JP7129472B2 - 燃焼プロセスを供給する水の電気分解により生成される水素ガスおよび/または酸素ガスを処理するシステム - Google Patents
燃焼プロセスを供給する水の電気分解により生成される水素ガスおよび/または酸素ガスを処理するシステム Download PDFInfo
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Description
・濾過:ガスから液相を分離し、水分を除去し、あらゆる固体残留物を除去する、
・ガス洗浄/中和:電解質から酸性残留物または塩基性残留物を除去する、
・形成された凝縮液を排出して再利用する、
・洗浄および/または処理からのさまざまな液体、固体、または気体の排出、除去、制御する、
・これらの排出ステップ、再注入ステップ、および制御ステップを許可して、装置の動作を妨げないようにする、
・燃焼パラメータを制御するため、または追加の特性を与えるために、第3の化合物を使用した物理化学的改質によりガスを機能化する、
・長期にわたってこの機能化を制御および安定化する、
・システムで使用されるさまざまな液体、固体、または気体の化合物の混合、汚染を回避するために、さまざまな洗浄、処理、および制御筐体の流体区画化を確認する、
という機能のすべてまたは一部を統合する燃焼プロセスに燃料を供給するために使用される、水の電気分解からのガスを処理するシステムの一般的なニーズがある。
・電極と電解液とを含む容器で構成される電解セルと、
・電解セルと、例えば、センサ、冷却システムなどの補助装置とに電力を供給するための電源と、
・電解セルで生成されたガスを処理するシステムと、
を含む。
・反応性化合物は、ガスが泡立って循環する液体化合物であり、
・反応性化合物は、固形タイプにすることもでき、
・そのような化合物は有機または無機でもよく、
・システムは、たとえば、各々が反応性化合物またはガスが循環する洗浄化合物を含むさまざまな処理筐体および/またはフィルタ筐体を含み、
・システムは、ガスの乾燥用、ならびに凝縮液および副産物の形成/回収用の分離カラムおよび/または処理カラムの入口に少なくとも1つのコアレッサを含み、このようなコアレッサは、ガス中に蒸気の形態で存在する種の液相での移動を機械的または化学的に開始することを可能にし、
・分離カラムは、フィルタ媒体および/または中和媒体(たとえば、有機材料または無機材料で作られた粒子フィルタ)を含んでもよく、
・コアレッサ、ならびに/もしくはフィルタ媒体および/または中和媒体は、回路を開かずにコアレッサおよび/または媒体のメンテナンスを可能にするべく、ガスの経路にあるガス循環パイプ、継手または筐体を分解せずにアクセス可能なハウジング内に配置され、
・システムは、容器間で温度を伝達して、最も低温の容器から分離カラム、もしくは処理筐体および/またはフィルタ筐体を冷却するための1つ以上の熱橋を含み、したがって液体ガス分離カラムの分離の凝縮能力を高めることができる。
・システムは、分離カラムで生成された凝縮液およびその他の副産物、ならびに/もしくは反応性化合物および/または洗浄化合物を排出および/またはリサイクルするための少なくとも1つのシステムを含み、
・システムは、筐体や容器間の汚染を避けるためにシステムと人との安全を確保するべく、さまざまな液体区画の適切な管理を確保するための逆止弁、電磁弁、フレーム逆止弁、弁を含み、
・システムは、フィルタ速度、物理化学的改質、および/またはガス温度の制御を制御するための少なくとも1つのガス流分配システムを含み、
・システムは、少なくとも1つのチャンバおよび/またはカラムに配置され、反応性化合物の制御、再充填、および/または凝縮物/副産物のリサイクルを可能にする少なくとも1つのレベルセンサを含み、
・システムはまた、流量分配システムを監視および制御するための少なくとも1つの熱測定センサおよび/または少なくとも1つのガス流量センサを含んでもよい、
という異なる機能を単独でまたは組み合わせて好適に統合する。
[一般的な構造]
図1に示す例では、ガス処理システムは、電解セル0で生成されたガスを入口で受け取り、燃焼室に供給する。
・反応液2を含むガス処理筐体4aと、
・筐体内の反応性液体に浸漬された、例えばコイルからなる熱交換器1と、
・気液分離カラム5bと、
・ガス流量分配器11と、
を特に含む。
