特開 2025-5746 乾燥水電解水素ガス製造装置

(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】P2025005746

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】乾燥水電解水素ガス製造装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20250109BHJP

   B01D 53/26 20060101ALI20250109BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20250109BHJP

   C01B 3/02 20060101ALI20250109BHJP

   C01B 3/52 20060101ALI20250109BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

B01D53/26 300

C25B1/04

C01B3/02 H

C01B3/52

C25B15/00 302Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023106075

(22)【出願日】2023-06-28

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100129838

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 典輝

(74)【代理人】

【識別番号】100101203

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100104499

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 達人

(72)【発明者】

【氏名】伊澤 康浩

(72)【発明者】

【氏名】芳賀 美祐

(72)【発明者】

【氏名】濱口 豪

(72)【発明者】

【氏名】岩田 隆一

(72)【発明者】

【氏名】井戸田 芳典

(72)【発明者】

【氏名】五舛目 清剛

(72)【発明者】

【氏名】古谷 博秀

(72)【発明者】

【氏名】前田 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】金久保 光央

(72)【発明者】

【氏名】黒坂 万里子

【テーマコード（参考）】

4D052

4G140

4K021

【Ｆターム（参考）】

4D052AA02

4D052CF00

4D052DA03

4D052DB01

4D052GA01

4D052GA03

4D052GB01

4D052GB11

4D052HA49

4D052HB01

4G140FA02

4G140FB02

4G140FC04

4G140FE01

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA11

4K021CA12

4K021CA15

(57)【要約】

【課題】真空ポンプの故障を抑制可能な乾燥水電解水素ガス製造装置を提供する。
【解決手段】水を電解して、水素と水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガスを生成する水電解装置と、湿潤水電解水素ガスを吸収液に接触させ、湿度が減少した乾燥水電解水素ガス及び水蒸気を選択的に吸収した湿潤吸収液を得る吸収器と、湿潤吸収液を再生用乾燥ガスに接触させ、水分含有量が減少した予備乾燥吸収液及び湿度が上昇した湿潤再生用ガスを得る第１再生器と、真空ポンプを使用して予備乾燥吸収液を減圧乾燥し、乾燥吸収液を得る第２再生器と、乾燥吸収液を吸収器に送液する送液ポンプと、を有する、乾燥水電解水素ガス製造装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水を電解して、水素と水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガスを生成する水電解装置と、
前記湿潤水電解水素ガスを吸収液に接触させ、湿度が減少した乾燥水電解水素ガス及び前記水蒸気を選択的に吸収した湿潤吸収液を得る吸収器と、
前記湿潤吸収液を再生用乾燥ガスに接触させ、水分含有量が減少した予備乾燥吸収液及び湿度が上昇した湿潤再生用ガスを得る第１再生器と、
真空ポンプを使用して前記予備乾燥吸収液を減圧乾燥し、乾燥吸収液を得る第２再生器と、
前記乾燥吸収液を前記吸収器に送液する送液ポンプと、を有する、
乾燥水電解水素ガス製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は乾燥水電解水素ガス製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１～３には乾燥水電解水素ガス製造装置が開示されている。乾燥水電解水素ガス製造装置は、主に水電解装置、吸収器、及び再生器から構成される。水電解装置は水を電解して、水素と水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガスを生成するものである。吸収器は湿潤水電解水素ガスを吸収液に接触させ、乾燥水電解水素ガスと湿潤吸収液を得るものである。再生器は、湿潤吸収液から水分を取り除き、吸収液を再生するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第７１１６３９７号公報

【特許文献2】特開２０１８－５１５４３号公報

【特許文献3】特開２０２１－７９３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

再生器において、真空ポンプを使用して湿潤吸収液を減圧することにより、湿潤吸収液の減圧乾燥を実施することがある。一般的な油回転真空ポンプでは、吸引ガス中に水蒸気のような凝縮性のある気体が含まれていると、圧縮時に液化して油と混ざり、ポンプ内に残ってしまう問題がある。このような液体がポンプ内に残ると、部品腐食や油の潤滑性低下等の要因になり、故障の原因となる。また、減圧時に油に混ざった水分が再度蒸発するので到達圧力も低下し難くなる。再生器では湿潤吸収液に含まれる水分量が多いため、その水分量が真空ポンプが許容できる水蒸気吸入量よりも多くなり、上記の問題が生じやすい。

【0005】

そこで、本開示の主な目的は、上記実情を鑑み、真空ポンプの故障を抑制することができる乾燥水電解水素ガス製造装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の第１態様は、水を電解して、水素と水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガスを生成する水電解装置と、湿潤水電解水素ガスを吸収液に接触させ、湿度が減少した乾燥水電解水素ガス及び水蒸気を選択的に吸収した湿潤吸収液を得る吸収器と、湿潤吸収液を再生用乾燥ガスに接触させ、水分含有量が減少した予備乾燥吸収液及び湿度が上昇した湿潤再生用ガスを得る第１再生器と、真空ポンプを使用して予備乾燥吸収液を減圧乾燥し、乾燥吸収液を得る第２再生器と、乾燥吸収液を吸収器に送液する送液ポンプと、を有する、乾燥水電解水素ガス製造装置である。

