JP5220511B2 - 水素生成システムの吸着装置再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された水素から水分を除去する気液分離部と、前記気液分離部から導出される前記水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置とを備える水素生成システムの吸着装置再生方法に関する。

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

この水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、製品ガスとして乾燥状態の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るためには、前記水素から水分を除去する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている装置が知られている。

この装置は、図７に示すように、純水製造手段（図示せず）により製造された純水中のガスを脱気する膜脱気モジュール１と、前記膜脱気モジュール１により脱気処理された純水を膜電解する水電解セル２と、前記水電解セル２の陽極から発生する酸素及び陰極から発生する水素を個別に除湿するモレキュラーシーブス３ａ〜３ｄとを有している。このため、水電解セル２から発生される高純度の水素及び酸素は、除湿手段であるモレキュラーシーブス３ａ、３ｂ及び３ｃ、３ｄにより除湿されている。

特開平５−２８７５７０号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、例えば、水素の除湿を行うために２つのモレキュラーシーブス３ａ、３ｂを備えているが、このモレキュラーシーブス３ａ、３ｂによる吸水量が所定量を超えると、前記モレキュラーシーブス３ａ、３ｂを再生させるために活性化する作業が必要となっている。

このため、モレキュラーシーブス３ａ、３ｂを所定の減圧下で比較的長時間にわたって加熱処理する必要がある。これにより、活性化に相当な時間がかかるとともに、この活性化を行っている間、装置全体の稼働が停止されてしまい、効率的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、吸着部の再生処理を簡単に行うとともに、廃棄される水素量を良好に削減することが可能な水素生成システムの吸着装置再生方法を提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された前記高圧水素から水分を除去する気液分離部と、前記気液分離部から導出される前記高圧水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置とを備えるとともに、前記吸着装置は、前記気液分離部に選択的に接続される少なくとも第１吸着部及び第２吸着部を設ける水素生成システムの吸着装置再生方法に関するものである。

この吸着装置再生方法は、第１吸着部を再生する際に、前記第１吸着部内の高圧ガスを第２吸着部に移動させ、前記第１吸着部内及び前記第２吸着部内を同圧にする工程と、前記第１吸着部内の残余のガスを、廃棄部に放出する工程と、前記第２吸着部に移動した前記高圧ガスを製品ガスとして使用する工程とを有している。

また、この吸着装置再生方法は、第１吸着部内及び第２吸着部内が同圧になった後、前記第２吸着部を気液分離部に接続することが好ましい。

さらに、この吸着装置再生方法は、第１吸着部内及び第２吸着部内が同圧になった際の圧力が、５ＭＰａ以上であることが好ましい。

さらにまた、この吸着装置再生方法は、第１吸着部及び第２吸着部が、吸着剤として活性炭を有することが好ましい。

本発明によれば、第１吸着部の再生時に、この第１吸着部内に残存する高圧ガスが第２吸着部に移動されるため、前記第１吸着部内の全てのガスを放出することがない。従って、第２吸着部では、第１吸着部内の高圧ガスの一部（第１吸着部内及び第２吸着部内が同圧になるガス量）を、製品ガスとして利用することができ、無駄に廃棄されるガス量を良好に低減することが可能になる。これにより、簡単な制御で、経済的な再生処理が遂行されるとともに、再生に必要なエネルギの削減が容易に図られる。

図１は、本発明の実施形態に係る吸着装置再生方法が適用される水素生成システム１０の概略構成説明図である。

水素生成システム１０は、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置（水電解部）１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離器（気液分離部）１８と、前記気液分離器１８から水素供給路２０に供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置２２と、前記吸着装置２２に連通するドライ水素供給路２４に導出される前記水素（ドライ水素）、すなわち、製品ガスを貯留可能な水素タンク２６とを備える。なお、水素タンク２６は、必要に応じて備えていればよく、この水素タンク２６を削除することも可能である。

水電解装置１４は、複数の水分解セル２８が積層されており、前記水分解セル２８の積層方向一端には、配管３０ａ、３０ｂ及び３０ｃが接続される。配管３０ａ、３０ｂは、純水供給装置１２に連通して純水の循環が行われる一方、配管３０ｃは、水素導出路１６を介して気液分離器１８に接続される。水素導出路１６には、高圧水素を得るためのバルブ（背圧弁）３２が配設される。気液分離器１８には、純水循環路３４の一端が接続され、前記純水循環路３４は、純水供給装置１２を介装して水電解装置１４の配管３０ａに接続される。気液分離器１８の底部には、純水循環路３４に連通するドレンバルブ３６ａ、３６ｂが設けられる。

吸着装置２２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、水分を外部に放出して再生される水分吸着剤を充填した少なくとも第１吸着塔（第１吸着部）４０ａ及び第２吸着塔（第２吸着部）４０ｂを備える。水分吸着剤としては、例えば、活性炭が用いられる。

