JP2021136084A - Method for producing nitrogen gas for filtering fuel battery exhaust gas and device - Google Patents

Method for producing nitrogen gas for filtering fuel battery exhaust gas and device Download PDF

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Abstract

To provide a method of effectively generating a nitrogen gas with high purity by using a fuel battery.SOLUTION: A method for producing nitrogen gas is characterized in that a gas containing air, nitrogen or oxygen, and a fuel gas are supplied to a fuel battery to operate the fuel battery; an exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of the air is taken out of the fuel battery; the exhaust gas is made to act on a filter using fibers having different penetration level of nitrogen and oxygen to take out the exhaust gas where a nitrogen concentration is increased from this filter. Here, it is preferable that the air or the gas, having a pressure exceeding an atmospheric pressure and the fuel gas having a pressure exceeding the atmospheric pressure are supplied to the fuel battery, and the exhaust gas having the pressure exceeding the atmospheric pressure and the oxygen concentration lower than the air is taken out from this fuel battery, and the exhaust gas is made to act on the filter with the pressure exceeding the atmospheric pressure.SELECTED DRAWING: Figure 1

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。 The present invention relates to a technique for producing high-purity nitrogen gas.

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、低炭素化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 equipment is becoming widespread. Using a fuel cell not only realizes high-efficiency power generation, but also makes it possible to reduce carbon dioxide emissions to almost zero, unlike conventional power generation means using an internal combustion engine. From this, fuel cell technology is expected to greatly contribute to the realization of a low-carbon 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 have paid attention to the potential of such a fuel cell, and have invented a soldering device using a fuel cell as described in Patent Documents 1 and 2. In this soldering device, not only the electric power generated by the fuel cell but also the exhaust gas generated by the power generation is supplied to the soldering device and used.

またさらに、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。 Furthermore, as described in Patent Documents 3 and 4, the inventors of the present application apply the inert gas and electric power to a processing apparatus for processing by heating the object to be heated with electric power in the inert gas. He has also invented a power generation device that uses a fuel cell to supply and. This power generation device can also remove or reduce oxygen, water vapor, and water contained in the exhaust gas from the fuel cell, and convert the exhaust gas into an inert gas suitable for use in the processing device. It is.

特開2013−233549号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-233549 特開2016−164987号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-164987 特開2017−084796号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-084796 特開2018−163890号公報JP-A-2018-163890

ここで本願発明者等は、同じく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も可能となることに思い至った。 Here, the inventors of the present application have come to the conclusion that if a fuel cell is also used, it is 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 a high-purity nitrogen gas is an inert gas that is neither fuel-supporting nor flammable, and is a very useful gas. At present, 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, I thought that it would be possible to efficiently generate high-purity nitrogen gas by using the exhaust gas from fuel cells instead of using air as a raw material as in the past. .. Of course, since a fuel cell is used, electric power can be supplied in accordance with high-purity nitrogen gas.

そこで、本発明は、燃料電池を用い、効率的に純度の高い窒素ガスを生成する方法及び装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for efficiently generating 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、燃料気体とを燃料電池へ供給して、この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、
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(例えば、中空糸繊維)を使用したフィルタに対して作用させ、この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, air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas are supplied to the fuel cell to operate the fuel cell.
Exhaust gas with an oxygen concentration lower than that of air is extracted from the fuel cell.
The exhaust gas is allowed to act on a filter using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen (for example, hollow fiber fibers), and the exhaust gas having an increased nitrogen concentration is taken out from the filter. A gas production method is provided.

この本発明による窒素ガス生成方法においては、大気圧を超える圧力を有する当該空気又は当該気体と、大気圧を超える圧力を有する当該燃料気体とを燃料電池へ供給して、この燃料電池から、大気圧を超える圧力を有しており空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスを取り出し、
当該排ガスを、フィルタに対し、大気圧を超える圧力をもって作用させることも好ましい。
In the method for producing nitrogen gas according to the present invention, the air or the gas having a pressure exceeding the atmospheric pressure and the fuel gas having a pressure exceeding the atmospheric pressure are supplied to the fuel cell, and the fuel cell is subjected to a large amount. Take out the exhaust gas that has a pressure exceeding the pressure and has an oxygen concentration lower than that of the air.
It is also preferable that the exhaust gas acts on the filter at a pressure exceeding atmospheric pressure.

また、本発明による窒素ガス生成方法の一実施形態として、燃料電池から取り出した排ガスを、増圧手段を用いて更に増圧させた上で、フィルタに作用させることも好ましい。 Further, as one embodiment of the nitrogen gas generation method according to the present invention, it is also preferable that the exhaust gas taken out from the fuel cell is further increased in pressure by using a pressure increasing means and then acted on the filter.

また、本発明による窒素ガス生成方法においては、フィルタに対して作用させる当該排ガスの圧力を、フィルタによって決定される圧力閾値であって、フィルタから取り出される際の当該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とすることも好ましい。 Further, in the nitrogen gas generation method according to the present invention, the pressure of the exhaust gas acting on the filter is a pressure threshold value determined by the filter, and is larger as the flow rate of the exhaust gas when taken out from the filter increases. It is also preferable that the pressure exceeds the pressure threshold value.

さらに、本発明による窒素ガス生成方法においては、当該排ガスを作用させるフィルタとして、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フィルタを使用することも好ましい。 Further, in the nitrogen gas generation method according to the present invention, it is also preferable to use a filter as the filter on which the exhaust gas acts, the lower the oxygen concentration of the gas to be filtered, the higher the recovery rate.

さらに、本発明による窒素ガス生成方法においては、酸素濃度が2.5体積パーセント以下である排ガスをフィルタに対して作用させ、このフィルタから、空気を作用させた結果と比較して酸素濃度がその10分の1以下である当該排ガスを取り出すことも好ましい。 Further, in the nitrogen gas generation method according to the present invention, an exhaust gas having an oxygen concentration of 2.5% by volume or less is allowed to act on the filter, and the oxygen concentration is higher than the result of applying air from this filter. It is also preferable to take out the exhaust gas which is 1/10 or less.

また、本発明による窒素ガス生成方法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(具体的には、フィルタによって(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)であって、当該窒素濃度の増大した当該排ガスとは別の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当該気体の一部として使用する、及び/又は、フィルタに対して作用させる当該排ガスに加えて使用することも好ましい。
Further, as another embodiment of the nitrogen gas generation method according to the present invention, from a filter on which the exhaust gas is allowed to act, a filter exhaust gas containing a gas permeated through the fibers (specifically, nitrogen (in the exhaust gas) by the filter). A gas containing oxygen molecules separated from the molecules), and a filter exhaust gas different from the exhaust gas whose nitrogen concentration has increased is taken out.
It is also preferable to use the extracted filter exhaust gas as a part of the gas supplied to the fuel cell and / or to use it in addition to the exhaust gas acting on the filter.

さらに、本発明による窒素ガス生成方法における更なる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当該排ガスとは別のフィルタ排出ガスを取り出し、
上記のフィルタを第1のフィルタとして、窒素と比較して酸素をより多く透過する当該繊維を使用した第1のフィルタから第N(Nは2以上の整数)のフィルタまでのN個のフィルタに係る処理であって、第n(nは1以上であって(N−1)までの整数)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該排ガス又は窒素濃度の増大した当該フィルタ排出ガスとともに、それとは別の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第(n+1)のフィルタに対して作用させ、第(n+1)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該フィルタ排出ガスを取り出す、との処理を実施することも好ましい。
Further, as a further other embodiment in the nitrogen gas generation method according to the present invention, the exhaust gas is a filter exhaust gas containing a gas permeated through the fibers from a filter on which the exhaust gas is allowed to act, and the exhaust gas has an increased nitrogen concentration. Take out another filter exhaust gas,
Using the above filter as the first filter, N filters from the first filter using the fiber that permeates more oxygen than nitrogen to the Nth filter (N is an integer of 2 or more). In such a process, from the nth filter (n is 1 or more and an integer up to (N-1)), the exhaust gas having an increased nitrogen concentration or the exhaust gas from the filter having an increased nitrogen concentration, and what is it? Another process of taking out the filter exhaust gas, causing the taken out filter exhaust gas to act on the (n + 1) th filter, and taking out the filter exhaust gas having an increased nitrogen concentration from the (n + 1) th filter. It is also preferable to carry out.

また、本発明による窒素ガス生成方法における更なる他の実施形態として、上記のフィルタを第1のフィルタとして、窒素と比較して酸素をより多く透過する当該繊維を使用した第1のフィルタから第N(Nは2以上の整数)のフィルタまでのN個のフィルタに係る処理であって、第n(nは1以上であって(N−1)までの整数)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該排ガスを取り出し、取り出した当該排ガスを第(n+1)のフィルタに対して作用させ、第(n+1)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該排ガスを取り出す、との処理を実施することも好ましい。 Further, as a further other embodiment in the nitrogen gas generation method according to the present invention, the above filter is used as the first filter, and the first filter using the fiber that permeates more oxygen than nitrogen is used. Processing related to N filters up to N (N is an integer of 2 or more), and nitrogen concentration from the nth filter (n is 1 or more and an integer up to (N-1)). It is also possible to take out the increased exhaust gas, cause the taken out exhaust gas to act on the (n + 1) th filter, and take out the exhaust gas having an increased nitrogen concentration from the (n + 1) th filter. preferable.

さらに、本発明による窒素ガス生成方法においては、燃料電池から取り出した当該排ガスに対し、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した後、当該排ガスをフィルタに対して作用させることも好ましい。 Further, in the method for producing nitrogen gas according to the present invention, a treatment for removing or reducing at least one of sulfide, chloride, hydrocarbon, fluoride and a strong alkaline compound is performed on the exhaust gas taken out from the fuel cell. It is also preferable to let the exhaust gas act on the filter after the application.

また、本発明による窒素ガス生成方法においては、導入気体の温度を、フィルタの特性に基づき設定された好適温度に近づけることの可能な温度調整手段を用いて、燃料電池から取り出した当該排ガスの温度を調整した上で、当該排ガスをフィルタに対して作用させることも好ましい。 Further, in the nitrogen gas generation method according to the present invention, the temperature of the exhaust gas taken out from the fuel cell is the temperature of the exhaust gas taken out from the fuel cell by using a temperature adjusting means capable of bringing the temperature of the introduced gas close to a suitable temperature set based on the characteristics of the filter. It is also preferable to let the exhaust gas act on the filter after adjusting the above.

さらに、本発明による窒素ガス生成方法における更なる他の実施形態として、フィルタから取り出した当該排ガスを、別の燃料電池であって、電池内に供給されて燃料電池反応を経てきた酸素を含む気体と、電池内に供給された当初の当該燃料気体とを電解質を介して近傍させて燃料電池反応を起こすことの可能な別の燃料電池へ供給して、この別の燃料電池を稼働させ、この別の燃料電池から、より低い酸素濃度を有する排ガスを取り出すことも好ましい。 Further, as yet another embodiment of the method for producing nitrogen gas according to the present invention, the exhaust gas taken out from the filter is supplied into another fuel cell and contains oxygen that has undergone a fuel cell reaction. Then, the original fuel gas supplied into the battery is brought close to the fuel gas via an electrolyte and supplied to another fuel cell capable of causing a fuel cell reaction, and this other fuel cell is operated. It is also preferable to extract the exhaust gas having a lower oxygen concentration from another fuel cell.

また、本発明による窒素ガス生成方法における更なる他の実施形態として、フィルタから取り出した当該排ガスと、当該燃料気体とを、燃焼触媒上で反応させて、当該排ガスを、より低い酸素濃度を有する排ガスにすることも好ましい。 Further, as a further other embodiment in the nitrogen gas generation method according to the present invention, the exhaust gas taken out from the filter and the fuel gas are reacted on a combustion catalyst, and the exhaust gas has a lower oxygen concentration. It is also preferable to use exhaust gas.

さらに、本発明による窒素ガス生成方法における更なる他の実施形態として、上記の燃料電池は、電池内に供給されて燃料電池反応を経てきた当該空気又は当該気体と、電池内に供給された当初の当該燃料気体とを電解質を介して近傍させて燃料電池反応を起こすことの可能な燃料電池であることも好ましい。 Further, as yet another embodiment in the method for producing nitrogen gas according to the present invention, the above fuel cell is initially supplied into the battery with the air or the gas that has been supplied into the battery and undergoes a fuel cell reaction. It is also preferable that the fuel cell is capable of causing a fuel cell reaction by bringing the fuel gas in the vicinity thereof via an electrolyte.

本発明によれば、また、燃料電池と、
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と、
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前記燃料電池へ供給可能とする圧力制御手段と、
稼働した前記燃料電池から排出された、大気圧を超える圧力を有しており空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスを、前記フィルタへ作用させるべく導入し、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フィルタ入出力部と
を有する窒素ガス生成装置が提供される。
According to the present invention, the fuel cell and
Filters using fibers with different degrees of permeation for nitrogen and oxygen,
A pressure control means capable of supplying air having a pressure exceeding atmospheric pressure, a gas containing nitrogen and oxygen having a pressure exceeding atmospheric pressure, and a fuel gas having a pressure exceeding atmospheric pressure to the fuel cell.
Exhaust gas discharged from the operating fuel cell, which has a pressure exceeding atmospheric pressure and has an oxygen concentration lower than that of air, is introduced to act on the filter, and the exhaust gas having an increased nitrogen concentration from the filter is introduced. A nitrogen gas generator having a filter input / output unit for taking out the fuel gas is provided.

本発明によれば、燃料電池を用い、効率的に純度の高い窒素ガスを生成することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to efficiently generate high-purity nitrogen gas by using a fuel cell.

本発明による窒素ガス生成システムの一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the nitrogen gas generation system by this invention. 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。It is a graph for demonstrating Example 1 which concerns on the nitrogen gas generation processing by this invention. 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。It is a graph for demonstrating Example 1 which concerns on the nitrogen gas generation processing by this invention. 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。It is a graph for demonstrating Example 1 which concerns on the nitrogen gas generation processing by this invention. 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。It is a graph for demonstrating Example 2 which investigated the recovery rate of the nitrogen gas filter in the nitrogen gas generation processing by this invention. 本発明に係る窒素フィルタU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。It is a schematic diagram for demonstrating another embodiment about the nitrogen filter U which concerns on this invention. 本発明に係る窒素ガスフィルタにおける導入酸素濃度と、フィルタ排出ガスの酸素濃度との関係を示したグラフである。It is a graph which showed the relationship between the introduction oxygen concentration in the nitrogen gas filter which concerns on this invention, and the oxygen concentration of a filter exhaust gas. 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。It is a schematic diagram for demonstrating another embodiment about the "fuel cell" which concerns on this invention. 本発明に係る「燃料電池」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。It is a schematic diagram for demonstrating further other embodiment about the "fuel cell" which concerns on this invention. 本発明による窒素ガス生成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。It is a schematic diagram for demonstrating further other embodiment about the nitrogen gas generation system by this invention. 本発明による窒素ガス生成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。It is a schematic diagram for demonstrating further other embodiment about the nitrogen gas generation system by this invention. 本発明に係る「燃料電池」の駆動状態を調べた一実施例における、「燃料電池」における電流と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the current and the voltage in the "fuel cell" in one Example which investigated the driving state of the "fuel cell" which concerns on this invention. 本発明に係る「燃料電池」の駆動状態を調べた一実施例における、「燃料電池」におけるセル温度と電力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cell temperature and electric power in the "fuel cell" in one Example which investigated the driving state of the "fuel cell" which concerns on this invention. 本発明に係る「燃料電池」の駆動状態を調べた一実施例における、「燃料電池」のセル温度と排ガスの相対湿度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cell temperature of a "fuel cell" and the relative humidity of the exhaust gas in one Example which investigated the driving state of the "fuel cell" which concerns on this invention.

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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In each drawing, the same components are shown using the same reference numbers. Components that can have similar structures and functions may also be indicated with the same reference number. Further, the dimensional ratios within the components and between the components in the drawing are arbitrary for the sake of readability of the drawing.

[窒素ガス生成システム・装置]
図1は、本発明による窒素ガス生成システムの一実施形態を示す模式図である。
[Nitrogen gas generation system / equipment]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a nitrogen gas generation 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システム1は、その顕著な特徴として、
(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「(燃料電池U11内の)燃料電池」へ供給して、この「燃料電池」を稼働させ、
(B)「燃料電池」から、空気よりも低い酸素濃度を有する「排ガス(オフガス)」を取り出し、
(C)「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(例えば、中空糸繊維)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」を取り出す
といった特徴的な窒素ガス生成方法を実施可能なシステムとなっている。
The nitrogen gas generation system 1 as an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 has a remarkable feature.
(A) "Air or a gas containing nitrogen and oxygen" and "fuel gas" (hydrogen in this embodiment) are supplied to the "fuel cell (in the fuel cell U11)", and this "fuel cell" To run,
(B) Extract "exhaust gas (off gas)" having an oxygen concentration lower than that of air from the "fuel cell".
(C) "Exhaust gas" is allowed to act on a "nitrogen gas filter 12f" using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen (for example, hollow yarn fibers), and nitrogen is generated from this "nitrogen gas filter 12f". It is a system that can implement a characteristic nitrogen gas generation method such as extracting "exhaust gas" with an increased concentration.

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、(後にその内容を詳細に説明するが)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 "nitrogen gas filter 12f" of the above (C) is a filter using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen as described above, and the inventors of the present application (later described the contents thereof). In the filter using the fiber, the "oxygen concentration reduction index" in the "exhaust gas" having an oxygen concentration lower than that of air (ml in 100 ml of the medium and the unit is volume (vol)%) is , It has been confirmed by experiments that the lower the oxygen concentration, the higher the increase.

このように、窒素ガス生成システム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。 As described above, according to the nitrogen gas generation system 1, the low oxygen concentration can be efficiently achieved by combining the "fuel cell" and the "nitrogen gas filter 12f", which are very compatible with each other from the viewpoint of the low oxygen concentration. That is, it is possible to generate high-purity nitrogen gas.

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。 Incidentally, as will be described in detail later, the inventors of the present application have described the "nitrogen gas filter 12f" by allowing "exhaust gas" having an oxygen concentration of 2.5 vol% or less to act on the "nitrogen gas filter 12f". Therefore, it has been confirmed by experiments that "exhaust gas" whose oxygen concentration is 1/10 or less of that of the result of applying air can be extracted.

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 also experimentally confirmed that in the "nitrogen gas filter 12f" used in the present embodiment, the lower the oxygen concentration of the gas to be filtered, the higher the recovery rate. Therefore, by using such a "nitrogen gas filter 12f" for filtering "exhaust gas" having an oxygen concentration lower than that of air, it is possible to further increase the recovery rate in high-purity nitrogen gas. This recovery rate will also be described in detail later.

さらに、図1に示した実施形態では、窒素ガス生成システム1は、
(A’)大気圧(1気圧(atm))を超える圧力を有する「空気、又は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」へ供給して、
(B’)「燃料電池」から、大気圧を超える圧力を有しており空気よりも低い酸素濃度を有する「排ガス」を取り出し、
(C’)「排ガス」を、「窒素ガスフィルタ12f」に対し、大気圧を超える圧力をもって作用させる
ことが可能となっている。
Further, in the embodiment shown in FIG. 1, the nitrogen gas generation system 1 is
(A') Supply "air or a gas containing nitrogen and oxygen" having a pressure exceeding atmospheric pressure (1 atmospheric pressure (atm)) and "fuel gas" having a pressure exceeding atmospheric pressure to a "fuel cell". do it,
(B') From the "fuel cell", take out the "exhaust gas" that has a pressure exceeding atmospheric pressure and an oxygen concentration lower than that of air.
(C') It is possible to cause the "exhaust gas" to act on the "nitrogen gas filter 12f" with a pressure exceeding atmospheric pressure.

ここで、「窒素ガスフィルタ12f」は、改めて述べるが、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、(これも後に詳細に説明するが)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。このような圧力制御の観点からしても、窒素ガス生成システム1は、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するのである。 Here, the "nitrogen gas filter 12f" will be described again, but it is a filter using fibers having different degrees of permeation between nitrogen and oxygen, and the present inventors have said that (this will also be described in detail later). In a filter using fibers, it was confirmed by experiments that the higher the pressure of the acting "exhaust gas", the lower the oxygen concentration of the "exhaust gas" extracted from the filter, that is, the higher the purity of nitrogen gas. doing. From the viewpoint of such pressure control, the nitrogen gas generation system 1 can efficiently generate nitrogen gas having a low oxygen concentration, that is, high purity.

