JP2000086201A - Production of hydrogen - Google Patents

Production of hydrogen

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JP2000086201A
JP2000086201A JP11154305A JP15430599A JP2000086201A JP 2000086201 A JP2000086201 A JP 2000086201A JP 11154305 A JP11154305 A JP 11154305A JP 15430599 A JP15430599 A JP 15430599A JP 2000086201 A JP2000086201 A JP 2000086201A
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Japan
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hydrogen
tube
pipe
substance
graphite
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JP11154305A
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Japanese (ja)
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Kazuhisa Murata
和久 村田
Takashi Hayakawa
孝 早川
Kunio Suzuki
邦夫 鈴木
Satoshi Hamakawa
聡 浜川
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method of hydrogen in high yield keeping high catalytic activity by lowering reaction temperature in the production proc ess of hydrogen by catalytic pyrolysis of hydrocarbon using a carbon-based catalyst. SOLUTION: In the production of hydrogen by catalytic pyrolysis of hydrocarbons, a graphite material is used as the catalyst, and a reaction pipe having a double-pipe structure described below is used as the reactor. This pipe consists of an inner pipe and an outer pipe, the wall of the inner pipe having hydrogen permeability and the space between the inner pipe and the outer pipe being filled with the graphite material. Hydrocarbons in a gaseous state are supplied into the outer pipe, brought into contact with the graphite material and decomposed. Hydrogen produced by the decomposition of hydrocarbon is passed into the inner pipe through its wall. Since this method based on low temp. pyrolysis enables to produce hydrogen without CO2 emission from hydrocarbon while keeping the catalytic activity. The method can be applied to a fuel cell to be mounted on a car using hydrogen as the energy source.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素類を熱分
解させて水素を製造する方法に関するものである。
The present invention relates to a method for producing hydrogen by pyrolyzing hydrocarbons.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、水素はアンモニアやメタノー
ルの原料等として化学工業で広く使われており、今後
は、窒素や炭素酸化物を一切排出しないクリーンなエネ
ルギーとして、車載用やビル電源としての燃料電池など
に大量に利用される傾向にある。メタン等の低級炭化水
素から水素を製造する方法としては、水蒸気改質や部分
酸化などが知られているが、これらの方法は、地球温暖
化の原因物質である二酸化炭素を多量に副生するという
欠点がある。そこで、二酸化炭素を副生させないで炭化
水素から水素を製造する方法の開発が望まれている。炭
化水素から二酸化炭素を副生させることなく水素を製造
する方法としては、メタン等を熱分解して水素と固体状
炭素を製造する方法が知られている。これらに含まれる
方法には、1)シリカ等の酸化物上にニッケル等の金属
を担持した触媒を用いる方法、2)特定の炭素質物質を
触媒として用いる方法(特許第2767390号)等が
提案されている。これらの中で、1)の方法では、例え
ば、宮下らはシリカ担持ニッケル触媒を用いてメタンを
分解する方法を発表している〔第72回触媒討論会予稿
集、p.190(1993)〕。しかし、この方法で
は、併産される固体状炭素によるニッケル等の活性金属
の被毒やニッケル金属自体の凝集によって、触媒活性が
低下し易くなり、また寿命も短くなり、使用後焼却する
と再利用し難いニッケル酸化物が残って重金属汚染など
の原因ともなる、などの問題がある。また、2)の炭素
触媒では、耐熱性があり、再賦活による再利用が容易
(析出炭素と同種の炭素であるため)、また使用後焼却
(すべてガス化可能)または粉砕により他用途に再利用
可能、などの長所を有しているものの、ニッケル系触媒
を用いる方法より反応温度が高く、また依然として触媒
の活性低下が起こるという問題がある。そのため、炭素
系触媒による水素製造においては、反応温度の低温化及
び触媒活性の低下防止が強く望まれている。
2. Description of the Related Art Conventionally, hydrogen has been widely used in the chemical industry as a raw material for ammonia and methanol. It tends to be used in large quantities for fuel cells and the like. As methods for producing hydrogen from lower hydrocarbons such as methane, steam reforming and partial oxidation are known, but these methods produce a large amount of carbon dioxide, a substance causing global warming, as a by-product. There is a disadvantage that. Thus, development of a method for producing hydrogen from hydrocarbons without by-producing carbon dioxide has been desired. As a method for producing hydrogen without by-producing carbon dioxide from hydrocarbons, there is known a method for producing hydrogen and solid carbon by thermally decomposing methane or the like. Among these methods, 1) a method of using a catalyst in which a metal such as nickel is supported on an oxide of silica or the like, and 2) a method of using a specific carbonaceous substance as a catalyst (Japanese Patent No. 2767390) is proposed. Have been. Among them, in the method 1), for example, Miyashita et al. Have disclosed a method of decomposing methane using a silica-supported nickel catalyst [72th Catalyst Symposium Proceedings, p. 190 (1993)]. However, in this method, the poisoning of active metals such as nickel by co-produced solid carbon and the aggregation of the nickel metal itself tend to lower the catalytic activity, shorten the service life, and recycle when incinerated