JP6473221B2 - 圧縮された湿潤水素を乾燥させるための吸収ベッドを再生するためのシステムおよび方法 - Google Patents

圧縮された湿潤水素を乾燥させるための吸収ベッドを再生するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１４年７月３日付けで出願された米国仮出願第６２／０２０，４７５号の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、吸収ベッドを再生するためのシステムおよび方法、特に、圧縮された湿潤水素を乾燥させるために使用される吸収ベッドに関する。
[003]水素は、従来の動力源に対する実用的な代替物として出現した。エネルギー担体としての水素の商業化の成功および「水素経済」の長期的持続可能性は主に、水素燃料電池、水素電解セル、水素生成、水素操作／管理システム（例えば、圧縮機）、および水素分配システムの、効率および費用対効果によって決まる。
[004]現在、化石燃料は、工業用水素の主要な源である。水素は、天然ガスから、または他の炭化水素から生成することができる。水素を貯蔵のために生成することができる一般的な方法は、図１で示されるように、改質器１１０を使用してメタンまたは天然ガス１１１を水蒸気改質し、合成ガス１２１を生成することによる方法である。合成ガスは、主として、水素、二酸化炭素、および非常に多くの場合、いくらかの一酸化炭素からなる混合物である。吸収装置合成ガス１２１中の水素は、一酸化炭素と全ての二酸化炭素を除去して濃縮水素ストリーム１３１を残すように設計された吸収装置１２０を通過させることによって精製されてもよい。ガス状水素は、通常加圧封じ込めによる、便利で効率的なエネルギー貯蔵手段である。有利なことに、水素を高圧で貯蔵することは、高エネルギー密度をもたらす。
[005]機械的圧縮は、圧縮を達成する従来の手段である。しかしながら、機械的圧縮には不利益がある。例えば、相当なエネルギー利用、可動部における磨滅、過剰なノイズ、嵩高な器具、および水素脆化である。熱サイクルによる加圧は機械的圧縮の代替法であるが、機械的圧縮のようにエネルギー利用がかなりの量になる。対照的に、電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）を使用した電気化学的圧縮は、静かであり、拡張性があり、モジュール式であり、さらに高いエネルギー効率を達成することができる。したがって、濃縮水素ストリーム１３１は、吸収装置１２０によって生成され、ＥＨＣ１４０による加圧貯蔵のために圧縮することができる。
[006]ＥＨＣ１４０は、セルの一方の側から他方の側に水素を選択的に移動させるのに使用することができる。ＥＨＣ１４０は、例えば、第１の電極（すなわち、アノード）と第２の電極（すなわち、カソード）との間に挟まれたプロトン交換膜を含んでいてもよい。水素を含有するガスは、第１の電極と接触することができ、第１の電極と第２の電極との間に電位差を適用することができる。第１の電極において、水素分子を酸化することができ、この反応は、２つの電子および２つのプロトンを生成することができる。２つのプロトンは、膜を介してセルの第２の電極に電気化学的に動くことができ、そこでそれらは、２つの別経路の電子と再結合して還元され、水素分子を形成することができる。この方式でのＥＨＣの作動は、時には水素ポンプと称される。第２の電極に累積した水素が限定されたスペースに制限されると、電気化学セルは、水素を圧縮するかまたは圧力を上昇させる。
[007]ＰＥＭ燃料電池を含有するＥＨＣは、膜の伝導率を促進するために一定レベルの湿度を必要とする。水分補給が十分ではないＰＥＭ膜は、プロトン伝導率の減少の原因となることがあり、さらに抵抗の損失、性能の減少、および膜寿命の減少を引き起こし得る。一方で、膜中の過剰な湿度の存在は、膜を水浸しにして、膜を通る流路を塞ぎ、性能と稼働寿命に負の影響を及ぼし得る。それゆえに、濃縮水素ストリーム１３１は、ＥＨＣ１４０に入る前に、図１で示されるように、加湿器１３０を通過し、湿潤水素ストリーム１４１を生成することができる。
