JP2007076982A - Hydrogen production system and power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は水素製造システムおよび発電システムに関する。特に、燃料電池に用いるのに好適な水素の製造システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen production system and a power generation system. In particular, the present invention relates to a hydrogen production system suitable for use in a fuel cell.
水素は石油精製、化学産業などをはじめとしてあらゆる産業分野において広く用いられている。特に近年、将来のエネルギーとして水素エネルギーが注目されてきており、燃料電池を中心に研究が進められている。しかしながら、水素ガスは熱量あたりの体積が大きく、また液化するには非常に低い温度が必要であり、さらに液化に必要なエネルギーも大きいため、水素の貯蔵、輸送のシステムが重要な課題となっている。そこで水素吸蔵金属の利用が提案されているが実用化には程遠いのが現状である。また水素供給のために新たなインフラストラクチャーの整備が必要である(非特許文献1参照)。一方、液状の炭化水素は水素ガスに比べてエネルギー密度が大きく取り扱いやすいことに加え、既存のインフラストラクチャーが利用できるという利点もあることから、炭化水素の形態で貯蔵、輸送して、必要に応じ炭化水素から水素を製造する方法は重要である。 Hydrogen is widely used in various industrial fields including the oil refining and chemical industries. In particular, in recent years, hydrogen energy has attracted attention as a future energy, and research is being conducted focusing on fuel cells. However, hydrogen gas has a large volume per calorie, requires a very low temperature for liquefaction, and also requires a large amount of energy for liquefaction, so a system for storing and transporting hydrogen is an important issue. Yes. Therefore, the use of hydrogen storage metals has been proposed, but it is far from practical use. In addition, it is necessary to develop a new infrastructure for supplying hydrogen (see Non-Patent Document 1). Liquid hydrocarbons, on the other hand, have an energy density that is easier to handle than hydrogen gas, and also have the advantage of being able to use existing infrastructure, so they can be stored and transported in the form of hydrocarbons and used as needed. The method of producing hydrogen from hydrocarbons is important.
このように固体または液体の炭化水素の形態で輸送すれば、気体もしくは液体水素輸送の不便さも解消できる。すなわち、燃料電池等の水素消費設備・装置等に隣接ないし近い個所に、炭化水素、好ましくは液状炭化水素から水素を製造する設備・装置を配置し、該隣接ないし近い個所で水素を製造し、製造した水素を隣接ないし近い水素消費装置・設備で利用するならば、炭化水素の形態で輸送・貯蔵するために気体水素の貯蔵・輸送の不便さが解消ないし軽減できるので好ましい。特に、水素消費設備・装置が自動車等の移動性の設備・装置等に搭載されるような場合、共に移動するべく該移動性設備・装置に搭載すれば更に好ましい態様となる。小規模装置ではこのような複数設備の搭載も容易である。 When transported in the form of solid or liquid hydrocarbons in this way, the inconvenience of transporting gas or liquid hydrogen can be eliminated. That is, a facility or apparatus for producing hydrogen from hydrocarbons, preferably liquid hydrocarbons, is arranged at a location adjacent to or near a hydrogen consuming facility or device such as a fuel cell, and hydrogen is produced at or near the location, If the produced hydrogen is used in an adjacent or near hydrogen consuming apparatus / equipment, it is preferable because the inconvenience of storing and transporting gaseous hydrogen can be eliminated or reduced because it is transported and stored in the form of hydrocarbon. In particular, when the hydrogen consuming equipment / device is mounted on a mobile equipment / device such as an automobile, it is more preferable if the hydrogen consuming equipment / device is mounted on the mobile equipment / device to move together. Such equipment can be easily installed in a small-scale device.
水素の大規模な製造はメタンや軽質パラフィンの水蒸気改質法、部分酸化法など公知の技術により広く行われている。しかしこれらの反応は高温を必要とするとともにプロセスが複雑であり、小規模の製造では一般に効率が悪く適していない。小規模の水素製造方法としてメタノールの改質反応による方法もあるが、この反応で得られる水素には一酸化炭素が混入しており、その後に一酸化炭素の転換および転換して生じた二酸化炭素ないしメタンの分離除去、の各工程が必要となるという欠点がある。 Large-scale production of hydrogen is widely performed by known techniques such as steam reforming and partial oxidation of methane and light paraffin. However, these reactions require high temperatures and complicated processes, and are generally inefficient and unsuitable for small scale production. There is a reforming reaction of methanol as a small-scale hydrogen production method, but carbon monoxide is mixed in the hydrogen obtained by this reaction, and then carbon dioxide produced by conversion and conversion of carbon monoxide. In addition, there is a disadvantage that each process of separation and removal of methane is required.
これに対し、液状の炭化水素を脱水素して水素を製造する方法では、反応が単純であるため反応に関するプロセスが少なくてすむことに加え、生成物が水素と常温で液体である不飽和炭化水素であるため両者の分離が容易であるという特長がある。特にシクロヘキサン環を有する炭化水素を原料油とし、そのシクロヘキサン環を芳香族環に脱水素する反応は、適宜の脱水素触媒の存在下、容易に脱水素するため反応条件を適切に設定すれば転化率をほぼ100%とすることができ、さらに生成物の水素と芳香族炭化水素の分離も沸点差が大により容易であるために、小規模の水素製造に適した方法である(非特許文献2参照)。 On the other hand, in the method of producing hydrogen by dehydrogenating liquid hydrocarbons, the reaction is simple, so the number of processes related to the reaction is reduced, and the unsaturated carbonized product is liquid with hydrogen at room temperature. Since it is hydrogen, it has the feature that separation of both is easy. In particular, hydrocarbons with cyclohexane rings are used as feedstock, and the reaction to dehydrogenate the cyclohexane rings to aromatic rings is easily converted in the presence of an appropriate dehydrogenation catalyst. The rate can be almost 100%, and the separation of the product hydrogen and aromatic hydrocarbons is also easier because of the large difference in boiling point, which is suitable for small-scale hydrogen production (Non-Patent Documents) 2).
しかし、燃料電池、とくに水素を燃料とする固体高分子形燃料電池においては、水素中に含まれる不純物が燃料電池に影響を与えることが知られている。一般に、硫黄化合物、一酸化炭素、不飽和炭化水素、芳香族炭化水素などが存在する場合、燃料電池での反応の触媒を被毒し反応を阻害するためにその含有量を厳しく制限する必要がある。一方、メタン、エタン、プロパン、ブタンなど大気圧下、常温でガスである軽質の飽和炭化水素はその影響が極めて小さく、相当量の混入が許される。 However, in a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel, it is known that impurities contained in hydrogen affect the fuel cell. In general, when sulfur compounds, carbon monoxide, unsaturated hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, etc. are present, it is necessary to severely limit their contents in order to poison the reaction catalyst in the fuel cell and inhibit the reaction. is there. On the other hand, light saturated hydrocarbons that are gases at room temperature under atmospheric pressure, such as methane, ethane, propane, and butane, have a very small effect and allow a considerable amount of mixing.
