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JP7102492B2 - 脱炭素型エネルギー輸送方法及び脂環式炭化水素製造方法 - Google Patents
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脱炭素型エネルギー輸送方法及び脂環式炭化水素製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、脱炭素型エネルギー輸送方法と、この脱炭素型エネルギー輸送方法に用いることができる脂環式炭化水素製造方法に関する。
社会の脱炭素化に向けて、水素をエネルギーとして活用する、水素社会の実現が期待されている。
従来、水素の貯蔵・輸送技術として、有機ハイドライド方式が知られている。有機ハイドライド方式は、例えば、トルエンと水素を反応させてメチルシクロヘキサンを生成し、メチルシクロヘキサンを、原油/ケミカルタンカーで輸送し、メチルシクロヘキサンからトルエンに戻す脱水素化プロセスで水素を取り出す技術である(例えば、非特許文献1参照)。
また、再生可能エネルギーの1つである風力で発電した電力で水電解することにより製造されたCOフリーの水素を有機ハイドライド方式で輸送するシステムも提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
NEDO水素エネルギー白書2014、119頁 「北海道に於ける再生可能エネルギー由来不安定電力の水素変換等による安定化・貯蔵・利用技術の研究開発」2019年度NEDO次世代電池・水素成果報告会 明電時報 通巻325号、2009、60-64頁 石油学会 年会・秋季大会講演要旨集(第60回年会、B07)
しかしながら、上述の従来例は、バイオマスを原料に合成されたトルエンなどの芳香族化合物を、水素の貯蔵・輸送プロセスに用いるものではない。
従来、有機ハイドライド方式で用いられる芳香族化合物及び脂環式炭化水素は、化石燃料由来のものである。このため、これら芳香族化合物及び脂環式炭化水素は、脱炭素型の原料・燃料とは言えない。
このように、これまで、バイオマスを原料に芳香族化合物を合成する技術、及び、再生可能エネルギーによりCOフリーの水素を得て、有機ハイドライド方式で輸送する技術は、知られているが、これらを組み合わせた脱炭素型エネルギー輸送方法についての検討はなされていない。
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、有機ハイドライド方式にバイオマス由来の芳香族化合物及び脂環式炭化水素を用いることで、脱炭素型エネルギー輸送方法を実現することにある。
この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法は、バイオマスから芳香族炭化水素を製造する
過程と、再生可能エネルギーから得られる電力を利用して、水を電気分解して水素ガスを発生させる過程と、製造された前記芳香族炭化水素を、発生させた前記水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を生成する過程と、生成された前記脂環式炭化水素を輸送する過程と、輸送された前記脂環式炭化水素の一部又は全部を脱水素して、水素を取り出す過程とを備える。
この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法によれば、エネルギーとして用いられる水素を、再生可能エネルギーを用いて生成し、バイオマス由来の芳香族化合物及び脂環式炭化水素を用いた有機ハイドライド方式で輸送するので、全体として脱炭素型となり得る。
この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法を説明するための模式図である。 第1脂環式炭化水素製造方法を説明するための模式図である。 第2脂環式炭化水素製造方法を説明するための模式図である。
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
図1を参照して、この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法について説明する。図1では、この発明の一例として水素ガスのキャリアとしてトルエン及びメチルシクロヘキサンを用いる例を示している。
この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法は、水素供給地10で水素を生成し、生成された水素を、水素需要地30まで輸送するのに用いられる。
