制限されることはない。ここで、前記触媒活性粉末に含有される貴金属元素としては、特に限定されることはなく、従来触媒活性金属として好ましく用いられている元素を使用することができる。ここで、前記触媒活性粉末中の貴金属元素濃度（前記「ｘ質量％」）は、金属換算で好ましくは０．０１〜２質量％、より好ましくは０．１〜２質量％、特に好ましくは０．２５〜２質量％である。貴金属元素の含有量が０．０１質量％以上で特に顕著な触媒活性を得ることができる。一方、２質量％以下で、他の成分とのバランスが良好で優れた触媒活性が得られ、コストも低廉である。また貴金属元素の占める表面積を反応継続中に良好に維持でき、ＣＨ４の生成および求めるべきＨ２の消費が防止される。なお、２種類以上の貴金属元素を併用する場合にはその合計量で算出する。また、前記触媒活性粉末に含有される担体としては、触媒の担体として一般的に用いられているものを好ましく用いることができる。ここで好ましくは、該担体は酸化物担体であり、より好ましくは該酸化物担体は熱に安定なものである。熱に不安定な成分を含有した場合には、触媒反応中に崩壊してしまい触媒として不適切であるためである。なお、前記熱に安定な酸化物担体としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ウラン（ＵＯ２）、酸化トリウム（ＴｈＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ）、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）および五酸化二バナジウム（Ｖ２Ｏ５）等の酸化物や、これらの窒化物および複合酸化物等が例示される。ここで、これらのうち１種を単独で用いてもよいが、２種以上を併用することもできる。前記担体のＢＥＴ比表面積は、好ましくは４０ｍ２/ｇ以上であり、より好ましくは６０ｍ２/ｇ以上であり、特に好ましくは８０ｍ２/ｇ以上である。なお、担体を２種類以上併用する場合にはその合計量で算出する。
【００２７】
さらに、モノリス担体１Ｌあたりの該触媒活性粉末の被覆量（前記「ｙｇ／Ｌ」）は、好ましくは４０〜５００ｇ／Ｌである。被覆量が４０ｇ／Ｌ以上で触媒活性に優れ、一方、５００ｇ／Ｌ以下で、触媒内の通風抵抗が低く抑えられ、ハニカム担体上への目詰まり等が抑制され、製造が容易である。
【００２８】
ここで、前記触媒活性粉末は、貴金属元素に加えて、その他の種々の金属元素を含有していてもよいが、前記触媒活性粉末は、セリウム元素および／または周期律表で第４族もしくは第５族に属する元素（本明細書中、「第４族または第５族元素」とも称する。）を含むものであることが好ましい。より好ましくは、前記触媒活性粉末は、貴金属元素に加え、セリウム元素および第４族または第５族元素の双方を含むものである。後述するように、これらの元素を含有することによって、本発明のモノリス触媒をシフト触媒として用いる際の触媒性能に優れるためである。さらに、本発明において、前記触媒活性粉末に含まれる貴金属元素は、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元素からなる群から選択される１種または２種以上の元素であることが好ましい。また、前記第４族または第５族元素としては、例えばチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタル元素が例示される。これらの元素のうち１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。ここで、前記貴金属元素は白金元素であることが特に好ましく、前記第４族または第５族元素はニオブ元素であることが好ましい。これらの元素を含有することによって、本発明のモノリス触媒がシフト触媒として用いられる際の触媒活性に特に優れるためである。
【００２９】
前記モノリス担体としては、特に限定されず従来公知のものを用いることができ、例えば、メタルハニカム、セラハニカム、メタルフォームおよびセラフォーム等が例示される。
【００３０】
ここで本発明は、従来と比較して貴金属元素濃度の低い触媒活性粉末を従来よりも厚くコーティングすることにより被覆層を形成することで、従来と同程度の貴金属元素使用量にもかかわらず、高いシフト活性を得ることができる点に特徴がある。よって、前記触媒活性粉末の被覆層のうち、最も薄い部分の厚さは、好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。
【００３１】
本発明のモノリス触媒においては、前記被覆層は１層のみに限定されず、２層以上を有していてもよい。ここで例えば、本発明のモノリス触媒が被覆層をｎ層有しているとした場合、モノリス担体表面に近い方から第１層〜第ｎ層と称するものとし、第１層を最下層とする。さらにこの場合に、隣接する層であって組成が全く同一のものは１層と数えるものとする。この際各被覆層は、各々上述の被覆層と同様の特徴、例えば被覆層中の貴金属元素濃度等、を有していればよく、その他特に限定されることはない。前記各被覆層中の貴金属元素濃度については、下層から上層へ向かうにつれて該濃度は常に増加しているかまたは常に減少していることが好ましい。なお、ここで、隣接する被覆層において、貴金属元素濃度以外の組成は異なるが貴金属元素濃度が等しい場合は、前記「増加」または「減少」に含まれるものとする。
