(57)【要約】  一実施態様によれば、水素ガス混合物を乾燥させる方法が開示される。本方法は、水素ガス混合物ストリーム中の水の質量流量2017534435.tif 000038および１つまたはそれより多くの吸着床の吸着能力を決定する工程；水素ガス混合物ストリーム中の決定された水の質量流量2017534435.tif 000039および吸着能力に基づいて、第１の期間を決定する工程；該水素ガス混合物ストリームを、第１の期間にわたり１つまたはそれより多くの吸着床の第１の吸着床を通るように方向付ける工程；該水素ガス混合物ストリームから所定量の水を第１の吸着床に吸着させる工程；および第１の吸着床を再生する工程を包含していてもよい。【選択図】図１
2017534435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス混合物を乾燥させる方法であって、
水素ガス混合物ストリーム中の水の質量流量
【数１】
2017534435.tif 000021
および１つまたはそれより多くの吸着床の吸着能力を決定する工程；
該水素ガス混合物ストリーム中の決定された水の質量流量
【数２】
2017534435.tif 000022
および該吸着能力に基づいて、第１の期間を決定する工程；
該水素ガス混合物ストリームを、第１の期間にわたり該１つまたはそれより多くの吸着床の第１の吸着床を通るように方向付ける工程；
該水素ガス混合物ストリームから所定量の水を第１の吸着床に吸着させる工程；および
第１の吸着床を再生する工程
を含む、上記方法。
【請求項２】
前記水素ガス混合物ストリーム中の決定された水の質量流量
【数３】
2017534435.tif 000023
および前記吸着能力に基づいて、第２の期間を決定する工程；および
前記水素ガス混合物ストリームを、第２の期間にわたり第１の吸着床を通るように方向付ける工程
をさらに含み、第１の期間は第２の期間と異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水素ガス混合物ストリームを、第２の期間中に前記１つまたはそれより多くの吸着床の第２の吸着床を通るように方向付ける工程；および
前記水素ガス混合物ストリームから所定量の水を第２の吸着床に吸着させる工程
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第１の期間中に第１の吸着床によって吸着された水の量は、第２の期間中に第２の吸着床によって吸着された水の量と実質的に同じである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第１の期間中に第１の吸着床によって吸着された水の量および第２の期間中に第２の吸着床によって吸着された水の量のそれぞれは、個々の第１および第２の吸着床によって吸着され得る最大の水の量未満である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１の吸着床を再生する工程は、異なるガスストリームを、第１の吸着床を通るように方向付ける工程、および第１の吸着床から該異なるガスストリームに所定量の水を脱着させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記水素ガス混合物ストリームは、電気化学的水素圧縮機または電解槽によって供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記異なるガスストリームは、乾燥水素ガスストリームである、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記水素ガス混合物ストリームが第１の吸着床を通過した後、前記異なるガスストリームの少なくとも一部は、前記水素ガス混合物ストリームの一部を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記水の質量流量
【数４】
2017534435.tif 000024
は、少なくとも前記水素ガス混合物ストリーム中の水の量を測定することによって決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
電気化学的水素圧縮機または電解槽のスタック電流ｉ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口温度Ｔ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口圧力Ｐｔｏｔ、および定数ｋを決定する工程
をさらに含み、前記水の質量流量
【数５】
2017534435.tif 000025
は、少なくとも前記水素ガス混合物ストリーム中の水の量を、式
【数６】
2017534435.tif 000026
に従って計算することによって決定される、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
水素の質量流量
【数７】
2017534435.tif 000027
、水の濃度Ｃｔｏｔ、および定数ｋを決定する工程
をさらに含み、前記水の質量流量
【数８】
2017534435.tif 000028
は、少なくとも前記水素ガス混合物ストリーム中の水の量を、式
