JP2015101791A - 水素の調製方法及び水素の調製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素の調製方法及び水素の生成装置並びに相応のコンピュータプログラム製品を提供し、水素を圧縮前に乾燥できるようにする。【解決手段】電気化学的圧縮器の吸引側で、外部種を関与させることによって生成可能な水素を生成するステップと、圧縮器の圧力側の水素分圧を高め、かつ、圧縮器の吸引側に外部種を留めるために、圧縮器の吸引側の第１の電極と圧縮器の圧力側の第２の電極との間にかかる電気的ポテンシャルを用いて、圧縮器のメンブレインを通して水素のイオンを輸送するステップとを行う。【選択図】図１

Description

本発明は、水素の調製方法及び水素の調製装置並びに相応のコンピュータプログラム製品に関する。

水の電気分解によって水素が製造される場合、この水素にはプロセスで発生した水蒸気の形態の水成分が含まれている。水素を別の箇所で使用するために、水蒸気を水素から除去する調製が行われる。

ＤＥ３６５０４６５Ｔ２には、ガス乾燥のための透過性のポリマーメンブレインが開示されている。

ＤＥ３６５０４６５Ｔ２

こうした背景技術を踏まえ、本発明は、各独立請求項の上位概念に記載の、水素の調製方法及び水素の調製装置並びに相応のコンピュータプログラム製品のアプローチを提案する。有利な実施形態は各従属請求項及び以下の説明から得られる。

水素を技術的に蓄積するには、水素の圧縮が必要である。当該圧縮は圧縮器によって機械的に行うことができる。ただし、機械的圧縮器や圧力タンクでは、液相、固相、気相のいずれの形態の水も障害となりうる。このため、水素を機械的圧縮の前に乾燥することが要求される。

上記課題は、電気化学的圧縮器の吸引側で、外部種を関与させることによって生成可能な水素を生成するステップと、圧縮器の圧力側の水素分圧を高め、かつ、圧縮器の吸引側に外部種を留めるために、圧縮器の吸引側の第１の電極と圧縮器の圧力側の第２の電極との間にかかる電気的ポテンシャルを用いて、圧縮器のメンブレインを通して水素のイオンを輸送するステップとを含む、水素の調製方法により解決される。

また、上記課題は、メンブレイン及び吸引側の第１の電極及び圧力側の第２の電極を含む電気化学的圧縮器と、外部種を関与させることによって圧縮器の吸引側に水素を生成可能な生成装置とを備え、圧縮器において、圧力側の水素分圧を高め、かつ、吸引側に外部種を留めるために、第１の電極と第２の電極との間に電気的ポテンシャルが形成されて、水素のイオンが圧縮器の吸引側から圧縮器の圧力側へ輸送される、水素の調製装置により解決される。

本発明の方法及び装置の実施形態により、本発明の基礎とする課題を迅速かつ有効に解決することができる。

本発明の実施例による水素調製装置のブロック図である。 電気分解システムのガス乾燥ユニットと圧縮ユニットとを組み合わせた電気化学的圧縮器を用いた、本発明の実施例による水素調製方法の模式図である。 本発明の実施例による水素調製方法のフローチャートである。

本発明では、水素は電気化学的に圧縮される。この場合、水素はイオンの形態でメンブレイン（膜）を通して輸送される。このために、水素は、メンブレインの吸引側で触媒によってイオンと電子とに分解される。電子は電気ポテンシャルによって引き離される。イオンはメンブレインを通って漂遊する。電子は電気ポテンシャルによってメンブレインの圧力側で再び生じ、触媒作用を介してこの電子とイオンとが再結合して水素を発生させる。形成された電気ポテンシャルに基づいて、吸引側のイオンと圧力側のイオンとの平衡が圧力側の方へずれる。正味で見ると、反対に、電気ポテンシャルによって多くのイオンが吸引側から圧力側へ漂遊する。

メンブレインを通して水素イオンのみが輸送されるので、水蒸気は吸引側に留まる。当該水蒸気は、メンブレインで凝縮し、これを湿らせてその機能を改善する。

電気化学的圧縮器は高効率を有し、その効率は抵抗損失のみによって低減される。水素は、圧縮の際に殆ど加熱されない。電気化学的圧縮器は可動要素を有さないので、摩擦は殆ど発生しない。同様に、電気化学的圧縮器は静穏であり、振動を生じない。

