JP2013227634A - ガス製造システム及びガス製造システムの動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低湿（高純度）水素及び酸素を製造可能な簡易的な構成を有するガス製造システムを提供する。
【解決手段】ガス製造システムは、水電解装置１と、酸素膨張冷却器２５と、熱交換器４１とを具備している。水電解装置１は、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。酸素膨張冷却器２５は、生成された気体の酸素を膨張減圧させて低温化する。熱交換器４１は、低温化された酸素と前記生成された気体の水素又は低温化される前の生成された酸素とを熱交換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス製造システム及びガス製造システムの動作方法に関し、特に水電解装置を用いたガス製造システム及びガス製造システムの動作方法に関する。

気体の水素及び酸素を製造する技術として特許文献１（特開２００５−３３０５１４号公報）に水電解装置及び方法が開示されている。この水電解装置は、浄化層と、仕切り板と、水電解スタックと、水供給管と、第１の送給管と、第２の送給管と、水素排出部と、酸素排出部とを具備してなる。浄化層は、容器本体内に設けられ、循環する循環水を浄化する。仕切り板は、容器本体の頂部から垂下し、容器本体内を第１の部屋と第２の部屋とに分離する。水電解スタックは、容器本体の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する。水供給管は、水電解スタックに浄化した循環水を供給する。第１の送給管は、水電解スタックから循環水に同伴されてなる水素／水・二層流を容器本体の第１の部屋に送給する。第２の送給管は、水電解スタックから循環水に同伴されてなる酸素／水・二層流を容器本体の第２の部屋に送給する。水素排出部は、第１の部屋から水素を排出する。酸素排出部は、第２の部屋から酸素を排出する。水電解スタックに供給する循環水を浄化しつつ自然循環してなる。すなわち、この水電解装置は、水の電気分解により気体の水素を製造している。

関連する技術として、特許文献２（特開２０１０−１９６１４９号公報）に水電解システムが開示されている。この水電解システムは、直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記水素中の水を吸着する水吸着装置とを備えている。この水電解システムは、更に、前記水素排出口と前記水吸着装置との間に配置される第１圧力調整弁と、前記水吸着装置の下流側に配置される第２圧力調整弁とを備え、発生する水素からの水分を除去する機能を有する。

また、水素の貯蔵や輸送を容易にするため、水素ガスを液化する方法が知られている。その水素を液化する方法として、予冷工程と液化工程という二つの工程を含む液化プロセスが利用されている。予冷工程は、主に、気体の水素を、少なくともジュールトムソン効果の逆転温度（その温度以上ではジュールトムソン膨張により気体が加熱される温度）よりも低い温度（例示：常圧下においては約２１５Ｋ以下、約１０ＭＰａにおいて約１５０Ｋ以下）に冷却する。液化工程では、逆転温度より低温に予冷された気体の水素を、膨張冷却して液化する。

水素を液化する技術として、特表２００９−５４０２５９号公報（特許文献３：対応米国出願ＵＳ ｐｕｂ．２０１０／００８３６９５）に水素液化法が開示されている。この水素液化法は、（ａ）〜（ｅ）を備えている。（ａ）は、液化対象の水素流を加圧下の液化天然ガス流との間接熱交換により１４０Ｋと１３０Ｋとの間の温度に予冷する。（ｂ）は、この予冷された水素流を冷媒との間接熱交換により８５Ｋと７５Ｋとの間の温度に更に予冷する。（ｃ）は、その際に前記冷媒の予冷を加圧下の液化天然ガス流との間接熱交換によって行う。（ｄ）は、前記冷媒で更に予冷された水素流を閉ループ循環流路内に流れる冷却用水素流との間接熱交換により冷却して少なくとも部分的に液化する。（ｅ）は、その際に、前記閉ループ循環流路内に流れる冷却用水素流を圧縮してから液化天然ガス流との間接熱交換により予冷する。すなわち、この水素液化方法では、気体の水素の予冷を、液化天然ガスとの熱交換により行っている。