水素供給路２０と第１吸着塔４０ａ及び第２吸着塔４０ｂの入口側とは、水素分岐路４４ａ、４４ｂを介して接続されるとともに、前記水素分岐路４４ａ、４４ｂは、連結路４６を介して放出路４８に接続される。第１吸着塔４０ａ及び第２吸着塔４０ｂの出口側には、ドライ水素供給路２４に合流するドライ水素分岐路５０ａ、５０ｂが設けられる。

水素分岐路４４ａ、４４ｂには、バルブ５２ａ、５２ｂが配設される一方、連結路４６には、バルブ５２ｃ、５２ｄが配設される。放出路４８には、バルブ５２ｅが配設される。ドライ水素分岐路５０ａ、５０ｂには、バルブ５４ａ、５４ｂが配設されるとともに、ドライ水素供給路２４には、バルブ５４ｃが配設される。

水素タンク２６には、燃料供給路５６がバルブ５８を介して接続される。この燃料供給路５６は、燃料電池車両６０の燃料タンクに直接、あるいは、図示しない貯留タンクを介して接続可能である。

このように構成される水素生成システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、純水供給装置１２では、純水循環路３４に純水が導出されており、この純水は、配管３０ａから水電解装置１４内に供給される。水電解装置１４では、各水分解セル２８により水が電気により分解されて水素が得られるとともに、バルブ３２を介して高圧水素（１ＭＰａ〜６０ＭＰａ）が得られる。この高圧水素は、配管３０ｃを介して水電解装置１４の外部に取り出し可能となる。一方、反応により生成した酸素と、使用済みの水とは、配管３０ｂを介して純水供給装置１２に戻される。

図２に示すように、水電解装置１４で生成された水蒸気を含む比較的高圧の水素は、水素導出路１６を介して気液分離器１８に送られる。この気液分離器１８では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離されて純水循環路３４に戻される一方、前記水素は、水素供給路２０に供給される。

水素供給路２０に供給された水素は、吸着装置２２に送られる。吸着装置２２では、例えば、バルブ５２ａ、５４ａが開放されるとともに、バルブ５２ｂ〜５２ｅ及び５４ｂが閉塞されることにより、第１吸着塔４０ａに水素が導入される。この第１吸着塔４０ａ内では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られ、このドライ水素がドライ水素分岐路５０ａからドライ水素供給路２４に導出される。ドライ水素は、例えば、圧力が３５ＭＰａで且つ露点が−５０℃である。

ドライ水素供給路２４に導出されたドライ水素は、水素タンク２６に貯蔵される。この水素タンク２６に貯蔵されたドライ水素は、必要に応じてバルブ５８の開放作用下に、製品ガスとして燃料供給路５６を介して燃料電池車両６０に充填される。

次いで、第１吸着塔４０ａが限界吸着量に達すると、水電解装置１４による純水の電気分解処理が一旦停止されるとともに、本発明に係る吸着装置再生方法が行われる。

先ず、図３に示すように、バルブ５２ａ、５４ａが閉塞される一方、バルブ５２ｃ、５２ｄが開放される。ここで、第１吸着塔４０ａ内は、高圧水素ガスによって、例えば、３５ＭＰａに昇圧されるとともに、第２吸着塔４０ｂ内は、大気圧に維持されている。従って、バルブ５２ｃ、５２ｄが開放されることにより、第１吸着塔４０ａ内の水素ガス（高圧ガス）は、連結路４６を通って第２吸着塔４０ｂ内に移動する。

このため、第１吸着塔４０ａ内の水素ガスが所定量、例えば、半分の量だけ第２吸着塔４０ｂに移動されて、前記第１吸着塔４０ａ内の圧力と前記第２吸着塔４０ｂ内の圧力とが均等化される。これにより、第１吸着塔４０ａ内及び第２吸着塔４０ｂ内には、それぞれ約１７ＭＰａの水素ガスが充填されている。従って、第１吸着塔４０ａ内が減圧される一方、第２吸着塔４０ｂ内が昇圧されている。

その後、図４に示すように、バルブ５２ｄが閉塞されるとともに、バルブ５２ｂが開放されることにより、第２吸着塔４０ｂで精製作業が開始される。一方、バルブ５２ｅが開放されることにより、第１吸着塔４０ａ内に残存するガス（水素ガス及び水分）は、放出路４８から廃棄部、例えば、外部に放出される。これにより、第１吸着塔４０ａ内からガス及び水分が放出され、前記第１吸着塔４０ａ内が大気圧に降圧した時点で、バルブ５２ｃ、５２ｅが閉塞される（図５参照）。

第２吸着塔４０ｂでは、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られ、バルブ５４ｂの開放作用下に、このドライ水素がドライ水素分岐路５０ｂからドライ水素供給路２４に導出される。