【数９】
2017534435.tif 000029
に従って計算することによって決定される、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
圧力スイング吸着式精製器を操作する方法であって、
電気化学的水素圧縮機から圧力スイング吸着式精製器に、水素ガス混合物ストリームを供給する工程；
該圧力スイング吸着式精製器に異なるガスストリームを供給する工程；
該圧力スイング吸着式精製器は、少なくとも１つの第１の吸着床および少なくとも１つの第２の吸着床を含み；
少なくとも１つの第１の吸着床に供給する工程であって、該水素ガス混合物ストリームから少なくとも１つの第１の吸着床に水を吸着させることを含む、工程；
少なくとも１つの第２の吸着床を再生する工程であって、少なくとも１つの第２の吸着床から該異なるガスストリームに水を脱着させることを含む、工程；
少なくとも１つの第２の吸着床に供給する工程であって、該水素ガス混合物ストリームから少なくとも１つの第２の吸着床に水を吸着させることを含む、工程；
少なくとも１つの第１の吸着床を再生する工程であって、少なくとも１つの第１の吸着床から該異なるガスストリームに水を脱着させることを含む、工程；および
少なくとも１つの第１の吸着床に供給する工程と少なくとも１つの第２の吸着床を再生する工程とを、切り換え時間に従って切り換える工程
を含む、上記方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの第１の吸着床に供給する工程と少なくとも１つの第２の吸着床を再生する工程とを、異なる切り換え時間に従って切り換えることを繰り返す工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記水素ガス混合物ストリーム中の水の質量流量
【数１０】
2017534435.tif 000030
を決定する工程
をさらに含み、前記切り換え時間は、少なくとも前記決定された水の質量流量
【数１１】
2017534435.tif 000031
に基づいて決定される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記水の質量流量
【数１２】
2017534435.tif 000032
は、少なくとも前記水素ガス混合物ストリーム中の水の量を測定することによって決定される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記水素ガス混合物ストリームは、電気化学的水素圧縮機または電解槽によって供給され、前記方法は、
電気化学的水素圧縮機または電解槽のスタック電流ｉ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口温度Ｔ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口圧力Ｐｔｏｔ、および定数ｋを決定する工程
をさらに含み、前記水の質量流量
【数１３】
2017534435.tif 000033
は、少なくとも前記水素ガス混合物ストリーム中の水の量を、式
【数１４】
2017534435.tif 000034
に従って計算することによって決定される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記水素ガス混合物ストリームは、電気化学的水素圧縮機または電解槽によって供給され、前記方法は、
水素の質量流量
【数１５】
2017534435.tif 000035
、水の濃度Ｃｔｏｔ、および定数ｋを決定する工程
をさらに含み、水の質量流量
【数１６】
2017534435.tif 000036
は、少なくとも前記水素ガス混合物ストリーム中の水の量を、式
【数１７】
2017534435.tif 000037
に従って計算することによって決定される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
電気化学的水素圧縮機または電解槽の１つまたはそれより多くの下流の弁を操作するための制御器であって、
電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口温度を測定するように設計された温度センサー；
電気化学的水素圧縮機または電解槽のスタック電流を決定するように設計された回路；および
電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口圧力を測定するように設計された圧力センサー
を含み、該制御器は、該出口温度、該スタック電流、および該出口圧力に基づいて水素ガス混合物ストリーム中の水の出口の質量流量を決定するように設計されており；
１つまたはそれより多くの該弁は、第１の弁を含み、該制御器は、少なくとも決定された水の出口の質量流量に基づいて第１の弁を開閉するように設計されている、上記制御器。
【請求項２０】
前記制御器は、第１の弁の開閉に関して、少なくとも前記水の出口の質量流量に基づいて切り換え時間を決定するように設計されており；
第１の弁は、該切り換え時間に基づいて開閉される、請求項１９に記載の制御器。
【請求項２１】
前記電気化学的水素圧縮機または前記電解槽は、第１の吸着床を有する圧力スイング吸着式精製器と流体連通しており；
