JP2018051543A - Manufacturing method of dried water electrolysis gas and device thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for safely manufacturing dried water electrolysis gas with excellent energy efficiency, from high humidity water electrolysis gas manufactured by water electrolysis.SOLUTION: A manufacturing method of dried water electrolysis gas includes a water electrolysis gas generating process of providing water electrolysis gas by electrolyzing water, an absorption process of selectively absorbing steam in an absorbent by contacting the water electrolysis gas of including steam derived from raw material water and the absorbent of including an ion liquid and a separation process of gas-liquid-separating dried water electrolysis gas reduced in humidity in the absorption process and a rich absorbent of absorbing the steam.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、乾燥水電解ガスの製造方法及びその装置に関する。   The present invention relates to a method for producing dry water electrolysis gas and an apparatus therefor.

太陽光、風力などの再生可能エネルギーは、貴重なエネルギー資源である。しかしながら、日照や風況の適地は偏在しており、得られる場所が消費地から遠隔にあったり、季節や時間によって得られる発電電力が変動する。そのため、場所や量、時期を調整するために再生可能エネルギーを水素に転換して利用する方法が研究されている。例えば、アルカリ水電解、固体高分子型水電解などの、水を電解して水素を製造する方法がある。この水の電解では、同時に酸素も製造できる。   Renewable energies such as solar and wind are valuable energy resources. However, suitable places for sunshine and wind conditions are unevenly distributed, and the obtained place is remote from the consumption place, and the generated power obtained varies depending on the season and time. Therefore, research is underway on how to use renewable energy by converting it to hydrogen in order to adjust the location, amount, and timing. For example, there are methods of producing hydrogen by electrolyzing water, such as alkaline water electrolysis and solid polymer water electrolysis. This water electrolysis can produce oxygen at the same time.

特許文献1には、固体高分子電解質膜を用いた水電解装置が開示されている。この水電解装置では、固体高分子電解質膜の陽極側に水を供給すると、陽極側で酸素ガスと水素イオンが発生する。この水素イオンは、水を伴い高分子電解質膜を通って陰極側に移動し、陰極側で反応して水素ガスが発生する。この陰極側からは、水素ガスと、水素ガスが溶存している水が排出される。気液分離装置によって水素ガスが溶存している水から水素ガスが取り出される。陽極側からは、酸素ガスと、酸素ガスが溶存している水が排出される。   Patent Document 1 discloses a water electrolysis apparatus using a solid polymer electrolyte membrane. In this water electrolysis apparatus, when water is supplied to the anode side of the solid polymer electrolyte membrane, oxygen gas and hydrogen ions are generated on the anode side. The hydrogen ions move with water to the cathode side through the polymer electrolyte membrane, and react with the cathode side to generate hydrogen gas. From this cathode side, hydrogen gas and water in which hydrogen gas is dissolved are discharged. Hydrogen gas is taken out of the water in which hydrogen gas is dissolved by the gas-liquid separator. From the anode side, oxygen gas and water in which oxygen gas is dissolved are discharged.

また、特許文献2には、高分子電解質膜を用いた固体高分子型の高圧容器収納型水電解水素発生装置が開示されている。この水素発生装置では、電解槽の陰極側から発生した水素は水素ラインを経て水素気液分離器へ送られ、ここで水と気液分離され、さらに水素ラインを経て水素タンクへ送られる。水電解槽の陽極側から発生した酸素は酸素気液分離器へ送られ、ここで水と気液分離され、酸素ラインを経て所定箇所へ供給される。   Patent Document 2 discloses a solid polymer type high pressure vessel-accommodated water electrolysis hydrogen generator using a polymer electrolyte membrane. In this hydrogen generator, hydrogen generated from the cathode side of the electrolytic cell is sent to a hydrogen gas-liquid separator via a hydrogen line, where it is separated from water and gas-liquid, and further sent to a hydrogen tank via a hydrogen line. Oxygen generated from the anode side of the water electrolysis tank is sent to an oxygen gas-liquid separator, where it is separated from water and gas-liquid, and supplied to a predetermined location via an oxygen line.

特開2010−280975号公報JP 2010-280975 A 特開2006−199995号公報JP 2006-199995 A

これらの水電解によって得られる水電解ガスは、陽極側から水素ガスが、陰極側から酸素ガスが別々に得られる。また、炭化水素の水蒸気改質によって得られる水素ガスのように二酸化炭素などの副生成物を含んでいない。一方、原料の水が水蒸気として同伴している。そのため、用途によっては、それを取り除いて高純度化する必要がある。   In the water electrolysis gas obtained by these water electrolysis, hydrogen gas is separately obtained from the anode side and oxygen gas is separately obtained from the cathode side. Further, it does not contain by-products such as carbon dioxide like hydrogen gas obtained by steam reforming of hydrocarbons. On the other hand, the raw material water is accompanied by water vapor. Therefore, depending on the application, it is necessary to remove it and make it highly purified.

気体の一般的な除湿プロセスとしては、水蒸気を含む混合気体をチラーで冷却して露点を下げるプロセス、水蒸気を含む混合気体を吸着剤や吸収剤に接触させるプロセスなどがある。   As a general dehumidification process of gas, there is a process of lowering the dew point by cooling a mixed gas containing water vapor with a chiller, and a process of bringing the mixed gas containing water vapor into contact with an adsorbent or absorbent.

しかしながら、前者の除湿プロセスを水電解ガスに適用すると、除去対象の水だけでなく、水電解ガスそのものも冷却しなければならず、余分にエネルギーが必要となる。また、水電解ガスの水素ガスは、除湿後に圧縮し、貯蔵や運搬することが多いが、冷却による水素ガスの分圧低下は、その後の圧縮工程の圧縮エネルギーの増加に繋がり、エネルギー的に不利となる。   However, when the former dehumidification process is applied to the water electrolysis gas, not only the water to be removed but also the water electrolysis gas itself must be cooled, which requires extra energy. In addition, hydrogen gas of water electrolysis gas is often compressed after dehumidification, stored and transported. However, a decrease in partial pressure of hydrogen gas due to cooling leads to an increase in compression energy in the subsequent compression process, which is disadvantageous in terms of energy. It becomes.

後者の除湿プロセスには、固体吸着剤と液体吸収剤を用いる方法がある。ゼオライトなどの固体吸着剤を用いて除湿を行う場合、水分を吸収した固体吸着剤の再生には、高温(〜200℃)で加熱処理する必要がある。そのため、この除湿プロセスを水分の量が多い水電解ガスに適用すると、必要とされるエネルギーが多大となる。また、一般に固体吸着剤による除湿はバッチ処理(2筒あるいは多筒式)が行われている。このバッチ処理は、その都度バッチ処理部全体を加熱し、その後に冷却する必要がある。そしてこの処理においては熱交換が困難であるので、必要とされるエネルギーが多大となる。   The latter dehumidification process includes a method using a solid adsorbent and a liquid absorbent. When dehumidification is performed using a solid adsorbent such as zeolite, heat treatment must be performed at a high temperature (up to 200 ° C.) in order to regenerate the solid adsorbent that has absorbed moisture. Therefore, when this dehumidification process is applied to a water electrolysis gas having a large amount of water, a large amount of energy is required. In general, dehumidification with a solid adsorbent is performed by batch processing (two-cylinder or multi-cylinder type). In this batch process, it is necessary to heat the entire batch processing unit and cool it thereafter. And in this process, since heat exchange is difficult, a large amount of energy is required.

液体吸収剤としては、トリエチレングリコール(TEG)がガス吸収剤や空気調湿剤として知られている。しかし、TEGを吸収剤として用いようとすると、吸収剤自体が蒸気圧を有しており、水素の高純度化の妨げになる。また、TEGは、可燃性を有しており、水素ガスや酸素ガスを対象とするのには不適であるなどの他の課題もある。   As a liquid absorbent, triethylene glycol (TEG) is known as a gas absorbent or an air conditioner. However, if TEG is used as an absorbent, the absorbent itself has a vapor pressure, which hinders high purity of hydrogen. Further, TEG has flammability and has other problems such as being unsuitable for targeting hydrogen gas and oxygen gas.

したがって、本発明の課題は、水電解により製造された、高湿度な水電解ガスから、エネルギー効率良く、安全に、乾燥した水電解ガスを製造する方法、を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a dry water electrolysis gas that is energy efficient and safe from a high humidity water electrolysis gas produced by water electrolysis.

本発明者らは、前記課題を達成すべく鋭意検討を行った結果、水電解によって製造された高湿度の水電解ガスの除湿にはイオン液体が有用であることを見出した。本発明者らは、これらの知見に基づき本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above problems, the present inventors have found that an ionic liquid is useful for dehumidification of a high-humidity water electrolysis gas produced by water electrolysis. Based on these findings, the present inventors have completed the present invention.

前記課題を解決するため、本発明の乾燥水電解ガスの製造方法は、
水を電解して水電解ガスを得る水電解ガス生成工程と、
前記水電解ガス生成工程で得られた、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスと、イオン液体を含有する吸収液とを接触させて、水蒸気を選択的に吸収液に吸収させる吸収工程と、
前記吸収工程で湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離する分離工程と、を含む。
In order to solve the above problems, the method for producing a dry water electrolysis gas of the present invention comprises:
A water electrolysis gas generation step of electrolyzing water to obtain a water electrolysis gas;
An absorption step in which the water electrolysis gas containing water vapor derived from raw water obtained in the water electrolysis gas generation step is brought into contact with an absorption liquid containing an ionic liquid to selectively absorb water vapor into the absorption liquid; ,
A dry water electrolysis gas having reduced humidity in the absorption step, and a separation step of gas-liquid separation of the rich absorption liquid that has absorbed water vapor.

前記吸収工程の前の前記水電解ガスと、前記富吸収液とで熱交換を行う熱交換工程を更に含むと好ましい。   It is preferable to further include a heat exchanging step of exchanging heat between the water electrolysis gas before the absorbing step and the rich absorbent.

前記富吸収液を加熱及び/又は減圧して、水分を除去して吸収液を再生させる再生工程を更に含むと好ましい。   It is preferable to further include a regeneration step in which the rich absorbent is heated and / or decompressed to remove moisture and regenerate the absorbent.

前記再生工程で再生した吸収液と、前記富吸収液とで熱交換を行う第2の熱交換工程を更に含むと好ましい。   It is preferable to further include a second heat exchange step in which heat exchange is performed between the absorbent regenerated in the regeneration step and the rich absorbent.

前記イオン液体を構成するアニオンは、オキソ酸イオンであると好ましい。   The anion constituting the ionic liquid is preferably an oxoacid ion.

前記オキソ酸イオンは、式1で表されるカルボン酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、硫酸水素イオン、式2で表されるスルホン酸イオン、式3で表されるリン酸エステルイオン若しくはリン酸イオン、又は、式4で表されるホスホン酸エステルイオン若しくはホスホン酸イオンであると好ましい。

(式1中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
(式2中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
(式3中RとRは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
(式4中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
The oxo acid ion is a carboxylate ion represented by formula 1, nitrate ion, sulfate ion, hydrogen sulfate ion, sulfonate ion represented by formula 2, phosphate ester ion or phosphate ion represented by formula 3. Or a phosphonate ester ion or a phosphonate ion represented by Formula 4.

(In Formula 1, R 1 is a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may be unsubstituted or substituted.)
(In Formula 2, R 2 is a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may be unsubstituted or substituted.)
(In Formula 3, R 3 and R 4 are a hydrogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.)
(In Formula 4, R 5 is a hydrogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.)