液状のシクロヘキサン環を有する炭化水素を原料油とし、そのシクロヘキサン環を芳香族環に脱水素して水素を製造する方法において、生成した水素と芳香族炭化水素の温度を常温まで下げれば大部分の芳香族炭化水素は液化して水素と分離できるが、常温での蒸気圧に応じた量の芳香族炭化水素は水素ガス中に混入する。たとえば、ベンゼンは15℃において8kPaの蒸気圧があり、%オーダーの混入となる。
この対策として冷凍機を用いて冷却して分離する方法が考えられるが、冷却に要するエネルギー消費が大きくエネルギー効率が低い点、および設備が大きくなる点で好ましくない。
In a method for producing hydrogen by using hydrocarbons having liquid cyclohexane rings as raw material oil and dehydrogenating the cyclohexane rings to aromatic rings, most of the generated hydrogen and aromatic hydrocarbons can be cooled to room temperature. Aromatic hydrocarbons can be liquefied and separated from hydrogen, but an amount of aromatic hydrocarbons depending on the vapor pressure at room temperature is mixed in hydrogen gas. For example, benzene has a vapor pressure of 8 kPa at 15 ° C. and is mixed in the order of%.
As a countermeasure for this, a method of cooling and separating using a refrigerator is conceivable, but it is not preferable in that the energy consumption required for cooling is large and the energy efficiency is low, and the facility becomes large.
分離の方法としては、この他に吸着剤に吸着させて分離する吸着分離の方法がある。この方法では吸着後の吸着剤から芳香族炭化水素を脱離させて回収するとともに吸着剤を再生することが必要である。この中で、圧力の変動により吸着および脱離を行わせる圧力スイング吸着法(PSA法)が知られているが、水素ガスの回収率が低く、また昇圧、降圧などの操作が必要でシステムとして大型化する欠点がある。 As another separation method, there is an adsorption separation method in which it is adsorbed by an adsorbent and separated. In this method, it is necessary to desorb and recover the aromatic hydrocarbon from the adsorbent after adsorption and to regenerate the adsorbent. Among them, the pressure swing adsorption method (PSA method) in which adsorption and desorption are performed by pressure fluctuation is known, but the recovery rate of hydrogen gas is low, and operations such as pressure increase and decrease are necessary as a system. There is a drawback of increasing the size.
上記以外の分離方法として、膜分離法が挙げられる。膜分離法はエネルギー効率が良いという特徴をもっている。分離膜の種類としては、主に、パラジウム膜、高分子膜、セラミック膜、カーボン膜がある。水素の精製では、一酸化炭素、窒素、メタンなどの炭化水素ガスなどとの分離に高分子膜を用いた膜分離が実用化されている。また高純度水素精製の目的でパラジウム厚膜が実用化されている。しかしながら、パラジウム厚膜による高純度水素精製を除くと、膜分離法では精製された水素純度は高くても99.9%程度であり、数百ppmのオーダーの不純物が残る。本発明の目的である芳香族炭化水素の分離においては、この量は固体高分子形燃料電池の燃料用水素には使えない。また、パラジウム厚膜による高純度水素精製は、純度は十分であるが、水素透過速度が遅く効率的でない上、パラジウムの使用量が多く高価であり、また資源的な制約も大きい。以上のように車載を可能にするような設備としてはデメリットが大きいという問題点があった(非特許文献3参照)。 As a separation method other than the above, there is a membrane separation method. Membrane separation is characterized by good energy efficiency. As the types of separation membranes, there are mainly palladium membranes, polymer membranes, ceramic membranes, and carbon membranes. In the purification of hydrogen, membrane separation using a polymer membrane has been put into practical use for separation from hydrocarbon gases such as carbon monoxide, nitrogen and methane. A palladium thick film has been put to practical use for the purpose of purifying high purity hydrogen. However, excluding high-purity hydrogen purification using a thick palladium membrane, the hydrogen purity purified by the membrane separation method is at most about 99.9%, and impurities of the order of several hundred ppm remain. In the separation of aromatic hydrocarbons, which is the object of the present invention, this amount cannot be used as fuel hydrogen for polymer electrolyte fuel cells. In addition, high purity hydrogen purification using a thick palladium membrane has sufficient purity, but is slow and slow in hydrogen permeation, is not efficient, requires a large amount of palladium, is expensive, and has significant resource limitations. As described above, there is a problem that there is a great demerit as equipment that enables in-vehicle use (see Non-Patent Document 3).
本発明の目的は、小型で効率よく脱水素反応により水素を製造する水素製造装置と小型の水素精製装置を組み合わせて効率的な水素製造システムを提供することにあり、併せて発電システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an efficient hydrogen production system by combining a hydrogen production device that produces hydrogen by a small and efficient dehydrogenation reaction and a small hydrogen purification device, and also provide a power generation system. There is.
本発明者らは上記の課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、主としてシクロヘキサン環を有する炭化水素を原料油とし、そのシクロヘキサン環を脱水素して芳香族環とする反応により水素を発生させる水素製造装置と、該水素製造装置で製造された水素含有生成物から生成した芳香族炭化水素を分離した後、水素中にさらに残った芳香族炭化水素を水素化および/または水素化分解することにより飽和炭化水素に転換する水素精製装置を組み合わせることにより、また脱水素反応の廃熱を利用して効率的に燃料電池に用いることのできる水素を製造できるシステムを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention mainly generate hydrocarbons having a cyclohexane ring as raw material oil, and dehydrogenate the cyclohexane ring into an aromatic ring to generate hydrogen. Hydrogen separation apparatus and hydrogenated and / or hydrocracked aromatic hydrocarbons remaining in hydrogen after separation of aromatic hydrocarbons produced from hydrogen-containing products produced in the hydrogen production apparatus The present invention has been completed by finding a system capable of producing hydrogen that can be efficiently used in a fuel cell by combining a hydrogen purifier that converts to saturated hydrocarbons by using the waste heat of the dehydrogenation reaction.
すなわち、本発明は、少なくとも下記の水素製造装置および水素精製装置から構成される水素製造システムに関する。
(1)主としてシクロヘキサン環を有する炭化水素よりなる原料油から、該シクロヘキサン環を脱水素して芳香族環とすることにより水素を発生させる水素製造装置。
(2)該水素製造装置で製造された水素含有生成物から芳香族炭化水素を分離した後、さらに水素中に残存する芳香族炭化水素を水素化および/または水素化分解することにより飽和炭化水素に転換する水素精製装置。
That is, the present invention relates to a hydrogen production system including at least the following hydrogen production apparatus and hydrogen purification apparatus.
(1) A hydrogen production apparatus that generates hydrogen by dehydrogenating a cyclohexane ring into an aromatic ring from a raw material oil mainly composed of a hydrocarbon having a cyclohexane ring.
(2) Saturated hydrocarbons are obtained by separating aromatic hydrocarbons from the hydrogen-containing product produced by the hydrogen production apparatus and then hydrogenating and / or hydrocracking the remaining aromatic hydrocarbons in hydrogen. Hydrogen purification device that converts to
また本発明は、少なくとも下記の水素製造装置、水素精製装置および燃料電池から構成される発電システムに関する。
(1)主としてシクロヘキサン環を有する炭化水素よりなる原料油から、該シクロヘキサン環を脱水素して芳香族環とすることにより水素を発生させる水素製造装置。
(2)該水素製造装置で製造された水素含有生成物から芳香族炭化水素を分離した後、さらに水素中に残存する芳香族炭化水素を水素化および/または水素化分解することにより飽和炭化水素に転換する水素精製装置。
(3)該水素精製装置から得られる水素が供給される燃料電池。
The present invention also relates to a power generation system including at least the following hydrogen production apparatus, hydrogen purification apparatus, and fuel cell.
