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JP7161778B2 - Hydrogen carrier and its manufacturing method - Google Patents
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Description

本発明は、水素の貯蔵特性と放出特性に優れ、且つ安全であることから、特に水素ステーションから末端ユーザーへ水素を届けるための水素ターミナルキャリアとして有用な水素キャリアとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen carrier that is excellent in hydrogen storage and release characteristics and is safe, and is particularly useful as a hydrogen terminal carrier for delivering hydrogen from hydrogen stations to end users, and a method for producing the same.

近年、地球温暖化などの問題が顕在化したことにより、化石燃料に代わる再生エネルギーが注目されている。例えば、ガソリン車に代わって燃料電池車が開発されたり、家庭用の燃料電池が開発されている。 In recent years, due to the emergence of problems such as global warming, attention has been paid to renewable energy as an alternative to fossil fuels. For example, fuel cell vehicles have been developed to replace gasoline vehicles, and household fuel cells have been developed.

ところが、燃料電池の燃料である水素は、反応性が極めて高く危険である上に、常温常圧で気体であるため、ガソリンや灯油など常温常圧で液体である化石燃料に比べて運搬効率が低いという問題がある。 However, hydrogen, which is the fuel for fuel cells, is highly reactive and dangerous, and because it is a gas at normal temperature and pressure, it is less efficient than fossil fuels such as gasoline and kerosene, which are liquid at normal temperature and pressure. There is the problem of low

水素の運搬効率を高める手段としては、高圧水素ボンベが最も簡単である。しかし高圧水素ボンベには漏洩や爆発などの問題があり、安全性が低い。そこで、水素キャリアとして有機ハイドライドが検討されている。有機ハイドライドとしては、例えば、トルエンやナフタレンを水素で還元して得られたメチルシクロヘキサンやデカリンを挙げることができる。メチルシクロヘキサンやデカリンは水素よりも安全であり、且つ常温常圧で液体であることから取扱性に優れている。しかし、有機ハイドライドを酸化して水素を取り出す場合には、特殊な触媒と高温条件が必要となる。よって有機ハイドライドは、例えば水素ステーションから末端ユーザーへ水素を届けるための水素ターミナルキャリアとしては適さない。 High-pressure hydrogen cylinders are the simplest means for increasing the transportation efficiency of hydrogen. However, high-pressure hydrogen cylinders have problems such as leaks and explosions, and their safety is low. Therefore, organic hydrides are being studied as hydrogen carriers. Organic hydrides include, for example, methylcyclohexane and decalin obtained by reducing toluene and naphthalene with hydrogen. Methylcyclohexane and decalin are safer than hydrogen and are excellent in handleability because they are liquids at normal temperature and normal pressure. However, when organic hydride is oxidized to extract hydrogen, a special catalyst and high temperature conditions are required. Organic hydrides are therefore not suitable as hydrogen terminal carriers, for example for delivering hydrogen from hydrogen stations to end users.

また、水素により窒素を還元してアンモニアを製造し、このアンモニアを運搬し、使用時にアンモニアを酸化して水素を取り出すことも検討されている。しかし、アンモニアから水素を取り出すには触媒や高エネルギーが必要であるし、アンモニアは決して安全なものではなく、また、常温常圧で気体であり蒸気圧が高いことから取扱性に優れるものでもない。 It is also being considered to reduce nitrogen with hydrogen to produce ammonia, transport this ammonia, and extract hydrogen by oxidizing the ammonia at the time of use. However, a catalyst and high energy are required to extract hydrogen from ammonia, and ammonia is by no means safe, and is not easy to handle because it is a gas at normal temperature and pressure and has a high vapor pressure. .

そこで、水素キャリア、特に水素ターミナルキャリアとして、水素ハイドレートが期待されている。水素ハイドレートは非常に安全性が高く、常温常圧下で放置するのみで容易に水素を放出する。しかし一般的に、水素ハイドレートの形成には、例えば-24℃で100MPaといった低温高圧条件が必要である。そこで特許文献1には、テトラヒドロフランなど、水素ハイドレートの相平衡圧力・温度を常圧・常温側にシフトさせるハイドレート形成補助剤の水溶液に、多孔質フィルタを介して、例えば7℃未満で5MPaの水素を供給することを特徴とする水素ハイドレートの生成方法が開示されている。なお、ハイドレートの形成され易さは、包接されるゲスト分子の種類により異なる。 Therefore, hydrogen hydrate is expected as a hydrogen carrier, especially as a hydrogen terminal carrier. Hydrogen hydrate is extremely safe, and hydrogen is easily released simply by leaving it under normal temperature and normal pressure. However, in general, the formation of hydrogen hydrate requires low temperature and high pressure conditions such as −24° C. and 100 MPa. Therefore, in Patent Document 1, an aqueous solution of a hydrate-forming auxiliary such as tetrahydrofuran that shifts the phase equilibrium pressure and temperature of hydrogen hydrate to the normal pressure/normal temperature side is added through a porous filter to, for example, 5 MPa at less than 7 ° C. of hydrogen is disclosed. The ease with which hydrates are formed varies depending on the types of guest molecules to be clathrated.

また、水素ハイドレートには、吸蔵すべき水素が常温常圧で気体であることから、水素の貯蔵量が少ないという欠点がある。そこで特許文献2には、アセトンなどの水溶液を用い、-30℃~-1℃、3~20MPaという低温高圧下で水素ハイドレートを製造する方法が記載されている。特許文献3には、カーボンナノチューブビーズ内の空隙に、テトラヒドロフランまたはアセトンの水溶液を吸収させ、氷点以下の温度で120~200気圧の水素をハイドレートケージに吸蔵させる方法が開示されている。 In addition, hydrogen hydrate has the disadvantage that the storage amount of hydrogen is small because hydrogen to be occluded is gaseous at normal temperature and pressure. Therefore, Patent Document 2 describes a method of producing hydrogen hydrate using an aqueous solution of acetone or the like at a low temperature of -30° C. to -1° C. and a pressure of 3 to 20 MPa. Patent Document 3 discloses a method in which an aqueous solution of tetrahydrofuran or acetone is absorbed into the voids in the carbon nanotube beads, and hydrogen at 120 to 200 atm is absorbed into the hydrate cage at a temperature below the freezing point.

