JP2006199532A - Apparatus and method for producing hydrogen-producing substance - Google Patents
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Description
本発明は、水素生成原料を製造する水素生成物質の製造装置及びその方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and method for producing a hydrogen generating material for producing a hydrogen generating raw material.
近年、石油などの化石燃料から独立したエネルギー確保へ向けて様々な取り組みが成されており、クリーンな燃料の代表として水素が注目されてきている。 In recent years, various efforts have been made to secure energy independent of fossil fuels such as oil, and hydrogen has attracted attention as a representative of clean fuel.
原子力発電も化石燃料から独立したエネルギー源のひとつである。この原子力発電で生産される莫大な熱量を水素の製造に利用する基礎的研究が1970年代から起きている。 Nuclear power generation is another energy source independent of fossil fuels. Fundamental research has been taking place since the 1970s to use the enormous amount of heat produced by nuclear power generation for hydrogen production.
日本国内では燃料電池が水素研究をリードしてきている感があるが、アメリカのGA(General Atomic)社を中心に開発されたIS法(Iodine−Sulfur Method)が日本原子力研究所において1980年代から基礎研究が行われてきた。この手法は高温ガス炉で発生する熱エネルギーを利用し、ヨウ素と二酸化硫黄を用いて、水を水素と酸素に分解するというものであり(例えば、特許文献1〜7参照)。現在では閉ループを使用して1NL(normal liter:気体標準状態(298K、1013hPa)で1L)の水素を発生するまでに至っている。
There is a feeling that fuel cells are leading hydrogen research in Japan, but the IS method (Iodine-Sulfur Method) developed mainly by GA (General Atomic) in the United States has been the foundation of the Japan Atomic Energy Research Institute since the 1980s. Research has been done. This technique uses thermal energy generated in a high-temperature gas furnace and decomposes water into hydrogen and oxygen using iodine and sulfur dioxide (see, for example,
このIS法は主要な3つの反応から成り立っている。反応式を下記の(1)式から(3)式に示す。まず1番目の工程において水とヨウ素と二酸化硫黄を70〜100℃において反応させて、水素の原料であるヨウ化水素を生成する。このときに硫酸も同時に生成されるが、ヨウ化水素と硫酸を分離する。2番目の工程においては、ヨウ化水素を400℃で熱分解し目的の水素を得る。3番目の工程においては、硫酸を900℃の高温で熱分解して二酸化硫黄に戻す。ヨウ素はヨウ化水素の熱分解で得られるので、二酸化硫黄と共に再利用する。IS法は、上述のとおり、二酸化硫黄とヨウ素と熱エネルギーを用いて水を水素と酸素に分解するものであり、熱化学分解法とも呼ばれている。 This IS method consists of three main reactions. The reaction formulas are shown in the following formulas (1) to (3). First, in the first step, water, iodine and sulfur dioxide are reacted at 70 to 100 ° C. to produce hydrogen iodide which is a raw material of hydrogen. At this time, sulfuric acid is also produced, but hydrogen iodide and sulfuric acid are separated. In the second step, hydrogen iodide is thermally decomposed at 400 ° C. to obtain the target hydrogen. In the third step, sulfuric acid is pyrolyzed at a high temperature of 900 ° C. to return to sulfur dioxide. Since iodine is obtained by thermal decomposition of hydrogen iodide, it is reused together with sulfur dioxide. As described above, the IS method decomposes water into hydrogen and oxygen using sulfur dioxide, iodine, and thermal energy, and is also called a thermochemical decomposition method.
I2 + SO2 + 2H2O → 2HI + H2SO4 (1)
2HI → H2 + I2 (2)
2H2SO4 → 2SO2 + 2H2O + O2 (3)
反応式(2)のヨウ化水素を水素とヨウ素に分解する反応は1897年にドイツのM.Bodensteinによって詳細に調査されている。ヨウ化水素分解反応(Bodensteinの反応)は均一気相反応であり、400℃近傍において水素とヨウ素に解離し、ヨウ化水素、水素及びヨウ素の混合平衡気体として存在する。その圧平衡定数は50程度と求められており、解離度は22%である。一方、ヨウ化水素はヨウ素に二酸化硫黄を作用させることにより酸化還元反応をおこし容易に得ることができる。
I 2 + SO 2 + 2H 2 O → 2HI + H 2 SO 4 (1)
2HI → H 2 + I 2 (2)
2H 2 SO 4 → 2SO 2 + 2H 2 O + O 2 (3)
The reaction for decomposing hydrogen iodide of reaction formula (2) into hydrogen and iodine was carried out in 1897 by M. D. of Germany. Detailed investigation by Bodenstein. The hydrogen iodide decomposition reaction (Bodenstein reaction) is a homogeneous gas phase reaction, dissociates into hydrogen and iodine in the vicinity of 400 ° C., and exists as a mixed equilibrium gas of hydrogen iodide, hydrogen and iodine. The pressure equilibrium constant is determined to be about 50, and the degree of dissociation is 22%. On the other hand, hydrogen iodide can be easily obtained by causing a redox reaction by causing sulfur dioxide to act on iodine.
