JP4814537B2 - Hydrogen production method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、水素製造方法およびその装置に関し、詳しくは、生成した水素を燃料電池に直接供給することが可能な一酸化炭素(CO)および炭酸ガス(CO2)フリーの水素を生成する水素製造方法およびその装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen production method and an apparatus therefor, and more particularly, hydrogen production that produces carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) free hydrogen that can directly supply the produced hydrogen to a fuel cell. The present invention relates to a method and an apparatus thereof.
燃料電池、特に最近注目されている固体高分子型燃料電池(PEFC)には、燃料電池の電極被毒を防止する観点から、一酸化炭素を含まない水素を供給する必要がある。従来の水素製造プロセスでは、天然ガス、石油、石炭等の化石燃料を水蒸気改質反応によって水素を生成している。この際、化石燃料に含まれる炭素の大部分は炭酸ガスにして大気中に放出している。しかし、京都議定書の締約国として、温室効果ガスである炭酸ガスの排出抑制は焦眉の急である。 From the viewpoint of preventing electrode poisoning of a fuel cell, it is necessary to supply hydrogen that does not contain carbon monoxide to a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that has recently attracted attention. In a conventional hydrogen production process, hydrogen is generated from a fossil fuel such as natural gas, petroleum, or coal by a steam reforming reaction. At this time, most of the carbon contained in the fossil fuel is discharged into the atmosphere as carbon dioxide. However, as a party to the Kyoto Protocol, suppression of emissions of carbon dioxide, a greenhouse gas, is urgent.
また、上記の水素製造プロセスでは、電極毒物質であるCOの残留(1〜3%)を避けることができない。それゆえ、プレッシャースイング吸着法(PSA法)等を用いた大型で高コストの設備によって、水素の深度精製(CO<20ppm)を余儀なくされている。また、水蒸気改質反応は、約800℃と非常に高い温度まで加熱する必要がある。 In addition, in the above hydrogen production process, it is impossible to avoid the residual (1 to 3%) of the electrode poisonous substance CO. Therefore, hydrogen depth purification (CO <20 ppm) is unavoidable by a large and high-cost facility using a pressure swing adsorption method (PSA method) or the like. In addition, the steam reforming reaction needs to be heated to a very high temperature of about 800 ° C.
そこで、COやCO2を発生しない方法として、太陽熱を利用したUT−3サイクルや、特開平07−267601号公報の方法が提案されている。しかし、これらの方法は太陽熱を利用するため、大規模なシステムが必要でコストが非常に高いという問題がある。 Therefore, as a method for generating neither CO nor CO 2 , a UT-3 cycle using solar heat and a method disclosed in JP 07-267601 A have been proposed. However, since these methods use solar heat, there is a problem that a large-scale system is required and the cost is very high.
一方で、水酸化ナトリウムを反応媒体とし、水と炭素との熱化学分解反応によって水素を製造する方法が特開平10−251001号公報に提案されている。この方法は、水酸化ナトリウムに対して炭素を大過剰に供給することで、水酸化ナトリウムを触媒的に作用させることができるとする利点があるものの、副生物としてCOやCO2が生成するという問題点がある。
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、一酸化炭素や二酸化炭素などのCOxを生成せずに水素を製造することができる水素製造方法およびその装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a hydrogen production method and apparatus capable of producing hydrogen without producing CO x such as carbon monoxide and carbon dioxide.
上記の目的を達成するために、本発明に係る水素製造方法は、不活性ガス雰囲気下および加熱条件下で、且つ金属もしくは金属酸化物の触媒の存在下で、天然有機化合物もしくは天然有機化合物を含むバイオマスまたは合成高分子化合物である炭素含有物とアルカリとの反応を行い、一酸化炭素および二酸化炭素を生成せずに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2〜5モル/(アルカリの価数)とすることを特徴とするものである。例えば、炭素含有物に含まれる炭素をC、アルカリをNaOHとした場合の反応を以下の式1に示す。
In order to achieve the above object, a hydrogen production method according to the present invention comprises a natural organic compound or a natural organic compound in an inert gas atmosphere and under heating conditions and in the presence of a metal or metal oxide catalyst. A hydrogen production method for producing hydrogen without producing carbon monoxide and carbon dioxide by reacting a carbon-containing material, which is a biomass or a synthetic polymer compound, with an alkali, and generating carbon without producing carbon monoxide and carbon dioxide . The molar ratio is 2 to 5 mol / (alkali valence) with respect to 1 mol of carbon contained in the carbon-containing material. For example, the reaction when carbon contained in the carbon-containing material is C and the alkali is NaOH is shown in the following
C+4NaOH→2H2+Na2CO3+Na2O・・・(式1) C + 4NaOH → 2H 2 + Na 2 CO 3 + Na 2 O (Formula 1)
式1に示すように、炭素含有物に含まれる炭素(C)は、アルカリと反応して炭酸塩を生成するため、COおよびCO2の生成は回避され、COxフリーでかつ水素を高純度で含む気体を得ることができる。 As shown in Formula 1, carbon (C) contained in the carbon-containing material reacts with an alkali to produce a carbonate, so that the production of CO and CO 2 is avoided, is CO x- free and has high purity of hydrogen. Can be obtained.
なお、得られる気体中には、水素の他にメタンを僅かに含むことがある。メタン生成の反応式を以下の式2に示す。しかし、メタンはCOやCO2と異なり、電極被毒や温室効果をもたらすものではない。
The obtained gas may contain a little methane in addition to hydrogen. The reaction formula for methane production is shown in the following
2C+4NaOH→CH4+Na2CO3+Na2O・・・(式2) 2C + 4NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 + Na 2 O (Formula 2)
本発明に係る水素製造方法は、水または水蒸気をさらに加えて前記の反応を行うことが好ましい。これにより、例えば、上記の式1とともに以下の式3の反応が起こる。
In the hydrogen production method according to the present invention, it is preferable to carry out the above reaction by further adding water or water vapor. Thereby, for example, the reaction of the following
Na2O+H2O→2NaOH・・・(式3) Na 2 O + H 2 O → 2NaOH (Formula 3)
式3に示すように、式1の反応副生物(酸化物)が原料のアルカリに再生されるため、水素生成速度を上昇することができる。すなわち、水または水蒸気を加えた反応は、上記の式1および式3から、以下の式4のように示すことができる。
As shown in Formula 3, since the reaction by-product (oxide) of Formula 1 is regenerated to the raw material alkali, the hydrogen generation rate can be increased. That is, the reaction in which water or water vapor is added can be expressed by the following
C+2NaOH+H2O→2H2+Na2CO3・・・(式4) C + 2NaOH + H 2 O → 2H 2 + Na 2 CO 3 (Formula 4)
式4も、式1と同様に、炭素含有物に含まれる炭素(C)は、アルカリと反応して炭酸塩を生成するため、COおよびCO2は生成されない。なお、水または水蒸気は、炭素含有物とアルカリとの反応途中に加えることも可能である。 In Formula 4, similarly to Formula 1, since carbon (C) contained in the carbon-containing material reacts with an alkali to generate a carbonate, CO and CO 2 are not generated. Water or water vapor can be added during the reaction between the carbon-containing material and the alkali.
また、水または水蒸気を加えた場合も、得られる気体中に、水素の他にメタンを僅かに含むことがある。この場合のメタン生成の反応は、上記の式2および式3から、以下の式5のように示すことができる。
In addition, when water or water vapor is added, the resulting gas may contain a little methane in addition to hydrogen. The reaction of methane generation in this case can be expressed by the following
2C+2NaOH+H2O→CH4+Na2CO3・・・(式5) 2C + 2NaOH + H 2 O → CH 4 + Na 2 CO 3 (Formula 5)
本発明に係る水素製造方法は、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、前記反応を行うことが好ましい。これにより、前記反応が促進され、水素生成速度を上昇することができる。さらに、メタンの生成を水素の1%以下に低減することができる。 In the hydrogen production method according to the present invention, the reaction is preferably performed in the presence of a metal or metal oxide catalyst, or a catalyst in which a metal is supported on a metal oxide or carbon material. Thereby, the said reaction is accelerated | stimulated and a hydrogen production rate can be raised. Furthermore, the production of methane can be reduced to 1% or less of hydrogen.
前記炭素含有物としては、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を使用することが好ましい。これにより、従来、有効利用されていなかった廃木材や新聞紙などの木質バイオマスや食品残渣などの食品バイオマスといったバイオマス資源を、エネルギー源として有効利用することができる。例えば、木質バイオマスの主成分であるセルロースの単位構造(C6H10O5)で水素と炭酸ナトリウムの生成反応式は、以下の式6のように表すことができる。
As the carbon-containing material, it is preferable to use natural organic compounds or biomass containing natural organic compounds. As a result, biomass resources such as woody biomass such as waste wood and newspapers and food biomass such as food residue that have not been effectively used can be effectively used as energy sources. For example, the production reaction formula of hydrogen and sodium carbonate in the unit structure (C 6 H 10 O 5 ) of cellulose, which is the main component of woody biomass, can be expressed as the following
(C6H10O5)+12NaOH+H2O→12H2+6Na2CO3・・・(式6) (C 6 H 10 O 5 ) + 12NaOH + H 2 O → 12H 2 + 6Na 2 CO 3 (Formula 6)
また、前記炭素含有物としては、合成高分子化合物を使用することが好ましい。これにより、従来、有効利用されていなかった廃プラスチックをエネルギー源として有効利用することができるとともに、廃プラスチックを無害化処理することができる。 Moreover, it is preferable to use a synthetic polymer compound as the carbon-containing material. This makes it possible to effectively use waste plastic that has not been effectively used as an energy source and to detoxify the waste plastic.
本発明は、別の態様として、水素製造装置であって、天然有機化合物もしくは天然有機化合物を含むバイオマスまたは合成高分子化合物である炭素含有物とアルカリとが収容され、且つ金属もしくは金属酸化物の触媒がさらに収容され、不活性ガス雰囲気下で前記炭素含有物と前記アルカリとの反応を行い、一酸化炭素および二酸化炭素を生成せずに水素を生成する反応容器と、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2〜5モル/(アルカリの価数)であることを特徴とする。 Another aspect of the present invention is a hydrogen production apparatus comprising a natural organic compound or a biomass containing a natural organic compound or a carbon-containing material that is a synthetic polymer compound and an alkali, and a metal or metal oxide. A reaction vessel that further contains a catalyst , reacts the carbon-containing material with the alkali in an inert gas atmosphere, and produces hydrogen without producing carbon monoxide and carbon dioxide, and heats the reaction vessel A hydrogen production apparatus comprising a heater and a pipe for discharging hydrogen generated in the reaction vessel, wherein the molar ratio of the carbon-containing material and the alkali contained in the reaction vessel is a carbon-containing material. The alkali is 2 to 5 mol / (alkali valence) with respect to 1 mol of carbon contained in.