特開２００５−３３０５１４号公報 特開２０１０−１９６１４９号公報 特表２００９−５４０２５９号公報

本発明の目的は、低湿（高純度）水素及び酸素を製造可能な簡易的な構成を有するガス製造システム及びガス製造システムの動作方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、逆転温度以下の水素を製造可能な簡易的な構成を有するガス製造システム及びガス製造システムの動作方法を提供することにある。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明のガス製造システムは、水電解装置（１）と、酸素膨張冷却器（２５）とを具備している。水電解装置（１）は、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。酸素膨張冷却器（２５）は、生成された気体の酸素を膨張減圧させて低温化する。

上記のガス製造システムにおいて、低温化された酸素と生成された水素又は前記低温化される前の前記生成された酸素とを熱交換する熱交換器（２１、３１、４１）を更に具備することが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、熱交換器（２１、３１、４１）は、低温冷媒と生成された水素とを熱交換して除湿する水素除湿用熱交換器（３１）と、低温冷媒と低温化される前の生成された酸素とを熱交換して除湿する酸素除湿用熱交換器（２１）とを備えることが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、熱交換器（２１、３１、４１）は、低温化された酸素と水素除湿用熱交換器（３１）が送出した生成された水素とを熱交換する水素低温化用熱交換器（４１）を更に備えることが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、水素除湿用熱交換器（３１）及び酸素除湿用熱交換器（２１）の低温冷媒は、低温化された酸素であることが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、酸素膨張冷却器（２５）は、水素除湿用熱交換器（３１）及び酸素除湿用熱交換器（２１）の低温冷媒として低温化された酸素を送出する第１酸素膨張冷却器（２５ａ）と、前記水素低温化用熱交換器（４１）の低温冷媒として前記低温化された酸素を送出する第２酸素膨張冷却器（２５）とを備えることが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、前記水素除湿用熱交換器（３１）及び前記酸素除湿用熱交換器（２１）の低温冷媒は、前記水素低温化用熱交換器（４１）で使用後の低温冷媒を含むことが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、熱交換器（４１）は、熱交換により、生成された気体の水素を、水素の逆転温度よりも低い温度にすることが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、生成された気体の水素及び気体の酸素は０．７ＭＰａ以上であることが好ましい。

上記のガス製造システムにおいて、熱交換された水素を利用する水素利用装置（３５）として水素を液化する水素液化装置、及び、熱交換された酸素を利用する酸素利用装置（２６）として酸素を液化する酸素液化装置の少なくとも一方を更に具備していることが好ましい。

本発明のガス製造システムの動作方法は、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する工程（Ｓ０１）と、生成された気体の酸素を膨張減圧させて低温化する工程（Ｓ０２）と、低温化された酸素と生成された気体の水素とを熱交換する工程（Ｓ０３）とを具備している。

上記のガス製造システムの動作方法において、熱交換器する工程（Ｓ０３）は、熱交換により、生成された気体の水素を、水素の逆転温度よりも低い温度にする工程を備えていることが好ましい。

上記のガス製造システムの動作方法において、生成する工程（Ｓ０１）は、生成された気体の水素及び気体の酸素が、０．７ＭＰａ以上となるように生成する工程を備えていることが好ましい。

上記のガス製造システムの動作方法において、熱交換された水素を液化する工程、及び／又は、生成された酸素を液化する工程を更に具備していることが好ましい。

本発明により、低湿（高純度）水素及び酸素を製造可能な簡易的な構成を有するガス製造システム及びガス製造システムの動作方法を提供することができる。また、逆転温度以下の水素を製造可能な簡易的な構成を有するガス製造システム及びガス製造システムの動作方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 ２は、本発明の実施の形態に係るガス製造システムの動作方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明の第２の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図４は、本発明の第３の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図５は、本発明の第４の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図６は、本発明の第５の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態に係るガス製造システム及びガス製造システムの動作方法に関して、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るガス製造システムの構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態のガス製造システム５０は、水電解装置１と、酸素除湿用熱交換器２１と、酸素気液分離器２２と、酸素膨張冷却器２５、２５ａと、水素除湿用熱交換器３１と、水素気液分離器３２と、水素低温化用熱交換器４１と、酸素利用装置２６と、水素利用装置３５とを備えている。ただし、この図においては、電力を供給する機器については記載を省略している。

