JP5945521B2 - 水素の製造方法及び水素の製造システム - Google Patents

水素の製造方法及び水素の製造システム Download PDF

Info

Publication number
JP5945521B2
JP5945521B2 JP2013113196A JP2013113196A JP5945521B2 JP 5945521 B2 JP5945521 B2 JP 5945521B2 JP 2013113196 A JP2013113196 A JP 2013113196A JP 2013113196 A JP2013113196 A JP 2013113196A JP 5945521 B2 JP5945521 B2 JP 5945521B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen
liquid
separation membrane
gas
organic compound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013113196A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2014231461A (ja
Inventor
智史 古田
智史 古田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eneos Corp
Original Assignee
JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JXTG Nippon Oil and Energy Corp filed Critical JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Priority to JP2013113196A priority Critical patent/JP5945521B2/ja
Priority to PCT/JP2014/063103 priority patent/WO2014192562A1/ja
Publication of JP2014231461A publication Critical patent/JP2014231461A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5945521B2 publication Critical patent/JP5945521B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/26Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using catalysts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D19/00Degasification of liquids
    • B01D19/0031Degasification of liquids by filtration
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0277Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a catalytic decomposition step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405Purification by membrane separation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405Purification by membrane separation
    • C01B2203/041In-situ membrane purification during hydrogen production
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041Composition of the catalyst
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041Composition of the catalyst
    • C01B2203/1082Composition of support materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14Details of the flowsheet
    • C01B2203/148Details of the flowsheet involving a recycle stream to the feed of the process for making hydrogen or synthesis gas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Degasification And Air Bubble Elimination (AREA)