【００３２】
すなわち、本発明の一の好ましい態様によれば、本発明のモノリス触媒が前記被覆層をｎ層有し（ｎ≧２）、かつ、第ｋ層中の貴金属元素濃度をＣｋ質量％としたとき、常に、
【００３３】
【数１】
2005034777.tif 000004
【００３４】
となることが好ましい。このように下層から上層へ向かうにつれて被覆層中の貴金属元素濃度が常に増加している場合には以下の利点がある。すなわち、一般にモノリス触媒においては、コーティングの際にモノリス担体の隅角部分に触媒活性粉末が厚く被覆されやすく、当該隅角部分の被覆層の深部に存在する触媒金属元素、特に貴金属元素が有効に利用されず、使用される貴金属元素量あたりの触媒活性が低下し、コストも上昇するという問題点がある。しかし上記の態様によれば、下層に含有される貴金属元素量をより少なくすることで、上記の問題点を解決することができるのである。
【００３５】
一方、本発明の他の好ましい態様によれば、本発明のモノリス触媒が前記被覆層をｎ層有し（ｎ≧２）、かつ、第ｋ層中の貴金属元素濃度をＣｋ質量％としたとき、常に、
【００３６】
【数２】
2005034777.tif 000005
【００３７】
となることが好ましい。このように下層から上層へ向かうにつれて被覆層中の貴金属元素濃度が常に減少している場合には以下の利点がある。すなわち、一般にモノリス触媒を用いた場合、モノリス中を原料ガスが通過することによって、モノリス担体に形成された被覆層の表面から熱が放散しやすく、これに伴って貴金属元素周辺の温度が低下し、触媒活性が低下する場合がある。これに対し上記の態様のように上層に含有される貴金属元素量をより少なくすると、上層の被覆層により被覆層からの放熱が抑制される結果、貴金属元素の周辺が高温に維持され、触媒活性の低下を防止することが可能となるのである。
【００３８】
本発明のモノリス触媒を製造する方法としては、特に限定されず従来公知の方法を用いることができる。例えば、予め貴金属元素、担体およびその他の必要な添加物を含む組成物を焼成および粉砕して触媒活性粉末を調製し、これに水および必要な添加剤を添加後、攪拌および粉砕して触媒活性粉末スラリーとし、これをモノリス担体にコーティングして被覆層を形成し、該モノリス担体を乾燥および焼成することにより製造することができる。
【００３９】
本発明の第二は、下記式（１）で示されるシフト反応を促進する活性を有するシフト触媒であって、
【００４０】
【化３】
2005034777.tif 000006
【００４１】
本発明のモノリス触媒を用いたシフト触媒である。以下、本発明のモノリス触媒をシフト触媒に適用する場合の実施態様について詳細に説明するが、本発明は以下の態様のみに限定されるものではない。
【００４２】
まず、一酸化炭素および水蒸気から水素および二酸化炭素を生成するシフト反応は、下記式（ｉ）および（ｉｉ）に分解して理解することができる。
【００４３】
【化４】
2005034777.tif 000007
【００４４】
ここで、上記式（ｉ）で示す反応によりＨ２ＯからＨ２が生成する際に同時に生成した活性酸素（Ｏ）が、ＣＯを酸化する触媒金属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。よって、本発明のシフト触媒において上記式（１）で示すシフト反応を効率よく進行させるためには、前記触媒層中にＨ２ＯからＨ２を取り出すことのできる活性種（Ａ）、ＣＯの酸化能を有する活性種（Ｂ）および酸素運搬能に優れる活性種（Ｃ）が存在することが好ましい。前記３種の活性種が存在することで、低温でもシフト反応性に優れる触媒が得られるのである。ここで、上記活性種（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は触媒中に存在すれば、気体状態のＨ２ＯからＨ２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）および（Ｂ）が隣接しない場合でも、活性種（Ｃ）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。また、活性種（Ａ）が存在することで、従来の触媒と相違して温度３００℃という低温でも優れたＣＯ転化率を発揮し、かつ上記機構により水やＣＯの吸着が促進される。
【００４５】
本発明において、貴金属元素は前記（Ｂ）の活性種である。したがって、本発明のモノリス触媒がシフト触媒として用いられる場合には、貴金属元素に加えて前記（Ａ）および（Ｃ）の活性種がさらに被覆層中に存在することが好ましい。ここで、前記（Ａ）の活性種としては前記第４族または第５族元素が挙げられる。また、前記（Ｃ）の活性種としてはセリウム元素が例示される。なお、上述のように、本発明のシフト触媒においては、被覆層を形成する触媒活性粉末中に含有される貴金属元素としては白金元素が特に好ましく、第４族または第５族元素としては、ニオブ元素が特に好ましい。これらが触媒層中に存在することにより高いＣＯ転化率が得られ、さらに白金元素が存在する場合には副反応であるメタン生成反応を抑制する効果も併せて得られるためである。
【００４６】
