JP2013014452A - Method for producing hydrogen - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing hydrogen with a small sized portable type of device at low energy consumption and low cost in a method of producing hydrogen using ethanol effectively.SOLUTION: The method of producing hydrogen is characterized by supplying air or nitrogen gas and ethanol gas to an atmospheric plasma generator to decompose ethanol molecules to generate hydrogen. In the atmospheric plasma generator, high frequency waves are applied between an inner electrode in a plasma reactor and an outer electrode in outside of the plasma reactor. Plasma discharge is induced between the inner wall of the plasma reactor and the inner electrode, and a gas to be treated is allowed to become contact with plasma, the gas to be treated is decomposed by a synergistic effect of plasma excitation and compulsive contact to plasma region, and activation by a catalyst in plasma and outside of plasma.

Description

本発明は、例えば電気自動車の燃料電池等の各種燃料に使用することのできる水素ガスを、バイオ燃料であるエタノールから製造するための水素製造方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen production method for producing hydrogen gas that can be used for various fuels such as a fuel cell of an electric vehicle from ethanol as a biofuel.

従来から、酒造業において、エタノールを含む販売に到らない不良な酒類が多量に製造されている。一方、近年において、環境問題の解決に寄与するバイオエネルギーの製造方法の一環として、水素源、とりわけ、小型ポータブルタイプの水素製造装置が開発され実用化されつつある。特に、燃料電池自動車の燃料水素をバイオ燃料から製造するための装置として注目を浴びている。   Conventionally, in the brewing industry, a large amount of bad alcoholic beverages that cannot be sold including ethanol is produced. On the other hand, in recent years, as a part of a bioenergy production method that contributes to solving environmental problems, a hydrogen source, in particular, a small portable type hydrogen production apparatus has been developed and put into practical use. In particular, it is attracting attention as an apparatus for producing fuel hydrogen for fuel cell vehicles from biofuel.

上記した不良品となっているエタノールを有効利用するために、環境に負荷を与えず電力エネルギーを製造する新しい技術として、エタノール分子から水素を製造する研究開発が進められている。従来より、水素ガス製造方法として、様々な触媒反応法によりエタノールの分解が試みられている。   In order to make effective use of the above-mentioned defective ethanol, research and development for producing hydrogen from ethanol molecules is being promoted as a new technology for producing electric power energy without giving an environmental load. Conventionally, decomposition of ethanol has been attempted by various catalytic reaction methods as hydrogen gas production methods.

また、この種の水素ガス製造方法として、メタノールを水と共に分解する、金属の水素化物、MgH、CaH、NaH等を水分子と共に分解する等の方法がある。しかし、高価な触媒を必要とし、水素化物の製造価格が高い等の理由により、実用に至っていない。更に、マグネシウム金属、アルミニウム金属微粒子を直接水分子と接触、反応させて水素を製造する方法が試みられているが、水素生成反応の制御が困難であり、同様に実用には至っていない。 Further, as this type of hydrogen gas production method, there are a method of decomposing methanol together with water, a method of decomposing metal hydride, MgH 2 , CaH 2 , NaH 2 and the like together with water molecules. However, it has not been put into practical use because it requires an expensive catalyst and the production cost of hydride is high. Furthermore, although a method for producing hydrogen by directly contacting and reacting magnesium metal and aluminum metal fine particles with water molecules has been attempted, it is difficult to control the hydrogen generation reaction, and it has not been put into practical use.

更に、特許文献1及び2に開示されているように、水を分解して水素を発生する水素発生材料の製造方法であって、アルミニウム又はアルミニウム合金を水中で摩擦、粉砕し、50μm以下の微粒子にしてから当該微粒子に温度又は超音波の衝撃を加えて活性化処理を行い、室温にて数日間熱処理を施した後、前記微粒子を5°Cに冷却して保存状態に置く方法も存在する。   Furthermore, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, a method for producing a hydrogen generating material that decomposes water to generate hydrogen, which is obtained by rubbing and grinding aluminum or an aluminum alloy in water, and fine particles of 50 μm or less There is also a method in which the microparticles are subjected to an activation treatment by applying a temperature or ultrasonic impact to the microparticles, subjected to heat treatment at room temperature for several days, and then cooled to 5 ° C. and placed in a storage state. .

特許第4169197号公報Japanese Patent No. 4169197 特許第4169217号公報Japanese Patent No. 4169217

しかしながら、上記した従来の触媒反応法によるエタノール分解法は、高温高圧の反応であることが多く、非効率的で、未だ実用化には至っていない。特に、エタノールは簡単な構造の有機分子であるが、それを完全分解して1分子当り3個の水素分子を作り出すことは困難であった。また、触媒を使用する分解反応では、水素と共にHCOH、CH等の中間生成物が生成されてしまうため、さらなる追加反応が必要であった。 However, the above ethanol decomposition method using the conventional catalytic reaction method is often a high-temperature and high-pressure reaction, is inefficient, and has not yet been put into practical use. In particular, ethanol is an organic molecule having a simple structure, but it has been difficult to completely decompose it to produce three hydrogen molecules per molecule. Further, in the decomposition reaction using a catalyst, intermediate products such as HCOH and CH 3 are generated together with hydrogen, and thus further additional reaction is necessary.

