JP2023101132A - Nitrogen gas generation device and method for dehumidifying fuel cell exhaust gas by water exchange - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、純度の高い窒素ガスを生成する技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique for generating nitrogen gas with high purity.
近年、燃料電池の利用が盛んに進められている。例えば、燃料電池自動車が実用化され、家庭用及び産業用燃料電池設備も普及しつつある。燃料電池を用いれば高効率の発電が実現するのみならず、従来の内燃機関を用いた発電手段とは異なり、二酸化炭素の排出を概ねゼロにすることも可能となる。このことから燃料電池技術は、カーボンゼロ社会も視野に入れ、喫緊の課題であるカーボンニュートラルの実現に大きく貢献するものと期待されている。 In recent years, the use of fuel cells has been actively promoted. For example, fuel cell vehicles have been put into practical use, and household and industrial fuel cell facilities are also becoming popular. The use of fuel cells not only realizes highly efficient power generation, but also makes it possible to reduce carbon dioxide emissions to almost zero, unlike conventional power generation means using internal combustion engines. Therefore, fuel cell technology is expected to greatly contribute to the realization of a carbon-neutral society, which is an urgent issue, with a view to a zero-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1~8に記載されているように、燃料電池を利用した種々様々な装置・システムを発明してきた。ここで特に、特許文献6及び7に開示されたように、燃料電池から取り出した排ガスを窒素フィルタに作用させ、このフィルタから窒素濃度の増大したガスを取り出す窒素ガス生成装置を発明している。また特許文献8に開示されたように、この窒素ガス生成装置において重要となる排ガスの除湿処理を、水封ポンプを用いて実施する構成を発明しているのである。 The inventors of the present application have paid attention to such potential of fuel cells and have invented various devices and systems using fuel cells, as described in Patent Documents 1 to 8. Here, in particular, as disclosed in Patent Documents 6 and 7, a nitrogen gas generator has been invented in which exhaust gas taken out from a fuel cell is acted on a nitrogen filter and gas with increased nitrogen concentration is taken out from this filter. Further, as disclosed in Patent Document 8, the inventors have invented a configuration for performing the dehumidification treatment of the exhaust gas, which is important in this nitrogen gas generator, using a water ring pump.
このように本願発明者等は、燃料電池を利用すれば、各種生産・サービス提供現場において多くの需要が存在する純度の高い窒素ガスを供給することが可能となることに思い至った。 In this way, the inventors of the present application have come to realize that the use of fuel cells makes it possible to supply high-purity nitrogen gas, which is in great demand at various production and service provision sites.
このような高純度の窒素ガスは、不活性ガスであり支燃性も助燃性もなく、非常に有用なガスではあるが、現在、空気を原料として、圧力変動吸着(PSA)法、深冷空気分離法や、膜分離法等により生成されているのが現状である。本願発明者等は、こ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、効率的に且つ低コストで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。 Such high-purity nitrogen gas is an inert gas with neither combustion support nor combustion support, and is a very useful gas. Currently, it is produced by an air separation method, a membrane separation method, or the like. The inventors of the present application believe that it would be possible to efficiently generate high-purity nitrogen gas at low cost by using exhaust gas from a fuel cell instead of using air as a raw material. I thought there was no.
ここで、排ガスの酸素濃度を如何に低減させるかが1つの重要な課題として挙げられる。また、燃料電池から取り出された、相対湿度が概ね100%である排ガスの除湿を如何に実施するかも重要な課題となっている。この点、排ガスの除湿を適切に実施しなければ、この後の酸素濃度低減処理を実施するのに弊害が生じ、当該処理を確実に且つ安定的に行うことが困難となってしまう。勿論、例えば特許文献6~8に開示された窒素ガス生成装置はこれらの課題を解決する重要な解となっているが、本願発明者等は、燃料電池を採用するが故の更なる好適な装置構成を模索してきたのである。 Here, one important issue is how to reduce the oxygen concentration of the exhaust gas. Another important issue is how to dehumidify the exhaust gas, which has a relative humidity of approximately 100%, taken out from the fuel cell. In this respect, if the exhaust gas is not properly dehumidified, it will be difficult to perform the subsequent oxygen concentration reduction treatment, making it difficult to perform the treatment reliably and stably. Of course, the nitrogen gas generators disclosed in Patent Documents 6 to 8, for example, are important solutions for solving these problems. I've been looking for a device configuration.
そこで、本発明は、燃料電池を用い、純度の高い窒素ガスを確実に且つ安定的に生成する装置、システム及び方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus, system, and method for reliably and stably producing high-purity nitrogen gas using a fuel cell.
本発明によれば、
空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと、燃料電池に取り入れられる当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体との間で水交換を行い、当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる水交換除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスにする窒素フィルタリング手段と
を有する窒素ガス生成装置が提供される。
According to the invention,
a fuel cell that operates by taking in air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas;
Water exchange is performed between the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of the air taken out from the fuel cell and the air or the nitrogen and oxygen-containing gas taken into the fuel cell to remove moisture or water vapor in the exhaust gas. a reducing water exchange dehumidification means;
Provided is a nitrogen gas generator having filters with different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and nitrogen filtering means for converting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
この本発明による窒素ガス生成装置の一実施形態として、本窒素ガス生成装置は、少なくとも窒素フィルタリング手段において要求若しくは決定される下限圧力に基づき設定される圧力閾値以上の圧力を有する高圧の空気又は高圧の窒素及び酸素を含む気体を燃料電池へ供給可能とする高圧ガス供給手段を更に有し、
水交換除湿手段は、当該圧力閾値以上の圧力を有する高圧の当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させ、
窒素フィルタリング手段は、水分又は水蒸気分の低減した、当該高圧の排ガスを窒素濃度の増大したガスにすることも好ましい。
As one embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention, the nitrogen gas generator includes at least high-pressure air or high-pressure gas having a pressure equal to or higher than a pressure threshold set based on the lower limit pressure required or determined in the nitrogen filtering means. further has a high-pressure gas supply means capable of supplying a gas containing nitrogen and oxygen of
The water exchange dehumidifying means reduces the moisture or water vapor content in the high pressure exhaust gas having a pressure equal to or higher than the pressure threshold,
It is also preferred that the nitrogen filtering means converts the high pressure exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
また、上記の高圧ガス供給に係る実施形態において、本窒素ガス生成装置は、水交換除湿手段から取り出された当該高圧の排ガスにおける水分又は水蒸気分を更に低減させる、ドライフィルタを備えたドライフィルタリング手段を更に有し、当該圧力閾値は、前記ドライフィルタリング手段において要求若しくは決定される下限圧力にも基づいて設定されることも好ましい。さらに、当該下限圧力は、少なくとも3気圧以上の圧力値に設定されることも好ましい。 Further, in the above-described embodiment related to high-pressure gas supply, the present nitrogen gas generator includes a dry filtering means equipped with a dry filter for further reducing moisture or water vapor content in the high-pressure exhaust gas taken out from the water exchange dehumidifying means. and the pressure threshold is also preferably set based on the lower pressure limit required or determined in the dry filtering means. Furthermore, the lower limit pressure is preferably set to a pressure value of at least 3 atmospheres or more.
また、上記の高圧ガス供給に係る実施形態において、本窒素ガス生成装置は、窒素フィルタリング手段に取り入れられる前における水分又は水蒸気分の低減した当該高圧の排ガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、又は前記窒素フィルタリング手段から取り出された、当該窒素濃度の増大したガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、当該高圧の排ガス又は当該窒素濃度の増大したガスにおける酸素濃度をより低減させる触媒燃焼手段を更に有することも好ましい。 Further, in the above-described embodiment related to high-pressure gas supply, the present nitrogen gas generator reacts the high-pressure exhaust gas with reduced moisture or water vapor content and the fuel gas on the combustion catalyst before being taken into the nitrogen filtering means. or reacting the nitrogen-enriched gas and the fuel gas taken out from the nitrogen filtering means on a combustion catalyst to reduce the oxygen concentration in the high-pressure exhaust gas or the nitrogen-enriched gas It is also preferred to further have catalytic combustion means for further reduction.
さらに、上記の高圧ガス供給に係る実施形態において、本窒素ガス生成装置は、限定された空間において供給された水若しくは水蒸気である分解対象又は水若しくは水蒸気を含む分解対象を電気分解し、当該圧力閾値以上の圧力を有する高圧の水素ガスを生成する高圧電気分解手段を更に有し、燃料電池は、当該高圧の水素ガスと、当該高圧の空気又は当該高圧の窒素及び酸素を含む気体とを取り入れて、当該高圧の排ガスを排出することも好ましい。また、この高圧電気分解手段に対し、燃料電池からの熱を伝達し、少なくとも当該熱を用いて当該高圧の水素ガスを生成させる熱伝達手段を更に備えていることも好ましい。 Furthermore, in the above-described embodiment related to high-pressure gas supply, the nitrogen gas generator electrolyzes a decomposition target that is water or steam or a decomposition target containing water or steam that is supplied in a limited space, and the pressure Further comprising high pressure electrolysis means for producing high pressure hydrogen gas having a pressure above a threshold, the fuel cell taking in said high pressure hydrogen gas and said high pressure air or said high pressure nitrogen and oxygen containing gas. It is also preferable to discharge the high-pressure exhaust gas. It is also preferable to further include heat transfer means for transferring heat from the fuel cell to the high pressure electrolysis means and using at least the heat to generate the high pressure hydrogen gas.
さらに、上記の高圧電気分解手段を備えた実施形態において、本窒素ガス生成装置は、
水交換除湿手段から取り出された、当該高圧の排ガスにおける水分又は水蒸気分を更に低減させる、ドライフィルタを備えたドライフィルタリング手段と、
ドライフィルタリング手段からの水、又はドライフィルタリング手段及び燃料電池からの水を、当該分解対象として高圧電気分解手段に供給する水供給手段と
を更に有することも好ましい。
Furthermore, in the embodiment provided with the above high-pressure electrolysis means, the nitrogen gas generator is
dry filtering means comprising a dry filter for further reducing the moisture or water vapor content in the high pressure exhaust gas removed from the water exchange dehumidifying means;
It is also preferable to further have water supply means for supplying water from the dry filtering means, or water from the dry filtering means and the fuel cell, to the high pressure electrolysis means as the decomposition target.
また、上記の高圧電気分解手段を備えた実施形態において、本窒素ガス生成装置は、窒素フィルタリング手段に取り入れられる前における水分又は水蒸気分の低減した当該高圧の排ガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、又は窒素フィルタリング手段から取り出された、当該窒素濃度の増大したガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、当該高圧の排ガス又は当該窒素濃度の増大したガスにおける酸素濃度をより低減させる触媒燃焼手段を更に有し、
触媒燃焼手段は、触媒燃焼に用いる当該燃料気体として、少なくとも生成された当該高圧の水素ガスを用いることも好ましい。
Further, in the embodiment provided with the above-described high-pressure electrolysis means, the present nitrogen gas generating apparatus is configured to pass the high-pressure exhaust gas with reduced moisture or water vapor content and the fuel gas over the combustion catalyst before being taken into the nitrogen filtering means. or by reacting the nitrogen-enriched gas and the fuel gas removed from the nitrogen filtering means on a combustion catalyst to reduce the oxygen concentration in the high-pressure exhaust gas or the nitrogen-enriched gas It further has a catalytic combustion means that further reduces the
It is also preferable that the catalytic combustion means uses at least the generated high-pressure hydrogen gas as the fuel gas used for catalytic combustion.
さらに、上記の高圧電気分解手段を備えた実施形態において、高圧ガス供給手段は、
生成された当該高圧の水素ガス、及び/又は、高圧電気分解手段によって生成された当該圧力閾値以上の圧力を有する高圧の酸素ガスを用いて駆動力を発生させるガス圧駆動手段と、
受け取った当該駆動力によって、当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体を、当該高圧の空気又は当該高圧の窒素及び酸素を含む気体にするガス圧縮手段と
を備えていることも好ましい。
Furthermore, in embodiments comprising the high pressure electrolysis means described above, the high pressure gas supply means comprises:
gas pressure driving means for generating a driving force using the generated high-pressure hydrogen gas and/or the high-pressure oxygen gas having a pressure equal to or higher than the pressure threshold value generated by the high-pressure electrolysis means;
It is also preferred to include gas compression means for converting said air or said nitrogen and oxygen containing gas to said high pressure air or said high pressure nitrogen and oxygen containing gas by said received driving force.
また、以上に述べた実施形態のうちで触媒燃焼手段を備えた実施形態において、本窒素ガス生成装置は、触媒燃焼手段に対し、燃料電池からの熱を伝達し、少なくとも当該熱を用いて、触媒燃焼の際に必要となる当該燃焼触媒の加熱を行わせる熱伝達手段を更に備えていることも好ましい。 Further, among the embodiments described above, in the embodiment provided with the catalytic combustion means, the present nitrogen gas generator transfers heat from the fuel cell to the catalytic combustion means, and uses at least the heat to It is also preferable to further include heat transfer means for heating the combustion catalyst required for catalytic combustion.
さらに、本発明による窒素ガス生成装置における他の実施形態として、本窒素ガス生成装置は、
水交換除湿手段から取り出された当該排ガスを、少なくとも窒素フィルタリング手段において要求若しくは決定される下限圧力に基づき設定される圧力閾値以上の圧力を有する高圧の排ガスにする圧力調整手段と、
圧力調整手段から取り出された当該高圧の排ガスにおける水分又は水蒸気分を更に低減させる、ドライフィルタを備えたドライフィルタリング手段と
を更に有することも好ましい。また、当該下限圧力は、少なくとも3気圧以上の圧力値に設定されることも好ましい。
Furthermore, as another embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention, the nitrogen gas generator is
a pressure adjusting means for converting the exhaust gas taken out from the water exchange dehumidifying means into a high-pressure exhaust gas having a pressure equal to or higher than a pressure threshold value set based on at least the lower limit pressure required or determined in the nitrogen filtering means;
It is also preferable to further include dry filtering means provided with a dry filter for further reducing moisture or water vapor content in the high-pressure exhaust gas taken out from the pressure regulating means. Also, the lower limit pressure is preferably set to a pressure value of at least 3 atmospheres or more.
さらに、本発明による窒素ガス生成装置における更なる他の実施形態として、本窒素ガス生成装置は、燃料電池から取り出された当該排ガスの温度、及び/又は、窒素フィルタリング手段に取り入れられる前の当該排ガスの温度を、水交換除湿手段及び/又は窒素フィルタリング手段において要求若しくは決定される下限温度に基づき設定される温度閾値以上の温度に調整する温度調整手段を更に有することも好ましい。また、この温度調整手段は、燃料電池からの熱を用いて、当該排ガスの温度を当該温度閾値以上の温度に制御することも好ましい。 Furthermore, as still another embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention, the nitrogen gas generator controls the temperature of the exhaust gas taken out from the fuel cell and/or the temperature of the exhaust gas before it is introduced into the nitrogen filtering means. It is also preferable to further include temperature adjusting means for adjusting the temperature of the water exchange dehumidifying means and/or the nitrogen filtering means to a temperature equal to or higher than a temperature threshold set based on the lower limit temperature required or determined. Moreover, it is also preferable that the temperature control means uses heat from the fuel cell to control the temperature of the exhaust gas to a temperature equal to or higher than the temperature threshold.
さらに、本発明による窒素ガス生成装置における更なる他の実施形態として、燃料電池は、電解質を間に挟んだ2つの極を含む構成単位であるセルを複数備えており、複数の当該セルの全体は複数の機能セル部に分けられ、各機能セル部は、1つの又は連続する複数のセルを含み、他の機能セル部と電気的に直列に接続されず、個別の発電量の制御部に電気的に接続されることも好ましい。 Furthermore, as still another embodiment of the nitrogen gas generator according to the present invention, the fuel cell comprises a plurality of cells, which are structural units each including two electrodes with an electrolyte interposed therebetween, and the plurality of cells as a whole is divided into a plurality of functional cell sections, each functional cell section includes one or a plurality of continuous cells, is not electrically connected in series with other functional cell sections, and is an individual power generation amount control section An electrical connection is also preferred.
本発明によれば、また、
空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと、燃料電池に取り入れられる当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体との間で水交換を行い、当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる水交換除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスにする窒素フィルタリング手段と
を有する窒素ガス生成システムが提供される。
According to the present invention, also
a fuel cell that operates by taking in air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas;
Water exchange is performed between the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of the air taken out from the fuel cell and the air or the nitrogen and oxygen-containing gas taken into the fuel cell to remove moisture or water vapor in the exhaust gas. a reducing water exchange dehumidification means;
Provided is a nitrogen gas generation system comprising filters having different degrees of permeability for nitrogen and oxygen, and nitrogen filtering means for converting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
本発明によれば、さらに、
空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを燃料電池へ供給して、この燃料電池を稼働させるステップと、
燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと、この燃料電池に取り入れられる当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体との間で水交換を行い、当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させるステップと、
水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを、窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる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ステップと
を有する窒素ガス生成方法が提供される。
According to the present invention, furthermore,
supplying air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas to the fuel cell to operate the fuel cell;
Exchanging water between the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of the air taken out of the fuel cell and the air or the nitrogen and oxygen-containing gas taken into the fuel cell to reduce the moisture or water vapor content in the exhaust gas. reducing the
A nitrogen gas generation method comprising the steps of: making the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content act on filters having different degrees of permeation of nitrogen and oxygen, and extracting the exhaust gas with increased nitrogen concentration from the filter. be done.
