JP7495077B2 - Method and apparatus for continuous production of hydrogen gas by electrolysis of dry water - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 1.発行者名:一般社団法人水素エネルギー協会、刊行物名:第39回水素エネルギー協会大会予稿集、頁:第91頁~第92頁、発行年月日:2019年12月2日 2.集会名:第39回水素エネルギー協会大会、公開日:2019年12月3日(開催期間2019年12月2日~3日)Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies 1. Publisher: General Incorporated Association Hydrogen Energy Association, Publication name: Proceedings of the 39th Hydrogen Energy Association Conference, Pages: 91-92, Publication date: December 2, 2019 2. Meeting name: 39th Hydrogen Energy Association Conference, Publication date: December 3, 2019 (held December 2-3, 2019)
本発明は、乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法及びその装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for continuously producing hydrogen gas by dry water electrolysis.
水素ガスは、水素自動車や燃料電池車の燃料などの用途で需要が増大している。例えば、水素ガスを燃料電池車の燃料として用いる場合、燃料電池車用の水素ステーションで高圧下貯蔵された水素ガスを燃料電池車に充填する。その際、水素を供給する配管の経路に断熱膨脹によって低温になる部分があり、水素ガスに水分が多いと、その低温部で水蒸気が凝縮、凝固して、配管が閉塞するなどの問題が生じる恐れがある。そのため、用いる水素ガスの露点は低いほど望ましい。例えば、水素ガスの規格であるG1グレードでは、純度が99.99999体積%超で、窒素含有量が0.05体積ppm未満、露点が-80℃未満と規定されており、G2グレードでは、純度が99.999体積%超で、窒素含有量が5体積ppm未満、露点が-70℃以下と規定されている。 Demand for hydrogen gas is increasing for use as fuel for hydrogen vehicles and fuel cell vehicles. For example, when hydrogen gas is used as fuel for fuel cell vehicles, hydrogen gas stored under high pressure at a hydrogen station for fuel cell vehicles is filled into the fuel cell vehicle. In this case, there are parts of the piping that supplies hydrogen that become cold due to adiabatic expansion. If the hydrogen gas contains a lot of moisture, the water vapor may condense and solidify in the cold parts, causing problems such as blockage of the piping. Therefore, it is desirable for the hydrogen gas to have a low dew point. For example, the G1 grade, which is a standard for hydrogen gas, specifies that the purity is more than 99.99999% by volume, the nitrogen content is less than 0.05 ppm by volume, and the dew point is less than -80°C, while the G2 grade specifies that the purity is more than 99.999% by volume, the nitrogen content is less than 5 ppm by volume, and the dew point is less than -70°C.
一方、水素の製造方法としては、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。水電解による水素の製造は、太陽光、風力などの再生可能エネルギーによって得られる発電電力を用いることができ有益である。しかし、水電解によって得られる水素には原料水由来の水分が混入するため、この水分を除去することが必要であり、除湿プロセスの研究がなされている。 Meanwhile, there are methods for producing hydrogen by electrolyzing water, such as alkaline water electrolysis and solid polymer water electrolysis. Producing hydrogen through water electrolysis is beneficial because it can use electricity generated by renewable energy sources such as solar and wind power. However, the hydrogen produced by water electrolysis is contaminated with moisture from the raw water, so it is necessary to remove this moisture, and research into dehumidification processes is currently being conducted.
例えば、本発明者らは、特許文献1において、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水素ガスと、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水素ガスの製造方法を開示した。 For example, in Patent Document 1, the present inventors disclosed a method for producing dry water electrolysis hydrogen gas, which includes a water electrolysis gas production process in which water is electrolyzed to obtain water electrolysis gas, an absorption process in which the water electrolysis gas containing water vapor derived from the raw water obtained in the water electrolysis gas production process is contacted with an absorption liquid containing an ionic liquid to selectively absorb the water vapor into the absorption liquid, and a separation process in which the dry water electrolysis hydrogen gas with reduced humidity in the absorption process is separated into gas and liquid from the rich absorption liquid that has absorbed the water vapor.
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することで液化した水分を除去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液に接触させることで水分を吸着剤や吸収液に吸着・吸収して除去して露点を下げるプロセスなどがある。 Common gas dehumidification processes include a process in which a gas mixture containing water vapor is cooled in a chiller to remove liquefied moisture and lower the dew point, and a process in which a gas mixture containing water vapor is brought into contact with an adsorbent or absorbing liquid to adsorb and absorb the moisture into the adsorbent or absorbing liquid, thereby lowering the dew point.
しかしながら、前者の混合気体を冷却する除湿プロセスを水電解水素ガスに適用すると、除去対象の水だけでなく、水電解水素ガスそのものも低温に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、水電解水素ガスの水素ガスは、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 of cooling a gas mixture is applied to electrolysis hydrogen gas, not only the water to be removed but also the electrolysis hydrogen gas itself must be cooled to a low temperature, requiring extra energy. In addition, the hydrogen gas in electrolysis hydrogen gas is often compressed after dehumidification before being stored or transported, but the reduction in the partial pressure of the hydrogen gas due to cooling leads to an increase in the compression energy required in the subsequent compression process, which is energy disadvantageous.
後者の吸着剤や吸収液を用いる除湿プロセスには、ゼオライトなどの固体の吸着剤と液体の吸収液を用いる方法がある。 The latter dehumidification process using adsorbents and absorbents includes a method that uses a solid adsorbent such as zeolite and a liquid absorbent.
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℃)で加熱処理を行う必要がある。そのため、この除湿プロセスを水分の量が多い水電解水素ガスに適用すると、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、その都度吸着剤のみならず装置そのものを昇温および冷却する必要があり、バッチ処理部の装置全体を加熱し、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、エネルギーが多大となる。 When dehumidifying using a solid adsorbent, a high-temperature (up to 200°C) heat treatment is required to regenerate the solid adsorbent that has absorbed moisture. Therefore, if this dehumidification process is applied to water electrolysis hydrogen gas, which has a high moisture content, a large amount of energy is required. Furthermore, dehumidification using solid adsorbents is generally performed in batches (two-cylinder or multi-cylinder). This batch treatment requires heating and cooling not only the adsorbent but also the equipment itself each time, so the entire batch treatment unit must be heated and then cooled. Furthermore, heat exchange is difficult in this treatment, so a large amount of energy is required.
液体の吸収液を用いる場合には、水を吸収した水リッチな吸収液を再生塔に送り込み、吸収された水を除去して、再生したリーン吸収液を吸収塔に戻して、再使用することが可能である。この場合には、再生塔は所定の温度に保てば良く、昇温および冷却を繰り返す必要はない。くわえて、低温の水リッチな吸収液と高温のリーン吸収液との間などで熱交換が容易である。 When using a liquid absorption liquid, the water-rich absorption liquid that has absorbed water can be sent to a regeneration tower, the absorbed water removed, and the regenerated lean absorption liquid returned to the absorption tower for reuse. In this case, the regeneration tower only needs to be kept at a specified temperature, and there is no need to repeatedly heat up and cool it. In addition, heat exchange between low-temperature water-rich absorption liquid and high-temperature lean absorption liquid is easy.
しかしながら、液体の吸収液を用いる場合においても、吸収液の再生が容易でなく乾燥水電解水素ガスの製造が困難になる場合があった。例えば、吸収液の再生方法として、再生塔において水リッチな吸収液を加熱したり減圧したりする方法を採用しても水リッチな吸収液から水分を除去することが容易でない場合があった。 However, even when a liquid absorption solution is used, it is sometimes difficult to regenerate the absorption solution, making it difficult to produce dry water electrolysis hydrogen gas. For example, even if a method of heating or reducing the pressure of the water-rich absorption solution in a regeneration tower is used as a method of regenerating the absorption solution, it is sometimes difficult to remove water from the water-rich absorption solution.
したがって、本発明の課題は、水電解により製造された、高湿度な水電解水素ガスから、効率良く高純度の乾燥水電解水素ガスを製造する方法及びその装置を提供することである。 The objective of the present invention is therefore to provide a method and an apparatus for efficiently producing high-purity dry water electrolysis hydrogen gas from high-humidity water electrolysis hydrogen gas produced by water electrolysis.
前述の課題を解決するため、本発明の第一の観点に係る乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法は、
水を電解することで、水素と原料水由来の水蒸気とを含有する湿潤水電解水素ガスを連続的に得る水素生成工程と、
前記湿潤水電解水素ガスを流通させて吸収液と気液混合して接触させることで、前記水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させて、水分含有量が減少した乾燥水電解水素ガスと、
水分含有量が増加したリッチ吸収液との気液混合体を連続的に得る水素乾燥工程と、
前記乾燥水電解水素ガスと前記リッチ吸収液との前記気液混合体を連続的に気液分離することで、気相として前記乾燥水電解水素ガスと、液相として前記リッチ吸収液を連続的に得る水素分離工程と、
気液分離した前記リッチ吸収液の一部を抜き出し、流通させた再生用乾燥水素ガスと気液混合して接触させることで前記再生用乾燥水素ガスに水分を移動させて、水分含有量が減少したリーン吸収液と、水分含有量が増加した湿潤水素ガスとの気液混合体を連続的に得る吸収液再生工程と、
前記リーン吸収液と前記湿潤水素ガスとの前記気液混合体を連続的に気液分離することで、気相として前記湿潤水素ガスと、液相として前記リーン吸収液とを連続的に得る再生吸収液分離工程と、
気液分離した前記リーン吸収液を、前記水素乾燥工程の前記吸収液に連続的に戻す吸収液循環工程と、
を含み、
前記吸収液再生工程では、前記リッチ吸収液を加熱、及び/又は減圧下で前記再生用乾燥水素ガスと接触させる。
In order to solve the above problems, a method for continuously producing hydrogen gas by dry water electrolysis according to a first aspect of the present invention comprises the steps of:
a hydrogen generation step of continuously obtaining wet water electrolysis hydrogen gas containing hydrogen and water vapor derived from the raw water by electrolyzing water;
a dry water electrolysis hydrogen gas having a reduced water content by passing the wet water electrolysis hydrogen gas through the absorbing solution and contacting the gas with the absorbing solution in a gas-liquid mixture, whereby the water vapor is selectively absorbed into the absorbing solution; and
a hydrogen drying step for continuously obtaining a gas-liquid mixture with a rich absorbing liquid having an increased water content;
a hydrogen separation step of continuously performing gas-liquid separation on the gas-liquid mixture of the dry water electrolysis hydrogen gas and the rich absorption solution to continuously obtain the dry water electrolysis hydrogen gas as a gas phase and the rich absorption solution as a liquid phase;
an absorbing liquid regeneration step of extracting a portion of the rich absorbing liquid after gas-liquid separation, and contacting the portion with a circulating dry hydrogen gas for regeneration in a gas-liquid mixture to transfer moisture to the dry hydrogen gas for regeneration, thereby continuously obtaining a gas-liquid mixture of a lean absorbing liquid having a reduced moisture content and a wet hydrogen gas having an increased moisture content;
a regenerated absorbing liquid separation step of continuously separating the gas-liquid mixture of the lean absorbing liquid and the wet hydrogen gas into gas and liquid, thereby continuously obtaining the wet hydrogen gas as a gas phase and the lean absorbing liquid as a liquid phase;
an absorption liquid circulation step of continuously returning the lean absorption liquid after gas-liquid separation to the absorption liquid in the hydrogen drying step;
Including,
In the absorbing solution regeneration step, the rich absorbing solution is contacted with the regenerating dry hydrogen gas under heating and/or reduced pressure .
前記再生用乾燥水素ガスは、前記水素分離工程で気液分離した前記乾燥水電解水素ガスの一部であり、
前記再生吸収液分離工程で気液分離した前記湿潤水素ガスを、前記水素生成工程の湿潤水電解水素ガスに混合する水素循環工程を更に含む、と好ましい。
the dry hydrogen gas for regeneration is a part of the dry water electrolysis hydrogen gas separated into gas and liquid in the hydrogen separation step,
It is preferable that the method further includes a hydrogen circulation step of mixing the wet hydrogen gas separated into gas and liquid in the regenerated absorbing liquid separation step with the wet water electrolysis hydrogen gas in the hydrogen production step.
前記吸収液再生工程で前記リッチ吸収液と接触させる前記再生用乾燥水素ガスの量は、前記再生用乾燥水素ガス:前記水素分離工程で気液分離した前記乾燥水電解水素ガスの比(体積比)で1:100~40:100の範囲である、と好ましい。 It is preferable that the amount of the regenerating dry hydrogen gas that is brought into contact with the rich absorbing solution in the absorbing solution regeneration process is in the range of 1:100 to 40:100 in terms of the ratio (volume ratio) of the regenerating dry hydrogen gas to the dry water electrolysis hydrogen gas separated into gas and liquid in the hydrogen separation process.
前記吸収液循環工程における前記吸収液の循環量は、循環回数で0.01回/時~1回/時の範囲である、と好ましい。 The amount of the absorption liquid circulated in the absorption liquid circulation process is preferably in the range of 0.01 times/hour to 1 time/hour.
前記水素乾燥工程の温度が、0℃~100℃の範囲であり、前記吸収液再生工程の温度が、前記水素乾燥工程の温度より高くかつ50℃~200℃の範囲である、と好ましい。 It is preferable that the temperature of the hydrogen drying process is in the range of 0°C to 100°C, and the temperature of the absorption liquid regeneration process is higher than the temperature of the hydrogen drying process and is in the range of 50°C to 200°C.
前記水素乾燥工程の圧力が、0.1MPaG~100MPaGの範囲であり、前記吸収液再生工程の圧力が、前記水素乾燥工程の圧力より低くかつ-0.1MPaG~1MPaGの範囲である、と好ましい。 It is preferable that the pressure in the hydrogen drying process is in the range of 0.1 MPaG to 100 MPaG, and the pressure in the absorption liquid regeneration process is lower than the pressure in the hydrogen drying process and in the range of -0.1 MPaG to 1 MPaG.
前記吸収液は、イオン液体及び/又はトリエチレングリコールを含有する、と好ましい。 The absorption liquid preferably contains an ionic liquid and/or triethylene glycol.
前記吸収液は、前記イオン液体を含有し、前記イオン液体は式(1)で表される、と好ましい。
本発明の第二の観点に係る乾燥水電解水素ガスの連続的製造装置は、
水を電解することで、水素と原料水由来の水蒸気とを含有する湿潤水電解水素ガスを連続的に得る水素生成手段と、
前記湿潤水電解水素ガスを流通させて吸収液と気液混合して接触させることで、前記水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させて、水分含有量が減少した乾燥水電解水素ガスと、
水分含有量が増加したリッチ吸収液との気液混合体を得る水素乾燥手段と、
前記乾燥水電解水素ガスと前記リッチ吸収液との前記気液混合体を気液分離して、気相の前記乾燥水電解水素ガスと液相の前記リッチ吸収液を連続的に得る水素分離手段と、
気液分離した前記リッチ吸収液の一部を連続的に抜き出す吸収液抜き出し手段と、
抜き出した前記リッチ吸収液を流通させた再生用乾燥水素ガスと気液混合して接触させることで前記再生用乾燥水素ガスに水分を移動させて、水分含有量が減少したリーン吸収液と、水分含有量が増加した湿潤水素ガスとの気液混合体を連続的に得る吸収液再生手段と、
前記リーン吸収液と前記湿潤水素ガスとの前記気液混合体を連続的に気液分離して、気相の湿潤水素ガスと液相の前記リーン吸収液を得る再生吸収液分離手段と、
気液分離した前記リーン吸収液を、前記水素乾燥手段の前記吸収液に連続的に戻す吸収液循環手段と、
を備え、
前記吸収液再生手段は、前記リッチ吸収液を加熱する加熱手段、及び/又は前記乾燥水電解水素ガスを吸引する減圧手段を更に備える。
The apparatus for continuously producing hydrogen gas by dry water electrolysis according to the second aspect of the present invention comprises:
a hydrogen generating means for continuously producing wet water electrolysis hydrogen gas containing hydrogen and water vapor derived from the raw water by electrolyzing water;
a dry water electrolysis hydrogen gas having a reduced water content by passing the wet water electrolysis hydrogen gas through the absorbing solution and contacting the gas with the absorbing solution in a gas-liquid mixture, whereby the water vapor is selectively absorbed into the absorbing solution; and
a hydrogen drying means for obtaining a gas-liquid mixture with a rich absorbing liquid having an increased water content;
a hydrogen separation means for subjecting the gas-liquid mixture of the dry water electrolysis hydrogen gas and the rich absorption solution to gas-liquid separation to continuously obtain the dry water electrolysis hydrogen gas in a gas phase and the rich absorption solution in a liquid phase;
an absorbent extracting means for continuously extracting a portion of the rich absorbent after gas-liquid separation;
an absorbing liquid regenerating means for continuously obtaining a gas-liquid mixture of the lean absorbing liquid having a reduced moisture content and the wet hydrogen gas having an increased moisture content by contacting the extracted rich absorbing liquid with a circulating dry hydrogen gas for regeneration in a gas-liquid mixture to transfer moisture to the dry hydrogen gas for regeneration;
a regenerated absorbing liquid separation means for continuously performing gas-liquid separation of the gas-liquid mixture of the lean absorbing liquid and the wet hydrogen gas to obtain wet hydrogen gas in a gas phase and the lean absorbing liquid in a liquid phase;
an absorbing liquid circulating means for continuously returning the lean absorbing liquid after gas-liquid separation to the absorbing liquid in the hydrogen drying means;
Equipped with
The absorbing solution regenerating means further includes a heating means for heating the rich absorbing solution and/or a pressure reducing means for sucking the dry water electrolysis hydrogen gas .
前記乾燥水電解水素ガスの連続的製造装置は、前記水素分離手段で分離した前記乾燥水電解水素ガスの一部を前記吸収液再生手段に前記再生用乾燥水素ガスとして連続的に移送する水素ガス抜き出し手段を更に備える、と好ましい。 It is preferable that the continuous dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus further includes a hydrogen gas extraction means for continuously transferring a portion of the dry water electrolysis hydrogen gas separated by the hydrogen separation means to the absorption liquid regeneration means as the dry hydrogen gas for regeneration.
前記乾燥水電解水素ガスの連続的製造装置は、前記再生吸収液分離手段で気液分離した前記湿潤水素ガスを前記水素生成手段に移送して前記湿潤水電解水素ガスと混合する水素循環手段を更に備える、と好ましい。 It is preferable that the continuous dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus further includes a hydrogen circulation means for transferring the wet hydrogen gas separated into gas and liquid by the regenerated absorbing liquid separation means to the hydrogen generation means and mixing it with the wet water electrolysis hydrogen gas.
前記水素乾燥手段と前記水素分離手段とは、第1反応器と第2反応器とを備え、
前記第1反応器は、第1吸収液入口と第1吸収液出口と第1ガス吹込口と第1ガス抜出口とを備え、
前記第2反応器は、第2吸収液入口と第2吸収液出口と第2ガス吹込口と第2ガス抜出口とを備え、
前記第1吸収液出口と前記第2吸収液入口とが接続され、前記第2ガス抜出口と前記第1ガス吹込口とが接続され、
前記吸収液と前記湿潤水電解水素ガスとが向流で移動する、と好ましい。
The hydrogen drying means and the hydrogen separation means include a first reactor and a second reactor,
The first reactor includes a first absorbing liquid inlet, a first absorbing liquid outlet, a first gas inlet, and a first gas outlet,
the second reactor is provided with a second absorbing liquid inlet, a second absorbing liquid outlet, a second gas inlet, and a second gas outlet;
the first absorbing liquid outlet and the second absorbing liquid inlet are connected, and the second gas vent and the first gas inlet are connected,
It is preferable that the absorbing solution and the wet water electrolysis hydrogen gas move in a countercurrent manner.
本発明により、水電解により製造された、高湿度な水電解水素ガスから、効率良く高純度の乾燥水電解水素ガスを製造する方法及びその装置が提供される。 The present invention provides a method and device for efficiently producing high-purity dry water electrolysis hydrogen gas from high-humidity water electrolysis hydrogen gas produced by water electrolysis.
本発明の乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法について以下に説明する。 The method for continuously producing hydrogen gas by dry water electrolysis of the present invention is described below.
本発明の一実施形態に係る乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法は、水素生成工程と、水素乾燥工程と、水素分離工程と、吸収液再生工程と、再生吸収液分離工程と、吸収液循環工程とを含む。この各工程は、並行して同時に行うことができ、乾燥水電解水素ガスを連続的に製造する。 The method for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas according to one embodiment of the present invention includes a hydrogen generation process, a hydrogen drying process, a hydrogen separation process, an absorbing solution regeneration process, a regenerated absorbing solution separation process, and an absorbing solution circulation process. These processes can be carried out simultaneously in parallel, and dry water electrolysis hydrogen gas is continuously produced.
(水素生成工程)
水素生成工程では、水を電解することで、水素と原料水由来の水蒸気とを含有する湿潤水電解水素ガスを連続的に得る。
(Hydrogen generation process)
In the hydrogen production process, water is electrolyzed to continuously produce wet-water electrolysis hydrogen gas containing hydrogen and water vapor derived from the raw water.
水の電解方法は、水素が発生す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。 The method of water electrolysis is not particularly limited as long as it produces hydrogen, but examples 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、陽極側で、水酸化物イオンから水と酸素が得られる。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、水素ガスは、酸素と別に得ることができるが、蒸気圧分の高湿度で水蒸気を含有する。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。 Alkaline water electrolysis usually uses an aqueous solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide as the electrolyte. In alkaline water electrolysis, hydrogen and hydroxide ions are obtained from water at the cathode side, and water and oxygen are obtained from the hydroxide ions at the anode side. Oxygen is obtained at the anode side (anode side), and hydrogen is obtained at the cathode side (cathode side), so hydrogen gas can be obtained separately from oxygen, but it contains water vapor at a high humidity level corresponding to the vapor pressure. The electrolysis temperature for alkaline water electrolysis is usually room temperature to 200°C, preferably 70°C to 90°C. Higher temperatures tend to improve the electrode reaction rate.
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。この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。水素ガスは、酸素と別に得ることができるが、蒸気圧分の高湿度で水蒸気を含有する。固体高分子型水電解の電解温度は、通常60℃~100℃である。 Solid polymer water electrolysis usually uses a proton-type cationic membrane, such as a fluororesin cationic membrane, as the electrolyte membrane. In solid polymer water electrolysis, oxygen and hydrogen ions are generated when water is supplied to the anode side. These hydrogen ions pass through the membrane and move to the cathode side, where they gain electrons and become hydrogen. As the hydrogen ions move through the membrane, water also moves to the cathode side. On the cathode side, the generated gas and the transferred water are separated into gas and liquid, and hydrogen gas is obtained. Hydrogen gas can be obtained separately from oxygen, but it contains water vapor at a high humidity level equivalent to the vapor pressure. The electrolysis temperature for 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の固体電解質を用いる。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ガスが得られる。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、水素は、酸素と別に得ることができるが、未反応の水蒸気との混合ガスとして得られ、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 over alkaline water electrolysis, and uses a solid electrolyte such as zirconium oxide as the electrolyte. In high-temperature steam electrolysis, some of the water vapor supplied to the cathode becomes hydrogen and oxide ions, and a mixed gas of hydrogen and water vapor is obtained. The oxide ions move through the electrolyte membrane and become oxygen on the anode. Therefore, hydrogen can be obtained separately from oxygen, but it is obtained as a mixed gas with unreacted water vapor, and contains water at high humidity. The electrolysis temperature for high-temperature steam electrolysis is, for example, 500°C or higher, 700°C or higher, and 1000°C or lower.
