2024-21212 ガス分離装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024021212

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】ガス分離装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20240208BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022123903

(22)【出願日】2022-08-03

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】石田 直行

(72)【発明者】

【氏名】水上 貴彰

(72)【発明者】

【氏名】藤田 晋士

(72)【発明者】

【氏名】可児 祐子

(72)【発明者】

【氏名】渡部 亜由美

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 秀宏

(72)【発明者】

【氏名】矢敷 達朗

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 崇

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 良平

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA41

4D006JA52Z

4D006JA55Z

4D006JA63Z

4D006JA65Z

4D006KA16

4D006KE01Q

4D006KE02P

4D006KE03P

4D006KE07P

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4D006KE08Q

4D006KE12P

4D006KE13P

4D006MC03

4D006MC05

4D006MC58

4D006PA01

4D006PB18

4D006PB19

4D006PB64

4D006PB66

4D006PB68

(57)【要約】

【課題】ガス分離装置において、二次側に供給される特定ガスの流量を増大させる。
【解決手段】特定ガスを選択的に透過するガス分離膜を有し、ガス分離膜により一次側と二次側とに隔てられているガス分離膜モジュールを備えるガス分離装置であって、ガス分離膜モジュールには、特定ガスを含む混合ガスを一次側に供給する混合ガス配管と、一次側に接続された非透過ガス配管と、二次側に接続された透過ガス配管と、が設けられ、混合ガス配管と二次側とを接続する分岐配管、又は非透過ガス配管と二次側とを接続する非透過ガス戻り配管を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

特定ガスを選択的に透過するガス分離膜を有し、前記ガス分離膜により一次側と二次側とに隔てられているガス分離膜モジュールを備え、
前記ガス分離膜モジュールには、
特定ガスを含む混合ガスを前記一次側に供給する混合ガス配管と、
前記一次側に接続された非透過ガス配管と、
前記二次側に接続された透過ガス配管と、が設けられ、
前記混合ガス配管と前記二次側とを接続する分岐配管、又は前記非透過ガス配管と前記二次側とを接続する非透過ガス戻り配管を有する、ガス分離装置。

【請求項2】

前記分岐配管又は前記非透過ガス戻り配管には、ガス流量調整弁が設けられている、請求項１記載のガス分離装置。

【請求項3】

制御部を更に備え、
前記透過ガス配管には、特定ガス濃度検出部が設けられ、
前記制御部は、前記特定ガス濃度検出部が検出した特定ガスの濃度に基づいて、前記混合ガス配管、前記分岐配管及び前記非透過ガス戻り配管のうち少なくとも一つを流れるガスの流量を調整する、請求項２記載のガス分離装置。

【請求項4】

制御部を更に備え、
前記混合ガス配管には、一次側流量検出部、一次側圧力検出部及び一次側特定ガス濃度検出部のうちの少なくとも一つを含む一次側検出部が設けられ、
前記制御部は、前記一次側検出部が検出した一次側流量、一次側圧力及び一次側特定ガス濃度のうち少なくともいずれか一つのデータを用いて、前記分岐配管又は前記非透過ガス戻り配管を流れるガスの流量を調整する、請求項１記載のガス分離装置。

【請求項5】

制御部を更に備え、
前記透過ガス配管には、二次側圧力検出部又は二次側流量検出部が設けられ、
前記制御部は、前記二次側圧力検出部又は前記二次側流量検出部のデータを用いて、前記二次側の圧力を調整する、請求項１記載のガス分離装置。

【請求項6】

前記透過ガス配管には、減圧機構が設けられている、請求項１記載のガス分離装置。

【請求項7】

前記特定ガスは、水素であり、
前記混合ガスの他の成分は、天然ガス又は都市ガスである、請求項１記載のガス分離装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガス分離装置に関する。

