JP2022114256A - Nitrogen gas generation device and method of dehumidifying and filtering fuel battery exhaust gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、純度の高い窒素ガスを生成する技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technology for generating nitrogen gas with high purity.
近年、燃料電池の利用が盛んに進められている。例えば、燃料電池自動車が実用化され、家庭用及び産業用燃料電池設備も普及しつつある。燃料電池を用いれば高効率の発電が実現するのみならず、従来の内燃機関を用いた発電手段とは異なり、二酸化炭素の排出を概ねゼロにすることも可能となる。このことから、燃料電池技術は、カーボンゼロ社会の実現に大きく資するものと期待されている。 In recent years, the use of fuel cells has been actively promoted. For example, fuel cell vehicles have been put into practical use, and household and industrial fuel cell facilities are also becoming popular. The use of fuel cells not only realizes highly efficient power generation, but also makes it possible to reduce carbon dioxide emissions to almost zero, unlike conventional power generation means using internal combustion engines. Therefore, fuel cell technology is expected to greatly contribute to the realization of a carbon-free society.
本願発明者等は、このような燃料電池のポテンシャルに注目し、特許文献１及び２に記載されているように、燃料電池を利用した半田付け装置を発明してきた。この半田付け装置では、燃料電池で生成した電力だけでなく、発電によって発生する排ガスをも半田付け装置に供給して利用している。
The inventors of the present application focused on such potential of fuel cells, and have invented a soldering apparatus using fuel cells as described in
また、本願発明者等は、特許文献３及び４に記載されているように、被加熱対象物を不活性ガス中において電力加熱して加工を行う加工装置に対し、この不活性ガスと電力とを供給する燃料電池を利用した発電装置も発明している。この発電装置は、燃料電池からの排ガスに含まれる酸素分や水蒸気分・水分を除去し又は低減させて、この排ガスを、加工装置での使用に好適な不活性なガスに変換することもできるのである。
In addition, as described in
さらに、本願発明者等は、特許文献５に記載されているように、第１の燃料電池部から第Ｎの燃料電池部までのＮ個の燃料電池部を連結して、酸素量の十分に小さい低酸素ガスを供給可能な電力及びガス供給装置も発明している。またさらに、特許文献６に記載されているように、大気圧を超える圧力を有する空気及び燃料気体を燃料電池へ供給して、この燃料電池を稼働させ、この燃料電池から取り出した大気圧を超える圧力を有する排ガスを、窒素フィルタに対し、大気圧を超える圧力をもって作用させ、このフィルタから窒素濃度の増大したガスを取り出す窒素ガス生成装置も発明している。
Furthermore, as described in
このように本願発明者等は、燃料電池を利用すれば、各種生産・サービス提供現場において多くの需要が存在する純度の高い窒素ガスを供給することが可能となることに思い至った。 In this way, the inventors of the present application have come to realize that the use of fuel cells makes it possible to supply high-purity nitrogen gas, which is in great demand at various production and service provision sites.
このような高純度の窒素ガスは、不活性ガスであり支燃性も助燃性もなく、非常に有用なガスではあるが、現在、空気を原料として、圧力変動吸着（ＰＳＡ）法、深冷空気分離法や、膜分離法等により生成されているのが現状である。 Such high-purity nitrogen gas is an inert gas with neither combustion support nor combustion support, and is a very useful gas. Currently, it is produced by an air separation method, a membrane separation method, or the like.
ここで、従来のように空気をそのまま原料とするのではなく、燃料電池の排ガスを利用すれば、効率的に純度の高い窒素ガスを生成することも可能となるのではないかと考えたのである。また勿論、燃料電池を用いるのであるから、高純度の窒素ガスに合わせて、電力も供給可能となる。 Here, instead of using air as it is as a raw material as in the past, I thought that it might be possible to efficiently generate high-purity nitrogen gas by using the exhaust gas from the fuel cell. . In addition, of course, since a fuel cell is used, electric power can be supplied together with high-purity nitrogen gas.
ただし、燃料電池から取り出された排ガスは通常、燃料電池反応で発生する多量の水（Ｈ2Ｏ）を含み、その相対湿度は概ね100%となっている。したがって、そのままでは、この後の高純度化処理を実施するのに弊害が生じ、当該処理を確実に且つ安定的に行うことが困難となってしまう。 However, the exhaust gas taken out from the fuel cell usually contains a large amount of water (H 2 O) generated by the fuel cell reaction, and its relative humidity is approximately 100%. Therefore, if left as it is, there will be a detrimental effect on the subsequent high-purification treatment, and it will be difficult to perform the treatment reliably and stably.
そこで、本発明は、燃料電池を用い、純度の高い窒素ガスを確実に且つ安定的に生成する装置、システム及び方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus, system, and method for reliably and stably producing high-purity nitrogen gas using a fuel cell.
本発明によれば、空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変えるフィルタリング手段と
を有する窒素ガス生成装置が提供される。
According to the present invention, a fuel cell that operates by taking in air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas;
a dehumidifying means for reducing the moisture or water vapor content in the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air, which is taken out from the fuel cell;
Provided is a nitrogen gas generator comprising a filter using fibers having different degrees of permeation of nitrogen and oxygen, and filtering means for converting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration. be.
この本発明による窒素ガス生成装置の一実施形態として、本装置は、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを増圧させる増圧手段を更に有し、フィルタリング手段は、増圧した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変えることも好ましい。 As an embodiment of the nitrogen gas generating apparatus according to the present invention, the apparatus further has pressure increasing means for increasing the pressure of the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content, and the filtering means filters the increased pressure of the exhaust gas into nitrogen gas. It is also preferred to change to a gas of increased concentration.
また、フィルタリング手段のフィルタは、フィルタリング対象気体の酸素濃度が低いほど回収率が高くなるフィルタであることも好ましい。 Moreover, it is also preferable that the filter of the filtering means is a filter whose recovery rate increases as the oxygen concentration of the gas to be filtered decreases.
さらに、本発明による窒素ガス生成装置の他の実施形態として、当該排ガスを作用させたフィルタから、当該繊維を透過したガスを含むフィルタ排出ガスであって、当該窒素濃度の増大したガスとは別のガスであるフィルタ排出ガスを取り出し、取り出した当該フィルタ排出ガスを、燃料電池へ供給する空気、若しくは窒素及び酸素を含む気体に加えて使用させる、及び／又は、フィルタリング手段へ供給する当該排ガスに加えて使用させるガス戻し流路を更に有することも好ましい。 Furthermore, as another embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention, the filter exhaust gas containing the gas that has permeated the fibers from the filter on which the exhaust gas has acted, is separated from the gas with increased nitrogen concentration. and use the filter exhaust gas in addition to the air supplied to the fuel cell or the gas containing nitrogen and oxygen, and/or the exhaust gas supplied to the filtering means In addition, it is preferable to further have a gas return channel for use.
また、本発明に係るフィルタリング手段における一実施形態として、フィルタリング手段は、並列に配置された複数の当該フィルタを備えており、当該フィルタの各々が、供給された当該排ガスにおける自身への取り込み分に作用することも好ましい。 In addition, as one embodiment of the filtering means according to the present invention, the filtering means comprises a plurality of filters arranged in parallel, each of which filters the amount of the supplied exhaust gas taken into itself. It is also preferred to act
さらに、本発明に係る除湿手段における一実施形態として、除湿手段は水封式のポンプを含むポンプユニットであることも好ましい。またこの場合に、本装置は、ポンプユニットの封液及び燃料電池から熱を受け取り、当該封液及びこの燃料電池の温度を調整する熱交換手段を更に有することも好ましい。 Furthermore, as an embodiment of the dehumidifying means according to the present invention, it is also preferable that the dehumidifying means is a pump unit including a water ring pump. In this case, it is also preferable that the apparatus further comprises heat exchanging means for receiving heat from the sealing liquid of the pump unit and the fuel cell and adjusting the temperature of the sealing liquid and the fuel cell.
さらに上記のポンプユニットを用いる実施形態において、本装置は、燃料電池から取り出された当該排ガスが、そこで断熱的に膨張する断熱膨張室を更に有し、ポンプユニットは、断熱的に膨張した後の当該排ガスを取り込んで当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させることも好ましい。またこの場合に、ポンプユニットの封液及び燃料電池から熱を受け取って断熱膨張室に熱を伝え、当該封液、この断熱膨張室及びこの燃料電池の温度を調整する熱交換手段を更に有することも好ましい。さらに本装置は、燃料電池、断熱膨張室、及び／又はポンプユニットから取り出した高純度の水を提供する純水回収手段を更に有することも好ましい。 Furthermore, in an embodiment using the above-described pump unit, the apparatus further has an adiabatic expansion chamber in which the exhaust gas extracted from the fuel cell adiabatically expands, and the pump unit adiabatically expands the It is also preferable to take in the exhaust gas to reduce the moisture or water vapor content in the exhaust gas. In this case, the pump unit further comprises heat exchange means for receiving heat from the sealing liquid of the pump unit and the fuel cell and transmitting the heat to the adiabatic expansion chamber to adjust the temperatures of the sealing liquid, the adiabatic expansion chamber and the fuel cell. is also preferred. Further, the apparatus preferably further comprises pure water recovery means for providing high purity water withdrawn from the fuel cell, the adiabatic expansion chamber and/or the pump unit.
また、本発明による窒素ガス生成装置の更なる他の実施形態として、本装置は、フィルタから取り出した窒素濃度の増大したガスと、当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、当該窒素濃度の増大したガスを、より低い酸素濃度を有するガスにする触媒燃焼手段を更に有することも好ましい。またこの場合、触媒燃焼手段は、当該窒素濃度の増大したガスと当該燃料気体とを、電磁誘導によって加熱した当該燃焼触媒上で反応させることも好ましい。 Further, as still another embodiment of the nitrogen gas generating apparatus according to the present invention, the present apparatus reacts the gas with increased nitrogen concentration taken out from the filter and the fuel gas on the combustion catalyst to obtain the nitrogen concentration It is also preferred to further include catalytic combustion means for converting the gas with increased oxygen concentration into gas having a lower oxygen concentration. In this case, it is also preferable that the catalytic combustion means causes the gas with increased nitrogen concentration and the fuel gas to react on the combustion catalyst heated by electromagnetic induction.
さらに、本発明による窒素ガス生成装置の更なる他の実施形態として、本装置は、大気圧を超える圧力を有する空気、又は大気圧を超える圧力を有する窒素及び酸素を含む気体と、大気圧を超える圧力を有する燃料気体とを燃料電池へ供給可能とする圧力制御手段を更に有し、フィルタリング手段は、大気圧を超える圧力を有する当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変えることも好ましい。 Furthermore, as yet another embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention, the device comprises air having a pressure above atmospheric pressure, or a gas containing nitrogen and oxygen having pressure above atmospheric pressure, and It is also preferred to further comprise pressure control means for enabling a fuel gas having a pressure above atmospheric pressure to be supplied to the fuel cell, the filtering means converting the exhaust gas having a pressure above atmospheric pressure into a nitrogen-enriched gas.
また、この圧力制御手段を用いる実施形態において、除湿手段は、燃料電池から取り出された、大気圧を超える圧力を有する当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させるドライフィルタユニットであり、フィルタリング手段は、大気圧を超える圧力を有しており水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変えることも好ましい。 Also, in an embodiment using this pressure control means, the dehumidifying means is a dry filter unit that reduces the moisture or water vapor content in the exhaust gas having a pressure above atmospheric pressure taken from the fuel cell, and the filtering means is: It is also preferred to convert the exhaust gas, which has a pressure above atmospheric pressure and a reduced moisture or water vapor content, to a gas with increased nitrogen concentration.
さらに、本発明による窒素ガス生成装置の更なる他の実施形態として、燃料電池は、電解質を間に挟んだ２つの極を含む構成単位であるセルを複数備えており、複数の当該セルの全体は複数の機能セル部に分けられ、各機能セル部は、１つの又は連続する複数のセルを含み、他の機能セル部と電気的に直列に接続されず、個別の発電量の制御部に電気的に接続されることも好ましい。 Furthermore, as yet another embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention, the fuel cell comprises a plurality of cells, which are structural units each including two electrodes with an electrolyte interposed therebetween, and the plurality of cells as a whole is divided into a plurality of functional cell sections, each functional cell section includes one or a plurality of continuous cells, is not electrically connected in series with other functional cell sections, and is an individual power generation amount control section An electrical connection is also preferred.
本発明によれば、また、空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変えるフィルタリング手段と
を有する窒素ガス生成システムが提供される。
According to the present invention, also a fuel cell operating with air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas,
a dehumidifying means for reducing the moisture or water vapor content in the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air, which is taken out from the fuel cell;
A nitrogen gas generation system comprising a filter using fibers having different degrees of permeability to nitrogen and oxygen, and filtering means for converting the exhaust gas having a reduced water or water vapor content into a gas having an increased nitrogen concentration is provided. be.
本発明によれば、さらに、空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを燃料電池へ供給して、該燃料電池を稼働させ、
燃料電池から、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスを取り出し、
取り出した当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させ、
水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを、窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタに対して作用させ、該フィルタから窒素濃度の増大した当該排ガスを取り出す
ことを特徴とする窒素ガス生成方法が提供される。
According to the present invention, further supplying air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas to the fuel cell to operate the fuel cell,
removing an exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air from the fuel cell,
Reduce the moisture or water vapor content in the extracted exhaust gas,
The exhaust gas with reduced moisture or water vapor content is acted on a filter using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and the exhaust gas with increased nitrogen concentration is extracted from the filter. A gas generation method is provided.
本発明によれば、燃料電池を用い、純度の高い窒素ガスを確実に且つ安定的に生成することができる。 According to the present invention, it is possible to reliably and stably generate high-purity nitrogen gas using a fuel cell.
以下に、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一の構成要素は、同一の参照番号を用いて示される。また、同様の構造及び機能を有することが可能な構成要素も、同一の参照番号を用いて示される場合がある。さらに、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated in detail, referring an accompanying drawing. In addition, in each drawing, the same component is indicated using the same reference number. Components that may have similar structures and functions may also be indicated using the same reference numerals. Furthermore, the dimensional ratios within and between constituent elements in the drawings are arbitrary for ease of viewing of the drawings.
［窒素ガス生成装置・システム］
図１は、本発明による窒素ガス生成装置・システムの一実施形態を示す模式図である。
[Nitrogen gas generator/system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a nitrogen gas generator/system according to the present invention.
図１に示した本発明の一実施形態としての窒素ガス生成装置１（又は窒素ガス生成システム１）は、
（Ａ）「空気、又は窒素及び酸素を含む気体」と、「燃料気体」（本実施形態では水素）とを取り入れて稼働する「（燃料電池Ｕ（ユニット）１１内の）燃料電池」と、
（Ｂ）「燃料電池」から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する「排ガス（オフガス）」における水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段（図１では気液分離Ｕ１２２、図６では水封ポンプＵ３０）と、
（Ｃ）窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維（例えば、中空糸繊維）を使用した「窒素ガスフィルタ１２ｆ」を備えており、水分又は水蒸気分の低減した「排ガス」を窒素濃度の増大したガスに変えるフィルタリング手段（図１では窒素フィルタＵ１２）と
を有することを特徴としている。
The nitrogen gas generator 1 (or nitrogen gas generation system 1) as one embodiment of the present invention shown in FIG.
(A) A "fuel cell (in the fuel cell U (unit) 11)" that operates by taking in "air or a gas containing nitrogen and oxygen" and a "fuel gas" (hydrogen in this embodiment);
(B) Dehumidification means for reducing moisture or water vapor content in "exhaust gas (off gas)" having an oxygen concentration lower than that of air taken out from the "fuel cell" (gas-liquid separation U122 in FIG. 1, water seal in FIG. pump U30);
(C) Equipped with a "
ここで、上記（Ｃ）の「窒素ガスフィルタ１２ｆ」は、上述したように、窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタであり、本願発明者等は、後にその内容を詳述するが、当該繊維を使用したフィルタにおいては、空気よりも低い酸素濃度（媒体100ml中のmlであり単位は体積(vol)％）を有する「排ガス」における「酸素濃度低減指数」が、その酸素濃度が低いほどより増大することを実験により確認している。
Here, the "
このように、窒素ガス生成装置（システム）１によれば、低酸素濃度の観点から非常に相性の良い「燃料電池」と「窒素ガスフィルタ１２ｆ」とを結合させることによって効率的に、低酸素濃度の、すなわち純度の高い窒素ガスを生成することが可能となるのである。
Thus, according to the nitrogen gas generator (system) 1, by combining the "fuel cell" and the "
ちなみに、これも後に詳細に説明するが、本願発明者等は、酸素濃度が2.5vol％以下である「排ガス」を「窒素ガスフィルタ１２ｆ」に対して作用させることによって、「窒素ガスフィルタ１２ｆ」から、空気を作用させた結果と比較して酸素濃度がその1／10以下となる「排ガス」を取り出すことができることを、実験により確認している。
By the way, although this will also be described in detail later, the inventors of the present application made the "
またさらに、本願発明者等は、本実施形態において使用した「窒素ガスフィルタ１２ｆ」において、フィルタリング対象気体の酸素濃度が低いほど回収率が高くなることも、実験により確認している。したがって、空気よりも低い酸素濃度を有する「排ガス」のフィルタリングに、このような「窒素ガスフィルタ１２ｆ」を用いることによって、純度の高い窒素ガスにおける回収率をより高めることも可能となるのである。なお、この回収率についても、後に詳細に説明を行う。
Furthermore, the inventors of the present application have confirmed through experiments that in the "
ここで、「窒素ガスフィルタ１２ｆ」は、上述したように窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタであり、本願発明者等は、当該繊維を使用したフィルタにおいては、作用させる「排ガス」の圧力が高いほど、当該フィルタより取り出される「排ガス」の酸素濃度がより低くなる、すなわちより純度の高い窒素ガスが得られることを実験により確認している。そこで本実施形態では、窒素フィルタＵの前段に増圧Ｕ１２４を設けて、作用させる「排ガス」の圧力を増加させ、効率的に低酸素濃度の、すなわち純度の高い窒素ガスを生成可能にしているのである。
Here, the "
ちなみに、これも後に詳細に説明するが、「窒素ガスフィルタ１２ｆ」に対して作用させる「排ガス」の圧力を、「窒素ガスフィルタ１２ｆ」によって決定される圧力閾値であって、「窒素ガスフィルタ１２ｆ」から取り出される際の「排ガス」の流量が大きくなるほどより大きい値をとる圧力閾値を超える値の圧力に設定することも好ましいことが、実験により確認されている。
By the way, although this will also be described in detail later, the pressure of the "exhaust gas" acting on the "
ここで、以上に述べた文言である「高純度」又は「純度の高い」は、当該窒素ガス中における酸素濃度が十分に低減した状態をさす意味となっている。具体的に、本実施形態で生成された「高純度」の又は「純度の高い」窒素ガスにおける窒素濃度（媒体100ml中のmlであり単位はvol％）は、当該窒素ガスの使用分野・用途によって、例えば95vol％以上や、99vol％以上であるとされることもあり、さらには99.9vol％以上や99.99vol％以上と規定されることもあるのである。 Here, the terms "high purity" or "high purity" mentioned above mean a state in which the oxygen concentration in the nitrogen gas is sufficiently reduced. Specifically, the nitrogen concentration in the "high-purity" or "high-purity" nitrogen gas produced in this embodiment (ml in 100 ml of the medium and the unit is vol%) is the field and application of the nitrogen gas For example, it may be defined as 95 vol% or more, or 99 vol% or more, and may be defined as 99.9 vol% or more or 99.99 vol% or more.
また、上記（Ｂ）の除湿手段は、通常その相対湿度が概ね100%である「排ガス」における水分又は水蒸気分を低減させることによって、この後の高純度化処理がこれら水分又は水蒸気分によって悪影響を受けることなく確実に且つ安定的に実施されるようにし、またこれにより、純度の高い窒素ガスを効率的に生成可能とする重要な手段となっている。ここでこの重要な除湿手段として、後に図６を用いて詳細に説明するが、水封式のポンプを含む水封ポンプＵ３０を採用することも好ましいのである。 In addition, the dehumidifying means (B) above reduces the moisture or water vapor content in the "exhaust gas" whose relative humidity is generally about 100%, so that the subsequent purification treatment is adversely affected by these moisture or water vapor content. It is an important means for ensuring that the process can be carried out reliably and stably without suffering from adverse effects, and for efficiently producing high-purity nitrogen gas. Here, as this important dehumidification means, it is also preferable to employ a water ring pump U30 including a water ring pump, which will be described later in detail with reference to FIG.
［装置・システム構成］
同じく図１に示すように、本実施形態の窒素ガス生成装置（システム）１は、
（ａ）「燃料電池」を有する燃料電池Ｕ（ユニット）１１と、
（ｂ）燃料電池Ｕ１１の前段となる位置に、自然エネルギー発電ユニットＵ１０１と、蓄電Ｕ１０１ｓと、水素生成Ｕ１０２と、水素生成改質Ｕ１０３と、水素タンク１０４と、フロー制御Ｕ１０５と、空気圧縮Ｕ１０６と、空気タンク１０７と、フィルタＵ１０８と、フロー制御Ｕ１０９と、
（ｃ）燃料電池Ｕ１１の水素極側の後段となる位置に、ドレイン１１１と、圧力制御Ｕ１１３と、気液分離Ｕ１１４と、水素回収Ｕ１１５と、
（ｄ）燃料電池Ｕ１１の空気極側の後段となる位置に、ドレイン１１２と、圧力制御Ｕ１２１と、気液分離Ｕ１２２と、オフガスバッファタンク１２３と、増圧Ｕ１２４と、腐食性ガス等除去Ｕ１２５と、温度調整Ｕ１２６と、フロー制御Ｕ１２７と、窒素ガスフィルタ１２ｆを備えた窒素フィルタＵ１２と、増圧Ｕ１２８と、窒素タンク１２９と、
（ｅ）全体制御Ｕ１３１と
を備えた装置（システム）となっており、空気、水、太陽光等の自然エネルギーや、場合によっては都市ガスや、さらには商用電力等も取り入れて、純度の高い窒素ガス、電力や、熱エネルギーを外部に供給することが可能となっている。
[Equipment/system configuration]
As also shown in FIG. 1, the nitrogen gas generator (system) 1 of the present embodiment includes:
(a) a fuel cell U (unit) 11 having a "fuel cell";
(b) A natural energy power generation unit U101, a power storage U101s, a hydrogen generation U102, a hydrogen generation reforming U103, a
(c) A
(d) A
(e) It is a device (system) equipped with an overall control U131, and incorporates natural energy such as air, water, and sunlight, and in some cases city gas, and even commercial power, etc., and has high purity. Nitrogen gas, electric power, and thermal energy can be supplied to the outside.
すなわち、本実施形態の窒素ガス生成装置（システム）１は、生成した窒素ガスに合わせて、稼動させた「燃料電池」で発生する電力及び熱エネルギーを外部に提供することも可能であり、窒素ガス、電力及び熱供給装置（システム）として捉えることもできるのである。 That is, the nitrogen gas generator (system) 1 of the present embodiment can provide the electric power and thermal energy generated by the operated "fuel cell" to the outside in accordance with the generated nitrogen gas. It can also be understood as a gas, electric power and heat supply device (system).
なお、窒素ガス生成装置（システム）１は、少なくとも燃料電池Ｕ１１及びそれに直結する構成部と、気液分離Ｕ１２２と、窒素フィルタＵ１２とを含んでおり、少なくとも装置外である自然エネルギー発電Ｕ１０１とともに、窒素ガス生成システムを構成するものであってもよい。例えば、窒素ガス生成装置（システム）１は、自然エネルギー発電Ｕ１０１、蓄電Ｕ１０１ｓ、水素生成Ｕ１０２、水素生成改質Ｕ１０３、水素タンク１０４、空気圧縮Ｕ１０６、空気タンク１０７、増圧Ｕ１２８及び窒素タンク１２９以外の構成部を全て包含する装置（システム）とすることもできる。
The nitrogen gas generator (system) 1 includes at least a fuel cell U11 and components directly connected thereto, a gas-liquid separator U122, and a nitrogen filter U12. It may constitute a nitrogen gas generation system. For example, the nitrogen gas generator (system) 1 includes natural energy power generation U101, power storage U101s, hydrogen generation U102, hydrogen generation reforming U103,
また、窒素ガス生成装置（システム）１は、例えば外部に設置された燃料電池における排ガス出口と接続可能な、排ガス取り入れ口としての配管ジョイントを備えていてもよく、この外部の燃料電池から排出される排ガスを取り込んで、酸素濃度の低下した窒素ガスを出力する装置（システム）とすることもできる。いわば、燃料電池への取り付け可能な「燃料電池取り付け型フィルタリング装置（システム）」であってもよい。 In addition, the nitrogen gas generator (system) 1 may include, for example, a piping joint as an exhaust gas intake that can be connected to an exhaust gas outlet of an externally installed fuel cell. A device (system) that takes in an exhaust gas with a reduced oxygen concentration and outputs nitrogen gas with a reduced oxygen concentration can also be used. In other words, it may be a "fuel cell-mounted filtering device (system)" that can be attached to the fuel cell.