【発明の効果】

【0007】

本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置では、第１再生器において湿潤吸収液を予備乾燥し、得られた予備乾燥湿潤吸収液を第２再生器において真空ポンプを用いてさらに乾燥させている。このように湿潤吸収液を予備乾燥しているため、第２再生器において真空ポンプに流入する水蒸気吸入量を低減することができる。従って、本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置によれば、真空ポンプの故障を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】乾燥水電解水素ガス製造装置１のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［乾燥水電解水素ガス製造装置］
本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置は連続的に乾燥水電解水素ガスを製造する装置である。本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置について、一実施形態である乾燥水電解水素ガス製造装置１を用いて説明する。

【0010】

図１に乾燥水電解水素ガス製造装置１のブロック図を示した。図１に示した通り、乾燥水電解水素ガス製造装置１は主に、水を電解して、水素と水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガス２０を生成する水電解装置１０と、湿潤水電解水素ガス２０を吸収液（乾燥吸収液３８）に接触させ、湿度が減少した乾燥水電解水素ガス２６及び水蒸気を選択的に吸収した湿潤吸収液３７を得る吸収器３０と、湿潤吸収液３７を再生用乾燥ガス４２に接触させ、水分含有量が減少した予備乾燥吸収液３９及び湿度が上昇した湿潤再生用ガス４８を得る第１再生器３４１と、真空ポンプ４０を使用して予備乾燥吸収液３９を減圧乾燥し、乾燥吸収液３８を得る第２再生器３４２と、乾燥吸収液３８を吸収器３０に送液する送液ポンプ３５と、を有する。その他の部材については必要に応じて後述する。

【0011】

＜水電解装置１０＞
水電解装置１０は水を電解して、水素と水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガス２０を生成するものである。なお、水電解装置１０は湿潤水電解水素ガス２０の他に酸素を生成する。水電解装置１０の態様としては特に限定されないが、例えばアルカリ水電解装置、固体高分子型水電解装置、高温水蒸気電解装置などがある。

【0012】

水電解装置１０において生成した湿潤水電解水素ガス２０は熱交換器２１において、冷却水２２と熱交換し、所望の温度に調整される。そして、湿潤水電解水素ガス２０は流量制御計２３によりその流量が制御されて、吸収器３０に送られる。

【0013】

＜吸収器３０＞
吸収器３０は、湿潤水電解水素ガス２０を吸収液（乾燥吸収液３８）に接触させ、湿度が減少した乾燥水電解水素ガス２６及び水蒸気を選択的に吸収した湿潤吸収液３７を得るものである。吸収器３０は気液分離器としての機能を有しており、乾燥水電解水素ガス２６及び湿潤吸収液３７は気液分離される。

【0014】

吸収液は水を吸収・放出する特性を持つ液状の吸収媒体である。例えば、イオン液体及び無機塩の混合溶液が挙げられる。吸収液及び無機塩は、例えば特許文献１～３のいずれかに記載された吸収液及び無機塩を使用することができる。

【0015】

図１に示した通り、吸収液（乾燥吸収液３８）は吸収器３０の上部から導入され、湿潤水電解水素ガス２０は吸収器３０の下部から導入される。そして、吸収器３０内でこれらは接触する。吸収器３０内の吸収液は温度制御されていてもよい。例えば２５℃などの一定温度とすることができる。吸収器３０内の圧力は、圧力調整弁等を設けて制御してもよい。

【0016】

湿潤水電解水素ガス２０中の水蒸気は、吸収液に吸収されて減少する。水分の減少した水素（乾燥水電解水素ガス２６）は、吸収器３０の上部からトラップ２４に導入される。トラップ２４は、水素に飛沫同伴された吸収液を除去することができる。トラップ２４を通過した水素は、露点計２５を通して露点が計測され、貯蔵装置２７に送られる。吸収器３０で水分を吸収した吸収液（湿潤吸収液３７）は、吸収器３０の下部から排出され、流量計３１、熱交換器３２１、及びヒーター３３を通って第１再生器３４１内に導入される。

【0017】

＜第１再生器３４１＞
第１再生器３４１は、湿潤吸収液３７を再生用乾燥ガス４２に接触させ、水分含有量が減少した予備乾燥吸収液３９及び湿度が上昇した湿潤再生用ガス４８を得るものである。

【0018】

湿潤吸収液３７は上述の通り、ヒーター３３で加熱されており、所定の温度に調整されている。例えば、１００℃、８０℃、６０℃などの一定温度に調整してよい。再生用乾燥ガス４２は特に限定されないが、例えば大気、窒素及び水素等が挙げられる。再生用乾燥ガス４２として、吸収器３０で得られた乾燥水電解水素ガス２６を用いてもよい。再生用乾燥ガス４２の流量は特に限定されないが、例えば、湿潤吸収液３７：再生用乾燥ガス４２（体積比（常圧））で、１：３００～１：１が好ましく、１：２００～１：１がより好ましい。再生用乾燥ガス４２の量が少ないほど再生に要するエネルギーを低減でき好ましい。