前記水電解ガスは水素ガスであると好ましい。   The water electrolysis gas is preferably hydrogen gas.

また、本発明の乾燥水電解ガスの製造装置は、
水を電解して水電解ガスを得る水電解ガス生成手段と、
前記水電解ガス生成手段で得られた、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスと、イオン液体を含有する吸収液とを接触させて、水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させる吸収手段と、
前記吸収手段によって湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離する分離手段、を備える。
In addition, the dry water electrolysis gas production apparatus of the present invention comprises:
Water electrolysis gas generating means for electrolyzing water to obtain water electrolysis gas;
Absorbing means for selectively absorbing water vapor in the absorbing liquid by bringing the water electrolyzed gas containing water vapor derived from raw water obtained by the water electrolyzing gas generating means into contact with an absorbing liquid containing an ionic liquid. When,
A dry water electrolysis gas whose humidity has been reduced by the absorption means; and a separation means for separating the rich absorption liquid that has absorbed water vapor into a gas-liquid separation.

前記の乾燥水電解ガスの製造装置は、水蒸気を吸収した富吸収液を加熱及び/又は減圧して、水分を除去して吸収液を再生させる再生手段を更に備えると好ましい。   Preferably, the dry water electrolysis gas production apparatus further includes a regeneration means for heating and / or depressurizing the rich absorbent that has absorbed water vapor to remove moisture and regenerate the absorbent.

本発明により、水電解により製造された、高湿度な水電解ガスから、エネルギー効率良く、安全に、乾燥した水電解ガスを製造する方法が提供される。   INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a method for producing a dry water electrolysis gas that is energy efficient and safe from a high humidity water electrolysis gas produced by water electrolysis.

本発明の乾燥水電解ガスの製造装置の一態様を示す図。The figure which shows the one aspect | mode of the manufacturing apparatus of the dry water electrolysis gas of this invention. 塩化カルシウム及び各種イオン液体の25℃における水蒸気吸収量の相対湿度依存性。Relative humidity dependence of water vapor absorption at 25 ° C. for calcium chloride and various ionic liquids. 塩化カルシウム及び各種イオン液体の80℃における水蒸気吸収量の相対湿度依存性。Relative humidity dependence of water vapor absorption at 80 ° C. for calcium chloride and various ionic liquids.

本発明の乾燥水電解ガスの製造方法は、水を電解して水素および酸素を得る水電解ガス生成工程と、前記水素および酸素生成工程で得られた、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスと、イオン液体を含有する吸収液とを接触させて、水蒸気を選択的に吸収液に吸収させる吸収工程と、前記吸収工程で湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離する分離工程と、を含む。   The method for producing a dry water electrolysis gas of the present invention includes a water electrolysis gas generation step of electrolyzing water to obtain hydrogen and oxygen, and water electrolysis containing water vapor derived from raw water obtained in the hydrogen and oxygen generation step. An absorption step in which a gas and an absorption liquid containing an ionic liquid are brought into contact with each other to selectively absorb water vapor into the absorption liquid; a dry water electrolysis gas with reduced humidity in the absorption step; and a rich absorption in which water vapor is absorbed A separation step of gas-liquid separation of the liquid.

(水電解ガス生成工程)
本発明に係る水素および酸素生成工程は、水を電解して水電解ガスを得る方法であれば特に限定されないが、アルカリ水電解、固体高分子型水電解、高温水蒸気電解などが挙げられる。
(Water electrolysis gas generation process)
The hydrogen and oxygen production step according to the present invention is not particularly limited as long as it is a method for electrolyzing water to obtain a water electrolysis gas, and examples thereof include alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and high-temperature steam electrolysis.

アルカリ水電解は、通常、電解質として水酸化ナトリウム水溶液または水酸化カリウム水溶液を用いる。アルカリ水電解では、陰極側で、水から水素と水酸化物イオンが得られるため、得られる水素ガスは蒸気圧分の高湿度で水を含む。そして、陽極側で、水酸化物イオンから水と酸素が得られるため、得られる酸素は蒸気圧分の高湿度で水を含む。このように、陽極側(アノード側)で酸素が得られ、陰極側(カソード側)で水素が得られるので、水素と酸素は分離して得ることができるが、それぞれ蒸気圧分の高湿度で水を含む。アルカリ水電解の電解温度は、通常室温〜200℃、好ましくは70℃〜90℃である。高温であると電極反応速度が向上する傾向にある。   In alkaline water electrolysis, an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution is usually used as the electrolyte. In alkaline water electrolysis, since hydrogen and hydroxide ions are obtained from water on the cathode side, the obtained hydrogen gas contains water at a high humidity corresponding to the vapor pressure. And since water and oxygen are obtained from hydroxide ions on the anode side, the obtained oxygen contains water at a high humidity corresponding to the vapor pressure. In this way, oxygen is obtained on the anode side (anode side) and hydrogen is obtained on the cathode side (cathode side), so that hydrogen and oxygen can be obtained separately, but each with high humidity corresponding to the vapor pressure. Contains water. The electrolysis temperature of alkaline water electrolysis is usually room temperature to 200 ° C, preferably 70 ° C to 90 ° C. When the temperature is high, the electrode reaction rate tends to be improved.

固体高分子型水電解は、通常、電解質膜としてフッ素樹脂系カチオン膜などの、プロトン型のカチオン膜を用いる。固体高分子型水電解では、陽極側に水を供給すると酸素と水素イオンが生成する。水素イオンは膜中を通り陰極側に移動し、電子を得て水素となる。水素イオンの膜中の移動に伴い、水も親和水として陰極側に移動する。陰極側で、発生したガスと移動した水を気液分離して、水素ガスが得られるが、得られた水素ガスは、蒸気圧分の高湿度で水を含む。このように、水素と酸素は、分離して得ることができるが、それぞれ蒸気圧分の高湿度で水を含む。固体高分子型水電解の電解温度は、通常60℃〜100℃である。   In solid polymer type water electrolysis, a proton type cation membrane such as a fluororesin cation membrane is usually used as an electrolyte membrane. In polymer electrolyte water electrolysis, oxygen and hydrogen ions are generated when water is supplied to the anode side. The hydrogen ions move through the film to the cathode side, obtain electrons, and become hydrogen. As the hydrogen ions move in the membrane, water also moves to the cathode side as affinity water. On the cathode side, the generated gas and the moved water are gas-liquid separated to obtain hydrogen gas. The obtained hydrogen gas contains water at a high humidity corresponding to the vapor pressure. Thus, hydrogen and oxygen can be obtained separately, but each contains water at a high humidity corresponding to the vapor pressure. The electrolysis temperature of solid polymer water electrolysis is usually 60 ° C to 100 ° C.

高温水蒸気電解は、アルカリ水電解を改良したものであり、電解質として酸化ジルコニウム等を用いる。高温水蒸気電解では、陰極側に供給された水蒸気の一部が水素と酸化物イオンになり、水素と水蒸気の混合物が得られる。酸化物イオンは電解質の膜中を移動して陽極側で酸素になる。従って、水素と酸素は分離して得ることができる。陰極側で、発生したガスと未反応の水蒸気の混合ガスとして水素ガスが得られる。従って、得られた水素ガスは、蒸気圧分の高湿度で水を含む。高温水蒸気電解の電解温度は、例えば500℃以上や700℃以上、1000℃以下である。   High temperature steam electrolysis is an improvement of alkaline water electrolysis and uses zirconium oxide or the like as an electrolyte. In high-temperature steam electrolysis, part of the water vapor supplied to the cathode side becomes hydrogen and oxide ions, and a mixture of hydrogen and water vapor is obtained. The oxide ions move through the electrolyte membrane and become oxygen on the anode side. Therefore, hydrogen and oxygen can be obtained separately. On the cathode side, hydrogen gas is obtained as a mixed gas of the generated gas and unreacted water vapor. Therefore, the obtained hydrogen gas contains water at a high humidity corresponding to the vapor pressure. The electrolysis temperature of high-temperature steam electrolysis is, for example, 500 ° C. or higher, 700 ° C. or higher, and 1000 ° C. or lower.

(吸収工程)
本発明に係る吸収工程は、前記の水電解ガス生成工程で得られた、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスと、イオン液体を含有する吸収液とを接触させて、水蒸気を選択的に吸収液に吸収させる。
前述の通り、水電解ガス生成工程で得られる水素や酸素は、気体又は液体の水を伴う。液体の水が存在する場合は、吸収工程の前に気液分離して除去できる。必要により気液分離して得られた気体は、水素または酸素と、水蒸気の混合ガスになるが、水分を多く含み、通常、飽和水蒸気量の水蒸気を含む。例えば、25℃、常圧では、1m当たり飽和水蒸気量の23gの水蒸気を含む。
(Absorption process)
In the absorption step according to the present invention, the water electrolysis gas containing water vapor derived from the raw water obtained in the water electrolysis gas generation step is brought into contact with the absorption liquid containing ionic liquid to selectively use the water vapor. To absorb in the absorbent.
As described above, hydrogen or oxygen obtained in the water electrolysis gas generation step is accompanied by gas or liquid water. When liquid water is present, it can be removed by gas-liquid separation before the absorption step. The gas obtained by gas-liquid separation, if necessary, becomes a mixed gas of hydrogen or oxygen and water vapor, but contains a large amount of water and usually contains water vapor with a saturated water vapor amount. For example, at 25 ° C. and normal pressure, 23 g of saturated water vapor per 1 m 3 is contained.

吸収工程において、水電解ガスを吸収液と接触させる。この吸収液は、イオン液体を含有する。イオン液体は、水素や酸素をほとんど吸収せずに水を吸収する。したがって、吸収液を水電解ガスと接触させることによって、気相側の水蒸気を、液相の吸収液側に移動させて、気相の水分量を減らすことができる。   In the absorption step, the water electrolysis gas is brought into contact with the absorption liquid. This absorption liquid contains an ionic liquid. The ionic liquid absorbs water with little absorption of hydrogen and oxygen. Therefore, by bringing the absorption liquid into contact with the water electrolysis gas, the water vapor on the gas phase side can be moved to the absorption liquid side of the liquid phase, and the moisture content in the gas phase can be reduced.

(イオン液体)
本発明に用いるイオン液体は、カチオンとアニオンからなり、100℃、大気圧で液体の塩である。本発明に係るイオン液体は、特に室温(25℃)で液体であると好ましい。すなわち、本発明に係るイオン液体の融点は、100℃以下であれば特に限定されないが、50℃未満であると好ましく、25℃未満であるとより好ましく、10℃未満であると特に好ましい。このイオン液体には、微量の水分を含むことで融点が100℃以下になるものも含まれる。また、本発明に係るイオン液体の融点の下限は、特に限定されない。なお、イオン液体は融点以下でも過冷却となり液体状態をとることが多く、そのような液体状態を保持できれば融点が高くとも限定されない。
(Ionic liquid)
The ionic liquid used in the present invention comprises a cation and an anion, and is a liquid salt at 100 ° C. and atmospheric pressure. The ionic liquid according to the present invention is preferably liquid at room temperature (25 ° C.). That is, the melting point of the ionic liquid according to the present invention is not particularly limited as long as it is 100 ° C. or less, but is preferably less than 50 ° C., more preferably less than 25 ° C., and particularly preferably less than 10 ° C. This ionic liquid includes one having a melting point of 100 ° C. or less by containing a trace amount of water. Moreover, the minimum of melting | fusing point of the ionic liquid which concerns on this invention is not specifically limited. Note that the ionic liquid is often supercooled and takes a liquid state even below the melting point, and the ionic liquid is not limited even if the melting point is high as long as such a liquid state can be maintained.