前記反応容器は、水または水蒸気を供給する配管をさらに含むことが好ましい。また、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もしくは炭素材料に担持した触媒がさらに収容されていることが好ましい。 It is preferable that the reaction vessel further includes a pipe for supplying water or water vapor. The reaction vessel preferably further contains a metal or metal oxide catalyst, or a catalyst having a metal supported on a metal oxide or carbon material.
上述したように、本発明によれば、一酸化炭素や二酸化炭素などのCOxを生成せずに水素を製造する水素製造方法およびその装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a hydrogen production method and apparatus for producing hydrogen without producing CO x such as carbon monoxide and carbon dioxide.
先ず、本発明に係る水素製造方法の実施の形態について説明する。本発明に係る水素製造方法は、加熱条件下で、炭素含有物と、アルカリと、必要により水または水蒸気との反応を行い水素を生成することを特徴とする。 First, an embodiment of the hydrogen production method according to the present invention will be described. The hydrogen production method according to the present invention is characterized in that hydrogen is generated by reacting a carbon-containing material, an alkali, and, if necessary, water or water vapor under heating conditions.
炭素含有物としては、特に、炭素材料、天然有機化合物もしくは天然有機化合物を含むバイオマス、または合成高分子化合物を使用することが好ましい。その他、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類、蟻酸、酢酸等の有機酸類、および天然ガス、石油、石炭等の化石燃料を使用してもよい。 As the carbon-containing material, it is particularly preferable to use carbon materials, natural organic compounds or biomass containing natural organic compounds, or synthetic polymer compounds. Other alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether and diethyl ether, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, organic acids such as formic acid and acetic acid, and natural gas, oil and coal Such fossil fuels may be used.
炭素材料としては、特に限定されないが、例えば、炭、活性炭、カーボンブラック、コークス、すす等の無定形炭素や、黒鉛(グラファイト)、カーボンファイバー、カーボンナオファイバー、フラーレン、カーボンナノチューブ等を使用することが好ましい。なお、炭または活性炭としては、木質バイオマスを炭化したもの、例えば、木炭、竹炭、備長炭、ヤシガラ炭の他、コーヒー豆殻や、もみ殻、米ぬか、そば殻等を炭化したものなども使用することができる。 The carbon material is not particularly limited, but for example, amorphous carbon such as charcoal, activated carbon, carbon black, coke, soot, graphite (graphite), carbon fiber, carbon naofiber, fullerene, carbon nanotube, etc. should be used. Is preferred. As charcoal or activated carbon, charcoal of woody biomass, such as charcoal, bamboo charcoal, bincho charcoal, coconut husk charcoal, coffee bean husk, chaff, rice bran, buckwheat husk etc. be able to.
天然有機化合物としては、特に限定されないが、例えば、単糖類、二糖類、オリゴ糖類、多糖類等の糖類や、リグニン、脂肪酸等を使用することが好ましい。なお、単糖類としてはグルコース、フルクトース、ガラクトース等を使用でき、二糖類としてはスクロース、マルトース、ラクトース等を使用でき、多糖類としてはデンプン、セルロース、グリコーゲン等を使用できる。天然有機化合物は、有限な資源でありかつ大気中に多量のCO2を排出する化石燃料とは異なり、再生産が可能でありかつカーボンニュートラルである。本発明は、このような天然有機化合物から効率的に水素を生成することができる。 Although it does not specifically limit as a natural organic compound, For example, it is preferable to use saccharides, such as a monosaccharide, a disaccharide, an oligosaccharide, and a polysaccharide, lignin, a fatty acid, etc. In addition, glucose, fructose, galactose, etc. can be used as a monosaccharide, sucrose, maltose, lactose, etc. can be used as a disaccharide, and starch, cellulose, glycogen etc. can be used as a polysaccharide. Natural organic compounds are finite resources and, unlike fossil fuels that emit large amounts of CO 2 into the atmosphere, are reproducible and carbon neutral. The present invention can efficiently generate hydrogen from such natural organic compounds.
天然有機化合物を含むバイオマスとしては、特に限定されないが、例えば、サトウキビ、テンサイ等の糖質系バイオマスや、米、麦、トウモロコシ、イモ等のデンプン系バイオマス、ナタネ、大豆、落花生、食用油等の油脂系バイオマス、木、草、木材、木屑、わら、天然繊維、紙製品等の木質バイオマス、新聞紙、包装紙、トイレットペーパー、ダンボール等の資源ゴミ系バイオマス等を使用することが好ましい。本発明は、バイオマス資源から直接的に水素を生成することができるので、従来、有効利用されていなかった廃木材や新聞紙などの木質バイオマスや食品残渣などの食品バイオマスといったバイオ資源からも効率的に水素を生成することができる。 Although it does not specifically limit as biomass containing a natural organic compound, For example, sugar-type biomass, such as sugarcane and sugar beet, starch-type biomass, such as rice, wheat, corn, and a potato, rapeseed, soybean, peanut, edible oil, etc. It is preferable to use oily biomass, woody biomass such as wood, grass, wood, wood waste, straw, natural fiber, paper products, and resource waste biomass such as newspaper, wrapping paper, toilet paper, and cardboard. Since the present invention can generate hydrogen directly from biomass resources, it can be efficiently used from bioresources such as waste biomass and woody biomass such as newspapers and food biomass such as food residues that have not been effectively used conventionally. Hydrogen can be produced.
また、木材や草木などの木質バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンを主な構成要素としている。しかし、そのうち利用されるのは主にセルロースであり、木材の約50%はセルロースである。よって、パルプ工場等の廃液中にはリグニンが多量に含まれており、年に約5000万トンが排出されている。リグニンは河川に投棄されていたが、現在は、燃焼処理されている。リグニンは、200℃前後から熱分解が開始するが、600℃以上でも熱分解が完了せず、セルロース(300℃前後から熱分解が開始し、360℃前後でほぼ完了)やヘミセルロース(200℃以下から熱分解が開始し、300℃前後で完了)に比べて、熱分解による処理が困難な物質であった。本発明によれば、リグニンを用いて容易に水素を生成することができるので、リグニンを有効利用することができる。また、本発明によれば、木質バイオマスを用いて水素を生成した場合であっても、セルロースとともにリグニンも容易に分解することができる。 In addition, woody biomass such as wood and vegetation has cellulose, hemicellulose, and lignin as main components. However, cellulose is mainly used, and about 50% of the wood is cellulose. Therefore, a large amount of lignin is contained in the waste liquid of pulp mills, and about 50 million tons are discharged annually. Lignin was dumped into rivers, but is now being burned. Lignin begins to thermally decompose at around 200 ° C, but does not complete at 600 ° C or higher, and cellulose (starting at around 300 ° C and almost complete at around 360 ° C) or hemicellulose (below 200 ° C) The material was difficult to be treated by thermal decomposition as compared with the case where the thermal decomposition started at about 300 ° C.). According to the present invention, hydrogen can be easily generated using lignin, so that lignin can be used effectively. Moreover, according to this invention, even when it is a case where hydrogen is produced | generated using woody biomass, lignin can also be decomposed | disassembled easily with a cellulose.
合成高分子化合物としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等の飽和ポリエステル(SP)、ポリカーボネート(PC)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリアミド(PA)、ポリアリレート(PAR)、ポリアセタール(POM)、ポリスルホン(PSU)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂(PF)、ユリア樹脂(UF)、メラミン樹脂(MF)、ジアリルフタレート樹脂(DAP)、不飽和ポリエステル樹脂(UP)、シリコーン樹脂(SI)、エポキシ樹脂(EP)等の熱硬化性樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリウレタン等の合成繊維、合成ゴム等を使用することが好ましい。特に、PET等のポリエステルや、ポリカーボネートがより好ましい。このように、本発明によれば、有効利用されていなかった廃プラスチックをエネルギー源として有効利用することができるとともに、廃プラスチックスを無害化処理することができる。 The synthetic polymer compound is not particularly limited. For example, saturated polyester (SP) such as polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT), polycarbonate (PC), polyvinyl chloride (PVC), and polyamide (PA). , Polyarylate (PAR), polyacetal (POM), polysulfone (PSU), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), polybenzimidazole (PBI), etc. Thermoplastic resin, phenol resin (PF), urea resin (UF), melamine resin (MF), diallyl phthalate resin (DAP), unsaturated polyester resin (UP), silicone resin (SI), epoxy resin (EP) Thermosetting trees such as , Polyamide, polyester, synthetic fibers such as polyurethane, the use of synthetic rubber or the like. In particular, polyesters such as PET and polycarbonate are more preferable. Thus, according to the present invention, waste plastic that has not been effectively used can be effectively used as an energy source, and waste plastics can be rendered harmless.
なお、高分子化合物中に塩素を含有する場合であっても、本発明では、塩素はアルカリと反応してNaCl等の塩を生成するので、水素ガス中に塩素が混入することを防止することができる。また、燃焼によりダイオキシンを生成するポリ塩化ビニル等の塩素系高分子化合物も、本発明ではNaCl等の無害な塩に変換できるので、環境への負荷なくエネルギー源として利用することができる。 Even in the case where chlorine is contained in the polymer compound, in the present invention, chlorine reacts with an alkali to produce a salt such as NaCl, so that the chlorine is prevented from being mixed into hydrogen gas. Can do. In addition, a chlorine-based polymer compound such as polyvinyl chloride that generates dioxin by combustion can be converted into a harmless salt such as NaCl in the present invention, and therefore can be used as an energy source without any environmental load.
