水素精製システム

水素は、燃料電池、発電、輸送などのさまざまな用途に使用できる、有望なクリーンエネルギーキャリアです。 ただし、水素の製造には多くの場合、その品質と性能に影響を与える可能性のある不純物が含まれます。 したがって、水素の精製は、水素利用の効率と安全性を確保するために不可欠なステップです。

圧力スイング吸着
圧力スイング吸着 (PSA) は、高圧下での活性炭やゼオライトなどの多孔質材料への不純物の選択的吸着に依存する水素精製に広く使用されている方法です。 次に、圧力を下げて吸着剤をパージガスでフラッシュすることによって、吸着された不純物が放出されます。 PSA は高純度の水素回収を実現できますが、エネルギー消費量が多く、装置サイズが大きく、吸着剤の定期的な再生も必要となります。

膜分離
膜分離は、ポリマー、金属、セラミックなどの薄くて透過性の材料を使用して、分子サイズ、形状、または親和性に基づいて他のガスから水素を分離する、水素精製のもう 1 つの一般的な方法です。 膜分離は低圧または周囲圧力および温度で動作できるため、エネルギーコストと資本コストが削減されます。 ただし、膜分離は膜の汚れ、劣化、選択性などの課題にも直面しています。

極低温蒸留
極低温蒸留は、水素と他のガスの異なる沸点を利用する水素精製方法です。 ガス混合物を極低温に冷却することにより、水素を蒸気として分離し、不純物を液体として凝縮させることができます。 極低温蒸留は、特に窒素やヘリウムなどの不活性ガスを除去する場合に、非常に高い純度の水素を回収できます。 ただし、極低温蒸留には、高いエネルギー消費、複雑な装置、安全上のリスクも伴います。

パラジウムの拡散
パラジウム拡散法は、格子構造を通じて水素原子を吸収・拡散できるパラジウム金属の特異な性質を利用した水素精製方法です。 薄いパラジウム膜全体に圧力または温度勾配を適用すると、水素を選択的に一方の側からもう一方の側に輸送し、不純物を残すことができます。 パラジウムの拡散は、超高純度の水素の回収を実現できますが、材料コストが高く、入手可能性が限られ、被毒や脆化を受けやすいという問題もあります。

生物学的方法
生物学的方法は、細菌、藻類、菌類などの微生物を利用して水素ガスから不純物を変換または除去する、水素精製のための新しい方法です。 たとえば、一部の細菌は、水素生成の一般的な不純物である一酸化炭素を増殖の基質として使用し、副生成物として二酸化炭素と水を生成します。 生物学的手法は、低エネルギー消費、環境上の利点、および潜在的な付加価値のある製品を提供できます。 ただし、生物学的手法は、効率の低さ、拡張性、安定性などの課題にも直面しています。

研究者らは初めて、従来の水冷水性ガスシフト反応器の出口流から水素の98.8パーセントを回収した。これはこれまでに記録された最高値である。

従来の水素分離方法では水性ガスシフト反応器が使用されるため、追加のステップが必要になります。 水性ガスシフト反応器では、まず一酸化炭素が二酸化炭素に変換され、次に吸収プロセスを使用して水素と二酸化炭素が分離されます。 コンプレッサーを使用して精製水素を加圧し、すぐに使用したり保管したりできます。

水素を二酸化炭素や一酸化炭素などの他のガス分子から迅速かつ経済的に分離するには、高温プロトン選択性高分子電解質膜 (PEM) の使用が必要です。 また、他の高温 PEM タイプの電気化学ポンプよりも高温で動作することができるため、水素を他のガスから分離する能力が向上します。

水素精製プロセス
この分離を達成するために、研究チームは電極「サンドイッチ」を使用しました。この電極では、反対の電荷をもつ電極が「パン」として機能し、膜が「デリミート」として機能します。 電極アイオノマー バインダー材料は、グルテンがパンを保持するのと同じように、電極を保持するように設計されています。

ポンプ内のパンのスライス、または正に帯電した電極は、水素から陽子と電子を放出します。 プロトンが膜を通って移動する一方で、電子は正に帯電した電極に接触するワイヤを介してポンプを通って移動します。 膜を通過してマイナスに帯電した電極に到達すると、陽子と電子が結合して再び水素を形成します。
PEM は陽子のみを通過させるため、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、窒素ガスは通過できません。 研究チームは、水素ポンプ内の電極粒子を適切に機能させるために、接着性のあるホスホン酸アイオノマーバインダーを開発しました。