本発明に用いるイオン液体を構成するアニオンは、特に限定されないが、オキソ酸イオンであると好ましい。本明細書においてオキソ酸とは、酸素を含む無機又は有機の酸である。   Although the anion which comprises the ionic liquid used for this invention is not specifically limited, It is preferable in it being an oxo acid ion. In the present specification, the oxo acid is an inorganic or organic acid containing oxygen.

オキソ酸としては例えば、カルボン酸、硝酸、硫酸、スルホン酸、リン酸エステル、リン酸、ホスホン酸エステル、ホスホン酸が挙げられる。   Examples of the oxo acid include carboxylic acid, nitric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, phosphoric acid ester, phosphoric acid, phosphonic acid ester, and phosphonic acid.

カルボン酸イオンは、式1で表されるアニオンである。
ここで、式1中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。炭化水素基は、特に限定されないが、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、芳香族炭化水素基が挙げられ、環状であっても非環状であってもよく、骨格にヘテロ原子を有していてもよい。具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基などのアルキル基;これらのアルケニル基、アルキニル基;メトキシ基、エトキシ基などアルコキシ基、アリル基、アリール基などが挙げられる。炭化水素基としては、脂肪族炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。置換基としては、フッ素、塩素臭素、ヨウ素などのハロゲン基;水酸基;シアノ基などが挙げられる。
The carboxylate ion is an anion represented by Formula 1.
Here, R 1 in Formula 1 is a hydrogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group. The hydrocarbon group is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, and an aromatic hydrocarbon group, which may be cyclic or acyclic, and have a hetero atom in the skeleton. It may be. Specifically, alkyl groups such as methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, n-octyl group; these alkenyl groups, Alkynyl group; alkoxy group such as methoxy group and ethoxy group, allyl group, aryl group and the like. As the hydrocarbon group, an aliphatic hydrocarbon group is preferable, and an alkyl group is more preferable. Examples of the substituent include halogen groups such as fluorine, chlorine bromine and iodine; hydroxyl groups; cyano groups.

カルボン酸のより具体的な例としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、オレイン酸、安息香酸、乳酸、トリフルオロ酢酸、ヘプタフルオロ酪酸が挙げられる。中でも、酢酸、トリフルオロ酢酸が好ましい。   More specific examples of the carboxylic acid include formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, oleic acid, benzoic acid, lactic acid, trifluoroacetic acid, and heptafluorobutyric acid. Of these, acetic acid and trifluoroacetic acid are preferable.

スルホン酸イオンは、式2で表されるアニオンである。
ここで、式2中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。置換基及び炭化水素基としては、カルボン酸イオンの置換基及び炭化水素基として挙げたものが挙げられる。スルホン酸の具体例としては、メチルスルホン酸、エタンスルホン酸などのアルキルスルホン酸;トリフルオロメタンスルホン酸、ノナフルオロブタンスルホン酸などのパーフルオロアルキルスルホン酸;ラウリル硫酸、ポリオキシエチレンアルキル硫酸などのアルキル硫酸が挙げられる。中でもメチルスルホン酸が好ましい。
The sulfonate ion is an anion represented by Formula 2.
Here, R 2 in Formula 2 is a hydrogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group. Examples of the substituent and the hydrocarbon group include those mentioned as the substituent and the hydrocarbon group of the carboxylate ion. Specific examples of the sulfonic acid include alkyl sulfonic acids such as methyl sulfonic acid and ethane sulfonic acid; perfluoroalkyl sulfonic acids such as trifluoromethane sulfonic acid and nonafluorobutane sulfonic acid; alkyl such as lauryl sulfuric acid and polyoxyethylene alkyl sulfuric acid. A sulfuric acid is mentioned. Of these, methylsulfonic acid is preferred.

リン酸エステルイオン及びリン酸イオンは、式3で表されるアニオンである。
ここで、式3中RとRは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。置換基及び炭化水素基としては、カルボン酸イオンの置換基及び炭化水素基として挙げたものが挙げられる。式3で表されるアニオンは、RとRが水素原子である場合がリン酸イオンであり、一方が水素原子で他方が炭化水素基である場合がリン酸モノエステルイオンであり、両方が炭化水素基である場合がリン酸ジエステルイオンである。リン酸エステルの具体例としては、ブチルホスフェート、フェニルホスフェートなどのリン酸エステル、ジブチルホスフェート、ビス(2−エチルヘキシル)ホスフェートなどのリン酸ジエステルが挙げられる。
Phosphate ion and phosphate ion are anions represented by Formula 3.
Here, in Formula 3, R 3 and R 4 are a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may be unsubstituted or substituted. Examples of the substituent and the hydrocarbon group include those mentioned as the substituent and the hydrocarbon group of the carboxylate ion. The anion represented by Formula 3 is a phosphate ion when R 3 and R 4 are hydrogen atoms, and a phosphate monoester ion when one is a hydrogen atom and the other is a hydrocarbon group, The case where is a hydrocarbon group is a phosphate diester ion. Specific examples of the phosphate ester include phosphate esters such as butyl phosphate and phenyl phosphate, and phosphate diesters such as dibutyl phosphate and bis (2-ethylhexyl) phosphate.

ホスホン酸エステルイオン及びホスホン酸イオンは、式4で表されるアニオンである。
ここで、式4中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。置換基及び炭化水素基としては、カルボン酸イオンの置換基及び炭化水素基として挙げたものが挙げられる。式4で表されるアニオンは、Rが水素原子である場合がホスホン酸イオンであり、Rが炭化水素基である場合がホスホン酸エステルイオンである。炭化水素基の中でも、脂肪族炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましく、炭素数2以下のアルキル基が特に好ましく、メチル基が最も好ましい。ホスホン酸エステルの具体例としては、メチルホスファイト((MeO)HPOO)が挙げられる。
The phosphonate ester ion and the phosphonate ion are anions represented by Formula 4.
Here, R 5 in Formula 4 is a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may be unsubstituted or substituted. Examples of the substituent and the hydrocarbon group include those mentioned as the substituent and the hydrocarbon group of the carboxylate ion. The anion represented by Formula 4 is a phosphonate ion when R 5 is a hydrogen atom, and a phosphonate ion when R 5 is a hydrocarbon group. Among the hydrocarbon groups, an aliphatic hydrocarbon group is preferable, an alkyl group is more preferable, an alkyl group having 2 or less carbon atoms is particularly preferable, and a methyl group is most preferable. Specific examples of the phosphonic acid ester include methyl phosphite ((MeO) HPOO ).

本発明に係るイオン液体を構成するカチオンは、特に限定されないが、例えばイミダゾリウム類、ピロリジニウム類、ピペリジニウム類、ピリジニウム類、モルホリニウム類、アンモニウム類、ホスホニウム類、スルホニウム類が挙げられる。中でも、イミダゾリウム類が好ましい。   The cation constituting the ionic liquid according to the present invention is not particularly limited, and examples thereof include imidazoliums, pyrrolidiniums, piperidiniums, pyridiniums, morpholiniums, ammoniums, phosphoniums, and sulfoniums. Of these, imidazoliums are preferable.

イミダゾリウム類は、イミダゾール(1,3−diaza−2,4−cyclopentadiene)の水素原子が炭化水素基に置換されている化合物のカチオンであり、例えば、式5で表される。   The imidazolium is a cation of a compound in which a hydrogen atom of imidazole (1,3-diaza-2,4-cyclopentadiene) is substituted with a hydrocarbon group, and is represented by, for example, Formula 5.

ここで、式5中、R、R、R、R及びR10は、水素原子又は無置換若しくは置換基を有する炭化水素基である。 Here, in Formula 5, R 6 , R 7 , R 8 , R 9 and R 10 are a hydrogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.

イミダゾリウム類の炭化水素基は、特に限定されないが、カルボン酸イオンの置換基及び炭化水素基として挙げたものが挙げられる。炭化水素基は、1つであっても2以上であってもよいが、1,3位の2つの窒素原子に炭化水素基を有していると好ましい。また、炭化水素基は、2以上の炭化水素基を有するときは、同一であっても異なっていてもよい。   The hydrocarbon group of the imidazoliums is not particularly limited, and examples thereof include those listed as the substituent of the carboxylate ion and the hydrocarbon group. There may be one hydrocarbon group or two or more hydrocarbon groups, but it is preferable to have a hydrocarbon group at two nitrogen atoms at the 1- and 3-positions. Moreover, when a hydrocarbon group has two or more hydrocarbon groups, they may be the same or different.

イミダゾリウム類としては、1−メチルイミダゾリウム、1−エチルイミダゾリウム、1−プロピルイミダゾリウム、1−ブチルイミダゾリウムなどの1つの飽和又は不飽和の炭化水素基で置換された非対称型のイミダゾリウム;1,3−ジメチルイミダゾリウム、1,3−ジエチルイミダゾリウム、1,3−ジプロピルイミダゾリウム、1,3−ジブチルイミダゾリウムなどの2つの飽和又は不飽和の炭化水素基で置換された対称型のイミダゾリウム;1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−エチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−プロピルイミダゾリウムなどの2つの飽和又は不飽和の炭化水素基で置換された非対称型のイミダゾリウム;2つ以上の飽和又は不飽和の炭化水素基で置換されたイミダゾリウムなどが挙げられる。中でも、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム([emim])が好ましい。 Examples of imidazoliums include asymmetric imidazoliums substituted with one saturated or unsaturated hydrocarbon group such as 1-methylimidazolium, 1-ethylimidazolium, 1-propylimidazolium, 1-butylimidazolium and the like. Symmetrically substituted with two saturated or unsaturated hydrocarbon groups such as 1,3-dimethylimidazolium, 1,3-diethylimidazolium, 1,3-dipropylimidazolium, 1,3-dibutylimidazolium; Types of imidazolium; 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-3-propylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-propylimidazolium, 1-butyl-3 -Two saturated or unsaturated carbonizations such as ethyl imidazolium, 1-butyl-3-propyl imidazolium, etc. And asymmetric imidazolium substituted with a hydrogen group; imidazolium substituted with two or more saturated or unsaturated hydrocarbon groups, and the like. Among these, 1-ethyl-3-methylimidazolium ([emim] + ) is preferable.

本発明に係るイオン液体において、前述のカチオンとアニオンの組合せは、塩がイオン液体になるものであれば特に限定されないが、より具体的には、イオン液体として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム アセテート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリフルオロアセテート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ベンゾエート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム メチルスルホネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム メチルサルフェート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ハイドロジェンサルフェート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム メチルホスファイトは、吸収液としてトリエチレングリコールを用いた場合に比べて除湿量が2倍以上となり、好ましい。   In the ionic liquid according to the present invention, the combination of the cation and the anion is not particularly limited as long as the salt becomes an ionic liquid, but more specifically, as the ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazo Lithium acetate, 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoroacetate, 1-ethyl-3-methylimidazolium benzoate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methylsulfonate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methyl sulfate , 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methyl phosphite is preferable because the dehumidifying amount is twice or more as compared with the case where triethylene glycol is used as an absorbing solution. .

