JP2009179842A - 水素生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、吸着塔の吸着機能を可及的に利用することができ、効率的且つ経済的に水素生成処理を可能にする。
【解決手段】水素生成システム１０は、水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置１４と、前記高圧水素に含まれる水分を除去する第１気液分離器１８と、前記高圧水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置２２とを備える。吸着装置２２は、水素流れ方向に沿って直列に配置される第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂを備えるとともに、前記第１吸着塔４２ａと前記第２吸着塔４２ｂとの間には、露点計４６が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を電気分解して水素を生成する水電解部と、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置とを備える水素生成システムに関する。

近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステム、例えば、燃料電池システムが提案されている。この種のシステムでは、燃料である水素を製造するために、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させる水電解装置が用いられている。

この水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている水素ステーションが知られている。

この水素ステーションは、図３に示すように、水分を含む水素を製造する水電解装置１と、水素から水分を奪取して乾燥状態の水素を得る除水器２と、その乾燥状態の水素を貯蔵するタンク３と、除水器２の奪取水分量の増加に伴う機能減退時、その除水器２と交換される水分奪取能を持つ新たな除水器２と、交換後の元の除水器２を再生してその水分奪取能を回復させる再生設備４とを備えている。

水電解装置１は、太陽電池５から供給される電力により作動して水素を製造し、この水素は、水分を含んだ状態で除水器２に送られて前記水分が奪取され、乾燥状態の水素がタンク３に導入されている。

そして、除水器２の奪取水分量が増加して機能が減退すると、新たな除水器２が、機能を減退した稼働中の除水器２と交換されている。一方、再生設備４では、元の除水器２の再生が行われている。

特開２００２−１５５３８６号公報

ところで、上記の除水器２では、図４に示すように、除水機能がある時点で一気に減退し、水分を含んだ水素がタンク３に供給されてしまう。一方、タンク３に貯蔵される水素は、製品ガスとして所望のドライ水素（例えば、５ｐｐｍ以下の水素）に維持される必要がある。このため、通常、除水器２は、除水機能を有する期間内で余裕を見て比較的早期に交換されており、前記除水器２の再生処理が頻繁に行われている。

しかしながら、除水器２の再生処理では、熱エネルギやパージ水素が消費されており、この再生処理が頻繁に行われるため、損失エネルギが増加するとともに、水素生成の効率が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、吸着塔の吸着機能を可及的に利用することができ、効率的且つ経済的に水素生成処理が遂行可能な水素生成システムを提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して水素を生成する水電解部と、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置とを備える水素生成システムに関するものである。

吸着装置は、水電解部の下流に、水素流れ方向に沿って直列に配置される２以上の吸着塔と、少なくとも最下流に配置される前記吸着塔より上流に配置される露点検出手段とを備えている。

また、水電解部と吸着装置との間には、前記水電解部から生成される水素を昇圧するための圧力調整バルブが配設されることが好ましい。これにより、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの高圧水素が得られる。

さらに、水電解部と吸着装置との間には、生成された水素から水分を除去する気液分離部と、前記気液分離部の下流に位置して前記水素を冷却する冷却器とが配設されることが好ましい。

さらにまた、少なくとも最下流に配置される吸着塔は、上流側の他の吸着塔よりも小さな容積に設定されることが好ましい。

本発明によれば、水電解部により生成された水素は、吸着装置を構成する上流側の吸着塔を介して含有水分が除去される。そして、上流側の吸着塔の吸着機能が低下すると、露点検出手段を介して上流側の前記吸着塔が飽和状態であることが検知される。このため、上流側の吸着塔は、その吸着機能を可及的に利用することができ、前記吸着塔の再生処理を有効に削減させることが可能になる。これにより、再生処理に消費される熱エネルギの低減及び水素生成の効率の向上が容易に図られる。

しかも、２以上の吸着塔は、水素流れ方向に沿って直列に配置されている。従って、上流側の吸着塔の飽和状態が検知された後、多量の水分を含有する水素は、下流側の吸着塔に導入されて前記水分の除去が行われる。これにより、多量の水分を含有する水素が、製品ガスとして供給されることがなく、簡単な構成で、効率的且つ経済的に水素生成処理が遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る水素生成システム１０の概略構成説明図である。

水素生成システム１０は、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置（水電解部）１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する第１気液分離器（気液分離部）１８と、前記第１気液分離器１８から水素供給路２０に供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置２２と、前記水素生成システム１０全体の運転を制御するコントローラ２３とを備える。

