JP6932326B2 - 高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法の実施形態、すなわち、システム構成と動作とを、図面に基づいて説明する。
本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、一以上の水素ガスタンク10と、該水素ガスタンク10からの水素の供給を受け電力を発する燃料電池20と、該燃料電池20に備わる給気口21と排気口22とを繋ぐ循環路Rと、該循環路Rの所定中間箇所に配設される循環昇圧機30と、該燃料電池20に備わる送入口23を介してOHラジカルを供給するOHラジカル発生器33と、から構成されている。
既述のとおり、燃料電池20は、水素極20aに水素ガス、空気極20bに空気を供給して発電されるもので、水素と空気中の酸素が電気化学的に反応して電力を出力すると共に水を発生させ、また、空気中から使用された分だけ酸素が減少した空気(窒素リッチガス)を排出する。すなわち、空気中に存する酸素の全てが水素との反応に使用されるものではなく、一部のみの使用に限られる。空気中には、約20%の酸素が存しており、本発明にかかるシステムでは、空気極20bに供給する空気を循環させて使用するため、燃料電池20から排出されるたびに、空気中の酸素濃度は徐々に減少することとなる。
先ず、事前の準備として、循環昇圧機30の附属タンク31へ圧縮空気を充填する。充填される圧縮空気の空気圧は、特に限定はないが、概ね0.1〜0.5Mpa程度とする。
循環昇圧機30を作動させることで、附属タンク31内の空気が循環路Rへ昇圧送気されると共に、循環路Rを介して燃料電池20へ空気が送気される。昇圧による空気圧は、特に限定はないが、概ね0.3〜1Mpa程度とする。
尚、循環路R内の空気圧については、必要に応じて、燃料電池20に送気される前段において、減圧弁により概ね0.05Mpa程度まで減圧される。
この状態で、燃料電池20を作動させることにより、陽極側である水素極20aに水素供給管路12を介して水素ガスが供給されると共に、陰極側20bである空気極に給気口21を介して循環路Rから送気されてきた空気が供給され、電気化学的反応によって発電が開始される。この反応により、電力のほか、水と、空気中から酸素が減少し窒素濃度が相対的に高まった空気(窒素リッチガス)が発生する。
燃料電池20での反応により発生した窒素リッチガスは、排気口22から循環路Rへ排気され、循環昇圧機30へ戻される。
上記ステップ2からステップ4を繰り返すこと、すなわち、循環路Rを介して燃料電池20と循環昇圧機30との間における空気循環が繰り返し為される過程で、その空気中の酸素濃度が徐々に減少すると共に、窒素濃度が相対的に上昇することとなる。そこで、循環する空気中の酸素濃度の減少具合に応じて、OHラジカル発生器33を稼働させ、必要量のOHラジカルを燃料電池20へ供給する。
また、上記ステップ3の過程で発電された電力は、必要に応じてインバータを介して交流電力へ変換するなどして、商用電源として外部へ送電したり、あるいは、循環昇圧機30や本システムにおける電力を要するその他の機器の電源とて利用することができる。
実施例1では、循環昇圧機30の附属タンク31へ当初の圧縮空気が充填される態様、そして、生成された高濃度窒素ガスについて該附属タンク31に一旦貯留された後に該附属タンク31から取り出して適宜使用される態様について説明した。しかしながら、循環昇圧機30に備えられる附属タンク31の容量によっては、直ぐに高濃度窒素ガスの生成が完了して、該窒素ガスを附属タンク31から取り出すべく、頻繁な作動停止を行う必要が生じる場合も想定し得る。
そこで、ある程度の容量の窒素ガスを貯留し得る技術が求められていた。
本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、前記循環路Rにおける中間所定箇所に、貯留タンク50が配設された構成を採用する。
先ず、事前の準備として、貯留タンク50へ圧縮空気を充填する。充填される圧縮空気の空気圧は、特に限定はないが、概ね0.1〜0.5Mpa程度とする。
