水素エネルギー社会実現を目指したＣＯｘメタン化触媒の開発

开发COx甲烷化催化剂以实现氢能社会

基本信息

批准号：
13J05374
负责人：
多田昌平
金额：
$ 1.32万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

固体高分子形燃料電池の燃料である水素を炭化水素の改質により供給する際、副生するCOによるPt電極被毒を防ぐため、CO除去が必要である。CO除去プロセスとして現在のCO選択酸化反応にかえCOメタン化反応を採用すると、高精度での空気供給が不要となり、装置の小型化、制御の簡易化が進むため、PEFCシステム製造コストの低減につながる。この反応では改質燃料中に共存するCO2のメタン化を抑制しつつCOのみを選択的にメタン化することが必要である。CO選択メタン化反応機構（以下反応機構）を明らかにすることで、反応機構に立脚した触媒開発を行うことができると考えた。そこで、近年報告されたCO選択メタン化反応に関する報告をもとに、CO選択メタン化反応機構を考察した。その結果、CO2メタン化反応のみを抑制するためには、担体ー活性種界面で進行するformate種の水素化反応抑制が重要であることを予想した。昨年度までの検討により、CO選択メタン化反応用触媒として、Ru-Ni/TiO2触媒が有用であることを見いだした。これは、Ni種がRu-TiO2界面を塞ぎ、formate種の水素化を抑制したためであると考えられる。CO選択メタン化反応用触媒を実際の燃料電池に適用する場合に、実条件下での耐久性が課題となる。そこで、1kw級PEFCの運転を模擬し、開発したRu-Ni/TiO2触媒およびNi/TiO2触媒の長期試験を行った。Ni/TiO2触媒では、低空間速度（2500 h-1）であるものの、7000時間の安定性を示した。また、Ru-Ni/TiO2触媒では実条件に近い空間速度10000 h-1において、5500時間以上の安定性を示した。開発したRu-Ni/TiO2触媒は、優れた初期性能のみならず、高い耐久性も有していることがわかった。1000時間を越える実条件下での長期試験の報告は本研究が初めてである。

当供应作为聚合物电解质燃料电池的燃料的氢气时，需要通过重整碳氢化合物来除去CO，以防止副产物CO对Pt电极造成中毒。采用CO甲烷化反应代替目前的CO选择性氧化反应作为CO去除工艺，无需高精度空气供应，使设备更加紧凑且更易于控制，从而降低PEFC系统的制造成本。在该反应中，需要选择性地仅将CO甲烷化，同时抑制重整燃料中共存的CO 2 的甲烷化。我们相信，通过阐明CO选择性甲烷化反应机理（以下简称反应机理），我们将能够开发基于该反应机理的催化剂。因此，我们根据近年来CO选择性甲烷化反应的报道，对CO选择性甲烷化反应的机理进行了思考。因此，我们预测，为了仅抑制 CO2 甲烷化反应，重要的是抑制在载流子-活性物质界面上进行的甲酸盐物质的氢化反应。通过截至去年的研究，我们发现Ru-Ni/TiO2催化剂可用作CO选择性甲烷化反应的催化剂。这被认为是因为Ni物质阻挡了Ru-TiO2界面并抑制了甲酸盐物质的氢化。当将CO选择性甲烷化反应催化剂应用于实际燃料电池时，实际条件下的耐久性成为一个问题。因此，我们通过模拟1kw级PEFC的运行，对开发的Ru-Ni/TiO2和Ni/TiO2催化剂进行了长期测试。尽管空速较低（2500 h-1），Ni/TiO2 催化剂仍表现出 7000 小时的稳定性。此外，Ru-Ni/TiO2催化剂在10000 h-1的空速下表现出超过5500小时的稳定性，这与实际情况接近。研究发现，所开发的 Ru-Ni/TiO2 催化剂不仅具有优异的初始性能，而且具有高耐久性。这项研究首次报告了真实条件下超过1000小时的长期测试。