CN113924672A - 通过除湿并过滤燃料电池废气来产生氮气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于使用燃料电池可靠且稳定地产生高纯度氮气的装置/***。该氮气产生装置/***包括：燃料电池，其通过吸入空气或含有氮气和氧气的气体以及燃料气体来运行；除湿机构，其降低从该燃料电池抽取的并且具有比空气更低的氧浓度的废气中的水分或水蒸气含量；和过滤机构，其包括使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器并且将具有降低的水分或水蒸气含量的废气转化为具有增加的氮浓度的气体。在此，该过滤器优选地是在其中当待过滤气体的氧浓度较低时回收率较高的过滤器。此外，该除湿机构优选地是包括水封泵的泵单元，并且在这种情况下，优选设置绝热膨胀室，在该绝热膨胀室中从燃料电池抽取的废气绝热膨胀。

Description

通过除湿并过滤燃料电池废气来产生氮气的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于产生高纯度氮气的技术。
背景技术
根据巴黎公约要求于2020年2月25日提交的日本专利申请号JP2020-029364和2021年1月26日提交的日本专利申请号JP2021-010474的优先权，并且这些日本专利申请公开物的内容根据PCT细则20.6通过引用并入本文。
近年来，燃料电池的使用已得到积极推广。例如，燃料电池汽车已经投入实际使用，并且家用和工业燃料电池设施已经变得可获得。当使用燃料电池时，不仅可以实现高效发电，而且与使用内燃机的常规发电装置不同，可以将排出的二氧化碳量降低到约零。因此，燃料电池技术有望为实现零碳社会做出巨大贡献。
本发明的诸位发明人专注于此种燃料电池的潜力，并发明了如PTL 1和2中所述的使用燃料电池的焊接装置。在焊接装置中，不仅由燃料电池产生的电力而且通过发电产生的废气也供应到焊接装置中并使用。
此外，如PTL 3和4中所述，本发明的诸位发明人还发明了一种使用燃料电池的发电装置，该发电装置将惰性气体和电力供应至加工装置，该加工装置用电力在惰性气体中加热并加工待加热的物体。发电装置可以去除或降低来自燃料电池的废气中所含的氧含量和水蒸气含量/水分，并且可以将废气转化为适合在加工装置中使用的惰性气体。
此外，如PTL 5中所述，本发明的诸位发明人发明了一种供电和供气装置，其中连接从第一燃料电池部分到第N燃料电池部分的N个燃料电池部分并且可以供应具有足够少量氧气的贫氧气体。此外，如PTL 6中所述，本发明的诸位发明人还发明了一种氮气产生装置，其中将具有超过大气压的压力的空气和燃料气体供应至燃料电池，使燃料电池运行，将从燃料电池抽取的具有超过大气压的压力的废气施加到具有超过大气压的压力的氮气过滤器，并且从过滤器抽取具有增加的氮浓度的气体。
引用文献列表
专利文献
[PTL 1]日本专利申请公开号2013-233549
[PTL 2]日本专利申请公开号2016-164987
[PTL 3]日本专利申请公开号2017-084796
[PTL 4]日本专利申请公开号2018-163890
[PTL 5]日本专利申请公开号2019-129110
[PTL 6]日本专利申请公开号2020-149838
发明内容
技术问题
以此方式，本发明的诸位发明人得出结论，可以通过使用燃料电池来供应在各种生产/服务提供场所有很大需求的高纯度氮气。
此种高纯度氮气是既不助燃也不可燃的惰性气体，并且是非常有用的气体，并且目前，其当前由空气作为原料通过变压吸附(PSA)法、冷空气分离法、膜分离法等生产。
在此，认为可以使用来自燃料电池的废气有效地产生高纯度氮气，而非像常规技术那样直接使用空气作为原料。此外，当然，因为使用燃料电池，所以可以供应电力以及高纯度氮气。
然而，从燃料电池抽取的废气一般含有通过燃料电池反应产生的大量水(H2O)，并且其相对湿度是约100％。因此，如果其不作任何改变而使用，则在进行后续的高纯化处理时产生有害影响，并且它变得难以可靠且稳定地进行处理。
在此，本发明的目的是提供用于使用燃料电池可靠且稳定地产生高纯度氮气的装置、***和方法。
问题的解决方案
根据本发明，提供了一种氮气产生装置和一种氮气产生***，其包括(A)燃料电池，该燃料电池通过吸入空气或含有氮气和氧气的气体以及燃料气体而运行，(B)除湿机构，该除湿机构降低从燃料电池抽取的并且具有比空气更低的氧浓度的废气中的水分或水蒸气含量，以及(C)过滤机构，该过滤机构包括使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器并将具有降低的水分或水蒸气含量的废气转化为具有增加的氮浓度的气体。在此，该过滤器优选地是在其中当待过滤气体的氧浓度较低时回收率较高的过滤器。此外，该除湿机构优选地是包括水封泵的泵单元，并且在这种情况下，优选设置绝热膨胀室，在该绝热膨胀室中从燃料电池抽取的废气绝热膨胀。
根据本发明，还提供了一种氮气产生方法，该方法包括将空气或含有氮气和氧气的气体以及燃料气体供应至燃料电池并运行该燃料电池的步骤，从该燃料电池抽取具有比空气更低的氧浓度的废气的步骤，降低抽取的废气中的水分或水蒸气含量的步骤，以及将具有降低的水分或水蒸气含量的废气施加到使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器中并从该过滤器抽取具有增加的氮浓度的废气的步骤。
本发明的有益效果
根据本发明，可以使用燃料电池可靠且稳定地产生高纯度氮气。
附图说明
提供附图，其中：
图1是示出根据本发明的氮气产生装置/***的一个实施例的示意图；
图2是展示出根据本发明的氮气产生工艺的实例1的图；
图3是展示出根据本发明的氮气产生工艺的实例1的图；
图4是展示出根据本发明的氮气产生工艺的实例1的图；
图5是展示出实例2的图，在该实例中在根据本发明的氮气产生工艺中研究了氮气过滤器的回收率；
图6是展示出根据本发明的除湿机构的另一个实施例的示意图；
图7是展示出作为根据本发明的除湿机构的气液分离U的一个实施例的示意图；
图8是展示出根据本发明的过滤机构的另一个实施例的示意图；
图9是展示出根据本发明的氮气产生装置/***的另一个实施例的示意图；并且
图10是展示出根据本发明的燃料电池的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述用于实施本发明的实施例。在此，在附图中，相同的部件用相同的附图标记表示。此外，可以具有相同结构和功能的部件可以用相同的附图标记表示。此外，附图中的部件内和部件之间的尺寸比率是任意的以便于理解附图。
[氮气产生装置/***]
图1是示出根据本发明的氮气产生装置/***的一个实施例的示意图。
图1中所示的根据本发明的一个实施例的氮气产生装置1(或氮气产生***1)包括
(A)“燃料电池(在燃料电池U(单元)11中)”，其通过吸入“空气或含有氮气和氧气的气体”和“燃料气体”(在本发明的实施例中，氢气)来运行，
(B)除湿机构(图1中的气液分离U(单元)122和图6中的水封泵U(单元)30)，其降低从“燃料电池”抽取的具有比空气更低的氧浓度的“废气(尾气)”中的水分或水蒸气含量，以及
(C)过滤机构(图1中的氮气过滤器U(单元)12)，其包括使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维(例如中空纤维)的“氮气过滤器12f”，并将具有降低的水分或水蒸气含量的“废气”转化为具有增加的氮浓度的气体。
在此，如上所述，以上(C)中的“氮气过滤器12f”是使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器，并且本发明的诸位发明人将在下面详细解释其细节，而通过实验证实，在使用纤维的过滤器中，当氧浓度较低时，具有比空气更低的氧浓度的“废气”中的“氧浓度降低指数”(单位为体积百分比(vol％)，表示100ml介质中的ml)较大。
以此方式，根据氮气产生装置(***)1，通过组合“燃料电池”和“氮气过滤器12f”(其在考虑低氧浓度的情况下是非常相容的)，可以有效地产生具有低氧浓度的氮气，即高纯度氮气。
附带地，如将详述的，本发明的诸位发明人通过实验证实，当将具有2.5vol％或更低的氧浓度的“废气”施加到“氮气过滤器12f”时，可以从“氮气过滤器12f”抽取“废气”，该废气的氧浓度为向过滤器施加空气时所得结果的1/10或更低。
此外，本发明的诸位发明人通过实验证实，在本发明的实施例中使用的“氮气过滤器12f”中，当待过滤气体的氧浓度较低时，回收率较高。因此，当使用此种“氮气过滤器12f”来过滤具有比空气更低的氧浓度的“废气”时，可以进一步提高高纯度氮气的回收率。在此，将在下面详细描述该回收率。
在此，“氮气过滤器12f”是如上所述的使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器。本发明的诸位发明人通过实验证实，在此种使用纤维的过滤器中，当待施加的“废气”的压力较高时，从过滤器抽取的“废气”的氧浓度较低，即，获得更高纯度的氮气。因此，在本发明的实施例中，在氮气过滤器U的前方设置增压器U(单元)124，其增加待施加的“废气”的压力，从而可以有效地产生具有低氧浓度的氮气，即高纯度氮气。
附带地，如将详述的，已经通过实验证实，优选将施加到“氮气过滤器12f”的“废气”的压力设定为超过压力阈值的值，该压力阈值取决于“氮气过滤器12f”并当从“氮气过滤器12f”抽取的“废气”的流速较大时变成更大的值。
在此，上述表述“高纯度”或“纯度高”是指氮气中的氧浓度充分降低的状态。具体地，本发明的实施例中产生的具有“高纯度”或其“纯度高”的氮气中的氮浓度(单位为体积百分比(vol％)，表示100ml介质中的ml)可以是例如95vol％或更大或99vol％或更大，或者可以设定为99.9vol％或更大或99.99vol％或更大，这取决于使用氮气的领域和应用。
此外，以上(B)中的除湿机构降低了其相对湿度一般是约100％的“废气”中的水分或水蒸气含量，使得可靠且稳定地进行后续的高纯化处理，而不受水分或水蒸气含量的不利影响。因此，除湿机构是有效产生高纯度氮气的重要装置。在此，作为此种重要的除湿机构，优选使用包括水封泵的水封泵U 30，下面将参考图6对其进行详细描述。
[装置/***的配置]
同样如图1所示，本发明的实施例的氮气产生装置(***)1是包括以下的装置(***)
(a)燃料电池U(单元)11，其包括“燃料电池”，
(b)设置在燃料电池11前方位置的自然能源发电U(单元)101、蓄电U(单元)101s、氢气产生U(单元)102、燃料重整和氢气产生U(单元)103、氢气罐104、流量控制U(单元)105、空气压缩U(单元)106、空气罐107、过滤器U(单元)108和流量控制U(单元)109，
(c)设置在燃料电池U 11的氢电极一侧的后面位置的排水器111、压力控制U(单元)113、气液分离U 114和氢气回收U(单元)115，
(d)设置在燃料电池U 11的空气电极一侧的后面位置的排水器112、压力控制U121、气液分离U 122、尾气缓冲罐123、增压器U 124、腐蚀性气体等去除U(单元)125、温度控制U(单元)126、流量控制U 127、包括氮气过滤器12f的氮气过滤器U 12、增压器U 128和氮气罐129，以及
(e)总控制U(单元)131。