(1) A hydrogen production apparatus that generates hydrogen by dehydrogenating a cyclohexane ring into an aromatic ring from a raw material oil mainly composed of a hydrocarbon having a cyclohexane ring.
(2) Saturated hydrocarbons are obtained by separating aromatic hydrocarbons from the hydrogen-containing product produced by the hydrogen production apparatus and then hydrogenating and / or hydrocracking the remaining aromatic hydrocarbons in hydrogen. Hydrogen purification device that converts to
(3) A fuel cell to which hydrogen obtained from the hydrogen purifier is supplied.
本発明の水素製造システムによれば、小型の設備により効率的に燃料電池に用いることのできる水素を製造できる。 According to the hydrogen production system of the present invention, hydrogen that can be efficiently used in a fuel cell can be produced with a small facility.
以下に本発明の好適な実施形態について説明する。
本発明の水素製造システムは、少なくとも水素製造装置と水素精製装置からなり、該水素製造装置は、主としてシクロヘキサン環を有する炭化水素よりなる原料油から、そのシクロヘキサン環を脱水素して芳香族環とする反応により水素を発生させるものである。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
The hydrogen production system of the present invention comprises at least a hydrogen production apparatus and a hydrogen purification apparatus, and the hydrogen production apparatus dehydrogenates the cyclohexane ring from a raw material oil mainly composed of a hydrocarbon having a cyclohexane ring to form an aromatic ring. Hydrogen is generated by the reaction.
この脱水素反応には触媒を用いることが好ましい。触媒としては脱水素活性を有する任意の触媒を用いることができるが、固体触媒を用いて固定床流通式反応の形式で反応を行うことが好ましい。この固体触媒には、安定で表面積の大きい金属酸化物を担体として、触媒活性主成分を担持した触媒を好適に用いることができる。また、例えば特開2002−119856号公報に開示されている熱伝導性触媒体も好ましく用いることができる。 It is preferable to use a catalyst for this dehydrogenation reaction. Although any catalyst having dehydrogenation activity can be used as the catalyst, it is preferable to carry out the reaction in the form of a fixed bed flow type reaction using a solid catalyst. As this solid catalyst, a catalyst supporting a catalytically active main component using a metal oxide having a stable and large surface area as a carrier can be suitably used. Further, for example, a thermally conductive catalyst disclosed in JP-A No. 2002-11958 can also be preferably used.
該触媒活性主成分は脱水素活性を有する成分であり、任意に選択することができるが、好ましくは周期律表第8族元素、第9族元素および第10族元素であり、具体的には、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金などが挙げられ、好ましくはニッケル、パラジウム、白金である。またこれらの元素の2種類以上を組み合わせても良い。なお本発明において、周期律表の族番号は国際純正および応用化学連合無機化学命名法委員会命名規則1990年版に基づく。
これらの触媒活性主成分を担体に担持させる方法は任意であるが、含浸法が好ましい。具体的には、Incipient Wetness法、蒸発乾固法などが挙げられる。用いる元素の化合物は水溶性の塩が好ましく、水溶液として含浸することが好ましい。水溶性の化合物としては、塩化物、硝酸塩、炭酸塩が好ましい。
担体としては、機械的強度が高く熱的に安定で表面積が大きい金属酸化物が好ましい。具体的には、アルミナ、シリカ、チタニア、シリカアルミナなどが挙げられ、アルミナ、シリカがより好ましい。
The main component of the catalytic activity is a component having dehydrogenation activity, and can be arbitrarily selected, but is preferably Group 8 element, Group 9 element and Group 10 element of the periodic table, specifically , Iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum and the like, preferably nickel, palladium and platinum. Two or more of these elements may be combined. In the present invention, the group numbers in the periodic table are based on the International Pure and Applied Chemistry Union Inorganic Chemical Nomenclature Nomenclature 1990 Edition.
The method for supporting these catalytically active main components on the carrier is arbitrary, but the impregnation method is preferred. Specific examples include the Incipient Wetness method and the evaporation to dryness method. The elemental compound used is preferably a water-soluble salt, and is preferably impregnated as an aqueous solution. As the water-soluble compound, chloride, nitrate and carbonate are preferable.
The support is preferably a metal oxide having high mechanical strength, thermal stability and a large surface area. Specific examples include alumina, silica, titania, silica alumina, and the like, and alumina and silica are more preferable.
触媒には必要に応じ添加物を共存させても良い。好ましい添加物としては塩基性物質が挙げられる。塩基性物質が共存することにより、酸性に起因する分解などの副反応が抑制されるとともに、炭素質析出による触媒の劣化が抑制される。塩基性物質の種類は任意であるが、周期律表第1族元素および第2族元素の化合物が好ましく、具体的には、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等の化合物が好ましい。より好ましくは第1族元素の化合物であり、具体的には、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等の化合物が好ましい。これらの化合物としては、水溶性の物質が好ましく、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩がより好ましい。塩基性物質の含有量は触媒活性主成分に対して重量比で0.1〜100の範囲が好ましい。これらの塩基性物質を触媒に含有させる調製法は任意であるが、含浸法が好ましく挙げられる。具体的には、Incipient Wetness法、蒸発乾固法などが挙げられる。
Additives may coexist in the catalyst if necessary. Preferred additives include basic substances. The coexistence of the basic substance suppresses side reactions such as decomposition caused by acidity, and suppresses deterioration of the catalyst due to carbonaceous deposition. The type of basic substance is arbitrary, but compounds of
本発明に用いられる反応物はシクロヘキサン環を有する炭化水素である。具体的には、シクロヘキサン、シクロヘキサンのアルキル置換体、デカリン、デカリンのアルキル置換体、テトラリン、テトラリンのアルキル置換体などが挙げられる。好ましくはメチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン類、デカリン、メチルデカリン類である。さらに好ましくはメチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン類である。これらのシクロヘキサン環を有する炭化水素は純物質であっても良いが、複数の炭化水素の混合物であっても良い。なお、反応物はすべてシクロヘキサン環を有する炭化水素である必要はなく、ある程度の量の他の化合物、たとえばシクロヘキサン環を持たない炭化水素などを含んでいても良い。 The reactant used in the present invention is a hydrocarbon having a cyclohexane ring. Specific examples include cyclohexane, cyclohexane alkyl-substituted products, decalin, decalin alkyl-substituted products, tetralin, tetralin alkyl-substituted products, and the like. Preferred are methylcyclohexane, dimethylcyclohexane, decalin, and methyldecalin. More preferred are methylcyclohexane and dimethylcyclohexane. These hydrocarbons having a cyclohexane ring may be pure substances, or may be a mixture of a plurality of hydrocarbons. The reactants need not all be hydrocarbons having a cyclohexane ring, and may contain a certain amount of other compounds such as hydrocarbons having no cyclohexane ring.
脱水素反応により得られる生成物は、主として水素および芳香族炭化水素である。芳香族炭化水素は回収して再度水素化することにより、原料のシクロヘキサン環を有する炭化水素に戻し再利用することができる。あるいは必要に応じて脱水素反応に必要な燃料としても用いることができる。また芳香族炭化水素は一般にオクタン価が高いので、沸点が好適な物質はガソリン基材として用いることもできる。あるいは化学製品として用いることもできる。 The products obtained by the dehydrogenation reaction are mainly hydrogen and aromatic hydrocarbons. Aromatic hydrocarbons can be recovered and hydrogenated again to return them to hydrocarbons having a cyclohexane ring as a raw material and reuse them. Alternatively, it can be used as a fuel necessary for the dehydrogenation reaction as necessary. In addition, since aromatic hydrocarbons generally have a high octane number, substances having a suitable boiling point can also be used as a gasoline base material. Alternatively, it can be used as a chemical product.