このように、本実施形態に係る水素生成工程では、水素ガスは、水素と原料水由来の水蒸気とを含有する湿潤水電解水素ガスとして得られる。 In this way, in the hydrogen generation process according to this embodiment, hydrogen gas is obtained as wet water electrolysis hydrogen gas containing hydrogen and water vapor derived from the raw water.
(水素乾燥工程)
水素乾燥工程では、前述の水素生成工程で得られた水素と原料水由来の水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガスを流通させて吸収液と気液混合して接触させることで、前記水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させて、水分含有量が減少した水素ガス(乾燥水電解水素ガス)と、水分含有量が増加した吸収液(リッチ吸収液)との気液混合体を連続的に得る。
(Hydrogen drying process)
In the hydrogen drying step, the wet water electrolysis hydrogen gas containing the hydrogen obtained in the hydrogen generation step and water vapor derived from the raw water is circulated and brought into contact with the absorbing liquid in a gas-liquid mixture, so that the water vapor is selectively absorbed into the absorbing liquid, and a gas-liquid mixture of hydrogen gas with a reduced water content (dry water electrolysis hydrogen gas) and absorbing liquid with an increased water content (rich absorbing liquid) is continuously obtained.
吸収液は、水を吸収する液体であれば特に限定されないが、例えば、エチレングリコール類などの多価アルコール類、そのエーテルやポリエーテル誘導体、イオン液体、これらを含む混合液が挙げられる。得られる乾燥水電解水素ガスの純度の観点で、吸収液に含有される化合物は、沸点が高いと好ましく、また、蒸気圧が低いと好ましい。また、得られる水素量の観点で、吸収液に含有される化合物は、水素を吸収しない性質を有すると好ましい。 The absorbing liquid is not particularly limited as long as it is a liquid that absorbs water, but examples include polyhydric alcohols such as ethylene glycols, their ether and polyether derivatives, ionic liquids, and mixtures containing these. From the viewpoint of the purity of the resulting dry water electrolysis hydrogen gas, it is preferable that the compound contained in the absorbing liquid has a high boiling point and a low vapor pressure. Also, from the viewpoint of the amount of hydrogen obtained, it is preferable that the compound contained in the absorbing liquid has the property of not absorbing hydrogen.
多価アルコール類としては、エチレングリコール、トリエチレングリコール(略称:TEG)、ジエチレングリコール(略称:DEG)、テトラエチレングリコール、ペンタエチレングリコール、ポリエチレングリコールなどのエチレングリコール類などが挙げられる。 Examples of polyhydric alcohols include ethylene glycols such as ethylene glycol, triethylene glycol (abbreviated as TEG), diethylene glycol (abbreviated as DEG), tetraethylene glycol, pentaethylene glycol, and polyethylene glycol.
多価アルコール類のエーテル又はポリエーテル誘導体としては、ジエチレングリコールジメチルエーテル(別名:ジグリム(diglyme))、トリエチレングリコールジメチルエーテル(別名:トリグリム(Triglyme))、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(別名:テトラグリム(tetraglyme))、ペンタエチレングリコールジメチルエーテル(別名:ペンタグリム(pentaglyme))、ポリエチレングリコールジメチルエーテルなどが挙げられる。 Examples of ether or polyether derivatives of polyhydric alcohols include diethylene glycol dimethyl ether (also known as diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (also known as triglyme), tetraethylene glycol dimethyl ether (also known as tetraglyme), pentaethylene glycol dimethyl ether (also known as pentaglyme), and polyethylene glycol dimethyl ether.
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れば特に限定されないが、50℃(大気圧)で液体の塩であると好ましく、室温(25℃)(大気圧)で液体であるとより好ましく、10℃(大気圧)で液体であるとより好ましい。 Ionic liquids are not particularly limited as long as they are salts consisting of cations and anions and are liquid at 100°C and atmospheric pressure, but are preferably salts that are liquid at 50°C (atmospheric pressure), more preferably at room temperature (25°C) (atmospheric pressure), and even more preferably at 10°C (atmospheric pressure).
イオン液体の融点は、100℃以下であると好ましく、50℃未満であるとより好ましく、25℃未満であると更に好ましく、10℃未満であると特に好ましい。イオン液体の融点の下限は、特に限定されない。 The melting point of the ionic liquid is preferably 100°C or less, more preferably less than 50°C, even more preferably less than 25°C, and particularly preferably less than 10°C. There is no particular lower limit to the melting point of the ionic liquid.
また、イオン液体には、微量の水分を含むことで融点が低下するものがあるが、そのようなイオン液体の場合には、低下した融点が、100℃以下であると好ましく、50℃未満であるとより好ましく、25℃未満であると更に好ましく、10℃未満であると特に好ましい。 Some ionic liquids have a lower melting point due to the inclusion of a small amount of water. In the case of such ionic liquids, the lowered melting point is preferably 100°C or less, more preferably less than 50°C, even more preferably less than 25°C, and particularly preferably less than 10°C.
また、イオン液体には、融点以下の温度でも過冷却となり液体状態をとる化合物が多いが、そのようなイオン液体の場合には、イオン液体は、100℃で液体状態をとる化合物であると好ましく、50℃未満で液体状態をとる化合物であるとより好ましく、25℃未満で液体状態をとる化合物であると更に好ましく、10℃未満で液体状態をとる化合物であると特に好ましい。 In addition, many ionic liquids are compounds that become supercooled and assume a liquid state even at temperatures below their melting point. In the case of such ionic liquids, the ionic liquid is preferably a compound that assumes a liquid state at 100°C, more preferably a compound that assumes a liquid state at less than 50°C, even more preferably a compound that assumes a liquid state at less than 25°C, and particularly preferably a compound that assumes a liquid state at less than 10°C.
イオン液体を構成するカチオンとアニオンは、その両方又は、いずれか一方が有機化合物であると融点の観点から好ましい。 From the viewpoint of melting point, it is preferable that either or both of the cations and anions that make up the ionic liquid are organic compounds.
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。 The anion constituting the ionic liquid is not particularly limited, but is preferably an oxoacid ion. In this specification, an oxoacid is an inorganic or organic acid that contains 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、硫酸エステル、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 oxoacids include carboxylic acids, nitric acids, sulfuric acids, sulfonic acids, sulfate esters, phosphate esters, phosphoric acids, phosphonate esters, and phosphonic acids.
カルボン酸イオンは、式2で表されるアニオンである。
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、ギ酸、酢酸が好ましい。 More specific examples of carboxylic acids include formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, oleic acid, benzoic acid, lactic acid, trifluoroacetic acid, and heptafluorobutyric acid. Of these, formic acid and acetic acid are preferred.
硫酸イオンは、式3で表されるアニオンである。
スルホン酸イオンは、式4で表されるアニオンである。
硫酸エステルイオンは、式5で表されるアニオンである。
リン酸エステルイオン及びリン酸イオンは、式6で表されるアニオンである。
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;ジメチルホスフェート、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。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。 Specific examples of phosphate esters include phosphate esters such as butyl phosphate and phenyl phosphate; and phosphate diesters such as dimethyl phosphate, dibutyl phosphate, and bis(2-ethylhexyl) phosphate. Among the hydrocarbon groups, aliphatic hydrocarbon groups are preferred, alkyl groups are more preferred, alkyl groups having 2 or less carbon atoms are particularly preferred, and methyl groups are most preferred.
ホスホン酸エステルイオン及びホスホン酸イオンは、式7で表されるアニオンである。
これらのアニオンの中でも、リン酸エステルイオンが好ましく、ホスフェートがより好ましく、ジメチルホスフェートが特に好ましい。 Among these anions, phosphate ester ions are preferred, phosphate is more preferred, and dimethyl phosphate is particularly preferred.
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。 The cations constituting the ionic liquid according to the present invention are not particularly limited, but examples thereof include imidazoliums, pyrrolidiniums, piperidiniums, pyridiniums, morpholiniums, ammoniums, phosphoniums, and sulfoniums.
これらのカチオンの中でも、ホスホニウム類が好ましく、メチルトリブチルホスホニウムがより好ましい。 Among these cations, phosphoniums are preferred, and methyltributylphosphonium is more preferred.
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、特に限定されないが、より具体的には、メチルトリブチルホスホニウムとジメチルホスフェートの組み合わせが好ましい。吸収液が、イオン液体としてメチルトリブチルホスホニウム ジメチルホスフェートを含有していると、除湿量の観点で好ましい。 In the ionic liquid according to the present invention, the combination of the cation and anion is not particularly limited, but more specifically, a combination of methyltributylphosphonium and dimethylphosphate is preferred. It is preferable from the viewpoint of the dehumidification amount if the absorption liquid contains methyltributylphosphonium dimethylphosphate as the ionic liquid.
本発明に係るイオン液体は、市販のものを入手することができ、又は公知の方法により製造することができる。例えば、前記のメチルトリブチルホスホニウム ジメチルホスフェートは、商品名「ヒシコーリンPX-4MP」(日本化学工業株式会社製)として入手することができる。 The ionic liquid according to the present invention can be commercially available or can be produced by known methods. For example, the methyltributylphosphonium dimethylphosphate is available under the trade name "Hishicoline PX-4MP" (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.).
本発明に係る吸収液は、本発明の効果を損なわない範囲で、更に他の添加剤を含むことができる。他の添加剤としては、無機塩が挙げられる。 The absorbing solution according to the present invention may further contain other additives as long as the effect of the present invention is not impaired. Examples of other additives include inorganic salts.
無機塩は、無機化合物のアニオンと無機化合物のカチオンとからなる塩であり、前述のイオン液体を除く化合物である。具体的には、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、クロム酸などの炭素を含まない酸、炭酸、酢酸、シアン酸、シアン化水素酸などの無機酸のアニオンと、金属イオンのカチオンとからなる塩が挙げられる。 An inorganic salt is a salt consisting of an anion of an inorganic compound and a cation of an inorganic compound, excluding the above-mentioned ionic liquids. Specific examples include salts consisting of an anion of an inorganic acid, such as an acid that does not contain carbon, such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, or chromic acid, or a cation of a metal ion.
無機塩のカチオンは、無機のカチオンであれば特に限定されないが、金属カチオンであると好ましく、アルカリ金属カチオン及びアルカリ土類金属カチオンが好ましく、リチウムイオン及びカルシウムイオンが好ましい。 The cation of the inorganic salt is not particularly limited as long as it is an inorganic cation, but is preferably a metal cation, preferably an alkali metal cation or an alkaline earth metal cation, and more preferably a lithium ion or a calcium ion.
無機塩のアニオンは、無機酸のアニオンであれば、特に限定されないが、フッ酸、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸などのハロゲン化水素酸、酢酸、蟻酸、炭酸、硝酸、硫酸、リン酸、クロム酸、シアン酸、シアン化水素酸のアニオンなどが挙げられる。中でも、ハロゲン化水素酸、硝酸、酢酸のアニオンが好ましく、塩酸、硝酸、酢酸のアニオンが好ましい。 The anion of the inorganic salt is not particularly limited as long as it is an anion of an inorganic acid, but examples include anions of hydrohalic acids such as hydrofluoric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid, and hydroiodic acid, acetic acid, formic acid, carbonic acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, chromic acid, cyanic acid, and hydrocyanic acid. Among these, anions of hydrohalic acids, nitric acid, and acetic acid are preferred, and anions of hydrochloric acid, nitric acid, and acetic acid are more preferred.
無機塩の具体例としては、前述の無機のカチオンと前述の無機酸のアニオンを組み合わせたものが挙げられるが、より具体的には、酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、酢酸マグネシウム、酢酸カルシウムなどの酢酸塩;塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウムなどの塩化物塩;臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化マグネシウム、臭化カルシウムなどの臭化物塩;硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウムなどの硝酸塩などが挙げられる。中でも、リチウム塩及びカルシウム塩、並びに酢酸塩、塩化物塩、臭化物塩及び硝酸塩が好ましく、酢酸リチウム、酢酸カルシウム、塩化カルシウム、塩化リチウム、硝酸カルシウム、臭化リチウムがより好ましく、酢酸リチウム、塩化カルシウム、塩化リチウム、硝酸リチウム、硝酸カルシウムが特に好ましい。 Specific examples of inorganic salts include combinations of the above-mentioned inorganic cations and the above-mentioned inorganic acid anions, and more specifically, acetates such as lithium acetate, sodium acetate, potassium acetate, magnesium acetate, and calcium acetate; chlorides such as lithium chloride, sodium chloride, potassium chloride, magnesium chloride, and calcium chloride; bromides such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, magnesium bromide, and calcium bromide; and nitrates such as lithium nitrate, sodium nitrate, potassium nitrate, magnesium nitrate, and calcium nitrate. Among these, lithium salts and calcium salts, as well as acetates, chlorides, bromides, and nitrates are preferred, lithium acetate, calcium acetate, calcium chloride, lithium chloride, calcium nitrate, and lithium bromide are more preferred, and lithium acetate, calcium chloride, lithium chloride, lithium nitrate, and calcium nitrate are particularly preferred.
イオン液体と無機塩とを組み合わせて用いる場合には、その組み合わせは特に限定されないが、無機塩がイオン液体に均一に溶解しうる無機塩であると好ましく、無機塩がイオン液体中に使用温度で均一に溶解または分散しうるものであるとより好ましい。具体的には、イオン液体としてのメチルトリブチルホスホニウム ジメチルホスフェートと、無機塩としての酢酸リチウム、酢酸カルシウム、塩化カルシウム、塩化リチウム、硝酸カルシウム、硝酸リチウム又は臭化リチウムの組み合わせが好ましく、イオン液体としてのメチルトリブチルホスホニウム ジメチルホスフェートと、無機塩としての酢酸リチウム、塩化カルシウム又は塩化リチウムの組み合わせがより好ましい。 When an ionic liquid and an inorganic salt are used in combination, the combination is not particularly limited, but it is preferable that the inorganic salt is an inorganic salt that can be uniformly dissolved in the ionic liquid, and it is more preferable that the inorganic salt is an inorganic salt that can be uniformly dissolved or dispersed in the ionic liquid at the temperature of use. Specifically, a combination of methyltributylphosphonium dimethylphosphate as the ionic liquid and lithium acetate, calcium acetate, calcium chloride, lithium chloride, calcium nitrate, lithium nitrate, or lithium bromide as the inorganic salt is preferable, and a combination of methyltributylphosphonium dimethylphosphate as the ionic liquid and lithium acetate, calcium chloride, or lithium chloride as the inorganic salt is more preferable.
イオン液体と無機塩とを組み合わせて用いる場合のイオン液体と無機塩との含有割合は特に限定されないが、吸収液が流動性を有するように、イオン液体に無機塩が使用温度で均一に溶解または分散しうる割合であると好ましく、イオン液体の常温における溶解度以下であるとより好ましく、イオン液体に無機塩が使用温度で均一に溶解しうる割合であると特に好ましい。含有割合がこの範囲にあると、吸収液は循環性に優れ、吸収及び放出の速度が速い点で好ましい。 When an ionic liquid and an inorganic salt are used in combination, the content ratio of the ionic liquid and the inorganic salt is not particularly limited, but it is preferable that the inorganic salt is dissolved or dispersed uniformly in the ionic liquid at the temperature of use so that the absorbing liquid has fluidity, and it is more preferable that the content ratio is equal to or lower than the solubility of the ionic liquid at room temperature, and it is particularly preferable that the inorganic salt is dissolved uniformly in the ionic liquid at the temperature of use. When the content ratio is within this range, the absorbing liquid is preferable in that it has excellent circulation properties and fast absorption and release speeds.
本実施形態に係る無機塩は、単独で空気や有機溶媒用の乾燥剤として用いられているものもあるが、それらの乾燥剤は固体であり流動性に劣る場合や、吸湿後に溶液となり、再生のために乾燥すると形状が乾燥剤に不向きな形状となったり、乾燥自体が困難である場合がある。それに対して、無機塩とイオン液体を併用した吸収液は、液状であるので循環させることが可能であり、また、吸収放出の速度が速く、再生も容易である。 Some of the inorganic salts according to this embodiment are used alone as desiccants for air or organic solvents, but these desiccants are solid and may have poor fluidity, or may become a solution after absorbing moisture, and when dried for regeneration, the shape may become unsuitable for a desiccant, or the drying itself may be difficult. In contrast, the absorption liquid that uses an inorganic salt in combination with an ionic liquid is liquid and can be circulated, has a fast absorption and release speed, and is easy to regenerate.
水素乾燥工程において、湿潤水電解水素ガスを流通させて吸収液と気液混合して接触させる方法は、水電解水素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、流通した湿潤水電解水素ガスに吸収液をスプレーする方法、充填物を充填した充填塔の上方から吸収液を流下させ、湿潤水電解水素ガスを下方から上方に流通させる方法、貯留した吸収液中に湿潤水電解水素ガスをバブリングさせて流通させる方法が挙げられる。 In the hydrogen drying process, the method of flowing the wet water electrolysis hydrogen gas and contacting it with the absorbing liquid through a gas-liquid mixture is not particularly limited as long as the water vapor in the water electrolysis hydrogen gas is absorbed by the absorbing liquid. Examples include a method of spraying the absorbing liquid onto the flowing wet water electrolysis hydrogen gas, a method of flowing the wet water electrolysis hydrogen gas from the bottom to the top of a packed tower filled with packing material, and a method of bubbling the wet water electrolysis hydrogen gas through the stored absorbing liquid and flowing it.
水素生成工程で得られる湿潤水電解水素ガスは、気体又は液体の水を伴う。液体の水が存在する場合は、水素乾燥工程の前に気液分離して除去することが好ましい。必要により気液分離して得られた気体は、水素と水蒸気と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、1m3当たり飽和水蒸気量の23gの水蒸気を含む。 The wet water electrolysis hydrogen gas obtained in the hydrogen generation process is accompanied by gaseous or liquid water. If liquid water is present, it is preferable to remove it by gas-liquid separation before the hydrogen drying process. The gas obtained by gas-liquid separation, if necessary, becomes a mixed gas of hydrogen and water vapor, but contains a large amount of water vapor, and usually contains water vapor in a saturated water vapor amount. For example, at 25°C and normal pressure, it contains 23 g of water vapor per 1 m3, which is the saturated water vapor amount.
水素乾燥工程において、湿潤水電解水素ガスを吸収液と接触させると、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。特に吸収液としてイオン液体を用いると、イオン液体が水素をほとんど吸収せず水を吸収することから、より、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 hydrogen drying process, when the wet water electrolysis hydrogen gas is brought into contact with the absorbing liquid, the water vapor in the gas phase is transferred to the absorbing liquid in the liquid phase, thereby reducing the amount of water in the gas phase. In particular, when an ionic liquid is used as the absorbing liquid, the ionic liquid absorbs water but hardly any hydrogen, so that the water vapor in the gas phase is transferred to the absorbing liquid in the liquid phase, thereby reducing the amount of water in the gas phase.
湿潤水電解水素ガスと吸収液とを接触させる際には、湿潤水電解水素ガスと吸収液の接触する界面が大きいほど好ましい。この様な接触方法としては、例えば、流通した湿潤水電解水素ガスに吸収液を噴霧する方法や、吸収液に湿潤水電解水素ガスをバブリングして流通させる方法、これらを充填材の存在下で行う方法などが挙げられる。 When contacting the wet water electrolysis hydrogen gas with the absorbing solution, it is preferable to have a larger interface between the wet water electrolysis hydrogen gas and the absorbing solution. Examples of such contact methods include a method of spraying the absorbing solution onto the flowing wet water electrolysis hydrogen gas, a method of bubbling the wet water electrolysis hydrogen gas into the absorbing solution and flowing it, and a method of carrying out these in the presence of a filler.
湿潤水電解水素ガスと吸収液とを接触させることで、湿潤水電解水素ガス中の水蒸気が吸収液に界面を通して移動し、水分含有量が減少した乾燥水電解水素ガスと、水分含有量が増加した吸収液(リッチ吸収液)の気液混合体が得られる。 By contacting the wet water electrolysis hydrogen gas with the absorbing liquid, the water vapor in the wet water electrolysis hydrogen gas moves through the interface to the absorbing liquid, resulting in a gas-liquid mixture of dry water electrolysis hydrogen gas with a reduced water content and absorbing liquid with an increased water content (rich absorbing liquid).
水素乾燥工程の温度は特に限定されないが、0℃~100℃の範囲であると好ましく、10℃~50℃の範囲であるとより好ましい。水素乾燥工程の温度が低いと乾燥水電解水素ガス中の水分量が減少する傾向がある。 The temperature of the hydrogen drying process is not particularly limited, but is preferably in the range of 0°C to 100°C, and more preferably in the range of 10°C to 50°C. If the temperature of the hydrogen drying process is low, the amount of moisture in the dried water electrolysis hydrogen gas tends to decrease.
水素乾燥工程の圧力は特に限定されないが、0.1MPaG~100MPaGの範囲であると好ましい。 The pressure in the hydrogen drying process is not particularly limited, but it is preferable that it is in the range of 0.1 MPaG to 100 MPaG.
水素乾燥工程では、吸収液を循環させながら連続的に再生することで、乾燥水電解水素ガスを連続的に製造する。すなわち、水素乾燥工程の吸収液は、水分含有量が増加した吸収液(リッチ吸収液)を、後述する吸収液再生工程で連続的に再生し、その再生した吸収液(リーン吸収液)を水素乾燥工程の吸収液として循環させることで、流通させた湿潤水電解水素ガスを連続的に乾燥する。 In the hydrogen drying process, the absorbent is continuously regenerated while being circulated, thereby continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas. That is, the absorbent in the hydrogen drying process is an absorbent with an increased water content (rich absorbent), which is continuously regenerated in the absorbent regeneration process described below, and this regenerated absorbent (lean absorbent) is circulated as the absorbent in the hydrogen drying process, thereby continuously drying the circulated wet water electrolysis hydrogen gas.
水素乾燥工程における湿潤水電解水素ガスの流通量と吸収液の量の割合は、湿潤水電解水素ガスを安定して連続的に乾燥できる範囲であれば特に限定されず、吸収液の循環量は、湿潤水電解水素ガスの水分含有量や流通量(処理量)に基づいて決定することができる。例えば、湿潤水電解水素ガスが10℃(0.35MPaG)の飽和水蒸気分の水蒸気を含んでいる場合、1単位体積の吸収液を再生して循環させながら使用すると、1時間当たり約240単位体積程度の湿潤水電解水素ガスを乾燥させることができる。 The ratio of the amount of wet water electrolysis hydrogen gas flowing and the amount of absorption liquid in the hydrogen drying process is not particularly limited as long as it is within a range in which the wet water electrolysis hydrogen gas can be stably and continuously dried, and the amount of circulation of the absorption liquid can be determined based on the moisture content and circulation amount (processing amount) of the wet water electrolysis hydrogen gas. For example, if the wet water electrolysis hydrogen gas contains water vapor equivalent to saturated water vapor at 10°C (0.35 MPaG), when one unit volume of absorption liquid is regenerated and used while being circulated, about 240 unit volumes of wet water electrolysis hydrogen gas can be dried per hour.