本発明によれば、燃料電池を用い、純度の高い窒素ガスを確実に且つ安定的に生成することができる。 According to the present invention, it is possible to reliably and stably generate high-purity nitrogen gas using a fuel cell.
以下に、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一の構成要素は、同一の参照番号を用いて示される。また、同様の構造及び機能を有することが可能な構成要素も、同一の参照番号を用いて示される場合がある。さらに、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated in detail, referring an accompanying drawing. In addition, in each drawing, the same component is indicated using the same reference number. Components that may have similar structures and functions may also be indicated using the same reference numerals. Furthermore, the dimensional ratios within and between constituent elements in the drawings are arbitrary for ease of viewing of the drawings.
[窒素ガス生成装置・システム]
図1は、本発明による窒素ガス生成装置・システムの一実施形態を示す模式図である。
[Nitrogen gas generator/system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a nitrogen gas generator/system according to the present invention.
図1に示した本発明の一実施形態としての窒素ガス生成装置1(又は窒素ガス生成システム1)は、
(A)「空気、又は窒素及び酸素を含む気体」と、「燃料気体」(本実施形態では水素ガス)とを取り入れて稼働する燃料電池104と、
(B)燃料電池104から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する「排ガス」(オフガス)と、燃料電池104に取り入れられる「空気、又は窒素及び酸素を含む気体」との間で水交換を行い、「排ガス」における水分又は水蒸気分を低減させる水交換除湿ユニット(U)105と、
(C)窒素と酸素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した「排ガス」を窒素濃度の増大したガスにする窒素フィルタリングU109と
を有することを特徴としている。
The nitrogen gas generator 1 (or nitrogen gas generation system 1) as one embodiment of the present invention shown in FIG.
(A) A
(B) water exchange between the "exhaust gas" (off-gas) taken from the
(C) It is equipped with filters with different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and has a nitrogen filtering U109 that converts "exhaust gas" with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
このうち上記(C)の窒素フィルタリングU109は、空気よりも低い酸素濃度を有する「排ガス」から酸素(O2)ガス分をさらに取り除き(フィルタリングし)、窒素濃度の増大したガス(本実施形態では高純度窒素ガス)を出力する手段となっている。ここで、「排ガス」は、燃料電池104から排出された直後では、相対湿度が通常概ね100%のガスとなっている。そのため、窒素フィルタリングU109において良好な窒素フィルタリング処理を継続的に実施させるためには、「排ガス」の除湿が非常に重要となる。
Among these, the nitrogen filtering U109 of (C) above further removes (filters) oxygen (O 2 ) gas from the “exhaust gas” having an oxygen concentration lower than that of air, and a gas with an increased nitrogen concentration (in this embodiment, high-purity nitrogen gas). Here, the “exhaust gas” is a gas with a relative humidity of approximately 100% immediately after it is discharged from the
これに対し、上記(B)の水交換除湿U105は、「排ガス」から「空気、又は窒素及び酸素を含む気体」へ、例えば水蒸気交換膜を介して水蒸気(H2O)分を移動させ(水交換を行い)、「排ガス」を水分又は水蒸気分の低減したガスにする除湿手段である。「排ガス」は、この水交換除湿U105によって、窒素フィルタリングU109において良好な窒素フィルタリング処理を施すことのできるガスとなるのである。 On the other hand, the water exchange dehumidification U105 of (B) above moves water vapor (H 2 O) from "exhaust gas" to "air or gas containing nitrogen and oxygen" via, for example, a water vapor exchange membrane ( It is a dehumidifying means for converting the "exhaust gas" into a gas with reduced water content or water vapor content. The "exhaust gas" becomes a gas that can be subjected to a good nitrogen filtering process in the nitrogen filtering U109 by the water exchange dehumidifying U105.
ここで、このような水交換除湿U105によって、燃料電池104へ取り込まれる「空気、又は窒素及び酸素を含む気体」は逆に、加湿されることとなる。これにより、特に燃料電池104が固体高分子型燃料電池(PEFC)である場合とはなるが、燃料電池反応の要である固体高分子膜(電解質層)は、湿潤状態を保って高いプロトン伝導性を維持することができる。その結果、良好な燃料電池反応が実施可能となり、ひいては十分な酸素の消費された排ガスが提供可能となるのである。
Here, the "air or gas containing nitrogen and oxygen" taken into the
このように、水交換除湿U105は、燃料電池104からの出力ガスを窒素フィルタリング処理に適したガスに仕立てるのみならず、(燃料電池104の種別・方式にもよるが)燃料電池104への導入ガスを燃料電池反応にとって好適なガスに調整することができる。すなわち、この水交換除湿U105を、燃料電池104及び窒素フィルタリングU109と、両者を仲介する形で組み合わせたことによって、純度の高い窒素ガスが確実に且つ安定的に生成可能となっているのである。
Thus, the water exchange dehumidifier U105 not only prepares the output gas from the
ちなみに、特に燃料電池自動車の分野では、燃料電池に取り入れる空気を、排ガスからの水蒸気によって湿潤させる加湿器が公知である。例えば、特許文献:特開2006-156203号公報には、オフガスと供給ガスとの間で透過膜(水蒸気交換膜)を介して水交換を行う加湿器が開示されている。しかしながら、この公知の加湿器は、あくまで燃料電池に取り入れる空気を加湿するための手段であって、実際、加湿器から出た排ガスは排気され、何ら利用されてこなかったのである。 Incidentally, especially in the field of fuel cell vehicles, humidifiers are known in which the air entering the fuel cell is moistened by water vapor from the exhaust gas. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-156203 discloses a humidifier that exchanges water between an offgas and a supply gas via a permeable membrane (water vapor exchange membrane). However, this known humidifier is merely a means for humidifying the air taken into the fuel cell, and in fact, the exhaust gas emitted from the humidifier is exhausted and has not been used at all.
なお、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%(2N)以上とされることもあり、さらには99.9vol%(3N)以上や99.99vol%(4N)以上と規定されることもあるのである。 The terms "high purity" or "high purity" described above mean a state in which the oxygen concentration in the nitrogen gas is sufficiently reduced. Specifically, the nitrogen concentration in the "high-purity" or "high-purity" nitrogen gas produced in this embodiment (ml in 100 ml of the medium and the unit is vol%) is the field and application of the nitrogen gas For example, it may be defined as 95 vol% or more, or 99 vol% (2N) or more, or 99.9 vol% (3N) or more, or 99.99 vol% (4N) or more.
また以下、空気、水素ガス等の圧力(ガス圧)値は、真空を基準とした、すなわち大気圧を1気圧(約0.1Mパスカル(Pa))とした絶対圧の値となっている。例えば以下に示す「9気圧」は、空気や排ガスの配管に設置された、大気圧を基準とした圧力計の計測値では8気圧となる。 Further, hereinafter, the pressure (gas pressure) values of air, hydrogen gas, etc. are absolute pressure values based on vacuum, that is, the atmospheric pressure is 1 atm (approximately 0.1 M Pascal (Pa)). For example, the "9 atm" shown below is 8 atm when measured by a pressure gauge installed in the air or exhaust gas piping, based on the atmospheric pressure.
[装置・システム構成]
同じく図1に示すように、本実施形態の窒素ガス生成装置(システム)1は、
(a)高圧ガス供給ユニット(U)101と、
(b)燃料電池104を備えた燃料電池U103と、
(c)水交換除湿U105と、
(d)ドライフィルタ107Fを備えたドライフィルタリングU107と、
(e)窒素ガスフィルタ109Fを備えた窒素フィルタリングU109と、
(f)ガス改質U121と、
(g)増圧U123と、
(h)水素回収U129と、
(i)全体制御U131と
を備えた装置(システム)となっており、「空気、又は窒素及び酸素を含む気体」を取り入れて、純度の高い窒素ガスを生成し、外部に供給可能となっている。なお以後の説明では、取り入れられるのは空気であるが、勿論「窒素及び酸素を含む気体」であってもよい。
[Equipment/system configuration]
As also shown in FIG. 1, the nitrogen gas generator (system) 1 of the present embodiment includes:
(a) a high pressure gas supply unit (U) 101;
(b) fuel cell U103 comprising
(c) water exchange dehumidification U105;
(d) dry filtering U107 with dry filter 107F;
(e) nitrogen filtering U109 with
(f) gas reformer U121;
(g) a pressure booster U123;
(h) hydrogen recovery U129;
(i) It is a device (system) equipped with an overall control U131, which takes in "air or a gas containing nitrogen and oxygen", generates high-purity nitrogen gas, and can be supplied to the outside. there is In the following description, air is taken in, but of course "a gas containing nitrogen and oxygen" may be taken in as well.
また、窒素ガス生成システム1は例えば、燃料電池U103及び水交換除湿U105を備えた装置と、この装置外となるドライフィルタリングU107及び窒素フィルタリングU109とを有するものであってもよい。ここで、ドライフィルタリングU107はこの装置内のユニットとすることもでき、場合によれば後述するように省略することも可能である。さらに、窒素ガス生成システム1は、ガス改質U121を備えておらず、水素ガスをシステム外から取得するものとすることもできる。 Further, the nitrogen gas generation system 1 may have, for example, a device provided with a fuel cell U103 and a water exchange dehumidifier U105, and a dry filter U107 and a nitrogen filter U109 outside this device. Here, the dry filtering U107 can be a unit in this device, or can be omitted as described later, depending on the case. Furthermore, the nitrogen gas generation system 1 does not include the gas reformer U121, and the hydrogen gas can be obtained from outside the system.
さらに、窒素ガス生成システム1は、燃料電池104における空気取り入れ口及び排ガス出口と接続可能な配管ジョイント、水交換除湿U105、ドライフィルタリングU107、及び窒素フィルタリングU109を備えた「燃料電池取り付け型除湿フィルタリング装置(システム)」と、「燃料電池U103」とを接続させたシステムとすることも可能である。
Furthermore, the nitrogen gas generation system 1 includes a piping joint connectable to the air intake and the exhaust gas outlet of the
ちなみに、図1の装置・システム構成図における構成部間を矢印で接続して示した物質・エネルギー移動や実施される処理の流れは、本発明による窒素ガス生成方法の一実施形態としても理解される。 Incidentally, the material/energy transfer and the flow of the process to be performed, which are shown by connecting the components with arrows in the device/system configuration diagram of FIG. 1, can also be understood as an embodiment of the nitrogen gas generation method according to the present invention. be.
<高圧ガス供給手段>
同じく図1において、高圧ガス供給U101は本実施形態において、大気中から取り込んだ空気を圧縮し、生成した高圧の空気を燃料電池U103(水交換除湿U105)へ向けて供給するコンプレッサと、このコンプレッサを作動させるための電動モータとを備えたユニットである。ここでコンプレッサとして、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、様々な方式のものが採用可能である。
<High pressure gas supply means>
Also in FIG. 1, the high-pressure gas supply U101 in this embodiment is a compressor that compresses air taken in from the atmosphere and supplies the generated high-pressure air to the fuel cell U103 (water exchange dehumidifier U105), and this compressor a unit with an electric motor for actuating the Various types of compressors, such as a reciprocating type, scroll type, screw type, rotary type, or swing type, or a combination of two or more of these types, can be used as the compressor.
また本実施形態において、高圧ガス供給U101は、後に詳細に説明するが、少なくとも窒素フィルタリングU109において、好ましくはドライフィルタリングU107及び窒素フィルタリングU109において要求若しくは決定される「下限圧力」に基づき(装置(システム)1内の圧力損失を勘案して)設定される「圧力閾値」以上の圧力を有する高圧の空気を燃料電池U103(水交換除湿U105)へ供給化可能なように設定されている。ここで「下限圧力」は、これも後に説明するが通常、大気圧(1気圧,約0.1メガパスカル(MPa))を大きく超えた圧力値であって少なくとも3気圧(約0.3MPa)以上の高い圧力値に設定される。 Also in this embodiment, the high pressure gas supply U101, as described in detail below, is at least in nitrogen filtering U109, preferably in dry filtering U107 and nitrogen filtering U109, based on a "lower pressure limit" required or determined (system 1) is set so that high-pressure air having a pressure equal to or higher than the set "pressure threshold" can be supplied to the fuel cell U103 (water exchange dehumidifier U105). Here, the "lower limit pressure", which will also be explained later, is usually a pressure value greatly exceeding the atmospheric pressure (1 atmosphere, about 0.1 megapascal (MPa)) and at least 3 atmospheres (about 0.3 MPa). Set to the pressure value.
さらに、高圧ガス供給U101はバッファタンクを有し、このバッファタンクに圧縮した空気を高圧のまま一時的に保存・貯蔵してもよい。また、このバッファタンクから取り出した高圧空気を自ら備えたエアフィルタ及びオイルフィルタに通し、微小ゴミやオイル成分等の除去された高圧空気を供給することも好ましい。 Furthermore, the high-pressure gas supply U101 has a buffer tank, and the compressed air in this buffer tank may be temporarily preserved and stored while maintaining high pressure. Moreover, it is also preferable to pass the high-pressure air taken out from the buffer tank through an air filter and an oil filter provided by itself, and supply the high-pressure air from which minute dusts, oil components, and the like are removed.
なお、高圧ガス供給U101の好適な他の実施形態、具体的にはガス圧モータ及び圧縮ポンプを用いた実施形態を、後に図6を用いて詳細に説明する。ちなみに、窒素ガス生成装置(システム)1を導入する現場に例えば圧縮空気供給設備があれば、この高圧ガス供給U101は省略することが可能である。 Another preferred embodiment of the high-pressure gas supply U101, specifically an embodiment using a gas pressure motor and a compression pump, will be described later in detail with reference to FIG. Incidentally, if the site where the nitrogen gas generator (system) 1 is introduced has, for example, a compressed air supply facility, the high pressure gas supply U101 can be omitted.
同じく図1において、フロー制御器FCaは、高圧ガス供給U101から水交換除湿U105へ供給される高圧空気の流量や圧力を制御する機器である。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)とすることができる。ここで本実施形態において、この高圧空気は、例えば3~10気圧(約0.3~0.1MPa)の高い圧力を有した状態のまま、水交換除湿U105へ供給される。 Also in FIG. 1, the flow controller FCa is a device that controls the flow rate and pressure of high-pressure air supplied from the high-pressure gas supply U101 to the water exchange dehumidifier U105. Specifically, it can be a gas regulator and a mass flow controller (or flow switch). Here, in this embodiment, this high-pressure air is supplied to the water exchange dehumidifier U105 while maintaining a high pressure of, for example, 3 to 10 atmospheres (approximately 0.3 to 0.1 MPa).
<水交換除湿手段>
水交換除湿U105は本実施形態において、
(a)上記の「圧力閾値」以上の圧力を有する、本実施形態では例えば3~10気圧(約0.3~0.1MPa)の高い圧力を有する、受け取った高圧空気と、
(b)燃料電池104から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと
の間で水交換を行い、上記(b)の排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる手段となっている。また、これにより上記(a)の高圧空気に対し加湿を行って、湿潤な高圧空気を燃料電池104へ供給し、(例えば電解質層を湿潤状態に保つことによって)好適な燃料電池反応を継続的に実施させることも可能となるのである。
<Water exchange dehumidifying means>
In this embodiment, the water exchange dehumidifier U105
(a) received high pressure air having a pressure equal to or greater than the above "pressure threshold", in this embodiment having a pressure as high as, for example, 3 to 10 atmospheres (approximately 0.3 to 0.1 MPa);
(b) Water exchange is performed with the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air taken out from the
なお、この水交換除湿U105の構成・機能については、後に図2を用いて詳細に説明を行う。 The configuration and function of the water exchange dehumidifier U105 will be described later in detail with reference to FIG.