アルカリとしては、特に限定されないが、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物または酸化物を使用することが好ましい。例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ルビジウム(RbOH)等のアルカリ金属の水酸化物や、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)等のアルカリ土類金属の酸化物を使用することができ、このうち特にNaOHが好ましい。NaOHを使用すると、本発明の反応によって、ガラス等の原料として利用され、NaOHより工業的価値の高い炭酸ナトリウム(Na2CO3)が生成するので、反応副生物も有効利用することができる。 Although it does not specifically limit as an alkali, It is preferable to use the hydroxide or oxide of an alkali metal or alkaline-earth metal. For example, hydroxides of alkali metals such as sodium hydroxide (NaOH), lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH), rubidium hydroxide (RbOH), calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO) An alkaline earth metal oxide such as NaOH can be used, and among these, NaOH is particularly preferable. When NaOH is used, it is used as a raw material for glass or the like by the reaction of the present invention, and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) having a higher industrial value than NaOH is generated. Therefore, reaction by-products can also be effectively used.
アルカリの添加量としては、炭素含有物に含まれる炭素(C)1モルに対して、アルカリを0.5モル/(アルカリの価数)以上添加することが好ましい。このような添加量にすることで、炭素含有物中の炭素(C)は確実にアルカリと炭酸塩を生成することから、炭素含有物の熱分解によるCOおよびCO2の生成を確実に防ぐことができる。また、このような添加量にすることで、水素の生成速度も向上させることができる。なお、アルカリは炭素に対して多めに存在することが好ましいが、10モル/(アルカリの価数)を超えて過剰に添加してもその効果は飽和状態となるので、アルカリ添加量の上限は10モル/(アルカリの価数)とすることが好ましい。より好ましい範囲は、2〜5モル/(アルカリの価数)である。 As the addition amount of alkali, it is preferable to add 0.5 mol / (alkali valence) or more of alkali to 1 mol of carbon (C) contained in the carbon-containing material. By making such an addition amount, carbon (C) in the carbon-containing material surely generates alkali and carbonate, so that the generation of CO and CO 2 due to thermal decomposition of the carbon-containing material is surely prevented. Can do. Moreover, the hydrogen production | generation speed | rate can also be improved by setting it as such addition amount. In addition, it is preferable that the alkali is present in a larger amount than carbon, but even if it is added excessively exceeding 10 mol / (alkali valence), the effect becomes saturated, so the upper limit of the amount of alkali added is 10 mol / (alkali valence) is preferred. A more preferable range is 2 to 5 mol / (alkali valence).
加熱条件としては、使用する原料により異なるが、炭素含有物とアルカリの原料を約200℃以上に加熱することが好ましい。このように加熱温度の下限を約200℃にすることで、目的の水素を確実に生成することができる。一方、加熱温度の上限は、約700℃にすることが好ましい。加熱温度が約700℃を超えると、アルカリ金属の生成と揮散およびアルカリ炭酸塩の分解が起こるため好ましくない。 The heating conditions vary depending on the raw materials used, but it is preferable to heat the carbon-containing material and the alkaline raw material to about 200 ° C. or higher. Thus, the target hydrogen can be produced | generated reliably by making the minimum of heating temperature into about 200 degreeC. On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably about 700 ° C. When the heating temperature exceeds about 700 ° C., generation and volatilization of alkali metal and decomposition of alkali carbonate occur, which is not preferable.
特に、炭素含有物として炭素材料を使用する場合は、水素の生成速度をより向上させるために、加熱温度の下限は約400℃が好ましく、約500℃がより好ましく、約600℃が更により好ましい。なお、本反応は、炭素含有物の燃焼を防ぐため、不活性ガス雰囲気下または水蒸気雰囲気下または水蒸気と不活性ガスの雰囲気下で行う必要がある。不活性ガスとしては、アルゴン(Ar)などの0族元素のガスや窒素ガスを用いることが好ましい。不活性ガス中における水蒸気の含有量は、1〜100体積%より好ましい範囲は50〜100体積%である。
In particular, when a carbon material is used as the carbon-containing material, the lower limit of the heating temperature is preferably about 400 ° C, more preferably about 500 ° C, and even more preferably about 600 ° C in order to further improve the hydrogen production rate. . In addition, this reaction needs to be performed in an inert gas atmosphere, a water vapor atmosphere, or an atmosphere of water vapor and an inert gas in order to prevent combustion of the carbon-containing material. As the inert gas, a
また、炭素含有物として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を使用する場合は、加熱温度の下限が約200℃でも優れた水素生成速度を示すが、より向上させるためには、下限を約250℃にすることがより好ましい。なお、リグニンを使用する場合は、下限を約400℃にすることで、水素の生成速度を向上させることができる。このように、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を使用する場合は、低い温度でも優れた水素生成速度を得ることができる。 In addition, when using a natural organic compound or biomass containing a natural organic compound as a carbon-containing material, an excellent hydrogen generation rate is exhibited even when the lower limit of the heating temperature is about 200 ° C., but in order to further improve the lower limit, More preferably, the temperature is 250 ° C. In addition, when using lignin, the production | generation rate of hydrogen can be improved by making a minimum into about 400 degreeC. Thus, when using a natural organic compound or biomass containing a natural organic compound, an excellent hydrogen production rate can be obtained even at a low temperature.
また、炭素含有物として合成高分子化合物を使用する場合は、化合物の種類によるが、多くは加熱温度の下限が約250℃で優れた水素生成速度を示す。このように、合成高分子化合物を使用する場合は、低い温度でも優れた水素生成速度を得ることができる。なお、ポリカーボネート等の一部の化合物は、加熱温度の下限を約475℃にすることで優れた水素生成速度を得ることができる。 In addition, when a synthetic polymer compound is used as the carbon-containing material, depending on the type of compound, many exhibit an excellent hydrogen production rate when the lower limit of the heating temperature is about 250 ° C. Thus, when a synthetic polymer compound is used, an excellent hydrogen generation rate can be obtained even at a low temperature. Some compounds such as polycarbonate can obtain an excellent hydrogen production rate by setting the lower limit of the heating temperature to about 475 ° C.
本発明の反応は、触媒を使用することで、水素生成速度を高めることができる。触媒としては、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もしくは炭素材料に担持した触媒を使用することが好ましい。触媒の添加量は、特に限定されないが、炭素含有物に対して0.1〜100重量%の範囲で添加することが好ましい。 The reaction of the present invention can increase the hydrogen production rate by using a catalyst. As the catalyst, it is preferable to use a metal or metal oxide catalyst or a catalyst in which a metal is supported on a metal oxide or carbon material. Although the addition amount of a catalyst is not specifically limited, It is preferable to add in 0.1-100 weight% with respect to a carbon containing material.
金属触媒としては、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)等の白金族や、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)等の鉄族が好ましい。特に、ルテニウム、ロジウムが水素生成速度を飛躍的に向上させることができる。 Examples of metal catalysts include ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt) and other platinum groups, iron (Fe), nickel (Ni), etc. The iron group is preferred. In particular, ruthenium and rhodium can dramatically improve the hydrogen generation rate.
また、金属酸化物触媒としては、例えば、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、カルシウム(Ca)チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)等の金属の各酸化物が好ましい。具体的には、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化ケイ素(SiO2)、酸化カルシウム(CaO)、二酸化チタン(TiO2)、五酸化バナジウム(V2O5)、三酸化クロム(Cr2O3)、二酸化マンガン(MnO2)、四酸化三鉄(Fe3O4)、酸化亜鉛(ZnO)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、三酸化モリブデン(MoO3)、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化プラセオジウム(Pr6O11)等が挙げられる。特に、酸化アルミニウムが水素生成速度を飛躍的に向上させることができる。 Examples of the metal oxide catalyst include magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), calcium (Ca) titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), Metal oxides such as iron (Fe), zinc (Zn), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), lanthanum (La), cerium (Ce), and praseodymium (Pr) are preferable. Specifically, magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon dioxide (SiO 2 ), calcium oxide (CaO), titanium dioxide (TiO 2 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), Chromium trioxide (Cr 2 O 3 ), manganese dioxide (MnO 2 ), triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ), zinc oxide (ZnO), zirconium dioxide (ZrO 2 ), molybdenum trioxide (MoO 3 ), oxidation Examples thereof include lanthanum (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), and praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ). In particular, aluminum oxide can dramatically improve the hydrogen generation rate.
さらに、金属を金属酸化物もしくは炭素材料に担持した触媒として、担体である金属酸化物には、例えば、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、カルシウム(Ca)チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)等の金属の各酸化物が好ましい。具体的には、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化ケイ素(SiO2)、酸化カルシウム(CaO)、二酸化チタン(TiO2)、五酸化バナジウム(V2O5)、三酸化クロム(Cr2O3)、二酸化マンガン(MnO2)、四酸化三鉄(Fe3O4)、酸化亜鉛(ZnO)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、三酸化モリブデン(MoO3)、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化プラセオジウム(Pr6O11)等が挙げられる。また、特に、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素が水素生成速度を飛躍的に向上させることができる。 Further, as a catalyst in which a metal is supported on a metal oxide or a carbon material, examples of the metal oxide as a carrier include magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), calcium (Ca) titanium (Ti). , Vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), zinc (Zn), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr) Each oxide of metals such as is preferable. Specifically, magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon dioxide (SiO 2 ), calcium oxide (CaO), titanium dioxide (TiO 2 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), Chromium trioxide (Cr 2 O 3 ), manganese dioxide (MnO 2 ), triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ), zinc oxide (ZnO), zirconium dioxide (ZrO 2 ), molybdenum trioxide (MoO 3 ), oxidation Examples thereof include lanthanum (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), and praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ). In particular, aluminum oxide and silicon dioxide can dramatically improve the hydrogen production rate.
担体である炭素材料には、特に限定されないが、例えば、炭、活性炭、カーボンブラック、コークス、すす等の無定形炭素や、黒鉛(グラファイト)、カーボンファイバー、カーボンナオファイバー、フラーレン、カーボンナノチューブ等を使用することが好ましい。なお、炭または活性炭としては、木質バイオマスを炭化したもの、例えば、木炭、竹炭、備長炭、ヤシガラ炭の他、コーヒー豆殻や、もみ殻、米ぬか、そば殻等を炭化したものなども使用することができる。 The carbon material as a carrier is not particularly limited, but examples thereof include amorphous carbon such as charcoal, activated carbon, carbon black, coke, and soot, graphite (graphite), carbon fiber, carbon naofiber, fullerene, and carbon nanotube. It is preferable to use it. As charcoal or activated carbon, charcoal of woody biomass, such as charcoal, bamboo charcoal, bincho charcoal, coconut husk charcoal, coffee bean husk, chaff, rice bran, buckwheat husk etc. be able to.