【背景技術】

【0002】

複数種類のガスを含む混合ガスから特定のガスを分離する方法として、ガスを選択的に透過する分離膜を利用する方法がある。分離膜には、例えば、セラミック膜に代表される分子径の差により分離する分子ふるい膜や、膜へのガスの溶解性の差を利用した高分子膜等がある。これらの分離膜では、透過させたい特定ガス以外も一定量透過する。分離膜を透過させる前を「一次側」、透過させた後を「二次側」と呼ぶ。分離膜のガス透過量は、一次側のガス分圧と二次側のガス分圧との差に比例する。分離したいガスの二次側ガス分圧が上昇すると、一次側ガス分圧との差が小さくなって透過量が減少する。

【0003】

特許文献１には、加圧空気に含まれている水分をポリイミド系中空糸分離膜式の除湿器で除湿して乾燥空気供給系統に供給する方法であって、分離膜の一次側に除湿すべき空気を供給し、得られた乾燥空気の一部をその二次側にパージ空気として供給するものが開示されている。特許文献１では、乾燥空気の一部を二次側に供給することにより、乾燥空気中の酸素濃度を一定の濃度以下にならないように制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－７５７２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば、天然ガス（主成分メタン）、都市ガス等のパイプライン（ガスグリッド）に水素を混ぜて輸送するケースを考える。この場合において、水素の供給源は、例えば太陽光や風力等の再生可能エネルギーから得られる電力等を用いたものである。再生可能エネルギーの出力は安定しないため、供給される水素の量は、時間帯によって異なる。このため、天然ガスと水素との混合ガスから水素を分離する際に水素分離膜を用いる場合、水素分離膜に供給される混合ガスに含まれる水素濃度が変動することになる。また、上流側において混合ガスに含まれる天然ガスを分離して使用する場合、消費される天然ガスや水素の量によって、下流側に供給される混合ガスに含まれる水素の濃度が変動する。

【0006】

特許文献１に記載の乾燥空気供給方法においては、利用対象ガスは、乾燥空気であり、除湿により得られた水分は、利用されることなく外部に排出される。これをガス分離装置に適用した場合、一次側の特定ガスの濃度が変化すると、分離膜を透過する混合ガスに含まれる成分の量がそれぞれ変化するため、非透過ガス中の特定ガスの濃度が変化することに留意する必要がある。

【0007】

特定ガスとして水素を用い、二次側の水素濃度を非透過ガスを用いて希釈して調整する場合、一次側の流量と水素濃度によって非透過ガスの水素濃度が変化することから、希釈ガス中の水素濃度の監視と流量の調整が必要となる。また、水素濃度が変化した希釈ガスを二次側に供給すると、二次側の水素分圧が変化し、混合ガス中の各成分の透過量が変化するため、非透過ガスの水素濃度が変化する。この非透過ガスの水素濃度の変化に対応して、再度希釈ガスの流量を調整することになる。非透過ガスをパージガスとして用いて二次側水素濃度を調整する場合、先述したフィードバックがかかるため、希釈ガスの水素濃度が安定するまでに時間を要する。

【0008】

また、二次側に供給できる水素量は、分離膜を透過した水素と希釈ガスに含まれる水素となる。分離膜を通過した非透過ガスである希釈ガスは、システムの中で最も水素濃度が低くなっており、二次側へ供給可能な希釈ガスに含まれる水素量は少なくなる。

【0009】

そこで、本開示の目的は、ガス分離装置において、二次側に供給される特定ガスの流量を増大させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示のガス分離装置は、特定ガスを選択的に透過するガス分離膜を有し、ガス分離膜により一次側と二次側とに隔てられているガス分離膜モジュールを備え、ガス分離膜モジュールには、特定ガスを含む混合ガスを一次側に供給する混合ガス配管と、一次側に接続された非透過ガス配管と、二次側に接続された透過ガス配管と、が設けられ、混合ガス配管と二次側とを接続する分岐配管、又は非透過ガス配管と二次側とを接続する非透過ガス戻り配管を有する。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、ガス分離装置において、二次側に供給される特定ガスの流量を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態のガス分離装置の一例を示す概略構成図である。