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。 Incidentally, as will be described in detail later, the pressure of the "exhaust gas" acting on the "nitrogen gas filter 12f" is a pressure threshold determined by the "nitrogen gas filter 12f" and is the "nitrogen gas filter 12f". It has been confirmed by experiments 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 of the "exhaust gas" when taken out from the above.

また、本実施形態の窒素ガス生成システム1は、上記(A’)〜(C’)の実施形態において、「燃料電池」を用いて高圧の「排ガス」を生成し、これを利用して「フィルタ」に作用させるので、大気圧から所望の高圧(例えば7気圧)にまで(一気に)増圧する必要が生じない。その結果、効率的に高純度の窒素ガスを生成することが可能となるのである。 Further, the nitrogen gas generation system 1 of the present embodiment generates high-pressure "exhaust gas" by using the "fuel cell" in the above-described embodiments (A') to (C'), and uses this to generate "exhaust gas". Since it acts on the "filter", it is not necessary to increase the pressure (at once) from atmospheric pressure to a desired high pressure (for example, 7 atm). As a result, it is possible to efficiently generate high-purity nitrogen gas.

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%以上と規定されることもあるのである。 Here, the wording "high purity" or "high purity" described above means 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 the present embodiment (ml in 100 ml of the medium and the unit is vol%) is the field and application of the nitrogen gas. Depending on the situation, for example, it may be 95 vol% or more, 99 vol% or more, or 99.9 vol% or more.

[窒素ガス生成システムの構成]
同じく図1に示すように、本実施形態の窒素ガス生成システム1は、
(a)「燃料電池」を有する燃料電池U11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(U)101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。
[Configuration of nitrogen gas generation system]
Similarly, as shown in FIG. 1, the nitrogen gas generation system 1 of the present embodiment is
(A) A fuel cell U11 having a "fuel cell" and
(B) At a position in front of the fuel cell U11, a renewable energy power generation unit (U) 101, a storage U101s, a hydrogen generation U102, a hydrogen generation reforming U103, a hydrogen tank 104, a flow control U105, and air. Compression U106, air tank 107, filter U108, flow control U109,
(C) A drain 111, a pressure control U113, a gas-liquid separation U114, and a hydrogen recovery U115 are located at a position after the hydrogen electrode side of the fuel cell U11.
(D) A drain 112, a pressure control U121, a gas-liquid separation U122, an off-gas buffer tank 123, a pressure boosting U124, and a corrosive gas removal U125 are located at positions after the air electrode side of the fuel cell U11. , Temperature control U126, flow control U127, nitrogen filter U12 provided with nitrogen gas filter 12f, pressure boosting U128, nitrogen tank 129, and
(E) The system is equipped with an overall control U131, which incorporates natural energy such as air, water, and sunlight, and in some cases city gas, and even commercial electric power, to provide high-purity nitrogen gas. It is possible to supply electric power and thermal energy to the outside.

すなわち、本実施形態の窒素ガス生成システム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、電力及び熱供給システム(装置)として捉えることもできるのである。 That is, the nitrogen gas generation system 1 of the present embodiment can also provide the electric power and thermal energy generated by the operated "fuel cell" to the outside in accordance with the generated nitrogen gas, and the nitrogen gas and the electric power. And it can also be regarded as a heat supply system (device).

なお、この窒素ガス生成システム1は、以上に示した構成部を備えた1つの窒素ガス生成装置とすることも可能である。また、少なくとも燃料電池U11及びそれに直結する構成部と、窒素フィルタU12とを含んでおり、少なくとも自然エネルギー発電U101を装置外とする窒素ガス生成装置を構成することもできる。 The nitrogen gas generation system 1 can also be a single nitrogen gas generation device having the components shown above. Further, it is also possible to configure a nitrogen gas generator that includes at least the fuel cell U11, a component directly connected to the fuel cell U11, and a nitrogen filter U12, and at least the renewable energy power generation U101 is outside the device.

例えば、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装置構成部とする窒素ガス生成装置を構成することも可能となる。 For example, all the components other than the renewable energy power generation U101, the storage U101s, the hydrogen generation U102, the hydrogen generation reforming U103, the hydrogen tank 104, the air compression U106, the air tank 107, the pressure boosting U128, and the nitrogen tank 129 are used as device components. It is also possible to configure a nitrogen gas generator.

さらには、圧力制御U121からフロー制御U127まで、増圧U124からからフロー制御U127まで、又は腐食性ガス等除去U125からフロー制御U127までをフィルタ処理の前段・後段部として備えた、窒素フィルタ12を有する窒素ガス生成装置を構成することも可能である。勿論、窒素タンク129までのフィルタ処理の後段部も備えていてもよい。 Further, a nitrogen filter 12 provided with pressure control U121 to flow control U127, pressure boosting U124 to flow control U127, or corrosive gas removal U125 to flow control U127 as the first and second stages of filtering. It is also possible to configure a nitrogen gas generating device having it. Of course, a post-stage portion of the filtering process up to the nitrogen tank 129 may also be provided.

また、このような窒素ガス生成装置は、例えば外部に設置された「燃料電池」の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」であってもよい。
[可能な発明クレーム]
窒素及び酸素を含んでおり空気よりも低い酸素濃度を有するガスを、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ガスを取り出すことを特徴とする窒素ガス生成方法。
[可能な発明クレーム]
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、
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、受け取っ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当該排ガスを出力するフィルタと
を有することを特徴とする窒素ガス生成装置。
Further, such a nitrogen gas generator may be provided with a piping joint as an exhaust gas intake port which can be connected to, for example, an exhaust gas outlet of an externally installed "fuel cell", and the external "fuel cell" may be provided. It is also possible to use a device that takes in the exhaust gas discharged from the fuel gas and outputs the nitrogen gas having a reduced oxygen concentration. So to speak, it may be a "fuel cell-mounted filtering device" that can be attached to a "fuel cell".
[Possible invention claims]
A gas containing nitrogen and oxygen and having an oxygen concentration lower than that of air is allowed to act on a filter using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and the gas having an increased nitrogen concentration is removed from the filter. A nitrogen gas generation method characterized by taking out.
[Possible invention claims]
An exhaust gas intake for receiving exhaust gas emitted from an external fuel cell,
A nitrogen gas which is a filter using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and has a filter for outputting the exhaust gas having an increased nitrogen concentration by acting the received exhaust gas. Generator.

ちなみに、図1の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、窒素ガス生成システム1における窒素ガス生成方法の一実施形態としても理解される。 By the way, the substance / energy transfer and the flow of the processing to be performed shown by connecting the components in the system configuration diagram of FIG. 1 with arrows are also understood as an embodiment of the nitrogen gas generation method in the nitrogen gas generation system 1. Will be done.

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。 Similarly, in FIG. 1, the renewable energy power generation unit U101 may be a solar power generation unit including a solar cell and converting sunlight into electric power, and a generator is rotated by rotating a rotor with blades (wings) by wind power. It may be a wind power generation unit that drives and generates electric power, or it may be a micro hydroelectric power generation unit that drives a generator by rotating a turbine (water wheel) by a water flow (hydraulic power) to generate electric power.

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。 Further, various other power generation units can be adopted as the renewable energy power generation unit 101 as long as the light energy of sunlight and the kinetic energy of wind and water flow are finally converted into electric energy. Further, the renewable energy power generation unit 101 may be a combination of two or more of the power generation units as described above. In any case, it is also preferable that the output unit of the generated power is provided with a power meter so that the presence or absence of power generation and the amount of generated power can be measured at each time point.

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。 The power storage 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 the electric power supplied from the renewable energy power generation unit 101. It is also preferable that the electricity storage U101s is provided with an electricity storage meter so that the amount of electricity stored at each time point and whether or not the battery is fully charged can be measured.

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。 Here, electric power is supplied from the storage U101s to the hydrogen generation U102 and the air compression U106 (which electrolyzes water), which will be described later, but instead of or together with them, commercial electric power is the hydrogen generation U102 and the air. It may be supplied to the compressed U106.

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 hydrogen generation U102 and air compression can be performed directly from the renewable energy power generation unit 101 without using the electricity storage U101s equipped with an expensive secondary battery (or to provide it as an auxiliary only). It is also preferable that power is supplied to the U106. In this case, the natural energy is directly converted into the chemical energy of hydrogen and the physical energy of compressed air and used.

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。 When the renewable energy power generation unit 101 generates AC power (for example, when it is equipped with an AC generator), the AC power and commercial power are converted into direct current by a converter and then stored in storage U101s and hydrogen generation U102. Will be supplied to. Further, even when the air-compressed U106 includes the DC-driven compressor 22, it is converted to direct current and then supplied to the air-compressed U106.

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 generation U102 and the air compressed U106 as described above, for example, the power generation status of the renewable energy power generation unit 101 and the power storage status of the storage U101s. , It is possible to switch and control appropriately.

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。 Similarly, in FIG. 1, the hydrogen generation U102 is a hydrogen supply unit including an electrolysis unit capable of electrolyzing the acquired water with the supplied electric power to generate hydrogen and oxygen. Here, various known electrolysis methods can be adopted. For example, a method in which a large number of electrolytic cells having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a catalyst and electrodes from both sides is used. 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。 Further, it is also preferable that the hydrogen generation U102 is provided with a dehumidifying portion for removing water from the generated hydrogen and oxygen. Further, a mechanism may be provided in which the water removed here is returned to the electrolysis section for electrolysis. It is also preferable to have a wattmeter that can measure the power consumed at each time point and the presence or absence of power consumption, and a flow meter or gas pressure gauge that can measure the amount of generated hydrogen and oxygen and the presence or absence of generation. You may have it.

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(H)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。 Hydrogen production reforming U103 is introduced a hydrocarbon gas such as city gas or LPG, mixed with the hydrocarbon gas and steam, as a main component hydrogen (H 2) by the steam reforming reaction from the mixed gas Produces hydrogen-containing gas. In addition, a mechanism for reducing the carbon monoxide gas content in the generated hydrogen-containing gas by using a CO modification catalyst or the like, or further reducing the carbon monoxide concentration by using a CO selective oxidation catalyst is provided. It is also preferable to have it.

ちなみに、後述する燃料電池U11の「燃料電池」としてSOFC(個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。 By the way, when SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) is adopted as the "fuel cell" of the fuel cell U11 described later, the high temperature (large calorific value) required for steam reforming in the hydrogen generation reforming U103 is used as this "fuel". It is also possible to cover it by exhausting heat from the "battery".

なお、窒素ガス生成システム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。 The nitrogen gas generation system 1 may include either hydrogen generation U102 or hydrogen generation reforming U103 as a hydrogen (fuel) supply source, or secures various supply sources. It is also preferable to have both as much as possible. Further, the hydrogen gas itself may be supplied from another system / device in place of or in combination with these 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 hydrogen tank 104 is a gas tank that temporarily stores and stores hydrogen gas supplied from hydrogen generation U102 and hydrogen generation reforming U103 in a compressed (high pressure) state, and is provided with a hydrogen storage alloy cylinder. May be good. It is also preferable that the hydrogen tank 104 is provided with a gas pressure gauge so that the gas pressure in the tank at each time point can be measured.

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 the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 104 to the fuel cell U11. Specifically, it may be provided with a hydrogen gas regulator and a hydrogen gas mass flow controller (or flow switch).

ここで、水素ガスは、大気圧(1気圧)を超える圧力を有する高圧(例えば2〜7気圧)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、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気圧とする。 Here, the hydrogen gas may be supplied to the hydrogen electrode side of the fuel cell U11 in a state of high pressure (for example, 2 to 7 atm) having a pressure exceeding atmospheric pressure (1 atm). That is, in the present embodiment, the back pressure of the "fuel cell" provided in the fuel cell U11 can be set to a pressure exceeding the atmospheric pressure. The back pressure is 1 atm when the outlet side of the "fuel cell" is in the open state, 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 in the flow control U105, a pressure difference usually occurs here. Therefore, a regulator receives hydrogen gas having a pressure higher than the set pressure (back pressure), for example, about 1 to 2 atm, from the hydrogen tank 104. It is also preferable to flow the hydrogen gas to the mass flow controller after adjusting the pressure. Incidentally, it has been experimentally found that the above-mentioned pressure difference increases as the flow rate decreases (the flow is reduced).

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。 Similarly, in FIG. 1, the air compression U106 is a unit including, for example, a compressor that compresses (makes high pressure) air taken in from the atmosphere and supplies it to the air tank 107. As a compression method in this compressor, various methods such as a reciprocating type, a scroll type, a screw type, a rotary type, a swing type, or a combination of two or more of these can be adopted.

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 air tank 107 is a gas tank that temporarily stores and stores the compressed air supplied from the air-compressed U106 in a compressed state. It is also preferable that the air tank 107 is also provided with a gas pressure gauge so that the gas pressure in the tank at each time point can be measured.

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 includes an air filter and an oil filter, and is a unit for removing minute dust, oil components, and the like from the high-pressure air supplied from the air tank 107 by these filters.

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 air tank 107 to the air electrode side of the fuel cell U11 via the filter U108. Specifically, it may be provided with a gas regulator and a mass flow controller (or flow switch).

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)を超える圧力を有する高圧(例えば2〜7気圧)の状態のまま、(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 the present embodiment, the compressed air is also a fuel (with a back pressure exceeding the atmospheric pressure) while being in a high pressure state (for example, 2 to 7 atmospheres) having a pressure exceeding the atmospheric pressure (1 atm). It may be supplied to the air electrode side of the battery U11. At this time, in consideration of the pressure difference of the mass flow controller, compressed air having a pressure higher than the set back pressure, for example, about 1 to 2 atm, is received from the air tank 107, the pressure is adjusted by the regulator, and then the compressed air is adjusted. May flow to the mass flow controller, as in the case of the hydrogen gas described above.

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。 Similarly, in FIG. 1, the fuel cell U11 is provided with a "fuel cell", and exhaust gas, electric power, heat, and water (steam) having an oxygen concentration lower than that of air are extracted from the "fuel cell" and output. It is a unit to do.

この燃料電池U11は勿論、「燃料電池」の背圧を1気圧(大気圧)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2〜7気圧)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2〜7気圧)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2〜7気圧)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 by setting the back pressure of the "fuel cell" to 1 atm (atmospheric pressure), but as one preferred embodiment,
(A) Back pressure exceeding atmospheric pressure (for example, 2 to 7 atmospheres) is set.
(B) Receive hydrogen gas having a pressure exceeding atmospheric pressure (for example, 2 to 7 atmospheres) from the flow control U105, and further, compressed air having a pressure exceeding atmospheric pressure (for example, 2 to 7 atmospheres) from the flow control U109. Receive and operate,
(C) It is also preferable that the unit is provided with a "fuel cell" that discharges exhaust gas having a pressure exceeding atmospheric pressure (for example, 2 to 7 atmospheres).

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 configuration, for example, an electrolyte is sandwiched between a hydrogen electrode (fuel electrode, anode, anode) and an air electrode (oxygen electrode, cathode, cathode). The cells having a structure may have a structure in which a plurality of cells are stacked (stacked) with a separator in between.

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。 Further, as the battery system in the "fuel cell", a solid polymer fuel cell (PEFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and a molten carbonate fuel cell (MCFC) ) Etc. can be adopted. Of these, SOFCs have high power generation efficiency, usually operate at about 700 to about 1000 ° C., and can supply exhaust gas at a considerably high temperature. As described above, when hydrogen gas is generated from city gas or the like by using the hydrogen reforming U103, SOFC can supply a large amount of heat required for the steam reforming. Further, the PEFC method is used in many fuel cell vehicles, for example, because it operates at a relatively low temperature and the battery size can be made compact.

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。 When the "fuel cell" in the fuel cell U11 is PEFC, for example, the JARI type fuel cell developed for research and development by the Japan Automobile Research Institute (JARI) is referred to as "fuel cell". It is also possible to adopt it as. The JARI type fuel cell has a structure in which the back pressure can be increased and pressure can be applied to the inside of the battery, and on top of that, all the exhaust gas having a high back pressure can be recovered.

ここで本実施形態において、この「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 the present 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 adjusted 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 between both back pressures, a slight gas leak may occur from the "fuel cell", while if both back pressures are equal, even a considerably high back pressure is a problem. It is experimentally known that it does not occur. In particular, when the "fuel cell" is PEFC, the electrolytic film is relatively thin, so it is more preferable to make both back pressures equal.

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、「燃料電池」に流入した水素ガス・圧縮空気の量、圧力や温度、さらには「燃料電池」から排出される排ガスや排出水蒸気・水分の量、圧力や温度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 provided with the "fuel cell" as described above has the amount, pressure and temperature of hydrogen gas / compressed air flowing into the "fuel cell", and the exhaust gas discharged from the "fuel cell". It is equipped with a measurement system / sensor group that can measure the amount of exhaust water vapor / moisture, pressure and temperature, and further, the overall control U131 that receives information from the measurement system / sensor group operates the "fuel cell". Is also preferably controlled.

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。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電動システムを用いて、「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。 Further, in the fuel cell U11, a heat exchanger that circulates a heat exchange medium such as water is arranged in or around the "fuel cell", and heat is taken out from the "fuel cell" that has been operated and generated heat to the outside of the unit. It is also preferable to transfer it. Alternatively, instead of the heat exchanger, the heat inside the "fuel cell" can be taken out directly to the outside by using a thermoelectric system in which the conductive separator and the heat pipe in the "fuel cell" are connected.

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, and in the present embodiment, it is supplied to the off-gas buffer tank 123 described later. Therefore, the exhaust gas supplied to the nitrogen filter U12 can be heated to a higher temperature (for example, 45 ° C.). Of course, when the temperature of the exhaust gas is sufficiently high, such heat treatment in the off-gas buffer tank 123 becomes unnecessary.

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。また、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。 Further, the heat can be transferred to the hydrogen reforming U103 by such a heat exchange medium or a heat pipe to replenish the amount of heat required for steam reforming. Further, the heat can be used to turn the water to be electrolyzed in the hydrogen generation U102 into steam or raise the temperature of the water to improve the hydrogen generation efficiency in 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 the desired hydrogen generation efficiency and maintain it stably, it is also preferable to monitor the temperature of the electrolysis cell with an installed temperature sensor and control the electrolysis operation by the overall control U131. Further, it is also possible to increase the applied voltage between the electrodes so that the electrolysis treatment can be performed without using the electrolyte and without the need for monitoring or maintenance of the electrolyte.

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 battery reaction, thereby finally. It is also easy to take out the exhaust gas having a lower oxygen concentration, for example, the exhaust gas having an oxygen concentration of 2.5 vol% or less. Incidentally, the inventors of the present application have published the invented fuel cell system having such a configuration 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。 Similarly, in FIG. 1, drains 111 and 112 are provided at the fuel passage outlet (on the hydrogen electrode side) and the air passage outlet (on the air electrode side) of the "fuel cell" in the fuel cell U11, respectively, and have a relative humidity (usually, relative humidity). (Approximately 100%) Recovers water generated by condensation of water vapor contained in the exhaust gas. As a result, the adverse effect on the battery reaction due to the so-called flooding phenomenon can be suppressed. Further, the water recovered in this way may be sent to the hydrogen generation U102 and reused as a hydrogen generation 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)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。なお、ドレイン112における除湿処理の実施例については、後に図14を用いて詳細に説明する。 Here, by setting the back pressure of the "fuel cell" to a value exceeding the atmospheric pressure (for example, 2 to 7 atm), the dew point is raised to increase the amount of water falling into the drains 111 and 112, and the dehumidifying effect is enhanced. It can also be increased. It is also preferable that the drains 111 and 112 have an auto-drain function that automatically discharges the water to the outside when a predetermined amount of water is accumulated. An example of the dehumidifying treatment in the drain 112 will be described in detail later with reference to FIG.

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 flows the hydrogen gas dehumidified at the drain 111 toward the fuel passage inlet (on the hydrogen electrode side) of the “fuel cell” while maintaining the set back pressure of the “fuel cell” (for example, flow). (After the control U105), for example, a unit for returning via a hydrogen mixer. Specifically, the pressure control U113 includes a back pressure valve and a pressure gauge, and by adjusting the back pressure valve, the pressure (back pressure) in the "fuel cell", particularly on the hydrogen electrode side, is controlled.

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、ドライフィルタ、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 separation U114 is for removing residual water vapor and water from the exhaust gas discharged from the fuel passage outlet (on the hydrogen electrode side) of the "fuel cell" and passing through the drain 111 and the pressure control U113. It is a unit. Specifically, a dehumidifier, a dry filter, a dehumidifier equipped with a pressurizing mechanism, and a gas-liquid separator can be used to remove water vapor and water. Here, as the dehumidifier, one containing silica gel and / or zeolite can be used. Further, as a gas-liquid separator type, a gravity separation type, a centrifuge type, a mist remover pad type, an airfoil type separation type, an atmospheric pressure separation corelesser type, or the like can be adopted.