すなわちこの場合、窒素ガス生成装置（システム）１は、（ａ）外部の燃料電池から排出される排ガスを受け取るための排ガス取り入れ口と、（ｂ）受け取った排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段と、（ｃ）窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタであって、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを作用させることによって、窒素濃度の増大したガスを出力するフィルタとを有する装置（システム）となる。 That is, in this case, the nitrogen gas generator (system) 1 includes (a) an exhaust gas intake for receiving exhaust gas discharged from an external fuel cell, and (b) a dehumidifier for reducing moisture or water vapor content in the received exhaust gas. and (c) a filter using fibers having different degrees of permeation of nitrogen and oxygen, the filter outputting a gas with an increased nitrogen concentration by reacting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content. It becomes a device (system) having and.
ちなみに、図１の装置・システム構成図における構成部間を矢印で接続して示した物質・エネルギー移動や実施される処理の流れは、本発明による窒素ガス生成方法の一実施形態としても理解される。 Incidentally, the material/energy transfer and the flow of the process to be performed, which are shown by connecting the constituent parts with arrows in the device/system configuration diagram of FIG. be.
同じく図１において、自然エネルギー発電ユニットＵ１０１は、太陽電池を備えていて太陽光を電力に変換する太陽電池発電ユニットであってもよく、風力によってブレード（羽）付きのロータを回転させて発電機を駆動させ電力を生成する風力発電ユニットとすることもでき、また、水流（水力）によってタービン（水車）を回転させて発電機を駆動させ電力を生成するマイクロ水力発電ユニットであってもよい。 Also in FIG. 1, the natural energy power generation unit U101 may be a solar power generation unit that includes a solar cell and converts sunlight into electric power. It may be a wind power generation unit that generates power by driving, or a micro hydro power generation unit that generates power by rotating a turbine (water wheel) with a water flow (hydropower) to drive a generator.
また、太陽光の光エネルギーや、風・水流の運動エネルギーを最終的に電気エネルギーに変換するものであれば、その他様々な発電ユニットを自然エネルギー発電ユニット１０１として採用することが可能である。さらに、自然エネルギー発電ユニット１０１は、以上に述べたような発電ユニットのうちの２つ以上を組み合わせたものであってもよい。いずれにしても、生成された電力の出力部に電力計を備えており、各時点での発電の有無や生成された電力量を測定可能となっていることも好ましい。
In addition, various other power generation units can be employed as the natural energy
蓄電Ｕ１０１ｓは、例えばリチウム（Ｌｉ）電池や、鉛（Ｐｂ）蓄電池等の二次電池を備えており、自然エネルギー発電ユニット１０１から供給された電力を蓄電・保存する蓄電部である。また、蓄電Ｕ１０１ｓは、蓄電量計を備えていて、各時点での蓄電量や、フル充電されているか否かを測定可能となっていることも好ましい。ここで、蓄電Ｕ１０１ｓから、後述する（水の電気分解を行う）水素生成Ｕ１０２や空気圧縮Ｕ１０６へ電力が供給されるのであるが、それらの代わりに又はそれらと共に、商用電力が水素生成Ｕ１０２や空気圧縮Ｕ１０６へ供給されてもよい。
The power storage unit U101s includes a secondary battery such as a lithium (Li) battery or a lead (Pb) storage battery, and is a power storage unit that stores and stores electric power supplied from the natural energy
さらに、蓄電量にも所定の限界がありまた高価な二次電池を備えた蓄電Ｕ１０１ｓを用いずに（若しくはあくまで補助として備えておき）、自然エネルギー発電ユニット１０１から直接、水素生成Ｕ１０２や空気圧縮Ｕ１０６へ電力が供給されることも好ましい。この場合、自然エネルギーが直接的に、水素の化学的エネルギーや圧縮空気の物理的エネルギーに変換され利用されることになるのである。
Furthermore, there is a predetermined limit to the amount of electricity stored, and instead of using the electricity storage U101s equipped with an expensive secondary battery (or provided as an auxiliary), the hydrogen generation U102 or air compression can be performed directly from the natural energy
なお、自然エネルギー発電ユニット１０１が交流電力を生成する場合（例えば交流発電器を備えている場合）におけるこの交流電力や、商用電力は、コンバータによって直流に変換された上で蓄電Ｕ１０１ｓや水素生成Ｕ１０２に供給されることになる。また、空気圧縮Ｕ１０６が直流駆動型コンプレッサ２２を備えている場合も、直流に変換された上で空気圧縮Ｕ１０６へ供給されるのである。
Note that when the natural
いずれにしても、全体制御Ｕ１３１は、以上に述べたような水素生成Ｕ１０２や空気圧縮Ｕ１０６への電力供給を、例えば自然エネルギー発電ユニット１０１での発電状況や蓄電Ｕ１０１ｓでの蓄電状況をモニタしつつ、適切に切り替え・制御可能となっている。
In any case, the overall control U131 monitors the power supply to the hydrogen generator U102 and the air compressor U106 as described above, for example, the power generation status of the natural energy
同じく図１において、水素生成Ｕ１０２は、供給された電力により、取得した水を電気分解して水素及び酸素を生成可能な電気分解部を備えた水素供給ユニットである。ここで、電気分解の方式として公知の種々のものが採用可能であるが、例えば、固体高分子電解質膜を両面側から触媒及び電極で挟み込んだ構造の電解セルを多数積層したものを利用して電気分解を行ってもよい。 Also in FIG. 1, the hydrogen generator U102 is a hydrogen supply unit equipped with an electrolyzer capable of generating hydrogen and oxygen by electrolyzing the obtained water with supplied electric power. Here, various known methods of electrolysis can be employed. Electrolysis may be performed.
また、水素生成Ｕ１０２は、生成した水素や酸素から水分を除去する除湿部を備えていることも好ましい。さらに、ここで除去された水分を再び電気分解部に戻して電気分解する仕組みが設けられていてもよい。また、各時点での消費した電力や電力消費の有無を測定可能な電力計を備えていることも好ましく、生成された水素及び酸素の量や生成の有無を測定可能な流量計やガス圧計を備えていてもよい。 The hydrogen generator U102 also preferably includes a dehumidifier that removes moisture from the generated hydrogen and oxygen. Furthermore, a mechanism may be provided to return the water removed here to the electrolysis unit again for electrolysis. It is also preferable to have a power meter capable of measuring the power consumption and the presence or absence of power consumption at each time point, and a flow meter and gas pressure gauge capable of measuring the amount of hydrogen and oxygen generated and the presence or absence of generation. may be provided.
水素生成改質Ｕ１０３は、都市ガス又はＬＰＧ等の炭化水素ガスを取り入れて、この炭化水素ガスと水蒸気とを混合し、この混合ガスから水蒸気改質反応によって水素（Ｈ２）を主成分とする水素含有ガスを生成する。また、ＣＯ変性触媒等を用いて、生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素ガス分を低減させたり、さらにＣＯ選択酸化触媒を用いて、一酸化炭素濃度をより低減させたりする仕組みを備えていることも好ましい。 The hydrogen generation reformer U103 takes in a hydrocarbon gas such as city gas or LPG, mixes this hydrocarbon gas with steam, and produces hydrogen (H 2 ) as a main component from this mixed gas by a steam reforming reaction. Produces a hydrogen-containing gas. In addition, a CO modification catalyst or the like is used to reduce the amount of carbon monoxide gas contained in the generated hydrogen-containing gas, and a CO selective oxidation catalyst is used to further reduce the carbon monoxide concentration. It is also preferable to have
ちなみに、後述する燃料電池Ｕ１１の「燃料電池」としてＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）を採用する場合、水素生成改質Ｕ１０３において水蒸気改質に必要となる高温（大熱量）を、この「燃料電池」からの排熱によって賄うことも可能となる。 Incidentally, when a SOFC (solid oxide fuel cell) is adopted as the "fuel cell" of the fuel cell U11, which will be described later, the high temperature (large amount of heat) required for steam reforming in the hydrogen generation reforming U103 is It is also possible to cover it with waste heat from the battery.
なお、窒素ガス生成装置（システム）１は、水素（燃料）供給源として、水素生成Ｕ１０２及び水素生成改質Ｕ１０３のいずれか一方を備えているものであってもよく、または、多様な供給源を確保するべく両方を備えていることも好ましい。さらに、これらの供給源の代わりに又はこれらとともに、別のシステム・装置から水素ガスそのものを供給されてもよい。 In addition, the nitrogen gas generator (system) 1 may be equipped with either one of the hydrogen generation U102 and the hydrogen generation reforming U103 as a hydrogen (fuel) supply source, or a variety of supply sources. It is also preferable to have both to ensure Furthermore, hydrogen gas itself may be supplied from another system/apparatus instead of or together with these supply sources.
水素タンク１０４は、水素生成Ｕ１０２や水素生成改質Ｕ１０３から供給された水素ガスを、圧縮（高圧）状態で一時的に保存・貯蔵するガスタンクであり、水素吸蔵合金ボンベを備えたものであってもよい。また、この水素タンク１０４に、ガス圧計が設けられていて、各時点でのタンク内ガス圧を測定可能となっていることも好ましい。
The
フロー制御Ｕ１０５は、水素タンク１０４から燃料電池Ｕ１１へ供給される水素ガスの圧力や流量を制御するユニットである。具体的には、水素ガス用レギュレータ及び水素ガス用マスフローコントローラ（又はフロースイッチ）を備えたものとすることができる。
The flow control U105 is a unit that controls the pressure and flow rate of hydrogen gas supplied from the
ここで、水素ガスは、大気圧（1気圧，約0.1MPa）を超える圧力を有する高圧（例えば1.1～7気圧，約0.11～0.7MPa）の状態で、燃料電池Ｕ１１の水素極側へ供給されてもよい。すなわち本実施形態において、燃料電池Ｕ１１に備えられた「燃料電池」の背圧は、例えば大気圧又は大気圧を超える圧力に設定可能となっている。なお、この背圧は、「燃料電池」の出口側が解放状態の場合、すなわち排ガスの圧力が大気圧の場合において1気圧（約0.1MPa）とする。 Here, the hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode side of the fuel cell U11 in a state of high pressure (for example, 1.1 to 7 atmospheres, about 0.11 to 0.7 MPa) exceeding atmospheric pressure (1 atmosphere, about 0.1 MPa). may That is, in this embodiment, the back pressure of the "fuel cell" provided in the fuel cell U11 can be set to, for example, the atmospheric pressure or a pressure exceeding the atmospheric pressure. This back pressure is set to 1 atm (approximately 0.1 MPa) when the outlet side of the "fuel cell" is open, that is, when the pressure of the exhaust gas is atmospheric pressure.
ただし、フロー制御Ｕ１０５でマスフローコントローラを使用する場合、通常ここで圧力差損が発生するので、水素タンク１０４から、設定圧力（背圧）より例えば1～2気圧（約0.1～0.2MPa）程度大きな圧力の水素ガスを受け取り、レギュレータでその圧力を調節した上で、当該水素ガスをマスフローコントローラへ流すことも好ましい。ちなみに、上記の圧力差損は、流量を小さくするほど（フローを絞るほど）大きくなることが実験により分かっている。
However, when a mass flow controller is used for the flow control U105, a pressure difference loss usually occurs here, so the pressure from the
同じく図１において、空気圧縮Ｕ１０６は、例えば大気中から取り込んだ空気を圧縮して（高圧にして）空気タンク１０７へ供給するコンプレッサを備えたユニットである。このコンプレッサにおける圧縮方式として、例えばレシプロ型、スクロール型、スクリュー型、ロータリ型、若しくはスイング型等、又はこれらのうちの２つ以上の組合せ等、様々な方式が採用可能である。
Also in FIG. 1 , the
空気タンク１０７は、空気圧縮Ｕ１０６から供給された圧縮空気を、圧縮状態のまま一時的に保存・貯蔵するガスタンクである。この空気タンク１０７にも、ガス圧計が設けられていて、各時点でのタンク内ガス圧を測定可能となっていることも好ましい。
The
フィルタＵ１０８は、エアフィルタ及びオイルフィルタを備えており、空気タンク１０７から供給された高圧の空気から微小ゴミやオイル成分等を、これらのフィルタによって除去するためのユニットである。
The filter U108 has an air filter and an oil filter, and is a unit for removing fine dust, oil components, etc. from the high-pressure air supplied from the
フロー制御Ｕ１０９は、空気タンク１０７からフィルタＵ１０８を介して燃料電池Ｕ１１の空気極側へ供給される圧縮空気の圧力や流量を制御するユニットである。具体的には、ガスレギュレータ及びマスフローコントローラ（又はフロースイッチ）を備えたものとすることができる。
The flow control U109 is a unit that controls the pressure and flow rate of compressed air supplied from the
ここで本実施形態においては、この圧縮空気も、大気圧（1気圧，約0.1MPa）を超える圧力を有する高圧（例えば1.1～7気圧，約0.11～0.7MPa）の状態のまま、（例えば大気圧を超える背圧の設定された）燃料電池Ｕ１１における空気極側へ供給されてもよい。またこの際、マスフローコントローラの圧力差損を勘案して、空気タンク１０７から、設定背圧より例えば1～2気圧（約0.1～0.2MPa）程度大きな圧力の圧縮空気を受け取り、レギュレータでその圧力を調節した上で、当該圧縮空気をマスフローコントローラへ流してもよいことは、上述した水素ガスの場合と同様である。
Here, in this embodiment, this compressed air is also in a state of high pressure (for example, 1.1 to 7 atmospheres, about 0.11 to 0.7 MPa) having a pressure exceeding atmospheric pressure (1 atmosphere, about 0.1 MPa) (for example, large It may be supplied to the air electrode side of the fuel cell U11 (with a back pressure exceeding atmospheric pressure). At this time, considering the pressure difference loss of the mass flow controller, the compressed air is received from the
同じく図１において、燃料電池Ｕ１１は、「燃料電池」を備えていてこの「燃料電池」から、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと、電力と、熱と、水（水蒸気）とを取り出し出力するユニットである。 Also in FIG. 1, the fuel cell U11 is provided with a "fuel cell" from which an exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air, electric power, heat, and water (steam) are extracted and output. It is a unit that
この燃料電池Ｕ１１は勿論、「燃料電池」の背圧を大気圧（1気圧，約0.1MPa）に設定して使用することも可能であるが、好適な１つの実施形態として、
（ａ）大気圧を超える背圧（例えば1.1～7気圧，約0.11～0.7MPa）が設定されており、
（ｂ）フロー制御Ｕ１０５から、大気圧を超える圧力（例えば1.1～7気圧，約0.11～0.7MPa）を有する水素ガスを受け取り、さらにフロー制御Ｕ１０９から、大気圧を超える圧力（例えば2～７気圧）を有する圧縮空気を受け取って稼働し、
（ｃ）大気圧を超える圧力（例えば1.1～7気圧，約0.11～0.7MPa）を有する排ガスを排出する
「燃料電池」を備えたユニットであることも好ましい。
Of course, the fuel cell U11 can be used with the back pressure of the "fuel cell" set to atmospheric pressure (1 atm, about 0.1 MPa).
(a) Back pressure exceeding atmospheric pressure (for example, 1.1 to 7 atmospheres, about 0.11 to 0.7 MPa) is set,
(b) receive from flow control U105 hydrogen gas having a superatmospheric pressure (eg, 1.1-7 atmospheres, about 0.11-0.7 MPa), and from flow control U109 a superatmospheric pressure (eg, 2-7 atmospheres); ) and operate by receiving compressed air having
(c) It is also preferred that the unit is equipped with a "fuel cell" which discharges exhaust gases having a pressure above atmospheric pressure (eg 1.1-7 atmospheres, about 0.11-0.7 MPa).
ここで、この「燃料電池」は、公知の構成のものとすることができ、例えば、水素極（燃料極，陽極，アノード）と空気極（酸素極，陰極，カソード）とで電解質を挟み込んだ構造を有するセルが、間にセパレータを介して複数スタック（積層）したような構造を有していてもよい。 Here, this "fuel cell" can have a known structure, for example, an electrolyte sandwiched between a hydrogen electrode (fuel electrode, anode, anode) and an air electrode (oxygen electrode, cathode, cathode). A cell having a structure may have a structure in which a plurality of cells are stacked (stacked) with separators interposed therebetween.
さらに、「燃料電池」における電池方式としては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）や、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）等が採用可能である。このうち、ＳＯＦＣは、発電効率が高く、通常約700～約1000℃で稼働し、相当に高温の排ガスを供給することも可能となっている。上述したように、水素生成改質Ｕ１０３を用いて都市ガス等から水素ガスを生成する場合、ＳＯＦＣならば、その水蒸気改質に必要な大熱量を賄うことも可能となる。また、ＰＥＦＣ方式は、比較的低温で稼働し、電池サイズもコンパクト化可能であることから、例えば多くの燃料電池自動車にも採用されているものである。 Furthermore, as the battery system in the "fuel cell", polymer electrolyte fuel cell (PEFC), solid oxide fuel cell (SOFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC) ), etc. can be adopted. Of these, SOFCs have high power generation efficiency and usually operate at about 700 to 1000°C, making it possible to supply considerably high temperature exhaust gas. As described above, when hydrogen generation reforming U103 is used to generate hydrogen gas from city gas or the like, the SOFC can provide a large amount of heat required for the steam reforming. In addition, the PEFC system operates at a relatively low temperature and the battery size can be made compact, so that it is used in many fuel cell vehicles, for example.
なお、燃料電池Ｕ１１における「燃料電池」をＰＥＦＣとする場合、例えば一般財団法人の日本自動車研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）が研究開発用に開発したＪＡＲＩ型の燃料電池を、「燃料電池」として採用することも可能である。ＪＡＲＩ型の燃料電池は、背圧を高めて電池内に圧力を印加することができ、またその上で、高い背圧の排ガスを全て回収することも可能な構造となっている。 In addition, when the "fuel cell" in the fuel cell U11 is a PEFC, for example, a JARI type fuel cell developed for research and development by the Japan Automobile Research Institute (JARI), a general incorporated foundation, is called a "fuel cell It is also possible to adopt as The JARI type fuel cell has a structure in which the back pressure can be increased to apply pressure to the inside of the cell, and on top of that, it is possible to recover all the exhaust gas with the high back pressure.
また「燃料電池」として、例えばスウェーデンの燃料電池メーカであるPowerCell社製の、例えば最大出力が10kWを超える燃料電池を採用することも可能である。例えば、最大出力が12.9kWである96セルのPowerCell社製燃料電池において、10kWの電力を出力するのに必要となる水素ガス流量及び空気流量は、それぞれ150リットル／分（L／min）及び500L／minであり、またその場合に、排ガスに含まれる窒素ガスの流量は、400L／minとなる。さらに、排ガスに含まれる水蒸気の流量は150L／分であり、水に換算すると5.3リットル／時（L／h）となる。
As the "fuel cell", for example, a fuel cell manufactured by PowerCell, a Swedish fuel cell manufacturer, with a maximum output exceeding 10 kW, for example, can be used. For example, in a 96-cell PowerCell fuel cell with a maximum output of 12.9 kW, the hydrogen gas flow rate and air flow rate required to
ちなみに、「燃料電池」から排出されるこのような多量の水蒸気分・水分を低減させて、この後の窒素ガス生成処理を確実に且つ安定的に実施するために、除湿手段（図１では気液分離Ｕ１２２、図６では水封ポンプＵ３０）が必要となるのである。なお、この除湿手段で回収した水は、純水若しくは純度の高い水として外部に提供されることも好ましい。また、このような「燃料電池」に対し、空気及び水素ガスはいずれも、燃料電池反応における熱損失の原因となる電解膜の（湿潤欠乏による）プロトン伝導度の低下を抑制するため、（図示していない）湿潤器を介して導入されることも好ましい。 By the way, in order to reduce such a large amount of water vapor and moisture discharged from the "fuel cell" and to reliably and stably perform the subsequent nitrogen gas generation process, a dehumidifying means (a gas in FIG. 1) A liquid separator U122 (in FIG. 6, a water seal pump U30) is required. It is also preferable that the water recovered by this dehumidifying means is provided to the outside as pure water or highly pure water. In addition, for such "fuel cells", both air and hydrogen gas suppress the decrease in proton conductivity (due to moisture deprivation) of the electrolytic membrane, which causes heat loss in the fuel cell reaction (Fig. It is also preferably introduced via a humidifier (not shown).
ここで本実施形態において、「燃料電池」内の圧力、すなわち背圧は、後に説明する圧力制御Ｕ１１３の背圧弁、及び圧力制御Ｕ１２１の背圧弁によって調整・制御されるが、
（ａ）主に圧力制御Ｕ１１３の背圧弁によって調整される水素極側の背圧と、
（ｂ）主に圧力制御Ｕ１２１の背圧弁によって調整される空気極側の背圧と
は、ほぼ同等となるように制御されることも好ましい。実際、両背圧の間に0.1気圧（0.01MPa）程度の差が生じると、「燃料電池」から若干のガス漏れが生じる場合もあり得る一方、両背圧を同等にすると、相当に高い背圧でも問題の生じないことが実験的に分かっている。特に、「燃料電池」がＰＥＦＣの場合、その電解膜は比較的に薄いので、両背圧を同等にすることがより好ましい。
Here, in this embodiment, the pressure in the "fuel cell", that is, the back pressure is adjusted and controlled by the back pressure valve of the pressure control U113 and the back pressure valve of the pressure control U121, which will be described later.
(a) the back pressure on the hydrogen electrode side, which is mainly regulated by the back pressure valve of the pressure control U113;
(b) It is also preferable that the back pressure on the air electrode side, which is mainly adjusted by the back pressure valve of the pressure control U121, is controlled to be substantially the same. In fact, if there is a difference of about 0.1 atm (0.01 MPa) between the two back pressures, it is possible that some gas leaks from the "fuel cell". It has been experimentally found that pressure does not cause any problem. In particular, when the "fuel cell" is a PEFC, its electrolytic membrane is relatively thin, so it is more preferable to equalize both back pressures.
また、以上に説明したような「燃料電池」を備えた燃料電池Ｕ１１は、
（ａ）「燃料電池」に取り込ませた水素ガスや空気の流量、圧力、及び／又は温度、
（ｂ）「燃料電池」から排出される排ガスや排出される水蒸気・水分の流量、圧力及び／又は温度、及び
（ｃ）「燃料電池」の水素極・空気極間における複素インピーダンス
を測定可能な測定系・センサ群を備えており、さらに、当該測定系・センサ群からの情報を受け取った全体制御Ｕ１３１によって、「燃料電池」の稼働が制御されることも好ましい。
Further, the fuel cell U11 equipped with the "fuel cell" as described above,
(a) flow rate, pressure and/or temperature of hydrogen gas or air introduced into the "fuel cell";
(b) The flow rate, pressure and/or temperature of exhaust gas and water vapor/moisture discharged from the "fuel cell", and (c) the complex impedance between the hydrogen electrode and the air electrode of the "fuel cell" can be measured. It is also preferable that a measurement system/sensor group is provided, and the operation of the "fuel cell" is controlled by the overall control U131 that receives information from the measurement system/sensor group.
例えば単純な制御の例として、上記（ｂ）及び上記（ｃ）を説明変数とし、上記（ａ）を目的変数とした（例えばＤＮＮ（Deep Neural Network）アルゴリズムを用いた）機械学習モデルを構築し、「燃料電池」が所望の出力を行うように、この構築したモデルを用いて「燃料電池」へ供給する水素ガスや空気の流量、圧力、及び／又は温度を調整してもよい。また、上記（ｃ）の複素インピーダンス値が所定の許容範囲から外れた場合、水素ガスの供給を取り止めて「燃料電池」を停止させるといったような制御を行うことも好ましい。 For example, as an example of simple control, a machine learning model (for example, using a DNN (Deep Neural Network) algorithm) is constructed with the above (b) and (c) as explanatory variables and the above (a) as an objective variable. Using this model, the flow rate, pressure, and/or temperature of hydrogen gas or air supplied to the "fuel cell" may be adjusted so that the "fuel cell" produces the desired output. Further, when the complex impedance value of (c) deviates from a predetermined allowable range, it is also preferable to perform control such as stopping the supply of hydrogen gas to stop the “fuel cell”.