また、本発明のモノリス触媒において、触媒活性粉末がセリウム元素を含有する場合、該触媒活性粉末中のセリウム元素の含有量は、金属換算で好ましくは５〜９５モル％、より好ましくは３０〜９０モル％である。セリウム元素の含有量が５モル％以上で充分な触媒活性が得られる。一方、９５モル％以下で、他の成分とのバランスが良好で優れた触媒活性が得られる。
【００４７】
さらに、本発明のモノリス触媒において、触媒活性粉末が第４族または第５族元素を含有する場合、該触媒活性粉末中の第４族または第５族元素の含有量は、金属換算で好ましくは５〜５０モル％である。第４族または第５族元素の含有量が５モル％以上で充分な触媒活性が得られる。一方、５０モル％以下で、他の成分とのバランスが良好で優れた触媒活性が得られる。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。
【００４８】
ここで従来、前記（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）の活性種を有する、モノリス担持シフト触媒としては、例えば活性種（Ａ）の原料である酸化ジルコニウムと、活性種（Ｃ）の原料である酸化セリウムとを混合してスラリーとし、モノリス基材を該スラリーでコーティングして乾燥および焼成した後、該コーティング層上に活性種（Ｂ）である白金元素を担持させたシフト触媒が知られている。しかしながら、該シフト触媒では、前記活性種（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）が近接して存在し、協働して作用することができるのは白金元素が担持された前記コーティング層表面付近に限られてしまうため、高空間速度条件下においては、シフト活性が低下するものと推測される。これに対し、本発明のシフト触媒においては、被覆層を形成する触媒活性粉末中に前記活性種（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）が均一に存在する。このため、被覆層表面に限らず被覆層全体において前記活性種が協働して作用することができ、高空間速度条件下においても高いシフト活性を維持することができるものと考えられる。
【００４９】
本発明のモノリス触媒がシフト触媒に適用される場合、該モノリス触媒の被覆層には、シフト活性を高める目的で上記の他にも種々の成分を含むことができる。例えば、特開２００２−２７３２２７号公報に記載されているように、モリブデンおよびレニウム元素等の、貴金属元素と一酸化炭素とが結合する力を弱める働きを有する物質をさらに含んでいてもよい。これらの金属を含有することで、シフト活性のより一層の向上を図ることが可能となる。
【００５０】
本発明において、被覆層を形成する触媒活性粉末は、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元素等の貴金属元素を含有する。該貴金属元素を含有させるために使用する原料化合物としては、例えば白金元素の原料化合物としてはジニトロジアミン白金、塩化白金などが例示されるが、特にジニトロジアミン白金が好ましい。触媒活性粉末中での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元素等の原料化合物としては、硝酸塩、アンモニウム塩等を使用することが好ましい。また、前記セリウム元素の原料化合物としては、酸化セリウムやセリウムジルコニウム複合酸化物が好ましい。これらの化合物は、結晶内の酸素原子が移動できる酸化還元能のある化合物であることから、これらの使用によってシフト反応で生成したＨ２を消費するいわゆるメタネーション反応を抑制し得るためである。さらに、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブおよびタンタル元素等の第４族または第５族元素の原料化合物としては、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブおよび五酸化二バナジウム、並びにこれらの窒化物および複合酸化物等の本発明において担体として用いられる化合物が例示される。なかでも製造が簡便になる点で、本発明において担体として用いられる化合物が好ましく用いられ、特に好ましくは、上記の理由からセリウムジルコニウム複合酸化物が用いられる。
【００５１】
本発明の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ることにより、改質ガスに含まれるＣＯを効率的にＣＯ２に変換することができる。すなわち、シフト反応器として使用することができる。また、このような反応容器を使用せずに、モノリス触媒である本発明のシフト触媒を直接用いることによってもシフト反応器とすることができる。すなわち本発明の第三は、下記式（１）で示されるシフト反応を行う反応器であって、
【００５２】
【化５】
2005034777.tif 000008
【００５３】
本発明のシフト触媒が配置されているシフト反応器である。上記のように、本発明のシフト触媒は空間速度１０，０００ｈ−１以上で使用する場合にもＣＯ転化率に優れるため、シフト反応器を小型化でき特に有利である。
【００５４】