前記制御器は、少なくとも該吸着床の吸着能力に基づいて第１の弁を開閉するように設計されている、請求項１９に記載の制御器。
【請求項２２】
前記圧力スイング吸着式精製器は、第２の吸着床を含み；
前記制御器は、第１の弁の開閉に関して、少なくとも決定された水の出口の質量流量、第１の吸着床の吸着能力、および第２の吸着床の吸着能力に基づいて切り換え時間を決定するように設計され；
第１の弁は、該切り換え時間に基づいて開閉される、請求項２１に記載の制御器。
【請求項２３】
前記１つまたはそれより多くの弁は、第２の弁を含み、
前記制御器は、少なくとも前記決定された水の出口の質量流量に基づいて第２の弁を開閉するように設計されており；
第１の弁および第２の弁は、非同期的に開くかまたは非同期的に閉じる、請求項１９に記載の制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、２０１４年８月２９日付けで出願された米国仮出願第６２／０４３，６９２号の利益を主張し、参照によりその全体が開示に組み入れられる。
[002]本発明の開示の実施態様は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）をベースとした精製デバイス、特に、電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）からの湿潤水素ストリームを乾燥させるためにＰＳＡデバイスを利用する方法に関する。
【０００２】
[003]ＥＨＣは、例えば、水素イオンを電気化学セル内の膜を通過させて選択的に移動させることができる。ＥＨＣは、２つの電極、すなわちアノードとカソードとの間に位置するプロトン交換膜を包含していてもよい。アノードと接触する水素ガスは、電極を通して電位を印加することによって酸化され得る。水素分子の酸化は、２つの電子と２つのプロトンを生成する。２つのプロトンは、電気化学的に膜を通り抜けカソードに到達し、そこでプロトンが２つの別ルートの電子と再結合し、還元されて水素分子に戻る。セル内の電荷または電流の移動は、一般的にスタック電流と称される。電極で起こる反応は、以下に示すような酸化還元半反応として表すことができる。
アノードの酸化反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソードの還元反応：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
全体の電気化学反応：Ｈ２→Ｈ２
[004]この方式で作動するＥＨＣは、時には水素ポンプと称される。カソードに累積した水素が限定されたスペースに制限されると、セルは水素を圧縮し、したがってそのスペース内の圧力を上昇させる。複数のセルを連続的に連結させて、多段階ＥＨＣを形成してもよい。多段階ＥＨＣにおいて、例えば、ガス流の経路は、第１のセルの圧縮された出力ガスが第２のセルの入力ガスになるように設計されていてもよい。或いは、一段階セルを平行して連結させて、ＥＨＣの処理能力（すなわち、総ガス流速）を増加させることもできる。
【０００３】
[005]ＥＨＣの出力は、水素ガスに加えて液状の水および水蒸気を包含していてもよい。液状の水は、出力ストリームが相分離器を通過することによってストリームから除去することができる。液状の水が出力ストリームから除去された後、水蒸気をガスストリームから除去することができる。ガスストリームから水蒸気を除去するための従来の方法は、特定の圧力および温度で吸着材料上に水蒸気を吸着させることを必要とする場合がある。これらの方法の例としては、ＰＳＡおよび温度スイング吸着法が挙げられる。
【０００４】
[006]従来のＰＳＡプロセスにおいて、不純物の化学種を含有する水素ガスストリームは、吸着時間として公知の持続時間にわたり高い圧力で吸着床を通過する場合がある。不純物の分圧を上げることは、不純物を吸着床内の吸着材料上に吸着させることになり得る。吸着時間に達した後、吸着床を減圧し、パージすることにより不純物を除去し、吸着材料の吸着能力を再生してもよい。典型的には、吸着時間は、固定されている。
【０００５】
[007]上述した要因を考慮して、本発明の開示は、湿潤水素ストリームを乾燥させるためのＰＳＡデバイスを利用する方法に関する。加えて、ＥＨＣは、湿潤水素ストリームをＰＳＡデバイスに供給してもよく、ＰＳＡデバイスの供給（吸着）／再生サイクル時間は、ＥＨＣの操作パラメーターに基づいて最適化または制御してもよい。
【０００６】
