JP2016124730A - High-pressure hydrogen production process and production system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process and system for providing a high-pressure hydrogen that is produced by separating a high-pressure gas comprising carbon dioxide and hydrogen from formic acid dehydrogenation reactor, under a mild condition of not higher than 100°C, without going through a significant pressure increase or pressure decrease process, into hydrogen and carbon dioxide as being at the high-pressure state, and purifying the same.SOLUTION: Provided is a process for producing, in a state as remaining at high-pressure, a higher purity hydrogen-containing gas by allowing a high-pressure gas of carbon dioxide and hydrogen at 7.3 MPa or more from formic acid dehydrogenation reactor, not higher than 32°C, to separate into two phases of a liquid phase in which only carbon dioxide is liquified, and a gas phase in which hydrogen is enriched.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ギ酸等の水素貯蔵剤から高圧の水素を製造する方法に関するものであり、さらに詳しくは、水素を圧縮するための圧縮機とこの圧縮機を用いた圧縮工程を必要とせず、ギ酸の分解によって生成する二酸化炭素と水素を含む混合ガスによって得られる高圧状態を利用して、その高圧状態のまま二酸化炭素と水素を相分離させることにより純度の高い高圧水素を得る一連の技術を提供するものである。   The present invention relates to a method for producing high-pressure hydrogen from a hydrogen storage agent such as formic acid. More specifically, the present invention does not require a compressor for compressing hydrogen and a compression step using this compressor, and formic acid. Provides a series of technologies to obtain high-purity high-pressure hydrogen by phase-separating carbon dioxide and hydrogen in the high-pressure state using the high-pressure state obtained by the mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen generated by the decomposition of To do.

水素をエネルギーとした社会を構築する際、水素を運搬したり、燃料電池へ供給したりする場合、より圧縮・濃縮した高純度・高密度の水素を製造する必要が求められている。例えば、燃料電池を搭載した自動車には、航続距離600kmを確保するためには、圧力35MPaの水素を171Lのタンクに充填しなくてはならない。   When building a society using hydrogen as energy, when hydrogen is transported or supplied to a fuel cell, it is required to produce highly purified and high-density hydrogen that is more compressed and concentrated. For example, an automobile equipped with a fuel cell must be filled with hydrogen at a pressure of 35 MPa in a 171 L tank in order to secure a cruising range of 600 km.

この高圧水素を供給するためには、まず水素を含む混合ガスを製造し、そこから水素を分離精製して圧縮する必要がある。水素を含む混合ガスを製造する方法は、多数の技術がある。例えば水を分解する手法、炭化水素化合物(メチルシクロヘキサン)を分解する方法、アンモニアを分解する方法、ギ酸を分解する方法、バイオマスを分解する方法、天然ガスを分解する方法など、各原料を分解するなかで脱水素反応を起こして水素を得ている。   In order to supply this high-pressure hydrogen, it is necessary to first produce a mixed gas containing hydrogen, separate and purify the hydrogen therefrom, and compress it. There are a number of techniques for producing a mixed gas containing hydrogen. For example, each raw material is decomposed such as water decomposition method, hydrocarbon compound (methylcyclohexane) decomposition method, ammonia decomposition method, formic acid decomposition method, biomass decomposition method, natural gas decomposition method, etc. Among them, hydrogen is obtained by dehydrogenation reaction.

しかし、従来法で得た水素を含む混合ガスは、燃料電池等のエネルギーとして用いるには精製工程が必要であり、各種ガス精製法の技術が必要となる。しかも、得られたガスは高圧ではないため、高圧水素を供給するためには、圧縮工程と精製工程を組み合わせたシステムを構築する必要があり、これらにエネルギーが必要となってくるため、高圧水素のコストを押し上げる大きな要因となっている。   However, the mixed gas containing hydrogen obtained by the conventional method requires a purification step to be used as energy for a fuel cell or the like, and requires various gas purification techniques. In addition, since the obtained gas is not at high pressure, in order to supply high-pressure hydrogen, it is necessary to construct a system that combines a compression process and a purification process. This is a major factor in raising costs.

例えば、分離膜や吸着材を用いたPSA法(Pressure Swing Absorption、特許文献1)やTSA法(Temperature Swing Absorption、特許文献2)によって分離精製して、これに圧縮機による高圧・圧縮を組み合わせて高圧水素を製造している。   For example, it is separated and purified by the PSA method (Pressure Swing Absorption, Patent Document 1) or TSA method (Temperature Swing Absorption, Patent Document 2) using a separation membrane or adsorbent, and combined with high pressure and compression by a compressor. Manufactures high pressure hydrogen.

水素源として炭化水素化合物(メチルシクロヘキサン)を用いる場合、脱水素反応によって水素を得、同時に生成するトルエン(沸点121℃)とを気液分離した後、圧縮機で昇圧してさらに気液分離と吸着剤を介して、燃料電池車等へ供給可能な高圧水素を製造している(特許文献3、4)。これらの技術の問題点は、脱水素化反応温度が300℃付近の高温であること、更に発生する水素が0.18MPaであるため、燃料電池へ充填するのに必要な35MPaへ圧縮するために水素用の圧縮機を使用しなければならないことである。水素圧縮機は、漏れやすい水素用のシール機構が複雑で、振動や騒音も大きく、圧縮に大きなエネルギーを必要とするため、この欠点を克服するため、原料の炭化水素化合物を最初から加圧ポンプで高圧にし、その状態で脱水素化を行うことで高圧水素を製造する技術が発明されている。しかしこの技術も、最初に水素源を加圧するエネルギーを必要することに変わり無い(特許文献5)。   When a hydrocarbon compound (methylcyclohexane) is used as a hydrogen source, hydrogen is obtained by dehydrogenation reaction, and simultaneously produced toluene (boiling point 121 ° C.) is gas-liquid separated. High-pressure hydrogen that can be supplied to a fuel cell vehicle or the like through an adsorbent is manufactured (Patent Documents 3 and 4). The problems with these technologies are that the dehydrogenation reaction temperature is as high as around 300 ° C, and the generated hydrogen is 0.18 MPa, so hydrogen is compressed to 35 MPa, which is necessary to fill the fuel cell. The compressor for that must be used. The hydrogen compressor has a complicated sealing mechanism for hydrogen that is leaky, has large vibrations and noise, and requires a large amount of energy for compression. To overcome this drawback, the raw material hydrocarbon compound is pressurized from the beginning. A technique has been invented for producing high-pressure hydrogen by increasing the pressure at a high pressure and performing dehydrogenation in that state. However, this technique also requires the energy to pressurize the hydrogen source first (Patent Document 5).

水素源としてアンモニアを用いる場合、炭化水素化合物と同様に、脱水素分解反応により水素と窒素を発生させる。得られた混合ガスは、パラジウム膜などの分離膜で水素を分離して燃料電池等への供給を行う。ただし、アンモニアが常温常圧でガスであり、未反応の残存アンモニアの除去に問題があること(特許文献6)、パラジウム膜の駆動温度が300℃以上であること(特許文献7)、更にアンモニア脱水素分解温度が550℃以上であるため(特許文献8)、液体アンモニアを昇温することも含めて、大きなエネルギーを必要とし、加熱エネルギーと得られるエネルギーとのバランスを確保するのが難しいなどの欠点を有する。   When ammonia is used as a hydrogen source, hydrogen and nitrogen are generated by a dehydrocracking reaction as in the case of hydrocarbon compounds. The obtained mixed gas separates hydrogen with a separation membrane such as a palladium membrane and supplies it to a fuel cell or the like. However, ammonia is a gas at room temperature and normal pressure, and there is a problem in removing unreacted residual ammonia (Patent Document 6), the driving temperature of the palladium film is 300 ° C. or more (Patent Document 7), and ammonia Since the dehydrogenolysis temperature is 550 ° C. or higher (Patent Document 8), it requires a large amount of energy, including raising the temperature of liquid ammonia, and it is difficult to ensure a balance between the heating energy and the energy obtained. Have the disadvantages.

一方、ギ酸を水素源とする場合、水素と二酸化炭素と一酸化炭素が生成するが、一酸化炭素が電極の劣化を促すために、利用が難しい欠点がある。この問題に対して、一酸化炭素を発生させない金属錯体触媒を用いる脱水素化技術が開発された(特許文献9、10、非特許文献1〜8)。ただし、有機溶媒とアミン添加が必要である欠点を有しており、水中で稼働する触媒が開発されたが低い触媒活性と耐久性が問題であった(特許文献11〜15、非特許文献9〜12)。これらの問題に対して、水中でギ酸の脱水素化反応に極めて高い活性を示す触媒が開発されている(特許文献16〜22、非特許文献13〜24)。   On the other hand, when formic acid is used as a hydrogen source, hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide are generated. However, carbon monoxide promotes deterioration of the electrode, and thus has a drawback that it is difficult to use. In response to this problem, a dehydrogenation technique using a metal complex catalyst that does not generate carbon monoxide has been developed (Patent Documents 9 and 10, Non-Patent Documents 1 to 8). However, it has a drawback that an organic solvent and an amine are required, and a catalyst that operates in water has been developed, but low catalytic activity and durability have been problems (Patent Documents 11 to 15, Non-Patent Document 9). ~ 12). In response to these problems, catalysts that exhibit extremely high activity in the dehydrogenation reaction of formic acid in water have been developed (Patent Documents 16 to 22, Non-Patent Documents 13 to 24).

しかし、これらの触媒で得られた一酸化炭素を含まないガスは、水素と二酸化炭素が1:1の混合ガスであり、生成する混合ガスは最大で2MPaである。一方、燃料電池車等へ搭載するための高圧水素を得るには、得られた水素を分離精製する必要があることと、精製した水素を更に圧縮機で35MPa以上へ昇圧する必要があり、現状でそのまま搭載することは現実的でない。   However, the gas not containing carbon monoxide obtained with these catalysts is a mixed gas of 1: 1 hydrogen and carbon dioxide, and the maximum generated gas mixture is 2 MPa. On the other hand, in order to obtain high-pressure hydrogen for use in fuel cell vehicles, etc., it is necessary to separate and purify the obtained hydrogen, and it is necessary to further boost the purified hydrogen to 35 MPa or more with a compressor. It is not realistic to install it as it is.