1980年代より日本原子力研究所において、上述のヨウ素と二酸化硫黄を反応させてヨウ化水素を生成し、このヨウ化水素を水素とヨウ素に分解することによって、燃料である水素を取り出す反応に関連する研究が進められてきた。ヨウ素と二酸化硫黄はそれぞれ反応生成物を分解することにより再度取り出すことが可能であり、実質的にヨウ素と二酸化硫黄を触媒とした水の分解反応として捉えることができる。 Since the 1980s, the Japan Atomic Energy Research Institute has been related to the reaction of extracting hydrogen as a fuel by reacting iodine with sulfur dioxide to produce hydrogen iodide and then decomposing the hydrogen iodide into hydrogen and iodine. Research has progressed. Iodine and sulfur dioxide can be taken out again by decomposing the reaction product, respectively, and can be regarded as a decomposition reaction of water substantially using iodine and sulfur dioxide as a catalyst.
水素の原料であるヨウ化水素は、水とヨウ素と二酸化硫黄を反応させることにより生成することができる。しかし、二酸化硫黄は常温で気体であるため、反応系に気体を導入するための機器装置が必要である。
上述した水素生成物質の製造装置及びその方法においては、二酸化硫黄はヨウ素とは単独では反応せず、水分子に溶媒和された状態でしか反応しない。したがって、気相で反応することはなく、ヨウ素、二酸化硫黄及び水の反応は必ず水という溶媒の中で行われる。また、二酸化硫黄は常温常圧下では、水1Lに対して0.8molほどしか溶解しない。水に溶解している二酸化硫黄は、ヨウ素が存在すると直ちに反応してヨウ化水素と硫酸を生成する。 In the above-described apparatus and method for producing a hydrogen generating substance, sulfur dioxide does not react with iodine alone, but reacts only in a state solvated with water molecules. Therefore, there is no reaction in the gas phase, and the reaction of iodine, sulfur dioxide and water is always carried out in a solvent called water. In addition, sulfur dioxide dissolves only about 0.8 mol per liter of water under normal temperature and normal pressure. Sulfur dioxide dissolved in water reacts immediately in the presence of iodine to produce hydrogen iodide and sulfuric acid.
このように、IS法は、水をヨウ素と二酸化硫黄を用いて分解し水素を得る方法であり、その分解効率は、ヨウ素と二酸化硫黄と水の反応効率に比例し、二酸化硫黄をいかに水に溶解させて、ただちにヨウ素と反応させるかが課題である。 As described above, the IS method is a method of obtaining hydrogen by decomposing water using iodine and sulfur dioxide. The decomposition efficiency is proportional to the reaction efficiency of iodine, sulfur dioxide and water, and how the sulfur dioxide is converted into water. The problem is whether to dissolve and react immediately with iodine.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ヨウ素、二酸化硫黄及び水の反応効率を増加させヨウ化水素の生成効率の向上を図れる水素生成物質の製造装置及びその方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an apparatus and a method for producing a hydrogen generating material capable of increasing the reaction efficiency of iodine, sulfur dioxide and water and improving the generation efficiency of hydrogen iodide. With the goal.
上記目的を達成するため、本発明は、ヨウ素、二酸化硫黄及び水を熱化学反応させてヨウ化水素を生成する水素生成物質の製造装置において、二酸化硫黄、ヨウ素及び水を混合しながら流す混合手段を有する反応容器を含むこと、を特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a mixing means for flowing sulfur dioxide, iodine, and water while mixing them in a hydrogen generating material producing apparatus that generates hydrogen iodide by thermochemical reaction of iodine, sulfur dioxide, and water. It is characterized by including the reaction container which has.