after use. There is a problem in that nickel oxide that remains difficult to remain remains and causes heavy metal contamination. In addition, the carbon catalyst of 2) has heat resistance, is easy to reuse by reactivation (because it is the same type of carbon as deposited carbon), and is incinerated after use (all can be gasified) or pulverized for other uses. Although it has advantages such as being usable, there is a problem that the reaction temperature is higher than the method using a nickel-based catalyst, and the activity of the catalyst is still reduced. Therefore, in hydrogen production using a carbon-based catalyst, there is a strong demand for lowering the reaction temperature and preventing the catalyst activity from lowering.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
における上記した実状に鑑みてなされたものである。す
なわち、本発明の目的は、炭素系触媒を用いる炭化水素
の接触熱分解で水素を製造する際に、低温反応により高
い触媒活性を保持させて高収率で水素を製造する方法を
提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above situation in the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a method for producing hydrogen in a high yield while maintaining high catalytic activity by a low-temperature reaction when producing hydrogen by catalytic pyrolysis of a hydrocarbon using a carbon-based catalyst. It is in.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。すなわち、本発明によれば、炭化水素の接触
熱分解による水素の製造方法において、触媒としてグラ
ファイト状物質を用い、反応器として、内管と外管とか
らなり、該内管の管壁が水素透過性管壁に形成され、か
つ、その内管と外管との間の空間部にグラファイト状物
質が充填された2重管構造の反応管を用い、その外管内
に炭化水素をガス状で供給して該グラファイト状物質と
接触させて分解させるとともに、該炭化水素の分解によ
り生じた水素を該内管の管壁を通して内管内に移行させ
ることを特徴とする水素の製造方法が提供される。ま
た、本発明によれば、炭化水素の接触熱分解による水素
の製造方法において、触媒としてグラファイト状物質を
用い、反応器として、内管と外管とからなり、該内管の
管壁が水素透過性管壁に形成され、かつ、その内管内に
グラファイト状物質が充填された2重管構造の反応管を
用い、その内管に炭化水素をガス状で供給して該グラフ
ァイト状物質と接触させて分解させるとともに、該炭化
水素の分解により生じた水素を該内管の管壁を通して外
管内に移行させることを特徴とする水素の製造方法が提
供される。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, have completed the present invention. That is, according to the present invention, in a method for producing hydrogen by catalytic pyrolysis of a hydrocarbon, a graphite-like substance is used as a catalyst, and an inner tube and an outer tube are used as a reactor, and the tube wall of the inner tube is hydrogen A double-walled reaction tube formed on the permeable tube wall and filled with a graphite-like substance in the space between the inner tube and the outer tube is used. A method for producing hydrogen, wherein the hydrogen is supplied to contact the graphite-like substance to be decomposed, and hydrogen generated by the decomposition of the hydrocarbon is transferred into the inner pipe through the pipe wall of the inner pipe. . Further, according to the present invention, in a method for producing hydrogen by catalytic pyrolysis of a hydrocarbon, a graphite-like substance is used as a catalyst, and an inner tube and an outer tube are used as a reactor. Using a double-walled reaction tube formed on the permeable tube wall and filled with a graphite-like substance in its inner tube, supplying hydrocarbon to the inner tube in a gaseous state and contacting the graphite-like material And a method for producing hydrogen, wherein hydrogen generated by the decomposition of the hydrocarbon is transferred into the outer tube through the inner wall of the inner tube.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】本発明において、炭化水素の接触
熱分解による水素製造時の触媒としては、グラファイト
状物質が使用される。本発明における水素の製造法に用
いるグラファイト状物質としては、天然のもの及び人工
的に合成されたもののいずれも使用可能であり、その形
状は如何なるものでもよく、また、その原材料や製造法
には何ら制限されない。なかでも、グラファイト状物質
の結晶構造としては、特に面間隔(d)が、0.345nm以
下であるものが好ましく、例えば、商品名:Carbon Gra
phite Powder(面間隔d=0.338nm),ジョンソンマッ
セイ社製、商品名:CarbonPowder(面間隔d=0.337n
m),ストレムケミカル社製等が挙げられる。ここで、
面間隔(d)は、以下の式で定義されるものである。 d= λ/2sinθ 式中、λは、X線の波長である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, a graphite-like substance is used as a catalyst for producing hydrogen by catalytic pyrolysis of hydrocarbons. As the graphite-like substance used in the method for producing hydrogen in the present invention, any of natural substances and artificially synthesized substances can be used, and any shape may be used. There is no restriction. Among them, the crystal structure of the graphite-like substance is particularly preferably one having a plane spacing (d) of 0.345 nm or less.
phite Powder (plane spacing d = 0.338 nm), manufactured by Johnson Matthey, trade name: CarbonPowder (plane spacing d = 0.337n)
m), manufactured by Strem Chemical Co., and the like. here,
The surface distance (d) is defined by the following equation. d = λ / 2 sin θ In the formula, λ is the wavelength of the X-ray.

