JP2006265065A - Method for abstracting hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば燃料電池等に水素を供給するために、水素化物から効率よく水素を取り出す方法に関するものである。 The present invention relates to a method for efficiently extracting hydrogen from a hydride in order to supply hydrogen to, for example, a fuel cell.
自動車や住宅用の燃料電池に対する水素供給方法として、従来は水素吸蔵合金を用いる方法や、メタノールの水蒸気改質による方法などが知られていたが、これらの方法では大型の設備が必要となる。そこで特許文献1には、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の常温で液体の水素化芳香族化合物を脱水素触媒の存在下に加熱し、水素を生成分離する方法が提案されている。 Conventionally known methods for supplying hydrogen to automobile and residential fuel cells include a method using a hydrogen storage alloy and a method using steam reforming of methanol, but these methods require large-scale equipment. Thus, Patent Document 1 proposes a method of generating and separating hydrogen by heating a hydrogenated aromatic compound such as cyclohexane or methylcyclohexane at room temperature in the presence of a dehydrogenation catalyst.
この特許文献1に記載のシステムは、図3に示すように貯蔵タンク1と触媒反応装置2と水素分離装置3とを備えている。貯蔵タンク1には常温で液体の水素化芳香族化合物が貯蔵されており、ポンプ4によって触媒反応装置2に供給される。触媒反応装置2には脱水素触媒5と加熱器6とが設けられており、触媒反応装置2の内部は好ましくは80〜250℃、0.1〜0.5MPaに保持される。
The system disclosed in Patent Document 1 includes a storage tank 1, a
水素化芳香族化合物はこの触媒反応装置2において脱水素触媒5により水素を分離し、芳香族化合物に変換される。分離生成された水素は水素分離膜などの水素分離装置3を通過して水素化芳香族化合物及び脱水素生成物を除去されたうえ、0.3MPa以下の圧力で燃料電池に供給される。一方、芳香族化合物は冷却器7により冷却され、回収タンク8に回収される。
The hydrogenated aromatic compound is separated into hydrogen by the
上記のように触媒反応装置2を加熱器6により加熱するのは、水素化芳香族化合物からの脱水素反応が吸熱反応であり、外部から熱を与える必要があるためである。しかし触媒反応装置2の内部において水素化芳香族化合物は蒸発して気体状態にあり、その周囲に設置された加熱器6からの熱は主として伝導によって水素化芳香族化合物に与えられる。一般に気体の熱伝導率は液体や固体に比較して非常に小さいため、脱水素反応の進行速度が熱伝導により制限され、水素転換速度が高くならないという問題を残している。
本発明は上記した従来の問題点を解決し、従来よりも水素転換速度を大幅に高め、多量の水素を水素化物から取り出すことができる水素取り出し方法を提供するためになされたものである。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and to provide a hydrogen extraction method that can significantly increase the hydrogen conversion rate compared to the conventional method and extract a large amount of hydrogen from the hydride.
上記の課題を解決するためになされた本発明は、水素化物を反応器に供給し、液相状態に保持しながら脱水素触媒の存在下で加熱し、生成した水素ガスを水素分離手段で分離して取り出すことを特徴とするものである。なお、脱水素触媒が、金属元素を坦持した活性炭であることが好ましく、液相状態に保持する手段が、0.1MPa以上の加圧であることが好ましい。また反応器が、内部の液相または、脱水素触媒を攪拌する手段を備えていることが好ましく、攪拌する手段は、反応器内部に設置された攪拌翼を運動させることによる攪拌手段、内部の液相の強制又は自然対流による攪拌手段、反応器全体の振動による攪拌手段、反応器外部から内部の攪拌子を磁力により駆動させることによる攪拌手段から選択することができる。水素分離手段の出側の水素ガス圧力は、大気圧以下とすることが好ましい。また、水素化物が、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、トリメチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリン、ジシクロヘキシル、テトラデカヒドロアントラセン、アンモニア、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサンのいずれかであることが好ましい。水素分離手段としては、水素分離膜を使用することができる。 In order to solve the above problems, the present invention provides a hydride to a reactor, heats it in the presence of a dehydrogenation catalyst while maintaining the liquid phase, and separates the generated hydrogen gas by a hydrogen separation means. It is characterized by taking out. In addition, it is preferable that a dehydrogenation catalyst is activated carbon which carry | supported the metal element, and it is preferable that the means to hold | maintain in a liquid phase state is the pressurization of 0.1 Mpa or more. The reactor is preferably provided with a means for stirring the internal liquid phase or the dehydrogenation catalyst. The stirring means is a stirring means by moving a stirring blade installed inside the reactor, It can be selected from stirring means by forced liquid phase or natural convection, stirring means by vibration of the whole reactor, and stirring means by driving an internal stirring bar from the outside of the reactor by magnetic force. The hydrogen gas pressure on the outlet side of the hydrogen separation means is preferably set to atmospheric pressure or lower. The hydride is preferably any of cyclohexane, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane, trimethylcyclohexane, decalin, methyldecalin, dicyclohexyl, tetradecahydroanthracene, ammonia, ethane, propane, butane, pentane and hexane. A hydrogen separation membrane can be used as the hydrogen separation means.