<水素生成手段>
同じく図1において、ガス改質U121は、都市ガス又はLP(Liquefied Petroleum)ガス等の炭化水素ガスを取り入れて、この炭化水素ガスと水蒸気とを混合し、この混合ガスから水蒸気改質反応によって水素(H2)を主成分とする水素含有ガスを生成する。ここで、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 generating means>
Also in FIG. 1, the gas reformer U121 takes in a hydrocarbon gas such as city gas or LP (Liquefied Petroleum) gas, mixes this hydrocarbon gas with steam, and produces hydrogen from this mixed gas by a steam reforming reaction. A hydrogen-containing gas containing (H 2 ) as a main component is produced. Here, a CO modification catalyst or the like is used to reduce the amount of carbon monoxide gas contained in the generated hydrogen-containing gas, and a CO selective oxidation catalyst is used to further reduce the carbon monoxide concentration. It is also preferable to have
また、増圧U123は本実施形態において、ガス改質U121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・貯蔵する水素吸蔵合金ボンベを備えており、高圧の水素ガスを燃料電池104へ供給するユニットとなっている。
In addition, in this embodiment, the pressure booster U123 is equipped with a hydrogen storage alloy cylinder that temporarily stores and stores the hydrogen gas supplied from the gas reformer U121 in a compressed (high pressure) state. It is a unit that supplies to the
さらにフロー制御器FCbは、増圧U123から燃料電池104へ供給される水素ガスの流量や圧力を制御する機器である。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。ここで本実施形態において、この高圧水素ガスは、上記の高圧空気と同等の圧力であって例えば3~10気圧(約0.3~0.1MPa)の高い圧力を有した状態のまま、燃料電池104へ供給される。これにより、燃料電池104の例えば電解質層における各層面側に同等の圧力を及ぼして、電解質層の破損を防止することも可能となる。
Furthermore, the flow controller FCb is a device that controls the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied from the pressure booster U123 to the
同じく図1において、燃料電池U103における水素極側(燃料ガス室側)の排ガス出口の後段に設けられた圧力制御器PCcは、燃料電池104の水素極側(燃料ガス室側)の背圧を所定の設定圧力、本実施形態では例えば3~10気圧(約0.3~0.1MPa)に維持するための機器である。すなわち、燃料電池104の水素極側の燃料ガス室から(ドレインDbで結露水をある程度取り除かれた上で)排出される排ガス、すなわち背圧を、所定の設定圧力(例えば3~10気圧)の高圧状態に維持する役割を果たす。 Similarly in FIG. It is a device for maintaining a predetermined set pressure, for example, 3 to 10 atmospheres (about 0.3 to 0.1 MPa) in this embodiment. That is, the exhaust gas discharged from the fuel gas chamber on the hydrogen electrode side of the fuel cell 104 (after some degree of condensed water has been removed by the drain Db), that is, the back pressure, is set at a predetermined set pressure (for example, 3 to 10 atmospheres). Plays a role in maintaining high pressure.
この圧力制御器PCcは具体的に、背圧弁及び圧力計を備えていて、この背圧弁の調整によって燃料電池104内における水素極側の背圧を制御するものであってもよい。なお以下、水素極側においても空気極側においても「背圧」値は、燃料電池104の排出側が解放状態の場合、すなわち排ガスの圧力が大気圧の場合において1気圧(約0.1MPa)とする。
Specifically, the pressure controller PCc may include a back pressure valve and a pressure gauge, and control the back pressure on the hydrogen electrode side in the
同じく図1において、水素回収U129は、上記の圧力制御器PCcを介して出てきた排ガスから、例えば公知の水素ガスフィルタやエグゼクタを用いて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本実施形態において、フロー制御器FCbの後段の水素混合器Maへ送り返される。なお、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。
Also in FIG. 1, the
また水素回収U129は、未反応の残留水素ガス取り出し処理の前処理として、上記の圧力制御器PCcを介して出てきた排ガスから、なお残留している水蒸気分や水分を除去する除湿処理を実施することも好ましい。ここで、この除湿処理は具体的に、例えばシリカゲルやゼオライト等を用いた除湿器、加圧機構を備えた除湿デバイス、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の気液分離器、さらにはドライフィルタデバイスによって実施されることも好ましい。
In addition, the
<燃料電池ユニット>
同じく図1において燃料電池U103は、燃料電池104を備えており、本実施形態において、
(a)上記の「圧力閾値」以上の圧力を有する、本実施形態では例えば3~10気圧(約0.3~0.1MPa)の高い圧力を有する、水交換除湿U105で加湿された湿潤な高圧空気と、
(b)上記(a)の高圧空気と同等の圧力であって例えば3~10気圧(約0.3~0.1MPa)の高い圧力を有する、フロー制御器FCb(ガス改質U121)から供給された高圧水素ガスと
をそれぞれ、燃料電池104の空気極側の空気取り入れ口及び水素極側の水素取り入れ口から受け入れて、それぞれ酸化ガス室及び燃料ガス室に取り込み、燃料電池反応を引き起こす。
<Fuel cell unit>
Similarly in FIG. 1, the fuel cell U103 includes a
(a) Humidified high-pressure air humidified by water exchange dehumidifier U105, which has a pressure equal to or higher than the above "pressure threshold", in this embodiment, for example, a high pressure of 3 to 10 atmospheres (about 0.3 to 0.1 MPa). ,
(b) high pressure supplied from the flow controller FCb (Gas Reformer U121) having a pressure equivalent to the high pressure air in (a) above, for example 3 to 10 atmospheres (approximately 0.3 to 0.1 MPa) The hydrogen gas is received from the air intake on the air electrode side and the hydrogen intake on the hydrogen electrode side of the
次いでこの燃料電池反応の結果として、燃料電池104の空気極側の排ガス取り出し口及び水素極側の排ガス取り出し口からそれぞれ、
(c)上記の「圧力閾値」以上の圧力を有する、本実施形態では例えば3~10気圧(約0.3~0.1MPa)の高い圧力を有する、空気よりも低い酸素濃度を有する高圧排ガスと、
(d)上記(c)の排ガスと同等の圧力を有する高圧排ガスと
を排出する。
Then, as a result of this fuel cell reaction, from the exhaust gas outlet on the air electrode side and the exhaust gas outlet on the hydrogen electrode side of the
(c) a high-pressure exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of air, having a pressure equal to or higher than the above-mentioned "pressure threshold", in this embodiment having a pressure as high as, for example, 3 to 10 atmospheres (approximately 0.3 to 0.1 MPa);
(d) discharging a high pressure exhaust gas having a pressure equivalent to that of the exhaust gas of (c) above;
ここで、上記(c)の高圧排ガスはこの後、ドレインDaで結露水をある程度取り除かれ、温度調整器TCaでこの後の水交換除湿処理に好適となる温度への温度調整を受けた後、水交換除湿U105に供給され、除湿処理を施される。またさらに、窒素フィルタリング処理等を受けて最終的に、装置(システム)1の成果である高純度窒素ガスに変換されるのである。いずれにしてもこの高圧排ガスは通常、相対湿度が概ね100%であるガスであり、この後の水交換除湿U105等による除湿処理が非常に重要となる。ちなみに本実施形態では排ガスが高圧状態にあるので、その露点は相当に高くなっており、ドレインDa及びDbに落ちる水量はその分増大する。すなわち、ドレインDa及びDbにおいてもより高い除湿処理が実施されるのである。 Here, the high-pressure exhaust gas of (c) above is then subjected to a certain amount of dew condensation water removed by the drain Da, and after being subjected to temperature adjustment to a temperature suitable for the subsequent water exchange dehumidification treatment by the temperature controller TCa, It is supplied to the water exchange dehumidifier U105 and dehumidified. Furthermore, it undergoes nitrogen filtering and the like, and is finally converted into high-purity nitrogen gas, which is the result of the device (system) 1 . In any case, this high-pressure exhaust gas is usually a gas with a relative humidity of approximately 100%, and the subsequent dehumidification treatment by water exchange dehumidification U105 or the like is very important. Incidentally, in this embodiment, since the exhaust gas is in a high-pressure state, its dew point is considerably high, and the amount of water falling into the drains Da and Db is correspondingly increased. That is, the drains Da and Db are also subjected to higher dehumidification.
また以上述べたように、燃料電池104の入出力を高圧にすることによって燃料電池反応を促進させ、その結果、より酸素濃度の低い高圧排ガスが取り出し可能となる。また、後に1つの実施形態として詳細に説明するが、
空気供給源としての高圧ガス供給U101、(図5を用いて後に説明する)水素供給源としての高圧水電気分解U125、燃料電池U103、水交換除湿U105、ドライフィルタリングU107、(図4及び図5を用いて後に説明する)触媒燃焼U108、及び窒素フィルタリングU109
をいずれも高圧ガスのやり取りで結んで、装置(システム)1全体において、高圧空気から高圧高純度窒素ガスまでを、高圧の一気通貫で高い効率をもって生成することも可能となる。
Further, as described above, by setting the input/output of the
High pressure gas supply U101 as air supply, high pressure water electrolysis U125 as hydrogen supply (described later with FIG. 5), fuel cell U103, water exchange dehumidification U105, dry filtering U107, (FIGS. 4 and 5 ), catalytic combustion U108, and nitrogen filtering U109
are connected by exchange of high-pressure gas, and in the entire device (system) 1, it is possible to generate high-pressure air to high-pressure high-purity nitrogen gas at high pressure all the way through with high efficiency.
また燃料電池104は、公知の構成のものとすることができ、例えば、空気極(酸素極,陰極,カソード)と水素極(燃料極,陽極,アノード)とで電解質層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)したような構成を有していてもよい。ここで各セルは言い換えれば、空気極側の酸化ガス室と水素極側の燃料ガス室とが電解質層を挟むようにして設けられた構造となっている。
The
さらに、燃料電池104は、本実施形態において固体高分子型燃料電池(PEFC)となっているが、勿論、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)等とすることも可能である。ちなみに本実施形態で採用しているPEFC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。
Further, the
このPEFC方式を採用した燃料電池104における固体高分子膜(電解質層)は、高いプロトン伝導性を維持して良好な燃料電池反応を継続させるため、湿潤状態になければならない。この点、燃料電池104に取り入れられる上記(a)の高圧空気は水交換除湿U105で加湿された湿潤な空気となっている。その結果、固体高分子膜(電解質層)はこの湿潤な高圧空気から水分・水蒸気分を受けて湿潤状態を保つことができ、これにより、十分な酸素の消費された排ガスが安定して供給可能となるのである。
The solid polymer membrane (electrolyte layer) in the
また本実施形態において、燃料電池104は、上述したように、上記(a)の高圧(例えば3~10気圧)空気と、上記(b)の高圧(例えば3~10気圧)水素ガスとを受けて、上記(c)の酸化ガス室からの高圧(例えば3~10気圧)排ガスと、上記(d)の燃料ガス室からの高圧(例えば3~10気圧)排ガスとを排出する高圧型となっている。ここでこれらの酸化ガス室及び燃料ガス室での圧力、すなわち背圧(例えば3~10気圧)はそれぞれ、背圧弁を備えた圧力制御器PCa及び背圧弁を備えた圧力制御器PCcによって設定・調整される。なお、燃料電池104の電解質層の破損を防止するべく、酸化ガス室の背圧と燃料ガス室の背圧とは、例えば0.1気圧(約0.01MPa)未満の誤差で、同等に設定されることも好ましい。なお、酸化ガス室側(空気極側)の背圧が、窒素フィルタリングU109の後段に設けられた後述する圧力制御器PCdによって制御可能な場合、圧力制御器PCaは省略することも可能である。
In this embodiment, as described above, the
ちなみに、高圧対応の燃料電池として、例えば導入圧力が9気圧(約0.9MPa)であって出力が数十kW(例えば70kW)を定格とした燃料電池を用いることも好ましい。ここで、出力が大きな燃料電池を採用することによって、取り出される排ガスの量が増大し、最終的に生成される高純度窒素ガスの量(流量)も大きくすることが可能となるのである。 Incidentally, it is also preferable to use, for example, a fuel cell with an introduction pressure of 9 atmospheres (approximately 0.9 MPa) and a rated output of several tens of kW (eg, 70 kW) as a high-pressure fuel cell. Here, by adopting a fuel cell with high output, the amount of exhaust gas taken out increases, and the amount (flow rate) of high-purity nitrogen gas finally generated can also be increased.
また、以上に説明したような燃料電池104を備えた燃料電池U103は、(a)燃料電池104に取り込ませた高圧空気や高圧水素ガスの流量、圧力、及び温度、(b)燃料電池104から排出される排ガスや排出される水蒸気・水分の流量、圧力、及び温度、並びに(c)燃料電池104の水素極・空気極間における複素インピーダンス、を測定可能な測定デバイス・センサ群を備えていることも好ましい。さらに、当該測定デバイス・センサ群からの測定情報を受け取った全体制御U131によって、燃料電池104の稼働が適切に制御されることも好ましい。
Further, the fuel cell U103 equipped with the
例えば単純な制御の例として、上記(b)及び上記(c)を説明変数とし、上記(a)を目的変数とした、DNN(Deep Neural Network)アルゴリズム等を用いた燃料電池制御(機械学習)モデルを構築し、燃料電池104が所望の出力を行うように、この構築したモデルを用いて燃料電池104へ供給する水素ガスや空気の流量、圧力、及び/又は温度を調整してもよい。
For example, as an example of simple control, fuel cell control (machine learning) using a DNN (Deep Neural Network) algorithm, etc., with the above (b) and (c) as explanatory variables and the above (a) as an objective variable. A model may be constructed and used to adjust the flow rate, pressure, and/or temperature of the hydrogen gas or air supplied to the
さらに、燃料電池U103は、水等の熱交換媒体を循環させる熱交換器を燃料電池104内に又はその周囲に配置して、稼働し発熱した燃料電池104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。ここで、使用可能な熱交換器として、シェル&チューブ式熱交換器等の多管式熱交換器や、アルファ・ラバル製ブレージングプレート式熱交換器等のプレート式熱交換器が挙げられる。また、熱交換器の代わりに、燃料電池104における伝導性のセパレータとヒートパイプとを連結した熱伝導システムを用いて、燃料電池104内の熱を直接外部に取り出すことも可能である。いずれにしても、このような熱伝達手段によって、燃料電池104のセルの温度を所定温度(例えば80℃)以下に制御し、燃料電池104の好適な稼働を維持することができる。
Further, the
ここで、上記の熱交換器や熱伝導システムといったような熱伝達手段で移送された熱は、本実施形態において、
(a)水交換除湿U105へ供給される高圧排ガスの温度を調整する温度調整器TCa、及び
(b)窒素フィルタリングU109へ供給される高圧排ガスの温度を調整する温度調整器TCb
に送られて、高圧排ガスの温度調整に使用される。例えば、高圧排ガスの通った金属細管の温度を当該熱で変化させて温度調整を行うことも好ましい。さらに、この熱は、後述するオフガスバッファタンクを備えた圧力調整ユニットPCbに送られて、当該タンク内の排ガスの温度調整に使用されることも好ましい。さらに、燃料電池104から移送された熱を、ガス改質U121における水蒸気改質の際に必要となる熱量に当てることも可能である。
Here, the heat transferred by the heat transfer means such as the above heat exchanger or heat transfer system is, in this embodiment,
(a) a temperature controller TCa that adjusts the temperature of the high pressure exhaust gas supplied to the water exchange dehumidifier U105; and (b) a temperature controller TCb that adjusts the temperature of the high pressure exhaust gas supplied to the nitrogen filtering U109.
and used to control the temperature of the high-pressure exhaust gas. For example, it is also preferable to adjust the temperature by using the heat to change the temperature of a thin metal tube through which the high-pressure exhaust gas passes. Furthermore, this heat is preferably sent to a pressure regulation unit PCb equipped with an off-gas buffer tank, which will be described later, and used to regulate the temperature of the exhaust gas in the tank. Additionally, the heat transferred from the
また、燃料電池U103は、燃料電池104で生成された電力を高圧ガス供給U101へ供給し、高圧ガス供給U101は、この電力によって又はこの電力と商用電力とによって、自らに備えられたコンプレッサを稼働させることも好ましい。これにより、装置(システム)1全体に対する電力供給を抑制する(若しくは概ねゼロにする)ことも可能となる。
The fuel cell U103 also supplies the power generated by the
さらに他の実施形態とはなるが、燃料電池U103において、燃料電池104が2つ又はそれ以上直列に接続されていて、2つ目以降の燃料電池104は順次、1つ前の燃料電池104の排ガスを取り込んで燃料電池反応に使用し、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)が取り出される構成を採用することも可能である。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。
In yet another embodiment, in the fuel cell U103, two or
ここで、以上に説明した本実施形態の燃料電池104は、高圧(例えば3~10気圧)対応の燃料電池となっているが、例えば3気圧(若しくは2気圧)未満のガスを取り扱う通常の燃料電池とすることも可能である。この場合、高圧ガス供給U101及び増圧U123は、例えば3気圧(若しくは2気圧)未満の空気や水素ガスを供給するために使用することができ、または、燃料電池104へ導入すべきガス圧次第ではあるが省略されてもよい。
Here, the
またこの場合、水交換除湿U105は、例えば3気圧(若しくは2気圧)未満の取り入れた空気と、燃料電池104から取り出された例えば3気圧(若しくは2気圧)未満の排ガスとの間で水交換を行い、この排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させることになる。勿論この場合においても、後に詳しく説明するが、空気と排ガスとの温度差を調整することによって確実に除湿処理を進めることが可能となる。
Also, in this case, the water exchange dehumidifier U105 exchanges water between the taken air of less than 3 atmospheres (or 2 atmospheres) and the exhaust gas of less than 3 atmospheres (or 2 atmospheres) taken out from the
なお以下、このような燃料電池を「通常ガス圧型」の燃料電池とし、この「通常ガス圧型」の燃料電池104を用いる実施形態についても適宜、説明を行う。
Hereinafter, such a fuel cell will be referred to as a "normal gas pressure type" fuel cell, and an embodiment using this "normal gas pressure type"
<ドライフィルタリング手段>
同じく図1において、ドライフィルタリングU107は本実施形態において、ドライフィルタ107Fを備えており、水交換除湿U105から取り出された高圧(例えば3~10気圧)排ガスにおける水分又は水蒸気分を更に低減させる除湿手段である。
<Dry filtering means>
Also in FIG. 1, the dry filtering U107 is equipped with a dry filter 107F in this embodiment, and is a dehumidifying means for further reducing moisture or water vapor in the high-pressure (for example, 3 to 10 atm) exhaust gas taken out from the water exchange dehumidifying U105. is.
