(57)【要約】【課題】コスト的に有利にかつ効率的に気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離する方法と、対応する装置と、対応するコンピュータプログラムと、このコンピュータプログラムを記憶している記憶媒体を提供すること。【解決手段】気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離するための方法において、冷却のステップを有しており、この冷却のステップでは、膨張装置内で高い方の圧力レベルから低い方の圧力レベルに膨張されるプロセスガスを使用して、熱交換器内の気体混合物を異物の露点温度よりも低い温度に冷却して、熱交換器内の異物を気体混合物から分離する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体混合物（１０２）から凝縮除去可能な異物（２０４）を分離するための方法（５００）において、
冷却のステップ（５０２）を有しており、
当該冷却のステップ（５０２）では、膨張装置（１０４）内で高い方の圧力レベル（１１０）から低い方の圧力レベル（１１２）に膨張されるプロセスガス（１０８）を使用して、熱交換器（１０６）内の前記気体混合物（１０２）を前記異物（２０４）の露点温度よりも低い温度に冷却して、前記熱交換器（１０６）内の前記異物（２０４）を前記気体混合物（１０２）から分離する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項２】
請求項１に記載の方法（５００）において、
前記冷却のステップ（５０２）において、前記異物（２０４）の凝固点よりも低い温度に冷却して、前記熱交換器（１０６）内の前記異物（２０４）を固体の凝集状態で付着させる、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項３】
請求項２に記載の方法（５００）において、
除霜のステップを有しており、
前記冷却のステップ（５０２）を中断し、前記高い方の圧力レベル（１１０）の前記プロセスガス（１０８）を前記熱交換器（１０６）を通して案内し、前記熱交換器（１０６）に付着した前記異物（２０４）を液体の凝集状態に変えて前記熱交換器（１０６）から除去する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法（５００）において、
前記熱交換器（１０６）に前置接続された熱交換器（４００）において前記気体混合物（１０２）を事前冷却するステップを有しており、
当該ステップでは熱輸送媒体（４０２）を使用して、前記気体混合物（１０２）を実質的に当該熱輸送媒体（４０２）の流れ温度に事前冷却する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項５】
請求項４に記載の方法（５００）において、
前記事前冷却のステップでは、前記気体混合物（１０２）を前記異物（２０４）の露点温度よりも低い温度に事前冷却して、前記異物（２０４）の一部分を液体の凝集状態で前記気体混合物（１０２）から除去する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法（５００）において、
前記プロセスガス（１０８）を温度調節するステップを有しており、
前記膨張装置（１０４）に前置接続される熱交換器（４０４）において熱輸送媒体（４０２）を使用し、実質的に当該熱輸送媒体（４０２）の流れ温度に前記プロセスガス（１０８）を事前冷却する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法において、
前記気体混合物（１０２）および前記プロセスガス（１０８）を供給するステップを有しており、
前記気体混合物（１０２）および前記プロセスガス（１０８）を共通の電気分解プロセスによって得、
前記電気分解プロセスにより、少なくとも前記プロセスガス（１０８）を前記高い方の圧力レベル（１１０）に上昇させる、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項８】
請求項７に記載の方法（５００）において、
前記供給のステップにおいて前記気体混合物（１０２）を前記電気分解プロセスによって圧縮する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項９】
請求項７から８までのいずれか１項に記載の方法（５００）において、
前記供給のステップにおいて、前記気体混合物（１０２）として、異物（２０４）である水蒸気を含有する水素（１０２）を供給し、および／または、前記プロセスガス（１０８）として酸素（１０８）を供給する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項１０】
気体混合物（１０２）から凝縮除去可能な異物（２０４）を分離するための装置（１００）において、
当該装置（１００）は、以下の特徴的構成、すなわち、
高い方の圧力レベル（１１０）から低い方の圧力レベル（１１２）にプロセスガス（１０８）を膨張させるための膨張装置（１０４）と、
当該膨張したプロセスガス（１０８）を使用して前記気体混合物（１０２）を冷却するための熱交換器（１０６）とを有しており、