[008]湿潤水素ストリーム１４１は、圧縮されて、加圧された湿潤水素ストリーム１４２を生成されてもよい。貯蔵とその後の利用にとって望ましい範囲内までに湿度レベルを低くするために、貯蔵前に、加圧された湿潤水素ストリーム１４２を乾燥機１５０に通過させることが有利である。望ましい湿度の閾値は、様々な適用ごとに変更することができる。例えば、１つの基準はＳＡＥ−Ｊ２７１９であり、それによれば５ｐｐｍと言われている。一部の実施態様において、湿度の閾値は、５ｐｐｍに等しいかまたはそれ未満であってもよい（すなわち、マイナス７０℃の露点）。したがって、図１で示されるように、加圧された湿潤水素ストリーム１４２は、第１のベッド１５１と第２のベッド１５２とを有する乾燥機１５０に供給し得る。湿潤水素ストリーム１４２は、オンラインおよび生成モードの１個またはそれより多くのベッド（例えば、第１のベッド１５１および第２のベッド１５２）に供給されてもよい。加圧された湿潤水素ストリーム１４２から湿気の少なくとも一部を吸着して、製品水素ストリーム１６１を生成する生成モードにおける間に、乾燥機１５０は、第１のベッド１５１および／または第２のベッド１５２内で圧力スイング吸着法を利用してもよい。ある期間後、生成モードで作動するオンラインのベッド（すなわち、第１のベッド１５１または第２のベッド１５２）は、飽和した状態になると予想され、その時点で、オフラインになり再生モードに切り換えられることが好ましい。一方のベッドが再生モードに切り換えられたときに、他方のベッドを生成モードに切り換えることができ、連続的な水素の脱湿を可能にする。
[009]従来の消耗したベッドの再生方法は、製品水素ストリーム１６１を使用してベッドをブローダウンし（例えば、生成フロー方向に対する向流）、消耗したベッドから不純物を除去することによってなされる。しかしながら、ブローダウンに製品水素ストリーム１５２を利用することは、ＥＨＣ１４０および乾燥機１５０の全体的な処理能力を減少させ、最終的な貯蔵のための所与の体積の製品水素１５２を生成するのに必要な稼働時間を増加させ、全体的なシステム効率を低下させて、燃料源としての水素の経済的実行可能性を低減する。
[010]上述の状況を考慮して、本発明の開示は、加圧された湿潤水素を乾燥させるのに使用される吸収ベッドを再生するための改善された方法およびシステムを提供する。
[011]一形態において、本発明の開示は、水素を圧縮および乾燥させるためのシステムに関する。本システムは、濃縮水素ストリームを受け取りおよび加湿して、そして第１の湿潤水素ストリームを生成するように設計された加湿器を含んでいてもよい。本システムはさらに、第１の湿潤水素ストリームを受け取り、圧縮して、加圧された湿潤水素ストリームを生成するように設計された圧縮機を含んでいてもよい。本システムはまた、第１のベッドを含む乾燥機を含んでいてもよく、ここで第１のベッドは、生成モードで、加圧された湿潤水素ストリームを受け取り、湿気の少なくとも一部を吸収して、製品水素ストリームを生成するように設計されている。第１のベッドはさらに、再生モードで、濃縮水素ストリームの一部を受け取り、第１のベッドを再生して、第２の湿潤水素ストリームを生成するように設計されていてもよい。
[012]別の形態において、本発明の開示は、第１のベッドと第２のベッドとを有する乾燥機を作動させる方法に関する。本方法は、濃縮水素ストリームを加湿して、第１の湿潤水素ストリームを生成することを包含していてもよい。本方法はさらに、濃縮水素ストリームの一部を使用して第１のベッドを再生して、第２の湿潤水素ストリームを生成することを包含していてもよい。本方法はまた、第１の湿潤水素ストリームと第２の湿潤水素ストリームとを加圧して、加圧された湿潤水素ストリームを生成することを包含していてもよい。本方法はさらに、第２のベッド中の加圧された湿潤水素ストリームを乾燥させて、製品水素ストリームを生成することを包含していてもよい。
[013]別の形態において、本発明の開示は、加圧された水素ストリームを乾燥させるために設計された乾燥機に関する。乾燥機は、第１のベッドを包含していてもよく、ここで第１のベッドは、生成モードで、加圧された湿潤水素ストリームを受け取り、および湿度の少なくとも一部を吸収して、製品水素ストリームを生成するように設計されている。第１のベッドはさらに、再生モードで、濃縮水素ストリームの一部を受け取り、第１のベッドを再生し、第２の湿潤水素ストリームを生成して、そして圧縮機に第２の湿潤水素ストリームを供給するように設計されていてもよい。乾燥機はまた、第２のベッドを包含していてもよく、ここで第２のベッドは、生成モードで、加圧された湿潤水素ストリームを受け取り、および湿度の少なくとも一部を吸着して、製品水素ストリームを生成するように設計されている。第２のベッドはさらに、再生モードで、濃縮水素ストリームの一部を受け取り、第２のベッドを再生し、第２の湿潤水素ストリームを生成して、そして圧縮機に第２の湿潤水素ストリームを供給するように設計されていてもよい。