水素供給地10では、水素ガスを生成する。水素ガスは、例えば、水素ガス生成部14において、水を電気分解することにより生成される。水の電気分解に用いる電力は、発電部12において発電される。ここで、発電部12における発電には、脱炭素の観点から、再生可能エネルギーを利用するのが良い。再生可能エネルギーから電力を得る方法としては、風力発電や太陽光発電などがある。このように再生可能エネルギーを用いることで、生成に二酸化炭素(CO)の発生を伴わない、いわゆるCOフリーの水素を得ることができる。
発電部12及び水素ガス生成部14については、再生可能エネルギーを用いてCOフリーの水素を得ることができる、任意好適な従来公知の構成にすることができる。
また、芳香族炭化水素生成部20において、水素ガスの輸送に用いる芳香族炭化水素を、バイオマスから生成する。バイオマスとして、家畜系ふん尿から得られるバイオガスは、主成分がメタンガスであることが知られている。従来公知のMTB(Methane To Benzene)反応を用いると、メタンから、芳香族炭化水素としてベンゼンを直接作り出すことができる。バイオマス由来のベンゼンは、いわゆるカーボンニュートラル(CN)なベンゼンである。
MTB反応では、全てのメタンが100%の確率でベンゼンに変換されるわけではない。副生成物としてナフタレンも製造される(例えば、非特許文献3参照)。従って、芳香
族炭化水素としてカーボンニュートラルなナフタレンを作り出すこともできる。
また、非特許文献4に示されるように、ベンゼンのメチル化反応によりトルエンが得られる。ベンゼンとして、バイオマス由来のベンゼンを用い、バイオガスに含まれるメタンを用いれば、ベンゼンのメチル化反応により得られるトルエンも、カーボンニュートラルなトルエン(CN/TOL)となる。
このようにして得られたバイオマス由来の芳香族炭化水素を、水素添加部16において、水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を得る。芳香族炭化水素であるベンゼン、トルエン及びナフタレンを水素化すると、それぞれ、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン及びデカリンが得られる。このようにして得られた、脂環式炭化水素であるシクロヘキサン、メチルシクロヘキサン及びデカリンも、カーボンニュートラルである。
生成された、カーボンニュートラルなメチルシクロヘキサン(CN/MCH)などの脂環式炭化水素は、例えば、原油/ケミカルタンカーで、水素需要地30に輸送される。水素需要地30では、脱水素部32において、輸送された脂環式炭化水素の一部又は全部を脱水素して、水素を取り出す。すなわち、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン及びデカリンを脱水素することにより水素を取り出す。このとき、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン及びデカリンから、それぞれ、ベンゼン、トルエン及びナフタレンが得られる。
取り出された水素は、COフリーの水素であり、燃料電池、ボイラ、水素自動車などに用いられる。水素添加部16及び脱水素部32については、例えば、従来の有機ハイドライド方式で用いられる任意好適な構成を用いることができる。
また、脱水素により生成された、ベンゼン、トルエン及びナフタレンなどの芳香族炭化水素は、例えば、原油/ケミカルタンカーで、水素供給地10に輸送される。輸送された芳香族炭化水素は、再び、水素のキャリアとして輸送に用いることができる。
以上、説明したように、この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法によれば、エネルギーとして用いられる水素を、再生可能エネルギーを用いて生成し、バイオマス由来の芳香族化合物及び脂環式炭化水素を用いた有機ハイドライド方式で輸送するので、全体として脱炭素型となり得る。
従来、キャリアとして、例えば、化石燃料由来のトルエンを用いている。この場合、水素需要地側で、トルエンを工業原料などに用いる過程は、カーボンニュートラルとは呼べず、また、化石燃料由来のトルエンを、外部から新たにキャリアとして加えることが必要となる。このため、脱炭素型の輸送方法とはならない。
