JP7476663B2 - 水電解用除湿システム、メタン製造システム、および水電解用除湿システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水電解用除湿システムに関する。

従来、水の電気分解（以下、「水電解」ともいう）によって水素と酸素を生成する水電解装置が知られている。水電解により生成される水素ガスには水蒸気が含まれる。例えば、燃料電池自動車等に水素を供給する場合は、高い乾燥状態の水素が要求される。そのため、水電解により生成された水素ガスを除湿する水電解用除湿システムが提案されている（例えば、特許文献１～４参照）。

特許文献１、２、４には、水電解用除湿システムにおいて、吸着剤を用いて除湿する方法が開示されている。吸着剤を内包する吸着器を用いる方法では、一般に、二つの吸着器を備えており、まず、一方の吸着器で水分を含んだ状態の水素の供給を受け、その容量が所定量以上に達した段階で、その吸着器への水素供給を停止すると共に、もう一方の吸着器へ水分を含んだ水素を供給するように切り替える。そして、供給を終えた吸着器から乾燥水素を取り出した後、吸着剤を乾燥させる。吸着剤を乾燥させるとき、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：圧力変動吸着法）方式の場合には、ポンプにより吸着器内部のガスを吸引して減圧する方法がある。また、ＰＳＡ方式には、別途製造した乾燥ガスで掃気する方法もある。また、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：温度変動吸着法）方式の場合には、吸着器を加熱して昇温させる。

また、特許文献３には、圧力が高められた高圧水素が断熱膨張で冷却される効果を利用して冷熱源として活用し、水電解により生成された水素ガスを冷却して除湿する技術が開示されている。

特開２０１９－１８３１９７号公報 特開２０１４－１８５３８８号公報 特開２０１１－１６８８６２号公報 特開２０１４－４０６３７号公報

吸着剤を用いて水素ガスを除湿する技術を用いると、吸着剤を乾燥させるとき、ＰＳＡ方式でポンプを用いた方法の場合、ポンプで吸引する間中、電力を連続的に供給させる必要がある。また、ポンプを用いず、別途製造した乾燥水素で掃気する場合、配管構成が複雑化し制御用のバルブ類が増え、その分、その消費電力が常時必要になる。また、ＴＳＡ方式の場合にも、昇温脱離作業の間中、電力を連続的に供給させる必要がある。特に、ＴＳＡの場合には、昇温脱離作業の途中で電力が遮断されると、放熱により温度が下がり再加熱が必要になり、エネルギー効率が悪くなるため、連続的に電力を供給することが好ましい。上述の通り、吸着剤の乾燥は、水電解装置からの水素の供給が終わった後に行われる。すなわち、水素の製造のための電力供給と、吸着剤の乾燥のための電力供給とのタイミングは、一致しない場合がある。そのため、例えば、水素の製造および除湿に、自然エネルギー（再生可能エネルギー）を使用した場合に、水素の製造時には電力が供給されたものの、吸着剤の乾燥が必要なタイミングで電力が供給されない可能性がある。そのため、適時の電力供給を確保するために、系統電力や電池を介した安定電力を用いるのが適当である。

また、ＰＳＡ方式で乾燥ガスを送り込む場合、ポンプを用いた場合は、ポンプでシステム外に排出する水素が発生する。ＰＳＡ方式で乾燥ガスで掃気する場合も、システム外に排出する水素が発生する。ＴＳＡ方式の場合にも、システム構成や制御方式によっては、多量の水を含んだ水素を排出する可能性がある。このように、吸着剤を用いて水素ガスを除湿する技術を用いると、水素のロス（排気）が発生する可能性がある。また、このロスを回避しようとすると、掃気ガスを貯めるタンクやその出し入れのためにバルブ制御が必要になり、装置が複雑化するうえ、常時必要な消費電力が増えてしまう。

また、特許文献３の技術は、数十ＭＰａの高圧水素を用いるからこそ実現する冷却効果と考えられる。そのため、水素ガスの除湿だけに注目すると、エネルギー削減に有効であるものの、水電解により生成される水素ガスの昇圧のエネルギーを除湿に利用していることになるため、水電解による水素の生成を含めたドライ水素の製造全体でみると、昇圧に要するエネルギーが大きく、エネルギーのロスが大きくなる場合がある。また、高圧を要さない場合等、特許文献３の技術を適用できない場合もある。

このように、除湿器に供給する電力と、水素ガスの除湿に伴う水素のロス（排気）により、水電解による水素製造に要する費用が高くなる虞がある。そのため、除湿器に供給する電力の低減と、排気水素の低減が望まれている。

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、水電解によって生成された水素ガスを除湿する除湿器に供給する電力を低減する他の技術を提供すること、除湿による排気水素を低減する他の技術を提供すること、を目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、水電解槽における水電解により生成された、水蒸気を含有する水素ガスを除湿する、水電解用除湿システムが提供される。この水電解用除湿システムは、前記水電解槽に接続され、前記水電解槽から前記水電解用除湿システムに供給される第１水素ガスを除湿する除湿部であって、電子冷却素子を有する冷却部と、前記冷却部の下流に接続される気液分離部と、を備える除湿部と、電源から前記除湿部の前記冷却部への電力供給を制御する電力制御部であって、少なくとも、前記水電解槽に電力が供給されないとき、前記冷却部へ電力供給をさせない、電力制御部と、前記除湿部の下流に配置され、前記気液分離器により分離された第２水素ガスの水分量を検出する水分量検出部と、前記第２水素ガスを貯留可能な第１タンクと、前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が所定の閾値以下の場合に、前記第２ガスを前記第１タンクに流入させる、貯留制御部と、を備える。