[014]本発明の開示の追加の目的および利点は、以下に続く説明で部分的に記載され、その記載から部分的に明白であるか、または本発明の開示の実施によって理解され得る。本発明の開示の目的および利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘された要素および組合せによって理解され、達成されるであろう。
[015]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された本発明の開示を限定しないことが理解されるべきである。
[016]本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の開示の１つの（複数の）実施態様を示しており、その記載と共に、本発明の開示の原理を説明するのに役立つ。
[017]図１は、貯蔵のための水素を生成し、圧縮し、および乾燥させるためのシステムのフローの略図である。 [018]図２は、例示的な実施態様に係る、貯蔵のための水素を生成し、圧縮し、および乾燥させるためのシステムのフローの略図である。 [019]図３は、例示的な実施態様に係る、貯蔵のための水素を生成し、圧縮し、および乾燥させるためのシステムのフローの略図である。 [020]図４は、例示的な実施態様に係る、貯蔵のための水素を生成し、圧縮し、および乾燥させるためのシステムのフローの略図である。 [021]図５は、図２〜４の電力システムを作動させる例示的な開示された方法を示すフローチャートである。
[022]以下、本発明の開示の例示的な実施態様と添付の図面で例示されるその実施例について詳細に述べる。可能な限り、同一または類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。
[023]本発明の開示は、例えば、水素を生成すること、圧縮すること、および乾燥させることなどの特定の用途に関する例示的な実施態様を参照しながら本明細書に記載される。本明細書に記載される実施態様は、それらに限定されないことが理解される。当業界において通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用する者であれば、追加の改変、用途、実施態様、および本発明の開示の範囲内に全て含まれる等価体での置換を認識しているものと予想される。したがって、本発明の開示は、前述のまたは以下の記載に限定されない。
[024]図２は、加圧貯蔵および分配のために水素を生成し、精製し、圧縮し、および乾燥させるための水素処理システム２００を示す。システム２００は、改質器２１０、吸収装置２２０、加湿器２３０、ＥＨＣ２４０、第１のベッド２５１と第２のベッド２５２とを有する乾燥機２５０、および貯蔵／ディスペンサー２６０を包含していてもよい。第１のベッド２５１が生成モードでオンラインであってもよく、第２のベッド２５２は待機中であってもよい状態で、図２に示されるようなシステム２００は作動してもよい。
[025]改質器２１０は、高温（例えば、７００から１１００℃）で水蒸気を化石燃料（例えば、天然ガス、メタノールなど）と反応させるように設計された水蒸気改質装置であってもよい。高温での水蒸気は、金属系触媒（例えば、ニッケル）の存在下で化石燃料（例えば、メタン）と反応し、合成ガス（すなわち、一酸化炭素および水素）を生じる。改質器２１０は、化石燃料２１１を受け取り、水蒸気改質によって合成ガスストリーム２２１を生じるように設計されていてもよい。
[026]合成ガスストリーム２２１は、水素、二酸化炭素、および多くの場合一酸化炭素を含有していてもよく、吸収装置２２０に送られてもよい。吸収装置２２０は、合成ガスストリーム２２１を受け取り、一酸化炭素および二酸化炭素を分離し、濃縮水素ストリーム２３１を生成することによって、ストリーム内の水素を実質的に精製するように設計されていてもよい。この分離は、圧力スイング吸収装置による圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）のプロセスによって行われてもよい。吸収装置２２０は、水素より一酸化炭素および二酸化炭素が吸収剤に強く引きつけられるように、異なるガス同士を区別する多量の吸着剤を含有する１個またはそれより多くの吸収剤のベッドを有していてもよい。吸収剤は、例えば、活性炭、シリカゲル、アルミナ、ゼオライト、またはそれらの化学種であってもよい。