本発明に係るイオン液体は、公知の方法により製造することができ、原料に応じて最適な条件を採用することができる。   The ionic liquid which concerns on this invention can be manufactured by a well-known method, and can employ | adopt optimal conditions according to a raw material.

(吸収液)
本発明に係る吸収液は、前述のイオン液体を含有する。本発明に係る吸収液は、単独又は複数の種類のイオン液体を用いることができ、本発明の効果を損ねない範囲でイオン液体以外の成分を含有させることもできる。
(Absorbing liquid)
The absorbing liquid according to the present invention contains the ionic liquid described above. The absorption liquid according to the present invention can use a single type or a plurality of types of ionic liquids, and can contain components other than the ionic liquid within a range not impairing the effects of the present invention.

水電解ガスと吸収液の接触方法は、水電解ガス中の水蒸気が吸収液に吸収される限り特に限定されない。例えば、水電解ガスに吸収液をスプレーする方法、塔の壁面に上方から吸収液を流下させ、水電解ガスを流通させる方法、充填物を充填した充填塔の上方から吸収液を流下させ、水電解ガスを流通させる方法、吸収液中に水電解ガスをバブリングさせる方法が挙げられる。   The contact method between the water electrolysis gas and the absorption liquid is not particularly limited as long as the water vapor in the water electrolysis gas is absorbed by the absorption liquid. For example, a method of spraying the absorbing liquid onto the water electrolysis gas, a method of allowing the absorbing liquid to flow down on the wall of the tower from above, and a flow of the water electrolysis gas, allowing the absorbing liquid to flow down from above the packed tower filled with packing, Examples thereof include a method of circulating an electrolytic gas and a method of bubbling a water electrolytic gas in an absorbing solution.

(分離工程)
本発明に係る分離工程は、前記吸収工程で湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離する。本明細書では、水蒸気を吸収した富吸収液を、吸収前の吸収液と区別するために「富吸収液」と呼ぶことがある。吸収液に含まれるイオン液体は、水蒸気を吸収し、かつ蒸気圧が低いので、気液分離して、富吸収液を除くだけで乾燥水電解ガスが得られる。
(Separation process)
The separation step according to the present invention gas-liquid separates the dry water electrolysis gas whose humidity has been reduced in the absorption step and the rich absorbent that has absorbed water vapor. In this specification, the rich absorbent that has absorbed water vapor may be referred to as a “rich absorbent” to distinguish it from the absorbent before absorption. Since the ionic liquid contained in the absorption liquid absorbs water vapor and has a low vapor pressure, dry water electrolysis gas can be obtained simply by gas-liquid separation and removing the rich absorption liquid.

本発明に係る分離工程は、前記吸収工程で湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離できる方法であれば特に限定されないが、吸収工程と同時に行うことが好ましい。例えば、吸収工程で、水電解ガスに吸収液をスプレーする方法を用いた場合には、管の一方から他方に水電解ガスを流通させ、その水電解ガスに吸収液をスプレーし、水蒸気を吸収した富吸収液を下方から抜き出す方法が挙げられる。水電解ガス中の水蒸気は吸収液に吸収されて抜き出され、管の他方から乾燥水電解ガスが排出される。   The separation step according to the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of gas-liquid separation of the dry water electrolysis gas whose humidity has been reduced in the absorption step and the rich absorption liquid that has absorbed water vapor, but may be performed simultaneously with the absorption step. preferable. For example, in the absorption process, when a method of spraying an absorption liquid onto the water electrolysis gas is used, the water electrolysis gas is circulated from one side of the tube to the other, and the water electrolysis gas is sprayed onto the water electrolysis gas to absorb water vapor. And a method of extracting the rich absorbent from the lower side. Water vapor in the water electrolysis gas is absorbed and extracted by the absorbing liquid, and the dry water electrolysis gas is discharged from the other side of the tube.

また、吸収工程として、塔の壁面に上方から吸収液を流下させ、水電解ガスを流通させる方法や、充填物を充填した充填塔の上方から吸収液を流下させ、水電解ガスを流通させる方法を用いた場合には、下方から水電解ガスを吹き込み、上方から、乾燥水電解ガスを抜き出し、下方から水蒸気を吸収した富吸収液を抜き出すことができる。   In addition, as the absorption step, a method of flowing the absorption liquid from the top to the wall surface of the tower and circulating the water electrolysis gas, or a method of flowing the absorption liquid from the top of the packed tower filled with the packing and circulating the water electrolysis gas When water is used, water electrolysis gas can be blown from below, dry water electrolysis gas can be extracted from above, and rich absorption liquid that has absorbed water vapor can be extracted from below.

前記の水電解ガス生成工程は、温度が高いとエネルギー効率が高い。一方、吸収工程の吸収液に用いるイオン液体は、温度が低いほど、水の吸収量が多い。従って、高湿水電解ガスを吸収工程前に冷却すると好ましい。そのため、吸収工程前の水電解ガスと富吸収液とで熱交換を行う熱交換工程を行うと、エネルギー効率の点で好ましい。   The water electrolysis gas generation step has high energy efficiency when the temperature is high. On the other hand, the ionic liquid used for the absorption liquid in the absorption process has a larger amount of water absorption as the temperature is lower. Therefore, it is preferable to cool the high-humidity electrolytic gas before the absorption step. Therefore, it is preferable in terms of energy efficiency to perform a heat exchange step in which heat exchange is performed between the water electrolysis gas and the rich absorbent before the absorption step.

(再生工程)
本発明の乾燥水電解ガスの製造方法は、前述の分離工程で得られた富吸収液を再生させる再生工程を含むことができる。
(Regeneration process)
The method for producing a dry water electrolysis gas of the present invention can include a regeneration step of regenerating the rich absorbent obtained in the above-described separation step.

富吸収液を吸収液に再生させる方法は特に限定されない。本発明の吸収液に用いるイオン液体の水の吸収量は、温度が高いほど低下する傾向にある。従って、水電解ガスと吸収液を接触させた温度よりも富吸収液を高温にすることで、水蒸気を放出させ、吸収液を再生させることができる。また、イオン液体の低蒸気圧と水の蒸気圧の差や、イオン液体の水の吸収性が水蒸気分圧が低いほど低下することを利用して、富吸収液を減圧することによって物理的に水蒸気を放出させる方法や、加熱と減圧を同時に行う方法などが挙げられる。加熱と減圧の併用が好ましい。放出された水蒸気は、水電解の原料として再利用することもできる。   The method for regenerating the rich absorbent into the absorbent is not particularly limited. The amount of water absorbed in the ionic liquid used in the absorbent of the present invention tends to decrease as the temperature increases. Therefore, by making the rich absorbent liquid at a temperature higher than the temperature at which the water electrolysis gas and the absorbent liquid are brought into contact with each other, it is possible to release water vapor and regenerate the absorbent liquid. In addition, by utilizing the difference between the low vapor pressure of ionic liquid and the vapor pressure of water and the fact that the water absorbability of ionic liquid decreases as the water vapor partial pressure decreases, the rich absorbent liquid is physically reduced by reducing the pressure. Examples include a method of releasing water vapor and a method of simultaneously performing heating and decompression. A combination of heating and reduced pressure is preferred. The released water vapor can be reused as a raw material for water electrolysis.

再生工程で、富吸収液を加熱する場合、富吸収液の加熱は、吸収工程前の水電解ガスとの熱交換で行うと、エネルギー効率の点で好ましい。   When heating the rich absorbent in the regeneration step, it is preferable in terms of energy efficiency that the rich absorbent is heated by heat exchange with the water electrolysis gas before the absorbent step.

一方、再生工程で再生した吸収液を、吸収工程に用いる際は、水の吸収量を上げるために温度を下げることが好ましい。再生した吸収液の冷却には、再生工程前の富吸収液を用いることができる。すなわち、再生工程で再生した吸収液と、富吸収液とで熱交換を行う第2の熱交換工程を行うと、エネルギー効率の点で好ましい。   On the other hand, when the absorbent regenerated in the regeneration step is used in the absorption step, it is preferable to lower the temperature in order to increase the amount of water absorbed. For cooling the regenerated absorbent, the rich absorbent before the regeneration process can be used. That is, it is preferable in terms of energy efficiency to perform the second heat exchange step in which heat is exchanged between the absorbent regenerated in the regeneration step and the rich absorbent.

前述のイオン液体を含有する吸収液を用いた吸収工程は、水蒸気量の非常に高い水電解ガスを中程度の湿度まで低下させることを、連続的に、かつ低コストで行うこともできる。従って、その後の分離工程で得られた、水分量を減らした乾燥水電解ガスを、塩化カルシウムやゼオライトなどの固体乾燥剤などで水分を更に低下させる場合にも、固体乾燥剤の使用量を減らす事や使用期間を延ばす事ができる。   The absorption process using the absorption liquid containing the ionic liquid described above can continuously reduce the water electrolysis gas having a very high water vapor amount to a moderate humidity at a low cost. Therefore, the amount of solid desiccant used is reduced even when the water content of the dried water electrolysis gas obtained in the subsequent separation step is further reduced with a solid desiccant such as calcium chloride or zeolite. Can extend the period of use.

(乾燥水電解ガスの製造装置)
本発明の乾燥水電解ガスの製造装置は、水を電解して水電解ガスを得る水電解ガス生成手段と、その水電解ガス生成手段で得られた、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスと、イオン液体を含有する吸収液とを接触させて、水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させる吸収手段と、その吸収手段によって湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離する分離手段と、を備える。以下、図1を用いて説明する。
(Dry water electrolysis gas production equipment)
The apparatus for producing a dry water electrolysis gas of the present invention includes a water electrolysis gas generating means for electrolyzing water to obtain a water electrolysis gas, and a water electrolysis containing water vapor derived from the raw water obtained by the water electrolysis gas generation means. An absorbing means for bringing the gas into contact with an absorbing liquid containing an ionic liquid to selectively absorb water vapor into the absorbing liquid, a dry water electrolytic gas whose humidity has been reduced by the absorbing means, and an abundance that has absorbed water vapor. Separating means for gas-liquid separation of the absorption liquid. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

図1は、本発明の乾燥水電解ガスの製造方法に用いる装置の一態様である。
電解槽1(水電解ガス生成手段)は、陽極2と陰極3を備える。電解槽1には、水酸化ナトリウム水溶液などの電解液4が入っている。図には示されていないが、電解層は、陽極側と陰極側に分かれる様に膜が設けられている。電解槽1には、必要によりヒーターやチラーなど温度調節装置5を備えることができる。電解槽1には、原料の水6が供給される。電解槽1で、水6を電気分解する。陰極側からは水素と水蒸気の混合ガスが得られ、陽極2側からは酸素と水蒸気の混合ガスが得られる。図1では、これらの混合ガスの一方を水電解ガス7として示してある。必要により熱交換器8で水電解ガス7の温度を下げる。
FIG. 1 shows an embodiment of an apparatus used in the method for producing dry water electrolysis gas of the present invention.
The electrolytic cell 1 (water electrolysis gas generating means) includes an anode 2 and a cathode 3. The electrolytic cell 1 contains an electrolytic solution 4 such as an aqueous sodium hydroxide solution. Although not shown in the figure, the electrolytic layer is provided with a film so as to be divided into an anode side and a cathode side. The electrolytic cell 1 may be provided with a temperature control device 5 such as a heater or a chiller as necessary. Raw water 6 is supplied to the electrolytic cell 1. In the electrolytic cell 1, the water 6 is electrolyzed. A mixed gas of hydrogen and water vapor is obtained from the cathode side, and a mixed gas of oxygen and water vapor is obtained from the anode 2 side. In FIG. 1, one of these mixed gases is shown as the water electrolysis gas 7. If necessary, the temperature of the water electrolysis gas 7 is lowered by the heat exchanger 8.