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 taking out unreacted residual hydrogen gas from the exhaust gas discharged from the fuel passage outlet (on the hydrogen electrode side) and reusing it by using a known hydrogen gas filter or executor. Here, the hydrogen gas taken out can be sent back to, for example, the hydrogen mixer at the subsequent stage of the flow control U105. Further, the gas after taking out the hydrogen gas may be discharged to the outside.

同じく図1において、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。 Similarly, in FIG. 1, the pressure control U121 is a unit for sending the exhaust gas (on the air electrode side) dehumidified by the drain 112 to the gas-liquid separation U122 while maintaining the set back pressure of the “fuel cell”. be. Specifically, this pressure control U121 also has a back pressure valve and a pressure gauge like the pressure control U113, and by adjusting the back pressure valve, the pressure (back pressure) in the "fuel cell", particularly on the air electrode side, is controlled. To do.

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を経てきた高圧(例えば2〜7気圧)の排ガスから、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、ドライフィルタ、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可能であることは、上述した気液分離U114と同様である。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20〜30%以下に抑制することも好ましい。 The gas-liquid separation U122 still remains from the high pressure (eg 2-7 atm) exhaust gas that has been discharged from the air passage outlet (on the air electrode side) of the "fuel cell" and has passed through the drain 112 and the pressure control U121. It is a unit for removing water vapor and water. Specifically, the fact that water vapor and water can be removed by using a dehumidifier, a dry filter, a dehumidifier provided with a pressurizing mechanism, and a gas-liquid separator is the same as the gas-liquid separation U114 described above. Incidentally, as one criterion, it is also preferable that the gas-liquid separation U122 suppresses the relative humidity in the exhaust gas to 20 to 30% or less.

この気液分離U122は、特に、「燃料電池」の背圧を高くしない(例えば2気圧以下とする)実施形態では、露点が高くなることによるドレイン112での回収水量の増加が期待できない中、非常に重要なユニットとなる。ただし、1つの実施形態として、ドレイン112から出てきた排ガスを、この後説明するオフガスバッファタンク123に貯蔵する際に、例えばタンク前段に設けられた圧縮(増圧)装置によって高圧状態にし、タンク123内に設置されたオートドレインによって除湿することも可能となる。この場合、気液分離U122を省略してもよい。 In particular, in the embodiment in which the back pressure of the "fuel cell" is not increased (for example, 2 atm or less), the gas-liquid separation U122 cannot be expected to increase the amount of recovered water in the drain 112 due to the increase in the dew point. It will be a very important unit. However, as one embodiment, when the exhaust gas discharged from the drain 112 is stored in the off-gas buffer tank 123, which will be described later, the tank is brought into a high pressure state by, for example, a compression (pressure boosting) device provided in front of the tank. It is also possible to dehumidify by the auto drain installed in 123. In this case, the gas-liquid separation U122 may be omitted.

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2〜7気圧)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)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-gas buffer tank 123 is a gas tank that temporarily stores and stores the exhaust gas introduced from the gas-liquid separation U122. This exhaust gas is introduced into the off-gas buffer tank 123 until the pressure becomes the same as the set back pressure (for example, 2 to 7 atm). Further, in order to allow the exhaust gas to flow into the nitrogen filter U12 described later at a desired pressure (for example, 7 atm), the flow rate of the exhaust gas to the off-gas buffer tank 123 is equal to or equal to the required introduction flow rate to the nitrogen filter U12. It is also preferable to set the flow rate to exceed the flow rate.

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 off-gas buffer tank 123 returns to, for example, atmospheric pressure. Therefore, it is also preferable that the off-gas buffer tank 123 is provided with a check valve for preventing the backflow of the exhaust gas to the "fuel cell". It is also preferable that the off-gas buffer tank 123 is also provided with a gas pressure gauge so that the gas pressure in the tank at each time point can be measured.

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。 Further, the off-gas buffer tank 123 uses a "heating means" capable of heat treatment by the heat generated by the "fuel cell" in the fuel cell U11 to heat the exhaust gas in the tank to a temperature higher than room temperature (for example, 30 to 45 ° C.). ) Is also preferable. This makes it possible to supply the exhaust gas at a temperature suitable for the nitrogen filtering process to the nitrogen gas filter 12f of the nitrogen filter U12, which will be described later.

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 above-mentioned "heating means", the heat exchanger already described or the separator / heat pipe connecting system may be adopted. This makes it possible to effectively utilize the heat of the "fuel cell" and carry out a suitable nitrogen filtering process without using an energy consuming means such as an electric heater. Of course, when the temperature of the exhaust gas introduced into the off-gas buffer tank 123 is sufficiently high, such a "heating means" becomes unnecessary.

増圧U124は、燃料電池U11の「燃料電池」から取り出した排ガスを、さらに増圧させて(例えば7気圧の圧力にして)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を採用することができる。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 boosting U124 further boosts the pressure (for example, at a pressure of 7 atm) the exhaust gas extracted from the “fuel cell” of the fuel cell U11 and supplies it to the nitrogen filter U12. As the pressure booster U124, a known pressure booster valve, for example, a pressure booster valve VB11A or VBA42 for an inert gas manufactured by SMC Corporation can be adopted. It is also preferable to have a pressure gauge for monitoring the exhaust gas pressure increase.

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, most of the known pressure boosting valves are of the air drive type, but in this case, a part of the compressed air supplied to the "fuel cell", that is, the compressed air taken out from the air tank 107 is used as the support gas. , This booster valve may be driven. As a result, it is not necessary to impose a burden such as further power consumption on driving the booster valve. It is also preferable to use a booster type compressor as the 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, when the pressure of the exhaust gas from the off-gas buffer tank 123 is sufficiently high (for example, 7 atm), the boosting U124 is of course unnecessary. Further, although care must be taken in handling, the hydrogen gas taken out from the hydrogen tank 104 can also be used as this support gas.

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 is subsequently subjected to sulfide, chloride, and hydrocarbons with respect to the exhaust gas (taken out from the “fuel cell”) to act on the nitrogen gas filter 12f of the nitrogen filter U12. A unit capable of being treated to remove or reduce at least one of hydrogen, fluoride and a strong alkaline compound.

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 a fuel for a "fuel cell", the exhaust gas includes hydrocarbons such as hydrogen sulfide, sulfite gas, and methane gas. Various gas components other than hydrogen gas, such as gas, ammonia, and formaldehyde, are mixed. Further, when SOFC is used for the "fuel cell", nitrogen gas in the air may combine with oxygen in a high temperature atmosphere of about 800 ° C., and nitrogen oxides (NOx) may be generated. These gases not only become impurities in the final product nitrogen gas, but also pose a risk of adversely affecting the fibers (of the hollow fibers) of the nitrogen gas filter 12f.

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 provided with, for example, an activated carbon filter, and plays a role of removing or reducing the above-mentioned impurity gas in the exhaust gas as much as possible. By the way, as one standard for removing corrosive gas, etc., the concentration of hydrocarbon gas is suppressed to 0.013 mg / Nm 3 (0.01 ppm wt) or less, and strong acidity of hydrogen sulfide, sulfite gas, hydrogen chloride, fluorine, etc. It is also preferable to keep the concentration of the gas and the strongly alkaline gas such as amine, ammonia and caustic soda below the detection limit in the 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。 Further, as shown in FIG. 1, it is also preferable that a mist filter and a dust filter are installed before and after the corrosive gas removal U125. Of 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, this mist filter preferably keeps the concentration of residual oil from these mists to 0.01 mg / Nm 3 (0.008 ppm wt) or less. On the other hand, the dust filter is a filter that removes or reduces dust in the exhaust gas. As one standard, the dust filter preferably excludes almost all particles having 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 control U126 is provided with, for example, an electric heater, and the temperature of the taken-in exhaust gas is brought close to or matched with a preset suitable temperature based on the characteristics of the nitrogen gas filter 12f, and the temperature-adjusted exhaust gas is sent to the nitrogen filter U12. It is a unit for supplying. Further, as a preferred embodiment, the temperature control U126 may receive the heat supplied from the fuel cell U11 via the heat exchanger and use it for temperature control, or is also supplied from the fuel cell U11. The exhaust gas temperature may be adjusted by electric power.

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 N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。 Incidentally, the UBE N 2 separator NM-B01a of Ube Industries can be employed as a nitrogen gas filter 12f to be described later, the filtering when the temperature of the introduced gas is 30-45 ° C. above room temperature (25 ° C.) It is said that the effect will be higher. In this case, when the exhaust gas of the "fuel cell" is higher than the room temperature (25 ° C.), it is possible to enjoy this high filtering effect without using the temperature control U126. In addition, it is possible to suppress the power consumption for temperature adjustment by that amount.

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 in the nitrogen gas filter 12f using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, the recovery rate is greatly reduced as the temperature of the introduced exhaust gas rises. Therefore, depending on the content of the nitrogen gas output performance set in this system, in order to secure a predetermined recovery rate, the temperature of the exhaust gas is generally kept at the temperature inside the off-gas buffer tank 123 without using the temperature control U126. It is possible to do so.

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。 Similarly, in FIG. 1, the nitrogen filter U12 causes the exhaust gas supplied from the flow control U127 to act on the nitrogen gas filter 12f using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and from the nitrogen gas filter 12f. It is a unit that takes out exhaust gas having an increased nitrogen concentration, that is, high-purity nitrogen gas in the present embodiment.

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 the present embodiment, the nitrogen filter U12 is
(A) Nitrogen gas filter 12f and
(B) A filter input / output unit that introduces exhaust gas to act on the nitrogen gas filter 12f and extracts exhaust gas with an increased nitrogen concentration from the nitrogen gas filter 12f.
(C) A filter purge unit that takes out a gas containing oxygen molecules (hereinafter abbreviated as filter exhaust gas) separated from nitrogen molecules (in the exhaust gas) by the nitrogen gas filter 12f separately from the exhaust gas taken out in the above (b). And have.

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 N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。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く、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や、ダイセル・エボニック製のSEPURAN N2 メンブランモジュールを、窒素ガスフィルタ12fとして採用することも可能である。 Specifically, as the nitrogen gas filter 12f, a hollow fiber filter (hollow fiber fiber filter) using a polymer fiber material that allows oxygen molecules to permeate more preferentially than nitrogen molecules can be used. For example, it may be employed Ube Industries of UBE N 2 separator NM-B01a with polyimide hollow fibers. This is a mechanism in which oxygen molecules selectively permeate the hollow fiber membrane while the high-pressure exhaust gas flows through the hollow fiber, and finally, nitrogen gas with increased purity is taken out from the outlet of the hollow fiber. It has become. Of course, the nitrogen gas filter 12f is not limited to this separator, and for example, a UBE N2 separator NM series separator manufactured by Ube Industries and a Sepuran N2 membrane module manufactured by Daicel Evonik are adopted as the nitrogen gas filter 12f. It is also possible to do.

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3〜5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 nitrogen gas filter 12f,
(A) Oxygen concentration of the introduced exhaust gas (introduced oxygen concentration), pressure of the introduced exhaust gas (introduced pressure), flow rate of the exhaust gas at the outlet of the filter 12f (outlet flow rate),
(B) The relationship between the oxygen concentration of the exhaust gas at the outlet of the filter 12f (outlet oxygen concentration) and the recovery rate of the filter 12f will be described in detail later with reference to the examples shown in FIGS. 3 to 5. Therefore, various conditions for obtaining high-purity nitrogen gas will also be described.

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 control U127 described later. Further, 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, it is also preferable that the flow control U127 is installed immediately after these oxygen concentration meters and flow meters.

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, 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" based on the measured value of the outlet oxygen concentration by the oxygen concentration meter. By controlling the mass flow controller of the flow control U127 to adjust the flow rate of exhaust gas to the "filter", it is possible to supply high-purity nitrogen gas having 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。 Similarly, in FIG. 1, the flow control U127 controls the flow rate of the exhaust gas having an increased nitrogen concentration generated by the nitrogen filter U12, that is, the high-purity nitrogen gas in the present embodiment, and boosts the pressure of the nitrogen gas. It is a unit that sends to the nitrogen tank 129 via U128. That is, as described above, it is a unit that controls the outlet flow rate (f_out) in the nitrogen gas filter 12f. Specifically, it may be provided with a gas regulator and a mass flow controller (or flow switch).

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。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 boosting U128 further increases the pressure of the high-purity nitrogen gas whose flow rate is controlled by the flow control U127 (for example, at a pressure of 8 to 15 atm) and sends it to the nitrogen tank 129 in a larger amount. It is a unit for storing and storing high-purity nitrogen gas in a nitrogen tank 129. As the pressure boosting U128, for example, a boost pressure boosting valve or a boost compressor can be adopted. It is also preferable that a pressure gauge is provided for monitoring the pressure increase.

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。 Further, the nitrogen tank 129 temporarily stores and stores the high-purity nitrogen gas supplied from the nitrogen filter U12 via the pressure boosting U128, and stably externally stores the high-purity nitrogen gas according to, for example, the control by the overall control U131. It is a nitrogen gas supply interface that supplies to. It is also preferable that the nitrogen tank 129 is also provided with a gas pressure gauge so that the gas pressure in the tank at each time point can be measured.

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 boosting U128) as such a nitrogen gas supply interface is not used and the generated nitrogen gas is directly supplied from the nitrogen filter U12 via a predetermined flow control means to the outside. good. For example, when this supply destination is a soldering device or the like, high-purity nitrogen gas that is directly supplied and has a temperature exceeding at least room temperature (25 ° C.) can be used as a soldering atmosphere to further increase the temperature. It is more preferable because it can save the required amount of heat.

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。 The overall control U131 is capable of communicating with the main components including the fuel cell U11 and the nitrogen filter U12 described above, preferably all the components, via a wired or wireless communication network, and each configuration. Measures of the unit ・ Receives the measured quantities output from the sensor, such as pressure, gas flow rate, temperature, nitrogen concentration, oxygen concentration, hydrogen concentration, presence or absence of hydrogen leakage, etc., and monitors them as appropriate to monitor and monitor each component. It is a control unit that performs control.

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 a memory, and the memory stores and mounts a nitrogen gas generation system monitoring / control program for monitoring / controlling each component, and this processor. It is also preferable that the program is executed 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 / 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 control the back pressure in the "fuel cell" of the fuel cell U11 and to control the balance between the back pressure on the hydrogen electrode side and the back pressure on the air electrode side.

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 nitrogen gas filter 12f of the nitrogen filter U12, the temperature of the hydrogen generating U102, and the like. Therefore, it is also preferable to appropriately control the fuel cell reaction, the filtering operation, and the hydrogen generation (electrolysis) reaction in the nitrogen gas generation system 1. Further, it is also preferable to monitor the presence or absence of hydrogen leakage between each component and each component, and when it is determined that a problem has occurred, send an alarm including information on the hydrogen leak location to the outside.

[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 according to the nitrogen gas generation treatment 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 N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 showing the measurement results and analysis results in FIGS. 2-4, using Ube Industries of UBE N 2 separator NM-B01a as a nitrogen gas filter 12f (FIG. 1), with respect to the nitrogen gas filter 12f , At room temperature (25 ° C), the oxygen concentration is 10.3vol%, 5.1vol%, and 1.1vol%, respectively, which is a mixed gas of nitrogen gas and oxygen gas and air having an oxygen concentration of 20.8vol%. Introducing each of the mixed gases of the seeds individually,
(A) The oxygen concentration of the introduced gas (introduced oxygen concentration c_in_O2 (vol%)), the pressure of the introduced gas (introduced pressure p_in (atmospheric pressure)), and the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the nitrogen gas filter 12f (outlet flow rate f_out (outlet flow rate f_out). L / min, liter / minute)) and
(B) The oxygen concentration of the gas at the outlet of the nitrogen gas filter 12f (outlet oxygen concentration c_out_O2 (ppm vol)) was measured, and the relationship between the above (a) and (b) was investigated.

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。 By the way, the oxygen concentrations of 10.3vol%, 5.1vol%, and 1.1vol% in the above-mentioned introduced gas are all the values realized in the exhaust gas of the 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) show the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the outlet oxygen concentration under the conditions of outlet flow rates f_out of 2.0 L / min, 1.5 L / min, and 1.0 L / min, respectively. A graph showing the relationship with c_out_O2 is shown.

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) The smaller the introduced oxygen concentration c_in_O2, the more
(B) The larger the introduction pressure p_in, the more
(C) The smaller the outlet flow rate f_out, the smaller
It is understood that the outlet oxygen concentration c_out_O2 becomes smaller and more pure nitrogen gas is output from the nitrogen gas filter 12f.

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 atm, and the outlet flow rate f_out is set to 1.0 L / min (the graph points shown in FIG. 2C), the outlet oxygen The concentration c_out_O2 is 325ppm (0.0325vol%). By the way, under the same introduction oxygen concentration and introduction pressure condition, when the outlet flow rate f_out is set to 0.75 L / min, which is even smaller, 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. Incidentally, it has been experimentally confirmed that the tendency of such a result is almost the same even when the temperature of the gas introduced into the nitrogen gas filter 12f is 40 ° C. and 50 ° C.

<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)
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 2 (C), the following equation (1) (c_out_O2) = C · (f_out) a
It is derived that the relationship represented by is established. here,
(A) The term coefficient C takes a positive value, and the smaller the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the larger the introduced pressure p_in, the smaller the value. For example, when the introduced oxygen concentration c_in_O2 is 1.1% and the introduced pressure p_in is 7.0 atm, this C value is 319 (ppm), which is a very small value. on the other hand,
(B) The power coefficient a hardly depends on the introduced oxygen concentration c_in_O2, and the introduced pressure p_in becomes around 1.6 at 4.0 atm, and the larger the introduced pressure p_in, the larger the value, and the introduced pressure p_in becomes 7.0 atm. It will be 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, it is understood that the smaller the outlet flow rate f_out, the smaller the outlet oxygen concentration c_out_O2, that is, a high-purity nitrogen gas having a lower oxygen concentration can be obtained. Here, since the power coefficient a is determined only by the introduction pressure p_in, the mechanism of contribution of the outlet flow rate to the outlet oxygen concentration is a dynamic one related to the fiber state of the filter 12f determined by the introduction pressure. it is conceivable that.

<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ながら、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 nitrogen gas filter 12f, that is, the degree of the oxygen concentration reducing effect will be described.

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、5.0気圧、6.0気圧及び7.0気圧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 under the conditions that the outlet flow rates f_out are 2.0 L / min, 1.5 L / min, and 1.0 L / min, respectively. A graph showing the relationship with the reduction index is shown. The four graph curves shown in each of these graphs are approximation curves for data points when the introduction pressure p_in is 4.0 atm, 5.0 atm, 6.0 atm, and 7.0 atm, respectively.

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 based on the following equation (2) (oxygen concentration reduction index) = c_out_O2 (Air), where the outlet oxygen concentration when air having an oxygen concentration of 20.8 vol% is introduced into the nitrogen gas filter 12f is c_out_O2 (Air). Air) / c_out_O2
It is an index calculated by, and represents the degree of absolute oxygen concentration reduction by filtering based on the result of applying 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, especially 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 introduction pressure p_in, and further
(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 = 10vol% at which the rate of increase of the oxygen concentration reduction index in (a) above begins to increase rapidly corresponds to the oxygen concentration in the exhaust gas of the "fuel cell" having 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。 From the above analysis results, for example, a filtering condition such that the oxygen concentration reduction index is 10, that is, the filtering effect is 10 times (compared to the case of air) is obtained (one digit higher). It is understood that the introduced oxygen concentration c_in_O2 should be 2.5 vol% or less regardless of the setting of the introduced pressure p_in and the outlet flow rate f_out. Here, the value of c_in_O2 = 2.5vol% is the average value of the introduced oxygen concentration values at which the oxygen concentration reduction index is 10 in the four power approximation curves in each graph. By the way, the intercept on the horizontal axis of the tangent line around c_in_O2 = 1.1vol% in the graph curve of each graph is also a value near this 2.5vol% (= 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 generation system 1 of the embodiment shown in FIG. 1, the exhaust gas having an oxygen concentration of 2.5 vol% or less is allowed to act on the nitrogen gas filter 12f, so that air is allowed to act from the filter 12f. It is also possible to extract exhaust gas whose oxygen concentration is 1/10 or less of that of the result. By the way, with respect to the graph of FIG. 3 described above, it was confirmed by experiments that even when the temperature of the gas introduced into the nitrogen gas filter 12f was 40 ° C. and 50 ° C., they were almost the same especially in the low oxygen concentration region. Has been done.