[008]ＰＳＡデバイスは、吸着床中の吸着材料全体にわたる圧力サイクルおよび流れの反転を調整することによってガス混合物からガスの部分を分離することができる。吸着材料は、ガス混合物中の少なくとも１つの成分に対して感圧性の親和性を有していてもよく、このガス成分を、少なくとも１種の他のガス成分と比較してより容易に吸着させることができる。作動中、吸着床のガス圧が増加するにつれて、ガスストリームの成分を吸着床上に吸着させることができる。「軽い」生成物、すなわち吸着されたガスを含まないガスストリームは、吸着床から除去することができる。吸着床中の材料が吸着することができるガス成分の質量は有限である。吸着されたガスが脱着されて気相に戻るように吸着床の圧力を減少させることによって、吸着床を再生することができる。次いで脱着されたガス、すなわち「重い」生成物は吸着床から排気される。吸着床中の圧力を増加させてガス成分を吸着させるプロセスは「供給（feeding）」とみなされ、それに対して吸着床中の圧力を減少させてガス成分を脱着させるプロセスは「再生」とみなされる。例えば、吸着床は、飽和限界に到達したときに、ガス成分の分子の最大量を吸着することができる。飽和限界であるのにこのガス成分をより多く吸着させる前に、吸着床を再生しなければならない。吸着床は、等しい期間の供給および再生プロセスを介してサイクル化することができる。これは、一定の切り換え時間と称される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
[009]出願人は、ＰＳＡデバイスへのガス成分の質量流量が一定ではない場合、一定の切り換え時間の使用は、ＰＳＡデバイスでの効率の悪さを引き起こす可能性があることを発見した。これはさらに、不要な急速な切り換えを引き起こす可能性もあり、それにより、弁などのＰＳＡデバイスの構成要素の一部で摩耗の増加が起こる可能性がある。出願人は、ＰＳＡデバイスおよびＥＨＣの操作パラメーターの関数としてのＰＳＡデバイスの切り換え時間を調整することによって、吸着床のサイズを低減して、ＰＳＡデバイスの効率を増加させることができることを発見した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[010]一実施態様によれば、水素ガス混合物を乾燥させる方法が開示される。本方法は、水素ガス混合物ストリーム中の水の質量流量
【０００９】
【数１】
2017534435.tif 000003
【００１０】
および１つまたはそれより多くの吸着床の吸着能力を決定する工程；水素ガス混合物ストリーム中の決定された水の質量流量
【００１１】
【数２】
2017534435.tif 000004
【００１２】
および吸着能力に基づいて、吸着時間の第１の期間を決定する工程；水素ガス混合物ストリームを、第１の期間にわたり１つまたはそれより多くの吸着床の第１の吸着床を通るように方向付ける工程；水素ガス混合物ストリームから所定量の水を第１の吸着床に吸着させる工程；および第１の吸着床を再生する工程を包含していてもよい。
【００１３】
[011]本開示の様々な実施態様は、以下の形態：水素ガス混合物ストリーム中の決定された水の質量流量
【００１４】
【数３】
2017534435.tif 000005
【００１５】
および吸着能力に基づいて、吸着時間の第２の期間を決定する工程、および水素ガス混合物ストリームを、第２の期間にわたり第１の吸着床を通るように方向付ける工程であって、第１の期間は、第２の期間と異なる、工程；水素ガス混合物ストリームを、第２の期間中に１つまたはそれより多くの吸着床の第２の吸着床を通るように方向付ける工程、および所定量の水素ガス混合物ストリームから第２の吸着床に水を吸着させる工程；第１の期間中に第１の吸着床によって吸着された水の量は、第２の期間中に第２の吸着床によって吸着された水の量と実質的に同じであってもよく；第１の期間中に第１の吸着床によって吸着された水の量および第２の期間中に第２の吸着床によって吸着された水の量のそれぞれは、個々の第１および第２の吸着床によって吸着され得る最大の水の量未満であってもよく；第１の吸着床を再生する工程は、異なるガスストリームを、第１の吸着床を通るように方向付ける工程、および第１の吸着床から異なるガスストリームに所定量の水を脱着させる工程を包含していてもよく；水素ガス混合物ストリームは、電気化学的水素圧縮機または電解槽によって供給されてもよく；異なるガスストリームは、乾燥水素ガスストリームであってもよく；水素ガス混合物ストリームが第１の吸着床を通過した後、異なるガスストリームの少なくとも一部が、水素ガス混合物ストリームの一部を包含していてもよく；水の質量流量
【００１６】
【数４】
2017534435.tif 000006
【００１７】
は、少なくとも水素ガス混合物ストリーム中の水の量を測定することによって決定されてもよく；および電気化学的水素圧縮機または電解槽のスタック電流ｉ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口温度Ｔ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口圧力Ｐｔｏｔ、および定数ｋを決定する工程であって、水の質量流量
【００１８】
【数５】
2017534435.tif 000007
【００１９】
は、少なくとも水素ガス混合物ストリーム中の水の量を、式
【００２０】
【数６】
2017534435.tif 000008
【００２１】
に従って計算することによって決定されてもよい、工程の１つまたはそれより多くを包含していてもよい。
