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【発明の名称】 発泡担体触媒
【発明者】 【氏名】丸山 高生
【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産自動車株式会社内

【氏名】吉田 雅夫
【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産自動車株式会社内

【氏名】江浜 勲
【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産自動車株式会社内
【要約】 【課題】触媒の有効表面積が増大し燃料改質性能に優れた燃料改質触媒を提供する。

【解決手段】発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は１００〜５００ｍｍ２である発泡担体触媒である。本発明によれば、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、触媒性能に優れる発泡担体触媒が得られる。また、本発明によれば、触媒活性金属を有効に利用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は１００〜５００ｍｍ２である、発泡担体触媒。
【請求項２】
コーティング１回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量は５〜３０ｇ／Ｌである、請求項１に記載の発泡担体触媒。
【請求項３】
前記担体の空隙率（％）に対する触媒スラリー中の触媒粉末の体積（ｍＬ）の比の値が０．２〜１．２（ｍＬ／％）である、請求項１または２に記載の発泡担体触媒。
【請求項４】
前記発泡担体にコーティングされる触媒スラリー中の触媒粉末濃度は２５質量％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発泡担体触媒。
【請求項５】
前記発泡担体にコーティングされる触媒スラリーの粘度が２〜１５Ｐａ・ｓである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発泡担体触媒。
【請求項６】
コーティング回数が２回以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発泡担体触媒。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の発泡担体触媒を用いた燃料改質触媒。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料改質触媒が配置される、燃料改質装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料改質装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを含む固体高分子燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の燃料改質装置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。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発泡担体に担持された発泡担体触媒に関する。より詳細には、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を１００〜５００ｍｍ２とすることにより、触媒の表面積が有効に確保され触媒性能に優れる発泡担体触媒および該触媒を利用した燃料改質触媒等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発泡体とは、立体的な網状構造を有し、空隙率の著しく大きい金属またはセラミックス等の多孔体である。該発泡体は、その表面積の大きいことを利用して、触媒担体（本明細書中、「発泡担体」とも称する。）、電極材料の他、フィルターや消音剤等への応用が期待されている。
【０００３】
なかでも、前記発泡体を担体とした、すなわち発泡担体に担持された触媒は、炭化水素燃料を改質して水素を発生させる燃料改質装置中の燃料改質触媒、シフト触媒、および一酸化炭素濃度低減触媒、並びに内燃機関の排出ガス浄化触媒等への利用が提案されている。
【０００４】
一方、固体高分子燃料電池は比較的低温でも高電流密度が得られるため、自動車などの移動用電源として期待されている。この固体高分子燃料電池の水素源としては、純水素を利用するシステムや、メタノール等の炭化水素燃料を改質して得られる水素を利用する方法が知られている。後者の燃料改質装置としては、炭化水素の酸化反応で放出される熱量を吸熱反応である炭化水素の水蒸気改質反応に利用するいわゆるオートサーマル型燃料改質装置が知られている。
【０００５】