本実施形態のドライフィルタ107Fは、図1に示したように、空気と比較して水蒸気をより多く透過させる中空糸膜107Faの入口から、高圧排ガスをこの中空糸膜107Fa内に導入し、中空糸膜107Faの出口から、水分又は水蒸気分の更に低減した乾燥排ガスを取り出すことのできるフィルタとなっている。ここで、取り出された乾燥排ガスの一部(例えば10~20%)は、中空糸膜107Faの表面側に戻され、中空糸膜107Faを透過してきた水蒸気を取り込んでフィルタ外に放出させるパージガスとして使用される。なお変更態様となるが、このパージガスとして、生成した乾燥排ガスの一部ではなく、外部から供給される(例えば工場内に配備された)圧縮空気を利用することも可能である。 The dry filter 107F of the present embodiment, as shown in FIG. It is a filter that can take out dry exhaust gas with further reduced moisture or water vapor content from the outlet of the fiber membrane 107Fa. Here, a part (for example, 10 to 20%) of the dried exhaust gas taken out is returned to the surface side of the hollow fiber membrane 107Fa, and serves as a purge gas that takes in the water vapor that has permeated the hollow fiber membrane 107Fa and releases it out of the filter. used. As a modification, it is possible to use compressed air supplied from the outside (for example, installed in a factory) instead of part of the generated dry exhaust gas as the purge gas.
また、上記の中空糸膜107Faは例えば、水分子との親和性が高いフッ素系非多孔膜とすることができる。いずれにしても中空糸膜107Faには、膜の内側を流れる排ガスと外側を流れるパージガスとの水分濃度差を解消させようとする力が働き、その結果、排ガスからパージガスへ水分・水蒸気分が移動するのである。 Further, the hollow fiber membrane 107Fa may be, for example, a fluorine-based non-porous membrane having a high affinity with water molecules. In any case, the hollow fiber membrane 107Fa is acted upon by a force to eliminate the difference in moisture concentration between the exhaust gas flowing inside the membrane and the purge gas flowing outside, and as a result, moisture and water vapor are transferred from the exhaust gas to the purge gas. I do.
以上述べたようなドライフィルタ107Fにおいては、導入される高圧排ガスの圧力(導入圧力)を高くするほど、また導入される高圧排ガスの流量(フィルタ入口流量)を小さくするほど、フィルタ出口から、より相対湿度の低い(すなわち露点のより低い)排ガスを取り出すことのできることが実験によって確認されている。例えば、相対湿度100%の排ガスをある中空糸膜方式のドライフィルタへ、フィルタ入口流量100リットル(L)/分の条件で導入した結果、得られた乾燥排ガスの相対湿度は、導入圧力が2気圧(約0.2MPa)の場合に55%となり、導入圧力が4気圧(約0.4MPa)の場合に33%となった。さらに、この導入圧力が4気圧(約0.4MPa)の場合にフィルタ入口流量を50L/分とすると、得られた乾燥排ガスの相対湿度は、20%まで低下した。 In the dry filter 107F as described above, the higher the pressure of the introduced high-pressure exhaust gas (introduction pressure) and the smaller the flow rate of the introduced high-pressure exhaust gas (filter inlet flow rate), the more Experiments have confirmed that exhaust gases with low relative humidity (ie, lower dew point) can be extracted. For example, as a result of introducing exhaust gas with a relative humidity of 100% into a hollow fiber membrane type dry filter at a filter inlet flow rate of 100 liters (L) / minute, the relative humidity of the dry exhaust gas obtained is 2 when the introduction pressure is 2 It was 55% at atmospheric pressure (approximately 0.2 MPa) and 33% at introduction pressure of 4 atmospheric pressure (approximately 0.4 MPa). Furthermore, when the introduction pressure was 4 atmospheres (approximately 0.4 MPa) and the filter inlet flow rate was 50 L/min, the relative humidity of the obtained dry exhaust gas decreased to 20%.
ちなみに、例えば導入圧力が9気圧(約0.9MPa)であり、フィルタ入口流量が520L/分であって出口流量が280L/分(すなわち収率が54%)である条件下において、大気圧下での露点が-60℃となる乾燥ガスを取り出すことができるドライフィルタを採用する場合、このドライフィルタをN個(例えば3つ)並列に配置したものを使用することによって、このような乾燥排ガスを、流量280×N(N=3ならば840)L/分だけ生成することも可能となる。 By the way, for example, the inlet pressure is 9 atmospheres (about 0.9 MPa), the filter inlet flow rate is 520 L / min, and the outlet flow rate is 280 L / min (that is, the yield is 54%). When adopting a dry filter that can extract dry gas with a dew point of -60°C, by using N pieces (for example, 3) of these dry filters arranged in parallel, such dry exhaust gas can be removed. , a flow rate of 280×N (840 if N=3) L/min.
以上本実施形態において、ドライフィルタリングU107は、高圧(例えば3~10気圧)排ガスにおける水分又は水蒸気分を更に低減させることを説明した。ここで、この高圧値は本実施形態において、(この後通過する窒素フィルタリングU109の窒素ガスフィルタ109Fだけではなく)このドライフィルタ107F自体において要求若しくは決定される「下限圧力」以上の値となっている。ここで、この「下限圧力」は、フィルタの特性によって決定される大気圧(1気圧,約0.1MPa)を大きく超えた圧力値であって、通常、少なくとも3気圧(約0.3MPa)以上の高い圧力値に設定される。
As described above, in the present embodiment, the dry filtering U107 further reduces the moisture or water vapor content in the high-pressure (eg, 3 to 10 atm) exhaust gas. Here, in this embodiment, this high pressure value is a value equal to or higher than the "lower limit pressure" required or determined in this dry filter 107F itself (not only in the
例えば、所望の低い相対湿度を有する所望流量の乾燥排ガスを取り出すために、導入圧力は9気圧(約0.9MPa)以上とすべき(すなわち「下限圧力」は9気圧(約0.9MPa)とすべき)ドライフィルタ107Fを使用する場合、ドライフィルタリングU107に導入される排ガスは、例えば9~9.5気圧(約0.9~0.95MPa)の圧力を有するガスとすることができる。ちなみにこの場合、高圧空気供給元である高圧ガス供給U101は、この「下限圧力」(9気圧)に基づき(装置(システム)1内の圧力損失を勘案して)設定される「圧力閾値」である例えば9.5気圧(約0.95MPa)以上の圧力を有する高圧空気を生成することも好ましい。 For example, to remove a desired flow rate of dry exhaust gas with a desired low relative humidity, the inlet pressure should be 9 atmospheres (approximately 0.9 MPa) or higher (i.e., the "lower pressure limit" should be 9 atmospheres (approximately 0.9 MPa). ) When using the dry filter 107F, the exhaust gas introduced into the dry filter U107 can be gas having a pressure of, for example, 9 to 9.5 atmospheres (approximately 0.9 to 0.95 MPa). Incidentally, in this case, the high-pressure gas supply U101, which is the high-pressure air supply source, is a "pressure threshold" set based on this "lower limit pressure" (9 atm) (taking into consideration the pressure loss in the device (system) 1). It is also preferred to generate high pressure air having a pressure of, for example, 9.5 atmospheres (about 0.95 MPa) or more.
以上述べたように、高圧対応の燃料電池104とドライフィルタリングU107とは、一連の高圧系とすることにより、電池反応の効率を促進しつつ発生する水分・水蒸気分を効率的に除去することができるので、非常に好適な取り合わせとなっているのである。ただし、前段の水交換除湿U105によって高圧排ガスの除湿処理が十分に実施される場合、例えば水交換除湿U105によって高圧排ガスの相対湿度が窒素フィルタリングU109に供給しても差し支えない程度(窒素フィルタリング処理が有効に実施される程度)に低下する場合、ドライフィルタリングU107は省略することも可能である。
As described above, the high-
以上、高圧対応の燃料電池104とドライフィルタリングU107とを備えた実施形態について説明したが、本装置(システム)1では、「通常ガス圧型」の燃料電池104とドライフィルタリングU107とを用いる実施形態をとることも可能である。この場合図1に示したように、ドライフィルタリングU107の前段に「圧力調整ユニットPCb」が設けられてもよい。
In the above, an embodiment having a high-pressure
この圧力調整ユニットPCbは、水交換除湿U105から取り出された排ガスの圧力を、少なくとも窒素フィルタリングU109において(ここではドライフィルタリングU107及び窒素フィルタリングU109において)要求若しくは決定される下限圧力に基づき設定される「圧力閾値」以上の圧力に調整する。例えば、水交換除湿U105から取り出された排ガスの圧力を、ドライフィルタリングU107において設定された導入圧力(例えば9気圧)、若しくはそれ以上となるように調整するのである。 This pressure regulating unit PCb sets the pressure of the exhaust gas taken out of the water exchange dehumidifier U105 at least in the nitrogen filtering U109 (here in the dry filtering U107 and the nitrogen filtering U109) based on the required or determined lower limit pressure. Adjust the pressure above the pressure threshold. For example, the pressure of the exhaust gas extracted from the water exchange dehumidifier U105 is adjusted to the introduction pressure (for example, 9 atmospheres) set in the dry filter U107 or higher.
具体的に圧力調整ユニットPCbは、圧縮ポンプやブースタポンプ若しくはガス駆動タイプの増圧弁と、ガス圧計を備えたオフガスバッファタンクとを備えたものとすることができる。水交換除湿U105から取り出された排ガスは、ドライフィルタリングU107において設定された導入圧力以上の圧力となるまで増圧されてオフガスバッファタンクに導入され、一時的に保存される。ここで、(上述したように高圧ガス供給U101が設けられる場合ではあるが)高圧ガス供給U101からの高圧空気の一部を引き入れ、これにより増圧弁を駆動させることも好ましい。 Specifically, the pressure regulating unit PCb may comprise a compression pump, a booster pump or a gas-driven pressure increasing valve, and an off-gas buffer tank equipped with a gas pressure gauge. The exhaust gas extracted from the water exchange dehumidifier U105 is pressurized to a pressure equal to or higher than the introduction pressure set in the dry filtering U107, introduced into the offgas buffer tank, and temporarily stored. Here, it is also preferred to draw in some of the high pressure air from the high pressure gas supply U101 (if the high pressure gas supply U101 is provided as described above) and thereby drive the booster valve.
さらに、圧力調整ユニットPCbのオフガスバッファタンクは、燃料電池U103から熱交換器や熱伝導システムといったような熱伝達手段で移送された熱を受け取り、タンク内の排ガスを、室温よりも高い温度にすることも好ましい。これにより、ドライフィルタリングU107のドライフィルタ107Fへ、ドライフィルタリング処理上好適とされる温度範囲内の温度の排ガスを供給することも可能となる。なお勿論、水交換除湿U105から取り出された排ガスの温度がドライフィルタリング処理上好適とされる温度範囲内にある場合は、オフガスバッファタンク内排ガスの加熱処理は不要となる。 In addition, the off-gas buffer tank of the pressure regulation unit PCb receives heat transferred from the fuel cell U103 by means of heat transfer, such as a heat exchanger or a heat transfer system, to raise the exhaust gas in the tank to a temperature above room temperature. is also preferred. As a result, it becomes possible to supply exhaust gas having a temperature within a temperature range suitable for dry filtering to the dry filter 107F of the dry filtering U107. Of course, if the temperature of the exhaust gas taken out from the water exchange dehumidifier U105 is within a temperature range suitable for dry filtering, the heat treatment of the exhaust gas in the offgas buffer tank is unnecessary.
ここで、以上説明した圧力調整ユニットPCbを採用することによって、この「通常ガス圧型」の燃料電池104を用いる実施形態においても、この後詳細に説明する窒素フィルタリングU109や、触媒燃焼U108を利用することが可能となるのである。
Here, by adopting the pressure regulation unit PCb described above, even in this embodiment using the "normal gas pressure type"
また、このような圧力調整ユニットPCbは、高圧対応の燃料電池104を用いる実施形態において採用することもできる。例えば、ドライフィルタリングU107へ導入する排ガスの圧力が、元々の設定や途中の圧力損失等の事情によりドライフィルタリングU107において設定された導入圧力(例えば9気圧)に達していない場合に、圧力調整ユニットPCbが圧力の不足分を補うことも好ましいのである。なお勿論、このような圧力調整の必要がない場合、この圧力調整ユニットPCbは省略されてもよい。
Moreover, such a pressure regulation unit PCb can also be employed in an embodiment using a
<窒素フィルタリング手段>
同じく図1において、窒素フィルタリングU109は本実施形態において、(ドライフィルタリングU107から取り出された)水分又は水蒸気分の低減した高圧(例えば3~10気圧)の排ガスを、窒素ガスフィルタ109Fを用いて窒素濃度の増大したガス、本実施形態では高純度窒素ガスにする手段である。
<Nitrogen filtering means>
Also in FIG. 1, the nitrogen filter U109 in this embodiment filters high-pressure (for example, 3 to 10 atmospheres) exhaust gas with reduced moisture or water vapor content (taken out from the dry filter U107) using a
具体的に本実施形態において、窒素フィルタリングU109の窒素ガスフィルタ109Fは、
(a)窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる中空糸繊維部(図3の109Fa)と、
(b)高圧(例えば3~10気圧)の排ガスを、窒素ガスフィルタ109Fの中空糸繊維部へ作用させるべく導入するためのフィルタ入口部(図3の109Fb)、及びこの中空糸繊維部から窒素濃度の増大した排ガス(高純度窒素ガス)を取り出すためのフィルタ出口部(図3の109Fc)と、
(c)窒素ガスフィルタ109Fの中空糸繊維部によって(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(高純度窒素ガス)とは別に取り出すフィルタパージ部(図3の109Fd)と
を備えている。
Specifically, in this embodiment, the
(a) hollow fiber portions (109Fa in FIG. 3) having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen;
(b) A filter inlet portion (109Fb in FIG. 3) for introducing high-pressure (for example, 3 to 10 atm) exhaust gas to act on the hollow fiber fiber portion of the
(c) The gas containing oxygen molecules separated from the nitrogen molecules (in the exhaust gas) by the hollow fiber fiber portion of the
このうち、窒素ガスフィルタ109Fの中空糸繊維部は、窒素分子よりも酸素分子をより優先して透過させる中空糸の高分子繊維である。高圧(例えば3~10気圧)の排ガスが、フィルタ入口部からこの中空糸繊維部中を流れていく間に、酸素分子が選択的にこの高分子繊維を透過し出ていくので、最終的にフィルタ出口から高純度の窒素ガスが取り出されるのである。
Among them, the hollow fiber portion of the
またこのような中空糸繊維部においては、導入される高圧排ガスの圧力(導入圧力)を高くするほど、また取り出される高圧排ガス(高純度窒素ガス)の流量(出口流量)を小さくするほど、さらに導入される高圧排ガスの酸素濃度(導入酸素濃度)を低くするほど、フィルタ出口から、酸素濃度(出口酸素濃度)のより低い(すなわち窒素濃度のより増大した)ガスを取り出すことのできることが実験によって確認されている。 In addition, in such a hollow fiber portion, the higher the pressure (introduction pressure) of the high-pressure exhaust gas to be introduced, and the smaller the flow rate (outlet flow rate) of the high-pressure exhaust gas (high-purity nitrogen gas) to be taken out, the more Experiments have shown that the lower the oxygen concentration (introduced oxygen concentration) of the high-pressure exhaust gas to be introduced, the lower the oxygen concentration (outlet oxygen concentration) (that is, the higher the nitrogen concentration) gas can be taken out from the filter outlet. Confirmed.
