JP7121578B2 - Hydrogen generator and hydrogen production method - Google Patents
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Description
本発明は、水素発生装置及び水素製造方法に関し、さらに詳しくは、テトラチアフルバレン(TTF)骨格を有するTTF系化合物を触媒として用いた水素発生装置、及びこのような水素発生装置を用いた水素製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen generator and a hydrogen production method, and more particularly, a hydrogen generator using a TTF-based compound having a tetrathiafulvalene (TTF) skeleton as a catalyst, and hydrogen production using such a hydrogen generator. Regarding the method.
水素を製造する方法としては、例えば、
(a)水を電気分解する方法、
(b)水蒸気改質法、部分酸化法等を用いてメタン等の炭化水素から水素を得る方法、
(c)光触媒を用いて水から水素を得る方法
などが知られている。
しかし、従来の水素製造方法は、
(A)コスト低下の余地が少ない、
(B)得られた水素に有害な不純物が含まれている場合がある、
(C)高温や高圧下での反応や、大規模な設備が必要となる場合がある、
などの問題がある。
As a method for producing hydrogen, for example,
(a) a method of electrolyzing water;
(b) a method of obtaining hydrogen from hydrocarbons such as methane using a steam reforming method, a partial oxidation method, etc.;
(c) A method of obtaining hydrogen from water using a photocatalyst is known.
However, conventional hydrogen production methods
(A) There is little room for cost reduction,
(B) the resulting hydrogen may contain harmful impurities;
(C) Reactions at high temperatures and pressures, and may require large-scale equipment.
There are problems such as
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、テトラチアフルバレン(TTF)骨格を有する化合物を含む水素発生剤に塩酸水溶液又は水を加える方法が開示されている。
同文献には、
(a)TTF骨格を有する化合物を含む水素発生剤は、あるpH範囲において水から水素を発生させることができる点、
(b)水素発生剤は、水素発生反応により別の物質となるが、溶液のpHを変えることによって、元の水素発生材料として再生させることができる点、及び、
(c)水素発生反応において原理的に酸素は発生しないため、酸素を分離する処理を行う必要がない点
が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have been conventionally made.
For example,
In the same document,
(a) the hydrogen generating agent containing a compound having a TTF skeleton can generate hydrogen from water within a certain pH range;
(b) the hydrogen generating agent becomes a different substance through the hydrogen generating reaction, but can be regenerated as the original hydrogen generating material by changing the pH of the solution;
(c) It is stated that, in principle, no oxygen is generated in the hydrogen generation reaction, so there is no need to perform a process for separating oxygen.
特許文献1には、TTF骨格を有する化合物を水中に分散させることにより、水素が発生する点が記載されている。しかし、特許文献1に記載の方法では、水素発生の反応速度が遅く、水素発生量は水素発生剤の量よりも少ない。
本発明が解決しようとする課題は、相対的に多量の水素を簡便に発生させることが可能な水素発生装置、及びこれを用いた水素製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a hydrogen generator capable of easily generating a relatively large amount of hydrogen, and a hydrogen production method using the same.
上記課題を解決するために、本発明に係る水素発生装置は、
水に水素発生剤を分散させた分散液を収容するための反応容器と、
前記分散液に超音波を照射する超音波照射装置と
を備えていることを要旨とする。
前記水素発生剤は、テトラチアフルバレン(TTF)骨格を有するTTF系化合物を含むものが好ましい。
In order to solve the above problems, the hydrogen generator according to the present invention includes:
a reaction vessel for containing a dispersion liquid in which a hydrogen generating agent is dispersed in water;
and an ultrasonic irradiation device for applying ultrasonic waves to the dispersion.
The hydrogen generating agent preferably contains a TTF-based compound having a tetrathiafulvalene (TTF) skeleton.
本発明に係る水素製造方法は、本発明に係る水素発生装置及び分散液を用いて水素を発生させることを要旨とする。 The gist of the hydrogen production method according to the present invention is to generate hydrogen using the hydrogen generator and the dispersion liquid according to the present invention.