また、燃料電池Ｕ１１は、水等の熱交換媒体を循環させる熱交換器を「燃料電池」内に又はその周囲に配置して、稼働し発熱した「燃料電池」から熱を取り出し、ユニット外部へ移送させることも好ましい。ちなみに、ここで使用可能な熱交換器として、シェル＆チューブ式熱交換器等の多管式熱交換器や、アルファ・ラバル製ブレージングプレート式熱交換器等のプレート式熱交換器が挙げられる。 In addition, the fuel cell U11 has a heat exchanger that circulates a heat exchange medium such as water inside or around the "fuel cell", extracts heat from the "fuel cell" generated by operation, and outputs the heat to the outside of the unit. Transfer is also preferred. Incidentally, heat exchangers that can be used here include shell-and-tube heat exchangers and other shell-and-tube heat exchangers, and Alfa Laval brazed plate heat exchangers and other plate heat exchangers.
または、熱交換器の代わりに、「燃料電池」における伝導性のセパレータとヒートパイプとを連結した熱伝導システムを用いて、「燃料電池」内の熱を直接外部に取り出すことも可能である。いずれにしても、このような熱交換・伝導手段によって、「燃料電池」のセルの温度を所定温度（例えば80℃）以下に制御し、「燃料電池」の好適な稼働を維持することができるのである。なお、熱交換媒体として水（冷却水）を使用する場合、イオン交換器によって、循環する冷却水からイオン（カチオン、アニオン）を除去することも好ましい。 Alternatively, instead of using a heat exchanger, it is also possible to use a heat conduction system in which a conductive separator and heat pipes in the "fuel cell" are connected to directly take out the heat in the "fuel cell" to the outside. In any case, the temperature of the cells of the "fuel cell" can be controlled to a predetermined temperature (e.g., 80°C) or less by such heat exchange/conducting means, and the "fuel cell" can be maintained in a favorable operation. of. When using water (cooling water) as the heat exchange medium, it is also preferable to remove ions (cations, anions) from the circulating cooling water with an ion exchanger.
ちなみに、このように熱交換媒体やヒートパイプで移送された熱は、外部だけでなくシステム内にも供給され利用可能となっており、本実施形態においては、後述するオフガスバッファタンク１２３に供給されて、窒素フィルタＵ１２へ供給される排ガスをさらに高温（例えば45℃）にすることが可能となっている。勿論、排ガスの温度が十分に高温の場合には、このようなオフガスバッファタンク１２３における加熱処理は不要となる。
Incidentally, the heat transferred by the heat exchange medium or the heat pipe in this way is supplied not only to the outside but also to the inside of the system and can be used. Therefore, it is possible to heat the exhaust gas supplied to the nitrogen filter U12 to a higher temperature (for example, 45°C). Of course, if the temperature of the exhaust gas is sufficiently high, such heat treatment in the
また、このような熱交換媒体やヒートパイプによって当該熱を水素生成改質Ｕ１０３へ移送し、水蒸気改質の際に必要となる熱量を補給することもできる。さらに、当該熱を用いて、水素生成Ｕ１０２における電気分解対象の水を水蒸気にしたり、当該水の温度を上昇させたりして、電気分解における水素発生効率を向上させることも可能となる。 In addition, the heat can be transferred to the hydrogen generation reformer U103 by such a heat exchange medium or heat pipe to supplement the amount of heat required for steam reforming. Furthermore, the heat can be used to turn the water to be electrolyzed in the hydrogen generator U102 into steam or raise the temperature of the water, thereby improving the efficiency of hydrogen generation in the electrolysis.
なおこの際、所望の水素発生効率を達成し安定的に維持すべく、電気分解セルの温度を、設置された温度センサでモニタし、全体制御Ｕ１３１によって電気分解動作の制御を行うことも好ましい。さらに、電極間の印加電圧を高くして、電解質を使用せず電解質のモニタやメンテナンス等を不要とした電気分解処理を行うことも可能である。 At this time, in order to achieve and stably maintain the desired hydrogen generation efficiency, it is also preferable to monitor the temperature of the electrolytic cell with an installed temperature sensor and control the electrolysis operation by the general control U131. Furthermore, by increasing the voltage applied between the electrodes, it is possible to perform an electrolysis treatment without using an electrolyte and without electrolyte monitoring and maintenance.
さらに、熱交換器からの高温の媒体や、ヒートパイプで移送された熱を受けた高温の媒体を利用して、例えば本装置（システム）１の設置された施設内の暖房を行ったり、このような高温の媒体を冷却塔（クーリングタワー）に投入して低温にし、低温となった媒体を用いて凝縮・蒸発器及び空調装置において冷風を生成し、例えば当該施設内の冷房を行ったりすることも可能となる。またこの場合、窒素ガス生成装置（システム）１は、「燃料電池」からの電力を用いてこれらの冷暖房設備の稼働を補助することもでき、それ故、当該施設内の省エネ用設備として機能することもできるのである。 Further, by using the high-temperature medium from the heat exchanger or the high-temperature medium that receives the heat transferred by the heat pipe, for example, the inside of the facility in which the apparatus (system) 1 is installed can be heated. Such high-temperature medium is put into a cooling tower to cool it down, and the low-temperature medium is used to generate cold air in a condenser/evaporator and an air conditioner, for example, to cool the facility. is also possible. In this case, the nitrogen gas generator (system) 1 can also use the power from the "fuel cell" to assist the operation of these cooling and heating equipment, and therefore functions as an energy-saving equipment in the facility. It is also possible.
またさらに、燃料電池Ｕ１１における他の実施形態として、「燃料電池」を２つ又はそれ以上直列に接続し、順次１つ前の燃料電池の排ガスを取り込んで電池反応に用いることによって、最終的に酸素濃度のより低い排ガス、例えば酸素濃度が2.5vol％以下の排ガスを取り出すことも容易となる。ちなみに本願発明者等は、特開２０１９－１２９１１０号公報において、発明したこのような構成の燃料電池系を公開している。 Furthermore, as another embodiment of the fuel cell U11, two or more "fuel cells" are connected in series, and the exhaust gas of the previous fuel cell is sequentially taken in and used for the cell reaction, thereby finally It also becomes easy to take out exhaust gas with a lower oxygen concentration, for example, an exhaust gas with an oxygen concentration of 2.5 vol % or less. Incidentally, the inventors of the present application disclose a fuel cell system having such a configuration invented in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-129110.
同じく図１において、ドレイン１１１及び１１２はそれぞれ、燃料電池Ｕ１１における「燃料電池」の（水素極側の）燃料路出口及び（空気極側の）空気路出口に設けられ、（通常、相対湿度が概ね100％である）排ガス中に含まれた水蒸気が結露して生じる水を回収する。これにより、いわゆるフラッディング現象による電池反応への悪影響が抑制可能となる。また、このように回収された水は、水素生成Ｕ１０２へ送られ、水素生成材料として再利用されてもよい。 Also referring to FIG. 1, drains 111 and 112 are provided at the fuel cell (hydrogen side) and air side (air side) outlets, respectively, of the fuel cell U11, where the relative humidity is typically (approximately 100%) collects water generated by condensation of water vapor contained in the exhaust gas. This makes it possible to suppress adverse effects on the battery reaction due to the so-called flooding phenomenon. The water so recovered may also be sent to the hydrogen generator U102 and reused as a hydrogen generating material.
ここで、「燃料電池」の背圧を、大気圧を超える値（例えば2～7気圧，約0.2～0.7MPa）に設定することにより、露点をより高くしてドレイン１１１及び１１２に落ちる水量を増加させ、除湿効果を高めることもできるのである。なお、ドレイン１１１及び１１２は、所定量の水が溜まると当該水を自動的に外部へ排出するオートドレイン機能を有するものであることも好ましい。
Here, by setting the back pressure of the "fuel cell" to a value exceeding the atmospheric pressure (for example, 2 to 7 atmospheres, about 0.2 to 0.7 MPa), the dew point is made higher and the amount of water falling into the
圧力制御Ｕ１１３は、ドレイン１１１で除湿処理を受けた水素ガスを、「燃料電池」の設定背圧を維持しつつ、「燃料電池」の（水素極側の）燃料路入口の方へ（例えばフロー制御Ｕ１０５の後段に）、例えば水素混合器を介して戻すためのユニットである。具体的に圧力制御Ｕ１１３は、背圧弁及び圧力計を備えており、この背圧弁の調整によって「燃料電池」内における、特に水素極側の圧力（背圧）を制御する。
The pressure control U113 directs the hydrogen gas that has been dehumidified in the
気液分離Ｕ１１４は、「燃料電池」の（水素極側の）燃料路出口より排出されてドレイン１１１及び圧力制御Ｕ１１３を経てきた排ガスから、なお残留している水蒸気分や水分を除去するためのユニットである。具体的に、除湿器、加圧機構を備えた除湿装置、気液分離器や、ドライフィルタを用いて水蒸気分や水分を除去することができる。ここで、除湿器として、シリカゲル及び／又はゼオライトを含むものが使用可能である。また、気液分離器の方式としては、重力分離型、遠心分離型、ミスト除去器パッド型、翼型分離型や、気圧分離コアレッサ型等を採用することができる。
The gas-liquid separator U114 is used to remove residual water vapor and moisture from the exhaust gas discharged from the fuel passage outlet (on the hydrogen electrode side) of the "fuel cell" and passed through the
水素回収Ｕ１１５は、公知の水素ガスフィルタやエグゼクタを用い、（水素極側の）燃料路出口より排出された排ガスから未反応の残留水素ガスを取り出し、再利用するためのユニットである。ここで、取り出した水素ガスは、例えばフロー制御Ｕ１０５の後段の水素混合器へ送り返すことができる。また、水素ガスを取り出した後のガスは、外部へ排出されてもよい。 The hydrogen recovery U115 is a unit for extracting and reusing unreacted residual hydrogen gas from the exhaust gas discharged from the fuel passage outlet (on the hydrogen electrode side) using a known hydrogen gas filter and executor. Here, the extracted hydrogen gas can be sent back, for example, to the hydrogen mixer in the latter stage of the flow control U105. Further, the gas after the hydrogen gas is taken out may be discharged to the outside.
圧力制御Ｕ１２１は、ドレイン１１２で除湿処理を受けた（空気極側の）排ガスを、「燃料電池」の設定背圧を維持しつつ、気液分離Ｕ１２２に送り出すためのユニットである。具体的にこの圧力制御Ｕ１２１も、圧力制御Ｕ１１３と同様、背圧弁及び圧力計を備えており、この背圧弁の調整によって「燃料電池」内における、特に空気極側の圧力（背圧）を制御するのである。
The pressure control U121 is a unit for sending the exhaust gas (on the air electrode side) dehumidified in the
同じく図１において、気液分離Ｕ１２２は、「燃料電池」の（空気極側の）空気路出口より排出され、ドレイン１１２及び圧力制御Ｕ１２１を経てきた排ガスから、なお残留している水蒸気分や水分を除去するためのユニットである。具体的に、除湿器、加圧機構を備えた除湿装置や、気液分離器を用いて水蒸気分や水分を除去するものとすることができる。ちなみに１つの基準として、気液分離Ｕ１２２は、排ガス中の相対湿度を60％以下に、より好ましくは30％以下に抑制するものであってもよい。
Also in FIG. 1, the gas-liquid separator U122 removes the remaining water vapor and moisture from the exhaust gas discharged from the air passage outlet (on the air electrode side) of the "fuel cell" and passed through the
また、後に図７を用いて詳細に説明するが、気液分離Ｕ１２２は、ドライフィルタ１２２ｆ（図７）を利用したドライフィルタユニットであってもよい。さらに、好適な他の実施形態として、後に図６を用いて詳細に説明するが、気液分離Ｕ１２２に代わる除湿手段として、水封ポンプ３０１を備えた水封ポンプＵ３０を採用することもできる。またさらに、気液分離Ｕ１２２を、ドライ真空ポンプを備えたポンプユニットとすることも可能である。ドライ真空ポンプは、真空室内において油や液体を使用しない、例えば水蒸気の排気にも使用可能な真空ポンプである。このようなドライ真空ポンプとして、例えば樫山工業社製の空冷ドライ真空ポンプＮｅｏＤｒｙ ６０Ｅを採用してもよい。この空冷ドライ真空ポンプは、一対の多段ルーツロータが非接触で回転して気体の圧縮排気を行う構造となっている。 Also, as will be described in detail later with reference to FIG. 7, the gas-liquid separator U122 may be a dry filter unit using a dry filter 122f (FIG. 7). Furthermore, as another preferred embodiment, which will be described in detail later with reference to FIG. 6, a water ring pump U30 having a water ring pump 301 can be employed as dehumidification means in place of the gas-liquid separator U122. Furthermore, the gas-liquid separator U122 can be a pump unit with a dry vacuum pump. A dry vacuum pump is a vacuum pump that does not use oil or liquid in a vacuum chamber and that can also be used to evacuate water vapor, for example. As such a dry vacuum pump, for example, an air-cooled dry vacuum pump NeoDry 60E manufactured by Kashiyama Kogyo Co., Ltd. may be employed. This air-cooled dry vacuum pump has a structure in which a pair of multi-stage roots rotors rotates in a non-contact manner to compress and exhaust gas.
オフガスバッファタンク１２３は、気液分離Ｕ１２２から導入した排ガスを一時的に保存・貯蔵するガスタンクである。この排ガスは、設定背圧（例えば1.1～7気圧，約0.11～0.7MPa）と同圧となるまでオフガスバッファタンク１２３に導入される。また、排ガスを後述する窒素フィルタＵ１２へ所望の圧力（例えば7気圧，約0.7MPa）で流入させるべく、この排ガスのオフガスバッファタンク１２３への流量は、窒素フィルタＵ１２への必要導入流量と同等に、又はそれを超えた流量に設定されることも好ましい。
The off-
ちなみに、「燃料電池」を停止した場合、オフガスバッファタンク１２３への配管内圧力は例えば大気圧に戻ってしまう。そこで、オフガスバッファタンク１２３は、「燃料電池」への排ガスの逆流を防止するための逆止弁を備えていることも好ましい。また、オフガスバッファタンク１２３にも、ガス圧計が設けられていて、各時点でのタンク内ガス圧を測定可能となっていることも好ましい。
Incidentally, when the "fuel cell" is stopped, the pressure inside the pipe to the
さらに、オフガスバッファタンク１２３は、燃料電池Ｕ１１における「燃料電池」の発する熱による加熱処理が可能な「加熱手段」を用いて、タンク内の排ガスを、室温よりも高い温度（例えば30～45℃）の排ガスにすることも好ましい。これにより、後述する窒素フィルタＵ１２の窒素ガスフィルタ１２ｆへ、窒素フィルタリング処理上好適とされる温度の排ガスを供給することも可能となる。
Furthermore, the off-
ここで、上記の「加熱手段」として、既に説明した熱交換器や、セパレータ・ヒートパイプ連結系を採用してもよい。これにより、電熱ヒータ等のエネルギー消費手段を使用せずに、「燃料電池」の熱を有効活用して好適な窒素フィルタリング処理を実施することが可能となるのである。勿論、オフガスバッファタンク１２３へ導入される排ガスの温度が十分に高温の場合は、このような加熱手段は不要となる。
Here, as the "heating means", the already explained heat exchanger or the separator/heat pipe connection system may be adopted. As a result, it is possible to effectively use the heat of the "fuel cell" to perform a suitable nitrogen filtering process without using an energy consuming means such as an electric heater. Of course, if the temperature of the exhaust gas introduced into the off-
増圧Ｕ１２４は、燃料電池Ｕ１１の「燃料電池」から取り出され、さらに水分又は水蒸気分の低減した排ガスを、さらに増圧させて（例えば7気圧（約0.7MPa）の圧力にして）窒素フィルタＵ１２へ供給する。この増圧Ｕ１２４としては、公知の圧縮ポンプ、例えば日立産機システム社製のベビコン（登録商標）ＰＯＤ-７.５ＶＮＢを採用することができる。または、公知の増圧弁、例えばＳＭＣ社製の不活性ガス用増圧弁ＶＢ１１Ａ又はＶＢＡ４２を採用することも可能である。また、排ガス増圧のモニタのために圧力計を備えていることも好ましい。 The pressure booster U124 takes out the "fuel cell" of the fuel cell U11, further pressurizes the exhaust gas with reduced water or water vapor content (for example, to 7 atmospheres (approximately 0.7 MPa)) and supplies it to the nitrogen filter U12. supply to As the pressure booster U124, a known compression pump such as Bebicon (registered trademark) POD-7.5VNB manufactured by Hitachi Industrial Equipment Systems Co., Ltd. can be used. Alternatively, it is also possible to adopt a known pressure increasing valve, for example, an inert gas pressure increasing valve VB11A or VBA42 manufactured by SMC. It is also preferable to have a pressure gauge for monitoring the pressure increase of the exhaust gas.
ここで、公知の増圧弁の多くはエア駆動タイプのものであるが、この場合、「燃料電池」へ供給する圧縮空気の一部、すなわち空気タンク１０７から取り出した圧縮空気をサポートガスとして用いて、この増圧弁を駆動させてもよい。これにより、増圧弁の駆動に対し、更なる電力消費等の負担をかけずに済む。また、増圧Ｕ１２４として、ブースタ型コンプレッサを使用することも好ましい。 Here, many of the known pressure booster valves are of the air-driven type. , may drive this booster valve. As a result, the driving of the pressure increasing valve is not burdened with additional power consumption or the like. It is also preferable to use a booster type compressor as the pressure booster U124.
ちなみに、上述したように、オフガスバッファタンク１２３からの排ガスの圧力が十分に高い（例えば7気圧（約0.7MPa）である）場合には勿論、増圧Ｕ１２４は不要となる。また、取り扱いに注意が必要となるが、水素タンク１０４から取り出した水素ガスを、このサポートガスとして利用することも可能である。
Incidentally, as described above, if the pressure of the exhaust gas from the
同じく図１において、腐食性ガス等除去Ｕ１２５は、この後、窒素フィルタＵ１２の窒素ガスフィルタ１２ｆに対して作用させるべき（「燃料電池」から取り出した）排ガスに対し、硫化物、塩化物、炭化水素、フッ化物及び強アルカリ化合物のうちの少なくとも１つを除去若しくは低減する処理を施すことの可能なユニットである。
Similarly in FIG. 1, the corrosive gas removal U125 then removes sulfides, chlorides, and carbonizations from the exhaust gas (taken from the "fuel cell") to be acted on the
例えば、水素生成改質Ｕ１０３を用いて都市ガス等から水素ガスを生成し、当該水素ガスを「燃料電池」の燃料とした場合、その排ガスには、硫化水素、亜硫酸ガス、メタンガス等の炭化水素ガス、アンモニア、ホルムアルデヒド等、水素ガス以外の種々のガス成分が混入してしまう。また、「燃料電池」にＳＯＦＣを使用した場合、800℃前後の高温雰囲気で空気中の窒素ガスが酸素と結合し、窒素酸化物（ＮＯｘ）も発生し得る。これらのガスは、最終的な生成物である窒素ガスにおける不純物となるだけでなく、窒素ガスフィルタ１２ｆの（中空糸の）繊維に悪影響を及ぼすリスクとなる。
For example, when hydrogen gas is generated from city gas or the like using hydrogen generation reforming U103 and the hydrogen gas is used as fuel for a "fuel cell", the exhaust gas contains hydrocarbons such as hydrogen sulfide, sulfurous acid gas, and methane gas. Various gas components other than hydrogen gas, such as gas, ammonia, and formaldehyde, are mixed. In addition, when SOFC is used in a "fuel cell", nitrogen gas in the air combines with oxygen in a high temperature atmosphere of around 800°C, and nitrogen oxides (NOx) can also be generated. These gases not only become impurities in the final product nitrogen gas, but also risk adversely affecting the (hollow fiber) fibers of the
そこで腐食性ガス等除去Ｕ１２５は、例えば活性炭フィルタを備えており、排ガス中における上記の不純物ガスを除去する、又は極力低減させる役割を果たすのである。ちなみに、腐食性ガス等除去Ｕ１２５は１つの基準として、炭化水素ガスについてはその濃度を0.013ｍｇ／Ｎｍ3（0.01ppm wt）以下に抑え、硫化水素、亜硫酸ガス、塩化水素、フッ素等の強酸性ガスや、アミン、アンモニア、苛性ソーダ等の強アルカリ性ガスについてはその濃度を、所定検出方法における検出限界以下に抑えることも好ましい。 Therefore, the corrosive gas removal U125 is equipped with, for example, an activated carbon filter, and plays a role of removing or reducing the above impurity gas in the exhaust gas as much as possible. By the way, one of the standards for removal of corrosive gases, etc. U125 is to suppress the concentration of hydrocarbon gas to 0.013 mg/Nm 3 (0.01 ppm wt) or less, and to remove strong acid such as hydrogen sulfide, sulfurous acid gas, hydrogen chloride, fluorine It is also preferable to suppress the concentration of gases and strongly alkaline gases such as amines, ammonia, and caustic soda to below the detection limit of a predetermined detection method.
またさらに、図１に示したように、この腐食性ガス等除去Ｕ１２５の前後に、ミストフィルタ及びダストフィルタが設置されることも好ましい。このうちミストフィルタは、排ガス中の水ミスト、溶剤ミストや、オイルミスト等のミストを除去する又は低減させるフィルタである。このミストフィルタは１つの基準として、これらのミストによる残油分についてその濃度を0.01ｍｇ／Ｎｍ3（0.008ppm wt）以下に抑えることも好ましい。一方、ダストフィルタは、排ガス中の粉塵を除去する又は低減させるフィルタである。ダストフィルタは１つの基準として、粒径0.01μｍ以上のパーティクルを概ね全て排除することも好ましい。 Furthermore, as shown in FIG. 1, it is also preferable to install a mist filter and a dust filter before and after the corrosive gas removal U125. Among these, the mist filter is a filter that removes or reduces mist such as water mist, solvent mist, and oil mist in the exhaust gas. As one standard for this mist filter, it is also preferable to suppress the concentration of residual oil due to these mists to 0.01 mg/Nm 3 (0.008 ppm wt) or less. On the other hand, a dust filter is a filter that removes or reduces dust in exhaust gas. As a standard, the dust filter should preferably remove almost all particles with a particle size of 0.01 μm or more.
