(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素および水素を含有する原料ガスから一酸化炭素濃度を低減する方法であって、該原料ガスに酸素含有ガスを酸素と原料ガス中の一酸化炭素の比がモル比で０．５〜２となるように加え、無機酸化物にルテニウムを担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第一工程、次いで酸素含有ガスを追加供給し、無機酸化物にルテニウムおよび白金をＲｕ／Ｐｔ質量比５／１〜２／１で担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第二工程の少なくとも二段階の酸化工程からなり、第一工程および第二工程において、反応圧力が常圧〜１ＭＰａ、反応温度が１００〜３００℃、ＧＨＳＶが１，０００〜５０，０００ｈ−１の条件下で一酸化炭素を選択的に酸化して該原料ガスから一酸化炭素濃度を低減する方法。
【請求項２】
原料ガスが炭化水素、アルコールまたはエーテルを脱硫反応、改質反応および水性ガスシフト反応することにより得られたものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
原料ガス中の一酸化炭素濃度が０．１〜２ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
酸化処理後の生成ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｖｏｌｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の方法。
【請求項５】
炭化水素、アルコールおよびエーテルから選ばれる燃料を脱硫処理、改質反応および水性ガスシフト反応を行って得られる一酸化炭素および水素を含有する原料ガスに酸素含有ガスを酸素と原料ガス中の一酸化炭素の比がモル比で０．５〜２となるように加え、無機酸化物にルテニウムを担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第一工程、次いで酸素含有ガスを追加供給し、無機酸化物にルテニウムおよび白金をＲｕ／Ｐｔ質量比５／１〜２／１で担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第二工程からなる一酸化炭素の二段階酸化反応を行って得られる燃料ガスを陰極側燃料として供給することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一酸化炭素および水素を含有する原料ガスから一酸化炭素を選択的に酸化することにより原料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する方法およびその方法を用いた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は燃料の燃焼反応による自由エネルギー変化を直接電気エネルギーとして取り出せるため、高い効率が得られるという特徴がある。さらに有害物質を排出しないことも相俟って、様々な用途への展開が図られている。特に固体高分子形燃料電池は、出力密度が高く、コンパクトで、しかも低温で作動するのが特徴である。
【０００３】
一般的に燃料電池用の燃料ガスとしては水素を主成分とするガスが用いられるが、その原料には天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール、およびジメチルエーテル等のエーテル等が用いられる。
しかし、これらの原料中には水素以外の元素も存在するため、燃料電池への燃料ガス中に炭素由来の不純物が混入することは避けられない。中でも一酸化炭素は燃料電池の電極触媒として使われている白金系貴金属を被毒するため、燃料ガス中に一酸化炭素が存在すると充分な発電特性が得られなくなる。特に低温作動させる燃料電池ほど一酸化炭素吸着は強く、被毒を受けやすい。このため固体高分子形燃料電池を用いたシステムでは燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が低減されていることが必要不可欠である。
【０００４】
一酸化炭素濃度を低減させる方法としては、原料を改質して得られた改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、水素と二酸化炭素に転化する方法、いわゆる水性ガスシフト反応を用いることが考えられるが、通常、この方法では０．１〜１ｖｏｌ％程度までしか一酸化炭素濃度を低減することができない。しかし、燃料電池電極に用いられる触媒の一酸化炭素耐性は用いられる金属種にも依るが、燃料電池が効率よく作動するためには燃料ガス中の一酸化炭素濃度は１００ｖｏｌｐｐｍ以下であることが望ましく、水性ガスシフト反応のみでは不充分である。
そこで、水性ガスシフト反応により０．１〜１ｖｏｌ％程度にまで下げた一酸化炭素濃度をさらに低減することが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一酸化炭素濃度をさらに低減する方法としては、一酸化炭素を吸着分離する方法や膜分離する方法が考えられる。しかし、これらの方法では得られる水素純度は高いものの、装置コストが高く、装置サイズも大きくなるという問題があり、現実的でない。