水電解装置１は、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。水電解装置１は、酸素気液分離部２と、水素気液分離部３と、水電解スタック４と、ポンプ５と、ポンプ６とを具備している。酸素気液分離部２は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解スタック４の各水電解セル（後述）の陽極（＋極又はアノード）側に供給される。酸素気液分離部２は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された酸素と余剰水とを受け取る。そして、生成された酸素を水から分離する。分離された酸素は、外部へ送出される。ポンプ５は、酸素気液分離部２と水電解スタック４とを接続する配管１１の途中に設けられている。配管１１を介して、酸素気液分離部２の水を受け取り、水電解スタック４の陽極側へ供給する。

水素気液分離部３は、水供給装置（図示されず）から水電解用の水を供給され、貯蔵する。その水は、水電解反応に直接的には寄与しないが、水電解スタック４の各水電解セル（後述）の陰極（−極又はカソード）側に供給される。水素気液分離部３は、水電解スタック４の各水電解セルで生成された水素と余剰水と、陽極から来るプロトンに同伴する水分を受け取る。そして、生成された水素を水から分離する。分離された水素は、外部へ送出される。ポンプ６は、水素気液分離部３と水電解スタック４とを接続する配管１６の途中に設けられている。配管１６を介して、水素気液分離部３の水を受け取り、水電解スタック４の陰極側へ供給する。増加した水は、酸素気液分離部２に戻すか、もしくは排水する（図示されず）。

水電解スタック４は、例えば直列接続された、複数の水電解セルを備えている。水電解セルは、隔膜としての電解質膜（例示：固体高分子電解質膜）と、その一方の面に設けられた陽極（＋極又はアノード）と、他方の面に設けられた陰極（−極又はカソード）とを備えている。電解質膜は、固体高分子電解質膜であり、パーフルオロスルホン酸膜のようなフッ素系電解質膜に例示される。陽極及び陰極は、その電解質膜に適した公知の材料を用いることができる。水電解スタック４は、各水電解セルの陽極と陰極との間に、外部電源（図示されず）からの電圧を印加する。それにより、各水電解セルにおいて、陽極側に供給された水が電気分解されて、陽極側に酸素が生成され、陰極側に水素が生成される。各水電解セルの陽極側の酸素と未反応の水（余剰水）とは、水電解スタック４と酸素気液分離部２とを接続する配管１２を介して、酸素気液分離部２へ送出される。各水電解セルの陰極側の水素と隔膜を透過した水及び供給された水（余剰水）とは、水電解スタック４と水素気液分離部３とを接続する配管１７を介して水素気液分離部３へ送出される。

以上のように、酸素系の水は、酸素気液分離部２−配管１１−水電解スタック４（の各水電解セルの陽極）−配管１２−酸素気液分離部２の循環経路をポンプ５により循環する。また、水素系の水は、水素気液分離部３−配管１６−水電解スタック４（の各水電解セルの陰極）−配管１７−水素気液分離部３の循環経路をポンプ６により循環する。各循環経路には適宜、流量や圧力を調整する弁を設けても良い。両循環経路は、電解質膜への影響を考慮して、概ね同圧になるように制御されることが好ましい。

なお、水電解装置１は、水の電気分解で酸素及び水素を同時に生成できれば、上記構成に限定されるものではない。例えば、特許文献１（特開２００５−３３０５１４号公報）に開示された、水の電気分解で酸素及び水素を同時に生成する水電解装置を用いても良い。その場合、特許文献１の図１に記載のように、水電解装置１が容器本体及び浄化槽（図示されず）を備え、酸素気液分離部２及び水素気液分離部３がそれぞれ容器本体の第２の部屋及び第１の部屋として一体に設けられている。