活性成分である金属には、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)等の白金族や、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)等の第一遷移金属が好ましい。特に、ニッケル、コバルト、ルテニウム、ロジウム等を担持した触媒が水素生成速度を飛躍的に向上させることができる。 Examples of the active component metal include ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt) and other platinum groups, iron (Fe), cobalt ( First transition metals such as Co), nickel (Ni), copper (Cu), and zinc (Zn) are preferred. In particular, a catalyst supporting nickel, cobalt, ruthenium, rhodium or the like can dramatically improve the hydrogen generation rate.
炭素含有物とアルカリは、反応が起こるように混合されていれば特に限定されないが、炭素含有物は、反応が促進するように、反応容器の形体によって様々な形状にすることが好ましい。例えば、粉状、粒状、ペレット状、フレーク状、チップ状、小片状、多孔質状にすることが好ましい。また、炭素含有物の種類によっては、液状、スラリー状にしてもよい。また、アルカリは、水溶液として炭素含有物に担持させることが好ましい。 The carbon-containing material and the alkali are not particularly limited as long as they are mixed so that the reaction occurs, but the carbon-containing material is preferably formed in various shapes depending on the shape of the reaction vessel so that the reaction is accelerated. For example, it is preferable to use powder, granule, pellet, flake, chip, piece, or porous. Further, depending on the type of carbon-containing material, it may be liquid or slurry. The alkali is preferably supported on a carbon-containing material as an aqueous solution.
次に、本発明に係る水素発生装置の実施の形態について説明する。本発明に係る水素製造装置は、上記の水素製造方法により水素を生成できる装置であれば、特に限定されないが、炭素含有物とアルカリとが収容された反応容器と、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備えた装置とすることが好ましい。 Next, an embodiment of the hydrogen generator according to the present invention will be described. The hydrogen production apparatus according to the present invention is not particularly limited as long as it is an apparatus that can generate hydrogen by the above-described hydrogen production method, but a reaction container containing a carbon-containing material and an alkali, and heating for heating the reaction container. It is preferable that the apparatus is equipped with a vessel and a pipe for discharging the hydrogen produced in the reaction vessel.
反応容器は、ステンレススチールやアルミニウム等の金属、アルミナやジルコニア等のセラミックスまたはフェノール樹脂やポリフェニレンサルファイド等の耐熱性プラスチック等の耐熱性、耐アルカリ性に優れた素材で作られていることが好ましい。また、反応容器が高温になる場合、断熱材によって覆うことが好ましい。断熱材としては、ガラス繊維、シリカ繊維、シリカ粉末成形体などを使用することができる。 The reaction vessel is preferably made of a material excellent in heat resistance and alkali resistance such as metals such as stainless steel and aluminum, ceramics such as alumina and zirconia, and heat resistant plastics such as phenol resin and polyphenylene sulfide. Moreover, when a reaction container becomes high temperature, it is preferable to cover with a heat insulating material. As the heat insulating material, glass fiber, silica fiber, silica powder molded body and the like can be used.
この反応容器には、反応を促進するため、金属および金属酸化物から選ばれた少なくとも1種の触媒がさらに収容されていることが好ましい。触媒は、粉末状、ペレット状、円筒状、ハニカム構造、不織布形状などの反応に適した形状を選択して、反応容器内に収納することが好ましい。 In order to accelerate the reaction, this reaction vessel preferably further contains at least one catalyst selected from metals and metal oxides. The catalyst is preferably stored in a reaction vessel by selecting a shape suitable for the reaction such as powder, pellet, cylinder, honeycomb structure, and nonwoven fabric.
加熱器としては、抵抗加熱によるヒータや、正特性サーミスタ(PTCヒータ)、化学反応の酸化熱を利用する加熱器、触媒燃焼による加熱器、誘導加熱による加熱器などを用いることができる。 As the heater, a heater by resistance heating, a positive temperature coefficient thermistor (PTC heater), a heater using oxidation heat of chemical reaction, a heater by catalytic combustion, a heater by induction heating, or the like can be used.
水蒸気を加えた反応を行う場合には、反応容器に水または水蒸気を供給する配管をさらに設けることが好ましい。加熱器により、水を反応容器内で水蒸気化することもできるが、反応容器の外に気化器などを設けて、水蒸気としたものを反応容器内に供給することもできる。また、反応容器内に一定量の水を収容しておくこともできる。 In the case of performing the reaction with the addition of water vapor, it is preferable to further provide piping for supplying water or water vapor to the reaction vessel. Although water can be vaporized in the reaction vessel by the heater, a vaporizer or the like provided outside the reaction vessel to supply water vapor can be supplied into the reaction vessel. In addition, a certain amount of water can be stored in the reaction vessel.
水素を排出する配管は、燃料電池などの水素を利用する装置に供給できるように構成することが好ましい。また、本発明に係る水素製造装置は、パソコン用の燃料電池や、携帯電話用の燃料電池などに併設するため、携帯可能な小型の装置にすることもできる。 It is preferable that the piping for discharging hydrogen is configured so as to be supplied to a device using hydrogen such as a fuel cell. Moreover, since the hydrogen production apparatus according to the present invention is provided in combination with a fuel cell for a personal computer, a fuel cell for a mobile phone, and the like, it can be a small portable device.
なお、炭素含有物とアルカリは、固定床方式、流動床方式のどちらでも反応容器内に収容することができる。また、反応容器内に原料である炭素含有物とアルカリを連続的に供給する手段を設けて、連続的に水素を生成するように構成することもできる。これにより、長期にわたって一定量の水素を発生させることができる。 The carbon-containing material and alkali can be accommodated in the reaction vessel by either a fixed bed method or a fluidized bed method. In addition, a means for continuously supplying the carbon-containing material and alkali as raw materials may be provided in the reaction vessel so that hydrogen is continuously generated. Thereby, a certain amount of hydrogen can be generated over a long period of time.
(炭素材料からの水素生成)
(実験例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。
(Hydrogen production from carbon materials)
( Experimental example 1)
Activated carbon (hereinafter abbreviated as activated carbon (W)) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was weighed on an alumina board, and a 50 wt% NaOH aqueous solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dropped onto the activated carbon. Then, activated carbon and NaOH aqueous solution were mixed with the spatula. The amounts of activated carbon and NaOH were 0.10 g (8.3 mmol) for activated carbon and 0.66 g (16.6 mmol) for NaOH so that the molar ratio of carbon: alkali = 1: 2.
次に、図1に示す固定床流通反応装置を用いて、上記の試料から水素を生成する実験を行った。先ず、アルミナ反応管3内に上記のアルミナボードに載せた試料を入れ、Arパージ(50ml/min、101kPa)を30分間行った。その後、電気炉4により反応管3を加熱して、Ar(20ml/min、101kPa)雰囲気下、100℃、20分間の乾燥を行った。そして、反応管3内の温度をさらに400℃まで昇温した。温度400℃に達した後、マイクロフィーダ1から気化器2を介して水蒸気を導入し、後述する測定を開始した。なお、水蒸気は、水蒸気供給速度を9.4ml/min、Ar流速を40ml/minとし、分圧をH2O=19.3kPa、Ar=81.7kPaで導入した。また、気化器2の温度は100℃とした。
Next, using the fixed bed flow reactor shown in FIG. 1, an experiment for generating hydrogen from the above sample was performed. First, the sample placed on the alumina board was placed in the
アルミナ反応管3内で生成した気体は、氷により温度0℃に保持されたトラップ装置5を介して、サンプリング装置6に導入した。そして、気相生成物を分析するために、さらに気相の一部をガスクロマトグラフ7(GL Sciences社製、GC323、カラム:活性炭)に導入する一方、気相流量を測定するために、気相の一部を石鹸膜流量計8に導入した。そして、気相の組成および流量から、気相中の水素、メタン、CO、CO2等の各成分の生成速度(μmol/min)を求めた。
The gas generated in the
気相生成物の分析および流量の測定は、温度400℃で1時間行った後、温度500℃まで昇温して再び1時間行い、更に温度600℃まで昇温して1時間行った。これら一連の測定結果を図2および図3に示す。 The analysis of the gas phase product and the measurement of the flow rate were performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour, then the temperature was raised to 500 ° C. and again for 1 hour, and the temperature was further raised to 600 ° C. for 1 hour. These series of measurement results are shown in FIGS.
図2に示すように、温度400℃での活性炭(W)、NaOH、水蒸気の反応により、水素が生成することを確認した。また、温度500℃および600℃で、水素の生成速度は飛躍的に向上した。なお、図3に示すように、水素の他、メタンが微量(500℃および600℃で約1〜3μmol/min)に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。 As shown in FIG. 2, it was confirmed that hydrogen was generated by the reaction of activated carbon (W), NaOH, and water vapor at a temperature of 400.degree. In addition, the hydrogen generation rate dramatically improved at temperatures of 500 ° C. and 600 ° C. As shown in FIG. 3, in addition to hydrogen, methane was produced in a very small amount (about 1 to 3 μmol / min at 500 ° C. and 600 ° C.), but no production of CO and CO 2 was observed.
(実験例2)
実験例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、実験例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、実験例1の測定結果と併せて図2および図3に示す。
( Experimental example 2)
Instead of the activated carbon (W) in Experimental Example 1, low temperature carbonized bamboo charcoal (manufactured by Shiramoto Co., Ltd., hereinafter abbreviated as bamboo charcoal (L)), high temperature carbonized bamboo charcoal (manufactured by Shiramoto Co., Ltd., hereinafter, bamboo charcoal (H)) ), Bamboo charcoal (manufactured by Tsurugame, hereinafter abbreviated as bamboo charcoal (T)), Bincho charcoal (manufactured by Hinomaru Carbo Techno Co., Ltd.), carbon nanofiber (silica-supported Ni—Pd catalyst (silica by methane decomposition at 530 ° C.) : Carbon produced on the product name Cab-O-Sil, Ni-Pd: 30 wt%) manufactured by Cabot, hereinafter abbreviated as CNF), carbon black (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), coconut shell activated carbon ( Experiments were performed in the same procedure as in Experimental Example 1 except that Hakugen Co., Ltd. (low temperature carbonization) was used. These measurement results are shown in FIGS. 2 and 3 together with the measurement results of Experimental Example 1.