また、特許文献1及び2においては、大量の純水を収容するための反応容器と、アルミニウム又はアルミニウム合金を水中で摩擦、粉砕するための大掛かりな切削装置が必要となり、従って大きな化学反応装置となってしまい、小型ポータブルタイプの水素ガス製造装置の実現が困難であるという問題点を有していた。   In Patent Documents 1 and 2, a reaction vessel for storing a large amount of pure water and a large cutting device for rubbing and crushing aluminum or aluminum alloy in water are required. Thus, it has been difficult to realize a small portable type hydrogen gas production apparatus.

そこで、本発明は、叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、金属アルミニウムの活性化は、特許文献の原理となる微粒子化の方法のみならず、アルミニウムの多孔質化の方法によっても達成できることを考慮し、活性アルミ微粒子を使用するのに加え、アルミ電極の活性化を多孔質化の方法により実現したものである。これにより、エタノールを有効利用した水素ガス製造において、消費エネルギーも小さく、低コストで環境にやさしい小型ポータブルタイプの水素製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention was created in view of the existing circumstances as described above, and the activation of metallic aluminum is not only the method of fine particle formation which is the principle of the patent literature, but also the porous formation of aluminum. In view of the fact that this method can also be achieved, in addition to using activated aluminum fine particles, the activation of the aluminum electrode is realized by the method of making the electrode porous. Accordingly, an object of the present invention is to provide a small and portable hydrogen production method that consumes less energy, is low in cost, and is environmentally friendly in the production of hydrogen gas using ethanol effectively.

上述した課題を解決するため、本発明にあっては、プラズマ反応器内の内部電極とプラズマ反応器外の外部電極間に高周波を印加し、プラズマ反応器内壁と内部電極間にプラズマ放電を誘発させて処理対象ガスをプラズマと接触させることにより、当該処理対象ガスをプラズマ励起とプラズマ領域への強制接触と、プラズマ中及びプラズマ外の触媒による活性化との相乗効果で分解する大気圧プラズマ発生装置に、空気又は窒素ガスと、エタノールガスとを供給し、エタノール分子を分解して水素を生成することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a high frequency is applied between the internal electrode in the plasma reactor and the external electrode outside the plasma reactor, and plasma discharge is induced between the inner wall of the plasma reactor and the internal electrode. When the target gas is brought into contact with the plasma, the atmospheric pressure plasma is generated by the synergistic effect of plasma excitation, forced contact with the plasma region, and activation by the catalyst in and outside the plasma. Air or nitrogen gas and ethanol gas are supplied to the apparatus, and hydrogen is generated by decomposing ethanol molecules.

上記大気圧プラズマ発生装置は、外形を石英ガラス管とし、電極は該石英ガラス管の内部中心位置に内部電極を配置し、該石英ガラス管の外壁に外部電極を配置してなることを特徴とする。   The atmospheric pressure plasma generator is characterized in that the outer shape is a quartz glass tube, the electrode is formed by disposing an internal electrode at an inner center position of the quartz glass tube, and disposing an external electrode on the outer wall of the quartz glass tube. To do.

また、上記大気圧プラズマ発生装置は、内部空間を有する外形を平板型とし、電極は内側空間の上下に配置してなることを特徴とする。   The atmospheric pressure plasma generator is characterized in that the outer shape having the internal space is a flat plate type, and the electrodes are arranged above and below the inner space.

更に、上記大気圧プラズマ発生装置は、内部のガス流路が二分され、それぞれに空気又は窒素ガスと、エタノールガスとを導入し、導入ガスのプラズマ放電分解及びプラズマ発光によりエタノール分子を分解することを特徴とする。   Further, in the above atmospheric pressure plasma generator, the internal gas flow path is divided into two parts, each of which introduces air or nitrogen gas and ethanol gas, and decomposes ethanol molecules by plasma discharge decomposition and plasma emission of the introduced gas. It is characterized by.

また、上記大気圧プラズマ発生装置は、プラズマ放電により窒素分子を励起して紫外線を発光させるために、自然対流による空気を当該装置内へ導入することを特徴とする。   The atmospheric pressure plasma generation apparatus is characterized in that air by natural convection is introduced into the apparatus in order to excite nitrogen molecules by plasma discharge to emit ultraviolet rays.

更に、上記窒素分子を励起して得られる紫外線を、紫外線透過材を通して二酸化チタン触媒に照射して活性化し、活性化された二酸化チタンの光触媒効果によりエタノール分子を分解することを特徴とする。   Furthermore, the ultraviolet rays obtained by exciting the nitrogen molecules are activated by irradiating the titanium dioxide catalyst through an ultraviolet transmitting material, and the ethanol molecules are decomposed by the photocatalytic effect of the activated titanium dioxide.

また、上記大気圧プラズマ発生装置は、エタノール分子と接触する内部電極を、水、一酸化炭素との反応性の強い活性アルミ板若しくは活性アルミ網材で形成し、電極の電子放射によりエタノール分子のプラズマ分解と共に分解エタノールから生成する炭素及び酸素の原子をアルミ化合物及びグラファイトとして固定分離することを特徴とする。   In the above atmospheric pressure plasma generator, the internal electrode in contact with the ethanol molecule is formed of an active aluminum plate or an active aluminum netting material having high reactivity with water and carbon monoxide, and the electron emission of the electrode causes the generation of the ethanol molecule. It is characterized in that carbon and oxygen atoms generated from decomposed ethanol together with plasma decomposition are fixed and separated as an aluminum compound and graphite.