该装置(***)可以吸入空气、水、自然能源如太阳光，并且在一些情况下，还可以吸入城镇燃气、以及甚至商用电力，以向外部供应高纯度氮气、电力、和热能。
即，本发明的实施例的氮气产生装置(***)1，除了所产生的氮气外，还可以将通过运行的“燃料电池”所产生的电力和热能提供给外部，并且还可以视为氮气、电力和热供应装置(***)。
在此，氮气产生装置(***)1可以至少包括燃料电池U11、与其直接连接的部件、气液分离U 122和氮气过滤器U 12，并且可以与至少装置外的自然能源发电U 101一起构成氮气产生***。例如，氮气产生装置(***)1可以是包括除自然能源发电U 101、蓄电U 101s、氢气产生U 102、燃料重整和氢气产生U 103、氢气罐104、空气压缩U 106、空气罐107、增压器U 128和氮气罐129之外的所有部件的装置(***)。
此外，氮气产生装置(***)1可以包括例如作为废气入口的配管接头(其可以连接到外部安装的燃料电池中的废气出口)，并且可以是这样的装置(***)，其吸入从外部燃料电池排出的废气并输出具有降低的氧浓度的氮气。其可以是能够附接至燃料电池上的所谓的“燃料电池附接型过滤装置(***)”。
即，在这种情况下，氮气产生装置(***)1是包括以下的装置(***)：(a)用于接收从外部燃料电池排出的废气的废气入口，(b)降低所接收的废气中的水分或水蒸气含量的除湿机构，以及(c)过滤器，该过滤器使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维并通过向其施加具有降低的水分或水蒸气含量的废气而输出具有增加的氮浓度的气体。
附带地，在图1的装置/***配置图中，通过用箭头连接部件表示的进行的材料/能量转移和工艺的流程可以理解为根据本发明的氮气产生方法的一个实施例。
同样在图1中，自然能源发电U 101可以是太阳能电池发电单元(其包括太阳能电池并将太阳光转换为电力)、风力发电单元(其利用风力使带有叶片的转子旋转，驱动发电设备并产生电力)、或微型水力发电单元(其利用水流(水力)使涡轮机(水轮机)旋转，驱动发电设备并产生电力)。
此外，只要最终将太阳光的光能或风/水流的动能转换为电能，各种其他发电单元都可以用作自然能源发电U 101。此外，自然能源发电U 101可以是上述发电单元中的两种或更多种的组合。在任何情况下，优选地，产生的电力的输出单元包括瓦特计，其检查在每个时间点是否发电并测量产生的电力的量。
蓄电U 101s包括例如二次电池如锂(Li)电池和铅(Pb)蓄电电池，并且是储存并容纳从自然能源发电U 101供应的电力的蓄电单元。此外，优选地，蓄电U 101s包括蓄电表，其测量每个时间点的蓄电量并检查单元是否充满电。在此，电力从蓄电U 101s供应至将在下面将描述的氢气产生U 102(其电解水)和空气压缩U 106，但代替该电力或与该电力一起，商用电力可以供应至氢气产生U 102和压缩空气U 106。
作为替代方案，还优选将电力直接从自然能源发电U 101供应至氢气产生U 102和空气压缩U 106，而不使用对蓄电量具有预定限制并包括昂贵的二次电池的蓄电U 101s(或其中仅将蓄电U 101s设定为辅助件)。在这种情况下，自然能源通过直接转换为氢气的化学能或压缩空气的物理能得到利用。
在此，当自然能源发电U 101产生AC(交流)电时(例如，当它包括AC发电机时)，AC电或商用电力通过转换器转换成DC(直流)，并且然后供应至蓄电U 101s和氢气产生U 102。此外，如果空气压缩U 106包括DC驱动的压缩机22，则电被转换成DC并且然后供应至空气压缩U 106。
在任何情况下，总控制U 131可以在监测例如自然能源发电U 101的发电状态和蓄电U 101s的蓄电状态的同时，适当地切换和控制向如上所述的氢气产生U 102和空气压缩U106的电力供应。
同样在图1中，氢气产生U 102是包括电解部的氢气供应单元，该电解部可以电解获得的水并利用所供应的电力产生氢气和氧气。在此，可以使用各种已知的电解方法，并且例如，可以使用包括多个电解槽的层压件来进行电解，这些电解槽具有固体聚电解质膜置于催化剂与电极之间的结构。
此外，氢气产生U 102优选地包括从产生的氢气和氧气中去除水分的除湿部。此外，可以设置其中将去除的水分再次返回电解部进行电解的机构。此外，优选地设置可以测量每个时间点消耗的电力并检查是否正在消耗电力的瓦特计，并且可以设置可以测量产生的氢气和氧气的量并检查是否产生氢气和氧气的流量计或气压计。
燃料重整和氢气产生U 103吸入烃类气体如城镇燃气或LPG，将烃类气体与水蒸气混合，并根据水蒸气重整反应由混合气体产生主要由氢气(H2)构成的含氢气体。此外，优选地设置机构，在该机构中使用CO改性催化剂等降低产生的含氢气体中所含的一氧化碳气体含量，并且另外，使用CO选择性氧化催化剂进一步降低一氧化碳浓度。
附带地，当固体氧化物燃料电池(SOFC)用作下面将描述的燃料电池U 11的“燃料电池”时，可以将来自“燃料电池”的废热应用于在燃料重整和氢气产生U 103中水蒸气重整所需的大量的热量(高温)中。
在此，氮气产生装置(***)1可以包括氢气产生U 102或燃料重整和氢气产生U103作为氢气(燃料)供应源，或者优选地包括其两者以便保证各种供应源。此外，代替这些供应源或与这些供应源一起，氢气本身可以由另一个***/装置供应。
氢气罐104是气体罐，其在压缩(高压)状态时临时容纳和储存从氢气产生U 102以及燃料重整和氢气产生U 103供应的氢气，并且可以包括储氢合金瓶。此外，优选地，在氢气罐104中设置气压计，并且可以在每个时间点测量罐内的气压。
流量控制U 105是控制从氢气罐104供应到燃料电池U 11的氢气的压力和流速的单元。具体地，其可以包括氢气调节器和氢气质量流量控制器(或流量开关)。
在此，可以将呈具有超过大气压(1atm，约0.1MPa)的压力的高压(例如，1.1至7atm，约0.11至0.7MPa(兆帕))状态的氢气供应到燃料电池U 11的氢电极一侧。即，在本发明的实施例中，可以将设置在燃料电池U 11中的“燃料电池”的背压设定为例如大气压或超过大气压的压力。在此，当“燃料电池”的出口侧呈打开状态时，即当废气的压力为大气压时，背压变为1atm(约0.1MPa)。
然而，当在流量控制U 105中使用质量流量控制器时，此时通常出现压力损失。因此，优选地，从氢气罐104接收压力比设定压力(背压)高例如约1至2atm(约0.1至0.2MPa)的氢气，通过调节器调节压力，并且然后使氢气流到质量流量控制器。附带地，通过实验已经发现，当流速降低(流量减小)时，上述压力损失增加。
同样在图1中，空气压缩U 106是包括压缩机的单元，该压缩机将从例如大气中吸入的空气压缩至高压并将空气供应到空气罐107。作为压缩机中的压缩方法类型，例如可以使用各种方法类型，如往复型、涡旋型、螺旋型、旋转型或摆动型、或其两种或更多种的组合。
空气罐107是暂时容纳和储存从空气压缩U 106供应的呈压缩状态的压缩空气的气体罐。优选地，在空气罐107中还设置有气压计，并且可以在每个时间点测量罐中的气压。
过滤器U 108是包括空气过滤器和油过滤器并且使用这些过滤器从由空气罐107供应的高压空气中去除微尘、油组分等的单元。
流量控制U 109是这样的单元，其控制从空气罐107经由过滤器U 108向燃料电池U11的空气电极一侧供应的压缩空气的压力和流速。具体地，它可以包括气体调节器和质量流量控制器(或流量开关)。
在此，在本发明的实施例中，压缩空气还可以以高压状态(例如，1.1至7atm，约0.11至0.7MPa)供应到燃料电池U 11中的空气电极一侧，其具有的压力超过大气压(1atm，约0.1MPa)(例如，将背压设定为超过大气压的压力)。此外，在这种情况下，考虑到质量流量控制器的压力损失，优选地，从空气罐107接收压力比背压高例如约1至2atm(约0.1至0.2MPa)的压缩空气，通过调节器调节压力，并且然后使压缩空气流向质量流量控制器，这与上述氢气中的相同。
同样在图1中，燃料电池U 11是这样的单元，其包括“燃料电池”并且从“燃料电池”抽取并输出具有比空气更低的氧浓度的废气、电力、热量和水(水蒸气)。
当然，燃料电池U 11可以通过将“燃料电池”的背压设定为大气压(1atm，约0.1MPa)来使用。然而，作为一个优选的实施例，燃料电池U 11可以包括“燃料电池”
(a)其中设定了超过大气压的背压(例如，1.1至7atm，约0.11至0.7MPa)，
(b)其从流量控制U 105接收具有超过大气压的压力(例如，1.1至7atm，约0.11至0.7MPa)的氢气，并从流量控制U 109接收具有超过大气压的压力(例如，2至7atm)的压缩空气，并且然后开始运行，并且
(c)其排出具有超过大气压的压力(例如，1.1至7atm、约0.11至0.7MPa)的废气。
在此，“燃料电池”可以具有已知的配置，并且可以具有这样的结构，其中例如，具有电解质置于氢电极(燃料电极、正电极、或阳极)与空气电极(氧电极、负电极、或阴极)之间的结构的多个电池与在它们之间的隔膜一起堆叠(层压)。
此外，作为“燃料电池”的电池类型，可以使用聚合物电解质燃料电池(PEFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等。其中，SOFC具有高的发电效率，一般在约700℃至约1,000℃下运行，并且可以供应温度相当高的废气。如上所述，当使用燃料重整和氢气产生U 103从城镇燃气等产生氢气时，SOFC可以供应水蒸气重整所需的大量热量。同时，PEFC是例如在许多燃料电池汽车中使用的燃料电池，因为它在相对低的温度下运行并且可以减小电池尺寸。
在采用PEFC的情况下，例如，由日本汽车研究所(JARI)的研究和开发而开发的JARI型燃料电池可以用作燃料电池U 11中的“燃料电池”。JARI型燃料电池具有其中可以通过增加背压向电池内部施加压力的结构，并且另外可以回收所有具有高背压的废气。
此外，作为“燃料电池”，可以使用具有例如大于10kW的最大输出功率的燃料电池(例如，瑞典燃料电池制造商PowerCell公司制造的燃料电池)。例如，在PowerCell公司的具有96个电池和12.9kW的最大输出功率的燃料电池中，输出10kW电力所需的氢气流速和空气流速分别是150L/min(升/分钟)和500L/min，并且在这种情况下，废气中所含的氮气的流速是400L/min。此外，废气中所含的水蒸气的流速是150L/min，其以水来表述是5.3L/h(升/小时)。
附带地，为了降低从“燃料电池”排出的如此大量的水蒸气含量/水分并可靠且稳定地进行后续的氮气产生工艺，需要除湿机构(图1中的气液分离U 122和图6中的水封泵U30)。在此，通过该除湿机构回收的水优选地以纯水或高纯水的形式提供给外部。此外，对于此种“燃料电池”，优选地经由润湿设备(未示出)引入空气和氢气两者，以便减少电解质膜的质子传导率的降低(由于湿性不足)，这将导致燃料电池反应中的热损失。
在本发明的实施例中，“燃料电池”中的压力，即背压，通过在下面将描述的压力控制U 113的背压调节阀和压力控制U 121的背压调节阀调节和控制。在此，优选地控制
(a)氢电极一侧的背压，其主要通过压力控制U 113的背压调节阀调节，和
(b)空气电极一侧的背压，其主要通过压力控制U 121的背压调节阀调节，
使得它们基本上相同。实际上，如果两个背压之间存在约0.1atm(0.01MPa)的差异，则可能少量气体从“燃料电池”中泄漏，并且另一方面，实验发现，如果两个背压相同，则即使在相当高的背压下也不出现问题。特别地，当“燃料电池”是PEFC时，由于电解质膜是相对薄的，所以更优选使两个背压相同。