温度調整Ｕ１２６は、例えば電熱ヒータを備えており、取り入れた排ガスの温度を、窒素ガスフィルタ１２ｆの特性に基づき予め設定された好適温度に近づけ又は一致させ、温度調整された排ガスを窒素フィルタＵ１２へ供給するためのユニットである。また、好適な一態様として、温度調整Ｕ１２６は、燃料電池Ｕ１１から供給される熱を、熱交換器を介して受け取って温度調整に利用してもよく、または、同じく燃料電池Ｕ１１から供給される電力によって排ガス温度を調節してもよい。
The temperature adjuster U126 is equipped with, for example, an electric heater, brings the temperature of the exhaust gas taken in closer to or matches a preset suitable temperature based on the characteristics of the
ちなみに、後に詳述する窒素ガスフィルタ１２ｆとして採用可能である宇部興産製のＵＢＥ Ｎ２セパレーターＮＭ－Ｂ０１Ａでは、導入ガスの温度が室温（25℃）よりも高い30～45℃である場合にフィルタリング効果が高くなるとされている。この場合、「燃料電池」の排ガスが室温（25℃）よりも高い状況では、温度調整Ｕ１２６を用いることなく、この高いフィルタリング効果を享受することも可能となる。また、その分温度調整のための電力消費量を抑制することも可能となる。
By the way, in the UBE N2 separator NM-B01A manufactured by Ube Industries, which can be adopted as the
また、窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用した窒素ガスフィルタ１２ｆでは、導入される排ガスの温度が高くなると、その回収率が大きく減少することも分かっている。したがって、本システムで設定される窒素ガス出力のパフォーマンスの内容次第では、所定の回収率を確保すべく、温度調整Ｕ１２６を用いず、排ガスの温度を概ねオフガスバッファタンク１２３内での温度のままとすることもあり得るのである。
It is also known that the recovery rate of the
同じく図１において、窒素フィルタＵ１２は、フロー制御Ｕ１２７から供給された排ガスを、窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用した窒素ガスフィルタ１２ｆに対して作用させ、この窒素ガスフィルタ１２ｆから窒素濃度の増大した排ガス、すなわち本実施形態において高純度の窒素ガスを取り出すユニットである。
Also in FIG. 1, the nitrogen filter U12 causes the exhaust gas supplied from the flow control U127 to act on the
具体的に本実施形態において、窒素フィルタＵ１２は、
（ａ）窒素ガスフィルタ１２ｆと、
（ｂ）排ガスを窒素ガスフィルタ１２ｆへ作用させるべく導入し、この窒素ガスフィルタ１２ｆから窒素濃度の増大した排ガスを取り出すフィルタ入出力部と、
（ｃ）窒素ガスフィルタ１２ｆによって（排ガス中の）窒素分子から分離された酸素分子を含むガス（以下、フィルタ排出ガスと略称）を、上記（ｂ）で取り出される排ガスとは別に取り出すフィルタパージ部と
を備えている。
Specifically, in this embodiment, the nitrogen filter U12 is
(a) a
(b) a filter input/output unit for introducing exhaust gas to act on the
(c) A filter purge section for extracting gas containing oxygen molecules separated from nitrogen molecules (in the exhaust gas) by the
また具体的に、この窒素ガスフィルタ１２ｆとして、窒素分子よりも酸素分子をより優先して透過させる高分子繊維素材を用いた中空糸フィルタ（中空糸繊維フィルタ）を使用することができる。例えば、ポリイミド中空糸を用いた宇部興産製のＵＢＥ Ｎ２セパレーターＮＭ－Ｂ０１Ａを採用してもよい。これは、高圧の排ガスが中空糸の中を流れていく間に、酸素分子が選択的に中空糸膜を透過し、最終的に、中空糸の出口から純度の高まった窒素ガスが取り出される仕組みとなっている。
More specifically, as the
なお勿論、窒素ガスフィルタ１２ｆはこのセパレーターに限定されるものではない。例えば、宇部興産製のＵＢＥ Ｎ２セパレーターＮＭシリーズのセパレーター、ダイセル・エボニック社製のＳＥＰＵＲＡＮ Ｎ２ メンブランモジュールや、同じくダイセル・エボニック社製のselectiveタイプの窒素ガスフィルタを、窒素ガスフィルタ１２ｆとして採用することも可能である。
Of course, the
ここで、このような窒素ガスフィルタ１２ｆにおける、
（ａ）導入される排ガスの酸素濃度（導入酸素濃度）、導入される排ガスの圧力（導入圧力）や、フィルタ１２ｆ出口での排ガスの流量（出口流量）と、
（ｂ）フィルタ１２ｆ出口での排ガスの酸素濃度（出口酸素濃度）や、フィルタ１２ｆの回収率と
の関係については、後に図２～５に示した実施例を用いて詳細に説明を行う。またそこで、純度の高い窒素ガスを得るための種々の条件についても説明する。
Here, in such a
(a) the oxygen concentration of the introduced exhaust gas (introduced oxygen concentration), the pressure of the introduced exhaust gas (introduction pressure), the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the
(b) The relationship between the oxygen concentration of the exhaust gas at the outlet of the
なお、上記（ａ）の出口流量は、窒素フィルタＵ１２の出口側に設置された流量計によって計測し、後述するフロー制御Ｕ１２７によって制御することができる。また、上記（ｂ）の出口酸素濃度も、同じく窒素フィルタＵ１２の出口側に設置された酸素濃度計によって計測可能となっている。ここで勿論、フロー制御Ｕ１２７は、これらの酸素濃度計や流量計の直後に設置されることも好ましい。 The outlet flow rate of (a) above can be measured by a flow meter installed on the outlet side of the nitrogen filter U12 and controlled by a flow controller U127, which will be described later. The outlet oxygen concentration in (b) above can also be measured by an oxygen concentration meter installed on the outlet side of the nitrogen filter U12. Here, of course, the flow control U127 is also preferably installed immediately after these oximeters and flowmeters.
また本実施形態においては、この酸素濃度計による出口酸素濃度の測定値に基づき、全体制御Ｕ１３１は、例えば圧力制御Ｕ１２１の背圧弁を制御して「燃料電池」の設定背圧を調整したり、フロー制御Ｕ１２７のマスフローコントローラを制御してフィルタへの排ガス流量を調整したりして、所望の極低酸素濃度の高純度窒素ガスを供給させることも可能となるのである。 Further, in the present embodiment, based on the measured value of the outlet oxygen concentration by the oximeter, the overall control U131 controls, for example, the back pressure valve of the pressure control U121 to adjust the set back pressure of the "fuel cell", By controlling the mass flow controller of the flow control U127 to adjust the exhaust gas flow rate to the filter, it is possible to supply high-purity nitrogen gas with a desired extremely low oxygen concentration.
同じく図１において、フロー制御Ｕ１２７は、窒素フィルタＵ１２で生成された、窒素濃度の増大した排ガス、すなわち本実施形態において高純度窒素ガスに対してその流量を制御し、当該窒素ガスを、増圧Ｕ１２８を介し窒素タンク１２９へ送るユニットである。すなわち上述したように、窒素ガスフィルタ１２ｆにおける出口流量（f_out）を制御するユニットとなる。具体的には、ガスレギュレータ及びマスフローコントローラ（又はフロースイッチ）を備えたものとすることができる。
Also in FIG. 1, the flow control U127 controls the flow rate of the exhaust gas with increased nitrogen concentration generated by the nitrogen filter U12, that is, the high-purity nitrogen gas in this embodiment, and increases the pressure of the nitrogen gas. It is a unit that sends to the
増圧Ｕ１２８は、本実施形態において、フロー制御Ｕ１２７で流量の制御された高純度窒素ガスを、さらに増圧させて（例えば8～15気圧（約0.8～1.5MPa）の圧力にして）窒素タンク１２９へ送り、より多量の高純度窒素ガスを窒素タンク１２９に保存・貯蔵させるためのユニットである。この増圧Ｕ１２８として、例えば、ブースト増圧弁やブーストコンプレッサを採用することができる。例えば、10気圧（約1.0MPa）以上に増圧可能な日立産機システム社製のブースタベビコン（登録商標）ＯＢＢ-７.５ＧＰを採用してもよい。また、増圧のモニタのために圧力計が備えられていることも好ましい。
In the present embodiment, the pressure increaser U128 further increases the pressure of the high-purity nitrogen gas whose flow rate is controlled by the flow control U127 (for example, to a pressure of 8 to 15 atmospheres (about 0.8 to 1.5 MPa)) to the nitrogen tank. 129 to store and store a larger amount of high-purity nitrogen gas in the
また、窒素タンク１２９は、窒素フィルタＵ１２から増圧Ｕ１２８を介して供給された高純度窒素ガスを一時的に保存・貯蔵し、例えば全体制御Ｕ１３１による制御に従って、高純度窒素ガスを安定的に外部へ供給する窒素ガス供給インタフェースとなっている。窒素タンク１２９にも、ガス圧計が設けられていて、各時点でのタンク内ガス圧を測定可能となっていることも好ましい。
In addition, the
なお、このような窒素ガス供給インタフェースとしての窒素タンク１２９（及び増圧Ｕ１２８）を使用せず、窒素フィルタＵ１２から所定のフロー制御手段を介して直接、生成した窒素ガスを外部に供給してもよい。例えばこの供給先が半田付け装置等である場合においては、直接供給されて少なくとも室温（25℃）を超える温度を有する高純度窒素ガスは、半田付け雰囲気として利用される際、更なる高温化に必要な熱量を節約できる点からして、より好ましいものとなっている。 Even if the nitrogen tank 129 (and the pressure booster U128) as such a nitrogen gas supply interface is not used, and the generated nitrogen gas is directly supplied to the outside from the nitrogen filter U12 via a predetermined flow control means, good. For example, when this supply destination is a soldering machine, etc., the high-purity nitrogen gas, which is directly supplied and has a temperature exceeding at least room temperature (25°C), is used as a soldering atmosphere, and the temperature rises further. This is more preferable because it saves the amount of heat required.
全体制御Ｕ１３１は、以上に説明した燃料電池Ｕ１１及び窒素フィルタＵ１２を含む主要な構成部、好ましくは（例えば水封ポンプＵ３０（図６）を含む）全ての構成部との間で有線又は無線通信ネットワークを介して通信可能となっており、各構成部の測定部・センサから出力された測定量、例えば圧力、ガス流量、温度、窒素濃度、酸素濃度、水素濃度、水素漏洩の有無等を受信し、適宜モニタして、各構成部の監視及び制御を行う制御部である。 Overall control U131 has wired or wireless communication with the major components described above including fuel cell U11 and nitrogen filter U12, preferably all components (including, for example, water seal pump U30 (FIG. 6)). It is capable of communicating via a network, and receives measured quantities such as pressure, gas flow rate, temperature, nitrogen concentration, oxygen concentration, hydrogen concentration, presence or absence of hydrogen leakage, etc. output from the measurement units and sensors of each component. and appropriately monitor and monitor and control each component.
例えば、この全体制御Ｕ１３１は、プロセッサ及びメモリを備えており、このメモリには、各構成部の監視・制御を行うための窒素ガス生成システム監視・制御プログラムが保存・搭載されていて、このプロセッサによって当該プログラムが実行されることも好ましい。 For example, the overall control U131 includes a processor and memory, and the memory stores and loads a nitrogen gas generation system monitoring/control program for monitoring/controlling each component. It is also preferred that the program is run by.
ここで、全体制御Ｕ１３１が実施する制御には、各構成部及び各構成部間における圧力、ガス流量、温度、窒素濃度、酸素濃度、水素濃度等の調整・制御が含まれる。特に、燃料電池Ｕ１１の「燃料電池」における背圧制御や、水素極側背圧と空気極側背圧とのバランス制御を行うことも好ましい。 Here, the control performed by the overall control U131 includes adjustment and control of pressure, gas flow rate, temperature, nitrogen concentration, oxygen concentration, hydrogen concentration, etc. between each component and each component. In particular, it is also preferable to perform back pressure control in the "fuel cell" of the fuel cell U11 and balance control between the hydrogen electrode side back pressure and the air electrode side back pressure.
また、全体制御Ｕ１３１は、燃料電池Ｕ１１の「燃料電池」の温度（セル温度）や、窒素フィルタＵ１２の窒素ガスフィルタ１２ｆに導入される排ガスの温度、さらには水素生成Ｕ１０２の温度等をモニタして、窒素ガス生成装置（システム）１における燃料電池反応や、フィルタリング動作、さらには水素生成（電気分解）反応を適切に制御することも好ましい。さらに、各構成部及び各構成部間における水素漏洩の有無をモニタし、問題が発生したと判断した際は、水素漏洩箇所の情報を含むアラームを外部に発信することも好ましい。
Further, the overall control U131 monitors the temperature (cell temperature) of the "fuel cell" of the fuel cell U11, the temperature of the exhaust gas introduced into the
［実施例１］
図２～４は、本発明による窒素ガス生成処理に係る実施例１を説明するためのグラフである。
[Example 1]
2 to 4 are graphs for explaining Example 1 of the nitrogen gas generation process according to the present invention.
図２～４に測定結果・分析結果を示した実施例１においては、窒素ガスフィルタ１２ｆ（図１）として宇部興産製のＵＢＥ Ｎ２セパレーターＮＭ－Ｂ０１Ａを使用し、この窒素ガスフィルタ１２ｆに対し、室温（25℃）下で、酸素濃度が20.8vol％である空気と、窒素ガス及び酸素ガスの混合ガスであって酸素濃度がそれぞれ10.3vol％、5.1vol％、及び1.1vol％である３種の混合ガスの各々とを個別に導入して、
（ａ）導入したガスの酸素濃度（導入酸素濃度c_in_O2(vol％)）、導入したガスの圧力（導入圧力p_in(気圧)）、及び窒素ガスフィルタ１２ｆ出口での排ガスの流量（出口流量f_out(L／min,リットル／分)）と、
（ｂ）窒素ガスフィルタ１２ｆ出口でのガスの酸素濃度（出口酸素濃度c_out_O2(ppm vol)）と
を計測し、上記（ａ）及び（ｂ）の関係を調べた。
In Example 1 , in which the measurement results and analysis results are shown in FIGS. , At room temperature (25°C), a mixed gas of air with an oxygen concentration of 20.8 vol%, nitrogen gas and oxygen gas with oxygen concentrations of 10.3 vol%, 5.1 vol%, and 1.1 vol%, respectively. separately introducing each of the species of gas mixtures,
(a) Oxygen concentration of introduced gas (introduced oxygen concentration c_in_O2 (vol%)), pressure of introduced gas (introduced pressure p_in (atmospheric pressure)), and flow rate of exhaust gas at the outlet of
(b) The oxygen concentration of the gas at the outlet of the
ちなみに、上記の導入ガスにおける酸素濃度10.3vol％、5.1vol％、及び1.1vol％はいずれも、実際の「燃料電池」の排ガスにおいて実現する値となっている。 Incidentally, the above oxygen concentrations of 10.3 vol%, 5.1 vol%, and 1.1 vol% in the introduced gas are all values realized in the exhaust gas of an actual "fuel cell".
図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、それぞれ出口流量f_outが2.0L／min、1.5L／min、及び1.0L／minの条件下における、導入酸素濃度c_in_O2と、出口酸素濃度c_out_O2との関係を表すグラフが示されている。 2(A), (B) and (C) respectively show the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the outlet oxygen concentration A graph is shown representing the relationship with c_out_O2.
これらのグラフによれば、
（ａ）導入酸素濃度c_in_O2が小さくなるほど、
（ｂ）導入圧力p_inが大きくなるほど、さらに、
（ｃ）出口流量f_outが小さくなるほど、
出口酸素濃度c_out_O2はより小さくなり、より純度の高い窒素ガスが窒素ガスフィルタ１２ｆから出力されることが理解される。
According to these graphs,
(a) As the introduced oxygen concentration c_in_O2 decreases,
(b) As the introduction pressure p_in increases,
(c) As the outlet flow rate f_out becomes smaller,
It is understood that the outlet oxygen concentration c_out_O2 becomes smaller and nitrogen gas with higher purity is output from the
例えば、導入酸素濃度c_in_O2を1.1％として、導入圧力p_inを7.0気圧（約0.7MPa）とし、出口流量f_outを1.0L／minに設定した場合、（図２（Ｃ）に示されたグラフ点となるが）出口酸素濃度c_out_O2は、325ppm（0.0325vol％）となる。ちなみに、同じ導入酸素濃度及び導入圧力の条件下で、出口流量f_outをさらに小さい0.75L／minに設定した場合には、出口酸素濃度c_out_O2は、190ppm（0.0190vol％）と非常に小さな値となり、極低酸素濃度の高純度窒素ガスが得られることも分かっている。ちなみにこのような結果の傾向は、窒素ガスフィルタ１２ｆへ導入されるガスの温度が40℃及び50℃である場合にも概ね変わらないことが、実験により確認されている。
For example, when the introduced oxygen concentration c_in_O2 is 1.1%, the introduced pressure p_in is 7.0 atmospheres (approximately 0.7 MPa), and the outlet flow rate f_out is set to 1.0 L/min, However, the outlet oxygen concentration c_out_O2 is 325 ppm (0.0325 vol%). By the way, when the outlet flow rate f_out is set to 0.75 L/min, which is even smaller under the same introduced oxygen concentration and inlet pressure conditions, the outlet oxygen concentration c_out_O2 becomes a very small value of 190 ppm (0.0190 vol%). It is also known that high-purity nitrogen gas with extremely low oxygen concentration can be obtained. By the way, it has been confirmed by experiments that the tendency of such results is almost the same even when the temperature of the gas introduced into the
＜出口流量と出口酸素濃度＞
ここで最初に、出口流量f_outと、出口酸素濃度c_out_O2とのより具体的な関係を説明する。図２（Ａ）～（Ｃ）に示したグラフのデータから、両者の間には、次式
（１） (c_out_O2)＝C・(f_out)ａ
で表される関係の成立することが導出される。ここで、
（ａ）項係数Cは正値をとり、導入酸素濃度c_in_O2が小さいほど、また、導入圧力p_inが大きいほど小さな値をとる。例えば、導入酸素濃度c_in_O2が1.1％であって導入圧力p_inが7.0気圧（約0.7MPa）である場合、このC値は319（ppm）となり、非常に小さな値を示す。一方、
（ｂ）べき係数aは、導入酸素濃度c_in_O2にはほとんど依存せず、導入圧力p_inが4.0気圧（約0.4MPa）で1.6前後となり、また導入圧力p_inが大きくなるほど大きな値をとって、導入圧力p_inが7.0気圧（約0.7MPa）で2.0前後となる。
<Outlet flow rate and outlet oxygen concentration>
First, a more specific relationship between the outlet flow rate f_out and the outlet oxygen concentration c_out_O2 will be described. From the data of the graphs shown in FIGS. 2(A) to (C), the following equation (1) (c_out_O2)=C・(f_out) a
It is derived that the relationship represented by here,
(a) The term coefficient C takes a positive value, and takes a smaller value as the introduced oxygen concentration c_in_O2 decreases and as the introduced pressure p_in increases. For example, when the introduced oxygen concentration c_in_O2 is 1.1% and the introduced pressure p_in is 7.0 atmospheres (approximately 0.7 MPa), this C value is 319 (ppm), which is a very small value. on the other hand,
(b) The power coefficient a is almost independent of the introduced oxygen concentration c_in_O2, and is around 1.6 when the introduced pressure p_in is 4.0 atmospheres (approximately 0.4 MPa). When p_in is 7.0 atmospheric pressure (approximately 0.7 MPa), it becomes around 2.0.
したがって、いずれにしても、出口流量f_outを小さくするほど、出口酸素濃度c_out_O2をより小さくすることができる、すなわち酸素濃度のより低い高純度の窒素ガスが得られることが理解される。ここで、べき係数aは、導入圧力p_inのみで決まっていることから、出口酸素濃度に対する出口流量の寄与のメカニズムは、その導入圧力によって決定されるフィルタ１２ｆの繊維の状態にかかわる動的なものと考えられる。
Therefore, in any case, the smaller the outlet flow rate f_out, the smaller the outlet oxygen concentration c_out_O2. Here, since the power coefficient a is determined only by the introduction pressure p_in, the mechanism of the contribution of the outlet flow rate to the outlet oxygen concentration is a dynamic one related to the state of the fibers of the
＜導入酸素濃度とフィルタリング効果＞
次に、図３に示した分析結果を用いて、導入酸素濃度c_in_O2と、窒素ガスフィルタ１２ｆによるフィルタリング効果、すなわち酸素濃度低減効果の度合いとの関係を説明する。
<Introduced oxygen concentration and filtering effect>
Next, using the analysis results shown in FIG. 3, the relationship between the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the filtering effect of the
図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、それぞれ出口流量f_outが2.0L／min、1.5L／min、及び1.0L／minである条件下における、導入酸素濃度c_in_O2と、酸素濃度低減指数との関係を表すグラフが示されている。なお、これらのグラフの各々に示されている４つのグラフ曲線はそれぞれ、導入圧力p_inが4.0気圧（約0.40MPa）、5.0気圧（約0.51MPa）、6.0気圧（約0.61MPa）及び7.0気圧（約0.71MPa）である場合のデータ点に対する累乗近似曲線となっている。 3 (A), (B) and (C) show the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the oxygen concentration A graph is shown representing the relationship to the Reduction Index. It should be noted that the four graph curves shown in each of these graphs correspond to the introduction pressure p_in of 4.0 atmospheres (about 0.40 MPa), 5.0 atmospheres (about 0.51 MPa), 6.0 atmospheres (about 0.61 MPa) and 7.0 atmospheres ( 0.71 MPa).
ここで、酸素濃度低減指数は、酸素濃度20.8vol％の空気を窒素ガスフィルタ１２ｆに導入した際の出口酸素濃度をc_out_O2(Air)として、次式
（２） （酸素濃度低減指数）＝c_out_O2(Air)／c_out_O2
をもって算出される指数であり、空気を作用させた結果を基準とした、フィルタリングによる絶対的な酸素濃度低減の度合い、すなわち（空気の場合を基準とした相対的な）フィルタリング効果の大きさを表す指標となっている。
Here, the oxygen concentration reduction index is expressed by the following formula (2) (oxygen concentration reduction index) = c_out_O2( Air)/c_out_O2
It represents the absolute degree of oxygen concentration reduction by filtering based on the result of acting on air, that is, the magnitude of the filtering effect (relative to the case of air) It is an index.
図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）のグラフによれば、
（ａ）酸素濃度低減指数は、導入酸素濃度c_in_O2が小さくなるほど増加し、特に導入酸素濃度c_in_O2が10vol％を超えたあたりから、その増加の割合が急激に大きくなり、
（ｂ）酸素濃度低減指数は、導入圧力p_inに対して顕著な依存性を示しておらず、さらに、
（ｃ）酸素濃度低減指数は、出口流量f_outに対しても顕著な依存性を示していない
ことが分かる。ちなみに、上記（ａ）における酸素濃度低減指数の増加割合が急増し始める導入酸素濃度c_in_O2＝10vol％は、酸素利用率が50％である「燃料電池」の排ガスにおける酸素濃度に概ね相当する。
According to the graphs of FIGS. 3(A), (B) and (C),
(a) The oxygen concentration reduction index increases as the introduced oxygen concentration c_in_O2 decreases, and the rate of increase increases sharply when the introduced oxygen concentration c_in_O2 exceeds 10 vol%.
(b) the oxygen concentration reduction index does not show a significant dependence on the inlet pressure p_in;
(c) It can be seen that the oxygen concentration reduction index does not show a significant dependence on the outlet flow rate f_out. Incidentally, the introduced oxygen concentration c_in_O2=10 vol% at which the rate of increase in the oxygen concentration reduction index in (a) begins to increase rapidly corresponds roughly to the oxygen concentration in the exhaust gas of a "fuel cell" with an oxygen utilization rate of 50%.
また以上の分析結果から、例えば酸素濃度低減指数が10となるような、すなわちフィルタリング効果が（空気の場合と比較して）10倍となるような（一桁高くなるような）フィルタリング条件を求めてみると、導入圧力p_inや出口流量f_outの設定にかかわらず、導入酸素濃度c_in_O2を2.5vol％以下にすればよいことが理解される。ここで、c_in_O2＝2.5vol％との値は、各グラフのおける４つの累乗近似曲線において酸素濃度低減指数が10となる導入酸素濃度値の平均値となっている。ちなみに、各グラフのグラフ曲線におけるc_in_O2＝1.1vol％あたりでの接線の横軸切片も、この2.5vol％（＝c_in_O2）付近の値となっている。 In addition, from the above analysis results, for example, filtering conditions such that the oxygen concentration reduction index is 10, that is, the filtering effect (compared to the case of air) is 10 times higher (one digit higher). Looking at it, it can be understood that the introduced oxygen concentration c_in_O2 should be 2.5 vol% or less regardless of the setting of the introduction pressure p_in and the outlet flow rate f_out. Here, the value of c_in_O2=2.5 vol% is the average value of the introduced oxygen concentration values at which the oxygen concentration reduction index is 10 in the four exponential approximation curves in each graph. By the way, the intercept of the horizontal axis of the tangent line around c_in_O2 = 1.1 vol% in the graph curve of each graph also has a value around this 2.5 vol% (=c_in_O2).
したがって図１に示した実施形態の窒素ガス生成装置（システム）１においては、酸素濃度が2.5vol％以下である排ガスを窒素ガスフィルタ１２ｆに対して作用させることにより、このフィルタ１２ｆから、空気を作用させた結果と比較して酸素濃度がその1/10以下となる排ガスを取り出すことも可能となるのである。ちなみに、以上に説明した図３のグラフについては、窒素ガスフィルタ１２ｆへ導入されるガスの温度が40℃及び50℃である場合にも、特に低酸素濃度領域で概ね一致することが実験により確認されている。
Therefore, in the nitrogen gas generator (system) 1 of the embodiment shown in FIG. 1, the exhaust gas having an oxygen concentration of 2.5 vol% or less is caused to act on the
＜導入圧力と出口酸素濃度＞
次いで、図４に示した分析結果を用いて、導入圧力p_inと、出口酸素濃度c_out_O2との関係について説明を行う。
<Inlet pressure and outlet oxygen concentration>
Next, the relationship between the introduction pressure p_in and the outlet oxygen concentration c_out_O2 will be described using the analysis results shown in FIG.
図４は、図２（Ａ）～（Ｃ）に示した各グラフにおける４つのグラフ曲線に相当する４つの多項式（２次）近似式における２次係数と１次係数との比をとった上での、
導入圧力p_inと、(２次係数)／(１次係数)との関係
を示すグラフとなっている。
FIG. 4 shows the ratio of the quadratic coefficient to the first coefficient in four polynomial (quadratic) approximations corresponding to the four graph curves in each graph shown in FIGS. in the
It is a graph showing the relationship between the introduction pressure p_in and (second order coefficient)/(first order coefficient).