ここで、例えば炭化水素燃料を改質して水素を発生させる燃料改質反応の触媒としては、従来、アルミナなどのペレット担体に触媒活性物質を担持させて触媒層を形成したペレット触媒や、セラミックスまたは同等の構造を付与した金属製のハニカム担体または発泡担体等の壁面に、含浸法等により触媒活性物質を担持させて触媒層を形成したモノリス触媒が一般に使用されている。例えば、特許文献１には、改質触媒体が、ハニカム構造、発泡体構造またはコルゲート構造をもつ担持体に触媒成分を担持させることによって構成される水素発生装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２６４６０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ハニカム担体においては、担体の空孔の形状がガスの流れに垂直な断面において常に一定である。このため、入口部より入ったガスは他の空孔を通過することなく流通し、ガスの流れに対して抵抗を生じることは通常考えられない。また、ハニカム担体の有する構造上の特性により、該担体に触媒を担持させる際にも、入口部から触媒スラリーを吸入するだけで、目詰まりを起こすことなく触媒を担持することが可能である。
【０００８】
これに対し、発泡担体は、担体の空孔の形状がガスの流れに垂直な断面において常に変化する複雑な構造を有している。このため、圧力損失も大きいが、反応ガス流量が大きく変動しても、発泡担体の緩衝作用により、後続の装置、例えば燃料改質触媒の場合には、後段のシフト反応器および一酸化炭素除去器等への負荷を減少させることができる。すなわち、発泡担体を用いると、後続の装置のロバスト性を高めることができるのである。しかしながら、従来の方法により入口部から触媒スラリーを吸入して該担体に触媒を担持させる際には、触媒スラリーが担体中で目詰まりを起こし、触媒の有効表面積が減少し、触媒性能が著しく低下するという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明が目的とするところは、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、触媒の有効表面積が増大し触媒性能に優れた発泡担体触媒を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、触媒スラリーを発泡担体に担持させる際に、担持条件を調節することで、担持される触媒量が調節され、触媒の有効表面積が増大することを見出した。さらに、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積が１００〜５００ｍｍ２であると、触媒の表面積が有効に確保され、その結果、より優れた触媒性能が得られることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
すなわち本発明は、発泡担体に担持された発泡担体触媒であって、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は１００〜５００ｍｍ２である発泡担体触媒を提供するものである。
【００１２】
また本発明は、前記記載の発泡担体である燃料改質触媒、並びに該触媒が配置される燃料改質装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを固体高分子燃料電池システムを提供するものである。
【００１３】
さらに本発明は、前記記載の燃料改質装置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を提供するものである。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を１００〜５００ｍｍ２とすることで、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、触媒性能に優れる発泡担体が得られる。また、触媒活性金属を有効に利用することができる。特に、コーティング１回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量が５〜３０ｇ／Ｌであると、より優れた触媒性能が得られ、特に燃料改質触媒にあっては、効率的に水素ガスが発生しうる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、特に燃料改質触媒としての発泡担体触媒を例に挙げ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は本発明の燃料改質触媒を適用した燃料改質装置を含む固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。例えば、ガソリンを燃料とする固体高分子燃料電池システムは、図１に示すようにガソリンをオートサーマル改質し、水素を含む改質ガスを生成する改質器、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器、一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減触媒および酸化剤である酸素を含むガスを導入・混合する手段を備えた一酸化炭素除去器、並びに固体高分子型燃料電池で構成されている。
【００１７】
上記改質器は、燃料改質触媒（例えばＲｈ系触媒）を収納した改質反応部を備えており、空気、水、ガソリンの供給を受け、改質反応部の燃料改質触媒によるオートサーマル反応を進行させて水素を含む改質ガスを生成してシフト反応器に送り出す。上記反応は、一般に３５０〜８５０℃で行われる。
【００１８】
シフト反応器は、シフト触媒（例えばＰｔ系、Ｃｕ―ＺｎＯ系触媒）を収納した水性ガスシフト反応部を備え、改質器出口のガスを受けて、水性ガスシフト反応を進行させて一酸化炭素濃度を低減し、水素濃度を高めた改質ガスを生成して一酸化炭素除去装置に送り出す。上記反応は、一般に１５０〜４００℃で行われる。