吸収液の循環量は、吸収液の水分含有量が安定する範囲であれば特に限定されないが、循環回数で0.01回/時~1回/時の範囲であると好ましく、0.1回/時~0.8回/時であるとより好ましく、0.2回/時~0.4回/時であると特に好ましい。 The amount of circulation of the absorption liquid is not particularly limited as long as the moisture content of the absorption liquid is stable, but the number of circulations is preferably in the range of 0.01 times/hour to 1 time/hour, more preferably 0.1 times/hour to 0.8 times/hour, and particularly preferably 0.2 times/hour to 0.4 times/hour.
ここで、循環回数とは、水素乾燥工程で用いた吸収液が1時間に循環する回数をいい、例えば、湿潤水電解水素ガスと吸収液との接触を、吸収塔に吸収液を貯留し、その底部から湿潤水電解水素ガスをバブリングさせて流通させる方法を用いる場合には、吸収塔に貯留した吸収液が、1時間に循環する回数である。湿潤水電解水素ガスの水分含有量や流通量が多い場合は、吸収液の量や循環回数が多いほど好ましい。 Here, the number of circulations refers to the number of times the absorption liquid used in the hydrogen drying process is circulated per hour. For example, when the contact between the wet water electrolysis hydrogen gas and the absorption liquid is achieved by storing the absorption liquid in an absorption tower and bubbling the wet water electrolysis hydrogen gas from the bottom, the number of times the absorption liquid stored in the absorption tower is circulated per hour. When the moisture content or flow rate of the wet water electrolysis hydrogen gas is high, the amount of absorption liquid and the number of circulations are preferably high.
(水素分離工程)
水素分離工程では、前述の水素乾燥工程の乾燥水電解水素ガスとリッチ吸収液との気液混合体を連続的に気液分離することで、気相として前記乾燥水電解水素ガスと、液相として前記リッチ吸収液を連続的に得る。
(Hydrogen separation process)
In the hydrogen separation step, the gas-liquid mixture of the dried water electrolysis hydrogen gas and the rich absorbing solution from the hydrogen drying step described above is continuously separated into gas and liquid to continuously obtain the dried water electrolysis hydrogen gas as a gas phase and the rich absorbing solution as a liquid phase.
乾燥水電解水素ガスとリッチ吸収液との気液混合体を連続的に気液分離する方法は、気相として乾燥水電解水素ガスを液相のリッチ吸収液から分離できる限り特に限定されない。例えば、吸収液を貯留した吸収塔を用いることで、吸収液の液面で連続的に気液分離され、上部気室から連続的に気相を抜き出す方法や、水素乾燥工程の気液混合体を、別途、分離器に移送して気相と液相に分離する方法などが挙げられる。 The method for continuously separating the gas-liquid mixture of dry water electrolysis hydrogen gas and rich absorbing solution is not particularly limited as long as the dry water electrolysis hydrogen gas in the gas phase can be separated from the rich absorbing solution in the liquid phase. For example, there is a method in which gas-liquid separation is continuously performed at the liquid level of the absorbing solution by using an absorption tower storing the absorbing solution, and the gas phase is continuously extracted from the upper gas chamber, or a method in which the gas-liquid mixture from the hydrogen drying process is transferred to a separate separator and separated into the gas phase and the liquid phase.
また、水素分離工程は水素乾燥工程と同時に行うことができる。例えば、充填材を充填した、吸収塔の上部から吸収液を流下し、吸収塔の下部から湿潤水電解水素ガスを導入して流通させ、吸収塔の上部から乾燥水電解水素ガスを抜き出す方法、水平な管の一端から他端に湿潤水電解水素ガスを流通させ、その湿潤水電解水素ガスに吸収液を管の上部からスプレーし、水蒸気を吸収した吸収液を下方から抜き出すことで、水電解水素ガス中の水蒸気を吸収液に吸収させて抜き出し、管の他端から乾燥水電解水素ガスを排出する方法等が挙げられる。 The hydrogen separation process can be carried out simultaneously with the hydrogen drying process. For example, there is a method in which the absorption liquid flows down from the top of an absorption tower filled with a packing material, wet water electrolysis hydrogen gas is introduced and circulated from the bottom of the absorption tower, and dry water electrolysis hydrogen gas is extracted from the top of the absorption tower; there is a method in which wet water electrolysis hydrogen gas flows from one end of a horizontal tube to the other end, the absorption liquid is sprayed from the top of the tube onto the wet water electrolysis hydrogen gas, and the absorption liquid that has absorbed the water vapor is extracted from below, so that the water vapor in the water electrolysis hydrogen gas is absorbed by the absorption liquid and extracted, and the dry water electrolysis hydrogen gas is discharged from the other end of the tube.
吸収塔は、複数の反応器を直列に連結することが好ましい。例えば、2段の反応器を直列に連結する場合、第1吸収液入口と第1吸収液出口と第1ガス吹込口と第1ガス抜出口とを備える第1反応器と、第2吸収液入口と第2吸収液出口と第2ガス吹込口と第2ガス抜出口とを備える第2反応器について、第1吸収液出口と第2吸収液入口とを接続し、第2ガス抜出口と第1ガス吹込口とを接続し、吸収液と湿潤水電解水素ガスとが向流で移動することで、吸収塔内で水蒸気の吸収液への吸収が円滑に行われ、吸収塔内の入口と出口で吸収液中の含水量の濃度勾配が達成できる。 In the absorption tower, it is preferable to connect multiple reactors in series. For example, when two stages of reactors are connected in series, the first reactor has a first absorption liquid inlet, a first absorption liquid outlet, a first gas inlet, and a first gas outlet, and the second reactor has a second absorption liquid inlet, a second absorption liquid outlet, a second gas inlet, and a second gas outlet. The first absorption liquid outlet and the second absorption liquid inlet are connected, and the second gas outlet and the first gas inlet are connected, and the absorption liquid and the wet water electrolysis hydrogen gas move in countercurrent, so that the absorption of water vapor into the absorption liquid in the absorption tower is smoothly performed, and a concentration gradient of the water content in the absorption liquid at the inlet and the outlet of the absorption tower can be achieved.
気液分離した気相にミスト状に吸収液が混在する場合には、更に、ミストセパレーターや、トラップ、フィルター等を用いて、乾燥水電解水素ガスから吸収液を除去することができる。 If the absorbing liquid is mixed in the gas phase after gas-liquid separation in the form of mist, the absorbing liquid can be further removed from the dry water electrolysis hydrogen gas using a mist separator, trap, filter, etc.
吸収液として、イオン液体などの蒸気圧が低いものを用いると、ミスト状になりづらく、乾燥水電解水素ガスに同伴される吸収液が減少するので好ましい。 It is preferable to use an absorbing liquid with a low vapor pressure, such as an ionic liquid, since this is less likely to turn into a mist and reduces the amount of absorbing liquid entrained in the dry water electrolysis hydrogen gas.
(吸収液再生工程)
吸収液再生工程は、前述の水素分離工程で気液分離して液相として得たリッチ吸収液の一部を抜き出し、流通させた再生用乾燥水素ガスと気液混合して接触させることで再生用乾燥水素ガスに水分を移動させて、水分含有量が減少したリーン吸収液と、水分含有量が増加した湿潤水素ガスとの気液混合体を連続的に得る。
(Absorption liquid regeneration process)
In the absorption liquid regeneration process, a portion of the rich absorption liquid obtained as a liquid phase by gas-liquid separation in the hydrogen separation process described above is extracted, and the gas-liquid mixture is brought into contact with the circulating dry hydrogen gas for regeneration in a gas-liquid mixture to transfer moisture to the dry hydrogen gas for regeneration, thereby continuously obtaining a gas-liquid mixture of lean absorption liquid with a reduced moisture content and wet hydrogen gas with an increased moisture content.
吸収液の再生に、乾燥した水素ガスを用いることで、本実施形態に係る連続的製造方法によって得られる乾燥水電解水素ガスを、窒素ガスや酸素ガスなどの不純物を含まない高純度ガスとして得ることができる。 By using dried hydrogen gas to regenerate the absorption solution, the dry water electrolysis hydrogen gas obtained by the continuous production method according to this embodiment can be obtained as a high-purity gas that does not contain impurities such as nitrogen gas or oxygen gas.
吸収液は、水素乾燥工程により、当初の吸収液に比べて水分含有量が増加している。水分含有量が増加した吸収液(リッチ吸収液)は、湿潤水電解水素ガスの乾燥能力が低下する。そのため、本実施形態に係る連続的製造方法では、リッチ吸収液の一部を抜き出して再生した後、再生吸収液(リーン吸収液)を後述する吸収液循環工程で吸収液に戻して循環させることで、水素乾燥工程における吸収液の水分含有量を所定以下にすることが可能である。 The moisture content of the absorption liquid is increased by the hydrogen drying process compared to the initial absorption liquid. The absorption liquid with an increased moisture content (rich absorption liquid) has a reduced drying ability for wet water electrolysis hydrogen gas. Therefore, in the continuous production method according to this embodiment, a portion of the rich absorption liquid is extracted and regenerated, and then the regenerated absorption liquid (lean absorption liquid) is returned to the absorption liquid in the absorption liquid circulation process described below and circulated, making it possible to reduce the moisture content of the absorption liquid in the hydrogen drying process to a predetermined level or less.
再生用乾燥水素ガスは、リッチ吸収液と接触させることで、リッチ吸収液の水分含有量を減少させる程度に乾燥した水素ガスであれば特に限定されない。例えば、別途準備した水分含有量の少ない水素ガスを用いることができる。また、水素乾燥工程で得た乾燥水電解水素ガスを用いることもできる。 The dry hydrogen gas for regeneration is not particularly limited as long as it is hydrogen gas that is dried to such an extent that it reduces the moisture content of the rich absorbing solution when it is brought into contact with the rich absorbing solution. For example, separately prepared hydrogen gas with a low moisture content can be used. Also, dried water electrolysis hydrogen gas obtained in the hydrogen drying process can be used.
再生用乾燥水素ガスとリッチ吸収液とを接触させると、リッチ吸収液から乾燥ガスに水分が移動し、リッチ吸収液を再生して再生吸収液(リーン吸収液)とすることができる。 When the regenerated dry hydrogen gas is brought into contact with the rich absorbing liquid, moisture is transferred from the rich absorbing liquid to the dry gas, and the rich absorbing liquid can be regenerated to produce regenerated absorbing liquid (lean absorbing liquid).
吸収液再生工程における再生用乾燥水素ガスとリッチ吸収液の接触方法は、リッチ吸収液中の水分が再生用乾燥水素ガスに移動する限り特に限定されない。例えば、流通させた再生用乾燥水素ガスにリッチ吸収液をスプレーする方法、充填物を充填した充填塔の上方からリッチ吸収液を流下させ、再生用乾燥水素ガスを流通させる方法、リッチ吸収液中に再生用乾燥水素ガスをバブリングさせて流通させる方法が挙げられる。再生用乾燥水素ガスをリッチ吸収液にバブリングすることで、再生塔内の吸収液を攪拌し、吸収液の再生速度を向上することが可能である。 The method of contacting the dry hydrogen gas for regeneration with the rich absorbing liquid in the absorbing liquid regeneration process is not particularly limited as long as the moisture in the rich absorbing liquid is transferred to the dry hydrogen gas for regeneration. Examples include a method of spraying the rich absorbing liquid onto the circulating dry hydrogen gas for regeneration, a method of allowing the rich absorbing liquid to flow down from the top of a packed tower filled with packing and circulating the dry hydrogen gas for regeneration, and a method of bubbling the dry hydrogen gas for regeneration into the rich absorbing liquid and circulating it. By bubbling the dry hydrogen gas for regeneration into the rich absorbing liquid, it is possible to agitate the absorbing liquid in the regeneration tower and improve the regeneration speed of the absorbing liquid.
吸収液再生工程の温度及び圧力は特に限定されないが、リッチ吸収液を加熱、及び/又は減圧下で再生用乾燥水素ガスと接触させると、吸収液の再生の観点で好ましい。 The temperature and pressure of the absorption liquid regeneration process are not particularly limited, but it is preferable from the viewpoint of regenerating the absorption liquid to heat the rich absorption liquid and/or contact it with dry hydrogen gas for regeneration under reduced pressure.
吸収液再生工程においてリッチ吸収液を加熱することで、所定の水蒸気分圧における吸収液の飽和水分量が低下し、リッチ吸収液中の水分を再生用乾燥水素ガスに移動しやすくなるので、吸収液の再生が容易になる。 By heating the rich absorbing solution in the absorbing solution regeneration process, the saturated moisture content of the absorbing solution at a specified water vapor partial pressure is reduced, making it easier to transfer the moisture in the rich absorbing solution to the dry hydrogen gas for regeneration, making it easier to regenerate the absorbing solution.
吸収液再生工程の温度は特に限定されないが、水素乾燥工程の温度より高いと好ましく、水素乾燥工程の温度より10℃以上高いとより好ましく、水素乾燥工程の温度より30℃以上高いとより更に好ましい。具体的には、水素乾燥工程の温度より高くかつ50℃~200℃であると好ましく、水素乾燥工程の温度より高くかつ100℃以上であるとより好ましい。吸収液再生工程の温度が高いと再生吸収液中の水分量が減少する傾向がある。 The temperature of the absorption liquid regeneration process is not particularly limited, but is preferably higher than the temperature of the hydrogen drying process, more preferably 10°C or more higher than the temperature of the hydrogen drying process, and even more preferably 30°C or more higher than the temperature of the hydrogen drying process. Specifically, it is preferably higher than the temperature of the hydrogen drying process and 50°C to 200°C, and more preferably higher than the temperature of the hydrogen drying process and 100°C or more. If the temperature of the absorption liquid regeneration process is high, the amount of water in the regenerated absorption liquid tends to decrease.
吸収液再生工程の温度を水素乾燥工程の温度より高くする場合には、リッチ吸収液の加熱は、水素乾燥工程前の湿潤水電解水素ガスあるいはリーン吸収液との熱交換で行うと、エネルギー効率の点で好ましい。 When the temperature in the absorption solution regeneration process is set higher than that in the hydrogen drying process, it is preferable from the standpoint of energy efficiency to heat the rich absorption solution by heat exchange with the wet water electrolysis hydrogen gas or lean absorption solution before the hydrogen drying process.
また、吸収液再生工程を水素乾燥工程よりも低圧で行う事で、吸収液の飽和水分量が低下し、また、水の沸点が下がるので、リッチ吸収液中の水分を再生用乾燥水素ガスに移動しやすくなる。 In addition, by carrying out the absorption liquid regeneration process at a lower pressure than the hydrogen drying process, the saturated moisture content of the absorption liquid decreases and the boiling point of water is lowered, making it easier to transfer the moisture in the rich absorption liquid to the dry hydrogen gas for regeneration.
吸収液再生工程の圧力は特に限定されないが、水素乾燥工程より低いと好ましく、水素乾燥工程より0.1MPaG(ゲージ圧)以上低いとより好ましく、水素乾燥工程より1MPaG以上低いと特に好ましい。具体的には、水素乾燥工程より低くかつ-0.1MPaG~1MPaGの範囲であると好ましく、水素乾燥工程より低くかつ-0.1MPaG~0.1MPaGの範囲であるとより好ましい。吸収液再生工程の圧力が低いと再生吸収液中の水分量が減少する傾向がある。 The pressure in the absorption liquid regeneration process is not particularly limited, but is preferably lower than that in the hydrogen drying process, more preferably at least 0.1 MPaG (gauge pressure) lower than that in the hydrogen drying process, and particularly preferably at least 1 MPaG lower than that in the hydrogen drying process. Specifically, it is preferably lower than that in the hydrogen drying process and in the range of -0.1 MPaG to 1 MPaG, and more preferably lower than that in the hydrogen drying process and in the range of -0.1 MPaG to 0.1 MPaG. If the pressure in the absorption liquid regeneration process is low, the water content in the regenerated absorption liquid tends to decrease.
吸収液再生工程で用いる再生用乾燥水素ガスの量は、吸収液を安定的に再生できる範囲で特に限定されないが、再生用乾燥水素ガス:水素分離工程で分離した乾燥水電解水素ガスの比(体積比)で1:100~40:100の範囲であると好ましく、10:100~30:100の範囲であるとより好ましく、20:100~27:100の範囲であると特に好ましい。吸収液を安定的に再生できる範囲で、乾燥水電解水素ガスに対する再生用乾燥水素ガスの比が小さいほど、吸収液の再生に掛かるエネルギーを削減できる観点で好ましい。 The amount of dry hydrogen gas for regeneration used in the absorption liquid regeneration process is not particularly limited as long as the absorption liquid can be stably regenerated, but the ratio (volume ratio) of dry hydrogen gas for regeneration to dry water electrolysis hydrogen gas separated in the hydrogen separation process is preferably in the range of 1:100 to 40:100, more preferably in the range of 10:100 to 30:100, and particularly preferably in the range of 20:100 to 27:100. The smaller the ratio of dry hydrogen gas for regeneration to dry water electrolysis hydrogen gas is within the range in which the absorption liquid can be stably regenerated, the more preferable it is from the viewpoint of reducing the energy required for regenerating the absorption liquid.
吸収液再生工程における、再生処理量は特に限定されないが、1時間あたり、水素乾燥工程における吸収液の1%~100%の量を再生処理することが好ましく、10%~80%の量を再生処理することがより好ましく、20%~40%の量を再生処理することが特に好ましい。 The amount of absorbent regeneration in the absorption liquid regeneration process is not particularly limited, but it is preferable to regenerate 1% to 100% of the amount of absorbent in the hydrogen drying process per hour, more preferably 10% to 80%, and particularly preferably 20% to 40%.
(再生吸収液分離工程)
再生吸収液分離工程では、吸収液再生工程で得たリーン吸収液と湿潤水素ガスとの気液混合体を連続的に気液分離することで、気相として前記湿潤水素ガスと、液相として前記リーン吸収液とを連続的に得る。
(Regenerated absorbing liquid separation process)
In the regenerated absorbing liquid separation process, the gas-liquid mixture of the lean absorbing liquid obtained in the absorbing liquid regeneration process and the wet hydrogen gas is continuously separated into gas and liquid to continuously obtain the wet hydrogen gas as a gas phase and the lean absorbing liquid as a liquid phase.
リーン吸収液と湿潤水素ガスとの気液混合体を連続的に気液分離する方法は、特に限定されない。例えば、吸収液を貯留した再生塔を用いることで、吸収液の液面で連続的に気液分離され、上部気室から連続的に気相を抜き出すとともに、吸収液の液面付近から液相を抜き出す方法や、吸収液再生工程の気液混合体を、別途、分離器に移送して気相と液相に分離する方法などが挙げられる。 The method for continuously separating the gas-liquid mixture of lean absorbing liquid and wet hydrogen gas is not particularly limited. For example, a regeneration tower storing absorbing liquid is used to perform continuous gas-liquid separation at the liquid surface of the absorbing liquid, and the gas phase is continuously extracted from the upper gas chamber while the liquid phase is extracted from near the liquid surface of the absorbing liquid, or the gas-liquid mixture from the absorbing liquid regeneration step is transferred to a separate separator and separated into the gas phase and the liquid phase.
また、再生吸収液分離工程は吸収液再生工程と同時に行うことができる。例えば、充填材を充填した、再生塔の下部から再生用乾燥水素ガスを導入して流通させ、再生塔の上部から湿潤水素ガスを抜き出しながら、再生塔の上部からリッチ吸収液を流下し再生塔の下部からリーン吸収液を抜き出す方法等が挙げられる。 The regenerated absorbing liquid separation process can be carried out simultaneously with the absorbing liquid regeneration process. For example, a method can be used in which dry hydrogen gas for regeneration is introduced and circulated from the bottom of a regeneration tower filled with a packing material, and while wet hydrogen gas is extracted from the top of the regeneration tower, rich absorbing liquid is allowed to flow down from the top of the regeneration tower and lean absorbing liquid is extracted from the bottom of the regeneration tower.
(吸収液循環工程)
吸収液循環工程では、再生吸収液分離工程で気液分離した前記リーン吸収液を、前記水素乾燥工程の前記吸収液に連続的に戻す。
(Absorption liquid circulation process)
In the absorbing liquid circulation step, the lean absorbing liquid separated into gas and liquid in the regenerated absorbing liquid separation step is continuously returned to the absorbing liquid in the hydrogen drying step.
吸収液再生工程で吸収液を加熱する場合には、再生吸収液を水素乾燥工程の吸収液に戻す際に、温度を下げておくことが好ましい。リーン吸収液の冷却には、吸収液再生工程前のリッチ吸収液との熱交換により行うと、エネルギー効率の点で好ましい。 When the absorbing liquid is heated in the absorbing liquid regeneration process, it is preferable to lower the temperature when the regenerated absorbing liquid is returned to the absorbing liquid in the hydrogen drying process. From the standpoint of energy efficiency, it is preferable to cool the lean absorbing liquid by heat exchange with the rich absorbing liquid before the absorbing liquid regeneration process.
吸収液再生工程の圧力が水素乾燥工程の圧力より低い場合には、リーン吸収液は、加圧ポンプ等で加圧して水素乾燥工程の吸収液に戻すことができる。 If the pressure in the absorption liquid regeneration process is lower than the pressure in the hydrogen drying process, the lean absorption liquid can be pressurized using a pressure pump or the like to return it to the absorption liquid in the hydrogen drying process.
再生吸収液を水素乾燥工程の吸収液に戻す量は特に限定されないが、吸収液再生工程で吸収液を抜き出す量と同量とすることができ、同量とすることで吸収塔および再生塔内の吸収液量を一定に保つことができる。 The amount of regenerated absorption liquid returned to the absorption liquid in the hydrogen drying process is not particularly limited, but it can be the same amount as the amount of absorption liquid extracted in the absorption liquid regeneration process. By returning the same amount, the amount of absorption liquid in the absorption tower and regeneration tower can be kept constant.
再生吸収液分離工程で気液混合体を気液分離して気相として得た湿潤水素ガスは、そのまま排気することができる。また、湿潤水素ガスを水素生成工程の陰極側などに循環させることで、含有する水分を水電解の原料水とし、かつ水素ガスの損失を無くすことができる。湿潤水素ガスを循環させる場合には、連続的に又は断続的に行うことができる。 The wet hydrogen gas obtained as the gas phase by gas-liquid separation of the gas-liquid mixture in the regenerated absorption liquid separation process can be discharged as is. In addition, by circulating the wet hydrogen gas to the cathode side of the hydrogen production process, the water contained therein can be used as raw water for water electrolysis, and loss of hydrogen gas can be eliminated. When circulating the wet hydrogen gas, it can be done continuously or intermittently.