此外，包括上述“燃料电池”的燃料电池U 11优选地包括能够测量以下的测量***/传感器组：
(a)吸入“燃料电池”的氢气和空气的流速、压力和/或温度，
(b)从“燃料电池”排出的废气和水蒸气/水分的流速、压力和/或温度，以及
(c)“燃料电池”的氢电极与空气电极之间的复阻抗。
此外，优选通过已接收来自测量***/传感器组的信息的总控制U 131来控制“燃料电池”的运行。
作为简单控制的实例，优选地，构建了机器学习模型(使用例如深度神经网络(DNN)算法)，其中以上(b)和以上(c)是解释变量，并且以上(a)是目标变量。使用构建的模型，可以调节供应到“燃料电池”的氢气和空气的流速、压力和/或温度，使得“燃料电池”产生希望的输出。此外，当以上(c)中的复阻抗值偏离预定的允许范围时，优选进行控制，如停止氢气供应和停止“燃料电池”。
此外，在燃料电池U 11中，可以在“燃料电池”内部或周围放置使热交换介质如水循环的热交换器。热交换器优选地从运行并产生热量的“燃料电池”抽取热量，并将热量传递到单元的外部。可以使用的热交换器的实例包括多管式热交换器如壳管式热交换器和板式热交换器如钎焊板式热交换器(从阿法拉伐公司(Alfa Laval AB)可商购的)。
此外，代替热交换器，可以使用连接“燃料电池”中的传导性隔膜和热管的传热***将“燃料电池”中的热量直接抽取到外部。在任何情况下，通过此种热交换/传导机构，可以控制“燃料电池”的电池温度使得其是预定温度(例如，80℃)或更低并且可以保持“燃料电池”的适当运行。在此，当水(冷却水)用作热交换介质时，优选通过离子交换器从循环冷却水中去除离子(阳离子和阴离子)。
以此方式通过热交换介质或热管传递的热量不仅可以通过供应至外部而利用，还可以通过供应至***内部而利用。在本发明的实施例中，可以将热量供应至下面将描述的尾气缓冲罐123，并热量可以将供应至氮气过滤器U 12的废气温度增加至高温(例如45℃)。当然，当废气温度足够高时，尾气缓冲罐123中的此种热处理是不必要的。
此外，可以通过此种热交换介质或热管将热量传递给燃料重整和氢气产生U 103，并且可以补充水蒸气重整所需的热量。此外，利用氢气产生U 102中的热量，可以将待电解的水转化为水蒸气，或者可以升高水的温度，从而可以提高电解中的氢气产生效率。
在此，在这种情况下，为了实现希望的氢气产生效率并保持其稳定，优选用安装的温度传感器监测电解槽的温度，并通过总控制U 131控制电解操作。此外，可以增加施加在电极之间的电压，并进行不使用电解质且不需要电解质监测或维护的电解处理。
此外，例如，使用来自热交换器的高温介质或已经接收通过热管传递的热量的高温介质来加热其中安装有该装置(***)1的设施的内部。例如，将此种高温介质放入冷却柱(冷却塔)以降低温度，低温介质用于在冷凝器/蒸发器和空调机中产生冷空气，从而可以使设施内部冷却。此外，在这种情况下，氮气产生装置(***)1还可以利用来自“燃料电池”的电力来协助这些空调设备的运行，并且因此，其还可以在设施中充当节能装置(***)。
作为燃料电池U 11中的另一个实施例，两个或更多个“燃料电池”串联地连接，依次吸入来自前一个燃料电池的废气并将其用于电池反应，并且最终可以容易地抽取具有较低氧浓度、例如2.5vol％或更低的氧浓度的废气。在此，由本发明的诸位发明人发明的上述燃料电池配置在日本专利申请公开号2019-129110中披露。
同样在图1中，排水器111和112分别设置在燃料电池U 11中的“燃料电池”的燃料通道出口(在氢电极一侧)和空气通道出口(在空气电极一侧)处。这些排水器回收通过废气(一般相对湿度为约100％)中含有的水蒸气的冷凝产生的水。因此，可以减少由于所谓的溢流现象造成的对电池反应的不利影响。此外，以此方式回收的水可以被送至氢气产生U 102并作为氢气产生材料重复使用。
在此，通过将“燃料电池”的背压设定为超过大气压的值(例如2至7atm，约0.2至0.7MPa)，可以提高露点，增加落入排水器111年和112中的水量，并且提高除湿效果。排水器111和112优选地具有当积聚预定量的水时自动将水排出到外部的自动排水功能。
压力控制U 113是这样的单元，在保持“燃料电池”的背压的同时将通过排水器111除湿的氢气例如经由氢气混合器返回到“燃料电池”(例如，在流量控制U 105的后级处)的燃料通道入口(在氢电极一侧)。具体地，压力控制U 113包括背压调节阀和压力计，并且通过调节背压调节阀来控制“燃料电池”中的压力，特别是氢电极一侧的压力(背压)。
气液分离U 114是从燃料通道出口(在氢电极一侧)经由排水器111和压力控制U113排出的废气中去除残余的水蒸气含量和水分的单元。具体地，可以使用包括除湿机、具有加压机构的除湿设备、气液分离器和/或干式过滤器的除湿装置去除水蒸气含量和水分。在此，作为除湿机，可以使用含有硅胶和/或沸石的除湿机。并且作为气液分离器，可以使用重力分离型、离心分离型、除雾垫型、翼型分离型、气压分离聚结器型等的分离器。
氢气回收U 115是使用已知的氢气过滤器或执行器从燃料通道出口(在氢电极一侧)排出的废气抽取未反应的残余氢气并将其重复使用的单元。例如，抽取的氢气可以送回至在流量控制U 105的后级处的氢气混合器。此外，已从中抽取氢气的气体可以排出到外部。
压力控制U 121是在保持“燃料电池”的背压的同时将通过排水器112(在空气电极一侧)除湿的废气送到气液分离U 122的单元。具体地，像在压力控制U 113中一样，压力控制U 121包括背压调节阀和压力计，并且通过调节背压调节阀控制“燃料电池”中的压力、特别是空气电极一侧的压力(背压)。
同样在图1中，气液分离U 122是从空气通道出口(在空气电极一侧)经由排水器112和压力控制U 121排出的废气中去除残余的水蒸气含量和水分的单元。具体地，气液分离U 122使用包括除湿机、具有加压机构的除湿设备、或气液分离器的除湿装置去除水蒸气含量和水分。作为一个标准，气液分离U 122可以将废气中的相对湿度降低至60％或更少、并且更优选地30％或更少。
此外，如下面将参考图7详细描述的，气液分离U 122可以是使用干式过滤器122f的干式过滤器单元(图7)。作为另一个优选实施例，如下面将参考图6详细描述的，包括水封泵301的水封泵U 30可以代替气液分离U 122用作除湿机构。此外，气液分离U 122可以是包括干式真空泵的泵单元。干式真空泵是在真空腔中不使用油或液体并且可以用于排放例如水蒸气的真空泵。作为此种干式真空泵，例如可以使用风冷干式真空泵NeoDry 60E(从樫山工业株式会社(KASHIYAMA Industries,Ltd.)可商购的)。该风冷干式真空泵具有其中一对多级罗茨转子以非接触方式旋转以压缩和排放气体的结构。
尾气缓冲罐123是暂时容纳和储存从气液分离U 122引入的废气的气体罐。将废气引入尾气缓冲罐123直到压力变得与背压(例如，1.1至7atm，约0.11至0.7MPa)相同。在此，为了使废气以希望的压力(例如，7atm，约0.7MPa)流入下面将描述的氮气过滤器U 12，废气至尾气缓冲罐123的流速优选地设定为等于或超过关于氮气过滤器U 12的所需引入流速。
附带地，当“燃料电池”停止时，连接到尾气缓冲罐123的管中的压力恢复到例如大气压。因此，尾气缓冲罐123优选地包括用于防止废气倒流到“燃料电池”的止回阀。此外，优选地，在尾气缓冲罐123中设置气压计，并且可以在每个时间点测量罐内的气压。
此外，在尾气缓冲罐123中，罐内的废气优选地使用“加热机构”(其能够用由燃料电池U 11中的“燃料电池”产生的热量进行热处理)设定为温度高于室温(例如，30℃至45℃)的废气。由此，可以向下面将描述的氮气过滤器U 12的氮气过滤器12f供应温度适合于氮气过滤处理的废气。
在此，作为以上“加热机构”，可以使用上述热交换器或分离器和热管连接***。由此，可以通过有效地利用“燃料电池”的热量进行适当的氮过滤处理，而不使用如电加热器的耗能装置。当然，当引入尾气缓冲罐123的废气温度足够高时，此种加热机构是不必要的。
增压器U 124进一步增加废气的压力(例如，至7atm(约0.7MPa)的压力)，废气从燃料电池U 11的“燃料电池”抽取并且其中的水分或水蒸气含量降低，并将气体供应到氮气过滤器U 12。作为增压器U 124，可以使用已知的压缩泵，例如Bebicon(注册商标)POD-7.5VNB(从日立产机***有限公司(Hitachi Industrial Equipment Systems Co.,Ltd.)可商购的)。或者，可以使用已知的增压阀，例如用于惰性气体的增压阀VB11A或VBA42(从SMC公司可商购的)。此外，优选地设置用于监测增加的废气压力的压力计。
在此，大多数已知的增压阀是空气驱动型的。在这种情况下，可以使用供应至“燃料电池”的压缩空气的一部分，即从空气罐107抽取的压缩空气作为供给气体来驱动增压阀。由此，针对增压阀的驱动没有负担如额外的电力消耗。此外，增压型压缩机还优选地用作增压器U 124。
附带地，如上所述，当然，当来自尾气缓冲罐123的废气的压力足够高(例如，7atm(约0.7MPa))时，增压器U 124是不必要的。此外，虽然需要小心处理，但从氢气罐104抽取的氢气可用作供给气体。
同样在图1中，腐蚀性气体等去除U 125是这样的单元，其可以对待施加至氮气过滤器U 12的氮气过滤器12f的废气(从“燃料电池”抽取的)进行去除或减少硫化物、氯化物、烃类、氟化物和强碱性化合物中的至少一种的处理。
例如，当氢气使用燃料重整和氢气产生U 103从城镇燃气等产生并用作“燃料电池”的燃料时，除氢气之外的各种气体组分如硫化氢、亚硫酸气体、烃类气体如甲烷气体、氨、甲醛等混入废气中。此外，在将SOFC用作“燃料电池”的情况下，空气中的氮气可能在约800℃的高温气氛中与氧气结合，并且从而可能产生氮氧化物(NOx)。这些气体不仅成为最终产品氮气中的杂质，而且构成对氮气过滤器12f的纤维(中空纤维)具有不利影响的风险。
因此，腐蚀性气体等去除U 125包括例如活性炭过滤器，并且起到去除废气中的杂质气体或尽可能减少杂质气体的作用。作为一个标准，腐蚀性气体等去除U 125优选地将烃类气体的浓度降低至0.013mg/Nm3(0.01ppm wt)或更少，并且优选地将强酸性气体如硫化氢、亚硫酸气体、氯化氢和氟，以及强碱性气体如胺、氨和苛性钠的浓度降低至预定的检测方法中的检测限或更低。
此外，如图1所示，优选在腐蚀性气体等去除U 125的前级或后级安装雾过滤器和粉尘过滤器。其中，雾过滤器是去除或减少废气中的雾如水雾、溶剂雾和油雾的过滤器。作为一个标准，雾过滤器优选地将来自这些雾的残余油的浓度降低至0.01mg/Nm3(0.008ppmwt)或更低。另一方面，粉尘过滤器是去除或减少废气中的粉尘的过滤器。作为一个标准，粉尘过滤器优选地消除几乎所有具有0.01μm或更大粒度的颗粒。
温度控制U 126是这样的单元，其包括例如电加热器并且使吸入的废气的温度接近或等于基于氮气过滤器12f的特性预设的合适温度并且将其温度调节的废气供应至氮气过滤器U 12。作为一个优选的实施例，温度控制U 126可以经由热交换器接收由燃料电池U11供应的热量并将热量用于温度调节，并且还可以用由燃料电池U 11供应的电力来调节废气的温度。