【0006】本発明で触媒に用いるグラファイト状物質
は、耐熱性物質との混合物の形態で用いることが好まし
い。その耐熱性物質としては、多孔性のもの及び非多孔
性のものが使用可能であるが、好ましくは非多孔性物質
が用いられる。このような耐熱性物質の具体例として
は、石英砂、溶融シリカ、溶融アルミナ、窒化ホウ素等
が例示される。耐熱性物質は、触媒として用いるグラフ
ァイト状物質よりも通常大きな粒径の粒子状で用いられ
るが、その平均粒径は、一般的には、1〜5000μ
m、好ましくは50〜1000μmである。耐熱性物質
の使用割合は、グラファイト状物質と耐熱性物質との混
合物に対して、0.1〜99重量%、好ましくは10〜
90重量%である。グラファイト状物質を耐熱性物質と
の混合物の形で触媒として用いるときには、次のような
効果が期待される。 (1)炭化水素ガスを触媒層に通す場合にグラファイト
状物質の飛散が防止される。 (2)触媒層の目詰りを防止することができる。 (3)熱を効率良くグラファイト状物質へ伝導すること
ができる。
The graphite-like substance used for the catalyst in the present invention is preferably used in the form of a mixture with a heat-resistant substance. As the heat-resistant substance, a porous substance and a non-porous substance can be used, but a non-porous substance is preferably used. Specific examples of such a heat-resistant substance include quartz sand, fused silica, fused alumina, boron nitride, and the like. The heat-resistant substance is usually used in the form of particles having a particle size larger than that of the graphite-like substance used as a catalyst.
m, preferably 50 to 1000 μm. The proportion of the heat-resistant substance used is 0.1 to 99% by weight, preferably 10 to 99% by weight, based on the mixture of the graphite-like substance and the heat-resistant substance.
90% by weight. When a graphite-like substance is used as a catalyst in the form of a mixture with a heat-resistant substance, the following effects are expected. (1) When the hydrocarbon gas is passed through the catalyst layer, scattering of the graphite-like substance is prevented. (2) Clogging of the catalyst layer can be prevented. (3) Heat can be efficiently conducted to the graphite-like substance.

【0007】次に、本発明について図面を参照して説明
する。図1は、本発明の水素の製造方法に用いる2重管
構造の反応管の1例を示す模式図である。図1におい
て、1は内管、2は外管、3はガス供給管、4はガス排
出管を示す。内管1の管壁は、水素透過性管壁として形
成されており、外管2内に存在する水素は、その内管1
の管壁を透過して内管1内に移行する。前記水素透過性
管壁は、水素ガスを選択的に透過させる管壁であり、水
素透過性材料によって形成される。この場合の水素透過
性材料としては、従来公知の各種のものがあり、このよ
うなものとしては、例えば、合金そのもの(Pd、Pd
/Ag合金、Pd/Cu合金、Pd/Pt合金、Pd/
V合金、Fe/Ti合金等)、無機質又は金属質の多孔
質体からなる管体の表面に水素透過性金属膜(Pd、P
d/Ag合金、Pd/Cu合金、Pd/Pt合金、Pd
/V合金、Fe/Ti合金から形成した金属膜)を形成
したもの、セラミックス多孔体からなる管体の表面に、
無電解めっき等でPdやPd/Agの薄膜を形成したも
の等が挙げられる。
Next, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing one example of a reaction tube having a double tube structure used in the method for producing hydrogen of the present invention. In FIG. 1, 1 is an inner pipe, 2 is an outer pipe, 3 is a gas supply pipe, and 4 is a gas discharge pipe. The tube wall of the inner tube 1 is formed as a hydrogen-permeable tube wall, and hydrogen existing in the outer tube 2
Through the inner wall of the inner tube 1. The hydrogen permeable tube wall is a tube wall through which hydrogen gas is selectively transmitted, and is formed of a hydrogen permeable material. As the hydrogen permeable material in this case, there are various conventionally known materials, such as the alloy itself (Pd, Pd
/ Ag alloy, Pd / Cu alloy, Pd / Pt alloy, Pd /
V alloy, Fe / Ti alloy, etc.) and a hydrogen-permeable metal film (Pd, P
d / Ag alloy, Pd / Cu alloy, Pd / Pt alloy, Pd
/ V alloy, metal film formed from Fe / Ti alloy), and the surface of a tubular body made of a ceramic porous body,
Examples thereof include those in which a thin film of Pd or Pd / Ag is formed by electroless plating or the like.