本実施形態に係る乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法によれば、水素生成工程で得られた湿潤水電解水素ガスを、水素乾燥工程で吸収液によって乾燥し、水素分離工程を経て乾燥水電解水素ガスを得ると共に、並行して吸収液を吸収液再生工程で再生し、再生した吸収液を水素乾燥工程に戻すことで、連続的に乾燥水電解水素ガスを製造することができる。 According to the method for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas according to this embodiment, the wet water electrolysis hydrogen gas obtained in the hydrogen generation process is dried with an absorbing liquid in a hydrogen drying process, and then the dry water electrolysis hydrogen gas is obtained through a hydrogen separation process. At the same time, the absorbing liquid is regenerated in an absorbing liquid regeneration process, and the regenerated absorbing liquid is returned to the hydrogen drying process, thereby continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas.
また、吸収液再生工程で乾燥水電解水素ガスの一部を用いて吸収液の再生を行い、再生に使用した水分含有量が増加した再生用乾燥水素ガス(湿潤水素ガス)を水素生成工程に循環させることで、水素ガスを損失することなく、湿潤水電解水素ガスから効率良く高純度の乾燥水電解水素ガスを得ることができる。 In addition, by using a portion of the dry water electrolysis hydrogen gas in the absorption liquid regeneration process to regenerate the absorption liquid, and circulating the regenerated dry hydrogen gas (wet hydrogen gas) with an increased water content used in the regeneration to the hydrogen generation process, it is possible to efficiently obtain high-purity dry water electrolysis hydrogen gas from the wet water electrolysis hydrogen gas without losing any hydrogen gas.
更に、本実施形態に係る乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法によれば、水蒸気量の非常に高い水電解水素ガスを所定の湿度まで、低下することが、連続的に、かつ低コストでできる。この水分量を減らした水電解水素ガスは、更に、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量を更に低下させることも可能である。この場合には、水蒸気量の非常に高い水電解水素ガスを、固体乾燥剤などで直接処理して水分量を低下させる場合に比べて、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。 Furthermore, according to the method for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas according to this embodiment, the humidity of water electrolysis hydrogen gas with a very high water vapor content can be reduced to a predetermined humidity continuously and at low cost. The moisture content of this water electrolysis hydrogen gas with reduced moisture content can be further reduced by using solid desiccants such as calcium chloride and zeolite. In this case, the amount of solid desiccants used can be reduced and the period of use can be extended compared to when water electrolysis hydrogen gas with a very high water vapor content is directly treated with a solid desiccant to reduce the moisture content.
(乾燥水電解水素ガスの製造装置)
本発明の乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法は、用いる装置によっては限定されないが、例えば、以下の装置を使用することができる。
(Dry water electrolysis hydrogen gas production equipment)
The method for continuously producing hydrogen gas by dry water electrolysis of the present invention is not limited by the apparatus used. For example, the following apparatus can be used.
以下に図を参照しながら本発明の一実施形態にかかる乾燥水電解水素ガスの連続的製造装置について説明するが本発明はこれに限定されない。 The following describes an apparatus for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas according to one embodiment of the present invention, with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
図1は、乾燥水電解水素ガスの製造装置の一態様を示す図であり、吸収液の再生に乾燥水素ガスを用いる態様である。 Figure 1 shows one embodiment of a dry water electrolysis hydrogen gas production device, in which dry hydrogen gas is used to regenerate the absorption solution.
水電解装置1は、水を電気分解して水素と酸素を発生させる。電気分解の態様としては、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あるが、例えばアルカリ水電解の場合は、陰極側(カソード側)で水素が発生する。水素の発生量は、水電解装置1の電力量により制御でき、水電解装置1は一般に加圧状態になる。この水素は、水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガス2である。 The water electrolysis device 1 electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen. Electrolysis can be performed in a variety of ways, including alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and high-temperature steam electrolysis. For example, in the case of alkaline water electrolysis, hydrogen is generated on the negative electrode side (cathode side). The amount of hydrogen generated can be controlled by the amount of power supplied to the water electrolysis device 1, which is generally pressurized. This hydrogen is wet water electrolysis hydrogen gas 2 that contains water vapor.
湿潤水電解水素ガス2は、吸収塔3へ導入される。吸収塔3では湿潤水電解水素ガス2を吸収液4と接触させて乾燥させる。例えば、吸収塔3の内部に充填物を詰め、吸収塔3の上部から吸収液4を導入し、吸収塔3の下部から湿潤水電解水素ガス2を導入して湿潤水電解水素ガス2を吸収液4と接触させる。吸収塔3内の吸収液4は、温度制御し、例えば25℃などの一定温度とすることができる。吸収塔3内の圧力は、背圧弁5を設けて制御することができる。湿潤水電解水素ガス2中の水分は、吸収液4に吸収されて減少する。 The wet water electrolysis hydrogen gas 2 is introduced into the absorption tower 3. In the absorption tower 3, the wet water electrolysis hydrogen gas 2 is brought into contact with the absorption liquid 4 and dried. For example, the inside of the absorption tower 3 is filled with a filler, the absorption liquid 4 is introduced from the top of the absorption tower 3, and the wet water electrolysis hydrogen gas 2 is introduced from the bottom of the absorption tower 3 to bring the wet water electrolysis hydrogen gas 2 into contact with the absorption liquid 4. The temperature of the absorption liquid 4 in the absorption tower 3 can be controlled to a constant temperature, for example, 25°C. The pressure in the absorption tower 3 can be controlled by providing a back pressure valve 5. The moisture in the wet water electrolysis hydrogen gas 2 is absorbed by the absorption liquid 4 and reduced.
水分の減少した水素ガスは、吸収塔3内で気液分離されて、吸収塔3の上部から乾燥水電解水素ガス6として排出される。 The hydrogen gas with reduced moisture content is separated into gas and liquid in the absorption tower 3 and discharged from the top of the absorption tower 3 as dry water electrolysis hydrogen gas 6.
乾燥水電解水素ガス6は、吸収塔3の上部からトラップ7に導入される。トラップ7は、水素に飛沫同伴された吸収液4を除去することができる。トラップ7を通過した水素は、露点計8で露点が計測されたのち、排気口9から連続的に製造される。 The dry water electrolysis hydrogen gas 6 is introduced into the trap 7 from the top of the absorption tower 3. The trap 7 can remove the absorption liquid 4 entrained in the hydrogen. The hydrogen that passes through the trap 7 has its dew point measured by a dew point meter 8, and is then continuously produced from an exhaust port 9.
吸収塔3で水分を吸収した吸収液4は、リッチ吸収液10として吸収塔3の下部から少なくとも一部を抜き出され、流量計11で流量を計測しながら流量調節用バルブ12(例えばニードルバルブ)で流量を調節して、再生塔13内に上部から導入される。再生塔13は、例えば100℃、80℃、60℃などの一定温度に調整することができる。乾燥水素ボンベ14から流量計15を介して所定量の再生用乾燥水素ガス16を再生塔13内に下部から導入することで、リッチ吸収液10を再生用乾燥水素ガス16と接触させる。リッチ吸収液10と再生用乾燥水素ガス16とが接触することで、リッチ吸収液10中の水分は、再生用乾燥水素ガス16に移動し、リッチ吸収液10が再生される。 At least a portion of the absorption liquid 4 that has absorbed moisture in the absorption tower 3 is extracted from the bottom of the absorption tower 3 as rich absorption liquid 10, and the flow rate is adjusted by a flow control valve 12 (e.g., a needle valve) while measuring the flow rate with a flow meter 11, and the rich absorption liquid 10 is introduced from the top into the regeneration tower 13. The regeneration tower 13 can be adjusted to a constant temperature, for example, 100°C, 80°C, or 60°C. A predetermined amount of dry hydrogen gas for regeneration 16 is introduced from a dry hydrogen cylinder 14 through a flow meter 15 into the regeneration tower 13 from the bottom, thereby contacting the rich absorption liquid 10 with the dry hydrogen gas for regeneration 16. When the rich absorption liquid 10 comes into contact with the dry hydrogen gas for regeneration 16, the moisture in the rich absorption liquid 10 moves to the dry hydrogen gas for regeneration 16, and the rich absorption liquid 10 is regenerated.
リッチ吸収液10が再生されたリーン吸収液17は、再生塔13内で気液分離されて再生塔13の下部から排出され、吸収塔3へ循環される。吸収塔3内の湿潤水電解水素ガス2の圧力が再生塔13内の圧力よりも高い場合には、送液ポンプ18を用いてリーン吸収液17を昇圧して吸収塔3に戻す。 The lean absorption solution 17 obtained by regenerating the rich absorption solution 10 undergoes gas-liquid separation in the regeneration tower 13, is discharged from the bottom of the regeneration tower 13, and is circulated to the absorption tower 3. If the pressure of the wet water electrolysis hydrogen gas 2 in the absorption tower 3 is higher than the pressure in the regeneration tower 13, the liquid pump 18 is used to increase the pressure of the lean absorption solution 17 and return it to the absorption tower 3.
再生用乾燥水素ガス16の水分含有量が増加した湿潤水素ガス19は、再生塔13内で気液分離されて再生塔13の上部から排出され排気口20から放出される。 The wet hydrogen gas 19, which is the result of an increase in the moisture content of the dry hydrogen gas 16 for regeneration, is separated into gas and liquid in the regeneration tower 13, discharged from the top of the regeneration tower 13, and released from the exhaust port 20.
図2は、乾燥水電解水素ガスの製造装置の一態様を示す図であり、吸収液の再生に乾燥水素ガスを用い、かつ減圧する態様である。 Figure 2 shows one embodiment of a dry water electrolysis hydrogen gas production device, in which dry hydrogen gas is used to regenerate the absorption liquid and the pressure is reduced.
図2に示す乾燥水電解水素ガスの製造装置では、再生塔13の上部に真空ポンプ21が配置されており、例えば0kPaG~-100kPaGなどの減圧を行う事ができる。再生塔13内が減圧されるとリッチ吸収液10中の水分は、リッチ吸収液10から放出され、リーン吸収液17に再生される。水分は、再生塔13の上部から湿潤水素ガス19として放出され、排気口20から湿潤水素ガス19として排気される。この場合、乾燥水素ボンベ14から流量計15を介して導入する再生用乾燥水素ガス16は図1に係る装置に比べて極めて少なくすることも可能である。 In the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus shown in FIG. 2, a vacuum pump 21 is placed at the top of the regeneration tower 13, and it is possible to reduce the pressure, for example, to 0 kPaG to -100 kPaG. When the pressure inside the regeneration tower 13 is reduced, the moisture in the rich absorption liquid 10 is released from the rich absorption liquid 10 and regenerated into the lean absorption liquid 17. The moisture is released as wet hydrogen gas 19 from the top of the regeneration tower 13 and exhausted as wet hydrogen gas 19 from the exhaust port 20. In this case, it is possible to introduce much less dry hydrogen gas 16 for regeneration from the dry hydrogen cylinder 14 via the flowmeter 15 than in the apparatus shown in FIG. 1.
図3は、乾燥水電解水素ガスの製造装置の一態様を示す図であり、吸収液の再生に製造した乾燥水素の一部を用いる態様である。 Figure 3 shows one embodiment of a dry water electrolysis hydrogen gas production device, in which a portion of the dry hydrogen produced is used to regenerate the absorption solution.
図3に示す乾燥水電解水素ガスの製造装置では、吸収塔3の上部から抜き出した乾燥水電解水素ガス6をトラップ7を介した後、その一部を再生用乾燥水素ガス16として、T字コネクター22で分岐して抜き出し、流量計15で流量を制御して、一定量を再生塔13内に下部から導入し、再生塔13内に上部から導入されるリッチ吸収液10と接触させる。再生塔13は、例えば100℃、80℃、60℃などの一定温度に調整することができる。再生塔13内で、再生用乾燥水素ガス16とリッチ吸収液10とが接触することで、リッチ吸収液10中の水分は、リッチ吸収液10から再生用乾燥水素ガス16に移動し、湿潤水素ガス19として排気口20から放出される。 In the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus shown in FIG. 3, the dry water electrolysis hydrogen gas 6 extracted from the top of the absorption tower 3 passes through a trap 7, and a portion of it is branched and extracted as dry hydrogen gas 16 for regeneration at a T-shaped connector 22. A certain amount of the gas is introduced into the regeneration tower 13 from the bottom while controlling the flow rate with a flowmeter 15, and is brought into contact with the rich absorbing solution 10 introduced into the regeneration tower 13 from the top. The regeneration tower 13 can be adjusted to a constant temperature, for example, 100°C, 80°C, or 60°C. When the dry hydrogen gas 16 for regeneration comes into contact with the rich absorbing solution 10 in the regeneration tower 13, the moisture in the rich absorbing solution 10 moves from the rich absorbing solution 10 to the dry hydrogen gas 16 for regeneration, and is released from the exhaust port 20 as wet hydrogen gas 19.
図4は、乾燥水電解水素ガスの製造装置の一態様を示す図であり、吸収液の再生に製造した乾燥水素の一部を用いかつ減圧する態様である。 Figure 4 shows one embodiment of a dry water electrolysis hydrogen gas production device, in which a portion of the dry hydrogen produced is used to regenerate the absorption solution and the pressure is reduced.
図4に示す乾燥水電解水素ガスの製造装置では、吸収塔3の上部から抜き出した乾燥水電解水素ガス6の一部を再生用乾燥水素ガス16として、T字コネクター22で分岐して抜き出し、流量計15で流量を制御して、一定量を再生塔13内に下部から導入し、再生塔13内に上部から導入されるリッチ吸収液10と接触させる。再生塔13は、例えば100℃、80℃、60℃などの一定温度に調整することができる。更に、図4では、再生塔13の上部に真空ポンプ21が配置されており、減圧を行う事ができる。減圧は、例えば、-50kPaG(ゲージ圧)などにすることができる。再生塔13内で、減圧下、再生用乾燥水素ガス16とリッチ吸収液10とが接触することで、リッチ吸収液10中の水分は、リッチ吸収液10から再生用乾燥水素ガス16に移動し、湿潤水素ガス19として排気口20から放出される。再生されたリーン吸収液17は、再生塔13の下部から排出される。吸収塔3内の湿潤水電解水素ガス2の圧力が再生塔内の圧力よりも高い場合には、送液ポンプ18によってリーン吸収液17を昇圧して吸収塔3へ循環させる。 In the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus shown in FIG. 4, a part of the dry water electrolysis hydrogen gas 6 extracted from the top of the absorption tower 3 is branched and extracted as regenerated dry hydrogen gas 16 by a T-shaped connector 22, and a certain amount is introduced into the regenerator 13 from the bottom by controlling the flow rate with a flowmeter 15, and contacted with the rich absorbing solution 10 introduced into the regenerator 13 from the top. The regenerator 13 can be adjusted to a constant temperature, for example, 100°C, 80°C, or 60°C. Furthermore, in FIG. 4, a vacuum pump 21 is arranged at the top of the regenerator 13, and pressure reduction can be performed. The pressure reduction can be, for example, -50 kPaG (gauge pressure). In the regenerator 13, the dry hydrogen gas 16 for regeneration and the rich absorbing solution 10 come into contact with each other under reduced pressure, and the moisture in the rich absorbing solution 10 moves from the rich absorbing solution 10 to the dry hydrogen gas 16 for regeneration, and is released from the exhaust port 20 as wet hydrogen gas 19. The regenerated lean absorbing solution 17 is discharged from the bottom of the regenerator 13. When the pressure of the wet water electrolysis hydrogen gas 2 in the absorption tower 3 is higher than the pressure in the regeneration tower, the liquid pump 18 pressurizes the lean absorption liquid 17 and circulates it to the absorption tower 3.
図5は、乾燥水電解水素ガスの製造装置の一態様を示す図であり、吸収液の再生に製造した乾燥水素の一部を用いかつその水素を水電解装置に循環させる態様である。 Figure 5 shows one embodiment of a dry water electrolysis hydrogen gas production device, in which a portion of the dry hydrogen produced is used to regenerate the absorption solution and the hydrogen is circulated to the water electrolysis device.
図5に示す乾燥水電解水素ガスの製造装置では、吸収塔3の上部から抜き出した乾燥水電解水素ガス6の一部を再生用乾燥水素ガス16として、T字コネクター22で分岐して抜き出し、流量計15で流量を制御して、一定量を再生塔13内に下部から導入し、再生塔13内に上部から導入されるリッチ吸収液10と接触させる。再生塔13は、例えば100℃、80℃、60℃などの一定温度に調整することができる。再生塔13内で、再生用乾燥水素ガス16とリッチ吸収液10とが接触することで、リッチ吸収液10中の水分は、リッチ吸収液10から再生用乾燥水素ガス16に移動し、水素の水分が増加するとともに、リーン吸収液17に再生される。再生塔13の上部からは湿潤水素ガス19が得られ、再生塔13の下部からはリーン吸収液17が得られる。吸収塔3内の湿潤水電解水素ガス2の圧力が再生塔内の圧力よりも高い場合には、送液ポンプ18によってリーン吸収液17を昇圧して吸収塔3へ循環させる。再生塔13の上部に真空ポンプ21が配置されており、減圧操作を行っても良いし、行わなくても良い。減圧は、例えば、-50kPaG(ゲージ圧)などにすることができる。再生塔13の上部から取り出した湿潤水素ガス19は、必要に応じてコンプレッサ23により加圧されて、水電解装置1へ循環される。 In the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus shown in FIG. 5, a portion of the dry water electrolysis hydrogen gas 6 extracted from the top of the absorption tower 3 is branched and extracted as dry hydrogen gas for regeneration 16 by a T-shaped connector 22, and a certain amount is introduced into the regeneration tower 13 from the bottom by controlling the flow rate with a flowmeter 15, and contacted with the rich absorption liquid 10 introduced into the regeneration tower 13 from the top. The regeneration tower 13 can be adjusted to a constant temperature, for example, 100°C, 80°C, or 60°C. When the dry hydrogen gas for regeneration 16 and the rich absorption liquid 10 come into contact with each other in the regeneration tower 13, the moisture in the rich absorption liquid 10 moves from the rich absorption liquid 10 to the dry hydrogen gas for regeneration 16, and the moisture of the hydrogen increases and is regenerated into the lean absorption liquid 17. Wet hydrogen gas 19 is obtained from the top of the regeneration tower 13, and lean absorption liquid 17 is obtained from the bottom of the regeneration tower 13. When the pressure of the wet water electrolysis hydrogen gas 2 in the absorption tower 3 is higher than the pressure in the regeneration tower, the lean absorption liquid 17 is pressurized by the liquid feed pump 18 and circulated to the absorption tower 3. A vacuum pump 21 is disposed at the top of the regeneration tower 13, and a depressurization operation may or may not be performed. The pressure can be reduced to, for example, -50 kPaG (gauge pressure). The wet hydrogen gas 19 extracted from the top of the regeneration tower 13 is pressurized by a compressor 23 as necessary and circulated to the water electrolysis device 1.
(吸収塔)
以下、吸収塔3の一実施態様について説明する。
(Absorption tower)
An embodiment of the absorber 3 will now be described.
(槽型反応器)
乾燥水電解水素ガスの製造装置において、図1に示すように吸収塔3の反応器として槽型の反応器を用いることができる。
(Tank type reactor)
In the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus, a tank-type reactor can be used as the reactor of the absorption tower 3 as shown in FIG.