研究者らは、そのアプローチとツールを使用して、天然ガスパイプラインにおける水素精製を調査する予定です。 水素を輸送および貯蔵するこの方法はまだ実用化されていませんが、多くの可能性を秘めています。 水素は、燃料電池やタービン発電機を使用することで、太陽光や風力エネルギー システムのほか、他のさまざまな環境に優しい用途をサポートするために使用できます。

産業用ガスには、さまざまな水素を含む排ガスが多数含まれています。 水素の分離と精製も、PSA 技術の最も初期に工業化された分野の 1 つです。

ガス混合物の PSA 分離の原理は、さまざまなガス成分に対する吸着剤の吸着能力が圧力の変化とともに変化することです。 高圧吸着により入口ガス中の不純物成分を除去し、減圧と昇温により不純物を脱着します。 不純物を除去し、純粋な成分を抽出するという目的は、圧力と温度の変化によって達成されます。

PSA の水素製造では、JZ-512H モレキュラー シーブ吸着剤を使用してリッチな水素を分離して水素を製造します。水素の製造は、吸着床の圧力変化によって完了します。 水素は非常に吸着しにくいため、他のガス（不純物ともいえる）は吸着されやすい、または吸着されやすいため、処理ガスの入口圧力に近づくと水素リッチガスが生成されます。 脱着（再生）中に不純物が放出され、脱着圧力まで徐々に圧力が低下します。
吸着塔は吸着と加圧を交互に繰り返します。 均一化と脱着を行い、連続的な水素生成を実現します。 豊富な水素が一定の圧力下でシステムに入ります。 リッチな水素は、特殊な吸着剤が充填された吸着塔を下から上へ通過します。 Co / CH4 / N2 は強力な吸着成分として吸着剤表面に保持され、H2 は吸着成分として吸着層に浸透します。 吸着塔の塔頂から回収された製品水素は境界外へ排出されます。 床内の吸着剤がCO / CH4 / N2で飽和すると、豊富な水素が他の吸着塔に切り替えられます。 吸着脱離の過程では、一定圧力の製品水素が吸着塔内に残ります。

純粋な水素のこの部分は、脱着されたばかりの他の均圧塔を均圧してフラッシュするために使用されます。 これにより、吸着塔内の残留水素を利用するだけでなく、吸着塔内の圧力上昇速度が遅くなり、吸着塔内の疲労度が遅くなり、水素分離の目的が効果的に達成される。

水素ガスはさまざまなプロセスで生成されますが、通常は不純な状態で生成されます。 典型的なプロセスには、メタン水蒸気改質による化学合成、水素ガスが副生成物として生成されるスチレンまたはエチレンプラントからのオフガス、および水素化分解や脱硫などの石油化学用途が含まれます。 水素を利用するには、精製水素ガスを作る精製工程が必要です。 水素圧力スイング吸着 (H2PSA) は、水素の揮発性と、ゼオライトに対する極性と親和性が全体的に欠如していることを利用して、汚染されたガス流を浄化するプロセスです。

水素の生成には通常、除去する必要がある汚染物質や副生成物の生成が伴います。 これには、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、水、未反応の炭化水素などの化合物が含まれます。 水素 PSA は、これらの成分の優先吸着を利用して、水素流からそれらを除去して精製水素を生成します。

従来、水素 PSA は複数のふるい床を利用しており、吸着段階、減圧段階、再生段階、再加圧段階の 4 つの段階で構成されています。 このプロセスでは、不純な水素の流れがふるい床に送られ、そこで加圧下で不純物がモレキュラーシーブに選択的に吸着されます。 吸着ステップが完了した後、吸着層を減圧することで再生が行われ、不純物の親和性が低下し、不純物を廃棄できるようになります。

純粋な水素でパージして残留汚染物質を除去することにより、床をさらに精製します。 ベッドは再び加圧され、吸着プロセスが繰り返されます。 ベッドは同期して動作し、連続的な水素生成を可能にします。

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