この課題に対して、二酸化炭素と水素を分離精製する技術は、水素または二酸化炭素分離透過膜を使用する方法(特許文献23、24)、水素吸着合金を使用するPSA法(特許文献25)、二酸化炭素を吸収液で除去するPSA法(特許文献26)等があるが、低圧下で精製した水素を得る手法であるため、何れにしても昇圧工程が欠かせない。   In order to solve this problem, a technique for separating and purifying carbon dioxide and hydrogen includes a method using hydrogen or a carbon dioxide separation permeable membrane (Patent Documents 23 and 24), a PSA method using a hydrogen adsorption alloy (Patent Document 25), There is a PSA method (Patent Document 26) that removes carbon dioxide with an absorbing solution. However, since it is a technique for obtaining purified hydrogen under low pressure, a pressure increasing step is indispensable in any case.

特開2014−189480号公報JP 2014-189480 A 特表2010−500272号公報Special table 2010-500272 gazette 特開2014−073923号公報JP 2014-073923 A 特開2005−216774号公報JP 2005-216774 A 特開2005−200253号公報JP 2005-200363 A 特開2012−109064号公報JP 2012-109064 A 特開2011−245459号公報JP 2011-245459 A 特開2012−162457号公報JP 2012-162457 A WO2008/047312号公報WO2008 / 047312 WO2012/070620WO2012 / 070620 特許第4572393号公報Japanese Patent No. 4572393 特許第4875576号公報Japanese Patent No. 4875576 WO2011/108730WO2011 / 108730 特開2010−083730号公報JP 2010-083730 A 特開2010−208927号公報JP 2010-208927 A 特許第3968431号公報Japanese Patent No. 3968431 特許第4009728号公報Japanese Patent No. 4009728 特許第4822253号公報Japanese Patent No. 4822253 特許第5030175号公報Japanese Patent No. 5030175 PCT/US2012/054823PCT / US2012 / 054823 PCT/JP2013/051606PCT / JP2013 / 051606 特願2012−062042号Japanese Patent Application No. 2012-062042 特開2014−1109号公報JP 2014-1109 A 特開2014−203624号公報JP 2014-203624 A 特開2012−1380号公報JP 2012-1380 A 特開2010−143778号公報JP 2010-143778 A

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本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、水素を高圧に圧縮するための圧縮機や圧縮工程を用いることなく、また、PSA法やTSA法を必ずしも用いることなく、より純度の高い高圧水素を製造する方法や装置を提供することを課題とする。
また、本発明は、水素を発生する水素貯蔵剤を高圧に圧縮するための圧縮機や圧縮工程を用いることなく、より純度の高い高圧水素を製造する方法や装置を提供することを付加的な課題とする。
また、本発明は、深冷分離のような-200℃近い極低温を必要とすることなく、高圧混合ガスから純度の高い高圧水素を分離して製造する方法や装置を提供することを付加的な課題とする。
The present invention has been made in view of the above-described prior art, and does not use a compressor or compression process for compressing hydrogen to a high pressure, and does not necessarily use the PSA method or the TSA method. It is an object to provide a method and an apparatus for producing high-pressure high-pressure hydrogen.
In addition, the present invention additionally provides a method and apparatus for producing high-purity high-pressure hydrogen without using a compressor or compression process for compressing a hydrogen storage agent that generates hydrogen to a high pressure. Let it be an issue.
Further, the present invention additionally provides a method and an apparatus for separating and producing high-purity high-pressure hydrogen from a high-pressure mixed gas without requiring a cryogenic temperature close to −200 ° C. as in cryogenic separation. To be an important issue.

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、次の(A)〜(C)のような知見を得た。
(A)ギ酸を脱水素触媒を用いて分解することで、二酸化炭素の臨界圧力以上である7.3MPa以上の高圧混合ガスが得られ、この高圧混合ガスを利用すれば、水素を高圧に圧縮するための圧縮機や圧縮工程を用いることなく、かつ、PSA法やTSA法の精製法を用いることなく、32℃以下で二酸化炭素を高圧混合ガスから気液(固液)分離することができ、水素の純度が高まった高圧ガスが製造できる。
(B)脱水素反応容器へのギ酸の供給は、ギ酸を高圧に圧縮するための圧縮機や圧縮工程を必ずしも用いることなく実施できる。
(C)脱水素反応温度や得られるガス圧力を適切な範囲に調整することにより、深冷分離のような-200℃近い極低温を必要とすることなく、低温から常温近辺の温度(-38℃〜32℃)での気液分離によって水素の純度が高まった高圧ガスが製造できる。
As a result of intensive studies to achieve the above problems, the present inventors have obtained the following findings (A) to (C).
(A) By decomposing formic acid using a dehydrogenation catalyst, a high-pressure mixed gas of 7.3 MPa or higher, which is higher than the critical pressure of carbon dioxide, is obtained. By using this high-pressure mixed gas, hydrogen is compressed to a high pressure. Without using a compressor or a compression process for this purpose, and without using a purification method such as PSA or TSA, carbon dioxide can be separated from a high-pressure gas mixture at a temperature of 32 ° C. or lower (solid-liquid). High-pressure gas with increased hydrogen purity can be produced.
(B) The formic acid can be supplied to the dehydrogenation reaction vessel without necessarily using a compressor or a compression step for compressing formic acid to a high pressure.
(C) By adjusting the dehydrogenation reaction temperature and the resulting gas pressure to an appropriate range, the temperature from low temperature to near normal temperature (-38) is required without requiring an extremely low temperature near -200 ° C as in cryogenic separation. High-pressure gas with increased hydrogen purity can be produced by gas-liquid separation at a temperature of from 32 ° C. to 32 ° C.

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
[1]水素貯蔵剤から触媒を用いた脱水素化反応により全圧が7.3MPa以上の水素と二酸化炭素とを含む高圧混合ガスを生成させ、生成した高圧混合ガスの全圧を0.4MPa以下に下げることなく該高圧混合ガスを相分離して水素濃度の高い高圧ガスを製造する高圧水素ガス製造方法。
[2]水素貯蔵剤が、ギ酸または/およびギ酸塩、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、グリオキサール、グリオキサール酸から選ばれる1種類または2種類以上であることを特徴とする[1]に記載の高圧水素ガス製造方法。
[3]高圧の水素を発生させるための触媒が、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、コバルト、オスミニウム、ニッケル、鉄、パラジウム、白金、金から選ばれる1種類もしくは2種類以上の遷移金属を含む有機金属錯体またはこれら錯体の塩であることを特徴とする[2]に記載の高圧ガス製造方法。
[4]水素貯蔵剤からの脱水素化反応において、下記式(1)で表されるものから選択される触媒を用いることを特徴とする[2]または[3]に記載の高圧ガス製造方法。

Figure 2016124730
〔前式(1)において、Mは、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A〜F(A〜Fのうちの1つ〜3つは存在しなくても良い。)は、それぞれ独立に、ハロゲン、リン、窒素、炭素、酸素、硫黄、もしくは水素を配位原子として含む配位子であるか、または、A〜Fのうちの2つは、Mに配位する2座配位子であるか、もしくは、該Mとは別のMを含む4座配位子構造のものであり、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
[5]水素貯蔵剤の脱水素化反応において、下記式(2)または式(3)で表されるものから選択される触媒を用いることを特徴とする[3]または[4]に記載の高圧ガス製造方法。
Figure 2016124730
〔前式(2)において、Mは、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A〜Bは、それぞれ独立に、窒素、炭素、酸素、もしくは硫黄を配位原子として含む配位子であるか、または、AとBは、Mに配位する2座配位子であり、Lは、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Zは、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
Figure 2016124730
〔前式(3)において、M1〜M2は、それぞれ独立に、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A1〜A4は、それぞれ独立に、窒素、炭素、酸素、もしくは硫黄を配位原子として含む配位子であるか、または、A1〜A4は、M1とM2に配位する4座配位子であり、L1〜L2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Z1〜Z2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
[6]ギ酸または/およびギ酸塩の脱水素化反応に下記式(4)〜(10)で表されるものから選択される触媒を用いることを特徴とする[4]または[5]に記載の高圧ガス製造方法。
Figure 2016124730
Figure 2016124730