【0008】図1に示した反応管においては、触媒とし
てのグラファイト状物質は、内管1の外周面と外管2の
内周面との間の環状空間部に充填して触媒層を形成させ
る。次に、図1に示した反応管を用いて水素を製造する
には、内管1内にスウィープガス(水素ガスや窒素ガス
等)を流通させるとともに、反応ガスとしてガス状の炭
化水素をガス供給管3を介して外管2内に導入する。こ
の炭化水素ガスは、触媒層を通過することによりグラフ
ァイト状物質と接触して水素に分解される。この炭化水
素ガスの分解反応で生成した水素は、水素透過性を有す
る内管1の管壁を通して内管1内に透過し、スウィープ
ガスとともに排出され、回収される。一方、水素以外の
物質は、ガス排出管4を介して排出される。そのため、
生成した水素と炭素が再度触媒上で反応することがない
ので、メタン等の炭化水素の副生を抑制することができ
る。これを通常の固定床流通式反応器で行うと、水素と
炭素の反応が起こるため、メタン等の副生が著しく多く
なる。
In the reaction tube shown in FIG. 1, a graphite-like substance as a catalyst is filled in an annular space between the outer peripheral surface of the inner tube 1 and the inner peripheral surface of the outer tube 2 to form a catalyst layer. Let it. Next, in order to produce hydrogen using the reaction tube shown in FIG. 1, a sweep gas (hydrogen gas, nitrogen gas, or the like) is allowed to flow through the inner tube 1 and gaseous hydrocarbon is reacted as a reaction gas. It is introduced into the outer tube 2 via the supply tube 3. This hydrocarbon gas is decomposed into hydrogen by passing through the catalyst layer and contacting the graphite-like substance. Hydrogen generated by the decomposition reaction of the hydrocarbon gas permeates into the inner pipe 1 through the pipe wall of the inner pipe 1 having hydrogen permeability, and is discharged and recovered together with the sweep gas. On the other hand, substances other than hydrogen are discharged through the gas discharge pipe 4. for that reason,
Since generated hydrogen and carbon do not react again on the catalyst, by-products of hydrocarbons such as methane can be suppressed. When the reaction is carried out in a usual fixed bed flow reactor, a reaction between hydrogen and carbon occurs, so that by-products such as methane significantly increase.

【0009】前記のようにして炭化水素の接触分解反応
を行う場合、炭化水素の分解により生じる炭素は、初め
に触媒として用いたグラファイト状物質に捕捉される。
また、この生成した炭素も類似のグラファイト状炭素で
あるため、触媒として有効に作用する。したがって、本
発明では、分解反応が進行しても触媒の活性低下は起こ
らない。ところが、そのグラファイト状物質に代えて活
性炭等の炭素を触媒として反応を進行させると、活性炭
素上に異なる構造のグラファイト状炭素が蓄積するため
に、むしろ活性炭の触媒作用が阻害されて、次第に触媒
活性が低下することになる。
When the catalytic cracking reaction of hydrocarbons is performed as described above, carbon generated by the decomposition of hydrocarbons is captured by the graphite-like substance used as a catalyst first.
In addition, since the generated carbon is a similar graphite-like carbon, it effectively acts as a catalyst. Therefore, in the present invention, the activity of the catalyst does not decrease even if the decomposition reaction proceeds. However, if the reaction proceeds using carbon such as activated carbon as a catalyst instead of the graphite-like substance, graphite-like carbon having a different structure accumulates on the activated carbon. Activity will be reduced.

【0010】炭化水素の分解により生成した水素は、外
管2から内管1内に透過し、反応系からは連続的に除去
される。その結果、炭化水素の分解反応の平衡は、生成
物側に大きく傾くことから、炭化水素分解反応は円滑に
促進され、その反応温度は著しく低められたものとな
る。
[0010] Hydrogen generated by the decomposition of hydrocarbons permeates from the outer tube 2 into the inner tube 1 and is continuously removed from the reaction system. As a result, the equilibrium of the hydrocarbon decomposition reaction is greatly inclined to the product side, so that the hydrocarbon decomposition reaction is smoothly promoted, and the reaction temperature is remarkably lowered.