水電解装置１４は、複数の水分解セル２４を積層して構成される。水分解セル２４は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜を用い、この固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた電解質膜・電極構造体を構成する。電解質膜・電極構造体の両側には、給電体が配設され、実質的に燃料電池と同様に構成される。

水分解セル２４の積層方向一端には、配管２６ａ、２６ｂ及び２６ｃが接続される。配管２６ａ、２６ｂは、純水供給装置１２に連通して純水の循環が行われる一方、配管２６ｃは、水素導出路１６を介して第１気液分離器１８に接続される。第１気液分離器１８には、純水循環路２８の一端が接続され、前記純水循環路２８は、純水供給装置１２を介装して水電解装置１４の配管２６ａに接続される。第１気液分離器１８の底部には、純水循環路２８に連通するドレンバルブ３０が設けられる。

水素供給路２０には、第１気液分離器１８と吸着装置２２との間に位置し、水素ガスの流れ方向に沿って、第１圧力調整バルブ３２、冷却器３４及び第２気液分離器３６が配設される。

第１圧力調整バルブ３２は、水電解装置１４から生成される水素を所定の圧力、例えば、３５ＭＰａまで昇圧する機能を有している。この第１圧力調整バルブ３２の入口側には、脱圧ライン３８が開閉弁４０を介して接続される。

冷却器３４は、第１気液分離器１８から供給される水素を、例えば、５℃に冷却することにより、前記水素に含まれる水分量を低下させる。第２気液分離器３６は、冷却器３４で水素から分離された水分を除去する機能を有し、この第２気液分離器３６には、純水循環路２８ａがドレンバルブ３０ａを介装して接続される。

吸着装置２２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、加熱により水分を蒸発脱着して再生される水分吸着剤を充填した第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂを備える。水分吸着剤としては、例えば、活性炭、合成ゼオライト、多孔質アルミナ又はシリカが用いられる。第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂとしては、通常、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置の加熱吸着塔が使用される。

第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂは、水素流れ方向（矢印Ａ方向）に沿って直列に配置されるとともに、前記第２吸着塔４２ｂは、前記第１吸着塔４２ａよりも小さな容積に設定される。第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂを周回して円筒状の第１ヒータ４４ａ及び第２ヒータ４４ｂが配設される。なお、第１ヒータ４４ａ及び第２ヒータ４４ｂに代えて、触媒燃焼部（図示せず）を採用してもよい。

第１吸着塔４２ａと第２吸着塔４２ｂとの間には、露点計（露点検出手段）４６が配置される。この露点計４６は、第１吸着塔４２ａが飽和状態に至ったこと、すなわち、前記第１吸着塔４２ａが所望の吸着機能を得られない状態に至ったことを検知する。第１吸着塔４２ａの入口及び出口には、バルブ４８ａ、４８ｂが設けられており、前記第１吸着塔４２ａは、水素供給路２０から取り外し可能である。

第２吸着塔４２ｂの出口側には、第２圧力調整バルブ４９を介してドライ水素供給路５０が設けられる。ドライ水素供給路５０には、高圧タンク５２が配設されるとともに、燃料供給路５４がバルブ５６を介して分岐される。この燃料供給路５４には、車両充填部５８が設けられており、前記車両充填部５８から燃料電池車両６０の図示しない燃料タンクに燃料である水素が充填可能である。

このように構成される水素生成システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、純水供給装置１２では、純水循環路２８に純水が導出されており、この純水は、配管２６ａから水電解装置１４内に供給される。水電解装置１４では、各水分解セル２４で水が電気により分解されて水素が生成されており、第１圧力調整バルブ３２が閉塞されることによって、高圧水素（１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）が直接得られる。この高圧水素は、配管２６ｃを介して水電解装置１４の外部に取り出し可能となる。一方、反応により生成した酸素は外部に排出され（図示せず）、使用済みの水は、配管２６ｂを介して純水供給装置１２に戻される。

水電解装置１４で生成された水蒸気を含む比較的高圧の水素は、水素導出路１６を介して第１気液分離器１８に送られる。この第１気液分離器１８では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離されて純水循環路２８に戻される一方、前記水素は、水素供給路２０に供給可能である。

そこで、第１圧力調整バルブ３２が開放されることにより水素供給路２０に供給された水素は、冷却器３４に導入されて所定の温度（例えば、５℃程度）に冷却され、この水素に含まれる水分を液化させる。液化された水分は、第２気液分離器３６で除去されるため、一層水分量が減少された水素は、吸着装置２２に送られる。