本発明では、プラズマ放電によりエタノール分子の励起・分解を行う。この技術の基本は、インパクトワールド株式会社のPACT(Plasma Assisted Catalytic Technology)法に由来するが、その技術のみではエタノールの完全分解は困難である。特に、エタノールからできるだけ純粋に水素ガスを製造し、炭酸ガスの放出を無くすために電極材料、反応器構造の工夫が必要とされる。プラズマ反応器の電極には、例えば株式会社ハイドロデバイスの活性アルミ材の技術が応用される。   In the present invention, ethanol molecules are excited and decomposed by plasma discharge. The basis of this technology is derived from the PACT (Plasma Assisted Catalytic Technology) method of Impact World Co., Ltd., but it is difficult to completely decompose ethanol only by this technology. In particular, it is necessary to devise electrode materials and reactor structures in order to produce hydrogen gas as purely as possible from ethanol and eliminate carbon dioxide emission. For example, the active aluminum material technology of Hydrodevice Co., Ltd. is applied to the electrode of the plasma reactor.

そこで、本発明による水素製造方法では、通常の熱化学反応は使わず、電気的なプラズマイオン、電子衝撃によるエタノール分子の分解方法を主な手段とする。しかし、プラズマ衝撃のみでもエタノールの完全分解には至らないので、プラズマ中及びその外に触媒を置いて完全分解を期する。不完全分解の要因はエタノール中の炭素及び酸素原子の存在である。通常それらはCO分子の生成に至るが、本発明ではCO放出がない反応器製造、水素製造方法を目的としている。 Therefore, in the hydrogen production method according to the present invention, a normal thermochemical reaction is not used, and a main method is a method of decomposing ethanol molecules by electrical plasma ions and electron impact. However, since plasma bombardment alone does not lead to complete decomposition of ethanol, a catalyst is placed in and outside the plasma to achieve complete decomposition. The cause of incomplete decomposition is the presence of carbon and oxygen atoms in ethanol. Usually, they lead to the production of CO 2 molecules, but the present invention is aimed at reactor production and hydrogen production methods that do not release CO 2 .

本発明によれば、エタノールからの水素製造をプラズマ放電法と触媒反応法との併用により実現することで、消費エネルギーも小さく、それにより水素ガスを安価に、且つ大量に製造することができ、低コストで環境にやさしい小型ポータブルタイプの水素製造方法を提供することができる。特に、生成物に炭酸ガスが殆ど含まれないことから、環境問題に大きく寄与することが期待できる。   According to the present invention, the hydrogen production from ethanol is realized by the combined use of the plasma discharge method and the catalytic reaction method, so that the energy consumption is small, whereby hydrogen gas can be produced inexpensively and in large quantities, It is possible to provide a small and portable hydrogen production method that is low cost and environmentally friendly. In particular, since the product contains almost no carbon dioxide, it can be expected to contribute greatly to environmental problems.

本発明を実施するための一形態を示す分離ガス型プラズマ反応器による水素製造装置の概略を示す構成図である。It is a block diagram which shows the outline of the hydrogen production apparatus by the separation gas type | mold plasma reactor which shows one form for implementing this invention. 混合ガス型プラズマ反応器による水素製造装置の概略を示す構成図である。It is a block diagram which shows the outline of the hydrogen production apparatus by a mixed gas type plasma reactor. 同じく混合ガス型プラズマ反応器による水素製造装置のシステム構成図である。It is a system block diagram of the hydrogen production apparatus similarly by a mixed gas type plasma reactor.

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本実施形態の方法では、エタノール分子の分解をプラズマ放電分解とプラズマ中に置かれた触媒作用分解とを同時に起こさせる大気圧プラズマ発生装置によるPACT法を基本とする。加えて、外部触媒層を置いてエタノールの完全分解を行う。更に内部触媒としてTiO(二酸化チタン)光触媒を使用する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The method of the present embodiment is based on the PACT method using an atmospheric pressure plasma generator that causes the decomposition of ethanol molecules to simultaneously cause plasma discharge decomposition and catalytic decomposition placed in the plasma. In addition, ethanol is completely decomposed by placing an external catalyst layer. Further, a TiO 2 (titanium dioxide) photocatalyst is used as an internal catalyst.

TiO(二酸化チタン)光触媒の励起には紫外線が必要である。そのためにN(窒素)分子のプラズマ励起による紫外線放射の方法を採用する。従って、プラズマ反応器には窒素ガスとエタノールガスとが同時に供給される。 Ultraviolet light is required for excitation of the TiO 2 (titanium dioxide) photocatalyst. For this purpose, a method of ultraviolet radiation by plasma excitation of N 2 (nitrogen) molecules is adopted. Therefore, nitrogen gas and ethanol gas are simultaneously supplied to the plasma reactor.