【０００６】
これに対し化学的な方法はより現実的な方法である。化学的方法としては、一酸化炭素をメタン化する方法、酸化して二酸化炭素に転化する方法などが考えられる。しかし、前者のメタン化する方法では燃料電池の燃料となる水素をロスすることから、効率的には適当ではない。従って、後者の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素とする方法を採用するのが適当である。この方法においてポイントとなるのは、大過剰に存在する水素中に微量ないし少量混在する一酸化炭素を選択的に酸化処理できるかである。
本発明者らはかかる課題について鋭意研究した結果、本発明を完成したものである
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の第１は、一酸化炭素および水素を含有する原料ガスから一酸化炭素濃度を低減する方法であって、該原料ガスに酸素含有ガスを加え、無機酸化物にルテニウムを担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第一工程、および無機酸化物にルテニウムおよび白金を担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第二工程の少なくとも二段階の酸化工程により、一酸化炭素を選択的に酸化して該原料ガスから一酸化炭素濃度を低減する方法に関する。
【０００８】
本発明の第１においては、前記第二工程の前に酸素含有ガスを追加供給することが好ましい。
また本発明の第１においては、酸素と原料ガス中の一酸化炭素の比がモル比で０．５〜３であることが好ましい。
また本発明の第１においては、原料ガスが炭化水素、アルコールまたはエーテルを脱硫反応、改質反応および水性ガスシフト反応することにより得られたものであることが好ましい。
また本発明の第１においては、原料ガス中の一酸化炭素濃度が０．１〜２ｖｏｌ％であることが好ましい。
また本発明の第１においては、酸化処理後の生成ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｖｏｌｐｐｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
本発明の第２は、炭化水素、アルコールおよびエーテルから選ばれる燃料を脱硫処理、改質反応および水性ガスシフト反応を行って得られる一酸化炭素および水素を含有する原料ガスに酸素含有ガスを加え、無機酸化物にルテニウムを担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第一工程および無機酸化物にルテニウムおよび白金を担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第二工程からなる二段階酸化工程により得られる燃料ガスを陰極側燃料として供給することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の第１は、一酸化炭素および水素を含有する原料ガスから一酸化炭素濃度を低減する方法であって、該原料ガスに酸素含有ガスを加え、無機酸化物にルテニウムを担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第一工程、および無機酸化物にルテニウムおよび白金を担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第二工程の少なくとも二段階の酸化工程により、一酸化炭素を選択的に酸化して該原料ガスから一酸化炭素濃度を低減する方法に関する。
【００１１】
一酸化炭素および水素を含有する原料ガスとしては、通常、燃料電池用の燃料ガスの出発原料（原燃料）として用いられる炭化水素、あるいはアルコールやエーテル等の含酸素炭化水素等を各種方法により改質反応を行って得られる水素を主成分とするガスが用いられる。
原燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油、ガソリンまたはこれらに相当する各種溜分や、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素、メタノール、エタノール等の各種アルコール、およびジメチルエーテル等のエーテル等が用いられる。
【００１２】
前記原燃料を改質する方法としては、特に限定されるものではなく、水蒸気改質方法、部分酸化改質方法、オートサーマルリフォーミング等の各種方法が挙げられる。本発明においてはこれらのいずれの方法も採用することができる。
【００１３】
なお、硫黄を含んでいる原燃料をそのまま改質工程に供給してしまうと、改質触媒が被毒を受け、改質触媒の活性が発現せず、また寿命も短くなるため、改質反応に先だって、原燃料を脱硫処理しておくことが好ましい。