この構成によれば、電子冷却素子を有する冷却部により第１水素ガスを冷却して、除湿が行われる。電子冷却素子は起動が早いため、水電解槽に電力が供給され、水素ガスが生成されているときに、電力が供給されていれば、適切に第１水素ガスの除湿を行うことができる。この構成では、水電解槽に電力が供給されていないとき、すなわち、第１水素ガスが生成されないとき、冷却部へ電力供給をさせないように、電力制御部により制御されるため、不要な電力の供給を抑制することができ、水電解用除湿システムに供給される電力を低減することができる。

また、除湿部が冷却部と気液分離部により構成されるため、吸着剤を用いて除湿する方法と比較して、排気水素を低減することができる。

また、貯留制御部により、所定の閾値以下の水分量の第２水素ガスが第１タンクに貯留される。そのため、水電解槽により生成された第１水素ガスの水分量の変動や、除湿部による除湿程度の変動等による、第２水素ガスの水分量の変動に関わらず、所望の水分量の水素ガスを提供することができる。

（２）上記形態の水電解用除湿システムであって、前記電力制御部は、前記第１タンクが満杯の間、前記冷却部への供給電力を、前記第１タンクが満杯になる前より低減させてもよい。第１タンクが満杯のときは、所定の閾値以下の水分量の第２水素ガスを流入させる先がないため、高い除湿能力を要さない。そのため、第１タンクが満杯の間、冷却部への供給電力を低減させることにより、不要な電力供給を抑制することができる。

（３）上記形態の水電解用除湿システムであって、前記第２水素ガスを貯留可能な第２タンクと、前記第２水素ガスの流入先を、前記第１タンクと前記第２タンクとに切替可能な切替部と、をさらに備え、前記貯留制御部は、前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が前記所定の閾値より大きい場合に、前記切替部を制御して、前記第２水素ガスを前記第２タンクに流入させてもよい。このようにすると、水分量が異なる２種類の水素ガスを提供することができる。水分量が比較的高い水素も利用することができるため、水電解により生成された水素の利用効率を向上させることができる。

（４）上記形態の水電解用除湿システムであって、前記第２水素ガスを貯留可能な第２タンクと、前記第２水素ガスの流入先を、前記第１タンクと前記第２タンクとに切替可能な切替部と、をさらに備え、前記貯留制御部は、前記第１タンクが満杯の間、前記第２水素ガスの水分量によらず、前記切替部を制御して、前記第２水素ガスを前記第２タンクに流入させてもよい。この構成では、第１タンクが満杯の場合は、冷却部への供給電力を低減させるため、第２水素ガスの水分量が上昇する可能性が高い。そのため、水分量が所定の閾値以上の第２水素ガスが第２タンクに貯留され、水分量が比較的高い水素も利用することができる。その結果、水電解用除湿システムへの電力供給を抑制すると共に、水電解により生成された水素の利用効率を向上させることができる。第１タンクが満杯の場合は、第２水素ガスの水分量によらず、第２水素ガスを第２タンクに流入させることにより、制御を容易にすることができる。

（５）本発明の他の形態によれば、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造システムが提供される。このメタン製造システムは、上記の水電解用除湿システムと、前記水電解用除湿システムの前記第１タンクに接続され、二酸化炭素吸着性能を有する吸着材に、供給源から供給された二酸化炭素含有ガスを流し、前記吸着材に前記第１タンク内の前記第２水素ガスを流して、前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部と、前記水電解用除湿システムの前記第２タンクに接続されると共に、前記二酸化炭素回収部に接続され、前記二酸化炭素回収装置により回収された二酸化炭素と、前記第２タンクに貯留された前記第２水素ガスと、を用いて、メタン化反応を生じさせるメタン化反応部と、を備える。

この構成によれば、比較的水分量が少ない水素を要する二酸化炭素回収部に、第１タンク内の第２水素ガスが供給され、比較的水分量が多い水素を利用可能なメタン化反応部に、第２タンク内の第２水素ガスが供給される。そのため、水電解により生成された水素ガスの利用効率を向上させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解用除湿システムの制御方法、水素製造システムなどの形態で実現することができる。

第１実施形態の水電解用除湿システムの構成を概念的示す模式図である。 電力制御部における電力制御を示すフローチャートである。 貯留制御部における貯留制御を示すフローチャートである。 第２実施形態におけるメタン製造システムの構成を概念的示す模式図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水電解用除湿システム１００の構成を概念的示す模式図である。水電解用除湿システム１００は、水電解槽２１０における水電解により生成された、水蒸気を含有する第１水素ガスを除湿する。図１では、水電解槽２１０を有する水電解システム２００も共に図示している。