大気圧プラズマ発生装置は従来の低圧プラズマ装置とは異なる構造及び特徴がある。
すなわち、(1)大気圧のガスに放電を起こさせるために約10kV程度の高電圧を印加して電離層を作る必要がある。(2)電極間にセラミックスの隔壁を置いて両電極間に電子電流を流すことがなく誘導電流のみの電流としたので、使用電力が小さい。(3)大気圧プラズマの性質は放電空間(位置)で変化するので、できるだけ空間均一なプラズマ生成を図り、水素生成反応の効率を高める。そのためには炭素原子や酸素原子を炭酸ガス(CO)ではなく、別の化合物として取り出すことが大切である。
The atmospheric pressure plasma generator has a structure and characteristics different from those of the conventional low pressure plasma apparatus.
That is, (1) It is necessary to create an ionosphere by applying a high voltage of about 10 kV in order to cause discharge in a gas at atmospheric pressure. (2) Since a ceramic partition is placed between the electrodes and no electronic current flows between the electrodes and only the induced current is used, the power used is small. (3) Since the nature of atmospheric pressure plasma changes in the discharge space (position), the plasma generation is made as uniform as possible to increase the efficiency of the hydrogen generation reaction. For this purpose, it is important to extract carbon atoms and oxygen atoms as separate compounds instead of carbon dioxide (CO 2 ).

そこで本実施形態では、金属アルミニウムを電極材として使用することによりアルミの化合物として炭素原子及び酸素原子を分離する。更に、吸着材として広い表面積を有するTiO触媒(網状)を設置し、その上へ生成するグラファイトの蓄積で炭素原子等の除去を図る。更に、プラズマ反応器の外側に適切な触媒層を配置する。 Therefore, in the present embodiment, carbon atoms and oxygen atoms are separated as an aluminum compound by using metallic aluminum as an electrode material. Furthermore, a TiO 2 catalyst (network) having a large surface area is installed as an adsorbent, and carbon atoms and the like are removed by accumulating graphite formed thereon. Furthermore, an appropriate catalyst layer is disposed outside the plasma reactor.

エタノールの分解反応は、触媒を用いた熱反応では、反応条件に依存して、
OH→HCOH+CH
OH+HO→4H+CO+C(graphite)
等のように進行し、炭酸ガスの生成が普通である。また、プラズマ反応装置を用いたエタノール分子分解では、アルミニウム放電電極を使用して以下のような反応の進行を実現する。すなわち、バイオ生成のエタノール中には常に水が含まれているから、
(TiOcatalyst)
2COH+HO+2Al→7H+4C(graphite)+Al
(plasma discharge)
の反応を主反応とするよう反応器の工夫をする。このプラズマ分解反応には、
OH→2H+2C+H
2Al+3HO→3H+Al
のようなプラズマ気相反応、及び電極上の表面反応が含まれている。
The decomposition reaction of ethanol is a thermal reaction using a catalyst, depending on the reaction conditions.
C 2 H 5 OH → HCOH + CH 4
C 2 H 5 OH + H 2 O → 4H 2 + CO 2 + C (graphite)
The production of carbon dioxide gas is normal. In ethanol molecular decomposition using a plasma reactor, the following reaction progress is realized using an aluminum discharge electrode. That is, since bio-generated ethanol always contains water,
(TiO 2 catalyst)
2C 2 H 5 OH + H 2 O + 2Al → 7H 2 + 4C (graphite) + Al 2 O 3
(Plasma discharge)
Devise the reactor so that the main reaction is For this plasma decomposition reaction,
C 2 H 5 OH → 2H 2 + 2C + H 2 O
2Al + 3H 2 O → 3H 2 + Al 2 O 3
Plasma vapor phase reactions, and surface reactions on the electrodes.

本実施形態の方法では、内部電極材料として使用されるアルミニウムは反応生成物を生成する重要な役割がある。すなわち、使用するアルミニウム電極は水との反応性が非常に強いものであり、特にアルミ酸化物(Al)の生成力の強い活性アルミ材が使用される。電極として使用される活性アルミ材は表面処理により多孔質化し、表面積の大きい、且つ内部にアルミ水素化物(AlH)を含有する特殊なアルミ材である。 In the method of this embodiment, aluminum used as the internal electrode material has an important role in generating a reaction product. That is, the aluminum electrode to be used has a very strong reactivity with water, and in particular, an active aluminum material having a strong ability to produce aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used. The active aluminum material used as an electrode is a special aluminum material that is made porous by surface treatment, has a large surface area, and contains aluminum hydride (AlH 3 ) inside.

プラズマ反応器を使用したエタノールからの水素製造方法には二通りある。一つは上記したようにプラズマ反応器へ窒素ガスと共にエタノールを供給する混合型の方法である。この方法は実行し易く、プラズマ反応器の構造も簡単である。しかし、生成水素中に窒素ガスが混合する問題があり、後処理にやや大きな装置が必要となる。   There are two methods for producing hydrogen from ethanol using a plasma reactor. One is a mixed method in which ethanol is supplied together with nitrogen gas to the plasma reactor as described above. This method is easy to implement and the structure of the plasma reactor is simple. However, there is a problem that nitrogen gas is mixed in the produced hydrogen, and a somewhat large apparatus is required for the post-treatment.