TTF系化合物のような水素発生剤を水に分散させて水素を発生させる場合において、分散液に超音波を照射すると、水素発生量が著しく増大する。また、水素発生条件を最適化すると、水素発生速度は、従来法の1000倍以上となる。これは、分散液に超音波照射することによって、分散液中における水素発生剤の凝集が抑制され、水と水素発生剤との接触面積が増大したためと考えられる。 In the case of dispersing a hydrogen generating agent such as a TTF-based compound in water to generate hydrogen, irradiating the dispersion with ultrasonic waves remarkably increases the amount of hydrogen generated. Also, if the hydrogen generation conditions are optimized, the hydrogen generation rate will be 1000 times or more that of the conventional method. This is probably because the irradiation of the dispersion liquid with ultrasonic waves suppressed aggregation of the hydrogen generating agent in the dispersion liquid and increased the contact area between the water and the hydrogen generating agent.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 水素発生剤]
[1.1. 定義]
本発明において「水素発生剤」とは、外部エネルギー(例えば、超音波、熱など)を用いて水を分解する触媒として作用する物質をいう。そのためには、水素発生剤は、還元体(R)と酸化体(O)の二状態を取ることが可能な物質である必要がある。還元体(R)は、中性(pH=7)での可逆水素電極に対する起電力が-0.4V以下(水の電解電位以下)であり、水に触れると水を還元して水素を発生し、自身は酸化体(O)となる。次いで、酸化体(O)は、外部エネルギーによって還元されて還元体(R)に戻り、再度水を還元することが可能となる。
このような水素発生剤としては、例えば、
(a)テトラチアフルバレン(TTF)骨格を有する化合物(以下、「TTF系化合物」ともいう)、
(b)TiO2などの光触媒、
(c)熱化学サイクル用金属/金属酸化物、
などがある。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Hydrogen generating agent]
[1.1. definition]
In the present invention, the "hydrogen generating agent" refers to a substance that acts as a catalyst for decomposing water using external energy (eg, ultrasonic waves, heat, etc.). For this purpose, the hydrogen generating agent must be a substance capable of taking two states of reductant (R) and oxidant (O). The reductant (R) has an electromotive force of −0.4 V or less (below the electrolytic potential of water) with respect to the reversible hydrogen electrode at neutral (pH = 7), and when it comes into contact with water, it reduces water and generates hydrogen. and itself becomes an oxidant (O). Then, the oxidant (O) is reduced by external energy to return to the reductant (R), and it becomes possible to reduce water again.
Such hydrogen generating agents include, for example,
(a) a compound having a tetrathiafulvalene (TTF) skeleton (hereinafter also referred to as "TTF-based compound"),
(b) a photocatalyst such as TiO2 ;
(c) metals/metal oxides for thermochemical cycling;
and so on.
これらの中でも、TTF系化合物は、
(A)水素発生反応に使用しても実質的に消耗しない、
(B)原理的には無制限に繰り返し水素を発生させることができる、
(C)水素発生反応時に酸素が発生しないため、通常の水の分解反応と異なり、酸素を分離する処理が不要となる、
(D)超音波照射によって、酸化体(O)を還元体(R)に戻すことができる、
などの利点がある。そのため、TTF系化合物は、水素発生剤として特に好適である。
Among these, TTF compounds are
(A) not substantially depleted even when used in a hydrogen generation reaction;
(B) In principle, hydrogen can be generated repeatedly without limit,
(C) Since no oxygen is generated during the hydrogen generation reaction, there is no need for a process to separate oxygen, unlike normal water decomposition reactions.
(D) the oxidant (O) can be converted back to the reductant (R) by ultrasonic irradiation;
There are advantages such as Therefore, the TTF-based compound is particularly suitable as a hydrogen generating agent.
[1.2. TTF系化合物]
「TTF系化合物」とは、構造内にテトラチアフルバレン(H2C2S2C=CS2C2H2)骨格(TTF骨格)を有する化合物をいう。
TTF系化合物は、
(a)構造内に1個のTTF骨格を有する化合物であっても良く、あるいは、
(b)五員環の2個の炭素原子を介して2以上のTTF骨格が縮合している縮環テトラチアフルバレン骨格(TTFn-TTF)を備えている化合物であっても良い。
TTF系化合物が縮環TTF骨格を備えている場合、縮合しているTTF骨格の数は、特に限定されない。但し、TTF骨格の数が多くなりすぎると、合成が困難となる。従って、縮環TTF骨格に含まれるTTF骨格の数は、6以下が好ましい。TTF骨格の数は、特に2が好ましい。
[1.2. TTF-based compound]
A "TTF - based compound" refers to a compound having a tetrathiafulvalene ( H2C2S2C = CS2C2H2 ) skeleton ( TTF skeleton) in its structure.
The TTF-based compound is
(a) may be a compound having one TTF skeleton in the structure, or
(b) A compound having a condensed tetrathiafulvalene skeleton (TTF n -TTF) in which two or more TTF skeletons are condensed via two carbon atoms of a five-membered ring.
When the TTF-based compound has a condensed TTF skeleton, the number of condensed TTF skeletons is not particularly limited. However, if the number of TTF skeletons is too large, synthesis becomes difficult. Therefore, the number of TTF skeletons contained in the condensed TTF skeleton is preferably 6 or less. The number of TTF skeletons is particularly preferably two.