特開2012-236740号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-236740 特開2008-285341号公報JP 2008-285341 A 特開2007-272781号公報JP 2007-272781 A

上述したように、水素ハイドレートを製造する方法は種々開発されていたが、一般的に、数十気圧以上(数MPa以上)という高圧の水素をハイドレートケージに吸蔵させるものであった。
そこで本発明は、常圧または比較的常圧に近い水素を用いて製造可能なものであり、水素の貯蔵特性に優れ、また、水素の放出特性にも優れ且つ安全であることから、特に水素ターミナルキャリアとして有用な水素キャリアとその製造方法を提供することを目的とする。
As described above, various methods for producing hydrogen hydrate have been developed, but generally, hydrogen at a pressure of several tens of atmospheres or more (several MPa or more) is occluded in a hydrate cage.
Therefore, the present invention can be produced using hydrogen at normal pressure or relatively normal pressure, is excellent in hydrogen storage characteristics, and is also excellent in hydrogen release characteristics and is safe. An object of the present invention is to provide a hydrogen carrier useful as a terminal carrier and a method for producing the same.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、外殻に細孔を有する中空粒子を用いれば、多量の水素を常圧または比較的常圧に近い圧力でハイドレートケージに容易に吸蔵させることができることを見出して、本発明を完成した。
以下、本発明を示す。なお、以下では、外殻に細孔を有する中空粒子を「有孔中空粒子」と略記する場合がある。
The present inventors have made intensive studies to solve the above problems. As a result, it was found that a large amount of hydrogen can be easily occluded in a hydrate cage at normal pressure or a pressure relatively close to normal pressure by using hollow particles having pores in the outer shell, and completed the present invention. did.
The present invention is shown below. In addition, hereinafter, hollow particles having pores in the outer shell may be abbreviated as “hollow particles with pores”.

[1] 中空粒子と水素ハイドレートを含み、
前記中空粒子の外殻が細孔を有し、
前記中空粒子中に前記水素ハイドレートが含まれることを特徴とする水素キャリア。
[1] including hollow particles and hydrogen hydrate,
The outer shell of the hollow particles has pores,
A hydrogen carrier, wherein the hydrogen hydrate is contained in the hollow particles.

[2] 前記中空粒子の粒子径が1000μm以下である上記[1]に記載の水素キャリア。 [2] The hydrogen carrier according to [1] above, wherein the hollow particles have a particle diameter of 1000 μm or less.

[3] 前記中空粒子の表面積に対する前記細孔の開孔部面積の合計の割合が0.5%以上、10%以下である上記[1]または[2]に記載の水素キャリア。 [3] The hydrogen carrier according to [1] or [2] above, wherein the ratio of the total open area of the pores to the surface area of the hollow particles is 0.5% or more and 10% or less.

[4] 前記中空粒子が中空シリカ粒子または中空ゼオライト粒子である上記[1]~[3]のいずれかに記載の水素キャリア。 [4] The hydrogen carrier according to any one of [1] to [3] above, wherein the hollow particles are hollow silica particles or hollow zeolite particles.

[5] 前記水素ハイドレートが、水と水素に加えてハイドレート形成補助剤を含む上記[1]~[4]のいずれかに記載の水素キャリア。 [5] The hydrogen carrier according to any one of [1] to [4] above, wherein the hydrogen hydrate contains a hydrate-forming aid in addition to water and hydrogen.

[6] 水素キャリアを製造するための方法であって、
外殻が細孔を有する中空粒子の内部に水またはハイドレート形成補助剤の水溶液を封入する工程、
前記水またはハイドレート形成補助剤水溶液を封入した前記中空粒子を冷却してハイドレートケージを形成する工程、および、
前記ハイドレートケージに水素を接触させることにより前記ハイドレートケージ中に水素を吸蔵させる工程を含む方法。
[6] A method for producing a hydrogen carrier, comprising:
A step of encapsulating water or an aqueous solution of a hydrate-forming aid inside hollow particles whose outer shells have pores;
cooling the hollow particles enclosing the water or the aqueous hydrate-forming aid solution to form a hydrate cage;
A method comprising the step of causing hydrogen to be occluded in said hydrate cage by contacting said hydrate cage with hydrogen.

[7] 前記水素の圧力を常圧以上、1000kPa未満とする上記[6]に記載の方法。 [7] The method according to [6] above, wherein the pressure of the hydrogen is normal pressure or more and less than 1000 kPa.

[8] 上記[6]または[7]に記載の方法により水素キャリアを製造する工程、および、
前記水素キャリアを運搬する工程を含む水素の運搬方法。
[8] A step of producing a hydrogen carrier by the method described in [6] or [7] above;
A method for transporting hydrogen, comprising the step of transporting the hydrogen carrier.

本発明の水素キャリアは、多量の水素を貯蔵することができ、主な構成成分は無機の有孔中空粒子と水素ハイドレートのみであるので、安全であり且つ環境負荷が小さい上に、常温程度に昇温することにより水素を容易に放出することができるので、特に水素ターミナルキャリアとして有用である。また、本発明の水素キャリアは、極端な低温や高圧の水素を必要とせず、効率的に製造することができる。よって、例えばその製造のために大規模な設備を必要としないため、末端ユーザーに水素を供給するための水素ステーションで製造することも可能である。よって本発明は、燃料電池など水素を主な原料とする再生エネルギー源の実用化を促進するものとして、産業上非常に有用である。 The hydrogen carrier of the present invention can store a large amount of hydrogen, and the main constituents are only inorganic porous hollow particles and hydrogen hydrate. It is particularly useful as a hydrogen terminal carrier because hydrogen can be easily released by raising the temperature to . Moreover, the hydrogen carrier of the present invention can be efficiently produced without requiring extremely low-temperature or high-pressure hydrogen. Thus, for example, it does not require large-scale installations for its production, so that it can be produced in hydrogen stations for supplying hydrogen to end users. Therefore, the present invention is industrially extremely useful as a means of promoting the practical use of renewable energy sources such as fuel cells that use hydrogen as a main raw material.

図1は、本発明に係る有孔中空粒子の拡大写真である。FIG. 1 is an enlarged photograph of a perforated hollow particle according to the present invention. 図2は、本発明に係る水素キャリアを製造するために用いた装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the equipment used to produce the hydrogen carrier according to the invention. 図3は、本発明に係る水素キャリアを製造した際の中空粒子の近傍の温度の冷却曲線を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a cooling curve of the temperature in the vicinity of the hollow particles when manufacturing the hydrogen carrier according to the present invention.

本発明の水素キャリアは、有孔中空粒子と水素ハイドレートを含む。有孔中空粒子の材質は、安全なものであり、また、粒子が十分に小さく且つ中空のものであれば特に制限されないが、例えばシリカ(SiO2)やゼオライトを挙げることができる。なお、ゼオライトは二酸化ケイ素を主骨格とするものの、一部のケイ素がアルミニウムなどに置換されている結晶構造を有する。The hydrogen carrier of the present invention comprises perforated hollow particles and hydrogen hydrates. The material of the perforated hollow particles is not particularly limited as long as the particles are safe, and the particles are sufficiently small and hollow. Examples include silica (SiO 2 ) and zeolite. Although zeolite has silicon dioxide as its main skeleton, it has a crystal structure in which part of silicon is substituted with aluminum or the like.