Figure 2016124730
Figure 2016124730



Figure 2016124730
Figure 2016124730
Figure 2016124730
〔前記式(4)〜(10)において、
式中の5員環および6員環は、芳香族性を有するものであり、また、A1〜A4は、いずれも窒素であるか、またはそれぞれ独立に、窒素もしくは炭素であり、X1〜X10は、それぞれ独立に、窒素または炭素であり、R1〜R10は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、フェニル基、ニトロ基、ハロゲン基、スルホン酸基(スルホ基)、アミノ基、カルボン酸基(カルボキシル基)、ヒドロキシ基(-OH)、オキシアニオン基(-O-)、またはアルコキシ基(-OR)(ただし、Xiが窒素である場合、その窒素の位置のRiは存在しない。)であり、L1〜L2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Z1〜Z2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数であり、M1〜M2は、それぞれ独立に、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuである。〕
[7]水素貯蔵剤の脱水素化反応を高圧反応容器で行い、高圧混合ガスの相分離を気液分離器で行う[1]〜[6]のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。
[8]水素貯蔵剤の脱水素化反応を32〜300℃の反応温度下で行い、高圧混合ガスの相分離を前記反応温度より低い-38〜32℃の相分離温度で行うことを特徴とする[1]〜[7]のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。
[9]相分離温度を0〜32℃、脱水素化反応温度を相分離温度より20〜100℃高い温度とする[8]に記載の高圧水素ガス製造方法。
[10]高圧反応容器への水素貯蔵剤の供給を連続的または間欠的に行うことを特徴とする[1]〜[9]のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。
[11]内部が常圧の高圧反応容器へ所定量の水素貯蔵剤を供給後、該水素貯蔵剤を加熱して前記高圧混合ガスを生成し、高圧水素ガスの製造停止まで水素貯蔵剤を追加供給することなく水素濃度の高い高圧ガスを製造することを特徴とする[1]〜[10]のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。
[12]水素貯蔵剤の脱水素化反応により全圧が7.3MPa以上の水素と二酸化炭素とを含む高圧混合ガスを生成する高圧反応容器と、水素と二酸化炭素とを含む高圧混合ガスを相分離して水素濃度の高い高圧ガスを生成する気液分離器と、前記高圧反応容器で生成した高圧混合ガスを0.4MPa以上の全圧を保持したまま前記気液分離器に送給する高圧混合ガス送給通路とを備える高圧水素製造装置。
[13]前記高圧反応容器は水素貯蔵剤を32〜120℃に加熱する加熱手段を有し、前記気液分離器は高圧混合ガスを-38〜32℃に保持する温度調節手段を有することを特徴とする[12]に記載の高圧水素製造装置。 The present invention has been completed based on these findings, and according to the present invention, the following inventions are provided.
[1] A high-pressure mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide with a total pressure of 7.3 MPa or more is generated from a hydrogen storage agent by a catalyst dehydrogenation reaction, and the total pressure of the generated high-pressure mixed gas is reduced to 0.4 MPa or less. A high-pressure hydrogen gas production method for producing a high-pressure gas having a high hydrogen concentration by phase-separating the high-pressure mixed gas without lowering.
[2] The hydrogen storage agent is one or more selected from formic acid and / or formate, methanol, ethanol, isopropanol, formaldehyde, acetaldehyde, glyoxal, and glyoxalic acid, according to [1] High pressure hydrogen gas production method.
[3] An organometallic complex in which the catalyst for generating high-pressure hydrogen contains one or more transition metals selected from iridium, rhodium, ruthenium, cobalt, osmium, nickel, iron, palladium, platinum, and gold Alternatively, the high-pressure gas production method according to [2], which is a salt of these complexes.
[4] The high-pressure gas production method according to [2] or [3], wherein a catalyst selected from those represented by the following formula (1) is used in the dehydrogenation reaction from the hydrogen storage agent: .
Figure 2016124730
[In the above formula (1), M is Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A to F (one to three of A to F are Each may independently be a ligand containing halogen, phosphorus, nitrogen, carbon, oxygen, sulfur, or hydrogen as a coordinating atom, or 2 of A to F. One is a bidentate ligand coordinated to M or a tetradentate ligand structure containing M different from M, and m is a positive integer, 0, or negative Is an integer. ]
[5] The dehydrogenation reaction of the hydrogen storage agent uses a catalyst selected from those represented by the following formula (2) or (3): [3] or [4] High pressure gas production method.
Figure 2016124730
[In Formula (2), M is Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A to B are each independently nitrogen, carbon, oxygen, or It is a ligand containing sulfur as a coordinating atom, or A and B are bidentate ligands coordinated to M, and L is an aromatic anion ligand or aromatic coordination When it is a ligand and has a substituent, one or a plurality of the ligands may be present, Z is an arbitrary ligand or does not exist, and m is a positive integer. , 0, or a negative integer. ]
Figure 2016124730
[In Formula (3), M 1 to M 2 are each independently Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A 1 to A 4 are respectively Independently, it is a ligand containing nitrogen, carbon, oxygen or sulfur as a coordinating atom, or A 1 to A 4 are tetradentate ligands coordinated to M 1 and M 2 , L 1 and L 2 are each independently an aromatic anion ligand or an aromatic ligand, and when having a substituent, one or a plurality of the ligands may be present. , Z 1 -Z 2 are each independently any ligand or absent, and m is a positive integer, 0, or a negative integer. ]
[6] The catalyst according to [4] or [5], wherein a catalyst selected from those represented by the following formulas (4) to (10) is used for the dehydrogenation reaction of formic acid and / or formate. High pressure gas production method.
Figure 2016124730
Figure 2016124730


Figure 2016124730
Figure 2016124730



Figure 2016124730
Figure 2016124730
Figure 2016124730
[In the above formulas (4) to (10),
In the formula, the 5-membered ring and the 6-membered ring have aromaticity, and A 1 to A 4 are all nitrogen, or are each independently nitrogen or carbon, and X 1 ~ X 10 are each independently nitrogen or carbon, and R 1 to R 10 are each independently a hydrogen atom, alkyl group, phenyl group, nitro group, halogen group, sulfonic acid group (sulfo group), amino group. group, a carboxylic acid group (carboxyl group), hydroxy (-OH), an oxy anion group (-O -), or an alkoxy group (-OR) (provided that if X i is nitrogen, R of the position of the nitrogen i does not exist.) and L 1 to L 2 are each independently an aromatic anion ligand or an aromatic ligand, ligand may be a plurality, even one 1, Z 1 to Z 2 are each independently a any ligand, or absent , M is a positive integer, 0 or a negative integer,, M 1 ~M 2 are each independently a Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt , or Au, . ]
[7] The high-pressure hydrogen gas production according to any one of [1] to [6], wherein the dehydrogenation reaction of the hydrogen storage agent is performed in a high-pressure reaction vessel, and phase separation of the high-pressure mixed gas is performed in a gas-liquid separator. Method.
[8] The dehydrogenation reaction of the hydrogen storage agent is performed at a reaction temperature of 32 to 300 ° C., and the phase separation of the high-pressure mixed gas is performed at a phase separation temperature of −38 to 32 ° C. lower than the reaction temperature. The high-pressure hydrogen gas production method according to any one of [1] to [7].
[9] The high-pressure hydrogen gas production method according to [8], wherein the phase separation temperature is 0 to 32 ° C. and the dehydrogenation reaction temperature is 20 to 100 ° C. higher than the phase separation temperature.
[10] The method for producing high-pressure hydrogen gas according to any one of [1] to [9], wherein the supply of the hydrogen storage agent to the high-pressure reaction vessel is performed continuously or intermittently.
[11] After supplying a predetermined amount of hydrogen storage agent to a high-pressure reaction vessel having an atmospheric pressure inside, the hydrogen storage agent is heated to generate the high-pressure mixed gas, and the hydrogen storage agent is added until production of high-pressure hydrogen gas is stopped The high-pressure hydrogen gas production method according to any one of [1] to [10], wherein a high-pressure gas having a high hydrogen concentration is produced without being supplied.
[12] A high-pressure reaction vessel that generates a high-pressure mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide having a total pressure of 7.3 MPa or more by dehydrogenation of the hydrogen storage agent, and a phase separation of the high-pressure mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide Gas-liquid separator that generates a high-pressure gas with a high hydrogen concentration, and a high-pressure gas mixture that is supplied to the gas-liquid separator while maintaining a total pressure of 0.4 MPa or more with the high-pressure gas mixture generated in the high-pressure reactor A high-pressure hydrogen production apparatus comprising a supply passage.
[13] The high-pressure reactor has heating means for heating the hydrogen storage agent to 32 to 120 ° C, and the gas-liquid separator has temperature adjusting means for holding the high-pressure mixed gas at -38 to 32 ° C. The high-pressure hydrogen production apparatus according to [12], which is characterized in that.

従来法では、炭化水素、アンモニア、バイオマス、水素吸着剤等で貯蔵していた水素は、燃料電池車等へ供給するために圧縮機や圧縮工程を用いて昇圧する必要があったが、多くの場合、高温状態で水素を得た後、そのまま水素を精製する技術が無かったため、一旦常圧にしてからPSA法やTSA法で水素を精製した上で、圧縮機で圧縮していた。しかし、脱水素過程で高温のエネルギーが必要となること、水素を圧縮するための圧縮機の装置構造が複雑である上に、そのために大きなエネルギーを必要としていた。
これに対し、本発明では、主にギ酸から脱水素反応によって自動的に二酸化炭素と水素からなる高圧ガスを得ることが出来るため、その高圧ガスを利用することで水素を精製することが可能となり、PSA法やTSA法の精製法を必ずしも用いることなく、かつ、圧縮機や圧縮工程等による大きなエネルギーを必要とせずに高圧で精製された水素を供給することができる。また、脱水素反応容器へのギ酸の供給にも、ギ酸を高圧に圧縮するための圧縮機や圧縮工程を必ずしも用いる必要がないし、脱水素反応温度や得られるガス圧力を適切な範囲に調整することにより、深冷分離のような低温やそのための大きなエネルギーを必要とすることなく、常温近辺の温度での気液分離によって水素の純度が高まった高圧ガスが製造できる。さらに、ギ酸からは水素と二酸化炭素のみが得られることから、水素分離後は、同時に二酸化炭素も得ることができ、精製することなく別工程への利用が可能となる。
In the conventional method, hydrogen stored in hydrocarbons, ammonia, biomass, hydrogen adsorbent, etc. had to be boosted using a compressor or compression process to supply it to a fuel cell vehicle, etc. In some cases, after obtaining hydrogen at a high temperature, there was no technique for purifying the hydrogen as it was, so the hydrogen was purified by the PSA method or the TSA method once after normal pressure, and then compressed by a compressor. However, high temperature energy is required in the dehydrogenation process, the structure of the compressor for compressing hydrogen is complicated, and a large amount of energy is required for that purpose.
In contrast, in the present invention, a high-pressure gas composed of carbon dioxide and hydrogen can be automatically obtained mainly from formic acid by a dehydrogenation reaction. Therefore, hydrogen can be purified by using the high-pressure gas. It is possible to supply hydrogen purified at a high pressure without necessarily using a purification method such as the PSA method or the TSA method, and without requiring a large amount of energy by a compressor, a compression process, or the like. In addition, it is not always necessary to use a compressor or compression process for compressing formic acid at a high pressure to supply formic acid to the dehydrogenation reaction vessel, and the dehydrogenation reaction temperature and the obtained gas pressure are adjusted to an appropriate range. Thus, a high-pressure gas with increased hydrogen purity can be produced by gas-liquid separation at a temperature near room temperature without requiring a low temperature such as deep cold separation or a large amount of energy therefor. Furthermore, since only hydrogen and carbon dioxide can be obtained from formic acid, carbon dioxide can also be obtained at the same time after hydrogen separation, and it can be used for another process without purification.

本発明の実施例の高圧水素製造システム例を示す図面。The drawing which shows the example of the high pressure hydrogen production system of the Example of this invention. 本発明の実施例の高圧水素製造における反応容器内設定圧力と、ガス発生速度、水素と二酸化炭素の発生量比との関係を示す図面。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Drawing which shows the relationship between the setting pressure in reaction container in the high pressure hydrogen production of the Example of this invention, a gas generation rate, and the generation amount ratio of hydrogen and a carbon dioxide. 反応容器内設定圧力を変化させた際のガス発生量、ガス発生速度の時間変化を示す図面。The figure which shows the time change of the gas generation amount at the time of changing the setting pressure in reaction container, and a gas generation speed. 気液分離時の圧力を10MPa、20MPaとした際の分離気体中における二酸化炭素に対する水素のモル比の時間変化を示す図面。The drawing which shows the time change of the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide in the separated gas when the pressure during gas-liquid separation is 10 MPa and 20 MPa. 水素−二酸化炭素系の相図。Phase diagram of the hydrogen-carbon dioxide system. 脱水素化反応温度を変化させた際のガス発生量、ガス発生速度の時間変化を示す図面。The figure which shows the time change of the gas generation amount at the time of changing dehydrogenation reaction temperature and a gas generation speed.