脱硫反応の条件は、原燃料の状態および硫黄含有量によって異なるため一概には言えないが、通常、反応温度は常温〜４５０℃が好ましく、特に常温〜３００℃が好ましい。反応圧力は常圧〜１ＭＰａが好ましく、特に常圧〜０．２ＭＰａが好ましい。ＳＶは原料が液体の場合では、０．０１〜１５ｈ-1が好ましく、０．０５〜５ｈ-1がさらに好ましく、０．１〜３ｈ-1が特に好ましい。また気体原料の場合では、１００〜１００００ｈ-1が好ましく、２００〜５０００ｈ-1がさらに好ましく、３００〜２０００ｈ-1が特に好ましい。
【００１４】
また改質反応条件も必ずしも限定されるものではないが、通常、反応温度は４００〜１，０００℃が好ましく、特に５００〜８５０℃が好ましい。反応圧力は常圧〜１ＭＰａが好ましく、特に常圧〜０．２ＭＰａが好ましい。ＳＶは０．０１〜４０ｈ-1が好ましく、特に０．１〜１０ｈ-1が好ましい。
改質反応により得られるガス（改質ガス）は、主成分として水素を含むものの、他の成分としては、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気等が含有される。
【００１５】
本発明においては、原料ガスとして前記改質ガスを直接用いることも可能であるが、かかる改質ガスを予め前処理して一酸化炭素濃度をある程度低減させたものを用いてもよい。
かかる前処理としては、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるため、改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、水素と二酸化炭素に転化する方法、いわゆる水性ガスシフト反応が挙げられる。水性ガスシフト反応以外の前処理としては、一酸化炭素を吸着分離する方法、あるいは膜分離する方法等が挙げられる。
【００１６】
本発明においては、改質ガス中の一酸化炭素を低減し、かつ水素を増やすためにも、改質ガスをさらに水性ガスシフト反応したものを原料ガスとするのが好ましく、これにより一酸化炭素濃度の低減をより効果的にすることができる。
水性ガスシフト反応は改質ガスの組成等によって、必ずしも反応条件は限定されるものではないが、通常、反応温度は１２０〜５００℃が好ましく、特に１５０〜４５０℃が好ましい。反応圧力は常圧〜１ＭＰａが好ましく、特に常圧〜０．２ＭＰａが好ましい。ＳＶは１００〜５０，０００ｈ-1が好ましく、特に３００〜１０，０００ｈ-1が好ましい。
【００１７】
本発明において用いる原料ガスは、一酸化炭素および水素を含有するものであるが、一酸化炭素濃度は、通常０．１〜２ｖｏｌ％、好ましくは０．５〜１ｖｏｌ％である。一方、水素濃度は通常４０〜８５ｖｏｌ％、好ましくは５０〜７５ｖｏｌ％である。また、一酸化炭素および水素以外の成分として、例えば窒素、二酸化炭素等が含まれていても良い。
【００１８】
本発明においては、原料ガスから一酸化炭素を酸化反応により除去するためには酸素含有ガスを原料ガスに加える。酸素含有ガスは少なくとも前段の第一工程の前に原料ガスに導入するが、後段の第二工程の前にも追加導入することもできる。
酸素含有ガスとしては、特に限定されないが、空気や酸素が挙げられる。
導入する酸素含有ガスは、全酸素量と原料ガス中の一酸化炭素の濃度比（モル比）が０．５〜３．０の範囲とすることが好ましく、特に０．５〜２．０が好ましい。前記濃度比が０．５より小さい場合は、化学量論的に酸素が足りないため一酸化炭素との酸化反応が十分に進行しない。また、前記濃度比が３．０より大きい場合は、水素の酸化により、水素濃度の低下、水素の酸化熱により反応温度の上昇、メタンの生成などの副反応が起こりやすくなるため好ましくない。
【００１９】
本発明における２段階の酸化反応においては、前段には無機酸化物にルテニウム（Ｒｕ）を担持した触媒、後段には無機酸化物にルテニウム（Ｒｕ）および白金（Ｐｔ）を担持した触媒を用いるのが重要である。。
前段及び後段の触媒において担体として用いられる無機酸化物としては、特に限定するものではないが、それぞれ個別に、各種アルミナ、シリカ、チタニア、等の単独酸化物や、モルデナイトや各種ゼオライトに代表されるシリカアルミナなどの複合酸化物、または塩基性酸化物等を用いることができる。
無機酸化物の形状、大きさ、成型方法についても、特に限定されるものではない。また成型時に適度なバインダーを添加して成形性を高めてもよい。
【００２０】
前段および後段の触媒に担持するＲｕの担持量は、それぞれ個別に、０．０５〜５．０質量％、好ましくは０．１〜１．０質量％、さらに好ましくは０．１〜０．３質量％である。
後段の触媒に担持するＰｔの担持量は、０．０１〜１．０質量％、好ましくは０．０１〜０．５質量％、さらに好ましくは０．０１〜０．１質量％である。
後段における触媒中のＲｕ／Ｐｔ質量比は、１０／１〜１／１０、好ましくは５／１〜１／１、さらに好ましくは５／１〜２／１である。
【００２１】
前段の触媒においては、担持する金属としてＲｕ以外に、第二成分としてパラジウム（Ｐｄ）あるいはロジウム（Ｒｈ）を添加しても良い。また後段の触媒に担持する金属としてＲｕおよびＰｔ以外に、第三成分としてＰｄを添加しても良い。
【００２２】
本発明において、触媒の形状は特に限定するものではなく、球状、ハニカム状、ワイヤーメッシュ状等の各種形状のものを用いることができる。