この場合、本実施形態では、第１吸着塔４０ａの再生時に、この第１吸着塔４０ａ内に残存する高圧水素ガスが所定量、例えば、半分の量だけ第２吸着塔４０ｂに移動された後、前記第１吸着塔４０ａの再生処理が開始されている。このため、例えば、第１吸着塔４０ａに充填されている３５ＭＰａの水素ガスを再生のために全て排出する場合に比べ、この第１吸着塔４０ａ内に残存する水素ガスが増える。従って、第１吸着塔４０ａから排出される水素分のエネルギロスを有効に削減することができる。

しかも、第２吸着塔４０ｂには、第１吸着塔４０ａから水素ガスが供給されており、この第２吸着塔４０ｂ内が昇圧されている。これにより、第２吸着塔４０ｂを所望の圧力、例えば、３５ＭＰａに昇圧するためにかかる時間が一挙に短縮され、ドライ水素を迅速に送り出すことが可能になる。

さらに、第２吸着塔４０ｂでは、第１吸着塔４０ａから移動された水素ガスを、製品ガスとして水素タンク２６に供給することができる。このため、無駄に廃棄される水素ガスを良好に低減することが可能になり、経済的であるという効果が得られる。

特に、本実施形態では、第１吸着塔４０ａ内に残存する高圧水素ガスが、半分の量だけ第２吸着塔４０ｂに移動された後、前記第１吸着塔４０ａ内及び前記第２吸着塔４０ｂ内の圧力は、５ＭＰａ以上に維持されている。

ここで、高圧ガス中の水分濃度は、図６に示すように、前記高圧ガスの圧力が５ＭＰａ以上の圧力において、著しく減少している。従って、第１吸着塔４０ａから第２吸着塔４０ｂに移動する水分量が非常に少なくなり、前記第１吸着塔４０ａから前記第２吸着塔４０ｂに移動した水素ガスを、ドライ水素として有効且つ経済的に利用することができるという利点がある。

さらにまた、第１吸着塔４０ａは、水分吸着剤として活性炭を用いている。このため、例えば、モレキュラーシーブスに比較して水の吸着力が弱く、大気圧までのガス放出を行うだけで、第１吸着塔４０ａの再生処理が十分に行われる。この場合、高圧水素ガスは、飽和水分量が著しく少ないため、製品ガスに近似した状態で、外部に放出されてしまう。これにより、第１吸着塔４０ａから第２吸着塔４０ｂに移動した高圧水素は、製品ガスとして有効に利用することが可能になり、廃棄される水素ガス量を半減させることができる。

なお、第２吸着塔４０ｂの再生処理は、上記の第１吸着塔４０ａの再生処理と同様であり、この説明は省略する。

また、本実施形態では、吸着装置２２は、第１吸着塔４０ａ及び第２吸着塔４０ｂの２基の吸着塔を備えているが、これに限定されるものではなく、例えば、３以上の吸着塔を並列して構成してもよい。

本発明の実施形態に係る吸着装置再生方法が適用される水素生成システムの概略構成説明図である。 前記水素生成システムの動作説明図である。 前記水素生成システムの動作説明図である。 前記水素生成システムの動作説明図である。 前記水素生成システムの動作説明図である。 ガス圧力と飽和水分濃度との関係説明図である。 特許文献１に開示されている装置の説明図である。

符号の説明

１０…水素生成システム １２…純水供給装置
１４…水電解装置 １６…水素導出路
１８…気液分離器 ２０…水素供給路
２２…吸着装置
３２、５２ａ〜５２ｅ、５４ａ〜５４ｃ、５８…バルブ
４０ａ、４０ｂ…吸着塔 ４４ａ、４４ｂ…水素分岐路
４６…連結路 ４８…放出路
５０ａ、５０ｂ…ドライ水素分岐路 ６０…燃料電池車両

Claims (1)

1. 水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された前記高圧水素から水分を除去する気液分離部と、前記気液分離部から導出される前記高圧水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置とを備えるとともに、前記吸着装置は、前記気液分離部に選択的に接続される少なくとも第１吸着部及び第２吸着部を設ける水素生成システムの吸着装置再生方法であって、
   前記第１吸着部を再生する際に、前記水電解部の電気分解を停止した状態で前記第１吸着部内の高圧ガスを前記第２吸着部に移動させ、前記第１吸着部内及び前記第２吸着部内を同圧にする工程と、
   前記第１吸着部内及び前記第２吸着部内が同圧になった後、前記第２吸着部を前記気液分離部に接続して前記水電解部の電気分解を再開する一方、前記第１吸着部内の残余のガスを、廃棄部に放出する工程と、
   前記第２吸着部に移動した前記高圧ガスを製品ガスとして使用する工程と、
   を有し、
   前記第１吸着部内及び前記第２吸着部内が同圧になった際の圧力は、５ＭＰａ以上であり、
   前記第１吸着部及び前記第２吸着部は、吸着剤として活性炭を有することを特徴とする水素生成システムの吸着装置再生方法。

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