<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ながら、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。
<Introduction 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 and the linear coefficient in the four polynomial (quadratic) approximation formulas corresponding to the four graph curves in each of the graphs shown in FIGS. 2 (A) to 2 (C). In,
It is a graph showing the relationship between the introduction pressure p_in and (secondary 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、5.0気圧、6.0気圧及び7.0気圧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. 2 (A) to 2 (C), the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the outlet oxygen concentration c_out_O2 when the introduced pressure p_in is 4.0 atm, 5.0 atm, 6.0 atm and 7.0 atm, respectively. Four graph curves showing the relationship with the graph curve are shown, and a polynomial (quadratic) approximation formula corresponding to the graph curve is described in the vicinity of each graph curve. For example, in the vicinity of the graph curve of p_in = 7.0 atm (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 second-order coefficient is 6.6246 and the first-order 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。 As described above, 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 primary term, but also affects it as a secondary term. That is, if the introduced oxygen concentration c_in_O2 is reduced to 1/N, the outlet oxygen concentration c_out_O2 is not simply reduced to 1/N, and the quadratic term of the introduced oxygen concentration c_in_O2 is effective for the outlet oxygen concentration c_out_O2. It is.

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。 The (second-order coefficient) / (first-order coefficient), which is the value of the ratio of the second-order coefficient to the first-order coefficient as described above, is obtained for each graph curve of each graph of FIGS. 2 (A) to 2 (C). After the calculation, the vertical axis is (secondary coefficient) / (first order coefficient), and the horizontal axis is the introduction pressure p_in, and the graph obtained by plotting these calculated values is the graph of FIG.

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) having outlet flow rates f_out of 1.0 L / min, 1.5 L / min and 2.0 L / min are obtained, respectively, and the graph points of FIG. 4 are obtained. 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), the larger the introduction pressure p_in and the smaller the outlet flow rate f_out, the larger the (secondary coefficient) / (first order coefficient). Therefore, it can be seen that the quadratic term of the introduced oxygen concentration c_in_O2 described 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。 From this, in order to obtain a higher-purity nitrogen gas (make the outlet oxygen concentration c_out_O2 smaller), the ratio of the quadratic term in the introduced oxygen concentration c_in_O2, that is, the (secondary coefficient) / (first-order coefficient) is set. , It is preferable to make it larger in the positive value, and it is understood that it is important to make it at least a value exceeding 0 (zero) at which the contribution of the quadratic term disappears. That is, it is preferable to express a secondary 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、3.40気圧及び3.86気圧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, when the condition that the (secondary coefficient) / (first-order coefficient) exceeds 0 (zero) was obtained from the graph of FIG. 4, the outlet flow rates f_out were 1.0 L / min, 1.5 L / min, and 2.0. It can be seen that the condition is that the introduction pressure p_in exceeds 2.94 atm, 3.40 atm, and 3.86 atm, respectively, in the case of L / min. Here, it is also understood that these pressure threshold values take a larger value 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 the smaller pressure threshold value.

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 generation system 1 of the embodiment shown in FIG. 1, the pressure (introduction pressure) of the exhaust gas acting on the nitrogen gas filter 12f is determined by the nitrogen gas filter 12f. It is understood that it is also preferable to set the pressure to a value exceeding the pressure threshold, which is a threshold value and takes a larger value as the flow rate (outlet flow rate) of the exhaust gas when taken out from the nitrogen gas filter 12f increases.

[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 nitrogen gas filter 12f in the nitrogen gas generation treatment according to the present invention was investigated.

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 were set for the introduced oxygen concentration, the introduced pressure, and the outlet flow rate as in Example 1, and the recovery rate of the nitrogen gas filter 12f was measured. ing. However, in the second embodiment, the measurement when the introduced oxygen concentration c_in_O2 = 0 (zero), that is, the measurement by introducing pure nitrogen gas into the filter 12f is additionally performed. Further, here, the recovery rate, which is the measurement item of the second embodiment, is the degree / degree of gas recovery in the filter 12f, and the flow rate (introduction flow rate) of the introduced gas at the inlet of the filter 12f is f_in, and the following equation (4) ) (Recovery rate) = (f_out) / (f_in)
It is the value of the ratio 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 and the recovery rate under the conditions of outlet flow rates f_out of 2.0 L / min, 1.5 L / min, and 1.0 L / min, respectively. A graph showing the relationship between is shown.

これらのグラフによれば、
(a)(4.0気圧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気圧と5.0気圧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) The smaller the introduced oxygen concentration c_in_O2 (although it may deviate slightly under the condition of 4.0 atm), the more
(B) The smaller the introduction pressure p_in (although the difference between 4.0 atm and 5.0 atm is very small), the more
(C) (This is highly probable from the definition of recovery rate) The larger the outlet flow rate f_out, the higher the probability.
It can be seen that the recovery rate becomes higher, and for example, even if an exhaust gas having a predetermined flow rate is introduced into the nitrogen gas filter 12f, a larger amount of nitrogen gas (exhaust gas having a reduced oxygen concentration) is obtained.

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, regarding 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 (as shown in FIG. 2, for example) are the same, and are concrete. 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 having 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。 From this, the coupling system between the "fuel cell" that outputs low oxygen concentration exhaust gas and the above-mentioned "nitrogen gas filter" that uses the exhaust gas has both the outlet oxygen concentration and its recovery rate. From the viewpoint, it is also understood that the system is very compatible, that is, it is a system capable of efficiently producing 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 the above (b) and the outlet flow rate f_out of the above (c), the direction of increasing the recovery rate and the direction of decreasing the outlet oxygen concentration c_out_O2 (as shown in FIG. 2, for example) are In opposite directions, the recovery rate and the outlet oxygen concentration c_out_O2 are in 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, a high-purity nitrogen gas having a lower oxygen concentration can be obtained, but on the other hand, the amount of exhaust gas required to obtain a predetermined amount of the nitrogen gas, and thus the "fuel cell" The required amount of air input to the air will increase.

したがって、窒素ガス生成システム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 secure a predetermined recovery rate while achieving the desired low outlet oxygen concentration c_out_O2 according to the performance content of the nitrogen gas output set in the nitrogen gas generation system 1 (FIG. 1), the introduction pressure p_in or It is also preferable to adjust the setting of the outlet flow rate f_out. For example, the performance content of producing high-purity nitrogen gas of a predetermined value or more (for example, 99.9 vol% or more) at a predetermined production cost (for example, equal to or less than the production cost in a PSA device as described later) is realized. Therefore, it is also preferable to determine the introduction pressure p_in and the outlet flow rate f_out (furthermore, the recovery rate depending on these) while controlling them.

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, the recoverability and the outlet oxygen concentration c_out_O2 have a trade-off relationship. In the nitrogen gas filter 12f of Example 1), as the introduction pressure p_in increases, the hollow fiber expands, and not only the oxygen molecule selectivity of the filter fiber but also the permeability to molecules other than oxygen molecules changes. I think it has something to do with it.

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 stated that the higher the temperature of the gas introduced into the nitrogen gas filter 12f, the smaller the recovery rate, and at a temperature equal to or higher than a predetermined value, the recovery rate is significantly reduced. Is confirmed. Therefore, in the temperature control U126 (FIG. 1) installed in front of the nitrogen filter U12 in the nitrogen gas generation system 1 (FIG. 1), the temperature of the exhaust gas is adjusted in consideration of ensuring a predetermined recovery rate in the nitrogen gas filter 12f. It is also preferable to carry out.

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 expand the hollow fiber of the nitrogen gas filter 12f as the temperature rises, and only the oxygen molecule selectivity of the filter fiber is selected. However, I think that it is also related to the fact that the permeability to molecules other than oxygen molecules also changes.

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。 Examples 1 and 2 have been described above with reference to FIGS. 2 to 5, but based on the findings obtained from these experiments, the inventors of the present application have used the nitrogen gas generation system 1 to obtain 99.9 vol%. We have succeeded in producing high-purity nitrogen gas having a purity (nitrogen concentration) exceeding 0.1 vol% (1000 ppm 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 with strict purity-related conditions. Incidentally, even in the reflow soldering apparatus, nitrogen gas having 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。 Of course, the demand for nitrogen gas is not limited to the fields of electronic devices and electric appliances that use soldering devices. In fact, the field of metals and resins that use nitrogen gas during laser processing and heat treatment, the field of transport equipment that requires nitrogen gas for tire filling and in-ship purging equipment, various process gases, pressure transport gas, and cooling. In the chemical field that uses nitrogen gas as gas, etc., in the mechanical field that requires nitrogen gas in dry cutting equipment, etc., for food storage and gas filling, and in CA (Controlled Atmosphere) storage atmosphere supply equipment and flyer 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% (100 ppm 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。 In response to this situation, according to the Nitrogen Gas Generation System 1, for example, the introduced oxygen concentration c_in_O2, the introduced pressure p_in, and the outlet flow rate f_out were adjusted to suppress the residual oxygen to the required upper limit oxygen concentration. Nitrogen gas can be provided as appropriate. For example, in the case where the oxygen concentration may be about several vol%, the introduced oxygen concentration c_in_O2 is set to, for example, 10 vol%, the introduction 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 it.

さらに、本窒素ガス生成システム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。 Further, according to the present nitrogen gas generation system 1, it is possible to provide electric power and heat required at the same time according to the field and application according to the generated nitrogen gas. In this respect, it is, of course, 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, the inventors of the present application have confirmed that the nitrogen gas generation cost can be significantly suppressed according to the nitrogen gas generation system 1 according to the present invention, based on the findings described above. For example, according to a survey by the inventors of the present application, the 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 the PSA (pressure fluctuation adsorption) device, which is a widely used nitrogen gas generation device, the nitrogen gas generation cost is, for example, about 48 yen / Nm 3.

これらに対し、窒素ガス生成システム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 generation 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, in the PSA device as described above. It has also been confirmed by trial calculation that it is possible to realize a production cost equal to or less than the production cost. Further, as described above, in the case where the nitrogen gas generation system 1 also provides the (required) electric power and heat, the total procurement cost including these can be significantly reduced as compared with the conventional case. be.

[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。
[Other Embodiments of Nitrogen Filter U]
Hereinafter, other suitable embodiments of the nitrogen filter U12 will be described. As described above, the nitrogen filter U12 shown in FIG. 1 takes out "filter exhaust gas" containing oxygen molecules separated from nitrogen molecules (in exhaust gas) by permeating through the hollow fiber fibers of the nitrogen gas filter 12f. It has a filter purge section. Here, since the "filter exhaust gas" discharged from the filter purge section contains a considerable amount of oxygen molecules in this way, it may be used again for the fuel cell reaction or the filtering process may be performed again. Is also a possible gas.

ちなみに、酸素濃度が10.2vol%のガスを、導入圧力6.0気圧及び出口流量1.0L/minの条件の下、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。 By the way, a gas having an oxygen concentration of 10.2 vol% is introduced into the nitrogen gas filter 12f under the conditions of an introduction pressure of 6.0 atm and an outlet flow rate of 1.0 L / min, and the oxygen concentration of the filter exhaust gas discharged from the gas is examined. As a result, an experimental result of 14.9 vol% was obtained, and an experimental result of a recovery rate of 0.29 was obtained.

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 the oxygen molecules of the introduced gas (because the oxygen concentration at the outlet of the filter 12f is orders of magnitude smaller) are discharged from the filter purge portion of the nitrogen gas filter 12f, the oxygen concentration of the filter exhaust gas Is 0.102 / 0.71 = 14.4 in the calculation using the recovery rate (0.29) obtained as the above experimental result, which is almost the same as 14.9 vol% obtained as the above experimental result. Therefore, it can be seen that almost all of the oxygen gas separated as unnecessary can be recovered from the filter purge portion of the nitrogen gas filter 12f.

そこで、本実施形態の窒素ガス生成システム1は、図1における「丸で囲んだ"B"」で示すように、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 generation system 1 of the present embodiment, as shown by the “circled“ B ”” in FIG. 1, this filter exhaust gas is generated.
(A) It is sent back to the flow control U109 installed in the front stage on the air electrode side of the "fuel cell" and used again in the "fuel cell" as a gas containing oxygen and nitrogen, and / or
(B) It is sent back to the off-gas buffer tank 123 installed in front of the nitrogen filter U12, and is re-acted on the nitrogen gas filter 12f together with the exhaust gas. This makes it possible to use the oxygen gas component more effectively and to take out nitrogen gas having a lower oxygen concentration.

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 the exhaust gas having a lower oxygen concentration. .. Further, as a result, the recovery rate of the nitrogen gas filter 12f into which such an exhaust gas is introduced is increased (as described with reference to FIG. 5), so that it is possible to finally take out more nitrogen gas. Further, although it depends on the setting of various conditions in the nitrogen gas generation system 1, by increasing the final recovery rate in the nitrogen gas filter 12f in this way, the nitrogen gas generation cost can be significantly reduced. You can.

ちなみに、後に図7を用いて詳細に説明するが、「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。 Incidentally, as will be described in detail later with reference to FIG. 7, 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, the introduced oxygen concentration c_in_O2 (as a typical value). ) Under conditions such as 1.4 times, the oxygen concentration of the filter exhaust gas is equal to or higher than that of air (20.8vol%), and as a result, the filter exhaust gas is moved to the air electrode side of the "fuel cell". It can be seen that the above-mentioned merit of remand does 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c_in_O2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 of the filter exhaust gas is 1.4 times the introduced oxygen concentration c_in_O2 and the oxygen concentration of the exhaust gas from the "fuel cell" is about 10 vol%, the oxygen concentration of the filter exhaust gas is about 14 vol% ( <20.8vol%), and the above-mentioned remand of filter exhaust gas is significant. Furthermore, if the oxygen concentration of the exhaust gas from the "fuel cell" is about 5 vol%, the oxygen concentration of the filter exhaust gas will be about 7 vol%, which is expected to improve the recovery rate and, depending on the system settings, nitrogen. The economic effect of significantly reducing gas production costs can also be achieved.

以下、以上に述べたようなフィルタ排出ガスの再利用についての他の好適な実施形態を説明する。図6は、本発明に係る窒素フィルタU12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。 Hereinafter, other preferred embodiments for the reuse of the filter exhaust gas as described above will be described. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining another embodiment of the nitrogen filter U12 according to the present invention.

図6(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、直列に接続される形で設置されている。ここで具体的に、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から出てきた窒素濃度の増大した排ガスが、次の窒素ガスフィルタ12f2へ導入される。さらに、この窒素ガスフィルタ12f2から出てきた窒素濃度の増大した排ガスが、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から最終的に、より高い純度の窒素ガスが取り出されるのである。 According to the embodiment shown in FIG. 6A, three nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 are installed in the nitrogen filter U12 so as to be connected in series. Specifically, the exhaust gas taken into the nitrogen filter U12 is first introduced into the nitrogen gas filter 12f1, and the exhaust gas with an increased nitrogen concentration emitted from the nitrogen gas filter 12f1 is transferred to the next nitrogen gas filter 12f2. be introduced. Further, the exhaust gas having an increased nitrogen concentration emitted from the nitrogen gas filter 12f2 is introduced into the final nitrogen gas filter 12f3, and the nitrogen gas having a higher purity is finally taken out from the nitrogen gas filter 12f3. ..

ここで、上述した実施例1及び2の結果からすると、後段の窒素ガスフィルタほど、より低い酸素濃度の排ガスを、より高い回収率をもって出力することが理解される。 Here, from the results of Examples 1 and 2 described above, it is understood that the nitrogen gas filter in the latter stage outputs the exhaust gas having a lower oxygen concentration with a higher recovery rate.

また本実施形態においては、窒素ガスフィルタ12f1、12f2及び12f3から排出されるフィルタ排出ガスは、まとめて、「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。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。 Further, in the present embodiment, the filter exhaust gases discharged from the nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 are collectively referred to as the flow control U109 (FIG. 1) in the pre-stage of the "fuel cell" and / or in the pre-stage of the nitrogen filter U12. It is sent back to the off-gas buffer tank 123 (Fig. 1) and reused. This makes it possible to use the oxygen gas component more effectively and to take out nitrogen gas having a lower oxygen concentration.

なお、本実施形態において利用する窒素ガスフィルタの数は当然に3つに限定されるものではない。具体的には、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。この場合、
・第n(nは1以上であって(N−1)までの整数)の窒素ガスフィルタから、窒素濃度の増大した排ガスを取り出し、取り出した当該排ガスを第(n+1)のフィルタに対して作用させ、第(n+1)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該排ガスを取り出す、
との処理を、n=1から(N−1)まで行うのである。
Naturally, the number of nitrogen gas filters used in this embodiment is not limited to three. Specifically, it is possible to use N nitrogen gas filters from the first nitrogen gas filter to the Nth nitrogen gas filter (N is an integer of 2 or more). in this case,
-Exhaust gas with increased nitrogen concentration is taken out from the nth (n is 1 or more and an integer up to (N-1)) nitrogen gas filter, and the taken out exhaust gas acts on the (n + 1) th filter. Then, the exhaust gas having an increased nitrogen concentration is taken out from the (n + 1) th filter.
The process of and is performed from n = 1 to (N-1).

一方、図6(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。ここで具体的に、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。 On the other hand, according to the embodiment shown in FIG. 6B, three nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 are installed in the nitrogen filter U12 in a cascaded manner. 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 the 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。 Further, the filter exhaust gas discharged from the nitrogen gas filter 12f2 is introduced into the last nitrogen gas filter 12f3, and the filter exhaust gas discharged from the nitrogen gas filter 12f3 is the flow control U109 (flow control U109) in the previous stage of the "fuel cell". It is sent back to the off-gas buffer tank 123 (FIG. 1) in front of the nitrogen filter U12 and / or reused in FIG. 1) and / or.

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。 Further, if the oxygen concentration in the filter exhaust gas discharged from the nitrogen gas filter 12f3 is equal to or higher than a predetermined value, the filter exhaust gas may be sent to an external oxygen tank for storage and storage. In any case, such treatment makes it possible to use the oxygen gas component more effectively and to take out nitrogen gas having a lower oxygen concentration.

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, here, the exhaust gas having an increased nitrogen concentration emitted from 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 of the gas to be introduced (introduction flow rate) decreases from the nitrogen gas filter 12f1 to 12f3, for example, the nitrogen gas filter 12f2 used 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 the present embodiment is naturally not limited to three. Specifically, similarly, it is possible to use N nitrogen gas filters from the first nitrogen gas filter to the Nth nitrogen gas filter (N is an integer of 2 or more).

このようにN個の窒素ガスフィルタを用いる場合、
・第n(nは1以上であって(N−1)までの整数)の窒素ガスフィルタから、窒素濃度の増大した排ガス(又は窒素濃度の増大したフィルタ排出ガス)とともに、それとは別のフィルタ排出ガスを取り出し、取り出したフィルタ排出ガスを第(n+1)のフィルタに対して作用させ、第(n+1)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該フィルタ排出ガスを取り出す、
との処理を、n=1から(N−1)まで行うのである。
When using N nitrogen gas filters in this way,
-From the nth (n is an integer greater than or equal to 1 and up to (N-1)) nitrogen gas filter, along with the exhaust gas with increased nitrogen concentration (or the exhaust gas from the filter with increased nitrogen concentration), another filter. The exhaust gas is taken out, the taken out filter exhaust gas is made to act on the (n + 1) th filter, and the filter exhaust gas with an increased nitrogen concentration is taken out from the (n + 1) th filter.
The process of and is performed from n = 1 to (N-1).

ここで、上記の図6(B)に示したカスケード型フィルタ系におけるフィルタ排出ガスの差し戻し効果及び回収率についての説明を行う。最初に、1つの窒素ガスフィルタ12fにおけるフィルタ排出ガスの酸素濃度についての実験結果を示す。 Here, the effect of returning the filter exhaust gas and the recovery rate in the cascade type filter system shown in FIG. 6B will be described. First, the experimental results on the oxygen concentration of the filter exhaust gas in one nitrogen gas filter 12f are shown.

図7は、本発明に係る窒素ガスフィルタ12fにおける導入酸素濃度c_in_O2と、フィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2との関係を示したグラフである。ここで、図7(A)のグラフは、出口流量f_outを2.0L/minに設定して実験を行った結果を示しており、一方、図7(B)のグラフは、出口流量f_outを1.0L/minに設定して実験を行った結果を示している。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the introduced oxygen concentration c_in_O2 in the nitrogen gas filter 12f according to the present invention and the oxygen concentration c_fout_O2 of the filter exhaust gas. Here, the graph of FIG. 7 (A) shows the result of conducting the experiment with the outlet flow rate f_out set to 2.0 L / min, while the graph of FIG. 7 (B) shows the outlet flow rate f_out of 1.0. The result of the experiment set to L / min is shown.