槽型の反応器について図17を用いて説明する。槽型反応器200は、水平方向の長さに対して鉛直方向の長さが比較的短い筒状の反応器であり、吸収液入口201、吸収液出口202、ガス吹込口203及びガス抜出口204を備える。吸収液入口201は槽型反応器200の上部に設けられ、再生塔吸収液出口(図不示)に接続されている。吸収液出口202は槽型反応器200の下部に設けられ、再生塔吸収液入口(図不示)に接続されている。ガス吹込口203は槽型反応器200の下部に設けられ、水電解装置(図不示)に接続されている。ガス抜出口204は槽型反応器200の上部に設けられている。ガス抜出口204は吸収液入口201より高い位置に設けられ、吸収液出口202はガス吹込口203より低い位置に設けられている。
The tank-type reactor will be described with reference to FIG. 17. The tank-
槽型反応器200には、吸収液210を一定量貯留する。槽型反応器200内は、吸収液210の液面211より下の液相部分と、液面211より上のガス相部分の2相に分かれている。
A certain amount of absorbing
湿潤水電解水素ガス212は、槽型反応器200の液相部分の下方のガス吹込口203から吹き込む。吸収液210より低比重の湿潤水電解水素ガス212は、吸収液210中をガス吹込口203から上方に向かって移動する。
Wet water
湿潤水電解水素ガス212中の水蒸気は吸収液210へ界面を通して移動する。水分含有量が減少した乾燥水電解水素ガス213は、吸収液210の液面211で吸収液210と気液分離されて、槽型反応器200の上部のガス抜出口204から抜き出される。
The water vapor in the wet water
また、吸収液210は、吸収液出口202から連続的に一部抜き出される。抜き出した吸収液210は、当初の吸収液210に比べて水分含有量が増加した吸収液210(リッチ吸収液206)である。リッチ吸収液206は再生塔(図不示)で連続的に再生し、再生した吸収液(リーン吸収液207)を吸収液入口201から槽型反応器200に戻す。抜き出した量と戻す量を合わせることで、槽型反応器200中の吸収液210の量を一定にすることができる。
A portion of the absorbing
槽型反応器200中の吸収液210の水分濃度は、液面211付近から吸収液出口202までほぼ均一に低濃度で一定に保つことができる。
The water concentration of the
ガス抜出口204が吸収液入口201より高い位置に設けられているので、乾燥水電解水素ガス213にリーン吸収液207が同伴することを防ぐことができる。また、吸収液出口202がガス吹込口203より低い位置に設けられているので、リッチ吸収液206に湿潤水電解水素ガス212が同伴することを防ぐことができる。
The
槽型反応器200内には、充填物を配置することができる。例えば、槽型反応器200の上部のガス相部分に一部、ガラスビーズなどの充填物を設置することができる(不図示)。充填物としては、ガラスビーズ(アズワン株式会社製、型番:BZ-4、球状、φ3.962~4.699mm)が好ましい。ガラスビーズを設置することで、吸収液は、吸収液入口201からガラスビーズに滴下し、ガラスビーズの表面を経由して下部の液溜へと移動する。
Filling can be placed inside the
槽型反応器200中の吸収液210は、撹拌翼を用いて撹拌することができるが、槽型反応器200として、乾燥させる湿潤水電解水素ガス212の量に対して、貯留する吸収液210の量を多く貯留できる容積の大きいものを用いることで、撹拌翼を用いなくても、湿潤水電解水素ガス212の吹き込みおよびリッチ吸収液206の抜き出しによる撹拌、リーン吸収液207の戻しによる撹拌および拡散で、槽型反応器200中の吸収液210の水分濃度を、ほぼ均一にすることができる。
The
槽型反応器200の外部には、恒温槽(図不示)を設けて、槽型反応器200内の温度を所定の温度に調整することができる。
A thermostatic bath (not shown) can be provided outside the
(管型反応器)
乾燥水電解水素ガスの製造装置においては、槽型反応器200の代わりに、管型の反応器を用いることができる。
(Tubular Reactor)
In the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus, a tubular reactor can be used instead of the tank-
管型の反応器について図18を用いて説明する。管型反応器220は、水平方向の長さに対して鉛直方向の長さが比較的長い管状の反応器であり、吸収液入口201、吸収液出口202、ガス吹込口203及びガス抜出口204を備える。吸収液入口201は管型反応器220の上部に設けられ、再生塔吸収液出口(図不示)に接続されている。吸収液出口202は管型反応器220の下部に設けられ、再生塔吸収液入口(図不示)に接続されている。ガス吹込口203は管型反応器220の下部に設けられ、水電解装置(図不示)に接続されている。ガス抜出口204は管型反応器220の上部に設けられている。ガス抜出口204は吸収液入口201より高い位置に設けられ、吸収液出口202はガス吹込口203より低い位置に設けられている。
The tubular reactor will be described with reference to FIG. 18. The
管型反応器220では、図17の槽型反応器200と同様に、管型反応器220中に吸収液210を一定量貯留させることができる。この場合、管型反応器220内は、吸収液210の液面211より下の液相部分と、液面211より上のガス相部分の2相に分かれている。
In the
湿潤水電解水素ガス212は、管型反応器220の液相部分の下方のガス吹込口203から吹き込む。吸収液210より低比重の湿潤水電解水素ガス212は、管型反応器220内の吸収液210中をガス吹込口203から上方に向かって移動する。
Wet water
湿潤水電解水素ガス212中の水蒸気は吸収液210へ界面を通して移動する。水分含有量が減少した乾燥水電解水素ガス213は、吸収液210の液面211で吸収液210と気液分離されて、管型反応器220の上部のガス抜出口204から抜き出される。
The water vapor in the wet water
また、吸収液210は、吸収液出口202から連続的に抜き出される。抜き出した吸収液210は、当初の吸収液210に比べて水分含有量が増加した吸収液210(リッチ吸収液206)である。リッチ吸収液206は再生塔(図不示)で連続的に再生し、再生した吸収液(リーン吸収液207)を槽型反応器200に戻す。抜き出した量と戻す量を合わせることで、槽型反応器200中の吸収液210の量を一定にすることができる。
The absorbing
管型反応器220では、吸収液210は、湿潤水電解水素ガス212の流れと対向して、上方の吸収液入口201から下方の吸収液出口202へ押し出されて流れる。管型反応器220中の吸収液210の水分濃度は、液面211付近から吸収液出口202まで、下方ほど高濃度となる。
In the
ガス抜出口204が吸収液入口201より高い位置に設けられているので、乾燥水電解水素ガス213にリーン吸収液207が同伴することを防ぐことができる。また、吸収液出口202がガス吹込口203より低い位置に設けられているので、リッチ吸収液206に湿潤水電解水素ガス212が同伴することを防ぐことができる。
The
管型反応器220内には、充填物を設置することができる。例えば、槽型反応器200と同様に、上部のガス相部分に一部、ガラスビーズなどの充填物を設置することができる(不図示)。また、液相部分に、円筒状の充填物、具体的にはラッシリング(ラシヒリング)を設置することができる(不図示)。ラッシリングを用いると、吸収液相中をガスが移動する際に、ガス流量が大きくても、比較的小さいサイズの気泡として上部へと移動するので好ましい。
ラッシリングの形状、材質、大きさは、管型反応器220のサイズなどによって適宜選択されるが、例えば、サイズが内径1インチ(2.54cm)の場合、ラッシリング(東京硝子機器株式会社製、商品名:ラッシリング、型式:FC-6、形状:円筒状、φ6×6mm)を用いることができる。
Fillings can be installed in the
The shape, material, and size of the lashing are appropriately selected depending on the size of the
管型反応器220の外部には、恒温槽(図不示)を設けて、槽型反応器200内の温度を所定の温度に調整することができる。
A thermostatic bath (not shown) can be provided outside the
(多段式反応器)
乾燥水電解水素ガスの製造装置においては、吸収塔3は、2以上の反応器を直列に連結して、2段以上の多段式の反応器にすることができる。特に、管型反応器220を多段式にすることが望ましい。反応器を多段式にすることで、気液接触の効率と吸収液210の濃度勾配を増大させて、除湿プロセスが更に高効率化することができる。
(Multi-stage reactor)
In the dry water electrolysis hydrogen gas production system, the absorption tower 3 can be a multi-stage reactor having two or more stages, with two or more reactors connected in series. In particular, it is desirable to make the tubular reactor 220 a multi-stage reactor. By making the reactor a multi-stage reactor, the efficiency of gas-liquid contact and the concentration gradient of the absorbing liquid 210 can be increased, and the efficiency of the dehumidification process can be further improved.
多段式の反応器について図19を用いて説明する。図19の2段式反応器230は、2つの管型の反応器として第1管型反応器240と第2管型反応器250とが直列に連結されている。
A multi-stage reactor will be described with reference to FIG. 19. The two-
第1管型反応器240は、水平方向の長さに対して鉛直方向の長さが比較的長い管状の反応器であり、第1吸収液入口241、第1吸収液出口242、第1ガス吹込口243及び第1ガス抜出口244を備える。第1吸収液入口241は第1管型反応器240の上部に設けられ、第1吸収液出口242は第1管型反応器240の下部に設けられている。第1ガス吹込口243は第1管型反応器240の下部に設けられ、第1ガス抜出口244は第1管型反応器240の上部に設けられている。第1ガス抜出口244は第1吸収液入口241より高い位置に設けられ、第1吸収液出口242は第1ガス吹込口243より低い位置に設けられている。
The first
第2管型反応器250は、水平方向の長さに対して鉛直方向の長さが比較的長い管状の反応器であり、第2吸収液入口251、第2吸収液出口252、第2ガス吹込口253及び第2ガス抜出口254を備える。第2吸収液入口251は第2管型反応器250の上部に設けられ、第2吸収液出口252は第2管型反応器250の下部に設けられている。第2ガス吹込口253は第2管型反応器250の下部に設けられ、第2ガス抜出口254は第2管型反応器250の上部に設けられている。第2ガス抜出口254は第2吸収液入口251より高い位置に設けられ、第2吸収液出口252は第2ガス吹込口253より低い位置に設けられている。
The second
第1管型反応器240の第1吸収液入口241は再生塔吸収液出口(図不示)に接続され、第1管型反応器240の第1吸収液出口242は第2管型反応器250の第2吸収液入口251に接続され、第2管型反応器250の第2吸収液出口252は再生塔吸収液入口(図不示)に接続されている。第1管型反応器240には、吸収液210を一定量貯留させることができる。この場合、第1管型反応器240内は、吸収液210の液面245より下の液相部分と、液面245より上のガス相部分の2相に分かれている。
The first absorbing
第2管型反応器250の第2ガス吹込口253は、水電解装置(図不示)に接続され、第2管型反応器250の第2ガス抜出口254は、第1管型反応器240の第1ガス第1ガス吹込口243に接続されている。
The
第2管型反応器250の第2吸収液出口252は、第1管型反応器240の第1吸収液出口242よりも定位置になるように配置することができる。この高低差により吸収液210は、重力で第1管型反応器240から第2管型反応器250へ、途中にポンプなどの動力源を入れなくても移動する。
The second absorbing
第2管型反応器250の第2吸収液出口252は、第1管型反応器240の第1吸収液出口242よりも低位置になるように配置することができる。この高低差により吸収液210は、重力で第1管型反応器240から第2管型反応器250へ、途中にポンプなどの動力源を入れなくても移動する。また、第1管型反応器240の第1ガス抜出口244は、第2管型反応器250の第2ガス抜出口254よりも高位置になるように配置することができる。この高低差により、湿潤水電解水素ガス212は吸収液210との比重差により第2管型反応器250から第1管型反応器240へと、吸収液210の流れに対して向流で移動する。
The second absorbing
第2管型反応器250の頂部が、第1管型反応器240の底部よりも上になるように第2管型反応器250を配置することで、第1ガス吹込口243の高さが第2管型反応器250中の吸収液210の液面255となり、第2管型反応器250は、液面255より下の液相部分と、液面255より上のガス相部分の2相に分かれ、第2管型反応器250中での気液分離が行われやすくなるので好ましい。
By positioning the second
第2管型反応器250の第2吸収液入口251は、第2管型反応器250の上部に設けられていればよく、液面255の上側でも下側に配置されていてもよいが、液面255付近、すなわち第1ガス吹込口243の高さ付近に配置すると、吸収液210の濃度勾配が大きくなるので好ましい。第1管型反応器240の第1吸収液出口242と第2管型反応器250の第2吸収液入口251とを接続する管は、第2管型反応器250の側面から配管することもできるが、図19に示すように第2管型反応器250の底部から配管することが好ましい。
The second absorbing
多段式反応器を3段以上の多段式の反応器にする場合には、図19の2段式反応器230の第2管型反応器250と同様の管型の反応器を吸収液210の下流側に順次設置する。
When the multi-stage reactor is to be a multi-stage reactor having three or more stages, a tubular reactor similar to the second
2段式反応器230内には、第1管型反応器240および第2管型反応器250にそれぞれ独立に、充填物を設置することができる。例えば、槽型反応器200と同様に、上部のガス相部分に一部、ガラスビーズなどの充填物を設置することができる(不図示)。また、液相部分に、円筒状の充填物、具体的にはラッシリング(ラシヒリング)を設置することができる(不図示)。ラッシリングを用いると、吸収液相中をガスが移動する際に、ガス流量が大きくても、比較的小さいサイズの気泡として上部へと移動するので好ましい。
ラッシリングの形状、材質、大きさは、管型反応器220のサイズなどによって適宜選択されるが、例えば、サイズが内径1インチ(2.54cm)の場合、ラッシリング(東京硝子機器株式会社製、商品名:ラッシリング、型式:FC-6、形状:円筒状、φ6×6mm)を用いることができる。
In the two-
The shape, material, and size of the lashing are appropriately selected depending on the size of the
(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)
The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Pressure is absolute pressure unless otherwise specified.
(除湿試験)
除湿試験の手順を、図6を用いて説明する。
(Dehumidification test)
The procedure of the dehumidification test will be described with reference to FIG.
図6に示す乾燥水電解水素ガス製造装置は、水電解装置101と加湿塔102と吸収塔103と再生塔104とを備える。 The dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus shown in FIG. 6 includes a water electrolysis device 101, a humidification tower 102, an absorption tower 103, and a regeneration tower 104.
乾燥水電解水素ガス105は、湿潤水電解水素ガス106を、水電解装置101で発生させ、加湿塔102を経由して吸収塔103に移送し、除湿することで製造される。 Dry water electrolysis hydrogen gas 105 is produced by generating wet water electrolysis hydrogen gas 106 in a water electrolysis device 101, transporting it via a humidification tower 102 to an absorption tower 103, and dehumidifying it.
水電解装置101で得られる水素ガスは、水電解装置の形式・条件により温度、圧力、湿度、組成などが異なる。そのため、乾燥水電解水素ガス105の製造に加湿塔102は必須ではないが、本試験装置では除湿性能を評価するために、水電解装置101で発生した湿潤水電解水素ガス106を加湿塔102で所定の温度、圧力、湿度に調整してから、除湿を行う。 The hydrogen gas obtained by the water electrolysis device 101 varies in temperature, pressure, humidity, composition, etc. depending on the type and conditions of the water electrolysis device. Therefore, the humidification tower 102 is not essential for producing dry water electrolysis hydrogen gas 105, but in this test device, in order to evaluate the dehumidification performance, the wet water electrolysis hydrogen gas 106 generated by the water electrolysis device 101 is adjusted to a predetermined temperature, pressure, and humidity in the humidification tower 102 before being dehumidified.
また、除湿試験を行う前に、まず始めに、静電容量式露点計107中の水分を排気するため、水電解装置101で発生した湿潤水電解水素ガス106を除湿装置108で乾燥し、そのガスを静電容量式露点計107に導入する。具体的には、バルブ109とバルブ110を閉じ、バルブ111とバルブ112を開いてマスフローコントローラー113(最大流量:3SLM)への流路を開き、三方弁114、三方弁115、三方弁116、三方弁117で静電容量式露点計107への流路をつなぎ、マスフローコントローラー113で流量を調整して静電容量式露点計107中の水分を排気する。静電容量式露点計107は、ロトロニックAG製の工業用温湿度変換器HF533-WAA3D14X・耐圧型プローブHC2-IE102-Mを用いた。 Before the dehumidification test, the wet water electrolysis hydrogen gas 106 generated by the water electrolysis device 101 is first dried by the dehumidification device 108 and the gas is introduced into the capacitance dew point meter 107 in order to exhaust the moisture in the capacitance dew point meter 107. Specifically, valves 109 and 110 are closed, valves 111 and 112 are opened to open the flow path to the mass flow controller 113 (maximum flow rate: 3 SLM), three-way valves 114, 115, 116, and 117 are used to connect the flow path to the capacitance dew point meter 107, and the mass flow controller 113 is used to adjust the flow rate to exhaust the moisture in the capacitance dew point meter 107. The capacitance dew point meter 107 is an industrial temperature and humidity converter HF533-WAA3D14X and a pressure-resistant probe HC2-IE102-M manufactured by Rotronic AG.
次に、湿潤水電解水素ガス106を加湿塔102で温度、圧力、湿度を調整し、調整した湿潤水電解水素ガス118の露点を測定する。 Next, the temperature, pressure, and humidity of the wet water electrolysis hydrogen gas 106 are adjusted in the humidification tower 102, and the dew point of the adjusted wet water electrolysis hydrogen gas 118 is measured.
具体的には、バルブ109とバルブ110を開いてマスフローコントローラー119(最大流量:100sccm)の流路を開き、バルブ111、バルブ112、バルブ120を閉じ、三方弁114と三方弁115を加湿塔102側に流路を変更し、水電解装置101から湿潤水電解水素ガス106を、マスフローコントローラー119で流量調整し、逆止弁121を経て、加湿塔102に導入する。 Specifically, valves 109 and 110 are opened to open the flow path of mass flow controller 119 (maximum flow rate: 100 sccm), valves 111, 112, and 120 are closed, three-way valves 114 and 115 are changed to the flow path to the humidification tower 102 side, and the wet water electrolysis hydrogen gas 106 from the water electrolysis device 101 is adjusted in flow rate by mass flow controller 119 and introduced into the humidification tower 102 via check valve 121.
加湿塔102は、保温装置122で10℃に保温されている。加湿塔102の圧力は、静電容量式露点計107の下流側に設けた背圧弁123で調整される(例えば0.30MPaG)。加湿塔102の温度と圧力は、加湿塔102に設置された温度計124と圧力計125で測定される。 The humidifying tower 102 is kept at 10°C by a heat retention device 122. The pressure of the humidifying tower 102 is adjusted by a back pressure valve 123 provided downstream of the capacitance dew point meter 107 (e.g., 0.30 MPaG). The temperature and pressure of the humidifying tower 102 are measured by a thermometer 124 and a pressure gauge 125 installed in the humidifying tower 102.
加湿塔102での加湿は、加湿塔102内に貯留してある水の底部から湿潤水電解水素ガス106をバブリングすることで行い、湿潤水電解水素ガス118は、加湿塔102の温度と圧力における飽和量の水分を含有する。 Humidification in the humidification tower 102 is achieved by bubbling wet water electrolysis hydrogen gas 106 from the bottom of the water stored in the humidification tower 102, and the wet water electrolysis hydrogen gas 118 contains the saturated amount of moisture at the temperature and pressure of the humidification tower 102.
前述のとおり、湿潤水電解水素ガス118の露点を測定した後、湿潤水電解水素ガス118を吸収塔103に導入して各種条件で除湿する。 As described above, after measuring the dew point of the wet water electrolysis hydrogen gas 118, the wet water electrolysis hydrogen gas 118 is introduced into the absorption tower 103 and dehumidified under various conditions.
吸収塔103には、吸収液126が貯留してあり、保温装置127で所定の温度(25℃)に保温されている。吸収塔103の圧力は、加湿塔102と同様に背圧弁123で調整される(例えば0.30MPaG)。吸収塔103内の温度、圧力、吸収液126の量は、吸収塔103に設置された温度計128、圧力計129、液面計130で測定される。 The absorption tower 103 stores the absorbing liquid 126, which is kept at a predetermined temperature (25°C) by a heat retention device 127. The pressure of the absorption tower 103 is adjusted by a back pressure valve 123 (e.g., 0.30 MPaG) in the same way as the humidification tower 102. The temperature, pressure, and amount of the absorbing liquid 126 in the absorption tower 103 are measured by a thermometer 128, a pressure gauge 129, and a liquid level gauge 130 installed in the absorption tower 103.
湿潤水電解水素ガス118と吸収液126との接触は、具体的には、吸収液126が貯留してある吸収塔103の底部から湿潤水電解水素ガス118をバブリングさせることで行う。吸収塔103内では底部から吸収液126の気液面まで湿潤水電解水素ガス118の気泡が上昇し、その間に、湿潤水電解水素ガス118中の水分が吸収液126に移動する。気液面では乾燥した水素ガス(乾燥水電解水素ガス105)が放出され、水分を吸収した吸収液126と気液分離される。 Contact between the wet water electrolysis hydrogen gas 118 and the absorbing liquid 126 is specifically achieved by bubbling the wet water electrolysis hydrogen gas 118 from the bottom of the absorption tower 103 in which the absorbing liquid 126 is stored. In the absorption tower 103, bubbles of the wet water electrolysis hydrogen gas 118 rise from the bottom to the gas-liquid surface of the absorbing liquid 126, during which the moisture in the wet water electrolysis hydrogen gas 118 moves to the absorbing liquid 126. At the gas-liquid surface, dry hydrogen gas (dry water electrolysis hydrogen gas 105) is released and separated into gas and liquid from the absorbing liquid 126 that has absorbed the moisture.
除湿された乾燥水電解水素ガス105は、経時的に静電容量式露点計107及び鏡面式露点計131で露点が測定され、マスフローメーター132で排出流量が測定され、排気口133から放出される。乾燥水電解水素ガス105の成分(例えば酸素、窒素など)は、ガスクロマトグラフ134で測定される。鏡面式露点計131は、東京光電子工業株式会社製のDPH-703Aを用い、ガスクロマトグラフ134は、アジレント・テクノロジー株式会社製の490マイクロGCを用いた。 The dehumidified dry water electrolysis hydrogen gas 105 has its dew point measured over time by a capacitance dew point meter 107 and a mirror dew point meter 131, its exhaust flow rate measured by a mass flow meter 132, and is released from an exhaust port 133. The components of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 (e.g. oxygen, nitrogen, etc.) are measured by a gas chromatograph 134. The mirror dew point meter 131 is a DPH-703A manufactured by Tokyo Opto-Electronics Co., Ltd., and the gas chromatograph 134 is a 490 micro GC manufactured by Agilent Technologies, Inc.
乾燥水電解水素ガス105は、三方弁117を経由して、トラップ135で吸収液126の飛沫等を分離し、フィルター136でその他の固体又液体の不純物を除去した後、静電容量式露点計107で露点を測定する。 The dry water electrolysis hydrogen gas 105 passes through a three-way valve 117, and after the droplets of the absorption liquid 126 are separated in a trap 135 and other solid or liquid impurities are removed in a filter 136, the dew point is measured by a capacitance dew point meter 107.
再生塔104では、吸収塔103で水分含有量が増加した吸収液(リッチ吸収液137)から水分を除去して水分含有量が減少した再生吸収液(リーン吸収液138)を得る。 In the regeneration tower 104, moisture is removed from the absorption liquid (rich absorption liquid 137) whose moisture content has been increased in the absorption tower 103, to obtain a regenerated absorption liquid (lean absorption liquid 138) whose moisture content has been reduced.
再生塔104と吸収塔103とは、吸収塔103から再生塔104にリッチ吸収液137を抜き出すラインと、再生塔104から吸収塔103にリーン吸収液138を戻すラインで接続されている。抜き出すラインには、ニードルバルブ139と流量計140が設けられ、戻すラインには送液ポンプ141が設けられている。本装置では、再生塔104の圧力が吸収塔103の圧力より低いので、高圧側の吸収塔103からリッチ吸収液137を抜き出す量は、流量計140で測定しながらニードルバルブ139で調整し、高圧側の吸収塔103にリーン吸収液138を戻す量は、送液ポンプ141で調整する。吸収塔103から抜き出す量と吸収塔103に戻す量は、通常同量にして吸収塔103及び再生塔104内の液量を一定にする。再生塔104内の温度、圧力、液量は、再生塔104に設置された温度計142、圧力計143、液面計144で測定される。 The regeneration tower 104 and the absorption tower 103 are connected by a line for extracting the rich absorbing liquid 137 from the absorption tower 103 to the regeneration tower 104, and a line for returning the lean absorbing liquid 138 from the regeneration tower 104 to the absorption tower 103. The extraction line is provided with a needle valve 139 and a flow meter 140, and the return line is provided with a liquid feed pump 141. In this device, since the pressure of the regeneration tower 104 is lower than the pressure of the absorption tower 103, the amount of the rich absorbing liquid 137 extracted from the high-pressure side absorption tower 103 is adjusted by the needle valve 139 while being measured by the flow meter 140, and the amount of the lean absorbing liquid 138 returned to the high-pressure side absorption tower 103 is adjusted by the liquid feed pump 141. The amount extracted from the absorption tower 103 and the amount returned to the absorption tower 103 are usually the same to keep the amount of liquid in the absorption tower 103 and the regeneration tower 104 constant. The temperature, pressure, and liquid volume inside the regeneration tower 104 are measured by a thermometer 142, a pressure gauge 143, and a liquid level gauge 144 installed in the regeneration tower 104.
再生塔104において、リッチ吸収液137から水分を除去するには、リッチ吸収液137と再生用乾燥水素ガス145を接触させる。再生用乾燥水素ガス145として乾燥水電解水素ガス105の一部を用いるために、バルブ120を開き、乾燥水電解水素ガス105を分岐点146で分岐させてマスフローコントローラー147で流量を調整し再生塔104に導入する。マスフローコントローラー147と再生塔104の間に背圧弁148を設け、背圧を、背圧弁123の設定圧力と再生塔104の設定圧力の中間の所定の圧力(例えば0.20MPaG)に設定する。マスフローコントローラー147の前後の圧力は、それぞれ圧力計149と圧力計150で測定する。 In the regeneration tower 104, to remove moisture from the rich absorbing solution 137, the rich absorbing solution 137 is brought into contact with the dry hydrogen gas for regeneration 145. To use a portion of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 as the dry hydrogen gas for regeneration 145, the valve 120 is opened, the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is branched at the branch point 146, and the flow rate is adjusted by the mass flow controller 147 before being introduced into the regeneration tower 104. A back pressure valve 148 is provided between the mass flow controller 147 and the regeneration tower 104, and the back pressure is set to a predetermined pressure (e.g., 0.20 MPaG) that is intermediate between the set pressure of the back pressure valve 123 and the set pressure of the regeneration tower 104. The pressures before and after the mass flow controller 147 are measured by pressure gauges 149 and 150, respectively.