調製とは特性を変化させることであると理解されたい。この場合、特性は設定された要求に従って変化される。特に、水素の圧力及び純度が適合化される。なお、外部種は特には水である。水は、気相すなわち蒸気状であってよい。外部種は、水素とは異なる別の気体であってもよい。吸引側とは装置が吸引を行う側であり、圧力側とは装置が排出を行う側である。吸引側の電極と圧力側の電極とはメンブレイン上に直接に配置することができる。ただし、メンブレインは電気的に絶縁されていなければならない。メンブレインは触媒作用を有するように構成される。なお、メンブレインは水素イオンに対して透過性を有さなければならない。

水素は、電気エネルギを用いて生成される。この場合、水が水素と酸素とに分解される。外部種は特には水蒸気である。１つのユニットにおける直接の結合により、水素を狭い空間で製造及び圧縮できる。全体として、電気分解と調製とが１つのシステムに統合されるため、装置の複雑性が大幅に低減される。

水素は、設定された圧力で圧力側へ輸送される。これに代えてもしくはこれに加えて、設定された温度で、乃至、設定された純度で、水素を圧力側へ輸送してもよい。自動車分野では、例えば、３０ｂａｒ以上８００ｂａｒ以下の範囲の圧力と室温とが考えられる。水素は有利には５．０Ｈ_２（９９．９９９％のＨ_２に相当する）の純度を有する必要がある。電気的ポテンシャルにより吸引側の圧力を設定できる。水素は、メンブレインを通って輸送された後、所望の特性を達成するために、冷却又は加熱される。こうした調製により、水素は設定基準を満足することができる。

輸送ステップでは、所定の直流電圧を電極へ印加することができる。当該直流電圧は平滑化可能である。当該直流電圧によって水素を均等に輸送できる。

イオンはメンブレインを通して擬似等温的に輸送される。この場合、イオンは殆ど加熱されずに輸送される。なお、加熱なしでも、当該輸送は、高効率で行うことができる。

本発明の方法はさらに、水素を圧力側で圧力蓄積器に蓄積するステップを含む。圧力蓄積器又は圧力タンク内には多量の水素を蓄積できる。

生成装置は、電気エネルギを用いて水を水素と酸素とに分解し、特に水蒸気である外部種を用いるように構成された電気分解器として構成できる。当該生成装置は、電気的に見て、また、水素流の技術で見て、電気化学的圧縮器に直列接続される。発生する水素の量は電気分解に用いられるエネルギ量に比例する。メンブレインを通して輸送される水素の量は、輸送に用いられるエネルギ量に比例する。したがって、電気分解は電気的に見て輸送に密に関連している。

圧縮器は、吸引側の別の第１の電極と圧力側の別の第２の電極とを有する少なくとも１つの別のメンブレインを含むことができる。当該別のメンブレインと上記メンブレインとは、相前後するように、かつ、吸引側から圧力側へ向かって水素分圧を段階的に高めるように配置される。直列に接続された複数のメンブレインにより、水素をより高い圧力で生成できる。同様に、メンブレインの吸引側と圧力側との間に低減された圧力勾配を設定することもできる。後者の場合、個々のメンブレインを薄く構成できるうえ、水素の輸送をいっそうダイナミックに行うことができる。

メンブレインはポリマー電解質メンブレインとして構成できる。ポリマー電解質メンブレインは特に均等な厚さで製造可能である。

メンブレインは、外部種を排出するための排出部を有することができる。当該排出部により、凝縮した水がメンブレインから排出される。これにより、メンブレインの活性面積を大きいまま維持できる。

本発明の装置はさらに、水素を圧力側に蓄積するための圧力蓄積器を備える。当該圧力蓄積器により、本発明の装置を完全システムとして実現できる。

有利には、機械読み出し可能な担体上に記憶されたプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品を構成できる。機械読み出し可能な担体は、例えば、半導体メモリ又はハードディスクメモリ又は光学メモリであってよい。プログラムコードは、プログラム製品がコンピュータ又は所定の装置で実行される場合に、上述した実施例による方法を実行する。