当該熱交換器（１０６）は、前記異物（２０４）の露点温度よりも低い温度に前記気体混合物（１０２）を冷却して、前記熱交換器（１０６）内の前記異物（２０４）を前記気体混合物（１０２）から分離するように構成されている、
ことを特徴とする装置（１００）。
【請求項１１】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法（５００）のすべてのステップを制御するために設けられている、
ことを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載されたコンピュータプログラムが記憶されている、
ことを特徴とする機械読み出し可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来の技術
本発明は、気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離する方法と、対応する装置と、対応するコンピュータプログラム製品とに関する。
【背景技術】
【０００２】
水電気分解によって得られる水素は、プロセスに起因して水分を有する。しかしながら水素を貯蔵するためには、水分のない水素が必要である。例えば、水素は圧力スイング吸着プロセスによって水分を除去することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、コスト的に有利にかつ効率的に気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離する方法と、対応する装置と、対応するコンピュータプログラムと、このコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の方法についての課題は、本発明の請求項１により、気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離するための方法において、冷却のステップを有しており、この冷却のステップでは、膨張装置内で高い方の圧力レベルから低い方の圧力レベルに膨張されるプロセスガスを使用して、熱交換器内の気体混合物を異物の露点温度よりも低い温度に冷却して、熱交換器内の異物を気体混合物から分離することによって解決される。
【０００５】
上記の装置についての課題は、本発明の請求項１０により、気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離するための装置において、この装置は、以下の特徴的構成、すなわち、高い方の圧力レベルから低い方の圧力レベルにプロセスガスを膨張させるための膨張装置と、この膨張したプロセスガスを使用して気体混合物を冷却するための熱交換器とを有しており、この熱交換器は、異物の露点温度よりも低い温度に気体混合物を冷却して、熱交換器内の異物を気体混合物から分離するように構成することによって解決される。
【０００６】
また上記のコンピュータプログラムについての課題は、本発明の請求項１１により、上記の方法のすべてのステップを制御するように設けられているコンピュータプログラムによって解決される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施例にしたがって気体混合物から凝縮除去可能な異物を除去するための装置のブロック図である。
【図２】電気分解装置の水素から水分を除去するための水分除去装置を有する電気分解装置を示す図である。
【図３】気体を圧縮するためのエネルギコストと、この気体の圧力との間の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例にしたがって気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離するための装置を示す図である。
【図５】本発明の一実施例にしたがって気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離するための方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
有利な実施形態は、それぞれの従属請求項および以下の説明から得られる。
【０００９】
気体混合物から気体状の異物を凝縮除去するためには、異物を含有するこの気体混合物を、異物の露点温度よりも低い温度に冷却する必要がある。ここでこの露点温度は、気体混合物における圧力比および他の複数の要因に依存する。
【００１０】
気体を減圧すると、すなわち膨張装置において気体の静圧を低減すると、この気体は大きく冷却される。この際には上記の異物の露点温度よりも低い温度を得ることができる。
【００１１】
減圧されかつ低い温度を有するこの気体は、気体混合物から熱エネルギを除去して、気体混合物の温度を異物の露点温度よりも低く下げるのに使用可能である。
【００１２】
本発明では気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離する方法が得られ、ここでは冷却のステップにおいて、膨張装置において高い方の圧力レベルから低い方の圧力レベルに膨張されるプロセスガスを使用し、熱交換器内の上記の気体混合物を上記の異物の露点温度よりも低い温度に冷却し、これによって熱交換器内の上記の異物を気体混合物から分離する。