有孔中空シリカ粒子は、常法、例えばWO2015/025529号や特開2017-3148号公報に記載の方法により容易に製造することができる。即ち、ケイ酸塩やシランカップリング剤と、ポリ(メタ)アクリル酸塩などの孔形成材の水溶液に、n-ヘキサンなどの親油性有機溶媒と界面活性剤を加え、激しく攪拌することによりW/Oエマルジョンを得る。当該エマルジョン中における液滴の大きさを調整することにより、中空粒子の大きさを調整することができる。液滴の大きさは、例えば、界面活性剤の種類や量、攪拌動力などにより調整可能である。また、中空粒子の表面積に対する孔面積比は、中空粒子原料に対する孔形成材の使用割合により調整することができる。次に、上記W/Oエマルジョンを、炭酸水素アンモニウム水溶液などの水相に加えて激しく攪拌することにより、W/O/Wエマルジョンを調製する。この際、油相において、孔形成材を含むポリシロキサンやシリカが形成される。形成された粒子を液相から分離し、乾燥した後、350℃以上、800℃以下程度で焼成することにより、有孔中空シリカ粒子を製造することができる。 The porous hollow silica particles can be easily produced by a conventional method, for example, the method described in WO2015/025529 or JP-A-2017-3148. That is, W /O emulsion is obtained. The size of the hollow particles can be adjusted by adjusting the size of the droplets in the emulsion. The droplet size can be adjusted by, for example, the type and amount of surfactant, stirring power, and the like. Also, the ratio of the pore area to the surface area of the hollow particles can be adjusted by adjusting the ratio of the pore-forming material used to the raw material of the hollow particles. Next, the W/O/W emulsion is prepared by adding the W/O emulsion to an aqueous phase such as an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution and vigorously stirring the mixture. At this time, polysiloxane and silica containing a pore-forming material are formed in the oil phase. The formed particles are separated from the liquid phase, dried, and then calcined at about 350° C. or higher and 800° C. or lower to produce porous hollow silica particles.

有孔中空ゼオライト粒子は、常法、例えば特開2009-269788号公報に記載の方法により容易に製造することができる。即ち、アルミニウムなどの金属を含むコアゼオライトを形成し、前記金属を含まないゼオライトの結晶を成長させてシェルを形成し、前記金属を除去し、更にシリカ分解剤によりコアゼアライトを分解することにより、有孔中空ゼオライト粒子を作製することができる。 The perforated hollow zeolite particles can be easily produced by a conventional method such as the method described in JP-A-2009-269788. That is, a core zeolite containing a metal such as aluminum is formed, zeolite crystals not containing the metal are grown to form a shell, the metal is removed, and the core zeolite is decomposed with a silica decomposing agent to obtain an active material. Hollow-porous zeolite particles can be made.

有孔中空粒子の大きさ、例えば直径は、本発明にとって重要なパラメータである。本発明は、水素の水中での拡散現象により、水素が拡散していった場所に存在するハイドレートケージに吸蔵されることを考慮してなされたものである。即ち、水素の拡散距離を超える直径の中空粒子では、水素吸蔵がそもそも生じない無駄な水の領域があることに鑑みて、本発明は、適切な直径の有孔中空粒子に水を封入することによって、外殻の細孔から進入した水素が拡散可能な距離にハイドレートケージを含む水を無駄なく配置することで効率的な水素吸蔵を実現したものである。水素の水中での拡散係数は、約7.44×10-92/秒であるので、その拡散距離は時間の関数として、具体的に以下のような関係となることが略計算される。
時間 水素拡散距離
1分 94μm
10分 298μm
30分 517μm
即ち、30分程度で517μm程度に拡散するので、直径に換算すると約1000μmとなる。
The size, eg diameter, of the perforated hollow particles is an important parameter for the present invention. The present invention has been devised in consideration of the fact that hydrogen is absorbed in the hydrate cage existing in the place where hydrogen diffuses due to the diffusion phenomenon of hydrogen in water. That is, in view of the fact that hollow particles having a diameter exceeding the diffusion distance of hydrogen have a wasteful area of water in which hydrogen absorption does not occur in the first place, the present invention proposes to enclose water in perforated hollow particles having an appropriate diameter. By arranging the water containing the hydrate cages within a distance where the hydrogen entering from the pores of the outer shell can diffuse, efficient hydrogen absorption is realized. Since the diffusion coefficient of hydrogen in water is approximately 7.44×10 −9 m 2 /sec, the diffusion distance as a function of time is roughly calculated to have the following relationship: .
Time Hydrogen diffusion distance 1 minute 94 μm
10 minutes 298 μm
30 minutes 517 μm
That is, since it diffuses to about 517 μm in about 30 minutes, the diameter is about 1000 μm.

従って、有孔中空粒子の大きさは、水素拡散のための時間を考慮して適宜調整すればよいが、例えば、直径で3μm以上、1000μm以下とすることができる。有孔中空粒子が小さいほどハイドレートケージへの水素の吸蔵が短時間で行えることになり、直径が1000μm以下であれば、水素吸蔵の時間効率は十分に高いといえる。一方、過剰に小さい中空粒子の製造は難しくなる場合があり、また、水素キャリアの重量当たりの水素吸蔵量がかえって小さくなる可能性があり得るため、上記直径としては3μm以上が好ましい。上記直径としては、10μm以上がより好ましく、また、500μm以下または100μm以下がより好ましく、50μm以下または30μm以下がよりさらに好ましく、25μm以下が特に好ましい。なお、中空粒子の直径は、レーザ回折式粒度分布測定装置や走査型電子顕微鏡などにより測定することができる。また、本発明の課題が解決できる範囲であれば、使用する中空粒子に上記の範囲を超える中空粒子が含まれていてもよい。 Therefore, the size of the perforated hollow particles may be appropriately adjusted in consideration of the time required for hydrogen diffusion. The smaller the perforated hollow particles, the shorter the hydrogen absorption in the hydrate cage. If the diameter is 1000 μm or less, it can be said that the time efficiency of hydrogen absorption is sufficiently high. On the other hand, it may be difficult to manufacture hollow particles that are excessively small, and the hydrogen storage capacity per unit weight of the hydrogen carrier may be rather small. The diameter is more preferably 10 μm or more, more preferably 500 μm or less or 100 μm or less, even more preferably 50 μm or less or 30 μm or less, and particularly preferably 25 μm or less. The diameter of the hollow particles can be measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer, a scanning electron microscope, or the like. Further, the hollow particles used may contain hollow particles exceeding the above range as long as the problems of the present invention can be solved.