[012]本開示の別の実施態様において、圧力スイング吸着式精製器を操作する方法が開示される。本方法は、電気化学的水素圧縮機から圧力スイング吸着式精製器に、水素ガス混合物ストリームを供給する工程；該圧力スイング吸着式精製器に異なるガスストリームを供給する工程を包含していてもよい。圧力スイング吸着式精製器は、少なくとも１つの第１の吸着床および少なくとも１つの第２の吸着床を包含していてもよい。さらに、本方法は、少なくとも１つの第１の吸着床に供給する工程であって、水素ガス混合物ストリームから少なくとも１つの第１の吸着床に水を吸着させることを包含していてもよい、工程；少なくとも１つの第２の吸着床を再生する工程であって、少なくとも１つの第２の吸着床から異なるガスストリームに水を脱着させることを包含していてもよい、工程；少なくとも１つの第２の吸着床に供給する工程であって、水素ガス混合物ストリームから少なくとも１つの第２の吸着床に水を吸着させることを包含していてもよい、工程；少なくとも１つの第１の吸着床を再生する工程であって、少なくとも１つの第１の吸着床から異なるガスストリームに水を脱着させることを包含していてもよい、工程；および少なくとも１つの第１の吸着床に供給する工程と少なくとも１つの第２の吸着床を再生する工程とを、切り換え時間に従って切り換える工程を包含していてもよい。
【００２２】
[013]本開示の様々な実施態様は、以下の形態：少なくとも１つの第１の吸着床に供給する工程と少なくとも１つの第２の吸着床を再生する工程とを、異なる切り換え時間に従って切り換えることを繰り返す工程；水素ガス混合物ストリーム中の水の質量流量
【００２３】
【数７】
2017534435.tif 000009
【００２４】
を決定する工程であって、切り換え時間は、少なくとも決定された水の質量流量
【００２５】
【数８】
2017534435.tif 000010
【００２６】
に基づいて決定され得る、工程の１つまたはそれより多くを包含していてもよく；水の質量流量
【００２７】
【数９】
2017534435.tif 000011
【００２８】
は、少なくとも水素ガス混合物ストリーム中の水の量を測定することによって決定されてもよく；水素ガス混合物ストリームは、電気化学的水素圧縮機または電解槽によって供給されてもよく、本方法は、電気化学的水素圧縮機または電解槽のスタック電流ｉ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口温度Ｔ、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口圧力Ｐｔｏｔ、および定数ｋを決定する工程をさらに含んでいてもよく、水の質量流量
【００２９】
【数１０】
2017534435.tif 000012
【００３０】
は、少なくとも水素ガス混合物ストリーム中の水の量を、式
【００３１】
【数１１】
2017534435.tif 000013
【００３２】
に従って計算することによって決定されてもよい。
[014]別の実施態様において、電気化学的水素圧縮機または電解槽の１つまたはそれより多くの下流の弁を操作するための制御器が開示される。制御器は、電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口温度を測定するように設計された温度センサー；電気化学的水素圧縮機または電解槽のスタック電流を決定するように設計された回路；および電気化学的水素圧縮機または電解槽の出口圧力を測定するように設計された圧力センサーを包含していてもよい。制御器は、出口温度、スタック電流、および出口圧力に基づいて水素ガス混合物ストリーム中の水の出口の質量流量を決定するように設計されていてもよい。加えて、１つまたはそれより多くの弁は、第１の弁を包含していてもよく、制御器は、少なくとも決定された水の出口の質量流量に基づいて第１の弁を開閉するように設計されていてもよい。
【００３３】
[015]本開示の様々な実施態様は、以下の形態の１つまたはそれより多くを包含していてもよい：制御器は、第１の弁の開閉に関して、少なくとも水の出口の質量流量に基づいて切り換え時間を決定するように設計されていてもよく、第１の弁は、切り換え時間に基づいて開閉されてもよく；電気化学的水素圧縮機または電解槽は、第１の吸着床を有する圧力スイング吸着式精製器と流体連通していてもよく、制御器は、少なくとも吸着床の吸着能力に基づいて第１の弁を開閉するように設計されていてもよく；圧力スイング吸着式精製器は、第２の吸着床を包含していてもよく、制御器は、第１の弁の開閉に関して、少なくとも決定された水の出口の質量流量、第１の吸着床の吸着能力、および第２の吸着床の吸着能力に基づいて切り換え時間を決定するように設計されていてもよく、第１の弁は、切り換え時間に基づいて開閉されてもよく；１つまたはそれより多くの弁は、第２の弁を包含していてもよく、制御器は、少なくとも決定された水の出口の質量流量に基づいて第２の弁を開閉するように設計されていてもよく、第１の弁および第２の弁は、非同期的に開くかまたは非同期的に閉じてもよい。
【００３４】
[016]実施態様の追加の目的および利点は、以下の説明において部分的に説明され、その記載から部分的に明白であるか、または実施態様の実施から学ぶこともできる。実施態様の目的および利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘された要素および組合せによって理解され、達成されるであろう。
【００３５】
[017]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求されたような発明を限定しないと理解すべきである。