【図2】比較例のガス分離装置を示す概略構成図である。

【図3】変形例のガス分離装置を示す概略構成図である。

【図4】図１～３の構成で二次側１４への水素供給量を計算した例を示すグラフである。

【図5】分離対象の混合ガスの水素濃度を変化させたときの性能を評価した結果を示すグラフである。

【図6】第２の実施形態のガス分離装置の例を示す概略構成図である。

【図7】第２の実施形態に係る変形例のガス分離装置を示す概略構成図である。

【図8】第３の実施形態のガス分離装置を示す概略構成図である。

【図9】第４の実施形態のガス分離装置を示す概略構成図である。

【図10】第５の実施形態のガス分離装置を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の一実施形態は、既存の天然ガス等のパイプラインを用いて天然ガスとは異なる特定ガスを供給する場合に、利用者が利用場所において、ガスパイプラインから所望の濃度の特定ガスを利用者に供給するガス分離装置に関する。特定ガスとしては、例えば、水素ガスがある。

【0014】

以下、本開示の一実施形態に係るガス分離装置について図面を用いて説明する。なお、以下においては、混合ガスが天然ガスの主成分であるメタンであってこれに混合する特定ガスが水素である場合について説明するが、本開示のガス分離装置は、このような混合ガスの組成に限定されるものではなく、特定ガス、及び特定ガスを分離した結果として混合ガス側に残った残存ガス（以下の実施形態においては「非透過ガス」と呼ぶ。）が両方とも、装置の外部に放出（排出）又は廃棄をされることなく有効利用される全ての場合に適用されることが望ましい。少なくとも特定ガスは、有効利用されることが望ましい。ここで、有効利用は、「有用」という用語で言い換えることができる。

【0015】

また、混合ガスの他の例としては、発電所、工場等で発生する排ガスが挙げられる。排ガスには、燃焼等により発生する二酸化炭素のほか、窒素、酸素等が含まれる。この場合、少なくとも二酸化炭素が特定ガスとして有効利用される。二酸化炭素は、有機合成における炭素源として有用である。

【0016】

［第１の実施形態］
本実施形態では、水素とメタンとの混合ガスを水素分離膜で水素を二次側へ分離する場合について説明する。

【0017】

図１は、本実施形態のガス分離装置の一例を示す概略構成図である。

【0018】

本図においては、水素分離装置１（ガス分離装置）は、混合ガス主配管２から分岐した混合ガス配管３を通して水素とメタンとの混合ガスの供給を受けるように構成されている。水素分離装置１は、水素分離膜モジュール１１（ガス分離膜モジュール）を有する。水素分離膜モジュール１１は、水素分離膜１２（ガス分離膜）により一次側１３と二次側１４とに隔てられている。水素分離膜１２は、高分子膜のポリイミド膜である。なお、水素分離膜１２としては、セラミック系や炭素系のものを用いてもよい。

【0019】

混合ガス配管３は、一次側１３に接続されている。一次側１３には、非透過ガス配管４が接続されている。二次側１４には、透過ガス配管５が接続されている。また、混合ガス配管３には、分岐配管６（希釈ガス配管）が設けられ、二次側１４に接続されている。

【0020】

混合ガス配管３には、混合ガス流量調整弁２４が設けられている。分岐配管６には、希釈ガス流量調整弁２１及び減圧弁２２が設けられている。なお、希釈ガス流量調整弁２１に減圧作用を兼ねさせて、減圧弁２２を省略してもよい。

【0021】

混合ガス主配管２から水素分離装置１の一次側１３に供給される混合ガスのうち、主として水素が水素分離膜１２を透過する。メタンも、水素分離膜１２を透過するが、水素の方がメタンよりも透過しやすい。このため、二次側１４は、一次側１３に比べ、水素濃度が高くなる。各ガスの透過量は、一次側１３と二次側１４の各ガスの分圧差に比例する。