(高圧水素システムの構成)
高圧水素を製造するためのシステムの一例は、図1に示した通りの構成で示され、主に水素貯蔵剤から高圧ガスを発生させる脱水素反応部と、発生した高圧ガスから二酸化炭素と水素を分離する気液分離部から構成されるシステムである。
(Configuration of high-pressure hydrogen system)
An example of a system for producing high-pressure hydrogen is shown in a configuration as shown in FIG. 1, and mainly includes a dehydrogenation reaction section that generates high-pressure gas from a hydrogen storage agent, and carbon dioxide and hydrogen from the generated high-pressure gas. It is the system comprised from the gas-liquid separation part which isolate | separates.

(水素貯蔵剤)
本発明において、製造する高圧の水素ガスを得るための水素貯蔵剤は、高圧の水素を含むガスを発生させられれば特に限定されないが、好適には、ギ酸または/およびギ酸塩である。また、水素貯蔵剤としてギ酸、ギ酸塩以外にも、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、およびホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、グリオキサール、グリオキサール酸などを用いることができる。
これらの水素貯蔵剤は、1種類または2種類以上の混合物として使用できるし、また、溶媒を含む溶液または分散剤を含む分散液としても使用することができる。その際の溶媒や分散媒は固体でも液体でも良い。水素貯蔵剤としてギ酸または/およびぎ酸塩を用いる場合、水、アルコール、炭化水素等から選ばれる少なくとも1種類以上の溶媒または分散媒を用いることができ、好適には水、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、メタノール、エタノール、プロパノール、ペンタノール等を用いることができるが、より好適には、超臨界二酸化炭素への溶解度が低い水、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、更に好適には水を用いることができる。なお、アルコール類は、溶媒または分散媒としても用いられるが、同時に水素貯蔵剤として用いることも可能である。
(Hydrogen storage agent)
In the present invention, the hydrogen storage agent for obtaining the high-pressure hydrogen gas to be produced is not particularly limited as long as a gas containing high-pressure hydrogen can be generated, but is preferably formic acid and / or formate. In addition to formic acid and formate, alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, and formaldehyde, acetaldehyde, glyoxal and glyoxalic acid can be used as the hydrogen storage agent.
These hydrogen storage agents can be used as one kind or a mixture of two or more kinds, and can also be used as a solution containing a solvent or a dispersion containing a dispersant. The solvent or dispersion medium at that time may be solid or liquid. When formic acid or / and formate are used as the hydrogen storage agent, at least one solvent or dispersion medium selected from water, alcohol, hydrocarbon, etc. can be used, preferably water, ethylene glycol, polyethylene glycol Glycerin, methanol, ethanol, propanol, pentanol, and the like can be used, but water having low solubility in supercritical carbon dioxide, ethylene glycol, polyethylene glycol, glycerin, and more preferably water are more preferable. be able to. In addition, although alcohol is used also as a solvent or a dispersion medium, it can also be used as a hydrogen storage agent simultaneously.

(水素貯蔵剤を含む原料例)
また、炭化水素の改質や石炭乾留、石炭ガス化等で得られる処理物や、草木系のバイオマスの分解で得られた溶液を含む処理物や、糞尿等の処理から得られる処理物、さらには廃プラスチックスなどの分解処理で得られる処理物は、いずれもギ酸または/およびギ酸塩を含んでいるので、本発明において水素貯蔵剤を含む原料(溶液や分散液など)として用いることができる。特にバイオマスとしては、セルロース、ヘミセルロース由来のグルコース、フルクトース等の糖類を分解することでギ酸が得られるため、これらを含む処理物は将来水素をエネルギーとして使用する際に、水素貯蔵剤を含む有用な原料として使用できる。
(Examples of raw materials containing hydrogen storage agents)
In addition, treated products obtained by hydrocarbon reforming, coal dry distillation, coal gasification, etc., treated products containing solutions obtained by decomposition of plant-based biomass, treated products obtained from treatment of manure, etc. Since all of the processed products obtained by the decomposition treatment of waste plastics contain formic acid and / or formate, they can be used as raw materials (solutions, dispersions, etc.) containing hydrogen storage agents in the present invention. . In particular, as biomass, formic acid can be obtained by decomposing saccharides such as cellulose, glucose derived from hemicellulose, and fructose, and thus treated products containing hydrogen storage agents are useful when hydrogen is used as energy in the future. Can be used as a raw material.

(ギ酸または/およびギ酸塩の酸性度、カウンターカチオン)
水素貯蔵剤としてのギ酸または/およびギ酸塩を溶液として用いる際、一般的に特に酸性度の範囲は限定されないが、好ましくは酸性度が1〜9の範囲、更に好ましくは1〜7の酸性側で用いることが好ましい。またこの酸性度を一定に保つために、ギ酸塩を用いることが出来るが、ギ酸塩のカウンターカチオンとして、特に限定しないが、例えば、陽イオンとしては、リチウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、バリウムイオン、ストロンチウムイオン、イットリウムイオン、スカンジウムイオン、またはランタノイドイオン等の各種金属イオンまたはアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム等のアルキルアンモニウムイオン等が挙げられる。またこれらのカウンターイオンは、1種類でも良いが、2種類以上併存していても良い。
(Acidity of formic acid and / or formate, counter cation)
When using formic acid or / and formate as a hydrogen storage agent as a solution, the acidity range is not particularly limited, but the acidity is preferably in the range of 1-9, more preferably 1-7. It is preferable to use in. In order to keep this acidity constant, formate can be used, but the counter cation of formate is not particularly limited. For example, as a cation, lithium ion, magnesium ion, sodium ion, potassium ion And various metal ions such as calcium ion, barium ion, strontium ion, yttrium ion, scandium ion, or lanthanoid ion, or ammonium ion, and alkylammonium ion such as tetramethylammonium and tetraethylammonium. These counter ions may be one type, or two or more types may coexist.

(ギ酸濃度)
本発明において、水素貯蔵剤としてのギ酸または/およびギ酸塩を溶液または分散液として用いる際、ギ酸とギ酸塩の合計の濃度が、1μmol/L以上、26mol/L以下の範囲であれば高圧の水素を発生させることが可能であるが、1mmol/L以上、26mol/L以下の範囲であれば好適に、さらには、1mol/L以上、26mol/L以下の範囲であればより好適に高圧の水素を発生させることができる。
(Formic acid concentration)
In the present invention, when formic acid and / or formate as a hydrogen storage agent is used as a solution or a dispersion, if the total concentration of formic acid and formate is in the range of 1 μmol / L to 26 mol / L, high pressure Although it is possible to generate hydrogen, it is preferably in the range of 1 mmol / L or more and 26 mol / L or less, and more preferably in the range of 1 mol / L or more and 26 mol / L or less, more preferably high pressure. Hydrogen can be generated.

(水素発生させるための反応器)
本発明において、製造する高圧の水素ガスを発生させるための脱水素反応器は、ステンレススチールなどの一般的な耐圧容器を用いることが可能であるが、ギ酸と金属の接触で一酸化炭素の発生が起こりやすくなるため、容器の材質は樹脂やガラスやセラミックスなどの金属製以外の材質であることが好ましく、更にはギ酸との接液部が、樹脂やガラスやセラミックスで被覆されていれば好適に用いることができる。
(Reactor for generating hydrogen)
In the present invention, the dehydrogenation reactor for generating high-pressure hydrogen gas to be produced can use a general pressure vessel such as stainless steel, but carbon monoxide is generated by contact of formic acid and metal. The container is preferably made of a material other than metal, such as resin, glass or ceramics. Further, it is preferable that the liquid contact part with formic acid is covered with resin, glass or ceramics. Can be used.

(水素発生させるための触媒)
高圧の水素を発生させるための触媒は、遷移金属からなる有機金属錯体であることが好ましい。脱水素反応を起こすための触媒に用いられる遷移金属種は、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、コバルト、オスミニウム、ニッケル、鉄、パラジウム、白金または金から、少なくとも1種類以上の遷移金属を含む有機金属錯体またはこれらの塩を用いることができるが、好適にはイリジウム、ロジウム、ルテニウム、コバルトを、更に好適には、イリジウムを用いることができる。
(Catalyst for generating hydrogen)
The catalyst for generating high-pressure hydrogen is preferably an organometallic complex composed of a transition metal. The transition metal species used for the catalyst for causing the dehydrogenation reaction is an organometallic complex containing at least one transition metal from iridium, rhodium, ruthenium, cobalt, osmium, nickel, iron, palladium, platinum or gold, or These salts can be used, but iridium, rhodium, ruthenium, and cobalt are preferably used, and iridium is more preferably used.

触媒として用いられる前記の遷移金属から構成される有機金属錯体の構造は、水素貯蔵剤を含む溶液への溶解度は特に限定されないが、水素貯蔵剤を含む溶液に少しでも溶解する錯体構造を有していることが好ましく、その錯体構造は、一般式(1)で表される遷移金属錯体、複合金属錯体、その互変異性体もしくは立体異性体、またはそれらの塩を含む錯体が触媒として用いることができる。   The structure of the organometallic complex composed of the transition metal used as a catalyst is not particularly limited in solubility in a solution containing a hydrogen storage agent, but has a complex structure that dissolves in a solution containing a hydrogen storage agent. The complex structure is preferably a transition metal complex represented by the general formula (1), a complex metal complex, a tautomer or stereoisomer thereof, or a complex containing a salt thereof as a catalyst. Can do.

Figure 2016124730
〔前式(1)において、Mは、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A〜F(A〜Fのうちの1つ〜3つは存在しなくても良い。)は、それぞれ独立に、ハロゲン、リン、窒素、炭素、酸素、硫黄、もしくは水素を配位原子として含む配位子であるか、または、A〜Fのうちの2つは、Mに配位する2座配位子であるか、もしくは、該Mとは別のMを含む4座配位子構造のものであり、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
Figure 2016124730
[In the above formula (1), M is Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A to F (one to three of A to F are Each may independently be a ligand containing halogen, phosphorus, nitrogen, carbon, oxygen, sulfur, or hydrogen as a coordinating atom, or 2 of A to F. One is a bidentate ligand coordinated to M or a tetradentate ligand structure containing M different from M, and m is a positive integer, 0, or negative Is an integer. ]

具体的には、塩化ルテニウムトリフェニルホスフィン、クロロルテニウムトリフェニルホスフィントリスルホネート錯体などが挙げられるが、更に選択制の高い触媒として用いることが可能な金属錯体の構造を具体的に述べると、その錯体の構造は、一般式(2)または一般式(3)で表される遷移金属錯体、複合金属錯体、その互変異性体もしくは立体異性体、またはそれらの塩を含む錯体が触媒として用いることができる。   Specific examples include ruthenium chloride triphenylphosphine and chlororuthenium triphenylphosphine trisulfonate complexes. The structure of a metal complex that can be used as a highly selective catalyst is specifically described. As for the structure, a transition metal complex represented by general formula (2) or general formula (3), a complex metal complex, a tautomer or stereoisomer thereof, or a complex containing a salt thereof is used as a catalyst. it can.