本発明のアプローチを以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。

本発明の有利な実施例を図示し、以下に説明する。図中、同じ要素又は同様の機能を有する要素には同じ参照番号を付し、繰り返しての説明は省略する。

電気分解システムは、通常、水生成装置と（直流）電圧源と電気分解層スタックとガス洗浄部及び／又はガス乾燥部と圧縮器と（高圧）ガス蓄積器とから成っている。

ガス乾燥のために、凝縮プロセス（ガスチラー）と、ゼオライトをベースとした吸着フィルタ又は圧力変動吸着部ＰＳＡ（プレッシャスウィングアドソープション）とを利用可能である。この場合、１ｂａｒでの露点は−６０℃であるので、純粋な凝縮プロセスが生じれば、３０ｂａｒまでの小さな圧力では必要なガス品質が得られない。吸着フィルタは、生産量の小さいシステムでしか有意でなく、また、吸着剤の回生のために交換を要するので、システムの密度を損なっている。逆に、ＰＳＡは大規模なシステムでしか有意でなく、しかも、リアクタ槽の回生にプロセスチャンバの洗浄を要するため、製造されたガスの１０％から３０％までの大きな損失を生じる。

圧縮には機械的圧縮器を使用できる。この場合、潤滑油による水素の汚染を回避するために、潤滑化されていない圧縮器が使用されるが、これは耐用時間及び／又はメンテナンス間隔が短い。同様に、長い寿命を有するイオン圧縮器も使用可能である。ただし、イオン圧縮器はきわめて大きなスペースを要する。

ガス中の水の飽和含有量は、ガス温度とガス圧力とに直接に依存する。圧力が高まると、設定された水蒸気濃度に対する露点も上昇する。燃料電池分野において通常要求される水素品質である９９．９９９％Ｈ_２での露点は、８００ｂａｒで約４℃である。このことは、８００ｂａｒ以上までのガス圧縮と場合により引き続いて行われるガス冷却とに際して、要求されるガス品質が達成されることを意味する。ここで、本発明で提案している電気化学的圧縮器は、水素中の残留湿分が圧縮器を破壊せず、反対に、メンブレインのプロトン伝導率を維持乃至増大するのに寄与するという利点を有する。

圧力上昇によって水素中の水蒸気を低減する作用は、本発明で提案している電気化学的圧縮器において利用されている。これは、要求されている圧力まで１以上の段階でガスを圧縮し、付加的なガス乾燥なしで直接に要求された純度を達成することにより行われる。

次表に、５．０Ｈ_２の水から氷への露点を示す。
Ｐ_ｉ Ｐ_ａｂｓ＠０．０１％Ｈ_２Ｏ Ｔ＿ｓａｔ
［ｂａｒ］ ［ｂａｒ］ ［℃］
０．００００１ １ −６０
０．０００１ １０ −４２
０．００１ １００ −２０
０．００８ ８００ ＋４
０．０１ １０００ ＋７

図１には、本発明の実施例による水素１０２の調製装置１００のブロック図が示されている。調製装置１００は、電気化学的圧縮器１０４と生成装置１０６とを含む。電気化学的圧縮器１０４は、メンブレイン１０８と吸引側の第１の電極１１０と圧力側の第２の電極１１２とを有する。第１の電極１１０と第２の電極１１２との間に電気ポテンシャルが形成され、水素１０２のイオン１１４が圧縮器１０４の吸引側１１６から圧力側１１８へ輸送されることにより、圧力側１１８での水素分圧が高められ、外部種１２０が吸引側１１６に残る。生成装置１０６は、水素１０２を吸引側１１６で生成するように構成されている。水素１０２は外部種１２０の関与によって生成される。

本発明の有利な構成では、圧縮器１０４は、吸引側の別の第１の電極と圧力側の別の第２の電極とを有する少なくとも１つの別のメンブレインを含む。当該別のメンブレインと上記メンブレインとは、相前後するように、かつ、水素分圧が吸引側から圧力側へ向かって段階的に高められるように配置される。各メンブレイン１０８間には、１つのメンブレインを通り抜けて次のメンブレインへ輸送される水素に対するチャンバが存在している。