これら図7(A)及び(B)のグラフによれば、
(a)導入酸素濃度c_in_O2が大きくなるほど、
(b)導入圧力p_inが小さくなるほど、さらに、
(c)出口流量f_outが大きくなるほど、
フィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2はより大きくなることが分かる。ここで上記(c)の出口流量f_outの測定値から、導入流量f_in及び導入酸素濃度c_in_O2を用いて算出されたフィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2の計算値は、今回のc_fout_O2の測定値と非常に良く一致することが確認されている。
According to the graphs of FIGS. 7 (A) and 7 (B),
(A) The larger the introduced oxygen concentration c_in_O2, the more
(B) The smaller the introduction pressure p_in, the more
(C) The larger the outlet flow rate f_out, the more
It can be seen that the oxygen concentration c_fout_O2 of the filter exhaust gas becomes larger. Here, the calculated value of the oxygen concentration c_fout_O2 of the filter exhaust gas calculated by using the introduced flow rate f_in and the introduced oxygen concentration c_in_O2 from the measured value of the outlet flow rate f_out in (c) above is very different from the measured value of c_fout_O2 this time. It has been confirmed that they match well.

また、上記(a)の導入酸素濃度c_in_O2(vol%)と、フィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2(vol%)との間には、図7(A)及び(B)に示された近似曲線(直線)のように、次式
(5) (c_fout_O2)=b・(c_in_O2)
の関係が成立している。ここで比例係数bは、導入圧力p_inが小さいほど大きな値をとり、出口流量f_outが2.0L/minの場合、図7(A)のグラフ範囲においてb=1.6〜2.1となる一方、出口流量f_outが1.0L/minの場合、図7(B)のグラフ範囲においてb=1.3〜1.7となる。
Further, between the introduced oxygen concentration c_in_O2 (vol%) in (a) above and the oxygen concentration c_fout_O2 (vol%) in the filter exhaust gas, the approximate curves shown in FIGS. 7 (A) and 7 (B) are shown. (Straight line), the following equation (5) (c_fout_O2) = b · (c_in_O2)
The relationship is established. Here, the proportional coefficient b takes a larger value as the introduction pressure p_in becomes smaller, and when the outlet flow rate f_out is 2.0 L / min, b = 1.6 to 2.1 in the graph range of FIG. 7 (A), while the outlet flow rate f_out. When is 1.0 L / min, b = 1.3 to 1.7 in the graph range of FIG. 7 (B).

このように、所定の導入圧力p_in及び出口流量f_outの条件の下、フィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2は、導入酸素濃度c_in_O2から見て、その1.3倍から2.1倍程度の値にまで増大することが分かる。 In this way, under the conditions of the predetermined introduction pressure p_in and the outlet flow rate f_out, the oxygen concentration c_fout_O2 of the filter exhaust gas can increase from 1.3 times to 2.1 times the value of the introduced oxygen concentration c_in_O2. I understand.

そこで、1つの典型例として上記の比例係数bを1.4として、すなわち、次式
(5’) (c_fout_O2)=1.4・(c_in_O2)
が成り立つものとして、上記の図6(B)に示したカスケード型フィルタ系におけるフィルタ排出ガスの差し戻し効果を考察してみる。
Therefore, as a typical example, the above proportional coefficient b is set to 1.4, that is, the following equation (5') (c_fout_O2) = 1.4 · (c_in_O2)
Let us consider the effect of returning the filter exhaust gas in the cascade type filter system shown in FIG. 6 (B) above.

図6(B)に戻って、同図に示されているように、窒素ガスフィルタ12f1への導入酸素濃度c_in_O2をC1とし、窒素ガスフィルタ12f1からのフィルタ排出ガスであって窒素ガスフィルタ12f2へ導入されるフィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2をC2とし、窒素ガスフィルタ12f2からのフィルタ排出ガスであって窒素ガスフィルタ12f3へ導入されるフィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2をC3とし、窒素ガスフィルタ12f3からのフィルタ排出ガスの酸素濃度c_fout_O2をC4とする。 Returning to FIG. 6B, as shown in the figure, the oxygen concentration c_in_O2 introduced into the nitrogen gas filter 12f1 is set to C1, and the filter exhaust gas from the nitrogen gas filter 12f1 is sent to the nitrogen gas filter 12f2. The oxygen concentration c_fout_O2 of the introduced filter exhaust gas is C2, and the oxygen concentration c_fout_O2 of the filter exhaust gas introduced into the nitrogen gas filter 12f3, which is the filter exhaust gas from the nitrogen gas filter 12f2, is C3, and is from the nitrogen gas filter 12f3. Let C4 be the oxygen concentration c_fout_O2 of the filter exhaust gas of.

ここで、例えば酸素利用率50%の「燃料電池」に(酸素濃度20.8vol%の)空気を投入して得られた排ガスを、窒素ガスフィルタ12f1へ導入する場合を考えると、上式(5’)によれば、
C1=10.4(vol%),C2=14.6(vol%),C3=20.4(vol%),C4=28.5(vol%)
となる。この結果からすると、この場合、3番目の窒素ガスフィルタ12f3からのフィルタ排出ガスの段階で、酸素濃度(すなわちC4)が空気(20.8vol%)を超えており、このガスを「燃料電池」へ差し戻す効果は見られないことが分かる。ちなみに、このようなフィルタ排出ガスは、富酸素ガスとして例えば別のタンクに保存・貯蔵されて別途、利用されてもよい。
Here, for example, considering the case where the exhaust gas obtained by injecting air (oxygen concentration 20.8 vol%) into a "fuel cell" having an oxygen utilization rate of 50% is introduced into the nitrogen gas filter 12f1, the above equation (5) According to')
C1 = 10.4 (vol%), C2 = 14.6 (vol%), C3 = 20.4 (vol%), C4 = 28.5 (vol%)
Will be. From this result, in this case, the oxygen concentration (that is, C4) exceeds the air (20.8vol%) at the stage of the filter exhaust gas from the third nitrogen gas filter 12f3, and this gas is transferred to the "fuel cell". It can be seen that the effect of remand is not seen. Incidentally, such a filter exhaust gas may be stored and stored in another tank as a rich oxygen gas and used separately.

これに対し、酸素濃度5.0vol%の排ガスを、窒素ガスフィルタ12f1へ導入する場合を考えると、同じく上式(5’)によれば、
C1=5.0(vol%),C2=7.0(vol%),C3=9.8(vol%),C4=13.7(vol%)
となる。この結果からすると、この場合、3番目の窒素ガスフィルタ12f3からのフィルタ排出ガスの段階でも、酸素濃度は空気(20.8vol%)未満となっており、このガスを「燃料電池」へ差し戻すことによって最終的な回収率の向上することが見込まれる。またさらに、システム設定次第では、窒素ガスの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のである。
On the other hand, considering the case where the exhaust gas having an oxygen concentration of 5.0 vol% is introduced into the nitrogen gas filter 12f1, according to the above equation (5'),
C1 = 5.0 (vol%), C2 = 7.0 (vol%), C3 = 9.8 (vol%), C4 = 13.7 (vol%)
Will be. From this result, in this case, the oxygen concentration is less than air (20.8vol%) even at the stage of the filter exhaust gas from the third nitrogen gas filter 12f3, and this gas is returned to the "fuel cell". It is expected that the final recovery rate will be improved. Furthermore, depending on the system settings, the economic effect of significantly reducing the cost of producing nitrogen gas can also be achieved.

次いで、同じく図6(B)に示したカスケード型フィルタ系における最終的な回収率を考察する。 Next, the final recovery rate in the cascade type filter system also shown in FIG. 6 (B) will be considered.

最初に、図6(B)に示されているように、窒素ガスフィルタ12f1への導入流量f_inをf1とし、窒素ガスフィルタ12f1からのフィルタ排出ガスの流量f_fout(であって窒素ガスフィルタ12f2への導入流量)をf2とし、窒素ガスフィルタ12f2からのフィルタ排出ガスの流量f_fout(であって窒素ガスフィルタ12f3への導入流量)をf3とし、窒素ガスフィルタ12f3からのフィルタ排出ガスの流量f_foutをf4とする。 First, as shown in FIG. 6B, the flow rate f_in introduced into the nitrogen gas filter 12f1 is f1, and the flow rate f_fout of the filter exhaust gas from the nitrogen gas filter 12f1 (and to the nitrogen gas filter 12f2). The flow rate of the filter exhaust gas from the nitrogen gas filter 12f2 is f_fout (the flow rate of introduction into the nitrogen gas filter 12f3) is f3, and the flow rate of the filter exhaust gas from the nitrogen gas filter 12f3 is f_fout. Let it be f4.

ここで計算を簡潔にするため、窒素ガスフィルタ12f1への導入流量f1を1とし、3つの窒素ガスフィルタ12f1、12f2及び12f3の回収率はいずれも0.3であるとする。すると、上式(5’)を勘案して、
f2=1×(1−0.3)=0.7,f3=1×(1−0.3)2=0.49,f4=1×(1−0.3)3=0.34
となる。この結果からすると、図6(B)に示されたカスケード型フィルタ系における最終的な回収率は、
(6) (回収率)=(1−0.34)/1=0.66
となり、個々のフィルタの回収率0.3を大きく上回る回収率が実現するのである。
Here, in order to simplify the calculation, it is assumed that the flow rate f1 introduced into the nitrogen gas filter 12f1 is 1, and the recovery rates of the three nitrogen gas filters 12f1, 12f2 and 12f3 are all 0.3. Then, considering the above formula (5'),
f2 = 1 x (1-0.3) = 0.7, f3 = 1 x (1-0.3) 2 = 0.49, f4 = 1 x (1-0.3) 3 = 0.34
Will be. From this result, the final recovery rate in the cascade type filter system shown in FIG. 6 (B) is
(6) (Recovery rate) = (1-0.34) / 1 = 0.66
Therefore, a recovery rate that greatly exceeds the recovery rate of 0.3 for each filter is realized.

なお、上式(6)の計算結果は、個々のフィルタの回収率を0.3に固定した場合のものであるが、実際は、上述したように、窒素ガスフィルタ12f1から12f3へ行くにつれて、導入酸素濃度c_in_O2は大きくなって回収率を引き下げる方向に働く。しかしながら、一方で導入圧力p_inは小さくなって回収率を引き上げる方向に働くので、結局、最終的な回収率は上式(6)と大きくは変わらず、少なくとも個々のフィルタの回収率0.3を相当に上回る値になると考えられる。 The calculation result of the above equation (6) is for the case where the recovery rate of each filter is fixed at 0.3, but in reality, as described above, the introduced oxygen concentration increases from 12f1 to 12f3 of the nitrogen gas filter. c_in_O2 increases and works to reduce the recovery rate. However, on the other hand, the introduction pressure p_in becomes smaller and works in the direction of increasing the recovery rate, so in the end, the final recovery rate is not much different from the above equation (6), and at least the recovery rate of each filter is 0.3. It is considered that the value will exceed the value.

このように、個々のフィルタの回収率から考えても、図6(B)に示したカスケード型フィルタ系では、最終的な回収率の向上することが見込まれ、またさらに、システム設定次第では、窒素ガスの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のである。 In this way, considering the recovery rate of each filter, the cascade type filter system shown in FIG. 6B is expected to improve the final recovery rate, and further, depending on the system settings, The economic effect of significantly reducing the cost of producing nitrogen gas can also be achieved.

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。 Although various embodiments relating to the nitrogen filter U12 have been described above, also in these embodiments, the overall control U131 (FIG. 1) includes the oxygen concentration, pressure and flow rate of the exhaust gas of the "fuel cell", and further. The introduced oxygen concentration, introduction pressure, introduction flow rate, introduction gas temperature, outlet oxygen concentration, outlet pressure, outlet flow rate, etc. of each nitrogen gas filter are constantly monitored, and a predetermined amount of nitrogen gas having a predetermined high nitrogen concentration is applied in a timely manner. It is also preferred to control the individual units so that they can provide (predetermined flow).

またこの際、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、出口流量等の計測値を学習データとして、各ユニットの最適制御値や、達成可能な窒素ガス生成コストを推定することができる制御モデルを、例えばニューラルネットワーク等の公知の機械学習アルゴリズムを用いて構築し、この構築した当該制御モデルを用いて各ユニットの制御を実施してもよい。 At this time, the overall control U131 (FIG. 1) controls the oxygen concentration, pressure and flow rate of the exhaust gas of the "fuel cell", as well as the introduction oxygen concentration, introduction pressure, introduction flow rate and introduction gas temperature of each nitrogen gas filter. A known control model such as a neural network, which can estimate the optimum control value of each unit and the achievable nitrogen gas generation cost by using the measured values such as the outlet oxygen concentration, the outlet pressure, and the outlet flow rate as learning data, is known. It may be constructed using a machine learning algorithm, and control of each unit may be performed using the constructed control model.

ちなみに、窒素ガスユーザによる窒素ガスの純度(窒素濃度)や生成コストに対する要求は、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。例えば99.9vol%以上の純度を要求するユーザもあれば、純度は95vol%程度でよいが生成コストを所定以下にしてほしいとのユーザも存在する。全体制御U131(図1)は、そのような個々のユーザの要求に合わせて制御モデルを選択し、適切に選択した制御モデルを用いて、ユーザの当該要求に叶う高いパフォーマンスを、窒素ガス生成システム1に発揮させることも好ましいのである。 Incidentally, the requirements of nitrogen gas users for the purity (nitrogen concentration) and production cost of nitrogen gas are diverse depending on the field and specific application, as already described. For example, some users require a purity of 99.9 vol% or higher, while others want the purity to be about 95 vol% but the production cost to be below a predetermined level. The overall control U131 (Fig. 1) is a nitrogen gas generation system that selects a control model according to such individual user requirements and uses the appropriately selected control model to achieve high performance that meets the user's requirements. It is also preferable to exert it in 1.

[燃料電池に係る他の実施形態]
図8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。なお、図8(A)〜(C)には、各燃料電池の断面が示されていて、この断面には、直線的に伸長した空気路や燃料路が現れているが、これらの形状は、あくまで本実施形態の説明のための単純な一例となっており、本実施形態の空気路や燃料路が、このような形状に限定されるものではない。
[Other embodiments relating to fuel cells]
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining another embodiment of the "fuel cell" according to the present invention. It should be noted that FIGS. 8A to 8C show cross sections of each fuel cell, and linearly extending air passages and fuel passages appear in these cross sections, but these shapes are However, this is just a simple example for the explanation of the present embodiment, and the air passage and the fuel passage of the present embodiment are not limited to such a shape.

最初に、図8(A)に示した実施形態によれば、燃料電池20は、第1セル201、第2セル202、・・・といった複数の電池セルが、セパレータで仕切られつつスタック(積層)した構成を有している。また、各電池セルは、
(a)空気(又は、窒素及び酸素を含む気体)の流れる空気路、及び当該空気路に電極面を曝した空気極と、
(b)燃料気体である水素ガスの流れる燃料路、及び当該燃料路に電極面を曝した燃料極と、
(c)空気極と燃料極とに挟まれるように設けられた電解質と
を有しており、公知の燃料電池と同様、稼動することによって空気極と燃料極との間に生起した電力を外部へ提供可能となっている。
First, according to the embodiment shown in FIG. 8A, in the fuel cell 20, a plurality of battery cells such as the first cell 201, the second cell 202, ... Are stacked while being separated by a separator. ) Has the configuration. In addition, each battery cell
(A) An air passage through which air (or a gas containing nitrogen and oxygen) flows, and an air electrode whose electrode surface is exposed to the air passage.
(B) A fuel passage through which hydrogen gas, which is a fuel gas, flows, and a fuel electrode whose electrode surface is exposed to the fuel passage.
(C) It has an electrolyte provided so as to be sandwiched between the air electrode and the fuel electrode, and like a known fuel cell, the electric power generated between the air electrode and the fuel electrode by operation is externally generated. It is possible to provide to.

ここで、本実施形態の燃料電池20では、第1セル201、第2セル202、・・・の各電池セルにおいて、空気と水素とは、互いに当該電池セルの逆側から当該電池セル内に導入される。すなわち、各電池セルは、空気路の出口付近と燃料路の入口付近とが、電解質を介して互いに近傍することになる構成を有しているのである。なお本実施形態では、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとが、一貫して互いに逆となる構成にもなっている。 Here, in the fuel cell 20 of the present embodiment, in each of the battery cells of the first cell 201, the second cell 202, ..., Air and hydrogen are introduced into the battery cell from opposite sides of the battery cell. be introduced. That is, each battery cell has a configuration in which the vicinity of the outlet of the air passage and the vicinity of the inlet of the fuel passage are close to each other via the electrolyte. In the present embodiment, the flow direction of air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are consistently opposite to each other.

以上に説明したような構成によって、各電池セルの空気路の出口付近においては、そこまで燃料電池反応によって自らの酸素分を消費してきた空気は、電解質を介し、燃料路の入口付近を流れ始めた十分な量の水素ガスと反応可能な形で接することになる。これにより、当該空気に残留していた小量の酸素分の多くが、当該十分な量の水素分によって積極的に消費され、最終的に、当該空気は、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスとして出力されるのである。 With the configuration described above, in the vicinity of the outlet of the air passage of each battery cell, the air that has consumed its own oxygen content by the fuel cell reaction begins to flow near the inlet of the fuel passage via the electrolyte. It will come into contact with a sufficient amount of hydrogen gas in a reactive manner. As a result, much of the small amount of oxygen remaining in the air is positively consumed by the sufficient amount of hydrogen, and finally, the air has a sufficient or considerable residual oxygen concentration. It is output as a small nitrogen gas.

すなわち、本実施形態の燃料電池20においては、各電池セルの空気路の出口付近と燃料路の入口付近とが電解質を介して互いに近傍しているので、当該空気路の出口付近に、「高度酸素消費エリア」(図8(A))が形成され、そこで残留酸素分の多くが、燃料電池反応に使用されることになる。またその結果、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスを取り出すことも可能となるのである。 That is, in the fuel cell 20 of the present embodiment, since the vicinity of the outlet of the air passage of each battery cell and the vicinity of the inlet of the fuel passage are close to each other via the electrolyte, the "altitude" is near the outlet of the air passage. An "oxygen consumption area" (FIG. 8 (A)) is formed, in which much of the residual oxygen content is used for the fuel cell reaction. As a result, it is possible to take out nitrogen gas having a sufficiently or considerably small residual oxygen concentration.

ちなみに、上記の燃料電池20と同様の構成は、固体高分子型燃料電池(PEFC)や、固体酸化物型燃料電池(SOFC)においてだけではなく、リン酸型燃料電池(PAFC)や、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)等においても実現することが可能である。 By the way, the same configuration as the above fuel cell 20 is provided not only in the solid polymer fuel cell (PEFC) and the solid oxide fuel cell (SOFC), but also in the phosphoric acid fuel cell (PAFC) and molten carbonate. It can also be realized in a salt fuel cell (MCFC) or the like.

次に、図8(B)に示した実施形態によれば、複数の(同図では3つの)公知の内部構造を有する燃料電池31、32及び33が、空気路及び燃料路に関し直列に連結されて、燃料電池系を構成している。具体的には、
(a)燃料電池31における各電池セル(311,312,・・・)の空気路出口と、燃料電池32における各電池セル(321,322,・・・)の空気路入口とが、配管によって接続され、
(b)燃料電池32における各電池セル(321,322,・・・)の空気路出口と、燃料電池33における各電池セル(331,332,・・・)の空気路入口とが、配管によって接続され、さらに、
(c)燃料電池33の各電池セル(331,332,・・・)における、空気路入口と同じ側となる燃料路出口と、燃料電池32の各電池セル(321,322,・・・)における、空気路出口と同じ側となる燃料路入口とが、配管によって接続され、
(d)燃料電池32の各電池セル(321,322,・・・)における、空気路入口と同じ側となる燃料路出口と、燃料電池31の各電池セル(311,312,・・・)における、空気路出口と同じ側となる燃料路入口とが、配管によって接続されている。
Next, according to the embodiment shown in FIG. 8B, the fuel cells 31, 32, and 33 having a plurality of known internal structures (three in the figure) are connected in series with respect to the air passage and the fuel passage. It constitutes a fuel cell system. In particular,
(A) The air passage outlet of each battery cell (311, 312, ...) In the fuel cell 31 and the air passage inlet of each battery cell (321, 322, ...) In the fuel cell 32 are connected by piping. Connected,
(B) The air passage outlet of each battery cell (321, 322, ...) In the fuel cell 32 and the air passage inlet of each battery cell (331, 332, ...) In the fuel cell 33 are connected by piping. Connected, and more
(C) In each battery cell (331, 332, ...) Of the fuel cell 33, the fuel passage outlet on the same side as the air passage inlet and each battery cell (321, 322, ...) Of the fuel cell 32. The fuel passage inlet, which is on the same side as the air passage outlet, is connected by a pipe.
(D) In each battery cell (321, 322, ...) Of the fuel cell 32, the fuel passage outlet on the same side as the air passage inlet and each battery cell (311, 312, ...) Of the fuel cell 31. The fuel passage inlet on the same side as the air passage outlet is connected by a pipe.