【００１３】
さらに本発明では、気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離するため装置が提供され、この装置はつぎのような特徴を有する。すなわち、
高い方の圧力レベルから低い方の圧力レベルにプロセスガスを膨張させる膨張装置と、
この膨張したプロセスガスを使用して上記の気体混合物を冷却するための熱交換器とを有しており、この熱交換器は、上記の異物の露点温度よりも低い温度に上記の気体混合物を冷却して、熱交換器内の気体混合物から上記の異物を分離するように構成されている。
【００１４】
気体混合物とは、少なくとも２つの異なる気体の混合物と理解することができる。この気体混合物とは、圧縮可能とすることが可能である。異物とは気体混合物の成分とすることが可能である。ここでは気体は、気体混合物の大部分を構成し得る。凝縮除去可能な異物は、同じ限界条件において、上記の気体よりも高い露店温度を有し得る。上記の露点温度未満では上記の気体は気体であり得るのに対し、上記の異物は液体または固体である。膨張装置は、スロットルまたはバルブとすることが可能である。この膨張装置は、タービンとすることも可能である。この場合には膨張装置において、機械エネルギを上記のプロセスガスの膨張から得ることができる。
【００１５】
上記の気体混合物は、上記の異物の凝固点よりも低い温度に冷却することができ、これによって上記の熱交換器内の異物を固体の凝集状態で付着させることができる。熱交換器において異物が付着することにより、フィルタなしにこの異物を気体混合物から除去することができるため、上記の分散媒は、実質的に純粋な形態で上記の熱交換器を出る。
【００１６】
上記の方法は、除霜のステップを有しており、ここでは上記の冷却のステップを中断し、高い方の圧力レベルのプロセスガスを熱交換器を通して案内し、熱交換器に付着した異物を液体の凝集状態に変えて熱交換器から除去する。上記の冷却および除霜はあらかじめ設定した時間間隔で実行することができる。これによって上記の熱交換器のあらかじめ設定した効率を保証することができる。上記の冷却を中断することにより、気体混合物の損失を回避することができる。
【００１７】
上記の方法は、上記の熱交換器に前置接続された熱交換器において気体混合物を事前冷却するステップを有することができ、このステップでは熱輸送媒体を使用して、気体混合物を実質的に熱輸送媒体の流れ温度に事前冷却する。この事前冷却のステップでは、気体混合物から熱エネルギを除去することができる。この事前冷却により、上記の冷却のステップにおいて伝達すべきエネルギ量を低減することができる。これにより、上記の異物を一層確実に分離することができる。ここでは、熱輸送媒体として、殊に空気などの無尽蔵に存在する媒体を使用することができる。
【００１８】
流れ温度は、上記の熱輸送媒体の出発温度とすることが可能である。殊にこの流れ温度は、周囲温度（例えば上記の熱交換器の周囲環境における温度）とすることができる。熱交換器の熱伝導率が限られていることに起因して、流れ温度を目指したとしても技術的にあらかじめ定められた温度差までにしか上記の気体混合物を冷却することができない。
【００１９】
上記の気体混合物は、上記の異物の露点温度よりも低い温度まで事前冷却することができ、これによって上記の異物の一部を液体の凝集状態で上記の気体混合物から除去する。上記の冷却ステップの前に気体混合物から異物の一部を除去することにより、上記の冷却のステップにおいて異物の残りを除去するためのエネルギコストを低減することができる。
【００２０】
上記の方法は、プロセスガスを温度調節するステップを有することができ、ここでは、膨張装置に前置接続される熱交換器において熱輸送媒体を使用し、実質的にこの熱輸送媒体の流れ温度に上記のプロセスガスを事前冷却する。温度調節とは、殊に冷却のことと理解することができる。この温度調節のステップでは上記のプロセスガスから熱エネルギを除去することができる。この温度調節により、上記のプロセスガスは、出発温度が下がっているため、膨張時には一層低い温度にすることが可能である。ここでは熱輸送媒体として殊に、例えば空気のような無尽蔵に存在する媒体を使用することができる。流れ温度は、上記の熱輸送媒体の出発温度とすることが可能である。殊にこの流れ温度は、周囲温度することが可能である。熱交換器の熱伝導率が限られていることに起因して、流れ温度を目指したとしても技術的にあらかじめ定められた温度差までにしか上記のプロセスガスを冷却することができない。
【００２１】
上記の方法は、気体混合物およびプロセスガスを供給するステップを有することができ、この気体混合物およびプロセスガスは共通の電気分解プロセスによって得られる。上記の電気分解プロセスにより、少なくともプロセスガスを上記の高い方の圧力レベルに上昇させる。１つの電気分解プロセスにおいて２つの気体を供給することにより、これらの気体の量の比を保証することができる。ここでは上記の気体混合物の量の割合および上記のプロセスガスの量の割合は、電気分解プロセスの出発媒体の組成によって決定される。この電気分解プロセスは、エネルギを節約して上記のプロセスガスを上記の膨張に必要な圧力に圧縮することができる。