【0022】

図２は、比較例のガス分離装置を示す概略構成図である。

【0023】

本図においては、図１に示す分岐配管６が設けられていない。すなわち、本比較例は、水素濃度が高くなる二次側１４の水素の希釈をしない場合である。この場合、希釈ガスを用いない場合、二次側１４の水素濃度が高いため、分圧差が小さくなり、水素分離膜１２における水素の透過量が少なくなる。

【0024】

図３は、変形例のガス分離装置を示す概略構成図である。

【0025】

本図においては、図１に示す分岐配管６が設けられていないが、非透過ガス配管４には、非透過ガス戻り配管７が設けられ、二次側１４に接続されている。非透過ガス戻り配管７には、希釈ガス流量調整弁１２１及び減圧弁１２２が設けられている。なお、希釈ガス流量調整弁１２１に減圧作用を兼ねさせて、減圧弁１２２を省略してもよい。このように、本変形例においては、非透過ガスの一部が希釈ガスとして二次側１４に供給される。非透過ガスは、水素濃度が低いため、二次側１４の水素が希釈され、水素の分圧差が大きくなる。このため、水素分離膜１２を透過する水素量が増大する。二次側１４に供給される水素量は、水素分離膜１２を透過した水素と希釈ガスに含まれる水素との和となる。

【0026】

図１に示す構成では、混合ガス配管３から混合ガスを水素分離膜１２の一次側１３に供給するとともに、分岐配管６を通して水素分離膜１２の二次側１４にも混合ガスを希釈ガスとして供給する。混合ガスの水素濃度は、二次側１４の水素濃度よりも低いため、二次側１４の水素が希釈され、水素の分圧差が大きくなる。このため、水素分離膜１２を透過する水素量が増大する。二次側１４に供給される水素量は、水素分離膜１２を透過した水素と希釈ガスに含まれる水素との和となる。

【0027】

本図に示すガス分離装置は、図３に示す構成と比較して、希釈ガスの水素濃度が高いため、希釈ガスの流量によって供給できる水素量が多くなることが期待できる。

【0028】

図４は、図１～３の構成で二次側１４への水素供給量を計算した例を示すグラフである。横軸には図１～３の図番を、縦軸には混合ガス１０００に対する二次側水素流量Ｑ_Ｈ２（－）をとっている。

【0029】

計算条件は、一次側圧力は１．７ＭＰａＧ、二次側圧力は０．２ＭＰａＧ、供給する混合ガスの水素濃度は５％、ポリイミド膜の水素透過速度／メタン透過速度は約３００とし、二次側の水素濃度を２０％に調整するものとする。

【0030】

本図に示すように、比較例（図２）、変形例（図３）、本実施形態（図１）の順にＱ_Ｈ２が大きくなっている。

【0031】

具体的には、混合ガス流量調整弁２４で混合ガス流量を１０００とした場合に、図２の比較例では、二次側１４における流量が２のとき、水素濃度は２９％となり、水素透過量は０．６である。一次側１３の水素分圧は０．０９ＭＰａＡ、二次側１４の水素分圧は０．０８７ＭＰａＡで分圧差は０．００３ＭＰａである。水素分離膜モジュール１１の外部で透過した二次側１４のガスと一次側１３の非透過ガスとを混合して水素濃度を２０％に調整する。

【0032】

例として、図２では、非透過ガス配管４で非透過ガスの流量が１．３の場合に、この非透過ガスに透過ガスを混合して水素濃度を２０％に調整できる。この場合、調整された水素量の和は０．６４である。

【0033】

図３の変形例では、希釈ガスを二次側１４に流量３１．５で供給すると、水素濃度を２０％に調整できる。この場合、二次側１４の水素分圧は０．０６ＭＰａＡで分圧差が０．０３ＭＰａとなる。この分圧差は、比較例の１０倍である。二次側流量は３９．６で、水素濃度は２０％である。

【0034】

本変形例においては、水素分離膜１２を透過した水素量は６．５で、希釈ガス中に含まれる水素は１．４となり、二次側１４の合計の水素流量は７．９となる。よって、本変形例においては、比較例に比べ、約１２倍の水素量を得ることができる。