本発明のシフト触媒やシフト反応器を搭載して、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などに利用することができる。図１に、車両に搭載された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が供給される。該燃料は気化器内において気化し、必要により脱硫器によって含まれる硫黄分が除去される。改質部では、通常は水蒸気を用いた水蒸気改質によって、該燃料は水素リッチな改質ガスへと改質される。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、改質ガスをシフト部に送り、改質ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２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選択酸化部に移送し、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）を燃料電池に供給し、発電反応を進行させる。なお、燃料電池からは使用済み燃料および酸化剤が排出される。なお、前記燃料改質式水素発生システムはさらに水素分離膜等を有する水素抽出器を有していることが好ましい。これにより、発生した水素ガスを容易に分離および精製することが可能となるためである。
【００５５】
本発明のモノリス触媒は、上述の通りシフト触媒に適用されると優れた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等の移動体などでも有効に使用することができる。
【００５６】
以上、シフト触媒を例に挙げて本発明のモノリス触媒の実施の形態について説明したが、本発明のモノリス触媒はこれに限定されることなく種々の触媒に適用されうる。
【実施例１】
【００５７】
次に、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００５８】
実施例１
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７０ｍ２／ｇ）を担体として用い、金属換算で白金元素を８．４５１質量％含有するジニトロジアミン白金錯塩１３．２ｇを総液量１．０Ｌの水溶液にした後、該担体を投入し、白金元素を含浸させ、充分に攪拌した後に一日乾燥させて、その後４００℃で１時間焼成することにより触媒活性粉末を得た。
【００５９】
前記触媒活性粉末２００ｇに塗布助剤としてアルミナゾル（アルミナに換算して４ｇ相当量）を添加し、さらに水１．０Ｌを添加して、湿式粉砕することにより触媒活性粉末スラリーを調製した。なお、粉砕は、市販のボール式振動ミルを用いて１時間行い、この際、ボール径、粉砕時間、振幅、振動周波数を調整することにより、平均粒子径を１．０〜５．０μｍに調整した。なお、前記触媒活性粉末中の白金元素含有量は０．５質量％であった。
【００６０】
０．１２Ｌのコージェライト製ハニカムモノリス担体（４００セル／インチ）に、上記で調製した触媒活性粉末スラリーをコーティングし、２００℃で乾燥し、空気中で５００℃で焼成し、シフト触媒を得た。ここで、該モノリス担体への触媒活性粉末の被覆量は２４ｇ（２００ｇ／Ｌ）であり、該シフト触媒全体積に占める白金元素の含有量は１．０ｇ／Ｌであった。
【００６１】
実施例２および３
触媒活性粉末中の白金元素含有量および触媒活性粉末被覆量を表１の値となるようにしたこと以外は、上記実施例１に記載の方法によりシフト触媒を調製した。
【００６２】
【表１】
2005034777.tif 000009
【００６３】
活性試験
上記実施例１〜３において調製したシフト触媒についてシフト活性試験を行った。
【００６４】
まず、前記触媒各４０ｍＬに対し、空間速度（ＧＨＳＶ）３０，０００ｈ−１で２％水素含有窒素雰囲気を流し、４００℃で１時間活性化処理を行った。次いで、窒素雰囲気下で該触媒を２００℃に冷却し、昇温しながらガスクロマトグラフィーにより出口ガスを分析した。この際空間速度は３０，０００ｈ−１であった。なお、全てのシフト触媒の活性試験において、投入ガス組成は、ＣＯ／Ｈ２Ｏ／Ｈ２／ＣＯ２／Ｎ２が、２．５／２４／３５／１５／２３．５体積％とし、反応ガスの流速は２０Ｌ／分とした。
【００６５】
出口ガスの分析により得た出口ＣＯ濃度を用いて、下記式によりＣＯ転化率を算出した。上記の結果を図２に示す。
【００６６】
【数３】
2005034777.tif 000010
【００６７】
表１からわかるように、本発明のシフト触媒は、３０，０００ｈ−１と従来よりも極めて高い空間速度条件下にもかかわらず、例えば出口ガス温度が３００℃では約３０％と高いシフト活性を示した。
【００６８】
以上のように、本発明によれば、触媒中に使用される貴金属元素量あたりの活性に優れ、貴金属元素を有効に利用可能なモノリス触媒を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、車両に搭載された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である。
【図２】実施例１〜３において調製された本発明のシフト触媒について活性試験を行った結果を示す図である。
【図１】
2005034777.tif 000015
【図２】
2005034777.tif 000016