【００２２】
上記の気体混合物も電気分解プロセスによって圧縮することができる。実質的に１００ｂａｒである基本圧力に圧縮するため、電気化学的な圧縮では、機械的な圧縮よりも格段に少ないエネルギしか必要でない。この圧縮はほぼ等温的に行われる。
【００２３】
上記の気体混合物として、異物である水蒸気を含有する水素を供給することができる。上記のプロセスガスとして酸素を供給することできる。この水素および酸素は、浄化した水から作製することができる。水は容易に入手可能であり、水素は蓄積可能なエネルギ源として使用可能である。
【００２４】
半導体記憶装置、ハードディスク記憶装置または光学式記憶装置などの機械読み出し可能な担体または記憶媒体に記憶可能でありかつプログラム製品がコンピュータまたは装置で実行される場合に、上で説明した複数の実施形態のうちの１つに記載した方法の複数のステップを実行および／または駆動制御するために使用されるプログラムコードを有するコンピュータプログラム製品またはコンピュータプログラムも有利である。
【００２５】
ここで示すアプローチを以下、添付の図面に基づき、例示によって詳しく説明する。
【実施例】
【００２６】
本発明の好適な実施例の以下の説明において、異なる複数の図に示されかつ類似の作用を有する部材には同じまたは類似の参照を使用しており、これらの部材を繰り返して説明することは省略する。
【００２７】
図１には、本発明の一実施例にしたがい、気体混合物１０２から凝縮除去可能な異物を分離するための装置１００のブロック図が示されている。装置１００は、膨張装置１０４と、熱交換器１０６とを有する。膨張装置１０４は、プロセスガス１０８を高い方の圧力レベル１１０から低い方の圧力レベル１１２に膨張させるために構成されている。ここではプロセスガス１０８の温度が膨張中に低下する。したがって低い方の圧力レベルに膨張したプロセスガス１０８は極めて低温である。熱交換器１０６は、膨張したプロセスガス１０８を使用し、異物の露点温度よりも低い温度に気体混合物１０２を冷却して、熱交換器１０６において異物を気体混合物１０２から分離するように構成されている。熱交換器１０６では気体混合物１０２からプロセスガス１０８への熱伝達が行われる。すなわちプロセスガス１０８は、上記の異物の少なくとも圧縮熱を受け取ってこの圧縮熱を熱交換器１０６から排出するのである。
【００２８】
一実施例において気体混合物１０２は、水素ガス１０２と水蒸気との混合物である。プロセスガス１０８は、酸素ガス１０８である。水素ガス１０２と、水蒸気と、酸素ガス１０８とは、水の電気化学的な電気分解の生成物である。電気分解の際には水蒸気を含有する水素１０２も酸素１０８も共に高い方の圧力レベル１１０に圧縮される。ここでは従来のコンプレッサとは異なり、圧縮が実質的に等温で行われる。
【００２９】
将来の複数のモビリティコンセプトではＣＯ2放出が少ないことが必須である。したがってこれらコンセプトでは、エネルギ源としての水素１０２を有する燃料電池車両も予想される。燃料電池車両によってＣＯ2放出を少なくなるためには、水素１０２はもはや天然ガスの改質によって作製してはならないのである。
【００３０】
燃料電池車両用の水素１０２は、再生可能なエネルギ源から得られる電気を用いれば、脱イオン水の電気分解によって環境にフレンドリに形成することができる。
【００３１】
燃料電池車両用の水素１０２には、製造プロセスによって生じる水蒸気を除去するために水分除去過程が必要である。要求される純度は、９９．９９９Ｖｏｌ％Ｈ2である。
【００３２】
水素１０２の水分除去には多くのエネルギが必要である。なぜならば水の露点は、分圧が小さい場合には−４０℃以下に下がるからである。例えば、水素１０２は、例えば低温圧縮装置において露点以下まで冷却するかまたは圧力スイング吸着法によって水分除去することができる。これに対し、ここで提案されるアプローチでは、水素製造の効率が増大する。ここではより一層良好なエネルギ効率で水素の水分除去を行うことができる。
【００３３】
付加的には、確立されている水分除去技術のバッチ動作時に発生する水素の損失がほぼ回避される。ここで示すアプローチは、わずかなスペースで実施することが可能である。
【００３４】
ここで示すアプローチでは、酸素１０８がスタックにより、電気化学的かつ効率的に圧縮される。圧縮された酸素１０８が引き続いて周囲温度に冷却されると、酸素１０８の温度は、続いて減圧することにより、極めて低い温度に低下する。酸素作業圧力に応じて上記の減圧される酸素１０８の温度は、水素１０２における水の露点温度よりも低くなり得る。水素１０２が熱交換器によって酸素１０８の温度になると、上記の露点を下回り、水素１０２における水成分が凍って除去される。これによって水素１０２の水分が除去される。すなわち機械式の装置なしに水素１０２の水分を除去できるのである。この水分除去は、可動部分なしに最大限可能な効率で行われる。なぜならば、等温効率の付近でかつ最小限の水素損失で行われるからである。
【００３５】