本発明によれば、水素化物を反応器に供給し、液相状態に保持しながら脱水素触媒の存在下で加熱するので、触媒反応器内部の熱伝導率が気相状態の場合よりも大きくなり、外周から加えられる熱が速やかに反応系内まで伝導される。このため水素化物からの水素回収速度を高めることができる。また、生成した水素ガスを水素分離手段で分離して取り出すのであるが、水素分離手段の出側の水素ガス圧力を大気圧以下とすることにより、水素回収率を向上させることができる。 According to the present invention, since the hydride is supplied to the reactor and heated in the presence of the dehydrogenation catalyst while being maintained in the liquid phase state, the thermal conductivity inside the catalyst reactor is larger than that in the gas phase state. Thus, heat applied from the outer periphery is quickly conducted into the reaction system. For this reason, the hydrogen recovery rate from the hydride can be increased. Further, the produced hydrogen gas is separated and taken out by the hydrogen separation means, and the hydrogen recovery rate can be improved by setting the hydrogen gas pressure on the outlet side of the hydrogen separation means to atmospheric pressure or less.
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図1は本発明の第1の実施形態を示すもので、11は水素化芳香族化合物の貯蔵タンク、12は加圧ポンプ、13は触媒反応装置である。貯蔵タンク11には、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、トリメチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリン、テトラデカヒドロアントラセン等の水素化芳香族化合物が収納されている。これらは常温で液体であるため、容易に貯蔵したり運搬することができる。
Preferred embodiments of the present invention are shown below.
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, in which 11 is a hydrogenated aromatic compound storage tank, 12 is a pressure pump, and 13 is a catalytic reactor. The
本発明で用いられる触媒反応装置13は外周に電熱ヒータのような加熱器14を備えている。またその内部には脱水素触媒15が充填されている。脱水素触媒15としては白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、タングステン、モリブデンなどの公知の触媒を用いることができる。脱水素触媒15は粉末状として図示のように分散させても、ハニカム等の触媒担体に担持させてもよい。
The
水素化芳香族化合物は加圧ポンプ12によって触媒反応装置13に供給され、脱水素触媒15の存在下で80〜250℃に加熱される。加熱により水素化芳香族化合物は気体状態となるが、本発明では触媒反応装置13の内部を0.1MPa以上の高圧、望ましくは1MPa以上に加圧することにより、水素化芳香族化合物が加熱されてもなお液相状態を保持させる。例えば水素化芳香族化合物がシクロヘキサンである場合には、大気圧中の沸点は83℃であるが、圧力を3MPaに保持すれば250℃に加熱しても液相状態を保持することができる。必要な圧力は水素化芳香族化合物の種類と温度により異なるが、液相状態を保持するに要する圧力として決定することができる。さらに、触媒反応装置に供給される水素化化合物と触媒反応装置の内容積の体積比率は、水素化化合物を効率的に加熱するために、0.2以上とすることが好ましく、0.5以上にすることが更に好ましい。
The hydrogenated aromatic compound is supplied to the
このように本発明では触媒反応装置13の内部を高圧とし水素化芳香族化合物が液相状態を保持するようにしたので、触媒反応装置13内部の熱伝導率を気相状態における熱伝導率よりも大幅に高めることができる。水素化芳香族化合物の種類により異なるが、液相状態とすることにより熱伝導率を4倍以上とすることができる。この結果、外周に設置された加熱器14からの熱は触媒反応装置13の中心部まで速やかに伝導され、脱水素反応が進行する。
As described above, in the present invention, the inside of the