本実施形態ではこのような構成の下、空気(又は、窒素及び酸素混合気体)は、燃料電池31における各電池セルの空気路入口から導入され、一方、水素は、その反対側となる燃料電池33における各電池セルの燃料路入口から導入される。これにより、各燃料電池において、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとは互いに逆となり、また、空気にとっての最終出口付近(となる燃料電池33の各電池セルの空気路)と、水素にとっての導入当初の入口付近(となる燃料電池33の各電池セルの燃料路)とが、電解質を介して互いに近傍する構成となるのである。 In the present embodiment, under such a configuration, air (or a mixed gas of nitrogen and oxygen) is introduced from the air passage inlet of each battery cell in the fuel cell 31, while hydrogen is on the opposite side of the fuel cell. It is introduced from the fuel passage inlet of each battery cell in 33. As a result, in each fuel cell, the flow direction of air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are opposite to each other, and each battery cell of the fuel cell 33 near the final outlet for air. The air passage) and the vicinity of the initial inlet for hydrogen (the fuel passage of each battery cell of the fuel cell 33) are configured to be close to each other via an electrolyte.

またこのような構成によって、(空気にとって最終出口付近となる)燃料電池33における各電池セルの空気路において、そこまで燃料電池反応によって自らの酸素分を消費してきた空気は、燃料電池33における各電池セルの燃料路を流れ始めたばかりの十分な量の水素ガスと、電解質を介して反応可能な形で接することになる。これにより、当該空気に残留していた小量の酸素分の多くが、当該十分な量の水素分によって積極的に消費され、最終的に、当該空気は、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスとして出力されるのである。 Further, with such a configuration, in the air passage of each battery cell in the fuel cell 33 (which is near the final outlet for air), the air that has consumed its own oxygen content by the fuel cell reaction up to that point is in each of the fuel cell 33. It will come into contact with a sufficient amount of hydrogen gas that has just begun to flow through the fuel cell's fuel cell in a reactive manner via an electrolyte. As a result, much of the small amount of oxygen remaining in the air is positively consumed by the sufficient amount of hydrogen, and finally, the air has a sufficient or considerable residual oxygen concentration. It is output as a small nitrogen gas.

ちなみに、上記の燃料電池系を構成する燃料電池31〜33はいずれも、PEFCや、SOFCだけではなく、PAFCや、MCFC等であってもよい。また、当該燃料電池系を構成する燃料電池の数も当然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可能である。 Incidentally, the fuel cells 31 to 33 constituting the above fuel cell system may be not only PEFC and SOFC but also PAFC, MCFC and the like. Further, the number of fuel cells constituting the fuel cell system is not limited to three, of course, and may be two or four or more.

次に、図8(C)に示した実施形態によれば、円筒スタック型燃料電池40は、複数の円筒セル401が、互いのセル軸を平行に揃えた形でスタック(積層)した構成を有している。また、各円筒セル401は、
(a)空気(又は、窒素及び酸素を含む気体)の流れる空気路、及び当該空気路を自身の内面側で取り囲んだ円筒状の空気極と、
(c)円筒状の当該空気極の外側を包み込んだ円筒状の電解質と、
(b)円筒状の当該電解質の外側をさらに包み込んだ円筒状の燃料極、及び当該燃料極の外面側を取り囲んだ、燃料気体である水素ガスの流れる燃料路と
を有しており、公知の燃料電池と同様、稼動することによって空気極と燃料極との間に生起した電力を外部へ提供可能となっている。
Next, according to the embodiment shown in FIG. 8C, the cylindrical stack type fuel cell 40 has a configuration in which a plurality of cylindrical cells 401 are stacked in a form in which the cell axes are aligned in parallel with each other. Have. In addition, each cylindrical cell 401 is
(A) An air passage through which air (or a gas containing nitrogen and oxygen) flows, and a cylindrical air electrode that surrounds the air passage on its inner surface side.
(C) A cylindrical electrolyte that wraps around the outside of the cylindrical air electrode, and
(B) It has a cylindrical fuel electrode that further wraps the outside of the electrolytic electrolyte, and a fuel path through which hydrogen gas, which is a fuel gas, surrounds the outer surface side of the fuel electrode, and is known. Similar to a fuel cell, it is possible to provide the electric power generated between the air electrode and the fuel electrode to the outside by operating.

ここで、本実施形態の円筒スタック型燃料電池40では、各電池セル401において、空気と水素とは、互いに電池セル401の逆側から電池セル401内に導入される。すなわち、各電池セル401は、空気路の出口付近と燃料路の入口付近とが、電解質を介して互いに近傍することになる構成を有しているのである。なお本実施形態では、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとが、一貫して互いに逆となる構成にもなっている。 Here, in the cylindrical stack type fuel cell 40 of the present embodiment, in each battery cell 401, air and hydrogen are introduced into the battery cell 401 from opposite sides of the battery cell 401. That is, each battery cell 401 has a configuration in which the vicinity of the outlet of the air passage and the vicinity of the inlet of the fuel passage are close to each other via the electrolyte. In the present embodiment, the flow direction of air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are consistently opposite to each other.

このような構成によって、各電池セル401の空気路の出口付近においては、そこまで燃料電池反応によって自らの酸素分を消費してきた空気は、自身を取り囲む電解質を介し、さらに外側にある燃料路の入口付近を流れ始めた十分な量の水素ガスと反応可能な形で接することになる。これにより、当該空気に残留していた小量の酸素分の多くが、当該十分な量の水素分によって積極的に消費され、最終的に、当該空気は、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスとして出力されるのである。 With such a configuration, in the vicinity of the outlet of the air passage of each battery cell 401, the air that has consumed its own oxygen content by the fuel cell reaction to that point passes through the electrolyte that surrounds itself, and further outside the fuel passage. It will come into contact with a sufficient amount of hydrogen gas that has begun to flow near the inlet in a reactive manner. As a result, much of the small amount of oxygen remaining in the air is positively consumed by the sufficient amount of hydrogen, and finally, the air has a sufficient or considerable residual oxygen concentration. It is output as a small nitrogen gas.

すなわち、本実施形態の円筒スタック型燃料電池40においては、各電池セル401の空気路の出口付近と燃料路の入口付近とが電解質を介して互いに近傍しているので、当該空気路の出口付近に、「高度酸素消費エリア」(図8(C))が形成され、そこで残留酸素分の多くが、燃料電池反応に使用されることになる。またその結果、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスを取り出すことも可能となるのである。 That is, in the cylindrical stack type fuel cell 40 of the present embodiment, the vicinity of the outlet of the air passage and the vicinity of the inlet of the fuel passage of each battery cell 401 are close to each other via the electrolyte, and therefore, the vicinity of the outlet of the air passage. In addition, a "high oxygen consumption area" (FIG. 8C) is formed, in which most of the residual oxygen content is used for the fuel cell reaction. As a result, it is possible to take out nitrogen gas having a sufficiently or considerably small residual oxygen concentration.

ちなみに、上記の円筒スタック型燃料電池40と同様の構成は、SOFCにおいてだけではなく、PEFCや、PAFC、さらにはMCFC等においても実現することが可能である。 Incidentally, the same configuration as the above-mentioned cylindrical stack type fuel cell 40 can be realized not only in SOFC but also in PEFC, PAFC, MCFC and the like.

図9は、本発明に係る「燃料電池」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。なお、図9(A)〜(C)にも、各燃料電池の断面が示されていて、この断面には、直線的に伸長した空気路や燃料路が現れているが、これらの形状は、あくまで本実施形態の説明のための単純な一例となっており、本実施形態の空気路や燃料路が、このような形状に限定されるものではない。 FIG. 9 is a schematic diagram for explaining still another embodiment of the "fuel cell" according to the present invention. The cross sections of the fuel cells are also shown in FIGS. 9A to 9C, and linearly extending air passages and fuel passages appear in the cross sections, but these shapes are However, this is just a simple example for the explanation of the present embodiment, and the air passage and the fuel passage of the present embodiment are not limited to such a shape.

最初に、図9(A)に示した実施形態によれば、それぞれ固体酸化物型燃料電池及び固体高分子型燃料電池であるSOFC51及びPEFC52が、空気路及び燃料路に関し直列に連結されて、燃料電池系を構成している。具体的には、
(a)SOFC51における各電池セル(511,512,・・・)の空気路出口と、PEFC52における各電池セル(521,522,・・・)の空気路入口とが、配管によって接続され、
(b)PEFC52の各電池セル(521,522,・・・)における、空気路入口と同じ側となる燃料路出口と、SOFC51の各電池セル(511,512,・・・)における、空気路出口と同じ側となる燃料路入口とが、配管によって接続されている。
First, according to the embodiment shown in FIG. 9A, the solid oxide fuel cell and the solid polymer fuel cell SOFC51 and PEFC52 are connected in series with respect to the air passage and the fuel passage, respectively. It constitutes a fuel cell system. In particular,
(A) The air passage outlet of each battery cell (511, 512, ...) In the SOFC 51 and the air passage inlet of each battery cell (521, 522, ...) In the PEFC 52 are connected by a pipe.
(B) The fuel passage outlet on the same side as the air passage inlet in each battery cell (521, 522, ...) Of PEFC52 and the air passage in each battery cell (511,512, ...) Of SOFC51. The fuel passage inlet on the same side as the outlet is connected by piping.

本実施形態ではこのような構成の下、空気(又は、窒素及び酸素を含む気体)は、SOFC51における各電池セルの空気路入口から導入され、一方、水素は、その反対側となるPEFC52における各電池セルの燃料路入口から導入される。これにより、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとは互いに逆となり、また、空気にとっての最終出口付近(となるPEFC52の各電池セルの空気路)と、水素にとっての導入当初の入口付近(となるPEFC52の各電池セルの燃料路)とが、電解質を介して互いに近傍する構成となるのである。 In the present embodiment, under such a configuration, air (or a gas containing nitrogen and oxygen) is introduced from the air passage inlet of each battery cell in SOFC 51, while hydrogen is introduced in PEFC 52 on the opposite side thereof. It is introduced from the fuel passage inlet of the battery cell. As a result, the flow direction of air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are opposite to each other, and near the final outlet for air (the air passage of each battery cell of PEFC 52) and hydrogen. The vicinity of the entrance of the PEFC 52 at the time of introduction (the fuel passage of each battery cell of the PEFC 52) is configured to be close to each other via an electrolyte.

またこのような構成によって、(空気にとって最終出口付近となる)PEFC52における各電池セルの空気路において、そこまで燃料電池反応によって自らの酸素分を消費してきた空気は、PEFC52における各電池セルの燃料路を流れ始めたばかりの十分な量の水素ガスと、電解質を介して反応可能な形で接することになる。これにより、当該空気に残留していた小量の酸素分の多くが、当該十分な量の水素分によって積極的に消費され、最終的に、当該空気は、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスとして出力されるのである。 Further, with such a configuration, in the air passage of each battery cell in the PEFC 52 (near the final outlet for air), the air that has consumed its own oxygen content by the fuel cell reaction to that extent is the fuel of each battery cell in the PEFC 52. It will come into contact with a sufficient amount of hydrogen gas that has just begun to flow through the path in a reactive manner via an electrolyte. As a result, much of the small amount of oxygen remaining in the air is positively consumed by the sufficient amount of hydrogen, and finally, the air has a sufficient or considerable residual oxygen concentration. It is output as a small nitrogen gas.

さらに、以上に説明したSOFC51とPEFC52との連結系は、各燃料電池における電解質の劣化を抑制する。具体的には、PEFC52の電解質は、フッ素系ポリマ等で形成された個体高分子膜であるが、PEFC52では十分な量の水素分が確保されるため、この個体高分子膜において水素イオンが欠乏することはない。その結果、個体高分子膜中の高分子の水素原子が燃料電池反応に取り込まれ、個体高分子膜を劣化させてしまうといった事態を回避することができる。 Further, the connection system between the SOFC 51 and the PEFC 52 described above suppresses the deterioration of the electrolyte in each fuel cell. Specifically, the electrolyte of PEFC52 is a solid polymer membrane formed of a fluorine-based polymer or the like, but since a sufficient amount of hydrogen is secured in PEFC52, hydrogen ions are deficient in this solid polymer membrane. There is nothing to do. As a result, it is possible to avoid a situation in which hydrogen atoms of the polymer in the solid polymer film are taken into the fuel cell reaction and deteriorate the solid polymer film.

一方、SOFC51の電解質は、安定化ジルコニアや各種ペロブスカイト酸化物等で形成された個体酸化物膜であるが、SOFC51では十分な量の酸素分が確保されるため、この個体酸化物膜において酸化物イオンが欠乏することはない。その結果、個体酸化物膜が(700〜800℃の高温である)強い還元雰囲気に曝されて個体酸化物膜中の酸素原子が燃料電池反応に取り込まれ、個体酸化物膜を還元・劣化させてしまうといった事態を回避することができるのである。 On the other hand, the electrolyte of SOFC51 is a solid oxide film formed of stabilized zirconia, various perovskite oxides, etc. However, since a sufficient amount of oxygen is secured in SOFC51, oxides are formed in this solid oxide film. There is no ion deficiency. As a result, the solid oxide film is exposed to a strong reducing atmosphere (high temperature of 700 to 800 ° C.), and oxygen atoms in the solid oxide film are incorporated into the fuel cell reaction to reduce and deteriorate the solid oxide film. It is possible to avoid the situation where it ends up.

また、1つの好適な態様として、SOFC51及びPEFC52は、同等の効率の燃料電池とし、SOFC51とのPEFC52との接続点、すなわち両者を接続する配管位置において、空気中の酸素分の消費量と、水素ガス中の水素分の消費量とを概ね同一に設定することも好ましい。 Further, as one preferred embodiment, the SOFC 51 and the PEFC 52 are fuel cells having the same efficiency, and the consumption of oxygen in the air and the consumption of oxygen in the air at the connection point between the SOFC 51 and the PEFC 52, that is, the piping position connecting the two. It is also preferable to set the consumption amount of hydrogen in the hydrogen gas to be substantially the same.

さらに、SOFC51における各電池セルの空気路出口には、熱交換器が接続され、この熱交換器によって当該空気路出口より出てくる高温の排ガスから、熱を回収することも好ましい。またこの熱交換器の後段に、活性炭フィルタ等を利用した腐食性ガス等除去ユニットを設置することも好ましい。さらに、PEFC52における各電池セルの特に燃料路出口には、オートドレインや除湿器等の除湿機能を有するユニットが設置されることも好ましい。 Further, it is also preferable that a heat exchanger is connected to the air passage outlet of each battery cell in the SOFC 51, and heat is recovered from the high temperature exhaust gas emitted from the air passage outlet by this heat exchanger. It is also preferable to install a corrosive gas removal unit using an activated carbon filter or the like after the heat exchanger. Further, it is also preferable to install a unit having a dehumidifying function such as an auto drain or a dehumidifier at the outlet of each battery cell in the PEFC 52, particularly at the outlet of the fuel passage.

次に、図9(B)に示した実施形態によれば、ともに公知の内部構造を有する燃料電池61と燃料電池62とが、空気路に関し直列に連結されて、燃料電池系を構成している。具体的には、
(a)燃料電池61における各電池セル(611,612,・・・)の空気路出口と、燃料電池62とにおける各電池セル(621,622,・・・)の空気路入口とが、配管によって接続され、
(b)燃料電池62の各電池セル(621,622,・・・)における、空気路入口と同じ側となる燃料路出口と、燃料電池61の各電池セル(611,612,・・・)における、空気路入口と同じ側となる燃料路入口とが、配管によって接続されている。
Next, according to the embodiment shown in FIG. 9B, the fuel cell 61 and the fuel cell 62, both of which have a known internal structure, are connected in series with respect to the air passage to form a fuel cell system. There is. In particular,
(A) The air passage outlet of each battery cell (611, 612, ...) In the fuel cell 61 and the air passage inlet of each battery cell (621, 622, ...) In the fuel cell 62 are connected to each other. Connected by
(B) In each battery cell (621, 622, ...) Of the fuel cell 62, the fuel passage outlet on the same side as the air passage inlet and each battery cell (611, 612, ...) Of the fuel cell 61. The fuel passage inlet on the same side as the air passage inlet is connected by a pipe.

本実施形態ではこのような構成の下、空気(又は、窒素及び酸素を含む気体)は、燃料電池61における各電池セルの空気路入口から導入され、一方、水素は、その反対側となる燃料電池62における各電池セルの燃料路入口から導入される。これにより、空気にとっての最終出口付近(となる燃料電池62の各電池セルの空気路)と、水素にとっての導入当初の入口付近(となる燃料電池62の各電池セルの燃料路)とが、電解質を介して互いに近傍する構成となるのである。 In this embodiment, under such a configuration, air (or a gas containing nitrogen and oxygen) is introduced from the air passage inlet of each battery cell in the fuel cell 61, while hydrogen is the fuel on the opposite side. It is introduced from the fuel passage inlet of each battery cell in the battery 62. As a result, the vicinity of the final outlet for air (the air passage of each battery cell of the fuel cell 62) and the vicinity of the initial inlet for hydrogen (the fuel cell of each battery cell of the fuel cell 62) become It is configured to be close to each other via an electrolyte.

ちなみに本実施形態では、燃料電池61の各電池セルにおいては、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとは同じとなるが、燃料電池62の各電池セルにおいては互いに逆となる。 Incidentally, in the present embodiment, in each battery cell of the fuel cell 61, the flow direction of air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are the same, but in each battery cell of the fuel cell 62, the flow direction is the same. The opposite of each other.

また、以上に述べたような構成によって、(空気にとって最終出口付近となる)燃料電池62における各電池セルの空気路において、そこまで燃料電池反応によって自らの酸素分を消費してきた空気は、燃料電池62における各電池セルの燃料路を流れ始めたばかりの十分な量の水素ガスと、電解質を介して反応可能な形で接することになる。これにより、当該空気に残留していた小量の酸素分の多くが、当該十分な量の水素分によって積極的に消費され、最終的に、当該空気は、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスとして出力されるのである。 Further, according to the configuration as described above, in the air passage of each battery cell in the fuel cell 62 (which is near the final outlet for air), the air that has consumed its own oxygen content by the fuel cell reaction up to that point is fuel. It comes into contact with a sufficient amount of hydrogen gas that has just begun to flow through the fuel cell of each battery cell in the battery 62 in a reactive manner via an electrolyte. As a result, much of the small amount of oxygen remaining in the air is positively consumed by the sufficient amount of hydrogen, and finally, the air has a sufficient or considerable residual oxygen concentration. It is output as a small nitrogen gas.

ちなみに、上記の燃料電池系を構成する燃料電池61及び62はいずれも、PEFCや、SOFCだけではなく、PAFCや、MCFC等であってもよい。ここで、燃料電池61では、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとが同じではあるものの、水素ガスの残留量は小さくなっているので、燃料電池61は、個体高分子膜が劣化してしまう事態を回避すべく、PEFCとはしないことも好ましい。一方、燃料電池62は、(すでに説明したような)個体酸化物膜を還元・劣化させてしまう事態を回避すべく、SOFCとはしないことも好ましい。 Incidentally, the fuel cells 61 and 62 constituting the above fuel cell system may be not only PEFC and SOFC but also PAFC, MCFC and the like. Here, in the fuel cell 61, although the flow direction of the air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are the same, the residual amount of hydrogen gas is small, so that the fuel cell 61 has a small amount. In order to avoid the situation where the solid polymer film is deteriorated, it is also preferable not to use PEFC. On the other hand, it is also preferable that the fuel cell 62 is not SOFC in order to avoid a situation in which the solid oxide film (as described above) is reduced or deteriorated.