Figure 2016124730
〔前式(2)において、Mは、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A〜Bは、それぞれ独立に、窒素、炭素、酸素、もしくは硫黄を配位原子として含む配位子であるか、または、AとBは、Mに配位する2座配位子であり、Lは、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Zは、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
Figure 2016124730
〔前式(3)において、M1〜M2は、それぞれ独立に、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A1〜A4は、それぞれ独立に、窒素、炭素、酸素、もしくは硫黄を配位原子として含む配位子であるか、または、A1〜A4は、M1とM2に配位する4座配位子であり、L1〜L2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Z1〜Z2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
Figure 2016124730
[In Formula (2), M is Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A to B are each independently nitrogen, carbon, oxygen, or It is a ligand containing sulfur as a coordinating atom, or A and B are bidentate ligands coordinated to M, and L is an aromatic anion ligand or aromatic coordination When it is a ligand and has a substituent, one or a plurality of the ligands may be present, Z is an arbitrary ligand or does not exist, and m is a positive integer. , 0, or a negative integer. ]
Figure 2016124730
[In Formula (3), M 1 to M 2 are each independently Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A 1 to A 4 are respectively Independently, it is a ligand containing nitrogen, carbon, oxygen or sulfur as a coordinating atom, or A 1 to A 4 are tetradentate ligands coordinated to M 1 and M 2 , L 1 and L 2 are each independently an aromatic anion ligand or an aromatic ligand, and when having a substituent, one or a plurality of the ligands may be present. , Z 1 -Z 2 are each independently any ligand or absent, and m is a positive integer, 0, or a negative integer. ]

例えばより具体的には、下記式(4)〜(10)のいずれかで表される遷移金属錯体、複合金属錯体、その互変異性体もしくは立体異性体、またはそれらの塩を含む錯体などが触媒として用いることができる。   For example, more specifically, a transition metal complex represented by any one of the following formulas (4) to (10), a complex metal complex, a tautomer or stereoisomer thereof, or a complex containing a salt thereof, etc. It can be used as a catalyst.

Figure 2016124730

Figure 2016124730
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Figure 2016124730
Figure 2016124730
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〔前記式(4)〜(10)において、
式中の5員環および6員環は、芳香族性を有するものであり、また、A1〜A4は、いずれも窒素であるか、またはそれぞれ独立に、窒素もしくは炭素であり、X1〜X10は、それぞれ独立に、窒素または炭素であり、R1〜R10は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、フェニル基、ニトロ基、ハロゲン基、スルホン酸基(スルホ基)、アミノ基、カルボン酸基(カルボキシル基)、ヒドロキシ基(-OH)、オキシアニオン基(-O-)、またはアルコキシ基(-OR)(ただし、Xiが窒素である場合、その窒素の位置のRiは存在しない。)であり、L1〜L2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Z1〜Z2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数であり、M1〜M2は、それぞれ独立に、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuである。〕
Figure 2016124730

Figure 2016124730
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Figure 2016124730
Figure 2016124730
Figure 2016124730
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[In the above formulas (4) to (10),
In the formula, the 5-membered ring and the 6-membered ring have aromaticity, and A 1 to A 4 are all nitrogen, or are each independently nitrogen or carbon, and X 1 ~ X 10 are each independently nitrogen or carbon, and R 1 to R 10 are each independently a hydrogen atom, alkyl group, phenyl group, nitro group, halogen group, sulfonic acid group (sulfo group), amino group. group, a carboxylic acid group (carboxyl group), hydroxy (-OH), an oxy anion group (-O -), or an alkoxy group (-OR) (provided that if X i is nitrogen, R of the position of the nitrogen i does not exist.) and L 1 to L 2 are each independently an aromatic anion ligand or an aromatic ligand, ligand may be a plurality, even one 1, Z 1 to Z 2 are each independently either any ligand, or absent , M is a positive integer, 0 or a negative integer,, M 1 ~M 2 are each independently a Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt , or Au, . ]

一般式(1)〜(10)で示される遷移金属錯体において、そのカウンターイオンは、特に限定されないが、陰イオンとしては、例えば、六フッ化リン酸イオン(PF6-)、テトラフルオロほう酸イオン(BF4-)、水酸化物イオン(OH-)、酢酸イオン、炭酸イオン、リン酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、ハロゲン化物イオン(例えばフッ化物イオン(F-)、塩化物イオン(Cl-)、臭化物イオン(Br-)、ヨウ化物イオン(I-)等)、次亜ハロゲン酸イオン(例えば次亜フッ素酸イオン、次亜塩素酸イオン、次亜臭素酸イオン、次亜ヨウ素酸イオン等)、亜ハロゲン酸イオン(例えば亜フッ素酸イオン、亜塩素酸イオン、亜臭素酸イオン、亜ヨウ素酸イオン等)、ハロゲン酸イオン(例えばフッ素酸イオン、塩素酸イオン、臭素酸イオン、ヨウ素酸イオン等)、過ハロゲン酸イオン(例えば過フッ素酸イオン、過塩素酸イオン、過臭素酸イオン、過ヨウ素酸イオン等)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(OSO2CF3 -)、テトラキスペンタフルオロフェニルボレートイオン[B(C6F5)4 -]等が挙げられる。陽イオンとしては、特に限定されないが、リチウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、バリウムイオン、ストロンチウムイオン、イットリウムイオン、スカンジウムイオン、ランタノイドイオン、等の各種金属イオン、水素イオン等が挙げられる。また、これらカウンターイオンは、1種類でも良いが、2種類以上が併存していても良い。ただし、この記述は、可能な機構の例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。 In the transition metal complexes represented by the general formulas (1) to (10), the counter ions are not particularly limited, but examples of the anions include hexafluorophosphate ions (PF6 ), tetrafluoroborate ions ( BF4 @ -), hydroxide ions (OH -), acetate ion, carbonate ion, phosphate ion, sulfate ion, nitrate ion, halide ion (e.g. fluoride ion (F -), chloride ion (Cl -), bromide ion (Br -), iodide ion (I -), etc.), hypohalous acid ion (e.g. hypofluorite ion, hypochlorite ion, hypobromous acid ion, hypoiodous ion), Halogenite ion (for example, fluorite ion, chlorite ion, bromite ion, iodate ion, etc.), halogenate ion (for example, fluorate ion, chlorate ion, bromate ion, iodate ion, etc.) , Perhalogenated acid One (e.g. perfluorinated acid ion, perchloric acid ion, perbromic acid ion, periodic acid ion, etc.), trifluoromethanesulfonate ion (OSO 2 CF 3 -), tetrakis pentafluorophenyl borate ion [B (C 6 F 5) 4 -], and the like. The cation is not particularly limited, but various metal ions such as lithium ion, magnesium ion, sodium ion, potassium ion, calcium ion, barium ion, strontium ion, yttrium ion, scandium ion, lanthanoid ion, hydrogen ion, etc. Can be mentioned. These counter ions may be of one type, but two or more types may coexist. However, this description is only an example of a possible mechanism and does not limit the present invention.

(水素発生方法)
本発明において、製造する高圧の水素ガスを得るための脱水素反応は、バッチ式でもフロー式でも好適に行うことができる。バッチ式の場合は、反応容器中で高圧の水素ガスを発生させ、得られたガスは、後段の気液分離器に移送させることで、行うことができる。フロー式では、反応開始温度が50℃以上であることから、ポンプでフローさせながら温度可変することで、高圧ガスを発生させることができ、そのまま後段の気液分離器に移送させることで、水素精製を行うことができる。
(Hydrogen generation method)
In the present invention, the dehydrogenation reaction for obtaining the high-pressure hydrogen gas to be produced can be suitably performed by either a batch method or a flow method. In the case of the batch type, high-pressure hydrogen gas is generated in the reaction vessel, and the obtained gas can be transferred to a gas-liquid separator at the subsequent stage. In the flow method, since the reaction start temperature is 50 ° C. or higher, high-pressure gas can be generated by changing the temperature while flowing with a pump, and it is transferred to the gas-liquid separator at the subsequent stage as it is. Purification can be performed.

(水素発生温度)
本発明において、製造する高圧の水素ガスを得るための脱水素反応は、ギ酸から精製する水素と二酸化炭素の混合ガスが均一の相状態であれば後段の気液分離器で水素と二酸化炭素を分離することができる。すなわち均一の相をつくる臨界温度以上で脱水素反応を行えば均一な混合ガスを得ることができ、後段において高圧状態のまま水素を精製することが可能である。すなわち水素と二酸化炭素の混合ガスの超臨界相が現われる-38℃以上で行えば好適に高圧の水素を製造することができるが、更には、二酸化炭素の臨界温度の32℃以上の範囲で行うことが好ましく、より好ましくは、脱水素反応が進む50℃以上の温度で行うことができる。特に、後段の気液分離を、発生時の圧力からあまり低下させることなく低温から常温近辺(-38℃〜32℃)で効率よく行うには、水素発生温度を、-38℃から32℃における臨界温度軌跡より高い温度とすることが望ましい。
(Hydrogen generation temperature)
In the present invention, the dehydrogenation reaction for obtaining the high-pressure hydrogen gas to be produced is carried out by using a gas-liquid separator at a later stage to convert hydrogen and carbon dioxide if the mixed gas of hydrogen and carbon dioxide purified from formic acid is in a uniform phase state. Can be separated. That is, if a dehydrogenation reaction is carried out at a temperature higher than the critical temperature for forming a uniform phase, a uniform mixed gas can be obtained, and hydrogen can be purified in a subsequent stage while maintaining a high pressure state. That is, if it is carried out at -38 ° C or higher where a supercritical phase of a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide appears, high-pressure hydrogen can be suitably produced, but further, it is carried out in the range of 32 ° C or higher of the critical temperature of carbon dioxide. More preferably, it can be carried out at a temperature of 50 ° C. or higher at which the dehydrogenation reaction proceeds. In particular, in order to perform gas-liquid separation in the latter stage efficiently from low temperature to near room temperature (-38 ° C to 32 ° C) without significantly reducing the pressure at the time of generation, the hydrogen generation temperature is from -38 ° C to 32 ° C. It is desirable that the temperature be higher than the critical temperature locus.