Description

本発明は、水素の製造方法及び水素の製造システムに関する。
近年、環境負荷の小さい水素を燃料とする燃料電池を、自動車等の動力源に用いることが期待されている。水素の輸送、貯蔵及び供給の過程では、下記のように、メチルシクロヘキサン等の有機ハイドライドが利用される。
例えば、水素の製造施設(太陽光発電所等)において、トルエンの水素化により、メチルシクロヘキサンを生成させる。メチルシクロヘキサンを、水素の消費地へ輸送したり、消費地で貯蔵したりする。消費地において、メチルシクロヘキサンの脱水素により、水素とトルエンとを生成させる。この水素を燃料電池へ供給する。トルエンは、水素の製造施設における水素化により、メチルシクロヘキサンとして再利用されてもよい。
上記のように、有機ハイドライドとは、脱水素化反応及び水素化反応によって水素の放出及び吸蔵を可逆的に繰り返すことが可能な有機化合物である。有機ハイドライドは、常温常圧下において液体であり、水素ガスよりも体積が小さく、水素ガスよりも反応性が低く安全である。そのため、有機ハイドライドは水素ガスの単体に比べて輸送及び貯蔵に適している。
有機ハイドライド用の脱水素触媒としては、白金‐レニウムのバイメタルをアルミナ担体に担持させた触媒が知られている(下記非特許文献1参照。)。
R.W.Coughlin, K.Kawakami, Akram Hasan, Journal of Catalysis, Vol. 88, 150‐162 (1984).
有機ハイドライドの実用化のためには、水素の回収率を向上させることが望まれる。ここで、水素の回収率とは、有機ハイドライドの脱水素化によって生成した水素全量のうち回収される水素の割合(単位:モル%等)である。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、水素の回収率を向上させることが可能な水素の製造方法及び水素の製造システムを提供することを目的とする。
本発明に係る水素の製造方法の一態様は、有機ハイドライドの脱水素化により水素及び有機化合物を生成させる第一工程と、有機化合物の液体中に溶存する水素を液体から分離する第二工程と、を備え、第二工程において、上記液体及び上記液体中に溶存する水素のうち水素を選択的に透過させる分離膜により、水素を前記液体から分離する
本発明に係る水素の製造方法の一態様では、第一工程で生成した水素、及び第二工程で上記液体から分離された水素は、燃料電池の燃料として用いられてもよい。
本発明に係る水素の製造方法の一態様では、分離膜における水素の透過係数が、30℃において4.0×10−9[mol・m/(m・s・Pa)]以上であることが好ましい。
本発明に係る水素の製造方法の一態様では、分離膜は上記液体に不溶であることが好ましい。
本発明に係る水素の製造システムの一態様は、有機ハイドライドの脱水素化により水素及び有機化合物を生成させる脱水素反応器と、有機化合物の液体中に溶存する水素を液体から分離する気液分離器と、を備え、気液分離器が、上記液体及び上記液体中に溶存する水素のうち水素を選択的に透過させる分離膜を有する
本発明に係る水素の製造システムの一態様は、燃料電池の燃料として用いられる水素を製造するためのものであってよい。
本発明に係る水素の製造システムの一態様では、分離膜における水素の透過係数は、30℃において4.0×10−9[mol・m/(m・s・Pa)]以上であることが好ましい。
本発明に係る水素の製造システムの一態様では、分離膜は上記液体に不溶であることが好ましい。
本発明によれば、水素の回収率を向上させることが可能な水素の製造方法及び水素の製造システムが提供される。
図1は、本発明に係る水素の製造方法(水素の製造システム)の一実施形態を示す模式図である。 図2a及び図2bは、本発明に係る水素の製造方法の一実施形態が備える第二工程を示す模式図である。
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は下記実施形態に何ら限定されるものではない。
本実施形態に係る水素の製造方法は、有機ハイドライドの脱水素化により水素を生成させる第一工程と、脱水素化によって生成した有機化合物の液体中に溶存する水素(水素ガス)を液体から分離する第二工程と、を備える。
有機ハイドライドとしては、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、デカリン、1−メチルデカリン、2−メチルデカリン及び2−エチルデカリンからなる群より選ばれる1種又は複数種を用いればよい。なお本発明において、「脱水素化によって生成した有機化合物」とは、有機ハイドライドの脱水素化物(芳香族炭化水素、又は不飽和環式炭化水素、等)であり、常温(約15℃)において液体である。有機ハイドライドの脱水素化物としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、テトラリン、ナフタレン、メチルナフタレン及びエチルナフタレンからなる群より選ばれる少なくとも一種が挙げられる。例えば、有機ハイドライドがメチルシクロヘキサンである場合、「脱水素化によって生成した有機化合物」とはトルエンである。
本実施形態では、図1、図2a及び図2bに示す水素の製造システム100を用いて、水素を製造する。なお、水素の製造システム100とは、例えば燃料電池車に燃料として水素ガスを供給するための水素ステーションにおける水素製造システムである。