再生塔104において、リッチ吸収液137と接触した再生用乾燥水素ガス145は、リッチ吸収液137から水分を吸収する。リッチ吸収液137と再生用乾燥水素ガス145との接触は、具体的には、リッチ吸収液137が貯留してある再生塔104の底部から再生用乾燥水素ガス145をバブリングさせることで行う。再生塔104内では底部からリッチ吸収液137の気液面まで再生用乾燥水素ガス145の気泡が上昇し、その間に、再生用乾燥水素ガス145がリッチ吸収液137中の水分を同伴する。気液面では水分含有量が増加した水素ガス(湿潤水素ガス152)が放出され、水分含有量が減少した吸収液(リーン吸収液138)と気液分離される。 In the regeneration tower 104, the regeneration dry hydrogen gas 145 that has come into contact with the rich absorbing liquid 137 absorbs moisture from the rich absorbing liquid 137. Specifically, the contact between the rich absorbing liquid 137 and the regeneration dry hydrogen gas 145 is achieved by bubbling the regeneration dry hydrogen gas 145 from the bottom of the regeneration tower 104 in which the rich absorbing liquid 137 is stored. In the regeneration tower 104, the bubbles of the regeneration dry hydrogen gas 145 rise from the bottom to the gas-liquid surface of the rich absorbing liquid 137, during which the regeneration dry hydrogen gas 145 entrains the moisture in the rich absorbing liquid 137. At the gas-liquid surface, hydrogen gas with an increased moisture content (wet hydrogen gas 152) is released and separated into gas and liquid from the absorbing liquid with a reduced moisture content (lean absorbing liquid 138).
再生塔104の温度は吸収塔103の温度より高い所定の温度(例えば、60℃、80℃、100℃)に設定され、及び/又は、再生塔104の圧力は吸収塔103の圧力より低い所定の圧力(例えば、0kPaG、-50kPaG)に設定されている。 The temperature of the regeneration tower 104 is set to a predetermined temperature (e.g., 60°C, 80°C, 100°C) higher than the temperature of the absorption tower 103, and/or the pressure of the regeneration tower 104 is set to a predetermined pressure (e.g., 0 kPaG, -50 kPaG) lower than the pressure of the absorption tower 103.
高温ほど、水素ガス中の飽和水蒸気圧が高くなり、吸収液中の水分も気化し易くなるので、再生塔104の温度が吸収塔103の温度より高いと、再生塔104内の水素ガスは、吸収塔103内の水素ガスよりも水分の含有量を多くすることができる。従って、再生塔104の温度を吸収塔103の温度より高くし、及び/又は、再生塔104の圧力を吸収塔103の圧力より低くすることで、乾燥水電解水素ガス105の一部である再生用乾燥水素ガス145を用いて、リッチ吸収液137の全量を再生してリーン吸収液138にでき、連続的に乾燥水電解水素ガス105を製造することができる。 The higher the temperature, the higher the saturated water vapor pressure in the hydrogen gas, and the easier it is for the water in the absorption liquid to evaporate. Therefore, if the temperature of the regeneration tower 104 is higher than that of the absorption tower 103, the hydrogen gas in the regeneration tower 104 can have a higher water content than the hydrogen gas in the absorption tower 103. Therefore, by making the temperature of the regeneration tower 104 higher than that of the absorption tower 103 and/or making the pressure of the regeneration tower 104 lower than the pressure of the absorption tower 103, the entire amount of the rich absorption liquid 137 can be regenerated to become the lean absorption liquid 138 using the regenerative dry hydrogen gas 145, which is a part of the dry water electrolysis hydrogen gas 105, and the dry water electrolysis hydrogen gas 105 can be continuously produced.
再生塔104は、保温装置151で60℃~100℃の範囲の所定の温度に保温されている。 The regeneration tower 104 is kept at a predetermined temperature in the range of 60°C to 100°C by a heat retention device 151.
再生塔104で水分を吸収した再生用乾燥水素ガス145は、再生塔104のヘッドスペースから、湿潤水素ガス152として、フィルター153、静電容量式露点計154、ニードルバルブ155を通して、ドライ真空ポンプ156で吸引される。それにより再生塔104は減圧される。フィルター153と静電容量式露点計154の間に圧力計157を設け、静電容量式露点計154で測定する湿潤水素ガス152の圧力を計測する。 The dry hydrogen gas 145 for regeneration that has absorbed moisture in the regeneration tower 104 is drawn from the headspace of the regeneration tower 104 as wet hydrogen gas 152 by the dry vacuum pump 156 through the filter 153, the capacitance dew point meter 154, and the needle valve 155. This reduces the pressure in the regeneration tower 104. A pressure gauge 157 is provided between the filter 153 and the capacitance dew point meter 154 to measure the pressure of the wet hydrogen gas 152 measured by the capacitance dew point meter 154.
ドライ真空ポンプ156から排気された湿潤水素ガス152を、高圧の加湿塔102に戻すため、真空ポンプ兼用のコンプレッサ158で加圧する。逆止弁159、バッファータンク160、フィルター161、背圧弁162を順に接続し、背圧弁162の設定圧力を0.35MPaGにする。圧力は、フィルター161と背圧弁162の間に設置した圧力計163で測定する。 The wet hydrogen gas 152 exhausted from the dry vacuum pump 156 is pressurized by a compressor 158 that also serves as a vacuum pump in order to return it to the high-pressure humidification tower 102. A check valve 159, a buffer tank 160, a filter 161, and a back pressure valve 162 are connected in that order, and the set pressure of the back pressure valve 162 is set to 0.35 MPaG. The pressure is measured by a pressure gauge 163 installed between the filter 161 and the back pressure valve 162.
加圧した湿潤水素ガス152は、マスフローメーター164と静電容量式露点計165で流量と露点が測定され、逆止弁166を経て、加湿塔102の湿潤水電解水素ガス106のラインに戻される。戻す圧力は、マスフローメーター164と静電容量式露点計165との間に設置した圧力計167で測定する。 The flow rate and dew point of the pressurized wet hydrogen gas 152 are measured by a mass flow meter 164 and a capacitance type dew point meter 165, and the gas is returned to the wet water electrolysis hydrogen gas 106 line of the humidification tower 102 via a check valve 166. The return pressure is measured by a pressure gauge 167 installed between the mass flow meter 164 and the capacitance type dew point meter 165.
湿潤水素ガス152中の水分は、ラインが露点以下に冷却されておらず、また、飽和水蒸気圧以上に加圧されていなければ、全量が加湿塔102に戻る。 If the line is not cooled below the dew point and is not pressurized above the saturated water vapor pressure, all of the moisture in the wet hydrogen gas 152 will return to the humidification tower 102.
なお本試験装置では、湿潤水素ガス152を湿潤水電解水素ガス106のラインに戻しているが、水電解装置101に戻すことができ、この場合、湿潤水素ガス152中の水分は、水電解の原料水として利用できる。 In this test device, the wet hydrogen gas 152 is returned to the line of the wet water electrolysis hydrogen gas 106, but it can be returned to the water electrolysis device 101, in which case the water in the wet hydrogen gas 152 can be used as raw water for water electrolysis.
(実施例1)
吸収液として、イオン液体である、式(1)で示される、メチルトリブチルホスホニウム ジメチルホスフェート(日本化学工業株式会社製、ヒシコーリンPX-4MP、化学式[(n-C4H9)3P+(CH3)][(MeO)2PO2
-])を用いた。
As the absorbing liquid, methyltributylphosphonium dimethylphosphate (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., Hishicoline PX-4MP, chemical formula [(nC 4 H 9 ) 3 P + (CH 3 )][(MeO) 2 PO 2 − ]), which is an ionic liquid, was used, as shown in formula (1).
湿潤水電解水素ガス106を、加湿塔102で、温度10℃、圧力0.30MPaGの飽和水蒸気量分の水蒸気を含んだ状態(常圧換算の露点:-9℃)にし、2L/min、圧力0.30MPaGで吸収塔3に供給した。吸収塔103は、吸収液の液量を500mL、温度を25℃、圧力を0.30MPaGとし、再生塔104は、液量を500mL、温度を60℃、圧力を-50kPaGとし、吸収液の循環量を5mL/minとし、乾燥水素の循環流量を500mL/minにして除湿試験を行った。静電容量式露点計107で測定した、乾燥水電解水素ガスの露点(常圧換算値)の経時変化を図7、図9、図11、図15に示す。また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図8、図10、図12、図16に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。 The wet water electrolysis hydrogen gas 106 was humidified in the humidification tower 102 to a state containing water vapor equivalent to the amount of saturated water vapor at a temperature of 10°C and a pressure of 0.30 MPaG (dew point converted to normal pressure: -9°C) and supplied to the absorption tower 3 at 2 L/min and a pressure of 0.30 MPaG. The absorption tower 103 had a liquid volume of 500 mL, a temperature of 25°C, and a pressure of 0.30 MPaG, while the regeneration tower 104 had a liquid volume of 500 mL, a temperature of 60°C, and a pressure of -50 kPaG, with a circulation rate of the absorption liquid of 5 mL/min and a circulation flow rate of the dry hydrogen of 500 mL/min. The dehumidification test was performed. The change over time in the dew point (normal pressure converted value) of the dry water electrolysis hydrogen gas measured by the capacitance dew point meter 107 is shown in Figures 7, 9, 11, and 15. In addition, the changes over time in the moisture content of the rich absorption solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorption solution 138 sampled from the regeneration tower 104 are shown in Figures 8, 10, 12, and 16. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and that the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained.
乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorption solution 137 and lean absorption solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
(実施例2)
再生塔の圧力を0kPaGに変えた以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図9に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。実施例1と比較すると乾燥水電解水素ガス105の露点が高い事がわかる。
Example 2
A dehumidification test was conducted in the same manner as in Example 1, except that the pressure in the regeneration tower was changed to 0 kPaG. The change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is shown in Figure 9. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is higher than that of Example 1.
また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図10に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Figure 10 shows the change over time in the moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104. Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorbing solution 137 and lean absorbing solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
(実施例3)
乾燥水素の循環流量を300mL/minに変えた以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。静電容量式露点計107で測定した、乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図11に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図12に示す。
Example 3
A dehumidification test was performed in the same manner as in Example 1, except that the circulation flow rate of dry hydrogen was changed to 300 mL/min. Figure 11 shows the change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 measured by the capacitance dew point meter 107. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. Figure 12 also shows the change over time in the moisture content of the rich absorption solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorption solution 138 sampled from the regeneration tower 104.
乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorption solution 137 and lean absorption solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
(実施例4)
乾燥水素の循環流量を100mL/minに変えた以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。静電容量式露点計107で測定した、乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図13に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図14に示す。
Example 4
A dehumidification test was conducted in the same manner as in Example 1, except that the circulation flow rate of dry hydrogen was changed to 100 mL/min. Figure 13 shows the change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 measured by the capacitance dew point meter 107. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. Figure 14 also shows the change over time in the moisture content of the rich absorption solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorption solution 138 sampled from the regeneration tower 104.
乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorption solution 137 and lean absorption solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
(実施例5)
吸収液の循環量を2mL/minにした以外は、実施例1と同様にして除湿試験を行った。静電容量式露点計107で測定した、乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図15に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図16に示す。
Example 5
A dehumidification test was performed in the same manner as in Example 1, except that the circulation rate of the absorbing solution was set to 2 mL/min. Figure 15 shows the change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 measured by the capacitance-type dew point meter 107. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. Figure 16 also shows the change over time in the moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104.
乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorption solution 137 and lean absorption solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
(実施例6)
再生塔の温度を80℃に変えた以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図7に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。実施例1と比較すると乾燥水電解水素ガス105の露点が高い事がわかる。
Example 6
A dehumidification test was conducted in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the regeneration tower was changed to 80° C. The change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is shown in Figure 7. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and that the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is higher than that of Example 1.
また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図8に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。なお、実施例6及び実施例7では、ガスクロマトグラフ134として、490マイクロGC(アジレント・テクノロジー株式会社製)の代わりに、低濃度の測定が可能なGC-2014(株式会社島津製作所製)を用いて測定した。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Figure 8 shows the change over time in the moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104. Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. In Examples 6 and 7, the gas chromatograph 134 was replaced with a 490 micro GC (manufactured by Agilent Technologies, Inc.) that can measure low concentrations, and the measurements were performed using a GC-2014 (manufactured by Shimadzu Corporation), which is capable of measuring low concentrations. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorbing solution 137 and the lean absorbing solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
(実施例7)
再生塔104の温度を100℃に変えた以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図7に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。実施例1と比較すると乾燥水電解水素ガス105の露点が高い事がわかる。
(Example 7)
A dehumidification test was conducted in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the regeneration tower 104 was changed to 100° C. The change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is shown in Figure 7. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and that the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is higher than that of Example 1.
また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図8に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Figure 8 shows the change over time in the moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104. Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorbing solution 137 and lean absorbing solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
図7の実施例1、実施例6、実施例7で、再生塔104の温度に対する乾燥水電解水素ガス105の露点を比較すると、再生塔104の温度が高いほど乾燥水電解水素ガス105の露点が下がるが、80℃以上ではその低下量は少なく、10℃以上ではほとんど低下しないと推測される。 When comparing the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 against the temperature of the regeneration tower 104 in Examples 1, 6, and 7 in Figure 7, it is estimated that the higher the temperature of the regeneration tower 104, the lower the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105, but the amount of decrease is small at 80°C or higher, and there is almost no decrease at 10°C or higher.
(実施例8)
吸収液の循環量を1mL/minにした以外は、実施例1と同様にして除湿試験を行った。静電容量式露点計107で測定した、乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図15に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図16に示す。
(Example 8)
A dehumidification test was performed in the same manner as in Example 1, except that the circulation rate of the absorbing solution was set to 1 mL/min. Figure 15 shows the change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 measured by the capacitance-type dew point meter 107. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. Figure 16 also shows the change over time in the moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104.
乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorption solution 137 and lean absorption solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
図15の実施例1、実施例5、実施例8で、吸収液の循環量に対する乾燥水電解水素ガス105の露点を比較すると、吸収液の循環量が低いほど乾燥水電解水素ガス105の露点が下がるが、2mL/min以下ではその低下量は少なく、5mL/min以下ではほとんど低下しないと推測される。 When comparing the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 against the amount of circulation of the absorption liquid in Examples 1, 5, and 8 in Figure 15, it is estimated that the lower the amount of circulation of the absorption liquid, the lower the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105, but the amount of decrease is small at 2 mL/min or less, and there is almost no decrease at 5 mL/min or less.
(実施例9)
乾燥水素の循環流量を50mL/minに変えた以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図13に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。実施例1と比較すると乾燥水電解水素ガス105の露点が高い事がわかる。
Example 9
A dehumidification test was conducted in the same manner as in Example 1, except that the circulation flow rate of dry hydrogen was changed to 50 mL/min. The change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is shown in Figure 13. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and that the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is higher than that of Example 1.
また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図14に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Figure 14 shows the change over time in the moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104. Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorbing solution 137 and lean absorbing solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
(参考例1)
再生塔104に乾燥水素を流さない以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。すなわち、吸収液として、イオン液体のメチルトリブチルホスホニウム ジメチルホスフェート(日本化学工業株式会社製、ヒシコーリンPX-4MP)を用い、湿潤水電解水素ガス106を、加湿塔102で、温度10℃、圧力0.30MPaGの飽和水蒸気量分の水蒸気を含んだ状態にし、2L/min、圧力0.30MPaGで吸収塔3に供給した。吸収塔103は、吸収液の液量を500mL、温度を25℃、圧力を0.30MPaGとした。
(Reference Example 1)
A dehumidification test was carried out in the same manner as in Example 1, except that dry hydrogen was not passed through the regeneration tower 104. That is, an ionic liquid, methyl tributylphosphonium dimethyl phosphate (Hishicoline PX-4MP, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.), was used as the absorbing liquid, and the wet water electrolysis hydrogen gas 106 was made to contain water vapor in the humidifying tower 102 in an amount equivalent to the amount of saturated water vapor at a temperature of 10° C. and a pressure of 0.30 MPaG, and was supplied to the absorption tower 3 at a rate of 2 L/min and a pressure of 0.30 MPaG. In the absorption tower 103, the amount of the absorbing liquid was 500 mL, the temperature was 25° C., and the pressure was 0.30 MPaG.
再生塔104は、液量を500mL、温度を60℃とし、バルブ120を閉じて乾燥水素の循環流量を0mL/minにして、ドライ真空ポンプ156で-50kPaGで吸引し、排気は、循環させずに排気口(不図示)から放出した。吸収液の循環量は5mL/minとして除湿試験を行った。静電容量式露点計107で測定した、乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図13に示す。また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図14に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定したが、露点は、-9℃(常圧換算)から、約-10℃程度に減少した。再生塔104を加熱しかつ減圧にすることで、リッチ吸収液137から水分が気化して除去されたと推測される。 The regeneration tower 104 had a liquid volume of 500 mL and a temperature of 60°C. The valve 120 was closed to set the circulation flow rate of dry hydrogen to 0 mL/min, and the dry vacuum pump 156 sucked in at -50 kPaG. The exhaust gas was not circulated and was discharged from an exhaust port (not shown). The dehumidification test was performed with the circulation rate of the absorption liquid set to 5 mL/min. FIG. 13 shows the change over time in the dew point (normal pressure equivalent) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 measured with the capacitance dew point meter 107. FIG. 14 shows the change over time in the moisture content of the rich absorption liquid 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorption liquid 138 sampled from the regeneration tower 104. The dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilized in about 20 minutes, but the dew point decreased from -9°C (normal pressure equivalent) to about -10°C. It is believed that by heating and reducing the pressure in the regeneration tower 104, moisture is evaporated and removed from the rich absorption liquid 137.
乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorption solution 137 and lean absorption solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
図11及び図13で実施例1、実施例3、実施例4、実施例9、参考例1を比較すると、再生塔104へのガス流量(水素ガスの循環流量)を変えても排気口から得られる乾燥水電解水素ガス105の総量は約2mL/minと変化しないが、水素ガスの循環流量が多いほど、吸収液中の水分量が減り、乾燥水電解水素ガス105の露点が低くなること、その低下割合は100mL/min以下で穏やかになり、循環流量300mL/min以下でより穏やかになる。循環流量500mL/min以下では、その低下量は少ないと推測される。 Comparing Example 1, Example 3, Example 4, Example 9, and Reference Example 1 in Figures 11 and 13, even if the gas flow rate (hydrogen gas circulation flow rate) to the regeneration tower 104 is changed, the total amount of dry water electrolysis hydrogen gas 105 obtained from the exhaust port does not change to about 2 mL/min. However, the higher the hydrogen gas circulation flow rate, the less water there is in the absorption solution and the lower the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 becomes, and the rate of decrease becomes gentle at 100 mL/min or less and even more gentle at a circulation flow rate of 300 mL/min or less. It is estimated that the amount of decrease is small at a circulation flow rate of 500 mL/min or less.
(実施例10)
再生塔104の圧力を100kPaGに変えた以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。乾燥水電解水素ガス105の露点(常圧換算値)の経時変化を図9に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られていることがわかる。
Example 10
A dehumidification test was conducted in the same manner as in Example 1, except that the pressure in the regeneration tower 104 was changed to 100 kPaG. The change over time in the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is shown in Figure 9. It can be seen that the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilizes in about 20 minutes, and the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is continuously obtained.
また、吸収塔103からサンプリングした、リッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量の経時変化を図10に示す。乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表1に示す。 Figure 10 shows the change over time in the moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104. Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorbing solution 137 and lean absorbing solution 138 after 240 minutes are shown in Table 1.
図9の実施例1、実施例2、実施例10で、再生塔104の圧力に対する乾燥水電解水素ガス105の露点を比較すると、圧力が低いほど乾燥水電解水素ガス105の露点が下がること、0kPaG以下ではその低下量が少なく、-50PaG以下では、その低下量がより少ないと推測される。 When comparing the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 against the pressure of the regeneration tower 104 in Examples 1, 2, and 10 in Figure 9, it is presumed that the lower the pressure, the lower the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105, and that the amount of decrease is small at 0 kPaG or less, and even less at -50 PaG or less.
(比較例1)
再生塔104に乾燥水素を流す代わりに、乾燥窒素を流し、ドライ真空ポンプ156から排出されたガスは循環させずに系外に排出した以外は実施例1と同様にして、除湿試験を行った。乾燥水電解水素ガス105の露点は、20分程度で安定し、連続的に乾燥水電解水素ガス105が得られた。
(Comparative Example 1)
A dehumidification test was performed in the same manner as in Example 1, except that dry nitrogen was flowed into the regeneration tower 104 instead of dry hydrogen, and the gas discharged from the dry vacuum pump 156 was discharged outside the system without being circulated. The dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 stabilized in about 20 minutes, and dry water electrolysis hydrogen gas 105 was continuously obtained.
また、吸収塔103からサンプリングしたリッチ吸収液137と再生塔104からサンプリングしたリーン吸収液138の水分量を測定した。乾燥水電解水素ガス105の露点が安定した30分後に、乾燥水電解水素ガス105の露点を鏡面式露点計131で測定して常圧換算値の露点を求めた。また、乾燥水電解水素ガス105をガスクロマトグラフ134で測定し、窒素濃度、酸素濃度を求めた。この乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を表2に示す。 The moisture content of the rich absorbing solution 137 sampled from the absorption tower 103 and the lean absorbing solution 138 sampled from the regeneration tower 104 was measured. Thirty minutes after the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 had stabilized, the dew point of the dry water electrolysis hydrogen gas 105 was measured with a mirror dew point meter 131 to obtain the dew point converted to normal pressure. The dry water electrolysis hydrogen gas 105 was also measured with a gas chromatograph 134 to obtain the nitrogen concentration and oxygen concentration. The dew point (converted to normal pressure), nitrogen concentration, oxygen concentration, and moisture content of the rich absorbing solution 137 and lean absorbing solution 138 after 240 minutes are shown in Table 2.
実施例1~実施例10と比較例1とを比較すると、乾燥水電解水素ガス105中の窒素ガス濃度が、比較例1では約48ppmであるのに対して、実施例1~実施例10では、検出限界(4ppm)以下であり、実施例1~実施例10で得られる乾燥水電解水素ガス105は、高純度であることがわかる。 Comparing Examples 1 to 10 with Comparative Example 1, the nitrogen gas concentration in the dry water electrolysis hydrogen gas 105 is approximately 48 ppm in Comparative Example 1, whereas in Examples 1 to 10 it is below the detection limit (4 ppm), indicating that the dry water electrolysis hydrogen gas 105 obtained in Examples 1 to 10 is of high purity.
(比較例2)
再生塔104に流す乾燥窒素の流量を500mL/min.から300mL/min.に変更した以外は、比較例1と同様にして、除湿試験を行った。また、比較例1と同様にして、乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を測定した。結果を表2に示す。乾燥水電解水素ガス105中に窒素が混入していることがわかる。
(Comparative Example 2)
A dehumidification test was performed in the same manner as in Comparative Example 1, except that the flow rate of dry nitrogen flowing into the regeneration tower 104 was changed from 500 mL/min to 300 mL/min. Also, in the same manner as in Comparative Example 1, the dew point (normal pressure equivalent value), nitrogen concentration, oxygen concentration of the dry hydrogen gas, and the moisture content of the rich absorption solution 137 and the lean absorption solution 138 after 240 minutes were measured. The results are shown in Table 2. It can be seen that nitrogen was mixed into the dry water electrolysis hydrogen gas 105.