[018]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、本開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】[019]図１は、本発明の開示の実施態様に係る圧力スイング吸着法ベースの精製デバイスの図解を示す。
【図２】[020]図２は、本発明の開示の実施態様に係る圧力スイング吸着法ベースの精製デバイスの図解を示す。
【図３】[021]図３は、本発明の開示の実施態様に係る圧力スイング吸着法ベースの精製デバイスの図解を示す。
【図４】[022]図４は、本発明の開示の実施態様に係る圧力スイング吸着法ベースの精製デバイスの図解を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
[023]以下、後述され、添付の図面に示される本発明の開示の例示的な実施態様について詳細に述べる。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号を使用する。
【００３８】
[024]本発明の開示は、圧力スイング吸着法ベースの精製デバイスの例示的な実施態様を参照しながら本明細書で説明されるが、本発明の開示のデバイスおよび方法は、様々な種類の電気化学セル、例えば、あらゆる好適な水素圧縮機、燃料電池、電解セル、水素精製器、および水素エキスパンダーなど、これらに限定されないが、共に用いることが理解される。当業界において通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用する者であれば、全て開示の範囲内に含まれる追加の改変、適用、実施態様、および均等物での置換を認識しているものであろう。したがって、本開示は、前述のまたは以下の記載によって限定されるとみなされるべきではない。
【００３９】
[025]本発明の開示の他の特徴および利点ならびに考えられる使用は、以下に記載される添付の図面を参照する本開示の説明から当業者にとって明らかになるであろう。
[026]図１は、本発明の開示の例示的な実施態様に係る第１の配置でのＰＳＡデバイス９の略図を示す。ＰＳＡデバイス９は、第１の吸着床１、第２の吸着床２、設定変更可能な第１および第２の位置を有する第１の四方弁７、および同様に設定変更可能な第１および第２の位置を有する第２の四方弁８を包含する。同様に、図２は、第２の配置でのＰＳＡデバイス９を示す。第１の配置において、四方弁７および８は第１の位置にあり、それに対して第２の配置において、四方弁７および８は第２の位置にある。
【００４０】
[027]吸着または供給操作において、例示的な実施態様によれば、ＥＨＣ１０（または電解槽）は、水素ガス混合物１２を受けて加圧し、水素ガス混合物３（例えば、水素ガスおよび水蒸気を包含する湿潤水素ガスのストリーム）を四方弁７に供給することができる。四方弁７が第１の位置にある場合、水素ガス混合物３を、第１の吸着床１に送ることができる。水素ガス混合物３は、第１の吸着床１を通過して四方弁７から四方弁８への方向で圧力勾配を確立することができる。第１の吸着床１は、圧力の増加に伴い水への親和性が増加する材料を含んでいてもよい。非限定的な例として、第１の吸着床１は、１種またはそれより多くの乾燥剤、例えばシリカ、炭素またはケイ素ナノ粒子、表面処理した粒子、酸化アルミニウム、およびゼオライトを含んでいてもよい。水素ガス混合物３の圧力によって、第１の吸着床１は、水素ガス混合物３から水蒸気の部分を吸着することができ、ガスが乾燥材になる。この乾燥材であるガスは、図１において乾燥水素ガス６として表される。水素ガス混合物３から水蒸気の一部または全部を除去した後、乾燥水素ガス６を、四方弁８を介して排出することができる。
【００４１】
[028]第１の吸着床１で吸着操作が行われるときに、第２の吸着床２で再生操作を同時に行ってもよい。この再生操作中、乾燥水素ガス５が四方弁８に供給されてもよい。この操作中、乾燥水素ガス５は、乾燥水素ガス６より低圧であってもよい。乾燥水素ガス５は、別々の水素ガス源（示されていない）から供給されてもよいし、または乾燥水素ガス６からより低圧の方向に分流させてもよい。四方弁８が第１の位置にある場合、乾燥水素ガス５を、第２の吸着床２に送ることができる。乾燥水素ガス５が水素ガス混合物３または乾燥水素ガス６のいずれかの圧力と比較してより低圧であるため、乾燥水素ガス５は、第２の吸着床２中の吸着された水の部分を脱着させて、ガスを湿潤状態にすることができる。この湿潤ガスは、湿潤水素ガス４として表される。乾燥水素ガス５に水を添加した後、湿潤水素ガス４を、四方弁７を介して排出することができる。
【００４２】
[029]図２は、第２の配置におけるＰＳＡデバイス９の吸着および再生サイクルを示す。第２の配置は、四方弁７および８がそれらの第１の位置の代わりにそれらの第２の位置にある点で、第１の配置とは異なる。吸着サイクル中、第１の吸着床１は、それが最大容量または飽和限界に到達するまで、水を吸着することができる。第１の吸着床１が完全に飽和した状態になることを防ぐために、または第１の吸着床１が、そうしなければその飽和限界における水の量を超えると予想される水の量を除去できるようにするために、ＰＳＡデバイス９は、その吸着および再生サイクルを逆にしてもよく、すなわち第１の吸着床１が再生されて、第２の吸着床２が水素ガス混合物３から水蒸気を除去する。