これらの水電解装置１において、生成される酸素及び水素の圧力は大気圧よりも高圧とする。
その場合、生成された高圧酸素を酸素膨張冷却器２５ａで膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）させた低温酸素と、生成された高圧水素及び高圧酸素との間での熱交換（水素除湿用熱交換器３１及び酸素除湿用熱交換器２１）により除湿が可能なように、その高圧の値及び酸素膨張冷却器２５ａでの減圧の程度（減圧後の酸素の温度及び圧力）が設定される。
また、生成された高圧酸素を酸素膨張冷却器２５で膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）させた低温酸素と、生成された高圧水素との間での熱交換（水素低温化用熱交換器４１）によりその水素が逆転温度より低くなるように、その高圧の値及び酸素膨張冷却器２５での減圧の程度（減圧後の酸素の温度及び圧力）が設定される。その高圧の値は、上記設定条件を考慮すると少なくとも０．７ＭＰａ以上であることが好ましく、例えば、１０ＭＰａである。

酸素除湿用熱交換器２１は、水電解装置１から送出される酸素（気体）を酸素膨張冷却器２５ａからの低温酸素との熱交換により冷却する。低温酸素は配管４３、４４ｂを介して酸素膨張冷却器２５ａから供給され、配管４５ｂ、４６を介して酸素利用装置２６へ送出される。酸素除湿用熱交換器２１は、水電解装置１と酸素膨張冷却器２５、２５ａとを接続する配管２３の途中に設けられている。酸素気液分離器２２は、酸素除湿用熱交換器２１で冷却された酸素中の水分を気液分離により除去する。酸素気液分離器２２は、配管２３の途中であって酸素除湿用熱交換器２１よりも後段もしくは一体化されて設けられている。酸素膨張冷却器２５、２５ａは、酸素気液分離器２２で水分を除去された酸素を膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）させて、低温の酸素とする。その酸素に含まれる水分を除去する気液分離器を備えていても良い。水電解装置１は高圧（例示：１０ＭＰａ）の酸素及び水素を生成する。そのため、酸素膨張冷却器２５、２５ａに供給される酸素は高圧である。従って、酸素膨張冷却器２５、２５ａには、酸素を加圧する装置が不要であり、装置構造を簡略化でき、消費電力も抑えることができ、容易に膨張減圧することができる。酸素膨張冷却器２５は、その低温の酸素を水素低温化用熱交換器４１へ供給する。一方、酸素膨張冷却器２５ａは、その低温の酸素を酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１へ供給する。

水素除湿用熱交換器３１は、水電解装置１から送出される水素（気体）を酸素膨張冷却器２５ａからの低温酸素との熱交換により冷却する。低温酸素は配管４３、４４ａを介して酸素膨張冷却器２５ａから供給され、配管４５ａ、４６を介して酸素利用装置２６へ送出される。水素除湿用熱交換器３１は、水電解装置１と水素低温化用熱交換器４１とを接続する配管３３の途中に設けられている。水素気液分離器３２は、水素除湿用熱交換器３１で冷却された水素中の水分を気液分離により除去する。水素気液分離器３２は、配管３３の途中であって水素除湿用熱交換器３１よりも後段もしくは一体化されて設けられている。水電解装置１は高圧（例示：１０ＭＰａ）の酸素及び水素を生成する。そのため、水素気液分離器３２から送出される水素は高圧である。

水素低温化用熱交換器４１は、酸素膨張冷却器２５から低温の酸素を供給され、水素気液分離器３２から高圧の水素を供給される。水素低温化用熱交換器４１は、その低温の酸素と高圧の水素とを熱交換して、低温の水素を得る。このとき、水素低温化用熱交換器４１は、その熱交換により、水素を、水素の逆転温度よりも低い温度にする。その温度における水素のジュールトムソン係数は正となり、水素を減圧すると、水素の温度が低下することを示す。すなわち、その後のプロセスにおいて、水素を膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）させることによって冷却することが可能となる。

本実施の形態では、酸素を膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）することによって低温酸素を作り、その低温酸素によって発生ガスの除湿を行うとともに水素を逆転温度より低い温度に冷却している。これにより、高純度な（極めて湿度の低い状態の）水素および酸素を得ることができ、更に逆転温度未満の水素を極めて容易に製造することができる。ここで、水電解装置１を水素の生成に用いているので、同時に生成される酸素を冷却用に利用することができる。その利用においては、水素と酸素とは完全に別系統の経路を通るので、冷却に利用された酸素を別の用途に更に利用することができる。また、酸素及び水素を高圧で生成する場合、酸素を膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）するとき、予め加圧する必要が無く、簡便な装置で実行することができる。