脱水素の反応条件は原料の種類、反応の種類に応じて適宜選択することができる。シクロヘキサン環から芳香族環への脱水素反応は可逆反応であり、化学平衡上は高温低圧の条件が好ましい。反応圧力の下限は好ましくは0.05MPa以上、さらに好ましくは0.1MPa以上であり、上限は好ましくは1MPa以下、さらに好ましくは0.5MPa以下である。なお、本発明においては、特に断らないかぎり圧力は絶対圧で示す。反応温度は化学平衡上では高温が好ましいが、エネルギー効率の点では低温のほうが好ましい。反応温度の下限は好ましくは200℃以上、さらに好ましくは300℃以上であり、上限は好ましくは450℃以下、さらに好ましくは400℃以下である。また化学平衡上は不利であるが、触媒の失活を防ぐ目的あるいは装置の運転上の理由で、原料に水素を加えても良い。水素と原料の比は、モル比で0.01以上、1以下が好ましい。LHSV(液空間速度)の好ましい範囲は、触媒の活性に依存するが、好ましくは1v/v/hr以上、100v/v/hr以下である。 The reaction conditions for dehydrogenation can be appropriately selected according to the type of raw material and the type of reaction. The dehydrogenation reaction from the cyclohexane ring to the aromatic ring is a reversible reaction, and conditions of high temperature and low pressure are preferable in terms of chemical equilibrium. The lower limit of the reaction pressure is preferably 0.05 MPa or more, more preferably 0.1 MPa or more, and the upper limit is preferably 1 MPa or less, more preferably 0.5 MPa or less. In the present invention, the pressure is expressed as an absolute pressure unless otherwise specified. The reaction temperature is preferably a high temperature in terms of chemical equilibrium, but a low temperature is preferable in terms of energy efficiency. The lower limit of the reaction temperature is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and the upper limit is preferably 450 ° C. or lower, more preferably 400 ° C. or lower. Although it is disadvantageous in terms of chemical equilibrium, hydrogen may be added to the raw material for the purpose of preventing the deactivation of the catalyst or for operating the apparatus. The molar ratio of hydrogen to the raw material is preferably 0.01 or more and 1 or less. The preferable range of LHSV (liquid hourly space velocity) depends on the activity of the catalyst, but is preferably 1 v / v / hr or more and 100 v / v / hr or less.
本発明における水素精製装置は、水素製造装置(脱水素反応器)から得られた水素を含有する生成物中から炭化水素を分離した後、水素中に残存する炭化水素を水素化および/または水素化分解して飽和炭化水素に転換するものである。これらの炭化水素は主として芳香族炭化水素であるが、未反応の原料油も含まれる。
炭化水素の分離方法は任意であり、冷却、吸着、膜分離など公知の方法を採用できるが、装置の単純さの点では室温程度の冷却により炭化水素を液化させ気液分離する方法が好ましい。分離する際の圧力の下限は好ましくは0.1MPa以上、さらに好ましくは0.2MPa以上であり、上限は好ましくは2MPa以下、さらに好ましくは1MPa以下である。分離する際の温度は、下限は好ましくは常温以上、さらに好ましくは40℃以上であり、上限は好ましくは100℃以下、さらに好ましくは70℃以下である。
The hydrogen purifying apparatus in the present invention separates hydrocarbons from the hydrogen-containing product obtained from the hydrogen production apparatus (dehydrogenation reactor), and then hydrogenates and / or hydrogenates hydrocarbons remaining in the hydrogen. It is converted into saturated hydrocarbons by chemical decomposition. These hydrocarbons are mainly aromatic hydrocarbons, but also include unreacted feedstock.
The method for separating hydrocarbons is arbitrary, and known methods such as cooling, adsorption, and membrane separation can be adopted. However, from the viewpoint of simplicity of the apparatus, a method of liquefying hydrocarbons by cooling at about room temperature and performing gas-liquid separation is preferable. The lower limit of the pressure for separation is preferably 0.1 MPa or more, more preferably 0.2 MPa or more, and the upper limit is preferably 2 MPa or less, more preferably 1 MPa or less. The lower limit of the temperature during separation is preferably room temperature or higher, more preferably 40 ° C. or higher, and the upper limit is preferably 100 ° C. or lower, more preferably 70 ° C. or lower.
また本発明では、水素分離膜による分離も好ましい。水素分離膜は芳香族炭化水素に対する耐性、耐熱性の点からセラミック膜や、パラジウム膜をはじめとする金属膜が好ましい。本発明においてセラミック膜は分子篩作用により分離を行うものが好ましい。選択的分離を行う膜の部分の孔径は0.3nm以上、0.7nm以下が好ましく、0.3nm以上、0.5nm以下がさらに好ましい。セラミック膜の材質は、公知のセラミック材料が使えるが、シリカ、アルミナ、チタニア、ガラス、炭化ケイ素、窒化ケイ素が好ましい。このセラミック膜は通常、機械的に膜を保持する支持体上に形成されるものである。この支持体には多孔質のセラミックが好ましく、多孔質のアルミナ、シリカ、窒化珪素がさらに好ましく挙げられる。 In the present invention, separation by a hydrogen separation membrane is also preferable. The hydrogen separation membrane is preferably a ceramic membrane or a metal membrane such as a palladium membrane in terms of resistance to aromatic hydrocarbons and heat resistance. In the present invention, the ceramic membrane is preferably separated by molecular sieving. The pore size of the portion of the membrane where selective separation is performed is preferably 0.3 nm or more and 0.7 nm or less, and more preferably 0.3 nm or more and 0.5 nm or less. A known ceramic material can be used as the material of the ceramic film, but silica, alumina, titania, glass, silicon carbide, and silicon nitride are preferable. This ceramic film is usually formed on a support that mechanically holds the film. The support is preferably a porous ceramic, more preferably porous alumina, silica, or silicon nitride.
金属膜の場合、管状で細孔を有する多孔質金属支持体もしくは管状で細孔を有する多孔質セラミック支持体の内表面もしくは外表面に金属薄膜を形成させた水素分離膜が好ましく、金属薄膜として、パラジウムを100〜1mass%含む金属膜、もしくは、銀、銅、バナジウム、ニオブ、タンタルより選ばれる少なくとも一種の金属を80〜10mass%含む金属膜が好ましい。金属薄膜の形成方法は任意の方法を選択できるが、具体的には、無電解メッキ法、蒸着法、圧延法などが挙げられる。 In the case of a metal membrane, a hydrogen separation membrane in which a metal thin film is formed on the inner surface or outer surface of a tubular porous metal support having pores or a porous ceramic support having tubular pores is preferable. A metal film containing 100 to 1 mass% of palladium, or a metal film containing 80 to 10 mass% of at least one metal selected from silver, copper, vanadium, niobium, and tantalum is preferable. Although any method can be selected as the method for forming the metal thin film, specific examples include electroless plating, vapor deposition, and rolling.