【0035】

図１に示す本実施形態の構成では、水素分離膜モジュール１１の上流側の混合ガスを希釈ガスとして二次側１４に流量を３３として供給すると、水素濃度を２０％に調整できる。この場合、二次側１４の水素分圧は０．０６ＭＰａＡで分圧差が０．０３ＭＰａとなり、図３の変形例と同じ分圧差となる。二次側流量は４１であり、水素濃度は２０％である。水素分離膜１２を透過した水素量は６．５で、希釈ガス中に含まれる水素は１．７となり、二次側１４の合計の水素流量は８．２となる。

【0036】

よって、図１の本実施形態の場合、図２の比較例に比べ、約１３倍の水素流量を得ることができる。図３の変形例と比較しても、水素流量が約４％増加する。

【0037】

なお、二次側１４の水素濃度を２０％としているため、図３と同じ分圧差となり、水素分離膜１２を透過する水素量は同じであるが、希釈ガスの水素濃度が高く、希釈ガス流量も多いため、希釈ガス中の水素量の差だけ二次側１４の水素流量が増加する。二次側１４への水素流量が同じであれば、本実施形態の構成は、図３の変形例と比較して、水素分離膜１２の物量を４％削減できる。このため、装置をコンパクトにでき、水素分離膜１２に関わるコストを低減できる。

【0038】

図５は、分離対象の混合ガスの水素濃度を変化させたときの性能を評価した結果を示すグラフである。横軸には混合ガスの水素濃度Ｃ_Ｈ２、縦軸には混合ガス１０００に対する二次側水素流量Ｑ_Ｈ２をとっている。本実施形態（図１）を○印及び実線、比較例（図２）を△印及び点線、変形例（図３）を●印及び実線で表している。

【0039】

混合ガスの水素濃度Ｃ_Ｈ２が増加すると、二次側１４の水素濃度が上昇する。二次側１４の水素濃度を２０％で一定に維持するために、希釈ガス流量が増え、二次側水素流量Ｑ_Ｈ２が増加する。透過ガスを希釈しない比較例（図２）の構成では、水素濃度が増加しても、二次側水素濃度も上昇し、水素分圧差の上昇が抑制されるため、二次側水素流量Ｑ_Ｈ２が大きく増加しない。一方、透過ガスを希釈すると、水素分圧差が拡大し、水素透過量が多くなる。

【0040】

本実施形態（図１）のように混合ガスを希釈ガスとして用いる場合、透過ガスを水素濃度２０％まで希釈するために必要な希釈ガスの流量は、水素濃度が高いため、変形例（図３）のように非透過ガスを希釈ガスとして用いる場合よりも多くする必要がある。本実施形態（図１）の場合、変形例（図３）と比較して、流量が多く水素濃度も高いことから、希釈ガスに含まれる水素量が多く、水素濃度Ｃ_Ｈ２が高くなるほど差が顕著となる。この点で、本実施形態（図１）は、変形例（図３）に比べ、効果が高い。

【0041】

以上のように、本実施形態によれば、一次側と二次側との特定ガスの分圧差を大きくすることができ、かつ、二次側に供給される特定ガスの流量を増大させることができる。この増大効果をガス分離膜の小型化に利用すれば、ガス分離装置のコスト低減が可能となる。

【0042】

［第２の実施形態］
本実施形態においては、水素濃度計を用いて制御する場合について説明する。

【0043】

図６は、本実施形態のガス分離装置の一例を示す概略構成図である。

【0044】

本図の説明は、図１との相違点について行う。

【0045】

図６においては、図１の構成に水素濃度計３１（水素濃度検出部（「特定ガス濃度検出部」ともいう。））及び制御装置３２（制御部）が付加されている。

【0046】

水素濃度計３１は、二次側１４の水素濃度を測定する。制御装置３２は、水素濃度計３１のデータを用いて希釈ガス流量調整弁２１の開度を調整する。水素濃度計３１と制御装置３２とは、二次側水素濃度信号ケーブル５１により接続されている。希釈ガス流量調整弁２１と制御装置３２とは、希釈ガス流量調整弁制御信号ケーブル５２により接続されている。二次側水素濃度信号ケーブル５１及び希釈ガス流量調整弁制御信号ケーブル５２により、所定のデータ等の信号の送受信を行う。なお、本図に示すように、これらのケーブルを介して有線でデータ等の送受信を行ってもよいが、これらのケーブルを用いずに無線で送受信を行ってもよい。