水電解ガス7は、吸収塔9(吸収手段・分離手段)で吸収液10と接触させる。吸収液は、水蒸気を選択的に吸収して、富吸収液11になる。水電解ガス7は、乾燥水電解ガス12になる。   The water electrolysis gas 7 is brought into contact with the absorbing liquid 10 in the absorption tower 9 (absorption means / separation means). The absorption liquid selectively absorbs water vapor and becomes the rich absorption liquid 11. The water electrolysis gas 7 becomes the dry water electrolysis gas 12.

必要により、熱交換器8と熱交換器13で富吸収液11の温度を上げる。富吸収液11は再生器14で水分を除去し、再生されて、吸収液10になる。再生器14(再生手段)は、ヒータ15と減圧ポンプ16を備え、富吸収液11を加熱、減圧して水分を除去する。再生された吸収液10は、送液ポンプ17によって、必要により熱交換器13と予冷器18で冷却したのち、吸収塔9に戻される。   If necessary, the temperature of the rich absorbent 11 is raised by the heat exchanger 8 and the heat exchanger 13. The rich absorbent 11 is regenerated by removing moisture with the regenerator 14 and becomes the absorbent 10. The regenerator 14 (regeneration means) includes a heater 15 and a decompression pump 16, and heats and depressurizes the rich absorbent 11 to remove moisture. The regenerated absorbent 10 is cooled by the liquid feed pump 17 by the heat exchanger 13 and the precooler 18 as necessary, and then returned to the absorption tower 9.

(実施例)
以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。圧力は、特に断りのない限り絶対圧である。
(Example)
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited to these Examples. The pressure is an absolute pressure unless otherwise specified.

(水蒸気吸収量の測定)
塩化カルシウム及び吸収液として各種のイオン液体を用いて、その水蒸気吸収量を測定した。測定は、高温恒湿器内に所定の質量の吸収液(ただし、塩化カルシウムは無水の固体)を設置し、所定の温度で所定の湿度の空気を接触させ、所定の時間間隔で吸収量の質量変化を測定した。吸収液の質量変化が無くなった時点を飽和状態とみなし、水蒸気吸収量wH2O(g/g−イオン液体)と水蒸気モル分率xH2Oを求めた。
(Measurement of water vapor absorption)
The amount of water vapor absorbed was measured using calcium chloride and various ionic liquids as the absorbing solution. The measurement is performed by placing an absorption liquid of a predetermined mass in a high-temperature humidity chamber (but calcium chloride is an anhydrous solid), contacting air of a predetermined humidity at a predetermined temperature, and measuring the absorption amount at a predetermined time interval. Mass change was measured. The time when the mass change of the absorbing liquid disappeared was regarded as a saturated state, and the water vapor absorption amount w H2O (g / g-ionic liquid) and the water vapor mole fraction x H2O were determined.

温度及び相対湿度の条件は、約25℃(相対湿度約50%、約70%、約90%)及び約80℃(相対湿度約30%、約50%、約70%、90%)で行った。結果を表1及び2に示す。また、塩化カルシウム及び各吸収液の水蒸気吸収量の相対湿度に対する依存性を、図2(25℃)及び図3(80℃)に示す。   Temperature and relative humidity conditions are about 25 ° C. (relative humidity about 50%, about 70%, about 90%) and about 80 ° C. (relative humidity about 30%, about 50%, about 70%, 90%). It was. The results are shown in Tables 1 and 2. Moreover, the dependence with respect to relative humidity of the water vapor absorption amount of calcium chloride and each absorption liquid is shown in FIG. 2 (25 degreeC) and FIG. 3 (80 degreeC).

表1・2中のイオン液体を構成するアニオン及びカチオンの略称は以下の通りである。[emim]は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムの略称である。[AcO]は酢酸アニオン(アセテート;CHC(=O)O)の、[TFA]はトリフルオロ酢酸アニオン(トリフルオロアセテート;CFC(=O)O)の、[BZA]は安息香酸アニオン(ベンゾエート;PhC(=O)O)の、[MeSOはメチルスルホネート(MeS(=O))の、[MeSOはメチルスルフェイト(MeOS(=O)の、[HSOは硫酸水素アニオン((HO)S(=O))の、[MeHPOはメチルホスファイト((MeO)HP(=O)O)の、[TCB]はテトラシアノボレート(B(CN) )の略称である。 Abbreviations of anions and cations constituting the ionic liquids in Tables 1 and 2 are as follows. [Emim] + is an abbreviation for 1-ethyl-3-methylimidazolium. [AcO] is an acetate anion (acetate; CH 3 C (═O) O ), [TFA] is a trifluoroacetate anion (trifluoroacetate; CF 3 C (═O) O ), [BZA ] - benzoic acid anion (benzoate; PhC (= O) O - ) of, [MeSO 3] - methyl sulfonate (MeS (= O) 2 O -) of, [MeSO 4] - methylsulfinyl Fate (Meos [= O) 2 O , [HSO 4 ] is a hydrogen sulfate anion ((HO) S (═O) 2 O ), [MeHPO 3 ] is methyl phosphite ((MeO) HP (═O ) O -) of, [TCB] - is tetracyanoborate (B (CN) 4 - is an abbreviation of).

上記の各種吸収液の水蒸気吸収量の測定結果に基づいて、水電解ガス1m/hの乾燥に必要な吸収液の量を計算した。計算の条件は、水電解ガス生成工程で得られる、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスを、大気圧・25℃・90RH%(水蒸気圧2.84kPa)とし、再生工程の温度を80℃、富吸収液を再生した吸収液の水蒸気圧を、0RH%(水蒸気圧0kPa)、30RH%(水蒸気圧142.3kPa)、50RH%(水蒸気圧237.08kPa)、70RH%(水蒸気圧33.564kPa)、又は90RH%(水蒸気圧424.54kPa)とした。また、水電解ガス(吸収塔入口・大気圧)の水電解ガスと水分の分圧を、水電解ガス(HまたはO);98.40kPa(80.04kg/m)・HO;2.84kPa(20.60kg/m)とし、吸収効率及び再生効率を100%(即ち、吸収工程で、水電解ガス中の水蒸気が全てイオン液体に移動し、回収工程で、イオン液体中の余剰な水が全て蒸発する)と仮定した。 Based on the measurement results of the water vapor absorption amount of the various absorption liquids described above, the amount of the absorption liquid necessary for drying the water electrolysis gas 1 m 3 / h was calculated. The calculation condition is that the water electrolysis gas containing water vapor derived from the raw water obtained in the water electrolysis gas generation step is atmospheric pressure, 25 ° C., 90 RH% (water vapor pressure 2.84 kPa), and the temperature of the regeneration step is 80. The water vapor pressure of the absorbent regenerated at 0 ° C. is 0 RH% (water vapor pressure 0 kPa), 30 RH% (water vapor pressure 142.3 kPa), 50 RH% (water vapor pressure 237.08 kPa), 70 RH% (water vapor pressure 33.3%). 564 kPa) or 90 RH% (water vapor pressure 424.54 kPa). Moreover, the water electrolysis gas (H 2 or O 2 ) of water electrolysis gas (absorption tower inlet / atmospheric pressure) and water partial pressure are set to 98.40 kPa (80.04 kg / m 3 ) · H 2 O. 2.84 kPa (20.60 kg / m 3 ), and the absorption efficiency and the regeneration efficiency are 100% (that is, all the water vapor in the water electrolysis gas is transferred to the ionic liquid in the absorption process, and the recovery process is performed in the ionic liquid); All excess water will evaporate).

比較として、塩化カルシウムと、トリエチレングリコール(TEG)についても計算した。TEGの水蒸気吸収量は、ダウケミカル社、2007年発行の「Triethylene Glycol」に記載のデータから推算した。ここで、25℃・100RH%における吸収液の水蒸気吸収量を外挿することも考えられるが誤差が大き過ぎる恐れがあるので、90RH%に設定している。また、試算では空気中における水蒸気圧の吸収結果を使用しているが、イオン液体の水蒸気吸収量は、空気中と水素や酸素中の場合でほぼ差がないと考えられる。   For comparison, calculations were also made for calcium chloride and triethylene glycol (TEG). The amount of water vapor absorbed by TEG was estimated from the data described in “Triethylene Glycol” issued by Dow Chemical Company, 2007. Here, it is conceivable to extrapolate the water vapor absorption amount of the absorbing liquid at 25 ° C. and 100 RH%, but since the error may be too large, it is set to 90 RH%. Moreover, although the absorption result of the water vapor pressure in the air is used in the trial calculation, the water vapor absorption amount of the ionic liquid is considered to be almost the same in the case of air and hydrogen or oxygen.

再生工程における相対湿度を90RH%とした、必要なイオン液体の量の計算結果を表3に示す。また、相対湿度を70RH%とした場合を表4に、50RH%とした場合を表5に、30RH%とした場合を表6に、0RH%とした場合を表7に示す。表3・4において、回収量が負の値となっている場合は、25℃、90RH%より80℃、90RH%の方が水蒸気の吸収量が大きいことを意味する。また、それぞれの表に、トリエチレングリコールとの差を示した。この数値が大きいほど、必要な吸収液の量が少ないことを意味する。   Table 3 shows the calculation results of the amount of necessary ionic liquid when the relative humidity in the regeneration process is 90 RH%. Table 4 shows the case where the relative humidity is 70 RH%, Table 5 shows the case where the relative humidity is 50 RH%, Table 6 shows the case where the relative humidity is 30 RH%, and Table 7 shows the case where the relative humidity is 0 RH%. In Tables 3 and 4, when the recovered amount is a negative value, it means that the absorbed amount of water vapor is larger at 80 ° C. and 90 RH% than at 25 ° C. and 90 RH%. Each table shows the difference from triethylene glycol. The larger this value, the smaller the amount of absorption liquid required.

以下、除湿に必要なエネルギー量を計算する。   Hereinafter, the amount of energy required for dehumidification is calculated.

(比較例1:冷却による除湿)
水電解ガス1m/hを、従来法の、大気圧・露点−20℃まで冷却して除湿する場合に必要なエネルギー量を計算する。水電解ガスは、大気圧・25℃・90RH%とする。この水電解ガスの条件は、水電解ガス生成工程をアルカリ水電解で行った場合に対応する。
(Comparative Example 1: Dehumidification by cooling)
The amount of energy required to dehumidify the water electrolysis gas 1 m 3 / h by cooling to atmospheric pressure / dew point −20 ° C. according to the conventional method is calculated. Water electrolysis gas shall be atmospheric pressure, 25 degreeC, and 90RH%. This water electrolysis gas condition corresponds to the case where the water electrolysis gas generation step is performed by alkaline water electrolysis.