附带地，在可用作下面将详细描述的氮气过滤器12f的UBE N2分离器NM-B01A(从宇部兴产株式会社(Ube Industries,Ltd.)可商购的)中，提出当引入气体的温度是30℃至45℃(高于室温(25℃))时，过滤效果变强。在这种情况下，当来自“燃料电池”的废气温度高于室温(25℃)时，无需使用温度控制U 126可展现出强的过滤效果，并且因此，可以降低用于温度调节消耗的电力的量。
此外，经证实，在使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的氮气过滤器12f中，当引入的废气的温度较高时，回收率大大降低。因此，根据本发明的***设定的氮气输出性能的内容，为了保证预定的回收率，在不使用温度控制U 126的情况下废气的温度可以保持与尾气缓冲罐123中的温度大致相同。
同样在图1中，氮气过滤器U 12是这样的单元，其将由流量控制U 127控制的废气施加到使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的氮气过滤器12f，并从氮气过滤器12f抽取具有增加的氮浓度的废气，即本发明的实施例中的高纯度氮气。
具体地，在本发明的实施例中，氮气过滤器U 12包括
(a)氮气过滤器12f，
(b)过滤器输入和输出部分，其引入待施加到氮气过滤器12f的废气并从氮气过滤器12f抽取具有增加的氮浓度的废气，以及
(c)过滤器吹扫部分，其从以上(b)抽取的废气中单独抽取气体(在下文中简称过滤器废气)，该气体(过滤器废气)含有通过氮气过滤器12f与氮分子(废气中)分离的氧分子。
具体地，作为氮气过滤器12f，可以采用使用了与氮分子相比使氧分子更优先渗透的聚合物纤维材料的中空纤维过滤器。例如，可以采用使用聚酰亚胺中空纤维的UBE N2分离器NM-B01A(从宇部兴产株式会社可商购的)。N2分离器的机理是，当高压废气流过中空纤维时，氧分子选择性地渗透中空纤维膜，并且最终从中空纤维的出口抽取高纯度氮气。
当然，氮气过滤器12f不限于上述分离器。例如，UBE N2分离器NM系列分离器(从宇部兴产株式会社可商购的)、SEPURAN N2膜组件(从大赛璐-赢创公司(Daicel-EvonikLtd.)可商购的)以及还有选择型氮气过滤器(从大赛璐-赢创公司可商购的)可以用作氮气过滤器12f。
在此，在此种氮气过滤器12f中，在以下之间的关系：
(a)引入废气的氧浓度(引入氧浓度)、引入废气的压力(引入压力)和过滤器12f出口处的废气的流速(出口流速)，与
(b)过滤器12f出口处废气的氧浓度(出口氧浓度)和过滤器12f的回收率
将在下面使用图2至图5所示的实际实例进行详细描述，并且其中，还将描述用于获得高纯度氮气的各种条件。
在此，以上(a)中的出口流速可以用安装在氮气过滤器U 12出口侧的流量计测量，并通过下面将描述的流量控制U 127控制。此外，以上(b)中的出口氧浓度还可以用安装在氮气过滤器U 12出口侧的氧浓度计进行测量。当然，流量控制U 127优选地在紧靠氧浓度计和流量计的后方安装。
此外，在本发明的实施例中，基于通过氧浓度计测量的出口氧浓度值，总控制U131控制压力控制U 121的背压调节阀以调节“燃料电池”的背压，例如，控制流量控制U 127的质量流量控制器以调节关于过滤器的废气流速，例如，并且从而可以实现具有希望的极低氧浓度的高纯度氮气的供应。
同样在图1中，流量控制U 127是这样的单元，其控制通过氮气过滤器U 12产生的具有增加的氮浓度的废气(即本发明的实施例中的高纯度氮气)的流速，并且经由增压器U128将氮气送入氮气罐129。即，如上所述，它是控制氮气过滤器12f中的出口流速(f_out)的单元。具体地，它可以包括气体调节器和质量流量控制器(或流量开关)。
在本发明的实施例中，增压器U 128是这样的单元，其进一步增加由流量控制U127控制其流速的高纯度氮气的压力(例如，到8至15atm(约0.8至1.5MPa)的压力))，将气体送入氮气罐129，并使氮气罐129容纳和储存更大量的高纯度氮气。作为增压器U 128，例如可以使用增压阀或增压压缩机。可以使用能够将压力增加到10atm(约1.0MPa)或更高的增压器Bebicon(注册商标)OBB-7.5GP(从日立产机***有限公司可商购的)。此外，优选地设置用于监测压力增加的压力计。
氮气罐129暂时容纳和储存从氮气过滤器U 12经由增压器U 128供应的高纯度氮气，并用作氮气供应接口，通过该接口将高纯度氮气在例如总控制U 131的控制下稳定地供应到外部。优选地，在氮气罐129中还设置气压计，并且可以在每个时间点测量罐内的气压。
在此，在不使用为氮气供应接口的氮气罐129(和增压器U 128)的情况下，可以经由预定的流量控制设备将产生的氮气从氮气过滤器U 12直接供应至外部。例如，在供应目的地为焊接装置等的情况下，具有至少超过室温(25℃)的温度的直接供应的高纯度氮气更适合用作焊接气氛，因为可以节省较高温度的气氛所需的热量。
总控制U 131是这样的控制器，其可以与包括上述燃料电池U 11和氮气过滤器U12的主要部件、并且优选地所有部件(包括例如水封泵U 30(图6))经由有线或无线通讯网络而通讯，接收从每个部件的测量单元/传感器输出的测量量，例如压力、气体流速、温度、氮浓度、氧浓度、氢浓度，以及是否有氢气泄漏，适当地进行监测，并对每个部件进行监督和控制。
例如，优选地，总控制U 131包括处理器和存储器，用于监测/控制每个部件的氮气产生***监测/控制程序安装并保存在存储器中，并且该程序由处理器执行。
在此，通过总控制U 131进行的控制包括对每个部件中和部件之间的压力、气体流速、温度、氮浓度、氧浓度和氢浓度的调节和控制。特别地，优选对燃料电池U 11的“燃料电池”进行背压控制以及氢电极一侧的背压与空气电极一侧的背压之间的平衡控制。
此外，优选地，总控制U 131监测燃料电池U 11的“燃料电池”的温度(电池温度)、引入到氮气过滤器U 12的氮气过滤器12f中的废气的温度、以及还有氢气产生U 102的温度，并适当地控制在氮气产生装置(***)1中的燃料电池反应、过滤操作以及还有氢气产生(电解)反应。此外，监测每个部件中和部件之间的氢气泄漏的发生，并且当判断出已经发生问题时，总控制U 131优选地将包括关于氢气泄漏位置的信息的警报送到外部。
[实例1]
图2至图4是展示出根据本发明的氮气产生工艺的实例(应用实例)1的图。
在其中测量结果和分析结果示于图2至4中的实例1中，在室温(25℃)下使用UBEN2分离器NM-B01A(从宇部兴产株式会社可商购的)作为氮气过滤器12f(图1)，将具有20.8vol％的氧浓度的空气以及三种混合气体分别引入氮气过滤器12f，该三种混合气体是其中氮气和氧气混合的并且具有10.3vol％、5.1vol％和1.1vol％氧浓度的气体，并且测量以下：
(a)引入气体的氧浓度(引入氧浓度c_in_O2(vol％))、引入气体的压力(引入压力p_in(atm))、和氮气过滤器12f出口处的废气的流速(出口流速f_out(L/min))，以及
(b)氮气过滤器12f出口处气体的氧浓度(出口氧浓度c_out_O2(ppm vol))，
并研究以上(a)与(b)之间的关系。
在此，引入气体中的10.3vol％、5.1vol％、1.1vol％的氧浓度是在实际的“燃料电池”的废气中可能出现的每个值。
图2(A)、2(B)和2(C)分别是示出在出口流量f_out为2.0L/min、1.5L/min和1.0L/min的条件下引入氧浓度c_in_O2与出口氧浓度c_out_O2之间的关系的图。
根据这些图，应理解，
(a)当引入氧浓度c_in_O2较低时，
(b)当引入压力p_in较大时，和
(c)当出口流速f_out较低时，出口氧浓度c_out_O2较低并且从氮气过滤器12f输出较高纯度的氮气。
例如，当引入氧浓度c_in_O2设定为1.1％，引入压力p_in设定为7.0atm(约0.7MPa)，并且出口流速f_out设定为1.0L/min时，出口氧浓度c_out_O2是325ppm(0.0325vol％)(尽管它是图2(C)中所示的图点)。在此，已知在与上述相同的引入氧浓度和引入压力条件下，当将出口流速f_out设定为较小的0.75L/min时，出口氧浓度c_out_O2是非常小的190ppm(0.0190vol％)的值，并且获得具有极低氧浓度的高纯度氮气。并且，通过实验证实，即使当引入氮气过滤器12f的气体温度是40℃和50℃时，这种结果趋势也几乎没有变化。
<出口流速和出口氧浓度>
首先，将描述出口流速f_out与出口氧浓度c_out_O2之间更具体的关系。基于图2(A)至2(C)所示的图的数据，推导出两者之间的关系由下式表示。
(1)(c_out_O2)＝C·(f_out)a
在此，(a)项系数C具有正值，并且当引入氧浓度c_in_O2较低且引入压力p_in较大时具有较小的值。例如，当引入氧浓度c_in_O2是1.1％且引入压力p_in是7.0atm(约0.7MPa)时，C值是319(ppm)，其是非常小的值。另一方面，
(b)当引入压力p_in是4.0atm(约0.4MPa)时，几乎不依赖于引入氧浓度c_in_O2的幂次系数‘a’是约1.6。并且，当引入压力p_in是7.0atm(约0.7MPa)时，在引入压力p_in较大时成为较大的值的幂次系数是约2.0。
因此，在任何情况下，应理解，当出口流速f_out较低时，出口氧浓度c_out_O2可以是较低的，即获得具有较低氧浓度的高纯度氮气。在此，由于幂次系数‘a’仅通过引入压力p_in决定，因此出口流速对出口氧浓度的贡献机制被认为相对于过滤器12f的纤维状态是动态的，该纤维状态是由该过滤器的引入压力决定。
<引入氧浓度及过滤效果>
接下来，使用图3所示的分析结果，将描述引入氧浓度c_in_O2与氮气过滤器12f的过滤效果(即氧浓度降低效果的程度)之间的关系。
图3(A)、3(B)和3(C)分别是示出在出口流速f_out为2.0L/min、1.5L/min和1.0L/min的条件下引入氧浓度c_in_O2与氧浓度降低指数之间的关系的图。在此，在这些图中的每一个中示出的四个图形曲线是当引入压力p_in是4.0atm(约0.40MPa)、5.0atm(约0.51MPa)、6.0atm(约0.61MPa)和7.0atm(约0.71MPa)时关于数据点的幂次近似曲线。
在此，当将具有20.8vol％的氧浓度的空气引入氮气过滤器12f时将出口氧浓度设定为c_out_O2(空气)，通过下式计算氧浓度降低指数。
(2)(氧浓度降低指数)＝c_out_O2(空气)/c_out_O2
即，氧浓度降低指数是基于引入的空气的结果，示出通过过滤降低绝对氧浓度的程度—即过滤效果的大小(相对于空气的情况)的指数。
根据图3(A)、3(B)和3(C)发现，
(a)当引入氧浓度c_in_O2较低时氧浓度降低指数较大，并且特别地，当引入氧浓度c_in_O2超过10vol％时，该指数的增加率急剧增大，
(b)氧浓度降低指数没有示出对引入压力p_in的显著依赖性，并且还有
(c)氧浓度降低指数没有示出对出口流速f_out的显著依赖性。
在此，10vol％的引入氧浓度c_in_O2(在此时以上(a)中的指数的增长率开始迅速增大)大致相当于具有50％的氧气利用率的“燃料电池”的废气中的氧浓度。
此外，基于以上分析结果，应理解，例如，当试图找到氧浓度降低指数为10的过滤条件时，即过滤效果乘以10，即高一位数(与空气的情况相比)，无论引入压力p_in和出口流速f_out的设定值如何，引入氧浓度c_in_O2都应该是2.5vol％或更低。在此，2.5vol％的c_in_O2值是引入氧浓度值的平均值，在此时在每个图中的四个幂次近似曲线中的氧浓度降低指数都为10。附带地，每个图的每条曲线的c_in_O2的1.1vol％附近的切线的横轴截距是接近2.5vol％(＝c_in_O2)的值。