図２には電気分解装置２００が図示されており、この電気分解装置２００は、電気分解装置２００の水素１０２から水分を除去するための水分除去装置２０２を有する。水素１０２は、プロセスに依存する水蒸気成分を有する。したがって水分除去装置２０２の前の水素１０２は、図１に示したような気体混合物１０２と称することができるのである。電気分解装置２００では、処理水２０４が電気エネルギによって水素１０２と酸素１０８に分解される。水素１０２は、電気化学的に圧縮される。酸素１０８は、図示の実施例において蓄積されず、周囲に放出される。電気分解装置２００の出力側では、水素１０２の場合も酸素１０８の場合も、一緒に取り込まれた水滴が１つずつの分離器２０６において分離され、水２０４として改めて電気分解装置２００に供給される。分離器２０６に続いて、水素１０２および酸素１０８は１つずつのフォグフィルタ２０８を通して案内されて、極めて細かい水滴が除去される。水素１０２は、フォグフィルタ２０８の後、熱交換器２１０を流れる。熱交換器２１０において水素１０２は冷却され、これによって水蒸気の一部が凝縮除去され、蒸気トラップ２１２において捉えることができる。このようにして少なくとも部分的に水分除去された水素１０２は、脱酸素器２１４に導かれて、水素１０２から酸素分子が除去される。引き続いて水素１０２は水分除去カードリッジ２１６を流れ、ここで残りの水蒸気が結合する。この段階において水素１０２は、所望の低い水含有量ないしは所望の純度を有する。水素１０２は、バッファタンク２１８からコンプレッサ２２０および後置接続された熱交換器２２２を通って貯蔵タンク２２４において圧縮される。電気分解装置２００用の水２０４は、処理装置２２６において浄化され、ポンプ２２８および熱交換器２３０を介して電気分解装置２００の水循環路に供給される。水２０４はこの水循環路から、別のポンプ２３２によって電気分解装置２００に送り出される。電気分解装置２００は、パワーエレクトロニクス装置２３４によって給電される。気体分析ユニット２３６、安全装置２３８および制御装置２４０により、この全体的な過程が監視されて制御される。
【００３６】
言い換えると、図２には電気分解装置２００の標準的なシステム構造が示されているのである。主要な構成部分は、パワーエレクトロクス部２３４、水処理部２２６、水分離のためのスタック２００、水素１０２用の水分除去装置２０２、および水素１０２を圧縮するためのコンプレッサ２２０である。
【００３７】
図３には、気体を圧縮するためのエネルギコスト３００と、気体の圧力３０２との間の関係を示す図が示されている。この関係はグラフで示されており、このグラフの横軸３０２には圧力が０ｂａｒから１０００ｂａｒまでプロットされている。縦軸にはエネルギコスト３００がｋＷｈ／ｍ3（立方メートル当たりキロワット時）がプロットされている。上記の関係は、種々異なるパラメタについてプロットされている。第１の曲線３０４は、等温圧縮を表している。ここではエネルギコストは約１００ｂａｒの圧力まで大きく増大し、１００ｂａｒ以降はわずかにしか増大しない。ここでは１０００ｂａｒの圧力に圧縮するために約０．２ｋＷｈ／ｍ3のエネルギが必要である。第２の曲線３０６は等エントロピ圧縮を表している。ここでもエネルギ需要は１００ｂａｒの圧力まで大きく増大し、１０００ｂａｒの圧力までは一層緩やかに増大している。ここでは１０００ｂａｒの圧力まで圧縮するのに約０．６ｋＷｈ／ｍ3が必要である。すなわちこの等エントロピ圧縮には、等温圧縮に比べて約２倍も多くのエネルギが必要である。しかしながら実際には、測定値はこれらの計算した曲線３０４，３０６から大きく偏差する。コンプレッサまたはタービンなどの流体機械の内部的な損失により、上のような理想値を得ることは不可能である。
【００３８】
言い換えると図３には、等エントロピのコンプレッサ仕事量３０６と等温のコンプレッサ仕事量３０４との比較および実際の測定値が示されているのである。
【００３９】
気体を圧縮するために電気化学セルを使用する場合、この圧縮はほぼ等温的に経過する。これにより、他の方法によれば上記の気体の加熱に使用され得るエネルギを節約することができる。さらにこの圧縮は可動の構成部材なしに行われる。計算した曲線３０４，３０６を比較するだけで、５０パーセントを上回るエネルギ節約をすでに得ることできる。実際には、構成部材間の機械的な摩擦がなくなることにより、さらに多くのエネルギを節約することができる。
【００４０】
車両への燃料注入の前に水素は、約８００ｂａｒに圧縮される。図３に示されているように１００ｂａｒ未満の値まで圧縮には最も多くのエネルギを必要とする。このような理由から、電気分解装置は、水素側において１００ｂａｒまでの気体圧で動作させる。なぜならば、この電気分解装置により、水素が電気化学的に圧縮されるからである。電気化学的な圧縮３０４により、機械式の圧縮器による等エントロピ圧縮よりも良好な効率を得ることができる。１００ｂａｒを上回る圧力は、一般的に薄膜の作製上の理由から実現されない。従来の電気分解装置では今日、この圧縮仕事量を節約するため、電気分解スタックにおけるわずか数ｂａｒの酸素側の圧力しか実現されていない。
【００４１】