吸着装置２２では、バルブ４８ａ、４８ｂが開放されており、水素は、最上流に配置されている第１吸着塔４２ａに導入される。この第１吸着塔４２ａ内では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（以下、ドライ水素ともいう）が得られ、このドライ水素は、第２吸着塔４２ｂを通過してドライ水素供給路５０に導出される。

ドライ水素供給路５０に導出されたドライ水素は、高圧タンク５２に貯蔵される一方、前記ドライ水素の一部は、必要に応じてバルブ５６の開放作用下に燃料供給路５４に供給され、車両充填部５８から燃料電池車両６０に充填される。

次いで、第１吸着塔４２ａが限界吸着量に達すると、この第１吸着塔４２ａが飽和して水分を含んだ水素が第２吸着塔４２ｂに導入されるとともに、この飽和状態が露点計４６を介して検出される。

このため、水電解装置１４による水素生成工程が一旦停止され、バルブ４８ａ、４８ｂが閉塞されるとともに、第１吸着塔４２ａが水素供給路２０から取り外されて、前記第１吸着塔４２ａに再生処理が施される。再生処理が施された第１吸着塔４２ａ又は予め用意されている新たな第１吸着塔４２ａは、水素供給路２０に接続されて水電解装置１４による水素生成処理が再開される。

この場合、第１の実施形態では、第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂが、水素流れ方向（矢印Ａ方向）に沿って直列に配置されるとともに、最下流に配置される前記第２吸着塔４２ｂより上流に露点計４６が配置されている。このため、第１吸着塔４２ａが飽和状態に至った後に、規定量以上の水分量を含んだ水素ガスは、第２吸着塔４２ｂにより良好に水分の吸着除去が行われる。従って、水分を含んだ水素ガスが高圧タンク５２側に製品ガスとして供給されることがなく、所望のドライ水素を、一定の期間にわたって前記高圧タンク５２側に供給することができる。

これにより、第１吸着塔４２ａの吸着機能を可及的に利用することができ、前記第１吸着塔４２ａの再生処理を有効に削減することが可能になる。このため、第１吸着塔４２ａの再生処理に消費される熱エネルギを低減するとともに、水素生成効率の向上が図られるという効果が得られる。

さらに、水電解装置１４では、例えば、３５ＭＰａの高圧水素を生成するため、常圧の水素を生成する場合に比べて、単位水素分子中に含有される水分量を大幅に削減することができる。水素ガス中に含有する水分量は、温度にのみ依存しており、例えば、水電解装置１４の運転温度が約６０℃である際、０．１ＭＰａの水素ガス中に含まれる水分量は、３５ＭＰａの水素ガス中に含まれる水分量に比べて、同一水素分子量当たり６０００倍以上となる。

換言すれば、高圧水素ガス中に含まれる水分量は、常圧の水素ガス中に含まれる水分量に比べて大幅に低下し、これによって第１吸着塔４２ａの吸着寿命が大幅に延びる。このため、第１吸着塔４２ａは、常圧の水素ガスの再生工程に用いられる場合に比べ、同量の吸着剤で、約６０００倍以上の時間にわたり寿命が延び、再生工程の頻度が大幅に削減されるという利点がある。

しかも、第１吸着塔４２ａの寿命が大幅に延びるため、この第１吸着塔４２ａを有効に小型化することが可能になる。さらに、第２吸着塔４２ｂは、常時、水分の吸着処理に使用されないため、第１吸着塔４２ａに比べて小さな容積に設定することができる。これにより、吸着装置２２全体を大幅に小型化且つ簡素化することが可能になるという効果がある。

さらにまた、第１の実施形態では、第１圧力調整バルブ３２と第２圧力調整バルブ４９とが設けられている。このため、第１圧力調整バルブ３２と第２圧力調整バルブ４９とを閉塞することにより、第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂ内を高圧に保持することができ、水電解装置１４から生成される水素ガスの流動変動に影響されることを良好に抑制することが可能になる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る水素生成システム７０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る水素生成システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

水素生成システム７０は、吸着装置７２を備えるとともに、前記吸着装置７２は、水素流れ方向に沿って直列に配置される第１吸着塔７４ａ、第２吸着塔７４ｂ及び第３吸着塔７４ｃを備える。第１吸着塔７４ａ、第２吸着塔７４ｂ及び第３吸着塔７４ｃを周回して、円筒状の第１ヒータ７６ａ、第２ヒータ７６ｂ及び第３ヒータ７６ｃが配置される。