因此，在图1所示的实施例的氮气产生装置(***)1中，当将具有2.5vol％或更少的氧浓度的废气施加到氮气过滤器12f时，可以从过滤器12f抽取与通过引入空气获得的结果相比，氧浓度为1/10或更小的废气。在此，通过实验证实，即使当引入氮气过滤器12f的气体的温度是40℃和50℃，也与上述图3的图中所示的结果基本一致，特别是在低氧浓度区域。
<引入压力和出口氧浓度>
接下来，将使用图4所示的分析结果描述引入压力p_in与出口氧浓度c_out_O2之间的关系。
图4是示出引入压力p_in与(二次系数)/(一次系数)之间的关系的图，该关系是在对应于图2(A)至2(C)中所示的每个图中的四个图形曲线的四个多项(二阶)近似式中取二次系数与一次系数之比后推导出的。
在图2(A)至2(C)所示的图中，示出了当引入压力p_in是4.0atm(约0.40MPa)、5.0atm(约0.51MPa)、6.0atm(约0.61MPa)和7.0atm(约0.71MPa)时，指示引入氧浓度c_in_O2与出口氧浓度c_out_O2之间关系的四个图形曲线。并且在每个图形曲线附近，示出了与图形曲线对应的多项(二阶)近似式。例如，在图2(C)的图中p_in＝7.0atm(并且f_out＝1.0L/min)的曲线附近，多项近似式
(3)y＝6.6246x2+161.96
在此，示出y是c_out_O2(vol％)并且x是c_in_O2(vol％)。
在这个式中，二次系数是6.6246，并且一次系数是161.96。
以此方式，发现引入氧浓度c_in_O2不仅作为一次项对出口氧浓度c_out_O2成比例地做出贡献，而且作为二次项也具有影响。即，即使引入氧浓度c_in_O2降低至1/N，出口氧浓度c_out_O2也不是简单地降低到1/N，而是引入氧浓度c_in_O2的二次项对出口氧浓度c_out_O2具有影响。
图4的图是通过以下获得的图：在图2(A)至2(C)的图的每个图形曲线中计算(二次系数)/(一次系数)，该(二次系数)/(一次系数)是如上所述的二次系数与一次系数的比值，并且然后绘制这些计算值，其中纵轴表示(二次系数)/(一次系数)并且横轴表示引入压力p_in。
根据图4的图发现，获得了具有1.0L/min、1.5L/min和2.0L/min的出口流速f_out的三个图形曲线(图4中的直线)，并且因此图4中的图点可以通过为每个出口流速确定的线性近似式来近似。
根据这些图形曲线(直线)，当引入压力p_in较大且出口流量f_out较低时，(二次系数)/(一次系数)较大。因此，发现上述引入氧浓度c_in_O2的二次项有助于出口氧浓度c_out_O2变小。
并且因此，应理解，为了获得更高纯度的氮气(使出口氧浓度c_out_O2更低)，二次项在引入氧浓度c_in_O2中的比率，即(二次系数)/(一次系数)，优选地是较大的正值，并且重要的是至少设定超过0(零)的值，在该值处二次项的贡献消失。即，优选用较大的正值来表示二次项。
然后，在图4的图中，确定了(二次系数)/(一次系数)变成超过0(零)的值的条件。发现确定的条件是当出口流速f_out分别是1.0L/min、1.5L/min和2.0L/min时，引入压力p_in是超过2.94atm(约0.298MPa)、3.40atm(约0.344MPa)和3.86atm(约0.391MPa)的值。还应理解，当出口流速f_out较大时，这些压力阈值是较大的值。即，当出口流速f_out设定得较小时，引入压力p_in可以基于较小的压力阈值设定。
此外，根据以上分析结果，应理解，在图1所示的实施例的氮气产生装置(***)1中，施加于氮气过滤器12f的废气的压力(引入压力)优选地具有超过取决于氮气过滤器12f的压力阈值的值，当从氮气过滤器12f抽取的废气的流速(出口流速)较大时，压力阈值是较大的值。
[实例2]
图5是展示出实例2的图，在该实例中在根据本发明的氮气产生工艺中研究氮气过滤器12f的回收率。
在此，在实例2中，使用与实例1中相同的***，并且对于引入氧浓度、引入压力和出口流速设定了与实例1中相同的条件，并且然后，测量氮气过滤器12f的回收率。然而，在实例2中，另外进行了引入氧浓度c_in_O2等于0(零)的测量，即，将纯氮气引入过滤器12f的测量。此外，为实例2的测量项的回收率被定义为过滤器12f中气体回收的程度/水平。即，回收率根据下式计算。
(4)(回收率)＝(f_out)/(f_in)
在此，f_in是过滤器12f入口处的引入气体的流速(引入流速)。
图5(A)、5(B)和5(C)分别是示出在出口流速f_out为2.0L/min、1.5L/min和1.0L/min的条件下引入氧浓度c_in_O2与回收率之间的关系的图。
根据这些图，发现，
(a)当引入氧浓度c_in_O2较低时(虽然在4.0atm(约0.40MPa)条件下可能略有偏差)，
(b)当引入压力p_in较低时(虽然4.0atm(约0.40MPa)与5.0atm(约0.51MPa)之间的差异非常小)，以及
(c)当出口流速f_out较大时(根据回收率的定义，这很有可能)，回收率较大。
例如，在以上(a)至(c)的条件下，即使将具有预定流速的废气引入氮气过滤器12f中，也获得大量的氮气(具有降低氧浓度的废气)。
在此，在以上(a)中的引入氧浓度c_in_O2中，回收率增加的方向和出口氧浓度c_out_O2降低的方向(例如，如图2所示)一致。具体地，当引入氧浓度c_in_O2较低时，出口氧浓度进一步降低并且回收率可以更高。因此，更优选当待过滤气体的氧浓度较低时使用其中回收率较高的氮气过滤器，以便产生更大量的更高纯度的氮气。
而且因此，应理解，考虑到出口氧浓度和回收率两者，输出低氧浓度废气的“燃料电池”和使用该废气的如上所述的“氮气过滤器”非常相容，并且因此此种将它们组合的***可以有效地产生氮气。
另一方面，在以上(b)中的引入压力p_in和以上(c)中的出口流速f_out中，回收率增加的方向(例如，如图2所示)和出口氧浓度c_out_O2降低的方向彼此相反。即，回收率与出口氧浓度c_out_O2之间存在所谓的折衷关系。
因此，例如，当引入压力p_in较大时，可以获得具有较低氧浓度的高纯度氮气，并且另一方面，获得预定量的氮气所需的废气量以及最终进入“燃料电池”空气的所需量增加。
因此，为了实现希望的低出口氧浓度c_out_O2并根据在氮气产生装置(***)1(图1)中设定的氮气输出的性能含量来保证预定的回收率，优选调节引入压力p_in和出口流速f_out的设定。例如，为了实现以预定的发电成本(例如，等于或小于下面将描述的PSA装置中的发电成本)产生具有预定浓度或更大(例如，99.9vol％或更大)的高纯度氮气的性能含量，优选在控制它们的同时确定引入压力p_in和出口流速f_out(以及另外取决于它们的回收率)。
关于以上(b)中在引入压力p_in下的上述回收率与出口氧浓度c_out_O2之间的折衷关系，本发明的诸位发明人认为，在实例2(实例1)的氮气过滤器12f(其中过滤纤维是中空纤维)中，当引入压力p_in较大时，中空纤维膨胀较大，并且因此改变的不仅是过滤纤维的氧分子选择性，而且还有对氧分子以外的分子的渗透性。
此外，关于上述回收率，本发明的诸位发明人已证实，当引入氮气过滤器12f的气体的温度较高时，回收率较低，并且在预定的温度或更高下，回收率显著降低。因此，在氮气产生装置(***)1(图1)中，考虑到在保证氮气过滤器12f中的预定回收率，安装在氮气过滤器U 12的前级的温度控制U 126(图1)优选地控制废气的温度。
在此，关于引入气体的温度对回收率的影响，本发明的诸位发明人还认为氮气过滤器12f的中空纤维在温度较高时膨胀更大，并且因此改变的不仅是过滤纤维的氧分子选择性，而且还有对氧分子以外的分子的渗透性。
参考图2至图5，上面已经解释了实例1和2。基于从这些实验获得的发现，本发明的诸位发明人已成功地使用氮气产生装置(***)1产生了纯度(氮浓度)超过99.9vol％且氧浓度低于0.1vol％(1,000ppm vol)的高纯度氮气。此种高纯度氮气可用于具有严格纯度相关条件的回流焊接装置。在回流焊接装置中，根据所使用的焊膏的类型，可以使用纯度(氮浓度)为99vol％的氮气。
当然，对氮气的需求不限于使用焊接装置的电子设备和电气设备领域。实际上，氮气用于各种领域中的各种应用，并用于CA(受控气氛)储存气氛供应装置或飞轮(flyer)装置，这些领域如在进行激光加工、热处理等时使用氮气的金属/树脂领域，轮胎填充、内侧吹扫设备等需要氮气的运输装置领域，使用氮气作为各种工艺气体、压力输送气体、冷却气体等的化学领域，干式切割设备等需要氮气的机械领域，以及还有其中氮气用于食品保鲜、充气的食品领域。
因此，所需的氮气纯度(氮浓度)也根据领域和应用变化。例如，存在要求作为杂质气体的氧气浓度(氧浓度)为近似0.01vol％(100ppm vol)的情况，并且还存在最高达若干vol％的氧浓度可以是可接受的情况。
针对这种情况，根据本发明的氮气产生装置(***)1，例如调节引入氧浓度c_in_O2、引入压力p_in和出口流速f_out，使得可以适当地提供氮气，其中将残余氧气减少到所要求的上限氧浓度。例如，在其中氧浓度可以是约若干vol％的情况下，将引入氧浓度c_in_O2设定为例如10vol％，保持引入压力p_in较低，设定出口流速f_out较高，并且因此回收率可以增加。
此外，根据本发明的氮气产生装置(***)1，除了产生的氮气之外，还可以根据其领域和应用同时提供所需的电力和热量。当然，在常规的氮气产生装置中，难以或不可能覆盖此种能源供应。
此外，基于上述发现，本发明的诸位发明人已证实，根据本发明的氮气产生装置(***)1，还可以大幅降低氮气产生成本。例如，根据本发明的诸位发明人的调查，目前氮气瓶的销售价格是例如约430日元/Nm3，并且液氮的销售价格是例如约120日元/Nm3。此外，根据为广泛使用的氮气产生装置的变压吸附(PSA)装置，氮气产生成本是例如约48日元/Nm3。
另一方面，已经通过初步计算证实了，根据氮气产生装置(***)1，基于包括“燃料电池”的标准输出和可能的废气流速以及还有预期的氢采购成本的适当条件设定，例如，可以实现等于或小于上述PSA装置中发电成本的发电成本。此外，如上所述，在氮气产生装置(***)1提供电力和热量(所需的)的情况下，与常规技术的那些装置相比，可以显著降低包括这些在内的总采购成本。
[除湿机构的另一个实施例：水封泵U]
图6是展示出根据本发明的除湿机构的另一个实施例的示意图。
首先，图6(A)示出了水封泵U 30，其经由流量控制阀接收从燃料电池U 11的“燃料电池”的空气电极(排水器112)一侧抽取的废气，降低废气中的水分或水蒸气含量，并将经过这种除湿处理的废气送入尾气缓冲罐123。
水封泵U 30包括为水封真空泵的水封泵301和气液分离罐302，并且还包括用于冷却循环密封液的热交换器(其是热交换U(单元)40的一部分)。
其中，水封泵301为真空泵，其中
(a)由于叶轮301a的偏心旋转引起的离心力，泵笼中包含的密封液(密封水)在泵内部形成月牙形水膜，该叶轮是叶片轮，并且
(b)由于叶轮301a的偏心旋转，密封液水膜与叶轮301a的两个相邻叶片之间形成的封闭空间体积周期性地变化，使得使密封液水膜起到活塞和密封件的作用，并且具体来说，启动了一系列的过程，其中将废气抽吸进笼子里，在笼子里压缩，并且然后与密封液一起排出到笼子的外部。