図４には、本発明の一実施例にしたがい、気体混合物１０２から凝縮除去可能な異物２０４を分離するための装置１００が示されている。気体混合物１０２は、この実施例において１００ｂａｒの圧力と、８０℃の温度と、水蒸気成分とで供給されている。気体混合物１０２は、第１熱交換器４００に導かれ、この熱交換器は、熱輸送媒体４０２によって冷却される。例えば、熱輸送媒体４０２は、周囲空気４０２とすることが可能である。例えば、熱輸送媒体４０２は、２０℃の温度を有し得る。第１熱交換器４００は、例えば、液体４０２を使用して冷却することも可能である。ここでは気体混合物１０２はほぼ、熱輸送媒体４０２の流れ温度に、すなわち熱輸送媒体が第１熱交換器４００に入るまでの温度に冷却される。気体混合物１０２が極めて大きな割合の水蒸気を有し、かつ、気体混合物１０２が、水蒸気の露点と温度よりも低い温度に事前冷却される場合、水蒸気の一部分はすでに第１熱交換器４００において凝縮され、凝縮水２０４として排出可能である。第１熱交換器４００の後、上記の気体混合物はなお１００ｂａｒの圧力と、約２５℃の温度とを有する。気体混合物１０２はまだ水蒸気成分を有する。気体混合物１０２はつぎに第２熱交換器１０６に導かれる。第２熱交換器１０６は、図１の熱交換器に対応する。図１に示したように第２熱交換器１０６は、膨張装置１０４において膨張したプロセスガス１０８によって冷却される。プロセスガス１０８はここでは酸素１０８である。酸素１０８は、水素１０２と同様に１００ｂａｒの圧力および８０℃の温度で電気分解装置よって供給される。この高温の酸素１０８は、第３熱交換器４０４に導入される。第３熱交換器４０４も同様に熱輸送媒体４０２によって冷却される。第１熱交換器４００と同様に第３熱交換器４０６も周囲空気４０２または液体４０２によって冷却することができる。第３熱交換器４０４では、酸素１０８は約２５℃の温度に冷却される。これは、熱輸送媒体４０２が第３熱交換器４０６に入る前のその温度にほぼ相当する。第３熱交換器４０４からは１００ｂａｒの圧力および約２５℃の温度で酸素１０８が膨張装置１０４に導かれる。膨張装置１０４では、酸素１０８約１ｂａｒの圧力に、すなわち大気圧に減圧される。この際に酸素１０８の温度は約−７５℃に下がる。この−７５℃の低温の酸素１０８は、第２熱交換器１０６に導かれて気体混合物１０２を冷却する。この低い温度により、気体混合物１０２から水蒸気が凝縮されて除去されて氷に凝固し、この氷が第２熱交換器１０６に付着する。第２熱交換器１０６では気体混合物１０２が約−２５℃の温度に冷却される。水蒸気は、第２熱交換器１０６において除去されるため、第２熱交換器１０６の後の気体混合物１０２は、少なくとも９９．９９９体積パーセントの純度の水素１０２を有する。この水素１０２は前と同様に約１００ｂａｒの圧力を有する。酸素１０８は、第２熱交換器の後、大気に放出される。
【００４２】
第２熱交換器１０６において上記の低温によって生じた氷の層が、あらかじめ設定した厚さに到達した場合、第２熱交換器１０６への気体混合物１０２の流れは中断される。引き続いて膨張装置１０４が非活動状態にされるため、酸素１０８は１００ｂａｒの圧力および約２５℃の温度で第２熱交換器１０６に流れる。これにより、第２熱交換器１０６における上記の氷の層は除霜され、付着した水蒸気が凝縮水２０４として排出される。除霜中、酸素１０８は第２熱交換器１０６の後はじめて膨張し、大気に放出される。
【００４３】
第１熱交換器４００と第２熱交換器１０６との間には、約２５℃に冷まされた気体混合物用の管路に第１バルブが配置されており、これによって第２熱交換器１０６における気体混合物１０２の冷却を中断することができる。第２熱交換器１０６と図示しないコンプレッサとの間には、水分を除去した気体混合物１０２ないしは水素１０２用の管路に第２バルブが配置されており、これにより、上記の冷却が中断された場合に第２熱交換器１０６への水素１０２の逆流が阻止される。
【００４４】
一実施例において、第３熱交換器と第２熱交換器１０６との間の管路における膨張装置１０４は、第３バルブとして構成されている。第２熱交換器から引き出される酸素１０８用の管路には第４バルブが配置されている。第４バルブが小さな開口断面積に低減される間、第３バルブを開くことができ、これによって第２熱交換器１０６の後の酸素１０８の膨張が遅延される。
【００４５】
第１熱交換器４００および第２熱交換器１０６における凝縮水２０４用の放出装置もバルブを有しており、これによって水素１０２の漏れが阻止される。
【００４６】
第１熱交換器４００および／または第３熱交換器４０４は、一実施例において、対向流熱交換器４００，４０４として実施される。これにより、極めてわずかな温度差分を除いて、気体混合物１０２ないしは酸素１０８を冷却媒体の流れ温度に冷却することができる。
【００４７】
一実施例において第１熱交換器４００および／または第３熱交換器４０４は、クロスフロー熱交換器４００，４０４として実施される。このクロスフロー熱交換器により、大きな流体抵抗なしに、上記の媒体間に熱伝達に対して大きな面積が得られる。これにより、気体混合物１０２および／または酸素１０８を最小の圧力損失で通過させて冷却することができる。
【００４８】