【００４３】
[030]四方弁７および８が第１の位置から第２の位置に切り換えられた後、ＥＨＣ１０は、四方弁７に水素ガス混合物３を供給し続けることができる。第２の位置にある四方弁７によって、水素ガス混合物３を第２の吸着床２に送ることができる。水素ガス混合物３は、第２の吸着床２を通過して四方弁７から四方弁８への方向で圧力勾配を確立することができる。第２の吸着床２はまた、第１の吸着床１と同様に吸着材料を含んでいてもよい。一部の実施態様において、第２の吸着床２における吸着材料は、第１の吸着床１における吸着材料と異なっていてもよい。水素ガス混合物３の圧力のために、第２の吸着床２は、水素ガス混合物３から水蒸気の部分を吸着することができ、ガスが乾燥材になる。この乾燥材であるガスは、図２において乾燥水素ガス６として表される。水素ガス混合物３から水蒸気を除去した後、乾燥水素ガス６を、四方弁８を介して排出することができる。
【００４４】
[031]第２の吸着床２で吸着操作が行われるときに、第１の吸着床１で再生操作を同時に行ってもよい。この再生操作中、乾燥水素ガス５が四方弁８に供給されてもよい。第２の位置にある四方弁８によって、乾燥水素ガス５を第１の吸着床１に送ることができる。乾燥水素ガス５が水素ガス混合物３または乾燥水素ガス６のいずれかの圧力と比較してより低圧であるため、乾燥水素ガス５は、第１の吸着床１中の吸着された水の部分を脱着させて、ガスを湿潤状態にすることができる。この湿潤ガスは、湿潤水素ガス４として表される。乾燥水素ガス５に水を添加した後、湿潤水素ガス４を、四方弁７を介して排出することができる。湿潤水素ガス４は、ＰＳＡデバイス９から排出された後、再利用されてＥＨＣ１０に戻されてもよいし、または他のプロセスで使用されてもよい。例えば、湿潤水素ガス４をバーナーに経路指定して、他のプロセスのための熱を生成してもよい。
【００４５】
[032]ＰＳＡデバイス９は、第１の吸着床１が完全に飽和した状態になる前に、第１の配置から第２の配置に切り換えることができる。同様に、ＰＳＡデバイス９は、第２の吸着床２が完全に飽和した状態になる前に、第２の配置から第１の配置に切り換えることができる。操作の切り換え時間を決定するために、制御器１１は、ＰＳＡデバイス９および／またはＥＨＣ１０の操作パラメーターに基づいて、例えばソレノイドの形態で、四方弁７および８を操作することができる。
【００４６】
[033]例えば、水素ガス混合物３の水素ガスおよび水蒸気の質量流量は、スタック電流、温度、圧力、相対湿度、および体積流量などのＥＨＣ１０からの測定値に基づいて決定することができる。制御器１１は、水の質量流量を統合して、所与の期間にわたる水素ガス混合物３中の水の質量を計算することによる統合制御を実行してもよい。水素および水の質量流量は、水素ガス混合物３中の水素および水それぞれの分圧を計算することによって決定することができる。例えば、水の質量流量は、式１を解くことによって決定することができ、式中、
【００４７】
【数１２】
2017534435.tif 000014
【００４８】
は、水の質量流量であり、
【００４９】
【数１３】
2017534435.tif 000015
【００５０】
は、水素の質量流量であり、
【００５１】
【数１４】
2017534435.tif 000016
【００５２】
は、水の分子量であり、
【００５３】
【数１５】
2017534435.tif 000017
【００５４】
は、水素の分子量であり、ＰＨ２０は、水の分圧であり、Ｐｔｏｔは、ＥＨＣ（または電解槽）の出口圧力である。
【００５５】
【数１６】
2017534435.tif 000018
【００５６】
[035]さらに、式１は、式２として水の濃度ＣＨ２０の観点で書き換えることができ、式中、ｋ１は定数である。
【００５７】
【数１７】
2017534435.tif 000019
【００５８】
[037]したがって、水の質量流量は、水素の質量流量および水の濃度を直接測定することによって決定することができる。
[038]加えて、本出願人は、水素の質量流量はＥＨＣのスタック電流ｉに比例し、水素の質量流量は、ＥＨＣの出口温度Ｔに比例することを見出した。それゆえに、水素の質量流量は、式３によって表すことができ、式中、ｋ２は定数である。
【００５９】
【数１８】
2017534435.tif 000020
【００６０】
[040]さらに、水素ガス混合物３中のあらゆる不純物の分圧を計算してもよい。加えて、吸着床１および２が吸着できる水の最大量は、吸着床１および２の容積、吸着材料の吸着剤密度、および吸着材料の吸着能力に基づいて計算することができる。吸着材料の吸着剤密度および吸着能力は、公知の量であってもよい。
【００６１】
[041]水素ガス混合物３中の計算された水の質量が吸着床１および２の飽和限界と等しいかまたはそれを超える場合、制御器１１は、ＰＳＡデバイス９の吸着操作と再生操作とを切り換えることができる。加えて、水素ガス混合物３中の水の質量が吸着床１および２の飽和限界の予め決定されたパーセンテージと等しい場合に切り換えを起こすことができるように、この比較に安全係数を適用してもよい。例えば、２の安全係数が選択される場合、吸着床１および２に吸着された水の質量がその飽和限界の５０％に達したときに切り換えを起こすことができる。１から１０の間の安全係数を選択することができるが、１０より大きい安全係数も同様に選択することができる。切り換えは、制御器１１が弁７および８に制御シグナルを送ったときに起こすことができる。