また、TTF系化合物は、TTF骨格に含まれる5員環の炭素原子に、カルボン酸基(-COOH)又はカルボン酸基のアルカリ金属塩(-COOM、Mはアルカリ金属)が結合しているものでも良い。アルカリ金属は、Li又はNaが好ましい。特に、Liは、Naよりもイオン半径が小さいので、TTF系化合物の安定性が高くなるという利点がある。
また、TTF系化合物は、
(a)TTF骨格のみからなる化合物であっても良く、あるいは、
(b)TTF骨格にMOH(Mはアルカリ金属)が配位している複合体であっても良い。
さらに、TTF系化合物は、TTF骨格内の硫黄原子の少なくとも一部がセレンで置換されているものでも良い。
Further, the TTF-based compound is a compound in which a carboxylic acid group (-COOH) or an alkali metal salt of a carboxylic acid group (-COOM, where M is an alkali metal) is bound to the five-membered ring carbon atoms contained in the TTF skeleton. But it's okay. The alkali metal is preferably Li or Na. In particular, since Li has a smaller ionic radius than Na, it has the advantage of increasing the stability of the TTF-based compound.
In addition, the TTF-based compound is
(a) may be a compound consisting only of a TTF skeleton, or
(b) A complex in which MOH (M is an alkali metal) is coordinated to the TTF skeleton.
Furthermore, the TTF-based compound may have at least part of the sulfur atoms in the TTF skeleton substituted with selenium.
特に、TTF系化合物は、
縮環テトラチアフルバレン骨格からなる前記TTF骨格と、
前記TTF骨格の炭素原子に結合しているカルボン酸基のアルカリ金属塩と、
前記TTF骨格に配位しているアルカリ金属の水酸化物と
を備えているものが好ましい。これは、以下の理由によると考えられる。
すなわち、TTF骨格は、電子リッチであり、電子を放出しやすい。そのため、TTF骨格から水に電子が渡され(すなわち、TTF骨格が還元され)、水素が発生する。この時、TTF骨格は電子を一つ失った分、電気的にプラスとなる。その電荷補償で、カルボン酸塩からアルカリ金属が電離し、マイナスに帯電したカルボキシレート基(-COO-)となる。そのため、化合物全体では中性となり、安定化する。このような現象は、TTF骨格に含まれる硫黄の全部又は一部をセレンに置換した場合にも起こる。
In particular, the TTF-based compound is
the TTF skeleton consisting of a condensed tetrathiafulvalene skeleton;
an alkali metal salt of a carboxylic acid group bonded to a carbon atom of the TTF skeleton;
and an alkali metal hydroxide coordinated to the TTF skeleton. This is considered to be due to the following reasons.
That is, the TTF skeleton is electron-rich and easily emits electrons. Therefore, electrons are transferred from the TTF skeleton to water (that is, the TTF skeleton is reduced) to generate hydrogen. At this time, the TTF skeleton loses one electron and becomes electrically positive. The charge compensation ionizes the alkali metal from the carboxylate to form a negatively charged carboxylate group ( --COO.sup.- ). Therefore, the compound as a whole becomes neutral and stabilizes. Such a phenomenon also occurs when all or part of the sulfur contained in the TTF skeleton is replaced with selenium.
水素を効率良く発生させるためには、水素発生剤は、
(a)(TTFn-TTF)(COOM)2(MOH)複合体(nは1以上の整数、MはLi又はNa)からなる第1化合物、
(b)(COOM)2(TTF-TTFm-TTF)(COOM)2(MOH)2複合体(mは0以上の整数、MはLi又はNa)からなる第2化合物、又は、
(c)第1化合物又は第2化合物のTTF骨格に含まれる硫黄の少なくとも一部がセレンで置換された第3化合物
が好ましい。水素発生剤には、これらのいずれか1種の化合物を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
In order to efficiently generate hydrogen, the hydrogen generating agent is
(a) a first compound comprising a (TTF n -TTF)(COOM) 2 (MOH) complex (n is an integer of 1 or more and M is Li or Na);
(b) a second compound comprising a (COOM) 2 (TTF-TTF m -TTF) (COOM) 2 (MOH) 2 complex (m is an integer of 0 or more and M is Li or Na), or
(c) A third compound in which at least part of the sulfur contained in the TTF skeleton of the first compound or the second compound is substituted with selenium is preferred. Any one of these compounds may be used as the hydrogen generating agent, or two or more of them may be used in combination.
なお、TTF系化合物の標記において、例えば、「(TTFn-TTF)…」は、合計(n+1)個のTTF骨格が縮合していることを表す。
また、「…TTF)(COOM)2…」は、TTF骨格の端部に位置する五員環の2個の炭素原子に、それぞれ、-COOM基が結合していることを表す。
さらに、「…(MOH)2」は、TTF骨格に2個のMOHが配位していることを表す。
In the description of the TTF-based compound, for example, "(TTF n -TTF)..." indicates that a total of (n+1) TTF skeletons are condensed.
Moreover, "...TTF)(COOM) 2 ..." indicates that a -COOM group is bonded to each of the two carbon atoms of the five-membered ring located at the ends of the TTF skeleton.