水の電気分解の場合、生成されるガスは、電解セル0で同時に取得される水素と酸素である。ガス流の温度および流量は、12bで示される温度センサおよび流量計によりセル出口で測定される。
例えば、測定は、機械化されたニードルねじおよび/またはガス分配システムの機械的/流体開口部の電子/自動制御を可能にする電磁弁の組によって行うことができる。これにより、筐体4aへのガス流量をリアルタイムで調整できる。
このような流量分配システムは、システムに複数の筐体がある場合に、他の筐体へのガスの流入を制御するために提供することもできる。
図1に示す例では、筐体4a、交換器1、分離カラム5b、コアレッサ5a、およびアセトンである反応性液体2の組み合わせにより、電解セル0を出るガスの水分含有量が大幅に減少する。
ここでは、反応性液体の吸熱特性を利用してガス流を冷却することでガスの露点が低下することにより、凝集成分5aで特に効果的な合体が可能になる。コアレッサ5aにおける効率の向上により、ガスに含まれる液相の最大分離と分離カラム5bの下部での凝縮物の回収とが可能になる。
熱橋8により、カラム5bは、筐体4a内の吸熱反応により生成される冷却の恩恵を受けることができる。この熱橋8は、この例では機械的接続(例えば、2つの容器の間にネジで溶接または組み立てられた金属ブロック)によって作られている。2つの容器間の熱交換により、気液分離カラムが冷却され、その濾過および/または凝縮分離能力がさらに向上する。
アルカリ電解セルでは、ガスは高pHで生成される。したがって、制御された燃焼パラメータを確保し、たとえばシステムのさまざまな構成要素や容器の腐食を防ぐために、ガスを中和することが特に重要である。
液体凝縮物は、カラム内の濾過プロセスを制約することなく制御および排出する必要がある。
これは、液面センサ12b、復水ポンプ9a、電磁弁10b、逆止弁10aおよび電子ボード12aからなるアセンブリ9によって可能になる。
このように形成された液体凝縮物は、カラム5b内のセンサ12bによってレベルが検出されると、電解セル0にポンプで送り込むことにより再流入を引き起こす塩基性または酸性水溶液を構成する。
一方、例えば電解槽の液面がすでに最大になっている場合、凝縮液を電解セル0にリサイクルせずに、システムの外部に排出するように選択できる。この場合、電磁弁10bは液体を排出プラグに移し、前もって設置されたタンクが装置の外側で凝縮液を収集する。
使用中、物理化学組成の変更に使用する試薬、フィルタおよび凝集要素を交換して、最適なプロセス効率を確保する必要がある。
同様に、カラム5bに置かれたフィルタ媒体6は、システムが停止したときに簡単かつ迅速に交換できるプラグ7bに取り付けることができ、システムを完全に分解する必要はない。
高流量では、ガス流は、装置の他の構成要素を損傷しないために濾過する必要がある金属粒子などの固体残留物を搬送し得る。
フィルタ媒体6は、例で前述した中和機能に加えて、これらの固体を保持し、したがって、これらの細孔の直径よりも大きいすべての不純物をガスから除去する。図1の場合、濾材は約1μmの細孔開口部を有する濾紙である。
燃焼温度、臭気、炎色、光の放射レベル、燃焼生成物の割合などの特定の燃焼特性を達成するために、ガスは、装置の一部によって提供されるガス流処理の異なる機能/ステップのすべてまたは一部を組み合わせることにより機能化される。
図1の場合、この変更は、筐体4aの反応性液体2へのガス流の通過により実行される。合体による液体ガス分離プロセスの最適化に役立つ低温の生成に加えて、反応性液体によって物理的および化学的に改質されたガスは燃焼に運ばれ、特殊な特性を与える。
これらの物理化学的特性は、例えば、燃焼の近くに配置された燃焼分析器12bを介して制御される。所定の目標レートおよび/または目標値は、電子カード12aを使用して手動または自動で調整することにより達成され、流体の直径を狭くしたり大きくしたりすることにより、フロー分配システム11によって圧力降下が引き起こされ、これにより、元のガス流の一部が処理容器に迂回される。
例えば、電子的に制御される機械的ニードルねじによる流量分布の場合、調節は、容器4aの温度の関数であり得、温度センサによって取得され得る。
例えば、逆止弁10aなどの構成要素は、装置および人の安全性と、様々な容器間の良好な流体区画化とを保証する。これらにより、筐体間での液体や気体の望ましくない移動を回避し、液体や気体の物理化学的完全性(汚染)、ならびに機能的性能、更新、リサイクル、および/または空にすることを保証できる。
[構造および流体循環]