有利な構成では、各メンブレイン１０８はポリマー電解質メンブレイン１０８として構成される。

有利な構成では、各メンブレイン１０８は外部種を排出するための排出部を有する。当該排出部は、吸引側に配置され、調製装置１００から外部種１２０を排出するように構成される。

有利な構成では、電気化学的圧縮器１０４には、前置接続されるガス乾燥部なしで、電気分解層スタック１０６からの水素１０２が直接に供給される。電気化学的圧縮器１０４の出力側では、水素１０２が、選択された圧力段階に応じて、後置接続されるシステムの要求、例えばガス蓄積器もしくは燃料電池セルなどの要求を直接に満足する。要求されるガスの乾燥度は付加的な適度のガス冷却によって改善される。

有利な実施例では、電気分解層スタック１０６は直接に差圧モードで作動される。これにより、Ｈ_２製造と乾燥と圧縮とが１つの要素において行われる。

電気化学セル１０４の各メンブレイン１０８は付加的な水供給を必要としない。なぜなら、水供給は水素１０２の残留湿分１２０によって保証されるからである。

有利な構成では、排水部をメンブレイン１０８に統合することができる。

有利な構成では、目標圧は１段階で達成される。

別の有利な構成では、目標圧は、複数の圧力段階によって、つまり、複数の電気化学セル１０４を直列に接続することによって達成される。この場合、技術的には、１ｂａｒから１０００ｂａｒまでの水素１０２の圧縮が可能である。

図２には、本発明の実施例による水素Ｈ_２（１０２）の調製方法の模式図が示されている。ここでの方法は、電気分解システム２００において、ガス乾燥ユニットと圧縮ユニットとを組み合わせた装置としての電気化学的圧縮器１０４を用いて行われる。ここでは、生成装置１０６は、電気エネルギ２０２を利用して水Ｈ_２Ｏ（２０４）を水素Ｈ_２（１０２）と酸素Ｏ_２（２０６）とに分解するように構成された電気分解器又は電気分解層スタック１０６である。ここでは、水素Ｈ_２（１０２）には、外部種１２０として、プロセスで発生する水蒸気Ｈ_２Ｏが添加される。圧縮及び洗浄された水素Ｈ_２（１０２）は、圧力側で圧力蓄積器２０８に蓄積される。なお、電気エネルギ２０２はここでは直流電圧として形成される。

本発明のアプローチでは、機械的なシステムで必須であった圧縮器に前置接続される別個のガス乾燥部が省略される。このため、システムの複雑性を大幅に低減できる。これにより、本発明の電気分解システム２００では、機械的なシステムに比べて、構造スペース及びノイズレベルの双方が低減され、メンテナンス間隔が増大される。

言い換えれば、図２には、水素１０２の圧縮及び乾燥を行う電気化学セル１０４を備えた電気分解システム２００が示されている。

水素用の電気分解層スタック１０６又は電気分解システム２００は、水２０４及びガス流２０２から水素を製造し、これを例えば燃料電池自動車又はパワーツーガス分野のための水素タンク設備で適用する。ここで、燃料電池自動車は、製造される水素１０２の純度すなわち水素含量について特に高い要求を課している。通常、純度５．０Ｈ_２（９９．９９９％Ｈ_２）が要求される。その理由は、１つは燃料電池の触媒の汚染敏感性、もう１つは低温下及び／又は高圧下での水１２０の凝縮である。これらは、ガス供給部における圧力変動又は管路の凍結を生じさせることがある。

電気分解によって製造される水素１０２のガス乾燥は必須である。なぜなら、水素１０２が電気分解層スタック１０６の出力側でプロセスによって発生する所定の湿分１２０を有するためである。こうした湿分１２０は、機械的圧縮器での圧縮中に水撃を生じさせ、機械的圧縮器を破損させるおそれがある。

本発明のアプローチでは、水素１０２の圧縮は、電気化学的圧縮器としての電気化学セル１０４において行われる。機械的圧縮器とは異なり、電気化学的圧縮器１０４は、水素１０２の圧縮と同時に湿分の管理も行うため、付加的なガス乾燥部を前置接続する必要がなくなる。したがって、システムの複雑性が大幅に低減される。

本発明のアプローチの主たる利点は、電気化学的圧縮器１０４を使用することにより、ガス乾燥のための付加的な要素が不要となって、システムの複雑性が低減されるということである。これにより、特に、システム２００全体のスペースを節約でき、システムの効率の改善も達成される。