これに対し、この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法では、水素ガスの輸送に用いるキャリアが、カーボンニュートラルな芳香族炭化水素である。このため、キャリアとして用いた、ベンゼン、トルエン及びナフタレンなどの芳香族炭化水素を、水素需要地側で、カーボンニュートラルな工業原料として用いることができる。すなわち、キャリアを工業原料として用いて、新たにキャリアを用意する場合であっても、脱炭素型の輸送方法を維持できる。
もちろん、キャリアの一部を、再びキャリアとして用い、残りを工業原料として用いてもよい。
また、需要に応じて、CN/MCHなど、カーボンニュートラルな脂環式炭化水素を水
素需要地側で燃料として用いることもできる。
この発明の脱炭素型エネルギー輸送方法では、水素供給地10側で、再生可能エネルギーを用いて得られたCOフリーの水素と、バイオマス由来のトルエンなど、カーボンニュートラルな芳香族炭化水素とから、カーボンニュートラルなメチルシクロヘキサンなどの脂環式炭化水素を生成し、水素需要地側で、カーボンニュートラルな脂環式炭化水素から、COフリーの水素と、カーボンニュートラルな芳香族炭化水素を得る。
従って、水素化及び脱水素化を含む水素ガスの輸送の設備を利用して、COフリーの水素を輸送するとともに、これとは別の設備を設置することなく工業原料となるカーボンニュートラルな芳香族炭化水素や、燃料となるカーボンニュートラルな脂環式炭化水素を得ることができる。
(第1脂環式炭化水素製造方法)
図2を参照して、水素供給地10で行われる、脂環式炭化水素製造方法の第1実施形態(以下、第1脂環式炭化水素製造方法)を説明する。図2では、脂環式炭化水素としてメチルシクロヘキサンを製造する例を示している。ここでは、発電部12の図示及び説明を省略する。
芳香族炭化水素生成部20において、水素ガスの輸送に用いる芳香族炭化水素を、バイオマスから生成する。芳香族炭化水素生成部20は、メタン抽出部22、MTB反応部24及びメチル化部26を備えて構成される。
メタン抽出部22は、バイオガスからメタン(CH)を抽出する。メタン抽出部22で抽出されたメタンは、一部がMTB反応部24に送られ、残部がメチル化部26に送られる。
MTB反応部24は、MTB反応を用いて、以下の化学反応式(1)により、メタン(CH)からベンゼン(C)を生成する。
6CH ―> C + 9H (1)
MTB反応部24で生成されたベンゼンは、メチル化部26に送られる。メチル化部26では、以下の化学反応式(2)により、ベンゼン(C)からトルエン(C)を生成する。
+ CH ―> C + H (2)
このように、芳香族炭化水素生成部20で生成されたトルエンは、バイオガスに含まれるメタンから生成されるため、カーボンニュートラルなトルエン(CN/TOL)である。芳香族炭化水素生成部20で生成されたCN/TOLは、水素添加部16に送られる。
水素ガス生成部14は、再生可能エネルギーから得られた電力を用いて、水を電気分解する。ここで、水(HO)として市水が用いられる。この水素ガス生成部14で生成されたCOフリーの水素は、水素添加部16に送られる。
水素添加部16は、CN/TOLをCOフリーの水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素として、カーボンニュートラルなメチルシクロヘキサン(CN/MCH)を生成する。
脂環式炭化水素として、シクロヘキサンを生成する場合は、MTB反応部24で生成されたベンゼンを、メチル化部26でメチル化せずに水素添加部16に送ればよい。また、
脂環式炭化水素として、デカリンを生成する場合は、MTB反応部24で、上記の化学反応式(1)によりメタンからベンゼンを生成する過程における副生成物として生成されたナフタレンを、メチル化部26でメチル化せずに水素添加部16に送ればよい。
なお、バイオガスに含まれるCOをメタン抽出部22において取り出して、施設園芸等に用いてもよい。また、MTB反応部24やメチル化部26で生成される水素は、カーボンニュートラルな水素(CN/H)であり、これをCOフリーの水素とともに、水素添加部16に送ってもよい。
(第2脂環式炭化水素製造方法)
図3を参照して、水素供給地10で行われる、脂環式炭化水素製造方法の第2実施形態(以下、第2脂環式炭化水素製造方法)を説明する。図3では、脂環式炭化水素としてメチルシクロヘキサンを製造する例を示している。ここでは、発電部12の図示及び説明を省略する。
芳香族炭化水素生成部21において、水素ガスの輸送に用いる芳香族炭化水素を、バイオマスから生成する。芳香族炭化水素生成部21は、メタン抽出部23、MTB反応部25及びメチル化部27を備えて構成される。
メタン抽出部23は、バイオガスからメタン(CH)を抽出する。メタン抽出部23で抽出されたメタンは、一部がMTB反応部25に送られ、残部がメチル化部27に送られる。