図2に示すように、竹炭、備長炭、ヤシガラ活性炭等の炭や、CNF、カーボンブラックといった炭素材料を使用した場合であっても、活性炭(W)と同様に、水素が生成することを確認した。特に、ヤシガラ活性炭、竹炭(H)、竹炭(L)が600℃において優れた水素生成速度を示した。また、図3に示すように、これら炭素材料においても、メタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。 As shown in Fig. 2, even when using charcoal such as bamboo charcoal, Bincho charcoal, coconut husk charcoal, or carbon materials such as CNF or carbon black, it is confirmed that hydrogen is generated as in the case of activated carbon (W). did. In particular, coconut husk activated carbon, bamboo charcoal (H), and bamboo charcoal (L) showed excellent hydrogen generation rates at 600 ° C. Further, as shown in FIG. 3, even in these carbon materials, a small amount of methane was produced, but no production of CO and CO 2 was observed.
(実験例3)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 3)
Instead of activated carbon (W) in Experimental Example 1, carbonized coffee bean husk (Shiramoto Co., Ltd., hereinafter abbreviated as coffee carbon), carbonized rice husk (Shiramoto Co., Ltd., hereinafter, rice husk) Abbreviated as shell carbon), carbonized rice bran (manufactured by Hakugen Co., Ltd., hereinafter abbreviated as rice bran carbon), carbonized buckwheat shell (manufactured by Shiramoto Co., Ltd., hereinafter abbreviated as buckwheat carbon) Except for this, the experiment was performed in the same procedure as in Experimental Example 1. The measurement results are shown in FIG.
図4に示すように、コーヒー炭素等の木質バイオマスを炭化した炭素材料を使用しても、上記の活性炭(W)等と同様に、水素が生成することを確認した。特に、コーヒー炭素とそば殻炭素が600℃において優れた水素生成速度を示した。また、これら炭素材料においても、メタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。 As shown in FIG. 4, it was confirmed that even when a carbon material obtained by carbonizing woody biomass such as coffee carbon was used, hydrogen was generated as in the case of the activated carbon (W) and the like. In particular, coffee carbon and buckwheat carbon showed excellent hydrogen generation rates at 600 ° C. In these carbon materials, a small amount of methane was produced, but no production of CO and CO 2 was observed.
実験例1から実験例3の各炭素材料について、反応温度400℃、500℃、600℃で各1時間反応させた時に得られた各水素生成量を累積して算出した水素生成量(mmol)を図5に示す。また、この水素生成量から、上記の式4に基づいて理論的に消費した炭素量(mol)およびNaOH量(mol)を算出し(なお、メタン生成量は考慮せず)、さらにこれから、炭素消費率(=消費した炭素量/導入した炭素量×100(%))およびNaOH消費率(=消費したNaOH量/導入したNaOH量×100(%))を算出した。これら算出結果をそれぞれ図6および図7に示す。さらに、導入した炭素量に対する水素生成量の割合(H2/C)を図8に示す。 Hydrogen production amount (mmol) calculated by accumulating each hydrogen production amount obtained when each carbon material of Experimental Example 1 to Experimental Example 3 was reacted at reaction temperatures of 400 ° C., 500 ° C., and 600 ° C. for 1 hour each. Is shown in FIG. Also, from this hydrogen production amount, the theoretically consumed carbon amount (mol) and NaOH amount (mol) are calculated based on the above-mentioned formula 4 (note that the methane production amount is not taken into account), and from this, carbon The consumption rate (= consumed carbon amount / introduced carbon amount × 100 (%)) and NaOH consumption rate (= consumed NaOH amount / introduced NaOH amount × 100 (%)) were calculated. These calculation results are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. Furthermore, the ratio (H 2 / C) of the amount of hydrogen generation to the amount of introduced carbon is shown in FIG.
また、実験例1〜実験例3で使用した各炭素材料の表面積(m2/g)を、BET法に基づいて測定した。この結果を図9に示す。図9に示すように、表面積が大きい炭素材料の方が、水素生成速度が高い傾向にある。しかし、竹炭(L)のように、表面積が小さい炭素材料であっても水素生成速度が良好なものもあった。
Further, the surface area of each carbon material used in
(アルカリ添加量の影響)
(実験例4)
実験例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、実験例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。
(Influence of the amount of alkali added)
( Experimental example 4)
The NaOH amount of Experimental Example 1 was not added (carbon: alkali = 1: 0), 33 mg (carbon: alkali = 1: 0.1), 83 mg (carbon: alkali = 1: 0.25), 664 mg (carbon: Alkali = 1: 2), 1000 mg (carbon: alkali = 1: 3), the molar ratio of the amount of alkali added to the amount of carbon introduced was changed, and the measurement time was 500 to 60 minutes at 400 ° C. The experiment was performed by the same procedure as in Experimental Example 1 except that the temperature was changed to 60 ° C. for 60 to 200 minutes and 600 ° C. for 60 to 200 minutes. The measurement results are shown in FIGS.
アルカリを無添加にした場合は、図10に示すように、水素の生成がほとんど見られなかっただけでなく、図11および図12に示すように、COおよびCO2が生成することを確認した。また、アルカリをモル比で0.1または0.25添加した場合は、図10に示すように、水素の生成を確認したが、図11および図12に示すように、COおよびCO2も生成することを確認した。一方、アルカリをモル比で2または3添加した場合は、図10に示すように、水素の生成速度も良好で、かつ図11および図12に示すように、COおよびCO2の生成は見られなかった。 When no alkali was added, as shown in FIG. 10, not only the generation of hydrogen was hardly observed, but it was also confirmed that CO and CO 2 were generated as shown in FIGS. 11 and 12. . In addition, when the alkali was added at a molar ratio of 0.1 or 0.25, generation of hydrogen was confirmed as shown in FIG. 10, but CO and CO 2 were also generated as shown in FIGS. Confirmed to do. On the other hand, when alkali is added at a molar ratio of 2 or 3, as shown in FIG. 10, the hydrogen production rate is good, and as shown in FIGS. 11 and 12, the production of CO and CO 2 is observed. There wasn't.
また、実験例4についても、各反応温度で得られた各水素生成量を累積して算出した水素生成量(mmol)から、導入した炭素量に対する水素生成量の割合(H2/C)、炭素消費率(%)およびNaOH消費率(%)を算出した。これら算出結果を図13から図15に示す。 Also for Experimental Example 4, from the hydrogen generation amount (mmol) calculated by accumulating each hydrogen generation amount obtained at each reaction temperature, the ratio of hydrogen generation amount to the introduced carbon amount (H 2 / C), Carbon consumption rate (%) and NaOH consumption rate (%) were calculated. These calculation results are shown in FIGS.
図13に示すように、アルカリをモル比で2以上添加した場合は、導入した炭素量に対して水素生成量が高いことを確認した。また、図14に示すように、アルカリをモル比で2以上添加した場合は、炭素消費率も高いことを確認した。一方、図15に示すように、NaOH消費率は、アルカリをモル比で0.1および0.25添加した場合の方が高く、100%を超えていた。NaOHの消費率が100%を超えるものは、以下に示す反応によりH2、CO、CO2が生成したと考えられる。 As shown in FIG. 13, when alkali was added in a molar ratio of 2 or more, it was confirmed that the amount of hydrogen generation was higher than the amount of carbon introduced. Further, as shown in FIG. 14, it was confirmed that when the alkali was added in a molar ratio of 2 or more, the carbon consumption rate was also high. On the other hand, as shown in FIG. 15, the NaOH consumption rate was higher when the alkali was added at a molar ratio of 0.1 and 0.25, exceeding 100%. When the consumption rate of NaOH exceeds 100%, it is considered that H 2 , CO, and CO 2 were generated by the reaction shown below.
C+H2O→CO+H2・・・(式7) C + H 2 O → CO + H 2 (Formula 7)
CO+H2O→CO2+H2・・・(式8) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (Formula 8)
(水素の総生産量)
(実験例5)
実験例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、実験例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。
(Total hydrogen production)
( Experimental example 5)
In Experimental Example 1, carbon black and coconut husk activated carbon were used, and after measuring for 1 hour each at a reaction temperature of 400 ° C. and 500 ° C., measurement was performed until almost no hydrogen generation was observed at a reaction temperature of 600 ° C. Except for this, the experiment was performed in the same procedure as in Experimental Example 1. The results at 600 ° C. are extracted and shown in FIG.
図16に示すように、カーボンブラックおよびヤシガラ活性炭は、反応温度600℃において1時間を超えても反応が持続し水素を生成することを確認した。温度600℃の反応初期では、ヤシガラ活性炭の方がカーボンブラックより水素生成速度が高かった。ヤシガラ活性炭もカーボンブラックも、時間の経過に従って水素生成速度が次第に低下し、ヤシガラ活性炭は600℃昇温後約2時間でほぼ水素生成は見られなくなったが、カーボンブラックは600℃昇温後5時間以上も水素生成をした。 As shown in FIG. 16, it was confirmed that carbon black and coconut husk activated carbon continue to generate hydrogen even when the reaction temperature exceeds 600 ° C. for more than 1 hour. At the initial stage of the reaction at a temperature of 600 ° C., coconut husk activated carbon had a higher hydrogen production rate than carbon black. In both coconut husk activated carbon and carbon black, the hydrogen production rate gradually decreased with the passage of time, and coconut husk activated carbon almost disappeared in about 2 hours after heating up to 600 ° C. Hydrogen was produced for more than an hour.
また、実験例5についても、各反応温度で得られた各水素生成量を累積した水素生成量(mmol)、炭素消費率(%)およびNaOH消費率(%)を算出した。これらの結果を図17に示す。カーボンブラックは、ヤシガラ活性炭より長時間にわたり水素を生成したため、図17に示すように、カーボンブラックの水素生成量、炭素消費率およびNaOH消費率は、ヤシガラ活性炭とほぼ同じ値であった。 Also for Experimental Example 5, the hydrogen production amount (mmol), the carbon consumption rate (%), and the NaOH consumption rate (%) obtained by accumulating each hydrogen production amount obtained at each reaction temperature were calculated. These results are shown in FIG. Since carbon black produced hydrogen for a longer time than coconut shell activated carbon, as shown in FIG. 17, the hydrogen production amount, carbon consumption rate, and NaOH consumption rate of carbon black were almost the same values as coconut shell activated carbon.
(実験例6)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 6)
In Experimental Example 1, bamboo charcoal (H), coconut shell activated carbon was used, and the temperature was raised to 600 ° C. in about 15 minutes under an Ar atmosphere. After reaching 600 ° C., water vapor was introduced and measurement was started. The experiment was performed by the same procedure as in Experimental Example 1 except that the measurement was performed until no hydrogen production was observed. The result is shown in FIG.
