特開 2025-5756 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】P2025005756

(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

【ＦＩ】

C25B9/00 A

B01D53/26 300

C25B1/04

C01B3/02 H

C01B3/52

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023106093

(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】井戸田 芳典

(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】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

4D052DA02

4D052DB01

4D052GA01

4D052GA03

4D052GB00

4D052GB01

4D052GB02

4D052GB04

4D052HA49

4D052HB01

4G140FA02

4G140FB02

4G140FC04

4G140FE01

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA11

4K021CA13

4K021CA15

(57)【要約】

【課題】再始動時においても円滑に乾燥水電解水素ガスを製造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。
【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、乾燥水電解水素ガス及び湿潤吸収液を得る吸収器と、乾燥水電解水素ガスを昇圧する水素用昇圧ポンプと、昇圧された乾燥水電解水素ガスを貯蔵する貯蔵装置と、湿潤吸収液を再生用乾燥水素ガス（乾燥水電解水素ガス）に接触させ、乾燥吸収液及び湿潤再生用水素ガスを得る再生器と、湿潤吸収液を再生器に送液する送液ポンプと、を有し、湿潤再生用水素ガスは湿潤水電解水素ガスよりも圧力が高く、これらの圧力差を駆動力として再生器から水電解装置に導入される、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、
前記乾燥水電解水素ガスを昇圧する水素用昇圧ポンプと、
昇圧された前記乾燥水電解水素ガスを貯蔵する貯蔵装置と、
前記湿潤吸収液を再生用乾燥水素ガスに接触させ、水分含有量が減少した乾燥吸収液及び湿度が上昇した湿潤再生用水素ガスを得る再生器と、
前記湿潤吸収液を前記再生器に送液する送液ポンプと、を有し、
前記再生用乾燥水素ガスは前記貯蔵装置に貯蔵されている前記乾燥水電解水素ガスであり、
前記湿潤再生用水素ガスは前記湿潤水電解水素ガスよりも圧力が高く、これらの圧力差を駆動力として前記再生器から前記水電解装置に導入される、
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、製造した乾燥水電解水素ガスの一部を再生用乾燥水素ガスとして使用して湿潤吸収液に接触させて、湿潤吸収液から水分を取り除き、吸収液を再生する場合がある。

【0005】

しかしながら、装置の再始動時において、まず初めに再生器に再生用ガスを導入する必要がある。従来技術の構成では、乾燥水電解水素ガスの一部を再生用乾燥水素ガスとして使用する場合、装置始動時において乾燥水電解水素ガスそのものがないため、乾燥水電解水素ガスの製造ができない問題がある。

【0006】

そこで、本開示の主な目的は、上記実情を鑑み、再始動時においても円滑に乾燥水電解水素ガスを製造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】

【0007】

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、乾燥水電解水素ガスを昇圧する水素用昇圧ポンプと、昇圧された乾燥水電解水素ガスを貯蔵する貯蔵装置と、湿潤吸収液を再生用乾燥水素ガスに接触させ、水分含有量が減少した乾燥吸収液及び湿度が上昇した湿潤再生用水素ガスを得る再生器と、湿潤吸収液を再生器に送液する送液ポンプと、を有し、再生用乾燥水素ガスは貯蔵装置に貯蔵されている乾燥水電解水素ガスであり、湿潤再生用水素ガスは湿潤水電解水素ガスよりも圧力が高く、これらの圧力差を駆動力として再生器から水電解装置に導入される、乾燥水電解水素ガス製造装置である。

【発明の効果】

【0008】

本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置では、昇圧後に貯蔵された乾燥水電解水素ガスを再生用乾燥水素ガスとして用いているため、再始動時においても再生用乾燥水素ガスを再生器に導入可能である。従って、本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置によれば、再始動時においても円滑に乾燥水電解水素ガスを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【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】

【0010】

［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。

【0011】

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２６１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、乾燥水電解水素ガス２６１を昇圧する水素用昇圧ポンプ２８と、昇圧された乾燥水電解水素ガス２６１を貯蔵する貯蔵装置２７と、湿潤吸収液３７を再生用乾燥水素ガス４０に接触させ、水分含有量が減少した乾燥吸収液３８及び湿度が上昇した湿潤再生用水素ガス４５を得る再生器３４と、湿潤吸収液３７を再生器３４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。

【0012】

＜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。

【0013】

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２３１によりその流量が制御されて、吸収器３０に送られる。