ここで、図２（Ａ）～（Ｃ）に示した各グラフには、それぞれ導入圧力p_inが4.0気圧（約0.40MPa）、5.0気圧（約0.51MPa）、6.0気圧（約0.61MPa）及び7.0気圧（約0.71MPa）である場合における、導入酸素濃度c_in_O2と出口酸素濃度c_out_O2との関係を表す４つのグラフ曲線が示されており、さらに各グラフ曲線の近傍には、当該グラフ曲線に相当する多項式（２次）近似式が記載されている。例えば、図２（Ｃ）のグラフにおけるp_in＝7.0気圧（且つf_out＝1.0L／min）のグラフ曲線の近傍には、
（３） y＝6.6246x2＋161.96
ここで、yはc_out_O2（vol％），xはc_in_O2（vol％）
との多項式近似式が記載されているが、この場合、２次係数は6.6246であって、１次係数は161.96となる。
Here, in each graph shown in FIGS. 2A to 2C, the introduction pressure p_in is 4.0 atmospheres (about 0.40 MPa), 5.0 atmospheres (about 0.51 MPa), 6.0 atmospheres (about 0.61 MPa) and 7.0 atmospheres. Four graph curves representing the relationship between the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the outlet oxygen concentration c_out_O2 at atmospheric pressure (approximately 0.71 MPa) are shown, and near each graph curve corresponds to the graph curve. A polynomial (second order) approximation is given. For example, near the graph curve of p_in = 7.0 atmospheres (and f_out = 1.0 L/min) in the graph of Fig. 2(C),
(3) y = 6.6246 x 2 + 161.96
where y is c_out_O2 (vol%) and x is c_in_O2 (vol%)
In this case, the secondary coefficient is 6.6246 and the primary coefficient is 161.96.
このように、導入酸素濃度c_in_O2は、出口酸素濃度c_out_O2に対し、１次項として（比例的に）寄与するだけでなく、２次項としても影響していることが分かる。すなわち、導入酸素濃度c_in_O2がN分の1になれば、単純に出口酸素濃度c_out_O2もN分の1になるわけではなく、出口酸素濃度c_out_O2には、導入酸素濃度c_in_O2の２次項が効いてくるのである。 Thus, it can be seen that the introduced oxygen concentration c_in_O2 not only contributes (proportionally) to the outlet oxygen concentration c_out_O2 as a first-order term, but also influences it as a second-order term. That is, if the introduced oxygen concentration c_in_O2 becomes 1/N, the outlet oxygen concentration c_out_O2 does not simply become 1/N, but the outlet oxygen concentration c_out_O2 is affected by the secondary term of the introduced oxygen concentration c_in_O2. of.
以上に述べたような２次係数と１次係数との比の値である(２次係数)／(１次係数)を、図２（Ａ）～（Ｃ）の各グラフの各グラフ曲線について算出した上で、縦軸を(２次係数)／(１次係数)とし、横軸を導入圧力p_inとしてこれらの算出値をプロットしたグラフが、図４のグラフとなる。 For each graph curve of each graph in FIGS. After the calculation, the graph in FIG. 4 is obtained by plotting these calculated values with (secondary coefficient)/(primary coefficient) on the vertical axis and introduction pressure p_in on the horizontal axis.
図４のグラフによれば、それぞれ出口流量f_outが1.0L／min、1.5L／min及び2.0L／minである３つのグラフ曲線（図４では直線）が得られており、図４のグラフ点は、出口流量毎に決定される直線近似式をもって近似可能となっていることが分かる。 According to the graph of FIG. 4, three graph curves (straight lines in FIG. 4) with outlet flow rates f_out of 1.0 L/min, 1.5 L/min and 2.0 L/min are obtained, respectively. can be approximated by a linear approximation formula determined for each outlet flow rate.
これらのグラフ曲線（直線）によると、導入圧力p_inが大きくなるほど、また、出口流量f_outが小さくなるほど、(２次係数)／(１次係数)は大きくなる。したがって、上述した導入酸素濃度c_in_O2の２次項は、出口酸素濃度c_out_O2をより小さくする方向に寄与することが分かる。 According to these graph curves (straight lines), (second order coefficient)/(first order coefficient) increases as the introduction pressure p_in increases and as the outlet flow rate f_out decreases. Therefore, it can be seen that the quadratic term of the introduced oxygen concentration c_in_O2 mentioned above contributes to making the outlet oxygen concentration c_out_O2 smaller.
またこのことから、より純度の高い窒素ガスを得る（出口酸素濃度c_out_O2をより小さくする）ためには、導入酸素濃度c_in_O2における２次項の割合、すなわち(２次係数)／(１次係数)を、正値においてより大きくすることが好ましく、少なくとも、２次項の寄与が消滅する0（ゼロ）を超える値にすることが重要になると理解される。すなわち正値を超える２次項を発現させることが好ましいのである。 Also, from this, in order to obtain nitrogen gas with higher purity (to make the outlet oxygen concentration c_out_O2 smaller), the ratio of the second order term in the introduced oxygen concentration c_in_O2, that is, (secondary coefficient)/(first order coefficient) , is preferably larger at positive values, and it is important to at least have values above 0 (zero) where the contribution of the quadratic term vanishes. That is, it is preferable to express a quadratic term exceeding a positive value.
そこで、図４のグラフから、(２次係数)／(１次係数)が0（ゼロ）を超える値となる条件を求めたところ、出口流量f_outが1.0L／min、1.5L／min及び2.0L／minである場合において、導入圧力p_inがそれぞれ、2.94気圧（約0.298MPa）、3.40気圧（約0.344MPa）及び3.86気圧（約0.391MPa）を超える値であることが、その条件となることが分かる。ここで、これらの圧力閾値は、出口流量f_outが大きくなるほど大きい値をとることも理解される。すなわち、出口流量f_outをより小さく設定した場合、より小さな圧力閾値に基づいて、導入圧力p_inを設定することが可能となるのである。 Therefore, from the graph in Fig. 4, when the conditions under which the (secondary coefficient) / (first-order coefficient) exceeds 0 (zero), the outlet flow rate f_out is 1.0L/min, 1.5L/min and 2.0 In the case of L / min, the condition is that the introduction pressure p_in is a value exceeding 2.94 atmospheres (about 0.298 MPa), 3.40 atmospheres (about 0.344 MPa), and 3.86 atmospheres (about 0.391 MPa) respectively. I understand. Here, it is also understood that these pressure threshold values take larger values as the outlet flow rate f_out increases. That is, when the outlet flow rate f_out is set smaller, the introduction pressure p_in can be set based on a smaller pressure threshold.
また以上の分析結果から、図１に示した実施形態の窒素ガス生成装置（システム）１においては、窒素ガスフィルタ１２ｆに対して作用させる排ガスの圧力（導入圧力）を、窒素ガスフィルタ１２ｆによって決定される圧力閾値であって、窒素ガスフィルタ１２ｆから取り出される際の排ガスの流量（出口流量）が大きくなるほどより大きい値をとる圧力閾値を超える値の圧力とすることも好ましい、ことが理解されるのである。
Further, from the above analysis results, in the nitrogen gas generator (system) 1 of the embodiment shown in FIG. It is understood that it is also preferable to set the pressure to a value exceeding the pressure threshold, which takes a larger value as the flow rate (outlet flow rate) of the exhaust gas when taken out from the
［実施例２］
図５は、本発明による窒素ガス生成処理における窒素ガスフィルタ１２ｆの回収率を調べた実施例２を説明するためのグラフである。
[Example 2]
FIG. 5 is a graph for explaining Example 2 in which the recovery rate of the
なお実施例２においては、実施例１と同じシステムを用い、導入酸素濃度、導入圧力や、出口流量に関しても実施例１と同様の条件設定を行って、窒素ガスフィルタ１２ｆの回収率を測定している。ただし、この実施例２では、導入酸素濃度c_in_O2＝0（ゼロ）の場合の測定、すなわち純窒素ガスをフィルタ１２ｆに導入しての測定も追加で行っている。またここで、この実施例２の測定項目である回収率は、フィルタ１２ｆにおけるガス回収の度合い・程度であり、フィルタ１２ｆの入口における導入ガスの流量（導入流量）をf_inとして、次式
（４） (回収率)＝(f_out)／(f_in)
によって算出される比の値となっている。
In Example 2, the same system as in Example 1 was used, and the same conditions as in Example 1 were set for the introduced oxygen concentration, the introduced pressure, and the outlet flow rate, and the recovery rate of the
It is a ratio value calculated by
図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、それぞれ出口流量f_outが2.0L／min、1.5L／min、及び1.0L／minの条件下における、導入酸素濃度c_in_O2と、回収率との関係を表すグラフが示されている。 5 (A), (B) and (C) show the introduced oxygen concentration c_in_O2, recovery rate and A graph representing the relationship between is shown.
これらのグラフによれば、
（ａ）（4.0気圧（約0.40MPa）の条件下で若干外れる場合もあるが）導入酸素濃度c_in_O2が小さくなるほど、
（ｂ）（4.0気圧（約0.40MPa）と5.0気圧（約0.51MPa）との差は非常に小さいが）導入圧力p_inが小さくなるほど、さらに、
（ｃ）（これは回収率の定義からして蓋然性の高いこととなるが）出口流量f_outが大きくなるほど、
回収率はより大きくなり、例えば、所定流量の排ガスを窒素ガスフィルタ１２ｆに導入したとしても、より多くの（酸素濃度の低下した排ガスである）窒素ガスが取得されることが分かる。
According to these graphs,
(a) (Although it may deviate slightly under the condition of 4.0 atmospheres (about 0.40 MPa)), the smaller the introduced oxygen concentration c_in_O2, the more
(b) (Although the difference between 4.0 atmospheres (about 0.40 MPa) and 5.0 atmospheres (about 0.51 MPa) is very small), the smaller the introduction pressure p_in, the further,
(c) (This is highly probable from the definition of the recovery rate), the larger the outlet flow rate f_out, the more
The recovery rate becomes higher, and for example, even if a predetermined flow rate of exhaust gas is introduced into the
ここで、上記（ａ）の導入酸素濃度c_in_O2については、回収率を高める方向と、（例えば図２に示したような）出口酸素濃度c_out_O2を低減させる方向とは、ともに一致しており、具体的には、導入酸素濃度c_in_O2を小さくすることによって、出口酸素濃度をより低減させ、且つ回収率を高めることが可能となる。したがって、より高い純度の窒素ガスをより多く生成するべく、フィルタリング対象気体の酸素濃度が低いほど回収率が高くなるような窒素ガスフィルタを使用することが、より好ましいのである。 Here, with respect to the introduced oxygen concentration c_in_O2 in (a) above, the direction of increasing the recovery rate and the direction of decreasing the outlet oxygen concentration c_out_O2 (for example, as shown in FIG. 2) are both consistent. Specifically, by reducing the introduced oxygen concentration c_in_O2, it is possible to further reduce the outlet oxygen concentration and increase the recovery rate. Therefore, in order to generate more nitrogen gas of higher purity, it is more preferable to use a nitrogen gas filter in which the lower the oxygen concentration of the gas to be filtered, the higher the recovery rate.
またこのことから、低酸素濃度の排ガスを出力する「燃料電池」と、その排ガスを利用する上記のような「窒素ガスフィルタ」との結合系は、その出口酸素濃度及びその回収率の両方の観点からして、非常に相性の良い、すなわち効率的に窒素ガスを生成可能とする系であることも理解される。 In addition, from this fact, a combination system of a "fuel cell" that outputs exhaust gas with a low oxygen concentration and a "nitrogen gas filter" that uses the exhaust gas as described above can improve both the outlet oxygen concentration and the recovery rate. From the point of view, it is also understood that the system is very compatible, that is, it is a system that enables efficient generation of nitrogen gas.
一方、上記（ｂ）の導入圧力p_inや、上記（ｃ）の出口流量f_outに関しては、回収率を高める方向と、（例えば図２に示したような）出口酸素濃度c_out_O2を低減させる方向とは互いに反対方向であって、回収率と出口酸素濃度c_out_O2とは、いわゆるトレードオフの関係となっている。 On the other hand, regarding the introduction pressure p_in of (b) above and the outlet flow rate f_out of (c) above, the direction of increasing the recovery rate and the direction of decreasing the outlet oxygen concentration c_out_O2 (for example, as shown in FIG. 2) are different. In opposite directions, the recovery rate and the outlet oxygen concentration c_out_O2 have a so-called trade-off relationship.
したがって例えば、導入圧力p_inを大きくすると、より低酸素濃度の高純度窒素ガスを得ることができるが、一方で、所定量の当該窒素ガスを得るために必要となる排ガス量、ひいては「燃料電池」への空気の必要投入量は、増加することとなる。 Therefore, for example, if the introduction pressure p_in is increased, it is possible to obtain high-purity nitrogen gas with a lower oxygen concentration, but on the other hand, the amount of exhaust gas required to obtain a predetermined amount of the nitrogen gas, and the "fuel cell" The required air input to the will increase.
したがって、窒素ガス生成装置（システム）１（図１）で設定される窒素ガス出力のパフォーマンスの内容に合わせて、所望の低い出口酸素濃度c_out_O2を実現しつつ所定の回収率を確保するべく、導入圧力p_inや、出口流量f_outの設定を調整することも好ましいのである。例えば、所定以上（例えば99.9vol％以上）の高純度の窒素ガスを、所定の生成コストで（例えば、後述するようなＰＳＡ装置での生成コストと同等又はそれ未満で）製造するパフォーマンス内容を実現すべく、導入圧力p_inや、出口流量f_out（さらにはこれらに依存する回収率）を、制御しつつ決定していくことも好ましいのである。 Therefore, in order to achieve a desired low outlet oxygen concentration c_out_O2 and to ensure a predetermined recovery rate, the introduction of It is also preferable to adjust the settings of the pressure p_in and the outlet flow rate f_out. For example, achieve the performance content of producing high-purity nitrogen gas of predetermined or higher (e.g., 99.9 vol% or higher) at a predetermined generation cost (e.g., at a generation cost equal to or less than the generation cost in a PSA device as described later). Therefore, it is also preferable to determine while controlling the introduction pressure p_in and the outlet flow rate f_out (furthermore, the recovery rate depending on these).
なお、上記（ｂ）の導入圧力p_inに関して、回収率と出口酸素濃度c_out_O2とがトレードオフの関係となることについて、本願発明者等は、フィルタ繊維が中空糸をなしている実施例２（実施例１）の窒素ガスフィルタ１２ｆでは、導入圧力p_inが高くなるにつれて、この中空糸が膨張し、フィルタ繊維の酸素分子選択能のみならず、酸素分子以外の分子に対する透過能にも変化が生じてしまうことも関係している、と考えている。
Regarding the introduction pressure p_in in (b) above, regarding the trade-off relationship between the recovery rate and the outlet oxygen concentration c_out_O2, the inventors of the present application have found that the filter fibers are hollow fibers in Example 2 (implementation In the
また、以上に説明した回収率に関し、本願発明者等は、窒素ガスフィルタ１２ｆへ導入するガスの温度が高くなるほど回収率がより小さくなり、所定以上の温度では、回収率が顕著に減少することを確認している。したがって、窒素ガス生成装置（システム）１（図１）において窒素フィルタＵ１２の前段に設置された温度調整Ｕ１２６（図１）では、窒素ガスフィルタ１２ｆにおける所定の回収率の確保も考慮して、排ガスの温度調整を行うことも好ましい。
Further, regarding the recovery rate described above, the inventors of the present application have found that the higher the temperature of the gas introduced into the
ここで、このような導入ガスの温度による回収率への影響について、本願発明者等はやはり、温度が高くなるにつれて、窒素ガスフィルタ１２ｆの中空糸が膨張し、フィルタ繊維の酸素分子選択能のみならず、酸素分子以外の分子に対する透過能にも変化が生じてしまうことも関係している、と考えている。
Here, regarding the influence of the temperature of the introduced gas on the recovery rate, the inventors of the present application also found that as the temperature increases, the hollow fibers of the
以上、図２～５を用いて実施例１及び２の説明を行ったが、これらの実験から得られた知見に基づき、本願発明者等は、窒素ガス生成装置（システム）１を用いて、99.9vol％を超える純度（窒素濃度）を有し酸素濃度が0.1vol％（1000ppm vol）未満である高純度窒素ガスを生成することに成功している。このような高純度の窒素ガスは、純度に関する条件の厳しいリフロー半田付け装置にも使用可能なものとなっている。ちなみに、リフロー半田付け装置においても、使用される半田ペーストの種類によっては、純度（窒素濃度）が99vol％の窒素ガスが使用可能となる。 As described above, Examples 1 and 2 have been described with reference to FIGS. We have succeeded in producing high-purity nitrogen gas with a purity (nitrogen concentration) exceeding 99.9 vol% and an oxygen concentration of less than 0.1 vol% (1000 ppm vol). Such high-purity nitrogen gas can also be used in reflow soldering equipment, which has strict purity requirements. Incidentally, even in reflow soldering equipment, nitrogen gas with a purity (nitrogen concentration) of 99 vol% can be used depending on the type of solder paste used.
なお、窒素ガスの需要は勿論、半田付け装置を用いるような電子機器・電機分野に限定されるものではない。実際、レーザ加工や熱処理等の際に窒素ガスを使用する金属・樹脂分野、タイヤ充填や船舶内パージ装置等で窒素ガスを必要とする輸送機分野、各種プロセス用ガス、圧力輸送ガスや、冷却ガス等として窒素ガスを使用する化学分野、ドライカット装置等で窒素ガスを必要とする機械分野、さらには、食品保存やガス充填用に、またＣＡ（Controlled Atmosphere）貯蔵雰囲気供給装置やフライヤ装置で窒素ガスを使用する食品分野等、様々な分野において、窒素ガスが種々の用途に使用されているのである。 Needless to say, the demand for nitrogen gas is not limited to the fields of electronic equipment and electrical equipment that use soldering equipment. In fact, the field of metals and resins that use nitrogen gas for laser processing and heat treatment, the field of transportation that requires nitrogen gas for filling tires and purging equipment in ships, various process gases, pressure transportation gas, cooling, etc. Chemical field that uses nitrogen gas as gas, etc., mechanical field that requires nitrogen gas for dry cutting equipment, etc., food storage and gas filling, CA (Controlled Atmosphere) storage atmosphere supply equipment and fryer equipment. Nitrogen gas is used for various purposes in various fields such as the food field where nitrogen gas is used.
またそれ故、要求される窒素ガスの純度（窒素濃度）も、分野・用途によって様々である。例えば、不純物ガスとしての酸素ガスの濃度（酸素濃度）が0.01vol％（100ppm vol）のオーダであることを要求されるケースもあれば、当該酸素濃度が数vol％までは許容されるケースもある。 Therefore, the required purity of nitrogen gas (nitrogen concentration) also varies depending on the field and application. For example, there are cases where the concentration of oxygen gas as an impurity gas (oxygen concentration) is required to be on the order of 0.01 vol% (100ppm vol), and there are cases where the oxygen concentration is allowed up to several vol%. be.
このような状況に対し、本窒素ガス生成装置（システム）１によれば、例えば導入酸素濃度c_in_O2、導入圧力p_inや出口流量f_outを調整して、残留酸素が、要求される上限酸素濃度にまで抑えられた窒素ガスを、適宜提供することが可能となるのである。例えば、酸素濃度が数vol％程度であってもよいケースでは、導入酸素濃度c_in_O2を例えば10vol％とした上で、導入圧力p_inをより低く抑え、出口流量f_outをより大きくして、回収率を高めることも可能となる。 For this situation, according to the nitrogen gas generator (system) 1, for example, the introduced oxygen concentration c_in_O2, the introduced pressure p_in, and the outlet flow rate f_out are adjusted, and the residual oxygen reaches the required upper limit oxygen concentration. It becomes possible to appropriately provide suppressed nitrogen gas. For example, in a case where the oxygen concentration can be about several vol%, the introduced oxygen concentration c_in_O2 is set to 10 vol%, the introduced pressure p_in is kept lower, the outlet flow rate f_out is made larger, and the recovery rate is increased. It is also possible to increase
さらに、本窒素ガス生成装置（システム）１によれば、その分野・用途によっては同時に必要となる電力や熱を、生成した窒素ガスに合わせて提供することも可能となっている。この点、従来の窒素ガス生成装置では当然ながら、そのようなエネルギーの供給までカバーすることは困難又は不可能である。 Furthermore, according to the present nitrogen gas generator (system) 1, it is also possible to provide electric power and heat, which are required at the same time depending on the field and application, together with the generated nitrogen gas. In this respect, of course, it is difficult or impossible for conventional nitrogen gas generators to cover such energy supply.
またさらに、本願発明者等は、以上に説明した知見に基づき、本発明に係る窒素ガス生成装置（システム）１によれば、窒素ガスの生成コストも大幅に抑制可能であることを確認している。例えば、本願発明者等の調べによれば、現状、窒素ガスボンベの販売価格は例えば430円／Ｎｍ3程度であり、液体窒素の販売価格は例えば120円／Ｎｍ3程度となっている。また、普及している窒素ガス生成装置であるＰＳＡ（圧力変動吸着）装置によれば、窒素ガス生成コストは例えば48円／Ｎｍ3程度となる。 Furthermore, based on the findings described above, the inventors of the present application have confirmed that the nitrogen gas generation device (system) 1 according to the present invention can significantly reduce the cost of generating nitrogen gas. there is For example, according to research by the inventors of the present application, the current selling price of a nitrogen gas cylinder is, for example, about 430 yen/Nm 3 , and the selling price of liquid nitrogen is, for example, about 120 yen/Nm 3 . Further, according to a PSA (pressure swing adsorption) device, which is a widely used nitrogen gas generator, the nitrogen gas generation cost is about 48 yen/Nm 3 , for example.
これらに対し、窒素ガス生成装置（システム）１によれば、「燃料電池」の規格出力や可能排ガス流量、さらには見込まれる水素調達コストも含む、適切な条件設定によって、例えば上述したようなＰＳＡ装置での生成コストと同等又はそれ未満の生成コストを実現可能であることも試算により確認されている。さらに、上述したように窒素ガス生成装置（システム）１が（必要とされる）電力や熱も提供するケースにおいては、これらも合せた総合的な調達コストは、従来と比べて大幅に低減可能となるのである。 On the other hand, according to the nitrogen gas generator (system) 1, by setting appropriate conditions including the standard output of the "fuel cell", the possible exhaust gas flow rate, and the expected hydrogen procurement cost, for example, the PSA as described above It has also been confirmed by trial calculation that a production cost equal to or less than the production cost in the apparatus can be realized. Furthermore, in the case where the nitrogen gas generator (system) 1 also provides (necessary) power and heat as described above, the total procurement cost including these can be significantly reduced compared to the conventional method. It becomes.
［除湿手段における他の実施形態：水封ポンプＵ］
図６は、本発明に係る除湿手段における他の実施形態を説明するための模式図である。
[Another embodiment of the dehumidifying means: water seal pump U]
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining another embodiment of the dehumidifying means according to the present invention.
最初に図６（Ａ）には、燃料電池Ｕ１１の「燃料電池」の空気極側（ドレイン１１２）から取り出された排ガスを、フロー制御弁を介して受け取り、当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させ、このような除湿処理を施した排ガスを、オフガスバッファタンク１２３に向けて送り出す水封ポンプＵ３０が示されている。
First, in FIG. 6(A), the exhaust gas taken out from the air electrode side (drain 112) of the fuel cell U11 is received through the flow control valve, and the moisture or water vapor content in the exhaust gas is reduced. A water seal pump U30 is shown for pumping the dehumidified exhaust gas toward the
ここで水封ポンプＵ３０は、水封式の真空ポンプである水封ポンプ３０１と、気液分離槽３０２とを備えており、さらに、循環する封液を冷却するための（熱交換Ｕ４０の一部である）熱交換器を取り込んでいる。
Here, the water ring pump U30 includes a water ring pump 301, which is a water ring vacuum pump, and a gas-
このうち、水封ポンプ３０１は、
（ａ）ポンプのケージングに入れられた封液（封水）が、羽根車であるインペラ３０１ａの偏心回転に伴う遠心力によって、ポンプの内部に三日月状の水膜を形成し、
（ｂ）この封液の水膜と、インペラ３０１ａの隣接する２つの羽根との間に形成される密閉空間の容積が、インペラ３０１ａの偏心回転に伴い周期的に変化することによって、この封液の水膜がピストン及びシールのような役割を果たし、具体的には排ガスをケージング内に吸い込み、ケージング内で圧縮し、さらに封液とともにケージング外へ吐き出す一連の過程を発動させる
といった真空ポンプとなっている。なお勿論、水封ポンプ３０１の構造は、図６（Ａ）に示されたものに限定されるものではなく、水封式のポンプに係る構造であれば種々のものがその構造として採用可能である。
Among them, the water seal pump 301 is
(a) The sealing liquid (sealed water) contained in the casing of the pump forms a crescent-shaped water film inside the pump due to the centrifugal force associated with the eccentric rotation of the
(b) The volume of the sealed space formed between the water film of the sealing liquid and the two adjacent blades of the
また、気液分離槽３０２は、水封ポンプ３０１から排出された排ガスと封液との混合体を受け取って、排ガス中の水分・水蒸気分と封液とを当該排ガスから分離し、分離した（水分・水蒸気分を含む）封液を溜めておく貯水槽となっている。ここで、溜め置かれた封液は、ポンプによって、（熱交換Ｕ４０の一部である熱交換器を介し）水封ポンプ３０１へ戻され、再び使用される。また、溜め置かれた封液が所定以上になれば、その一部をオーバーフロー水として槽外に排出する。
In addition, the gas-
ここで水封ポンプ３０１では、インペラ３０１ａがモータによって高速で回転するので通常、その摩擦熱により封液の温度が上昇し、冷却しなければ封液が沸騰する場合もある。そこで例えば封液が所定温度（例えば50℃）以上になれば、封液を（熱交換Ｕ４０の一部である）熱交換器に通して冷却するのである。
Here, in the water ring pump 301, the
熱交換Ｕ４０は、このように水封ポンプＵ３０において封液の温度調整（冷却）を行うが、図６（Ａ）に示した実施形態ではさらに、自身の一部である別の熱交換器を燃料電池Ｕ１１内に及ぼし、「燃料電池」の温度調整（冷却）も行う。 The heat exchanger U40 thus performs temperature adjustment (cooling) of the sealing liquid in the water ring pump U30, but in the embodiment shown in FIG. It also affects the inside of the fuel cell U11 and regulates (cools) the temperature of the "fuel cell".