【0011】本発明の水素製造法に用いる2重管構造の
反応管の他の1例の模式図を、図2に示す。この反応管
においては、スウィープガスは、スウィープガス供給管
5を介して内管1の底部まで導入され、ここから内管1
内に放出されて内管1内を上昇し、スウィープガス排出
管6を介して排出される。
FIG. 2 is a schematic view showing another example of a double-tube reactor used in the hydrogen production method of the present invention. In this reaction tube, the sweep gas is introduced through the sweep gas supply pipe 5 to the bottom of the inner pipe 1, from which the inner pipe 1
, Rises in the inner pipe 1 and is discharged through the sweep gas discharge pipe 6.

【0012】前記の方法においては、内管1内には、ス
ウィープガスを供給したが、このようなスウィープガス
の使用は必ずしも必要ではなく、内管1内を真空条件、
例えば、10トール以下、好ましくは0.5トール以下
に保持してもよい。これによって、外管2内に存在する
水素の内管内への透過を大幅に促進させることができ
る。
In the above-described method, the sweep gas is supplied into the inner tube 1. However, the use of such a sweep gas is not always necessary.
For example, the pressure may be maintained at 10 Torr or less, preferably 0.5 Torr or less. Thereby, permeation of hydrogen present in the outer tube 2 into the inner tube can be greatly promoted.

【0013】触媒としてのグラファイト状物質は、図1
及び図2に示すように、内管1と外管2との間の空間部
に必ずしも充填する必要はなく、内管1内に充填し、ス
ウィープガスを外管内を流通させるとともに、原料炭化
水素をその内管内に供給し、グラファイト状物質と接触
させて分解することができる。この場合には、炭化水素
の分解により生成した水素は、内管1の管壁を通して外
管2内に移行し、その外管に供給されているスウィープ
ガスとともに外管2から排出される。前記の方法におい
ては、外管2内には、スウィープガスを供給したが、こ
のようなスウィープガスの使用は必ずしも必要ではな
く、外管2内を真空条件、例えば、10トール以下、好
ましくは0.5トール以下に保持してもよい。これによ
って、内管1内に存在する水素の外管2内への透過を大
幅に促進させることができる。
The graphite-like substance as a catalyst is shown in FIG.
As shown in FIG. 2 and FIG. 2, it is not always necessary to fill the space between the inner pipe 1 and the outer pipe 2; Can be supplied into the inner tube and brought into contact with the graphite-like substance to be decomposed. In this case, hydrogen generated by the decomposition of the hydrocarbon moves into the outer pipe 2 through the pipe wall of the inner pipe 1 and is discharged from the outer pipe 2 together with the sweep gas supplied to the outer pipe. In the above method, the sweep gas was supplied into the outer tube 2; however, the use of such a sweep gas is not always necessary, and the inside of the outer tube 2 is kept under vacuum conditions, for example, 10 torr or less, preferably 0 to 0. It may be kept below 0.5 torr. Thereby, permeation of hydrogen present in the inner tube 1 into the outer tube 2 can be greatly promoted.

【0014】本発明において水素の製造原料として使用
する炭化水素類は、水素/炭素比の大きい常温で気体状
又は液体状の炭化水素が好ましい。具体的には、メタ
ン、エタン、エチレン、プロパン等の脂肪族炭化水素;
シクロヘキサン、シクロペンタン等の脂環式炭化水素;
ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素が好
ましい。また、ガソリン、軽油、灯油などの液体状混合
物や、パラフィン、ワックス等の常温固体状炭化水素を
使用することもできる。常温で液体状又は固体状の炭化
水素は、加熱してガス状物に変換させた後、反応器に供
給すればよい。そして、これらの炭化水素は、単独でも
2種以上混合して使用しても良い。この熱分解反応時に
は、反応系に水や二酸化炭素等を共存させても良い。そ
の共存量は、原料炭化水素中に含まれる炭素1モルに対
し0.01〜100モル、好ましくは0.1〜50モル
の割合である。反応系にHOやCOを供給するに
は、連続的又は間欠的に行うことができる。
The hydrocarbons used as a raw material for producing hydrogen in the present invention are preferably gaseous or liquid hydrocarbons having a large hydrogen / carbon ratio at room temperature. Specifically, aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, ethylene, and propane;
Alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane and cyclopentane;
Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene are preferred. In addition, a liquid mixture such as gasoline, light oil, and kerosene, and a normal-temperature solid hydrocarbon such as paraffin and wax can also be used. The liquid or solid hydrocarbon at room temperature may be heated and converted into a gaseous substance, and then supplied to the reactor. These hydrocarbons may be used alone or in combination of two or more. At the time of this thermal decomposition reaction, water, carbon dioxide, and the like may coexist in the reaction system. The coexistence amount is 0.01 to 100 mol, preferably 0.1 to 50 mol, per 1 mol of carbon contained in the starting hydrocarbon. The supply of H 2 O or CO 2 to the reaction system can be performed continuously or intermittently.

