JP2005289796A - 水素製造方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水素製造方法は、不活性ガス雰囲気下および加熱条件下で炭素含有物とアルカリとの反応を行い水素を生成することを特徴とする。また、水素製造装置は、炭素含有物とアルカリとが収容され、不活性ガスで充填された反応容器と、この反応容器を加熱する加熱器と、この反応容器に水蒸気を導入する配管と、この反応容器内で生成した水素を排出するための配管とを含むことを特徴とする。前記の炭素含有物とアルカリのモル比は、炭素含有物に含まれる炭素1モルに対してアルカリを0.5〜10モル/(アルカリの価数)とする必要がある。なお、不活性ガスに代えて又は加えて水蒸気を使用することもできる。
【選択図】 図26
Description
(実施例1)
和光純薬工業株式会社製の活性炭(以下、活性炭(W)と略記)をアルミナボード上に秤り取り、この活性炭に50wt%NaOH水溶液(和光純薬工業株式会社製)を滴下した。その後、スパチュラにて活性炭とNaOH水溶液とを混合した。なお、活性炭とNaOHの量は、モル比で炭素:アルカリ=1:2となるように、活性炭を0.10g(8.3mmol)、NaOHを0.66g(16.6mmol)とした。
実施例1の活性炭(W)に代えて、低温炭化の竹炭(株式会社白元製、以下、竹炭(L)と略記)、高温炭化の竹炭(株式会社白元製、以下、竹炭(H)と略記)、竹炭(鶴亀製、以下、竹炭(T)と略記)、備長炭(日の丸カーボテクノ株式会社製)、カーボンナノファイバー(530℃でのメタン分解によりシリカ担持Ni−Pd触媒(シリカ:Cabot社製の商品名Cab−O−Sil、Ni−Pd:30wt%)上に生成した炭素であり、以下、CNFと略記)、カーボンブラック(和光純薬工業株式会社製)、ヤシガラ活性炭(株式会社白元製、低温炭化)を使用したこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。これらの測定結果を、実施例1の測定結果と併せて図2および図3に示す。
実施例1の活性炭(W)に代えて、コーヒー豆殻を炭化したもの(株式会社白元製、以下、コーヒー炭素と略記)、もみ殻を炭化したもの(株式会社白元製、以下、もみ殻炭素と略記)、米ぬかを炭化したもの(株式会社白元製、以下、米ぬか炭素と略記)、そば殻を炭化したもの(株式会社白元製、以下、そば殻炭素と略記)を使用したこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。これらの測定結果を図4に示す。
(実施例4)
実施例1のNaOH量を、無添加(炭素:アルカリ=1:0)、33mg(炭素:アルカリ=1:0.1)、83mg(炭素:アルカリ=1:0.25)、664mg(炭素:アルカリ=1:2)、1000mg(炭素:アルカリ=1:3)にして、導入した炭素量に対するアルカリ添加量のモル比を変化させたこと、および測定時間を400℃で60〜70分間、500℃で60〜200分間、600℃で60〜200分間にしたこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その測定結果を図10から図12に示す。
(実施例5)
実施例1において、カーボンブラック、ヤシガラ活性炭を使用したこと、および反応温度400℃、500℃で各1時間測定を行った後、反応温度600℃で水素生成がほぼ見られなくなるまで測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。600℃での結果を抽出して図16に示す。
実施例1において、竹炭(H)、ヤシガラ活性炭を使用したこと、およびAr雰囲気下でおよそ15分間で600℃まで昇温し、600℃に達した後に水蒸気を導入して測定を開始するとともに、水素生成が見られなくなるまで測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図18に示す。
試料として、ヤシガラ活性炭0.1028g(8.57mmol)をアルミナボードにのせ、Ar雰囲気下で600℃、2時間加熱した。加熱後の試料の重量を測定したところ、0.0831gであった。よって、加熱後の試料の重量0.0831g(6.93mmol)が、純炭素として試料に含まれていた量であり、加熱前後の試料重量の差である0.0197g(重量比としては19.2%)が、吸着成分(水、炭酸ガス等)あるいは分解成分(−OH、−COOH、−CHO基等)として試料に含まれていた量であった。以後、ヤシガラ活性炭中の吸着成分あるいは表面分解成分含有率を19.2wt%として考慮して計算する。