【００１９】
また、一酸化炭素除去器は、一酸化炭素濃度低減触媒（例えば、Ｐｔ系、Ｒｕ系触媒）を収納した一酸化炭素濃度低減部を備え、改質ガスに酸化剤である酸素を含むガスを導入・混合し、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素に変換し、燃料電池へ水素リッチな改質ガスを送り出す。
【００２０】
さらに、固体高分子燃料電池は、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードとカソードの供給される燃料ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。
【００２１】
従来、前記燃料改質触媒を担持させる担体としては、燃料改質効率や製造の簡便さ等の点で、メタルハニカム、セラハニカム等のハニカム担体や、メタルフォーム、セラフォーム等の発泡担体が広く用いられている。しかしながら発泡担体は、その構造上の特性から、入口部から触媒スラリーを吸入して該担体に触媒を担持させる際には、触媒スラリーが担体中で目詰まりを起こし、触媒性能に優れる燃料改質触媒を得ることは困難であった。
【００２２】
本発明者らは上記の点に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、触媒スラリーを発泡担体に担持させる際に、担持条件、特に吸引時間およびスラリー濃度を調節することで、コーティング１回あたりに発泡担体に担持される触媒量が調節され、触媒の有効表面積が増大することを見出したのである。
【００２３】
したがって、本発明の第一は、発泡担体に担持された燃料改質触媒であって、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積は１００〜５００ｍｍ２である燃料改質触媒である。
【００２４】
以下、図２を用いて「触媒の島」について説明する。ここで図２（ａ）は、発泡担体触媒の縦断面において、形成された触媒の島を説明する模式図である。「触媒の島」とは、図２（ａ）に示すように、発泡担体触媒の縦断面において、担持された触媒の領域のうち、０．００６ｍｍ２以上の断面積を有するものをいう。なお、図２において、１０は触媒の島、２０はメタルフォームである。また、「縦断面」とは、入口側から出口側へのガスの流れに平行な面であり、例えば円柱型の発泡担体では、円柱の底面に垂直な面を指すものである。本発明では、１個の触媒の島を確認するのに必要な発泡担体の断面積は１００〜５００ｍｍ２である。かかる燃料改質触媒によれば、発泡担体に担持された触媒の表面積が有効に確保され、その結果得られる燃料改質装置も、従来と比較して炭化水素転化率およびＨ２＋ＣＯ生成率に優れるためである。
【００２５】
なお、本発明において、「炭化水素転化率」とは、下記式にしたがって算出するものとする。
【００２６】
【数１】


【００２７】
また、「炭化水素転化率に優れる」とは、温度５００℃におけるその燃料改質装置の有する炭化水素転化率が９９〜１００％のものをいう。以下、本発明を詳細に説明する。
【００２８】
一般に燃料改質装置は、少なくとも改質触媒を充填する触媒充填部を有するが、その他、原料供給口および酸素や空気などの分子状酸素含有ガスの供給口、水蒸気供給口とを有する。原料ガスが水蒸気や分子状酸素含有ガスとともに触媒充填部に供給される際の起動時の混合ガス温度は一般に−３０〜５０℃である。原料ガスは改質触媒によって酸素と反応するが、この反応は発熱反応であり、触媒充填部出口では一般に温度３００〜８００℃に達する。
【００２９】
本発明で使用される触媒としては、例えば、担体に白金、ロジウム、パラジウムおよびルテニウムからなる群から選択される少なくとも１種の貴金属元素を担持および焼成させて得たものがある。このような貴金属元素は水蒸気改質反応（例えば、ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２）に優れるため好ましく、特にロジウムは耐久性や触媒活性にも優れるため好ましい。
【００３０】
前記触媒の担体としては、特に限定されることなく使用することができるが、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、セリウム−ジルコニウム複合酸化物などを使用することができる。好ましくは、酸化アルミニウムまたは酸化セリウムを使用することができる。これらの酸化物に貴金属を担持すると、炭化水素転化率およびＨ２＋ＣＯ生成率に優れる触媒となるためである。なお、担体のＢＥＴ比表面積は、好ましくは１０〜３００ｍ２／ｇ、より好ましくは４０〜３００ｍ２／ｇである。また、担体の平均粒子径は、好ましくは０．１〜３μｍ、より好ましくは０．１〜５０μｍである。
【００３１】
本発明に使用する燃料改質触媒は、特に制限されることなく従来公知の技術を用いて調製することができる。例えば、前記担体に担持すべき貴金属元素を含有する触媒調製溶液を用いて、含浸法、共沈法、競争吸着法など各種の技術を用いて前記貴金属元素を担持した後、焼成することにより調製することができる。
【００３２】
以下、本発明に使用する燃料改質触媒の調製方法を、順を追って説明する。
【００３３】