(比較例3)
再生塔104に流す窒素の流量を500mL/min.から100mL/min.に変更した以外は、比較例1と同様にして、除湿試験を行った。また、比較例1とど同様にして、乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を測定した。結果を表2に示す。乾燥水電解水素ガス105中に窒素が混入していることがわかる。
(Comparative Example 3)
A dehumidification test was performed in the same manner as in Comparative Example 1, except that the flow rate of nitrogen flowing into the regeneration tower 104 was changed from 500 mL/min to 100 mL/min. Also, in the same manner as in Comparative Example 1, the dew point (normal pressure equivalent value), nitrogen concentration, oxygen concentration of the dry hydrogen gas, and the moisture content of the rich absorption solution 137 and the lean absorption solution 138 after 240 minutes were measured. The results are shown in Table 2. It can be seen that nitrogen was mixed into the dry water electrolysis hydrogen gas 105.
(比較例4)
再生塔104の温度を60℃から80℃に変更した以外は、比較例1と同様にして、除湿試験を行った。また、比較例1と同様にして、乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を測定した。結果を表2に示す。乾燥水電解水素ガス105中に窒素が混入していることがわかる。なお、比較例4及び比較例5では、ガスクロマトグラフ134として、490マイクロGC(アジレント・テクノロジー株式会社製)の代わりに、低濃度の測定が可能なGC-2014(株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
(Comparative Example 4)
A dehumidification test was performed in the same manner as in Comparative Example 1, except that the temperature of the regeneration tower 104 was changed from 60°C to 80°C. In addition, in the same manner as in Comparative Example 1, the dew point (normal pressure equivalent value) of the dry hydrogen gas, the nitrogen concentration, the oxygen concentration, and the moisture content of the rich absorption solution 137 and the lean absorption solution 138 after 240 minutes were measured. The results are shown in Table 2. It can be seen that nitrogen is mixed in the dry water electrolysis hydrogen gas 105. In Comparative Examples 4 and 5, the measurement was performed using a GC-2014 (manufactured by Shimadzu Corporation), which is capable of measuring low concentrations, instead of a 490 micro GC (manufactured by Agilent Technologies, Inc.) as the gas chromatograph 134.
(比較例5)
再生塔104の温度を60℃から100℃に変更した以外は、比較例1と同様にして、除湿試験を行った。また、比較例1と同様にして、乾燥水素ガスの露点(常圧換算値)、窒素濃度、酸素濃度、及び240分後のリッチ吸収液137とリーン吸収液138の水分量を測定した。結果を表2に示す。乾燥水電解水素ガス105中に窒素が混入していることがわかる。
(Comparative Example 5)
A dehumidification test was performed in the same manner as in Comparative Example 1, except that the temperature of the regeneration tower 104 was changed from 60° C. to 100° C. Also, in the same manner as in Comparative Example 1, the dew point (normal pressure equivalent value), nitrogen concentration, oxygen concentration of the dry hydrogen gas, and the moisture content of the rich absorption solution 137 and the lean absorption solution 138 after 240 minutes were measured. The results are shown in Table 2. It can be seen that nitrogen was mixed into the dry water electrolysis hydrogen gas 105.
(実験例1に用いる管型反応器(1段))
実験例1では、図6に示す乾燥水電解水素ガス製造装置の吸収塔103の他の態様として管型の反応器による除湿試験を行う。実験例1に用いる管型の反応器(1段)について図20を用いて、図6の吸収塔103(槽型反応器)と比較しながら説明する。
前述の実施例1に用いた吸収塔103では、図6に示すように、除湿は、吸収塔103に吸収液(500mL)を貯留して、吸収塔103の底部から湿潤水電解水素ガス118(温度10℃、圧力0.30MPaG)を2L/minでバブリングさせることで、湿潤水電解水素ガス118と吸収液126との接触させることにより行った。吸収塔103内では底部から吸収液126の気液面まで湿潤水電解水素ガス118の気泡が上昇し、その間に、湿潤水電解水素ガス118中の水分が吸収液126に移動する。液面では乾燥した水素ガス(乾燥水電解水素ガス105)が放出され、水分を吸収した吸収液126と気液分離される。吸収塔103の上部のガス相に一部、ガラスビーズ(アズワン株式会社製、型番:BZ-4、球状、φ3.962~4.699mm)を設置して、吸収液をガラスビーズに滴下し、吸収液は、ガラスビーズの表面を経由して下部の液溜へと移動させた。
(Tubular reactor (one stage) used in Experimental Example 1)
In Experimental Example 1, a dehumidification test was conducted using a tubular reactor as another embodiment of the absorption tower 103 of the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus shown in Fig. 6. The tubular reactor (one stage) used in Experimental Example 1 will be described with reference to Fig. 20 in comparison with the absorption tower 103 (tank-type reactor) in Fig. 6.
In the absorption tower 103 used in the above-mentioned Example 1, as shown in Fig. 6, dehumidification was performed by storing the absorbing solution (500 mL) in the absorption tower 103 and bubbling the wet water electrolysis hydrogen gas 118 (temperature 10°C, pressure 0.30 MPaG) from the bottom of the absorption tower 103 at 2 L/min to bring the wet water electrolysis hydrogen gas 118 into contact with the absorbing solution 126. In the absorption tower 103, bubbles of the wet water electrolysis hydrogen gas 118 rise from the bottom to the gas-liquid surface of the absorbing solution 126, during which moisture in the wet water electrolysis hydrogen gas 118 moves to the absorbing solution 126. At the liquid surface, dried hydrogen gas (dried water electrolysis hydrogen gas 105) is released and is separated into gas and liquid from the absorbing solution 126 that has absorbed moisture. Glass beads (manufactured by AS ONE CORPORATION, model number: BZ-4, spherical, φ3.962 to φ4.699 mm) were placed in a portion of the gas phase in the upper part of the absorption tower 103, and the absorption liquid was dropped onto the glass beads, and the absorption liquid was moved via the surfaces of the glass beads to a liquid reservoir in the lower part.
実験例1に用いる吸収塔の1段式管型反応器301は、図20に示すように直管302(内径:1インチ(2.54cm)、長さ:100cm、材質:PFA(四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体))の上端にT型管継手303を、下端にT型管継手304を接続し、上端のT型管継手303の枝管側に吸収液入口305を設け、下端のT型管継手304の母管側に吸収液出口306を設けてある。また、下端のT型管継手303の枝管側にガス吹込口307を設け、上端のT型管継手303の母管側にガス出口308を設けてある。図20の1段式管型反応器301は、図6の吸収塔103の槽型反応器に比べて容積が小さく、水平断面の断面積が小さく、垂直方向の長さが長い。1段式管型反応器301内には、充填材を充填していない。
As shown in FIG. 20, the single-
1段式管型反応器301に吸収液309を所定量貯留し、1段式管型反応器301内の温度を温度計310で計測して、1段式管型反応器301の外周に設置した恒温槽(図不示)で所定の温度に調整する。水電解装置(図不示)で製造した水電解水素ガスを、実施例1と同様に加湿塔311で加温と加湿を行い所定の温度、圧力、湿度に調整した湿潤水電解水素ガス312とし、逆止弁313を経由して所定の流量でガス吹込口307から、1段式管型反応器301に吹き込む。湿潤水電解水素ガス312は、吸収液309中を上昇して水分量が減少し、ガス出口308をから乾燥水電解水素ガス314として抜き出し、排気口315から排出する。乾燥水電解水素ガス314は、露点計(図不示)で露点を経時的に測定した。
A predetermined amount of the
本測定では、吸収塔の性能を試験するため、再生塔を用いる代わりにリーン吸収液316として市販の乾燥したトリエチレングリコール(TEG、水分含有量200ppm以下)をリーン吸収液容器317に貯め、送液ポンプ318で圧送して、三方弁319、二方弁320、逆止弁321を経由して吸収液入口305から1段式管型反応器301に導入する。リーン吸収液316の水分量はサンプリング部322でサンプリングした試料を測定して求める。
In this measurement, instead of using a regeneration tower to test the performance of the absorption tower, commercially available dried triethylene glycol (TEG,
リーン吸収液316は、1段式管型反応器301中の吸収液309を下方に押し出す。1段式管型反応器301中でリーン吸収液316と湿潤水電解水素ガス312とが接触してリーン吸収液316中の水分濃度が上昇し、湿潤水電解水素ガス312中の水分濃度が降下する。1段式管型反応器301中で水分濃度が最も高い状態の吸収液309が、吸収液出口306からリッチ吸収液323として排出される。吸収液出口306の位置は、ガス吹込口307から導入する湿潤水電解水素ガス312が下方に向かって同伴しない程度にガス吹込口307より下方に設置されている。吸収液出口306から排出されたリッチ吸収液323の水分量は、二方バルブ324、ニードルバルブ325を経由してサンプリング部326でサンプリングした試料を測定して求めた。また、リッチ吸収液323は、二方バルブ327、流量調節バルブ328、流量調節バルブ329、微小流量計330を経由してリッチ吸収液容器331に貯留する。流量調節バルブ328および流量調節バルブ329の2段階で流量を微小に調節する。
The
(実験例1:管型反応器(1段)による除湿試験(充填材なし))
湿潤水電解水素ガス312を、流量:2L/min、加湿塔温度:10℃、加湿塔圧力:0.30MPaGとし、吸収液309としてTEGを用い、リーン吸収液316として水分量158ppmのTEGを、1段式管型反応器301に流量:1mL/minで供給し、吸収塔温度:20℃、吸収塔圧力:0.30MPaGの条件で乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス314の露点(常圧換算値)の経時変化を図22および図23に示す。また、240分経過後のリーン吸収液316(サンプリング部322)、リッチ吸収液323(サンプリング部326)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 1: Dehumidification test using a tubular reactor (one stage) (without packing material))
A drying test was performed under the conditions of a flow rate of 2 L/min for the wet water
(実験例2に用いる管型反応器(2段))
実験例2では、図6に示す乾燥水電解水素ガス製造装置の吸収塔103の他の態様として2段の管型の反応器による除湿試験を行う。実験例2に用いる管型の反応器(2段)について図21を用いて説明する。
(Tubular reactor (two stages) used in Experimental Example 2)
In Experimental Example 2, a dehumidification test was conducted using a two-stage tubular reactor as another embodiment of the absorption tower 103 of the dry water electrolysis hydrogen gas production apparatus shown in Fig. 6. The tubular reactor (two stages) used in Experimental Example 2 will be described with reference to Fig. 21.
2段式管型反応器401は、図21に示すように、第1管型反応器402と第2管型反応器403とが直列に連結されている。
As shown in FIG. 21, the two-
第1管型反応器402は、直管404(内径:1インチ(2.54cm)、長さ:100cm、材質:PFA)の上端にT型管継手405を接続し、下端にT型管継手406を接続し、上端のT型管継手405の枝管側に第1吸収液入口407を設け、下端のT型管継手406の母管側に第1吸収液出口408を設けてある。また、下端のT型管継手406の枝管側に第1ガス吹込口409を設け、上端のT型管継手の母管側に第1ガス出口410を設けてある。また、上端のT型管継手405の母管側から温度計411の熱電対が差し込まれており、第1管型反応器402内の温度を測定する。
The first
第2管型反応器403は、直管412(内径:1インチ(2.54cm)、長さ:100cm、材質:PFA)の下端にT型管継手413を接続し、更にT型管継手413の母管側にT型管継手414を直列に接続し、T型管継手414の母管側から細管415を直管412の中間まで通して第2吸収液入口416を設け、T型管継手414の枝管側に第2吸収液出口417を設けてある。また、T型管継手413の枝管側に第2ガス吹込口418を設け、直管412の上端に第2ガス出口419を設けてある。また、直管412の上端から温度計420の熱電対が差し込まれており、第2管型反応器403内の温度を測定する。
The second
第1管型反応器402の第1吸収液出口408は第2管型反応器403の第2吸収液入口416と連結され、第2管型反応器403の第2ガス出口419は第1管型反応器402の第1ガス吹込口409と連結されている。第1吸収液出口408は第2吸収液入口416より低い位置に配置されている。また、第2ガス出口419は、第1ガス出口410より低く、第1ガス吹込口409より高い位置に配置されている。
The first absorbing
第1管型反応器402および第2管型反応器403は、それぞれ図20の1段式管型反応器301と同様に、図6の吸収塔103(槽型反応器)に比べて容積が小さく、水平断面の断面積が小さく、垂直方向の長さが長い。第1管型反応器402および第2管型反応器403内には、充填材を充填していない。
The first
第1管型反応器402および第2管型反応器403に吸収液421を所定量貯留し、第1管型反応器402および第2管型反応器403内の温度は、それぞれ温度計411および温度計420で計測して、第1管型反応器402および第2管型反応器403の外周に設置した恒温槽(図不示)で所定の温度に調整する。水電解装置(図不示)で製造した水電解水素ガスを、実施例1と同様に加湿塔422を経由して加湿して所定の温度、圧力、湿度に調整した湿潤水電解水素ガス423とし、逆止弁424を経由して、所定の流量で、第1ガス吹込口409から、第2管型反応器403に吹き込む。湿潤水電解水素ガス423は、第2管型反応器403内の吸収液421中を上昇して水分量が減少し、第2ガス出口419から第1ガス吹込口409へ移動して第1管型反応器402に吹き込まれ、第1管型反応器402内の吸収液421中を上昇して更に水分量が減少し、第1ガス出口410から、乾燥水電解水素ガス425として抜き出し、排気口426から排出する。乾燥水電解水素ガス425は、露点計(図不示)で露点を経時的に測定する。
A predetermined amount of
本試験では、実験例1と同様に、吸収塔の性能を試験するため、再生塔を用いる代わりに、吸収液421としてTEGを用い、市販の乾燥したTEG(水分含有量200ppm以下)をリーン吸収液容器428に貯め、送液ポンプ429で圧送して、三方弁430、二方弁431、逆止弁432を経由して第1吸収液入口407から第1管型反応器402に導入する。リーン吸収液427の水分量は、サンプリング部433でサンプリングした試料を測定することにより行う。
In this test, similar to Experimental Example 1, in order to test the performance of the absorption tower, TEG is used as the
リーン吸収液427は、第1管型反応器402中の吸収液421を下方に押し出し、吸収液421は、第1吸収液出口408から第2吸収液入口416に移動し、第2管型反応器403に導入される。第1吸収液出口408より第2吸収液入口416が低位置にあるので、第1吸収液出口408と第2吸収液入口416の間にポンプを設けなくても第1管型反応器402から第2管型反応器403に吸収液421を送ることができる。第1吸収液出口408と第2吸収液入口416との間の吸収液421の水分量は、二方バルブ434、ニードルバルブ435を経由してサンプリング部436でサンプリングした試料を測定することにより行う。第2吸収液入口412から第2管型反応器403に導入された吸収液421は、第2管型反応器403中の吸収液421を下方に押し出し、第2吸収液出口417からリッチ吸収液437として排出される。リッチ吸収液437は、二方バルブ438、流量調節バルブ439、流量調節バルブ440、微小流量計441を経由してリッチ吸収液容器442に貯留する。流量調節バルブ439および流量調節バルブ440の2段階で流量を微小に調節する。リッチ吸収液437の水分量は、ニードルバルブ443を経由してサンプリング部444でサンプリングした試料を測定して求めた。
The
(実験例2:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材なし))
湿潤水電解水素ガス423を、流量:2L/min、加湿塔温度:10℃、加湿塔圧力:0.30MPaGとし、吸収液421としてTEGを用い、リーン吸収液427として水分量182ppmのTEGを、2段式管型反応器401に流量:1mL/minで供給し、吸収塔温度:20℃、吸収塔圧力:0.30MPaGの条件で乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図23および図24に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 2: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (without packing material))
The wet water
吸収塔の段数について実験例1と実験例2を比較すると図24からわかるように、充填材が無い場合、吸収塔を1段から2段にすることで、除湿水素の露点が約-51℃から約-61℃と大幅(約10℃)に下がった。 Comparing Experimental Example 1 and Experimental Example 2 in terms of the number of stages in the absorption tower, as can be seen in Figure 24, when there was no packing material, by increasing the number of stages in the absorption tower from one to two, the dew point of the dehumidified hydrogen dropped significantly (by about 10°C), from about -51°C to about -61°C.
(実験例3:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例2で用いた2段式管型反応器401では、第1管型反応器402および第2管型反応器403内に充填材を充填していないが、実験例3では、第1管型反応器402および第2管型反応器403内に充填材としてラッシリング(東京硝子機器株式会社製、商品名:ラッシリング、型式:FC-6、形状:円筒状、φ6×6mm)を充填した。
湿潤水電解水素ガス423を、流量:2L/min、加湿塔温度:10℃、加湿塔圧力:0.30MPaGとし、吸収液421としてTEGを用い、リーン吸収液427として水分量140ppmのTEGを、2段式管型反応器401に流量:1mL/minで供給し、吸収塔温度:20℃、吸収塔圧力:0.30MPaGの条件で乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図23、図25、図29に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 3: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
In the two-
The wet water
ラッシリングの充填の有無について実験例2と実験例3を比較すると図23からわかるように、吸収塔が2段の場合、吸収塔にラッシリングを充填しても、除湿水素の露点は、約-61℃から約-62℃と、ほとんど変化しなかった。 Comparing Experimental Example 2 and Experimental Example 3 with and without lashings, as can be seen from Figure 23, when the absorption tower has two stages, even if the absorption tower is filled with lashings, the dew point of the dehumidified hydrogen hardly changed, from about -61°C to about -62°C.
(実験例4:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例3で用いた2段式管型反応器401を用いて、吸収液流量を0.5L/minとした以外は、実験例3と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図29に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 4: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 3, except that the two-
(実験例5:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例3で用いた2段式管型反応器401を用いて、吸収液流量を2mL/minで供給した以外は、実験例3と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図29に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 5: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 3, except that the two-
(実験例6:管型反応器(1段)による除湿試験(充填材あり))
実験例1で用いた1段式管型反応器301内には、充填材を充填していないが、実験例6では1段式管型反応器301内にラッシリング(東京硝子機器株式会社製、商品名:ラッシリング、型式:FC-6、形状:円筒状、φ6×6mm)を充填した。ラッシリングを用いた以外は、実験例1と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス314の露点(常圧換算値)の経時変化を図22および図25に示す。また、240分経過後のリーン吸収液316(サンプリング部322)、リッチ吸収液323(サンプリング部326)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 6: Dehumidification test using a tubular reactor (one stage) (with packing material))
The single-
ラッシリングの充填の有無について実験例1と実験例6を比較すると図22からわかるように、吸収塔が1段の場合、吸収塔にラッシリングを充填することで、除湿水素の露点が、約-51℃から約-60℃と、大幅(約10℃)に低下した。 When comparing Experimental Example 1 and Experimental Example 6 with and without the use of lashings, as can be seen from Figure 22, when the absorption tower has one stage, the dew point of the dehumidified hydrogen dropped significantly (by about 10°C), from about -51°C to about -60°C, by filling the absorption tower with lashings.
吸収塔の段数について実験例6と実験例3を比較すると図25からわかるように、ラッシリングを充填した場合は、吸収塔を1段から2段にしても、除湿水素の露点は、約-60℃から約-62℃と、ほぼ等しかった。 Comparing Experimental Example 6 and Experimental Example 3 in terms of the number of stages in the absorption tower, as can be seen in Figure 25, when the absorption tower was filled with rashelings, the dew point of the dehumidified hydrogen was almost the same, ranging from approximately -60°C to approximately -62°C, even if the absorption tower was increased from one stage to two stages.
(実験例7:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例3で用いた2段式管型反応器401を用いて、リーン吸収液427を流量:0.3mL/minで供給した以外は、実験例3と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図29、図30に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 7: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 3, except that the lean absorbing
吸収液流量について実験例5(2.0mL/min)、実験例3(1.0mL/min)、実験例4(0.5mL/min)、実験例7(0.3mL/min)を比較すると、図29からわかるように吸収塔が2段の場合では、吸収液流量を0.3~2.0mL/minの範囲で変化させても、約-62℃~約-61℃と、除湿水素の露点はほとんど変化しなかった。 Comparing the absorption liquid flow rate of Experimental Example 5 (2.0 mL/min), Experimental Example 3 (1.0 mL/min), Experimental Example 4 (0.5 mL/min), and Experimental Example 7 (0.3 mL/min), as can be seen from Figure 29, when the absorption tower has two stages, even if the absorption liquid flow rate is changed in the range of 0.3 to 2.0 mL/min, the dew point of the dehumidified hydrogen hardly changes, at about -62°C to about -61°C.
吸収液流量について実験例5(2.0mL/min)、実験例3(1.0mL/min)、実験例4(0.5mL/min)、実験例7(0.3mL/min)を比較すると吸収塔が2段の場合では、吸収液流量を0.3~2.0mL/minの範囲で変化させても、約-62℃~約-61℃と、除湿水素の露点はほとんど変化しなかった。 Comparing the absorption liquid flow rate in Experimental Example 5 (2.0 mL/min), Experimental Example 3 (1.0 mL/min), Experimental Example 4 (0.5 mL/min), and Experimental Example 7 (0.3 mL/min), in the case of a two-stage absorption tower, even when the absorption liquid flow rate was changed in the range of 0.3 to 2.0 mL/min, the dew point of the dehumidified hydrogen hardly changed at approximately -62°C to approximately -61°C.
(実験例8:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例3で用いた2段式管型反応器401を用いて、湿潤水電解水素ガス423の流量を3L/minに変えた以外は、実験例7と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図30に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 8: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 7, except that the flow rate of the wet water
(実験例9:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例3で用いた2段式管型反応器401を用いて、湿潤水電解水素ガス423の流量を4L/minに変えた以外は、実験例7と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図30に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 9: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 7, except that the flow rate of the wet water
(実験例10:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例3で用いた2段式管型反応器401を用いて、湿潤水電解水素ガス423の流量を5L/minに変えた以外は、実験例7と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図30に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 10: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 7, except that the flow rate of the wet water
湿潤水電解水素ガス流量について実験例7(2L/min)、実験例8(3L/min)、実験例9(4L/min)、実験例10(5L/min)を比較すると、図30からわかるように、吸収塔が2段の場合は、水素流量を2L/min~5L/minの範囲で変化させても、除湿水素の露点はほとんど変化しなかった。 Comparing the wet water electrolysis hydrogen gas flow rates of Experimental Example 7 (2 L/min), Experimental Example 8 (3 L/min), Experimental Example 9 (4 L/min), and Experimental Example 10 (5 L/min), as can be seen from Figure 30, when the absorption tower has two stages, the dew point of the dehumidified hydrogen hardly changes even when the hydrogen flow rate is changed in the range of 2 L/min to 5 L/min.