(1)除去すべき水の質量を計算する。
大気圧・25℃・90RH%の水電解ガスを、大気圧・−20℃まで冷却して除湿する場合、25℃・90RH%(pH2O=28.5kPa)の水電解ガスの含水量は1mあたり20.60gであり、−20℃・100RH%(pH2O=0.125kPa)の乾燥水電解ガスの含水量は1mあたり1.07gであるので、除去すべき水の質量は19.53gである。
(1) Calculate the mass of water to be removed.
When the water electrolysis gas at atmospheric pressure / 25 ° C./90 RH% is dehumidified by cooling to atmospheric pressure / −20 ° C., the water content of the water electrolysis gas at 25 ° C./90 RH% (pH 2 O = 28.5 kPa) is 1 m. Since the water content of the dry water electrolysis gas at −20 ° C. and 100 RH% (pH 2 O = 0.125 kPa) is 1.07 g per 1 m 3 , the mass of water to be removed is 19.60 g per 3 . 53 g.

(2)次に、ガス冷却に必要なエネルギーを計算する。
−20℃・pH2O=0.125kPaの水電解ガスの密度は20.79L/molであり、エンタルピーは6.684kJ/molである。
25℃・pH2O=0.125kPaの水電解ガスの密度は24.49L/molであり、エンタルピーは7.973kJ/molである。
従って、水電解ガスを1m/h処理するので、ガス冷却に必要なエネルギーは、
7.973kJmol−1×(1000Lh−1/24.49Lmol−1
−6.684kJmol−1×(1000Lh−1/20.79Lmol−1
=4.061kJ/hである。
(2) Next, the energy required for gas cooling is calculated.
The density of the water electrolysis gas at −20 ° C. · pH 2 O = 0.125 kPa is 20.79 L / mol, and the enthalpy is 6.684 kJ / mol.
The density of the water electrolysis gas of 25 ° C. · p H2O = 0.125 kPa is 24.49 L / mol, and the enthalpy is 7.973 kJ / mol.
Therefore, since the water electrolysis gas is treated at 1 m 3 / h, the energy required for gas cooling is
7.973 kJmol −1 × (1000 Lh −1 /24.49 Lmol −1 )
−6.684 kJmol −1 × (1000 Lh −1 /20.79 Lmol −1 )
= 4.061 kJ / h.

(3)次に、水蒸気を液化乃至固化して、分離するために必要なエネルギーを、3つのケースで計算する。なお、計算において、水の物理定数は、以下の値を用いた。
水の比熱(kJ/kg・K) :4.186
氷の比熱(kJ/kg・K) :2.1
水蒸気の凝縮熱(kJ/mol) :40.8
水の凝固熱(kJ/mol) :6.03335
水蒸気の比熱(kJ/kg・K) :2
(3) Next, the energy required to liquefy or solidify and separate the water vapor is calculated in three cases. In the calculation, the following values were used for the physical constants of water.
Specific heat of water (kJ / kg · K): 4.186
Specific heat of ice (kJ / kg · K): 2.1
Condensation heat of water vapor (kJ / mol): 40.8
Heat of solidification of water (kJ / mol): 6.003335
Specific heat of water vapor (kJ / kg · K): 2

(a)ケース1
1時間で、25℃で全て水蒸気を凝縮し、水を0℃まで冷却し、0℃で凝固し、氷を−20℃まで冷却する場合;
水分の分離に必要なエネルギーは、
{40.8kJ・mol−1×(19.53g/18.01g・mol−1)+4.186kJ・kg−1・K−1×(0.01953kg)×(298K−273K)+6.03kJmol−1×(19.53g/18.01g・mol−1)+2.1kJ・kg−1・K−1×(0.01953kg)×(273K−253K)}/1h
=53.65kJ/hである。
(A) Case 1
When all water vapor is condensed at 25 ° C in 1 hour, water is cooled to 0 ° C, solidified at 0 ° C, and ice is cooled to -20 ° C;
The energy required for water separation is
{40.8 kJ · mol −1 × (19.53 g / 18.01 g · mol −1 ) +4.186 kJ · kg −1 · K −1 × (0.01953 kg) × (298 K-273 K) +6.03 kJ mol −1 × (19.53 g / 18.01 g · mol −1 ) +2.1 kJ · kg −1 · K −1 × (0.01953 kg) × (273K-253K)} / 1h
= 53.65 kJ / h.

(b)ケース2
1時間で、水蒸気を25℃から0℃まで冷却し、0℃で凝縮・凝固し、氷を−20℃まで冷却する場合;
水分の分離に必要なエネルギーは、
{2.0kJ・kg−1・K−1×(0.01953kg)×(298K−273K)+40.8kJ・mol−1×(19.53g/18.01g・mol−1)+6.03kJ・mol−1×(19.53g/18.01g・mol−1)+2.1kJ・kg−1・K−1×(0.01953kg)×(273K−253K)}/1h
=52.58kJ/hである。
(B) Case 2
In one hour, when steam is cooled from 25 ° C to 0 ° C, condensed and solidified at 0 ° C, and ice is cooled to -20 ° C;
The energy required for water separation is
{2.0 kJ · kg −1 · K −1 × (0.01953 kg) × (298K-273K) +40.8 kJ · mol −1 × (19.53 g / 18.01 g · mol −1 ) +6.03 kJ · mol −1 × (19.53 g / 18.01 g · mol −1 ) +2.1 kJ · kg −1 · K −1 × (0.01953 kg) × (273K-253K)} / 1h
= 52.58 kJ / h.

(c)ケース3
1時間で、水蒸気を25℃から−20℃まで冷却し、−20℃で全て凝縮させ凝固させる場合;
水分の分離に必要なエネルギーは、
{2.0kJ・kg−1・K−1×(0.01953kg)×(298K−253K)+40.8kJ・mol−1×(19.53g/18.01g・mol−1)+6.03kJ・mol−1×(19.53g/18.01g・mol−1)}/1h
=52.54kJ/hである。
(C) Case 3
In one hour, when water vapor is cooled from 25 ° C. to −20 ° C. and all condensed at −20 ° C. to solidify;
The energy required for water separation is
{2.0 kJ · kg −1 · K −1 × (0.01953 kg) × (298K-253K) +40.8 kJ · mol −1 × (19.53 g / 18.01 g · mol −1 ) +6.03 kJ · mol −1 × (19.53 g / 18.01 g · mol −1 )} / 1 h
= 52.54 kJ / h.

(4)従って、最もエネルギーの小さいケース3の試算でも、除湿に必要なエネルギー量は、
4.061kJ/h+52.54kJ/h
=56.60kJ/hである。
(4) Therefore, even in the trial calculation of Case 3 with the lowest energy, the amount of energy required for dehumidification is
4.01 kJ / h + 52.54 kJ / h
= 56.60 kJ / h.

(実施例1:吸収液(イオン液体;[emim][AcO])による除湿)
比較例1と同等の除湿を、イオン液体を吸収液として用いて行った場合のエネルギー量を計算する。すなわち、大気圧・25℃・90RH%(pH2O=28.5kPa)の水電解ガスを、吸収液(イオン液体)で、大気圧・25℃・0.4RH%(pH2O=0.125kPa・−20℃の飽和蒸気圧)まで除湿する。従って、回収工程において、富吸収液中の水分量をほぼゼロにしなければならないので、再生工程(80℃)において富吸収液中の水を全て回収するとして計算する。吸収液として、イオン液体[emim][AcO]を用いる。
(Example 1: Dehumidification with absorption liquid (ionic liquid; [emim] [AcO]))
The amount of energy when dehumidification equivalent to that of Comparative Example 1 is performed using the ionic liquid as the absorbing liquid is calculated. That is, a water electrolysis gas at atmospheric pressure / 25 ° C./90 RH% (pH 2 O = 28.5 kPa) is used as an absorbing liquid (ionic liquid) at atmospheric pressure / 25 ° C./0.4 RH% (pH 2 O = 0.125 kPa · Dehumidify to -20 ° C saturated vapor pressure). Therefore, in the recovery step, the amount of water in the rich absorbent must be reduced to almost zero. Therefore, it is calculated that all the water in the rich absorbent is recovered in the regeneration step (80 ° C.). As the absorbing liquid, ionic liquid [emim] [AcO] is used.

(1)除去すべき水の質量は、比較計算例と同様に、水電解ガス1mあたり19.53gである。この19.53gの水を吸収するために必要なイオン液体[emim][AcO]は、表1の結果より、
(19.53g/h)/2.471g
=7.903g/hである。
(1) The mass of water to be removed is 19.53 g per m 3 of water electrolysis gas, as in the comparative calculation example. The ionic liquid [emim] [AcO] necessary to absorb this 19.53 g of water is shown in Table 1.
(19.53 g / h) /2.471 g
= 7.903 g / h.

(2)イオン液体水溶液を80℃に加熱し、水を蒸発させるために必要な熱量を求める。物性値は以下の値を用いた。
[emim][AcO]の比熱(kJ/kg・K) :1.95
水の蒸発熱(kJ/mol) :40.8
水の比熱(kJ/kg・K) :4.186
(2) The ionic liquid aqueous solution is heated to 80 ° C., and the amount of heat necessary for evaporating the water is obtained. The following physical properties were used.
Specific heat of [emim] [AcO] (kJ / kg · K): 1.95
Heat of evaporation of water (kJ / mol): 40.8
Specific heat of water (kJ / kg · K): 4.186

(2−1)1時間で、イオン液体[emim][AcO]の水溶液を25℃から80℃への昇温に要する熱量は、
{1.95kJ・kg−1・K−1×(0.007903kg)×(353K−298K)+4.186kJ・kg−1・K−1×(0.01953kg)×(353K−298K)}/1h
=5.34kJ/hである。
(2-1) The amount of heat required to raise the temperature of the aqueous solution of the ionic liquid [emim] [AcO] from 25 ° C. to 80 ° C. in 1 hour is as follows:
{1.95 kJ · kg −1 · K −1 × (0.007903 kg) × (353K-298K) +4.186 kJ · kg −1 · K −1 × (0.01953 kg) × (353K-298K)} / 1h
= 5.34 kJ / h.

(2−2)また、水の蒸発に要する熱量(純水の蒸発熱と同じと仮定)は、
{40.8kJmol−1×(19.53g/18.01gmol−1)}/1h
=44.24kJ/hである。従って、イオン液体水溶液を80℃に加熱し、水を蒸発させるために必要な熱量は、
5.34kJ/h+44.24kJ/h
=49.58kJ/hである。
仮にイオン液体を5倍使用した場合は、
8.73kJ/h+44.24kJ/h
=52.97kJ/hが必要である。
(2-2) The amount of heat required for water evaporation (assuming that it is the same as the heat of evaporation of pure water) is:
{40.8 kJmol −1 × (19.53 g / 18.01 gmol −1 )} / 1h
= 44.24 kJ / h. Therefore, the amount of heat necessary to heat the ionic liquid aqueous solution to 80 ° C. and evaporate the water is
5.34 kJ / h + 44.24 kJ / h
= 49.58 kJ / h.
If the ionic liquid is used 5 times,
8.73 kJ / h + 44.24 kJ / h
= 52.97 kJ / h is required.