[027]濃縮水素ストリーム２３１は、加湿器２３０に送られてもよい。加湿器２３０は、濃縮水素ストリーム２３１に水蒸気を添加して、第１の湿潤水素ストリーム２４１を生成するように設計されていてもよい。加湿器２３０は、第１の湿潤水素ストリーム２４１の湿度のレベルを予め決定されたレベルに制御するように設計されていてもよい。
[028]加湿器２３０から排出された第１の湿潤水素ストリーム２４１の生成物は、ＥＨＣ２４０に送られてもよい。本明細書に記載されるように、ＥＨＣの膜を加湿することは有利である。したがって、第１の湿潤水素ストリーム２４１は、膜の導電率を最適なレベルに維持できるように膜の湿度を調節するように設計されていてもよい。ＥＨＣ２４０内において、第１の湿潤水素ストリーム２４１を圧縮して、加圧された湿潤水素ストリーム２４２を生成してもよい。ＥＨＣ２４０は、一段階または多段階圧縮機であってもよい。ＥＨＣ２４０は、第１の湿潤水素ストリーム２４１を高圧まで加圧するように設計されていてもよい。例えば、加圧された湿潤水素ストリーム２４２は、約５００ｐｓｉ、１０００ｐｓｉ、２５００ｐｓｉ、５０００ｐｓｉ、７５００ｐｓｉ、１００００ｐｓｉ、１２５００ｐｓｉ、または１５０００ｐｓｉより高い圧力に加圧されてもよい。
[029]ＥＨＣ２４０から排出された加圧された湿潤水素ストリーム２４２の生成物は、乾燥機２５０に送られてもよい。乾燥機２５０内の加圧された湿潤水素ストリーム２４２は、どちらのベッド（すなわち、第１のベッド２５１または第２のベッド２５２）に送られてもよく、これらベッドは、生成モードでオンラインであってもよい。図２に示されている例示的な実施態様によれば、第１のベッド２５１は、生成モードでオンラインである。いずれのベッドについても、生成モードは、加圧された湿潤水素ストリーム２４２からの水蒸気の少なくとも一部を吸着させることにより製品水素ストリーム２６１を生成することができるベッドに、加圧された湿潤水素ストリーム２４２が供給されるモードと定義され得る。あるいは、図２には示されていないが、システム２００は、第２のベッド２５２が生成モードでオンラインであってもよく、第１のベッド２５１がオフラインであり得るように設計されていてもよく、この場合、加圧された湿潤水素ストリーム２４２は、第２のベッド２５２に送られてもよい。
[030]第１のベッド２５１および第２のベッド２５２はそれぞれ、水素より水蒸気が吸収剤に強く引きつけられるように、異なるガス同士を区別するように設計された多量の吸収剤を含んでいてもよい。吸収剤は、例えば、活性炭、アルミナ、ゼオライト、またはそれらの化学種であってもよい。第１のベッド２５１および第２のベッド２５２は、多種多様の吸収分離プロセスを実行するように設計されていてもよい。例えば、第１のベッド２５１および第２のベッド２５２は、圧力スイング吸収プロセス、または別の類似のプロセスを利用してもよい。
[031]いずれかの第１のベッド２５１または第２のベッド２５２（すなわち、どちらかが生成モードである）内で、加圧された湿潤水素ストリーム２４２内の水蒸気を吸着剤に吸着させることができ、一方で加圧された水素が乾燥機２５０から外に流れて製品水素ストリーム２６１を形成するように、乾燥機２５０が設計されていてもよい。製品水素ストリーム２６１は、貯蔵／ディスペンサー２６０に送られてもよい。貯蔵／ディスペンサー２６０は、加圧された水素を含有するように設計されたあらゆる好適な貯蔵容器であってもよい。貯蔵／ディスペンサー２６０は、固定容器でもよいし、または可動容器（例えば、トレーラー、トラック、タンカー）でもよい。また貯蔵／ディスペンサー２６０は、製品水素２６１を分配するために設計されていてもよい。
[032]作動中、オンラインであるどちらかのベッド（すなわち、第１のベッド２５１または第２のベッド２５２）中の吸収剤は、飽和状態になる可能性がある。飽和は、ベッドが破過点（すなわち、湿度の増加がわずかである）に達した場合に起こり得る。そして、もし作動を続ければ、最終的には完全な飽和（すなわち、フィードストリームと生成物の水蒸気とが同じ湿度レベルを有する）に達する可能性がある。破過点とは、吸収剤が、加圧された湿潤水素ストリーム２４２中の本質的に全ての水蒸気を吸収することができなくなり、結果としてストリーム中に一部の水蒸気が残り、それが製品水素ストリーム２６１に持ち越される時点であろう。飽和点とは、破過点を超えても作動が継続して、水蒸気が分離されなくなるほど吸収剤が完全な飽和に達し、それゆえに加圧された湿潤水素ストリーム２４２の湿度レベルが製品水素ストリーム２６１と本質的に同じになる時点であろう。