第一工程では、有機ハイドライドを脱水素反応器2内へ供給する。脱水素反応器2内には脱水素触媒がある。脱水素反応器内は還元雰囲気である。脱水素反応器2内において有機ハイドライドが脱水素触媒に接触すると、脱水素化反応が起こり、少なくとも一対の水素原子が有機ハイドライドから引き抜かれ、水素分子と、芳香族炭化水素等の有機化合物と、が生成する。このように、脱水素化反応は気相反応である。
第一工程で用いる脱水素触媒としては、例えば、担体と、担体に担持された活性金属と、を備える触媒を用いればよい。担体としては、例えば、アルミナ(Al)、シリカ(SiO)、チタニア(TiO)及び炭素(活性炭)からなる群より選ばれる一種又は複数種を用いればよい。アルミナとしては、γ−アルミナ、α−アルミナ、δ−アルミナ、θ−アルミナ又はアルマイトを用いればよい。活性金属としては、例えば、プラチナ(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)及びレニウム(Re)からなる群より選ばれる一種又は複数種を用いればよい。
脱水素触媒としては、γ−アルミナと、γ−アルミナに担持されたプラチナと、第3族金属と、を備える触媒が好ましい。この脱水素触媒は、特に脱水素活性に優れ、また脱水素反応に伴って経時的に失活し難いからである。第3族金属としては、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド及びアクチノイドから選ばれる一種又は複数種を用いればよい。ランタノイドとしては、例えば、ランタン(La)又はセリウム(Ce)が挙げられる。これらの第3族金属のうち、セリウムが最も好ましい。脱水素触媒は、セリウムを含むことにより、顕著に高い脱水素活性を有することができる。
脱水素化反応の生成物(水素分子及び有機化合物)は、脱水素反応器2から第一気液分離器4内へ供給される。第一気液分離器4内の温度は、有機化合物の融点以上有機化合物の沸点未満であり、常温(約15℃)であることが好ましい。例えば、有機化合物がトルエンである場合、第一気液分離器4内の温度は−94.97〜110.63℃程度であってもよく、15℃であってもよい。また、第一気液分離器4内の圧力は常圧(略大気圧)である。したがって、第一気液分離器4内の水素分子は気体であり、第一気液分離器4内の有機化合物は液体である。つまり、第一気液分離器4内において、脱水素化反応の生成物は、水素ガス(気相、気層)と、有機化合物の液体(液相、液層)と、に分離する。気相には、微量の有機化合物の蒸気が混入している。気相における有機化合物の分圧は最大で有機化合物の飽和蒸気圧程度である。一方、液相には、脱水素化によって生成した水素の一部(微量の水素分子)が溶存している。また、液相には、脱水素化されなかった有機ハイドライドが残存していてもよい。第一気液分離器4内の気相(水素ガス)は水素精製装置6へ供給される。第一気液分離器4内の液相(有機化合物の液体)は第二気液分離器へ供給される。以下では、第二気液分離器を脱気装置8と記す。
脱気装置8を用いて第二工程を実施する。図2aに示すように、脱気装置8は、チャンバー20と、チャンバー20内に配置された複数の分離膜22と、を備える。各分離膜22は中空糸(管)である。複数の分離膜22は束ねられている。図2bは、図2aの脱気装置8が備える分離膜22の部分bにおける、分離膜22の長手方向に平行な断面図である。
分離膜22が中空糸状であることにより、分離膜22の単位容積当たりの表面積が、平坦な炭素膜に比べて増加するため、分離膜22の水素の分離能が向上する。また、中空糸状の分離膜22は耐圧性に優れるので、圧力差による気液分離に適している。さらに、中空糸状の分離膜22は加工しやすく、その単位容積当たりの表面積が大きい。したがって、中空糸状の分離膜22を用いることにより、小型で分離能に優れた脱気装置8を製造することが可能となる。
チャンバー20の内部は、真空ポンプ10によって脱気され、減圧される。チャンバー20の内部と各分離膜22の内側とは、各分離膜22によって隔てられている。第一気液分離器4から供給された有機化合物の液体は、各分離膜22の一方の端部から各分離膜22の内側へ導入される。各分離膜22には、分離膜22を厚さ方向に貫通する無数の細孔が形成されている。その細孔径は、複数の原子からなる分子のうち水素分子を選択的に透過させる程度に小さい。したがって、分離膜22の内側に導入された有機化合物の液体と当該液体中に溶存する水素分子のうち水素分子のみが、分離膜22の内側とチャンバー20の内部との圧力差に駆動されて、分離膜22を透過し、チャンバー20の内部へ移動する。分離膜22の内側からチャンバー20内へ移動した水素分子(水素ガス)は、真空ポンプ10を介して、低圧コンプレッサー12へ供給され、圧縮される。低圧コンプレッサー12で圧縮された水素ガスは、高圧コンプレッサー14において更に圧縮された後、燃料電池の燃料として用いられる。一方、分離膜22の内側にある有機化合物の液体は各分離膜22を透過することができない。したがって、分離膜22内の有機化合物の液体は、水素分子が分離された後、各分離膜22の他方の端部から脱気装置8の外へ排出され、タンク16内へ供給される。タンク16内の有機化合物は、水素化されることにより、有機ハイドライドとして再利用されてもよい。以上の方法により、水素分子が液相(有機化合物の液体)から分離される。
上記の第二工程では、有機化合物の液体自体は常温及び常圧(略大気圧)の雰囲気下にあるが、分離膜22の内側とチャンバー20の内部との圧力差によって、水素分子の分離(液体の脱気)を進行させることができる。つまり第二工程では、有機化合物の液体自体の加熱及び加圧を行うことなく、緩和な条件下で、水素分子を有機化合物の液体から効率的に分離することが可能である。