本実施形態の水電解用除湿システム１００の説明に先立って、水電解システム２００について、説明する。水電解システム２００では、水電解槽２１０において水を電気分解することで酸素と水素を生成する。水電解システム２００は、水電解槽２１０と、水電解電力制御部２２０と、気液分離器２３０と、を備える。

水電解槽２１０は、ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：固体高分子電解質膜）型水電解槽であって、高分子電解質膜を隔膜に用いた単セルが複数個積層されたものからなる。単セルは、高分子電解質膜の両面に電極（酸素極、水素極）が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両側に配置されたセパレータとを備えている。水電解槽２１０の構造は、水電解が可能である限りにおいて、特に限定されない。例えば、水電解槽２１０は、
（ａ）酸素極側及び水素極側の双方において、水を循環させる両極循環方式、
（ｂ）酸素極側のみ水を循環させる片側循環方式
のいずれであっても良い。

水電解電力制御部２２０は、いわゆる、電力調整器を備え、電源５００から供給される電力を、水電解槽２１０へ供給すると共に、水電解用除湿システム１００へ供給する。水電解槽２１０に対し、水が供給されると共に、水電解電力制御部２２０により電力が供給されると、水電解槽２１０において、酸素と水素が生成される。生成された水素は、液水と水蒸気を含む水素ガスとして、水電解槽２１０から排出される。

気液分離器２３０は、水電解槽２１０において生成された水蒸気および液水を含む水素ガスから液水を分離して、水電解槽２１０に戻すと共に、水蒸気を含む水素ガスを水電解用除湿システム１００に供給する。以降の説明において、水電解用除湿システム１００に供給される水素ガスを、「第１水素ガス」とも呼ぶ。

本実施形態において、電源５００は、太陽光、水力、風力、波力、バイオマス、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源である。再生可能エネルギー由来の電源から供給される電力は、電力量が大きく変動しやすい。そのため、水電解槽２１０によって生成される水素ガスの量および水分量も、供給される電力の変動に伴い、変動する。電源５００の種類は、特に限定されず、他の実施形態では、商用電源であってもよい。

本実施形態の水電解用除湿システム１００について説明する。図１に示すように、水電解用除湿システム１００は、第１水素ガスを除湿する除湿部１０と、電源から除湿部１０への電力供給を制御する電力制御部２０と、除湿部の下流に配置され、除湿部１０から排出される第２水素ガスの水分量を検出する水分量検出部３０と、第２水素ガスを貯留可能な第１タンク４０と、第２タンク５０と、第２水素ガスの貯留先を切替可能な切替部６０と、切替部６０を制御して第２水素ガスの貯留先を切替させる貯留制御部７０と、を備える。

除湿部１０は、冷却部１２と、気液分離部１４と、を備える。冷却部１２は、電子冷却素子（例えば、ペルチェ素子）を備え、電力制御部２０から電力が供給されると、冷却を行うことができる。冷却部１２は、気液分離器２３０を介して水電解槽２１０に接続されており、水電解槽２１０により生成され、気液分離器２３０により液水が除去された、水蒸気を含む第１水素ガスを、冷却する。水蒸気を含む第１水素ガスが冷却されると、水蒸気の一部が液化する。

気液分離部１４は、冷却部１２の下流に接続されており、冷却部１２を通った第１水素ガスが流入する。気液分離部１４は、流入した第１水素ガス中の液水を除去して、除湿部１０から排出する。除湿部１０から排出される水素ガスを、「第２水素ガス」と呼ぶ。

電力制御部２０は、いわゆる、電力調整器を備え、電源５００から除湿部１０の冷却部１２への電力供給を制御する。後に詳述するように、電力制御部２０は、少なくとも、水電解槽２１０に対して電力が供給されないとき、冷却部１２へ電力供給をさせない。上述の通り、水電解システム２００の水電解電力制御部２２０は、電源５００から水電解槽２１０へ電力を供給する際、電力制御部２０へも電力を供給する。電力制御部２０は、水電解電力制御部２２０を介して、電源５００から電力を受け取ると、電力を調整して、冷却部１２へ供給する。水電解システム２００の水電解電力制御部２２０は、電源５００から水電解槽２１０へ電力を供給しないときは電力制御部２０へ電力を供給せず、電源５００以外の電源から電力制御部２０への電力供給がないため、水電解槽２１０へ電力が供給されないとき、電力制御部２０は、冷却部１２へ電力を供給しない。

また、電力制御部２０は、第１タンク４０が満杯の間、冷却部１２への供給電力を、第１タンク４０が満杯になる前より低減させる。本実施形態では、電力制御部２０は、第１タンク４０が満杯の間、冷却部１２へ電力を供給しない。換言すると、電力制御部２０は、冷却部１２への供給電力を、０（ゼロ）に低減させる。

上述の通り、冷却部１２に対して、電力が供給されるときと、電力が供給されないときがある。冷却部１２に電力が供給されると、冷却部１２が動作するため、第１水素ガスが冷却される。冷却部１２にて冷却された第１水素ガスは、水蒸気の一部が液水になっているため、気液分離部１４により、液水を除去することより、比較的高い除湿率で除湿することができる。一方、冷却部１２に電力が供給されていないと、冷却部１２が動作しないため、第１水素ガスはほぼ冷却されないまま、気液分離部１４に流入する。気液分離部１４では、第１水素ガスに含まれる液水（気液分離器２３０で除去されず残留する液水、冷却部１２を通過する際に液化した液水等）がある場合、その液水を除去することができるものの、冷却部１２に電力が供給されている場合より、第１水素ガスの除湿率は低い。すなわち、除湿部１０から排出される水素ガスである第２水素ガスの水分量は、変動する。