上記のようにして生成した水素ガスは、水素分離手段16で未反応の水素化芳香族化合物及び脱水素生成物である芳香族化合物を分離したうえ、燃料電池等に供給される。水素分離手段16としては、パラジウム膜、ゼオライト膜、多孔質シリカガラス膜のような公知の水素分離膜を使用することができる。なお、吸引ポンプ17により触媒反応装置13の出側の水素ガス圧力を大気圧以下、例えば絶対圧で0.01MPa以下とすれば、水素回収率を向上させることができるので好ましい。
The hydrogen gas generated as described above is supplied to a fuel cell or the like after separating unreacted hydrogenated aromatic compounds and aromatic compounds as dehydrogenated products by the hydrogen separation means 16. As the hydrogen separation means 16, a known hydrogen separation membrane such as a palladium membrane, a zeolite membrane, or a porous silica glass membrane can be used. In addition, it is preferable that the hydrogen gas pressure on the outlet side of the
以上に説明した図1の実施形態では、脱水素生成物が触媒反応装置13の内部にそのまま残留し、反応が進行するに連れて反応器内の水素化物の濃度が低下してくるため、次第に水素の発生量が低下する。この問題を解消したのが図2に示す第2の実施形態である。この第2の実施形態では触媒反応装置13の出側に、水素と脱水素生成物とは通過させるが水素化芳香族化合物は通過させない分離膜18を設置し、水素とともに脱水素生成物をも触媒反応装置13から取出す。このような分離膜18としては、例えばゼオライト膜を使用することができる。
In the embodiment of FIG. 1 described above, the dehydrogenation product remains inside the
そしてさらにその後段に、水素と脱水素生成物との分離手段19を設置する。この分離手段19としては例えば冷却器を用いることができる。この分離手段19によって脱水素生成物は凝結させて回収タンク20に回収し、水素のみを燃料電池等に供給する。このような構成を採用すれば、触媒反応装置13の内部に脱水素生成物が蓄積されることがないため、連続的に水素を取出すことが可能となる。この場合にも、吸引ポンプ17により触媒反応装置13の出側の水素ガス圧力を大気圧以下とすることが好ましい。
Further, a separation means 19 for separating hydrogen from the
以下に本発明の実施例を示す。内容積1Lの圧力容器に、活性炭の質量に対して1.5wt%の白金を坦持した活性炭触媒を嵩体積で0.8L、水素化物としてシクロヘキサンを0.6L充填した。圧力容器の後段には、臨界圧力を考慮して逃がし圧力を4MPaに設定した圧力逃がし弁を設けて、発生ガスを回収できるようにした。反応器外周に設置した電気ヒータによって加熱することで、反応器内部温度を400℃に昇温したところ、最大14Lの水素が回収された。 Examples of the present invention are shown below. A pressure vessel having an internal volume of 1 L was charged with 0.8 L by volume of activated carbon catalyst carrying 1.5 wt% of platinum with respect to the mass of the activated carbon and 0.6 L of cyclohexane as a hydride. A pressure relief valve having a relief pressure set to 4 MPa is provided at the subsequent stage of the pressure vessel in consideration of the critical pressure so that the generated gas can be recovered. When the internal temperature of the reactor was raised to 400 ° C. by heating with an electric heater installed on the outer periphery of the reactor, a maximum of 14 L of hydrogen was recovered.
11 水素化芳香族化合物の貯蔵タンク
12 加圧ポンプ
13 触媒反応装置
14 加熱器
15 脱水素触媒
16 水素分離手段
17 吸引ポンプ
18 分離膜
19 水素と脱水素生成物との分離手段
20 回収タンク
11 Hydrogenated aromatic
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