可動要素なしでガス１０２を圧縮できるため、システム２００の動作のノイズは低減され、また、メンテナンス回数も少なくて済む。

水素１０２の圧縮には、電気化学的圧縮器１０４、例えばポリマー電解質メンブレインＰＥＭをベースとした圧縮器が用いられる。直流電圧２０４を電気化学セル１０４の電極へ印加することにより、メンブレインの一方側から他方側へのＨ^＋流が生じ、圧力上昇が生じる。この場合、達成される圧力上昇は、印加される電圧に依存して定まる。
Ｕ＝ＲＴ／２ＦＩｎ（ｐ_２／ｐ_１）＋ｉｒ＋η
ここで、Ｕは印加電圧であり、Ｒはガス定数であり、Ｔは温度であり、Ｆはファラデー定数であり、ｐ_１は第１のガス空間での圧力であり、ｐ_２は第２のガス空間での圧力であり、ｉは電流密度であり、ｒは電気化学セル１０４の抵抗であり、ηは過電圧である。

この場合、電気化学的な圧縮の効率は、ガス１０２の圧縮が擬似等温的に行われるため、特に機械的圧縮器での断熱圧縮に比べて、きわめて良好である。

図３には、本発明の実施例による水素の調製方法３００のフローチャートが示されている。調製方法３００は、生成ステップ３０２と輸送ステップ３０４とを含む。生成ステップ３０２では、水素が電気化学的圧縮器の吸引側で生成される。ここでは、純粋形態の水素が外部種の関与によって生成される。輸送ステップ３０４では、水素イオンが、電気ポテンシャルにより、圧縮器のメンブレインを通して輸送される。当該電気ポテンシャルは、圧縮器の吸引側の第１の電極と圧力側の第２の電極との間に形成される。輸送により、圧縮器の圧力側の水素分圧が高められる。外部種は圧縮器の吸引側に留められる。

有利な構成では、生成ステップ３０２において、水素が電気エネルギを用いて生成される。このために、水が水素と酸素とへ分解される。この場合、外部種は特には水蒸気である。ここで、水素中の水蒸気含量は吸引側の水素のガス圧と平衡している。

有利な構成では、輸送ステップ３０４において、水素が設定された圧力及び／又は設定された温度及び／又は設定された純度で圧力側へ輸送される。電気ポテンシャルによって、どれだけの圧力が圧力側に生じるかを設定できる。温度を制御するために、加熱エレメント及び／又は冷却エレメントを圧力側に配置してもよい。

有利な構成では、輸送ステップ３０４において、直流電圧が各電極に印加される。

有利な構成では、輸送ステップ３０４において、イオンはメンブレインを通して擬似等温的に輸送される。電気ポテンシャルにより、吸引側から圧力側までの間で温度変化が殆ど生じない。これにより、機械的な圧縮で望ましくない温度変化のみに関連するエネルギ消費を省略できる。

有利な構成では、調製方法３００はさらに蓄積ステップを含む。蓄積ステップでは、水素が圧力側で圧力蓄積器に蓄積される。

図示の実施例は、例示として選択されているのみである。種々の実施例は、それぞれ完全に、又は、個々の特徴に関連して、任意に組み合わせることができる。また、或る実施例を別の実施例の特徴によって補完することもできる。

なお、本発明の方法の各ステップは、反復して実行することもできるし、上述したのとは別の順序で実行することもできる。

実施例の説明において、第１の特徴と第２の特徴とが「及び／又は」で接続されている場合、これは、当該実施例が、第１の特徴のみ、又は、第２の特徴のみ、又は、第１の特徴及び第２の特徴の双方のいずれを含んでいてもよいことを意味する。

１００ 水素調製装置、 １０２ 水素、 １０４ 電気化学的圧縮器（電気化学セル）、 １０６ 生成装置（電気分解層スタック）、 １０８ メンブレイン、 １１０，１１２ 電極、 １１４ イオン、 １１６ 吸引側、 １１８ 圧力側、 １２０ 外部種、 ２００ 電気分解システム、 ２０２ 電気エネルギ、 ２０４ 水、 ２０６ 酸素、 ２０８ 圧力蓄積器、 ３００ 水素調製方法、 ３０２ 生成ステップ、 ３０４ 輸送ステップ