また、上記目的を達成するため、本発明は、ヨウ素、二酸化硫黄及び水を熱化学反応させてヨウ化水素を生成する水素生成物質の製造方法において、二酸化硫黄、ヨウ素及び水を混合しながら流す混合ステップを有すること、を特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention is a method for producing a hydrogen generating material that generates hydrogen iodide by thermochemical reaction of iodine, sulfur dioxide and water, and flows while mixing sulfur dioxide, iodine and water. It has a mixing step.
本発明による水素生成物質の製造装置及びその方法よれば、二酸化硫黄、ヨウ素及び水を混合しながら流すために、二酸化硫黄とヨウ素との反応効率を上昇させヨウ化水素の生成効率の向上を図れることができる。 According to the apparatus and method for producing a hydrogen generating material according to the present invention, since sulfur dioxide, iodine and water are mixed and mixed, the reaction efficiency between sulfur dioxide and iodine can be increased to improve the production efficiency of hydrogen iodide. be able to.
以下、本発明に係る水素生成物質の製造装置及びその方法の実施の形態について、図1乃至図4を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of a production apparatus and method of a hydrogen generating substance according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の実施の形態のヨウ化水素生成装置の構成を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the hydrogen iodide generator according to the embodiment of the present invention.
図1に示すように、反応容器4の上部へ配管1aを介して二酸化硫黄18が供給される。同時に、ヨウ素19及びヨウ化水素21が溶存している水20が、貯溜されているヨウ素水溶液貯槽2からポンプ3を介して反応容器4の上部へ、配管1bを経由して供給される。
As shown in FIG. 1,
反応容器4は、螺旋状配管4aを有している。このため、供給されたヨウ素19、水20及び二酸化硫黄18が螺旋状配管4a内を流下しながら混合される。このヨウ素19及び二酸化硫黄18が混合され熱化学反応して生成されたヨウ化水素21、硫酸22等の反応生成物は、配管1cを介して下部貯槽5へ供給される。この反応生成物は、配管6を経由して2相分離された後で次工程へ移送される。
The
このように構成された本実施の形態において、螺旋状配管4aを有する反応容器4に同一方向から同時にヨウ素19、二酸化硫黄21及び水20等の物質を通すことにより強制的に混合されて、反応容器4を通過終了するまでに各物質が反応し、ヨウ化水素21及び硫酸22が生成され、この生成物が下部貯槽5に貯溜される。
In the present embodiment configured as described above, the
この反応効率は、反応容器4の長さに依存するが、配管4aの直径1.0 cmに対して配管4aの長さを50 cm以上にすることにより、二酸化硫黄21が未反応の状態で下部貯槽5に排出されることが大幅に軽減される。
This reaction efficiency depends on the length of the
このように、反応容器4の内部で二酸化硫黄18が完全にヨウ素19と過不足なく反応する。このため、副反応として、水20と二酸化硫黄18の反応により硫黄単体が生成することを避けることができる。これにより、硫黄単体に起因する液移送の配管が閉塞することを抑制できる。
Thus, the
また、通気する二酸化硫黄18の量から生成するヨウ化水素21の物質量を把握できるので、ヨウ素19の量をコントロールすることにより下部貯槽5までの工程でヨウ化水素21と硫酸22を2相分離することも可能である。
Further, since the amount of
なお、ヨウ素19が二酸化イオウ18の物質量で2倍以上添加して、ヨウ素19及び二酸化硫黄21を強制的に混合して、各物質の反応を促し、ヨウ化水素21及び硫酸22を生成する場合もある。
In addition,
この場合は、ヨウ素19を二酸化硫黄18に対して過剰に、すなわち2倍以上添加することにより、ヨウ化水素21及び硫酸22の2相分離がさらに促進される。
In this case, the two-phase separation of
図2は、本発明の他の実施の形態のヨウ化水素生成装置の構成を示す構成図である。図2は、図1の実施の形態に主に上部貯槽7を追加して設けたものであり、図1と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。 FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a hydrogen iodide generator according to another embodiment of the present invention. FIG. 2 mainly includes an upper storage tank 7 added to the embodiment of FIG. 1, and the same or similar parts as in FIG.