まず、前記貴金属元素を担持させる際の処理条件は、各種方法に応じて適宜選択することができる。通常は、前記担体と前記触媒調製溶液とを２０〜９０℃で１分間〜１０時間、接触させる。例えば、前記貴金属元素を含む化合物を溶解または分散した触媒調製溶液を用い、これに前記担体を含浸させ、これを乾燥および焼成して焼成物を得てもよい。前記触媒調製溶液の溶媒としては、水のほか、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、カルボン酸類等、前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。
【００３４】
その後、前記担体を乾燥するが、乾燥方法としては、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。その後焼成することができ、焼成条件は、通常、焼成温度２００〜１０００℃で、焼成時間は３０〜４８０分で充分である。
【００３５】
本発明で使用する燃料改質触媒は、前記担体に、さらにマンガン、鉄、コバルト、ニッケルまたは銅から選ばれる少なくとも１種類の元素を担持させたものであってもよい。これらの添加によって炭化水素転化率および／またはＨ２＋ＣＯ生成率が向上するからである。これらの担持量は、好ましくは触媒あたり０．１〜４０質量％であり、より好ましくは０．５〜８質量％である。これらの添加成分は前記貴金属と同時に担持させてもよく、別個に担持させてもよい。別個に担持させるには、前記添加成分を担持させた担体を、貴金属元素を含有する化合物を溶解または分散させた溶媒中に含浸させ、その後焼成すればよい。なお、含浸法のほか、共沈法、競争吸着法など各種の公知技術を利用することができる。
【００３６】
本発明で使用する燃料改質触媒は、さらにアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移元素等を含んでいてもよい。
【００３７】
アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等が好ましい。また、アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等が好ましい。そして希土類としては、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム等が好ましい。さらに、遷移元素としては、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等が好ましい。これら添加物の添加量は、特に制限されることはないが、添加量により炭化水素転化率やＨ２＋ＣＯ生成率を変化させることができるため、所望の特性が得られる添加量にすることが好ましい。通常、触媒あたり０．１〜３０質量％担持することにより制御可能である。
なお、これらの成分の担持は、前記貴金属元素や添加成分の担時と同時に行ってもよく、別個に行ってもよい。また、本発明において発泡担体に担持される触媒粉末の平均粒子径は、好ましくは０．１〜５０μｍ、より好ましくは０．１〜３μｍである。
【００３８】
本発明の燃料改質触媒を担持する発泡担体としては、特に制限されず従来公知のものが好ましく使用されるが、好ましくは、メタルフォームまたはセラフォーム等が例示される。いずれもが特に制限されることなく使用されうるが、熱伝導率に優れる点で、特に好ましくはメタルフォームが用いられうる。なお、通気性や触媒活性を確保するために、本発明で使用される発泡担体の空隙率は好ましくは９０〜９９．８％、より好ましくは９５〜９９％である。発泡担体の空隙率が９０％未満では空隙率が小さすぎて触媒の表面積が有効に確保されない。一方、９９．８％を超えるとメタルフォームの構成要素が小さくなりすぎて触媒表面積を有効に確保して担持できない。
【００３９】
本発明の燃料改質触媒は、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積を１００〜５００ｍｍ２とすることにより、触媒の表面積が有効に確保され、その結果燃料改質性能に優れる。したがって、本発明において、触媒の島を１個確認するのに必要な発泡担体の断面積は１００〜５００ｍｍ２、好ましくは２００〜５００ｍｍ２、より好ましくは３００〜５００ｍｍ２である。かかる燃料改質触媒によれば、発泡担体に担持された触媒の表面積が有効に確保され、その結果得られる燃料改質装置も、従来と比較して炭化水素転化率およびＨ２＋ＣＯ生成率に優れる。具体的には、触媒の島を１個確認するのに要する該発泡担体の縦断面積が１００ｍｍ２未満であると、触媒の表面積が有効に確保されないほか低触媒活性である。一方、５００ｍｍ２を超えると、コーティング回数が非常に多くなり大変手間である。
【００４０】
発泡担体への触媒のコーティングは、例えば以下のように行うことができる。予め燃料改質触媒を調製し、これらを１〜１０倍の水で攪拌および粉砕して触媒スラリーを調製し、次いで発泡担体の入口部に該触媒スラリーを塗布し、該発泡担体を乾燥および焼成して行うことができる。
【００４１】