第１タンク４０と第２タンク５０は、除湿部１０から排出される第２水素ガスを貯留可能な容器であり、切替部６０を介して除湿部１０に接続されている。切替部６０は、例えば、三方弁であり、貯留制御部７０によって制御される。他の実施形態では、複数の開閉弁を備えてもよい。第１タンク４０は、第１タンク４０内の圧力を検出する圧力センサ４２を備え、第２タンク５０は、第２タンク５０内の圧力を検出する圧力センサ５２を備える。圧力センサ４２による検出信号は、電力制御部２０および貯留制御部７０に出力される。圧力センサ５２による検出信号は、貯留制御部７０に出力される。

水分量検出部３０は、除湿部１０と切替部６０とを接続する流路に配置されており、流路内の第２水素ガスの水分量を検出して、検出信号を貯留制御部７０に出力する。水分量検出部３０は、例えば、湿度計、温度計、圧力計を備え、それらによる検出値を用い、乾燥水素に対する水分量を計算する。ここでは、例えば、下記のＴｅｔｅｎｓ（１９３０）の式（式１）を用いる。
Ｅ（ｔ）＝６．１１×１０＾（７．５ｔ／（ｔ＋２３７．３）） … （式１）
（式１）において、Ｅ（ｔ）は飽和蒸気圧（ｈＰａ）、ｔは温度（℃）である。
本実施形態では、水分量の指標として、大気圧露点に換算して用いる。他の実施形態では、他の方法で水分量を求めてもよいし、大気圧露点以外を水分量の指標としてもよい。

貯留制御部７０は、切替部６０を制御して、除湿部１０から排出される第２水素ガスの流入先を、第１タンク４０と第２タンク５０とに切替させる電子装置である。貯留制御部７０は、水分量検出部３０により検出された第２水素ガスの水分量に応じて、第２水素ガスの流入先を切替える。具体的には、貯留制御部７０は、所定の閾値Ｔｈを基準に、水分量検出部３０により検出された水分量Ｈの大小により、貯留制御を行う。ここで、所定の閾値Ｔｈは、例えば、排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置で用いることができる程度に低い値に設定することができる。例えば、吸着材としてゼオライトを用いる二酸化炭素回収装置の場合には、所定の閾値Ｔｈとして、大気圧露点－１５℃を用いてもよい。

また、貯留制御部７０は、第１タンク４０および第２タンク５０のガスの貯留状態に応じて、第２水素ガスの流入先を切替える（後に、詳述する）。貯留制御部７０は、第１タンク４０および第２タンク５０のガスの貯留状態を、圧力センサ４２および圧力センサ５２から入力される検出信号を用いて判断する。

図２は、電力制御部２０における電力制御を示すフローチャートである。
水電解電力制御部２２０から水電解槽２１０へ電力が供給されると（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、電力制御部２０は、圧力センサ４２から受信した圧力検出信号を用いて、第１タンク４０が満杯か否か判断する（ステップＳ１０４）。本実施形態では、上述の通り、水電解電力制御部２２０は、水電解槽２１０に電力を供給すると共に、電力制御部２０に電力を供給するため、電力制御部２０に電力が供給されているとき、ステップＳ１０２はＹＥＳとなる。電力制御部２０は、第１タンク４０が満杯でないと判断すると（ステップＳ１０４：ＮＯ）、水電解電力制御部２２０を介して供給された電源５００からの電力を調整して、冷却部１２に供給して（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０２へ戻る。

ステップＳ１０６において、電力制御部２０が冷却部１２に対して電力を供給すると、冷却部１２が動作するため、第１水素ガスが冷却され、第１水素ガスが含有する水蒸気が液化する。冷却部１２を通った第１水素ガスが気液分離部１４に流入すると、気液分離部１４により液水が除去されるため、除湿を行うことができる。そのため、第２水素ガスの水分量は、第１水素ガスの水分量より低下する。

一方、第１タンク４０が満杯の場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、電力制御部２０は、水電解電力制御部２２０を介して電源５００から電力制御部２０へ電力が供給されているものの、冷却部１２に対して電力を供給せず（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０２へ戻る。

また、水電解電力制御部２２０から水電解槽２１０へ電力が供給されないと（ステップＳ１０２：ＮＯ）、電力制御部２０は、冷却部１２へ電力を供給せず（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０２へ戻る。

ステップＳ１０８において、電力制御部２０が冷却部１２に対して電力を供給しないと、冷却部１２が動作しないため、第１水素ガスがほぼ冷却されない状態で、気液分離部１４に流入する。そのため、除湿部１０において、第１水素ガスの除湿をほとんど行うことができず、除湿部１０から排出される第２水素ガスの水分量は、第１水素ガスの水分量とほぼ変わらない。

