JP2003095605A - 水素の製造方法 - Google Patents

水素の製造方法

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功 高原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化水素を比較的穏和な反応条件で分解させ
ることができ、触媒活性が長期間に亘り持続される触媒
を用い、炭化水素の転化率を向上させて高効率で水素を
製造する炭化水素の分解方法を提供する。 【解決手段】 ゼオライトにニッケルを担持させた触媒
の存在下、低級炭化水素に二酸化炭素を添加して熱分解
させる水素の製造方法である。その低級炭化水素として
はメタンを用いることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素の接触熱
分解による水素の製法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より水素はアンモニアやメタノール
の製造原料等として化学工業分野において幅広く利用さ
れてきているが、近年における環境規制の高まりに伴
い、今後はクリーンなエネルギー源として燃料電池等の
分野にも幅広く大量に使用される方向にある。
水素の製
法としては、メタン等の炭化水素を水蒸気改質する方法
や空気により部分酸化する方法等が知られているが、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問題がある。従って、炭化水素
から二酸化炭素の副生を極力抑えて水素を製造できる方
法の開発が望まれている。
【0003】炭化水素から水素を製造する別法として、
メタン等を熱分解させて水素と固体状炭素を製造する方
法がある。この方法には金属酸化物に担持されたニッケ
ル触媒が用いられることが多く、その中でも、シリカ
(Cab-O-Sil)担持触媒は最も高活性で、かつ長寿命で
あることが報告されている〔Chemistry Letters, 1179-
1180 (1999)〕。ところが、この方法では、メタンの分
解により生成するカーボンが触媒上に蓄積し、やがて触
媒活性が低下するという欠点があることから、カーボン
が生成しても長時間活性を保持できる触媒の開発が求め
られている。
【0004】
【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、炭化水素を比較的穏和な反応
条件で分解させることができ、長期間に亘り触媒活性が
持続される触媒を用い、炭化水素の転化率を向上させて
高効率で水素を製造する炭化水素の分解方法を提供する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、炭化水素
の分解による水素の製法について鋭意研究を重ねた結
果、特定の固体酸性担体に担持された触媒を用いると同
時に、反応系に共存ガスを導入して反応させると、長時
間に亘り触媒活性が保持されるとともに水素が高収率で
得られることを見出し、本発明を完成するに至った。す
なわち、本発明によれば、ゼオライトにニッケルを担持
させた触媒の存在下、低級炭化水素に二酸化炭素を添加
して熱分解させることを特徴とする水素の製造方法が提
供される。その際、原料の低級炭化水素としては、メタ
ンを用いることが好ましい。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明は、低級炭化水素原料に二
酸化炭素を共存ガスとして添加し、固体酸性担体である
ゼオライトに活性成分としてニッケルを担持した触媒と
接触させて加熱条件下に反応させ、水素と炭素に分解さ
せるものである。本発明において触媒担体として用いる
ゼオライトは、通常酸性の固体状ゼオライトとして従来
公知の如何なるものも使用可能であるが、具体的にはZ
SM−5型、ベータ型、モルデナイト型、USY型、Y
型、フェリエライト型などが挙げられる。
【0007】また、上記ゼオライト担体に活性成分とし
て担持されるニッケルとしては、ニッケル金属単体及び
ニッケル化合物、ニッケル錯体のいずれも使用可能であ
るが、具体的には、硝酸ニッケル、塩基性炭酸ニッケ
ル、塩化ニッケル、蓚酸ニッケル、ニッケルアセチルア
セトナート、ニッケルカルボニル、シクロペンタジエニ
ルニッケルなどを適宜用いられるが、なかでも、硝酸ニ
ッケルを用いることが好ましい。
【0008】本発明に用いる触媒を調製するには、上記
したニッケル成分を活性物質としてゼオライト担体に担
持させることにより行う。その担持方法としては、定法
が用いられ、含浸法、混練法、沈殿法、物理混合法、イ
ンシピエントウェットネス法などが挙げられる。担体に
対し、活性物質であるニッケルの担持量は1〜100重
量%、好ましくは5〜20重量%である。
【0009】その調製法の1例としては、一晩溶液中で