この際、コーティング１回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量は特に制限されることはないが、好ましくは５〜３０ｇ／Ｌ、より好ましくは１０〜３０ｇ／Ｌ、特に好ましくは１５〜３０ｇ／Ｌである。ここで、触媒量が５ｇ／Ｌ未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、３０ｇ／Ｌを超えると、触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。なお、ここで「コーティング１回あたりに発泡担体に担持される触媒量」とは、コーティングおよび焼成後に発泡担体に担持された触媒量をいうものとする。
【００４２】
また、本発明においては、発泡担体にコーティングされる触媒スラリーの特性を調整することによっても達成することが可能である。しかしこれに制限されるものではない。まず、前記発泡担体の空隙率（％）（Ａ）に対する、前記発泡担体にコーティングされる前記触媒スラリー中の触媒粉末の体積（ｍＬ）（Ｂ）の比の値、すなわち（Ｂ）／（Ａ）（ｍＬ／％）は、好ましくは０．２〜１．２、より好ましくは０．５〜１．２、特に好ましくは０．８〜１．２である。この比の値が０．２未満であるとコーティング回数が非常に多くなり手間であり、一方、１．２を超えると触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。また、前記触媒スラリー中の触媒粉末濃度は好ましくは５〜２５質量％、より好ましくは１０〜２５質量％、特に好ましくは１５〜２５質量％である。触媒スラリー中の触媒粉末濃度が５質量％未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、２５質量％を超えると、触媒の表面積が有効に確保されず、低触媒活性である。さらに、前記触媒スラリーの粘度は、好ましくは２〜１８Ｐａ・ｓ、より好ましくは２〜１５Ｐａ・ｓ、特に好ましくは５〜１５Ｐａ・ｓである。
触媒スラリー中の粘度が２Ｐａ・ｓ未満ではコーティング回数が非常に多くなり手間である。一方、１８Ｐａ・ｓを超えると触媒の表面積が有効に確保されない。なお、前記発泡担体への触媒スラリーのコーティング回数は特に制限されないが、好ましくは２回以上、より好ましくは３回以上、特に好ましくは５回以上行われる。これにより、発泡担体中のガスの流れに対する上流部、中央部および下流部に均一に触媒スラリーがコーティングされるためである。
【００４３】
本発明では、前記触媒スラリーを発泡担体にコーティング後、焼成して得られた燃料改質触媒の平均貴金属量は、該触媒１リットルあたり好ましくは１．２〜９．６ｇ、より好ましくは１．２〜２．４ｇである。１．２ｇを下回ると水素発生量が十分ではなく、９．６ｇを超えると、貴金属が凝集して触媒活性を発揮できない場合がある。
【００４４】
本発明の改質装置に供給する原料ガスは、炭素数１〜２０の炭化水素、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、ヘプタン、イソヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、イソノナン、デカン、イソデカン等がある。改質装置に供給する際の炭化水素の濃度は、好ましくは１〜１０体積％、より好ましくは１〜５体積％である。また、原料ガスの供給量は、好ましくは触媒充填部に対してガス空間速度（ＧＨＳＶ）が１０００〜２０００００ｈ−１である。
【００４５】
本発明の第二は、第一の発明の燃料改質触媒を配置した燃料改質装置、および該装置と、該装置からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減するシフト反応器と、該シフト反応器からの排出ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、固体高分子型燃料電池とを含む固体高分子燃料電池システムである。以下、本発明を図１を参照して説明する。
【００４６】
図１は、本発明の固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。例えば、メタノールを燃料とする固体高分子燃料電池システムは、図１に示すようにメタノールを本発明の改質装置で改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成させる。該改質ガスをシフト反応器に供給し、該ガスに含まれる一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減させる。次いでシフト反応器出口ガスに含まれる一酸化炭素を除去する触媒層を備えた一酸化炭素除去装置に供給して、一酸化炭素を低減させ、高純度の水素ガスを固体高分子型燃料電池に供給する。なお、シフト反応器からの排出ガスは、予め冷却部で冷却してから一酸化炭素除去器に供給すると、一酸化炭素の除去効率に優れる。
【００４７】
シフト反応器に充填されるシフト触媒としては、例えばＰｔ系、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒等の従来公知の触媒を使用することができ、ＣＯ除去器に充填するＣＯ除去触媒としても、例えば、Ｐｔ系、Ｒｕ系触媒等の従来公知の触媒を使用することができる。
【００４８】
なお、固体高分子型燃料電池は、水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持して構成され、アノードとカソードによって供給される燃料ガスの電気化学反応により起電力が生じ、発電される。
【００４９】