図３は、貯留制御部７０における貯留制御を示すフローチャートである。
ステップＳ２０２では、貯留制御部７０は、第１タンク４０が満杯か否か、上述のステップＳ１０４と同様に判断する。第１タンク４０が満杯でない場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、貯留制御部７０は、水分量検出部３０から入力される検出信号を用いて、第２水素ガスの水分量Ｈが、所定の閾値Ｔｈ以下か否か判断する（ステップＳ２０４）。一方、第１タンク４０が満杯の場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、ステップＳ２０８に進む。

水分量Ｈ≦所定の閾値Ｔｈの場合には（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、貯留制御部７０は、切替部６０を制御して、第２水素ガスを、第１タンク４０に流入させて（ステップＳ２０６）、ステップＳ２０２へ戻る。

一方、水分量Ｈ＞所定の閾値Ｔｈの場合には（ステップＳ２０４：ＮＯ）、貯留制御部７０は、第２タンク５０が満杯か否か、圧力センサ５２からの検出信号を用いて判断する。第２タンク５０が満杯でない場合（ステップＳ２０８：ＮＯ）、貯留制御部７０は、切替部６０を制御して、第２水素ガスを、第２タンク５０に流入させて（ステップＳ２１０）、ステップＳ２０２へ戻る。

第２タンク５０が満杯の場合（ステップＳ２０８：ＮＯ）、貯留制御部７０は、切替部６０を制御して、第２水素ガスを、排気させて（ステップＳ２１２）、ステップＳ２０２へ戻る。

このように、除湿部１０から排出される第２水素ガスの水分量に応じて、第２水素ガスの流入先（排気を含む）が切替えられる。そのため、第１タンク４０には、水分量Ｈが所定の閾値Ｔｈ以下の第２水素ガスが貯留され、第２タンク５０には、水分量Ｈが所定の閾値Ｔｈより大きい第２水素ガスが貯留される。

第１タンク４０が満杯になると、第２タンク５０が満杯になるまでは、第２水素ガスの水分量Ｈによらず、第２水素ガスは第２タンク５０に貯留される。本実施形態では、上述の通り、第１タンク４０が満杯になると、除湿部１０の冷却部１２への電力供給が停止され（電力が供給されない）、除湿部１０において第１水素ガスの除湿がほぼ行われないため、第２タンク５０に貯留される第２水素ガスの水分量は、第１タンク４０に貯留される第２水素ガスの水分量より高くなる可能性が高い。

以上説明したように、本実施形態の水電解用除湿システム１００によれば、電子冷却素子を有する冷却部１２により第１水素ガスを冷却して、除湿が行われる。電子冷却素子は起動が早いため、水電解槽２１０に電力が供給され、水素ガスが生成されているときに、電力が供給されていれば、適切に第１水素ガスの除湿を行うことができる。これに対し、例えば、吸着剤を用いて水素ガスを除湿する技術を用いる除湿システムの場合は、吸着剤の乾燥が、水電解装置からの水素の供給が終わった後に行われる。そのため、水電解槽２１０に電力が供給されていないときにも、除湿システムに電力を供給する必要がある。これに対し、本実施形態の水電解用除湿システム１００によれば、水電解槽２１０に電力が供給されていないとき、すなわち、水素ガスが生成されないとき、冷却部１２へ電力供給をしないため、不要な電力の供給を抑制することができ、水電解用除湿システムに供給される電力を低減することができる。

また、再生可能エネルギー由来の電力は、系統電力と比較して、電力単価が安価に取引されているため、水素の製造および除湿に、再生可能エネルギー由来の電力を使用することが検討されている。再生可能エネルギー由来の電力は、変動が大きいため、水素の製造および除湿に、再生可能エネルギー由来の電力を使用する場合、吸着剤による除湿では、水素の製造時には電力が供給されたものの、吸着剤の乾燥が必要なタイミングで電力が供給されず、適切に除湿できない可能性がある。そのため、吸着剤を用いて水素ガスを除湿する技術を用いる場合は、適時の電力供給を確保するために、再生可能エネルギー由来の電力を用いず、系統電力や電池を介した安定電力を用いたり、これらを、再生可能エネルギー由来の電力と併用するのが適当である。これに対し、本実施形態の水電解用除湿システム１００は、上述の通り、水電解槽２１０に電力が供給され、水素ガスが生成されているときに、電力が供給されていれば、適切に第１水素ガスの除湿を行うことができるため、再生可能エネルギー由来の電力を用いることができる。上述の通り、再生可能エネルギー由来の電力は、系統電力と比較して、電力単価が安価に取引されているため、安価な電力のみを用いて、水素発生と除湿とを実施することができる。その結果、製造物である水素について大幅な低コスト化を実現することができる。また、再生可能エネルギーが水電解システム２００および水電解用除湿システム１００に供給されていない時の電力使用が不要になるため、蓄電池の設置が不要になり、それによりコスト増加や施設規模の増加を抑制できる。

水電解用除湿システム１００は、電子冷却素子を利用して除湿するシステムであり、電子冷却素子としてのペルチェ素子は、電力変動で大きく破損する機構ではないため、変動する再生可能エネルギーを入力に用いることができる。

また、水電解用除湿システム１００によれば、吸着剤を利用したＰＳＡ方式やＴＳＡ方式の除湿システムと比較して、安価な部品、低設置スペース、シンプルな制御システム構成が可能となる。