膜分離の分離条件は、原料の炭化水素の種類、分離膜の性能、要求される水素の純度により変わるが、圧力は0.1MPa以上、2MPa以下が好ましく、0.1MPa以上、1MPa以下がさらに好ましい。分離膜の差圧は0.01MPa以上、2MPa以下が好ましく、0.1MPa以上、1MPa以下がさらに好ましい。温度は、水素から分離する炭化水素の沸点以上で行うことが好ましく、すなわち常温に比べて高い温度が好ましい。好ましくは100℃以上、450℃以下、さらに好ましくは120℃以上、400℃以下である。この熱源は脱水素反応の反応生成物の持つ熱を用いることで効率的に行うことができる。膜分離に必要な温度に応じ、脱水素反応器から出てくる生成ガスをそのままの温度で膜分離器に導入しても良いし、熱交換器を通して適当な温度に冷却してから導入しても良い。冷却する場合、熱を原料油の予熱に使うことによりエネルギー効率を高めることができる。 Separation conditions for membrane separation vary depending on the type of hydrocarbon used as a raw material, the performance of the separation membrane, and the required purity of hydrogen, but the pressure is preferably 0.1 MPa or more and 2 MPa or less, more preferably 0.1 MPa or more and 1 MPa or less. preferable. The differential pressure of the separation membrane is preferably from 0.01 MPa to 2 MPa, more preferably from 0.1 MPa to 1 MPa. The temperature is preferably higher than the boiling point of the hydrocarbon separated from hydrogen, that is, higher than normal temperature. Preferably they are 100 degreeC or more and 450 degrees C or less, More preferably, they are 120 degreeC or more and 400 degrees C or less. This heat source can be efficiently performed by using the heat of the reaction product of the dehydrogenation reaction. Depending on the temperature required for membrane separation, the product gas coming out of the dehydrogenation reactor may be introduced into the membrane separator at the same temperature, or after cooling to an appropriate temperature through a heat exchanger. Also good. When cooling, energy efficiency can be increased by using heat to preheat the feedstock.
このようにして芳香族炭化水素を分離した後の水素中には、まだ少量の芳香族炭化水素を主とする炭化水素が残存する。本発明の水素精製装置は、この芳香族炭化水素を水素化して飽和炭化水素に転換する、または水素化分解して軽質の飽和炭化水素に転換する点に特徴がある。 Thus, hydrocarbons mainly composed of a small amount of aromatic hydrocarbons remain in the hydrogen after separation of the aromatic hydrocarbons. The hydrogen purifier of the present invention is characterized in that this aromatic hydrocarbon is hydrogenated and converted to saturated hydrocarbon, or hydrocracked and converted to light saturated hydrocarbon.
この水素化および/または水素化分解反応には触媒を用いることが好ましい。この触媒には水素化活性を有する任意の触媒を用いることができるが、固体触媒を用いて固定床流通式反応の形式で反応を行うことが好ましい。この固体触媒には、安定で表面積の大きい金属酸化物を担体として、触媒活性主成分を担持した触媒を好適に用いることができる。 A catalyst is preferably used for the hydrogenation and / or hydrocracking reaction. Although any catalyst having hydrogenation activity can be used as this catalyst, it is preferable to carry out the reaction in the form of a fixed bed flow type reaction using a solid catalyst. As this solid catalyst, a catalyst supporting a catalytically active main component using a metal oxide having a stable and large surface area as a carrier can be suitably used.
この触媒活性主成分は水素化活性を有する成分であり、任意に選択することができるが、好ましくは周期律表第8族元素、第9族元素および第10族元素である。具体的には、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金などが挙げられ、好ましくはニッケル、パラジウム、白金である。またこれらの元素の2種類以上を組み合わせても良い。これらの触媒活性主成分を担体に担持させる調製法は任意であるが、含浸法が好ましく挙げられる。具体的には、Incipient Wetness法、蒸発乾固法などが挙げられる。用いる元素の化合物は水溶性の塩が好ましく、水溶液として含浸することが好ましい。水溶性の化合物としては、塩化物、硝酸塩、炭酸塩が好ましい。 This catalytically active main component is a component having hydrogenation activity and can be arbitrarily selected, but is preferably a group 8 element, a group 9 element, or a group 10 element in the periodic table. Specific examples include iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, and the like, preferably nickel, palladium, and platinum. Two or more of these elements may be combined. The preparation method for supporting these catalytically active main components on a carrier is arbitrary, but an impregnation method is preferred. Specific examples include the Incipient Wetness method and the evaporation to dryness method. The elemental compound used is preferably a water-soluble salt, and is preferably impregnated as an aqueous solution. As the water-soluble compound, chloride, nitrate and carbonate are preferable.
担体としては、機械的強度が高く熱的に安定で表面積が大きい金属酸化物、複合金属酸化物が好ましく、具体的には、アルミナ、シリカ、チタニア、シリカアルミナ、シリカジルコニアアルミナなどが挙げられ、アルミナ、シリカがより好ましい。さらに炭化水素を水素化分解する場合には、酸性の金属酸化物、複合金属酸化物が好ましく、具体的には、シリカアルミナ、シリカジルコニアアルミナが好ましく挙げられる。 The support is preferably a metal oxide having a high mechanical strength, a thermally stable and large surface area, or a composite metal oxide, specifically, alumina, silica, titania, silica alumina, silica zirconia alumina, and the like. Alumina and silica are more preferable. Further, when hydrocracking hydrocarbons, acidic metal oxides and composite metal oxides are preferable, and specific examples include silica alumina and silica zirconia alumina.
触媒には必要に応じ添加物を共存させても良い。好ましい添加物として、酸性物質が挙げられる。酸性物質が共存することにより、酸性に起因する水素化分解反応が促進される。酸物質の種類は任意であるが、酸型のゼオライトおよび粘土鉱物が好ましい。ゼオライトおよび粘土鉱物の例として、フォージャサイト、Yゼオライト、超安定Yゼオライト(USY)、モルデナイト、MFIゼオライト、βゼオライト、フェリエライト、Aゼオライト、スメクタイト、モンモリロナイト、活性白土が好ましく挙げられる。さらに好ましくは酸型のゼオライトであり、Yゼオライト、超安定Yゼオライト(USY)、モルデナイト、MFIゼオライト、βゼオライト、フェリエライトが好ましく挙げられる。酸性物質の含有量は担体に対して重量比で0.1〜80%の範囲が好ましい。 Additives may coexist in the catalyst if necessary. Preferable additives include acidic substances. The coexistence of the acidic substance promotes the hydrocracking reaction resulting from the acidity. The kind of the acid substance is arbitrary, but acid type zeolite and clay mineral are preferable. Preferred examples of zeolite and clay mineral include faujasite, Y zeolite, ultrastable Y zeolite (USY), mordenite, MFI zeolite, β zeolite, ferrierite, A zeolite, smectite, montmorillonite, and activated clay. More preferred are acid-type zeolites, and Y zeolite, ultrastable Y zeolite (USY), mordenite, MFI zeolite, β zeolite, and ferrierite are preferred. The content of the acidic substance is preferably in the range of 0.1 to 80% by weight with respect to the carrier.