一方、窒素ガスとエタノールガスとを分離してプラズマ反応器に導入する方法が考えられるが、プラズマ装置が複雑で簡単には実行できない。本発明の方法では、窒素ガス(空気)プラズマとエタノールプラズマとの二重プラズマの生成を同時に実現する方法を採っている。   On the other hand, a method in which nitrogen gas and ethanol gas are separated and introduced into the plasma reactor can be considered, but the plasma apparatus is complicated and cannot be easily implemented. The method of the present invention employs a method of simultaneously realizing the generation of double plasma of nitrogen gas (air) plasma and ethanol plasma.

以上のように、プラズマ反応器へ窒素ガスとエタノールガスを分離して供給するガス分離型の方法、及び窒素ガスとエタノールガスを混合して供給する混合型の方法にはそれぞれ長所と短所がある。すなわち、ガス分離型の方法では、プラズマ反応器が通常の構造とは異なり、反応器製造が容易でない。しかし、エタノールのみを原料として、純度の良い水素ガスを製造することができる。一方、混合型の方法は、プラズマ反応器の構造が簡単で、製造が容易である。生成水素中の窒素分子はPd(パラジウム)膜を使用した高純度水素製造装置により分離するが、窒素ガス量が多いと分離は簡単ではない。   As described above, the gas separation type method of supplying nitrogen gas and ethanol gas separately to the plasma reactor and the mixed type method of supplying nitrogen gas and ethanol gas mixed have advantages and disadvantages, respectively. . That is, in the gas separation type method, the plasma reactor is different from the normal structure, and the reactor is not easily manufactured. However, high purity hydrogen gas can be produced using only ethanol as a raw material. On the other hand, the mixed type method has a simple plasma reactor structure and is easy to manufacture. Nitrogen molecules in the produced hydrogen are separated by a high-purity hydrogen production apparatus using a Pd (palladium) membrane, but separation is not easy when the amount of nitrogen gas is large.

本実施形態では二種類の方法を試みた。以下に、これら二つの方法による具体的な構成について説明する。   In this embodiment, two types of methods are tried. Below, the concrete structure by these two methods is demonstrated.

図1は円筒型の分離ガス型プラズマ反応器の構造を示す。
すなわち、この分離ガス型プラズマ反応器は、円筒形の石英ガラス管1の内部中心にアルミ放電電極たる内部電極2(多孔質アルミ電極)が当該石英ガラス管1の両端を封止したシリコーン栓2a、2bを介して挿入されている。この内部電極2は、水、一酸化炭素との反応性の強い活性アルミ板若しくは活性アルミ網材で形成されている。また、石英ガラス管1の内部には内部電極2の周囲を取り巻くようにしてグラスウールと二酸化チタン(TiO)とからなる光触媒3が充填されている。
FIG. 1 shows the structure of a cylindrical separated gas plasma reactor.
That is, this separated gas type plasma reactor has a silicone plug 2a in which an inner electrode 2 (porous aluminum electrode) serving as an aluminum discharge electrode is sealed at both ends of the quartz glass tube 1 in the center of the cylindrical quartz glass tube 1. 2b. The internal electrode 2 is formed of an active aluminum plate or an active aluminum net member having high reactivity with water and carbon monoxide. The quartz glass tube 1 is filled with a photocatalyst 3 made of glass wool and titanium dioxide (TiO 2 ) so as to surround the inner electrode 2.

一方のシリコーン栓2aにはエタノールガスを供給するための導入管4aが貫通して石英ガラス管1内に臨ませてある。また、他方のシリコーン栓2bには水素ガスを排出するための排出管4bが貫通して石英ガラス管1内に臨ませてある。これら導入管4a及び排出管4bは、中央の光触媒3を介して互いに反対側に配置されている。   One silicone plug 2a is provided with an introduction tube 4a for supplying ethanol gas so as to face the quartz glass tube 1. Further, a discharge pipe 4b for discharging hydrogen gas passes through the other silicone plug 2b and faces the quartz glass pipe 1. The introduction pipe 4a and the discharge pipe 4b are arranged on opposite sides with the central photocatalyst 3 interposed therebetween.

更に、石英ガラス管1の外壁には粗表面加工されたステンレス電極たる円筒形の外部電極5が外壁に対して所定の間隙Gを有して配されており、外部電極5と前記内部電極2とは10kV交流電源を介して接続されている。なお、外部電極5自体はグランド接地されている。この間隙Gにはグラスウールと空気が満たされていることで、両電極2、5間に印加された高周波電圧で窒素分子をプラズマ励起させて紫外線を発生させるようになっている。   Further, on the outer wall of the quartz glass tube 1, a cylindrical external electrode 5 as a stainless steel electrode having a rough surface is disposed with a predetermined gap G with respect to the outer wall, and the external electrode 5 and the internal electrode 2 are arranged. Is connected via a 10 kV AC power supply. The external electrode 5 itself is grounded. The gap G is filled with glass wool and air, so that nitrogen molecules are plasma-excited by a high frequency voltage applied between the electrodes 2 and 5 to generate ultraviolet rays.

