特開 2025-5768 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】P2025005768

(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 2023106111

(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

4D052DA02

4D052DB01

4D052GA01

4D052GB00

4D052GB04

4D052GB11

4D052HA49

4D052HB01

4G140FA02

4G140FB02

4G140FC04

4G140FE01

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA11

4K021CA12

4K021CA13

4K021CA15

(57)【要約】

【課題】コスト削減が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、湿潤水電解水素ガスを生成する水電解装置と、水電解装置から排出された湿潤水電解水素ガスの露点を低下させ、低湿度水電解水素ガスを得る熱交換器と、低湿度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、湿潤吸収液を再生用乾燥水素ガス（低湿度水電解水素ガス）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、熱交換器及び吸収器の間に配置された分流弁と、分流弁と吸収器との間に配置され、湿潤水電解水素ガスの圧力を低下させるレギュレータと、を有し、再生器の圧力は吸収器入口の圧力よりも高く、これらの圧力差を駆動力として再生器から吸収器に向かって湿潤再生用水素ガスが移動する、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、
前記水電解装置から排出された前記湿潤水電解水素ガスの露点を低下させ、低湿度水電解水素ガスを得る熱交換器と、
前記低湿度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、
前記熱交換器及び吸収器の間に配置され、前記低湿度水電解水素ガスの一部を前記吸収器側に流通し、残りを前記再生器側に流通させる分流弁と、
前記分流弁と前記吸収器との間に配置され、前記分流弁から前記吸収器に向かって排出された前記低湿度水電解水素ガスの圧力を低下させるレギュレータと、を有し、
前記再生用乾燥水素ガスは前記低湿度水電解水素ガスであり、
前記再生器の圧力は前記吸収器入口の圧力よりも高く、これらの圧力差を駆動力として前記再生器から前記吸収器に向かって前記湿潤再生用水素ガスが移動する、
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、再生用乾燥水素ガスを湿潤吸収液に接触させて、吸収液を再生する場合がある。この場合、湿度が上昇した再生用乾燥水素ガス（湿潤再生用水素ガス）は、生産効率低下防止を目的として、水電解装置へ循環させることが望ましいが、湿潤再生用水素ガスを再生器出口から水電解装置に循環させる際には、再生器圧力に比べて水電解装置の水素圧力の方が高いため、水素用昇圧ポンプが必要となり、装置全体のイニシャルコストが増加する問題がある。

【0005】

そこで、本開示の主な目的は、上記実情を鑑み、コスト削減が可能な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、水電解装置から排出された湿潤水電解水素ガスの露点を低下させ、低湿度水電解水素ガスを得る熱交換器と、低湿度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、熱交換器及び吸収器の間に配置され、低湿度水電解水素ガスの一部を吸収器側に流通し、残りを再生器側に流通させる分流弁と、分流弁と吸収器との間に配置され、分流弁から吸収器に向かって排出された低湿度水電解水素ガスの圧力を低下させるレギュレータと、を有し、再生用乾燥水素ガスは低湿度水電解水素ガスであり、再生器の圧力は吸収器入口の圧力よりも高く、これらの圧力差を駆動力として再生器から吸収器に向かって湿潤再生用水素ガスが移動する、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、再生器の圧力は吸収器入口の圧力よりも高く、これらの圧力差を駆動力として再生器から吸収器に向かって湿潤再生用水素ガスが移動する。そのため、湿潤再生用水素ガスの移動に関し、水素用昇圧ポンプが不要である。従って、本開示の乾燥水電解水素ガス製造装置はコスト削減が可能である。

【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、水電解装置１０から排出された湿潤水電解水素ガス２０の露点を低下させ、低湿度水電解水素ガスを得る熱交換器２１と、低湿度水電解水素ガスを吸収液（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を再生用乾燥水素ガス４０（低湿度水電解水素ガス）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、熱交換器２１及び吸収器３０の間に配置され、低湿度水電解水素ガスの一部を吸収器３０側に流通し、残りを再生器３４側に流通させる分流弁２８と、分流弁２８と吸収器３０との間に配置され、分流弁２８から吸収器３０に向かって排出された低湿度水電解水素ガスの圧力を低下させるレギュレータ２９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。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に送られる。