(実験例11:管型反応器(1段)による除湿試験(充填材あり))
実験例6で用いた1段式管型反応器301を用い、リーン吸収液427の流量を0.3mL/minで供給し、湿潤水電解水素ガス流量を5L/minに変えた以外は、実験例6と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス314の露点(常圧換算値)の経時変化を図26および図28に示す。また、240分経過後のリーン吸収液316(サンプリング部322)、リッチ吸収液323(サンプリング部326)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 11: Dehumidification test using a tubular reactor (one stage) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 6, except that the single-
(実験例12:管型反応器(1段)による除湿試験(充填材あり))
実験例6で用いた1段式管型反応器301を用い、リーン吸収液427の流量を0.5mL/minに変えた以外は、実験例11と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス314の露点(常圧換算値)の経時変化を図28に示す。また、240分経過後のリーン吸収液316(サンプリング部322)、リッチ吸収液323(サンプリング部326)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 12: Dehumidification test using a tubular reactor (one stage) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 11, except that the single-
(実験例13:管型反応器(1段)による除湿試験(充填材あり))
実験例6で用いた1段式管型反応器301を用い、リーン吸収液427の流量を1.0mL/minに変えた以外は、実験例11と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス314の露点(常圧換算値)の経時変化を図28に示す。また、240分経過後のリーン吸収液316(サンプリング部322)、リッチ吸収液323(サンプリング部326)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 13: Dehumidification test using a tubular reactor (one stage) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 11, except that the single-
吸収液流量について実験例11(0.3mL/min)、実験例12(0.5mL/min)、実験例13(1.0mL/min)を比較すると図28からわかるように、吸収塔が1段の場合は、吸収液流量が増大すると除湿水素の露点が低くなる傾向が確認できた。 Comparing the absorption liquid flow rates of Experimental Example 11 (0.3 mL/min), Experimental Example 12 (0.5 mL/min), and Experimental Example 13 (1.0 mL/min), as can be seen from Figure 28, when the absorption tower has one stage, it was confirmed that the dew point of the dehumidified hydrogen tends to decrease as the absorption liquid flow rate increases.
(実験例14:管型反応器(2段)による除湿試験(充填材あり))
実験例3で用いた2段式管型反応器401を用いて、湿潤水電解水素ガス423の圧力を調整して吸収塔圧力を0.60MPaGに変えた以外は、実験例10と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス425の露点(常圧換算値)の経時変化を図30に示す。また、240分経過後のリーン吸収液427(サンプリング部433)、第1管型反応器402の第1吸収液出口408と第2管型反応器403の第2吸収液入口416との間の吸収液421(サンプリング部436)、リッチ吸収液437(サンプリング部444)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 14: Dehumidification test using a tubular reactor (two stages) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 10, using the two-
吸収塔圧力について実験例10(0.3MPaG)、実験例14(0.60MPaG)を比較すると図31からわかるように、吸収塔が2段の場合は、圧力を0.30MPaGから0.60MPaGに上げることで、除湿水素の露点はわずかに(約2℃)低下した。 Comparing the absorption tower pressure in Experimental Example 10 (0.3 MPaG) and Experimental Example 14 (0.60 MPaG), as can be seen in Figure 31, when the absorption tower has two stages, the dew point of the dehumidified hydrogen decreased slightly (by about 2°C) by increasing the pressure from 0.30 MPaG to 0.60 MPaG.
(実験例15:管型反応器(1段)による除湿試験(充填材あり))
実験例6で用いた1段式管型反応器301を用い、リーン吸収液427の流量を0.3mL/minで供給し、湿潤水電解水素ガス流量を5L/minに変え、湿潤水電解水素ガス312の圧力を調整して吸収塔圧力を0.60MPaGに変えた以外は、実験例6と同様にして乾燥試験を行った。乾燥水電解水素ガス314の露点(常圧換算値)の経時変化を図27に示す。また、240分経過後のリーン吸収液316(サンプリング部322)、リッチ吸収液323(サンプリング部326)の水分量を表3に示す。
(Experimental Example 15: Dehumidification test using a tubular reactor (one stage) (with packing material))
A drying test was performed in the same manner as in Experimental Example 6, except that the one-
管型反応器の段数について、吸収液流量:0.3mL/min、水素流量:5L/min、吸収塔圧力:0.3MPaGの条件で、実験例11(1段)と実験例10(2段)を比較すると図26からわかるように、吸収塔を1段から2段にすることで除湿水素の露点が7℃程度下がった。また、管型反応器の段数について、吸収液流量:0.3mL/min、水素流量:5L/min、吸収塔圧力:0.6MPaGの条件で、実験例15(1段)と実験例14(2段)を比較すると図27からわかるように、吸収塔を1段から2段にすることで除湿水素の露点が6℃程度下がった。
以上の実験例1から実験例15の結果以下のことがわかった。
1)段数が多く、ラッシリングがある方が、より低い露点の精製水素を得られた。2)吸収塔1段では吸収液流量が多い程精製水素の露点が低くなる傾向が見られたが、吸収塔2段では、吸収液流量を0.3~2.0mL/minで変化させても、精製水素の露点にほとんど影響が見られなかった。3)吸収塔2段では水素流量を2~5L/minで変化させても、除湿水素の露点はほとんど変化しなかった。4)吸収塔2段では、圧力を0.30MPaGから0.60MPaGに上げることで、除湿水素の露点はわずかに(約2℃)低下した。
From the results of Experimental Examples 1 to 15 above, the following was found.
1) Purified hydrogen with a lower dew point was obtained when there were more stages and rasping. 2) In a single-stage absorption tower, there was a tendency for the dew point of purified hydrogen to decrease as the absorbing liquid flow rate increased, but in a two-stage absorption tower, there was almost no effect on the dew point of purified hydrogen even when the absorbing liquid flow rate was changed from 0.3 to 2.0 mL/min. 3) In a two-stage absorption tower, there was almost no change in the dew point of dehumidified hydrogen even when the hydrogen flow rate was changed from 2 to 5 L/min. 4) In a two-stage absorption tower, the dew point of dehumidified hydrogen decreased slightly (by about 2°C) by increasing the pressure from 0.30 MPaG to 0.60 MPaG.
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 The present invention allows for various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the present invention. Furthermore, the above-described embodiments are intended to explain the present invention and do not limit the scope of the present invention. In other words, the scope of the present invention is indicated by the claims, not the embodiments. Furthermore, various modifications made within the scope of the claims and within the scope of the meaning of the invention equivalent thereto are considered to be within the scope of the present invention.
1:水電解装置、2:湿潤水電解水素ガス、3:吸収塔、4:吸収液、5:背圧弁、6:乾燥水電解水素ガス、7:トラップ、8:露点計、9:排気口、10:リッチ吸収液、11:流量計、12:流量調節用バルブ、13:再生塔、14:乾燥水素ボンベ、15:流量計、16:再生用乾燥水素ガス、17:リーン吸収液、18:送液ポンプ、19:湿潤水素ガス、20:排気口、21:真空ポンプ、22:T字コネクター、23:コンプレッサ、
101:水電解装置、102:加湿塔、103:吸収塔、104:再生塔、105:乾燥水電解水素ガス、106:湿潤水電解水素ガス、107:静電容量式露点計、108:除湿装置、109:バルブ、110:バルブ、111:バルブ、112:バルブ、113:マスフローコントローラー、114:三方弁、115:三方弁、116:三方弁、117:三方弁、118:湿潤水電解水素ガス、119:マスフローコントローラー、120:バルブ、121:逆止弁、122:保温装置、123:背圧弁、124:温度計、125:圧力計、126:吸収液、127:保温装置、128:温度計、129:圧力計、130:液面計、131:鏡面式露点計、132:マスフローメーター、133:排気口、134:ガスクロマトグラフ、135:トラップ、136:フィルター、137:リッチ吸収液、138:リーン吸収液、139:ニードルバルブ、140:流量計、141:送液ポンプ、142:温度計、143:圧力計、144:液面計、145:再生用乾燥水素ガス、146:分岐点、147:マスフローコントローラー、148:背圧弁、149:圧力計、150:圧力計、151:保温装置、152:湿潤水素ガス、153:フィルター、154:静電容量式露点計、155:ニードルバルブ、156:ドライ真空ポンプ、157:圧力計、158:コンプレッサ、159:逆止弁、160:バッファータンク、161:フィルター、162:背圧弁、163:圧力計、164:マスフローメーター、165:静電容量式露点計、166:逆止弁、167:圧力計、
200:槽型反応器、201:吸収液入口、202:吸収液出口、203:ガス吹込口、204:ガス抜出口、206:リッチ吸収液、207:リーン吸収液、210:吸収液、211:液面、212:湿潤水電解水素ガス、213:乾燥水電解水素ガス、220:管型反応器、230:2段式反応器、240:第1管型反応器、241:第1吸収液入口、242:第1吸収液出口、243:第1ガス吹込口、244:第1ガス抜出口、245:液面、250:第2管型反応器、251:第2吸収液入口、252:第2吸収液出口、253:第2ガス吹込口、254:第2ガス抜出口、255:液面、
301:1段式管型反応器、302:直管、303:T型管継手、304:T型管継手、305:吸収液入口、306:吸収液出口、307:ガス吹込口、308:ガス出口、309:吸収液、310:温度計、311:加湿塔、312:湿潤水電解水素ガス、313:逆止弁、314:乾燥水電解水素ガス、315:排気口、316:リーン吸収液、317:リーン吸収液容器、318:送液ポンプ、319:三方弁、320:二方弁、321:逆止弁、322:サンプリング部、323:リッチ吸収液、324:二方バルブ、325:ニードルバルブ、326:サンプリング部、327:二方バルブ、328:流量調節バルブ、329:流量調節バルブ、330:微小流量計、331:リッチ吸収液容器、
401:2段式管型反応器、402:第1管型反応器、403:第2管型反応器、404:直管、405:T型管継手、406:T型管継手、407:第1吸収液入口、408:第1吸収液出口、409:第1ガス吹込口、410:第1ガス出口、411:温度計、412:直管、413:T型管継手、414:T型管継手、415:細管、416:第2吸収液入口、417:第2吸収液出口、418:第2ガス吹込口、419:第2ガス出口、420:温度計、421:吸収液、422:加湿塔、423:湿潤水電解水素ガス、424:逆止弁、425:乾燥水電解水素ガス、426:排気口、427:リーン吸収液、428:リーン吸収液容器、429:送液ポンプ、430:三方弁、431:二方弁、432:逆止弁、433:サンプリング部、434:二方バルブ、435:ニードルバルブ、436:サンプリング部、437:リッチ吸収液、438:二方バルブ、439:流量調節バルブ、440:流量調節バルブ、441:微小流量計、442:リッチ吸収液容器、443:ニードルバルブ、444:サンプリング部
1: Water electrolysis device, 2: Wet water electrolysis hydrogen gas, 3: Absorption tower, 4: Absorption liquid, 5: Back pressure valve, 6: Dry water electrolysis hydrogen gas, 7: Trap, 8: Dew point meter, 9: Exhaust port, 10: Rich absorption liquid, 11: Flow meter, 12: Flow rate control valve, 13: Regeneration tower, 14: Dry hydrogen cylinder, 15: Flow meter, 16: Dry hydrogen gas for regeneration, 17: Lean absorption liquid, 18: Liquid delivery pump, 19: Wet hydrogen gas, 20: Exhaust port, 21: Vacuum pump, 22: T-connector, 23: Compressor,
101: water electrolysis device, 102: humidification tower, 103: absorption tower, 104: regeneration tower, 105: dry water electrolysis hydrogen gas, 106: wet water electrolysis hydrogen gas, 107: capacitance type dew point meter, 108: dehumidification device, 109: valve, 110: valve, 111: valve, 112: valve, 113: mass flow controller, 114: three-way valve, 115: three-way valve, 116: three-way valve, 117: three-way valve, 11 8: Wet water electrolysis hydrogen gas, 119: Mass flow controller, 120: Valve, 121: Check valve, 122: Heat retention device, 123: Back pressure valve, 124: Thermometer, 125: Pressure gauge, 126: Absorption liquid, 127: Heat retention device, 128: Thermometer, 129: Pressure gauge, 130: Level gauge, 131: Mirror type dew point meter, 132: Mass flow meter, 133: Exhaust port, 134: Gas chromatograph, 1 35: trap, 136: filter, 137: rich absorbing liquid, 138: lean absorbing liquid, 139: needle valve, 140: flow meter, 141: liquid delivery pump, 142: thermometer, 143: pressure gauge, 144: liquid level gauge, 145: dry hydrogen gas for regeneration, 146: branch point, 147: mass flow controller, 148: back pressure valve, 149: pressure gauge, 150: pressure gauge, 151: heat retention device, 1 52: wet hydrogen gas, 153: filter, 154: capacitance type dew point meter, 155: needle valve, 156: dry vacuum pump, 157: pressure gauge, 158: compressor, 159: check valve, 160: buffer tank, 161: filter, 162: back pressure valve, 163: pressure gauge, 164: mass flow meter, 165: capacitance type dew point meter, 166: check valve, 167: pressure gauge,
200: tank-type reactor, 201: absorption liquid inlet, 202: absorption liquid outlet, 203: gas blowing port, 204: gas outlet, 206: rich absorption liquid, 207: lean absorption liquid, 210: absorption liquid, 211: liquid level, 212: wet water electrolysis hydrogen gas, 213: dry water electrolysis hydrogen gas, 220: tubular reactor, 230: two-stage reactor, 240: first tubular reactor, 241: first absorption liquid inlet, 242: first absorption liquid outlet, 243: first gas blowing port, 244: first gas outlet, 245: liquid level, 250: second tubular reactor, 251: second absorption liquid inlet, 252: second absorption liquid outlet, 253: second gas blowing port, 254: second gas outlet, 255: liquid level,
301: Single-stage tubular reactor, 302: Straight pipe, 303: T-type pipe joint, 304: T-type pipe joint, 305: Absorbing liquid inlet, 306: Absorbing liquid outlet, 307: Gas inlet, 308: Gas outlet, 309: Absorbing liquid, 310: Thermometer, 311: Humidifying tower, 312: Wet water electrolysis hydrogen gas, 313: Check valve, 314: Dry water electrolysis hydrogen gas, 315: Exhaust port, 316: Lean absorbing liquid, 3 17: lean absorbing liquid container, 318: liquid feed pump, 319: three-way valve, 320: two-way valve, 321: check valve, 322: sampling unit, 323: rich absorbing liquid, 324: two-way valve, 325: needle valve, 326: sampling unit, 327: two-way valve, 328: flow rate control valve, 329: flow rate control valve, 330: micro flow meter, 331: rich absorbing liquid container,
401: two-stage tubular reactor, 402: first tubular reactor, 403: second tubular reactor, 404: straight pipe, 405: T-type pipe joint, 406: T-type pipe joint, 407: first absorbing liquid inlet, 408: first absorbing liquid outlet, 409: first gas inlet, 410: first gas outlet, 411: thermometer, 412: straight pipe, 413: T-type pipe joint, 414: T-type pipe joint, 415: thin tube, 416: second absorbing liquid inlet, 417: second absorbing liquid outlet, 418: second gas inlet, 419: second gas outlet, 420: thermometer, 421: absorbing liquid, 422: humidification tower, 423: wet water Electrolytic hydrogen gas, 424: check valve, 425: dry water electrolytic hydrogen gas, 426: exhaust port, 427: lean absorbing liquid, 428: lean absorbing liquid container, 429: liquid delivery pump, 430: three-way valve, 431: two-way valve, 432: check valve, 433: sampling unit, 434: two-way valve, 435: needle valve, 436: sampling unit, 437: rich absorbing liquid, 438: two-way valve, 439: flow rate control valve, 440: flow rate control valve, 441: micro flow meter, 442: rich absorbing liquid container, 443: needle valve, 444: sampling unit
Claims (12)
前記湿潤水電解水素ガスを流通させて吸収液と気液混合して接触させることで、前記水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させて、水分含有量が減少した乾燥水電解水素ガスと、水分含有量が増加したリッチ吸収液との気液混合体を連続的に得る水素乾燥工程と、
前記乾燥水電解水素ガスと前記リッチ吸収液との前記気液混合体を連続的に気液分離することで、気相として前記乾燥水電解水素ガスと、液相として前記リッチ吸収液を連続的に得る水素分離工程と、
気液分離した前記リッチ吸収液の一部を抜き出し、流通させた再生用乾燥水素ガスと気液混合して接触させることで前記再生用乾燥水素ガスに水分を移動させて、水分含有量が減少したリーン吸収液と、水分含有量が増加した湿潤水素ガスとの気液混合体を連続的に得る吸収液再生工程と、
前記リーン吸収液と前記湿潤水素ガスとの前記気液混合体を連続的に気液分離することで、気相として前記湿潤水素ガスと、液相として前記リーン吸収液とを連続的に得る再生吸収液分離工程と、
気液分離した前記リーン吸収液を、前記水素乾燥工程の前記吸収液に連続的に戻す吸収液循環工程と、
を含み、
前記吸収液再生工程では、前記リッチ吸収液を加熱、及び/又は減圧下で前記再生用乾燥水素ガスと接触させる、乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法。 a hydrogen generation step of continuously obtaining wet water electrolysis hydrogen gas containing hydrogen and water vapor derived from the raw water by electrolyzing water;
a hydrogen drying step of flowing the wet water electrolysis hydrogen gas and contacting it with an absorbing solution in a gas-liquid mixture to selectively absorb the water vapor into the absorbing solution, thereby continuously obtaining a gas-liquid mixture of dry water electrolysis hydrogen gas with a reduced water content and a rich absorbing solution with an increased water content;
a hydrogen separation step of continuously performing gas-liquid separation on the gas-liquid mixture of the dry water electrolysis hydrogen gas and the rich absorption solution to continuously obtain the dry water electrolysis hydrogen gas as a gas phase and the rich absorption solution as a liquid phase;
an absorbing liquid regeneration step of extracting a portion of the rich absorbing liquid after gas-liquid separation, and contacting the portion with a circulating dry hydrogen gas for regeneration in a gas-liquid mixture to transfer moisture to the dry hydrogen gas for regeneration, thereby continuously obtaining a gas-liquid mixture of a lean absorbing liquid having a reduced moisture content and a wet hydrogen gas having an increased moisture content;
a regenerated absorbing liquid separation step of continuously separating the gas-liquid mixture of the lean absorbing liquid and the wet hydrogen gas into gas and liquid, thereby continuously obtaining the wet hydrogen gas as a gas phase and the lean absorbing liquid as a liquid phase;
an absorption liquid circulation step of continuously returning the lean absorption liquid after gas-liquid separation to the absorption liquid in the hydrogen drying step;
Including,
A method for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas, wherein in the absorbing solution regeneration step, the rich absorbing solution is contacted with the dry hydrogen gas for regeneration under heating and/or reduced pressure .
前記再生吸収液分離工程で気液分離した前記湿潤水素ガスを、前記水素生成工程の湿潤水電解水素ガスに混合する水素循環工程を更に含む、請求項1に記載の乾燥水電解水素ガスの連続的製造方法。 the dry hydrogen gas for regeneration is a part of the dry water electrolysis hydrogen gas separated into gas and liquid in the hydrogen separation step,
2. The method for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas according to claim 1, further comprising a hydrogen circulation step of mixing the wet hydrogen gas separated in the regenerated absorbing liquid separation step with the wet water electrolysis hydrogen gas in the hydrogen production step.
前記湿潤水電解水素ガスを流通させて吸収液と気液混合して接触させることで、前記水蒸気を選択的に前記吸収液に吸収させて、水分含有量が減少した乾燥水電解水素ガスと、水分含有量が増加したリッチ吸収液との気液混合体を得る水素乾燥手段と、
前記乾燥水電解水素ガスと前記リッチ吸収液との前記気液混合体を気液分離して、気相の前記乾燥水電解水素ガスと液相の前記リッチ吸収液を連続的に得る水素分離手段と、
気液分離した前記リッチ吸収液の一部を連続的に抜き出す吸収液抜き出し手段と、
抜き出した前記リッチ吸収液を流通させた再生用乾燥水素ガスと気液混合して接触させることで前記再生用乾燥水素ガスに水分を移動させて、水分含有量が減少したリーン吸収液と、水分含有量が増加した湿潤水素ガスとの気液混合体を連続的に得る吸収液再生手段と、
前記リーン吸収液と前記湿潤水素ガスとの前記気液混合体を連続的に気液分離して、気相の湿潤水素ガスと液相の前記リーン吸収液を得る再生吸収液分離手段と、
気液分離した前記リーン吸収液を、前記水素乾燥手段の前記吸収液に連続的に戻す吸収液循環手段と、
を備え、
前記吸収液再生手段は、前記リッチ吸収液を加熱する加熱手段、及び/又は前記乾燥水電解水素ガスを吸引する減圧手段を更に備える、乾燥水電解水素ガスの連続的製造装置。 a hydrogen generating means for continuously producing wet water electrolysis hydrogen gas containing hydrogen and water vapor derived from the raw water by electrolyzing water;
a hydrogen drying means for circulating the wet water electrolysis hydrogen gas and contacting it with an absorbing liquid in a gas-liquid mixture, thereby selectively absorbing the water vapor into the absorbing liquid, thereby obtaining a gas-liquid mixture of dry water electrolysis hydrogen gas with a reduced water content and a rich absorbing liquid with an increased water content;
a hydrogen separation means for subjecting the gas-liquid mixture of the dry water electrolysis hydrogen gas and the rich absorption solution to gas-liquid separation to continuously obtain the dry water electrolysis hydrogen gas in a gas phase and the rich absorption solution in a liquid phase;
an absorbent extracting means for continuously extracting a portion of the rich absorbent after gas-liquid separation;
an absorbing liquid regenerating means for continuously obtaining a gas-liquid mixture of the lean absorbing liquid having a reduced moisture content and the wet hydrogen gas having an increased moisture content by contacting the extracted rich absorbing liquid with a circulating dry hydrogen gas for regeneration in a gas-liquid mixture to transfer moisture to the dry hydrogen gas for regeneration;
a regenerated absorbing liquid separation means for continuously performing gas-liquid separation of the gas-liquid mixture of the lean absorbing liquid and the wet hydrogen gas to obtain wet hydrogen gas in a gas phase and the lean absorbing liquid in a liquid phase;
an absorption liquid circulation means for continuously returning the lean absorption liquid after gas-liquid separation to the absorption liquid of the hydrogen drying means;
Equipped with
The apparatus for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas, wherein the absorbing solution regenerating means further comprises a heating means for heating the rich absorbing solution, and/or a pressure reducing means for sucking the dry water electrolysis hydrogen gas.
前記第1反応器は、第1吸収液入口と第1吸収液出口と第1ガス吹込口と第1ガス抜出口とを備え、
前記第2反応器は、第2吸収液入口と第2吸収液出口と第2ガス吹込口と第2ガス抜出口とを備え、
前記第1吸収液出口と前記第2吸収液入口とが接続され、前記第2ガス抜出口と前記第1ガス吹込口とが接続され、
前記吸収液と前記湿潤水電解水素ガスとが向流で移動する、請求項9~11のいずれか1項に記載の乾燥水電解水素ガスの連続的製造装置。 The hydrogen drying means and the hydrogen separation means include a first reactor and a second reactor,
The first reactor includes a first absorbing liquid inlet, a first absorbing liquid outlet, a first gas inlet, and a first gas outlet,
the second reactor is provided with a second absorbing liquid inlet, a second absorbing liquid outlet, a second gas inlet, and a second gas outlet;
the first absorbing liquid outlet and the second absorbing liquid inlet are connected, and the second gas vent and the first gas inlet are connected,
The apparatus for continuously producing dry water electrolysis hydrogen gas according to any one of claims 9 to 11 , wherein the absorption liquid and the wet water electrolysis hydrogen gas move in a countercurrent manner.
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