上記構成による分離ガス型プラズマ反応器においては、窒素ガスとエタノールガスとの2相のプラズマが紫外線を透過する石英ガラス管1により分離されている。すなわち、一つの装置内に、自然対流によって導入された空気と、導入管4aから導入されたエタノールガスとの二つのプラズマを同時に生成し、励起窒素分子からの紫外線は石英ガラス管1を透過して内部のTiOを含む光触媒3に照射される。そして、内部電極2の電子放射によりエタノール分子のプラズマ分解と共に分解エタノールから生成する炭素及び酸素の原子をアルミ化合物及びグラファイトとして固定分離し、水素ガスのみが排出管4bを通して回収される。 In the separated gas plasma reactor having the above-described configuration, two-phase plasma of nitrogen gas and ethanol gas is separated by a quartz glass tube 1 that transmits ultraviolet rays. That is, two plasmas of air introduced by natural convection and ethanol gas introduced from the introduction tube 4a are simultaneously generated in one apparatus, and ultraviolet rays from excited nitrogen molecules pass through the quartz glass tube 1. The photocatalyst 3 containing TiO 2 inside is irradiated. Then, carbon atoms and oxygen atoms generated from the decomposed ethanol are fixed and separated as an aluminum compound and graphite together with plasma decomposition of ethanol molecules by electron emission of the internal electrode 2, and only hydrogen gas is recovered through the discharge pipe 4b.

図2は平板型の混合ガス型プラズマ反応器の構造を示す。
すなわち、内側空間を有する平板型のステンレス枠11の上面一端側にはガス供給口11aが設けられ、上面他端側にはガス排出口11bが設けられている。このステンレス枠11の内側空間の内部中央にはプラズマ反応器12が配され、その両側には触媒層たるガス滞留層13a、13bが配されている。プラズマ反応器12は、その内部の上下において配されたセラミックス基板14a、14bの間にTiOによる光触媒16(二酸化チタン)が充填されている。一方のセラミックス基板14a(上側)は、マイナス電極たるステンレス電極15aに接続されている。他方のセラミックス基板14b(下側)は、プラス電極たるアルミ電極15bに接続されている。
FIG. 2 shows the structure of a flat plate type mixed gas plasma reactor.
That is, a gas supply port 11a is provided at one end of the upper surface of the flat stainless steel frame 11 having an inner space, and a gas discharge port 11b is provided at the other end of the upper surface. A plasma reactor 12 is disposed in the center of the inner space of the stainless steel frame 11, and gas retention layers 13a and 13b as catalyst layers are disposed on both sides thereof. The plasma reactor 12 is filled with a photocatalyst 16 (titanium dioxide) made of TiO 2 between ceramic substrates 14a and 14b arranged on the upper and lower sides thereof. One ceramic substrate 14a (upper side) is connected to a stainless steel electrode 15a which is a negative electrode. The other ceramic substrate 14b (lower side) is connected to an aluminum electrode 15b which is a plus electrode.

上記構成による混合ガス型プラズマ反応器は、窒素ガスをキャリアーガスとしてエタノールガスをガス供給口11aよりプラズマ反応器12内へ供給する。この場合、プラズマ反応器12の前後に追加の触媒層たるガス滞留層13a、13bが設置できることで、空間均一なプラズマ生成が可能となっている。前記ステンレス電極15a及びアルミ電極15bへの高電圧印加によりプラズマ放電され、且つ、活性化されたTiOによる光触媒16の下で、エタノール分子をプラズマ分解させると共に分解エタノールから生成する不純物ガスをアルミ電極15b及びガス滞留層(触媒層)13a、13bによって分解し、ガス排出口11bから水素ガスのみが排出して回収される。 The mixed gas plasma reactor having the above configuration supplies ethanol gas into the plasma reactor 12 through the gas supply port 11a using nitrogen gas as a carrier gas. In this case, since the gas retention layers 13a and 13b, which are additional catalyst layers, can be installed before and after the plasma reactor 12, it is possible to generate plasma with uniform space. Under the photocatalyst 16 made of activated TiO 2 that is plasma-discharged by applying a high voltage to the stainless steel electrode 15a and the aluminum electrode 15b, the ethanol molecules are plasma-decomposed and impurity gas generated from the decomposed ethanol is removed from the aluminum electrode. 15b and gas retention layers (catalyst layers) 13a and 13b are decomposed, and only hydrogen gas is discharged from the gas discharge port 11b and collected.

両タイプのプラズマ反応器において、内部電極2及びアルミ電極15bは、粗表面の活性アルミ電極により構成され、放電特性を良くすると共に分解エタノールから生成する炭素、酸素を化合物として除去する。また、外部電極5は、ステンレス製で、同様にプラズマ放電が容易(低電圧)となるように、その表面を粗い構造にしてある。   In both types of plasma reactors, the internal electrode 2 and the aluminum electrode 15b are composed of an active aluminum electrode having a rough surface, which improves discharge characteristics and removes carbon and oxygen generated from cracked ethanol as compounds. Further, the external electrode 5 is made of stainless steel, and similarly has a rough structure so that plasma discharge is easy (low voltage).