ここで、上記の出口酸素濃度の導入酸素濃度依存性の観点から見ると、低酸素濃度の排ガスを排出する燃料電池104と、この排ガスをフィルタリングする窒素ガスフィルタ109Fとは、純度の高い窒素ガスを生成する上で非常に好適な組み合わせとなっていることが理解される。またさらに、導入酸素濃度を小さくするほど回収率(=出口流量/導入流量)が高くなることも実験によって確認されている。したがって、回収率の観点からも、燃料電池104と窒素ガスフィルタ109Fとは、十分な量の高純度窒素ガスを回収可能な好適な組み合わせとなっているのである。
Here, from the viewpoint of the dependency of the outlet oxygen concentration on the introduced oxygen concentration, the
ちなみに窒素ガスフィルタ109Fとしては具体的に、例えばポリイミド中空糸を用いた宇部興産製のUBE N2セパレーター、ダイセル・エボニック社製のSEPURAN N2 メンブランモジュールや、同じくダイセル・エボニック社製のselectiveタイプの窒素ガスフィルタ等を採用することができる。
By the way, as the
以上本実施形態において、窒素ガスフィルタ109Fは、高圧(例えば3~10気圧)の排ガスにおける酸素濃度をより低減させることを説明した。ここで、この高圧値は本実施形態において、ドライフィルタ107Fにおいて要求若しくは決定される「下限圧力」以上の値となっている。ここで、この「下限圧力」は上述したように、フィルタの特性によって決定される大気圧(1気圧,約0.1MPa)を大きく超えた圧力値であって、通常、少なくとも3気圧(約0.3MPa)以上の高い圧力値に設定される。
As described above, in the present embodiment, the
例えば、所望の低い酸素濃度を有する所望流量の窒素ガス(排ガス)を取り出すために、導入圧力は8気圧(約0.8MPa)以上とすべき(すなわち「下限圧力」は8気圧(約0.8MPa)とすべき)窒素ガスフィルタ109Fを使用する場合、窒素ガスフィルタ109Fに導入される排ガスは、例えば8~8.5気圧(約0.8~0.85MPa)の圧力を有するガスとすることができる。ちなみにこの場合、高圧空気供給元である高圧ガス供給U101は、「下限圧力」(8気圧)に基づき(装置(システム)1内の圧力損失を勘案して)設定される「圧力閾値」である例えば8.5気圧(約0.85MPa)(上述したように、ドライフィルタ107Fの要請を勘案すると例えば9.5気圧(約0.95MPa))以上の圧力を有する高圧空気を生成することも好ましい。
For example, in order to take out a desired flow rate of nitrogen gas (exhaust gas) with a desired low oxygen concentration, the introduction pressure should be 8 atmospheres (about 0.8 MPa) or more (that is, the "lower limit pressure" is 8 atmospheres (about 0.8 MPa) When using the
ここで1つの実施例を挙げる。窒素ガスフィルタ109Fとして宇部興産製のUBE N2セパレーターNM-B01Aを使用し、この窒素ガスフィルタ109Fに対し、温度が50℃であって酸素濃度が5.1vol%の窒素・酸素混合ガスを、導入圧力7.0気圧(約0.7MPa)で導入したところ、出口流量を1.0L/分に設定した場合に、酸素濃度が約1000ppm vol(0.1vol%)の高純度窒素ガスが得られた。また同条件下で酸素濃度が1.1vol%の窒素・酸素混合ガスを導入したところ、酸素濃度が約300ppm vol(0.03vol%)の高純度窒素ガスが得られている。
One example is given here. A UBE N2 separator NM-B01A manufactured by Ube Industries was used as the
以上述べたように、高圧対応の燃料電池104と、ドライフィルタリングU107と、窒素フィルタリングU109とは、圧力(ガス圧)に関し高圧の一気通貫系とすることにより、電池反応の効率を促進しつつ発生する水分・水蒸気分を効率的に除去し、さらに排ガス中の酸素濃度をより低減させることができるので、純度の高い窒素ガスを生成する上で非常に好適な取り合わせとなっているのである。例えば、8~10気圧(約0.8~10MPa)の排ガス圧力を、圧力制御器PCaや、圧力調整ユニットPCb、さらには後に説明する圧力制御器PCd等により、一貫して維持するように制御してもよい。
As described above, the high-pressure
ただし上述したように、水交換除湿U105によって高圧排ガスの相対湿度が窒素フィルタリングU109に供給しても差し支えない程度(窒素フィルタリング処理が有効に実施される程度)に低下する場合、ドライフィルタリングU107は設けられなくてもよい。ちなみに、ある窒素ガスフィルタ109Fにおいては、相対湿度約20%の高圧排ガスならば良好な窒素フィルタリング処理を実施することができ、相対湿度約60%の高圧排ガスであっても窒素フィルタリング処理を実施することは可能であることが実験により確認されている。
However, as described above, if the relative humidity of the high-pressure exhaust gas is lowered to the extent that it can be supplied to the nitrogen filtering U109 by the water exchange dehumidification U105 (to the extent that nitrogen filtering is effectively performed), the dry filtering U107 is provided. It doesn't have to be. Incidentally, in a certain
またさらに、燃料電池104と、ドライフィルタリングU107と、窒素フィルタリングU109とは、排ガスから生成する窒素ガス中の水素ガス分を極力低減し、より純度の高い窒素ガスを提供する観点からも、非常に好適な取り合わせとなっている。実際、燃料電池104の空気極側(酸化ガス室側)から排出される高圧排ガスには通常、水素極側の燃料ガス室からリークした水素ガスや、パージガスの残留分としての水素ガスが、場合によっては1~3vol%程度混入している。
Furthermore, the
これに対し、ドライフィルタ107Fに採用可能な中空糸膜の多くは、窒素(N2)と比較して、水蒸気(H2O)だけでなく水素(H2)もより多く選択的に透過させる性質を有する。このような性質を有する中空糸膜107Faを有するドライフィルタ107Fを用いることによって、高圧排ガス中の水素ガス分を大幅に低減させる又は概ねゼロにすることが可能となるのである。 On the other hand, many of the hollow fiber membranes that can be used for the dry filter 107F selectively permeate not only water vapor (H 2 O) but also hydrogen (H 2 ) more than nitrogen (N 2 ). have the property By using the dry filter 107F having the hollow fiber membrane 107Fa having such properties, it is possible to greatly reduce the hydrogen gas content in the high-pressure exhaust gas or to substantially eliminate it.
またさらに、窒素ガスフィルタ109Fに採用可能な中空糸繊維の多くも、窒素(N2)と比較して、酸素(O2)だけでなく水素(H2)もより多く選択的に透過させる性質を有する。このような性質を有する中空糸繊維部(図3の109Fa)を有する窒素ガスフィルタ109Fを用いることによっても、高圧排ガス中の水素ガス分を大幅に低減させる又は概ねゼロにすることが可能となるのである。
Furthermore, many of the hollow fiber fibers that can be used for the
以下、窒素フィルタリングU109の前段に設けられた各種計器・デバイスについて説明を行う。 Various instruments/devices provided upstream of the nitrogen filter U109 will be described below.
同じく図1において、各種フィルタユニットFLaは、この後、窒素フィルタリングU109に供給する高圧排ガスに対し、窒素ガスフィルタ109Fの中空糸繊維部にとって有害となる硫化物、塩化物、炭化水素、フッ化物や、強アルカリ化合物等を除去又は低減する処理を施すユニットである。具体的に各種フィルタユニットFLa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を除去する又は極力低減させるのである。また、各種フィルタユニットFLaは、ミストフィルタ及びダストフィルタも備えており、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ことも好ましい。
Similarly, in FIG. 1, the various filter units FLa remove sulfides, chlorides, hydrocarbons, fluorides, etc. that are harmful to the hollow fiber portion of the
同じく図1において、温度調整器TCbは、取り入れた高圧排ガスの温度を、窒素ガスフィルタ109Fの特性に基づき予め設定された好適温度(例えば35~60℃)に近づけ又は一致させ、温度調整された高圧排ガスを窒素フィルタリングU109へ供給するためのデバイスである。ここで本実施形態において、温度調整器TCbは、燃料電池U103から熱交換器や熱伝導システムといったような熱伝達手段で移送された熱をもって、例えば高圧排ガスの通った金属細管の温度を当該熱で変化させて温度調整を行うことも好ましい。または電熱ヒータを備えており、燃料電池U103から供給される電力によって排ガス温度を調整してもよい。なお勿論、窒素フィルタリングU109へ供給される排ガスの温度が十分に高温の場合、この温度調整器TCbも省略可能である。
Also in FIG. 1, the temperature controller TCb makes the temperature of the high-pressure exhaust gas taken in close to or coincides with a preset suitable temperature (for example, 35 to 60 ° C.) based on the characteristics of the
ここで、上述した温度調整器TCa、及びこの温度調整器TCbはそれぞれ、燃料電池104から取り出された高圧排ガスの温度、及び窒素フィルタリングU109に取り入れられる前の高圧排ガスの温度を、水交換除湿U105及び窒素フィルタリングU109において要求若しくは決定される「下限温度」に基づき設定される「温度閾値」(例えば60℃及び50℃)以上の温度に制御する手段となっている。いわば装置(システム)1全体にわたって排ガス温度を一気通貫で調整する手段となっているのである。例えば、60~80℃の排ガス温度を一貫して維持するように調整してもよい。
Here, the above-mentioned temperature regulators TCa and TCb respectively control the temperature of the high-pressure exhaust gas taken out from the
さらに上述したように、これら温度調整器TCa及び温度調整器TCbは、燃料電池104からの熱(熱交換器や熱伝導システムといったような熱伝達手段で移送された熱)を用いて、高圧排ガスの温度を「温度閾値」以上の温度に制御することも好ましい。なお、水交換除湿U105における「下限温度」については、後に図2を用いて詳細に説明を行う。 Further, as described above, these temperature regulators TCa and TCb use heat from the fuel cell 104 (heat transferred by heat transfer means such as heat exchangers or heat transfer systems) to It is also preferable to control the temperature of to a temperature equal to or higher than the "temperature threshold". The "lower limit temperature" in the water exchange dehumidification U105 will be explained in detail later using FIG.
次に、窒素フィルタリングU109の後段に設けられた各種計器・デバイスについて説明を行う。 Next, various instruments/devices provided after the nitrogen filter U109 will be described.
同じく図1において圧力制御器PCdは、圧力制御器PCaと同様、背圧弁を備えており、窒素フィルタリングU109における出口圧力(取り出された窒素ガスの圧力)、すなわち背圧を制御し、本実施形態において「圧力閾値」以上の圧力を有する高圧(例えば3~10気圧)排ガスを、ドライフィルタリングU107や窒素フィルタリングU109へ導入させる役割を果たす。すなわち圧力制御器PCdは、少なくともドライフィルタリングU107から窒素フィルタリングU109までを、一連の高圧系として維持するための圧力制御手段となっている。また高圧対応の燃料電池104を採用する本実施形態においては、燃料電池U103(燃料電池104)からドライフィルタリングU107を介し窒素フィルタリングU109までを、一連の高圧系として維持する役割を果たすのである。ちなみにこの場合、上述したように圧力制御器PCaは省略することも可能となる。
Similarly to the pressure controller PCa, the pressure controller PCd in FIG. , the high-pressure (eg, 3 to 10 atm) exhaust gas having a pressure higher than the "pressure threshold" is introduced into the dry filter U107 or the nitrogen filter U109. That is, the pressure controller PCd serves as pressure control means for maintaining at least the dry filtering U107 to the nitrogen filtering U109 as a series of high pressure systems. Further, in the present embodiment employing the high-
同じく図1において、フロー制御器FCcは、窒素フィルタリングU109で生成された窒素濃度の増大した高圧排ガス、本実施形態では高圧の高純度窒素ガスに対してその流量を制御し、この高純度窒素ガスを、所定流量をもって装置(システム)1外の窒素ガスタンクや、高純度窒素ガスを必要とする装置等に供給するためのデバイスである。具体的にこのフロー制御器FCcは、ガスレギュレータ及びマスフローコントローラ(又はフロースイッチ)を備えたものとすることができる。 Also in FIG. 1, the flow controller FCc controls the flow rate of the high-pressure exhaust gas with increased nitrogen concentration generated by the nitrogen filter U109, in this embodiment, the high-pressure high-purity nitrogen gas. is supplied at a predetermined flow rate to a nitrogen gas tank outside the apparatus (system) 1 or to a device that requires high-purity nitrogen gas. Specifically, this flow controller FCc may comprise a gas regulator and a mass flow controller (or flow switch).
いずれにしても本実施形態では、装置(システム)1の成果としての高純度窒素ガスは高圧状態にあり、高圧窒素ガスが必要な供給先へは例えばそのまま供給することができ、一方、高圧を必要としない供給先へは減圧弁等によって減圧して供給することが可能となる。また、全体制御U131は、窒素フィルタリングU109の後段に設けられた酸素濃度計Oa及びガス圧計Paから受信した測定データを確認し、外部に提供する高純度窒素ガスの品質(低酸素濃度性)やガス圧が、スペックを満たしているか否かをチェックすることも好ましい。 In any case, in the present embodiment, the high-purity nitrogen gas as a result of the apparatus (system) 1 is in a high-pressure state, and can be supplied as it is to a supply destination that requires high-pressure nitrogen gas. It is possible to reduce the pressure by using a decompression valve or the like and supply it to a destination that does not require it. In addition, the overall control U131 confirms the measurement data received from the oxygen concentration meter Oa and the gas pressure gauge Pa provided in the latter stage of the nitrogen filtering U109, and the quality (low oxygen concentration) of the high-purity nitrogen gas provided to the outside It is also preferable to check whether the gas pressure meets the specifications.
なお、本実施形態の窒素ガス生成装置(システム)1は、以上適宜述べたように、高純度窒素ガスのみならず、電力、熱(エネルギー)や、水(純水)も生成し、それらも成果として外部に提供することが可能となっている。いわば、窒素ガス・電力・熱・水供給装置(システム)として機能するものとなっているのである。 As described above, the nitrogen gas generator (system) 1 of the present embodiment generates not only high-purity nitrogen gas, but also electric power, heat (energy), and water (pure water). The result can be provided externally. In other words, it functions as a nitrogen gas/power/heat/water supply device (system).
ここで、窒素ガス生成装置(システム)1によって生成される高純度窒素ガスの用途・使用方法について述べる。上述したように、高純度窒素ガスは、各種生産・サービス提供現場において多くの需要が存在し、例えば雰囲気炉等の各種炉、リフローはんだ付け装置や、フローはんだ付け装置、さらにはフライヤ等における還元雰囲気として欠かせないガスとなっている。 Here, applications and methods of use of the high-purity nitrogen gas generated by the nitrogen gas generator (system) 1 will be described. As described above, high-purity nitrogen gas is in great demand at various production and service sites. It is an essential gas for the atmosphere.
また、このような還元雰囲気として、「水素ガスの所定量混入した窒素ガス」を用いる場合も少なからず存在する。窒素ガス生成装置(システム)1は、燃料電池104から排出された排ガスに残留した(又は意図的に残留させた)水素ガスをそのまま利用したり、ガス改質U121や後に説明する高圧水電気分解U125(図5)で生成された水素ガスを混入させたり、さらに後に説明する触媒燃焼U108での触媒燃焼処理後において残留した(又は意図的に残留させた)水素ガスをそのまま利用したりして、このような「水素ガスの所定量混入した窒素ガス」を提供することも可能となっている。
In addition, there are many cases where "nitrogen gas mixed with a predetermined amount of hydrogen gas" is used as such a reducing atmosphere. The nitrogen gas generator (system) 1 uses the hydrogen gas remaining (or intentionally left) in the exhaust gas discharged from the
さらに、窒素ガス生成装置(システム)1によって生成された高純度窒素ガスは、水中や油中の溶存酸素の除去・低減手段として使用することも可能である。例えば、金型冷却水、半導体用洗浄水、各種蓄熱槽用循環水、ボイラー給水、空調用冷却水や、ジュース・茶・ビール等の製造に用いられる食用水、食用油、フライヤ等で使用される揚げ油、さらには各種化学品原料となる水・油等については、配管の錆防止や、製造・加工物の製造・加工工程上の必要性、さらには製造・加工物の品質維持のため、通常相当量溶け込んでいる酸素(O2)を除去・低減する脱酸素処理を施す必要がある。 Furthermore, the high-purity nitrogen gas generated by the nitrogen gas generator (system) 1 can also be used as means for removing or reducing dissolved oxygen in water or oil. For example, it is used in mold cooling water, cleaning water for semiconductors, circulating water for various heat storage tanks, boiler water supply, cooling water for air conditioning, edible water used in the production of juice, tea, beer, etc., edible oil, fryers, etc. For frying oil, water, oil, etc., which are raw materials for various chemical products, for rust prevention of piping, necessity in the manufacturing / processing process of manufacturing / processed products, and maintenance of quality of manufactured / processed products, It is necessary to apply a deoxidizing treatment to remove or reduce a considerable amount of dissolved oxygen (O 2 ).
具体的にこの脱酸素処理としては、処理対象の例えば水に対し、例えば3N(窒素濃度99.9vol%)の高純度窒素ガスを吹き込む処理を行う。このように水中に高純度窒素ガスを吹き込むと、両者の気相・液相界面において、窒素(N2)と酸素(O2)とがヘンリの法則に従い平衡状態を求めて当該界面を超えて移動する。その結果、水中の溶存酸素が、吹き込んだ高純度窒素ガスの気泡中に酸素ガスとして混入し、最終的にこの高純度窒素ガスの気泡とともに水外に放出されるのである。 Specifically, as this deoxygenation treatment, for example, a treatment of blowing high-purity nitrogen gas of, for example, 3N (nitrogen concentration 99.9 vol %) into water to be treated is performed. When high-purity nitrogen gas is blown into water in this way, nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) find an equilibrium state according to Henry's law at the interface between the gas phase and the liquid phase, and flow beyond the interface. Moving. As a result, the oxygen dissolved in the water is mixed as oxygen gas into the bubbles of the high-purity nitrogen gas blown into the water, and is finally discharged out of the water together with the bubbles of the high-purity nitrogen gas.