本発明で用いる中空粒子は、その外殻に細孔を有する。かかる細孔を介して、中空粒子内に含まれるハイドレートケージに水素を吸蔵させることができる。かかる細孔径の大きさとしては、例えば、円相当径で10nm以上、500nm以下とすることができる。当該円相当径が500nm以下であれば、細孔の存在にかかわらず中空粒子の強度を十分に保つことができ、10nm以上であれば、水素の吸蔵効率を十分に確保することができる。当該径としては、50nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましく、また、400nm以下が好ましい。また、中空粒子の表面積(細孔部分を含む)に対する細孔の開孔部面積の合計の割合としては、0.5%以上、10%以下が好ましい。当該割合が0.5%以上であれば、水素の吸蔵効率を十分に確保することができ、10%以下であれば、中空粒子の強度を十分に保つことができる。上記の細孔の円相当径や細孔の開孔部面積の割合は、常法により求めることができる。例えば、代表的な中空粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)で拡大撮影し、得られた画像データを画像解析ソフトに取り込み、画像解析ソフトにより求めることが可能である。 The hollow particles used in the present invention have pores in their outer shells. Hydrogen can be occluded in the hydrate cages contained in the hollow particles through such pores. Such a pore diameter can be, for example, 10 nm or more and 500 nm or less in equivalent circle diameter. If the equivalent circle diameter is 500 nm or less, sufficient strength of the hollow particles can be maintained regardless of the existence of pores, and if it is 10 nm or more, sufficient hydrogen storage efficiency can be ensured. The diameter is preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and preferably 400 nm or less. Moreover, the ratio of the total area of the pore openings to the surface area of the hollow particles (including the pore portions) is preferably 0.5% or more and 10% or less. If the ratio is 0.5% or more, sufficient hydrogen storage efficiency can be ensured, and if the ratio is 10% or less, the strength of the hollow particles can be sufficiently maintained. The circle-equivalent diameter of the pores and the ratio of the open area of the pores can be determined by a conventional method. For example, it is possible to photograph a representative hollow particle under magnification with a scanning electron microscope (SEM), import the obtained image data into image analysis software, and obtain the image data using the image analysis software.

本発明の水素キャリアは、内部に水素ハイドレートを含む有孔中空粒子である。本発明の水素キャリアでは、水素ハイドレートが有孔中空粒子中に内包されていることにより、より穏和な条件で製造できるのみでなく、水素ハイドレートが安定化されている可能性もある。 The hydrogen carriers of the present invention are perforated hollow particles containing hydrogen hydrate therein. In the hydrogen carrier of the present invention, since the hydrogen hydrate is enclosed in the perforated hollow particles, not only can it be produced under milder conditions, but the hydrogen hydrate may be stabilized.

水素ハイドレートは、ハイドレートケージに水素が包接されたものをいう。ハイドレートケージは、水分子によって構築された固体結晶であり、立方晶である構造I型と構造II型、および、六方晶である構造H型の3種類が知られている。各構造にはS-cageが含まれており、S-cageは水分子5個で構成されている正五角形12個を含む12面体である。以下、正x角形のy面体をxyで表す。例えば、S-cageは512で表される。構造I型は、S-cageに加えて、12面の五角形と2面の六角形で構成されているM-cage(5122)を含み、構造II型は、S-cageに加えて、L-cage(5124)を含み、構造H型は、S-cageに加えて、S’-cage(4363)とU-cage(5128)を含む。ハイドレートケージの結晶構造は、主に包接されるゲスト分子のサイズや形状などで決定される他、温度や圧力などによって相転移することが知られている。また、S-cageに2つの水素分子が包接される場合や、L-cageに4つの水素分子が包接される場合があることが報告されている。Hydrogen hydrate refers to a hydrate cage in which hydrogen is clathrated. A hydrate cage is a solid crystal constructed by water molecules, and three types of cubic structure type I and structure II, and hexagonal structure H type are known. Each structure contains an S-cage, which is a dodecahedron containing 12 regular pentagons composed of 5 water molecules. Hereinafter, a regular x-sided y-hedron is represented by xy. For example, S-cage is represented by 5 12 . Structure type I includes an M-cage (5 12 6 2 ) composed of a 12-sided pentagon and a two-sided hexagon in addition to the S-cage, and structure type II includes an S-cage plus , L-cage (5 12 6 4 ), and structure H type contains S′-cage (4 3 5 6 6 3 ) and U-cage (5 12 6 8 ) in addition to S-cage. It is known that the crystal structure of hydrate cages is determined mainly by the size and shape of the enclosed guest molecules, and undergoes phase transitions depending on temperature and pressure. It has also been reported that two hydrogen molecules are included in the S-cage and four hydrogen molecules are included in the L-cage.

水素ハイドレートを安定に保持するためには、極低温や100MPa以上といった高圧が必要である。しかし、ハイドレート形成補助剤を用いることにより、ハイドレートケージの形成条件をより比較的高温で且つ比較的低圧にすることが可能になる。ハイドレート形成補助剤としては、特に制限されないが、例えば、テトラヒドロフラン、テトラヒドロフルフリルアルコール、1,3-ジオキソラン、2,5-ジヒドロフラン、テトラヒドロフランスルホン酸など、テトラヒドロフランおよびその誘導体;臭化テトラブチルアンモニウム、塩化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、フッ化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウムなどの第四級アンモニウム塩;テトラフェニルホスホニウムブロマイドなどのリン酸塩;プロパン、メタン、シクロペンタンなどの炭化水素類;アセトンなどのケトン類;プロピレンオキシドなどのエポキシ類などを挙げることができる。 Cryogenic temperatures and high pressures of 100 MPa or higher are required to stably hold hydrogen hydrate. However, the use of a hydrate formation aid allows the formation conditions of the hydrate cage to be at relatively higher temperatures and relatively lower pressures. Examples of hydrate-forming aids include, but are not limited to, tetrahydrofuran, tetrahydrofurfuryl alcohol, 1,3-dioxolane, 2,5-dihydrofuran, tetrahydrofuran sulfonic acid, tetrahydrofuran and its derivatives; tetrabutylammonium bromide , quaternary ammonium salts such as tetrabutylammonium chloride, tetrabutylammonium hydroxide, tetrabutylammonium fluoride, tetramethylammonium hydroxide; phosphates such as tetraphenylphosphonium bromide; carbonization of propane, methane, cyclopentane, etc. hydrogens; ketones such as acetone; and epoxies such as propylene oxide.

ハイドレート形成補助剤の使用量は、適宜調整すればよいが、例えば、ハイドレートケージを形成する水とハイドレート形成補助剤の合計に対して1質量%以上、40質量%以下とすることができる。当該割合が1質量%以上であれば、ハイドレート形成補助剤の作用がより確実に発揮される。一方、当該割合が40質量%以下であれば、水素吸蔵量をより確実に確保することができる。当該割合としては、2質量%以上がより好ましく、5質量%以上がよりさらに好ましく、また、15質量%以下がより好ましい。より具体的には、ハイドレート形成補助剤の水に対する溶解度も考慮して使用量を決定すればよい。例えば、常温における臭化テトラブチルアンモニウムの水に対する溶解度は約40質量%であり、テトラヒドロフランの同溶解度は約19%である。 The amount of the hydrate-forming adjuvant to be used may be adjusted as appropriate. can. If the ratio is 1% by mass or more, the action of the hydrate-forming aid is exhibited more reliably. On the other hand, if the ratio is 40% by mass or less, the hydrogen storage capacity can be secured more reliably. The ratio is more preferably 2% by mass or more, even more preferably 5% by mass or more, and more preferably 15% by mass or less. More specifically, the amount to be used may be determined in consideration of the water solubility of the hydrate-forming adjuvant. For example, the solubility of tetrabutylammonium bromide in water at room temperature is about 40% by mass, and the solubility of tetrahydrofuran in water is about 19%.