図18に示すように、竹炭(H)およびヤシガラ活性炭は、水蒸気導入から300分を超えても、反応が持続して水素を生成することを確認した。反応初期では、ヤシガラ活性炭よりも竹炭(H)の方が水素生成速度が高かった。ヤシガラ活性炭も竹炭(H)も、時間の経過に従って水素生成速度が次第に低下したが、水蒸気導入後約80分から約180分の間で、水素生成速度が再び上昇した。 As shown in FIG. 18, it was confirmed that bamboo charcoal (H) and coconut husk activated carbon produced hydrogen by continuing the reaction even after 300 minutes from the introduction of water vapor. At the beginning of the reaction, bamboo charcoal (H) had a higher hydrogen production rate than coconut shell activated carbon. Both the coconut husk activated carbon and bamboo charcoal (H) gradually decreased in hydrogen generation rate over time, but the hydrogen generation rate increased again from about 80 minutes to about 180 minutes after the introduction of steam.
また、実験例6についても、水素生成量、炭素消費率およびNaOH消費率を算出した。なお、実験例6ではメタン生成量を考慮して各消費率を算出した。これらの結果を図19に示す。図19に示すように、温度600℃で水蒸気導入を開始した場合、竹炭(H)の水素生成量、炭素消費率およびNaOH消費率は、ヤシガラ活性炭を超える結果が得られた。 For Experimental Example 6, the amount of hydrogen produced, the carbon consumption rate, and the NaOH consumption rate were also calculated. In Experimental Example 6, each consumption rate was calculated in consideration of the amount of methane produced. These results are shown in FIG. As shown in FIG. 19, when water vapor introduction was started at a temperature of 600 ° C., the hydrogen production amount, carbon consumption rate, and NaOH consumption rate of bamboo charcoal (H) exceeded that of coconut shell activated carbon.
(ヤシガラ活性炭の吸着成分含有率)
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。
(Adsorption component content of coconut shell activated carbon)
As a sample, 0.1028 g (8.57 mmol) of coconut shell activated carbon was placed on an alumina board and heated at 600 ° C. for 2 hours in an Ar atmosphere. It was 0.0831g when the weight of the sample after a heating was measured. Therefore, the weight 0.0831 g (6.93 mmol) of the sample after heating is the amount contained in the sample as pure carbon, and 0.0197 g (19.19 as the weight ratio) which is the difference in the sample weight before and after heating. 2%) was the amount contained in the sample as an adsorbing component (water, carbon dioxide, etc.) or a decomposition component (—OH, —COOH, —CHO group, etc.). Thereafter, the calculation is performed considering the content of adsorbed components or surface decomposition components in coconut shell activated carbon as 19.2 wt%.
(実験例7)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 7)
In Experimental Example 1, 0.1002 g (8.35 mmol) of coconut shell activated carbon and 0.6678 g (16.7 mmol) of NaOH were used, and the temperature was raised to 600 ° C. in an Ar atmosphere. (100 ° C. to 600 ° C.) was also measured using the same procedure as in Experimental Example 1 except that the generated gas phase was measured and water vapor was introduced from 600 ° C. until hydrogen generation was not observed. Went. The results are shown in FIGS.
図20に示すように、水蒸気を導入しなかった昇温過程でも、約350℃以上の温度で水素が生成することを確認した。特に、温度500℃以上で水素生成速度は飛躍的に向上した。また、図21に示すように、水蒸気導入後、時間の経過に従って水素生成速度が次第に低下したが、水蒸気導入後約80分から約180分の間で、水素生成速度が著しく上昇した。 As shown in FIG. 20, it was confirmed that hydrogen was generated at a temperature of about 350 ° C. or higher even in the temperature rising process in which no water vapor was introduced. In particular, at a temperature of 500 ° C. or higher, the hydrogen production rate was dramatically improved. In addition, as shown in FIG. 21, the hydrogen production rate gradually decreased with the passage of time after the introduction of water vapor, but the hydrogen production rate significantly increased between about 80 minutes and about 180 minutes after the introduction of water vapor.
図22に示すように、昇温過程においてメタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。また、図23に示すように、水蒸気導入後でメタン生成速度が著しく低下したが、水蒸気導入後約80分から約180分の間に、メタン生成速度が若干上昇した。 As shown in FIG. 22, a small amount of methane was produced in the temperature raising process, but no production of CO and CO 2 was observed. Further, as shown in FIG. 23, the methane production rate was remarkably reduced after the introduction of water vapor, but the methane production rate slightly increased between about 80 minutes and about 180 minutes after the introduction of water vapor.
また、実験例7では、水素生成量に加えて、メタン生成量と試料中の吸着成分率とを考慮して、炭素とNaOHの各消費量と各消費率、および導入した炭素量に対する水素生成量の割合(H2/C)を算出した。これらの結果を表1に示す。なお、上述した吸着および表面分解成分率19.2wt%を用い、ヤシガラ活性炭0.1002g中に含まれていた炭素量(導入した炭素量)は0.0810g(6.74mmol)とした。 In Experimental Example 7, in addition to the amount of hydrogen produced, the amount of methane produced and the rate of adsorbed components in the sample were taken into account, and the amounts of carbon and NaOH consumed and the rates of consumption, as well as the hydrogen production for the introduced carbon The amount ratio (H 2 / C) was calculated. These results are shown in Table 1. In addition, the amount of carbon (the amount of carbon introduced) contained in 0.1002 g of coconut shell activated carbon was set to 0.0810 g (6.74 mmol) using the above-described adsorption and surface decomposition component ratio of 19.2 wt%.
表1に示すように、導入した炭素量は、水蒸気導入後にその約81%が消費されたが、昇温過程で約14%消費されているため、反応全体の炭素消費率は約95%であった。よって、導入した炭素量のほとんどが水素生成反応により消費されたことがわかった。また、反応全体のH2/Cも約1.8であり、理論値の2に非常に近いものであった。 As shown in Table 1, about 81% of the introduced carbon was consumed after the introduction of steam, but about 14% was consumed in the temperature rising process, so the carbon consumption rate of the entire reaction was about 95%. there were. Therefore, it was found that most of the introduced carbon was consumed by the hydrogen generation reaction. Further, H 2 / C of the whole reaction was about 1.8, which was very close to the theoretical value of 2.
(水蒸気導入の影響)
(実験例8)
実験例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、実験例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。
(Influence of water vapor introduction)
( Experimental example 8)
In Experimental Example 1, use of coconut husk activated carbon, and heating up to 600 ° C. in an Ar atmosphere, with or without introducing water vapor from 600 ° C. The experiment was conducted by the same procedure as in Experimental Example 1 except that the measurement was performed until no more was observed. The results are shown in FIG.
図24に示すように、水蒸気を導入した場合も全く導入しなかった場合も、反応温度600℃で約300分の間にわたり水素を生成したことを確認した。また、水蒸気を導入した場合も全く導入しなかった場合も、時間の経過に従って水素生成速度が次第に低下したが、水蒸気を導入した場合は、水蒸気導入後約80分から約180分の間で、水素生成速度が著しく上昇した。一方、水蒸気を全く導入しなかった場合は、このような上昇は見られなかった。 As shown in FIG. 24, it was confirmed that hydrogen was generated at a reaction temperature of 600 ° C. for about 300 minutes with or without introduction of water vapor. In addition, in the case where water vapor was introduced or not introduced at all, the hydrogen production rate gradually decreased with the passage of time. However, when water vapor was introduced, hydrogen was introduced between about 80 minutes and about 180 minutes after the introduction of water vapor. The production rate increased significantly. On the other hand, such an increase was not observed when no water vapor was introduced.
また、表2に示すように、水蒸気を全く導入しなかった場合の水素生成量は、水蒸気を導入した場合に比べて、26.6%も低かった。これは、水蒸気を導入することで、上記の式3に示すように、水蒸気がNa2Oと反応してNaOHを再生することにより、水素生成が促進されるためであると考えられる。なお、水蒸気を導入した場合のNaOH消費量は、上記の式4に基づいて算出したものであり、水蒸気を全く導入しなかった場合のNaOH消費量は、上記の式1に基づき算出したものである。よって、表2に示すように、水蒸気を導入した場合のNaOH消費量は約65%であったのに対し、水蒸気を導入しなかった場合のNaOH消費量は約95%と高い値を示した。
Further, as shown in Table 2, the amount of hydrogen produced when no steam was introduced was 26.6% lower than when steam was introduced. This is presumably because the introduction of water vapor promotes hydrogen production by reacting the water vapor with Na 2 O to regenerate NaOH as shown in
(実験例9)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 9)
In Experimental Example 1, coconut shell activated carbon was used, and when the temperature was raised to 600 ° C. under an Ar atmosphere and steam was introduced after the temperature was raised to 600 ° C. and when steam was introduced after reacting at 600 ° C. for 200 minutes. The experiment was conducted by the same procedure as in Experimental Example 1 except that the measurement was performed until no hydrogen generation was observed from the temperature raising process (100 ° C. to 600 ° C.). The results are shown in FIG.
図25に示すように、600℃昇温後に水蒸気を導入した場合も600℃で200分反応した後に水蒸気を導入する場合も、600℃昇温直後の水素生成速度が最も高く、時間の経過に従って水素生成速度は次第に低下した。600℃昇温後に水蒸気を導入する場合は、水蒸気導入後約80分から約180分の間で、水素生成速度が著しく上昇した。また、200分反応後に水蒸気を導入した場合は、水蒸気を導入する前では水素生成速度の上昇は見られなかったものの、水蒸気を導入した後約60分から約180分の間で、水素生成速度が著しく上昇した。 As shown in FIG. 25, both when the steam was introduced after the temperature was raised to 600 ° C. and when the steam was introduced after reacting at 600 ° C. for 200 minutes, the hydrogen production rate immediately after the temperature rise was 600 ° C. was the highest. The hydrogen production rate gradually decreased. When water vapor was introduced after the temperature was raised to 600 ° C., the hydrogen production rate increased significantly between about 80 minutes and about 180 minutes after the introduction of the water vapor. In addition, when water vapor was introduced after the reaction for 200 minutes, the hydrogen production rate was not increased before the introduction of water vapor, but the hydrogen production rate was about 60 minutes to about 180 minutes after the water vapor was introduced. It rose significantly.