(発生時のガスの圧力)
本発明において、ギ酸から発生する水素と二酸化炭素を含む高圧のガス(常温常圧に変換した場合にガスであること)は、0.1MPa以上であれば、後段の気液分離器によって、固気分離により水素の精製を行うことができるが、最大臨界圧力である200MPa以上では気液相が現れないので、それ以下の範囲であることが好ましい。すなわち、常圧(0.1MPa)以上、200MPa以下の範囲であれば、後段の気液分離器によって精製された高圧水素を製造することが出来る。また、更に好適には三重点の圧力である0.4MPa以上200MPa以下であれば二酸化炭素を液化し、水素をガスとして分離することが可能であり、最も好ましくはガス精製時には臨界圧力である7.3MPa以上200MPa以下であれば、発生時に水素と二酸化炭素が均一の流体になり、後段の気液分離が行いやすい。
(Gas pressure at the time of generation)
In the present invention, the high-pressure gas containing hydrogen and carbon dioxide generated from formic acid (which is a gas when converted to normal temperature and normal pressure) is 0.1 MPa or more, and the solid-gas is separated by a gas-liquid separator at the subsequent stage. Hydrogen can be purified by separation, but since a gas-liquid phase does not appear at a maximum critical pressure of 200 MPa or more, it is preferably within the range. That is, high-pressure hydrogen purified by a gas-liquid separator in the subsequent stage can be produced in the range of normal pressure (0.1 MPa) to 200 MPa. More preferably, if the triple point pressure is 0.4 MPa or more and 200 MPa or less, carbon dioxide can be liquefied and hydrogen can be separated as a gas. Most preferably, the critical pressure during gas purification is 7.3 MPa. If it is 200 MPa or less, hydrogen and carbon dioxide become a uniform fluid at the time of generation, and gas-liquid separation in the subsequent stage is easy to perform.

(気液分離器)
本発明に於いて、高圧状態で気液分離することで、水素と二酸化炭素の混合ガスから二酸化炭素を液化し精製された二酸化炭素を液体として得、そして精製された水素をガスとして得ることができる。その際の気液分離は、脱水素反応器をそのまま気液分離器として用いることもできるが、好ましくは別途設けた気液分離器で分離精製を行うことが好ましい。
(Gas-liquid separator)
In the present invention, by performing gas-liquid separation in a high pressure state, carbon dioxide is liquefied from a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide to obtain purified carbon dioxide as a liquid, and purified hydrogen as a gas. it can. In the gas-liquid separation, the dehydrogenation reactor can be used as a gas-liquid separator as it is, but it is preferable to carry out separation and purification with a gas-liquid separator provided separately.

(気液分離器の温度)
また、純二酸化炭素の気液平衡線の最終点が純二酸化炭素の臨界点で、水素が二酸化炭素に加わることで組成が変化することによりその臨界点が変わる(臨界軌跡)。すなわち臨界点より低い条件かつ純二酸化炭素の蒸気圧以上の条件では、本混合物は気相および液相を有するが、ある温度以下では二酸化炭素が固体となるため、本混合物は臨界点を持たなくなり(上部臨界点)、気液固平衡を経て気相−固相の混合物となる(図5)。そのため、水素精製が可能な温度領域は、二酸化炭素が液化または固化する温度であれば良く、水素の沸点(-252℃)以上、二酸化炭素の臨界温度(32℃)以下であれば良いが、好ましくは三重点(-57℃)以上、二酸化炭素の臨界温度(32℃)以下の範囲であれば、気液相が現れるため分離精製が可能であり、更に好ましくは最高臨界点(上部臨界終点)の温度(-38℃)以上、二酸化炭素の臨界点の臨界温度(32℃)以下であれば、超臨界状態の混合ガスを気液相へと変換し、気液分離し、水素と二酸化炭素を分離することができる。
(Gas-liquid separator temperature)
In addition, the final point of the vapor-liquid equilibrium line of pure carbon dioxide is the critical point of pure carbon dioxide, and the critical point changes as the composition changes as hydrogen is added to the carbon dioxide (critical trajectory). That is, under conditions below the critical point and above the vapor pressure of pure carbon dioxide, the mixture has a gas phase and a liquid phase, but the carbon dioxide becomes a solid below a certain temperature, so the mixture no longer has a critical point. (Upper critical point), it becomes a gas-solid mixture through gas-liquid-solid equilibrium (FIG. 5). Therefore, the temperature range in which hydrogen purification can be performed only needs to be a temperature at which carbon dioxide is liquefied or solidified, and may be a boiling point of hydrogen (−252 ° C.) or higher and a critical temperature of carbon dioxide (32 ° C.) or lower. Preferably, if it is in the range of the triple point (-57 ° C) or higher and the critical temperature of carbon dioxide (32 ° C) or lower, a gas-liquid phase appears, so that separation and purification are possible, and more preferably the highest critical point (upper critical endpoint (upper critical endpoint) ) Temperature (-38 ° C) or higher and the critical temperature of carbon dioxide critical point (32 ° C) or lower, the supercritical gas mixture is converted into a gas-liquid phase, gas-liquid separated, and hydrogen and carbon dioxide Carbon can be separated.

(気液分離器の圧力)
本発明において、気液分離器での水素と二酸化炭素の分離の際の圧力は、高圧混合ガスを発生させた際の高圧状態そのままでも良いが、気液分離が可能な範囲であれば、発生時よりも低い圧力に設定乃至降圧することもできる。本発明における気液分離器の圧力は、常圧(0.1MPa)以上、200MPa以下の範囲であれば、気液分離器で水素を分離精製することが出来るが、更に好適には純二酸化炭素の三重点(-38℃、0.4MPa)の圧力である0.4MPa以上200MPa以下であれば二酸化炭素を液化し、水素をガスとして同時に分離することが可能である。なお、その時の温度は低温から常温近辺(-38℃〜32℃)で、この領域では気液分離が可能であり、水素濃度をより高くすることができる。
(Gas-liquid separator pressure)
In the present invention, the pressure during the separation of hydrogen and carbon dioxide in the gas-liquid separator may be the same as the high-pressure state when the high-pressure mixed gas is generated. It is also possible to set or reduce the pressure to a pressure lower than the time. If the pressure of the gas-liquid separator in the present invention is within the range of normal pressure (0.1 MPa) to 200 MPa, hydrogen can be separated and purified by the gas-liquid separator, but more preferably pure carbon dioxide. Carbon dioxide can be liquefied and hydrogen can be separated at the same time as long as the pressure at the triple point (−38 ° C., 0.4 MPa) is 0.4 MPa or more and 200 MPa or less. The temperature at that time is from low temperature to around room temperature (−38 ° C. to 32 ° C.), and gas-liquid separation is possible in this region, and the hydrogen concentration can be further increased.

次に、実施例および参考例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例などによって何ら限定されるものではない。   Next, the present invention will be specifically described based on examples and reference examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(参考例1)
[高圧混合ガス発生]
26mLのステンレス製耐圧容器にバルブ付き配管と圧力計を装着し、16Mのギ酸20mL(0.32mol)、式(11)に示させる触媒2.5mg(4.0μmol)を入れ、常温常圧(25℃、0.1MPa)で二酸化炭素を流通させ、容器内の空気を置換した。その後バルブを閉め、振盪させながらウォーターバスで80℃に加熱し、脱水素反応を開始し、圧力が一定になるまで反応を行なった。結果、圧力は140MPaまで上昇することが分かり、更にそのガス成分は、水素と二酸化炭素が1:1であることをガスクロマトグラフィーで確認した。更に、水素の分圧は70MPaであるが、更に発生した混合ガスを気液分離することによって、最終的には70MPa程度までの精製した高圧水素を得ることを確認した。また、この際に、水素が主成分のガス相には、一酸化炭素は含まれていないことを確認した。

Figure 2016124730
(Reference Example 1)
[High pressure mixed gas generation]
Attach a pipe with a valve and a pressure gauge to a 26 mL stainless steel pressure vessel, put 20 mL (0.32 mol) of 16M formic acid, 2.5 mg (4.0 μmol) of the catalyst shown in formula (11), and normal temperature and normal pressure (25 ° C, Carbon dioxide was circulated at 0.1 MPa) to replace the air in the container. Thereafter, the valve was closed and heated to 80 ° C. in a water bath while shaking to start the dehydrogenation reaction, and the reaction was continued until the pressure became constant. As a result, it was found that the pressure increased to 140 MPa, and further, it was confirmed by gas chromatography that the gas components were 1: 1 hydrogen and carbon dioxide. Furthermore, although the partial pressure of hydrogen was 70 MPa, it was confirmed that by further gas-liquid separation of the generated mixed gas, purified high-pressure hydrogen up to about 70 MPa was finally obtained. At this time, it was confirmed that carbon monoxide was not contained in the gas phase mainly composed of hydrogen.
Figure 2016124730

(参考例2)
[脱水素反応]
高圧水素ガス製造試験装置を図1に示す。50mLのステンレス製オートクレーブ(図1、(8)高圧反応容器)に、16M(15.8M)のギ酸40mL(6.32mmol)、式(11)に示させる触媒2.6mg(4.1μmol)を入れ、常温常圧(25℃、0.1MPa)で二酸化炭素を流通させ、容器内の空気を置換した。その後、(6)バルブを閉め、マグネチックスターラーで撹拌させながらウォーターバスで80℃に加熱し、脱水素反応を開始させた。(16)、(24)および(26)圧力調整弁の設定圧力を、0.1MPaから40MPaのそれぞれの圧力に設定し、反応開始後、全圧が所定圧力に達してから、高圧のガス成分と発生速度を計測した。まず、(19)SV-7(ストップバルブ)、(20)SV-8(ストップバルブ)を閉じて、(18)SV-6(ストップバルブ)を開放し、(21)気液分離容器(50mL、100MPa、-50〜35℃)を介さない状態で測定した結果、得られるガス成分は、水素と二酸化炭素がほぼ1:1であることを確認した(図2)。さらに、各圧力時における得られたガスの発生速度を常温常圧にもどして測定した。結果を図2に示す。さらにその際、脱水素反応温度80℃とした場合、常圧では1.46L/時間、1MPaの時は1.54L/時間、5MPa時は1.13L/時間、10MPa時は0.84L/時間、30MPa時は、0.23L/時間、40MPaの時は、0.08L/時間と、高圧になるに従い発生するガス速度は遅くなることが判明することがわかった(図3)。
(Reference Example 2)
[Dehydrogenation reaction]
A high-pressure hydrogen gas production test apparatus is shown in FIG. In a 50 mL stainless steel autoclave (Fig. 1, (8) high-pressure reactor), 40 mL (6.32 mmol) of 16M (15.8M) formic acid and 2.6 mg (4.1 μmol) of the catalyst shown in formula (11) are placed at room temperature. Carbon dioxide was circulated at a pressure (25 ° C., 0.1 MPa) to replace the air in the container. Thereafter, (6) the valve was closed, and the mixture was heated to 80 ° C. with a water bath while stirring with a magnetic stirrer to initiate the dehydrogenation reaction. (16), (24) and (26) Set the pressure adjustment valve to a pressure of 0.1 MPa to 40 MPa, and after starting the reaction, when the total pressure reaches the specified pressure, The rate of occurrence was measured. First, close (19) SV-7 (stop valve), (20) SV-8 (stop valve), open (18) SV-6 (stop valve), and (21) gas-liquid separation container (50 mL , 100 MPa, −50 to 35 ° C.) As a result of the measurement, it was confirmed that the obtained gas component was approximately 1: 1 of hydrogen and carbon dioxide (FIG. 2). Further, the gas generation rate obtained at each pressure was returned to normal temperature and pressure. The results are shown in FIG. At that time, if the dehydrogenation reaction temperature is 80 ° C, 1.46 L / hour at normal pressure, 1.54 L / hour at 1 MPa, 1.13 L / hour at 5 MPa, 0.84 L / hour at 10 MPa, 0.84 L / hour at 30 MPa At 0.23 L / hour and 40 MPa, 0.08 L / hour, it was found that the generated gas velocity becomes slower as the pressure increases (FIG. 3).