担持させた後、100℃程度のオーブン中で乾燥させ、
その後、セラミックス等の耐熱性物質からなる焼成管
中、空気を通しながら焼成を行う。空気の流速は、得ら
れる触媒の性能に殆ど影響を及ぼすことがないため、特
に限定されない。その焼成温度としては500〜900
℃、好ましくは500〜600℃、焼成時間としては1
〜10時間、好ましくは3〜5時間である。また、昇温
速度としては100〜500℃/時、好ましくは200
〜250℃/時である。
【0010】このようにして得た触媒0.2gを内径1
2mmの石英などの耐熱性反応管の中央に充填して触媒
層を形成する。この場合、触媒層の下流側に石英ウール
等を充填して反応中に触媒が移動しないように配置する
ことが望ましい。また、析出したカーボンによる反応管
の閉塞を防ぐため、反応管を電気炉内に横向きに装填す
るのが望ましい。
【0011】この分解反応の開始前、触媒の前処理とし
て、予め触媒層に水素を流して触媒の還元処理を行うこ
ともできる。その還元条件には特に制限はないが、水素
流通下に5℃/分の速度で反応の最高温度まで昇温さ
せ、最高温度で2時間還元を行った後、反応を開始させ
ることが望ましい。
【0012】本発明において熱分解の対象として用いる
反応原料としては、メタン、エタン、プロパンなどの単
独或いは2種以上を混合した低級炭化水素であるが、特
にメタンを単独で使用することが好ましい。
【0013】本発明における水素製造には、原料ガスと
して低級炭化水素に二酸化炭素を共存させることが必要
である。 低級炭化水素の熱分解反応系に二酸化炭素を
添加することにより触媒活性を持続させることができ
る。その二酸化炭素の添加量としては、原料ガス中に
0.1〜30容量%、好ましくは1〜20容量%、より
好ましくは3〜10容量%である。また、上記熱分解反
応系には、二酸化炭素の他に、一酸化炭素、酸素のよう
に、反応生成物である炭素と反応性を有するガスを適宜
添加することが好ましい。さらに、原料ガスには、必要
に応じて、不活性ガスが添加される。このようなガスと
しては、窒素、ヘリウム、アルゴンな等が挙げられる。
【0014】本発明における熱分解の反応温度は特に限
定されないが、400〜800℃の範囲、好ましくは5
50〜700℃である。反応温度が高すぎると触媒上へ
の炭素析出が顕著となって十分な量の水素が得られない
状態で触媒の失活が起こり、他方、低すぎると十分な転
化率を達成できない。
【0015】
【実施例】以下、本発明を実施例等によりさらに具体的
に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限
定されるものではない。 実施例1〜6 硝酸ニッケル1.6516gをイオン交換水に溶解さ
せ、この中にUSY型ゼオライト(商品名:HSZ−3
30HUA、東ソ−社製、シリカ/アルミナ比:6.
3、粒径:0.5〜1μm)3gを入れて含浸させ、一
晩放置した。 その後、100℃のオーブン中で乾燥さ
せることにより前駆体を得た。この前駆体をセラミック
ス製の焼成管中、空気を通しながら700℃で3時間の
焼成を行った。これにより、ニッケルを10重量%含む
ニッケル担持ゼオライト触媒を調製した。また、実施例
2〜6については、実施例1に用いたUSY型ゼオライ
ト担体に代えて、実施例2〜4では、順にシリカ/アル
ミナ比が10.4、14.0、360のもの、また実施例
5ではシリカ/アルミナ比が29のZSM−5型ゼオラ
イト、また実施例6ではシリカ/アルミナ比が240の
モルデナイト型ゼオライト担体を用いたこと以外は、全
て実施例1と同様にして、それぞれニッケル担持ゼオラ
イト触媒を調製した。
【0016】次に、得られた触媒0.2gを内径12m
mの石英製反応管の中央に充填した。この場合、触媒層
の下流側のみに石英ウールを充填して反応中に触媒が移
動しないようにした。析出したカーボンによる反応管の
閉塞を防ぐため、反応管を電気炉内に横向きに装填し
た。次に、触媒の前処理として、反応管内に水素ガスを
流しながら5℃/分の速度で反応の最高温度である65
0℃まで昇温し、この温度で2時間の還元を行った後、
反応を開始した。原料ガスにはメタン/二酸化炭素/窒
素の体積比が92.5/5/2.5の混合ガスを用い、
その混合ガスの流速を25cm/分として650℃で
熱分解反応を行った。
【0017】これらの反応における触媒活性の測定は、
650℃における反応において、活性の経時変化を一定
時間の経過後に逐次測定する方法を採用した。すなわ
ち、反応開始後より、30分毎に生成ガスをサンプリン
グし、ガスクロマトグラフを用いてガス組成を分析し
た。なお、メタン転化率(%)は、[(原料メタン)−
(未反応メタン)]×100/(原料メタン)で計算さ
れる。この反応のガス状生成物は、水素と一酸化炭素で
あり、エタン、エチレン、ベンゼン等の炭化水素の生成