水電解用除湿システム１００によれば、電力制御部２０は、第１タンク４０が満杯の間、冷却部１２への供給電力を、停止させるため、水電解用除湿システム１００への供給電力を低減させることができる。第１タンク４０が満杯のときは、所定の閾値Ｔｈ以下の水分量の第２水素ガスを流入させる先がないため、高い除湿能力を要さない。そのため、第１タンク４０が満杯の間、冷却部１２への供給電力を停止させることにより、不要な電力供給を抑制することができる。

水電解システム２００および水電解用除湿システム１００に、再生可能エネルギー由来の電力を用いる場合、再生可能エネルギー由来の電力の変動により、第１水素ガスおよび第２水素ガスの水分量も変動する。そのため、第２水素ガスの出口を直接他の装置（例えば、燃料電池、二酸化炭素回収装置等）に接続して、水素を利用すると、水素ガスに含有される水分が多いときに、不具合が生じる虞がある。これに対し、水電解用除湿システム１００では、第２水素ガスの水分量Ｈが所定の閾値Ｔｈ以下の場合に、第１タンク４０に貯留されるため、利用者の所望の水分量の水素を提供することができる。

さらに、水電解用除湿システム１００では、水分量Ｈが所定の閾値Ｔｈより大きい第２水素ガスも排気せず、第２タンク５０に貯留している。そのため、水分量が異なる２種類の水素ガスを提供することができる。例えば、水素ガスの水分量が比較的高くても利用可能な装置（例えば、メタン化反応装置等）に、第２タンク５０に貯留された第２水素ガスを提供することにより、水電解システム２００により生成された水素ガスの利用効率を向上させることができる。また、これにより、水素の排気を抑制することができ、水電解システム２００により製造される水素の低コスト化に資することができる。

また、水電解用除湿システム１００によれば、第１タンク４０が満杯の場合は、第２水素ガスの水分量によらず、第２水素ガスを第２タンク５０に流入させるため、貯留制御を容易にすることができる。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態におけるメタン製造システム６００の構成を概念的示す模式図である。メタン製造システム６００は、第１実施形態の水電解用除湿システム１００とメタン化反応装置３００と、を備える。第１実施形態と同一の構成には、同一の符号を付して、先行する説明を参照する。

メタン化反応装置３００は、二酸化炭素と水素からメタンを製造する。本実施形態のメタン化反応装置３００は、例えば、図４に示すように、動力、電力、熱等を生成する燃焼器等４２０から排出される排ガス（二酸化炭素含有ガス）を利用して、メタンを生成する。

メタン化反応装置３００は、第１流量制御部３１０と、第２流量制御部３２０と、二酸化炭素回収部３３０と、メタン化反応部３４０と、を備える。第１流量制御部３１０は、水電解用除湿システム１００の第１タンク４０に貯留される第２水素ガスの流量を制御して、二酸化炭素回収部３３０に供給する。第２流量制御部３２０は、水電解用除湿システム１００の第２タンク５０に貯留される第２水素ガスの流量を制御して、メタン化反応部３４０に供給する。

二酸化炭素回収部３３０は、二酸化炭素吸着性能を有する吸着材を備え、排ガス等の二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を回収する。二酸化炭素回収部３３０は、水電解用除湿システム１００の第１タンク４０に、第１流量制御部３１０を介して接続され、所定の量の第２水素ガスが供給される。図４に示すように、燃焼器等４２０から排出される排ガスが、脱水器４４０によって脱水され、二酸化炭素回収部３３０に供給されると、二酸化炭素吸着性能を有する吸着材に、二酸化炭素が吸着される。その後、第１タンク４０から二酸化炭素回収部３３０に対して第２水素ガスが供給されると、吸着材に吸着された二酸化炭素が脱離して、二酸化炭素回収部３３０から排出される。図４に示す例では、二酸化炭素回収部３３０によって、排ガスから回収された二酸化炭素は、メタン化反応装置３００のメタン化反応部３４０に供給されると共に、メタン製造システム６００外の燃焼器等４２０に供給される。メタン製造システム６００から燃焼器等４２０に対して二酸化炭素を供給する際、加圧装置４６０によって加圧されて供給される。

メタン化反応部３４０は、二酸化炭素回収部３３０から供給される二酸化炭素と、水電解用除湿システム１００の第２タンク５０から供給される第２水素ガス中の水素を用いて、メタンを製造する。図４に示す例では、メタン化反応装置３００によって製造されたメタンは、燃焼器等４２０に供給される。メタン化反応装置３００によって製造されたメタンは、他の用途に用いられてもよい。

メタン化反応装置３００が備える二酸化炭素回収部３３０は、吸着材の特性を継続的に担保するためには、比較的低水分量の水素ガスを用いる必要がある。例えば、吸着材として、ゼオライトを用いる場合、大気圧露点－１５℃程度（０．１％程度）の水素ガスが必要である。一方、メタン化反応装置３００が備えるメタン化反応部３４０は、水素ガスの水分量に対する要求仕様がない。メタン化反応では水が生成されるため、メタン化反応部３４０は、水に対する耐性を持った材料で構成されているためである。そのため、水電解用除湿システム１００と組み合わせてメタン製造システム６００を構成することにより、水電解システム２００で生成された水素ガスを、無駄を抑制して利用することができる。換言すると、水電解システム２００で生成された水素ガスの利用率を向上させることができる。