【0047】

図７は、変形例のガス分離装置を示す概略構成図である。

【0048】

本図の説明は、図３との相違点について行う。

【0049】

図７においては、図３の構成に水素濃度計３１及び制御装置３２が付加されている。制御装置３２は、水素濃度計３１のデータを用いて希釈ガス流量調整弁１２１の開度を調整する。

【0050】

図６のように混合ガスを希釈ガスとして用いることにより、混合ガスの濃度が変化したときの二次側水素濃度の制御が図７の構成と比較して容易となる。

【0051】

例として、前述の計算条件から、混合ガスの水素濃度が５％から１０％に変化した場合において図６と図７とでどのように異なるかについて説明する。

【0052】

混合ガスの水素濃度が５％から１０％になると、希釈なしのケースで二次側水素濃度が約５７％となる。このとき、非透過ガスの水素濃度は４．９５％から９．８４％に変化する。

【0053】

図７の構成では、最終的に希釈ガスの流量を１６６にすると二次側水素濃度が目標の２０％となるが、このときの非透過ガスの水素濃度は７．５８％であり、二次側水素濃度を調整している間に希釈ガスの水素濃度が変化する。この水素濃度の変化に応じて希釈ガス流量を調整する必要がある。また、希釈ガス流量を変えると、非透過ガスの水素濃度が変化する。水素濃度計３１の信号を用いて制御装置３２により希釈ガス流量調整弁２１の開度を調整するが、非透過ガスを希釈ガスとして用いた場合、その流量により希釈ガスの水素濃度にフィードバックがかかり、二次側水素濃度を安定にするまでに時間を要する。

【0054】

一方、図６に示す本実施形態の構成では、希釈ガスとして混合ガスを用いているため、希釈ガスの水素濃度は、常に混合ガスの水素濃度である。最終的に希釈ガスの流量の値を２０８として希釈ガスを供給すると、二次側水素濃度が目標の２０％となる。二次側水素濃度を調整するには、水素濃度計３１で二次側の水素濃度を監視しながら、希釈ガスの流量を制御すればよく、図７の変形例と比較して、非透過ガスの水素濃度を考慮しなくてよいので、制御アルゴリズムを簡略にすることができる。

【0055】

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態のガス分離装置を示す概略構成図である。

【0056】

本図においては、第２の実施形態の図６との相違点を説明する。

【0057】

図８においては、混合ガス配管３に一次側流量計３３（一次側流量検出部）、一次側圧力計３４（一次側圧力検出部）及び一次側水素濃度計３５（一次側水素濃度検出部（「一次側特定ガス濃度検出部」ともいう。））を設けている。なお、これらの３つの検出部は、「一次側検出部」の構成要素である。また、分岐配管６に希釈ガス流量計３６（希釈ガス流量検出部）を設けている。これらの計測データはそれぞれ、一次側流量計信号ケーブル５３、一次側圧力計信号ケーブル５５、一次側水素濃度信号ケーブル５６を介して制御装置３２に送信されるようになっている。制御装置３２は、これらの計測データを用いて、希釈ガス流量を調整するようになっている。水素分離膜１２の分離性能については、制御装置３２に入力するパラメータに対する所定の値が算出できるようにあらかじめ数表や相関式等の形式で制御装置３２の演算部又は記憶部に記憶させておくことが望ましい。