循環昇圧機30を作動させることで、附属タンク31内の空気が循環路Rへ昇圧送気されると共に、循環路Rを介して貯留タンク50へ空気が送気される。昇圧による空気圧は、特に限定はないが、概ね0.3〜1Mpa程度とする。
貯留タンク50へ送気された空気は、予め充填されている圧縮空気と一体となり、さらに後段の燃料電池20へ循環路Rを介して送気される。
尚、循環路R内の空気圧については、必要に応じて、燃料電池20に送気される前段において、減圧弁により概ね0.05Mpa程度まで減圧される。
この状態で、燃料電池20を作動させることにより、陽極側である水素極20aに水素供給管路12を介して水素ガスが供給されると共に、陰極側20bである空気極に給気口21を介して循環路Rから送気されてきた空気が供給され、電気化学的反応によって発電が開始される。この反応により、電力のほか、水と、空気中から酸素が減少し窒素濃度が相対的に高まった空気(窒素リッチガス)が発生する。
燃料電池20での反応により発生した窒素リッチガスは、排気口22から循環路Rへ排気され、循環昇圧機30へ戻される。
上記ステップ2からステップ5を繰り返すこと、すなわち、循環路Rを介して燃料電池20と循環昇圧機30、そして貯留タンク50との間における空気循環が繰り返し為される過程で、その循環する空気中の酸素濃度が徐々に減少すると共に、窒素濃度が相対的に上昇することとなる。そこで、循環する空気中の酸素濃度の減少具合に応じて、OHラジカル発生器33を稼働させ、必要量のOHラジカルを燃料電池20へ供給する。
また、上記ステップ4の過程で発電された電力は、必要に応じてインバータを介して交流電力へ変換するなどして、商用電源として外部へ送電したり、あるいは、循環昇圧機30や本システムにおける電力を要するその他の機器の電源とて利用することができる。
12 水素供給管路
20 燃料電池
20a 水素極
20b 空気極
21 給気口
22 排気口
23 送入口
24 ドレン排出口
30 循環昇圧機
31 附属タンク
33 OHラジカル発生器
34 OHラジカル供給管路
40 減圧弁
42 逆止弁
44 気液分離装置
44a ドレントラップ
50 貯留タンク
M 酸素濃度計
R 循環路
Claims (4)
- 燃料電池の排気から高濃度の窒素ガスを生成するためのシステムであって、
一以上の水素ガスタンクと、
該水素ガスタンクからの水素の供給を受け電力を発する燃料電池と、
該燃料電池に備わる給気口と排気口とを繋ぐ循環路と、
該循環路の所定中間箇所に配設される循環昇圧機と、
該燃料電池に備わる送入口を介してOHラジカルを供給するOHラジカル発生器と、
該循環路における循環昇圧機の後段且つ燃料電池の前段に配設される一乃至複数の減圧弁と、から成り、
燃料電池の排気口から循環路へ排気された空気を循環昇圧機により循環させて給気口から再び燃料電池へ送気し、これを繰り返すと共に所定条件下でOHラジカルを燃料電池に供給することで循環する空気の酸素濃度を減少させると共に窒素濃度を上昇させて、高濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする高濃度窒素ガス生成システム。 - 前記循環路における中間所定箇所に、貯留タンクが配設されて成ることを特徴とする請求項1に記載の高濃度窒素ガス生成システム。
- 燃料電池の排気から高濃度の窒素ガスを生成するための方法であって、
燃料電池の排気口から排気される空気を循環昇圧機により循環させて減圧弁により減圧された状態で給気口から再び燃料電池へ送気し、これを繰り返すと共に所定条件下でOHラジカルを燃料電池に供給することで循環する空気の酸素濃度を減少させると共に窒素濃度を上昇させて、高濃度の窒素ガスが生成されることを特徴とする高濃度窒素ガス生成方法。 - 前記燃料電池へ送気する空気並びに燃料電池から排気される空気が、貯留タンクにて加圧された状態で一時的に貯留されることを特徴とする請求項3に記載の高濃度窒素ガス生成方法。
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