水素中に残存する芳香族炭化水素は水素化されてシクロヘキサン環を有する飽和炭化水素になり、さらに水素化分解されると水素消費量が多くなるが、より軽質の飽和炭化水素となる。これらの飽和炭化水素は燃料電池への影響が小さいため、相当量の混入があっても差し支えない。 Aromatic hydrocarbons remaining in hydrogen are hydrogenated to become saturated hydrocarbons having a cyclohexane ring, and further hydrocracked to increase hydrogen consumption, but become lighter saturated hydrocarbons. Since these saturated hydrocarbons have little influence on the fuel cell, there is no problem even if a considerable amount is mixed.
反応条件は芳香族炭化水素の種類に応じて適宜選択するができる。芳香族環からシクロヘキサン環への水素化反応は可逆反応であり、化学平衡上は低温高圧の条件が好ましい。水素化分解反応は事実上不可逆反応であり、高温の条件が好ましい。反応圧力の下限は好ましくは0.1MPaであり、上限は好ましくは1MPa、さらに好ましくは0.5MPaである。反応温度は反応速度の点では高温が好ましいが、芳香族炭化水素を分離した後の反応生成物の持つ熱を利用してエネルギー効率を高める観点からは低温の方が好ましい。反応温度の下限は好ましくは100℃、さらに好ましくは200℃であり、上限は好ましくは400℃、さらに好ましくは350℃である。LHSV(液空間速度)の好ましい範囲は、触媒の活性に依存するが、好ましくは1v/v/hr以上、100v/v/hr以下である。 The reaction conditions can be appropriately selected according to the type of aromatic hydrocarbon. The hydrogenation reaction from an aromatic ring to a cyclohexane ring is a reversible reaction, and conditions of low temperature and high pressure are preferable in terms of chemical equilibrium. The hydrocracking reaction is virtually irreversible, and high temperature conditions are preferred. The lower limit of the reaction pressure is preferably 0.1 MPa, and the upper limit is preferably 1 MPa, more preferably 0.5 MPa. The reaction temperature is preferably a high temperature in terms of the reaction rate, but a low temperature is preferable from the viewpoint of increasing the energy efficiency by utilizing the heat of the reaction product after separation of the aromatic hydrocarbon. The lower limit of the reaction temperature is preferably 100 ° C, more preferably 200 ° C, and the upper limit is preferably 400 ° C, more preferably 350 ° C. The preferable range of LHSV (liquid hourly space velocity) depends on the activity of the catalyst, but is preferably 1 v / v / hr or more and 100 v / v / hr or less.
この熱源は芳香族炭化水素を分離した後の反応生成物の持つ熱を用いることで効率的に行うことができる。水素化および/または水素化分解反応に必要な温度に応じ、芳香族炭化水素を分離した後の生成ガスをそのままの温度で水素化および/または水素化分解反応装置に導入しても良いし、熱交換器を通して適当な温度に冷却してから導入しても良い。冷却する場合、熱を原料油の予熱に使うことによりエネルギー効率を高めることができる。また逆に、冷却した後の生成物を加熱して反応させても良い。 This heat source can be efficiently performed by using the heat of the reaction product after separating the aromatic hydrocarbon. Depending on the temperature required for the hydrogenation and / or hydrocracking reaction, the product gas after separation of the aromatic hydrocarbons may be introduced into the hydrogenation and / or hydrocracking reactor at the same temperature, It may be introduced after cooling to an appropriate temperature through a heat exchanger. When cooling, energy efficiency can be increased by using heat to preheat the feedstock. Conversely, the cooled product may be reacted by heating.
図1に、水素分離膜を用いた水素製造システムの好適な例を示す。この例は原料油にメチルシクロヘキサン(MCH)を用いることを想定しているが、他のシクロヘキサン環を有する炭化水素を原料油にする場合にも有用である。原料油は原料油タンク1からポンプ2を経由して熱交換器27において膜分離器の非透過ガスにより予熱される。さらに熱交換器28において膜分離器の透過ガスにより予熱された後、加熱器12で加熱され脱水素反応器13で反応が起きる。生成した水素と芳香族炭化水素はリサイクルされた水素ガスと混合され、膜分離器14で分離される。水素の少ない(芳香族炭化水素の多い)非透過ガスは熱交換器27において原料油に熱を与えた後クーラー23により冷やされ、セパレーター24において気液分離される。分離された芳香族炭化水素は芳香族炭化水素タンク3に回収される。セパレーター24により分離されたガスはコンプレッサー25によって昇圧され、膜分離器14の手前で生成ガスと混合されてリサイクルされる。また必要に応じ、その一部は破線のラインを経由して加熱器12にリサイクルされる。一方、膜分離器22で得られた透過ガス(製品ガス)は、水素化(分解)装置15において少量含まれるトルエンが水素化および/または水素化分解された後、熱交換器28で原料油に熱を与えて製品水素となる。必要に応じ、さらに冷却してもよい。
FIG. 1 shows a preferred example of a hydrogen production system using a hydrogen separation membrane. In this example, it is assumed that methylcyclohexane (MCH) is used as the feedstock, but it is also useful when other hydrocarbons having a cyclohexane ring are used as the feedstock. The raw material oil is preheated from the raw
図2に、水素を冷却により分離する水素製造システムの好適な例を示す。原料油は原料油タンク1からポンプ2を経由して熱交換器27において生成物により予熱される。さらに熱交換器28において製品水素により予熱された後、加熱器12で加熱され、脱水素反応器13で反応が起きる。生成した水素と芳香族炭化水素は熱交換器29、27で冷却された後、クーラー23により冷やされ、セパレーター24において気液分離される。分離された芳香族炭化水素は芳香族炭化水素タンク3に回収される。セパレーター24により分離されたガスは熱交換器29によって加熱された後、水素化(分解)装置15において少量含まれるトルエンが水素化および/または水素化分解され、熱交換器28で原料油に熱を与えて製品水素となる。
FIG. 2 shows a preferred example of a hydrogen production system that separates hydrogen by cooling. The raw material oil is preheated from the raw
図3に、水素分離膜を用いた発電システムの好適な例を示す。図1と概ね同じであるが、製品水素を燃料電池の燃料極に送り発電を行う。製品水素に少量含まれる軽質な飽和脂肪族炭化水素は燃料電池の燃料極を通過してブリード水素となり、気液分離器24から得られる水素ガスとともに燃焼され反応器の加熱に使用される。このようにすれば図1で必要であったコンプレッサー25が不要となるとともに構造をシンプルにすることができる。
FIG. 3 shows a preferred example of a power generation system using a hydrogen separation membrane. Although it is substantially the same as FIG. 1, power is generated by sending product hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell. Light saturated aliphatic hydrocarbons contained in a small amount in the product hydrogen pass through the fuel electrode of the fuel cell to become bleed hydrogen, which is burned together with the hydrogen gas obtained from the gas-
図4に、水素を冷却により分離する発電システムの好適な例を示す。図2と概ね同じであるが、製品水素を燃料電池の燃料極に送り発電を行う。製品水素に少量含まれる軽質な飽和脂肪族炭化水素は燃料電池の燃料極を通過してブリード水素となり、燃焼され反応器の加熱に使用される。このようにすれば構造をシンプルにすることができる。なお、ブリード水素ガスのみでは加熱器12、脱水素反応器13の加熱に不足する場合には、原料油ないし回収された芳香族炭化水素を燃料にすることができる。
FIG. 4 shows a preferred example of a power generation system that separates hydrogen by cooling. Although it is generally the same as FIG. 2, power is generated by sending product hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell. Light saturated aliphatic hydrocarbons contained in a small amount of product hydrogen pass through the anode of the fuel cell to become bleed hydrogen, which is burned and used to heat the reactor. In this way, the structure can be simplified. In addition, when only the bleed hydrogen gas is insufficient for heating the
以下、本発明を実施例および比較例を用いて詳細に説明するが、本発明は実施例の範囲に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example and a comparative example, this invention is not limited to the range of an Example.
