(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを圧縮する圧縮手段と、
除去容器を備え、前記除去容器に前記圧縮手段で圧縮された水素ガスに含有される不純ガスを吸着する吸着部材が収容されると共に、該除去容器内に延びる配管で構成され、該圧縮手段によって圧縮された水素が供給される加熱部が設けられる、少なくとも２つの除去手段と、
前記圧縮手段は、少なくとも２つ設けられ、前記圧縮手段の１つからから吐出させる水素ガスを、少なくともいずれか１つの除去手段の加熱部に供給して放熱させた後、残る他の圧縮手段の１つに流入させる加熱ラインと、
前記圧縮手段から加熱部に水素ガスが供給される除去手段の前記吸着部材の収容されている前記除去容器内に再生ガスを供給する再生ラインと、
前記加熱ラインと前記再生ラインを切り替えるための切替手段と、を備え、
前記加熱ラインは、前記各除去手段の加熱部への水素ガスの供給を許否する流路開閉手段をそれぞれ備えると共に、前記加熱部より上流側の該加熱ラインの上流部位と、前記加熱部より下流側の該加熱ラインの下流部位とを結ぶバイパス路を備え、
前記バイパス路には他の流路開閉手段を設けたことを特徴とする水素圧縮装置。
【請求項２】
前記圧縮手段によって圧縮され、前記除去手段によって不純ガスを除去された水素ガスを貯蔵するための貯蔵手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素圧縮装置。
【請求項３】
前記圧縮手段から吐出された水素ガスを冷却する冷却手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素圧縮装置。
【請求項４】
前記圧縮手段から加熱部へと供給される水素ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段での検出温度に基づいて前記バイパス路に設けた流路開閉手段を駆動制御して流路を開閉させる制御手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水素圧縮装置。
【請求項５】
前記圧縮手段の少なくとも１つは、前記除去手段から流出する水素ガスを圧縮して前記貯蔵手段に貯蔵させるものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素圧縮装置、特に、燃料電池に利用される高純度水素を得るための水素圧縮装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素圧縮装置として、ＣＯ吸着剤が収容される２つの除去容器を備え、圧縮機によって圧縮された水素ガスを、一方の除去容器に供給してＣＯを除去する一方、他方の除去容器に再生ガスを供給して吸着剤に吸着させたＣＯを放出させることにより再生させるようにしたものが公知である（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５６８９９号公報
【特許文献２】特開２００１−１０２０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記従来の水素圧縮装置では、一方の除去容器で吸着剤の再生を行っているが、この再生を効率よく行うためには前記除去容器内を高温に維持することが望まれる。
【０００５】
しかしながら、前記従来の水素圧縮装置でそのような構成とするためには、再生ガスを加熱するための手段を別途設ける必要があり、構成が複雑化し、高価なものとなる。
【０００６】
そこで、本発明は、簡単かつ安価な構成であるにも拘わらず、水素ガスを適切に冷却する一方、再生ガスを有効に加熱して吸着部材の再生を効果的に行わせることのできる水素圧縮装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、水素圧縮装置を、水素ガスを圧縮する圧縮手段と、除去容器を備え、前記除去容器に前記圧縮手段で圧縮された水素ガスに含有される不純ガスを吸着する吸着部材が収容されると共に、該除去容器内に延びる配管で構成され、該圧縮手段によって圧縮された水素が供給される加熱部が設けられる、少なくとも２つの除去手段と、前記圧縮手段は、少なくとも２つ設けられ、前記圧縮手段の１つからから吐出させる水素ガスを、少なくともいずれか１つの除去手段の加熱部に供給して放熱させた後、残る他の圧縮手段の１つに流入させる加熱ラインと、前記圧縮手段から加熱部に水素ガスが供給される除去手段の前記吸着部材の収容されている前記除去容器内に再生ガスを供給する再生ラインと、前記加熱ラインと前記再生ラインを切り替えるための切替手段と、を備え、前記加熱ラインは、前記各除去手段の加熱部への水素ガスの供給を許否する流路開閉手段をそれぞれ備えると共に、前記加熱部より上流側の該加熱ラインの上流部位と、前記加熱部より下流側の該加熱ラインの下流部位とを結ぶバイパス路を備え、前記バイパス路には他の流路開閉手段を設けた構成としたものである。