【0058】

例えば、第１の実施形態の計算例のように、一次側圧力１．７ＭＰａＧ、二次側圧力０．２ＭＰａＧ、供給する混合ガスの流量１０００、水素濃度５％とすると、制御装置３２で二次側水素濃度を２０％にするための希釈ガス流量の値が３３と算出され、希釈ガス流量の値が３３となるように希釈ガス流量調整弁２１の開度が調整される。次に、水素濃度が１０％に変化したときは、希釈ガス流量が２０８となるように希釈ガス流量調整弁２１の開度が調整される。これにより、二次側水素濃度の変化に影響されることなく希釈ガス流量を調整して目標の二次側水素濃度に調整が可能であり、一次側水素濃度の変動に対して短時間で二次側水素濃度を調整することが可能となる。

【0059】

［第４の実施形態］
図９は、第４の実施形態のガス分離装置を示す概略構成図である。

【0060】

本図においては、第３の実施形態の図８との相違点を説明する。

【0061】

本図においては、混合ガス配管３に設けられた混合ガス流量調整弁２４に制御装置３２から混合ガス流量調整弁制御信号ケーブル６０が接続されている。これにより、混合ガス流量調整弁２４の開度を制御装置３２により調整するようになっている。

【0062】

また、透過ガス配管５には、二次側出口に二次側圧力計３７（二次側圧力検出部）、二次側流量計３８（二次側流量検出部）及び二次側圧力調整機構２３が設けられている。

【0063】

二次側圧力計３７は二次側圧力計信号ケーブル５７、二次側流量計３８は二次側流量計信号ケーブル５９、二次側圧力調整機構２３は二次側圧力調整弁制御信号ケーブル５８により、制御装置３２と接続されている。制御装置３２は、二次側圧力計３７及び二次側流量計３８のデータを用いて二次側圧力調整機構２３に制御信号を送り、二次側圧力を調整する。なお、混合ガス流量調整弁と二次側圧力調整機構とは、必ずしも併用する必要はなく、二次側圧力計、二次側流量計、二次側圧力調整機構は備えていなくてもよい。

【0064】

混合ガス流量調整弁２４の開度を調整することに関しては、次のような状況がある。

【0065】

例えば、日中に太陽光で多くの水素が製造されて一次側１３の水素濃度が上昇した場合に、二次側水素濃度が高くなる。目標の水素濃度に希釈するために希釈ガス流量が多くなり、二次側１４に送られる水素量が需要よりも多くなる場合が考えられる。水素量が需要よりも多くなる場合には、水素分離膜モジュール１１に供給する混合ガス量を減少させて二次側１４に送る水素量を増加させる等して水素量を調整することができる。

【0066】

例えば、第１の実施形態の計算例のように、一次側圧力１．７ＭＰａＧ、二次側圧力０．２ＭＰａＧ、供給する混合ガスの流量１０００、水素濃度５％とすると、二次側水素濃度２０％で二次側１４への水素供給量は、８．２である。水素濃度が１０％に上昇すると、第２の実施形態で試算したとおり、二次側１４への水素供給量は４７となる。この供給量を水素濃度５％の場合と同じにするには、混合ガス流量調整弁２４を絞って混合ガス流量を６８にする。これにより、二次側水素濃度２０％で水素供給量が８．２となり、混合ガスの水素濃度５％のときと同じ水素供給量とすることができる。

【0067】

また、二次側圧力の調整に関しては、次のような状況がある。

【0068】

例えば、日中に太陽光で多くの水素が製造されて一次側１３の水素濃度が上昇した場合に、二次側水素濃度が高くなる。目標の水素濃度に希釈するために希釈ガス流量が多くなり、二次側へ送られる水素量が需要よりも多くなる場合が考えられる。水素量が需要よりも多くなる場合には、二次側１４の圧力を上げて一次側１３と二次側１４の水素分圧差を小さくして水素透過量を減少させる。さらに、二次側水素濃度が低下するため、必要な希釈ガス流量を減少させる。二次側圧力の調整により、二次側１４に送る水素量を調整することができる。