また、表3に示すように、600℃昇温後に水蒸気を導入した場合も、600℃で200分反応した後に水蒸気を導入する場合も、反応完了後の水素生成量、メタン生成量、炭素消費率、NaOH消費率、H2/Cはほぼ同じ値であった。 Moreover, as shown in Table 3, both when the steam is introduced after the temperature is raised to 600 ° C. and when the steam is introduced after reacting at 600 ° C. for 200 minutes, the hydrogen production amount, the methane production amount, the carbon consumption after the completion of the reaction. Rate, NaOH consumption rate, and H 2 / C were almost the same value.
(バイオマス資源からの水素生成)
(実験例10)
実験例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、実験例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。
(Hydrogen production from biomass resources)
( Experimental example 10)
In Experimental Example 1, in place of 0.10 g (8.3 mmol) of activated carbon (W), D-glucose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), sucrose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), cellulose (manufactured by Aldrich) ) Was used in such a weight that the carbon content in the sample was 0.20 g (16.7 mmol), 1.33 g (33.3 mmol) of NaOH was used, no water vapor was introduced, and an Ar atmosphere. Example 1 except that the temperature was raised to 600 ° C. at a substantially constant rate of temperature increase (1.9 ° C./min) and the temperature was measured between 100 ° C. and 600 ° C. The experiment was conducted according to the same procedure. The results are shown in FIG.
図26に示すように、グルコース、スクロース、セルロースの全ての糖類において、約250℃〜約350℃と低い温度範囲で優れた水素生成速度を示すことを確認した。スクロースは約175℃の低温でも水素を生成した。セルロースは約250℃の低温で高い水素生成速度を示した。グルコースはこれら糖類の中で水素生成量が最も多かった。なお、メタンが比較的に多く生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。 As shown in FIG. 26, it was confirmed that all saccharides of glucose, sucrose, and cellulose exhibited an excellent hydrogen generation rate in a low temperature range of about 250 ° C. to about 350 ° C. Sucrose produced hydrogen even at a low temperature of about 175 ° C. Cellulose exhibited a high hydrogen production rate at a low temperature of about 250 ° C. Glucose produced the largest amount of hydrogen among these sugars. In addition, although a relatively large amount of methane was produced, no production of CO and CO 2 was observed.
(実験例11)
実験例10において、100℃で水蒸気を導入したこと以外は、実験例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。
( Experimental example 11)
In Experimental Example 10, the experiment was performed in the same procedure as in Experimental Example 10 except that water vapor was introduced at 100 ° C. The results are shown in FIG.
図27に示すように、水蒸気を導入した場合も、導入しない場合と同様に、グルコース、スクロース、セルロースの全ての糖類において、約250℃〜約350℃と低い温度範囲で優れた水素生成速度を示すことを確認した。水蒸気を導入した場合は、セルロースの水素生成量が最も多かった。なお、水蒸気を導入した場合は、水蒸気を導入しなかった場合と比べて、約350℃〜約450℃の温度範囲で水素生成速度が上昇した。 As shown in FIG. 27, when water vapor is introduced, as in the case where water vapor is not introduced, all saccharides of glucose, sucrose, and cellulose have excellent hydrogen generation rates in a low temperature range of about 250 ° C. to about 350 ° C. Confirmed to show. When steam was introduced, the hydrogen production amount of cellulose was the largest. In addition, when water vapor | steam was introduce | transduced, compared with the case where water vapor | steam was not introduce | transduced, the hydrogen production rate rose in the temperature range of about 350 degreeC-about 450 degreeC.
(実験例12)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 12)
In Experimental Example 11, an experiment was performed in the same procedure as Experimental Example 11 except that lignin (manufactured by Aldrich) and starch (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were used. The results are shown in FIGS. 28 and 29 and Table 6.
図28に示すように、糖類であるデンプンは、上記のグルコースと同様に約200℃〜約350℃と低い温度範囲で優れた水素生成速度を示すことを確認した。一方、リグニンは、これら糖類とは異なり、約400℃以上で優れた水素生成速度を示した。なお、図29に示すように、デンプンおよびリグニンは、メタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。 As shown in FIG. 28, it was confirmed that starch, which is a saccharide, exhibits an excellent hydrogen production rate in a low temperature range of about 200 ° C. to about 350 ° C., similar to the above glucose. On the other hand, lignin, unlike these saccharides, showed an excellent hydrogen production rate at about 400 ° C. or higher. As shown in FIG. 29, in the starch and lignin, methane was produced in a trace amount, but no production of CO and CO 2 was observed.
(実験例13)
実験例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、実験例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、比較のために実験例10のセルロースを併記した。
( Experimental example 13)
In
図30に示すように、セルロース製品である脱脂綿および和紙は、セルロースと同様に約250℃〜約350℃と低い温度範囲で優れた水素生成速度を示すことを確認した。図31に示すように、脱脂綿および和紙も、メタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。また、脱脂綿および和紙の水素とメタンの各生成量は、図32に示すように、セルロースとほぼ同様の値であった。 As shown in FIG. 30, it was confirmed that the absorbent cotton and Japanese paper, which are cellulosic products, exhibited excellent hydrogen generation rates in a low temperature range of about 250 ° C. to about 350 ° C. as in the case of cellulose. As shown in FIG. 31, absorbent cotton and Japanese paper also produced trace amounts of methane, but no CO or CO 2 was observed. Moreover, as shown in FIG. 32, the production amounts of hydrogen and methane of absorbent cotton and Japanese paper were almost the same as those of cellulose.
(実験例14)
実験例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、実験例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、実験例13の水蒸気を導入しなかった場合についても併記した。
( Experimental example 14)
The paper of Example 13, except that was measured by introducing steam from 100 ° C., an experiment was conducted by a procedure similar to that of Example 13. The results are shown in FIG. 33 and Table 7. In the figure and table, for comparison, the case of not introducing the water vapor in Experimental Example 13 is also shown.
図33に示すように、水蒸気を導入した場合は、約280℃〜約300℃付近で水素生成速度が若干低下したものの、約220℃〜約350℃の温度範囲で優れた水素生成速度を示した。また、約400℃〜約450℃の温度範囲で再び水素生成速度が増大した。なお、水蒸気を導入しなかった場合は、反応後に若干炭素が残留したが、水蒸気を導入した場合は、炭素らしき黒色物はなく、Na2CO3の白色物のみが残った。表7に示すように、水蒸気を導入した場合は、水蒸気を導入しなかった場合に比べて、水素生成量が増加した。よって、水蒸気を導入した場合、残留した未反応の炭素が再び反応し、水素を生成したものと考えられる。 As shown in FIG. 33, when water vapor is introduced, the hydrogen production rate is slightly reduced at about 280 ° C. to about 300 ° C., but an excellent hydrogen production rate is exhibited in the temperature range of about 220 ° C. to about 350 ° C. It was. In addition, the hydrogen production rate increased again in the temperature range of about 400 ° C to about 450 ° C. When water vapor was not introduced, some carbon remained after the reaction. However, when water vapor was introduced, there was no black material that appeared to be carbon, and only a white material of Na 2 CO 3 remained. As shown in Table 7, when water vapor was introduced, the amount of hydrogen generation increased compared to the case where water vapor was not introduced. Thus, when water vapor is introduced, the remaining unreacted carbon reacts again to generate hydrogen.
(実験例15)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 15)
In Experiment 11, rice straw, except that cedar, bamboo, assuming the sample is composed of all cellulose was used the amount of carbon content is 0.20 g (16.7 mmol), Experiment The experiment was conducted according to the same procedure as in No.11. The results are shown in FIG. 34 and Table 8.
木質バイオマスの主成分はセルロースであるが、その他の成分としてリグニンも多く含んでいる。一般にリグニンの含有率は、木材が約18〜36wt%、草木が15〜25wt%である。よって、図34に示すように、木質バイオマスである稲わら、杉および竹は、セルロースと同様に約250℃〜約350℃と低い温度範囲で優れた水素生成速度を示すとともに、リグニンと同様に約400℃以上の温度範囲でも優れた水素生成速度を示した。また、これら木質バイオマスも、メタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。 The main component of woody biomass is cellulose, but it also contains a lot of lignin as other components. In general, the content of lignin is about 18 to 36 wt% for wood and 15 to 25 wt% for plants. Therefore, as shown in FIG. 34, the woody biomass of rice straw, cedar and bamboo shows an excellent hydrogen generation rate in a low temperature range of about 250 ° C. to about 350 ° C. as in the case of cellulose, and similarly to lignin. An excellent hydrogen production rate was exhibited even in a temperature range of about 400 ° C. or higher. These woody biomass also produced a small amount of methane, but no CO or CO 2 was produced.
(実験例16)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 16)
In Experimental Example 10, newspaper (commercially available) was used in an amount of 0.20 g (16.7 mmol) of carbon, assuming that the sample was composed entirely of cellulose, and from 100 ° C. to water vapor. The experiment was performed according to the same procedure as in Experimental Example 10 except that the measurement was carried out in the case where no water vapor was introduced and the case where no water vapor was introduced. The results are shown in FIG. 35 and Table 9.
図35に示すように、セルロース製品である新聞紙は、セルロースと同様に約250℃〜約350℃と低い温度範囲で優れた水素生成速度を示すことを確認した。また、新聞紙も、メタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。 As shown in FIG. 35, it was confirmed that the newspaper, which is a cellulose product, showed an excellent hydrogen production rate in a low temperature range of about 250 ° C. to about 350 ° C., similar to cellulose. In addition, the newspaper also produced a small amount of methane, but no CO or CO 2 was produced.
(実験例17)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 17)
The paper of Example 13, except that measured in the case of adding the case and NaOH without the addition of NaOH at all, an experiment was conducted by a procedure similar to that of Example 13. The results are shown in FIGS. 36 and 37.