【０００８】
この構成により、圧縮手段によって圧縮されて高温となった水素ガスを、除去手段のうち、再生ガスが供給されている側（すなわち、吸着部材を再生している側の除去手段）の加熱部に供給することで、別途加熱手段を設けることなく再生ガスを加熱することができ、除去手段の吸着部材を効果的に再生させることが可能となる。また、圧縮手段で圧縮された水素ガスを加熱部に供給する必要がなければ、流路開閉手段を駆動してバイパス路を開放し、別（後段）の圧縮手段を介して除去手段に供給したり、あるいは、除去手段へと直接供給したりすることができる。これにより、例えば、１つの除去手段を点検する場合、水素ガスの供給を停止しておくことが可能となる。
【０００９】
前記圧縮手段によって圧縮され、前記除去手段によって不純ガスを除去された水素ガスを貯蔵するための貯蔵手段をさらに備えるようにすればよい。
【００１１】
前記圧縮手段から吐出された水素ガスを冷却する冷却手段をさらに備えた構成とすればよい。水素ガスを除去手段の加熱部で放熱させることにより冷却しているので、冷却手段は必ずしも必要ないが、設ける場合には水素ガスの冷却不足を適切に補うことができる。
【００１４】
前記圧縮手段から加熱部へと供給される水素ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段での検出温度に基づいて前記バイパス路に設けた流路開閉手段を駆動制御して流路を開閉させる制御手段とをさらに備えるのが好ましい。
【００１５】
この構成により、温度検出手段での検出温度が予め設定した所定の閾値よりも低ければ、加熱部への水素ガスの供給を自動的に停止させることができる。つまり、水素ガスの温度が、再生ガスの加熱に有効な値まで上昇した場合にのみ加熱部に供給することが可能となる。
【００１６】
前記圧縮手段の少なくとも１つは、前記除去手段から流出する水素ガスを圧縮して前記貯蔵手段に貯蔵させるものであればよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、圧縮手段で圧縮した水素ガスを、再生ガスを供給する除去手段へと供給するようにしているので、別途加熱手段を必要とすることなく再生ガスを加熱して吸着部材の再生を効果的に行わせることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る水素圧縮装置を示す概略図である。この水素圧縮装置は、供給した水素を、圧縮機１で圧縮し、吐出クーラ２で冷却し、除去装置３で一酸化炭素等の水素ガス以外の不純ガスを除去した後、貯蔵容器４に貯蔵するように構成されている。
【００２０】
圧縮機１は、全部で４台（４段）設けられ、３台（第１、第２、第３圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃ）は除去装置３への流入経路の途中に、１台（第４圧縮機１ｄ）は除去装置３から貯蔵容器４に至る流出経路の途中にそれぞれ設けられている。貯蔵容器４での貯蔵効率を高めるため、水素は７０ＭＰａ程度に加圧することが望まれている。したがって、本実施形態では、圧縮機１の数（段数）を、そのために必要十分であると考えられる４台（４段）としている。
【００２１】
吐出クーラ２は、各圧縮機１の吐出側にそれぞれ設けられる３台（第１、第２、第３吐出クーラ２ａ、２ｂ、２ｃ）で構成されている。各吐出クーラ２は、通過する水素ガスを冷却する。つまり、前記圧縮機１で圧縮することにより温度上昇した水素ガスを冷却して吸着剤の吸着容量を高める役割を果たしている。
【００２２】
除去装置３は、２つの除去容器５（第１、第２除去容器５ａ、５ｂ）を備える。各除去容器５ａ、５ｂには吸着剤（図示せず）が収容されている。いずれか一方の除去容器５を、水素ガスに含有される一酸化炭素、二酸化炭素等の不純ガスの除去すなわち吸着に使用する場合、残る他方の除去容器５を吸着剤に吸着した不純ガスの放出すなわち再生に使用する。各除去容器５は加熱部６ａ、６ｂをそれぞれ備える。加熱部６ａ、６ｂは、除去容器５ａ、５ｂ内にそれぞれ延びる配管で構成されている。また、吸着剤としては、特に、一酸化炭素の選択性の高いものを使用するのが好ましい。一酸化炭素の選択性の高い吸着剤には、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイト等が挙げられる。