[033]作動中、システム２００は、どちらかのベッド（すなわち、第１のベッド２５１または第２のベッド２５２）が生成モードでオンラインであり、消耗した状態に達したことに基づいてオフラインにすることができるように設計されていてもよい。例えば、オンラインのベッドは、破過点に達する前に、破過点に達したときに、破過点に達した後に、飽和点に達する前に、または飽和点に達したときにオフラインにしてもよい。システム２００は、連続的な作動のために設計されていてもよい。それゆえに、一方のベッドがオフラインになり生成モードから切り換えられると、他方のベッドがオンラインになり生成モードに切り換えることができる。切り換え中に圧力の急上昇または流れの混乱を回避するために、消耗したベッドをオンラインにする前に、両方のベッド（すなわち、第１のベッド２５１および第２のベッド２５２）を所定期間オンラインにしてもよい。例えば、図２で示されるように、第１のベッド２５１が消耗切り換えポイントに達したとき、第２のベッド２５２をオンラインにして生成モードに切り換えることができ、圧力および流れが安定化されたら、第１のベッド２５１を生成モードから切り換えてオフラインにすることができる。
[034]図３で示されるように、第１のベッド２５１が生成モードから切り換えられてオフラインになったら、システム２００は、第１のベッド２５１を再生モードに切り換えてもよい。再生モードは、多量の吸収剤によって吸収された不純物（例えば、水蒸気）を除去することによって消耗したベッド（例えば、第１のベッド２５１または第２のベッド２５２）が再生される間のモードと定義され得る。本明細書で論じられるように、従来の第１のベッド２５１の再生方法は、図１で示されるように、ベッドを減圧し、次いで製品水素ストリーム１６１を使用してベッドをパージして（例えば、ブローダウンして）水蒸気を除去することからなっていた。しかしながら、製品水素ストリーム１６１を使用することは、全体的な処理量を減少させ、システムおよびプロセスのエネルギー効率を低減する。
[035]これらの不利益を考慮すると、図３で示されるように、再生モードが、濃縮水素ストリーム２３１の一部または全部を使用して消耗したベッド（すなわち、図３で示されるような第１のベッド２５１）をブローダウンすることを含むように、システム２００が設計されていてもよい。濃縮水素ストリーム２３１は、分岐して、加湿器２３０に加えて第１のベッド２５１の両方に送られてもよく、または濃縮水素ストリーム２３１は、全体が加湿器２３０に、または全体が乾燥機２５０（例えば、第１のベッド２５１または第２のベッド２５２）に送られてもよい。例えば、第１のベッド２５１に送られた濃縮水素ストリーム２３１は、濃縮水素ストリーム２３１が、第１のベッド２５１を通る加圧された湿潤水素２４２の流れと逆方向に流れるように第１のベッド２５１の出口に入るように設計されていてもよい。ブローダウンの前に、第１のベッド２５１は、自然に減圧されてもよい。減圧中、濃縮水素ストリーム２３１は、インラインの弁を使用して完全に隔離されていてもよいし、または全体が加湿器２３０に送られていてもよい。減圧に続いて、濃縮水素ストリーム２３１を第１のベッド２５１に吹き込ませ、吸収された粒子（例えば、水蒸気）をパージして収集することにより、濃縮水素ストリーム２３１を同時に加湿しながら多量の吸収剤を再生することができる。結果として、第１のベッド２５１に吹き込まれた濃縮水素ストリーム２３１は、第２の湿潤水素ストリーム２４３に変換され得る。濃縮水素ストリーム２３１を使用した再生性能は、製品水素ストリーム１６１を使用した再生性能に等しいかまたはそれより優れていてもよい。例えば、製品水素ストリーム１６１の潜在的な湿度は、濃縮水素ストリーム２３１の湿度より高い可能性があるため、ストリーム２３１は、より優れた再生性能を提供することができる。