(実施例1)
[高圧混合ガスの気液分離圧力]
参考例2で、ほぼ1:1の高圧の水素と二酸化炭素が得られること等が判明したことから、後段に(21)気液分離器を接続した場合の水素精製の可否について検討するため、(18)SV-6(ストップバルブ)を閉じて、(20)SV-8(ストップバルブ)、(19)SV-7(ストップバルブ)を開放し、参考例2の装置から得られた高圧混合ガスを(21)気液分離容器(50mL、100MPa、-50〜35℃)へと導いた。次に、高圧混合ガスを、(21)気液分離容器の温度を室温(25℃)で保持しながら、各圧力で気液分離を行い、ガス相の成分をガスクロマトグラフィーにて測定した。その結果、圧力10MPaの時は、水素と二酸化炭素の比がほぼ1:1であったが、20MPaの時は、3:2、30MPaの時のガス成分は、水素と二酸化炭素比が、約3:1(水素75%、二酸化炭素25%)であることを確認した(図4)。いずれの場合も一酸化炭素は含まれておらず、得られるガスは、水素−二酸化炭素系の相図(図5)と一致しており、相当するガスが得られることがわかった。
Example 1
[Gas-liquid separation pressure of high-pressure mixed gas]
In Reference Example 2, it was found that high-pressure hydrogen and carbon dioxide of about 1: 1 were obtained, so in order to examine the feasibility of hydrogen purification when a (21) gas-liquid separator was connected in the latter stage, (18) Close the SV-6 (stop valve), open (20) SV-8 (stop valve), (19) SV-7 (stop valve), and mix the high pressure obtained from the device of Reference Example 2 The gas was led to (21) gas-liquid separation vessel (50 mL, 100 MPa, -50 to 35 ° C.). Next, the high-pressure mixed gas was subjected to gas-liquid separation at each pressure while maintaining the temperature of the gas-liquid separation container at room temperature (25 ° C.), and the components of the gas phase were measured by gas chromatography. As a result, when the pressure was 10 MPa, the ratio of hydrogen to carbon dioxide was approximately 1: 1. However, when the pressure was 20 MPa, the gas component at 3: 2 and 30 MPa had a ratio of hydrogen to carbon dioxide of approximately It was confirmed that the ratio was 3: 1 (75% hydrogen, 25% carbon dioxide) (FIG. 4). In any case, carbon monoxide was not contained, and the obtained gas was consistent with the hydrogen-carbon dioxide phase diagram (FIG. 5), and it was found that the corresponding gas was obtained.

(実施例2)
[高圧混合ガスの気液分離温度]
次に、実施例1と同様の装置において、気液分離する圧力を30MPaで一定にした状態で、(21)気液分離容器の温度を0℃〜30℃の範囲に設定し、それぞれの温度で気液分離を行い、ガス成分を測定した。その結果、温度25℃(臨界温度32℃より下)の時は、10MPaの時は、二酸化炭素に対する水素の比が1.2と僅かに水素濃度が上昇しているのに対して、20MPaでは、1.8と、水素濃度が更に上昇することが分かった(図4)。また、30MPaで水素と二酸化炭素の濃度をそれぞれ測定した結果、臨界温度以上である35℃の時は、二酸化炭素に対する水素の比は、ほぼ1.0で、気液分離器の温度を1℃にすると、1.5となり、水素が59%含まれるガスとなり、更に-15℃にすると、2.24となり、水素が69%含まれる高圧ガスになることが分かり、これからも圧力と温度により水素精製が可能であることを確認した。また、この実施例の場合も一酸化炭素は含まれていなかった。これより、1個の(21)気液分離容器(50mL、〜100MPa、-50℃〜32℃の範囲で調整)の状態を調整することで、脱水素反応により得られた高圧ガスをそのまま水素と二酸化炭素の気液分離し、より精製された水素と精製された液化二酸化炭素に分離することができることが判明した。
(Example 2)
[Gas-liquid separation temperature of high pressure mixed gas]
Next, in the same apparatus as in Example 1, with the pressure for gas-liquid separation kept constant at 30 MPa, (21) the temperature of the gas-liquid separation container was set in the range of 0 ° C to 30 ° C, and each temperature Gas-liquid separation was performed and gas components were measured. As a result, at a temperature of 25 ° C. (below the critical temperature of 32 ° C.), at 10 MPa, the ratio of hydrogen to carbon dioxide is slightly increased to 1.2, whereas at 20 MPa, the hydrogen concentration is slightly increased. It was found that the hydrogen concentration further increased (FIG. 4). As a result of measuring the concentration of hydrogen and carbon dioxide at 30 MPa, when the temperature is 35 ° C, which is higher than the critical temperature, the ratio of hydrogen to carbon dioxide is approximately 1.0, and the gas-liquid separator temperature is 1 ° C. 1.5, a gas containing 59% hydrogen, and further -15 ° C, it was found to be 2.24, a high-pressure gas containing 69% hydrogen, and it is possible to purify hydrogen by pressure and temperature. It was confirmed. Also in this example, carbon monoxide was not contained. From this, by adjusting the state of one (21) gas-liquid separation container (adjusted in the range of 50 mL, ~ 100 MPa, -50 ° C to 32 ° C), the high-pressure gas obtained by the dehydrogenation reaction was directly converted into hydrogen. It was found that the gas and liquid can be separated into more purified hydrogen and purified liquefied carbon dioxide.

(実施例3)
[高圧水素生成速度の調整]
次に、実施例2と同様の装置を用いて、脱水素によって得られる高圧水素の反応温度について検討した(図6)。結果、80℃→90℃→50℃→60℃→70℃→80℃と変化させたところ、50℃以上で10MPa以上の高圧ガスを発生させることが可能であることがわかった。さらに、これらの高圧ガスは、水素と二酸化炭素がほぼ1:1であり、実施例2と同様に、気液分離器の温度を調整することで、相図にもとづき水素と二酸化炭素を分離できることを確認した。
Example 3
[Adjustment of high-pressure hydrogen production rate]
Next, the reaction temperature of high-pressure hydrogen obtained by dehydrogenation was examined using the same apparatus as in Example 2 (FIG. 6). As a result, it was found that when changing from 80 ° C. → 90 ° C. → 50 ° C. → 60 ° C. → 70 ° C. → 80 ° C., high pressure gas of 10 MPa or more can be generated at 50 ° C. or higher. Furthermore, these high-pressure gases are approximately 1: 1 in hydrogen and carbon dioxide, and as in Example 2, hydrogen and carbon dioxide can be separated based on the phase diagram by adjusting the temperature of the gas-liquid separator. It was confirmed.

本発明の高圧水素製造方法および製造システムは、ギ酸を脱水素反応することによって得られる二酸化炭素と水素が100MPa以上の高圧のガスとなり、更に、大きく減圧することなくそのまま気液分離器によって純度の高い高圧の水素を簡便に供給することができる。多くの高圧水素供給システムは、低圧で膜分離を介して水素を精製したのちに圧縮機で圧縮して高圧水素を供給する手法が多いが、当該システムはこれらの機器類や工程を必要としないことから、簡便なシステムが組める上、駆動に必要なエネルギーも少なくて済む。特に、水素貯蔵剤にギ酸を用いたことから、100℃以下の低い温度で駆動することから、将来、水素をエネルギーとしたエネルギーシステムを構築する上で、安全なシステムを構築することができる。また、シンプルな構造故に、小型化も可能であり、大型水素供給システムから、小型供給システムまで幅広いスケールでの対応が容易である。   In the high-pressure hydrogen production method and production system of the present invention, carbon dioxide and hydrogen obtained by dehydrogenating formic acid become a high-pressure gas of 100 MPa or more, and further, the purity of the gas is high by using a gas-liquid separator without greatly reducing the pressure. High pressure and high pressure hydrogen can be supplied easily. Many high-pressure hydrogen supply systems purify hydrogen through membrane separation at low pressure and then compress it with a compressor to supply high-pressure hydrogen, but these systems do not require these equipment and processes. Therefore, a simple system can be assembled and less energy is required for driving. In particular, since formic acid is used as the hydrogen storage agent, it is driven at a low temperature of 100 ° C. or lower, and therefore a safe system can be constructed in the future when building an energy system using hydrogen as energy. In addition, because of its simple structure, it is possible to reduce the size, and it is easy to deal with a wide range of scales from large hydrogen supply systems to small supply systems.