【0014】

＜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２６１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２６１及び湿潤吸収液３７は気液分離される。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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ガス（乾燥水電解水素ガス２６１）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、水素用昇圧ポンプ２８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の下部から送液ポンプ３５へ送られ、流量計３１、熱交換器３２１、及びヒーター３３を通って再生器３４内に導入される。

【0018】

＜水素用昇圧ポンプ２８＞
水素用昇圧ポンプ２８は乾燥水電解水素ガス２６１を昇圧するものである。これにより、乾燥水電解水素ガス２６１は湿潤水電解水素ガス２０よりも圧力が高くなるため、後述するように、これらの圧力差を駆動力として水電解水素ガスを循環することができる。水素用昇圧ポンプ２８としては公知のものを使用することができる。

【0019】

＜貯蔵装置２７＞
貯蔵装置２７は水素用昇圧ポンプによって昇圧された乾燥水電解水素ガス２６１を貯蔵するものである。貯蔵装置に２７に貯蔵された乾燥水電解水素ガス２６１の一部は、適宜取り出され、再生用乾燥水素ガス４０として用いられる。

【0020】

図１に示した通り、貯蔵装置２７から排出された再生用乾燥水素ガス４０（乾燥水電解水素ガス２６１）はレギュレータ４１１により所定の圧力に減圧され、流量計４２を通って、再生器３４に導入される。

【0021】

＜再生器３４＞
再生器３４は、湿潤吸収液３７を再生用乾燥水素ガス４０に接触させ、水分含有量が減少した乾燥吸収液３８及び湿度が上昇した湿潤再生用水素ガス４８を得るものである。

【0022】

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。再生用乾燥水素ガス４０の流量は特に限定されないが、例えば、湿潤吸収液３７：再生用乾燥水素ガス４０（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。再生用乾燥水素ガス４０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。

【0023】

図１に示した通り、湿潤吸収液３７は再生器３４の上部から導入される。再生用乾燥水素ガス４０は再生器３４の下部から導入される。そして、再生器３４内でこれらは接触する。湿潤吸収液３７中の水分は、再生用乾燥水素ガス４０に吸収されて減少する。湿潤吸収液３７は再生器３４に導入された再生用乾燥水素ガス４０の蒸気圧程度まで乾燥される。

【0024】

得られた乾燥吸収液３８（再生した吸収液）は再生器３４の下部から排出される。排出された乾燥吸収液３８は、熱交換器３２１、３２２にて熱交換が行われる。ここで、再生器３４内圧力は吸収器３０内圧力よりも高いため、乾燥吸収液３８は再生器３４から吸収器３０へ自発的に導入される。

【0025】

得られた湿潤再生用水素ガス４８はレギュレータ４１２を介して所定の圧力まで減圧され、水電解装置１０に導入される。ここで、湿潤再生用水素ガス４８はレギュレータ４１２により減圧されているが、その圧力は湿潤水電解水素ガス２０の圧力よりも高く設定されている。そのため、これらの圧力差を駆動力として、湿潤再生用水素ガス４８は自発的に再生器３４から水電解装置１０に導入される。

【0026】

＜送液ポンプ３５＞
送液ポンプ３５は湿潤吸収液３７を再生器３４に送液するものである。送液された湿潤吸収液３７は、流量計３１、熱交換器３２１、及びヒーター３３を通って再生器３４内に導入される。熱交換器３２１では、湿潤吸収液３７と乾燥吸収液３８との間で熱交換される。上述した通り、再生器３４内圧力は吸収器３０内圧力よりも高い。そのため、再生器３４から吸収器３０への乾燥吸収液３８（吸収液）の移動は自発的に起こるが、その逆は起こらない。そのため、送液ポンプ３５が設けられており、これにより吸収液が循環される。

【0027】

＜効果＞
乾燥水電解水素ガス製造装置１では、昇圧後に貯蔵された乾燥水電解水素ガス２６１を再生用乾燥水素ガス４０として用いているため、再始動時においても再生用乾燥水素ガスを再生器に導入可能である。従って、本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置によれば、再始動時においても円滑に乾燥水電解水素ガスを製造することができる。詳しくは以下に説明する。