水素ハイドレートにおいては、ハイドレート形成補助剤を用いた場合にはその分だけ水素吸蔵量は減るし、また、全てのハイドレートケージに水素が吸蔵される訳ではない。実際には、100気圧の水素下で得られる水素ハイドレートの水素吸蔵量は0.10質量%程度であった。しかし、本発明者らによる実験的知見によれば、常圧の水素を用いたにもかかわらず約0.60質量%の水素吸蔵量が達成できた。このように本発明では、常圧または比較的常圧に近い水素を用いているにもかかわらず、100気圧の水素を用いて得られた場合の6倍以上の水素吸蔵量が達成された。 In the case of hydrogen hydrate, if a hydrate forming aid is used, the hydrogen storage capacity is reduced by that amount, and not all hydrate cages store hydrogen. Actually, the hydrogen absorption amount of the hydrogen hydrate obtained under hydrogen of 100 atm was about 0.10% by mass. However, according to experimental findings by the present inventors, a hydrogen storage capacity of approximately 0.60% by mass was achieved despite the use of normal pressure hydrogen. As described above, in the present invention, although hydrogen is used at normal or relatively normal pressure, a hydrogen storage capacity six times or more than that obtained using hydrogen at 100 atm was achieved.

以下、本発明に係る水素キャリアの製造方法につき説明する。
1.水または水溶液の封入工程
本工程では、上記有孔中空粒子の内部に水またはハイドレートケージ形成補助剤水溶液を封入する。ハイドレートケージ形成補助剤水溶液を用いる場合、ハイドレートケージ形成補助剤水溶液の濃度は、ハイドレートケージを形成する水とハイドレート形成補助剤の合計に対するハイドレート形成補助剤の割合と同様にすればよい。
A method for producing a hydrogen carrier according to the present invention will be described below.
1. Step of Enclosing Water or Aqueous Solution In this step, water or an aqueous solution of a hydrate cage-forming adjuvant is enclosed inside the perforated hollow particles. When an aqueous hydrate cage-forming auxiliary agent solution is used, the concentration of the aqueous hydrate cage-forming auxiliary agent solution should be the same as the ratio of the hydrate cage-forming auxiliary agent to the total of the water forming the hydrate cage and the hydrate-forming auxiliary agent. good.

上記有孔中空粒子への水または上記水溶液の具体的な封入方法としては、常法を用いることができる。例えば、上記有孔中空粒子を水または上記水溶液に浸漬した上で、減圧、攪拌、超音波照射、振盪、またはこれら2以上の操作を組み合わせることにより、上記有孔中空粒子内へ水または上記水溶液を簡便に封入することができる。
上記有孔中空粒子内へ水または上記水溶液を封入した後は、濾過や遠心分離などにより、有孔中空粒子を過剰の水または上記水溶液から分離してもよい。
As a specific method for encapsulating water or the aqueous solution in the porous hollow particles, a conventional method can be used. For example, after the porous hollow particles are immersed in water or the aqueous solution, water or the aqueous solution is introduced into the porous hollow particles by reducing pressure, stirring, ultrasonic irradiation, shaking, or a combination of two or more of these operations. can be easily enclosed.
After encapsulating water or the aqueous solution into the porous hollow particles, the porous hollow particles may be separated from excess water or the aqueous solution by filtration, centrifugation, or the like.

2.ハイドレートケージの形成工程
本工程では、上記水または水溶液の封入工程により得られた、水またはハイドレート形成補助剤水溶液が封入された有孔中空粒子を冷却することにより、有孔中空粒子内で水またはハイドレート形成補助剤水溶液からハイドレートケージを形成する。
2. Hydrate cage formation step In this step, the perforated hollow particles in which the water or the aqueous solution of the hydrate-forming aid is encapsulated, which is obtained in the water or aqueous solution encapsulation step, are cooled to allow the inside of the perforated hollow particles to A hydrate cage is formed from water or an aqueous hydrate-forming aid.

ハイドレート形成補助剤を用いない場合、かなりの低温高圧条件が必要である。具体的には、例えば1気圧の水素下では、約-100℃以下まで温度を下げる必要があり、約-70℃では、水素の圧力を数百気圧まで高める必要がある。一方、ハイドレート形成補助剤を用いた場合には、ハイドレート形成補助剤がハイドレートケージに包接されてハイドレートケージを安定化するため、より常温に近い温度で且つより常圧に近い圧力でハイドレートケージが形成され得る。ハイドレート形成補助剤を用いた場合のハイドレートケージの具体的な形成条件は、使用するハイドレート形成補助剤の種類や量などに依存するので、適宜決定すればよいが、例えば常圧の場合、-10℃以上、35℃以下程度に冷却すればよい。より具体的には、テトラヒドロフランの場合は-10℃以上、33℃以下程度に、臭化テトラブチルアンモニウムの場合は-10℃以上、35℃以下程度に冷却すればよい。 Without a hydrate-forming aid, considerable low temperature and high pressure conditions are required. Specifically, for example, under 1 atm of hydrogen, the temperature must be lowered to about -100°C or lower, and at about -70°C, the hydrogen pressure must be increased to several hundred atmospheres. On the other hand, when a hydrate-forming aid is used, the hydrate-forming aid is included in the hydrate cage to stabilize the hydrate cage. A hydrate cage can be formed at Specific conditions for forming a hydrate cage when using a hydrate formation aid depend on the type and amount of the hydrate formation aid used, and may be determined as appropriate. , -10°C or higher and 35°C or lower. More specifically, tetrahydrofuran may be cooled to about -10°C or higher and 33°C or lower, and tetrabutylammonium bromide may be cooled to about -10°C or higher and 35°C or lower.

ハイドレートケージの形成は、例えば、有孔中空粒子の温度変化により確認することができる。具体的には、水またはハイドレートケージ形成補助剤水溶液が封入された有孔中空粒子を冷却しつつ、有孔中空粒子の温度を測定すると、ハイドレートケージの形成により温度ピークが認められる。かかる温度ピークが認められるまで、水またはハイドレートケージ形成補助剤水溶液が封入された有孔中空粒子を冷却すればよい。なお、有孔中空粒子の温度を直接測定することが難しい場合には、有孔中空粒子間に温度計を挿入し、有孔中空粒子近傍の温度を測定すればよい。 Formation of hydrate cages can be confirmed, for example, by temperature change of perforated hollow particles. Specifically, when measuring the temperature of the perforated hollow particles encapsulating water or an aqueous solution of a hydrate cage-forming adjuvant while cooling the perforated hollow particles, a temperature peak is observed due to the formation of hydrate cages. The perforated hollow particles encapsulating water or the aqueous solution of the hydrate cage-forming adjuvant may be cooled until such a temperature peak is observed. If it is difficult to directly measure the temperature of the perforated hollow particles, a thermometer may be inserted between the perforated hollow particles to measure the temperature in the vicinity of the perforated hollow particles.