触媒の調製方法も特に限定するものではなく、通常の含浸法、イオン交換法など公知の方法を用いることができる。例えば含浸法を用いた場合、通常、塩化物、硝酸塩、各種有機酸塩など、具体的には塩化ルテニウム、塩化白金酸のような化合物を、水、エタノール、アセトンなどの溶媒に溶解させ、担体に含浸させた後、乾燥、焼成、還元処理を行なうことで実施できる。
【００２３】
第一工程および第二工程における一酸化炭素の酸化反応の際の反応圧力は、燃料電池システムの経済性、安全性等も考慮し、常圧〜１ＭＰａの範囲が好ましく、特に常圧〜０．２ＭＰａが好ましい。反応温度としては、一酸化炭素濃度を低下させる温度であれば、特に限定はないが、低温では反応速度が遅くなり、高温では選択性が低下するため、通常は８０〜３５０℃が好ましく、特に１００〜３００℃が好ましい。ＧＨＳＶは過剰に高すぎると一酸化炭素の酸化反応が進行しにくくなり、一方低すぎると装置が大きくなりすぎるため、１，０００〜５０，０００ｈ-1の範囲が好ましく、特に３，０００〜３０，０００ｈ-1の範囲が好ましい。第一工程および第二工程における反応器の形態は特に限定するものではないが、例えば、流通式固定床反応器を用いることができる。反応器の形状としては、円筒状、平板上などそれぞれのプロセスの目的に応じた公知のいかなる形状を取ることができる。
【００２４】
本発明の方法により、出発原料ガスの一酸化炭素濃度を１００ｖｏｌｐｐｍ以下、好ましくは５０ｖｏｌｐｐｍ以下、最も好ましくは１０ｖｏｌｐｐｍ以下にまで低減することができる。そのため、本発明の方法により得られる一酸化炭素濃度が低減された燃料ガスは、燃料電池の電極に用いられている貴金属系触媒の被毒、劣化を抑制し、発電効率を高く保ちながら、長寿命を維持することが可能となる。
【００２５】
本発明の第２は、炭化水素、アルコールおよびエーテルから選ばれる燃料を脱硫処理、改質反応および水性ガスシフト反応を行って得られる一酸化炭素および水素を含有する原料ガスに酸素含有ガスを加え、無機酸化物にルテニウムを担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第一工程および無機酸化物にルテニウムおよび白金を担持した触媒の存在下に酸化反応を行なう第二工程からなる二段階酸化反応を行って得られる燃料ガスを陰極側燃料として供給することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【００２６】
本発明の燃料電池システムを以下に説明する。
図１は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
燃料タンク３内の原燃料は燃料ポンプ４を経て脱硫器５に流入する。この時、必要であれば選択酸化反応器１１からの水素含有ガスを添加できる。脱硫器５内には例えば銅−亜鉛系あるいはニッケル−亜鉛系の収着剤などを充填することができる。脱硫器５で脱硫された原燃料は水タンク１から水ポンプ２を経た水と混合した後、気化器６に導入され、改質器７に送り込まれる。
【００２７】
改質器７は加温用バーナー１８で加温される。加温用バーナー１８の燃料には主に燃料電池１７のアノードオフガスを用いるが必要に応じて燃料ポンプ４から吐出される燃料を補充することもできる。改質器７に充填する触媒としてはニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系などの触媒を用いることができる。
この様にして製造された水素と一酸化炭素を含有する原料ガスは高温シフト反応器９および低温シフト反応器１０により改質反応が行われる。高温シフト反応器９には鉄−クロム系触媒、低温シフト反応器１０には銅−亜鉛系触媒等の触媒が充填されている。
【００２８】
高温シフト反応器９および低温シフト反応器１０により改質されたガスは、次に選択酸化反応器１１に導かれる。選択酸化反応器１１は前段と後段の２工程になっており、前段には無機酸化物にルテニウムを担持した触媒が、後段には無機酸化物にルテニウムおよび白金を担持した触媒が充填されている。改質ガスは空気ブロアー８から供給される空気と混合され、前記触媒の存在下に一酸化炭素の選択酸化が行われ、一酸化炭素濃度は燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで低減される。
【００２９】
固体高分子形燃料電池１７はアノード１２、カソード１３、固体高分子電解質１４からなり、アノード側には上記の方法で得られた一酸化炭素濃度が低減された高純度の水素を含有する燃料ガスが、カソード側には空気ブロアー８から送られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行なったあと（加湿装置は図示していない）導入される。