図1に示すように、分離ガス型プラズマ反応器を試作し、その特性を評価した。10kHz、約10kVの交流高電圧を印加し、外部空気プラズマと内部エタノールプラズマの両方を両立させる安定条件を課した。外側の空気放電のプラズマ生成で窒素分子を励起し、紫外線を放射させ、石英ガラスを通してチタン光触媒に照射した。両プラズマを安定させるためにはプラズマ反応器内に置かれる材料の種類、密度を適切に調整する必要がある。まず、内部プラズマ放電の安定条件を決定し、次に条件を微調整しながら外部プラズマが安定するように内部の材料(ガラス繊維等)と印加電圧を変化させた。試験の結果、導入したエタノール分子の70〜80%が分解されたが、未分解のエタノールが観測された。水素ガスの生成は、ガス燃焼法と燃料電池動作により確認された。不純物ガスとして生成ガス中にHCOHが含まれていた。また、空気プラズマ側からオゾンの生成を思わせる匂いが観測されたが、空冷排気装置にチャコール吸着剤を入れ、容易に除去できた。   As shown in FIG. 1, a separation gas type plasma reactor was prototyped and its characteristics were evaluated. An AC high voltage of about 10 kV was applied at 10 kHz, and a stable condition was imposed to achieve both external air plasma and internal ethanol plasma. Nitrogen molecules were excited by generating air discharge plasma on the outside, ultraviolet rays were emitted, and the titanium photocatalyst was irradiated through quartz glass. In order to stabilize both plasmas, it is necessary to appropriately adjust the type and density of the material placed in the plasma reactor. First, the internal plasma discharge stability conditions were determined, and then the internal material (glass fiber, etc.) and applied voltage were changed so that the external plasma was stabilized while finely adjusting the conditions. As a result of the test, 70 to 80% of the introduced ethanol molecules were decomposed, but undecomposed ethanol was observed. Generation of hydrogen gas was confirmed by gas combustion method and fuel cell operation. HCOH was contained in the product gas as an impurity gas. In addition, an odor reminiscent of ozone generation was observed from the air plasma side, but it was easily removed by putting charcoal adsorbent into the air-cooled exhaust system.

次に、図2に示すように、プラズマ反応器の構造が簡単な混合ガス型プラズマ反応器を製作して試験を行った。試験機においては窒素ガスとエタノールガスとを混合して反応器内部へ送り込み、反応性と反応生成物を観測した。使用した装置のシステム図を図3に示す。この場合にはガスボンベより供給される純粋な窒素ガス(与圧0、1気圧、流量50ml/分程度)を使用した。エタノールはエタノール収容容器から窒素ガスのバブリングにより(N+COH)混合ガスとしてプラズマ反応器へ供給した。このプラズマ反応器は、100V入力電源に接続された電圧調整器によって調整可能とした高周波高圧電源に接続されている。生成された水素と窒素の混合ガスには不完全分解の不純物が混入していることを想定して、このガスを、チャコール吸着材を収納した不純物ガス吸着層容器に通し、不純物ガスを除去した後、(H+N)ガスのみを回収し燃料電池へ供給した。燃料電池の発電により水素の製造が確認され、窒素ガス中に50%前後の水素が存在することが分かった。不純物として数%のCO及びHCOHが観測された。反応中に流れる電流は10mA程度であるので使用電力は100W程度である。 Next, as shown in FIG. 2, a mixed gas type plasma reactor having a simple plasma reactor structure was manufactured and tested. In the test machine, nitrogen gas and ethanol gas were mixed and sent into the reactor, and the reactivity and reaction products were observed. A system diagram of the apparatus used is shown in FIG. In this case, pure nitrogen gas (pressure 0, 1 atm, flow rate of about 50 ml / min) supplied from a gas cylinder was used. Ethanol was supplied as a (N 2 + C 2 H 5 OH) mixed gas from the ethanol container to the plasma reactor by bubbling nitrogen gas. The plasma reactor is connected to a high-frequency and high-voltage power source that can be adjusted by a voltage regulator connected to a 100 V input power source. Assuming that incompletely decomposed impurities are mixed in the generated hydrogen and nitrogen mixed gas, this gas was passed through an impurity gas adsorption layer container containing charcoal adsorbent to remove the impurity gas. Thereafter, only (H 2 + N 2 ) gas was recovered and supplied to the fuel cell. Production of hydrogen was confirmed by power generation of the fuel cell, and it was found that about 50% of hydrogen was present in nitrogen gas. Several percent of CO 2 and HCOH were observed as impurities. Since the current flowing during the reaction is about 10 mA, the power used is about 100 W.

酒造業で生産された低品質の酒が有効利用され、水素エネルギーに変換されることは新たなエネルギー産業になることが期待される。本発明の方法によりエタノール以外の有機分子を分解して水素を製造することが可能となるので、今後の応用、展開があると考えられる。また、本発明の方法では水素の製造方法が小型、軽量であるので、燃料電池自動車の水素源として利用できるほか、航空機や船舶、更には電動二輪車等の様々な移動手段の燃料(エネルギー)源としても利用可能である。   It is expected that low-quality liquor produced in the brewing industry will be used effectively and converted to hydrogen energy to become a new energy industry. Since it is possible to produce hydrogen by decomposing organic molecules other than ethanol by the method of the present invention, it is considered that there are future applications and developments. In the method of the present invention, since the method for producing hydrogen is small and light, it can be used as a hydrogen source for fuel cell vehicles, as well as a fuel (energy) source for various moving means such as airplanes, ships, and electric motorcycles. Can also be used.