ヨウ素19及びヨウ化水素21が溶存している水20が、貯溜されているヨウ素水溶液貯槽2からポンプ3を介して反応容器4の上部に配管1bを経由して供給される。同時に、反応容器4の下部から配管1aを介して二酸化硫黄18が供給される。二酸化硫黄18は、配管1aを介して反応容器4に内蔵された螺旋状配管4a内を流れながらヨウ素19の水溶液の流れとは対向して反応容器4を上昇して行く。反応容器4の上部には、オーバーフローの溝が設けられている。
化学反応の進行に伴い、反応容器4の中でヨウ化水素21及び硫酸22が生成され、さらにこのヨウ化水素21及び硫酸22による2相分離が進行する。上相である硫酸22を多く含む水溶液はオーバーブローの溝から上部貯槽7へ流れて貯溜される。この上部貯槽7に貯溜された硫酸22は配管8を経由して次工程に供給される。ヨウ化水素21を多く含む下相は一時的に反応容器4の下部に蓄えられる。このヨウ化水素21を多く含む水溶液は、下部貯槽5に供給され配管6を介して次工程へ移送される。
As the chemical reaction proceeds,
このように構成された本実施の形態において、反応容器4に内蔵された螺旋状配管4a内に二酸化硫黄18が下部から供給され、対向方向から同時にヨウ素19、水20等の物質を通すことにより強制的に混合させることができる。
In the present embodiment configured as described above,
反応容器4を通過終了までに二酸化硫黄18、ヨウ素19及び水20が反応しヨウ化水素21と硫酸22が生成される。この生成された上相の硫酸22は、配管1dを経由して上部容器7に供給される。この供給された硫酸22は、配管8を介して更に次工程へ移送される。下相のヨウ化水素22は、下部の配管1cを介して下部容器5に供給される。この供給されたヨウ化水素22は、さらに下部の配管6を介して次工程に移行される。
By the end of passing through the
本実施の形態によれば、反応容器4に内蔵する螺旋状配管4aの内部に同時にヨウ素19を含む水溶液と二酸化硫黄18とを対向して通過させることにより、接触時間を増加させ、反応効率を向上させることができる。
According to the present embodiment, the aqueous
図3は、本発明の他の実施の形態のヨウ化水素生成装置の反応容器とその周辺の構成を示す構成図である。図3は、図1の実施の形態の反応容器4の変形例であり、主に、図1と相違する構成について説明する。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration of a reaction vessel of a hydrogen iodide generator according to another embodiment of the present invention and its surroundings. FIG. 3 is a modified example of the
ヨウ素19及びヨウ化水素21が溶存している水20が、配管1bを介して反応容器9の上部に供給される。同時に、配管1aから二酸化硫黄18の気体が反応容器9の下部に供給される。反応容器9の内部には複数の球体10が装荷されている。球体10の材質は、これと接するヨウ化水素21や硫酸22等と化学的に反応しないものなら何でもよい。供給された二酸化硫黄18は球体10の間隙を通過する。この球体10の間隙を通過する間に、二酸化硫黄18、ヨウ素19及び水20が反応し、ヨウ化水素21及び硫酸22が生成される。この生成物の内、上相の硫酸22は上部の配管8から移送され、次工程に供給される。下相のヨウ化水素21は下部の配管6から移送され、次工程に供給される。
このように構成された本実施の形態において、二酸化硫黄18、ヨウ素19及び水20が球体10の間隙を通過されることにより、二酸化硫黄18及びヨウ素19の接触時間及び面積を大幅に増加させることができる。
In this embodiment configured as described above,
本実施の形態によれば、球体10の径、数、各物質の供給量をコントロールすることにより、二酸化硫黄18が球体10の間隙を通過させる間にすべて消費することが可能である。このように二酸化硫黄18及びヨウ素19の接触時間及び面積を大幅に増加させることにより、反応容器9の内部で二酸化硫黄18が完全にヨウ素19と過不足なく反応することができ、副反応である水22と二酸化硫黄18の反応により硫黄単体が生成することを防止することができる。これにより、硫黄単体に起因する液移送の配管が閉塞することを抑制できる。
According to the present embodiment, by controlling the diameter and number of the
図4は、本発明の他の実施の形態のヨウ化水素生成装置の反応容器およびその周辺の構成を示す構成図である。図4は、図1の実施の形態の反応容器4の変形例であり、主に、図1と相違する構成について説明する。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a configuration of a reaction vessel and its surroundings in a hydrogen iodide generator according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a modified example of the