は全く認められなかった。反応の初期には、未反応の二
酸化炭素は殆ど認められず、析出炭素によって触媒が失
活するに伴い、未反応の二酸化炭素が認められるように
なった。一方、一酸化炭素は、各段階で生成が認めら
れ、時間の経過につれて一酸化炭素の選択率は向上し
た。
【0018】さらに、反応終了後の触媒表面に析出して
いる炭素の重量を測定した。測定方法は、熱重量分析装
置(マックサイエンス、TG DTA 2000)を用い、空気を
通しながら加熱昇温を行なって、炭素の燃焼に伴う重量
減少を測定することによった。この結果から反応終了後
のサンプル中に占める、触媒や析出炭素の割合を計算
し、触媒中のニッケル担持量から求めたニッケル量と比
較し、ニッケル原子1個に蓄積した炭素原子の個数を計
算した。実施例1〜6におけるメタン転化率の経時変化
は、それぞれ表1に示した。また、熱重量分析による重
量減少及びその結果から求めた炭素/ニッケル比も、そ
れぞれ表1に示した。シリカ/アルミナ比が14.0及
び360のUSY型ゼオライト担体では、メタン転化活
性が8時間以上の長時間にわたって持続され、また、3
60のUSY型ゼオライト担体ではニッケル原子に蓄積
した炭素原子数も多くなった。これに対し、シリカ/ア
ルミナ比が6.3と10.4のUSY型ゼオライト担体及
びZSM−5型ゼオライト担体では、5時間後に失活
し、炭素の蓄積は比較的少なかった。また、モルデナイ
ト型ゼオライト担体では、4時間後に失活し、炭素の蓄
積は更に少なくなった。
【0019】
【表1】
【0020】比較例1〜6 比較例1〜6では、それぞれ実施例1〜6と同じ触媒を
用い、原料ガスに二酸化炭素を添加しないで、メタン/
窒素の体積比が95/5の混合ガスを用いたこと以外
は、同様にして反応を行った。これらの反応で得られた
結果を表2に示す。各実施例と比較例との比較から、原
料ガスに二酸化炭素を添加すると、触媒活性が長時間持
続すること及び炭素の析出量が増えることが判明した。
また、二酸化炭素の添加によって触媒活性が維持される
時間が増加する程度は、どのゼオライト担体においても
ほぼ同程度であった。すなわち、二酸化炭素が存在しな
い状態では他のゼオライト担体より活性寿命の短いゼオ
ライト担体が、二酸化炭素の添加によって他のゼオライ
ト担体より活性寿命が長くなる、という例は殆ど見られ
なかった。
【0021】
【表2】
【0022】実施例7及び比較例7 ここでは、それぞれ実施例3及び比較例3の触媒を用
い、500℃から50℃昇温させる毎に、メタン転化率
の温度変化を測定する方法により、反応ガスの違いによ
る活性の差異を検討した。得られた結果を表3に示す。
両例とも、700℃以上になるとメタンの転化率は低下
するものの、いずれの温度においてもメタンの転化率
は、実施例7が比較例7よりも高く、二酸化炭素の添加
はメタンの転化活性を向上させることが分かった。
【0023】
【表3】
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、炭化水素の接触熱分解
によって水素を製造する際、その反応系に二酸化炭素を
添加することにより、炭化水素の転化率が向上し、触媒
活性を維持しながら、比較的穏和な反応条件で水素を効
率よく製造することが可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高原 功 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 三村 直樹 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 Fターム(参考) 4G040 DA03 DA05 DB01 DC01 4G069 AA03 AA08 BA07A BA07B BC68A BC68B CC04 DA06 EA01Y FA02 FB14

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゼオライトにニッケルを担持させた触媒
    の存在下、低級炭化水素に二酸化炭素を添加して熱分解
    させることを特徴とする水素の製造方法。
  2. 【請求項2】 低級炭化水素が、メタンであることを特
    徴とする請求項1に記載の水素の製造方法。
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WO2020090245A1 (ja) 2018-04-01 2020-05-07 株式会社伊原工業 水素生成装置、固体生成物の分離方法および固体生成物の排出回収システム
WO2021079660A1 (ja) 2019-10-23 2021-04-29 株式会社伊原工業 炭化水素分解用触媒

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