仮に、分離膜22ではなく、窒素ガス等の水素以外のガスを用いた有機化合物のdegas(purge又はbubbling等)によって水素分子を有機化合物の液体から分離する場合、分離された水素ガス中に他のガスが混入してしまう。その結果、最終的に製造される水素ガスの純度が低下する。この方法で製造された水素ガスは、極めて高い純度(例えば99.99〜99.9999mol%)が要求される燃料電池用の燃料としては利用困難である。そもそも、degasは、その対象物(有機化合物の液体)から不純物(ガス)を除去することを本来の目的とする方法であるので、degasによって特定のガス(水素分子)のみを選択的に回収してガスの純度を高めることは困難である。また、仮に窒素ガス等の他のガスを用いたdegasを行う場合、degasによって回収された水素ガスから他のガスを分離するための工程が更に必要となり、水素ガスの製造コストが増加してしまう。
分離膜22における水素分子の透過係数が大きいほど、水素分子の分離に要する分離膜の面積、時間及び圧力差を低減することが可能である。つまり、透過係数が大きいほど、より多量の水素分子を有機化合物の液体から分離し、水素の回収率を顕著に向上させることが可能である。分離膜22における水素分子の透過係数は、30℃において、4.0×10−9〜1.0×10−5[mol・m/(m・s・Pa)]であればよい。このような透過係数を有する分離膜22を用いることにより、水素分子を効率的に有機化合物の液体から分離することが可能となる。ただし、透過係数が上記範囲外であったとしても、本発明の効果は達成可能である。
分離膜22は、有機化合物の液体に不溶であることが好ましい。この場合、第二工程において分離膜22が劣化し難く、分離膜22における水素分子の選択的分離能が維持され易い。例えば、有機ハイドライドとしてメチルシクロヘキサンを用いる場合、分離膜22は、メチルシクロヘキサンの脱水素化によって生成するトルエンに対して不溶であることが好ましい。なお、分離膜22の劣化とは、分離膜22が有機化合物によって溶解し、分離膜22を貫通する細孔の径が大きくなり、水素分子よりも大きい有機化合物の分子も分離膜22を透過してしまうことを意味する。つまり、分離膜が有機化合物に溶解すると、分離膜の水素の分離能が低下する。
分離膜22をその厚さ方向に貫通する細孔の径は、分子径の最大値が0.289nmである水素分子を透過させ、水素分子よりも分子径が大きい有機化合物(例えば分子径が0.585nmであるトルエン)を透過させない程度の大きさであればよい。したがって、細孔径は、例えば、0.25〜0.5nmであってよく、0.25〜0.3nmであってもよく、0.3〜0.5nmであってもよい。下記のような分子径の異なる複数の分子を用いて、分離膜22における各分子の透過度(分離膜22を透過した分子のモル数)を測定したとき、透過度(モル数)が検出限界値以上である分子の分子径の上下限値が、分離膜22の細孔径の上下限値にほぼ対応する。細孔径の平均値は、例えば、各分子の透過度の測定値に基づく各分子の分子径の加重平均値であってもよく、細孔径の分布曲線における細孔数の積分値が50%となる細孔径(d50)であってもよい。
He(単原子分子径:0.26nm)
(分子径:0.289nm)
CO(分子径:0.33nm)
(分子径:0.346nm)
(分子径:0.364nm)
CH(分子径:0.38nm)
トルエン(分子径:0.585nm)
分離膜22の厚みは、5〜100μmであればよい。これにより分離膜22の十分な機械的強度と優れた水素の分離能とが両立し易くなる。
30℃における水素分子の透過係数が4.0×10−9[mol・m/(m・s・Pa)]以上であり、且つ細孔径が約0.5nm以下であり、且つ有機化合物の液体に不溶である分離膜22としては、フッ素樹脂膜、シリカ膜、ゼオライト膜又は炭素膜を用いればよい。これらの分離膜は、水素の分離能に優れると共に、有機化合物に溶解し難いため、分離膜の小さな孔径が維持され、分離膜の水素の分離能が経時的に低下し難い。
フッ素樹脂膜としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)及びETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)からなる群より選ばれる少なくとも一種又は複数種から構成される膜を用いればよい。これらのフッ素樹脂膜の中でも、PFAから構成される膜が好ましい。PFA膜は、有機化合物中に溶存した水素を選択的に透過させ、且つ有機化合物を透過させない機能において、特に優れている。またPFA膜は、フッ素樹脂膜の中でも特にトルエン等の有機化合物に溶解し難いため、PFA膜の小さな孔径が維持され、PFA膜の水素の分離能が経時的に低下し難い。ゼオライト膜としては、八員環構造を有するゼオライトから構成される膜が好ましく、チャバサイト型ゼオライトから構成される膜が特に好ましい。炭素膜としては、特に限定されない。例えば、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンオキシド)誘導体等の有機高分子の不融化(加熱による架橋)及び焼成(炭化)によって生成した炭素から構成される膜を分離膜22として用いてよい。中空糸状の分離膜22は、上記の組成物又はその原料の押出し成形工程、又は型を用いた成形工程を経て製造される。