また、メタン化反応装置３００は、例えば、燃料電池自動車向けの水素に比べて、水分量が多い水素でも使用することが可能である。そのため、簡易な構成であり、さらには、消費電力を低減する制御が可能である水電解用除湿システム１００と共にメタン製造システム６００を構成することにより、メタン製造システム６００のシステム構成を簡易にして低廉化することができ、また、メタン製造システム６００の消費電力を低減することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・上記実施形態において、水電解槽２１０として、ＰＥＭ型水電解槽を例示したが、水電解槽の種類は、上記実施形態に限定されない。例えば、アルカリ水電解槽、高温水蒸気電解槽等を用いてもよい。ＰＥＭ型水電解槽の場合は、生成される水素ガスの含水量が高く、動作温度も高いため、水素ガスに含まれる水蒸気量が多く、水蒸気の分離が問題となることが多いため、水電解用除湿システム１００を用いるのが好適である。

・上記実施形態において、電源５００から水電解電力制御部２２０を介して電力制御部２０に電力が供給される例を示したが、これに限定されない。例えば、電源５００から、直接、電力制御部２０に対して電力が供給されてもよい。また、水電解槽２１０に電力を供給する電源と異なる他の電源から、水電解用除湿システム１００の除湿部１０に対して電力を供給する構成にしてもよい。

・上記実施形態において、電力制御部２０が水電解電力制御部２２０からの電力供給が無いときに、冷却部１２への電力供給をしない例を示したが、これに限定されない。例えば、水電解用除湿システム１００が、水電解電力制御部２２０から水電解槽２１０への電力供給を検出する電力センサを備え、電力制御部２０が電力センサからの検出信号を用いて、水電解電力制御部２２０から水電解槽２１０への電力供給が無いときに、電力制御部２０が冷却部１２への電力供給をしないように制御してもよい。

・上記実施形態において、水分量（含水量）が所定の閾値以下の第２水素ガスを貯留する第１タンク４０と、水分量（含水量）が所定の閾値より大きい第２水素ガスを貯留する第２タンク５０とを、それぞれ、１つずつ備える例を示したが、それぞれ、１つ以上ずつ備えてもよい。第１タンク４０の数と、第２タンク５０の数は、同じでもよく、異なってもよい。

・上記実施形態において、第１タンク４０と第２タンク５０とを備え、水分量に応じて第２水素ガスの貯留先を切替える構成を例示したが、第２タンク５０を備えない構成にしてもよい。例えば、水分量が所定の閾値より大きい第２水素ガスを、除湿部１０と異なる除湿部に導入する構成にしてもよい。このようにしても、水分量が所定の閾値以下の第２水素ガスを提供することができる。

・上記実施形態において、第２水素ガスの水分量を２種類に分けてタンクに貯留する例を示したが、３種類以上に分けてもよい。

・前記第１タンクが満杯の間、前記冷却部への供給電力を、前記第１タンクが満杯になる前より低減させてもよい。このようにしても、水電解用除湿システム１００への供給電力を低減させることができる。

・上記実施形態において、第１タンク４０が満杯の間、第２水素ガスの水分量によらず、第２水素ガスを第２タンク５０に流入させる例を示したが、第１タンク４０が満杯の間も、第２水素ガスの水分量が閾値Ｔｈより大きい場合に、第２タンク５０に流入させてもよい。

・上記実施形態の水電解用除湿システム１００と、水電解システム２００とを備える水素製造システムを構成してもよい。また、水電解用除湿システム１００と、水電解システム２００と、メタン化反応装置３００と、を備えるメタン製造システムを構成してもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

Ｈ…水分量
Ｔｈ…閾値
１０…除湿部
１２…冷却部
１４…気液分離部
２０…電力制御部
３０…水分量検出部
４０…第１タンク
４２、５２…圧力センサ
５０…第２タンク
６０…切替部
７０…貯留制御部
１００…水電解用除湿システム
２００…水電解システム
２１０…水電解槽
２２０…水電解電力制御部
２３０…気液分離器
３００…メタン化反応装置
３１０…第１流量制御部
３２０…第２流量制御部
３３０…二酸化炭素回収部
３４０…メタン化反応部
４２０…燃焼器等
４４０…脱水器
４６０…加圧装置
５００…電源
６００…メタン製造システム

Claims (6)