Furthermore, "...(MOH) 2 " represents that two MOH are coordinated to the TTF skeleton.
[2. 分散液]
分散液は、水に水素発生剤を分散させたものからなる。水素発生剤は、水から水素を発生させる反応の触媒となる。後述するように、本発明においては、分散液に超音波を照射することにより水素を発生させる。この場合、分散液中の水素発生剤の濃度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な濃度を選択することができる。
[2. Dispersion]
The dispersion consists of water in which the hydrogen generating agent is dispersed. The hydrogen generating agent serves as a catalyst for the reaction that generates hydrogen from water. As will be described later, in the present invention, hydrogen is generated by irradiating the dispersion liquid with ultrasonic waves. In this case, the concentration of the hydrogen generating agent in the dispersion is not particularly limited, and an optimum concentration can be selected according to the purpose.
一般に、分散液中の水素発生剤の濃度が高くなるほど、水素発生速度が速くなる。このような効果を得るためには、水素発生剤の濃度は、0.3μmol/L以上が好ましい。水素発生剤の濃度は、好ましくは、1.0μmol/L以上である。
一方、水素発生剤の濃度が高くなりすぎると、かえって水素発生量が低下する。また、水素発生剤の量に対する水素量の比も低下する。従って、水素発生剤の濃度は、30μmol/L以下が好ましい。水素発生剤の濃度は、好ましくは、15μmol/L以下、さらに好ましくは、5μmol/L以下である。
Generally, the higher the concentration of the hydrogen generating agent in the dispersion, the faster the rate of hydrogen generation. In order to obtain such effects, the concentration of the hydrogen generating agent is preferably 0.3 μmol/L or more. The concentration of the hydrogen generating agent is preferably 1.0 μmol/L or more.
On the other hand, if the concentration of the hydrogen generating agent becomes too high, the amount of hydrogen generated decreases. Also, the ratio of the amount of hydrogen to the amount of hydrogen generating agent is reduced. Therefore, the concentration of the hydrogen generating agent is preferably 30 μmol/L or less. The concentration of the hydrogen generating agent is preferably 15 μmol/L or less, more preferably 5 μmol/L or less.
[3. 水素発生装置]
本発明に係る水素発生装置は、
水に水素発生剤を分散させた分散液を収容するための反応容器と、
前記分散液に超音波を照射する超音波照射装置と
を備えている。
[3. Hydrogen generator]
The hydrogen generator according to the present invention is
a reaction vessel for containing a dispersion liquid in which a hydrogen generating agent is dispersed in water;
and an ultrasonic irradiation device for irradiating the dispersion liquid with ultrasonic waves.
水素発生装置は、
(a)前記反応容器を保温する保温装置、
(b)前記反応容器内の水素発生量を測定する水素発生量測定装置、及び/又は、
(c)前記水素発生量の時間変化から水素発生速度(vH2)を算出し、前記水素発生速度(vH2)がしきい値(vcri)以下になった時に、前記超音波照射装置を所定時間(t)だけ作動させるフィードバック手段
をさらに備えていても良い。
The hydrogen generator is
(a) a heat retaining device for keeping the reaction container warm;
(b) a hydrogen generation amount measuring device for measuring the hydrogen generation amount in the reaction vessel, and/or
(c) Calculate the hydrogen generation rate (v H2 ) from the time change of the hydrogen generation amount, and when the hydrogen generation rate (v H2 ) becomes equal to or less than the threshold value (v cri ), turn on the ultrasonic irradiation device. A feedback means may be further provided to operate for a predetermined time (t).
[3.1. 水素発生剤、分散液]
水素発生には、水に水素発生剤を分散させた分散液が用いられる。水素発生剤及び分散液の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[3.1. Hydrogen generating agent, dispersion liquid]
A dispersion liquid in which a hydrogen generating agent is dispersed in water is used for hydrogen generation. Since the details of the hydrogen generating agent and the dispersion are as described above, the description is omitted.
[3.2. 反応容器]
反応容器は、水に水素発生剤を分散させた分散液を収容するためのものである。反応容器の材料、形状、大きさ等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
[3.2. reaction container]
The reaction vessel is for containing a dispersion liquid in which the hydrogen generating agent is dispersed in water. The material, shape, size, etc. of the reaction vessel are not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the purpose.