実施例1において、ヤシガラ活性炭を0.1002g(8.35mmol)、NaOHを0.6678g(16.7mmol)使用したこと、およびAr雰囲気下で600℃まで昇温し、この昇温過程の間(100℃から600℃)も生成した気相の測定を行うとともに、600℃から水蒸気を導入して、水素生成が見られなくなるまで測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図20から図23に示す。
(実施例8)
実施例1において、ヤシガラ活性炭を使用したこと、およびAr雰囲気下で600℃まで昇温し、600℃より水蒸気を導入する場合と水蒸気を全く導入しない場合とで、600℃昇温後から水素生成が見られなくなるまで測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図24および表2に示す。
実施例1において、ヤシガラ活性炭を使用したこと、およびAr雰囲気下で600℃まで昇温し、600℃昇温後に水蒸気を導入する場合と600℃で200分反応した後に水蒸気を導入する場合とで、昇温過程(100℃〜600℃)から水素生成が見られなくなるまで測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図25および表3に示す。
(実施例10)
実施例1において、活性炭(W)0.10g(8.3mmol)に代えて、D−グルコース(和光純薬工業株式会社製)、スクロース(和光純薬工業株式会社製)、セルロース(Aldrich社製)を試料中の炭素分が0.20g(16.7mmol)となる重量を使用したこと、NaOHを1.33g(33.3mmol)使用したこと、水蒸気は全く導入しなかったこと、およびAr雰囲気下で600℃までほぼ一定の温度上昇速度(1.9℃/分)で昇温し、昇温過程である100℃から600℃までの間で測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図26および表4に示す。
実施例10において、100℃で水蒸気を導入したこと以外は、実施例10と同様の手順により実験を行った。その結果を図27および表5に示す。
実施例11において、リグニン(Aldrich社製)、デンプン(和光純薬工業株式会社製)を使用したこと以外は、実施例11と同様の手順により実験を行った。その結果を図28、図29および表6に示す。
実施例10において、脱脂綿(市販品)、和紙(市販品)を、試料が全てセルロースで構成されていると仮定して、炭素分が0.20g(16.7mmol)となる量を使用したこと以外は、実施例10と同様の手順により実験を行った。その結果を図30から図32に示す。なお、図中、比較のために実施例10のセルロースを併記した。
実施例13の和紙について、100℃から水蒸気を導入して測定したこと以外は、実施例13と同様の手順により実験を行った。その結果を図33および表7に示す。なお、図および表中、比較のために、実施例13の水蒸気を導入しなかった場合についても併記した。
実施例11において、稲わら、杉、竹を、試料が全てセルロースで構成されていると仮定して、炭素分が0.20g(16.7mmol)となる量を使用したこと以外は、実施例11と同様の手順により実験を行った。その結果を図34および表8に示す。
実施例10において、新聞紙(市販品)を、試料が全てセルロースで構成されていると仮定して、炭素分が0.20g(16.7mmol)となる量を使用したこと、および100℃から水蒸気を導入する場合と水蒸気を全く導入しない場合とで測定したこと以外は、実施例10と同様の手順により実験を行った。その結果を図35および表9に示す。
実施例13の和紙について、NaOHを全く添加しない場合とNaOHを添加する場合とで測定したこと以外は、実施例13と同様の手順により実験を行った。その結果を図36および図37に示す。
(実施例18)