[036]図３で示されるように、第２の湿潤水素ストリーム２４３は、加湿器２３０に送られてもよく、そこで追加の水（例えば、脱イオン水）が導入されてもよいし、および／または第１の湿潤水素ストリーム２４１と合流して、合流した湿潤水素ストリーム２４４を形成し、ＥＨＣ２４０に送られてもよい。いくつかの実施態様によれば、濃縮水素ストリーム２３１の全てが、再生のために乾燥機２５０に送られる場合、加湿器２３０に送られる第２の湿潤水素ストリーム２４３は、湿潤水素ストリーム２４４の全体を生成してもよい。本明細書に記載されるようなシステム２００は、乾燥機２５０によって捕獲された水蒸気をＥＨＣ２４０に戻して再循環させることを可能にする。水蒸気を再利用することによって、システム２００の作動中に使用される水が少なくなる。図３には示されていないが、他の実施態様において、第２の湿潤水素ストリーム２４３の一部は、バーナー、通気孔、またはスタックに供給されてもよい。
[037]システム２００は、第１のベッド２５１の再生の後、第１のベッド２５１を待機モードに切り換えることができるように設計されていてもよい。第１のベッド２５１は、第２のベッド２５２が消耗した状態になるまで待機モードのままであってもよく、消耗した時点で第１のベッド２５１が生成モードに切り換えられてもよい。
[038]他の実施態様において、乾燥機２５０は、第１のベッド２５１および第２のベッド２５２だけではなく、それより多くのベッドを有していてもよいことが予期される。乾燥機２５０は、複数のベッド、例えば、３個のベッド、４個のベッド、５個のベッド、またはそれより多くを有していてもよい。乾燥機２５０が２個より多くのベッドを有する実施態様において、乾燥機２５０は、生成モードでオンラインのベッドと待機または再生モードのいずれかでオフラインのベッドとの組合せが変更できるように設計されていてもよい。例えば、乾燥機２５０が３個のベッドを有する場合、２個のベッドが生成モードでオンラインであってもよく、一方で他のベッドが再生モードまたは待機モードでオフラインである。あるいは、３個のベッドを有する乾燥機２５０は、１個のみのベッドが生成モードでオンラインであり、一方で他のベッドが再生モードまたは待機モードのいずれかでオフラインであるように作動することができる。生成モードでオンラインのベッドの数は、製品水素ストリーム２６１にとって望ましい流量に基づき変更することができる。
[039]また、乾燥機２５０およびシステム２００は、複数のベッドが同時に生成モードであり得るように設計されていてもよいことも予期される。例えば、水素ストリーム２４２の流量の増加に応答して、追加のベッドが、生成モードの状態になってもよい。
[040]他の実施態様において、濃縮水素ストリーム２３１は、代替手段によって生成または提供されてもよく、それにより改質器２１０および吸収装置２２０の除去を可能にすることができることが予期される。例えば、乾燥水素ストリーム２３１は、電気分解などによって生成されてもよい。
[041]システム２００はさらに、複数の機器（例えば、温度送信器、圧力送信器、湿度送信器、流量計、および同種のもの）、複数のポンプ（例えば、遠心ポンプ、回転ローブポンプ、ダイアフラムポンプ、および同種のもの）、および複数の弁（例えば、ボール弁、バタフライ弁、制御弁、圧力逃がし弁、および同種のもの）を含んでいてもよい。複数の機器、ポンプ、および弁は、様々なストリームの流量、温度、濃度、配置を制御するのに使用することができる。システム２００はさらに、複数の機器、複数の弁、および複数のポンプとインターフェースで連動するように設計された制御システムを包含していてもよい。制御システムは、手動で、自動的に、またはその両方の組合せでシステム２００を制御するようにプログラム化することができる、コンピューター、ＰＬＣ、または同種のものを包含していてもよい。
[042]例えば、図４で示されるようなシステム２００は、制御器４００および湿度送信器４０１を包含していてもよい。湿度送信器４０１は、多くの要因（例えば、水素ストリーム２４３の流量、第１のベッド２５１の消耗レベル、および再生モードのポイント）に応じて変化する可能性がある第２の湿潤水素ストリーム２４３の湿度レベルを検出するように設計されていてもよい。第２の湿潤水素ストリーム２４３のばらつきは、第２の湿潤水素ストリーム２４３に添加され得る水の量のばらつきを引き起ここし得る。ばらつきを制限するために、水素ストリーム２４３の湿度レベルを受信し、次いで合流した水素ストリーム２４４の特徴（すなわち、流量、圧力、湿度レベルなど）が実質的に同じままになるように加湿器２３０を制御するように、制御器４００が設計されていてもよい。２つの水素ストリームの混合をさらに最適化し、合流した湿潤水素ストリーム２４４における予期せぬ変動を最小化するために、マスバランスの計算を実行するように制御器４００を設計できるように、システム２００は、例えば水素ストリーム２４３の流量を検出するように設計された、制御器４００と連通する１個またはそれより多くの流量計（示されていない）をさらに含んでいてもよい。