すなわち熱交換Ｕ４０は、水封ポンプＵ３０に取り込まれた熱交換器と、燃料電池Ｕ１１に取り込まれた熱交換器とを直列に配し、例えば共通のチラー・ポンプを用いて、封液及び「燃料電池」から熱を受け取ってそれらの温度調整（冷却）を一挙に行うものとすることができる。または、両熱交換器を並列に配して温度調整（冷却）を一挙に行ってもよい。なお勿論、両熱交換器をそれぞれ独立に制御することも可能である。さらに、熱交換Ｕ４０は、このようにして回収した熱を、外部の装置や施設に供給してもよく、また、例えば装置（システム）１の設置された施設内の冷暖房に活用してもよいのである。なおこの場合、チラーを省略することができる。 That is, the heat exchanger U40 arranges in series the heat exchanger incorporated in the water seal pump U30 and the heat exchanger incorporated in the fuel cell U11, and uses, for example, a common chiller pump to It is possible to receive heat from the fuel cell and adjust their temperature (cooling) all at once. Alternatively, both heat exchangers may be arranged in parallel to perform temperature adjustment (cooling) at once. Of course, it is also possible to control both heat exchangers independently. Furthermore, the heat exchange U40 may supply the heat recovered in this way to an external device or facility, or may utilize it, for example, for air conditioning in the facility where the device (system) 1 is installed. of. In this case, the chiller can be omitted.
以上説明した水封ポンプ３０１は、例えば「燃料電池」の空気極側の出口圧力が大気圧（約0.1MPa）に近い「低圧」の状態であっても、その真空ポンプ作用によって、排ガスを吸引して除湿処理を施し、オフガスバッファタンク１２３に移送することを可能にする。ここで、このような「低圧」の場合において、「燃料電池」の空気極側の出口圧力は、水封ポンプ３０１の吸引作用により1気圧（約0.1MPa）を下回り、その結果、「燃料電池」のセル内における燃料電池反応後のガスが積極的に引き出されることによって「燃料電池」の発電効率が向上することも見込まれるのである。
The water seal pump 301 described above sucks the exhaust gas by its vacuum pump action even if the outlet pressure on the air electrode side of the "fuel cell" is in a "low pressure" state close to the atmospheric pressure (approximately 0.1 MPa), for example. dehumidification treatment and transfer to the off-
このように水封ポンプ３０１は、「燃料電池」との取り合わせが非常に好適なものとなっている。実際に、出口圧力が1.2気圧（約0.12MPa）であって相対湿度が概ね100％である「燃料電池」の排ガスに対し、樫山工業社製の水封式真空ポンプLEH100SMSを用いて除湿処理を施したところ、大気における典型値と同程度の相対湿度（数十％）を有する排ガスを得て、さらにそれをタンク１２３に速やかに収納することができた。
Thus, the water seal pump 301 is very suitable for combination with the "fuel cell". In fact, the exhaust gas from a "fuel cell", which has an outlet pressure of 1.2 atm (approximately 0.12 MPa) and a relative humidity of approximately 100%, was dehumidified using a water-sealed vacuum pump LEH100SMS manufactured by Kashiyama Kogyo Co., Ltd. As a result, an exhaust gas having a relative humidity (several tens of percent) comparable to the typical value in the atmosphere was obtained, and it was able to be quickly stored in the
ちなみに、水封ポンプ３０１の真空ポンプ作用が大きすぎると、「燃料電池」のセル内のガスを引き出しすぎ、燃料電池反応に支障をきたす可能性も生じる。そのため、水封ポンプ３０１におけるインペラ３０１ａの回転数を調整し、オフガスバッファタンク１２３への移送流量が、導入流量の基準値を超えないようにすることも好ましい。また、このような調整を適切に実施するため、水封ポンプＵ３０の取り込み口の直前及び取り出し口の直後のそれぞれに流量計や圧力計を設置し、排ガスの流量や圧力をモニタすることも好ましい。
Incidentally, if the vacuum pumping action of the water ring pump 301 is too large, too much gas may be extracted from the cells of the "fuel cell", which may interfere with the fuel cell reaction. Therefore, it is also preferable to adjust the rotational speed of the
次に、図６（Ｂ）に示した実施形態では、燃料電池Ｕ１１と水封ポンプＵ３０との間に断熱膨張室５０が設けられている。ここで、「燃料電池」の空気極側からフロー制御弁を介して取り出された排ガスは、水封ポンプ３０１の吸引力によってこの断熱膨張室５０内に取り込まれる。この際、取り込まれた排ガスは、空気極側出口配管から所定の容積を有する断熱膨張室５０内へ一気に放出されるので断熱的に膨張し、自らの温度を低下させる。またその結果、排ガス中に含まれている水分・水蒸気分の一部が、飽和水蒸気密度の低下により凝結して、断熱膨張室５０の下部に溜まるのである。ここで、水封ポンプ３０１の真空ポンプ作用（インペラ３０１ａの回転数）を所定限度内で大きくし、さらに、フロー制御弁において断熱膨張室５０内へ流入する排ガスの流量を調整して、排ガスの圧力の急激な低下を引き起こせば、断熱膨張の度合いもより大きくなり、凝結による除湿効果も高まる。例えば、排ガスの温度を数十℃のレベルで低下させ、多量の水蒸気分を凝結させて排ガス中から除外することも可能となるのである。
Next, in the embodiment shown in FIG. 6B, an adiabatic expansion chamber 50 is provided between the fuel cell U11 and the water seal pump U30. Here, the exhaust gas taken out from the air electrode side of the “fuel cell” through the flow control valve is taken into the adiabatic expansion chamber 50 by the suction force of the water seal pump 301 . At this time, the taken-in exhaust gas is discharged all at once from the air electrode side outlet pipe into the adiabatic expansion chamber 50 having a predetermined volume, so that it adiabatically expands and lowers its own temperature. As a result, part of the moisture and water vapor contained in the exhaust gas is condensed due to the decrease in saturated water vapor density and accumulates in the lower portion of the adiabatic expansion chamber 50 . Here, the vacuum pumping action of the water ring pump 301 (the number of revolutions of the
このように断熱膨張室５０は、水封ポンプＵ３０の前段における排ガスの除湿手段として機能する。なおこの場合、水封ポンプＵ３０は、断熱的に膨張した後の、水分・水蒸気分の低減した排ガスを取り込んで、当該排ガスにおける水分・水蒸気分をさらに低減させることになる。すなわち、断熱膨張室５０を設けることによって、より相対湿度の低い排ガスをオフガスバッファタンク１２３へ送り込むことが可能となるのである。
In this manner, the adiabatic expansion chamber 50 functions as exhaust gas dehumidification means in the upstream stage of the water ring pump U30. In this case, the water ring pump U30 takes in the exhaust gas with reduced moisture and water vapor after being adiabatically expanded to further reduce the moisture and water vapor in the exhaust gas. That is, by providing the adiabatic expansion chamber 50, it becomes possible to send exhaust gas with a lower relative humidity into the
また本実施形態では、
（ａ）水封ポンプＵ３０に取り込まれた熱交換器と、断熱膨張室５０内に仕込まれた熱交換器（図６（Ｂ）では管束５０１）と、燃料電池Ｕ１１に取り込まれた熱交換器とを直列（又は並列）に配し、
（ｂ）水封ポンプＵ３０の封液及び「燃料電池」から熱を受け取って断熱膨張室５０に熱を伝え、封液、断熱膨張室５０及び「燃料電池」の温度調整を一挙に行う
熱交換Ｕ６０が設けられている。
Also, in this embodiment,
(a) A heat exchanger incorporated in the water ring pump U30, a heat exchanger incorporated in the adiabatic expansion chamber 50 (
(b) Heat exchange that receives heat from the sealing liquid of the water seal pump U30 and the "fuel cell" and transfers the heat to the adiabatic expansion chamber 50, thereby adjusting the temperatures of the sealing liquid, the adiabatic expansion chamber 50 and the "fuel cell" all at once. U60 is provided.
ここで、熱交換Ｕ６０もチラー・ポンプを用いて上記の温度調整を行うのであるが、断熱膨張室５０で熱交換媒体が冷却されるので、このチラー・ポンプとして低消費電力のものを使用することができる。さらに勿論、熱交換Ｕ６０においても、このようにして回収した熱を、外部の装置や施設に供給してもよく、また、例えば装置（システム）１の設置された施設内の冷暖房に活用してもよいのである。なおこの場合においても、チラーを省略することが可能となる。 Here, the heat exchange U60 also uses a chiller pump to perform the above temperature adjustment, but since the heat exchange medium is cooled in the adiabatic expansion chamber 50, a chiller pump with low power consumption is used. be able to. Furthermore, of course, in the heat exchange U60, the heat recovered in this manner may be supplied to an external device or facility, or may be utilized for air conditioning in the facility where the device (system) 1 is installed, for example. is also good. Also in this case, the chiller can be omitted.
また変更態様として、熱交換Ｕ６０において「燃料電池」内の熱交換器を省略し、熱交換Ｕ６０を、水封ポンプＵ３０の封液から熱を奪って断熱膨張室５０に熱を伝える熱移送手段とすることもできる。ここでこの場合においても、チラーを省略又は低消費電力化することが可能となる。 Further, as a modification, the heat exchanger in the "fuel cell" is omitted in the heat exchange U60, and heat transfer means for transferring heat to the adiabatic expansion chamber 50 by removing heat from the sealing liquid of the water ring pump U30. can also be Also in this case, the chiller can be omitted or the power consumption can be reduced.
さらに、断熱膨張室５０を除湿手段とした他の実施形態となるが、図６（Ｂ）の構成において、水封ポンプＵ３０を省略し、さらに、
（ａ）燃料電池Ｕ１１の「燃料電池」からの排ガスの圧力を、大気圧（1気圧，約0.1MPa）を超える圧力、例えば3気圧（約0.3MPa）以上の圧力とし（すなわち、圧力制御Ｕ１２１及び圧力制御Ｕ１１３（図１）を用いて「燃料電池」を高圧下で駆動させ）、
（ｂ）このような高圧の排ガスを断熱膨張室５０内へ放出して高圧状態から開放させ、当該排ガスにおける相当量の水分・水蒸気分を除去する
こともできる。この場合、駆動電力のかかる水封ポンプＵ３０を使用せずに、排ガスの除湿処理を確実に進めることも可能となるのである。
Further, another embodiment using the adiabatic expansion chamber 50 as a dehumidifying means is obtained by omitting the water ring pump U30 in the configuration of FIG.
(a) The pressure of the exhaust gas from the "fuel cell" of the fuel cell U11 is set to a pressure exceeding the atmospheric pressure (1 atmosphere, approximately 0.1 MPa), for example, a pressure of 3 atmospheres (approximately 0.3 MPa) or more (that is, the pressure control U121 and pressure control U113 (Fig. 1) to drive the "fuel cell" under high pressure),
(b) It is also possible to discharge such high-pressure exhaust gas into the adiabatic expansion chamber 50 to release the high-pressure state, thereby removing a considerable amount of moisture and water vapor in the exhaust gas. In this case, the exhaust gas can be reliably dehumidified without using the water ring pump U30, which requires driving power.
以上、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を用いて、水封ポンプ３０１を利用した除湿手段について説明を行ったが、両図に示したいずれの実施形態においても、水封ポンプＵ３０やチラー・ポンプを駆動させるための電力の少なくとも一部は、「燃料電池」から供給することができ、さらに勿論、自然エネルギー発電Ｕ１０１（図１）や蓄電Ｕ１０１ｓ（図１）から供給してもよい。また、「燃料電池」から排出される水や、（図６（Ｂ）の場合に）断熱膨張室５０から取り出される（例えばオーバーフローした）水、さらには（その純度が高い場合ではあるが）気液分離槽３０２のオーバーフロー水を回収し、純水若しくは高純度の水として外部に提供可能とする純水回収手段（具体的は例えば配管、ポンプ及びフィルタ等）が設けられていることも好ましい。この場合、本装置（システム）１は、純水供給装置（システム）としても機能するのである。
The dehumidifying means using the water ring pump 301 has been described above with reference to FIGS. 6A and 6B. At least a portion of the power to drive the chiller pump can be provided by a "fuel cell" and, of course, by renewable energy generators U101 (FIG. 1) and storage U101s (FIG. 1). . In addition, the water discharged from the "fuel cell", the water taken out (for example, overflowing) from the adiabatic expansion chamber 50 (in the case of FIG. 6B), and the gas (although its purity is high) It is also preferable to provide pure water recovery means (specifically, pipes, pumps, filters, etc.) for recovering the overflow water of the
［気液分離Ｕの一実施形態：ドライフィルタ］
図７は、本発明に係る除湿手段としての気液分離Ｕ１２２における一実施形態を説明するための模式図である。
[One embodiment of gas-liquid separation U: dry filter]
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining an embodiment of the gas-liquid separator U122 as the dehumidifying means according to the present invention.
図７に示した実施形態では、気液分離Ｕ１２２は、ドライフィルタ１２２ｆを用いたドライフィルタユニットとなっている。このドライフィルタ１２２ｆは、
（ａ）大気圧（1気圧，約0.1MPa）を超える圧力、例えば3気圧（約0.3MPa）以上の圧力を有する排ガスを受け取り、
（ｂ）当該排ガスを、容器下部で急激に方向転換させて、当該排ガス中の水分、油分や微小混合物を分離し、
（ｃ）方向転換してメッシュ管１２２ｆ１へ入ってきた当該排ガスを、メッシュ管１２２ｆ１のメッシュ及びその内部の（空気よりも水蒸気をより多く透過させる）中空糸フィルタによって濾過して、当該排ガス中の微粒子・水分・水蒸気分を取り除き、
（ｄ）さらに濾過の際に発生する熱によって、当該排ガス中の水分を蒸発させる
ことを可能にするフィルタである。
In the embodiment shown in FIG. 7, the gas-liquid separator U122 is a dry filter unit using a dry filter 122f. This dry filter 122f is
(a) receiving an exhaust gas having a pressure above atmospheric pressure (1 atmosphere, about 0.1 MPa), such as a pressure greater than 3 atmospheres (about 0.3 MPa);
(b) abruptly changing the direction of the exhaust gas at the bottom of the container to separate moisture, oil, and minute mixtures in the exhaust gas;
(c) The exhaust gas that has changed direction and entered the mesh tube 122f1 is filtered by the mesh of the mesh tube 122f1 and the hollow fiber filter (which allows more water vapor to pass through than air) inside the mesh tube 122f1. Remove fine particles, moisture and water vapor,
(d) Further, a filter that allows the moisture in the exhaust gas to evaporate by the heat generated during filtration.
ここで、排ガスから取り出された水分・水蒸気分は、ドレイン１２２ｆ２を介してフィルタ１２２ｆ外に排出されるが、これを純水又は純度の高い水として外部に供給してもよい。なお、ドライフィルタ１２２ｆの構造は、図７に示したものに限定されず、公知のドライフィルタの構造ならば種々のものがその構造として採用可能である。 Here, the moisture/water vapor extracted from the exhaust gas is discharged to the outside of the filter 122f through the drain 122f2, but this may be supplied to the outside as pure water or water of high purity. The structure of the dry filter 122f is not limited to that shown in FIG. 7, and various known dry filter structures can be adopted as the structure.
ここで、ドライフィルタ１２２ｆへ高圧（例えば3～7気圧（約0.3～0.7MPa）の）排ガスを供給するため、本実施形態では図７に示すように、
（ａ）圧力制御Ｕ１２１及び圧力制御Ｕ１１３を用いて、高圧（例えば3～7気圧（約0.3～0.7MPa）の空気（又は窒素及び酸素を含む気体）と、高圧（例えば3～7気圧（約0.3～0.7MPa）の水素（燃料気体）とを「燃料電池」へ供給し、
（ｂ）「燃料電池」から、高圧（例えば3～7気圧（約0.3～0.7MPa）の排ガスを取り出して、ドライフィルタ１２２ｆへ送り出す
仕組みとなっている。
Here, in order to supply high pressure (for example, 3 to 7 atmospheres (about 0.3 to 0.7 MPa)) exhaust gas to the dry filter 122f, in this embodiment, as shown in FIG.
(a) Using pressure control U121 and pressure control U113, high pressure (for example, 3 to 7 atmospheres (about 0.3 to 0.7 MPa) air (or gas containing nitrogen and oxygen) and high pressure (for example, 3 to 7 atmospheres (about 0.3 to 0.7 MPa) 0.3-0.7 MPa) hydrogen (fuel gas) to the "fuel cell",
(b) The exhaust gas of high pressure (for example, 3 to 7 atmospheres (approximately 0.3 to 0.7 MPa) is extracted from the "fuel cell" and sent to the dry filter 122f.
このように、高圧対応の「燃料電池」とドライフィルタ１１２ｆとは、一連の高圧系とすることにより、電池反応の効率を促進しつつ発生する水分・水蒸気分を効率的に除去することができるので、非常に好適な取り合わせとなっているのである。 In this way, the high-pressure "fuel cell" and the dry filter 112f form a series of high-pressure systems, which promotes the efficiency of the cell reaction and efficiently removes the generated moisture and water vapor. Therefore, it is a very suitable combination.
また本実施形態では、ドライフィルタ１１２ｆから排出される、水分又は水蒸気分の低減した高圧の排ガスを、オフガスバッファタンク１２３を介さずに（又は介してもよいが）窒素フィルタＵ１２へ向けて送り出している。ここで、窒素フィルタＵ１２の窒素ガスフィルタ１２ｆにおいては、上述したように、作用させる排ガスの圧力が高いほど、取り出される排ガスの酸素濃度がより低くなる、すなわちより純度の高い窒素ガスが得られるのである。したがって、ドライフィルタ１１２ｆと窒素フィルタＵ１２も、一連の高圧系とすることによって非常に好適な取り合わせとなることが理解される。
Further, in the present embodiment, the high-pressure exhaust gas with reduced moisture or water vapor content discharged from the dry filter 112f is sent toward the nitrogen filter U12 without (or may be) passed through the off-
［窒素フィルタＵについての他の実施形態］
以下、窒素フィルタＵ１２についての好適な他の実施形態を説明する。図１に示した窒素フィルタＵ１２は、上述したように、窒素ガスフィルタ１２ｆの中空糸繊維を透過することによって（排ガス中の）窒素分子から分離された酸素分子を含む「フィルタ排出ガス」を取り出すフィルタパージ部を備えている。ここで、このフィルタパージ部から排出される「フィルタ排出ガス」は、このように酸素分子を相当に含んでいるので、再度燃料電池反応に使用したり、または、再度フィルタリング処理を行ったりすることも可能なガスとなっている。
[Another embodiment of the nitrogen filter U]
Another preferred embodiment of the nitrogen filter U12 is described below. As described above, the nitrogen filter U12 shown in FIG. 1 extracts "filter exhaust gas" containing oxygen molecules separated from nitrogen molecules (in the exhaust gas) by passing through the hollow fiber fibers of the
ちなみに、窒素ガスフィルタ１２ｆとして宇部興産製のＵＢＥ Ｎ２セパレーターＮＭ－Ｂ０１Ａを採用した場合において、酸素濃度が10.2vol％のガスを、導入圧力6.0気圧（約0.61MPa）及び出口流量1.0L／minの条件の下、この窒素ガスフィルタ１２ｆへ導入して、そこから排出されるフィルタ排出ガスの酸素濃度を調べたところ14.9vol％との実験結果が得られ、さらに、回収率は0.29との実験結果が得られている。また、フィルタ排出ガスの酸素濃度は、（ａ）導入酸素濃度が大きくなるほど、（ｂ）導入圧力が小さくなるほど、さらに、（ｃ）出口流量が大きくなるほど、より大きくなることが実験によって確認されている。
By the way, when UBE N 2 separator NM-B01A manufactured by Ube Industries is used as the
ここで、（フィルタ１２ｆ出口での酸素濃度は桁違いに小さいので）導入されたガスの酸素分子の概ね全てが窒素ガスフィルタ１２ｆのフィルタパージ部から排出されるとすると、フィルタ排出ガスの酸素濃度は、上記の実験結果として得られた回収率（0.29）を用いた計算では0.102／0.71＝14.4となり、上記の実験結果として得られた14.9vol％と概ね一致する。したがって、窒素ガスフィルタ１２ｆのフィルタパージ部からは、不要であるとして分離された酸素ガス分を概ね全て回収できていることが分かるのである。
Here, assuming that almost all of the oxygen molecules in the introduced gas are discharged from the filter purge section of the
そこで、本実施形態の窒素ガス生成装置（システム）１は、図１における「丸で囲んだ"Ｂ"」で示すようにガス戻し流路を設けて、このフィルタ排出ガスを、
（ａ）「燃料電池」の空気極側の前段に設置されたフロー制御Ｕ１０９へ送り返し、酸素及び窒素を含む気体として「燃料電池」で再度使用したり、及び／又は、
（ｂ）窒素フィルタＵ１２の前段に設置されたオフガスバッファタンク１２３へ送り返し、排ガスとともに窒素ガスフィルタ１２ｆに再度作用させたり
している。これにより、酸素ガス分をより有効に利用したり、酸素濃度のより低い窒素ガスを取り出したりすることも可能となるのである。
Therefore, in the nitrogen gas generator (system) 1 of the present embodiment, a gas return flow path is provided as indicated by "circled "B"" in FIG.
and/or
(b) The offgas is sent back to the
ここで、酸素濃度が空気と比べてより低減しているフィルタ排出ガスを「燃料電池」で再度使用するならば、この「燃料電池」の排ガスを、酸素濃度のより低い排ガスとすることもできる。またこれにより、（図５を用いて説明したように）このような排ガスを導入した窒素ガスフィルタ１２ｆでは回収率が大きくなるので、最終的により多くの窒素ガスを取り出すことも可能となる。さらに、窒素ガス生成装置（システム）１における各種条件の設定にも依存するが、このように窒素ガスフィルタ１２ｆでの最終的な回収率を大きくすることによって、窒素ガスの生成コストを大幅に低減することもできるのである。
Here, if the filter exhaust gas whose oxygen concentration is lower than that of air is reused in the "fuel cell", the exhaust gas of this "fuel cell" can be an exhaust gas with a lower oxygen concentration. . In addition, as described with reference to FIG. 5, the
ちなみに、「燃料電池」からの排ガスの酸素濃度が15vol％程度であって、さらにフィルタ排出ガスの酸素濃度が導入酸素濃度c_in_O2の例えば（典型値として）1.4倍となるような条件下では、フィルタ排出ガスの酸素濃度は、空気（20.8vol％）と同程度、またはそれ以上となり、その結果、フィルタ排出ガスを「燃料電池」の空気極側へ差し戻すことの上記メリットは生じないことが分かる。 By the way, the oxygen concentration of the exhaust gas from the "fuel cell" is about 15 vol%, and the oxygen concentration of the filter exhaust gas is, for example, 1.4 times (as a typical value) the introduced oxygen concentration c_in_O2. It can be seen that the oxygen concentration of the exhaust gas is about the same as or higher than that of air (20.8 vol%), and as a result, the above advantages of returning the filter exhaust gas to the air electrode side of the "fuel cell" do not occur. .
一方、フィルタ排出ガスの酸素濃度が同じく導入酸素濃度の1.4倍であって、「燃料電池」からの排ガスの酸素濃度が10vol％程度であれば、フィルタ排出ガスの酸素濃度は14vol％前後（＜20.8vol％）となり、フィルタ排出ガスの上記差し戻しには意義が生じる。また、さらに「燃料電池」からの排ガスの酸素濃度が5vol％程度となれば、フィルタ排出ガスの酸素濃度は7vol％前後となり、回収率の向上が見込まれるだけでなく、システム設定次第では、窒素ガス生成コストが相当に低減するという経済的効果も奏功可能となる。 On the other hand, if the oxygen concentration in the exhaust gas from the filter is also 1.4 times the concentration of the introduced oxygen, and the oxygen concentration in the exhaust gas from the "fuel cell" is about 10 vol%, the oxygen concentration in the exhaust gas from the filter is around 14 vol% (< 20.8 vol%), and the return of the filter exhaust gas is significant. In addition, if the oxygen concentration in the exhaust gas from the "fuel cell" is about 5 vol%, the oxygen concentration in the filter exhaust gas will be around 7 vol%, and not only is the recovery rate improved, but depending on the system settings, nitrogen The economic effect of considerably reducing gas generation costs can also be achieved.