次いで、図9(C)に示した実施形態によれば、ともに公知の内部構造を有する燃料電池71と燃料電池72とが、空気路に関しては直列に、また燃料路に関しては並列に連結されて、燃料電池系を構成している。具体的には、
(a)燃料電池71における各電池セル(711,712,・・・)の空気路出口と、燃料電池72とにおける各電池セル(721,722,・・・)の空気路入口とが、配管によって接続され、
(b)燃料電池71の各電池セル(711,712,・・・)における、空気路入口と同じ側となる燃料路入口と、燃料電池72の各電池セル(721,722,・・・)における、空気路出口と同じ側となる燃料路入口とがともに、水素供給源からの配管に並列して接続されている。
Next, according to the embodiment shown in FIG. 9C, the fuel cell 71 and the fuel cell 72, both having a known internal structure, are connected in series with respect to the air passage and in parallel with respect to the fuel passage. , Consists of the fuel cell system. In particular,
(A) The air passage outlet of each battery cell (711, 712, ...) In the fuel cell 71 and the air passage inlet of each battery cell (721, 722, ...) In the fuel cell 72 are connected to each other. Connected by
(B) In each battery cell (711, 712, ...) Of the fuel cell 71, the fuel passage inlet on the same side as the air passage inlet and each battery cell (721, 722, ...) Of the fuel cell 72. The fuel passage inlet on the same side as the air passage outlet in the above is connected in parallel with the pipe from the hydrogen supply source.

本実施形態ではこのような構成の下、空気(又は、窒素及び酸素混合気体)は、燃料電池71における各電池セルの空気路入口から導入され、一方、水素は、上記(b)の配管にしたがって各燃料電池(71,72)に導入される。これにより、空気にとっての最終出口付近(となる燃料電池72の各電池セルの空気路)と、水素にとっての導入当初の入口付近(となる燃料電池72の各電池セルの燃料路)とが、電解質を介して互いに近傍する構成となるのである。 In the present embodiment, under such a configuration, air (or a mixed gas of nitrogen and oxygen) is introduced from the air passage inlet of each battery cell in the fuel cell 71, while hydrogen is introduced into the pipe of the above (b). Therefore, it is introduced into each fuel cell (71, 72). As a result, the vicinity of the final outlet for air (the air passage of each battery cell of the fuel cell 72) and the vicinity of the initial inlet for hydrogen (the fuel passage of each battery cell of the fuel cell 72) become It is configured to be close to each other via an electrolyte.

ちなみに本実施形態でも、上記の図9(B)の実施形態と同様、燃料電池71の各電池セルにおいては、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとは同じとなるが、燃料電池72の各電池セルにおいては互いに逆となる。 Incidentally, also in this embodiment, as in the above-described embodiment (B), in each battery cell of the fuel cell 71, the flow direction of air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are the same. However, in each battery cell of the fuel cell 72, they are opposite to each other.

また、以上に述べたような構成によって、(空気にとって最終出口付近となる)燃料電池72における各電池セルの空気路において、そこまで燃料電池反応によって自らの酸素分を消費してきた空気は、燃料電池72における各電池セルの燃料路を流れ始めたばかりの十分な量の水素ガスと、電解質を介して反応可能な形で接することになる。これにより、当該空気に残留していた小量の酸素分の多くが、当該十分な量の水素分によって積極的に消費され、最終的に、当該空気は、残留酸素濃度の十分に又は相当に小さい窒素ガスとして出力されるのである。 Further, according to the configuration as described above, in the air passage of each battery cell in the fuel cell 72 (which is near the final outlet for air), the air that has consumed its own oxygen content by the fuel cell reaction up to that point is fuel. It comes into contact with a sufficient amount of hydrogen gas that has just begun to flow through the fuel cell of each battery cell in the battery 72 in a reactive manner via an electrolyte. As a result, much of the small amount of oxygen remaining in the air is positively consumed by the sufficient amount of hydrogen, and finally, the air has a sufficient or considerable residual oxygen concentration. It is output as a small nitrogen gas.

ちなみに、上記の燃料電池系を構成する燃料電池71及び72はいずれも、PEFCや、SOFCだけではなく、PAFCや、MCFC等であってもよい。ここで、燃料電池71では、空気及び水素が燃料電池71の同じ側から導入され、空気路を流れる空気の流動向きと、燃料路を流れる水素の流動向きとが同じであって、その態様は、通常の燃料電池と同様となっている。したがって、燃料電池71は、上記のタイプのいずれであってもよいのである。一方、燃料電池72は、(すでに説明したような)個体酸化物膜を還元・劣化させてしまう事態を回避すべく、SOFCとはしないことも好ましい。 Incidentally, the fuel cells 71 and 72 constituting the above fuel cell system may be not only PEFC and SOFC but also PAFC, MCFC and the like. Here, in the fuel cell 71, air and hydrogen are introduced from the same side of the fuel cell 71, and the flow direction of the air flowing through the air passage and the flow direction of hydrogen flowing through the fuel passage are the same. , It is the same as a normal fuel cell. Therefore, the fuel cell 71 may be of any of the above types. On the other hand, it is also preferable that the fuel cell 72 is not SOFC in order to avoid a situation in which the solid oxide film (as described above) is reduced or deteriorated.

以上、図8(A)〜(C)及び図9(A)〜(C)を用いて、燃料電池20、燃料電池31〜33の燃料電池系、円筒スタック型燃料電池40、SOFC51及びPEFC52の燃料電池系、燃料電池61及び62の燃料電池系、及び燃料電池71及び72の燃料電池系について説明を行ってきた。ここで、これらの燃料電池(系)は、図1に示した窒素ガス生成システム1における燃料電池U11の構成要素として使用されて、酸素濃度のより低い窒素ガスを生成するのに貢献してもよい。また勿論、後に説明する燃焼触媒U90(図11)を採用した窒素ガス生成システム1における燃料電池U11の構成要素として使用されることも可能である。 As described above, using FIGS. 8 (A) to 8 (C) and FIGS. 9 (A) to 9 (C), the fuel cell 20, the fuel cell system of the fuel cells 31 to 33, the cylindrical stack type fuel cell 40, the SOFC 51, and the PEFC 52. The fuel cell system, the fuel cell system of the fuel cells 61 and 62, and the fuel cell system of the fuel cells 71 and 72 have been described. Here, these fuel cells (systems) may be used as components of the fuel cell U11 in the nitrogen gas generation system 1 shown in FIG. 1 and contribute to the generation of nitrogen gas having a lower oxygen concentration. good. Of course, it can also be used as a component of the fuel cell U11 in the nitrogen gas generation system 1 that employs the combustion catalyst U90 (FIG. 11) described later.

または、これらの燃料電池(系)は、窒素ガスフィルタに依存せずに高純度窒素ガス又は低酸素濃度の排ガス(窒素ガス)を生成する装置における、主要構成要素として使用されてもよい。すなわち例えば、窒素フィルタU12(図1)を用いずに、酸素濃度のより低い窒素ガスを、これらの燃料電池(系)だけで効率的に生成することも可能となるのである。
[可能な発明クレーム]
電池内に供給されて燃料電池反応を経てきた酸素を含む気体と、電池内に供給された当初の燃料気体とを電解質を介して近傍させて燃料電池反応を起こすことの可能な燃料電池に対し、空気、又は窒素及び酸素を含む気体を供給して該燃料電池を稼働させ、該燃料電池から、酸素濃度のより低下した当該空気又は当該気体を取り出すことを特徴とする窒素ガス生成方法。
[可能な発明クレーム]
電池内に供給されて燃料電池反応を経てきた酸素を含む気体と、電池内に供給された当初の燃料気体とを電解質を介して近傍させて燃料電池反応を起こすことの可能な燃料電池に対し、酸素を含む気体を供給して該燃料電池を稼働させ、該燃料電池から、酸素濃度のより低下した当該気体を取り出すことを特徴とする低酸素濃度ガス生成方法。
Alternatively, these fuel cells (systems) may be used as a main component in an apparatus that produces high-purity nitrogen gas or exhaust gas (nitrogen gas) having a low oxygen concentration without depending on a nitrogen gas filter. That is, for example, it is possible to efficiently generate nitrogen gas having a lower oxygen concentration only with these fuel cells (systems) without using the nitrogen filter U12 (FIG. 1).
[Possible invention claims]
For a fuel cell capable of causing a fuel cell reaction by bringing an oxygen-containing gas supplied into the battery and undergoing a fuel cell reaction and the initial fuel gas supplied into the battery close to each other via an electrolyte. , Air, or a gas containing nitrogen and oxygen to operate the fuel cell, and the air or the gas having a lower oxygen concentration is taken out from the fuel cell.
[Possible invention claims]
For a fuel cell capable of causing a fuel cell reaction by bringing an oxygen-containing gas supplied into the battery and undergoing a fuel cell reaction and the initial fuel gas supplied into the battery close to each other via an electrolyte. , A method for generating a low oxygen concentration gas, which comprises supplying a gas containing oxygen to operate the fuel cell, and extracting the gas having a lower oxygen concentration from the fuel cell.

図10は、本発明による窒素ガス生成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。 FIG. 10 is a schematic diagram for explaining further other embodiments of the nitrogen gas generation system according to the present invention.

図10に示した実施形態では、図1に示した窒素ガス生成システム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、燃料電池U11とは別の新たな燃料電池U80が設けられている。 In the embodiment shown in FIG. 10, in the nitrogen gas generation system 1 shown in FIG. 1, a new fuel cell U80 different from the fuel cell U11 is provided in the subsequent stage of the nitrogen filter U12 (for example, immediately after the flow control U127). Has been done.

ここで、燃料電池U80の「燃料電池」、及び燃料電池U11の「燃料電池」はそれぞれ、図9(B)に示した燃料電池61及び燃料電池62に概ね相当する(又は対応する)ものとなっている。すなわち、すでに詳細に説明したように、燃料電池U80の「燃料電池」では、空気にとっての最終出口付近(となる当該「燃料電池」の各電池セルの空気路)と、水素にとっての導入当初の入口付近(となる当該「燃料電池」の各電池セルの燃料路)とが、電解質を介して互いに近傍する構成となっているのである。 Here, the "fuel cell" of the fuel cell U80 and the "fuel cell" of the fuel cell U11 roughly correspond to (or correspond to) the fuel cell 61 and the fuel cell 62 shown in FIG. 9B, respectively. It has become. That is, as already explained in detail, in the "fuel cell" of the fuel cell U80, the vicinity of the final outlet for air (the air passage of each battery cell of the "fuel cell") and the initial introduction for hydrogen. The vicinity of the inlet (the fuel path of each battery cell of the "fuel cell") is configured to be close to each other via an electrolyte.

具体的に、燃料電池U80の「燃料電池」は、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)窒素ガスを、(空気極側の)空気路入口から取り込み、また、この空気路入口とは反対側となる(燃料極側の)燃料路入口から水素を導入して燃料電池反応を起こし、取り込んだ当該窒素ガスにおける残留酸素分の多くを、十分な量の水素分によって積極的に消費させ、最終的に、残留酸素濃度の十分に小さい(例えば酸素濃度が0.1vol%未満の)高純度窒素ガスを出力するのである。 Specifically, the "fuel cell" of the fuel cell U80 is an air passage inlet (on the air electrode side) of a low oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of 0.1 to several vol%) taken out from the nitrogen filter U12. In addition, hydrogen is introduced from the fuel passage inlet (on the fuel electrode side) opposite to the air passage inlet to cause a fuel cell reaction, and most of the residual oxygen content in the nitrogen gas taken in is sufficient. It is actively consumed by a large amount of hydrogen, and finally, a high-purity nitrogen gas having a sufficiently low residual oxygen concentration (for example, an oxygen concentration of less than 0.1 vol%) is output.

ここで、当該高純度窒素ガスは、ドレイン802や気液分離U、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)に一先ず保存・貯蔵され、適宜外部に提供されることも好ましい。 Here, the high-purity nitrogen gas is temporarily stored and stored in the nitrogen tank 129 (FIG. 1) via the drain 802, the gas-liquid separation U, the oxygen concentration meter, the flow meter, and the pressure boosting U128 (FIG. 1). It is also preferable that it is appropriately provided to the outside.

また、燃料電池U80の「燃料電池」における空気路入口と同じ側となる燃料路出口から取り出された(相当の残留水素分を含む)水素ガスは、ドレイン801、気液分離U803、逆止弁、及びフロー制御U804を介して、水素回収U115に送られ、燃料電池U11の「燃料電池」の(水素極側の)燃料路入口から当該「燃料電池」に投入されて、再び燃料電池反応に使用されるのである。 Further, the hydrogen gas (including a considerable amount of residual hydrogen) taken out from the fuel passage outlet on the same side as the air passage inlet in the "fuel cell" of the fuel cell U80 is drain 801, gas-liquid separation U803, and check valve. , And sent to the hydrogen recovery U115 via the flow control U804, and is put into the "fuel cell" from the fuel passage inlet (on the hydrogen electrode side) of the "fuel cell" of the fuel cell U11, and is subjected to the fuel cell reaction again. It is used.

ちなみに本実施形態では、燃料電池U11の「燃料電池」及び燃料電池U80の「燃料電池」は、例えば両方ともPEFCとすることも好ましく、それぞれSOFC及びPEFCとしてもよい。この場合いずれにしても、すでに説明したような電解質の劣化の問題を回避することができるのである。 Incidentally, in the present embodiment, the "fuel cell" of the fuel cell U11 and the "fuel cell" of the fuel cell U80 are both preferably PEFC, and may be SOFC and PEFC, respectively. In any case, the problem of electrolyte deterioration as described above can be avoided.

また、図10に示した実施形態の窒素ガス生成システムにおいて、窒素フィルタU12を用いずに、燃料電池U11及び80だけによって、酸素濃度のより低い窒素ガスを生成することも可能となるのである。 Further, in the nitrogen gas generation system of the embodiment shown in FIG. 10, it is possible to generate nitrogen gas having a lower oxygen concentration only by the fuel cells U11 and 80 without using the nitrogen filter U12.

[燃焼触媒を利用した他の実施形態]
図11は、本発明による窒素ガス生成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。
[Other embodiments using a combustion catalyst]
FIG. 11 is a schematic diagram for explaining further other embodiments of the nitrogen gas generation system according to the present invention.

図11に示した実施形態では、図1に示した窒素ガス生成システム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、燃焼触媒U90が設けられている。ここで、この燃焼触媒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固体触媒上で、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. 11, in the nitrogen gas generation system 1 shown in FIG. 1, the combustion catalyst U90 is provided in the subsequent stage of the nitrogen filter U12 (for example, immediately after the flow control U127). Here, the combustion catalyst U90 combines hydrogen gas and oxygen content in exhaust gas on a solid catalyst composed of a noble metal-based compound such as palladium (Pd) or platinum (Pt), or another transition metal-based compound. It is a unit that makes contact and performs catalytic combustion, which is a controlled oxidation reaction rather than flame combustion.

具体的に本実施形態において、燃焼触媒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の燃料路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、これら両者をユニット内に設置された「固体触媒」上で接触させて触媒燃焼反応を起こし、最終的に、残留酸素濃度の十分に小さい(例えば酸素濃度が0.01vol%(100ppm vol)オーダの)窒素ガスを出力するのである。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、水素ガスを燃焼触媒U90へ供給することも可能である。
Specifically, in the present embodiment, the combustion catalyst U90 is
(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, and
(B) Hydrogen gas taken out from the fuel passage outlet of the fuel cell U11, passed through the drain 111, the pressure control U113, and the gas-liquid separation U114, and then recovered by the hydrogen recovery U115, and then the flow control U902 and the non-stop. It takes in hydrogen gas sent through the valve and brings them into contact with each other on a "solid catalyst" installed in the unit to cause a catalytic combustion reaction, and finally the residual oxygen concentration is sufficiently small ( For example, it outputs nitrogen gas (with an oxygen concentration of 0.01 vol% (100 ppm vol) order). Of course, instead of the hydrogen gas described in (b) above, hydrogen gas can be supplied to the combustion catalyst U90 from, for example, hydrogen generation U102 or hydrogen generation reforming U103.

ここで、燃焼触媒U90に設置された「個体触媒」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)等の触媒を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。この場合、触媒燃焼反応の場となる触媒表面の総面積を十分に広くとることができ、効率的な触媒燃焼を実施することが可能となるのである。 Here, the "solid catalyst" installed in the combustion catalyst U90 is a ceramic having many fine holes and supporting a catalyst such as platinum (Pt) or palladium (Pd) on the surface including the inside of the holes. It is also preferable to use a honeycomb. In this case, the total area of the catalyst surface, which is the field of the catalyst combustion reaction, can be made sufficiently large, and efficient catalyst combustion can be carried out.

また、燃焼触媒U90から出力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、燃焼触媒U90出口に設置された熱交換器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、燃焼触媒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 Further, the nitrogen gas having an extremely low oxygen concentration output from the combustion catalyst U90 comes out in a high temperature state, but the heat may be recovered by the heat exchanger 901 installed at the outlet of the combustion catalyst U90. In this case, the heat recovered by the heat exchanger 901 is supplied to the off-gas buffer tank 123 and the exhaust gas supplied to the nitrogen filter U12 at a higher temperature (for example, 45 ° C.), similarly to the heat recovered from the fuel cell U11. It is also preferable that it is used for making or supplied to the outside. When the temperature of the nitrogen gas output from the combustion catalyst U90 is not so high, the nitrogen gas may be sent to the hydrogen filter U903 described later without passing through the heat exchanger 901.

ここで、燃焼触媒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 nitrogen gas having an extremely low oxygen concentration output from the combustion catalyst U90 usually includes residual hydrogen gas that has not been burned in the catalyst combustion reaction. In the present embodiment, the hydrogen filter U903 takes in the high-purity nitrogen gas that has passed through the heat exchange U901, and the residual hydrogen gas is separated from the nitrogen gas having an extremely low oxygen concentration by a known hydrogen gas filter installed inside. And output higher purity nitrogen gas. The output high-purity nitrogen gas is then stored and stored in the nitrogen tank 129 (Fig. 1) via a check valve, an oxygen concentration meter, a flow meter, and a pressure boosting U128 (Fig. 1), and is appropriately externally stored. It is also preferable to be provided in.

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 above-mentioned hydrogen gas filter, for example, a filter provided with a palladium (Pd) -based hydrogen permeation membrane can be used, but a hydrogen gas filter provided with an aromatic polyimide-based gas separation membrane may be adopted. .. For example, UBE GAS SEPARATOR manufactured by Ube Industries, which uses a pipe in which hollow filamentous membranes are bundled, and SEPURUN Noble manufactured by EVONIC can be adopted.

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、燃焼触媒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。 Further, in the present embodiment, the hydrogen gas separated from the nitrogen gas by the hydrogen filter U903 is sent to the hydrogen recovery U115 via the flow control U904 and used again in the fuel cell U11 or again in the combustion catalyst U90. It can be used for catalytic combustion.

さらに、好適な一態様として、以上述べたように窒素ガス生成システム1(図1)において燃焼触媒U90を採用することにより、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、最終的に燃焼触媒U90で極低酸素濃度にすることを踏まえ、例えば窒素ガスフィルタ12fから出力されるガスの酸素濃度を数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。またさらに、窒素フィルタU12の窒素ガスフィルタとして、図6(B)に示したようなカスケード型フィルタ系を採用するならば、設計次第では1.0(100%)近くの回収率を実現することも可能となる。 Further, as a preferred embodiment, by adopting the combustion catalyst U90 in the nitrogen gas generation system 1 (FIG. 1) as described above, the recovery rate of the nitrogen filter U12 in the nitrogen gas filter 12f (FIG. 1) is improved. It is also possible. That is, based on the fact that the combustion catalyst U90 finally makes the oxygen concentration extremely low, for example, if the oxygen concentration of the gas output from the nitrogen gas filter 12f is set to be several vol%, the nitrogen gas filter 12f can be used. Can introduce a considerably large flow rate (outlet flow rate) of exhaust gas (as can be seen from the graph of FIG. 2). As a result, the recovery rate of the nitrogen gas filter 12f can be increased (as can be seen from the graph of FIG. 5). Furthermore, if a cascade type filter system as shown in FIG. 6 (B) is adopted as the nitrogen gas filter of the nitrogen filter U12, it is possible to achieve a recovery rate of nearly 1.0 (100%) depending on the design. It becomes.