【0015】炭化水素類は、熱分解を熱力学的により有
利に行うために、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性
ガスで希釈して用いることが好ましく、反応ガス中の炭
化水素濃度は0.1〜50容量%、好ましくは0.8〜
10容量%の範囲である。また、反応温度は、室温以上
であり、好ましくは100℃以上、より好ましくは30
0℃以上の温度であって、その上限は1500℃程度で
ある。一般的には、100〜1,500℃、好ましくは
300〜1,000℃、より好ましくは500〜800
℃の温度が採用される。触媒表面と炭化水素ガスとの接
触時間は0.01〜1000秒、好ましくは0.1〜5
0秒である。反応系内の酸素濃度は0.1容量%以下、
好ましくは0%である。スウィープガスとしては、アル
ゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガスが通常用いられ、
スウィープガスの流速としては、反応ガスの流速の1〜
1000倍、好まし<は10〜200倍である。
The hydrocarbons are preferably used after being diluted with an inert gas such as argon, nitrogen, helium or the like in order to perform the thermal decomposition more advantageously thermodynamically. 1 to 50% by volume, preferably 0.8 to
The range is 10% by volume. The reaction temperature is at least room temperature, preferably at least 100 ° C., more preferably at least 30 ° C.
The temperature is 0 ° C. or more, and the upper limit is about 1500 ° C. Generally, 100 to 1,500 ° C, preferably 300 to 1,000 ° C, more preferably 500 to 800 ° C.
A temperature of ° C is employed. The contact time between the catalyst surface and the hydrocarbon gas is 0.01 to 1000 seconds, preferably 0.1 to 5 seconds.
0 seconds. The oxygen concentration in the reaction system is 0.1% by volume or less,
Preferably it is 0%. As the sweep gas, an inert gas such as argon, nitrogen, and helium is usually used.
The flow rate of the sweep gas is 1 to 1 of the flow rate of the reaction gas.
1000 times, preferably <10 to 200 times.

【0016】本発明の2重管構造の反応器とグラファイ
ト状物質触媒とを併用する方法は、活性炭触媒などを通
常の固定床流通式反応器に用いる従来法と比べて、生成
する水素を順次反応系から流出させて化学平衡を生成物
側にずらすことにより炭化水素類を低温化した反応条件
下で熱分解させることができるとともに、生成したグラ
ファイト状炭素も触媒として作用することから触媒の活
性低下が起こらない、という利点があり、炭化水素類の
熱分解による水素の製造法として極めて優れた方法であ
る。
The method of using the double-tube reactor and the graphite-like substance catalyst of the present invention in combination uses the activated carbon catalyst or the like in a conventional fixed-bed flow type reactor in comparison with the conventional method in which the generated hydrogen is used successively. By shifting the chemical equilibrium to the product side by flowing out of the reaction system, hydrocarbons can be thermally decomposed under the reaction conditions at low temperature, and the produced graphite-like carbon also acts as a catalyst, so the activity of the catalyst This method has the advantage that no reduction occurs, and is an extremely excellent method for producing hydrogen by pyrolysis of hydrocarbons.

【0017】[0017]