【0019】

図１に示した通り、湿潤吸収液３７は第１再生器３４１の上部から導入される。再生用乾燥ガス４２は、再生用ガス供給源４７から配管内に流通し、熱交換器４３において冷却水４４と熱交換し、所望の温度に調整される。そして、再生用乾燥ガス４２は流量計４５を通って、第１再生器３４１の下部から導入される。そして、第１再生器３４１内でこれらは接触する。

【0020】

湿潤吸収液３７中の水分は、再生用乾燥ガス４２に吸収されて減少する。湿潤吸収液３７は第１再生器３４１に導入された再生用乾燥ガス４２の蒸気圧程度まで乾燥される。
得られた予備乾燥吸収液３９は、第１再生器３４１の下部から排出され、第２再生器３４２内に上部から導入される。湿度が上昇した湿潤再生用ガス４８は第１再生器３４１の上部から排出され、例えば排気口４１２から排気される。

【0021】

＜第２再生器３４２＞
第２再生器３４２は、真空ポンプ４０を使用して予備乾燥吸収液３９を減圧乾燥し、乾燥吸収液３８を得るものである。真空ポンプ４０は第２再生器３４２内の空気を吸入し、トラップ４６を介して、排気口４１１から排気する。減圧は、例えば、－５０ｋＰａＧ（ゲージ圧）などにすることができる。このように減圧乾燥することで、予備乾燥吸収液３９に含まれる水分量がさらに低減し、吸収液（乾燥吸収液３８）を再生することができる。

【0022】

図１に示した通り、再生した吸収液（乾燥吸収液３８）は第２再生器３４２の下部から排出され、送液ポンプ３５に送られる。

【0023】

＜送液ポンプ３５＞
送液ポンプ３５は乾燥吸収液３８を吸収器３０に送液するものである。これにより、吸収液を循環することができる。また、送液過程で、熱交換器３２１にて湿潤吸収液３７と乾燥吸収液３８とで熱交換を行うことで、ヒーター３３での投入熱量及び熱交換器３２２での交換熱量を低減することができる。

【0024】

＜効果＞
乾燥水電解水素ガス製造装置１では、第１再生器３４１において湿潤吸収液３７を予備乾燥し、得られた予備乾燥湿潤吸収液３９を第２再生器３４２において真空ポンプ４０を用いてさらに乾燥させて、乾燥吸収液３８を得ている。このように乾燥水電解水素ガス製造装置１では、湿潤吸収液３７を予備乾燥しているため、第２再生器３４２において真空ポンプ４０に流入する水蒸気吸入量を低減することができる。従って、乾燥水電解水素ガス製造装置１によれば、真空ポンプの故障を抑制することができる。また、この結果として、真空ポンプ４０の交換頻度や交換費用を軽減することができる。

【0025】

以上、一実施形態を用いて、本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置について説明した。本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置によれば、真空ポンプの故障を抑制しつつ、連続的に乾燥水電解水素ガスを製造することができる。

【0026】

［乾燥水電解水素ガス製造方法］
本開示の乾燥水電解水素ガス製造方法は次のとおりである。すなわち、水を電解して、水素と水蒸気を含有する湿潤水電解水素ガスを生成する水電解工程と、湿潤水電解水素ガスを吸収液（乾燥吸収液）に接触させ、湿度が減少した乾燥水電解水素ガス及び水蒸気を選択的に吸収した湿潤吸収液を得る吸収工程と、湿潤吸収液を再生用乾燥ガスに接触させ、水分含有量が減少した予備乾燥吸収液及び湿度が上昇した湿潤再生用ガスを得る第１再生工程と、真空ポンプを使用して予備乾燥吸収液を減圧乾燥し、乾燥吸収液を得る第２再生工程と、乾燥吸収液を吸収工程に送液する送液工程と、を有する、乾燥水電解水素ガス製造方法である。

【0027】

本開示の乾燥水電解水素ガス製造方法は上述の乾燥水電解水素ガス製造装置を用いて実施できる。本開示の乾燥水電解水素ガス製造方法によれば、真空ポンプの故障を抑制することができる。本開示の乾燥水電解水素ガス製造方法の詳しい内容は上述したため、ここでは説明を省略する。

【符号の説明】

【0028】

１ 水電解水素ガス製造装置
１０ 水電解装置
２０ 湿潤水電解水素ガス
２１ 熱交換器
２２ 冷却水
２３ 流量制御計
２４ トラップ
２５ 露点計
２６ 乾燥水電解水素ガス
２７ 貯蔵装置
３０ 吸収器
３１ 流量計
３２１ 熱交換器
３２２ 熱交換器
３３ ヒーター
３４１ 第１再生器
３４２ 第２再生器
３５ 送液ポンプ
３６ 冷却水
３７ 湿潤吸収液
３８ 乾燥吸収液
３９ 予備乾燥吸収液
４０ 真空ポンプ
４１１ 排気口
４１２ 排気口
４２ 再生用乾燥ガス
４３ 熱交換器
４４ 冷却水
４５ 流量計
４６ トラップ
４７ 再生用ガス供給源
４８ 湿潤再生用ガス

【図1】