この時、アノードでは水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソードでは酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノードには白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒あるいはＰｔ−Ｒｕ合金触媒などが、カソードには白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒などが用いられる。通常アノード、カソードの両触媒とも、必要に応じてポリテトラフロロエチレン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。
【００３０】
次いでＮａｆｉｏｎ（デュポン社製）、Ｇｏｒｅ（ゴア社製）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（旭硝子社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（旭化成社製）等の商品名で知られる高分子電解質膜の両側に前述の多孔質触媒層を積層しＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成される。さらにＭＥＡを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷１５はアノード、カソードと電気的に連結される。
アノードオフガスは加温用バーナー１８において消費される。カソードオフガスは排気口１６から排出される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の方法により、一酸化炭素および水素を含有する原料ガスから一酸化炭素を選択的に酸化するため、生成燃料ガス中の一酸化炭素濃度は１００ｖｏｌｐｐｍ以下、好ましくは５０ｖｏｌｐｐｍ以下、特に好ましくは１０ｖｏｌｐｐｍ以下に低減されるため、得られる燃料ガスは特に固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムとして好適に採用できる。
【００３２】
【実施例】
以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
１〜２ｍｍ球に成型したアルファアルミナ５．０ｇおよび塩化ルテニウム０．０１３ｇを２６．６５ｍｌのエタノールに溶解させた溶液に投入し、３時間攪拌しながら含浸し、ろ別した後、空気雰囲気下、１２０℃で１５時間、次に７００℃で３時間水素処理して触媒（１）を得た。担持されたルテニウム量は０．０４質量％であった。
次に１〜２ｍｍ球に成型したアルファアルミナ５．０ｇ、塩化ルテニウム０．０４２ｇおよびヘキサクロロ白金酸六水和物０．００４ｇを１０６．６ｍｌのエタノールに溶解させた溶液に投入し、３時間攪拌しながら含浸し、ろ別した後、空気雰囲気下、１２０℃で１５時間、次に７００℃で３時間水素処理して触媒（２）を得た。担持されたルテニウム量は０．１３質量％、白金量は０．０３質量％であった。
【００３４】
１段目の反応管にルテニウム担持触媒（１）３．０ｃｍ3を充填し、２段目の反応管にルテニウム−白金担持触媒（２）３．０ｃｍ3を充填し、水素気流中、３５０℃で１時間還元した後、一酸化炭素除去反応評価を行った。
試験ガスとしては、灯油を水蒸気改質し、水性ガスシフト反応して得られた原料ガスに酸素を加えたものを用いた。試験ガス中には、水素５８ｖｏｌ％、一酸化炭素０．５ｖｏｌ％、二酸化炭素１８ｖｏｌ％、酸素０．５ｖｏｌ％、水２１ｖｏｌ％が含まれていた。
反応評価条件は常圧、ＧＨＳＶ＝１０，０００ｈ-1、試験ガス中の一酸化炭素濃度６０００ｐｐｍ（ドライベース）の条件で、２０時間後の生成ガス中の一酸化炭素濃度の極小値およびその時の反応温度を表１に示した。
【００３５】
（比較例１）
１段目および２段目ともにルテニウム担持触媒（１）３．０ｃｍ3をそれぞれ充填し、実施例１と同様に一酸化炭素除去反応評価を行った。
【００３６】
（比較例２）
１段目および２段目ともにルテニウム−白金担持触媒（２）３．０ｃｍ3をそれぞれ充填し、実施例１と同様に一酸化炭素除去反応評価を行った。
【００３７】
（比較例３）
1段目にルテニウム−白金担持触媒（２）３．０ｃｍ3を充填し、２段目にルテニウム担持触媒（１）３．０ｃｍ3を充填し、実施例1と同様に一酸化炭素除去反応評価を行った。
【００３８】
【表１】
0004582976.tif 000002
【００３９】
（実施例２）
図１の燃料電池システムにおいて、実施例１で得られた触媒（１）および触媒（２）を選択酸化反応器にそれぞれ前段と後段の２段階に充填し、灯油を原燃料とした発電試験を行なった。２０時間の運転中、選択酸化反応器が正常に作動し、触媒の活性低下は認められなかった。燃料電池も正常に作動し電気負荷１５も順調に運転された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  水タンク
２  水ポンプ
３  燃料タンク
４  燃料ポンプ
５  脱硫器
６  気化器
７  改質器
８  空気ブロアー
９  高温シフト反応器
１０  低温シフト反応器
１１  選択酸化反応器
１２  アノード
１３  カソード
１４  固体高分子電解質
１５  電気負荷
１６  排気口
１７  固体高分子形燃料電池
１８  加温用バーナー
【図１】
0004582976.tif 000003