[043]図５は、システム２００によって実行される例示的なシステムプロセスを示す。開示されたシステムは、本明細書に記載されるような水素処理以外の他の流体処理用途に適用できる可能性がある。本明細書に記載されるような開示されたシステムは、処理量およびエネルギー効率の増加に加えて水再利用の増加を可能にするかもしれない。以下、図５を参照しながらシステムの作動を説明する。
[044]工程５０２において、システム２００は、濃縮水素ストリーム２３１を加湿して、第１の湿潤水素ストリーム２４１を生成することによって作動してもよい。工程５０４において、システム２００は、濃縮水素ストリーム２３１の一部を使用して第１のベッド２５１を再生し、第２の湿潤水素ストリーム２４３を生成してもよい。工程５０６において、システム２００は、第１の湿潤水素ストリーム２４１と第２の湿潤水素ストリーム２４３とを加圧して、加圧された湿潤水素ストリーム２４２を生成してもよい。工程５０８において、システム２００は、第２のベッド２５２で、加圧された湿潤水素ストリームを乾燥させて、製品水素ストリーム２６１を生成してもよい。
[045]開示されたシステムおよび方法に様々な改変およびバリエーションを施し得ることが、当業者には明らかであると予想される。他の実施態様は、開示されたシステムおよび方法の詳細と実施の考察から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、真の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらと等価なものにより示されることが意図される。
１１０ 改質器
１１１ 天然ガス
１２０ 吸収装置
１２１ 合成ガス
１３０ 加湿器
１３１ 濃縮水素ストリーム
１４０ ＥＨＣ
１４１ 湿潤水素ストリーム
１４２ 加圧された湿潤水素ストリーム
１５０ 乾燥機
１５１ 第１のベッド
１５２ 第２のベッド
１６１ 製品水素ストリーム
２００ 水素処理システム
２１０ 改質器
２１１ 化石燃料
２２０ 吸収装置
２２１ 合成ガスストリーム
２３０ 加湿器
２３１ 濃縮水素ストリーム
２４０ ＥＨＣ
２４１ 第１の湿潤水素ストリーム
２４２ 加圧された湿潤水素ストリーム
２４３ 第２の湿潤水素ストリーム
２４４ 合流した湿潤水素ストリーム
２５０ 乾燥機
２５１ 第１のベッド
２５２ 第２のベッド
２６０ 貯蔵／ディスペンサー
２６１ 製品水素ストリーム
４００ 制御器
４０１ 湿度送信器
５０２、５０４、５０６、５０８ 工程

Claims (17)

  1. 水素を圧縮するためのシステムであって、
    濃縮水素ストリームを受け取り、および加湿して、そして第１の湿潤水素ストリームを生成するように設計された加湿器；
    第１の湿潤水素ストリームを受け取り、および圧縮して、そして加圧された湿潤水素ストリームを生成するように設計された圧縮機；および
    第１のベッドを含む乾燥機
    を含み、ここで第１のベッドは、
    生成モードで、該加圧された湿潤水素ストリームを受け取り、湿気の少なくとも一部を吸収して、製品水素ストリームを生成し；および
    再生モードで、該加圧された湿潤水素ストリームと逆方向に流れる該濃縮水素ストリームの一部を受け取り、第１のベッドを再生して、
    第２の湿潤水素ストリームを生成する
    ように設計されている、システム。
  2. 前記乾燥機が再生モードである間に、第２の湿潤水素ストリームが前記圧縮機に供給される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記乾燥機は第２のベッドをさらに含み、ここで第２のベッドは、
    生成モードで、前記加圧された湿潤水素ストリームを受け取り、および湿気の少なくとも一部を吸着して、製品水素ストリームを生成し；および
    再生モードで、前記濃縮水素ストリームの一部を受け取り、第２のベッドを再生し、第２の湿潤水素ストリームを生成して、そして前記圧縮機に第２の湿潤水素ストリームを供給する
    ように設計されている、請求項２に記載のシステム。