1. 水電解槽における水電解により生成された、水蒸気を含有する水素ガスを除湿する、水電解用除湿システムであって、
   前記水電解槽に接続され、前記水電解槽から前記水電解用除湿システムに供給される第１水素ガスを除湿する除湿部であって、電子冷却素子を有する冷却部と、前記冷却部の下流に接続される気液分離部と、を備える除湿部と、
   電源から前記除湿部の前記冷却部への電力供給を制御する電力制御部であって、少なくとも、前記水電解槽に電力が供給されないとき、前記冷却部へ電力供給をさせない、電力制御部と、
   前記除湿部の下流に配置され、前記除湿部から排出される第２水素ガスの水分量を検出する水分量検出部と、
   前記第２水素ガスを貯留可能な第１タンクと、
   前記第２水素ガスを貯留可能な第２タンクと、
   前記第２水素ガスの流入先を、前記第１タンクと前記第２タンクとに切替可能な切替部と、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が所定の閾値以下の場合に、前記第２水素ガスを前記第１タンクに流入させ、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が前記所定の閾値より大きい場合に、前記切替部を制御して、前記第２水素ガスを前記第２タンクに流入させる、貯留制御部と、
   を備える、水電解用除湿システム。
2. 請求項１に記載の水電解用除湿システムであって、
   前記電力制御部は、
   前記第１タンクが満杯の間、前記冷却部への供給電力を、前記第１タンクが満杯になる前より低減させ、
   前記貯留制御部は、
   前記第１タンクが満杯の間、前記第２水素ガスの水分量によらず、前記切替部を制御して、前記第２水素ガスを前記第２タンクに流入させる、
   水電解用除湿システム。
3. 水電解槽における水電解により生成された、水蒸気を含有する水素ガスを除湿する、水電解用除湿システムであって、
   前記水電解槽に接続され、前記水電解槽から前記水電解用除湿システムに供給される第１水素ガスを除湿する除湿部であって、電子冷却素子を有する冷却部と、前記冷却部の下流に接続される気液分離部と、を備える除湿部と、
   電源から前記除湿部の前記冷却部への電力供給を制御する電力制御部であって、少なくとも、前記水電解槽に電力が供給されないとき、前記冷却部へ電力供給をさせない、電力制御部と、
   前記除湿部の下流に配置され、前記除湿部から排出される第２水素ガスの水分量を検出する水分量検出部と、
   前記第２水素ガスを貯留可能な第１タンクと、
   前記水分量検出部の下流に設けられ、前記第２水素ガスを除湿する第２除湿部と、
   前記第２水素ガスの流入先を、前記第１タンクと前記第２除湿部とに切替可能な切替部と、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が所定の閾値以下の場合に、前記第２水素ガスを前記第１タンクに流入させ、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が前記所定の閾値より大きい場合に、前記切替部を制御して、前記第２水素ガスを前記第２除湿部に流入させる、貯留制御部と、
   を備える、水電解用除湿システム。
4. 水電解槽における水電解により生成された、水蒸気を含有する水素ガスを除湿する、水電解用除湿システムであって、
   前記水電解槽に接続され、前記水電解槽から前記水電解用除湿システムに供給される第１水素ガスを除湿する除湿部であって、電子冷却素子を有する冷却部と、前記冷却部の下流に接続される気液分離部と、を備える除湿部と、
   電源から前記除湿部の前記冷却部への電力供給を制御する電力制御部であって、少なくとも、前記水電解槽に電力が供給されないとき、前記冷却部へ電力供給をさせない、電力制御部と、
   前記除湿部の下流に配置され、前記除湿部から排出される第２水素ガスの水分量を検出する水分量検出部と、
   前記第２水素ガスを貯留可能な第１タンクと、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が所定の閾値以下の場合に、前記第２水素ガスを前記第１タンクに流入させ、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が前記所定の閾値より大きい場合に、前記第２水素ガスを排出させる、貯留制御部と、
   を備える、水電解用除湿システム。
5. 二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造システムであって、
   請求項１または請求項２に記載の水電解用除湿システムと、
   前記水電解用除湿システムの前記第１タンクに接続され、二酸化炭素吸着性能を有する吸着材に、供給源から供給された二酸化炭素含有ガスを流し、前記吸着材に前記第１タンク内の前記第２水素ガスを流して、前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部と、
   前記水電解用除湿システムの前記第２タンクに接続されると共に、前記二酸化炭素回収部に接続され、前記二酸化炭素回収部により回収された二酸化炭素と、前記第２タンクに貯留された前記第２水素ガスと、を用いて、メタン化反応を生じさせるメタン化反応部と、
   を備える、
   メタン製造システム。
6. 水電解槽における水電解により生成された、水蒸気を含有する水素ガスを除湿する水電解用除湿システムの制御方法であって、
   前記水電解用除湿システムは、
   前記水電解槽に接続され、前記水電解槽から前記水電解用除湿システムに供給される第１水素ガスを除湿する除湿部であって、電子冷却素子を有する冷却部と、前記冷却部の下流に接続される気液分離部と、を備える除湿部と、
   前記除湿部の下流に配置され、前記除湿部から排出された第２水素ガスの水分量を検出する水分量検出部と、
   前記第２水素ガスを貯留可能な第１タンクと、
   前記第２水素ガスを貯留可能な第２タンクと、
   前記第２水素ガスの流入先を、前記第１タンクと前記第２タンクとに切替可能な切替部と、
   を備えており、
   少なくとも、前記水電解槽に電力が供給されないとき、前記冷却部へ電力を供給させず、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が所定の閾値以下の場合に、前記第２水素ガスを前記第１タンクに流入させ、
   前記水分量検出部により検出された前記第２水素ガスの水分量が前記所定の閾値より大きい場合に、前記切替部を制御して、前記第２水素ガスを前記第２タンクに流入させる、
   水電解用除湿システムの制御方法。

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