以下、窒素フィルタＵ１２についての更なる他の実施形態を説明する。図８は、本発明に係るフィルタリング手段についての他の実施形態を説明するための模式図である。 Still another embodiment of the nitrogen filter U12 will be described below. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining another embodiment of filtering means according to the present invention.
図８（Ａ）に示した実施形態によれば、窒素フィルタＵ１２には、３つの窒素ガスフィルタ１２ｆ１、１２ｆ２及び１２ｆ３が、並列に接続される形で設置されている。なお勿論、並列される窒素ガスフィルタの数は３つに限定されるものではなく、２つ又は４つ以上であってもよい。 According to the embodiment shown in FIG. 8A, the nitrogen filter U12 is provided with three nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 connected in parallel. Of course, the number of nitrogen gas filters arranged in parallel is not limited to three, and may be two or four or more.
具体的に、窒素フィルタＵ１２に供給された排ガスは分流して、３つの窒素ガスフィルタ１２ｆ１、１２ｆ２及び１２ｆ３の各々に取り込まれ、各窒素ガスフィルタが、供給された排ガスにおける自身への取り込み分に作用して、窒素濃度の増大したガス、すなわち高純度の窒素ガスを生成し、最後にこれらの高純度窒素ガスが合流して、窒素タンク１２９へ向けて送り出されるのである。
Specifically, the exhaust gas supplied to the nitrogen filter U12 is split and taken into each of the three nitrogen gas filters 12f1, 12f2, and 12f3, and each nitrogen gas filter adjusts to the amount of the supplied exhaust gas taken into itself. As a result, a gas with an increased nitrogen concentration, that is, a high-purity nitrogen gas is produced, and finally, these high-purity nitrogen gases are combined and sent to the
また、３つの窒素ガスフィルタ１２ｆ１、１２ｆ２及び１２ｆ３の各々から排出されたフィルタ排出ガスは、「燃料電池」前段のフロー制御Ｕ１０９（図１）、及び／又は、窒素フィルタＵ１２前段のオフガスバッファタンク１２３（図１）へ送り返され、再利用されることも好ましい。さらに、これらの窒素ガスフィルタから排出されたフィルタ排出ガス中の酸素濃度が所定以上であれば、当該フィルタ排出ガスを外部の酸素タンクに送って保存・貯蔵してもよい。いずれにしてもこのような処理によって、酸素ガス分をより有効に利用したり、酸素濃度のより低い窒素ガスを取り出したりすることも可能となるのである。
Further, the filter exhaust gas discharged from each of the three nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 is supplied to the flow control U109 (FIG. 1) preceding the "fuel cell" and/or the
このように、複数の窒素ガスフィルタを並列に配してフィルタ処理を行うことによって、多量の排ガスを同時に取り込んで、より多くの高純度の窒素ガスを外部に提供することも可能となる。例えば、ダイセル・エボニック社製の4インチ径窒素ガスフィルタは、そのカタログ値によれば、7気圧（約0.7MPa）の空気を流量40L／minで受け取った場合に、酸素濃度約0.1vol％の高純度窒素ガスを（回収率を約0.25として）流量約10L／minで吐出するとされている。 In this way, by arranging a plurality of nitrogen gas filters in parallel and performing filtering, it is possible to take in a large amount of exhaust gas at the same time and provide a larger amount of high-purity nitrogen gas to the outside. For example, Daicel-Evonik's 4-inch diameter nitrogen gas filter, according to its catalog value, has an oxygen concentration of approximately 0.1 vol% when receiving 7 atmospheres (approximately 0.7 MPa) of air at a flow rate of 40 L/min. It is said that high-purity nitrogen gas is discharged at a flow rate of about 10 L/min (with a recovery rate of about 0.25).
このような窒素ガスフィルタを例えば３つ並列に配置して、各窒素ガスフィルタに対し（空気よりも酸素濃度の低い、例えば酸素濃度が5～10vol％の）排ガスを、7気圧（約0.7MPa）且つ流量40L／minで投入すれば、酸素濃度が0.01vol％（100ppm vol）台の、又は酸素濃度が0.1vol％（1000ppm vol）を大きく下回る高純度窒素ガスを、合計流量約30(＝10×3)L／minで外部に提供することも可能となるのである。ここで、各窒素ガスフィルタには、元の全流量120（＝40×3）L／minの３分の１の流量で排ガスが流入するので、１つの窒素ガスフィルタを使用した場合と比較して、各窒素ガスフィルタの酸素分離能はより向上しているのである。また勿論、より径の大きな（例えば6インチ径の）窒素ガスフィルタを用いれば、さらに多量の高純度窒素ガスを供給可能となる。さらに例えば、ダイセル・エボニック社製のselectiveタイプ6インチ径窒素ガスフィルタでは、回収率は約0.32となっていて、4インチ径窒素ガスフィルタの回収率（約0.25）と比較して大幅に向上しており、その分より多くの高純度窒素ガスを外部に提供することが可能となる。 For example, three such nitrogen gas filters are arranged in parallel, and each nitrogen gas filter is exposed to exhaust gas (with an oxygen concentration lower than that of air, for example, an oxygen concentration of 5 to 10 vol%) at 7 atmospheres (about 0.7 MPa). ) and at a flow rate of 40 L / min, high-purity nitrogen gas with an oxygen concentration of 0.01 vol% (100 ppm vol) or an oxygen concentration that is significantly below 0.1 vol% (1000 ppm vol), a total flow rate of about 30 (= It is also possible to supply externally at 10×3)L/min. Here, exhaust gas flows into each nitrogen gas filter at a flow rate one-third of the original total flow rate of 120 (= 40 x 3) L/min. Therefore, the oxygen separation capacity of each nitrogen gas filter is further improved. Of course, if a nitrogen gas filter with a larger diameter (for example, 6-inch diameter) is used, a larger amount of high-purity nitrogen gas can be supplied. Furthermore, for example, a selective type 6-inch diameter nitrogen gas filter manufactured by Daicel-Evonik has a recovery rate of approximately 0.32, which is significantly improved compared to the recovery rate of a 4-inch diameter nitrogen gas filter (approximately 0.25). Therefore, it is possible to supply a larger amount of high-purity nitrogen gas to the outside.
次に図８（Ｂ）に示した実施形態によれば、窒素フィルタＵ１２には、３つの窒素ガスフィルタ１２ｆ１、１２ｆ２及び１２ｆ３が、カスケード状に接続される形で設置されている。具体的には、窒素フィルタＵ１２に取り込まれた排ガスは、最初に窒素ガスフィルタ１２ｆ１へ導入され、この窒素ガスフィルタ１２ｆ１から排出されたフィルタ排出ガスが、次の窒素ガスフィルタ１２ｆ１へ導入される。 Next, according to the embodiment shown in FIG. 8(B), the nitrogen filter U12 is provided with three nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 which are connected in cascade. Specifically, the exhaust gas taken into the nitrogen filter U12 is first introduced into the nitrogen gas filter 12f1, and the filter exhaust gas discharged from this nitrogen gas filter 12f1 is introduced into the next nitrogen gas filter 12f1.
さらに、この窒素ガスフィルタ１２ｆ２から排出されたフィルタ排出ガスが、最後の窒素ガスフィルタ１２ｆ３へ導入され、この窒素ガスフィルタ１２ｆ３から排出されたフィルタ排出ガスは、「燃料電池」前段のフロー制御Ｕ１０９（図１）、及び／又は、窒素フィルタＵ１２前段のオフガスバッファタンク１２３（図１）へ送り返され、再利用されるのである。 Furthermore, the filter exhaust gas discharged from this nitrogen gas filter 12f2 is introduced into the final nitrogen gas filter 12f3, and the filter exhaust gas discharged from this nitrogen gas filter 12f3 is controlled by the flow control U109 ( 1) and/or to the offgas buffer tank 123 (FIG. 1) upstream of the nitrogen filter U12 for reuse.
また、窒素ガスフィルタ１２ｆ３から排出されたフィルタ排出ガス中の酸素濃度が所定以上であれば、当該フィルタ排出ガスを外部の酸素タンクに送って保存・貯蔵してもよい。いずれにしてもこのような処理によって、酸素ガス分をより有効に利用したり、酸素濃度のより低い窒素ガスを取り出したりすることも可能となるのである。またここで、窒素ガスフィルタ１２ｆ１、１２ｆ２及び１２ｆ３から出てきた、窒素濃度の増大した排ガスはまとめて、純度の高い窒素ガスとして出力されるのである。 Further, if the oxygen concentration in the filter exhaust gas discharged from the nitrogen gas filter 12f3 is a predetermined value or higher, the filter exhaust gas may be sent to an external oxygen tank for preservation/storage. In any case, such treatment makes it possible to use the oxygen gas portion more effectively and to extract nitrogen gas with a lower oxygen concentration. Further, here, the exhaust gas with increased nitrogen concentration coming out of the nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 is collectively output as high-purity nitrogen gas.
なお、窒素ガスフィルタ１２ｆ１から１２ｆ３へ行くにつれて、導入されるガスの流量（導入流量）は小さくなるので、例えば、窒素ガスフィルタ１２ｆ２は、１２ｆ１よりも小型のもの（小流量対応のもの）を使用し、さらに、窒素ガスフィルタ１２ｆ３は、１２ｆ２よりも小型のもの（小流量対応のもの）を使用することも好ましい。 Since the flow rate (introduction flow rate) of the introduced gas decreases from the nitrogen gas filters 12f1 to 12f3, for example, the nitrogen gas filter 12f2 is smaller than 12f1 (corresponding to a small flow rate). Further, it is also preferable to use a nitrogen gas filter 12f3 smaller than 12f2 (corresponding to a small flow rate).
また、本実施形態において利用する窒素ガスフィルタの数も当然、３つに限定されるものではない。具体的には同じく、第１の窒素ガスフィルタから第N（Nは2以上の整数）の窒素ガスフィルタまでのN個の窒素ガスフィルタを用いることが可能である。 Further, the number of nitrogen gas filters used in this embodiment is, of course, not limited to three. Specifically, similarly, it is possible to use N nitrogen gas filters from the first nitrogen gas filter to the Nth (N is an integer equal to or greater than 2) nitrogen gas filter.
以上、窒素フィルタＵ１２に係る様々な実施形態を説明してきたが、これらの実施形態においても、全体制御Ｕ１３１（図１）は、「燃料電池」の排ガスの酸素濃度、圧力や流量、さらには、各窒素ガスフィルタにおける導入酸素濃度、導入圧力、導入流量、導入ガス温度や、出口酸素濃度、出口圧力、出口流量等を常時モニタし、適時、所定の高い窒素濃度を有する窒素ガスを、所定量（所定流量）提供できるように個々のユニットを制御することも好ましい。 Various embodiments of the nitrogen filter U12 have been described above. Introduced oxygen concentration, introductory pressure, introductory flow rate, introductory gas temperature, outlet oxygen concentration, outlet pressure, outlet flow rate, etc. in each nitrogen gas filter are constantly monitored, and nitrogen gas with a predetermined high nitrogen concentration is supplied in a predetermined amount in a timely manner. It is also preferred to control individual units to provide (predetermined flow rates).
［機械学習による制御］
以下、本発明に係る除湿手段として水封ポンプＵ３０（図６（Ａ））を用い、水封ポンプＵ３０において除湿処理の施された排ガスを、窒素フィルタＵ１２（図１）を用いて高純度窒素ガスに変える窒素ガス生成装置（システム）１における、窒素ガス生成処理の機械学習を用いた制御について説明を行う。ちなみに本制御は、全体制御Ｕ１３１（図１）において実施することができる。
[Control by machine learning]
Hereinafter, a water ring pump U30 (FIG. 6A) is used as a dehumidifying means according to the present invention, and the exhaust gas that has been dehumidified by the water ring pump U30 is treated with high-purity nitrogen using a nitrogen filter U12 (FIG. 1). The control using machine learning of the nitrogen gas generation process in the nitrogen gas generation apparatus (system) 1 that converts to gas will be described. Incidentally, this control can be implemented in the overall control U131 (FIG. 1).
最初に、空気及び水素を取り込んで高純度窒素ガスを生成する所定構成の窒素ガス生成装置（システム）１が、安定的に稼働している状態を考える。この状態における、例えば、
（ａ）燃料電池Ｕ１１（図１）における「燃料電池」への空気の導入流量、
（ｂ）「燃料電池」の水素極・空気極間での複素インピーダンス値、
（ｃ）「燃料電池」の温度、
（ｄ）「燃料電池」の発電量、
（ｅ）「燃料電池」の空気極側における排ガスの出口流量、
（ｆ）「燃料電池」の空気極側における排ガスの出口圧力、
（ｇ）水封ポンプ３０１におけるインペラ３０１ａの回転数（又は駆動電力）、
（ｈ）水封ポンプ３０１位置又は気液分離槽３０２位置での封液の温度、
（ｉ）水封ポンプＵ３０の排出口での排ガスの相対湿度、
（ｊ）窒素フィルタＵ１２における導入排ガスの温度、
（ｋ）窒素フィルタＵ１２における導入排ガスの圧力、
（ｌ）窒素フィルタＵ１２における（窒素ガスの）出口流量、及び
（ｍ）窒素フィルタＵ１２における（窒素ガスの）出口酸素濃度
の測定値のデータセットを多数用意する。
First, let us consider a state in which a nitrogen gas generator (system) 1 having a predetermined configuration that takes in air and hydrogen to generate high-purity nitrogen gas is operating stably. In this state, for example,
(a) the flow rate of air introduced into the "fuel cell" in the fuel cell U11 (Fig. 1);
(b) the complex impedance value between the hydrogen electrode and the air electrode of the "fuel cell";
(c) the temperature of the "fuel cell";
(d) the amount of power generated by the “fuel cell”;
(e) exhaust gas outlet flow rate on the cathode side of the "fuel cell";
(f) exhaust gas outlet pressure on the cathode side of the "fuel cell";
(g) the number of revolutions (or drive power) of the
(h) the temperature of the sealing liquid at the position of the water ring pump 301 or the position of the gas-
(i) the relative humidity of the flue gas at the outlet of the water ring pump U30;
(j) the temperature of the introduced exhaust gas in the nitrogen filter U12;
(k) the pressure of the introduced exhaust gas in the nitrogen filter U12;
Prepare a number of data sets of measurements of (l) the outlet flow rate (of nitrogen gas) at the nitrogen filter U12 and (m) the outlet oxygen concentration (of nitrogen gas) at the nitrogen filter U12.
次いで、これらのデータセットを用いて、例えばＤＮＮ（Deep Neural Network）アルゴリズムを用いた窒素ガス生成モデルを構築し、このモデルを取り込んだ制御プログラムによって、窒素ガス生成装置（システム）１の稼働状態を制御することも好ましい。ここで、この窒素ガス生成モデルにおいては、例えば上記（ａ）～（ｋ）を説明変数として、上記（ｌ）及び（ｍ）を目的変数に設定することができる。 Next, using these data sets, a nitrogen gas generation model is constructed using, for example, a DNN (Deep Neural Network) algorithm, and the operating state of the nitrogen gas generator (system) 1 is controlled by a control program incorporating this model. Control is also preferred. Here, in this nitrogen gas generation model, for example, the above (a) to (k) can be set as explanatory variables, and the above (l) and (m) can be set as objective variables.
これにより、燃料電池Ｕ１１、水封ポンプＵ３０及び窒素フィルタＵ１２の稼働状態に係る情報をこのモデルへ入力すれば、装置（システム）１のパフォーマンスとしての
（ｌ’）外部に供給可能な高純度窒素ガスの供給流量、及び
（ｍ’）外部に供給可能な高純度窒素ガスの純度（又は酸素濃度）
を知得若しくは予測することができるのである。ここで、モデル構築・パフォーマンス予測の際の説明変数として、少なくとも上記（ａ）及び（ｇ）を採用することが好ましい。また、目的変数として、上記（ｌ）及び（ｍ）のいずれか一方を設定してもよい。
As a result, if information related to the operating conditions of the fuel cell U11, the water ring pump U30, and the nitrogen filter U12 is input to this model, the performance of the device (system) 1 (l') can be supplied to the outside. Gas supply flow rate, and (m') purity (or oxygen concentration) of high-purity nitrogen gas that can be supplied to the outside
can be known or predicted. Here, it is preferable to employ at least the above (a) and (g) as explanatory variables for model construction and performance prediction. Also, either one of the above (l) and (m) may be set as the objective variable.
さらに変更態様として、上記（ｂ）～（ｆ）及び上記（ｈ）～（ｍ）を説明変数とし、上記（ａ）及び（ｇ）を目的変数とした窒素ガス生成制御モデルを構築し、このモデルを取り込んだ制御プログラムを用いて、窒素ガス生成装置（システム）１の稼働状態を制御することも可能である。これにより、供給する高純度窒素ガスにおける目標供給流量及び目標純度（又は酸素濃度）を達成するために必要な
（ａ）「燃料電池」への空気の導入流量、及び
（ｇ）水封ポンプ３０１におけるインペラ３０１ａの回転数（又は駆動電力）
を求めることができ、これに合わせた制御を行うことによって目標が達成可能となるのである。ここで、モデル構築・制御量予測の際の説明変数として、少なくとも上記（ｌ）及び（ｍ）のいずれか一方を採用することが好ましい。また、目的変数として、上記（ａ）及び（ｇ）のいずれか一方を設定してもよい。
Further, as a modification, a nitrogen gas generation control model is constructed with the above (b) to (f) and the above (h) to (m) as explanatory variables and the above (a) and (g) as objective variables. It is also possible to control the operating state of the nitrogen gas generator (system) 1 using a control program incorporating the model. As a result, (a) the flow rate of air introduced into the “fuel cell” and (g) the water seal pump 301 required to achieve the target supply flow rate and target purity (or oxygen concentration) in the supplied high-purity nitrogen gas Rotational speed (or drive power) of
can be obtained, and the goal can be achieved by performing control according to this. Here, it is preferable to employ at least one of the above (l) and (m) as an explanatory variable for model construction and controlled variable prediction. Also, either one of the above (a) and (g) may be set as the objective variable.
ちなみに、窒素ガスユーザによる窒素ガスの純度や供給量（流量）に対する要求は、すでに述べたように、その分野や具体的な用途によって多種多様である。全体制御Ｕ１３１（図１）は場合によっては、そのような個々のユーザの要求に合わせて窒素ガス生成モデルや窒素ガス生成制御モデルを構築し分け、ユーザの所望するパフォーマンスに適合したモデルを取り込んだ制御プログラムを用いて、ユーザの当該要求に叶う高いパフォーマンスを、窒素ガス生成装置（システム）１に発揮させることも好ましい。 By the way, as already mentioned, the requirements for nitrogen gas purity and supply amount (flow rate) by nitrogen gas users vary depending on the field and specific application. In some cases, the overall control U131 (Fig. 1) separately builds a nitrogen gas generation model and a nitrogen gas generation control model according to such individual user's request, and incorporates a model that suits the user's desired performance. It is also preferable to use a control program to allow the nitrogen gas generator (system) 1 to exhibit high performance that meets the user's requirements.
［触媒燃焼を利用した他の実施形態］
図９は、本発明による窒素ガス生成装置・システムについての更なる他の実施形態を説明するための模式図である。
[Another embodiment using catalytic combustion]
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining still another embodiment of the nitrogen gas generator/system according to the present invention.
図９に示した実施形態では、図１に示した窒素ガス生成装置（システム）１において、窒素フィルタＵ１２の後段（例えばフロー制御Ｕ１２７の直後）に、触媒燃焼Ｕ９０が設けられている。ここで、この触媒燃焼Ｕ９０は、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属系の化合物、又は他の遷移金属系の化合物からなる燃焼触媒上で、水素ガスと排ガス中の酸素分とを接触させ、火炎燃焼よりも制御された酸化反応である触媒燃焼を行うユニットである。 In the embodiment shown in FIG. 9, in the nitrogen gas generator (system) 1 shown in FIG. 1, a catalytic combustion U90 is provided after the nitrogen filter U12 (for example, immediately after the flow control U127). Here, this catalytic combustion U90 combines hydrogen gas and the oxygen content in the exhaust gas on a combustion catalyst made of a noble metal compound such as palladium (Pd) or platinum (Pt) or another transition metal compound. It is a unit that contacts and performs catalytic combustion, which is a more controlled oxidation reaction than flame combustion.
具体的に本実施形態において、触媒燃焼Ｕ９０は、
（ａ）窒素フィルタＵ１２から取り出された低酸素濃度の（例えば酸素濃度が0.1～数vol％の）窒素ガスと、
（ｂ）燃料電池Ｕ１１の水素極側出口から取り出され、ドレイン１１１、圧力制御Ｕ１１３や、気液分離Ｕ１１４を経た後、水素回収Ｕ１１５で回収された水素ガスであって、その後フロー制御Ｕ９０２及び逆止弁を介して送られてきた水素ガスと
を取り込み、これら窒素ガス及び水素ガスを、ユニット内に設置された燃焼触媒である固体触媒９０ａの表面上で接触させて触媒燃焼反応を起こし、最終的に、極低酸素濃度の（例えば酸素濃度が0.01vol％（100ppm vol）オーダの）高純度窒素ガス、及び微量の水蒸気を外部に送出するのである。なお勿論、上記（ｂ）の水素ガスの代わりに、例えば、水素生成Ｕ１０２や水素生成改質Ｕ１０３から、水素ガスを触媒燃焼Ｕ９０へ供給することも可能である。
Specifically, in this embodiment, catalytic combustion U90:
(a) nitrogen gas with a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of 0.1 to several vol%) taken out from the nitrogen filter U12;
(b) Hydrogen gas taken out from the hydrogen electrode side outlet of the fuel cell U11, passed through the
ここで、触媒燃焼Ｕ９０に設置された燃焼触媒である固体触媒９０ａは、細かい穴が多数開いていて当該穴の内部を含めた表面に白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属を触媒として担持しているセラミックスハニカムとすることも好ましい。このような固体触媒９０ａとして例えば、長峰製作所製の酸化触媒（白金触媒）であるＮＡハニカムを採用することが可能である。
Here, the solid catalyst 90a, which is a combustion catalyst installed in the
ＮＡハニカムは、そのカタログにあるように、カルシウム・アルミネート（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）、溶融シリカ（ＳｉＯ2）及び二酸化チタン（ＴｉＯ2）を主成分とした担体の表面に、白金（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）等の白金族金属を担持させた固体触媒である。ここで、この担体はハニカム形状を有し、その上に担持された白金族金属の接触面積は非常に大きくなっており、効率良く酸化反応を引き起こすものとなっている。ちなみに、ＮＡハニカムの最適使用温度は200～850℃とされている。 As shown in its catalog , the NA honeycomb has platinum ( Pt ) and platinum group metals such as palladium (Pd). Here, this carrier has a honeycomb shape, and the contact area of the platinum group metal supported on the carrier is very large, so that the oxidation reaction can be caused efficiently. Incidentally, the optimum operating temperature for NA honeycomb is said to be 200-850°C.
本実施形態では、水素を微量の酸素で燃焼させるので、一般的な接触燃焼に比べてその反応熱は非常に小さい。したがって固体触媒９０ａを、例えば250℃にまで加熱して接触燃焼の触媒として使用するのである。ここで、この加熱は、例えば電熱線を固体触媒９０ａに巻き付けて通電加熱する電熱式で行うことができる。 In this embodiment, hydrogen is burned with a very small amount of oxygen, so the heat of reaction is much smaller than in general catalytic combustion. Therefore, the solid catalyst 90a is heated to, for example, 250° C. and used as a catalytic combustion catalyst. Here, this heating can be performed by an electric heating method in which, for example, a heating wire is wound around the solid catalyst 90a and electrically heated.
また、この加熱に係る他の好適な実施形態として、固体触媒９０ａに対し誘導加熱を行ってもよい。具体的には、固体触媒９０ａの担体の内部に、鉄（Ｆｅ）やステンレス等の鉄系合金を混入させておき、このような固体触媒９０ａに対し、電磁場発生装置を用いて例えば十数キロヘルツ（kHz）～数百kHzの磁場（電磁場）を印加し、電磁誘導の原理によって発生するうず電流によるジュール熱をもって、固体触媒９０ａを直接加熱するのである。 In addition, as another preferred embodiment related to this heating, induction heating may be performed on the solid catalyst 90a. Specifically, an iron-based alloy such as iron (Fe) or stainless steel is mixed in the inside of the carrier of the solid catalyst 90a, and the solid catalyst 90a is subjected to, for example, ten-odd kilohertz using an electromagnetic field generator. A magnetic field (electromagnetic field) of (kHz) to several hundred kHz is applied, and the solid catalyst 90a is directly heated with Joule heat due to eddy current generated by the principle of electromagnetic induction.