言い換えると図４には、本発明の一実施例にしたがい、圧縮された酸素１０８を減圧することにより、水素の水分を除去するブロック図が示されているのである。電気分解装置から得られた圧縮された酸素１０８は、第３熱交換器４０４において周囲空気４０２により、おおよそ周囲空気温度に冷まされる。酸素１０８がバルブ１０４ないしは減圧装置１０４において減圧されると、酸素１０８は約１００ケルビンだけ冷却される。つぎにバルブ１０４が開かれる。同様に電気分解装置からの水素１０２も第１熱交換器４００においておおよそ周囲温度に冷まされる。第２熱交換器１０６では上記の低温の酸素１０８が約マイナス２５℃まで冷却している。殊に上記の低温の酸素１０８は水素１０２を約マイナス２５℃まで冷却する。第２熱交換器１０６において水素１０２中の水蒸気は壁部において氷結し、時々除去される。このためには上記の水素バルブが閉じられる。酸素バルブ１０４は開かれ、酸素１０８は、第２熱交換器１０６に後置接続されたバルブにおいて減圧される。第３熱交換器４０４における周囲空気４０２による酸素１０８の冷却は中断される。第３熱交換器４０４のファンがスイッチオフされる。これにより、第２熱交換器１０６の水素管路における凍結した水成分は融け、凝縮水放出部および適切なバルブを介してこの水成分を放出することができる。凝縮水２０４が放出されると、まず第３熱交換器４０４の冷却が再度起動される。引き続いて酸素１０８の減圧が再度膨張装置１０４に切り換えられる。第２熱交換器１０６が再び約マイナス６０℃に冷却されると、上記の水素バルブを開くことができる。第１熱交換器４００において水素１０２中の水蒸気の露点を下回ったか否かは、水分含有量に依存し、ひいては電気分解技術に、例えば薄膜透過度に依存する。
【００４９】
図５には、本発明の一実施例にしたがい、気体混合物から凝縮除去可能な異物を分離するための方法５００の流れ図が示されている。方法５００は冷却のステップ５０２を有する。冷却のステップ５０２では膨張装置において膨張したプロセスガスが使用されて、熱交換器内の上記の気体混合物が所定の温度に冷却される。このプロセスガスは、上記の熱交換器の前で、高い方の圧力レベルから低い方の圧力レベルに減圧されて冷却されている。この熱交換器において得られる温度は、上記の異物の露点よりも低い。これにより、熱交換器内の異物が気体混合物から分離される。露点を下回ることにより、異物は液体に変わる。液滴は、例えば遠心力によって気体混合物から分離することできる。液滴サイズよりも小さい孔サイズを有するフィルタを使用することも可能である。この場合にはこのフィルタによって上記の液滴を除去する。
【００５０】
上記の冷却のステップ５０２において気体混合物が、上記の異物の凝固点よりも低い温度に冷却されると、この異物に固体に変わる。この際には殊に結晶が形成され、この結晶は、上記の気体混合物から沈降し得るかないしは上記の液滴と同様に沈降させることできる。上記の異物が、例えば結晶核により、上記の熱交換器内に固体の凝集状態で付着するようにすることも可能である。
【００５１】
ここで示した方法５００が説明しているのは、水電気分解のための電気分解装置の酸素製品ガスを減圧することにより、水素から水分を除去することである。
【００５２】
上で説明しまたは上記の図に示した実施例は、例示的にだけ選択したものである。異なる複数の実施例のすべてを、または個別の特徴的構成について互いに組み合わせることができる。１つの実施例を別の実施例の複数の特徴的構成によって補うことも可能である。
【００５３】
さらに上で示した方法ステップは繰り返すことも、また上で説明した順序とは異なる順序で実行することも可能である。
【００５４】
１つの実施例において、第１の特徴的構成と第２の特徴的構成との間が「および／または」で結ばれている場合、このことは、この実施例が、一実施形態では第１の特徴的構成も第２の特徴的構成も共に有しており、別の一実施形態では第１の特徴的構成だけまたは第２の特徴的構成だけのいずれか一方を有していることと読み取るべきである。
【符号の説明】
【００５５】
１００  装置、  １０２  気体混合物、  １０４  膨張装置、  １０６  熱交換器、  １０８  プロセスガス、  １１０  高い方の圧力レベル、  １１２  低い方の圧力レベル、  ２００  電気分解装置、  ２０２  水分除去装置、  ２０４  処理水、  ２０６  分離器、  ２０８  フォグフィルタ、  ２１０  熱交換器、  ２１２  蒸気トラップ、  ２１４  脱酸素器、  ２１６  水分除去カートリッジ、  ２１８  バッファタンク、  ２２０  コンプレッサ、  ２２２  熱交換器、  ２２４  貯蔵タンク、  ２２６  処理装置、  ２２８  ポンプ、  ２３０  熱交換器、  ２３２  ポンプ、  ２３４  パワーエレクトロニクス装置、  ２３６  気体分析ユニット、  ２３８  安全装置、  ２４０  制御装置、  ３００  縦軸、  ３０２  横軸、  ３０４  等温のコンプレッサ仕事量、  ３０６  等エントロピのコンプレッサ仕事量、  ４００  第１熱交換器、  ４０２  熱輸送媒体、  ４０４  第３熱交換器、  ５０２  冷却ステップ
【図１】
2015134348.tif 000003
【図２】
2015134348.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015134348.tif 000006
【図５】