【００２３】
貯蔵容器４は、入口側と出口側の配管にバルブＶ１１、Ｖ１２がそれぞれ設けられ、内部に高圧状態に圧縮された水素を充填して貯蔵可能となっている。
【００２４】
前記各構成部材は、水素供給ラインＬ１を構成する複数の配管と、再生ガス供給ラインＬ２を構成する複数の配管とで接続されている。
【００２５】
水素供給ラインＬ１では、前記第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂとは配管によって直列に接続されている。第２圧縮機１ｂの出口と第３圧縮機１ｃの入口の間は加熱ラインＬ３となっている。加熱ラインＬ３の供給側は、途中で分岐し、バルブＶ９、Ｖ１０を介して各除去容器５ａ、５ｂの加熱部６ａ、６ｂの入口にそれぞれ接続されている。加熱ラインＬ３の回収側（戻り側）は、各除去容器５ａ、５ｂの加熱部６ａ、６ｂの出口から延び、途中で合流して第３圧縮機１ｃの入口に接続されている。第２圧縮機１ｂの出口側に設けられる吐出クーラ２ｂは、加熱ラインＬ３の供給側ではなくて回収側（戻り側）に配置されている。第３圧縮機１ｃの出口から延びる配管は途中で分岐し、各除去容器５の第１連通部にバルブＶ１、Ｖ３を介してそれぞれ接続されている。各除去容器５の第２連通部から延びる配管にはバルブＶ５，Ｖ７が設けられ、途中で合流し、第４圧縮機１ｄの入口に接続されている。
【００２６】
再生ガス供給ラインＬ２では、再生ガス（例えば、窒素、水蒸気）が供給される配管が分岐して各除去容器５の第２連通部にバルブＶ６、Ｖ８を介してそれぞれ接続されている。また、各除去容器５の第１連通部からバルブＶ２、Ｖ４を介して延び、途中で合流して変成工程へと導かれる。
【００２７】
次に、前記構成からなる水素圧縮装置の動作について説明する。
【００２８】
まず、水素供給ラインＬ１では、バルブＶ１、Ｖ５を開放し、バルブＶ３、Ｖ７を閉鎖する。また、再生ガス供給ラインＬ２では、バルブＶ８、Ｖ４を開放し、バルブＶ６、Ｖ２を閉鎖する。さらに、加熱ラインＬ３では、バルブＶ１０を開放し、バルブＶ９を閉鎖する。そして、水素供給ラインＬ１に水素ガスを供給すると共に、再生ガス供給ラインＬ２に再生ガスを供給する。
【００２９】
水素供給ラインＬ１では、供給された水素ガスは、第１圧縮機１ａで加圧され、吐出クーラ２ａによって冷却された後、第２圧縮機１ｂへと流入する。そして、第２圧縮機１ｂでさらに加圧され、再び高温となった後、加熱ラインＬ３を流動する。加熱ラインＬ３を流動する高温の水素ガスは、第２除去容器５ｂの加熱部６ｂに流入し、放熱して冷却された後、さらに吐出クーラ２ｂで冷却される。続いて、第３圧縮機１ｃで加熱され、再度吐出クーラ２ｃで冷却される。吐出クーラ２ｃで冷却された水素ガスは、第１除去容器５ａへと流入する。第１除去容器５ａでは、第１〜第３圧縮機１ａ〜１ｃによって十分に圧縮され、吐出クーラ２によって十分に冷却された水素ガスが流動するので、吸着剤による吸着能力が十分に高められる。このため、水素ガスに含まれる一酸化炭素等の不純ガスが適切に除去される。そして、バルブＶ１２を閉鎖し、バルブＶ１１を開放しておくことにより、不純ガスを除去された水素ガスは、貯蔵容器４に充填される。
【００３０】
一方、再生ガス供給ラインＬ２では、供給された再生ガスは第２除去容器５ｂに流入する。第２除去容器５ｂでは、前記加熱ラインＬ３を流動する高温の水素ガスにより加熱部６ｂを介して内部が加熱されている。このため、吸着剤に吸着されている一酸化炭素等の不純ガスは吸着剤から第２除去容器５ｂ内の雰囲気に放出されやすくなる。また、再生ガスによって不純ガスが第２除去容器５ｂから外部へと排出され、変成工程へと流動する。
【００３１】
このようにして第１除去容器５ａで水素ガスから不純ガスが除去され、圧縮されて貯蔵容器４に充填されるが、第１除去容器５ａ内の吸着剤に不純ガスが十分に吸着され、吸着能力が低下してくれば、バルブＶ１〜Ｖ１０の開閉位置を前述のものとは逆に切り替える。すなわち、バルブＶ１、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ８、Ｖ１０を閉鎖し、バルブＶ２、Ｖ３、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ９を開放する。これにより、供給される水素ガスは、まず、第１除去容器５ａの加熱部６ａを流動した後、第２除去容器５ｂを流動する。そして、前述のようにして再生された第２除去容器５ｂ内の吸着剤により、供給された水素ガスからの不純ガスの除去が開始される。また、供給される再生ガスは、第１除去容器５ａを流動し、前記同様にして第１除去容器５ａ内の吸着剤を再生させる。