NaOHを全く添加しなかった場合は、図36に示すように、300〜350℃付近でCOおよびCO2が生成し、和紙の熱分解が開始したことを確認した。また、この温度付近から、トラップ装置5で水が捕捉され、かつ反応管3の出口付近に黄褐色の液体(タール)が付着したことから、水蒸気およびタールが生成したことも確認した。また、水素は、約500℃で微量(約0.4μmol/min)に生成した。一方、NaOHを添加した場合は、図37に示すように、250〜400℃付近で優れた水素生成速度を示すとともに、COおよびCO2の生成は見られなかった。また、タールの付着も見られなかったことから、NaOHを添加した場合は、和紙の熱分解ではなく、NaOHと和紙との反応によって水素が生成したものと考えられる。
When no NaOH was added at all, as shown in FIG. 36, it was confirmed that CO and CO 2 were generated at around 300 to 350 ° C., and thermal decomposition of the Japanese paper started. Moreover, since water was trapped by the
(合成高分子化合物からの水素生成)
(実験例18)
実験例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、実験例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。
(Hydrogen generation from synthetic polymer compounds)
( Experiment 18)
In Experimental Example 1, instead of 0.10 g (8.3 mmol) of activated carbon (W), polyethylene terephthalate (commercial product, hereinafter abbreviated as PET), polycarbonate (commercial product, hereinafter abbreviated as PC), carbon in the sample The amount used was 0.20 g (16.7 mmol), the use of 1.33 g (33.3 mmol) of NaOH, no introduction of water vapor, and almost 600 ° C. under Ar atmosphere. The experiment was conducted in the same procedure as in Experimental Example 1 except that the temperature was raised at a constant rate of temperature increase (1.9 ° C./min) and the measurement was performed between 100 ° C. and 600 ° C., which is the temperature raising process. went. The results are shown in FIGS. 38 and 39.
図38に示すように、PET、PCの両プラスチックにおいて、優れた水素生成速度を示すことを確認した。PETでは、約250℃の低温で水素が生成し、約300℃で最も高い水素生成速度を示した。また、PCでは、約475℃の高温で水素が生成し、約500℃で最も高い水素生成速度を示した。また、PET、PCの両プラスチックにおいて、水素の他、メタンが微量に生成したが、COおよびCO2の生成は見られなかった。図39に示すように、PETに比べてPCの方が、水素生成量が多かった。 As shown in FIG. 38, it was confirmed that both PET and PC plastics showed excellent hydrogen production rates. PET produced hydrogen at a low temperature of about 250 ° C., and showed the highest hydrogen production rate at about 300 ° C. In addition, PC produced hydrogen at a high temperature of about 475 ° C., and showed the highest hydrogen production rate at about 500 ° C. In both PET and PC plastics, a small amount of methane was produced in addition to hydrogen, but no production of CO and CO 2 was observed. As shown in FIG. 39, the amount of hydrogen produced by PC was larger than that by PET.
また、PETおよびPCの両プラスチックにおいて、総水素生成量および総メタン生成量を調べるために、温度を600℃に維持したまま、水素の生成が見られなくなるまで測定を行った。その結果を図40および図41に示す。図40に示すように、PET、PCともに、600℃に達した(図中、約260分の時点)後、時間の経過に従って、水素生成速度は次第に低下した。また、図41に示すように、総水素生成量は、PETが約7mmolであったの対して、PCは約20mmolと非常に多くの水素を得ることができた。 Further, in order to examine the total hydrogen production amount and the total methane production amount in both PET and PC plastics, measurement was performed until no hydrogen production was observed while maintaining the temperature at 600 ° C. The results are shown in FIGS. 40 and 41. As shown in FIG. 40, after both PET and PC reached 600 ° C. (in the figure, about 260 minutes), the hydrogen production rate gradually decreased with the passage of time. Further, as shown in FIG. 41, the total amount of hydrogen generated was about 7 mmol for PET, whereas about 20 mmol for PC was able to obtain a very large amount of hydrogen.
(触媒による水素生成反応の促進)
(実験例19)
実験例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、実験例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。
(Promotion of hydrogen production reaction by catalyst)
( Experimental example 19)
Carbon black (0.100 g) was used instead of the activated carbon of Experimental Example 1, 0.025 g of a metal catalyst of iron, nickel, ruthenium, platinum, and rhodium was added as a catalyst, and the temperature was raised to 500 ° C. and, by introducing steam after reaching the temperature of 500 ° C., was measured at a
図42および図43に示すように、金属触媒を用いたものは、触媒を添加しなかった場合に比べて、水素生成速度および水素生成量が著しく向上した。特に、温度600℃で飛躍的な向上を示した。これら金属触媒の中でもルテニウムが最も優れた水素生成速度および水素生成量を示した。 As shown in FIGS. 42 and 43, in the case of using the metal catalyst, the hydrogen generation rate and the hydrogen generation amount were remarkably improved as compared with the case where the catalyst was not added. In particular, a dramatic improvement was shown at a temperature of 600 ° C. Of these metal catalysts, ruthenium showed the most excellent hydrogen production rate and hydrogen production.
(実験例20)
実験例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、実験例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。
( Experiment 20)
Instead of the metal catalyst of Experimental Example 19, magnesium oxide, aluminum oxide, silicon dioxide, calcium oxide, titanium dioxide, vanadium pentoxide, chromium trioxide, manganese dioxide, triiron tetroxide, zinc oxide, zirconium dioxide, molybdenum trioxide The experiment was conducted in the same procedure as in Experimental Example 19 except that 0.025 g of a metal oxide catalyst of lanthanum oxide, cerium oxide, and praseodymium oxide was added. The results are shown in FIGS. 44 and 45. In addition, in the figure, in order to compare the effect of the metal oxide catalyst, the result of not adding the catalyst is also shown.
図44および図45に示すように、金属酸化物触媒を用いたものは、触媒を添加しなかった場合に比べて、水素生成速度および水素生成量が著しく向上した。特に、温度600℃で飛躍的な向上を示した。これら金属触媒の中でも酸化アルミニウムが最も優れた水素生成速度および水素生成量を示した。 As shown in FIGS. 44 and 45, those using a metal oxide catalyst significantly improved the hydrogen generation rate and the amount of hydrogen generation compared to the case where no catalyst was added. In particular, a dramatic improvement was shown at a temperature of 600 ° C. Among these metal catalysts, aluminum oxide showed the best hydrogen production rate and hydrogen production.
(実験例21)
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。
( Experimental example 21)
First, aluminum oxide is immersed in an aqueous solution containing nickel metal ions, dried, calcined at 600 ° C. in air, and subjected to hydrogen reduction treatment at 500 ° C., whereby a catalyst in which nickel metal is supported on aluminum oxide (Ni / Al 2 O 3 ) was obtained. The metal loading was 20% by weight.
次に、実験例1において、活性炭(W)に代えて、セルロース(Aldrich社製)を0.45g(セルロース中の炭素分は16.7mmol)使用したこと、NaOHを1.33g(33.3mmol)使用したこと、Ni/Al2O3触媒を0.18g使用したこと、Arおよび水蒸気(40.0および9.4ml/min、101kPa)雰囲気下で100℃から600℃までほぼ一定の温度上昇速度(2℃/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、実験例1と同様の手順により実験を行った。その結果を図46に示す。図中、本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。 Next, in Experimental Example 1, instead of activated carbon (W), 0.45 g of cellulose (manufactured by Aldrich) was used (carbon content in cellulose was 16.7 mmol), 1.33 g (33.3 mmol) of NaOH. ) Used, 0.18 g of Ni / Al 2 O 3 catalyst, almost constant temperature increase from 100 ° C. to 600 ° C. under Ar and water vapor (40.0 and 9.4 ml / min, 101 kPa) atmosphere The experiment was performed in the same procedure as in Experimental Example 1 except that the temperature was increased at a rate (2 ° C./min) and the measurement was performed between 100 ° C. and 600 ° C., which is the temperature increasing process. The result is shown in FIG. In the figure, in order to compare the effect of this catalyst, the result of not adding the catalyst is also shown.
図46に示すように、Ni/Al2O3触媒を使用した場合は、触媒を使用しなかった場合に比べて、水素生成速度が著しく向上した。さらに、触媒を使用しなかった場合は、350〜500℃でメタンが微量(約400℃で約100μmol/min)生成したが、Ni/Al2O3触媒を使用した場合は、600℃まで昇温してもメタンの生成は確認されなかった。 As shown in FIG. 46, when the Ni / Al 2 O 3 catalyst was used, the hydrogen generation rate was remarkably improved as compared with the case where the catalyst was not used. Further, when the catalyst was not used, a small amount of methane was produced at 350 to 500 ° C. (about 100 μmol / min at about 400 ° C.), but when the Ni / Al 2 O 3 catalyst was used, the temperature increased to 600 ° C. Methane formation was not confirmed even when heated.
(実験例22)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 22)
In Experimental Example 21, an experiment was performed in the same procedure as in Experimental Example 21, except that each catalyst in which cobalt, iron, copper, rhodium, ruthenium, platinum, and palladium were supported on aluminum oxide was used instead of nickel. . The results are shown in FIGS. 47 and 48. Note that the amount of metal supported was 20% by weight.
図47および図48に示すように、上記の金属を酸化アルミニウムに担持した各触媒を使用した場合は、触媒を使用しなかった場合に比べて、水素生成速度が向上することが確認できた。また、これらのどの触媒を使用した場合でも、実験例21と同様にメタンの生成は確認されなかった(図示省略)。 As shown in FIG. 47 and FIG. 48, it was confirmed that the hydrogen production rate was improved when each catalyst having the above metal supported on aluminum oxide was used as compared with the case where no catalyst was used. Further, in any case where any of these catalysts was used, methane formation was not confirmed as in Experimental Example 21 (not shown).
さらに、得られた水素生成量についても比較を行った。上記式6に示した反応式が完全に進行した際に得られる水素収率を100%とすると、得られる水素生成量は33.3mmolとなるはずである。触媒を使用しなかった場合の水素生成量は20.7mmolであったので、水素収率は62%であった。一方、図49に示すように、金属を酸化アルミニウムに担持した上記の各触媒を用いた場合は、水素収率が62%よりも向上した。特に、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウムを酸化アルミニウムに担持した触媒ではほぼ100%の水素収率が得られた。
Furthermore, the obtained hydrogen production amount was also compared. Assuming that the hydrogen yield obtained when the reaction formula shown in
(実験例23)
実験例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、実験例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。
( Experimental example 23)
In Experimental Example 21, the experiment was performed in the same procedure as in Experimental Example 21 except that each catalyst in which nickel was supported on titanium dioxide, chromium trioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, or silicon dioxide was used instead of aluminum oxide. went. The result is shown in FIG. Note that the amount of metal supported was 20% by weight.
図50に示すように、担体として、酸化アルミニウムの他、上記の金属酸化物を使用しても、ほぼ100%の水素収率を得ることができた。 As shown in FIG. 50, even when the above metal oxide was used in addition to aluminum oxide as the support, a hydrogen yield of almost 100% could be obtained.
1 マイクロフィーダ
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
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