第1の例示的な実施形態と比較して、図2に示されるこのシステムの実施形態は、
・この場合は反応性固体3で満たされている筐体4aと、
・洗浄筐体4bと、
・固体試薬3に浸漬した、例えばコイルなどからなる交換器1と、
を特に備えている。
試薬固体3は、気体/固体接触表面を最大化するための粉末などの分割された形態、または顆粒、ミリメートル物体、または固体形態である。
図2の例では、試薬固体3は、粒状の硝酸カリウムで構成されている。
洗浄液は、逆止弁10aと排出弁10bとで保護されたポンプ9dで構成されるシステム9のおかげで自動的に更新される。
洗浄後、ガス流の温度は、筐体4aに含まれる交換器1での熱交換により低下する。
次に、ガス流は、コアレッサ5aを介して気液分離カラム5bに注入される。気液分離カラム5bは、メッシュサイズが150μmのワイヤメッシュであってもよく、液相と気相との合体分離を可能にする。このように形成された凝縮物は、カラム5bの下部で重力により分離される。凝縮液レベルは、レベルセンサ12bを使用して測定される。
気液分離カラム5bの上部では、ガス流は、例えばゼオライト粒子を含む金網であるフィルタ媒体6を通過する。この吸着化合物は、ガス中の残留水分を吸着する。フィルタキャップシステム7bにより、定期的にフィルタカートリッジを簡単に交換してフィルタ6を交換できる。このフィルタは、ガス流によって運ばれた固体粒子も保持する。
カラム5bの出口において、ガス分析器12bは相対湿度、水酸化カリウムおよび残留硝酸カリウムのレベルを測定する。
出口において、ガスは、相対湿度と純度との所定のおよび制御されたレベルを必要とする燃焼での使用に適している。
実施形態1と同様に、ガス冷却は、コイルを流れるガスの露点を低下させ、コアレッサ5aおよびガス/液体分離カラム5bでの合体および凝縮を促進することにより、気液分離を最適化する。ただし、この場合、反応性固体は、湿性ガスと接触する冷却特性のために選択された粒状の硝酸カリウムである。
水などの洗浄液でバブリングすると、液体中のこれらの残留物が希釈され、ガスが浄化される。したがって、ガスには水分が充填されているが、pHを変更する可能性のある塩基性または酸性の残留物は取り除かれる。
洗浄水の定期的な更新は、水中の残留物の濃度を低く保ち、希釈による効果的な洗浄を可能にするために保証されている。
最後に、それらがフィルタ6を通過すると、イオン性残留物がまだロードされている可能性のある最後の水分残留物がゼオライトの細孔に吸着される。
試薬の管理は、試薬がここでは固体タイプであることを除いて、実施形態1と同様の方法で実行される。
洗浄液は、逆止弁10aで保護されたポンプ9dからなるシステム9によって定期的に更新される。使用済みの液体は、制御弁10bにより排出される。
実施形態1と同様に、ガスは、最初に、この場合は硝酸カリウムである試薬と接触させることにより改質される。しかしながら、この特定の実施形態では、ガスは装置の出口において硝酸カリウムで富化されるべきではない。したがって、硝酸カリウム残留物のガスを浄化するために、洗浄液による精製ステップからなる第2の改質段階が実行される。
この場合、ガスは、湿度、硝酸カリウムおよびpHレベルが所定のレベルよりも低いことを確認するカラム5bの出口にある分析器12bによって制御される。
測定値を使用して、さまざまな処理の有効性を監視し、必要に応じて試薬の固体または洗浄液の更新を有効化して、繰り返し制御された方法で使用できるガス組成を確保する。
さらに、この図は、水の電気分解セル(セル0は図1および図2にも示されている)および図1および図2を参照して説明したタイプのガス処理システムを含む水素または酸素製造装置の周辺13を示している。
同図は、H2および/またはO2を生成するためのこのような装置によって供給される燃焼も示している。この燃焼とそれを供給する製造装置13とが共に燃焼装置14を構成する。
燃焼は、例えば、ガスバーナまたは燃焼室で実行される。
別の特に有利な用途では、トーチ/ノズルアセンブリからなり、装置14は水素および/または酸素を含む燃焼ろう付け/はんだ付け装置である。
Claims (16)
- 水の電気分解(0)によって生成された水素ガスおよび/または酸素ガスを処理し、燃焼プロセスを提供する役割を果たすシステムであって、
内部で前記ガスが循環して冷却または加熱される少なくとも1つの熱交換器(1)を備え、