また、メタン抽出部23は、バイオガスに含まれるCOを抽出する。メタン抽出部23で抽出されたCOは、一部がMTB反応部25に送られる。残部については、例えば、施設園芸等に用いてもよい。
MTB反応部25は、以下の化学反応式(3)により、メタン(CH)からベンゼン(C)を生成する。
15/4CH + 9/4CO ―> C + 9/2HO (3)
MTB反応部25で生成されたベンゼンは、メチル化部27に送られる。また、MTB反応部25で生成された水は、市水とともに水素ガス生成部14に送られる。このように、MTB反応部25で生成された水を、水素ガスの生成に用いてもよい。
メチル化部27では、第1脂環式炭化水素製造方法と同様に、以下の化学反応式(4)により、ベンゼン(C)からトルエン(C)を生成する。
+ CH ―> C + H (4)
このように、芳香族炭化水素生成部21で生成されたトルエンは、バイオガスに含まれるメタンから生成されるため、カーボンニュートラルなトルエン(CN/TOL)である。芳香族炭化水素生成部21で生成されたCN/TOLは、水素添加部16に送られる。なお、メチル化部27で生成されるカーボンニュートラルな水素(CN/H)は、COフリーの水素とともに、水素添加部16に送られてもよい。
水素添加部16は、CN/TOLをCOフリーの水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素として、カーボンニュートラルなメチルシクロヘキサン(CN/MCH)を生成する。
脂環式炭化水素として、シクロヘキサンを生成する場合は、MTB反応部25で生成さ
れたベンゼンを、メチル化部27でメチル化せずに水素添加部16に送ればよい。また、脂環式炭化水素として、デカリンを生成する場合は、MTB反応部25で、上記の化学反応式(3)によりメタン及び二酸化炭素からベンゼンを生成する過程における副生成物として生成されたナフタレンを、メチル化部27でメチル化せずに水素添加部16に送ればよい。
水素ガス生成部14は、再生可能エネルギーから得られた電力を用いて、水を電気分解する。この水素ガス生成部14で生成されたCOフリーの水素は、水素添加部16に送られる。また、水素ガス生成部14で生成された酸素を、例えば、陸上養殖等に用いてもよい。
30万頭の乳牛を対象とした場合を例にとり、この第2脂環式炭化水素製造方法の一例におけるマテリアルバランスを説明する。30万頭の乳牛が排泄する糞尿は、例えば、7,168千トン/年である。このふん尿から得られるバイオガスの主成分は、約60%のメタンガスと、約40%のCOである。バイオガスから抽出されるメタンは、129百万Nm/年であり、バイオガスから抽出されるCOは86百万Nm/年である。ここで、Nm/年は、1年あたりの得られるガスの量を標準状態に換算したものである。
129百万Nm/年のメタンの79%と、86百万Nm/年のCOの71%がMTB反応部25に送られ、ベンゼンの生成に用いられる。129百万Nm/年のメタンの21%と、MTB反応部25で生成されたベンゼンがメチル化部27に送られ、トルエンの生成に用いられる。ここで生成されるトルエンは、111千トン/年である。
86百万Nm/年のCOの29%にあたる、24,896千Nm/年は、例えば、施設園芸等に用いることができる。MTB反応部25で生成される水は、98,208トン/年である。水素ガス生成部14において、MTB反応部25で生成される98,208トン/年の水と、32,143トン/年の市水とが電気分解され、54,313千Nm/年のCOフリーの水素と、27,156千Nm/年の酸素が生成される。この27,156千Nm/年の酸素は、例えば、陸上養殖に用いることができる。水素ガス生成部14で生成された54,313千Nm/年のCOフリーの水素と、メチル化部で生成された、27,156千Nm/年のCN/Hとが、水素添加部16においてCN/TOLに添加され、119千トン/年のCN/MCHが得られる。
この119千トン/年のCN/MCHを全て脱水素部32において脱水素化すると、81,469千Nm/年のHと111,535t/年のCN/TOLが得られる。この81,469千Nm/年のH2は、燃料電池自動車100万台相当である、また、111,535t/年のCN/TOLは、国内生産の7%相当の消費量である。