【００６２】
[042]水素ガス混合物３における水の質量流量は、操作中、変更してもよい。したがって、ＰＳＡデバイス９の吸着および再生操作は、それぞれの吸着操作中に吸着床１および２に入力された水の質量に基づいて切り換え時間を調整することによって最適化することができる。
【００６３】
[043]図１および２では吸着床１および２のみが描写されているが、ＰＳＡデバイス９は、追加の吸着床Ｎを包含していてもよい。吸着床Ｎのいずれかが、吸着床１または２のどちらかと同じ能力を有していてもよいし、または異なる能力を有していてもよい。さらに、吸着床Ｎのいずれかが、吸着床１または２と同じ期間で作動していてもよいし、または異なる期間で（または非同期的に）作動していてもよい。例えば、四方弁７が第１の位置に切り換えられた後に水素ガス混合物３の入力を制御する弁が所定期間で開くように、追加の吸着床Ｎ１は吸着操作で作動させてもよい。同様に、四方弁が第２の位置に切り換えられた後、吸着床Ｎ１への乾燥水素ガス５の入力を制御する異なる弁が所定期間で開き、それによって吸着床Ｎ１の操作が再生操作に切り換えられてもよい。
【００６４】
[044]他の実施態様において、ＰＳＡデバイス９の供給および再生操作の切り換え時間は、最初のうちは予め決定されていてもよい。加えて、水素ガス混合物３中の水の質量流量を計算してもよく、この値が予め決定された量に増加したとき、切り換え時間を一時的に増加させて、吸着床１および２が除去可能な水を多くするよう調節することができる。水素ガス混合物３中の水の質量流量が予め決定された値より低くなった後、切り換え時間をその最初の値に戻してもよい。
【００６５】
[045]他の実施態様において、切り換え時間の供給バック制御を採用することもできる。例えば、乾燥水素ガス６、湿潤水素ガス５、ならびに／または第１および第２の吸着床１および２中の水の量を、湿度および／または化学センサー（示されていない）によって直接測定してもよい。制御器１１は、湿度および／または化学センサーから供給バックを受け取ることもできるし、これらの測定に基づいて、ＥＨＣ１０およびＰＳＡデバイス９のパラメーターから事前に計算された切り換え時間を調整することもできる。
【００６６】
[046]他の実施態様において、１つのみの吸着床を使用してもよい。このプロセスについて、水素ガス混合物の流れが、第１の二方弁に供給されてもよい。第１の二方弁が開いているとき、水素ガス混合物は吸着床に流動することができる。吸着床では、上述した吸着床１および２と類似の方式で水を吸着することができる。軽いガスを、第２の二方弁を介して吸着床から排出させることができる。
【００６７】
[047]次に、吸着床を再生してもよい。このプロセスについて、第１および第２の二方弁は、実質的に同じ時間に閉じていてもよい。一部の実施態様において、第１の二方弁を閉じる前に、第２の二方弁を閉じてもよい。このポイントにおいて、水素ガス混合物の吸着床への流れを一時的に止めてもよい。起こり得る圧力の増加を調節するために、ＥＣＨとＰＳＡデバイスとの間に直列に配置されたタンクが、緩衝物として役立ち得る。或いは、水素ガス混合物の流れを、吸着床を再生しながらガスを一時的に貯蔵するための保持タンクに向きを変えてもよい。上述した第１および第２の吸着床の場合と同様に、低圧で乾燥水素ガスを吸着床を通って流動させることによって、吸着床を再生することができる。これは、２つの追加の二方弁を介して達成することができる。具体的に言えば、第３の二方弁は、乾燥水素ガス供給源と吸着床との間に配置されていてもよいし、第４の二方弁は、重いガスを放出するための出口として役立つ可能性がある。吸着床が再生したら、第３および第４の二方弁を閉じてもよいし、第１および第２の二方弁を開いてもよい。
【００６８】
[048]図３は、ＰＳＡデバイスの別の実施態様を示す。この実施態様は、上記で論じられた図１および２に開示された実施態様と実質的に同様に操作することができる。しかしながら、ＰＳＡデバイスは、四方弁７および８の位置に二方弁１３および１４の対を包含していてもよい。吸着操作中、制御器１１は、制御シグナルを送って、同時に特定の吸着床と関連する二方弁１３のうち２つを開いて、二方弁１４のうち２つを閉じることができる。再生操作中、制御器１１はまた、制御シグナルを送って、同時に特定の吸着床と関連する二方弁１３のうち２つを開いて、二方弁１４のうち２つを開けることもできる。
【００６９】
[049]図４は、ＰＳＡデバイスの別の実施態様を示す。この実施態様は、図３に開示され上記で論じられた実施態様と実質的に同様に操作することができる。しかしながら、ＰＳＡデバイスは、各吸着床と関連する二方弁１３および１４の対の一方の代わりに、逆止弁１５を包含していてもよい。好ましくは、逆止弁は、吸着床と乾燥水素ガス６との間に配置される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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