弁16bを開放して配管1bからヨウ素19を含入した水溶液が反応容器9内に供給される。背圧弁12で反応容器9内の圧力が設定される。この背圧弁12の両側には配管1e、1fが配置されている。加圧ポンプ11を使用して二酸化硫黄18が配管1aを介して反応容器9へ注入される。また、反応容器9内の液位9aは、液位計13により監視される。反応容器9の内部では、攪拌機15により攪拌され、この攪拌状態が配管1gを介して圧力計14により監視される。
The valve 16b is opened and an aqueous
この攪拌により二酸化硫黄18とヨウ素19との反応が進行し、ヨウ化水素21及び硫酸22の生成が促進される。ヨウ化水素21及び硫酸22の反応生成物のうち上相の硫酸22は、上部に存在する減圧弁16を開放して配管17を経由して次工程へ移送される。下相のヨウ化水素21は、下部に存在する減圧弁16aを開放して配管17aを経由して次工程へ移送される。
By this stirring, the reaction between
このように構成された本実施の形態において、二酸化硫黄18をポンプ11により加圧して反応容器9内に送り込むことにより、二酸化硫黄18の水溶液に対する溶解度を大幅に増加することができる。すなわち、二酸化硫黄18が加圧条件下で水20に溶解されて亜硫酸水が生成され、この亜硫酸水とヨウ素19とが化学反応が促進されるからである。
In the present embodiment configured as above, the solubility of the
この二酸化硫黄18が水20に溶解して亜硫酸になる反応式を(4)式に示す。
A reaction formula in which the
SO2 + H2O → H2SO3 (4)
ヨウ化水素21は、ヨウ素19に二酸化硫黄18あるいは亜硫酸水を作用させることにより酸化還元反応をおこし容易に得ることができる。亜硫酸とヨウ素19が瞬時に反応して、水素の原料であるヨウ化水素21が生成される。このように、水素の原料であるヨウ化水素21は、水20とヨウ素19と二酸化硫黄21を反応させることにより生成することができる。しかし、二酸化硫黄18は、常温で気体であるため、反応系に気体を導入するための機器装置が必要である。
SO 2 + H 2 O → H 2 SO 3 (4)
上記の反応式(4)が示すように、二酸化硫黄18は水に溶解して亜硫酸になる。この生成された亜硫酸とヨウ素を混合し、ヨウ化水素が生成するか否かを確認した。二酸化硫黄18は20℃ において水100gに対して3927cm3溶解する。理想気体の状態方程式に従うと下記に示すように、水1kgに対して20℃では1.63molの二酸化硫黄18が溶解し、亜硫酸水となる。
As the above reaction formula (4) shows, the
nSO2 = PV/RT
= 1.013×105 Pa×3.927×10−3m3
/(8.31JK−1mol−1×293K)
= 1.63mol
ここで
nSO2:二酸化硫黄の物質量
P:圧力(大気圧)
V:二酸化硫黄の体積
R:気体定数
T:絶対温度
本実施の形態によれば、二酸化硫黄18を加圧して水溶液内に溶解することにより、加圧条件下で接触することによりヨウ素19との反応性を向上させることができる。二酸化硫黄18は気相のままではヨウ素19とは反応せず、水に溶解し水分子に溶媒和された状態にしなければ反応が進行しないからである。二酸化硫黄18を水20又は水溶液に溶解させることにより、水による溶媒合わせられた二酸化硫黄を作り出すことにより、ヨウ素19との反応が促進される。すなわち、溶媒である水及びヨウ素の混合液へ、二酸化硫黄18を加圧条件下で注入して、二酸化硫黄18の溶媒への溶解量を増やすことによりヨウ化水素の生成効率を上昇させることができる。
n SO2 = PV / RT
= 1.013 × 10 5 Pa × 3.927 × 10 −3 m 3
/(8.31JK −1 mol −1 × 293K)
= 1.63 mol
here
n SO2 : Substance content of sulfur dioxide
P: Pressure (atmospheric pressure)
V: Volume of sulfur dioxide
R: Gas constant
T: Absolute temperature According to the present embodiment, the
なお、二酸化硫黄18は、加圧ポンプ11を使用して、常温で3気圧以上に加圧しながら注入することもできる。常温で3気圧以上に加圧されると、二酸化硫黄18は、液化されるからである。
In addition, the
このように、二酸化硫黄を液化することにより液化二酸化硫黄18の界面で水和が進み、溶液に二酸化硫黄18が溶解された状態と同様の効果を得ることができる。
Thus, by liquefying sulfur dioxide, hydration proceeds at the interface of liquefied
1…配管、2…ヨウ素水溶液貯槽、3…ポンプ、4…反応容器、5…下部貯槽、6…配管、7…上部貯槽、8…配管、9…反応容器、10…球体、11…加圧ポンプ、12…背圧弁、13…液面計、14…圧力計、15…攪拌機、16…減圧弁、18…二酸化硫黄、19…ヨウ素、20…水、21…ヨウ化水素、22…硫酸。
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