[3.3. 超音波照射装置]
本発明に係る水素発生装置は、分散液に超音波を照射するための超音波照射装置を備えている。この点が、従来とは異なる。超音波照射装置は、分散液に所定時間、超音波を照射可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
水素発生剤を含む分散液から水素を発生させる場合において、分散液に超音波を照射すると、水素発生速度が著しく増大する。この場合、超音波の照射を停止しても、暫くの間、水素は発生し続ける。しかし、超音波照射を停止した後、所定時間が経過すると、水素の発生速度が著しく低下する。従って、超音波照射装置は、所定のエネルギーを持つ超音波を分散液に連続的又は断続的に照射可能なものが好ましい。
[3.3. Ultrasonic irradiation device]
A hydrogen generator according to the present invention includes an ultrasonic irradiation device for applying ultrasonic waves to a dispersion liquid. This point is different from the conventional one. The ultrasonic irradiation device is not particularly limited as long as it can irradiate the dispersion liquid with ultrasonic waves for a predetermined time.
In the case of generating hydrogen from a dispersion containing a hydrogen generating agent, the rate of hydrogen generation is remarkably increased by irradiating the dispersion with ultrasonic waves. In this case, even if the irradiation of ultrasonic waves is stopped, hydrogen continues to be generated for a while. However, after a predetermined period of time has passed since the ultrasonic irradiation was stopped, the generation rate of hydrogen decreases significantly. Therefore, it is preferable that the ultrasonic irradiation device can continuously or intermittently irradiate the dispersion liquid with ultrasonic waves having a predetermined energy.
[3.4. 保温装置]
水素発生装置は、反応容器を保温する保温装置をさらに備えていても良い。水素発生速度は、超音波の照射条件だけでなく、分散液の温度にも依存する。保温装置は、分散液を所定の温度に維持可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
[3.4. Thermal insulation device]
The hydrogen generator may further include a heat retaining device for keeping the reaction container warm. The hydrogen generation rate depends not only on the ultrasonic irradiation conditions but also on the temperature of the dispersion. The heat retaining device is not particularly limited as long as it can maintain the dispersion at a predetermined temperature.
[3.5. 水素発生量測定装置]
水素発生装置は、反応容器内の水素発生量を測定する水素発生量測定装置をさらに備えていても良い。測定された水素発生量は、水素発生速度の算出、累積水素発生量の算出、超音波照射時間の制御などに用いることができる。
水素発生量測定装置は、水素発生量を測定可能なものである限りにおいて、特に限定されない。水素発生量測定装置としては、例えば、
(a)ガスクロマトグラフ-熱伝導度検出器装置(GC-TCD)、
(b)質量分析装置(MS)、
(c)赤外分光高度計(FT-IR)
などがある。
[3.5. Hydrogen generation amount measuring device]
The hydrogen generator may further include a hydrogen generation amount measuring device for measuring the hydrogen generation amount in the reaction vessel. The measured amount of hydrogen generation can be used for calculation of hydrogen generation rate, calculation of cumulative hydrogen generation amount, control of ultrasonic irradiation time, and the like.
The hydrogen generation amount measuring device is not particularly limited as long as it can measure the hydrogen generation amount. As a hydrogen generation amount measuring device, for example,
(a) Gas Chromatograph-Thermal Conductivity Detector Device (GC-TCD),
(b) a mass spectrometer (MS);
(c) Infrared spectrophotometer (FT-IR)
and so on.
[3.6. フィードバック手段]
水素発生装置は、水素発生量の時間変化から水素発生速度(vH2)を算出し、水素発生速度(vH2)がしきい値(vcri)以下になった時に、超音波照射装置を所定時間(t)だけ作動させるフィードバック手段をさらに備えていても良い。
上述したように、分散液に対して超音波を照射すると、水素発生速度は著しく増大するが、超音波照射の効果は、やがて消失する。そのため、水素発生速度を監視しながら、超音波を断続的に照射すると、少ない投入エネルギーで相対的に多量の水素を発生させることができる。
[3.6. Feedback Means]
The hydrogen generator calculates the hydrogen generation rate (v H2 ) from the change in the amount of hydrogen generation over time, and when the hydrogen generation rate (v H2 ) becomes equal to or less than the threshold value (v cri ), the ultrasonic irradiation device is turned on. A further feedback means may be provided to activate for a time (t).
As described above, when the dispersion is irradiated with ultrasonic waves, the rate of hydrogen generation is remarkably increased, but the effect of ultrasonic irradiation soon disappears. Therefore, by intermittently irradiating ultrasonic waves while monitoring the hydrogen generation rate, a relatively large amount of hydrogen can be generated with a small input energy.
[4. 水素製造方法]
本発明に係る水素製造方法は、本発明に係る水素発生装置及び分散液を用いて水素を発生させることを要旨とする。水素発生量に影響を及ぼす水素発生条件としては、例えば、分散液中の水素発生剤の濃度、分散液の温度、超音波照射時間などがある。水素発生条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。
[4. Hydrogen production method]
The gist of the hydrogen production method according to the present invention is to generate hydrogen using the hydrogen generator and the dispersion liquid according to the present invention. Hydrogen generating conditions that affect the amount of hydrogen generated include, for example, the concentration of the hydrogen generating agent in the dispersion, the temperature of the dispersion, and the ultrasonic irradiation time. Hydrogen generation conditions are not particularly limited, and it is preferable to select optimum conditions according to the purpose.