このように、特に、水素供給地において、この第2脂環式炭化水素製造方法を用いると、MTB反応部25で用いられるメタン及びCOをバイオガス中に含まれるものとすることができ、外部からCOを取り入れる必要がない。また、メチル化部27で用いられるCHもバイオガス中のメタンを有効活用でき、メチル化に必要なCHを外部から取り入れる必要がない。さらに、MTB反応部25で生成される水を、水素ガス生成部14において用いることで、水を節約することができる。また、メチル化部27でトルエンを合成する際に生成されるCN/Hを電気分解で生成されるCOフリーの水素に加えることで、脱炭素型水素エネルギーが増産できる。
10 水素供給地
12 発電部
14 水素ガス生成部
16 水素添加部
20、21 芳香族炭化水素生成部
22、23 メタン抽出部
24、25 MTB反応部
26、27 メチル化部
30 水素需要地
32 脱水素部

Claims (15)

  1. バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程と、
    再生可能エネルギーから得られる電力を利用して、水を電気分解して水素ガスを発生させる過程と、
    製造された前記芳香族炭化水素を、発生させた前記水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を生成する過程と、
    生成された前記脂環式炭化水素を輸送する過程と、
    輸送された前記脂環式炭化水素の一部又は全部を脱水素して、水素を取り出す過程と
    を備え、
    前記バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程は、
    前記バイオマスからメタン及び二酸化炭素を抽出する過程と、
    以下の化学反応式()により、前記メタン及び前記二酸化炭素から前記芳香族炭化水素としてベンゼンを生成するMTB過程と
    15/4CH+9/4CO―>C+9/2HO (
    を備える脱炭素型エネルギー輸送方法。
  2. 前記芳香族炭化水素及び前記脂環式炭化水素の組が、ベンゼン及びシクロヘキサンの組である
    請求項1に記載の脱炭素型エネルギー輸送方法。
  3. バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程と、
    再生可能エネルギーから得られる電力を利用して、水を電気分解して水素ガスを発生させる過程と、
    製造された前記芳香族炭化水素を、発生させた前記水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を生成する過程と、
    生成された前記脂環式炭化水素を輸送する過程と、
    輸送された前記脂環式炭化水素の一部又は全部を脱水素して、水素を取り出す過程と
    を備え、
    前記バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程は、
    前記バイオマスからメタン及び二酸化炭素を抽出する過程と、
    以下の化学反応式()により、前記メタン及び前記二酸化炭素から前記芳香族炭化水
    素としてベンゼンを生成するMTB過程と
    15/4CH+9/4CO―>C+9/2HO (
    以下の化学反応式()により、前記メタン及び前記ベンゼンから前記芳香族炭化水素としてトルエンを生成するメチル化過程と
    +CH―>C+H
    を備える脱炭素型エネルギー輸送方法。
  4. 前記メチル化過程で生成された水素が、前記水素化に用いられる
    請求項に記載の脱炭素型エネルギー輸送方法。
  5. 前記芳香族炭化水素及び前記脂環式炭化水素の組が、トルエン及びメチルシクロヘキサンの組である
    請求項3又は4に記載の脱炭素型エネルギー輸送方法。
  6. バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程と、
    再生可能エネルギーから得られる電力を利用して、水を電気分解して水素ガスを発生させる過程と、
    製造された前記芳香族炭化水素を、発生させた前記水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を生成する過程と、
    生成された前記脂環式炭化水素を輸送する過程と、
    輸送された前記脂環式炭化水素の一部又は全部を脱水素して、水素を取り出す過程と
    を備え、
    前記バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程は、
    前記バイオマスからメタン及び二酸化炭素を抽出する過程と、
    以下の化学反応式(1)により前記メタン及び前記二酸化炭素からベンゼンを生成する過程における副生成物として、前記芳香族炭化水素としてナフタレンを生成するMT