【0012】

＜熱交換器２１＞
熱交換器２１は水電解装置１０から排出された湿潤水電解水素ガス２０の露点を低下させ、低湿度水電解水素ガスを得るものである。熱交換器２１は冷却水２２を用いて熱交換を行い、湿潤水電解水素ガス２０の露店を低下させている。得られた低湿度水電解水素ガスは分流弁２８に送られる。

【0013】

＜分流弁２８＞
分流弁２８は熱交換器２１及び吸収器３０の間に配置され、低湿度水電解水素ガスの一部を吸収器３０側に流通し、残りを再生器３４側に流通させるものである。再生器３４側に排出された低湿度水電解ガスは再生用乾燥水素ガス４０として働く。低湿度水電解水素ガス２０の分流割合は所望の値に適宜設定することができる。

【0014】

分流弁２８から吸収器３０側に排出された低湿度水電解水素ガスはレギュレータ２９に送られる。分流弁２８から再生器３４側に排出された低湿度水電解水素ガスは流量計４３を経て、再生器３４に送られる。

【0015】

＜レギュレータ２９＞
レギュレータ２９は分流弁２８と吸収器３０との間に配置され、分流弁２８から吸収器３０に向かって排出された低湿度水電解水素ガスの圧力を低下させるものである。レギュレータ２９から排出された低湿度水電解水素ガスは吸収器３０に送られる。この際、低湿度水電解水素ガスに湿潤再生用水素ガス４５が合流する。そのため、レギュレータ２９は低湿度水電解水素ガスの圧力を湿潤再生用水素ガス４５と同程度まで減圧させる。

【0016】

＜吸収器３０＞
吸収器３０は、低湿度水電解水素ガス（又は低湿度水電解水素ガス及び湿潤再生用水素ガス４５の混合ガス）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。

【0017】

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。

【0018】

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、低湿度水電解水素ガスは吸収器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。

【0019】

低湿度水電解水素ガス中の水蒸気は、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。

【0020】

＜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（低湿度水電解水素ガス）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を得るものである。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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にて熱交換を行う。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。

【0024】

得られた湿潤再生用水素ガス４５は熱交換器４１において冷却水４２と熱交換し、露点が下げられた後、レギュレータ２９から排出された低湿度水電解水素ガスと合流する。

【0025】

ここで、レギュレータ２９から排出された低湿度水電解水素ガスは湿潤再生用水素ガス４５と同程度の圧力まで減圧されているため、再生器３４の圧力は吸収器３０入口の圧力よりも高くなっている。そのため、これらの圧力差を駆動力として再生器３４から吸収器３０に向かって湿潤再生用水素ガス４５が移動する。

【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、再生器３４の圧力は吸収器３０入口の圧力よりも高く、これらの圧力差を駆動力として再生器３４から吸収器３０に向かって湿潤再生用水素ガス４５が移動する。そのため、湿潤再生用水素ガス４５の移動に関し、水素用昇圧ポンプが不要である。従って、乾燥水電解水素ガス製造装置１はコスト削減が可能である。

【0028】

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、湿潤再生用水素ガス４５の移動に関し、水素用昇圧ポンプが不要となるため、コスト削減が可能である。

【0029】

［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、水電解工程から排出された湿潤水電解水素ガスの露点を低下させ、低湿度水電解水素ガスを得る熱交換工程と、低湿度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、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、熱交換工程及び吸収工程水電解工程の間に実施され、低湿度水電解水素ガスの一部を吸収器工程に流通し、残りを再生器工程に流通させる分流工程と、分流工程と吸収工程との間に実施され、分流工程から吸収工程に向かって排出された湿潤水電解水素ガスの圧力を低下させる減圧工程と、を有し、再生用乾燥水素ガスは低湿度水電解水素ガスであり、再生工程における再生用乾燥水素ガスの圧力は減圧工程における減圧後の湿潤水電解水素ガスの圧力よりも高く、これらの圧力差を駆動力として再生器工程から排出された湿潤再生用水素ガスを前記減圧工程後の前記湿潤水電解水素ガスに合流させる、乾燥水電解水素ガス製造方法である。

【0030】

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、湿潤再生用水素ガスの移動に関し、水素用昇圧ポンプが不要となるため、コスト削減が可能である。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】

【0031】

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
２８ 分流弁
２９ レギュレータ
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
４１ 熱交換器
４２ 冷却水
４３ 流量計
４４ ドレン
４５ 湿潤再生用水素ガス

【図1】