3.水素吸蔵工程
本工程では、上記ハイドレートケージ形成工程で形成されたハイドレートケージに水素を接触させることにより、ハイドレートケージ中に水素を吸蔵させることにより水素キャリアを製造する。本発明では、有孔中空粒子中にハイドレートケージを形成しているため、比較的高温で且つ比較的低圧でハイドレートケージに水素を吸蔵させることが可能になる。
3. Hydrogen Occlusion Step In this step, a hydrogen carrier is produced by bringing hydrogen into contact with the hydrate cage formed in the hydrate cage forming step, thereby causing hydrogen to be occluded in the hydrate cage. In the present invention, since the hydrate cage is formed in the perforated hollow particles, hydrogen can be absorbed into the hydrate cage at relatively high temperature and relatively low pressure.

具体的には、本工程では、ハイドレートケージを内包する有孔中空粒子間に水素ガスを流通させ、有孔中空粒子の細孔を通じて水素を内部に拡散させてハイドレートケージに水素を接触させ、水素をハイドレートケージ内に吸蔵させる。この際、ハイドレートケージの安定化のため、有孔中空粒子を低温に維持し、且つ水素ガスも低温に冷却することが好ましい。有孔中空粒子と水素ガスは、ハイドレートケージの形成温度の±5℃の範囲に調整することが好ましい。より具体的には、有孔中空粒子と水素ガスを-10℃以上、10℃以下に冷却することが好ましく、5℃以下に冷却することがより好ましく、0℃以下に冷却することがより更に好ましい。 Specifically, in this step, hydrogen gas is circulated between the perforated hollow particles enclosing the hydrate cage, and the hydrogen is diffused inside through the pores of the perforated hollow particles to bring the hydrogen into contact with the hydrate cage. , hydrogen is stored in the hydrate cage. At this time, in order to stabilize the hydrate cage, it is preferable to keep the perforated hollow particles at a low temperature and also cool the hydrogen gas to a low temperature. The perforated hollow particles and the hydrogen gas are preferably adjusted within ±5° C. of the hydrate cage forming temperature. More specifically, the porous hollow particles and the hydrogen gas are preferably cooled to −10° C. or higher and 10° C. or lower, more preferably 5° C. or lower, and even more preferably 0° C. or lower. preferable.

従来、水素ハイドレートの製造には低温高圧条件が一般的に必要であったが、本発明では、有孔中空粒子の使用により上述したように比較的常温に近い温度でハイドレートケージに水素を吸蔵させることができるし、その際の水素の圧力も常圧または略常圧でよい。但し、有孔中空粒子間に水素を問題無く流通できる程度に水素ガスを加圧してもよい。加圧すると、水素吸蔵のモードがハイドレートケージに1個の水素が入るシングルモードではなく、2個の水素が入るダブルモードになることも期待される。具体的には、水素ガスの圧力を常圧以上、1000kPa未満に調整してもよい。当該圧力としては、500kPa以下が好ましく、200kPa以下がより好ましく、150kPa以下または120kPa以下がより更に好ましい。なお、ここでの水素の圧力の上限値は、絶体圧である。 Conventionally, low-temperature and high-pressure conditions were generally required for the production of hydrogen hydrate, but in the present invention, the use of perforated hollow particles allows hydrogen to be supplied to the hydrate cage at a temperature relatively close to room temperature as described above. It can be occluded, and the pressure of hydrogen at that time may be normal pressure or substantially normal pressure. However, the hydrogen gas may be pressurized to such an extent that hydrogen can flow between the perforated hollow particles without any problem. When pressurized, it is also expected that the mode of hydrogen absorption will be a double mode in which two hydrogen atoms enter the hydrate cage instead of a single mode in which one hydrogen atom enters. Specifically, the pressure of hydrogen gas may be adjusted to normal pressure or more and less than 1000 kPa. The pressure is preferably 500 kPa or less, more preferably 200 kPa or less, and even more preferably 150 kPa or less or 120 kPa or less. In addition, the upper limit of the pressure of hydrogen here is the absolute pressure.

ハイドレートケージへ水素を吸蔵させるには、例えば、ハイドレートケージを内包する有孔中空粒子を冷却しつつ水素を接触させればよい。上述した様に、水またはハイドレートケージ形成補助剤水溶液が封入された有孔中空粒子を冷却しつつ吸熱量を測定すると、ハイドレートケージの形成により温度ピークが認められるが、冷却を継続しつつ水素を接触させることにより、ハイドレートケージ内に水素を吸蔵させることができる。 In order to cause the hydrate cage to occlude hydrogen, for example, the perforated hollow particles enclosing the hydrate cage may be cooled and brought into contact with hydrogen. As described above, when the perforated hollow particles in which water or the aqueous solution of the hydrate cage-forming adjuvant is enclosed are cooled and the amount of heat absorbed is measured, a temperature peak is observed due to the formation of the hydrate cage. By bringing hydrogen into contact, hydrogen can be occluded in the hydrate cage.

上記ハイドレートケージの形成工程と水素吸蔵工程は、同時に実施してもよい。即ち、水またはハイドレート形成補助剤水溶液が封入された上記有孔中空粒子に冷却した水素ガスを吹き込みつつ、有孔中空粒子を冷却してもよい。この際、上記有孔中空粒子の温度を測定すると、有孔中空粒子の冷却に伴って、ハイドレートケージの形成の際に吸熱ピークが観察される。よって、その後も冷却を継続しつつ水素を接触させることにより、水素が上記有孔中空粒子内のハイドレートケージに吸蔵され、水素ハイドレートが形成される。 The step of forming the hydrate cage and the step of absorbing hydrogen may be performed simultaneously. That is, the perforated hollow particles may be cooled while blowing cooled hydrogen gas into the perforated hollow particles in which water or the aqueous solution of the hydrate-forming auxiliary agent is enclosed. At this time, when the temperature of the perforated hollow particles is measured, an endothermic peak is observed during the formation of hydrate cages as the perforated hollow particles are cooled. Therefore, by bringing hydrogen into contact with the particles while cooling is continued thereafter, the hydrogen is occluded in the hydrate cages in the porous hollow particles, and hydrogen hydrate is formed.

本発明に係る水素キャリアは、比較的低温で水素を安定的に内包できるため、水素の運搬媒体として利用することができる。即ち、本発明の水素キャリアを運搬することにより、水素を運搬することが可能になる。運搬時における水素キャリアの温度としては、-10℃以上、10℃以下に冷却することが好ましく、5℃以下に冷却することがより好ましく、0℃以下に冷却することがより更に好ましい。当該温度の下限は特に制限されないが、例えば、-20℃以上が好ましく、-15℃以上または-10℃以上がより好ましい。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The hydrogen carrier according to the present invention can stably contain hydrogen at a relatively low temperature, and therefore can be used as a medium for transporting hydrogen. That is, it becomes possible to transport hydrogen by transporting the hydrogen carrier of the present invention. The temperature of the hydrogen carrier during transportation is preferably -10°C or higher and 10°C or lower, more preferably 5°C or lower, and even more preferably 0°C or lower. Although the lower limit of the temperature is not particularly limited, for example, -20°C or higher is preferable, and -15°C or higher or -10°C or higher is more preferable.