酸素利用装置２６は、水素低温化用熱交換器４１から送出された酸素を利用する装置である。酸素除湿用熱交換器２１や酸素膨張冷却器２５において、酸素を冷却することにより、酸素中の飽和水蒸気量が減少する。その結果、酸素に含まれる水分が減少し、高純度な（極めて湿度の低い状態の）酸素を得ることができる。酸素利用装置２６は、例えば、温度・圧力調整装置である。それにより、低湿・高純度の酸素を所望の温度、圧力にすることができる。酸素利用装置２６は、例えば、酸素液化装置である。酸素液化装置の場合、例えば更に圧縮・膨張をすること等により、各部熱交換器での利用で温度の上昇した酸素を低温にし、液化や再液化することができる。なお、水素を冷却する前に酸素膨張冷却器２５、２５ａにて一旦酸素を液化していても良い。

水素利用装置３５は、水素低温化用熱交換器４１から送出された水素を利用する装置である。水素除湿用熱交換器３１や水素低温化用熱交換器４１において、水素（気体）を冷却することにより、水素中の飽和水蒸気量が減少する。その結果、水素に含まれる水分が減少し、高純度な（極めて湿度の低い状態の）水素を得ることができる。水素利用装置３５は、例えば、温度・圧力調整装置である。それにより、低湿・高純度の水素を所望の温度、圧力にすることができる。また、水素利用装置３５は、例えば、水素液化装置である。水素液化装置の場合、例えばオルト／パラ変換や膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）をすること等により、水素を低温にし、液化することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態に係るガス製造システムの動作方法について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係るガス製造システムの動作方法を示すフローチャートである。

水電解装置１は、水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する。具体的には、以下の動作を行う。酸素気液分離部２の水は、所定の流量で、ポンプ５により水電解スタック４へ供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陽極に水が供給される。一方、水素気液分離部３の水は、所定の流量で、ポンプ６により水電解スタック４へ供給される。それにより、水電解スタック４の各水電解セルの陰極にも水が供給される。陽極側に供給された水は、水電解スタック４の各水電解セルにおいて、外部から供給され、陽極と陰極との間に印加された電圧により電気分解される。それにより、各水電解セルの陽極側に酸素（ガス）が生成し、陰極側に水素（ガス）が生成される（ステップＳ０１）。このとき、各水電解セルの陽極側の酸素は、未反応の水（余剰水）の循環に伴って、酸素気液分離部２へ送出される。各水電解セルの陰極側の水素は、電解質膜を透過した水及び供給された水（余剰水）の循環に伴って、水素気液分離部３へ送出される。余剰水中の酸素は、酸素気液分離部２により余剰水から分離され、外部へ送出される。余剰水中の水素は、水素気液分離部３により余剰水から分離され、外部へ送出される。このとき生成される酸素及び水素は、大気圧よりも高圧であり、好ましくは０．７ＭＰａ以上であり、例えば１０ＭＰａである。

酸素気液分離部２から送出された酸素（気体）は、酸素除湿用熱交換器２１により冷却される。冷却され飽和水蒸気量が減少した酸素は、酸素気液分離器２２により水分を除去される。水分を除去された酸素は、酸素膨張冷却器２５、２５ａにより膨張減圧（例示：断熱膨張）されて、低温低圧の酸素となる（ステップＳ０２）。酸素膨張冷却器２５の低温の酸素は水素低温化用熱交換器４１へ送出される。酸素膨張冷却器２５ａの低温の酸素は酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１へ送出される。一方、水素気液分離部３から送出される水素（気体）は、水素除湿用熱交換器３１により冷却される。冷却され飽和水蒸気量が減少した水素は、水素気液分離器３２により水分を除去される。水分を除去された水素は、水素低温化用熱交換器４１へ送出される。