前記熱交換器は、筐体(4a)に収容されてそれ自体を前記ガスが通過する反応性化合物(2または3)に浸漬されており、
前記反応性化合物および前記ガスは、接触すると吸熱反応または発熱反応を起こす物理化学的改質を受ける、
ことを特徴とするシステム。 - 反応性化合物は、発泡により前記ガスが循環する液体化合物(2)である、ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 反応性化合物は、前記ガスが接触する固体化合物(3)である、ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- いくつかの処理筐体および/またはフィルタ筐体(4)を備え、これらの筐体のそれぞれが反応性化合物(4a)または前記ガスが循環する洗浄化合物(4b)を含む、ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ガスの乾燥、ならびに凝縮物および副産物の形成/回収を可能にする少なくとも1つの分離カラムおよび/または処理カラム(5b)の入口に少なくとも1つのコアレッサ(5a)を備えている、ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記分離カラムおよび/または前記処理カラム(5b)は、前記ガスの物理化学的組成を有利に変更できるフィルタ媒体および/または中和媒体(6)を含む、ことを特徴とする請求項5に記載のシステム。
- 前記コアレッサ(5a)は、回路を開かずに前記コアレッサのメンテナンスを可能にするべく、前記ガスの経路にあるガス循環パイプまたは継手または筐体を分解することなくアクセス可能なハウジング(7aおよび/または7b)内に配置される、ことを特徴とする請求項5に記載のシステム。
- 前記フィルタ媒体および/または前記中和媒体(6)は、回路を開かずに前記媒体のメンテナンスを可能にするべく、前記ガスの経路にあるガス循環パイプまたは継手または筐体を分解することなくアクセス可能なハウジング(7aおよび/または7b)内に配置される、ことを特徴とする請求項6に記載のシステム。
- 2つの筐体(4)の間または1つの筐体の間に、分離カラムおよび/または処理カラム(5b)、熱橋(8)を形成する少なくとも1つの接続要素を備えている、ことを特徴とする請求項4または5に記載のシステム。
- 分離カラム(5b)で生成された凝縮液およびその他の副産物、および/または前記筐体(4)に含まれる前記反応性化合物を排出および/またはリサイクルするための少なくとも1つのシステム(9)を備えている、ことを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載のシステム。
- 流体回路を分割するための少なくとも1つの逆止弁(10a)および/または弁(10b)を備えている、ことを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載のシステム。
- フィルタ速度の制御、物理化学的改質、および/またはガス温度および/または燃焼の制御を可能にする少なくとも1つのガス流分配システム(11)を備えている、ことを特徴とする請求項1~11のいずれか一項に記載のシステム。
- 装置を制御可能とし、レベル測定および/または熱測定および/またはガス流および/またはガスおよび/または燃焼分析のための少なくとも1つの機器(12b)に接続された少なくとも1つの電子カード(12a)を備えている、ことを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載のシステム。
- 請求項1~13のいずれか一項に記載の処理システムを備えていることを特徴とする、水の電気分解により水素および/または酸素を生成する装置(13)。
- 請求項14に記載の水の電気分解により水素および/または酸素を生成する装置を含むことを特徴とする、水素および/または酸素を含む燃焼プロセスを提供する役割を果たす装置(14)。
- 水素および/または酸素を含む燃焼ろう付け/はんだ付け装置であって、
共にバーナを形成するトーチおよびノズルと、
請求項14に記載の水の電気分解により水素および/または酸素を生成する装置と、
を備え、
前記水素および/または酸素を生成する装置は前記バーナにガスを供給する、ことを特徴とする燃焼ろう付け/はんだ付け装置。
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