このように、窒素ガス生成装置(システム)1によって生成された高純度窒素ガスを用いれば、水や油に溶け込んだ酸素(O2)を、例えば化学薬品を使用することなく、安全且つ確実に除去・低減することが可能となるのである。 Thus, if the high-purity nitrogen gas generated by the nitrogen gas generator (system) 1 is used, oxygen (O 2 ) dissolved in water or oil can be removed safely and reliably without using chemicals, for example. It becomes possible to remove or reduce them.
[水交換除湿U105]
図2は、本発明に係る水交換除湿手段と燃料電池との組合せについての一実施形態を示す模式図である。
[Water exchange dehumidification U105]
FIG. 2 is a schematic diagram showing one embodiment of a combination of water exchange dehumidifying means and a fuel cell according to the present invention.
最初に、図2(A)に示した本実施形態の水交換除湿U105は、水蒸気交換膜105Vを間に挟んだ加湿室105H及び除湿室105Dを備えており、本実施形態において、
(a)高圧ガス供給U101からフロー制御器FCaを介して加湿室105Hに導入された高圧(例えば3~10気圧)の空気と、
(b)燃料電池104の酸化ガス室104Xから温度調整器TCaを介して除湿室105Dに導入された高圧(例えば3~10気圧)の排ガスと
の間で水蒸気交換膜105Vを介した水交換を行い、上記(b)の高圧排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる。
First, the water exchange dehumidifier U105 of this embodiment shown in FIG.
(a) high-pressure (for example, 3 to 10 atmospheres) air introduced into the
(b) Exchanging water with high-pressure (for example, 3 to 10 atm) exhaust gas introduced into the
ここで上記の水蒸気交換膜105Vは、除湿室105D内を流れる高圧排ガスから水蒸気(H2O)分を受け取って透過させ、加湿室105H内を流れる高圧空気へ移送させる役割を果たす。この水蒸気分の膜透過・移行プロセスは吸熱反応となっており、このプロセス(吸熱反応)を進行させるため、除湿室105D内を流れる高圧排ガスの温度は、加湿室105H内を流れる高圧空気の温度よりも高い状態に維持されなければならない。
The water vapor exchange membrane 105V receives water vapor (H 2 O) from the high-pressure exhaust gas flowing in the
また、この膜透過・移行プロセスの進行度合いは、両者の水蒸気分圧に依存しているのは勿論であるが(また両者の流量にも依存しているが)、吸熱反応であるが故に両者の温度差にも依存しており、高圧排ガスの温度は十分に高い温度に設定される必要がある。この点、燃料電池104から排出される排ガスの温度は、例えばPEFCの場合、通常約55~80℃であり、通常室温(例えば25℃)程度の温度を有する高圧空気と比較して、十分に高い温度となっているのである。例えばこの程度の温度差が維持されれば、高圧排ガスの水分・水蒸気分の約30%が高圧空気に移行可能であることが分かっている。
The degree of progress of this membrane permeation/migration process naturally depends on the water vapor partial pressures of both (and also depends on the flow rates of both), but since it is an endothermic reaction, both , and the temperature of the high-pressure exhaust gas must be set to a sufficiently high temperature. In this regard, the temperature of the exhaust gas discharged from the
ちなみに、上記(a)の高圧空気の圧力(例えば3~10気圧)と、上記(b)の高圧排ガスの圧力(例えば3~10気圧)とは、いずれも水交換除湿U105の後段に設置された圧力制御器PCa(図1)によって制御されており、その流路の構成上、互いに同程度となる。したがって、水蒸気交換膜105Vが印加される高圧によって損傷する事態は回避することができる。 Incidentally, the pressure of the high-pressure air in (a) (for example, 3 to 10 atmospheres) and the pressure of the high-pressure exhaust gas in (b) (for example, 3 to 10 atmospheres) are both installed after the water exchange dehumidifier U105. are controlled by the pressure controller PCa (FIG. 1), and are similar to each other in terms of the structure of the flow path. Therefore, it is possible to avoid a situation in which the water vapor exchange membrane 105V is damaged by the high pressure applied.
また上述したように、水蒸気交換膜105Vにおける水蒸気(H2O)分の膜透過・移行プロセスは、継続的に熱を吸熱する反応であるので、上記(a)の高圧空気と上記(b)の高圧排ガスとの温度差が所定以上となる状態を維持しなければならない。そのため本実施形態では、高圧空気が導入されて取り出される加湿室105Hの前段及び後段と、高圧排ガスが導入されて取り出される除湿室105Dの前段及び後段とにそれぞれ、ガス温度計Tc及びガス温度計Tdと、ガス温度計Ta及びガス温度計Tbとが設置されている。
Further, as described above, the process of permeation/transfer of water vapor (H 2 O) in the water vapor exchange membrane 105V is a reaction that continuously absorbs heat. must maintain a condition in which the temperature difference from the high-pressure exhaust gas is a predetermined value or more. Therefore, in the present embodiment, a gas thermometer Tc and a gas thermometer are provided in the front and rear stages of the
全体制御U131は、これらのガス温度計の温度をモニタし、上記の温度差が所定以上となるように、フロー制御器FCaによって高圧空気の導入量を調整し、さらに温度調整器TCaによって高圧排ガスの温度を調整するのである。これにより、確実に除湿処理の施された(相対湿度が目標値以下に低減した)高圧排ガスを生成することも可能となる。なお一方の、加湿された高圧空気は、燃料電池104の酸化ガス室104Xへ供給されて、燃料ガス室104Hとの間に設けられた電解質層104Eを湿潤させ、良好な燃料電池反応を継続させるのである。
The general control unit U131 monitors the temperature of these gas thermometers, adjusts the amount of high-pressure air introduced by the flow controller FCa so that the temperature difference is equal to or greater than a predetermined value, and adjusts the amount of high-pressure exhaust gas by the temperature controller TCa. to adjust the temperature of This makes it possible to generate high-pressure exhaust gas that has been reliably dehumidified (relative humidity reduced to a target value or less). On the other hand, the humidified high-pressure air is supplied to the oxidizing
ここで、上記の温度調整器TCaは、燃料電池104から取り出された高圧排ガスの温度を、水交換除湿U105において要求若しくは決定される「下限温度」に基づき設定される「温度閾値」(例えば60℃)以上の温度に制御する手段となっている。また、この「下限温度」は、水交換除湿U105において設定された除湿効果(相対湿度の低減)を実現するために最低限必要となる(高圧排ガスと高圧空気との)「温度差」から決まる温度値である。例えば、高圧空気の温度が25℃であって、この最低限必要となる「温度差」が30℃であれば、「下限温度」は、55(=25+30)℃となるのである。
Here, the temperature adjuster TCa adjusts the temperature of the high-pressure exhaust gas extracted from the
以上、水交換除湿U105の一実施形態を説明したが、この水交換除湿U105としては、例えば、Nafion(登録商標,ナフィオン)メンブレンチューブを水蒸気交換膜105Vとして搭載したPerma Pure製の加湿器を採用することができる。 An embodiment of the water exchange dehumidifier U105 has been described above. As this water exchange dehumidifier U105, for example, a Perma Pure humidifier equipped with a Nafion (registered trademark, Nafion) membrane tube as a water vapor exchange membrane 105V is adopted. can do.
以上、高圧対応の燃料電池U103(燃料電池104)と、高圧のガスを取り扱う水交換除湿U105との組合せについて説明を行った。ここで、この高圧対応の燃料電池104における好適な一実施形態を説明する。
The combination of the high-pressure compatible fuel cell U103 (fuel cell 104) and the water exchange dehumidifier U105 handling high-pressure gas has been described above. Here, a preferred embodiment of the high
図2(B)に示したように、本実施形態の燃料電池104は、
(a)電池本体であるセルスタック104Sと、
(b)セルスタック104Sにおいて燃料電池反応により発生した熱を、熱交換媒体をもって外部に移送するための熱交換部104Gと、
(c)セルスタック104S及び熱交換部104Gを、空気等の充填ガスが高圧状態で充填された(本実施形態では高圧ガス供給U101からの高圧ガスが充填された)容器内部に収容する圧力容器104Cと、
(d)圧力容器104C内の充填ガスの圧力をモニタする圧力計104Paと、
(e)圧力計104Paによる圧力容器104C内のガス圧のモニタ値に基づいて、圧力容器104Cへその内部から抜けた充填ガス分を補給し(又は圧力容器104Cとの間で充填ガスをやり取りし)、圧力容器104C内のガス圧を「所定の圧力値」に維持する容器内圧力調整器104Pと
を備えている。
As shown in FIG. 2B, the
(a) a cell stack 104S which is a battery body;
(b) a heat exchange section 104G for transferring heat generated by the fuel cell reaction in the cell stack 104S to the outside using a heat exchange medium;
(c) A pressure vessel containing the cell stack 104S and the heat exchange section 104G in a vessel filled with a high-pressure filling gas such as air (in this embodiment, filled with high-pressure gas from the high-pressure gas supply U101). 104C;
(d) a pressure gauge 104Pa that monitors the pressure of the filling gas in the pressure vessel 104C;
(e) Based on the monitored value of the gas pressure in the pressure vessel 104C by the pressure gauge 104Pa, the pressure vessel 104C is replenished with the filling gas that has escaped from its interior (or the filling gas is exchanged with the pressure vessel 104C). ), and an in-
ここで、上記(a)のセルスタック104Sは、空気極側の酸化ガス室と水素極側の燃料ガス室とが電解質層を挟むようにして設けられた構造を有するセルが、複数スタック(積層)した電池本体である。また、上記(e)の容器内圧力調整器104Pは本実施形態において(ガス圧のモニタ値に応じた調整が可能な)ガスレギュレータを含み、高圧ガス供給U101から充填ガスとしての高圧空気を直接受け取って、圧力容器104C内のガス圧を「所定の圧力値」とするべく、受け取った高圧空気をガスレギュレータによって調整しつつ圧力容器104Cに供給する。ここでこの(上記(e)の)「所定の圧力値」は、セルスタック104Sに導入される高圧ガス(高圧空気や高圧水素ガス)の圧力(導入圧力)と同等の値又はそれよりも若干高い値に設定されることも好ましい。この点、本実施形態では、高圧ガス供給U101からの高圧空気そのものを充填ガスとしているのでこのような圧力設定が容易となっている。またこのことから変更態様として、容器内圧力調整器104Pや圧力計104Paを省略し、高圧ガス供給U101から高圧空気を直接、圧力容器104C内に供給することも可能である。
Here, in the cell stack 104S of (a) above, a plurality of cells having a structure in which an oxidizing gas chamber on the air electrode side and a fuel gas chamber on the hydrogen electrode side are provided with an electrolyte layer sandwiched therebetween are stacked. It is the battery body. In addition, the in-
いずれにしても、以上説明したような燃料電池104においては、内部に例えば9気圧(約0.9MPa)の高圧ガスを抱えたセルスタック104Sが、圧力容器104C内の充填ガスから例えば9気圧程度の圧縮力を受ける。これにより、燃料電池104は、内部の高圧ガスによって破損・破壊されることなく内部の高圧状態を安定的に維持し、高圧燃料電池反応を継続的に実施することができるのである。
In any case, in the
なお、充填ガスとして、燃料電池104の酸化ガス室へ導入する(水交換除湿U105からの)高圧空気の一部を利用してもよい。また、このような高圧ガス供給U101からの高圧空気の代わりに、圧縮空気供給設備等からの圧縮空気や、窒素ガスタンク又は圧縮窒素ガス供給設備等からの圧縮窒素ガスを充填ガスとして用いることも可能である。さらに、容器内圧力調整器104Pは、圧力容器104Cへ供給する(又は圧力容器104Cとの間でやり取りする)充填ガスの入った圧力・流量制御機能付きのボンベやバッファタンク、及び充填ガス供給用のポンプを備えたものであってもよい。さらに言えば勿論、高圧対応の燃料電池104は、以上説明したものに限定されるものではない。例えば、圧力容器104Cを用いず、セルスタック104S自体を耐圧構造にして高い導入圧力に対応してもよいのである。またいずれにしても上述したように、燃料電池104の電解質層104Eの破損を防止するべく、酸化ガス室の導入圧力(背圧)と燃料ガス室の導入圧力(背圧)とは、例えば0.1気圧(約0.01MPa)未満の誤差で、同等に設定されることも好ましい。
A portion of the high pressure air (from the water exchange dehumidifier U105) introduced into the oxidizing gas chamber of the
[窒素フィルタリングU109の他の実施形態]
図3は、本発明に係るフィルタリング手段における他の実施形態を示す模式図である。
[Another embodiment of nitrogen filtering U109]
FIG. 3 is a schematic diagram showing another embodiment of filtering means according to the present invention.
図3に示した実施形態の窒素フィルタリングU109における窒素ガスフィルタ109Fは、上述したように、中空糸繊維部109Faと、高圧排ガスを中空糸繊維部109Faに導入するためのフィルタ入口部109Fbと、この中空糸繊維部109Faから(本実施形態において)高純度窒素ガスを取り出すためのフィルタ出口部109Fcと、中空糸繊維部109Fによって分離された酸素ガスを含むフィルタ排出ガスを、高純度窒素ガスとは別に取り出すフィルタパージ部109Fdとを備えている。
The
ここでフィルタパージ部109Fdから取り出されるフィルタ排出ガスは、分離された酸素ガス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、再度窒素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。 Since the filter exhaust gas taken out from the filter purge section 109Fd here contains a considerable amount of the separated oxygen gas, it can be used again for the fuel cell reaction or subjected to nitrogen filtering again. It is gas.
ちなみに、窒素ガスフィルタ109Fとして、宇部興産製のUBE N2セパレーターNM-B01Aを採用した場合において、酸素濃度が10.2vol%のガスを、導入圧力6.0気圧(約0.61MPa)及び出口流量1.0L/分の条件の下、この窒素ガスフィルタ109Fへ導入したところ、そこから排出されるフィルタ排出ガスの酸素濃度は14.9vol%であって相当に高く、さらに、回収率(=出口流量/導入流量)は0.29となった。ちなみに、フィルタ排出ガスの酸素濃度は、導入酸素濃度が高くなるほど、導入圧力が小さくなるほど、さらに、出口流量が大きくなるほど、より大きくなることが実験によって確認されている。
By the way, when UBE N 2 separator NM-B01A manufactured by Ube Industries is used as the
そこで、窒素フィルタリングU109は本実施形態において、窒素ガスフィルタ109Fから排出されたフィルタ排出ガスを、
(a)燃料電池U103の前段に設けられたフロー制御器FCa(図1)へ送り返し、酸素及び窒素を含む気体として燃料電池104で再度、酸化ガスとして使用させたり、
(b)自らの前段(本実施形態ではドライフィルタリングU107の前段)に設けられた圧力調整ユニットPCb(図1)のオフガスバッファタンクへ送り返し、当該フィルタ排出ガスと高圧排ガスとの混合ガスに対し自ら再度、窒素フィルタリング処理を施したり
するのである。これにより、最終的に酸素濃度のより低い窒素ガスを取り出すことも可能となるのである。ただし、フィルタ排出ガスの酸素濃度が空気(20.8vol%)と同程度、またはそれ以上である場合、フィルタ排出ガスを燃料電池104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に留意すべきである。
Therefore, in this embodiment, the nitrogen filtering U109 filters the filter exhaust gas discharged from the
(a) sent back to the flow controller FCa (FIG. 1) provided in the front stage of the fuel cell U103, and used again as an oxidizing gas in the
(b) Sending back to the offgas buffer tank of the pressure regulation unit PCb (FIG. 1) provided in the preceding stage (in this embodiment, the preceding stage of the dry filtering U107), and automatically Nitrogen filtering is applied again. This makes it possible to finally take out nitrogen gas with a lower oxygen concentration. However, if the oxygen concentration of the exhaust gas from the filter is about the same as or higher than that of air (20.8 vol%), it should be noted that the above advantages of returning the exhaust gas from the filter to the air electrode side of the
またさらに図3に示したように、本実施形態の窒素フィルタリングU109には、3つの窒素ガスフィルタ109F1、109F2及び109F3が、並列に接続される形で設けられている。なお勿論、並列される窒素ガスフィルタの数は3つに限定されるものではなく、2つ又は4つ以上であってもよい。 Further, as shown in FIG. 3, the nitrogen filter U109 of this embodiment is provided with three nitrogen gas filters 109F1, 109F2 and 109F3 connected in parallel. Of course, the number of nitrogen gas filters arranged in parallel is not limited to three, and may be two or four or more.