<比較例1>
(脱水素反応および冷却分離)
内径9.5mmの反応管に、平均直径1.5mmの球状のγ−アルミナ担体に0.3mass%の白金を担持した市販の触媒2gを充填した。反応管の中心には温度測定のため直径1.6mmの内管をいれ、内管の中に0.8mmの細さの熱電対を挿入し、触媒層の中心の高さの位置に固定して触媒層の温度を測定した。反応管の入口に気化器を設け、原料油のメチルシクロヘキサンを気化して反応管に供給できるようにした。反応管の出口にレシーバーを設け、5℃の冷媒を循環させて冷却し液状生成物を捕集した。また生成したガスもガスメーターを用いて流量を測定し、回収し分析した。
<Comparative Example 1>
(Dehydrogenation reaction and cooling separation)
A reaction tube having an inner diameter of 9.5 mm was charged with 2 g of a commercially available catalyst in which 0.3 mass% of platinum was supported on a spherical γ-alumina carrier having an average diameter of 1.5 mm. At the center of the reaction tube, an inner tube with a diameter of 1.6 mm is inserted for temperature measurement, and a thermocouple with a thickness of 0.8 mm is inserted into the inner tube and fixed at the center height of the catalyst layer. Then, the temperature of the catalyst layer was measured. A vaporizer was provided at the inlet of the reaction tube so that methylcyclohexane as a raw material oil could be vaporized and supplied to the reaction tube. A receiver was provided at the outlet of the reaction tube, and a 5 ° C refrigerant was circulated and cooled to collect the liquid product. The generated gas was also collected and analyzed by measuring the flow rate using a gas meter.
水素により触媒を300℃で1時間還元した後、メチルシクロヘキサンを0.22ml/分の速さで気化器に流して反応を開始した。反応温度は370℃、圧力は0.4MPaに設定した。反応開始後は水素の供給は停止した。反応を開始して1時間後にいったんレシーバーに溜まった液生成物を抜き出し、その時点から改めて定常状態での液生成物を捕集した。またガスを採取しガスクロマトグラフでガス中の水素、メチルシクロヘキサン、トルエンおよび分解生成物の量を測定した。レシーバー内の液状生成物もガスクロマトグラフを用いて分析した。反応結果を表1に示す。転化率は100%で生成物はトルエンであり、極微量のメタンの副生が認められた。水素中ガス中のトルエンの量は1.7vol%であり、冷却(冷媒温度5℃)による分離では水素純度は98.3vol%であった。 After reducing the catalyst with hydrogen at 300 ° C. for 1 hour, methylcyclohexane was passed through the vaporizer at a rate of 0.22 ml / min to initiate the reaction. The reaction temperature was set to 370 ° C., and the pressure was set to 0.4 MPa. After the reaction started, the supply of hydrogen was stopped. One hour after the start of the reaction, the liquid product once collected in the receiver was extracted, and the liquid product in a steady state was collected again from that point. A gas was sampled and the amounts of hydrogen, methylcyclohexane, toluene and decomposition products in the gas were measured by gas chromatography. The liquid product in the receiver was also analyzed using a gas chromatograph. The reaction results are shown in Table 1. The conversion was 100%, the product was toluene, and a very small amount of methane by-product was observed. The amount of toluene in the gas in hydrogen was 1.7 vol%, and the hydrogen purity was 98.3 vol% in the separation by cooling (refrigerant temperature 5 ° C.).
(燃料電池発電評価)
固体高分子形燃料電池の単セルの評価装置を用いて、評価試験を行った。セル温度を80℃とし、まず純水素を燃料極側に、空気を空気極側に流して、水素利用率60%、酸素利用率40%、電流密度を0.5A/cm2の条件で定常状態とした。このときの起電力を測定した。その後、純水素を、水素に1.7vol%のトルエンを混入させたガスに切り替えて実験を行った。10分後、純水素に比べて72%の起電圧に低下した。
(Fuel cell power generation evaluation)
An evaluation test was performed using an evaluation apparatus for a single cell of a polymer electrolyte fuel cell. The cell temperature is set to 80 ° C. First, pure hydrogen is supplied to the fuel electrode side, air is supplied to the air electrode side, and the hydrogen utilization rate is 60%, the oxygen utilization rate is 40%, and the current density is 0.5 A / cm 2. It was in a state. The electromotive force at this time was measured. Thereafter, the experiment was performed by switching pure hydrogen to a gas in which 1.7 vol% toluene was mixed in hydrogen. After 10 minutes, the electromotive force dropped to 72% compared to pure hydrogen.
<比較例2>
(脱水素反応および膜分離)
比較例1で用いた脱水素反応装置を用い、レシーバーの代わりに膜分離の実験装置を結合して膜分離の実験を行った。膜分離に用いたセラミック膜は、多孔質のアルミナでできたチューブ状の支持体の外表面にシリカ膜をコーティングした構造であり、シリカ膜には0.4nmの微細孔があるものである。水素をチューブの外側から内側へ透過させる形式で分離を行った。
比較例1と同じ条件で脱水素反応を行い、得られた生成物を膜分離実験装置にフィードした。入口側の圧力は0.4MPa(絶対圧)、透過出口側の圧力は大気圧とし、差圧が0.3MPa、300℃の条件で、比較例1の脱水素反応の生成物ガスを流し分離実験を行った。結果を表1に示す。透過した水素ガス中のトルエン濃度は0.5vol%であり水素純度は99.5vol%であった。
(燃料電池発電評価)
水素に1.7vol%のトルエンを混入させたガスの代わりに、水素に0.5vol%のトルエンを混入させたガスを用いた他は比較例1と同様に評価実験を行った。ガス切り替えから10分後、純水素に比べて78%の起電圧に低下した。
<Comparative example 2>
(Dehydrogenation and membrane separation)
Using the dehydrogenation reaction apparatus used in Comparative Example 1, a membrane separation experiment apparatus was combined with a membrane separation experiment apparatus instead of the receiver. The ceramic membrane used for membrane separation has a structure in which the outer surface of a tubular support made of porous alumina is coated with a silica membrane, and the silica membrane has fine pores of 0.4 nm. Separation was performed in such a manner that hydrogen permeated from the outside to the inside of the tube.
The dehydrogenation reaction was performed under the same conditions as in Comparative Example 1, and the obtained product was fed to a membrane separation experimental apparatus. The pressure on the inlet side is 0.4 MPa (absolute pressure), the pressure on the permeate outlet side is atmospheric pressure, the differential pressure is 0.3 MPa, 300 ° C., the product gas of the dehydrogenation reaction of Comparative Example 1 is flowed and separated. The experiment was conducted. The results are shown in Table 1. The toluene concentration in the permeated hydrogen gas was 0.5 vol%, and the hydrogen purity was 99.5 vol%.