第一気液分離器4から水素精製装置6へ供給された水素ガスは、水素精製装置6において精製される。水素精製装置6は、例えば、外筒(チャンバー)と、チャンバー内に配置された複数の中空糸状の炭素膜と、を備える。複数の炭素膜は束ねられている。チャンバーの内部と各炭素膜の内側とは、各炭素膜によって隔てられている。水素ガスは、第一気液分離器4から水素精製装置6のチャンバーの内部に導入される。各炭素膜の内側は、各炭素膜の一方の端部から、真空ポンプによって脱気され、減圧される。炭素膜には、炭素膜を厚さ方向に貫通する無数の細孔が形成されている。その細孔径は、複数の原子からなる分子のうち水素分子のみを透過させる程度に小さい。したがって、チャンバー内の水素分子は、チャンバーの内部と炭素膜の内側との気圧差に駆動されて、炭素膜の外側から内側へ移動する。チャンバーの内部から炭素膜の内側へ移動した水素ガスは、高圧コンプレッサー14において圧縮された後、燃料電池の燃料として用いられる。一方、チャンバー内の水素ガス中の有機化合物(有機ハイドライドを含む。)は、各炭素膜を透過することができない。なお、チャンバー内には、気相(非透過ガス)として、有機化合物のみならず、炭素膜を透過しなかった微量の水素が残存していることがある。したがって、チャンバー内の気相に残存した水素を回収するために、チャンバー内に残存した気相を、有機ハイドライドと共に脱水素反応器2内へ供給してもよい。または、チャンバー内に存存した有機化合物を、タンク16内へ回収してもよい。以上の方法により、有機化合物が気相(水素ガス)から分離され、水素ガスが精製される。
水素精製装置6が備える炭素膜は、特に限定されない。例えば、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンオキシド)誘導体等の有機高分子の押出成形工程、不融化工程(加熱による架橋)及び焼成工程(炭化)によって製造した中空糸状の炭素膜を用いてよい。
本実施形態によれば、第二工程を行わない従来の水素の製造方法に比べて、水素の回収率が向上する。また本実施形態によれば、燃料電池に適した高純度(例えば99.99〜99.9999mol%)の水素ガスを製造することが可能となる。
以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
[第一工程]
白金を担持したアルミナ(脱水素触媒層)3.6mlを、流通式の脱水素反応器内に設置した。メチルシクロヘキサン(分子径:0.56nm)及び水素ガスを、脱水素反応器内に供給し、脱水素触媒層に接触させ、メチルシクロヘキサンを脱水素化した。脱水素反応では、脱水素反応器内の気圧を0.19MPaに調整した。脱水素反応器では、脱水素反応器に付属の外部加熱装置を用いて、脱水素触媒層の中心部の温度を350℃に調整した。脱水素反応では、脱水素触媒に接触させるメチルシクロヘキサン(気体)の流量を0.18ml/分に調整した。脱水素反応では、脱水素触媒に接触させる水素ガスの流量を8.0ml/分に調整した。
[第二工程]
上記の脱水素化反応の生成物を、脱水素反応器から気液分離器内へ供給した。気液分離器内の温度を15℃に調整することにより、脱水素化反応の生成物を、気体(水素ガス)と、液体(トルエン、及び脱水素化されずに残存したメチルシクロヘキサン)と、に分離した。液体中の水素分子の含有率を溶存水素計で測定した。液体の水素分子の含有率は5.9mg/Lであった。
続いて、図2a及び図2bに示す脱気装置8を用いて、以下の手順により、気液分離器内の液体の脱気を行った。なお、脱気装置8が備える中空糸状の分離膜22としては、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)からなる膜を用いた。分離膜22の厚さは100μmであった。脱気装置8が備える複数の分離膜22の面積の合計値は0.5mであった。分離膜22における水素分子の透過係数は、30℃において4.0×10−9[mol・m/(m・s・Pa)]であった。
気液分離器内の液体を脱気装置8が備える各分離膜22の一方の端部から各分離膜22の内側へ導入した。同時に、脱気装置8が備えるチャンバー20の内部を、真空ポンプ10によって減圧し、チャンバー20の内部の気圧を50kPaに調整することにより、分離膜22の内側にある液体の脱気を行った。続いて、真空ポンプ10によりチャンバー20の内部から回収された気体の組成を、ガスクロマトグラフィーにより分析した。分析の結果、チャンバー20内の気体は水素ガスであることが確認された。また、チャンバー20の内部から回収した気体中にトルエン及びメチルシクロヘキサンは検出されなかった。なお、ガスクロマトグラフィーによるトルエン及びメチルシクロヘキサンそれぞれの検出限界値は1mol・ppmであった。脱気後に分離膜22内から排出された液体中の水素分子の含有率を、溶存水素計を用いて測定した。脱気後の液体中に水素分子は検出されなかった。なお、溶存水素計による水素分子の検出限界値は100mol・ppbであった。
以上のことから、分離膜22内の水素分子のみが、分離膜22の内側とチャンバー20の内部との圧力差に駆動されて、分離膜22を透過し、減圧されたチャンバー20の内部空間へ移動し、分離膜22内のトルエン及びメチルシクロヘキサンは分離膜22を透過しないことが確認された。つまり、第二工程において、有機化合物の液体中に溶存する水素が液体から分離され、水素分子の回収率が高まることが確認された。
本発明に係る水素の製造方法によって製造される水素ガスは、例えば、燃料電池の燃料に適用される。
2・・・脱水素反応器、4・・・第一気液分離器、6・・・水素精製装置、8・・・第二気液分離器(脱気装置)、10・・・真空ポンプ、12・・・低圧コンプレッサー、14・・・高圧コンプレッサー、16・・・タンク、20・・・チャンバー、22・・・中空糸状の分離膜、100・・・水素の製造システム、D‐liquid・・・液相が流れる方向、D‐H・・・水素分子の移動方向。