[5. 作用]
TTF系化合物のような水素発生剤を水に分散させて水素を発生させる場合において、分散液に超音波を照射すると、水素発生量が著しく増大する。また、水素発生条件を最適化すると、水素発生速度は、従来法の1000倍以上となる。これは、分散液に超音波照射することによって、分散液中における水素発生剤の凝集が抑制され、水と水素発生剤との接触面積が増大したためと考えられる。
[5. action]
In the case of dispersing a hydrogen generating agent such as a TTF-based compound in water to generate hydrogen, irradiating the dispersion with ultrasonic waves remarkably increases the amount of hydrogen generated. In addition, by optimizing the hydrogen generation conditions, the hydrogen generation rate is 1000 times or more that of the conventional method. This is probably because the ultrasonic irradiation of the dispersion inhibited aggregation of the hydrogen generating agent in the dispersion and increased the contact area between the water and the hydrogen generating agent.
(実施例1、比較例1)
[1. 水素発生装置]
図1(A)に、実験に用いた水素発生装置の概略図を示す。図1(A)において、水素発生装置10は、反応容器20と、超音波照射装置30aを備えた超音波照射槽30と、GC-TCD(図示せず)とを備えている。
(Example 1, Comparative Example 1)
[1. Hydrogen generator]
FIG. 1A shows a schematic diagram of the hydrogen generator used in the experiment. In FIG. 1(A), the
反応容器20は、水に水素発生剤を分散させた分散液26を収容するためのものであり、本体22と、キャップ24とを備えている。本体22内には、所定量の分散液26が収容されており、空隙部分にはアルゴンガスが充填されている。また、本体22内には、分散液26を攪拌するための攪拌子28が挿入されている。
本体22の上部の開口部は、キャップ24で密閉されている。キャップ24の先端には、ガス採取口24aが設けられている。ガス採取口24aは、GC-TCD(図示せず)に接続されており、反応容器20内で発生したガスの種類及び量を分析できるようになっている。
The
An upper opening of the
反応容器20は、超音波照射槽30内に設置されている。超音波照射槽30内には、室温の水32が入れられており、超音波照射槽30の底部にある超音波照射装置30aから反応容器20に向かって超音波が照射されるようになっている。
The
[2. 試験方法]
水素発生剤には、次の式(1)で表される構造を備えたTTF系化合物を用いた。この水素発生剤を水に分散させ、分散液を得た。
[2. Test method]
A TTF-based compound having a structure represented by the following formula (1) was used as the hydrogen generating agent. This hydrogen generating agent was dispersed in water to obtain a dispersion.
図1(A)に示す水素発生装置10の反応容器20内に、所定量の分散液26を入れた。超音波照射槽30に室温の水32を入れ、水32中に反応容器20を設置した。
室温(18~25℃)で10min、135W、40kHzの条件で、反応容器20内の分散液26に超音波を照射した。超音波の照射を停止させた後、図1(B)に示すように、反応容器20を、温水36が入った恒温槽34に移動させた。次いで、攪拌子28で分散液26を攪拌しながら、50℃で1時間加温し、GC-TCDで水素発生量を測定した(実施例1)。
また、超音波を照射することなく、分散液を50℃で72時間保持し、ガスクロマトグラフで水素発生量を測定した(比較例1)。
A predetermined amount of the
The
Further, the dispersion liquid was held at 50° C. for 72 hours without irradiating ultrasonic waves, and the amount of hydrogen generated was measured with a gas chromatograph (Comparative Example 1).
GC-TCDでは、分散液26の上方の空間のガス状水素量(Ngas)を定量した。水素は、僅かに水に溶解するため、Henryの法則に基づき、分散液中の溶存水素量(Nsoln)を算出した。また、分散液への超音波照射は、ラジカル反応を誘起し、水素を生成させることが知られている。そのため、ブランク測定を行い、10分間の超音波照射で生成する水素量(Nsonic)を算出した。水と水素発生剤との反応により生成する水素量(Ncat)は、次の式(2)で表される。
Ncat=Ngas+Nsoln-Nsonic ・・・(2)
GC-TCD quantified the amount of gaseous hydrogen (N gas ) in the space above the
N cat = N gas + N soln - N sonic (2)
[3. 結果]
図2に、超音波照射の有無と水素発生速度との関係を示す。図2より、以下のことが分かる。
(1)実施例1の水素発生速度は、比較例1の1000倍以上となった。これは、超音波照射により、水素発生剤の分散性が向上したためと考えられる。
(2)比較例1のNcat/水素発生剤モル比は、1.4×10-3であった。すなわち、実施例1の水素発生量は、水素発生剤の量よりも著しく少ない。一方、実施例1のNcat/水素発生剤比(モル比)は2.3であり、水素発生剤の量より多い水素が発生した。
[3. result]
FIG. 2 shows the relationship between the presence or absence of ultrasonic irradiation and the rate of hydrogen generation. From FIG. 2, the following can be understood.