Claims (12)

1. 水素（１０２）の調製方法（３００）であって、
   該方法（３００）は、
   電気化学的圧縮器（１０４）の吸引側（１１６）で、外部種（１２０）を関与させることによって生成可能な水素（１０２）を生成するステップ（３０２）と、
   前記圧縮器（１０４）の圧力側（１１８）の水素分圧を高め、かつ、前記圧縮器（１０４）の吸引側（１１６）に前記外部種（１２０）を留めるために、前記圧縮器（１０４）の前記吸引側（１１６）の第１の電極（１１０）と前記圧縮器（１０４）の前記圧力側（１１８）の第２の電極（１１２）との間にかかる電気的ポテンシャルを用いて、前記圧縮器（１０４）のメンブレイン（１０８）を通して前記水素（１０２）のイオン（１１４）を輸送するステップ（３０４）と
   を含む
   ことを特徴とする方法（３００）。
2. 前記生成するステップ（３０２）において、電気エネルギを用いて水（２０４）を水素（１０２）と酸素（２０６）とに分解し、前記外部種（１２０）を特に水蒸気（１２０）とすることによって、前記水素（１０２）を生成する、
   請求項１記載の方法（３００）。
3. 前記輸送するステップ（３０４）において、設定された圧力及び／又は設定された温度及び／又は設定された純度で、前記水素（１０２）を前記圧力側（１１８）へ輸送する、
   請求項１又は２記載の方法（３００）。
4. 前記輸送するステップ（３０４）において、所定の直流電圧（２０２）を前記電極（１１０，１１２）へ印加する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法（３００）
5. 前記輸送するステップ（３０４）において、前記メンブレイン（１０８）を通して前記イオン（１１４）を擬似等温的に輸送する、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法（３００）。
6. さらに、前記水素（１０２）を前記圧力側（１１８）で圧力蓄積器（２０８）に蓄積するステップを含む、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法（３００）。
7. 水素（１０２）の調製装置（１００）であって、
   該調製装置（１００）は、メンブレイン（１０８）及び吸引側（１１６）の第１の電極（１１０）及び圧力側（１１８）の第２の電極（１１２）を含む電気化学的圧縮器（１０４）と、外部種（１２０）を関与させることによって前記圧縮器の前記吸引側（１１６）に水素（１０２）を生成可能な生成装置（１０６）とを備え、
   前記圧縮器（１０４）において、前記圧力側（１１８）の水素分圧を高め、かつ、前記吸引側（１１６）に前記外部種（１２０）を留めるために、前記第１の電極（１１０）と前記第２の電極（１１２）との間に電気的ポテンシャルが形成されて、前記水素（１０２）のイオン（１１４）が前記圧縮器（１０４）の前記吸引側（１１６）から前記圧縮器（１０４）の前記圧力側（１１８）へ輸送される
   ことを特徴とする装置（１００）。
8. 前記生成装置（１０６）は、電気エネルギ（２０２）を用いて水（２０４）を水素（１０２）と酸素（２０６）とに分解し、前記外部種（１２０）を特に水蒸気（１２０）とするように構成された電気分解器（１０６）である、
   請求項７記載の装置（１００）。
9. 前記圧縮器（１０４）は、吸引側の別の第１の電極（１１０）と圧力側の別の第２の電極（１１２）とを有する少なくとも１つの別のメンブレイン（１０８）を含み、
   当該別のメンブレイン（１０８）と前記メンブレイン（１０８）とは、相前後して配置され、かつ、前記吸引側（１１６）から前記圧力側（１１８）へ向かって水素分圧を段階的に高めるように構成されている、
   請求項７又は８記載の装置（１００）。
10. 前記メンブレイン（１０８）はポリマー電解質メンブレイン（１０８）として構成されている、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の装置（１００）。
11. 前記メンブレイン（１０８）は、前記外部種（１２０）を排出するための排出部を有する、
    請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置（１００）。
12. 前記装置は、さらに、前記水素（１０２）を前記圧力側（１１８）に蓄積するための圧力蓄積器（２０８）を備えている、
    請求項７から１１までのいずれか１項記載の装置（１００）。

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