水素気液分離器３２から高圧の水素は、酸素膨張冷却器２５から低温の酸素と、水素低温化用熱交換器４１において熱交換される（ステップＳ０３）。それにより、水素は冷却される。このとき、水素の温度が逆転温度より低くなるように、酸素の温度及び圧力が設定され、その酸素の温度及び圧力となるように、酸素膨張冷却器２５による膨張減圧（例示：断熱膨張）の程度及び水電解装置１での生成酸素圧力が設定されている。

水素気液分離器３２を経て水素低温化用熱交換器４１から送出された水素は、生成されたときよりも低温になり、飽和水蒸気量が減少している。従って、水素に含まれる水分が減少し、高純度な（極めて湿度の低い状態の）水素を得ることができる。水素利用装置３５が水素液化装置の場合、その高純度の水素は水素利用装置３５により、例えばオルト／パラ変換や膨張減圧をされ、低温にされ、液化される（ステップＳ０４）。一方、水素利用装置３５が温度・圧力調整装置の場合、その低湿・高純度の水素は水素利用装置３５により、所望の温度、圧力に変換され、利用される。

各熱交換器で利用された酸素は、酸素気液分離器２２や酸素膨張冷却器２５、２５ａを経由することにより、生成されたときよりも低温になり、飽和水蒸気量が減少している。従って、酸素に含まれる水分が減少し、低湿・高純度な酸素を得ることができる。酸素利用装置２６が酸素液化装置の場合、その低湿・高純度の酸素は酸素利用装置２６により、例えば更に圧縮・膨張をされ、液化される。一方、酸素利用装置２６が温度・圧力調整装置の場合、その低湿・高純度の酸素は酸素利用装置２６により、所望の温度、圧力に変換され、利用される。

以上のようにして、本発明の第１の実施の形態に係るガス製造システムの動作方法が行われる。

本実施の形態のガス製造システムでは、水素供給源として水電解装置を用いている。水電解装置では、水素と共に酸素が生成される。この酸素は、ジュールトムソン効果の逆転温度よりも低い状態にある。したがって、酸素を膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）することにより、容易に低温酸素（低温冷媒）を製造することができる。その低温酸素を低温冷媒として、生成したガスと熱交換を行うことにより、容易に低湿なガスを得ることができる。また水素と熱交換を行うことにより、容易に低温水素を製造することができる。このようにして、逆転温度より低温の水素を極めて容易に製造することができる。

また、水電解装置１を水素の生成に用いているので、同時に生成される酸素を熱交換の冷媒として利用することができる。すなわち、冷媒を別途準備する必要が無い。特に、高圧で水素及び酸素を生成している場合には、高圧の酸素をそのまま膨張減圧（例示：ジュールトムソン膨張）させるだけでよい。すなわち、高圧の気体を別途準備することや、気体を圧縮する装置を準備することが不要である。更に、酸素は熱交換の冷媒として用いるだけなので、水素と酸素とは完全に別系統の経路を通る。すなわち、冷却に利用された酸素の純度は基本的に変動しない。従って、その酸素を別の用途に更に利用することができる。
もちろん、別途熱媒を用意し、酸素を膨張させたときの冷熱を伝達してもよい。

また、本実施の形態では、低温酸素を用いた水素の冷却により、飽和水蒸気量が減ることを利用した低湿（高純度）水素を得ることができる。あるいは、酸素の冷却により、飽和水蒸気量が減ることを利用した低湿（高純度）酸素を得ることができる。また、低温酸素を用いた水素の冷却により、液体水素を作るときの動力を低減することができる。このように、本実施の形態により、低湿（高純度）水素及び酸素を製造可能な簡易的な構成を有するガス製造システム及びガス製造システムの動作方法を提供することができる。また、逆転温度以下の水素を製造可能な簡易的な構成を有するガス製造システム及びガス製造システムの動作方法を提供することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るガス製造システムの構成について説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態のガス製造システム５０は、第１の実施の形態と比較して、酸素膨張冷却器が一つである点で相違する。以下では、相違点について、主に説明する。

第１の実施の形態では、酸素膨張冷却器２５ａを酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１に用い、酸素膨張冷却器２５を水素低温化用熱交換器４１に用いており、二つの酸素膨張冷却器が用いられている。しかし、本実施の形態では、酸素膨張冷却器２５を、酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１と、水素低温化用熱交換器４１とに共用しており、一つの酸素膨張冷却器を用いている。このとき、酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１に低温酸素を供給する配管４３は、酸素膨張冷却器２５より後段側の配管２３から分岐している。