具体的に、窒素フィルタリングU109に供給された高圧排ガスは分流して、3つの窒素ガスフィルタ109F1、109F2及び109F3の各々に取り込まれ、各窒素ガスフィルタが、供給された高圧排ガスにおける自身への取り込み分に作用して、窒素濃度の増大したガス、すなわち高純度窒素ガスを生成し、最後にこれらの高純度窒素ガスが合流して、窒素フィルタリングU109から送出されるのである。 Specifically, the high-pressure exhaust gas supplied to the nitrogen filter U109 is split and taken into each of the three nitrogen gas filters 109F1, 109F2, and 109F3, and each nitrogen gas filter takes in the supplied high-pressure exhaust gas. The nitrogen-enriched gas, i.e., high-purity nitrogen gas, is produced, and finally these high-purity nitrogen gases are combined and delivered from the nitrogen filter U109.
また、3つの窒素ガスフィルタ109F1、109F2及び109F3の各々から排出されたフィルタ排出ガスは、上述したように、燃料電池U103前段のフロー制御器FCa(図1)へ送り返されて酸素及び窒素を含む気体として燃料電池104で再度、酸化ガスとして使用されたり、圧力調整ユニットPCb(図1)のオフガスバッファタンクへ送り返され、高圧排ガスと混合されて再度、(ドライフィルタリング処理及び)窒素フィルタリング処理を受けたりすることも好ましい。
In addition, the filter exhaust gas discharged from each of the three nitrogen gas filters 109F1, 109F2, and 109F3 is sent back to the flow controller FCa (FIG. 1) upstream of the fuel cell U103 and contains oxygen and nitrogen, as described above. As a gas, it is used again in the
以上説明したように、複数の窒素ガスフィルタを並列に配して窒素フィルタリング処理を行うことによって、多量の高圧排ガスを同時に取り込んで、より多くの高純度窒素ガスを外部に提供することも可能となる。例えば、ダイセル・エボニック社製の4インチ径窒素ガスフィルタは、そのカタログ値によれば、8気圧(約0.8MPa)の空気を流量40L/分で受け取った場合に、酸素濃度約0.1vol%の高純度窒素ガスを(回収率を約0.25として)流量約10L/分で吐出するとされている。 As explained above, by arranging multiple nitrogen gas filters in parallel and performing nitrogen filtering, it is possible to take in a large amount of high-pressure exhaust gas at the same time and provide a larger amount of high-purity nitrogen gas to the outside. Become. For example, Daicel-Evonik's 4-inch diameter nitrogen gas filter, according to its catalog value, has an oxygen concentration of approximately 0.1 vol% when receiving 8 atmospheres (approximately 0.8 MPa) of air at a flow rate of 40 L/min. It is said that high-purity nitrogen gas is discharged at a flow rate of about 10 L/min (with a recovery rate of about 0.25).
このような窒素ガスフィルタを例えば3つ並列に配置して、各窒素ガスフィルタに対し(空気よりも酸素濃度の低い、例えば酸素濃度が5~10vol%の)排ガスを、8気圧(約0.8MPa)且つ流量40L/分で投入すれば、酸素濃度が0.01vol%(100ppm vol)台の、又は酸素濃度が0.1vol%(1000ppm vol)を大きく下回る、例えば酸素濃度が100ppm volオーダの高純度窒素ガスを、合計流量約30(=10×3)L/分で外部に提供することも可能となるのである。ここで、各窒素ガスフィルタには、元の全流量120(=40×3)L/分の3分の1の流量で排ガスが流入するので、1つの窒素ガスフィルタを使用した場合と比較して、各窒素ガスフィルタの酸素分離能はより向上しているのである。また勿論、より径の大きな、例えば6インチ径の窒素ガスフィルタを用いれば、さらに多量の高純度窒素ガスを供給可能となる。 For example, three such nitrogen gas filters are arranged in parallel, and exhaust gas (with an oxygen concentration lower than that of air, such as an oxygen concentration of 5 to 10 vol%) is applied to each nitrogen gas filter at 8 atmospheres (about 0.8 MPa). ) and at a flow rate of 40 L / min, the oxygen concentration is on the order of 0.01 vol% (100 ppm vol), or the oxygen concentration is significantly below 0.1 vol% (1000 ppm vol), for example, high-purity nitrogen with an oxygen concentration of the order of 100 ppm vol It is also possible to provide the gas to the outside at a total flow rate of about 30 (=10 x 3) L/min. Here, exhaust gas flows into each nitrogen gas filter at a flow rate of 1/3 of the original total flow rate of 120 (= 40 x 3) L/min. Therefore, the oxygen separation capacity of each nitrogen gas filter is further improved. Of course, if a nitrogen gas filter with a larger diameter, for example, a diameter of 6 inches is used, a larger amount of high-purity nitrogen gas can be supplied.
[触媒燃焼U108]
図4は、本発明による窒素ガス生成装置・システムにおける他の実施形態を示す模式図である。
[Catalytic Combustion U108]
FIG. 4 is a schematic diagram showing another embodiment of the nitrogen gas generator/system according to the present invention.
図4に示した本実施形態の窒素ガス生成装置(システム)1は、図1に示した実施形態と比較すると、ドライフィルタリングU107の後段であって窒素フィルタリングU109の前段の位置に、触媒燃焼U108が設けられていることを特徴とする。この触媒燃焼U108は、
(a)窒素フィルタリングU109に取り入れられる前における水分又は水蒸気分の低減した高圧(例えば3~10気圧)の排ガスと、
(b)ガス改質U121で生成された水素ガス、例えば水素混合器Maの後段から取り出した高圧(例えば3~10気圧)の水素ガスと
を燃焼触媒上で、本実施形態では固体触媒108Cの表面上で、接触させて触媒燃焼反応を起こし、上記(a)の高圧排ガスにおける酸素濃度をより低減させる手段となっている。
Compared to the embodiment shown in FIG. 1, the nitrogen gas generator (system) 1 of this embodiment shown in FIG. is provided. This catalytic combustion U108
(a) high pressure (e.g., 3-10 atmospheres) flue gas with reduced moisture or water vapor content prior to introduction into nitrogen filtering U109;
(b) Hydrogen gas generated in the gas reforming U121, for example, high-pressure (for example, 3 to 10 atm) hydrogen gas taken out from the latter stage of the hydrogen mixer Ma is placed on the combustion catalyst, and in this embodiment, on the solid catalyst 108C. It is a means for further reducing the oxygen concentration in the high-pressure exhaust gas of the above (a) by bringing it into contact with the surface to cause a catalytic combustion reaction.
このように本実施形態の触媒燃焼U108においては、高圧(例えば3~10気圧)のガス同士が燃焼触媒上で接触するので、触媒燃焼反応の反応速度が増大して当該反応がより促進され、高圧排ガスにおける酸素濃度の低減効果が向上する。さらに、高圧排ガスに接触させる高圧の水素ガスも、上記(b)にあるように、装置(システム)1の外部から調達する必要がないのである。
As described above, in the
また、本実施形態の燃焼触媒である固体触媒108C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)、パラジウム(Pd)や、ニッケル(Ni)等の金属を触媒として担持しているセラミックスハニカムであってもよい。また、このような固体触媒108Cとして例えば、長峰製作所製の酸化触媒(白金触媒)であるNAハニカムを採用することができる。 In addition, the solid catalyst 108C, which is the combustion catalyst of the present embodiment, has many fine holes, and metals such as platinum (Pt), palladium (Pd), and nickel (Ni) are applied to the surface including the inside of the holes. A ceramic honeycomb supported as a catalyst may also be used. Further, as such a solid catalyst 108C, for example, an NA honeycomb, which is an oxidation catalyst (platinum catalyst) manufactured by Nagamine Seisakusho, can be adopted.
NAハニカムは、カルシウム・アルミネート(CaO・Al2O3)、溶融シリカ(SiO2)及び二酸化チタン(TiO2)を主成分とした担体の表面に、白金(Pt)及びパラジウム(Pd)等の白金族金属を担持させた固体触媒である。ここでこの担体は、ハニカム形状を有し、その上に担持された白金族金属の接触面積は非常に大きいので、効率良く酸化反応を引き起こすものとなっている。 The NA honeycomb is composed of platinum (Pt), palladium (Pd), etc., on the surface of a carrier mainly composed of calcium aluminate (CaO.Al 2 O 3 ), fused silica (SiO 2 ) and titanium dioxide (TiO 2 ). is a solid catalyst supporting a platinum group metal. Here, the carrier has a honeycomb shape, and the contact area of the platinum group metal supported on the carrier is very large, so that the oxidation reaction is caused efficiently.
また、このような固体触媒108Cにおける触媒燃焼反応は、固体触媒108Cの温度が高くなるほど、反応速度が増大してより促進される。したがって、固体触媒108Cを所定の要求される温度にまで加熱することが重要となるが、この加熱は、例えば電熱線を固体触媒108Cに巻き付け通電することによって行うことができる。また他の好適な実施形態として、固体触媒108Cに対し誘導加熱を行ってもよい。具体的には、固体触媒108Cの担体の内部に、鉄(Fe)やステンレス等の鉄系合金を混入させておき、このような固体触媒108Cに対し、電磁場発生装置を用いて例えば十数キロヘルツ(kHz)~数百kHzの磁場(電磁場)を印加し、電磁誘導の原理によって発生するうず電流によるジュール熱をもって、固体触媒108Cを直接加熱するのである。 In addition, the higher the temperature of the solid catalyst 108C, the faster the reaction speed of the catalytic combustion reaction in the solid catalyst 108C. Therefore, it is important to heat the solid catalyst 108C to a predetermined required temperature, and this heating can be performed, for example, by winding a heating wire around the solid catalyst 108C and energizing it. In another preferred embodiment, induction heating may be applied to the solid catalyst 108C. Specifically, iron (Fe) or an iron-based alloy such as stainless steel is mixed in the carrier of the solid catalyst 108C, and the solid catalyst 108C is subjected to an electromagnetic field generating device, for example, ten and several kilohertz. A magnetic field (electromagnetic field) of (kHz) to several hundred kHz is applied, and the solid catalyst 108C is directly heated with Joule heat due to eddy current generated by the principle of electromagnetic induction.
ここで、電磁誘導の表皮効果に合わせ、固体触媒108Cの担体における表面近く、例えば少なくとも浸透深さδ以上の深さの担体内部に、鉄粉・鉄片や、粉状・片状のステンレス等の鉄系合金を分散させておくことも好ましい。これにより、固体触媒108Cにおける高温にすべき表面近くの部分を、均一な温度分布をもって所定の高温にすることができる。 Here, in accordance with the skin effect of electromagnetic induction, near the surface of the carrier of the solid catalyst 108C, for example, inside the carrier at least at a depth equal to or greater than the permeation depth δ, iron powder, iron flakes, powdery or flaky stainless steel, etc. It is also preferable to disperse the iron-based alloy. As a result, the portion near the surface of the solid catalyst 108C to be heated can be heated to a predetermined high temperature with a uniform temperature distribution.
または、鉄又はステンレス等の鉄系合金の板片を、固体触媒108Cの例えば側面に接触させる形で設置し、電磁誘導により当該板片を介して固体触媒108Cを誘導加熱することも可能である。いずれにしても、固体触媒108Cの誘導加熱においては、例えば複数の固体触媒108Caを使用する場合でも、各固体触媒108Cに対する電熱線等の配線を必要とせず、また複数の固体触媒108Cを一挙に且つ簡便に加熱することができるのである。なお、以上に述べた電熱や電磁誘導による加熱の際に必要な電力の少なくとも一部は、燃料電池104から供給されることも好ましい。
Alternatively, a plate piece of iron or an iron-based alloy such as stainless steel is placed in contact with, for example, the side surface of the solid catalyst 108C, and the solid catalyst 108C can be induction-heated via the plate piece by electromagnetic induction. . In any case, in the induction heating of the solid catalyst 108C, even when a plurality of solid catalysts 108Ca are used, for example, wiring such as a heating wire for each solid catalyst 108C is not required, and the plurality of solid catalysts 108C can be heated at once. Moreover, it can be easily heated. It is also preferable that at least part of the electric power required for heating by electric heating or electromagnetic induction as described above is supplied from the
また以上述べたような固体触媒108Cの加熱に、燃料電池104からの熱を用いることも好ましい。具体的には、触媒燃焼U108の固体触媒108Cに対し、燃料電池104からの熱を、熱交換器や熱伝導システムといったような熱伝達手段をもって伝達し、少なくともこの熱を用いて、触媒燃焼の際に必要となる固体触媒108Cの加熱を行わせてもよい。
It is also preferable to use heat from the
例えば、熱交換器や熱伝導システム等の端部と固体触媒108Cとを接続して直接、熱を伝えることも可能である。また、熱交換器や熱伝導システム等で伝達された熱をもって、固体触媒108C上で反応するガスを加熱してもよい。なお勿論、このような燃料電池104からの熱による加熱は、上述した電熱や電磁誘導による加熱と並行して実際されてもよい。いずれにしても、燃料電池104からの熱を利用することによって、触媒燃焼U108における電力消費を低減若しくは概ねゼロにすることも可能となるのである。
For example, heat can be transferred directly by connecting the end of a heat exchanger, heat transfer system, or the like to the solid catalyst 108C. Alternatively, the gas reacting on the solid catalyst 108C may be heated with heat transferred through a heat exchanger, heat transfer system, or the like. Of course, such heating by heat from the
ちなみに、本実施形態において触媒燃焼に用いる高圧排ガスの酸素濃度は、例えば約0.5~10vol%であり、触媒燃焼の反応熱は相当に大きな量となるので、固体触媒108Cも多くの場合、例えば200℃を超えるような高温にする必要はない。したがって、最終的に提供される高純度窒素ガスのスペックにもよるが、燃料電池104からの熱によってその高温化の大部分を賄うことも可能となるのである。
Incidentally, in this embodiment, the oxygen concentration of the high-pressure exhaust gas used for catalytic combustion is, for example, about 0.5 to 10 vol%, and the reaction heat of catalytic combustion is a considerably large amount. It is not necessary to use a high temperature exceeding °C. Therefore, depending on the specifications of the high-purity nitrogen gas that is finally provided, the heat from the
また、触媒燃焼U108における触媒燃焼反応は、高圧排ガス中の水蒸気(H2O)分の影響も受けるので、導入される高圧排ガスについて、触媒燃焼反応速度の高まる好適な水蒸気含有範囲が存在する。したがって、
(a)温度調整器TCaによって、水交換除湿U105に取り入れられる高圧排ガスの温度を調整し、水交換除湿U105から取り出される高圧排ガスの相対湿度(水蒸気含有量)を所定範囲内の値に制御したり、
(b)圧力制御器PCaによって、ドライフィルタリングU107(のドライフィルタ107F)へ取り入れられる高圧排ガスの圧力を調整し、ドライフィルタリングU107から取り出される高圧排ガスの相対湿度(水蒸気含有量)を所定範囲内の値に制御したり
して、好適な水蒸気含有範囲内にある高圧排ガスを触媒燃焼U108へ導入することも好ましい。
In addition, since the catalytic combustion reaction in the
(a) The temperature controller TCa adjusts the temperature of the high-pressure exhaust gas taken into the water exchange dehumidifier U105, and controls the relative humidity (water vapor content) of the high-pressure exhaust gas taken out of the water exchange dehumidifier U105 to a value within a predetermined range. or
(b) The pressure controller PCa adjusts the pressure of the high-pressure exhaust gas taken into (the dry filter 107F of) the dry filter U107, and the relative humidity (water vapor content) of the high-pressure exhaust gas taken out from the dry filter U107 is controlled within a predetermined range. It is also preferred to introduce a high pressure exhaust gas into the catalytic combustion U108 that is within the preferred water vapor content range, such as by controlling the value.
ちなみに触媒燃焼U108の設置位置についてであるが、水交換除湿U105から取り出される高圧排ガスが、上記の好適な水蒸気含有範囲内にあるガスである場合、触媒燃焼U108をドライフィルタリングU107の前段に設けることも可能である。またこれに関連して、上述したようにドライフィルタリングU107を省略する実施形態においては、水交換除湿U105から取り出され触媒燃焼U108へ取り込まれる高圧排ガスは、上記の好適な水蒸気含有範囲内若しくは許容される水蒸気含有範囲内にあるガスであることが実施条件となるのである。 By the way, regarding the installation position of the catalytic combustion U108, if the high-pressure exhaust gas taken out from the water exchange dehumidifier U105 is a gas within the preferred water vapor content range, the catalytic combustion U108 should be installed in the preceding stage of the dry filtering U107. is also possible. Also in this regard, in embodiments that omit the dry filtering U107 as described above, the high pressure exhaust gas removed from the water exchange dehumidifier U105 and introduced into the catalytic combustion U108 is within the preferred water vapor content range or acceptable The operating condition is that the gas is within the water vapor content range.