上述したように、本発明に係る水素キャリアは、比較的高温で且つ比較的低濃度で製造することができる。また、水素ハイドレートは、平衡条件から僅かに高温または低圧にすることにより、容易に水素を放出する。よって本発明に係る水素キャリアは、例えば常圧で15℃以上にすることにより容易に水素を放出するため、特に水素ターミナルキャリアとして非常に有用である。水素放出時の温度としては、20℃以上が好ましく、25℃以上がより好ましい。当該温度の上限は特に制限されないが、例えば50℃以下とすることができる。 As noted above, the hydrogen carriers of the present invention can be produced at relatively high temperatures and at relatively low concentrations. Hydrogen hydrates also readily release hydrogen by slightly increasing the temperature or pressure from equilibrium conditions. Therefore, the hydrogen carrier according to the present invention is very useful especially as a hydrogen terminal carrier, since hydrogen can be easily released by heating to 15° C. or higher at normal pressure. The temperature during hydrogen release is preferably 20° C. or higher, more preferably 25° C. or higher. Although the upper limit of the temperature is not particularly limited, it can be 50° C. or less, for example.

本願は、2017年8月30日に出願された日本国特許出願第2017-165783号に基づく優先権の利益を主張するものである。2017年8月30日に出願された日本国特許出願第2017-165783号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。 This application claims the benefit of priority based on Japanese Patent Application No. 2017-165783 filed on August 30, 2017. The entire contents of the specification of Japanese Patent Application No. 2017-165783 filed on August 30, 2017 are incorporated herein by reference.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited by the following examples, and can be modified appropriately within the scope that can conform to the gist of the above and later descriptions. It is of course possible to implement them, and all of them are included in the technical scope of the present invention.

実施例1: 水素キャリアの製造
(1) 有孔中空粒子の製造
30質量%ケイ酸ナトリウム(Na2SiO3)水溶液30gにポリメタクリル酸ナトリウム(分子量:9500)を10g加え、更に純水を加えて総量を36mLに調整した。以下、得られた水溶液を「水相-1」という。別途、n-ヘキサン72mLに、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノオレアート(商品名:Tween80)0.5gと、ソルビタンモノオレアート(商品名:Span80)0.25gを添加し、上記水相-1と混合し、ホモジナイザー(「KHM-510S」京都電子工業社製)を用いて8000rpmで1分間撹拌することにより、W/Oエマルジョンを得た。得られたW/Oエマルジョンを2M炭酸水素アンモニウム水溶液500mL(水相-2)に加え、35℃、400rpmで10分間反応させることにより、W/O/Wエマルジョンを作製した。但し、反応の進行に伴って油層は硬化し、エマルジョン状態は解消された。得られた粒子を濾別し、更に100℃で12時間乾燥し、500℃で5時間焼成することにより、ナノサイズの孔を有する中空粒子を作製した。
図1に、作製された有孔中空粒子のSEM拡大写真を示す。得られた拡大写真などを解析したところ、粒子径は18.29μm、外殻厚は2.27μm、表面積に対する開孔部面積の合計の割合は3.2%、平均細孔径は0.34μmであった。
Example 1: Production of Hydrogen Carrier (1) Production of Perforated Hollow Particles 10 g of sodium polymethacrylate (molecular weight: 9500) was added to 30 g of a 30% by mass sodium silicate (Na 2 SiO 3 ) aqueous solution, and then pure water was added. to adjust the total volume to 36 mL. The resulting aqueous solution is hereinafter referred to as "aqueous phase-1". Separately, 0.5 g of surfactant polyoxyethylene (20) sorbitan monooleate (trade name: Tween80) and 0.25 g of sorbitan monooleate (trade name: Span80) were added to 72 mL of n-hexane. , and the above aqueous phase-1, and stirred at 8000 rpm for 1 minute using a homogenizer (“KHM-510S” manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.) to obtain a W/O emulsion. The resulting W/O emulsion was added to 500 mL of a 2M ammonium hydrogencarbonate aqueous solution (aqueous phase-2) and reacted at 35° C. and 400 rpm for 10 minutes to prepare a W/O/W emulsion. However, as the reaction progressed, the oil layer hardened and the emulsion state was dissolved. The obtained particles were separated by filtration, dried at 100° C. for 12 hours, and calcined at 500° C. for 5 hours to prepare hollow particles having nano-sized pores.
FIG. 1 shows an enlarged SEM photograph of the produced hollow particles with pores. Analysis of the obtained magnified photograph and the like revealed that the particle diameter was 18.29 μm, the outer shell thickness was 2.27 μm, the ratio of the total pore area to the surface area was 3.2%, and the average pore diameter was 0.34 μm. there were.

(2) 水素キャリアの製造
得られた有孔中空粒子を臭化テトラ-n-ブチルアンモニウム(TBAB)の10質量%水溶液に加え、100hPaに減圧して30分間脱泡し、TBAB10質量%水溶液を中空粒子に内包させた。粒子を吸引ろ過にて分離した。図2に示す装置を用いて、得られた粒子中のTBAB水溶液を冷却してハイドレートケージを形成させつつ、水素を吸蔵させた。詳しくは、上記粒子1.0gを10mL容量容器に入れ、-2℃に冷却した常圧の水素ガスを10mL/minで吹き込みながら、氷水を用いて冷却した。40分後、氷水を-5℃に調整した氷冷塩水に代えて引き続き冷却することで、水素ハイドレートを作製した。図3に、上記粒子間に挿入した温度計で測定した冷却曲線を示す。図3によれば、-5℃での冷却開始から約7分後にハイドレートケージが形成され、その後、約-5℃で温度が安定化していることから、水素が吸蔵されたと考えられる。
(2) Production of hydrogen carrier The obtained porous hollow particles were added to a 10% by mass aqueous solution of tetra-n-butylammonium bromide (TBAB), degassed under reduced pressure of 100 hPa for 30 minutes, and the 10% by mass aqueous solution of TBAB was removed. Encapsulated in hollow particles. Particles were separated by suction filtration. Using the apparatus shown in FIG. 2, hydrogen was occluded while cooling the TBAB aqueous solution in the obtained particles to form a hydrate cage. Specifically, 1.0 g of the above particles was placed in a 10 mL capacity container, and cooled with ice water while blowing normal pressure hydrogen gas cooled to −2° C. at 10 mL/min. After 40 minutes, the ice water was replaced with ice-cold brine adjusted to −5° C. and continued cooling to produce a hydrogen hydrate. FIG. 3 shows the cooling curve measured with a thermometer inserted between the particles. According to Fig. 3, a hydrate cage was formed about 7 minutes after the start of cooling at -5°C, and then the temperature stabilized at about -5°C, suggesting that hydrogen was occluded.