その他については、第１の実施の形態と同様である。この場合でも、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、酸素膨張冷却器が一つになり、装置が簡略化、小型化、低コスト化できる等の効果がある。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るガス製造システムの構成について説明する。図４は、本発明の第３の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態のガス製造システム５０は、第２の実施の形態と比較して、酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１に低温酸素を供給する配管４３が、水素低温化用熱交換器４１の酸素系のガスの出口に接続されている点で相違する。以下では、相違点について、主に説明する。

第２の実施の形態では、酸素膨張冷却器２５から酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１に低温酸素を流す酸素系のガスのルートと、酸素膨張冷却器２５から水素低温化用熱交換器４１に低温酸素を流す酸素系のガスのルートは別々に設けられている。しかし、本実施の形態では、酸素膨張冷却器２５から水素低温化用熱交換器４１に低温酸素を流す酸素系のガスのルートの後段側に、酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１に低温酸素を流す酸素系のガスのルートが接続されている。

その他については、第２の実施の形態と同様である。この場合でも、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、引き回す配管の量が減少するほか、酸素膨張冷却器２５の低温酸素をガス製造システム５０内において最も低温が必要な熱交換器から使用していることから効率的に用いることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るガス製造システムの構成について説明する。図５は、本発明の第４の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態のガス製造システム５０は、第３の実施の形態と比較して、水素低温化用熱交換器４１を用いていない点で相違する。以下では、相違点について、主に説明する。

本実施の形態では、水素気液分離器３２から送出された高圧の水素は、水素利用装置３５に直接供給される。この水素は、水素除湿用熱交換器３１で温度を下げられた上、水素気液分離器３２で気液分離もされているので、水素に含まれる水分が減少し、純度の高い（湿度の低い状態の）水素ということができる。また、酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１から送出された酸素は、酸素利用装置２６に直接供給される。この酸素は、酸素除湿用熱交換器２１や酸素膨張冷却器２５において温度を下げられた上、酸素気液分離器２２で気液分離もされているので、酸素に含まれる水分が減少し、純度の高い（湿度の低い状態の）酸素ということができる。

その他については、第３の実施の形態と同様である。この場合でも、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。ただし、水素低温化用熱交換器４１を用いていないため、水素利用装置３５に供給される水素の温度は第３の実施の形態と比較して高く、酸素利用装置２６に供給される酸素の温度は第３の実施の形態と比較して低い。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係るガス製造システムの構成について説明する。図６は、本発明の第５の実施の形態に係るガス製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態のガス製造システム５０は、第１の実施の形態と比較して、水電解装置１で生成した酸素を酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１の冷媒として用いていない点で相違する。以下では、相違点について、主に説明する。

本実施の形態では、酸素膨張冷却器２５で低温化された酸素を水素低温化用熱交換器４１の冷媒として用いている。しかし、酸素膨張冷却器２５で低温化された酸素を酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１の冷媒としては用いていない。酸素除湿用熱交換器２１及び水素除湿用熱交換器３１の冷媒としては、他の冷媒（例えば冷却水など）を用いている。

その他については、第１の実施の形態と同様である。この場合でも、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、低温酸素を冷媒として水素の低温化のみに用いるので、水素温度を極めて低くすることができる。

また、上記第１〜第５の実施の形態に共通するが、水電解装置で生成される高圧の酸素は、酸素膨張冷却器（２５、２５ａ）で膨張減圧することにより低温化され、飽和水蒸気量が減少する。すなわち、酸素膨張冷却器２５での低温化だけでも、生成された酸素を除湿して、その純度を高めることができる。それと同時に、低温化された酸素は、低温冷媒としても用いることができる。この低温冷媒を、ガス製造システム５０内の熱交換器だけでなく、他の熱交換器の冷媒として用いても良い。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。