(1) The hydrogen generation rate of Example 1 was 1000 times or more that of Comparative Example 1. This is probably because the ultrasonic irradiation improved the dispersibility of the hydrogen generating agent.
(2) Ncat/hydrogen generating agent molar ratio of Comparative Example 1 was 1.4×10 −3 . That is, the amount of hydrogen generated in Example 1 is significantly less than the amount of the hydrogen generating agent. On the other hand, the N cat /hydrogen generating agent ratio (molar ratio) of Example 1 was 2.3, and more hydrogen was generated than the amount of the hydrogen generating agent.
(実施例2)
[1. 試験方法]
水素発生剤には、式(1)で表されるTTF系化合物を用いた。実施例1で用いた水素発生装置10の反応容器20に、超純水と水素発生剤とを加えた。超音波照射を行うことなく、50℃で1時間加温した後、水素量を測定した(A)。
次に、反応容器20内の分散液26に室温(18~25℃)で10分間、超音波照射した。次いで、分散液を50℃で1時間加温した後、水素量を測定した(B)。
以下、水素発生が終了したことを確認した後、室温(18~25℃)で10分間の超音波照射、50℃で1時間の加温、及び水素量の測定を繰り返した(C、D)。
(Example 2)
[1. Test method]
A TTF-based compound represented by formula (1) was used as the hydrogen generating agent. Ultrapure water and a hydrogen generating agent were added to the
Next, the
Thereafter, after confirming that hydrogen generation was completed, ultrasonic irradiation for 10 minutes at room temperature (18 to 25° C.), heating at 50° C. for 1 hour, and measurement of the amount of hydrogen were repeated (C, D). .
[2. 結果]
図3に、超音波照射回数と水素発生量との関係を示す。図3より、以下のことが分かる。
(1)超音波照射を行うと、一時的に水素発生量が著しく増大するが、一定時間経過すると、水素発生がほぼ停止した。また、水素発生が停止した後、再度、超音波を照射すると、再度、水素発生量が増大した。超音波照射後に水素発生量が停止するのは、分散液中において水素発生剤が凝集したためと考えられる。また、超音波照射を再開すると水素発生量が再度増大するのは、水素発生剤が再分散するためと考えられる。
(2)式(1)で表される触媒は、水中で安定であり、超音波照射で分解しない。
[2. result]
FIG. 3 shows the relationship between the frequency of ultrasonic irradiation and the amount of hydrogen generated. From FIG. 3, the following can be understood.
(1) When ultrasonic waves were applied, the amount of hydrogen generated increased temporarily, but hydrogen generation almost stopped after a certain period of time. Further, when the ultrasonic wave was applied again after hydrogen generation stopped, the amount of hydrogen generated increased again. The reason why the amount of hydrogen generation stops after ultrasonic irradiation is considered to be that the hydrogen generating agent aggregates in the dispersion liquid. Further, the reason why the amount of hydrogen generated increases again when ultrasonic irradiation is resumed is considered to be that the hydrogen generating agent is re-dispersed.
(2) The catalyst represented by formula (1) is stable in water and is not decomposed by ultrasonic irradiation.
(実施例3)
[1. 試験方法]
水素発生剤には、式(1)で表されるTTF系化合物を用いた。実施例1で用いた水素発生装置10の反応容器20に、超純水と水素発生剤とを加えた。水素発生剤の濃度は、0.3、14、29、又は288μmol/Lとした。
反応容器20内の分散液26に室温(18~25℃)で超音波を照射した。次いで、分散液を50℃で24時間加温した後、水素量を測定した。
(Example 3)
[1. Test method]
A TTF-based compound represented by formula (1) was used as the hydrogen generating agent. Ultrapure water and a hydrogen generating agent were added to the
The
[2. 結果]
図4に、水素発生剤の濃度と水素量(Ncat)/水素発生剤比との関係を示す。図5に、水素発生剤の濃度と水素量(Ncat)との関係を示す。図4及び図5より、以下のことが分かる。
(1)水素発生剤の濃度が0.3μmol/Lであっても、多量の水素が発生した。水素発生剤の濃度が約15μmol/Lのところで、水素量(Ncat)は極大となった。
(2)水素発生剤の濃度が高くなるほど、Ncat/水素発生剤比(モル比)が小さくなった。また、水素発生剤の濃度を15μmol/L以下にすると、水素発生剤と当量以上の水素量(Ncat)が得られることが分かった。
(3)超音波照射後には、水素発生反応と触媒同士の凝集反応が並行して進むと考えられる。低濃度では凝集が起こりにくいため水素発生反応が優先的に起きるが、高濃度では凝集反応速度が水素発生反応速度を上回ると推測される。このため、低濃度で水素発生量が多く、極大を経て水素の発生量が減少した(図5)と考えられる。
(4)触媒の利用効率は単調減少(図4)で、15μmol/L以上では、触媒と当量の水素を発生する前に反応が停止した。無駄な触媒投入を避け、触媒を有効利用するには、一定以下の濃度で水素発生を実施することが望ましい。
[2. result]
FIG. 4 shows the relationship between the concentration of the hydrogen generating agent and the hydrogen content (N cat )/hydrogen generating agent ratio. FIG. 5 shows the relationship between the concentration of the hydrogen generating agent and the amount of hydrogen (N cat ). 4 and 5 show the following.