本発明の発泡担体触媒は、上述の通り触媒の島を１個確認するのに要する発泡担体の縦断面積が１００〜５００ｍｍ２である。このため、発泡担体上における触媒の表面積を有効に確保することができる。すなわち、発泡担体内の触媒分布が均一化され、例えば燃料改質触媒に適用された場合には炭化水素転化率およびＨ２＋ＣＯ生成率等の燃料改質性能に優れる燃料改質触媒が得られる。また、本発明の発泡担体触媒によれば触媒活性金属を有効に利用することができる。特に、コーティング１回あたりに前記発泡担体に担持される触媒量が５〜３０ｇ／Ｌであると、より優れた触媒性能が得られ、例えば燃料改質触媒の場合には、効率的に炭化水素を分解して水素を発生できる。
【００５０】
以上、燃料改質触媒を例に挙げて本発明の発泡担体触媒の実施の形態について説明したが、本発明の発泡担体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。本発明の発泡担体触媒の適用可能な触媒としては、例えば、燃料改質装置中のシフト触媒、一酸化炭素濃度低減触媒、内燃機関の排出ガス浄化触媒等が例示される。
【００５１】
【実施例】
（実施例１）
（１）Ａｌ２Ｏ３（ＢＥＴ比表面積２００ｍ２／ｇ）を担体として用い、０．０５８モルの硝酸ロジウム水溶液０．３６リットル中に該担体を投入しロジウム元素を含浸させ、十分に攪拌した後に一日乾燥させ、その後４００℃で焼成を行った。これをロジウム担持Ａｌ２Ｏ３触媒とする。
【００５２】
（２）上記（１）で得た触媒２００ｇに水０．５リットルを添加して、触媒を湿式粉砕して水性触媒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行い、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２〜３μｍ、触媒スラリー中の触媒粉末濃度を１９％に調整した。また、該触媒スラリーの粘度は１２．３Ｐａ・ｓであった。
【００５３】
（３）上記（２）で得たＡｌ２Ｏ３にロジウムを担持した触媒（ロジウム担持Ａｌ２Ｏ３触媒）の触媒スラリーをＮｉ−Ｃｒ製（住友電工製）メタルフォーム担体（３０ｐｐｉ、９００セル、空隙率９５％：以下、「メタルフォーム」と称する。）に、触媒粉末重量が約６０ｇ／Ｌとなる量の前記触媒スラリーを３回に分けて、コーティング、２００℃での乾燥、空気中４００℃での焼成をそれぞれ行い、燃料改質触媒を得た。ここで、１回目のコーティングはメタルフォームの上方から触媒スラリー４００ｍＬ（触媒粉末体積は７６ｍＬ）をかけ、約２〜３秒間吸引することにより行った。２回目および３回目のコーティングも同様に、同量の触媒スラリーをメタルフォームにかけ、２回目はメタルフォームの下方から、３回目は再び上方から吸引することにより行った。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は５９．６ｇ／Ｌであった。
【００５４】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡（倍率２１倍）により観察した結果を図３に示す。図３からわかるように、図３の写真３枚の合計である縦断面積６８．７ｍｍ２中には、触媒の島は一つも存在しなかった。触媒の島を１個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は１２４ｍｍ２であった。
【００５５】
次に、上記で調製した燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。前記燃料改質触媒を触媒量１０ｍＬとして石英管に充填し、空間速度がＧＨＳＶ＝８５０２４、１０６２８０、１２７５３６ｈ−１になるように脱硫ガソリン、水蒸気、空気の混合ガスを導入した。この際のＳ／Ｃ＝１．５、Ｏ２／Ｃ＝０．４とした。反応温度は入口温度を５００℃に固定し、脱硫ガソリン転化率（％）を測定した。なお脱硫ガソリン転化率は、下記式に従って算出した。
【００５６】
【数２】


【００５７】
上記実験結果を表１に示す。
【００５８】
（実施例２）
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が２５質量％となるように調整したこと、およびコーティング回数を２回にしたこと以外は実施例１と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は１４．５ｐａ・ｓであった。なお、１回目のコーティングの際にはメタルフォームの上方から触媒スラリーを吸入し、２回目のコーティングの際にはメタルフォームの下方から触媒スラリーを吸入した。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は５８．６ｇ／Ｌであった。また、触媒の島を１個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は１０９ｍｍ２であった。
【００５９】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例１と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表１に示す。
【００６０】
（比較例１）
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が３０質量％となるように調整したこと以外は実施例２と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は１５．８ｐａ・ｓであった。また、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は６０ｇ／Ｌであった。