(3)イオン液体[emim][AcO]を送液するために要する動力を計算する。
ポンプの軸動力は、以下の式で与えられるとする。
P=ρgQH/η
(ここで、ρは密度(kgm−3)、gは重力加速度(9.80665ms−2)、Qは全揚程(m)、Hは吐出し量(m−1)、ηはポンプ効率(0.8)である。)
物性値は、以下の値を用いた。
質量流量(kg/h) :0.00790274
[emim][AcO]の密度(kg/m)@80℃ :1066.01
体積流量(m/h) :7.41338E−06
全揚程(m) :10
(3) Calculate the power required to send the ionic liquid [emim] [AcO].
It is assumed that the shaft power of the pump is given by the following equation.
P = ρgQH / η
(Where ρ is density (kgm −3 ), g is gravitational acceleration (9.80665 ms −2 ), Q is the total head (m), H is the discharge amount (m 3 s −1 ), and η is the pump efficiency (0.8).)
The following physical properties were used.
Mass flow rate (kg / h): 0.00790274
[Emim] Density of [AcO] (kg / m 3 ) @ 80 ° C .: 1066.01
Volume flow rate (m 3 / h): 7.41338E-06
Total head (m): 10

イオン液体[emim][AcO]を送液するために要する動力は、
1066.01kgm−3×9.80665ms−2×10m×(7.41338E−6m−1)/0.8
=0.9687kgm−2−1
=0.0009687kJ/hである。
仮にイオン液体を5倍使用したとして、0.004844kJ/hが必要である。
The power required to send the ionic liquid [emim] [AcO] is
1066.01 kgm −3 × 9.80665 ms −2 × 10 m × (7.41338E-6m 3 h −1 ) /0.8
= 0.9687 kgm 2 s -2 h -1
= 0.0009687 kJ / h.
If the ionic liquid is used 5 times, 0.004844 kJ / h is required.

(4)以上の再生熱量と送液動力を合計すると、49.58kJ/hである。この値は、比較例1の冷却除湿よりも7.08kJ/h少ない。仮にイオン液体を5倍使用したとしても、52.98kJ/hであり、冷却除湿の場合よりも必要なエネルギーが3.62kJ/h少ない。なお、以上のイオン液体による除湿では熱交換による効率向上を加味していないので、さらに省エネルギー化を図ることが可能である。 (4) The total amount of regeneration heat and liquid feeding power is 49.58 kJ / h. This value is 7.08 kJ / h less than the cooling and dehumidification of Comparative Example 1. Even if the ionic liquid is used 5 times, it is 52.98 kJ / h, and the required energy is 3.62 kJ / h less than in the case of cooling dehumidification. Note that the dehumidification with the above ionic liquid does not take into account the efficiency improvement due to heat exchange, and therefore further energy saving can be achieved.

(比較例2:冷却による除湿)
水電解ガスを、1MPa・25℃・90RH%とし、この水電解ガス1m/hを従来法の、大気圧・露点−20℃まで除湿する場合に必要なエネルギー量を計算する。この条件は、水電解ガス生成工程を固体高分子型水電解で行った場合に対応する。
(Comparative Example 2: Dehumidification by cooling)
The water electrolysis gas is 1 MPa · 25 ° C. · 90 RH%, and the amount of energy required for dehumidifying this water electrolysis gas 1 m 3 / h to atmospheric pressure / dew point −20 ° C. is calculated. This condition corresponds to the case where the water electrolysis gas generation step is performed by solid polymer water electrolysis.

(1)除去すべき水の質量を計算する。
1MPa・25℃・90RH%の水電解ガスを1MPa・−20℃まで冷却して除湿する場合、25℃・90RH%(pH2O=28.5kPa)の水電解ガスの含水量は1mあたり20.60gであり、−20℃・100RH%(pH2O=0.125kPa)の乾燥水電解ガスの含水量は1mあたり1.06gであるので、除去すべき水の質量は水電解ガス1mあたり19.54gである。
(1) Calculate the mass of water to be removed.
When the water electrolysis gas of 1 MPa · 25 ° C./90 RH% is cooled to 1 MPa · −20 ° C. and dehumidified, the water content of the water electrolysis gas of 25 ° C. · 90 RH% (pH 2 O = 28.5 kPa) is 20 per m 3. Since the water content of the dry water electrolysis gas at −20 ° C. and 100 RH% (pH 2 O = 0.125 kPa) is 1.06 g per m 3 , the mass of water to be removed is 1 m 3 of water electrolysis gas. It is 19.54g per unit.

(2)次に、ガス冷却に必要なエネルギーを計算する。
−20℃・pH2O=0.125kPaの含水水素ガスの密度は2.118L/molであり、エンタルピーは6.647kJ/molである。
25℃・pH2O=0.125kPaの含水水素ガスの密度は2.494L/molであり、エンタルピーは7.939kJ/molである。
従って、水電解ガスを1m/h処理するので、ガス冷却に必要なエネルギーは、
7.939kJmol−1×(1000Lh−1/2.494Lmol−1)−6.647kJmol−1×(1000Lh−1/2.118Lmol−1
=44.90kJ/hである。
(2) Next, the energy required for gas cooling is calculated.
The density of the hydrous hydrogen gas at −20 ° C. and pH 2 O = 0.125 kPa is 2.118 L / mol, and the enthalpy is 6.647 kJ / mol.
The density of the hydrous hydrogen gas at 25 ° C. and pH 2 O = 0.125 kPa is 2.494 L / mol, and the enthalpy is 7.939 kJ / mol.
Therefore, since the water electrolysis gas is treated at 1 m 3 / h, the energy required for gas cooling is
7.939 kJmol −1 × (1000 Lh −1 /2.494 Lmol −1 ) −6.647 kJmol −1 × (1000 Lh −1 /2.118 Lmol −1 )
= 44.90 kJ / h.

(3)次に、水蒸気を液化乃至固化して、分離するために必要なエネルギーを、3つのケースで計算する。なお、計算において、水の物理定数は、比較例1と同じ値を用いた。 (3) Next, the energy required to liquefy or solidify and separate the water vapor is calculated in three cases. In the calculation, the same water constant as in Comparative Example 1 was used as the physical constant of water.

a)ケース1
1時間で、25℃で全て水蒸気を凝縮し、水を0℃まで冷却し、0℃で凝固し、氷を−20℃まで冷却する場合;
水分の分離に必要なエネルギーは、
{40.8kJmol−1×(19.54g/18.01gmol−1)+4.186kJkg−1−1×(0.01954kg)×(298K−273K)+6.03kJmol−1×(19.54g/18.01gmol−1)+2.1kJkg−1−1×(0.01954kg)×(273K−253K)}/1h
=53.67kJ/hである。
a) Case 1
When all water vapor is condensed at 25 ° C in 1 hour, water is cooled to 0 ° C, solidified at 0 ° C, and ice is cooled to -20 ° C;
The energy required for water separation is
{40.8 kJmol −1 × (19.54 g / 18.01 gmol −1 ) +4.186 kJkg −1 K −1 × (0.01954 kg) × (298K-273K) +6.03 kJmol −1 × (19.54 g / 18 .01 gmol −1 ) +2.1 kJkg −1 K −1 × (0.01954 kg) × (273K-253K)} / 1h
= 53.67 kJ / h.

b)ケース2
1時間で、水蒸気を25℃から0℃まで冷却し、0℃で凝縮・凝固し、氷を−20℃まで冷却する場合;
水分の分離に必要なエネルギーは、
{2.0kJkg−1−1×(0.01954kg)×(298K−273K)+40.8kJmol−1×(19.54g/18.01gmol−1)+6.03kJmol−1×(19.54g/18.01gmol−1)+2.1kJkg−1−1×(0.01954)×(273K−253K)}/1h
=52.61kJ/hである。
b) Case 2
In one hour, when steam is cooled from 25 ° C to 0 ° C, condensed and solidified at 0 ° C, and ice is cooled to -20 ° C;
The energy required for water separation is
{2.0 kJkg −1 K −1 × (0.01954 kg) × (298K-273K) +40.8 kJmol −1 × (19.54 g / 18.01 gmol −1 ) +6.03 kJmol −1 × (19.54 g / 18 .01 gmol −1 ) +2.1 kJkg −1 K −1 × (0.01954) × (273K-253K)} / 1h
= 52.61 kJ / h.

c)ケース3
水蒸気を25℃から−20℃まで冷却し、−20℃で全て凝縮させ凝固させる場合;
水分の分離に必要なエネルギーは、
{2.0kJkg−1−1×(0.01954kg)×(298K−253K)+40.8kJmol−1×(19.54g/18.01gmol−1)+6.03kJmol−1×(19.53g/18.01gmol−1)}/1h
=52.57kJ/hである。
c) Case 3
When the water vapor is cooled from 25 ° C. to −20 ° C., and all is condensed and solidified at −20 ° C .;
The energy required for water separation is
{2.0 kJkg −1 K −1 × (0.01954 kg) × (298K-253K) +40.8 kJmol −1 × (19.54 g / 18.01 gmol −1 ) +6.03 kJmol −1 × (19.53 g / 18 .01 gmol −1 )} / 1h
= 52.57 kJ / h.

(4)従って、最もエネルギーの小さいケース3の試算で、除湿に必要なエネルギー量は、
44.90kJ/h+52.57kJ/h
=97.47kJ/hである。
(4) Therefore, the amount of energy required for dehumidification in the calculation of Case 3 with the lowest energy is
44.90 kJ / h + 52.57 kJ / h
= 97.47 kJ / h.

(実施例2:吸収液(イオン液体;[emim][AcO])による除湿)
比較例2と同等の除湿を、イオン液体を吸収液として用いて行った場合の必要なエネルギー量を計算する。すなわち、1MPa・25℃・90RH%(pH2O=28.5kPa)の水電解ガスを、吸収液(イオン液体)で、1MPa・25℃・0.4RH%(pH2O=0.125kPa・−20℃の飽和蒸気圧)まで除湿する。従って、回収工程において、富吸収液中の水分量をほぼゼロにしなければならないので、再生工程(80℃)において富吸収液中の水を全て回収するとして計算する。吸収液として、イオン液体[emim][AcO]を用いる。
(Example 2: Dehumidification with absorption liquid (ionic liquid; [emim] [AcO]))
The amount of energy required when dehumidification equivalent to that of Comparative Example 2 is performed using the ionic liquid as the absorbing liquid is calculated. That is, 1 MPa · 25 ° C. · 90 RH% (pH 2 O = 28.5 kPa) of water electrolysis gas is 1 MPa · 25 ° C. · 0.4 RH% (pH 2 O = 0.125 kPa · −20) as an absorbing liquid (ionic liquid). Dehumidify to saturated vapor pressure at ℃. Therefore, in the recovery step, the amount of water in the rich absorbent must be reduced to almost zero. Therefore, it is calculated that all the water in the rich absorbent is recovered in the regeneration step (80 ° C.). As the absorbing liquid, ionic liquid [emim] [AcO] is used.

(1)除去すべき水の質量は、比較例2と同様に水電解ガス1mあたり19.54gである。この19.54gの水を吸収するために必要なイオン液体[emim][AcO]は7.907g/hである。 (1) The mass of water to be removed is 19.54 g per 1 m 3 of water electrolysis gas as in Comparative Example 2. The ionic liquid [emim] [AcO] necessary to absorb this 19.54 g of water is 7.907 g / h.

(2)イオン液体水溶液を80℃に加熱し、水を蒸発させるために必要な熱量を求める。物性値は比較例1と同じ値を用いた。 (2) The ionic liquid aqueous solution is heated to 80 ° C., and the amount of heat necessary for evaporating the water is obtained. The same physical property values as in Comparative Example 1 were used.