１ 水電解装置
２ 酸素気液分離部
３ 水素気液分離部
４ 水電解スタック
５ ポンプ
６ ポンプ
１１、１２ 配管
１６、１７ 配管
２１ 酸素除湿用熱交換器
２２ 酸素気液分離器
２３ 配管
２５、２５ａ 酸素膨張冷却器
２６ 酸素液化装置
３１ 水素除湿用熱交換器
３２ 水素気液分離器
３３ 配管
３５ 水素液化装置
４１ 水素低温化用熱交換器
４３、４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ、４６ 配管
５０ ガス製造システム

Claims (14)

1. 水を電気分解して、気体の水素及び気体の酸素を生成する水電解装置と、
   前記生成された酸素を膨張減圧させて低温化する酸素膨張冷却器と
   を具備する
   ガス製造システム。
2. 請求項１に記載のガス製造システムにおいて、
   前記低温化された酸素と前記生成された水素又は前記低温化される前の前記生成された酸素とを熱交換する熱交換器を更に具備する
   ガス製造システム。
3. 請求項２に記載のガス製造システムにおいて、
   前記熱交換器は、
   低温冷媒と前記生成された水素とを熱交換して除湿する水素除湿用熱交換器と、
   低温冷媒と前記低温化される前の前記生成された酸素とを熱交換して除湿する酸素除湿用熱交換器と
   を備える
   ガス製造システム。
4. 請求項３に記載のガス製造システムにおいて、
   前記熱交換器は、
   前記低温化された酸素と前記水素除湿用熱交換器が送出した前記生成された水素とを熱交換する水素低温化用熱交換器を更に備える
   ガス製造システム。
5. 請求項４に記載のガス製造システムにおいて、
   前記水素除湿用熱交換器及び前記酸素除湿用熱交換器の低温冷媒は、前記低温化された酸素である
   ガス製造システム。
6. 請求項５に記載のガス製造システムにおいて、
   前記酸素膨張冷却器は、
   前記水素除湿用熱交換器及び前記酸素除湿用熱交換器の低温冷媒として前記低温化された酸素を送出する第１酸素膨張冷却器と、
   前記水素低温化用熱交換器の低温冷媒として前記低温化された酸素を送出する第２酸素膨張冷却器と
   を備える
   ガス製造システム。
7. 請求項５に記載のガス製造システムにおいて、
   前記水素除湿用熱交換器及び前記酸素除湿用熱交換器の低温冷媒は、前記水素低温化用熱交換器で使用後の低温冷媒を含む
   ガス製造システム。
8. 請求項２乃至７のいずれか一項に記載のガス製造システムにおいて、
   前記低温化された酸素と前記生成された水素とを熱交換する前記熱交換器は、前記熱交換により、前記生成された気体の水素を、水素の逆転温度よりも低い温度にする
   ガス製造システム。
9. 請求項８に記載のガス製造システムにおいて、
   前記生成された気体の水素及び気体の酸素の圧力は０．７ＭＰａ以上である
   ガス製造システム。
10. 請求項２乃至９のいずれか一項に記載のガス製造システムにおいて、
    前記熱交換された水素を液化する水素液化装置、及び、前記熱交換された酸素を液化する酸素液化装置の少なくとも一方を更に具備する
    ガス製造システム。
11. 水を電気分解して気体の水素及び気体の酸素を生成する工程と、
    前記生成された気体の酸素を膨張減圧させて低温化する工程と、
    前記低温化された酸素と前記生成された気体の水素とを熱交換する工程と
    を具備する
    ガス製造システムの動作方法。
12. 請求項１１に記載のガス製造システムの動作方法において、
    前記熱交換器する工程は、前記熱交換により、前記生成された気体の水素を、水素の逆転温度よりも低い温度にする工程を備える
    ガス製造システムの動作方法。
13. 請求項１２に記載のガス製造システムの動作方法において、
    前記生成する工程は、前記生成された気体の水素及び気体の酸素の圧力が０．７ＭＰａ以上となるように生成する工程を備える
    ガス製造システムの動作方法。
14. 請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載のガス製造システムの動作方法において、
    前記熱交換された水素を液化する工程、及び／又は、前記生成された酸素を液化する工程を更に具備する
    ガス製造システムの動作方法。

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