実施例1において、活性炭(W)0.10g(8.3mmol)に代えて、ポリエチレンテレフタレート(市販品、以下、PETと略記)、ポリカーボネート(市販品、以下、PCと略記)を試料中の炭素分が0.20g(16.7mmol)となる量を使用したこと、NaOHを1.33g(33.3mmol)使用したこと、水蒸気は全く導入しなかったこと、およびAr雰囲気下で600℃までほぼ一定の温度上昇速度(1.9℃/分)で昇温し、昇温過程である100℃から600℃までの間で測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図38および図39に示す。
(実施例19)
実施例1の活性炭に代えてカーボンブラック(0.100g)を使用し、さらに触媒として、鉄、ニッケル、ルテニウム、白金、ロジウムの金属触媒を0.025g添加したこと、および温度500℃まで昇温し、温度500℃に達した後に水蒸気を導入し、温度500℃で40分間測定した後、さらに温度600℃に昇温し、再び温度600℃で100分間測定したこと以外は、実施例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図42および図43に示す。なお、図中、金属触媒の効果を比較するため、触媒を添加しなかった結果も併記した。
実施例19の金属触媒に代えて、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、二酸化チタン、五酸化バナジウム、三酸化クロム、二酸化マンガン、四酸化三鉄、酸化亜鉛、二酸化ジルコニウム、三酸化モリブデン、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化プラセオジウムの金属酸化物触媒を0.025g添加したこと以外は、実施例19と同様の手順により実験を行った。その結果を図44および図45に示す。なお、図中、金属酸化物触媒の効果を比較するため、触媒を添加しなかった結果も併記した。
先ず、ニッケル金属イオンを含む水溶液中に酸化アルミニウムを浸漬し、乾燥後、空気中で600℃で焼成し、500℃で水素還元処理することで、ニッケル金属を酸化アルミニウムに担持した触媒(Ni/Al2O3)を得た。なお、金属の担持量は20重量%とした。
実施例21において、ニッケルに代えて、コバルト、鉄、銅、ロジウム、ルテニウム、白金、パラジウムを酸化アルミニウムに担持した各触媒を使用したこと以外は、実施例21と同様の手順により実験を行った。その結果を図47および図48に示す。なお、金属の担持量は全て20重量%とした。
実施例21において、酸化アルミニウムに代えて、二酸化チタン、三酸化クロム、二酸化ジルコニウム、酸化セリウム、二酸化ケイ素にニッケルを担持した各触媒を使用したこと以外は、実施例21と同様の手順により実験を行った。その結果を図50に示す。なお、金属の担持量は全て20重量%とした。
2 気化器
3 アルミナ反応管
4 電気炉
5 トラップ装置
6 サンプリング装置
7 ガスクロマトグラフ
8 石鹸膜流量計
Claims (8)
- 不活性ガス雰囲気下および加熱条件下で、炭素含有物とアルカリとの反応を行い、水素を生成する水素製造方法であって、前記炭素含有物と前記アルカリのモル比を、炭素含有物に含まれる炭素1モルに対してアルカリを0.5〜10モル/(アルカリの価数)とする水素製造方法。
- 前記不活性ガスに水または水蒸気を加えて前記反応を行う請求項1に記載の水素製造方法。
- 金属もしくは金属酸化物の触媒、または金属を金属酸化物もしくは炭素材料に担持した触媒の存在下で、前記反応を行う請求項1または2に記載の水素製造方法。
- 前記炭素含有物が天然有機化合物または天然有機化合物を含むバイオマスである請求項1〜3のいずれかに記載の水素製造方法。
- 前記炭素含有物が合成高分子化合物である請求項1〜3のいずれかに記載の水素製造方法。
- 炭素含有物とアルカリとが収容され、不活性ガスで充填された反応容器と、この反応容器を加熱する加熱器と、この反応容器内で生成した水素を排出するための配管とを含んでなる水素製造装置であって、前記反応容器に収容された炭素含有物とアルカリのモル比は、炭素含有物に含まれる炭素1モルに対してアルカリが0.5〜10モル/(アルカリの価数)である水素製造装置。
- 前記反応容器に水または水蒸気を供給する配管をさらに含んでなる請求項6に記載の水素製造装置。
- 前記反応容器内には金属もしくは金属酸化物の触媒、または金属を金属酸化物または炭素材料に担持した触媒がさらに収容されている請求項6または7に記載の水素製造装置。
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