ここで、電磁誘導の表皮効果に合わせ、固体触媒９０ａの担体における表面近く、例えば少なくとも浸透深さδ以上の深さの担体内部に、鉄粉・鉄片や、粉状・片状のステンレス等の鉄系合金を分散させることも好ましい。これにより、固体触媒９０ａにおける高温にすべき表面近くの部分を、均一な温度分布をもって所定の高温にすることができる。 Here, in accordance with the skin effect of electromagnetic induction, near the surface of the carrier of the solid catalyst 90a, for example, inside the carrier at least at a depth equal to or greater than the permeation depth δ, iron powder, iron flakes, powdery or flaky stainless steel, etc. It is also preferred to disperse the iron-based alloy. As a result, the portion near the surface of the solid catalyst 90a to be heated can be heated to a predetermined high temperature with a uniform temperature distribution.
または、鉄又はステンレス等の鉄系合金の板片を、固体触媒９０ａの例えば側面に接触させる形で設置し、電磁誘導により当該板片を介して固体触媒９０ａを誘導加熱することも可能である。いずれにしても、固体触媒９０ａの誘導加熱においては、例えば複数の固体触媒９０ａを使用する場合でも、各固体触媒９０ａに対する電熱線等の配線を必要とせず、また複数の固体触媒９０ａを一挙に且つ簡便に加熱することができるのである。 Alternatively, a plate piece of iron or an iron-based alloy such as stainless steel is placed in contact with, for example, the side surface of the solid catalyst 90a, and the solid catalyst 90a can be induction-heated via the plate piece by electromagnetic induction. . In any case, in the induction heating of the solid catalysts 90a, for example, even when a plurality of solid catalysts 90a are used, wiring such as a heating wire for each solid catalyst 90a is not required, and the plurality of solid catalysts 90a can be heated at once. Moreover, it can be easily heated.
以上説明したように、本実施形態では、触媒燃焼を促進させるため、固体触媒９０ａを加熱するのであるが、その加熱のために必要となる電力を低減させるため、窒素フィルタＵ１２から取り出される窒素ガスにおける酸素濃度を若干高く設定することも可能である。このように酸素濃度を高くすれば、接触燃焼で発生する熱が大きくなり、その分、固体触媒９０ａを加熱するための電力を抑えることもできるのである。いずれにしても、最終的に供給する窒素ガスに求められる純度や供給量（流量）を勘案し、窒素フィルタＵ１２におけるフィルタリング条件（例えば、排ガスの導入流量）と、触媒燃焼条件（例えば、固体触媒９０ａの温度）とを適切に調整することが重要となる。 As described above, in the present embodiment, the solid catalyst 90a is heated in order to promote catalytic combustion. It is also possible to set the oxygen concentration at a slightly higher value. If the oxygen concentration is increased in this manner, the amount of heat generated by catalytic combustion is increased, and the power required to heat the solid catalyst 90a can be reduced accordingly. In any case, considering the purity and supply amount (flow rate) required for the nitrogen gas to be finally supplied, the filtering conditions (for example, the introduction flow rate of the exhaust gas) in the nitrogen filter U12 and the catalytic combustion conditions (for example, the solid catalyst 90a) is important.
また、触媒燃焼Ｕ９０から送出される極低酸素濃度の窒素ガスは、高温状態で出てくるのであるが、触媒燃焼Ｕ９０出口に設置された、プレート式又は多管式の熱交換器９０１でその熱を回収されてもよい。この場合、熱交換器９０１で回収された熱は、燃料電池Ｕ１１から回収された熱と同様、オフガスバッファタンク１２３に供給されて、窒素フィルタＵ１２へ供給される排ガスをさらに高温（例えば45℃）にするのに使用されたり、または外部へ供給されたりすることも好ましい。なお、触媒燃焼Ｕ９０から出力される窒素ガスは、その温度がそれほど高くないときには、熱交換器９０１を介さずに、この後説明する水素フィルタＵ９０３へ送られてもよい。
In addition, the extremely low oxygen concentration nitrogen gas sent out from the catalytic combustion U90 comes out in a high temperature state, and the
ここで、触媒燃焼Ｕ９０から出力される極低酸素濃度の窒素ガスには通常、触媒燃焼反応で燃焼されなかった残留水素ガスも含まれることになる。本実施形態では、水素フィルタＵ９０３が、熱交換Ｕ９０１を経てきたこの高純度窒素ガスを取り込み、内部に設置された公知の水素ガスフィルタによって、この極低酸素濃度の窒素ガスから残留水素ガスを分離し、より高純度の窒素ガスを出力する。この出力された高純度窒素ガスは、この後、逆止弁、酸素濃度計、流量計、及び増圧Ｕ１２８（図１）を介して窒素タンク１２９（図１）に保存・貯蔵され、適宜外部に提供されることも好ましい。 Here, the extremely low oxygen concentration nitrogen gas output from the catalytic combustion U90 usually contains residual hydrogen gas that has not been burned in the catalytic combustion reaction. In this embodiment, the hydrogen filter U903 takes in this high-purity nitrogen gas that has passed through the heat exchange U901, and a known hydrogen gas filter installed inside separates residual hydrogen gas from this extremely low oxygen concentration nitrogen gas. and output nitrogen gas of higher purity. The output high-purity nitrogen gas is then stored in a nitrogen tank 129 (Fig. 1) via a check valve, an oxygen concentration meter, a flow meter, and a pressure booster U128 (Fig. 1). is also preferably provided to
ちなみに、上記の水素ガスフィルタとして、例えばパラジウム（Ｐｄ）系の水素透過膜を備えたフィルタを用いることもできるが、芳香族ポリイミド系のガス分離膜を備えた水素ガスフィルタを採用してもよい。例えば、中空糸状膜を束ねたパイプを利用した宇部興産製のＵＢＥ ＧＡＳ ＳＥＰＡＲＡＴＯＲや、さらには、エボニック（ＥＶＯＮＩＫ）製のＳＥＰＵＲＵＮ Ｎｏｂｌｅが採用可能となっている。 Incidentally, as the hydrogen gas filter, for example, a filter equipped with a palladium (Pd)-based hydrogen permeable membrane can be used, but a hydrogen gas filter equipped with an aromatic polyimide-based gas separation membrane may also be used. . For example, UBE GAS SEPARATOR manufactured by Ube Industries, which uses a pipe in which hollow fiber membranes are bundled, and SEPURUN Noble manufactured by EVONIK can be used.
また、水素フィルタＵ９０３で窒素ガスから分離された水素ガスは、本実施形態において、フロー制御Ｕ９０４を介して水素回収Ｕ１１５へ送られ、燃料電池Ｕ１１で再度使用されたり、または、触媒燃焼Ｕ９０で再度触媒燃焼に供されたりすることができるのである。なお、窒素ガスの供給先において還元雰囲気を必要とする場合、例えば窒素ガス供給先が酸化防止雰囲気炉やフライヤ等である場合、安全性を担保した上で、供給する窒素ガスに水素が若干含まれるように設定することも可能である。 Also, hydrogen gas separated from nitrogen gas by hydrogen filter U903 is sent to hydrogen recovery U115 via flow control U904 and reused in fuel cell U11 or again in catalytic combustion U90 in this embodiment. It can be used for catalytic combustion. If the nitrogen gas supply destination requires a reducing atmosphere, for example, if the nitrogen gas supply destination is an anti-oxidation atmosphere furnace or a fryer, etc., it should be noted that the supplied nitrogen gas should contain a small amount of hydrogen while ensuring safety. It is also possible to set
さらに、以上述べたように窒素ガス生成装置（システム）１（図１）において触媒燃焼Ｕ９０を採用することによって、窒素フィルタＵ１２の窒素ガスフィルタ１２ｆ（図１）における回収率を向上させることも可能となる。すなわち、最終的に触媒燃焼Ｕ９０で極低酸素濃度にすることを踏まえ、窒素ガスフィルタ１２ｆから出力されるガスの酸素濃度を例えば数vol％となるように設定するならば、窒素ガスフィルタ１２ｆには、（図２のグラフからも分かるように）相当に大きい流量（出口流量）の排ガスを導入することが可能となる。その結果、（図５のグラフからも分かるように）窒素ガスフィルタ１２ｆにおける回収率を高めることができるのである。
Furthermore, as described above, by adopting the catalytic combustion U90 in the nitrogen gas generator (system) 1 (Fig. 1), it is possible to improve the recovery rate of the nitrogen filter U12 in the
また、図９に示した実施形態の窒素ガス生成装置（システム）において、窒素フィルタＵ１２を用いずに、酸素濃度のより低い窒素ガスを、燃料電池Ｕ１１及び触媒燃焼Ｕ９０だけで効率的に生成することも可能となるのである。いずれにしても、「燃料電池」と「触媒燃焼」との取り合わせは、必要となる水素ガスを共有可能とし、また窒素ガスを効率的に生成可能とする点からして非常に好適なものであることが理解される。 Further, in the nitrogen gas generator (system) of the embodiment shown in FIG. 9, nitrogen gas with a lower oxygen concentration is efficiently generated only by the fuel cell U11 and the catalytic combustion U90 without using the nitrogen filter U12. It is also possible. In any case, the combination of "fuel cell" and "catalytic combustion" is very suitable from the viewpoint of being able to share the necessary hydrogen gas and efficiently producing nitrogen gas. One thing is understood.
ちなみに、燃料電池を用いない実施形態とはなるが、水分又は水蒸気分が十分に低減された、純度の高い窒素ガスを効率的に生成する装置（システム）として、図９の装置（システム）構成から燃料電池Ｕ１１を省略した、すなわち窒素フィルタＵ１２と触媒燃焼Ｕ９０とを主要構成要素として含む装置（システム）を採用することも可能となっている。 Incidentally, although this is an embodiment that does not use a fuel cell, the device (system) configuration of FIG. It is also possible to adopt a device (system) in which the fuel cell U11 is omitted from the fuel cell U11, that is, a device (system) including the nitrogen filter U12 and the catalytic combustion U90 as main components.
［燃料電池の他の実施形態］
図１０は、本発明に係る「燃料電池」についての他の実施形態を説明するための模式図である。
[Other Embodiments of Fuel Cell]
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining another embodiment of the "fuel cell" according to the present invention.
図１０には、燃料電池Ｕ１１（図１）に含まれる「燃料電池」として好適な燃料電池１１Ｆが示されている。燃料電池１１Ｆは、電解質を間に挟んだ水素極及び空気極を含む構成単位であるセルを複数備えており、これらのセルは積層されていて、燃料供給上手のセルから下手のセルまで順次、水素（燃料気体）及び空気（窒素及び酸素を含む気体）がそれぞれ、セル内の水素極及び空気極を通るように設計されている。 FIG. 10 shows a fuel cell 11F suitable as a "fuel cell" included in the fuel cell U11 (FIG. 1). The fuel cell 11F has a plurality of cells, which are structural units including a hydrogen electrode and an air electrode with an electrolyte interposed therebetween. Hydrogen (a fuel gas) and air (a gas containing nitrogen and oxygen) are designed to pass through the hydrogen and air electrodes, respectively, within the cell.
また、これらのセルの全体は複数の機能セル部、図１０では発電優先セル部１１Ｆａ、中間セル部１１Ｆｂ及び酸素除去セル部１１Ｆｃ、に分けられる。これらの機能セル部（１１Ｆａ，１１Ｆｂ，１１Ｆｃ）の各々は、１つの又は連続する複数の（図１０では２つ又は３つの、実際には例えば数～数百個の）セルを含んでおり、また、他の機能セル部と電気的に直列に接続されておらず、個別に設けられた発電量の制御部（１１Ｃａ，１１Ｃｂ，１１Ｃｃ）に電気的に接続されている。 In addition, these cells as a whole are divided into a plurality of functional cell portions, in FIG. 10, a power generation priority cell portion 11Fa, an intermediate cell portion 11Fb, and an oxygen removal cell portion 11Fc. Each of these functional cell parts (11Fa, 11Fb, 11Fc) includes one or a plurality of consecutive (two or three in FIG. 10, actually several to several hundred) cells, In addition, it is not electrically connected in series with other functional cell units, but is electrically connected to individually provided power generation amount control units (11Ca, 11Cb, 11Cc).
ここで図１０に示したように、制御部１１Ｃａ、１１Ｃｂ及び１１Ｃｃはそれぞれ、発電優先セル部１１Ｆａ、中間セル部１１Ｆｂ、及び酸素除去セル部１１Ｆｃにおける水素極・空気極間に発生した起電力を受け、担当する機能セル部に合わせた電力を出力するのである。またこの際、担当する機能セル部の複素インピーダンスを計測し、当該機能セル部に合わせた制御・管理を行うことも好ましい。 Here, as shown in FIG. 10, the control units 11Ca, 11Cb, and 11Cc respectively control the electromotive force generated between the hydrogen electrode and the air electrode in the power generation priority cell unit 11Fa, the intermediate cell unit 11Fb, and the oxygen removal cell unit 11Fc. It receives the power and outputs the electric power that matches the functional cell unit in charge. Also, at this time, it is preferable to measure the complex impedance of the functional cell unit in charge and perform control and management in accordance with the functional cell unit.
一方従来の、特にＰＥＦＣ型の燃料電池は、１つのセルにおける起電力が通常1V（ボルト）未満であるので、実際の電力源として要求される電力を確保するため、電気的に直列に接続された一連の、例えば数百段のセルによって構成されている。ここで、酸素供給量が少ないセルにおいては当然、可能となる発電量も小さくなるが、このようなセルを含めて直列に接続されたセル全体における（水素供給量に対する）発電効率は、各セルの発電量をある程度揃える必要があることから、相当に損なわれてしまうのである。 On the other hand, conventional fuel cells, especially PEFC-type fuel cells, typically have an electromotive force of less than 1V (volt) per cell, so they are electrically connected in series to ensure the power required as a practical power source. It is composed of a series of cells, for example several hundred stages. Here, in a cell with a small amount of oxygen supply, naturally the amount of power generation that can be made is also small, but the power generation efficiency (with respect to the amount of hydrogen supply) in the entire cells connected in series including such cells is Since it is necessary to arrange the amount of power generated by each unit to some extent, it will be considerably damaged.
これに対し、燃料電池１１Ｆにおいては、
（ａ）酸素供給量の多い（供給された空気中の酸素がまだそれほど消費されていない）発電優先セル部１１Ｆａと、
（ｂ）酸素供給量に関し中間となる中間セル部１１Ｆｂと、
（ｃ）酸素供給量の少ない（供給された空気中の酸素が相当に消費されている）酸素除去セル部１１Ｆｃと
が、その酸素供給量に適合した発電量制御を受けることができる。したがって、このような発電量制御を実施することによって、燃料電池１１Ｆにおける酸素低減効率及び（水素供給量に対する）発電効率をともに最大化若しくは向上させることも可能となるのである。
On the other hand, in the fuel cell 11F,
(a) power generation priority cell section 11Fa with a large amount of oxygen supply (oxygen in the supplied air is not yet consumed so much);
(b) an intermediate cell portion 11Fb that is intermediate in terms of oxygen supply;
(c) The oxygen-removing cell section 11Fc with a small oxygen supply amount (the oxygen in the supplied air is considerably consumed) can receive power generation amount control suitable for the oxygen supply amount. Therefore, by performing such power generation amount control, it is possible to maximize or improve both the oxygen reduction efficiency and the power generation efficiency (relative to the hydrogen supply amount) in the fuel cell 11F.
このように、燃料電池１１Ｆは、燃料電池Ｕ１１（図１）の「燃料電池」として、すなわち高純度の窒素ガス生成のために、非常に適した燃料電池となっている。ただし勿論、燃料電池１１Ｆは、発電効率を最適化可能にする好適な燃料電池として、他の一般的な目的に使用されることも可能である。 Thus, fuel cell 11F is a highly suitable fuel cell as the "fuel cell" of fuel cell U11 (FIG. 1), ie for the production of high purity nitrogen gas. Of course, however, the fuel cell 11F can also be used for other general purposes as a suitable fuel cell to allow optimization of power generation efficiency.
ちなみに、燃料電池１１Ｆにおける機能セル部の数は当然、３つに限定されるものではなく、２つ又は４つ以上とすることもできる。例えば、数百段のセルのうち、下手の150段のセル群と、上手の残りのセル群とをそれぞれ、第１の機能セル部及び第２の機能セル部とすることも可能である。 Incidentally, the number of functional cell units in the fuel cell 11F is of course not limited to three, and may be two or four or more. For example, it is possible to use a group of 150 lower cells and a group of remaining upper cells among hundreds of cells as the first functional cell section and the second functional cell section, respectively.
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池を用いて、純度の高い窒素ガスを確実に且つ安定的に生成することが可能となる。特に、燃料電池からの排ガスに対し水封ポンプやドライフィルタを利用して除湿処理を施し、さらに、窒素ガスフィルタや、さらには触媒燃焼を利用すれば、より純度の高い窒素ガスをより確実に、より安定して且つ効率的に生成することも可能となる。 As described in detail above, according to the present invention, it is possible to reliably and stably generate high-purity nitrogen gas using a fuel cell. In particular, if the exhaust gas from the fuel cell is dehumidified using a water ring pump or dry filter, and if a nitrogen gas filter or catalytic combustion is used, more pure nitrogen gas can be produced more reliably. , can be generated more stably and efficiently.
また将来、水素ガス社会・カーボンゼロ社会が到来した場合に、水素ガスを燃料気体として利用する燃料電池の活用は、至るところで大いに普及するものと考えられる。本発明は、このような時代において、効率的な窒素ガスの製造に大きく貢献するものとなる。勿論併せてその場で、電力や熱、さらに場合によっては純水を供給するニーズに応えることも可能となるのである。すなわち、本発明は、将来における１つの理想形とされる地産地消型の且つカーボンゼロのエネルギー・生産物需給体制を構築することにも大いに貢献するものと考えられる。 In the future, when a hydrogen gas society or a zero carbon society arrives, it is thought that the use of fuel cells using hydrogen gas as fuel gas will spread widely everywhere. The present invention will greatly contribute to the efficient production of nitrogen gas in such times. Of course, at the same time, it is also possible to meet the needs for supplying power, heat, and even pure water in some cases. That is, it is believed that the present invention will greatly contribute to building a local production for local consumption type carbon zero energy and product supply and demand system, which is regarded as one of the ideal forms in the future.
さらに、本発明のあくまで一実施形態ではあるが、本発明では、電気分解部を備えた水素生成Ｕを利用して、燃料電池に対し、水素ガスを燃料気体として供給することも可能となっている。このような構成も、上述した水素ガス社会・カーボンゼロ社会において大いに活用されるものと考えられる。 Furthermore, although it is only an embodiment of the present invention, in the present invention, it is also possible to supply hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell by using the hydrogen generator U equipped with the electrolysis unit. there is Such a configuration is also considered to be widely used in the above-mentioned hydrogen gas society and carbon zero society.
なお、以上に述べた実施形態は全て、本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は、他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。 It should be noted that all of the above-described embodiments are illustrative of the present invention and not restrictive, and the present invention can be implemented in various other variations and modifications. Accordingly, the scope of the invention is to be defined only by the claims and their equivalents.
１ 窒素ガス生成装置・システム
１０１ 自然エネルギー発電ユニット（Ｕ）
１０１ｓ 蓄電Ｕ
１０２ 水素生成Ｕ
１０３ 水素生成改質Ｕ
１０４ 水素タンク
１０５、１０９、１２７、９０２、９０４ フロー制御Ｕ
１０６ 空気圧縮Ｕ
１０７ 空気タンク
１０８ フィルタＵ
１１ 燃料電池Ｕ
１１Ｃａ、１１Ｃｂ、１１Ｃｃ 制御部
１１Ｆ 燃料電池
１１Ｆａ 発電優先セル部
１１Ｆｂ 中間セル部
１１Ｆｃ 酸素除去セル部
１１１、１１２ ドレイン
１１３、１２１ 圧力制御Ｕ
１１４、１２２ 気液分離Ｕ
１１５ 水素回収Ｕ
１２ 窒素フィルタＵ
１２ｆ、１２ｆ１、１２ｆ２、１２ｆ３ 窒素ガスフィルタ
１２２ｆ ドライフィルタ
１２２ｆ１ メッシュ管
１２２ｆ２ ドレイン
１２３ オフガスバッファタンク
１２４、１２８ 増圧Ｕ
１２５ 腐食性ガス等除去Ｕ
１２６ 温度調整Ｕ
１２９ 窒素タンク
１３１ 全体制御Ｕ
３０ 水封ポンプＵ
３０１ 水封ポンプ
３０１ａ インペラ
３０２ 気液分離槽
４０、６０、９０１ 熱交換Ｕ
５０ 断熱膨張室
５０１ 管束
９０ 触媒燃焼Ｕ
９０ａ 固体触媒
９０３ 水素フィルタＵ
1 Nitrogen gas generator/
101s Storage U
102 hydrogen generation U
103 Hydrogen-producing reforming U
104
106 air compression U
107
11 fuel cell U
11Ca, 11Cb, 11Cc control section 11F fuel cell 11Fa power generation priority cell section 11Fb intermediate cell section 11Fc oxygen
114, 122 Gas-liquid separation U
115 Hydrogen Recovery U
12 nitrogen filter U
12f, 12f1, 12f2, 12f3 Nitrogen gas filter 122f Dry filter 122f1 Mesh
125 Removal of corrosive gas, etc. U
126 temperature adjustment U
129 nitrogen tank 131 overall control U
30 water seal pump U
301
50
90a
Claims (17)
前記燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変えるフィルタリング手段と
を有することを特徴とする窒素ガス生成装置。 a fuel cell that operates by taking in air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas;
dehumidifying means for reducing moisture or water vapor content in exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air, taken out from the fuel cell;
A nitrogen gas characterized by comprising a filter using fibers having different degrees of permeation of nitrogen and oxygen, and filtering means for converting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration. generator.
前記フィルタリング手段は、増圧した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変える
ことを特徴とする請求項１に記載の窒素ガス生成装置。 further comprising pressure increasing means for increasing the pressure of the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content,
2. A nitrogen gas generator according to claim 1, wherein said filtering means converts said pressurized exhaust gas into gas with increased nitrogen concentration.
前記ポンプユニットは、断熱的に膨張した後の当該排ガスを取り込んで当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる
ことを特徴とする請求項６に記載の窒素ガス生成装置。 further comprising an adiabatic expansion chamber in which the exhaust gas taken out from the fuel cell adiabatically expands;
7. The nitrogen gas generator according to claim 6, wherein the pump unit takes in the exhaust gas after adiabatically expanding to reduce moisture or water vapor in the exhaust gas.
前記フィルタリング手段は、大気圧を超える圧力を有する当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変える
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の窒素ガス生成装置。 It further comprises pressure control means capable of supplying air having a pressure exceeding atmospheric pressure, or gas containing nitrogen and oxygen having pressure exceeding atmospheric pressure, and fuel gas having pressure exceeding atmospheric pressure to the fuel cell. death,
13. A nitrogen gas generator according to any one of claims 1 to 12, wherein said filtering means converts said exhaust gas having a pressure above atmospheric pressure into a nitrogen-enriched gas.
前記フィルタリング手段は、大気圧を超える圧力を有しており水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変える
ことを特徴とする請求項１３に記載の窒素ガス生成装置。 The dehumidifying means is a dry filter unit that reduces moisture or water vapor content in the exhaust gas having a pressure exceeding atmospheric pressure taken out from the fuel cell,
14. A nitrogen gas generator according to claim 13, wherein said filtering means has a pressure exceeding atmospheric pressure and converts said exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
前記燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスに変えるフィルタリング手段と
を有することを特徴とする窒素ガス生成システム。 a fuel cell that operates by taking in air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas;
dehumidifying means for reducing moisture or water vapor content in exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air, taken out from the fuel cell;
A nitrogen gas characterized by comprising a filter using fibers having different degrees of permeation of nitrogen and oxygen, and filtering means for converting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration. generation system.
前記燃料電池から、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスを取り出し、
取り出した当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させ、
水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを、窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる繊維を使用したフィルタに対して作用させ、該フィルタから窒素濃度の増大した当該排ガスを取り出す
ことを特徴とする窒素ガス生成方法。
supplying air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas to the fuel cell to operate the fuel cell;
removing an exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air from the fuel cell;
Reduce the moisture or water vapor content in the extracted exhaust gas,
The exhaust gas with reduced moisture or water vapor content is acted on a filter using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and the exhaust gas with increased nitrogen concentration is extracted from the filter. Gas generation method.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
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