当然，水封泵301的结构不限于图6(A)所示的结构，并且各种结构中的任一种都可以作为该结构使用，只要它是与水封泵有关的结构。
气液分离罐302是储水罐，其中接收含有从水封泵301排出的废气和密封液的混合物，从废气中分离在废气中的水分/水蒸气含量和密封液，并且储存分离的密封液(包括水分/水蒸气含量)。在此，储存的密封液通过泵返回到水封泵301(经由为热交换U 40的一部分的热交换器)并再次使用。当储存的密封液的量是预定量或更多时，其一部分作为溢水排出到罐的外部。
在水封泵301中，由于叶轮301a通过电机高速旋转，通常密封液的温度因摩擦热而升高，并且如果将其不冷却，密封液可能沸腾。因此，例如，当密封液等于或高于预定温度(例如，50℃)时，密封液通过热交换器(其是热交换U 40的一部分)被冷却。
热交换U 40以此方式调节(冷却)水封泵U 30中的密封液的温度，但是在图6(A)所示的实施例中，另外，将为热交换U 40的一部分的另一个热交换器施加到燃料电池U 11，并且调节(冷却)“燃料电池”的温度。
即，在热交换U 40中，包括在水封泵U 30中的热交换器和并入燃料电池U 11中的热交换器串联地布置，并且例如，使用共同的冷却器和泵，可以从密封液和“燃料电池”接收热量并同时调节(冷却)它们的温度。作为替代方案，两个热交换器可以彼此平行布置以同时调节(冷却)温度。当然，还可以独立控制两个热交换器。此外，热交换U 40可以将以此方式回收的热量供应至外部装置或设施，或者，例如，回收的热量可以用于在安装装置(***)1的设施中进行冷却和加热。在此，在这种情况下，可以省略冷却器。
即使“燃料电池”的空气电极一侧的出口压力是接近大气压(约0.1MPa)的“低压”，例如，上述水封泵301也可以根据其真空泵运行抽吸废气，对其进行除湿处理，并将所得物转移到尾气缓冲罐123。在此，在这种“低压”的情况下，“燃料电池”的空气电极一侧处的出口压力根据水封泵301的抽吸作用下降到低于1atm(约0.1MPa)，并且结果是，预期“燃料电池”的电池中燃料电池反应后的气体被主动地抽出，并且因此提高“燃料电池”的发电效率。
以此方式，水封泵301非常适合与“燃料电池”组合。实际上，在对其中出口压力是1.2atm(约0.12MPa)并且相对湿度是约100％的“燃料电池”的废气进行除湿处理时，通过使用水封真空泵LEH100SMS(从樫山工业株式会社可商购的)，获得具有与大气中典型值类似的相对湿度(即几十％)的废气，并且还有可以将其快速储存在罐123中。
附带地，当水封泵301的真空泵运行过强时，“燃料电池”的电池内的气体可能被抽出过多，这可能阻碍燃料电池反应。因此，优选调节水封泵301中的叶轮301a的转速，使得对尾气缓冲罐123的输送流速不超过引入流速的参考值。此外，为了适当地进行此种调节，优选在水封泵U 30的紧靠吸入口的前方和紧靠抽取口的后方安装流量计和压力计，并且监测废气的流速和压力。
接下来，在图6(B)所示的实施例中，在燃料电池U 11与水封泵U 30之间设置有绝热膨胀室50。在此，经由流量控制阀从“燃料电池”的空气电极一侧抽取的废气在水封泵301的吸力作用下被吸入绝热膨胀室50。此时，吸入的废气立即从空气电极一侧的出口管排出到具有预定腔室容积的绝热膨胀室50中，使得该废气绝热膨胀并降低其自身温度。结果是，废气中所含的水分/水蒸气含量的一部分由于饱和水蒸气密度的降低而冷凝并积聚在绝热膨胀室50的下部。在此，当水封泵301的真空泵运行(叶轮301a的转速)在预定限度内加强，并且流量控制阀调节流入绝热膨胀室50的废气的流速以使废气压力急剧下降时，绝热膨胀程度变更大，并且因此提高由于冷凝产生的除湿效果。例如，可以将废气的温度降低几十℃的水平，冷凝大量的水蒸气含量，并将其从废气中排除。
以此方式，绝热膨胀室50用作水封泵U 30前面的废气除湿机构。在此，在这种情况下，水封泵U 30吸入绝热膨胀后水分/水蒸气含量降低的废气，并且进一步降低废气中的水分/水蒸气含量。即，当设置绝热膨胀室50时，可以将相对湿度进一步更低的废气送到尾气缓冲罐123。
此外，在本发明的实施例中，设置了热交换U 60，其中
(a)包括在水封泵U 30中的热交换器、安装在绝热膨胀室50中的热交换器(在图6(B)中，管束501)、以及包括在燃料电池U 11中的热交换器串联(或并联)地布置，并且
(b)从水封泵U 30的密封液和“燃料电池”接收热量并将热量传递到绝热膨胀室50，并且立即调节密封液、绝热膨胀室50和“燃料电池”的温度。
热交换U 60也使用冷却器和泵来调节温度，但是由于热交换介质在绝热膨胀室50中冷却，所以可以使用低消耗功率的冷却器和泵。当然，在热交换U 60中，以此方式回收的热量可以供应至外部装置或设施，或者例如，回收的热量可以用于在安装装置(***)1的设施中进行冷却和加热。在此，同样在这种情况下，可以省略冷却器。
作为改进的实施例，在热交换U 60中，可以省略“燃料电池”中的热交换器，并且热交换U 60还可以用作从水封泵U 30的密封液中去除热量并将热量传递到绝热膨胀室50的传热机构。同样在这种情况下，可以省略冷却器或降低电力消耗。
作为其中将绝热膨胀室50用作除湿机构的又另一个实施例，在图6(B)的配置中省略了水封泵U 30，并且另外，
(a)将来自燃料电池U 11的“燃料电池”的废气的压力设定为超过大气压(1atm，约0.1MPa)的压力，例如等于或大于3atm(约0.3MPa)的压力(即“燃料电池”在高压下使用压力控制U 121和压力控制U 113驱动(图1))，并且
(b)将此种高压废气排出到绝热膨胀室50中以从高压状态释放，并且因此去除废气中相当多的水分/水蒸气含量。
在这种情况下，在不使用需要驱动力的水封泵U 30的情况下，可以可靠地进行废气的除湿处理。
参考图6(A)和6(B)，上面已描述了使用水封泵301的除湿机构。在两个附图中所示的实施例中任一个中，用于驱动水封泵U 30和冷却器及泵的至少一部分电力可以由“燃料电池”供应，并且另外，当然，可以由自然能源发电U 101(图1)和蓄电U 101s(图1)供应。此外，优选提供纯水回收机构(具体而言，例如管、泵和过滤器)，以回收从“燃料电池”排出的水、从绝热膨胀室50(在图6(B)的情况下)抽取的(溢出的)水、以及还有气液分离罐302的溢出的水(在其纯度高的情况下)，并将回收的水作为纯水或高纯水提供给外部。在这种情况下，本发明的装置(***)1还用作纯水供应装置(***)。
[气液分离U的一个实施例：干式过滤器]
图7是展示出作为根据本发明的除湿机构的气液分离U 122的一个实施例的示意图。
在图7所示的实施例中，气液分离U 122是使用干式过滤器122f的干式过滤器单元。干式过滤器122f是过滤器，其可以
(a)接收具有超过大气压(1atm，约0.1MPa)、例如3atm(约0.3MPa)或更高的压力的废气，
(b)急剧改变容器下部中废气的流动方向，并分离废气中的水分、油和微量混合物，
(c)将其方向改变并进入网管122f1的废气用网管122f1的网孔和其中的中空纤维过滤器(渗透的水蒸气多于空气)过滤，并去除废气中的细颗粒/水分/水蒸气含量，以及
(d)通过过滤期间产生的热量蒸发废气中的水分。
在此，从废气抽取的水分/水蒸气含量可以经由排水器122f2排出到过滤器122f的外部，并且这可以作为纯水或高纯水供应到外部。无论如何，干式过滤器122f的结构不限于图7所示的结构，并且可以使用各种已知的干式过滤器结构作为该结构。
在如图7所示的本发明的实施例中，为了向干式过滤器122f供应具有高压(例如3至7atm(约0.3至0.7MPa))的废气，设置这样的机构，其中
(a)使用压力控制U 121和压力控制U 113，将具有高压(例如，3至7atm(约0.3至0.7MPa))的空气(或含有氮气和氧气的气体)和具有高压(例如，3至7atm(约0.3至0.7MPa))的氢气(燃料气体)供应到“燃料电池”，并且
(b)从“燃料电池”抽取具有高压(例如，3至7atm(约0.3至0.7MPa))的废气，并且将其送至干式过滤器122f。
正如上所述，高压规格的“燃料电池”和干式过滤器112f是非常合适的组合，即作为“燃料电池”和干式过滤器112f系列的高压***可以在提高电池反应效率的同时有效地去除产生的水分/水蒸气含量。
此外，在本发明的实施例中，将从干式过滤器112f排出的废气(其具有降低的水分或水蒸气含量和高压)送向氮气过滤器U 12，而不通过(或它可以通过)尾气缓冲罐123。在此，在氮气过滤器U 12的氮气过滤器12f中，如上所述，当待施加的废气的压力较高时，输出废气的氧浓度较低，即，获得较高纯度的氮气。因此，应理解，干式过滤器112f和氮气过滤器U 12也是形成了其系列的高压***的非常合适的组合。
[氮气过滤器U的另一个实施例]
在下文中，将描述氮气过滤器U 12的另一个优选实施例。如上所述，图1所示的氮气过滤器U 12包括过滤器吹扫单元，该过滤器吹扫单元抽取含有通过渗透过氮气过滤器12f的中空纤维而与(废气中的)氮分子分离的氧分子的“过滤器废气”。在此，由于从过滤器吹扫单元排出的“过滤器废气”以此方式含有相当量的氧分子，因此它成为可再次用于燃料电池反应或可再次过滤的气体。
在使用UBE N2分离器NM-B01A(从宇部兴产株式会社可商购的)作为氮气过滤器12f的情况下，在引入压力为6.0atm(约0.61MPa)和出口流速为1.0L/min的条件下，将氧浓度为10.2vol％的气体引入氮气过滤器12f，并且然后研究从中排出的过滤器废气的氧浓度。作为实验结果，获得了14.9vol％的氧浓度并且获得了0.29的回收率。此外，经实验证实，(a)当引入氧浓度较大时，(b)当引入压力较低时，以及(c)当出口流速较大时，过滤器废气中的氧浓度较高。
在此，假设引入气体的几乎所有氧分子都从氮气过滤器12f的过滤器吹扫单元排出(这是可能的，因为过滤器12f出口处的氧浓度数量级较小)，使用上述实验中获得的回收率(0.29)，过滤器废气的氧浓度的计算结果是0.102/0.71＝14.4，这与上述实验中获得的14.9vol％几乎相同。因此，发现几乎所有作为不需要组分分离的氧气含量都可以从氮气过滤器12f的过滤器吹扫单元中回收。
因此，本发明的实施例的氮气产生装置(***)1包括如图1中的“圈出的“B””所指示的气体回流通道，并且
(a)将过滤器废气送回安装在“燃料电池”空气电极一侧前级的流量控制U 109，并在“燃料电池”中再次将其作为含有氧气和氮气的气体使用，和/或
(b)将其送回安装在氮气过滤器U 12前方的尾气缓冲罐123，并与废气一起再次施加到氮气过滤器12f。
由此，可以有效地利用氧气含量并抽取具有较低氧浓度的氮气。
在此，如果在“燃料电池”中再次使用具有比空气低的氧浓度的过滤器废气，则“燃料电池”的废气可以变成具有较低氧浓度的废气。并且由此，由于在其中引入此种废气的氮气过滤器12f中的回收率变大(如参考图5所述)，因此可以最终抽取更大量的氮气。并且，通过以此方式增加氮气过滤器12f中的最终回收率，还可以显著降低氮气产生成本，尽管这取决于氮气产生装置(***)1中的各种条件的设定。
附带地，发现，在来自“燃料电池”的废气的氧浓度是约15vol％并且还有过滤器废气的氧浓度作为典型值例如是引入氧浓度c_in_O2的1.4倍的条件下，过滤器废气的氧浓度变得等于或高于空气的氧浓度(20.8vol％)，并且结果是，以上将过滤器废气送回“燃料电池”的空气电极一侧的优点没出现。