【0028】

（装置停止時）
通常運転時において、三方切替弁４４は水電解装置１０側に設定されており、湿潤再生用水素ガス４８が再生器から水電解装置１０に流通しているが、装置停止時では、三方切替弁４４は水電解装置１０側から排気口４３側へ切り替えられ、吸収器３０の入口側、出口側のバルブが閉められる。これにより、湿潤再生用水素ガス４８は排気口４３から排気される。装置停止時とは、水電解装置１０が停止し、湿潤水電解水素ガス２０の供給が停止した場合を指す。これに対し、装置停止時であっても、送液ポンプ３５は稼働させ続けるとともに、再生用乾燥水素ガス４０を再生器３４の下部から供給し続ける。これにより、吸収器３０内及び再生器３４内を循環する吸収液全体を気液接触にて乾燥させることができる。そして、吸収液全体を十分乾燥ができた後、再生器３４の入口側、出口側のバルブを閉めて、再生用乾燥水素ガス４０の供給を停止し、送液ポンプ３５の稼働を停止する。

【0029】

（再始動時）
送液ポンプ３５を稼働させ、吸収液の再生器３４及び吸収器３０間の循環を開始する。次に、三方切替弁４４を排気口４３側から水電解装置１０側へ切り替えて、吸収器３０及び再生器３４の入口及び出口のバルブを開放し、湿潤水電解水素ガス２０及び再生用乾燥水素ガス４０の循環を開始する開始する。

【0030】

（効果）
従来技術の構成では、乾燥水電解水素ガスの一部を再生用乾燥水素ガスとして使用する場合、装置始動時において乾燥水電解水素ガスそのものがないため、乾燥水電解水素ガスの製造ができない問題がある。また、従来技術の構成のままでも、水電解停止中といった再生器を稼働する必要がない場合も含めて、水素用昇圧ポンプと送液ポンプを常に稼働させておけば上記課題は発生しないが、常にアクチュエータを動作させるためにエネルギーを無駄にかけるという課題につながる。これに対し、乾燥水電解水素ガス製造装置１では貯蔵された再生用乾燥水素ガス４０を用いることができるため、再始動時においても円滑に乾燥水電解水素ガスを製造することができる。また、装置停止時において、装置全体のアクチュエータを全て停止することができるため、省エネルギー化に寄与する。

【0031】

加えて、従来技術の構成では、吸収液再生にて、湿潤吸収液からの水分が移動することで湿度が上昇した水素ガスを水電解装置に循環させる際に水素用昇圧ポンプが必要となる。水素用昇圧ポンプは一般的にコストが高いため、装置全体のイニシャルコストが増加してしまう課題がある。これに対し、乾燥水電解水素ガス製造装置１では湿潤再生用水素ガス４５と湿潤水電解水素ガス２０との圧力差を駆動力として、湿潤再生用水素ガス４８を自発的に再生器３４から水電解装置１０に移動させることができるため、再生器３４から水電解装置１０までの湿潤再生用水素ガス４８の移動のために水素用昇圧ポンプの設置が不要である。

【0032】

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、再始動時においても円滑に乾燥水電解水素ガスを製造することができる。

【0033】

［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、乾燥水電解水素ガスを昇圧する昇圧工程と、昇圧された乾燥水電解水素ガスを貯蔵する貯蔵工程と、湿潤吸収液を再生用乾燥水素ガスに接触させ、水分含有量が減少した乾燥吸収液及び湿度が上昇した湿潤再生用水素ガスを得る再生工程と、湿潤吸収液を再生工程に送液する送液工程と、を有し、再生用乾燥水素ガスは貯蔵装置に貯蔵されている前記乾燥水電解水素ガスであり、湿潤再生用水素ガスは湿潤水電解水素ガスよりも圧力が高く、これらの圧力差を駆動力として再生工程から水電解工程に導入される、乾燥水電解水素ガス製造方法である。

【0034】

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、再始動時においても円滑に乾燥水電解水素ガスを製造することができる。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】

【0035】

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
２３１ 流量制御計
２４ トラップ
２５ 露点計
２６１ 乾燥水電解水素ガス
２７ 貯蔵装置
２８ 水素用昇圧ポンプ
３０ 吸収器
３１ 流量計
３２１ 熱交換器
３２２ 熱交換器
３３ ヒーター
３４ 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
４０ 再生用乾燥水素ガス
４１１ レギュレータ
４１２ レギュレータ
４２ 流量計
４３ 排気口
４４ 三方切替弁
４５ 湿潤再生用水素ガス

【図1】