Claims (13)

水素貯蔵剤から触媒を用いた脱水素化反応により全圧が7.3MPa以上の水素と二酸化炭素とを含む高圧混合ガスを生成させ、生成した高圧混合ガスの全圧を0.4MPa以下に下げることなく該高圧混合ガスを相分離して水素濃度の高い高圧ガスを製造する高圧水素ガス製造方法。   Without degrading the total pressure of the generated high-pressure mixed gas to 0.4 MPa or less by generating a high-pressure mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide with a total pressure of 7.3 MPa or more from the hydrogen storage agent using a catalyst. A high-pressure hydrogen gas production method for producing a high-pressure gas having a high hydrogen concentration by phase-separating the high-pressure gas mixture. 水素貯蔵剤が、ギ酸または/およびギ酸塩、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、グリオキサール、グリオキサール酸から選ばれる1種類または2種類以上であることを特徴とする請求項1に記載の高圧水素ガス製造方法。   The high-pressure hydrogen according to claim 1, wherein the hydrogen storage agent is one or more selected from formic acid or / and formate, methanol, ethanol, isopropanol, formaldehyde, acetaldehyde, glyoxal, and glyoxalic acid. Gas production method. 高圧の水素を発生させるための触媒が、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、コバルト、オスミニウム、ニッケル、鉄、パラジウム、白金、金から選ばれる1種類もしくは2種類以上の遷移金属を含む有機金属錯体またはこれら錯体の塩であることを特徴とする請求項2に記載の高圧ガス製造方法。   An organometallic complex containing one or more transition metals selected from iridium, rhodium, ruthenium, cobalt, osmium, nickel, iron, palladium, platinum, and gold, or a complex thereof, for generating high-pressure hydrogen The high-pressure gas production method according to claim 2, wherein 水素貯蔵剤からの脱水素化反応において、下記式(1)で表されるものから選択される触媒を用いることを特徴とする請求項2または3に記載の高圧ガス製造方法。
Figure 2016124730
〔前式(1)において、Mは、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A〜F(A〜Fのうちの1つ〜3つは存在しなくても良い。)は、それぞれ独立に、ハロゲン、リン、窒素、炭素、酸素、硫黄、もしくは水素を配位原子として含む配位子であるか、または、A〜Fのうちの2つは、Mに配位する2座配位子であるか、もしくは、該Mとは別のMを含む4座配位子構造のものであり、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
The high-pressure gas production method according to claim 2 or 3, wherein a catalyst selected from those represented by the following formula (1) is used in the dehydrogenation reaction from the hydrogen storage agent.
Figure 2016124730
[In the above formula (1), M is Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A to F (one to three of A to F are Each may independently be a ligand containing halogen, phosphorus, nitrogen, carbon, oxygen, sulfur, or hydrogen as a coordinating atom, or 2 of A to F. One is a bidentate ligand coordinated to M or a tetradentate ligand structure containing M different from M, and m is a positive integer, 0, or negative Is an integer. ]
水素貯蔵剤からの脱水素化反応において、下記式(2)または式(3)で表されるものから選択される触媒を用いることを特徴とする請求項3または4に記載の高圧ガス製造方法。
Figure 2016124730
〔前式(2)において、Mは、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A〜Bは、それぞれ独立に、窒素、炭素、酸素、もしくは硫黄を配位原子として含む配位子であるか、または、AとBは、Mに配位する2座配位子であり、Lは、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Zは、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
Figure 2016124730
〔前式(3)において、M1〜M2は、それぞれ独立に、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuであり、A1〜A4は、それぞれ独立に、窒素、炭素、酸素、もしくは硫黄を配位原子として含む配位子であるか、または、A1〜A4は、M1とM2に配位する4座配位子であり、L1〜L2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Z1〜Z2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数である。〕
The method for producing a high-pressure gas according to claim 3 or 4, wherein a catalyst selected from those represented by the following formula (2) or formula (3) is used in the dehydrogenation reaction from the hydrogen storage agent. .
Figure 2016124730
[In Formula (2), M is Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A to B are each independently nitrogen, carbon, oxygen, or It is a ligand containing sulfur as a coordinating atom, or A and B are bidentate ligands coordinated to M, and L is an aromatic anion ligand or aromatic coordination When it is a ligand and has a substituent, one or a plurality of the ligands may be present, Z is an arbitrary ligand or does not exist, and m is a positive integer. , 0, or a negative integer. ]
Figure 2016124730
[In Formula (3), M 1 to M 2 are each independently Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt, or Au, and A 1 to A 4 are respectively Independently, it is a ligand containing nitrogen, carbon, oxygen or sulfur as a coordinating atom, or A 1 to A 4 are tetradentate ligands coordinated to M 1 and M 2 , L 1 and L 2 are each independently an aromatic anion ligand or an aromatic ligand, and when having a substituent, one or a plurality of the ligands may be present. , Z 1 -Z 2 are each independently any ligand or absent, and m is a positive integer, 0, or a negative integer. ]
ギ酸または/およびギ酸塩の脱水素化反応に下記式(4)〜(10)で表されるものから選択される触媒を用いることを特徴とする請求項4または5に記載の高圧ガス製造方法。
Figure 2016124730
Figure 2016124730



Figure 2016124730
Figure 2016124730



Figure 2016124730
Figure 2016124730
Figure 2016124730
〔前記式(4)〜(10)において、
式中の5員環および6員環は、芳香族性を有するものであり、また、A1〜A4は、いずれも窒素であるか、またはそれぞれ独立に窒素もしくは炭素であり、X1〜X10は、それぞれ独立に、窒素または炭素であり、R1〜R10は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、フェニル基、ニトロ基、ハロゲン基、スルホン酸基(スルホ基)、アミノ基、カルボン酸基(カルボキシ基)、ヒドロキシ基、オキシアニオン基、またはアルコキシ基(ただし、Xiが窒素である場合、その窒素の位置のRiは存在しない。)であり、L1〜L2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、または芳香族性配位子であり、置換基を有している場合は、前記配位子は1つでも複数でも良く、Z1〜Z2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、mは、正の整数、0、または負の整数であり、M1〜M2は、それぞれ独立に、Ir、Rh、Ru、Co、Os、Ni、Fe、Pd、Pt、またはAuである。〕
6. The high-pressure gas production method according to claim 4, wherein a catalyst selected from those represented by the following formulas (4) to (10) is used for the dehydrogenation reaction of formic acid and / or formate. .
Figure 2016124730
Figure 2016124730



Figure 2016124730
Figure 2016124730



Figure 2016124730
Figure 2016124730
Figure 2016124730
[In the above formulas (4) to (10),
In the formula, the 5-membered ring and the 6-membered ring have aromaticity, and A 1 to A 4 are all nitrogen, or are each independently nitrogen or carbon, and X 1 to X 10 is each independently nitrogen or carbon, and R 1 to R 10 are each independently hydrogen atom, alkyl group, phenyl group, nitro group, halogen group, sulfonic acid group (sulfo group), amino group , A carboxylic acid group (carboxy group), a hydroxy group, an oxyanion group, or an alkoxy group (provided that when X i is nitrogen, there is no R i at the nitrogen position), L 1 to L 2 Are each independently an aromatic anion ligand or an aromatic ligand, and when having a substituent, one or a plurality of the ligands may be used, and Z 1 to Z 2 are each independently either any ligand, or not present, m is a positive integer , 0 or a negative integer,, M 1 ~M 2 are each independently Ir, Rh, Ru, Co, Os, Ni, Fe, Pd, Pt , or Au,. ]
水素貯蔵剤の脱水素化反応を高圧反応容器で行い、高圧混合ガスの相分離を気液分離器で行う請求項1〜6のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。   The method for producing high-pressure hydrogen gas according to any one of claims 1 to 6, wherein a dehydrogenation reaction of the hydrogen storage agent is performed in a high-pressure reaction vessel, and phase separation of the high-pressure mixed gas is performed in a gas-liquid separator. 水素貯蔵剤の脱水素化反応を32〜300℃の反応温度下で行い、高圧混合ガスの相分離を前記反応温度より低い-38〜32℃の相分離温度で行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。   The dehydrogenation reaction of the hydrogen storage agent is performed at a reaction temperature of 32 to 300 ° C, and the phase separation of the high-pressure mixed gas is performed at a phase separation temperature of -38 to 32 ° C lower than the reaction temperature. The high-pressure hydrogen gas production method according to any one of 1 to 7. 相分離温度を0〜32℃、脱水素化反応温度を相分離温度より20〜100℃高い温度とする請求項8に記載の高圧水素ガス製造方法。   The method for producing high-pressure hydrogen gas according to claim 8, wherein the phase separation temperature is 0 to 32 ° C and the dehydrogenation reaction temperature is 20 to 100 ° C higher than the phase separation temperature. 高圧反応容器への水素貯蔵剤の供給を連続的または間欠的に行うことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。   The method for producing high-pressure hydrogen gas according to any one of claims 1 to 9, wherein the hydrogen storage agent is supplied to the high-pressure reaction vessel continuously or intermittently. 内部が常圧の高圧反応容器へ所定量の水素貯蔵剤を供給後、該水素貯蔵剤を加熱して前記高圧混合ガスを生成し、高圧水素ガスの製造停止まで水素貯蔵剤を追加供給することなく水素濃度の高い高圧ガスを製造することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の高圧水素ガス製造方法。   After supplying a predetermined amount of hydrogen storage agent to a high-pressure reaction vessel having an atmospheric pressure inside, the hydrogen storage agent is heated to produce the high-pressure mixed gas, and additional hydrogen storage agent is supplied until production of high-pressure hydrogen gas is stopped. The high-pressure hydrogen gas production method according to any one of claims 1 to 10, wherein a high-pressure gas having a high hydrogen concentration is produced. 水素貯蔵剤の脱水素化反応により全圧が7.3MPa以上の水素と二酸化炭素とを含む高圧混合ガスを生成する高圧反応容器と、水素と二酸化炭素とを含む高圧混合ガスを相分離して水素濃度の高い高圧ガスを生成する気液分離器と、前記高圧反応容器で生成した高圧混合ガスを0.4MPa以上の全圧を保持したまま前記気液分離器に送給する高圧混合ガス送給通路とを備える高圧水素製造装置。   A high-pressure reaction vessel that generates a high-pressure mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide with a total pressure of 7.3 MPa or more by dehydrogenation reaction of the hydrogen storage agent, and a high-pressure mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide are phase-separated into hydrogen. A gas-liquid separator that generates high-concentration high-pressure gas, and a high-pressure mixed gas supply passage that supplies the high-pressure mixed gas generated in the high-pressure reaction vessel to the gas-liquid separator while maintaining a total pressure of 0.4 MPa or more. And a high-pressure hydrogen production apparatus. 前記高圧反応容器は水素貯蔵剤を32〜120℃に加熱する加熱手段を有し、前記気液分離器は高圧混合ガスを-38〜32℃に保持する温度調節手段を有することを特徴とする請求項12に記載の高圧水素製造装置。   The high-pressure reactor has heating means for heating the hydrogen storage agent to 32 to 120 ° C., and the gas-liquid separator has temperature control means for holding the high-pressure mixed gas at −38 to 32 ° C. The high pressure hydrogen production apparatus according to claim 12.
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