(2−1)1時間で、イオン液体[emim][AcO]の水溶液を25℃から80℃への昇温に要する熱量は、
{1.95kJkg−1−1×(0.007907kg)×(353K−298K)+4.186kJkg−1−1×(0.01954kg)×(353K−298K)}/1h
=5.35kJ/hである。
(2-1) The amount of heat required to raise the temperature of the aqueous solution of the ionic liquid [emim] [AcO] from 25 ° C. to 80 ° C. in 1 hour is as follows:
{1.95 kJkg −1 K −1 × (0.007907 kg) × (353K-298K) +4.186 kJkg −1 K −1 × (0.01954 kg) × (353K-298K)} / 1h
= 5.35 kJ / h.

(2−2)また、水の蒸発に要する熱量は、
{40.8kJmol−1×(19.54g/18.01gmol−1)}/1h
=44.26kJ/hである。従って、イオン液体水溶液を80℃に加熱し、水を蒸発させるために必要な熱量は、
5.35kJ/h+44.26kJ/h
=49.61kJ/hが必要である。
仮にイオン液体を5倍使用した場合は、
8.74kJ/h+44.24kJ/h
=52.98kJ/hが必要である。
(2-2) The amount of heat required for water evaporation is:
{40.8 kJmol −1 × (19.54 g / 18.01 gmol −1 )} / 1h
= 44.26 kJ / h. Therefore, the amount of heat necessary to heat the ionic liquid aqueous solution to 80 ° C. and evaporate the water is
5.35 kJ / h + 44.26 kJ / h
= 49.61 kJ / h is required.
If the ionic liquid is used 5 times,
8.74 kJ / h + 44.24 kJ / h
= 52.98 kJ / h is required.

(3)イオン液体[emim][AcO]を送液するために要する動力を計算する。
ポンプの軸動力は、以下の式で与えられるとする。
P=ρgQH/η
(ここで、ρは密度(kgm−3)、gは重力加速度(9.80665ms−2)、Qは全揚程(m)、Hは吐出し量(m−1)、ηはポンプ効率(0.8)である。)
物性値は、以下の値を用いた。
質量流量(kg/h):0.00790274
[emim][AcO]の密度(kg/m)@80℃:1066.01
体積流量(m/h):7.41338E−06
全揚程(m):100
(3) Calculate the power required to send the ionic liquid [emim] [AcO].
It is assumed that the shaft power of the pump is given by the following equation.
P = ρgQH / η
(Where ρ is density (kgm −3 ), g is gravitational acceleration (9.80665 ms −2 ), Q is the total head (m), H is the discharge amount (m 3 s −1 ), and η is the pump efficiency (0.8).)
The following physical properties were used.
Mass flow rate (kg / h): 0.00790274
[Emim] Density of [AcO] (kg / m 3 ) @ 80 ° C .: 1066.01
Volume flow rate (m 3 / h): 7.41338E-06
Total head (m): 100

イオン液体[emim][AcO]を送液するために要する動力は、
1066.01kgm−3×9.80665ms−2×100m×(7.41338E−6m−1)/0.8
=9.687kgm−2−1
=0.009687kJ/hである。
仮にイオン液体を5倍使用したとして、0.04844kJ/hが必要である。
The power required to send the ionic liquid [emim] [AcO] is
1066.01 kgm −3 × 9.80665 ms −2 × 100 m × (7.41338E-6m 3 h −1 ) /0.8
= 9.687 kgm 2 s -2 h -1
= 0.009687 kJ / h.
If the ionic liquid is used 5 times, 0.04844 kJ / h is required.

(4)以上の再生熱量と送液動力を合計すると、49.62kJ/hである。この値は、比較例1の冷却除湿よりも47.85kJ/h少ない。仮にイオン液体を5倍使用したとしても、53.03kJ/hであり、冷却除湿の場合よりも必要なエネルギーが44.44kJ/h少ない。このように本発明の効果は、水電解ガス生成工程を固体高分子型水電解で行った場合に特に優れている。なお、以上のイオン液体による除湿では熱交換による効率向上を加味していないので、さらに省エネルギー化を図ることが可能である。 (4) The total amount of regeneration heat and liquid feeding power is 49.62 kJ / h. This value is 47.85 kJ / h less than the cooling and dehumidification of Comparative Example 1. Even if the ionic liquid is used 5 times, it is 53.03 kJ / h, and the required energy is 44.44 kJ / h less than in the case of cooling dehumidification. Thus, the effect of the present invention is particularly excellent when the water electrolysis gas generation step is performed by solid polymer water electrolysis. Note that the dehumidification with the above ionic liquid does not take into account the efficiency improvement due to heat exchange, and therefore further energy saving can be achieved.

本発明の乾燥水電解ガスの製造方法によれば、(1)チラーによる冷却法に比べて省エネ化が達成可能であり、(2)常温で水素あるいは酸素ガス源から水蒸気成分のみを除去できるので、水素あるいは酸素分圧の低下が無く、(3)100℃以下の低品位の熱源でも吸収液の再生が可能であり、(4)吸収液の循環により除湿・再生の連続プロセスが組め、熱交換が容易で顕熱を節約でき、種々の排熱源を利用可能であり、(5)従来の吸収液より高効率、省エネで除湿及び再生が可能であり、(6)従来吸収液の課題であった水電解ガスへの吸収液の同伴が無く、高純度化の妨げとならない、などの効果も得られる。   According to the method for producing dry water electrolysis gas of the present invention, (1) energy saving can be achieved as compared with the cooling method by chiller, and (2) only the water vapor component can be removed from the hydrogen or oxygen gas source at room temperature. There is no decrease in hydrogen or oxygen partial pressure, (3) the absorption liquid can be regenerated with a low-grade heat source of 100 ° C or lower, and (4) a continuous dehumidification / regeneration process is achieved through circulation of the absorption liquid. Easy to replace, can save sensible heat, and can use various exhaust heat sources. (5) Dehumidification and regeneration are more efficient and energy-saving than conventional absorbents. (6) Problems with conventional absorbents. There is also an effect that the water electrolysis gas is not accompanied by the absorption liquid and does not hinder high purity.

1 ・・・電解槽
2 ・・・陽極
3 ・・・陰極
4 ・・・電解液
5 ・・・温度調節装置
6 ・・・水
7 ・・・水電解ガス
8 ・・・熱交換器
9 ・・・吸収塔
10・・・吸収液
11・・・富吸収液
12・・・乾燥水電解ガス
13・・・熱交換器
14・・・再生器
15・・・ヒータ
16・・・減圧ポンプ
17・・・送液ポンプ
18・・・予冷器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolytic cell 2 ... Anode 3 ... Cathode 4 ... Electrolyte solution 5 ... Temperature control device 6 ... Water 7 ... Water electrolysis gas 8 ... Heat exchanger 9- .. Absorption tower 10... Absorbing liquid 11. ... Liquid feed pump 18 ... Precooler

Claims (9)

水を電解して水電解ガスを得る水電解ガス生成工程と、
前記水電解ガス生成工程で得られた、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスと、イオン液体を含有する吸収液とを接触させて、水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させる吸収工程と、
前記吸収工程で湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離する分離工程と、
を含む乾燥水電解ガスの製造方法。
A water electrolysis gas generation step of electrolyzing water to obtain a water electrolysis gas;
The absorption step of selectively absorbing water vapor in the absorption liquid by bringing the water electrolysis gas containing water vapor derived from the raw material water obtained in the water electrolysis gas generation step into contact with the absorption liquid containing the ionic liquid. When,
A separation step of gas-liquid separation of the dry water electrolysis gas having reduced humidity in the absorption step, and the rich absorption liquid that has absorbed water vapor;
The manufacturing method of the dry water electrolysis gas containing this.
前記吸収工程の前の前記水電解ガスと、前記富吸収液とで熱交換を行う熱交換工程を更に含む、請求項1に記載の乾燥水電解ガスの製造方法。   The manufacturing method of the dry water electrolysis gas of Claim 1 which further includes the heat exchange process which heat-exchanges with the said water electrolysis gas before the said absorption process, and the said rich absorption liquid. 前記富吸収液を加熱及び/又は減圧して、水分を除去して吸収液を再生させる再生工程を更に含む、請求項1または請求項2に記載の乾燥水電解ガスの製造方法。   The method for producing a dry water electrolysis gas according to claim 1 or 2, further comprising a regeneration step of heating and / or depressurizing the rich absorbent to remove moisture to regenerate the absorbent. 前記再生工程で再生した吸収液と、前記富吸収液とで熱交換を行う第2の熱交換工程を更に含む、請求項3に記載の乾燥水電解ガスの製造方法。   The method for producing a dry water electrolysis gas according to claim 3, further comprising a second heat exchange step in which heat exchange is performed between the absorbent regenerated in the regeneration step and the rich absorbent. 前記イオン液体を構成するアニオンは、オキソ酸イオンである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の乾燥水電解ガスの製造方法。   The method for producing a dry water electrolysis gas according to any one of claims 1 to 4, wherein the anion constituting the ionic liquid is an oxoacid ion. 前記オキソ酸イオンは、式1で表されるカルボン酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、硫酸水素イオン、式2で表されるスルホン酸イオン、式3で表されるリン酸エステルイオン若しくはリン酸イオン、又は、式4で表されるホスホン酸エステルイオン若しくはホスホン酸イオンである、請求項5に記載の乾燥水電解ガスの製造方法。
(式1中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
(式2中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
(式3中RとRは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
(式4中Rは、水素原子又は無置換若しくは置換基を有していてもよい炭化水素基である。)
The oxo acid ion is a carboxylate ion represented by formula 1, nitrate ion, sulfate ion, hydrogen sulfate ion, sulfonate ion represented by formula 2, phosphate ester ion or phosphate ion represented by formula 3. Or the manufacturing method of the dry water electrolysis gas of Claim 5 which is the phosphonate ester ion or phosphonate ion represented by Formula 4.
(In Formula 1, R 1 is a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may be unsubstituted or substituted.)
(In Formula 2, R 2 is a hydrogen atom or a hydrocarbon group which may be unsubstituted or substituted.)
(In Formula 3, R 3 and R 4 are a hydrogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.)
(In Formula 4, R 5 is a hydrogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.)
前記水電解ガスは水素ガスである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の乾燥水電解ガスの製造方法。   The method for producing a dry water electrolysis gas according to claim 1, wherein the water electrolysis gas is hydrogen gas. 水を電解して水電解ガスを得る水電解ガス生成手段と、
前記水電解ガス生成手段で得られた、原料水由来の水蒸気を含有する水電解ガスと、イオン液体を含有する吸収液とを接触させて、水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させる吸収手段と、
前記吸収手段によって湿度の減少した乾燥水電解ガスと、水蒸気を吸収した富吸収液を気液分離する分離手段と、
を備える乾燥水電解ガスの製造装置。
Water electrolysis gas generating means for electrolyzing water to obtain water electrolysis gas;
Absorbing means for selectively absorbing water vapor in the absorbing liquid by bringing the water electrolyzed gas containing water vapor derived from raw water obtained by the water electrolyzing gas generating means into contact with an absorbing liquid containing an ionic liquid. When,
Dry water electrolysis gas whose humidity has been reduced by the absorption means, and separation means for gas-liquid separation of the rich absorption liquid that has absorbed water vapor;
An apparatus for producing dry water electrolysis gas.
前記の水蒸気を吸収した富吸収液を加熱及び/又は減圧して、水分を除去して吸収液を再生させる再生手段を更に備える、請求項8に記載の乾燥水電解ガスの製造装置。   The apparatus for producing dry water electrolysis gas according to claim 8, further comprising regeneration means for heating and / or depressurizing the rich absorbent that has absorbed the water vapor to remove moisture and regenerate the absorbent.
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