    B過程と
    15/4CH+9/4CO―>C+9/2HO (1)
    を備える脱炭素型エネルギー輸送方法。
  7. 前記芳香族炭化水素及び前記脂環式炭化水素の組が、ナフタレン及びデカリンの組である
    請求項6に記載の脱炭素型エネルギー輸送方法。
  8. 前記水素を取り出す過程において、前記脱水素により芳香族炭化水素が生成され、
    生成された前記芳香族炭化水素が、
    再び脂環式炭化水素の生成に用いられ、
    工業原料として取り出され、又は、
    生成された前記芳香族炭化水素の一部が再び脂環式炭化水素の生成に用いられ、かつ、残りが工業原料として取り出される
    請求項1~7のいずれか一項に記載の脱炭素型エネルギー輸送方法。
  9. 輸送された前記脂環式炭化水素の一部が、燃料として取り出される
    請求項1~8のいずれか一項に記載の脱炭素型エネルギー輸送方法。
  10. 前記MTB過程で生成された水が、前記水素ガスを発生させる過程で電気分解される
    請求項のいずれか一項に記載の脱炭素型エネルギー輸送方法。
  11. バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程と、
    再生可能エネルギーから得られる電力を利用して、水を電気分解して水素ガスを発生さ
    せる過程と、
    製造された前記芳香族炭化水素を、発生させた前記水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を生成する過程と
    を備え、
    前記バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程は、
    前記バイオマスからメタン及び二酸化炭素を抽出する過程と、
    以下の化学反応式()により、前記メタン及び前記二酸化炭素から前記芳香族炭化水素としてベンゼンを生成するMTB過程と
    15/4CH+9/4CO―>C+9/2HO (
    を備える脂環式炭化水素製造方法。
  12. バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程と、
    再生可能エネルギーから得られる電力を利用して、水を電気分解して水素ガスを発生させる過程と、
    製造された前記芳香族炭化水素を、発生させた前記水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を生成する過程と
    を備え、
    前記バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程は、
    前記バイオマスからメタン及び二酸化炭素を抽出する過程と、
    以下の化学反応式()により、前記メタン及び前記二酸化炭素から前記芳香族炭化水素としてベンゼンを生成するMTB過程と
    15/4CH+9/4CO―>C+9/2HO (
    以下の化学反応式()により、前記メタン及び前記ベンゼンから前記芳香族炭化水素としてトルエンを生成するメチル化過程と
    +CH―>C+H
    を備える脂環式炭化水素製造方法。
  13. バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程と、
    再生可能エネルギーから得られる電力を利用して、水を電気分解して水素ガスを発生させる過程と、
    製造された前記芳香族炭化水素を、前記水素ガスにより水素化して、脂環式炭化水素を生成する過程と
    を備え、
    前記バイオマスから芳香族炭化水素を製造する過程は、
    前記バイオマスからメタン及び二酸化炭素を抽出する過程と、
    以下の化学反応式(1)により前記メタン及び前記二酸化炭素からベンゼンを生成する過程における副生成物として、前記芳香族炭化水素としてナフタレンを生成するMT
    B過程と
    15/4CH+9/4CO―>C+9/2HO (1)
    を備える脂環式炭化水素製造方法。
  14. 前記メチル化過程で生成された水素が、前記水素化に用いられる
    請求項1に記載の脂環式炭化水素製造方法。
  15. 前記MTB過程で生成された水が、前記水素ガスを発生させる過程で電気分解される
    請求項1~1のいずれか一項に記載の脂環式炭化水素製造方法。
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