最下流に配置される第３吸着塔７４ｃより上流には、すなわち、前記第３吸着塔７４ｃと第２吸着塔７４ｂとの間には、露点計４６が配置される。なお、第１吸着塔７４ａと第２吸着塔７４ｂとの間には、必要に応じて、露点計４６を配置してもよい。第３吸着塔７４ｃは、第１吸着塔７４ａ及び第２吸着塔７４ｂよりも小さな容積に設定される。

このように構成される第２の実施形態では、水電解装置１４で生成された水素は、先ず、第１吸着塔７４ａの吸着作用下に水分が除去され、ドライ水素として第２吸着塔７４ｂ及び第３吸着塔７４ｃを通って高圧タンク５２側に供給される。

そして、第１吸着塔７４ａが限界吸着量を超えると、水分を含んだ水素は、この第１吸着塔７４ａを通過して第２吸着塔７４ｂに導入され、水分が吸着される。このため、第２吸着塔７４ｂでドライ水素が得られ、このドライ水素は、第３吸着塔７４ｃを通って高圧タンク５２側に製品ガスとして供給される。

さらに、第２吸着塔７４ｂが限界吸着量を超えると、露点計４６により第１吸着塔７４ａ及び第２吸着塔７４ｂが飽和状態であることが検出される一方、水分を含んだ水素ガスは、第３吸着塔７４ｃに導入される。従って、第３吸着塔７４ｃでは、水素中の水分を除去することができ、水分を含んだ水素ガスが製品ガスとして高圧タンク５２側に供給されることを阻止することが可能になる。

次いで、第１吸着塔７４ａ及び第２吸着塔７４ｂは、水素供給路２０から取り出されて再生処理が施された後、前記水素供給路２０に新たな第１吸着塔７４ａ及び第２吸着塔７４ｂが配設されて、水素生成処理が再開される。

これにより、第１吸着塔７４ａ及び第２吸着塔７４ｂは、それぞれの吸着機能を可及的に利用することができるとともに、多量の水分を含んだ水素は、製品ガスとして供給されることがない。このため、簡単な構成で、効率的且つ経済的に水素生成処理が遂行可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１吸着塔７４ａと第２吸着塔７４ｂとの間にも、露点計４６を配置すれば、前記第１吸着塔７４ａの飽和状態と、前記第２吸着塔７４ｂの飽和状態とを、個別に検出することができる。

また、第２の実施形態において、吸着装置７２は、第１吸着塔７４ａ〜第３吸着塔７４ｃの３塔直列構造を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えば４塔直列構造等の多塔直列構造を採用することも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る水素生成システムの概略構成説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水素生成システムの概略構成説明図である。 特許文献１に開示されている水素ステーションの説明図である。 吸着塔の吸着機能の説明図である。

符号の説明

１０、７０…水素生成システム １２…純水供給装置
１４…水電解装置 １６…水素導出路
１８、３６…気液分離器 ２０…水素供給路
２２、７２…吸着装置 ２３…コントローラ
２４…水分解セル ３２、４９…圧力調整バルブ
３４…冷却器
４２ａ、４２ｂ、７４ａ〜７４ｃ…吸着塔
４４ａ、４４ｂ、７６ａ〜７６ｃ…ヒータ
４６…露点計 ５２…高圧タンク

Claims (4)

1. 水を電気分解して水素を生成する水電解部と、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置とを備える水素生成システムであって、
   前記吸着装置は、前記水電解部の下流に、水素流れ方向に沿って直列に配置される２以上の吸着塔と、
   少なくとも最下流に配置される前記吸着塔より上流に配置される露点検出手段と、
   を備えることを特徴とする水素生成システム。
2. 請求項１記載の水素生成システムにおいて、前記水電解部と前記吸着装置との間には、該水電解部から生成される前記水素を昇圧するための圧力調整バルブが配設されることを特徴とする水素生成システム。
3. 請求項１又は２記載の水素生成システムにおいて、前記水電解部と前記吸着装置との間には、生成された前記水素から水分を除去する気液分離部と、
   前記気液分離部の下流に位置して前記水素を冷却する冷却器と、
   が配設されることを特徴とする水素生成システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成システムにおいて、少なくとも最下流に配置される前記吸着塔は、上流側の他の前記吸着塔よりも小さな容積に設定されることを特徴とする水素生成システム。

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