另一方面，当过滤器废气的氧浓度还是引入氧浓度的1.4倍并且来自“燃料电池”的废气氧浓度是约10vol％时，过滤器废气的氧浓度是约14vol％(<20.8vol％)，并且以上过滤器废气送回变得显著。此外，当来自“燃料电池”的废气的氧浓度是约5vol％时，过滤器废气的氧浓度是约7vol％，这预期提高回收率。并且根据***设定，还可以达到显著降低氮气产生成本的经济效果。
在下文中，将描述氮气过滤器U 12的又另一个实施例。图8是展示出根据本发明的过滤机构的另一个实施例的示意图。
根据图8所示的实施例，三个氮气过滤器12f1、12f2和12f3安装在氮气过滤器U 12中，使得它们并联地连接。当然，并联地连接的氮气过滤器的数量不限于3个，并且可以是2个或4个或更多个。
具体地，供应到氮气过滤器U 12的废气被分流，并被三个氮气过滤器12f1、12f2和12f3中的每一个吸入。每个氮气过滤器作用于一定量的其自身(每个氮气过滤器)吸入的供应废气，并产生具有增加的氮浓度的气体，即高纯度氮气，并且最终，这些高纯度氮气合并，并被送向氮气罐129。
此外，优选地将从三个氮气过滤器12f1、12f2和12f3中的每一个排出的过滤器废气送回到“燃料电池”的前级的流量控制U 109(图1)，和/或送回到氮气过滤器U 12(图1)的前级的尾气缓冲罐123(图1)，并重复使用。此外，当从这些氮气过滤器排出的过滤器废气中的氧浓度等于或大于预定值时，可以将过滤器废气送到外部氧气罐并容纳和储存。在任何情况下，根据此种处理，都可以更有效地利用氧气含量，并且可以抽取具有较低氧浓度的氮气。
此外，使用多个彼此平行布置的氮气过滤器的上述过滤处理使得可以同时吸入大量废气并向外部提供更大量的高纯度氮气。例如，根据4英寸直径的氮气过滤器(从大赛璐-赢创公司可商购的)的目录值，当以40L/min的流速接收7atm(约0.7MPa)的空气时，4英寸直径的氮气过滤器在回收率约0.25的条件下以约10L/min的流速排出具有约0.1vol％的氧浓度的高纯度氮气。
例如，在三个此类氮气过滤器彼此平行布置、并且将废气(具有比空气低的氧浓度，例如，氧浓度为5至10vol％)以7atm(约0.7MPa)并以40L/min的流速放入每个氮气过滤器中的情况下，可以以约30(＝10×3)L/min的总流速将具有在0.01vol％(100ppm vol)范围内的氧浓度或为远低于0.1vol％(1000ppm vol)的氧浓度的高纯度氮气提供至外部。
在此在这种情况下，由于废气以原始总流速120(＝40×3)L/min的三分之一的流速流入每个氮气过滤器，因此与使用一个氮气过滤器的情况相比，每个氮气过滤器的氧分离能力进一步改进。当然，当使用具有更大直径(例如，6英寸直径)的氮气过滤器时，可以供应更大量的高纯度氮气。进一步例如，在选择型6英寸直径的氮气过滤器(从大赛璐-赢创公司可商购)中，回收率是约0.32，其与4英寸直径的氮气过滤器的回收率(约0.25)相比显著提高，并且可以相应地向外部提供更大量的高纯度氮气。
同样在本发明的实施例中，优选总控制U 131(图1)不断地监测来自“燃料电池”的废气的氧浓度、压力和流速以及另外地每个氮气过滤器的引入氧浓度、引入压力、引入流速、引入气体温度、出口氧浓度、出口压力、出口流速等，并及时控制单个单元，使得可以提供预定量(预定流速)的具有预定高氮浓度的氮气。
[通过机器学习进行控制]
在下文中，将描述使用机器学习对氮气产生装置(***)1中氮气产生的控制，其中将水封泵U 30(图6(A))用作根据本发明的除湿机构，使用氮气过滤器U 12(图1)将已在水封泵U 30中除湿的废气转化为高纯度氮气。在此，可以在总控制U 131(图1)中进行该控制。
首先，认为利用吸入的空气和氢气产生高纯度氮气的氮气产生装置(***)1处于稳定的运行状态。准备了大量在稳定运行状态下获得的测量值数据集，例如，
(a)关于燃料电池U 11(图1)中的“燃料电池”的空气引入流速，
(b)“燃料电池”的氢电极与空气电极之间的复阻抗值，
(c)“燃料电池”的温度，
(d)“燃料电池”的发电量，
(e)“燃料电池”空气电极一侧处的废气出口流速，
(f)“燃料电池”空气电极一侧处的废气出口压力，
(g)水封泵301中叶轮301a的转速(或驱动功率)，
(h)水封泵301位置处或气液分离罐302位置处的密封液温度，
(i)水封泵U 30的排出口处的废气的相对湿度，
(j)氮气过滤器U 12中引入废气的温度，
(k)氮气过滤器U 12中引入废气的压力，
(l)氮气过滤器U 12的(氮气的)出口流速，和
(m)氮气过滤器U 12中的(氮气的)出口氧浓度。
然后，使用这些数据集，构建基于例如深度神经网络(DNN)算法的氮气产生模型。由此，包括构建模型的控制程序优选地控制氮气产生装置(***)1的运行状态。在构建的氮气产生模型中，例如可以将以上(a)至(k)设定为解释变量，并将以上(l)和(m)设定为目标变量。
通过将关于燃料电池U 11、水封泵U 30和氮气过滤器U 12的运行状态的信息输入到构建的模型中，可以知道或预测作为装置(***)1的性能的
(l’)可供应到外部的高纯度氮气的供应流速，以及
(m’)可供应到外部的高纯度氮气的纯度(或氧浓度)。在此，作为模型构建和性能预测的解释变量，优选地使用至少以上(a)和(g)。此外，以上(l)或(m)可以设定为目标变量。
作为另一个改进的实施例，可以构建将以上(b)至(f)和以上(h)至(m)设定为解释变量，并将以上(a)和(g)设定为目标变量的氮气产生控制模型。包括构建的控制模型的控制程序使得能够控制氮气产生装置(***)1的运行状态。从而可以获得
(a)关于“燃料电池”的空气引入流速和
(g)水封泵301中叶轮301a的转速(或驱动功率)
这些是在待供应的高纯度氮气中实现目标供应流速和目标纯度(或氧浓度)所必需的。并且因此，可以根据获得的那些通过进行控制来实现目标。在此，优选地将以上(l)或(m)中的至少一个用作模型构建和控制量预测的解释变量。此外，以上(a)或(g)可以设定为目标变量。
如已经提到的，氮气使用者对氮气纯度和供应量(流速)的要求非常依赖于领域和具体应用。在一些情况下，总控制U 131(图1)优选地根据此类个体使用者的要求不同地构建氮气产生模型和氮气产生控制模型，并且优选地使用包括适合于使用者所希望的性能的构建模型的控制程序使氮气产生装置(***)1表现出满足使用者要求的高性能。
[使用催化剂燃烧的另一个实施例]
图9是展示出根据本发明的氮气产生装置/***的另一个实施例的示意图。
在图9所示的实施例中，在如图1所示的氮气产生装置(***)1中的氮气过滤器U12的后面(例如，在紧靠流量控制U 127的后级)设置催化剂燃烧U(单元)90。催化剂燃烧U90是这样的单元，其在由贵金属化合物如钯(Pd)和铂(Pt)或其他过渡金属化合物构成的燃烧催化剂上，使废气中的氢气和氧含量彼此接触，并进行催化剂燃烧，这是比火焰燃烧更可控的氧化反应。
具体地，在本发明的实施例中，催化剂燃烧U 90吸入
(a)从氮气过滤器U 12抽取的具有低氧浓度(例如，0.1至若干vol％的氧浓度)的氮气和
(b)氢气，其从燃料电池U 11的氢电极一侧的出口抽取，经过排水器111、压力控制U 113和气液分离U 114，并且然后由氢气回收U 115回收，然后通过流量控制U 902和止回阀发送。
然后，催化剂燃烧U 90使这些氮气和氢气在作为安装在单元中的燃烧催化剂的固体催化剂90a的表面上彼此接触，引起催化剂燃烧反应，并最终将具有极低氧浓度(例如，氧浓度为约0.01vol％(100ppmvol))以及很少量水蒸气的高纯度氮气送到外部。当然，代替以上(b)中的氢气，可以将氢气从例如氢气产生U 102和/或燃料重整和氢气产生U 103供应到催化剂燃烧U 90。
作为安装在催化剂燃烧U 90中的燃烧催化剂的固体催化剂90a优选地是陶瓷蜂窝，其中开有许多细孔，并且金属如铂(Pt)或钯(Pd)作为催化剂被负载在包括孔内部的表面上。作为固体催化剂90a，例如，可以使用作为氧化催化剂的NA蜂窝(铂催化剂，从Nagamine Manufacturing公司可商购的)。
如目录所示，NA蜂窝是固体催化剂，其中铂族金属如铂(Pt)和钯(Pd)负载在含有铝酸钙(CaO·Al2O3)、熔融二氧化硅(SiO2)和二氧化钛(TiO2)为主要成分的载体表面。该载体具有蜂窝形状，并且负载在其上的铂族金属的接触面积很大，并且从而有效地引发氧化反应。附带地，NA蜂窝的最佳操作温度是200℃至850℃。
在本发明的实施例中，由于氢气与少量的氧气一起燃烧，因此与一般的接触燃烧相比，其反应热的量非常小。因此，将固体催化剂90a加热到例如250℃，并用作用于接触燃烧的催化剂。例如，可以使用电加热方法来进行加热，在这种方法中，将加热丝缠绕在固体催化剂90a周围，并进行载流加热。
此外，作为加热的另一个优选实施例，可以对固体催化剂90a进行感应加热。具体地，将铁(Fe)或铁合金(如不锈钢)混入固体催化剂90a的载体中，使用电磁场产生装置对固体催化剂90a施加例如几十千赫兹(kHz)到几百kHz的磁场(电磁场)，并且由于根据电磁感应原理产生的涡流，固体催化剂90a直接用焦耳热加热。
在此，根据电磁感应的集肤效应，优选在固体催化剂90a的载体表面附近，例如至少在载体的内部部分分散具有粉尘、碎片、粉末或薄片形状的铁合金如不锈钢，距离其表面的深度等于或大于渗透深度δ。由此，固体催化剂90a表面附近的要为高温的部分可以被加热到预定的高温，其中温度分布均匀。
作为替代方案，还可以安装铁或铁合金如不锈钢的板件，使其与例如固体催化剂90a的侧表面接触，并经由该板件根据电磁感应对固体催化剂90a进行感应加热。在任何情况下，在固体催化剂90a的感应加热中，即使使用多个固体催化剂90a，也不需要对每个固体催化剂90a布线如绕组加热丝，并且可以同时且轻松地加热多个固体催化剂90a。
如上所述，在本发明的实施例中，加热固体催化剂90a以便促进催化剂燃烧。在此，为了降低加热所需的电力，可以将从氮气过滤器U 12抽取的氮气中的氧浓度设定得略高。当以此方式氧浓度较大时，接触燃烧期间产生的热量增加，并且因此可以降低用于加热固体催化剂90a的电力。在任何情况下，考虑到最终待供应的氮气所需的纯度和供应量(流速)，重要的是适当调节氮气过滤器U 12的过滤条件(例如，废气的引入流速)和催化剂的燃烧条件(例如，固体催化剂90a的温度)。
此外，从催化剂燃烧U 90送出的具有极低氧浓度的氮气是以高温状态出来的，但热量可以通过安装在催化剂燃烧U 90出口处的板式或多管式热交换器901进行回收。在这种情况下，优选地，将通过热交换器901回收的热量以与从燃料电池U 11回收的热量相同的方式供应到尾气缓冲罐123，然后，用于将待供应至氮气过滤器U 12的废气温度增加到高值(例如，45℃)，或供应到外部。在此，当从催化剂燃烧U 90输出的氮气温度不那么高时，可以将该气体送到下面将描述的氢气过滤器U 903，而不通过热交换器901。
从催化剂燃烧U 90输出的具有极低氧浓度的氮气一般还包括在催化剂燃烧反应中未被燃烧的残余氢气。在本发明的实施例中，氢气过滤器U 903引入已通过热交换U 901的高纯度氮气，并且安装在其中的已知氢气过滤器从具有极低氧浓度的氮气中分离出残余氢气，并输出高纯度氮气。然后，输出的高纯度氮气优选地经由止回阀、氧浓度计、流量计和增压器U 128(图1)容纳和储存在氮气罐129(图1)中，并适当地提供给外部。
附带地，作为氢气过滤器，可以使用包括例如钯(Pd)基氢渗透膜的过滤器，或者还可以使用包括芳族聚酰亚胺基气体分离膜的氢气过滤器。例如，可以使用利用将中空纤维膜集束的管的UBE GAS SEPARATOR(从宇部兴产株式会社可商购的)和SEPURUN Noble(从赢创公司(Evonik)可商购的)。