【００６１】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を実施例１と同様に光学顕微鏡（倍率２１倍）により観察した結果を図４に示す。図４からわかるように、図４の写真３枚の合計である縦断面積６８．７ｍｍ２中には、触媒の島は７個存在した。また、触媒の島を１個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は１０ｍｍ２であった。
【００６２】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例１と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表１に示す。
【００６３】
（比較例２）
触媒スラリー中の触媒粉末濃度が３８質量％となるように調整したこと、およびコーティング回数を１回にしたこと以外は実施例１と同様にして、燃料改質触媒を調製した。この際、コーティングした触媒スラリーの粘度は１８．４ｐａ・ｓであった。なお、コーティングの際にはメタルフォームの上方から触媒スラリーを吸入した。その結果、最終的にメタルフォームにコーティングされた触媒粉末量は５７．９ｇ／Ｌであった。
【００６４】
ここで得られた燃料改質触媒の縦断面を実施例１と同様に光学顕微鏡（倍率２１倍）により観察した結果を図５に示す。図５からわかるように、図５の写真３枚の合計である縦断面積６８．７ｍｍ２中には、触媒の島は３個存在した。また、触媒の島を１個確認するのに要した発泡担体の縦断面積は２３ｍｍ２であった。
【００６５】
次に、得られた燃料改質触媒について、実施例１と同様にして燃料改質触媒の脱硫ガソリン改質反応試験を行った。その結果を表１に示す。
【００６６】
【表１】


【００６７】
表１からわかるように、実施例１および２においては、いずれも９９．３％以上と高い転化率を示した。これは、実施例１および２においては、触媒確認担体縦断面積がいずれも１００ｍｍ２以上と大きいことから、触媒が発泡担体表面上に偏在することなく均一にコーティングされた結果であると考えられる。
【００６８】
また、かかる燃料改質触媒は、コーティング１回あたりの担持触媒量を３０ｇ／Ｌ以下であり、担体の空隙率（％）に対するスラリー中の触媒粉末の体積（ｍＬ）の比の値が１．２以下であるという特徴を有することがわかる。さらには、コーティングする触媒スラリー中の触媒粉末濃度を２５質量％以下に調整し、スラリー粘度を１５Ｐａ・ｓ以下に調整し、コーティングは２回以上行うことが有効であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、冷却手段を含む固体高分子燃料電池システムの概要を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、発泡担体触媒の縦断面において、形成された触媒の島を説明する模式図であり、図２（ｂ）は、発泡担体の縦断面を光学顕微鏡（倍率２１倍）により観察した結果を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、実施例１で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡（倍率２１倍）により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図であり、図３（ｂ）は、実施例１で使用したメタルフォーム担体の平面図および縦断面図である。
【図４】図４は、比較例１で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡（倍率２１倍）により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図である。
【図５】図５は、比較例２で得られた燃料改質触媒の縦断面を光学顕微鏡（倍率２１倍）により観察した結果を担体上流部、中央部および下流部に分けて示す図である。
【符号の説明】
１０…触媒の島、２０…メタルフォーム。
【出願人】 【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地
【出願日】 平成１５年５月２１日（２００３．５．２１）
【代理人】 【識別番号】１０００７２３４９
【弁理士】
【氏名又は名称】八田 幹雄

【識別番号】１００１０２９１２
【弁理士】
【氏名又は名称】野上 敦

【識別番号】１００１１０９９５
【弁理士】
【氏名又は名称】奈良 泰男

【識別番号】１００１１１４６４
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 悦子

【識別番号】１００１１４６４９
【弁理士】
【氏名又は名称】宇谷 勝幸

【識別番号】１００１２４６１５
【弁理士】
【氏名又は名称】藤井 敏史
【公開番号】 特開２００４−３４４７５２（Ｐ２００４−３４４７５２Ａ）
【公開日】 平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【出願番号】 特願２００３−１４３７１６（Ｐ２００３−１４３７１６）