(1) A large amount of hydrogen was generated even when the concentration of the hydrogen generating agent was 0.3 μmol/L. The amount of hydrogen (N cat ) reached a maximum when the concentration of the hydrogen generating agent was approximately 15 μmol/L.
(2) The higher the hydrogen generating agent concentration, the smaller the N cat /hydrogen generating agent ratio (molar ratio). Moreover, it was found that when the concentration of the hydrogen generating agent is set to 15 μmol/L or less, the amount of hydrogen (N cat ) equal to or greater than that of the hydrogen generating agent can be obtained.
(3) After ultrasonic irradiation, it is considered that the hydrogen generation reaction and the agglomeration reaction between the catalysts proceed in parallel. At low concentrations, aggregation is less likely to occur, so the hydrogen generation reaction occurs preferentially, but at high concentrations, the aggregation reaction rate is presumed to exceed the hydrogen generation reaction rate. For this reason, it is considered that the amount of hydrogen generated was large at low concentrations, and that the amount of hydrogen generated decreased after reaching a maximum (Fig. 5).
(4) The utilization efficiency of the catalyst monotonously decreased (Fig. 4), and at 15 µmol/L or more, the reaction stopped before the generation of hydrogen equivalent to that of the catalyst. In order to avoid useless catalyst input and use the catalyst effectively, it is desirable to generate hydrogen at a concentration below a certain level.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る水素発生装置は、燃料電池用の燃料製造装置、化成品などの原料としての水素製造装置などに用いることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The hydrogen generator according to the present invention can be used as a fuel production device for fuel cells, a hydrogen production device as a raw material for chemical products, and the like.
Claims (9)
前記分散液を収容するための反応容器と、
前記分散液に超音波を照射する超音波照射装置と
を備え、
前記水素発生剤は、テトラチアフルバレン(TTF)骨格を有するTTF系化合物を含む
水素発生装置。 Used to generate hydrogen from a dispersion in which a hydrogen generating agent is dispersed in water,
a reaction vessel for containing the dispersion ;
An ultrasonic irradiation device for irradiating the dispersion liquid with ultrasonic waves ,
The hydrogen generating agent contains a TTF-based compound having a tetrathiafulvalene (TTF) skeleton
Hydrogen generator.
縮環テトラチアフルバレン骨格からなる前記TTF骨格と、
前記TTF骨格の炭素原子に結合しているカルボン酸基のアルカリ金属塩と、
前記TTF骨格に配位しているアルカリ金属の水酸化物と
を備えている請求項1から5までのいずれか1項に記載の水素発生装置。 The TTF-based compound is
the TTF skeleton consisting of a condensed tetrathiafulvalene skeleton;
an alkali metal salt of a carboxylic acid group bonded to a carbon atom of the TTF skeleton;
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 5, further comprising an alkali metal hydroxide coordinated to the TTF skeleton.
(a)(TTFn-TTF)(COOM)2(MOH)複合体(nは1以上の整数、MはLi又はNa)からなる第1化合物、
(b)(COOM)2(TTF-TTFm-TTF)(COOM)2(MOH)2複合体(mは0以上の整数、MはLi又はNa)からなる第2化合物、及び、
(c)前記第1化合物又は前記第2化合物の前記TTF骨格に含まれる硫黄の少なくとも一部がセレンで置換された第3化合物
からなる群から選ばれるいずれか1以上の化合物からなる請求項1から7までのいずれか1項に記載の水素発生装置。 The hydrogen generating agent is
(a) a first compound comprising a (TTF n -TTF)(COOM) 2 (MOH) complex (n is an integer of 1 or more and M is Li or Na);
(b) a second compound comprising a (COOM) 2 (TTF-TTF m -TTF) (COOM) 2 (MOH) 2 complex (m is an integer of 0 or more and M is Li or Na);
(c) any one or more compounds selected from the group consisting of a third compound in which at least part of the sulfur contained in the TTF skeleton of the first compound or the second compound is substituted with selenium; 8. The hydrogen generator according to any one of items 1 to 7 .
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