Claims (8)

  1. 有機ハイドライドの脱水素化により水素及び有機化合物を生成させる第一工程と、
    前記有機化合物の液体中に溶存する水素を前記液体から分離する第二工程と、
    を備え、
    前記第二工程において、前記液体及び前記液体中に溶存する前記水素のうち前記水素を選択的に透過させる分離膜により、前記水素を前記液体から分離する、
    水素の製造方法。
  2. 前記第一工程で生成した水素、及び前記第二工程で前記液体から分離された水素は、燃料電池の燃料として用いられる、
    請求項の水素の製造方法。
  3. 前記分離膜における水素の透過係数は、30℃において4.0×10−9[mol・m/(m・s・Pa)]以上である、
    請求項1又は2に記載の水素の製造方法。
  4. 前記分離膜は前記液体に不溶である、
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
  5. 有機ハイドライドの脱水素化により水素及び有機化合物を生成させる脱水素反応器と、
    前記有機化合物の液体中に溶存する水素を前記液体から分離する気液分離器と、
    を備え、
    前記気液分離器が、前記液体及び前記液体中に溶存する前記水素のうち前記水素を選択的に透過させる分離膜を有する、
    水素の製造システム。
  6. 燃料電池の燃料として用いられる水素を製造するための、
    請求項に記載の水素の製造システム。
  7. 前記分離膜における水素の透過係数は、30℃において4.0×10−9[mol・m/(m・s・Pa)]以上である、
    請求項5又は6に記載の水素の製造システム。
  8. 前記分離膜は前記液体に不溶である、
    請求項5〜7のいずれか一項に記載の水素の製造システム。
JP2013113196A 2013-05-29 2013-05-29 水素の製造方法及び水素の製造システム Active JP5945521B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013113196A JP5945521B2 (ja) 2013-05-29 2013-05-29 水素の製造方法及び水素の製造システム
PCT/JP2014/063103 WO2014192562A1 (ja) 2013-05-29 2014-05-16 水素の製造方法及び水素の製造システム