【0069】

例えば、第１の実施形態の計算例のように、一次側１３圧力１．７ＭＰａＧ、二次側圧力０．２ＭＰａＧ、供給する混合ガスの流量１０００、水素濃度５％とすると、二次側水素濃度２０％で二次側１４への水素供給量は８．２である。水素濃度が１０％に上昇すると、第２の実施形態で試算したとおり、二次側１４への水素供給量は４７となる。二次側圧力調整機構２３を調整して二次側圧力を０．７ＭＰａＧにすると、二次側水素濃度２０％で水素供給量が８．２となり、混合ガスの水素濃度５％のときと同じ水素供給量とすることができる。

【0070】

［第５の実施形態］
図１０は、第５の実施形態のガス分離装置を示す概略構成図である。

【0071】

本図において図９と異なる点は、透過ガス配管５にコンプレッサー２５（減圧機構）を設置していることである。

【0072】

例えば、第１の実施形態での試算では、水素分離膜１２の二次側圧力を０．２ＭＰａＧとしているが、コンプレッサー２５により二次側１４を減圧して水素透過量を増やすとともに、コンプレッサー２５の下流側を昇圧して、需要先に必要な圧力とすることができる。例えば、二次側圧力を０．０ＭＰａＧ（大気圧）とすると、水素透過量は８．２から１９．２に増加させることができる。

【0073】

なお、コンプレッサー２５は、第１の実施形態から第３の実施形態にも適用することができ、水素透過量を増加させることができる。、同じ水素透過量であれば、水素分離膜１２の物量を低減でき、水素分離膜１２に関わるコストを削減できる。

【0074】

以下、本開示に係るガス分離装置の望ましい実施形態についてまとめて説明する。

【0075】

分岐配管又は非透過ガス戻り配管には、ガス流量調整弁が設けられている。

【0076】

ガス分離装置は、制御部を更に備え、透過ガス配管には、特定ガス濃度検出部が設けられ、制御部は、特定ガス濃度検出部が検出した特定ガスの濃度に基づいて、混合ガス配管、分岐配管及び非透過ガス戻り配管のうち少なくとも一つを流れるガスの流量を調整する。

【0077】

混合ガス配管には、一次側流量検出部、一次側圧力検出部及び一次側特定ガス濃度検出部のうちの少なくとも一つを含む一次側検出部が設けられ、制御部は、一次側検出部が検出した一次側流量、一次側圧力及び一次側特定ガス濃度のうち少なくともいずれか一つのデータを用いて、分岐配管又は非透過ガス戻り配管を流れるガスの流量を調整する。

【0078】

透過ガス配管には、二次側圧力検出部又は二次側流量検出部が設けられ、制御部は、二次側圧力検出部又は二次側流量検出部のデータを用いて、二次側の圧力を調整する。

【0079】

透過ガス配管には、減圧機構が設けられている。

【0080】

特定ガスは、水素であり、混合ガスの他の成分は、天然ガス又は都市ガスである。

【符号の説明】

【0081】

１：水素分離装置、２：混合ガス主配管、３：混合ガス配管、４：非透過ガス配管、５：透過ガス配管、６：分岐配管、７：非透過ガス戻り配管、１１：水素分離膜モジュール、１２：水素分離膜、１３：一次側、１４：二次側、２１：希釈ガス流量調整弁、２２：減圧弁、２３：二次側圧力調整機構、２４：混合ガス流量調整弁、２５：コンプレッサー、３１：水素濃度計、３２：制御装置、３３：一次側流量計、３４：一次側圧力計、３５：一次側水素濃度計、３６：希釈ガス流量計、３７：二次側圧力計、３８：二次側流量計、３８：二次側流量計、５１：二次側水素濃度信号ケーブル、５２：希釈ガス流量調整弁制御信号ケーブル、５３：一次側流量計信号ケーブル、５４：希釈ガス流量計信号ケーブル、５５：一次側圧力計信号ケーブル、５６：一次側水素濃度信号ケーブル、５７：二次側圧力計信号ケーブル、５８：二次側圧力調整弁制御信号ケーブル、５９：二次側流量計信号ケーブル、６０：混合ガス流量調整弁制御信号ケーブル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】