G 間隙
1 石英ガラス管
2 内部電極
2a、2b シリコーン栓
3、16 光触媒(二酸化チタン)
4a 導入管
4b 排出管
5 外部電極
11 ステンレス枠
11a ガス供給口
11b ガス排出口
12 プラズマ反応器
13a、13b ガス滞留層(触媒層)
14a、14b セラミックス基板
15a ステンレス電極
15b アルミ電極
G Gap 1 Quartz glass tube 2 Internal electrode 2a, 2b Silicone plug 3, 16 Photocatalyst (titanium dioxide)
4a introduction pipe 4b discharge pipe 5 external electrode 11 stainless steel frame 11a gas supply port 11b gas discharge port 12 plasma reactor 13a, 13b gas retention layer (catalyst layer)
14a, 14b Ceramic substrate 15a Stainless steel electrode 15b Aluminum electrode

Claims (7)

プラズマ反応器内の内部電極とプラズマ反応器外の外部電極間に高周波を印加し、プラズマ反応器内壁と内部電極間にプラズマ放電を誘発させて処理対象ガスをプラズマと接触させることにより、当該処理対象ガスをプラズマ励起とプラズマ領域への強制接触と、プラズマ中及びプラズマ外の触媒による活性化との相乗効果で分解する大気圧プラズマ発生装置に、空気又は窒素ガスと、エタノールガスとを供給し、エタノール分子を分解して水素を生成することを特徴とする水素製造方法。   A high frequency is applied between the internal electrode in the plasma reactor and the external electrode outside the plasma reactor, and a plasma discharge is induced between the plasma reactor inner wall and the internal electrode to bring the gas to be treated into contact with the plasma. Air or nitrogen gas and ethanol gas are supplied to an atmospheric pressure plasma generator that decomposes the target gas by synergistic effects of plasma excitation, forced contact with the plasma region, and activation by a catalyst in and outside the plasma. A method for producing hydrogen, comprising decomposing ethanol molecules to produce hydrogen. 大気圧プラズマ発生装置は、外形を石英ガラス管とし、電極は該石英ガラス管の内部中心位置に内部電極を配置し、該石英ガラス管の外壁に外部電極を配置してなることを特徴とする請求項1記載の水素製造方法。   The atmospheric pressure plasma generator is characterized in that the outer shape is a quartz glass tube, the electrode is formed by arranging an internal electrode at the inner center position of the quartz glass tube, and arranging an external electrode on the outer wall of the quartz glass tube. The method for producing hydrogen according to claim 1. 大気圧プラズマ発生装置は、内部空間を有する外形を平板型とし、電極は内側空間の上下に配置してなることを特徴とする請求項1記載の水素製造方法。   2. The hydrogen production method according to claim 1, wherein the atmospheric pressure plasma generator has a flat outer shape having an internal space, and the electrodes are arranged above and below the inner space. 大気圧プラズマ発生装置は、内部のガス流路が二分され、それぞれに空気又は窒素ガスと、エタノールガスとを導入し、導入ガスのプラズマ放電分解及びプラズマ発光によりエタノール分子を分解することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の水素製造方法。   The atmospheric pressure plasma generator is characterized in that an internal gas flow path is divided into two parts, each of which introduces air or nitrogen gas and ethanol gas, and decomposes ethanol molecules by plasma discharge decomposition and plasma emission of the introduced gas. The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 3. 大気圧プラズマ発生装置は、プラズマ放電により窒素分子を励起して紫外線を発光させるために、自然対流による空気を当該装置内へ導入することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の水素製造方法。   5. The hydrogen according to claim 1, wherein the atmospheric pressure plasma generator introduces air by natural convection into the apparatus in order to excite nitrogen molecules by plasma discharge to emit ultraviolet rays. Production method. 窒素分子を励起して得られる紫外線を、紫外線透過材を通して二酸化チタン触媒に照射して活性化し、活性化された二酸化チタンの光触媒効果によりエタノール分子を分解することを特徴とする請求項5記載の水素製造方法。   6. The ultraviolet rays obtained by exciting the nitrogen molecules are activated by irradiating the titanium dioxide catalyst through an ultraviolet transmitting material, and the ethanol molecules are decomposed by the photocatalytic effect of the activated titanium dioxide. Hydrogen production method. 大気圧プラズマ発生装置は、エタノール分子と接触する内部電極を、水、一酸化炭素、酸素原子との反応性の強い活性アルミニウムの網材で形成し、電極の電子放射によりエタノール分子のプラズマ分解と共に分解エタノールから生成する炭素及び酸素の原子をアルミ化合物及びグラファイトとして固定分離することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか記載の水素製造方法。   In the atmospheric pressure plasma generator, the internal electrode in contact with ethanol molecules is formed from a network of active aluminum that is highly reactive with water, carbon monoxide, and oxygen atoms. 7. The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein carbon and oxygen atoms produced from cracked ethanol are fixed and separated as an aluminum compound and graphite.
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