此外，在本发明的实施例中，通过氢气过滤器U 903从氮气中分离出的氢气经由流量控制U 904送至氢气回收U 115，然后，可以再次用于燃料电池U 11，或可以在催化剂燃烧U 90中再次进行催化剂燃烧。此外，在氮气供应目的地需要还原气氛的情况下，例如，如果氮气供应目的地是抗氧化气氛炉、飞轮等，则在保证安全的同时可以将供应的氮气设定为含有少量氢气。
此外，如上所述，当在氮气产生装置(***)1(图1)中使用催化剂燃烧U90时，可以提高氮气过滤器U 12的氮气过滤器12f(图1)中的回收率。即，考虑到在催化剂燃烧U 90中氧浓度最终被设定为非常低的值，如果从氮气过滤器12f输出的气体的氧浓度被设定为例如若干vol％，则可以在氮气过滤器12f中引入具有相当大流速(出口流速)的废气(如从图2的图中可以看出的)。结果是，可以提高氮气过滤器12f中的回收率(如从图5的图中可以看出的)。
此外，在图9所示的实施例的氮气产生装置(***)中，可以只使用燃料电池U 11和催化剂燃烧U 90(即不使用氮气过滤器U 12)有效地产生具有较低氧浓度的氮气。在任何情况下，应理解，“燃料电池”和“催化剂燃烧”的组合在共享所需氢气和有效产生氮气方面是非常合适的。
附带地，虽然是不使用燃料电池的实施例，但作为有效地产生具有充分降低的水分或水蒸气含量的高纯度氮气的装置(***)，可以使用从图9所示装置(***)的配置中省略燃料电池U 11的装置(***)，即该装置包括氮气过滤器U 12和催化剂燃烧U 90作为主要部件。
[燃料电池的另一个实施例]
图10是展示出根据本发明的“燃料电池”的另一个实施例的示意图。
图10示出了适合作为包括在燃料电池U 11(图1)中的“燃料电池”的燃料电池11F。燃料电池11F包括多个电池(这些电池是配置单元，每个电池包括氢电极和空气电极与置于它们之间的电解质)，并被设计成使得这些电池被层压，以便氢气(燃料气体)和空气(含有氮气和氧气的气体)分别按从燃料供应侧的上电池至相反侧的下电池的顺序依次通过电池中的氢电极和电池中的空气电极。
整个电池被分成多个功能电池部分，具体地在图10中，发电优先电池部分11Fa、中间电池部分11Fb和除氧电池部分11Fc。功能电池部分(11Fa、11Fb和11Fc)中的每一个包括一个电池或多个连续电池(图10中，两个或三个电池，实际上例如几个至几百个电池)，并且不与其他功能电池部分串联地电气连接，而是与控制发电量的单个控制器(11Ca、11Cb、11Cc)电气连接。
如图10所示，控制器11Ca、11Cb和11Cc分别接收发电优先电池部分11Fa、中间电池部分11Fb和除氧电池部分11Fc中氢电极与空气电极之间产生的电动势，并根据控制器负责的相应功能电池部分输出电力。此外，在这种情况下，控制器优选地测量控制器所负责的功能电池部分的复阻抗，并根据功能电池部分进行控制/管理。
另一方面，常规的燃料电池、特别是PEFC类型的常规燃料电池是由一系列的例如串联地电气连接的几百个电池而构成的，以便保证作为实际电源所需的电力，因为一个电池的电动势一般小于1V(伏特)。在此，当然，在具有小的氧供应量的电池中，可产生的电量小，但有必要使串联地连接的单个电池的发电量在一定程度上均匀。因此，包括这种具有小的氧供应量的电池的所有串联连接电池发电效率(关于氢供应量)会受到很大的影响。
相比之下，在燃料电池11F中，
(a)具有大的氧供应量的发电优先电池部分11Fa(其中没有消耗很多供应空气中的氧气)，
(b)中间电池部分11Fb，其是关于氧供应量的中间体，和
(c)具有小的氧供应量的除氧电池部11Fc(消耗了大量的供应空气中的氧气)
可以单独接收适合于单独供氧量的发电量控制。因此，可以通过实施此类发电量控制，在燃料电池11F中最大化或提高氧气还原效率和发电效率两者(关于氢供应量)。
以此方式，燃料电池11F作为燃料电池U 11(图1)的“燃料电池”(即用于产生高纯度氮气)是非常合适的燃料电池。当然，燃料电池11F还可以作为能够优化发电效率的合适的燃料电池用于其他一般对象。
附带地，燃料电池11F中的功能电池部分的数量不限于三个，并且可以是两个或四个或更多个。例如，在数百个电池中，下150级电池组和剩余的上电池组可以分别用作第一功能电池部分和第二功能电池部分。
如上详述的，根据本发明，可以使用燃料电池可靠且稳定地产生高纯度氮气。特别地，在使用水封泵或干式过滤器对来自燃料电池的废气进行除湿处理并且另外使用氮气过滤器以及还有催化剂燃烧的情况下，可以更可靠、更稳定且更有效产生更高纯度氮气。
此外，在未来，当氢气社会/零碳社会出现时，使用氢气作为燃料气体的燃料电池的使用预计将变得非常普遍。本发明将极大地促进在这样的时代下的高效氮气生产。当然，本发明还将使得可以满足现场供应电力和热量的需要，并且在一些情况下还满足供应纯水的需要。即，认为本发明将极大地促进本地生产和本地消费的零碳能源/产品需求-供应***的构建，这被认为是未来的理想形式。
此外，根据本发明，虽然这只是本发明的一个实施例，但也可以利用包括电解部分的氢气产生U向燃料电池供应氢气作为燃料气体。还认为，此种配置将在上述的氢气社会/零碳社会中得到极大的利用。
在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以构建本发明的上述各种实施例的许多广泛不同的替换和修改。所有前述实施例是仅作本发明的实例之用，并且并不旨在进行限制。因此，仅如以下权利要求及其等效物中所界定的那样限定本发明。
附图标记列表
1 氮气产生装置/***
101 自然能源发电U(单元)
101s 蓄电U
102 氢气产生U
103 燃料重整和氢气产生U
104 氢气罐
105、109、127、902、904 流量控制U
106 空气压缩U
107 空气罐
108 过滤器U
11 燃料电池U
11Ca、11Cb、11Cc 控制器
11F 燃料电池
11Fa 发电优先电池部分
11Fb 中间电池部分
11Fc 除氧电池部分
111、112 排水器
113、121 压力控制U
114、122 气液分离U
115 氢气回收U
12 氮气过滤器U
12f、12f1、12f2、12f3 氮气过滤器
122f 干式过滤器
112f1 网管
122f2 排水器
123 尾气缓冲罐
124、128 增压器U
125 腐蚀性气体等去除U
126 温度控制U
129 氮气罐
131 总控制U
30 水封泵U
301 水封泵
302 气液分离罐
40、60、901 热交换U
50 绝热膨胀室
501 管束
90 催化剂燃烧U
90a 固体催化剂
903 氢气过滤器U

Claims (17)

1.一种氮气产生装置，其包括：
燃料电池，该燃料电池被配置为通过吸入空气或含有氮气和氧气的气体以及燃料气体来运行；
除湿机构，该除湿机构被配置为降低从该燃料电池抽取的并且具有比空气更低的氧浓度的废气中的水分或水蒸气含量；以及
过滤机构，该过滤机构包括使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器并且被配置为将具有降低的水分或水蒸气含量的废气转化为具有增加的氮浓度的气体。
2.如权利要求1所述的氮气产生装置，其进一步包括增压器机构，该增压器机构被配置为增加该具有降低的水分或水蒸气含量的废气的压力，
其中该过滤机构适配成将具有增加的压力的废气转化为具有增加的氮浓度的气体。
3.如权利要求1所述的氮气产生装置，其中，该过滤器是在其中当待过滤气体的氧浓度较低时回收率较高的过滤器。
4.如权利要求1所述的氮气产生装置，其进一步包括气体回流通道，在其中从施加了该废气的该过滤器抽取过滤器废气，该过滤器废气是以下这种气体，其含有已渗透过这些纤维的气体并且不同于该具有增加的氮浓度的气体，并且将抽取的过滤器废气添加到待供应至该燃料电池的该空气或该含有氮气和氧气的气体中并在该燃料电池中使用，和/或添加到待供应至该过滤机构的废气中并在该过滤机构中使用。
5.如权利要求1所述的氮气产生装置，其中，该过滤机构包括彼此平行布置的多个过滤器，并且这些过滤器中的每个作用于这些过滤器中的每个吸入的一定量的供应废气。
6.如权利要求1所述的氮气产生装置，其中，该除湿机构是包括水封泵的泵单元。
7.如权利要求6所述的氮气产生装置，其进一步包括热交换器，该热交换器被配置为从该泵单元的密封液和该燃料电池接收热量并调节该密封液和该燃料电池的温度。
8.如权利要求6所述的氮气产生装置，其进一步包括绝热膨胀室，在其中从该燃料电池抽取的废气绝热膨胀，
其中该泵单元吸入绝热膨胀的废气并降低该废气中的水分或水蒸气含量。
9.如权利要求8所述的氮气产生装置，其进一步包括热交换器，该热交换器被配置为从该泵单元的密封液和该燃料电池接收热量，将该热量传递到该绝热膨胀室，并调节该密封液、该绝热膨胀室和该燃料电池的温度。
10.如权利要求9所述的氮气产生装置，其进一步包括纯水回收机构，该纯水回收机构被配置为提供从该燃料电池、该绝热膨胀室和/或该泵单元抽取的高纯水。
11.如权利要求1所述的氮气产生装置，其进一步包括催化剂燃烧机构，该催化剂燃烧机构被配置为使从该过滤器抽取的具有增加的氮浓度的气体与该燃料气体在燃烧催化剂上反应，并将该具有增加的氮浓度的气体转化为具有较低的氧浓度的气体。
12.如权利要求11所述的氮气产生装置，其中，该催化剂燃烧机构使该具有增加的氮浓度的气体与该燃料气体在通过电磁感应加热的该燃烧催化剂上反应。
13.如权利要求1所述的氮气产生装置，其进一步包括压力控制器，该压力控制器被配置为使能够将具有超过大气压的压力的空气或含有氮气和氧气并具有超过大气压的压力的气体、以及具有超过大气压的压力的燃料气体供应至该燃料电池，
其中该过滤机构将具有超过大气压的压力的废气转化为具有增加的氮浓度的气体。
14.如权利要求13所述的氮气产生装置，其中，该除湿机构是干式过滤器单元，其降低从该燃料电池抽取的并且具有超过大气压的压力的废气中的水分或水蒸气含量，并且
其中，该过滤机构将具有降低的水分或水蒸气含量并且具有超过大气压的压力的废气转化为具有增加的氮浓度的气体。
15.如权利要求1所述的氮气产生装置，其中，该燃料电池包括为配置单元的多个电池，每个电池包括两个电极与置于它们之间的电解质，所有该多个电池被分成多个功能电池部分，每个功能电池部分包括一个电池或多个连续电池，并且不是串联地电气连接到其他功能电池部分，而是电气连接到控制发电量的单个控制器。
16.一种氮气产生***，其包括：
燃料电池，该燃料电池被配置为通过吸入空气或含有氮气和氧气的气体以及燃料气体来运行；
除湿机构，该除湿机构被配置为降低从该燃料电池抽取的并且具有比空气更低的氧浓度的废气中的水分或水蒸气含量；以及
过滤机构，该过滤机构包括使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器并且被配置为将具有降低的水分或水蒸气含量的废气转化为具有增加的氮浓度的气体。
17.一种氮气产生方法，其包括：
将空气或含有氮气和氧气的气体以及燃料气体供应至燃料电池并运行该燃料电池的步骤；
从该燃料电池抽取具有比空气更低的氧浓度的废气的步骤；
降低抽取的废气中的水分或水蒸气含量的步骤；以及
将具有降低的水分或水蒸气含量的废气施加到使用对氮气和氧气具有不同渗透度的纤维的过滤器中并从该过滤器抽取具有增加的氮浓度的废气的步骤。
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