【実施例】次に、本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるもの
ではない。 実施例1 粒径1〜10μmに粉砕した市販グラファイト(ジョン
ソンマッセイ社製:商品名 Carbon Graph
ite Powder、面間隔d=0.338nm)2g
と、粒径100〜1000μmの石英砂10gを良く混
合し、これを外径10mm(内径9.5mm)の90w
t%Pd/10wt%Agの合金からなる内管と、内径
19.5mmの石英製の外管とからなる2重管式反応管
の間に充填して触媒層とした。その際、触媒層両端に石
英綿を充填して反応中に触媒が移動しないようにした。
この2重管式反応管を電気炉内に装填し、エタンと窒素
の混合ガス(エタン/窒素=2/98(容量比))を、
20cm/分の速度で通しながら、反応管を6℃/分
の速度で650℃(923K)まで昇温させて反応を開
始した。なお、スウィープガス(流速1700cm
分)としては、アルゴンを用いて反応ガスと同じ方向に
流した。前記の流速で混合ガスを通し、650℃(92
3K)に達した後、所定時間毎に生成ガスをサンプリン
グしてガスクロマトグラフでガス組成を分析したとこ
ろ、反応開始直後ではエタン転化率は約35%程度であ
り、2時間程度まではその転化率は若干低下したが、グ
ラファイト状炭素の蓄積とともに触媒活性が増加し、8
時間後にはエタンの転化率は約70%に達した(図3の
線1参照)。他方、有機状生成物(メタン、エタン、エ
チレン、ベンゼン等)の収率は、反応開始2時間後の2
0%程度から、6時間経過以降は5%以下程度にまで減
少し(図3の線2参照)、またこれに対応して、全生成
水素と生成炭素の量比は、化学量論式のとおりの約1.
5であった(全生成水素と生成炭素の量比を、図3の挿
入図として示す。)。
EXAMPLES Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. Example 1 Commercial graphite pulverized to a particle size of 1 to 10 μm (manufactured by Johnson Matthey; trade name: Carbon Graph)
item Powder, spacing d = 0.338 nm) 2 g
And 10 g of quartz sand having a particle size of 100 to 1000 μm are mixed well, and the mixture is mixed with a 90 w
The catalyst layer was filled between a double tube type reaction tube consisting of an inner tube made of an alloy of t% Pd / 10 wt% Ag and an outer tube made of quartz having an inner diameter of 19.5 mm. At that time, both ends of the catalyst layer were filled with quartz wool to prevent the catalyst from moving during the reaction.
This double tube type reaction tube is charged into an electric furnace, and a mixed gas of ethane and nitrogen (ethane / nitrogen = 2/98 (volume ratio)) is
The reaction tube was heated to 650 ° C. (923 K) at a rate of 6 ° C./min while passing at a rate of 20 cm 3 / min to start the reaction. In addition, sweep gas (flow rate 1700 cm 3 /
(Minute), argon was used to flow in the same direction as the reaction gas. At 650 ° C. (92
After reaching 3K), the product gas was sampled at predetermined time intervals and the gas composition was analyzed by gas chromatography. The ethane conversion was about 35% immediately after the start of the reaction, and the conversion was up to about 2 hours. Decreased slightly, but the catalytic activity increased with the accumulation of graphite-like carbon, and 8
After time, the conversion of ethane reached about 70% (see line 1 in FIG. 3). On the other hand, the yield of organic products (methane, ethane, ethylene, benzene, etc.) is 2 hours after the start of the reaction.
From about 0% to about 5% or less after 6 hours (see line 2 in FIG. 3), and correspondingly, the ratio of the total amount of generated hydrogen to the generated carbon is represented by the stoichiometric formula. About 1.
5 (the ratio of the total amount of generated hydrogen to the generated carbon is shown as an inset in FIG. 3).

【0018】なお、前記エタンの転化率(%)及び有機
状生成物の収率(%)は、以下の式で示される。 エタンの転化率(%) = (A−B)/A×100 A:原料エタンのモル数 B:未反応エタンのモル数 有機状生成物の収率(%)=(有機状生成物の全モル
数)/原料エタンのモル数×100 上記式中、有機状生成物の全モル数=(メタン+(エタ
ン+エチレン)×2+(プロパン+プロピレン)×3+
ベンゼン×6)
The conversion (%) of the ethane and the yield (%) of the organic product are represented by the following formulas. Ethane conversion (%) = (AB) / A × 100 A: Number of moles of starting ethane B: Number of moles of unreacted ethane Yield of organic product (%) = (total of organic product) (Mol number) / mol number of raw material ethane × 100 In the above formula, total mol number of organic product = (methane + (ethane + ethylene) × 2 + (propane + propylene) × 3 +
Benzene x 6)

【0019】比較例1 実施例1に用いたグラファイトに代えて、市販の活性炭
(アルドリッチ社製:商品名AC Darco KB−
B)を用いるとともに、2重管式反応管に代えて固定床
反応管を用いたこと以外は、実施例と同様にして熱分解
反応させたところ、5時間の反応で触媒活性は次第に低
下した(図4の線1参照)。また、有機状生成物は、約
40%弱で一定であり、実施例1における定常活性の場
合の8倍以上になり(図4の線2参照)、水素/炭素比
の傾向も実施例1の場合とは大きく異なっていた。
Comparative Example 1 A commercial activated carbon (manufactured by Aldrich, trade name: AC Darco KB-) was used in place of the graphite used in Example 1.
A thermal decomposition reaction was carried out in the same manner as in Example except that B) was used and a fixed bed reaction tube was used instead of the double tube reaction tube, and the catalytic activity gradually decreased in a reaction for 5 hours. (See line 1 in FIG. 4). In addition, the amount of the organic product was constant at a little less than about 40%, which was 8 times or more that of the steady-state activity in Example 1 (see line 2 in FIG. 4). It was very different.