また、図11に示した実施形態の窒素ガス生成システムにおいて、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及び燃焼触媒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「燃焼触媒」との結合系は、必要となる水素ガスを共有可能となる点からして非常に相性の良い、窒素ガスを効率的に生成可能な系となることが理解される。
[可能な発明クレーム]
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、
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と、当該燃料気体とを、燃焼触媒上で反応させて、当該排ガスを、より低い酸素濃度を有する排ガスにする
ことを特徴とする窒素ガス生成方法。
Further, in the nitrogen gas generation system of the embodiment shown in FIG. 11, it is also possible to efficiently generate nitrogen gas having a lower oxygen concentration only by the fuel cell U11 and the combustion catalyst U90 without using the nitrogen filter U12. It becomes. In any case, the coupling system between the "fuel cell" and the "combustion catalyst" is very compatible in that it can share the required hydrogen gas, and it is a system that can efficiently generate nitrogen gas. It is understood that
[Possible invention claims]
Air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas are supplied to the fuel cell to operate the fuel cell.
Exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air is extracted from the fuel cell.
A method for producing nitrogen gas, which comprises reacting the extracted exhaust gas with the fuel gas on a combustion catalyst to make the exhaust gas into an exhaust gas having a lower oxygen concentration.

[燃料電池特性]
図12は、本発明に係る「燃料電池」の駆動状態を調べた一実施例における、「燃料電池」における電流と電圧との関係を示すグラフである。
[Fuel cell characteristics]
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the current and the voltage in the “fuel cell” in one embodiment in which the driving state of the “fuel cell” according to the present invention is investigated.

ここで本実施例では、燃料電池U11の「燃料電池」としてJARI型のPEFCを使用し、駆動中の「燃料電池」のセル温度が80℃であって、「燃料電池」の背圧、すなわち「燃料電池」に導入される空気及び水素の圧力が、4.0気圧、5.0気圧、6.0気圧及び7.0気圧である場合における「燃料電池」の空気極と燃料極との間に流れる電流と、空気極と燃料極との間の電圧とを測定している。なお、両電極間に負荷として接続された外部抵抗の抵抗値は0.075Ωとなっている。 Here, in this embodiment, a JARI type PEFC is used as the "fuel cell" of the fuel cell U11, the cell temperature of the "fuel cell" being driven is 80 ° C., and the back pressure of the "fuel cell", that is, When the pressures of air and hydrogen introduced into the "fuel cell" are 4.0 atm, 5.0 atm, 6.0 atm and 7.0 atm, the current flowing between the air electrode and the fuel electrode of the "fuel cell" and the air electrode And the voltage between the fuel electrode and the fuel electrode are measured. The resistance value of the external resistor connected as a load between the two electrodes is 0.075Ω.

図12のグラフによれば、「燃料電池」の電圧は、電流が増加するにつれて低下するが、その低下の度合い(グラフ線の傾き)は、導入される空気及び水素の圧力が高くなるほど緩やかとなる。このように「燃料電池」において、より高い圧力の状態では、燃料電池反応が進んで電流が大きくなっても、電圧はそれほど低下せず、より高い値に維持されることが分かる。 According to the graph of FIG. 12, the voltage of the "fuel cell" decreases as the current increases, but the degree of decrease (slope of the graph line) becomes more gradual as the pressure of the introduced air and hydrogen increases. Become. As described above, in the "fuel cell", in a state of higher pressure, even if the fuel cell reaction proceeds and the current increases, the voltage does not decrease so much and is maintained at a higher value.

したがって、「燃料電池」に導入する空気及び水素を高圧にするほど、より安定した電圧の電力を提供可能となることが理解される。 Therefore, it is understood that the higher the pressure of air and hydrogen introduced into the "fuel cell", the more stable the voltage of electric power can be provided.

図13は、本発明に係る「燃料電池」の駆動状態を調べた一実施例における、「燃料電池」におけるセル温度と電力との関係を示すグラフである。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the cell temperature and the electric power in the “fuel cell” in one embodiment in which the driving state of the “fuel cell” according to the present invention is investigated.

ここで、本実施例における実験条件は、図12で説明した実施例とセル温度以外において同じであり、このセル温度については約45℃から約80℃まで変化させて、その際の規格化電力を測定している。なお、この規格化電力は、導入される空気及び水素の圧力が大気圧(1気圧)である場合におけるグラフ低温側の電力値(=電圧値×電流値)を1として、各圧力(4.0気圧,5.0気圧,6.0気圧,7.0気圧)での電力値を規格化したものとなっている。 Here, the experimental conditions in this example are the same as those in the example described with reference to FIG. 12 except for the cell temperature, and the cell temperature is changed from about 45 ° C. to about 80 ° C., and the normalized power at that time is changed. Is being measured. In addition, this standardized power is each pressure (4.0 atm), where the power value (= voltage value x current value) on the low temperature side of the graph when the pressure of the introduced air and hydrogen is atmospheric pressure (1 atm) is 1. , 5.0 atm, 6.0 atm, 7.0 atm).

図13のグラフによれば、「燃料電池」の規格化電力は、導入される空気及び水素の圧力が4.0気圧の場合、セル温度が増加するにつれて減少する傾向を示すが、当該圧力が大きいほど、その減少の傾向は小さくなる。さらに、導入される空気及び水素の圧力が6.0気圧及び7.0気圧の場合では、規格化電力は、セル温度に概ね依存せずにほぼ一定となる。 According to the graph of FIG. 13, when the pressure of the introduced air and hydrogen is 4.0 atm, the standardized power of the “fuel cell” tends to decrease as the cell temperature increases, but the larger the pressure, the more. , The tendency of the decrease becomes smaller. Further, when the pressures of the introduced air and hydrogen are 6.0 atm and 7.0 atm, the normalized power becomes almost constant regardless of the cell temperature.

したがって、「燃料電池」に導入する空気及び水素を高圧にするほど、セル温度による変動のより抑えられた、安定した電力を提供可能となることが理解される。 Therefore, it is understood that the higher the pressure of air and hydrogen introduced into the "fuel cell", the more stable electric power can be provided with less fluctuation due to cell temperature.

図14は、本発明に係る「燃料電池」の駆動状態を調べた一実施例における、「燃料電池」のセル温度と排ガスの相対湿度との関係を示すグラフである。 FIG. 14 is a graph showing the relationship between the cell temperature of the “fuel cell” and the relative humidity of the exhaust gas in one embodiment in which the driving state of the “fuel cell” according to the present invention is investigated.

ここで、本実施例における実験条件は、図13で説明した実施例と概ね同様であり、セル温度を35℃から80℃まで変化させて、その際の空気極側の(空気路出口から排出された)排ガスにおけるドレイン112(図1)通過後の相対湿度を測定している。ちなみに、この相対湿度は、ドレイン112を経た排ガスを取り出して測定容器に収納した上で、温湿度計を用いて測定したものである。 Here, the experimental conditions in this embodiment are substantially the same as those in the embodiment described with reference to FIG. 13, and the cell temperature is changed from 35 ° C. to 80 ° C., and the cell temperature is changed from 35 ° C. to 80 ° C. The relative humidity of the exhaust gas after passing through the drain 112 (FIG. 1) is measured. Incidentally, this relative humidity is measured by taking out the exhaust gas that has passed through the drain 112, storing it in a measuring container, and then using a thermohygrometer.

図14のグラフによれば、ドレイン112を経た排ガスの相対湿度は、導入される空気及び水素の圧力が大気圧(1.0気圧)の場合、セル温度が35℃から80℃までの範囲で80%を超えているが、当該圧力が3.0気圧及び5.0気圧の場合、それぞれ約30%及び約20%にまで減少する。このような結果は、導入される空気及び水素の圧力が高いほど、ドレイン112において排ガスの露点がより高くなり、排ガス中の水分・水蒸気分がより多く凝結して取り除かれるためと考えられる。 According to the graph of FIG. 14, the relative humidity of the exhaust gas passing through the drain 112 is 80% in the range of the cell temperature from 35 ° C. to 80 ° C. when the pressure of the introduced air and hydrogen is atmospheric pressure (1.0 atm). However, when the pressure is 3.0 atm and 5.0 atm, it decreases to about 30% and about 20%, respectively. It is considered that such a result is because the higher the pressure of the introduced air and hydrogen, the higher the dew point of the exhaust gas at the drain 112, and the more water and water vapor in the exhaust gas are condensed and removed.

したがって、「燃料電池」に導入する空気及び水素を高圧にするほど、より乾燥した(水分・水蒸気分の少ない)排ガスの得られることが理解される。 Therefore, it is understood that the higher the pressure of air and hydrogen introduced into the "fuel cell", the drier (less water and water vapor content) exhaust gas can be obtained.

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、効率的に純度の高い窒素ガスを生成することが可能となる。特に、窒素ガスフィルタや、さらには燃焼触媒を利用すれば、より純度の高い窒素ガスを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 efficiently generate high-purity nitrogen gas by using a fuel cell. In particular, if a nitrogen gas filter or a combustion catalyst is used, it is possible to generate nitrogen gas having a higher purity.

また将来、水素ガス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。 Moreover, when the hydrogen gas society arrives in the future, the utilization of fuel cells that use hydrogen gas as a fuel gas is expected to become widespread everywhere. The present invention will greatly contribute to the efficient production of nitrogen gas in such an era. Of course, it is also possible to meet the needs of supplying electricity and heat on the spot. That is, it is considered that the present invention greatly contributes to the construction of an energy / product supply and demand system for local production for local consumption, which is considered to be one ideal form 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、高い背圧設定の燃料電池に対し、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において大いに活用されるものと考えられる。 Further, although it is only one embodiment of the present invention, in the present invention, hydrogen gas is supplied as a fuel gas to a fuel cell having a high back pressure setting by using a hydrogen generation U provided with an electrolysis unit. Is also possible. Such a configuration is also considered to be greatly utilized in the hydrogen gas society described above.

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 embodiments described above are exemplary and not limited to the present invention, and the present invention can be carried out in various other modifications and modifications. Therefore, the scope of the present invention is defined only by the claims and their equivalents.

1 窒素ガス生成システム・装置
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、804、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、80 燃料電池U
111、112、801、802 ドレイン
113、121 圧力制御U
114、122、803 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
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
20、31、32、33、61、62、71、72 燃料電池
201、311、321、331、511、521、611、621、711、721 第1セル
202、312、322、332、512、522、612、622、712、722 第2セル
40 円筒スタック型燃料電池
401 円筒セル
51 SOFC
52 PEFC
90 燃焼触媒U
901 熱交換U
903 水素フィルタU

1 Nitrogen gas generation system / equipment 101 Renewable energy power generation unit (U)
101s storage U
102 Hydrogen generation U
103 Hydrogen production reforming U
104 Hydrogen tank 105, 109, 127, 804, 902, 904 Flow control U
106 Air compression U
107 Air tank 108 Filter U
11,80 Fuel cell U
111, 112, 801, 802 Drain 113, 121 Pressure control U
114, 122, 803 Vapor-liquid separation U
115 Hydrogen recovery U
12 Nitrogen filter U
12f, 12f1, 12f2, 12f3 Nitrogen gas filter 123 Off-gas buffer tank 124, 128 Pressure boost U
125 Removal of corrosive gas, etc. U
126 Temperature control U
129 Nitrogen tank 131 Overall control U
20, 31, 32, 33, 61, 62, 71, 72 Fuel cells 201, 311, 321, 331, 511, 521, 611, 621, 711, 721 First cell 202, 312, 322, 332, 512, 522 , 612, 622, 712, 722 Second cell 40 Cylindrical stack fuel cell 401 Cylindrical cell 51 SOFC
52 PEFC
90 Combustion catalyst U
901 Heat Exchange U
903 Hydrogen filter U

Claims (15)

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、
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、
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。
Air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas are supplied to the fuel cell to operate the fuel cell.
Exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air is extracted from the fuel cell.
A method for producing nitrogen gas, which comprises allowing the exhaust gas to act on a filter using fibers having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and extracting the exhaust gas having an increased nitrogen concentration from the filter.
大気圧を超える圧力を有する当該空気又は当該気体と、大気圧を超える圧力を有する当該燃料気体とを前記燃料電池へ供給して、該燃料電池から、大気圧を超える圧力を有しており空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスを取り出し、
当該排ガスを、前記フィルタに対し、大気圧を超える圧力をもって作用させる
ことを特徴とする請求項1に記載の窒素ガス生成方法。
The air or the gas having a pressure exceeding the atmospheric pressure and the fuel gas having a pressure exceeding the atmospheric pressure are supplied to the fuel cell, and the air having a pressure exceeding the atmospheric pressure is supplied from the fuel cell. Take out the exhaust gas with a lower oxygen concentration than
The nitrogen gas generation method according to claim 1, wherein the exhaust gas acts on the filter at a pressure exceeding atmospheric pressure.
前記燃料電池から取り出した排ガスを、増圧手段を用いて更に増圧させた上で、前記フィルタに作用させることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒素ガス生成方法。 The nitrogen gas generation method according to claim 1 or 2, wherein the exhaust gas taken out from the fuel cell is further increased in pressure by using a pressure increasing means and then acted on the filter. 前記フィルタに対して作用させる当該排ガスの圧力を、前記フィルタによって決定される圧力閾値であって、前記フィルタから取り出される際の当該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とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 The pressure of the exhaust gas acting on the filter is a pressure threshold value determined by the filter, which exceeds the pressure threshold value which becomes larger as the flow rate of the exhaust gas when taken out from the filter increases. The method for producing nitrogen gas according to any one of claims 1 to 3, wherein the pressure is used. 当該排ガスを作用させる前記フィルタとして、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フィルタを使用することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 The nitrogen gas generation method according to any one of claims 1 to 4, wherein as the filter on which the exhaust gas acts, a filter whose recovery rate increases as the oxygen concentration of the gas to be filtered decreases. 酸素濃度が2.5体積パーセント以下である排ガスを前記フィルタに対して作用させ、該フィルタから、空気を作用させた結果と比較して酸素濃度がその10分の1以下である当該排ガスを取り出すことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 Exhaust gas having an oxygen concentration of 2.5% by volume or less is allowed to act on the filter, and the exhaust gas having an oxygen concentration of 1/10 or less of the result of applying air is taken out from the filter. The nitrogen gas generation method according to any one of claims 1 to 5, wherein the nitrogen gas is generated. 当該排ガスを作用させた前記フィルタから、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当該排ガスとは別の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、前記燃料電池へ供給する当該気体の一部として使用する、及び/又は、前記フィルタに対して作用させる当該排ガスに加えて使用する
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。
From the filter on which the exhaust gas is allowed to act, a filter exhaust gas containing a gas that has permeated the fiber and is different from the exhaust gas having an increased nitrogen concentration is taken out.
From claim 1, the extracted filter exhaust gas is used as a part of the gas supplied to the fuel cell and / or is used in addition to the exhaust gas acting on the filter. The nitrogen gas generation method according to any one of 6.
当該排ガスを作用させた前記フィルタから、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当該排ガスとは別のフィルタ排出ガスを取り出し、
前記フィルタを第1のフィルタとして、窒素と比較して酸素をより多く透過する当該繊維を使用した第1のフィルタから第N(Nは2以上の整数)のフィルタまでのN個のフィルタに係る処理であって、第n(nは1以上であって(N−1)までの整数)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該排ガス又は窒素濃度の増大した当該フィルタ排出ガスとともに、それとは別の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第(n+1)のフィルタに対して作用させ、第(n+1)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該フィルタ排出ガスを取り出す、との処理を実施する
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。
From the filter on which the exhaust gas is allowed to act, a filter exhaust gas containing a gas that has permeated the fiber and is different from the exhaust gas having an increased nitrogen concentration is taken out.
The filter relates to N filters from the first filter using the fiber which permeates more oxygen than nitrogen to the Nth filter (N is an integer of 2 or more), using the filter as the first filter. In the treatment, from the nth filter (n is 1 or more and an integer up to (N-1)), the exhaust gas having an increased nitrogen concentration or the exhaust gas from the filter having an increased nitrogen concentration is separated from the filter. The filter exhaust gas is taken out, the taken out filter exhaust gas is allowed to act on the (n + 1) th filter, and the filter exhaust gas with an increased nitrogen concentration is taken out from the (n + 1) th filter. The nitrogen gas generation method according to any one of claims 1 to 7, wherein the method is carried out.
前記フィルタを第1のフィルタとして、窒素と比較して酸素をより多く透過する当該繊維を使用した第1のフィルタから第N(Nは2以上の整数)のフィルタまでのN個のフィルタに係る処理であって、第n(nは1以上であって(N−1)までの整数)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該排ガスを取り出し、取り出した当該排ガスを第(n+1)のフィルタに対して作用させ、第(n+1)のフィルタから、窒素濃度の増大した当該排ガスを取り出す、との処理を実施する
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。
The filter relates to N filters from the first filter using the fiber that permeates more oxygen than nitrogen to the Nth filter (N is an integer of 2 or more), using the filter as the first filter. In the treatment, the exhaust gas having an increased nitrogen concentration is taken out from the nth filter (n is 1 or more and an integer up to (N-1)), and the taken out exhaust gas is used as the (n + 1) th filter. The nitrogen gas generation according to any one of claims 1 to 7, wherein the treatment is carried out in which the exhaust gas having an increased nitrogen concentration is taken out from the (n + 1) th filter. Method.
前記燃料電池から取り出した当該排ガスに対し、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した後、当該排ガスを前記フィルタに対して作用させることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 The exhaust gas taken out from the fuel cell is treated to remove or reduce at least one of sulfide, chloride, hydrocarbon, fluoride and a strong alkaline compound, and then the exhaust gas is applied to the filter. The method for producing a nitrogen gas according to any one of claims 1 to 9, wherein the method is allowed to act. 導入気体の温度を、前記フィルタの特性に基づき設定された好適温度に近づけることの可能な温度調整手段を用いて、前記燃料電池から取り出した当該排ガスの温度を調整した上で、当該排ガスを前記フィルタに対して作用させることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 The temperature of the exhaust gas taken out from the fuel cell is adjusted by using a temperature adjusting means capable of bringing the temperature of the introduced gas close to a suitable temperature set based on the characteristics of the filter, and then the exhaust gas is used. The method for producing nitrogen gas according to any one of claims 1 to 10, wherein the method acts on a filter. 前記フィルタから取り出した当該排ガスを、別の燃料電池であって、電池内に供給されて燃料電池反応を経てきた酸素を含む気体と、電池内に供給された当初の当該燃料気体とを電解質を介して近傍させて燃料電池反応を起こすことの可能な別の燃料電池へ供給して、該別の燃料電池を稼働させ、該別の燃料電池から、より低い酸素濃度を有する排ガスを取り出すことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 The exhaust gas extracted from the filter is used as an electrolyte in another fuel cell, which is a gas containing oxygen that has been supplied into the battery and undergoes a fuel cell reaction, and the initial fuel gas supplied into the battery. By supplying fuel to another fuel cell capable of causing a fuel cell reaction in the vicinity through the fuel cell, the other fuel cell is operated, and the exhaust gas having a lower oxygen concentration is extracted from the other fuel cell. The nitrogen gas generation method according to any one of claims 1 to 11, which is characterized. 前記フィルタから取り出した当該排ガスと、当該燃料気体とを、燃焼触媒上で反応させて、当該排ガスを、より低い酸素濃度を有する排ガスにすることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 Any one of claims 1 to 11, wherein the exhaust gas taken out from the filter and the fuel gas are reacted on a combustion catalyst to obtain the exhaust gas having a lower oxygen concentration. The method for producing nitrogen gas according to the section. 前記燃料電池は、電池内に供給されて燃料電池反応を経てきた当該空気又は当該気体と、電池内に供給された当初の当該燃料気体とを電解質を介して近傍させて燃料電池反応を起こすことの可能な燃料電池であることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の窒素ガス生成方法。 In the fuel cell, the air or the gas supplied into the battery and undergoing the fuel cell reaction and the initial fuel gas supplied into the battery are brought close to each other via an electrolyte to cause a fuel cell reaction. The method for producing a nitrogen gas according to any one of claims 1 to 13, wherein the fuel cell is capable of producing a fuel cell. 燃料電池と、
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と、
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前記燃料電池へ供給可能とする圧力制御手段と、
稼働した前記燃料電池から排出された、大気圧を超える圧力を有しており空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスを、前記フィルタへ作用させるべく導入し、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フィルタ入出力部と
を有することを特徴とする窒素ガス生成装置。

With fuel cells
Filters using fibers with different degrees of permeation for nitrogen and oxygen,
A pressure control means capable of supplying air having a pressure exceeding atmospheric pressure, a gas containing nitrogen and oxygen having a pressure exceeding atmospheric pressure, and a fuel gas having a pressure exceeding atmospheric pressure to the fuel cell.
Exhaust gas discharged from the operating fuel cell, which has a pressure exceeding atmospheric pressure and has an oxygen concentration lower than that of air, is introduced to act on the filter, and the exhaust gas having an increased nitrogen concentration from the filter is introduced. A nitrogen gas generator characterized by having a filter input / output unit for taking out a fuel.

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