(3) 水素吸蔵量の算出
上記水素キャリアを別のセルへ移して密閉し、室温(25℃)で1時間放置して水素ハイドレートを融解させた。その後、セル内の気体500μLを採取し、ガスクロマトグラフィーで気体試料中の水素濃度を測定したところ、気体試料の0.644vol%が水素ガスであった。また、水素ハイドレートを融解させたセルの空隙体積が2mLであったので、セル内に存在していた水素ガスの体積は2×0.644/100=0.0129mLと算出され、その質量は、[1×0.0129/(0.0821×298)]×2=0.00105gと算出された。ここで,有孔中空粒子内に内包されたTBAB水溶液の総質量は0.174gなので、TBAB/水素ハイドレート中の水素ガスの質量割合は、0.00105/0.174×100=0.60質量%と算出された。
(3) Calculation of Hydrogen Storage Amount The hydrogen carrier was transferred to another cell, sealed, and allowed to stand at room temperature (25° C.) for 1 hour to melt the hydrogen hydrate. After that, 500 μL of the gas in the cell was sampled and the hydrogen concentration in the gas sample was measured by gas chromatography, and 0.644 vol % of the gas sample was hydrogen gas. In addition, since the void volume of the cell in which hydrogen hydrate was melted was 2 mL, the volume of hydrogen gas present in the cell was calculated as 2 x 0.644/100 = 0.0129 mL, and the mass was , [1×0.0129/(0.0821×298)]×2=0.00105 g. Here, since the total mass of the TBAB aqueous solution contained in the perforated hollow particles is 0.174 g, the mass ratio of hydrogen gas in TBAB/hydrogen hydrate is 0.00105/0.174×100=0.60. It was calculated as % by mass.

Claims (6)

中空シリカ粒子または中空ゼオライト粒子と水素ハイドレートを含み、
前記シリカ粒子または中空ゼオライト粒子の直径が3μm以上、1000μm以下であり、
前記中空粒子の外殻が、円相当径で10nm以上、500μm以下の細孔を有し、
前記中空粒子中に前記水素ハイドレートが含まれることを特徴とする水素キャリア。
Hollow silica particles or hollow zeolite particles and hydrogen hydrate,
The silica particles or hollow zeolite particles have a diameter of 3 μm or more and 1000 μm or less,
The outer shell of the hollow particle has pores with an equivalent circle diameter of 10 nm or more and 500 μm or less ,
A hydrogen carrier, wherein the hydrogen hydrate is contained in the hollow particles.
前記中空粒子の表面積に対する前記細孔の開孔部面積の合計の割合が0.5%以上、10%以下である請求項1に記載の水素キャリア。 2. The hydrogen carrier according to claim 1, wherein the ratio of the total open area of the pores to the surface area of the hollow particles is 0.5% or more and 10% or less. 前記水素ハイドレートが、水と水素に加えてハイドレート形成補助剤を含む請求項1または2に記載の水素キャリア。 3. The hydrogen carrier according to claim 1 or 2 , wherein the hydrogen hydrate contains a hydrate-forming aid in addition to water and hydrogen. 水素キャリアを製造するための方法であって、
外殻が細孔を有する中空シリカ粒子または中空ゼオライト粒子の内部に水またはハイドレート形成補助剤の水溶液を封入する工程、
前記水またはハイドレート形成補助剤水溶液を封入した前記中空シリカ粒子または中空ゼオライト粒子を冷却してハイドレートケージを形成する工程、および、
前記ハイドレートケージに水素を接触させることにより前記ハイドレートケージ中に水素を吸蔵させる工程を含み、
前記シリカ粒子または中空ゼオライト粒子の直径が3μm以上、1000μm以下であり、
前記中空粒子の外殻が、円相当径で10nm以上、500μm以下の細孔を有する方法。
A method for manufacturing a hydrogen carrier, comprising:
A step of encapsulating water or an aqueous solution of a hydrate-forming auxiliary inside hollow silica particles or hollow zeolite particles whose outer shells have pores;
a step of cooling the hollow silica particles or hollow zeolite particles enclosing the water or the aqueous hydrate-forming aid solution to form a hydrate cage;
A step of causing hydrogen to be occluded in the hydrate cage by contacting the hydrate cage with hydrogen ;
The silica particles or hollow zeolite particles have a diameter of 3 μm or more and 1000 μm or less,
A method in which the outer shell of the hollow particles has pores with an equivalent circle diameter of 10 nm or more and 500 μm or less .
前記水素の圧力を常圧以上、1000kPa未満とする請求項に記載の方法。 5. The method according to claim 4 , wherein the hydrogen pressure is normal pressure or more and less than 1000 kPa. 請求項またはに記載の方法により水素キャリアを製造する工程、および、
前記水素キャリアを運搬する工程を含む水素の運搬方法。
A step of producing a hydrogen carrier by the method of claim 4 or 5 , and
A method for transporting hydrogen, comprising the step of transporting the hydrogen carrier.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109859578B (en) * 2019-03-22 2022-04-29 黑龙江科技大学 Teaching device for demonstrating formation and decomposition process of gas hydrate
JP2023128352A (en) * 2022-03-03 2023-09-14 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 Particle manufacturing method and particle manufacturing device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009234848A (en) 2008-03-27 2009-10-15 Jsr Corp Method for producing silica-based hollow particle and method for producing silica-based hollow particle dispersion
JP2010089987A (en) 2008-10-07 2010-04-22 Kurita Water Ind Ltd Hydrogen-storage material and production method
JP2011084445A (en) 2009-10-19 2011-04-28 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology Storage method for hydrogen
JP2012236740A (en) 2011-05-11 2012-12-06 Central Research Institute Of Electric Power Industry Method for forming hydrogen hydrate, and hydrogen storing system
WO2015025529A1 (en) 2013-08-23 2015-02-26 国立大学法人神戸大学 Latent heat transfer material micro-encapsulated in hard shell, and production method for same
JP2015052361A (en) 2013-09-09 2015-03-19 一般財団法人電力中央研究所 Molecular storage method and molecular storage facility

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009234848A (en) 2008-03-27 2009-10-15 Jsr Corp Method for producing silica-based hollow particle and method for producing silica-based hollow particle dispersion
JP2010089987A (en) 2008-10-07 2010-04-22 Kurita Water Ind Ltd Hydrogen-storage material and production method
JP2011084445A (en) 2009-10-19 2011-04-28 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology Storage method for hydrogen
JP2012236740A (en) 2011-05-11 2012-12-06 Central Research Institute Of Electric Power Industry Method for forming hydrogen hydrate, and hydrogen storing system
WO2015025529A1 (en) 2013-08-23 2015-02-26 国立大学法人神戸大学 Latent heat transfer material micro-encapsulated in hard shell, and production method for same
JP2015052361A (en) 2013-09-09 2015-03-19 一般財団法人電力中央研究所 Molecular storage method and molecular storage facility

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