  4. 第１のベッドが再生モードで作動している間、第２のベッドは、生成モードで作動するように設計されている、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記圧縮機は、電気化学的水素圧縮機である、請求項１に記載のシステム。
  6. 第１のベッドは、圧力スイング吸着ベッドである、請求項１に記載のシステム。
  7. 化石燃料を処理して合成ガスストリームを生成するように設計された水蒸気改質装置；
    および
    該合成ガスストリームを受け取り、および該合成ガスストリームを精製して、前記濃縮水素ストリームを生成するように設計された急速サイクルの圧力スイング吸着ユニット
    をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記システムが作動している間、第１のベッドまたは第２のベッドのいずれかは生成モードであるように設計されている、請求項３に記載のシステム。
  9. 前記圧縮機に入る前に、第１の湿潤水素ストリームと第２の湿潤水素ストリームとが合流して、合流した湿潤水素ストリームを形成し、制御器は、前記加湿器を制御することによって、該合流した湿潤水素ストリームの湿度を制御するように設計されている、請求項１に記載のシステム。
  10. 前記濃縮水素ストリームの湿度は、前記製品水素ストリームの湿度より低い、請求項１に記載のシステム。
  11. 第１のベッドと第２のベッドとを有する乾燥機を作動させる方法であって、
    濃縮水素ストリームを加湿器で加湿して、第１の湿潤水素ストリームを生成すること；
    加圧された湿潤水素ストリームと逆方向に流れる該濃縮水素ストリームの一部を使用して第１のベッドを再生して、第２の湿潤水素ストリームを生成すること；
    第１の湿潤水素ストリームと第２の湿潤水素ストリームとを加圧して、加圧された湿潤水素ストリームを生成すること；および
    第２のベッドにおいて該加圧された湿潤水素ストリームを乾燥させて、製品水素ストリームを生成すること
    を含む、上記方法。
  12. 前記加圧された湿潤水素ストリームを乾燥させることは、圧力スイング吸着法を実行することを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 第１の湿潤水素ストリームおよび第２の湿潤水素ストリームは、電気化学的圧縮機を使用して加圧される、請求項１１に記載の方法。
  14. 化石燃料を水蒸気改質して、合成ガスストリームを生成すること；および
    急速サイクルの圧力スイング吸着法を使用し、該合成ガスストリームを精製して、前記濃縮水素ストリームを生成すること
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 第１のベッドが消耗ポイントに到達したときに、第２のベッドから第１のベッドに乾燥を切り換えること、および第２のベッドの再生を開始することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  16. 加圧された水素ストリームを乾燥させるために設計された乾燥機であって、
    第１のベッドであって、
    生成モードで、加圧された湿潤水素ストリームを受け取り、および湿度の少なくとも一部を吸収して、製品水素ストリームを生成し；
    再生モードで、該加圧された湿潤水素ストリームと逆方向に流れる濃縮水素ストリームの一部を受け取り、第１のベッドを再生し、第２の湿潤水素ストリームを生成して、そして第２の湿潤水素ストリームを加湿器を介して圧縮機に供給する
    ように設計されている、ベッド；および
    第２のベッドであって、
    生成モードで、加圧された湿潤水素ストリームを受け取り、および湿度の少なくとも一部を吸着して、製品水素ストリームを生成し；
    再生モードで、該加圧された湿潤水素ストリームと逆方向に流れる濃縮水素ストリームの一部を受け取り、第２のベッドを再生し、第２の湿潤水素ストリームを生成して、そして第２の湿潤水素ストリームを加湿器を介して前記圧縮機に供給する
    ように設計されている、ベッド
    を含む、上記乾燥機。
  17. 前記乾燥機が作動している間、第１のベッドまたは第２のベッドのいずれかは、常に生成モードであるように設計されている、請求項１６に記載の乾燥機。
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