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013113196A JP5945521B2 (ja) 2013-05-29 2013-05-29 水素の製造方法及び水素の製造システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014231461A JP2014231461A (ja) 2014-12-11
JP5945521B2 true JP5945521B2 (ja) 2016-07-05

Family

ID=51988597

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013113196A Active JP5945521B2 (ja) 2013-05-29 2013-05-29 水素の製造方法及び水素の製造システム

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5945521B2 (ja)
WO (1) WO2014192562A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016169133A (ja) * 2015-03-13 2016-09-23 富士電機株式会社 水素製造装置及び水素製造方法
JP2021155312A (ja) * 2020-03-30 2021-10-07 Eneos株式会社 水素供給システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0661253B2 (ja) * 1987-01-31 1994-08-17 株式会社明電舎 嫌気性脂肪酸分解菌等の培養装置
JPH0288214U (ja) * 1988-12-27 1990-07-12
JPH07278021A (ja) * 1994-04-13 1995-10-24 Asahi Chem Ind Co Ltd スチレンモノマー精製方法
JP2000191557A (ja) * 1999-01-01 2000-07-11 Denki Kagaku Kogyo Kk スチレン類の精製方法
US6187981B1 (en) * 1999-07-19 2001-02-13 Uop Llc Process for producing arylalkanes and arylalkane sulfonates, compositions produced therefrom, and uses thereof
JP5215057B2 (ja) * 2008-06-27 2013-06-19 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 水素製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014231461A (ja) 2014-12-11
WO2014192562A1 (ja) 2014-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bernardo et al. Recent advances in membrane technologies for hydrogen purification
Salleh et al. Carbon membranes for gas separation processes: Recent progress and future perspective
JP5215057B2 (ja) 水素製造方法
JP4801359B2 (ja) 水素製造方法
Li et al. Preparation of a novel bimodal catalytic membrane reactor and its application to ammonia decomposition for COx-free hydrogen production
US20140137734A1 (en) Cross-linked polyimide membranes for separations
US9611187B2 (en) Method of carrying out a chemical equilibrium reaction using a permselective membrane
Lukyanov et al. Catalytic reactors with hydrogen membrane separation
Hirota et al. Pore size control of microporous carbon membranes by post-synthesis activation and their use in a membrane reactor for dehydrogenation of methylcyclohexane
JP5945521B2 (ja) 水素の製造方法及び水素の製造システム
JP2005035842A (ja) 水素製造システム
JP5516951B2 (ja) ガス精製方法
Banjerdteerakul et al. Covalent organic frameworks based membranes for separation of azeotropic solvent mixtures by pervaporation
JP5102932B2 (ja) 高純度水素製造方法
Gugliuzza et al. Membrane processes for biofuel separation: an introduction
US8203028B2 (en) Processes for olefin/paraffin separation utilizing porous, hydrophobic poly(ether ether ketone) membranes
Yuan et al. Membranes for hydrogen rainbow toward industrial decarbonization: Status, challenges and perspectives from materials to processes
Manshad et al. Membranes with favorable chemical materials for pervaporation process: A review
JP2011230035A (ja) ガス分離方法
JP4998929B2 (ja) ガス精製方法
Liu et al. Research progress and prospects on hydrogen separation membranes
JP2017202459A (ja) ガス分離方法、有機酸素化物の製造方法、ガス分離装置、及び有機酸素化物の製造システム
Xiaoling et al. Permeation characteristics of light hydrocarbons through poly (amide-6-β-ethylene oxide) multilayer composite membranes
JP2021155272A (ja) 水素供給システム
JP2016175063A (ja) 膜の再生方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150702

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160209

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160330

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160524

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160530

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5945521

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250