【００３２】
前記バルブＶ１〜Ｖ１０の切替は、図示しない制御装置によって自動的に行うようにすればよい。すなわち、使用時間を計測し、その使用時間が予め設定した時間（設定時間）に到達すれば、強制的に流路を切り替えるようにすればよい。設定時間としては、実験等で水素ガスからの不純ガスの除去を行う場合、不純ガスの吸着能力が低下するまでの時間を使用すればよい。勿論、除去容器５を通過する総水素ガス量を算出し、その総水素ガス量と吸着剤による吸着能力の変化とに基づいて切替時期を演算するようにしてもよい。
【００３３】
＜他の実施形態＞
前記実施形態では、第２圧縮機１ｂと第３圧縮機１ｃの間に加熱ラインＬ３を設けるようにしたが、図２に示すように、さらにバルブＶ１３を備えたバイパス路を設けるようにしてもよい。
【００３４】
この構成によれば、バルブＶ９、Ｖ１０を閉じ、バルブＶ１３を開放することにより、第２圧縮機１ｂから吐出された水素ガスが除去容器５の加熱部６には供給されないようにすることができる。例えば、一方の除去容器５ｂをメンテナンスする場合、その除去容器５ｂの加熱部６ｂへの水素ガスの供給を停止できる。また、両方の除去容器５ａ、５ｂに水素ガスを供給する場合にも使用できる。
【００３５】
また、バイパス路を設ける場合、第２圧縮機１ｂから吐出される水素ガスの温度を検出するための温度検出センサ７を設けるようにするのが好ましい。そして、この温度検出センサ７で検出される水素ガスの温度に基づいて、制御装置８により前記バイパス路に設けたバルブＶ１３を駆動制御し、開閉動作を行わせるようにすればよい。具体的に、温度検出センサ７によって検出される温度（検出温度）が予め設定した温度（設定温度）以下であれば、バルブＶ９、Ｖ１０を閉じ、バイパス路に設けたバルブＶ１３を開放すればよい。これにより、再生ガスの加熱に利用できない低温の水素ガスが除去容器５の加熱部６へと流動することがなくなる。つまり、無駄な動作を省略することができる。
【００３６】
また、前記実施形態では、第２圧縮機１ｂの吐出側（第２圧縮機１ｂと第３圧縮機１ｃの間）に加熱ラインＬ３を設けて除去容器５内の加熱を行えるようにしたが、加熱ラインＬ３を設ける位置は他の圧縮機１の吐出側に設けることもできる。例えば、第４圧縮機１ｄの吐出側であっても設けることが可能である。
【００３７】
また、前記実施形態では、圧縮機１を４台設けるようにしたが、貯蔵圧力がそれほど高くない場合や、圧縮機１での圧縮比が大きい場合等には、圧縮機１の数を少なくしてもよく、場合によっては１つだけであってもよい。
【００３８】
除去容器５は２つに限らず、３以上であってもよい。少なくとも１つを不純ガスの除去用として使用し、残りを吸着した不純ガスを放出させて再生させるようにすればよい。
【００３９】
また、前記実施形態では、前記バルブＶ１〜Ｖ１０の切替を図示しない制御装置によって自動的に行うものとし、さらに予め設定した時間（設定時間）に使用時間が到達したかどうかの判断、あるいは、除去容器５を通過する総水素ガス量の算出に基づいて前記切替を行うようにした。本発明はこれに限らず、除去容器５以降の流路、例えば、第４段圧縮機１ｄの吸込側の流路に不純ガスの検出手段を設け、その検出手段にて検出された不純ガスの量が所定値を超えることにより、前記バルブＶ１〜Ｖ１０の切替を行うようにしてもよい。不純ガスの検出手段には、いわゆる半導体式のガスセンサ、特に一酸化炭素を選択的に検出したい場合には、いわゆる接触燃焼式の一酸化炭素ガスセンサを使用するのが好ましい。
【００４０】
また、圧縮手段としての圧縮機１には、いわゆる往復動圧縮機が好ましい。但し、所望の圧縮比などの仕様が満たされれば、他の形式の圧縮機、例えばスクリュー圧縮機等を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に係る水素圧縮装置の全体を示す概略説明図である。
【図２】他の実施形態に係る水素圧縮装置の一部を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…圧縮機（圧縮手段）
２…吐出クーラ
３…除去装置（除去手段）
４…貯蔵容器（貯蔵手段）
５…除去容器
６…加熱部
７…温度検出センサ
８…制御装置
【図１】
0004819527.tif 000002
【図２】
0004819527.tif 000003