2015134348.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月4日(2015.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体混合物（１０２）から凝縮除去可能な異物（２０４）を分離するための方法（５００）において、
冷却のステップ（５０２）を有しており、
当該冷却のステップ（５０２）では、膨張装置（１０４）内で高い方の圧力レベル（１１０）から低い方の圧力レベル（１１２）に膨張されるプロセスガス（１０８）を使用して、熱交換器（１０６）内の前記気体混合物（１０２）を前記異物（２０４）の露点温度よりも低い温度に冷却して、前記熱交換器（１０６）内の前記異物（２０４）を前記気体混合物（１０２）から分離する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項２】
請求項１に記載の方法（５００）において、
前記冷却のステップ（５０２）において、前記気体混合物（１０２）を前記異物（２０４）の凝固点よりも低い温度に冷却して、前記熱交換器（１０６）内の前記異物（２０４）を固体の凝集状態で前記熱交換器（１０６）に付着させる、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項３】
請求項２に記載の方法（５００）において、
除霜のステップを有しており、
前記冷却のステップ（５０２）を中断し、前記高い方の圧力レベル（１１０）の前記プロセスガス（１０８）を前記熱交換器（１０６）を通して案内し、前記熱交換器（１０６）に付着した前記異物（２０４）を液体の凝集状態に変えて前記熱交換器（１０６）から除去する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法（５００）において、
前記熱交換器（１０６）に前置接続された熱交換器（４００）において前記気体混合物（１０２）を事前冷却するステップを有しており、
当該ステップでは熱輸送媒体（４０２）を使用して、前記気体混合物（１０２）を当該熱輸送媒体（４０２）の流れ温度に事前冷却する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項５】
請求項４に記載の方法（５００）において、
前記事前冷却のステップでは、前記気体混合物（１０２）を前記異物（２０４）の露点温度よりも低い温度に事前冷却して、前記異物（２０４）の一部分を液体の凝集状態で前記気体混合物（１０２）から除去する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法（５００）において、
前記プロセスガス（１０８）を温度調節するステップを有しており、
前記膨張装置（１０４）に前置接続される熱交換器（４０４）において熱輸送媒体（４０２）を使用し、当該熱輸送媒体（４０２）の流れ温度に前記プロセスガス（１０８）を事前冷却する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法（５００）において、
前記気体混合物（１０２）および前記プロセスガス（１０８）を供給するステップを有しており、
前記気体混合物（１０２）および前記プロセスガス（１０８）を共通の電気分解プロセスによって得、
前記電気分解プロセスにより、少なくとも前記プロセスガス（１０８）を前記高い方の圧力レベル（１１０）に上昇させる、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項８】
請求項７に記載の方法（５００）において、
前記供給のステップにおいて前記気体混合物（１０２）を前記電気分解プロセスによって圧縮する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項９】
請求項７から８までのいずれか１項に記載の方法（５００）において、
前記供給のステップにおいて、前記気体混合物（１０２）として、異物（２０４）である水蒸気を含有する水素（１０２）を供給し、および／または、前記プロセスガス（１０８）として酸素（１０８）を供給する、
ことを特徴とする方法（５００）。
【請求項１０】
気体混合物（１０２）から凝縮除去可能な異物（２０４）を分離するための装置（１００）において、
当該装置（１００）は、以下の特徴的構成、すなわち、
高い方の圧力レベル（１１０）から低い方の圧力レベル（１１２）にプロセスガス（１０８）を膨張させるための膨張装置（１０４）と、
当該膨張したプロセスガス（１０８）を使用して前記気体混合物（１０２）を冷却するための熱交換器（１０６）とを有しており、
当該熱交換器（１０６）は、前記異物（２０４）の露点温度よりも低い温度に前記気体混合物（１０２）を冷却して、前記熱交換器（１０６）内の前記異物（２０４）を前記気体混合物（１０２）から分離するように構成されている、
ことを特徴とする装置（１００）。
【請求項１１】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法（５００）のすべてのステップを制御するために設けられている、
ことを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載されたコンピュータプログラムが記憶されている、
ことを特徴とする機械読み出し可能な記憶媒体。