水素の乾燥・精製

運転中にスタックから出るのは水分と微量の酸素です。窒素はスタックで生じるものではなく、パージガスや配管内に残った空気から入ります。

水分

出口ガスは飽和状態です。純度の数値が示すもののほとんどはこれです

酸素

アノードからの微量なクロスオーバー。燃料電池や水素充填の規格で上限が定められています

窒素

パージや残留空気から入ります。起動時やメンテナンス後に現れ、運転中に増えることはありません

99.999% とは、水分・酸素・窒素を合わせた総不純物が 10 ppmv 以下であることを意味します。露点が表すのは水分だけです。一方の数値をもう一方の代わりに使うと、仕様を誤ります。以下の換算は大気圧基準です。-70 °C では水分が総許容量の四分の一しか占めないため 99.999% に対応でき、残りは酸素除去で賄えます。-60 °C では水分だけで 10 ppmv を超えるため、酸素を完全に除いても 99.999% には届きません。この要件がある用途では、さらに乾燥させる必要があります。

露点 -40 °C

約 128 ppmv。結露防止には十分ですが、99.999% には届きません

露点 -60 °C

約 10.7 ppmv。水分だけで許容値 10 ppmv を超えており、99.999% には届きません

露点 -70 °C

約 2.6 ppmv。99.999% に対応

大気圧での -40 °C と 10 barg での -40 °C はまったく異なる条件です。ライン圧での数値が必要な場合は換算します。もう一つ、基準点も取り決めておく必要があります。ドライヤー出口の露点は使用点での露点ではありません。配管壁に保持された水分が下流で脱離するため、使用点での値は高くなります。配管が長いほど、またシステムが停止していた期間が長いほど、その差は大きくなります。

下流の構成は方式を一つ選ぶというより、要件に合わせて層を積み重ねるものです。各層は以下のとおりです。露点を下げるだけでよい用途は最初の一、二層で止まり、純度の数値がある用途では後段の層を加えます。積み重ねは 99.999%（ファイブナイン）までで止まります。そこが最も厳しい水素用途の上限で、その上の ppb レベルは半導体や分析用途の領域です。燃料電池は 99.9% で運転できますが、長期耐久性が求められるプロジェクトでは 99.999% を実現するドライヤーの方が適しています。そのため、以下の二つの精製層は説明のために載せているだけで、当社の調達モデルには含まれません。それ以外は HXD-V1 の設計に組み込まれているか、この規模の市販品がありません。下表が短いのはそのためです。

冷却・凝縮

ガスを冷やして水分を液体として落とします。最も簡単で安価な構成ですが、水の氷点のため露点は 0 °C 付近が限界です。後段の負荷を減らす役割を担います

圧力スイング吸着（PSA）

水分を吸着剤に保持し、圧力を下げて脱離させます。二つの容器を交互に使います。再生に熱が不要で速い一方、製品ガスの一部がパージとともに出ていくため、水素が失われます

温度スイング吸着（TSA）

同じ吸着方式を、圧力ではなく熱で再生します。再生に時間がかかりヒーターが電力を消費しますが、製品ガスはほとんど捨てられません。小規模で水素損失が問題になる場合に検討すべき方式です

触媒式脱酸素（デオキソ）

残った酸素を水素と反応させて水にします。酸素が水分に変わるため、必ず後段に乾燥が続きます。反応は発熱を伴うため、入口の酸素濃度が高い場合は冷却も必要になります

ゲッター（化学吸収）

加熱した金属が酸素、水分、窒素を化学的に固定します。ppb レベルに達し、水素も捨てません。固定したものは放出しないため、寿命に達したらユニットごと交換します

パラジウム膜精製

加熱したパラジウム膜を水素原子だけが透過し、それ以外をすべて残して総不純物を ppb レベルまで下げます。膜は約 400 °C に保つ必要があり、透過しないガスは放出されるため回収率は低くなります。初段には使えません。メーカーは入口で 99.95 ～ 99.99% を要求しているため、前段に気液分離と乾燥が必要です

高分子膜分離

成分ごとの膜透過速度の差で分離します。連続運転しやすく消耗品も不要ですが、分離が不完全なため到達できる純度に限りがあります。純度より連続性を重視する場面に向いています