(Fuel cell power generation evaluation)
An evaluation experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 1 except that a gas in which 0.5 vol% toluene was mixed in hydrogen was used instead of a gas in which 1.7 vol% toluene was mixed in hydrogen. After 10 minutes from gas switching, the electromotive force dropped to 78% compared to pure hydrogen.
<実施例1>
(脱水素反応および冷却分離)
脱水素反応は比較例1と同じ条件で行った。転化率は100%で、水素ガス中のトルエンの量は1.7vol%であり、水素純度は98.3vol%であった。
(水素化反応)
水素に1.7vol%のトルエンを混入させたガスを水素化反応装置に流し反応を行った。平均直径1.5mmの球状のシリカ担体に1mass%の白金を担持した触媒2gを用いた。温度は250℃で行なった。得られた生成ガスにはトルエンは検出されず、生成物はメチルシクロヘキサンのみであり、メチルシクロヘキサン1.8vol%と水素98.2vol%であった。
(燃料電池発電評価)
水素に1.7vol%のトルエンを混入させたガスの代わりに、水素に1.8vol%のメチルシクロヘキサンを混入させたガスを用いた他は比較例1と同様に評価実験を行った。ガス切り替えから10分後、純水素に比べて98%の起電圧であった。
<Example 1>
(Dehydrogenation reaction and cooling separation)
The dehydrogenation reaction was performed under the same conditions as in Comparative Example 1. The conversion was 100%, the amount of toluene in the hydrogen gas was 1.7 vol%, and the hydrogen purity was 98.3 vol%.
(Hydrogenation reaction)
A gas in which 1.7 vol% of toluene was mixed with hydrogen was passed through the hydrogenation reaction apparatus to carry out the reaction. 2 g of a catalyst in which 1 mass% of platinum was supported on a spherical silica support having an average diameter of 1.5 mm was used. The temperature was 250 ° C. Toluene was not detected in the resulting product gas, and the product was only methylcyclohexane, 1.8% by volume of methylcyclohexane and 98.2% by volume of hydrogen.
(Fuel cell power generation evaluation)
An evaluation experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 1 except that a gas in which 1.8 vol% methylcyclohexane was mixed in hydrogen instead of a gas in which 1.7 vol% toluene was mixed in hydrogen. Ten minutes after gas switching, the electromotive force was 98% compared to pure hydrogen.
<実施例2>
(脱水素反応および膜分離)
脱水素反応および膜分離は比較例2と同じ条件で行った。透過した水素ガス中のトルエン濃度は0.5vol%であり水素純度は99.5vol%であった。
(水素化分解反応)
水素に0.5vol%のトルエンを混入させたガスを水素化分解反応装置に流し反応を行った。触媒としては、γ−アルミナ39mass%、USYゼオライト(SiO2/Al2O3比 6)39mass%、白金2mass%の組成からなる触媒2gを用いた。温度は300℃で行なった。得られた生成ガスにはトルエンは検出されず、生成物には含まれるのはメタンと極微量のエタン、プロパンであり、メタン3.6vol%と水素96.4vol%であった。
(燃料電池発電評価)
水素に1.7vol%のトルエンを混入させたガスの代わりに、水素に3.6vol%のメタンを混入させたガスを用いた他は比較例1と同様に評価実験を行った。ガス切り替えから10分後、純水素に比べて99%の起電圧であった。
<Example 2>
(Dehydrogenation and membrane separation)
The dehydrogenation reaction and membrane separation were performed under the same conditions as in Comparative Example 2. The toluene concentration in the permeated hydrogen gas was 0.5 vol%, and the hydrogen purity was 99.5 vol%.
(Hydrolysis reaction)
A gas in which 0.5 vol% of toluene was mixed with hydrogen was passed through the hydrocracking reaction apparatus to carry out the reaction. As the catalyst, 2 g of a catalyst having a composition of 39 mass% of γ-alumina, 39 mass% of USY zeolite (SiO 2 / Al 2 O 3 ratio 6), and 2 mass% of platinum was used. The temperature was 300 ° C. Toluene was not detected in the obtained product gas, and the product contained methane, a very small amount of ethane, and propane, which were 3.6% by volume of methane and 96.4% by volume of hydrogen.
(Fuel cell power generation evaluation)
An evaluation experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 1 except that a gas in which 3.6 vol% of methane was mixed in hydrogen was used instead of a gas in which 1.7 vol% of toluene was mixed in hydrogen. Ten minutes after gas switching, the electromotive force was 99% compared to pure hydrogen.
表1に示すとおり、脱水素反応において残存するトルエンを水素化反応または水素化分解反応によりメチルシクロヘキサンおよびメタンに転換した実施例1および実施例2では、比較例1および比較例2に比べて、燃料電池発電評価において低下が小さい。 As shown in Table 1, in Example 1 and Example 2 in which toluene remaining in the dehydrogenation reaction was converted to methylcyclohexane and methane by hydrogenation reaction or hydrogenolysis reaction, compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, The decrease in fuel cell power generation evaluation is small.
1 原料油タンク
2 ポンプ
3 芳香族炭化水素タンク
12 加熱器
13 脱水素反応器
14 膜分離器
15 水素化(分解)装置
23 クーラー
24 セパレーター
25 コンプレッサー
27 熱交換器
28 熱交換器
29 熱交換器
DESCRIPTION OF
Claims (2)
(1)主としてシクロヘキサン環を有する炭化水素よりなる原料油から、該シクロヘキサン環を脱水素して芳香族環とすることにより水素を発生させる水素製造装置。
(2)該水素製造装置で製造された水素含有生成物から芳香族炭化水素を分離した後、さらに水素中に残存する芳香族炭化水素を水素化および/または水素化分解することにより飽和炭化水素に転換する水素精製装置。 A hydrogen production system comprising at least the following hydrogen production apparatus and hydrogen purification apparatus.
(1) A hydrogen production apparatus that generates hydrogen by dehydrogenating a cyclohexane ring into an aromatic ring from a raw material oil mainly composed of a hydrocarbon having a cyclohexane ring.
(2) Saturated hydrocarbons are obtained by separating aromatic hydrocarbons from the hydrogen-containing product produced by the hydrogen production apparatus and then hydrogenating and / or hydrocracking the remaining aromatic hydrocarbons in hydrogen. Hydrogen purification device that converts to
(1)主としてシクロヘキサン環を有する炭化水素よりなる原料油から、該シクロヘキサン環を脱水素して芳香族環とすることにより水素を発生させる水素製造装置。
(2)該水素製造装置で製造された水素含有生成物から芳香族炭化水素を分離した後、さらに水素中に残存する芳香族炭化水素を水素化および/または水素化分解することにより飽和炭化水素に転換する水素精製装置。
(3)該水素精製装置から得られる水素が供給される燃料電池。
A power generation system comprising at least the following hydrogen production apparatus, hydrogen purification apparatus, and fuel cell.
(1) A hydrogen production apparatus that generates hydrogen by dehydrogenating a cyclohexane ring into an aromatic ring from a raw material oil mainly composed of a hydrocarbon having a cyclohexane ring.
(2) Saturated hydrocarbons are obtained by separating aromatic hydrocarbons from the hydrogen-containing product produced by the hydrogen production apparatus and then hydrogenating and / or hydrocracking the remaining aromatic hydrocarbons in hydrogen. Hydrogen purification device that converts to
(3) A fuel cell to which hydrogen obtained from the hydrogen purifier is supplied.
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