【0020】[0020]

【発明の効果】本発明によれば、グラファイト状物質が
有する触媒としての利点(耐熱性があり、再賦活による
再利用が容易、また使用後焼却または粉砕により他用途
に再利用可能など)を最大限に生かしつつ、2重管式反
応管と併用することにより、従来法より炭化水素類の熱
分解反応を、低温において触媒活性を低下させることな
く行うことができるので、次世代型の水素製造法として
好適である。また、本発明は、小型の装置で炭化水素類
から二酸化炭素を排出させずに低温における熱分解で触
媒活性を保持して水素を製造できるから、水素をエネル
ギー源とする車載型燃料電池などに応用可能である。
According to the present invention, the advantages of the graphite-like substance as a catalyst (such as heat resistance, easy reuse by reactivation, and reusability for other uses by incineration or pulverization after use) are obtained. By utilizing it in combination with a double-tube reactor while maximizing its utilization, it is possible to carry out the thermal decomposition reaction of hydrocarbons at a lower temperature without lowering the catalytic activity compared to the conventional method. It is suitable as a production method. Further, the present invention can produce hydrogen while maintaining catalytic activity by pyrolysis at a low temperature without emitting carbon dioxide from hydrocarbons in a small-sized device. Applicable.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に用いる2重構造の反応管の1例を示す
模式図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a double-structure reaction tube used in the present invention.

【図2】本発明に用いる2重管構造の反応管の他の1例
を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic view showing another example of a reaction tube having a double tube structure used in the present invention.

【図3】実施例1で得られた反応結果を示すグラフであ
る。
FIG. 3 is a graph showing a reaction result obtained in Example 1.

【図4】比較例1で得られた反応結果を示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing the reaction results obtained in Comparative Example 1.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 内管 2 外管 3 ガス供給管 4 ガス排出管 5 スウィープガス供給管 6 スウィープガス排出管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner pipe 2 Outer pipe 3 Gas supply pipe 4 Gas discharge pipe 5 Sweep gas supply pipe 6 Sweep gas discharge pipe

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 邦夫 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 浜川 聡 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内(72) Inventor Kunio Suzuki 1-1-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref., National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (72) Inventor Satoshi Hamakawa 1-1-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref. In the laboratory

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭化水素の接触熱分解による水素の製造
方法において、触媒としてグラファイト状物質を用い、
反応器として、内管と外管とからなり、該内管の管壁が
水素透過性管壁に形成され、かつ、その内管と外管との
間の空間部にグラファイト状物質が充填された2重管構
造の反応管を用い、その外管内に炭化水素をガス状で供
給して該グラファイト状物質と接触させて分解させると
ともに、該炭化水素の分解により生じた水素を該内管の
管壁を通して内管内に移行させることを特徴とする水素
の製造方法。
1. A method for producing hydrogen by catalytic pyrolysis of a hydrocarbon, wherein a graphite-like substance is used as a catalyst,
The reactor consists of an inner tube and an outer tube, and the tube wall of the inner tube is formed on the hydrogen permeable tube wall, and the space between the inner tube and the outer tube is filled with a graphite-like substance. Using a reaction tube having a double-tube structure, hydrocarbon is supplied in gaseous form to the outer tube of the reaction tube, and is brought into contact with the graphite-like substance to be decomposed. A method for producing hydrogen, wherein the method is transferred to an inner tube through a tube wall.
【請求項2】 炭化水素の接触熱分解による水素の製造
方法において、触媒としてグラファイト状物質を用い、
反応器として、内管と外管とからなり、該内管の管壁が
水素透過性管壁に形成され、かつ、その内管内にグラフ
ァイト状物質が充填された2重管構造の反応管を用い、
その内管に炭化水素をガス状で供給して該グラファイト
状物質と接触させて分解させるとともに、該炭化水素の
分解により生じた水素を該内管の管壁を通して外管内に
移行させることを特徴とする水素の製造方法。
2. A method for producing hydrogen by catalytic pyrolysis of a hydrocarbon, wherein a graphite-like substance is used as a catalyst,
As a reactor, a reaction tube having a double tube structure comprising an inner tube and an outer tube, wherein the tube wall of the inner tube is formed on a hydrogen permeable tube wall, and the inner tube is filled with a graphite-like substance. Use
Hydrocarbon is supplied to the inner tube in a gaseous state and is brought into contact with the graphite-like substance to be decomposed, and hydrogen generated by the decomposition of the hydrocarbon is transferred into the outer tube through the tube wall of the inner tube. Method for producing hydrogen.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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