さらに、触媒燃焼U108から送出される低酸素濃度の排ガスには通常、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。そこで、触媒燃焼U108の直後に(図示していない)水素ガスフィルタを設け、触媒燃焼U108を経てきたこの低酸素濃度の排ガスから残留水素ガス分を分離し、水素濃度のより低減した又は概ねゼロとなった排ガスを出力することも可能である。ちなみに、こ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や、芳香族ポリイミド系の水素ガス分離膜を備えたフィルタを採用してもよい。
Additionally, the oxygen-depleted exhaust gas delivered from the
しかしながら本実施形態では、触媒燃焼U108から送出された排ガスは、この後窒素フィルタリングU109において、上述したように酸素ガスだけでなく水素ガスもフィルタリングする処理を受けるので、上記の水素ガスフィルタは、提供する高純度窒素ガスに対し要求されるスペックにもよるが、基本的に不要となる。 However, in this embodiment, the exhaust gas delivered from the catalytic combustion U108 is then subjected to a treatment in the nitrogen filtering U109 to filter not only the oxygen gas but also the hydrogen gas as described above, so that the hydrogen gas filter is provided Although it depends on the specifications required for the high-purity nitrogen gas to be used, it is basically unnecessary.
また、以上に説明した触媒燃焼U108から出力される高純度窒素ガスの典型的スペックであるが、例えば触媒燃焼U108が、ドライフィルタリングU107から、酸素濃度が例えば約0.5~約10vol%である高圧排ガスを受け取り、これに対し高圧(例えば9気圧)下での触媒燃焼処理を施す場合、最終的に触媒燃焼U108から提供される窒素ガスを、酸素濃度が例えば1000ppm vol(0.1vol%)未満の高純度の窒素ガスとすることも可能となる。したがって、提供される高純度窒素ガスに対し要求されるスペックにもよるが、窒素フィルタリングU109を省略し、酸素濃度低減処理を触媒燃焼U108によって賄うことも可能である。
In addition, regarding the typical specifications of the high-purity nitrogen gas output from the catalytic combustion U108 described above, for example, the catalytic combustion U108, through the dry filtering U107, has an oxygen concentration of, for example, about 0.5 to about 10 vol%. and subjected to catalytic combustion treatment under high pressure (e.g., 9 atmospheres), the nitrogen gas finally provided from the
ここで、触媒燃焼U108の設置位置に係る他の実施形態として、触媒燃焼U108を、窒素フィルタリングU109の後段に設けることも可能である。この場合も、窒素フィルタリング処理後の(窒素濃度の増大した)高圧排ガスに対し触媒燃焼処理を施し、最終的に例えば非常に高純度の(極低酸素濃度の)窒素ガスを出力することが可能となる。 Here, as another embodiment related to the installation position of the catalytic combustion U108, the catalytic combustion U108 can be provided in the rear stage of the nitrogen filtering U109. In this case as well, it is possible to subject the high-pressure exhaust gas (with increased nitrogen concentration) after nitrogen filtering to catalytic combustion, and finally output, for example, extremely high-purity (extremely low oxygen concentration) nitrogen gas. becomes.
しかしながらこの場合、窒素フィルタリング処理後の排ガスは、すでに低い酸素濃度(例えば100ppm volオーダ)のガスとなっている。その結果、この排ガスに対し、当該排ガス中の微量な酸素ガス分を使い切る量であって且つ残留分が極力出ない量の水素ガスを供給せねばならず、非常に高度な制御が要求される。すなわちこの場合、水素ガスをフィルタリングしてくれる窒素フィルタリング処理はこの後実施されないので、水素ガス残留分は極力抑制しなければならず、水素ガスの供給量の制御は非常に高度なものとならざるを得ない。 However, in this case, the exhaust gas after the nitrogen filtering process already has a low oxygen concentration (for example, on the order of 100 ppm vol). As a result, hydrogen gas must be supplied to the exhaust gas in such an amount that the minute amount of oxygen gas in the exhaust gas can be used up and the amount of residual hydrogen gas must be minimized, requiring very advanced control. . In other words, in this case, since the nitrogen filtering process for filtering the hydrogen gas is not carried out after this, the remaining hydrogen gas must be suppressed as much as possible, and the control of the supply amount of the hydrogen gas must be very advanced. do not get
またこの場合、一般的な接触燃焼に比べて酸素ガス分が非常に微量であるので、接触燃焼によって発生する反応熱は極めて小さい。したがって有効な接触燃焼処理を実施すべく、固体触媒109Cを例えば250℃程度にまで加熱する必要も生じ、その結果、触媒燃焼U108の消費電力は増大することになる。 Also, in this case, the amount of oxygen gas is very small compared to general catalytic combustion, so the heat of reaction generated by catalytic combustion is extremely small. Therefore, it becomes necessary to heat the solid catalyst 109C to about 250° C., for example, in order to carry out effective catalytic combustion treatment, and as a result, the power consumption of the catalytic combustion U108 increases.
これに対し、図4に示した本実施形態における、窒素フィルタリングU109の前段に触媒燃焼U108が設けられた装置構成は、以上に述べた固体触媒108Cの加熱の問題(すなわち触媒燃焼U108の消費電力の問題)や、残留水素ガスの低減・除去の問題(又は触媒燃焼時の水素ガス供給制御の問題)を解消する若しくは生じさせない絶妙な構成となっていることが理解される。 In contrast, the device configuration in which the catalytic combustion U108 is provided in the preceding stage of the nitrogen filtering U109 in this embodiment shown in FIG. problem) and the problem of reduction/removal of residual hydrogen gas (or the problem of hydrogen gas supply control during catalyst combustion) are solved or not caused.
またさらに、窒素フィルタリングU109の前段に触媒燃焼U108が設けられた本装置構成は、窒素ガスフィルタ109Fのフィルタリング効果(酸素濃度低減指数)の観点からも非常に好適な構成となっている。最初に、フィルタリング効果の指標としての、窒素ガスフィルタ109Fの酸素濃度低減指数を、次式
(1) (酸素濃度低減指数)=c_out_O2(Air)/c_out_O2
をもって定義する。上式(1)において、c_out_O2(Air)は、窒素ガスフィルタ109Fに空気を導入した場合の出口酸素濃度であり、また、c_out_O2は、効果(指数)評価対象のガスを窒素ガスフィルタ109Fに導入した場合の出口酸素濃度である。
Furthermore, the configuration of this device, in which the catalytic combustion U108 is provided before the nitrogen filtering U109, is a very suitable configuration from the viewpoint of the filtering effect (oxygen concentration reduction index) of the
Define with In the above formula (1), c_out_O2 (Air) is the outlet oxygen concentration when air is introduced into the
ここで実験として、窒素ガスフィルタ109Fとして宇部興産製のUBE N2セパレーターを用い、導入圧力8気圧(約0.8MPa)及び出口流量2L/分の条件の下、この窒素ガスフィルタ109Fに対し、触媒燃焼U108での触媒燃焼処理後の排ガス相当の、酸素濃度1000ppm vol(0.1vol%)の窒素・酸素混合ガスを導入した場合、その酸素濃度低減指数(フィルタリング効果)は約170となった。一方、同条件で、燃料電池104から排出された直後の排ガス相当の、酸素濃度5.1vol%の窒素・酸素混合ガスを導入した場合、その酸素濃度低減指数(フィルタリング効果)は約6にとどまった。
Here, as an experiment, a UBE N 2 separator manufactured by Ube Industries was used as the
このように、窒素フィルタリングU109の前段に触媒燃焼U108を設け、窒素ガスフィルタ109Fに対し触媒燃焼処理後の排ガスを導入した方が、(燃料電池104から排出された直後の)触媒燃焼処理を施していない排ガスを導入した場合と比較して、桁違いに大きなフィルタリング効果(酸素濃度低減指数)の得られることが理解される。すなわち、窒素フィルタリングU109の前段に触媒燃焼U108を設けて、窒素ガスフィルタ109Fへの導入酸素濃度を予め大幅に低減させておくことによって、より効率的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。
In this way, by providing the catalytic combustion U108 in front of the nitrogen filtering U109 and introducing the exhaust gas after the catalytic combustion treatment to the
以上述べたように、高圧対応の燃料電池104と、ドライフィルタリングU107と、この触媒燃焼U108と、窒素フィルタリングU109とは、圧力(ガス圧)に関し高圧の一気通貫系とすることにより、電池反応の効率を促進しつつ発生する水分・水蒸気分を効率的に除去し、さらに排ガス中の酸素濃度をより大幅に低減させることができるので、高純度窒素ガスを生成する上で非常に好適な取り合わせとなっているのである。例えば、圧力制御器PCa、圧力調整ユニットPCbや、さらには触媒燃焼U108の後段に設けられた圧力制御器PCeや、圧力制御器PCd等を用いて、8~10気圧(約0.8~10MPa)の排ガス圧力を一貫して維持するように制御してもよい。
As described above, the high-
またさらに、上述した温度調整器TCaと、触媒燃焼U108の前段に設けられた温度調整器TCcと、上述した温度調整器TCbとはそれぞれ、燃料電池104から取り出された高圧排ガスの温度、触媒燃焼U108に取り入れられる前の高圧排ガスの温度、及び窒素フィルタリングU109に取り入れられる前の高圧排ガスの温度を、水交換除湿U105、触媒燃焼U108、及び窒素フィルタリングU109において要求若しくは決定される「下限温度」に基づき設定される「温度閾値」(例えば60℃、80℃及び50℃)以上の温度に制御する手段となっている。いわばこれらの温度調整器は、装置(システム)1全体にわたって一気通貫で排ガス温度を調整する手段となっているのである。例えば、60~80℃の排ガス温度を一貫して維持するように調整してもよい。
Furthermore, the temperature adjuster TCa described above, the temperature adjuster TCc provided in the preceding stage of the
ここで、上記の温度調整器TCcも、温度調整器TCa及び温度調整器TCbと同様、燃料電池104からの熱(熱交換器や熱伝導システムといったような熱伝達手段で移送された熱)を用いて、高圧排ガスの温度を「温度閾値」以上の温度に制御することも好ましい。 Here, the temperature controller TCc, like the temperature controllers TCa and TCb, transfers heat from the fuel cell 104 (heat transferred by a heat transfer means such as a heat exchanger or a heat conduction system). It is also preferable to control the temperature of the high pressure exhaust gas to a temperature equal to or higher than the "temperature threshold".
[高圧水電気分解U125]
図5は、本発明による窒素ガス生成装置・システムにおける更なる他の実施形態を示す模式図である。
[High pressure water electrolysis U125]
FIG. 5 is a schematic diagram showing still another embodiment of the nitrogen gas generator/system according to the present invention.
図5に示した本実施形態の窒素ガス生成装置(システム)1は、触媒燃焼U108を構成要素に含む図4に示した実施形態において、高圧水素ガス生成手段として、ガス改質U121(図4)及び増圧U123(図4)の代わりに、高圧水電気分解U125及び圧力調整ユニットPCfを採用している。この高圧水電気分解U125は、限定された空間(電解セル)において供給された水若しくは水蒸気である分解対象又は水若しくは水蒸気を含む分解対象(本実施形態では前者)を電気分解し、設定された「圧力閾値」以上の圧力を有する高圧水素ガスを生成する高圧水素生成手段である。 In the embodiment shown in FIG. 4, the nitrogen gas generator (system) 1 of the present embodiment shown in FIG. ) and the pressure booster U123 (FIG. 4) are replaced by a high-pressure water electrolysis U125 and a pressure regulation unit PCf. This high-pressure water electrolysis U125 electrolyzes a decomposition target that is water or steam supplied in a limited space (electrolysis cell) or a decomposition target that includes water or steam (the former in this embodiment), and is set High-pressure hydrogen generating means for generating high-pressure hydrogen gas having a pressure equal to or higher than the "pressure threshold".
具体的に、本実施形態の高圧水電気分解U125は、固体高分子膜等のイオン交換膜125Ecを両面側から触媒及び電極(陰極125Ea及び陽極125Eb)で挟み込んだ構造の電解セルを多数積層した構成を有する「高圧水電気分解器」125Eを備えている。なお勿論、この「高圧水電気分解器」125Eとして、高圧水素ガスを生成可能であるならば他の種々の構成・方式のものが採用可能である。
Specifically, the high-pressure
ここで、上記の「圧力閾値」は、上述したように高圧ガス供給U101が生成する高圧空気について設定される「圧力閾値」と同値に設定される。すなわち、生成した水素ガスが最終的に高圧空気と概ね同一の高い圧力で燃料電池104へ導入可能なように、高圧水電気分解U125は、十分に高い圧力の高圧水素ガスを生成するのである。なお本実施形態において高圧水電気分解U125は、例えば数百気圧の高圧水素ガスを生成することも可能である。この場合、生成された高圧水素ガスは、後段のバッファタンク及び圧力調整弁を備えた圧力調整ユニットPCfにおいて、高圧空気と概ね同じ圧力(例えば3~10気圧)にまで減圧される。
Here, the above "pressure threshold" is set to the same value as the "pressure threshold" set for the high pressure air generated by the high pressure gas supply U101 as described above. That is, the high pressure
また、本実施形態の高圧水電気分解器125Eは、電気分解効率(水素発生効率)を向上させるべく、高温の水又は水蒸気を生成し、これを電気分解して高圧水素ガスを生成する。ここで高圧水電気分解器125Eは、燃料電池U103から熱交換器や熱伝導システムといったような熱伝達手段で移送された熱を受け取り、少なくともこの熱を用いて高温の水又は水蒸気を生成したり、電解セル内の温度を上げて水素ガスの高圧化を高めたりすることも好ましい。
In addition, the high-
さらに高圧水電気分解器125Eは、燃料電池104で生成された電力を受け取り、この電力によって又はこの電力と商用電力とによって、電気分解を実施したり、(例えば電熱によって)高温の水又は水蒸気を生成したりすることも好ましい。また、燃料電池U103のドレインDa及びDbや、ドライフィルタリングU107のドライフィルタ107Fから取り出される水(純水)を、水供給手段としての集配水管から受け取り、この水も電気分解の原料とすることも好ましい。このように、高圧水電気分解器125Eが、燃料電池104等の装置(システム)1内の構成要素から熱、電力や水を受け取り利用することによって、電気分解処理のために装置(システム)1の外部から供給すべき熱、電力や水の量を、大幅に低減することも可能となる。
Further, the high-pressure water electrolyzer 125E receives the power generated by the
また本実施形態において、高圧水電気分解器125Eで生成された高圧水素ガスの一部は、例えば水素混合器Maの後段から取り出されて触媒燃焼U108へ送られることも好ましい。触媒燃焼U108は、受け取ったこの高圧水素ガスを、触媒燃焼の燃料気体として利用するのである。これにより触媒燃焼U108は、例えば装置(システム)1の外部から燃料気体を導入せずに触媒燃焼処理を実施することも可能となる。
Further, in this embodiment, it is also preferable that part of the high-pressure hydrogen gas generated by the high-pressure water electrolyzer 125E is taken out, for example, from the latter stage of the hydrogen mixer Ma and sent to the catalytic combustion U108. The catalytic combustion U108 utilizes the received high pressure hydrogen gas as fuel gas for catalytic combustion. As a result, the
ちなみに、高圧水電気分解器125Eにおいて、高圧水素ガスとともに生成された高圧酸素ガスは、例えば酸素タンクに貯蔵して又は所定の配管を介して外部に提供されることも好ましい。 Incidentally, in the high-pressure water electrolyzer 125E, the high-pressure oxygen gas generated together with the high-pressure hydrogen gas is preferably stored in, for example, an oxygen tank or supplied to the outside through a predetermined pipe.
以上説明したように、高圧水電気分解U125と高圧対応の燃料電池104とは、一連の高圧系とすることにより、高圧ガス供給U101で生成された高圧空気に対応する高圧燃料ガス(燃料ガス)を生成して高圧のまま燃料電池反応に利用し、高純度窒素ガスの元となる高圧排ガスの生成を支援し促進させることができる。すわわち両者は、純度の高い窒素ガスを生成する上で非常に好適な組み合わせとなっているのである。ちなみに、「通常ガス圧型」の燃料電池104を用いる実施形態においても、以上に述べた高圧水電気分解U125を採用し、生成された高圧水素ガスを例えば減圧して燃料ガスとして使用することが可能である。またはこの実施形態では、非高圧型の水電気分解手段を用いて燃料ガスとしての水素ガスを生成してもよい。
As described above, the high-pressure water electrolysis U125 and the high-
以上、高圧水電気分解U125について説明を行ったが、窒素ガス生成装置(システム)1は、多様な水素供給源を確保するべく、高圧水素生成手段として、高圧水電気分解U125とともにガス改質U121(及び増圧U123)も合わせて備えていてもよい。また、これらの高圧水素生成手段の代わりに又はこれらとともに、別のシステム・装置から高圧水素ガスそのものを取得することも可能である。以下、これらの中でも高圧水素を容易に生成可能な「高圧水電気分解U125」を備えた本実施形態において、合わせて設けられることも好ましい「自然エネルギー発電U127」について説明を行う。 The high-pressure water electrolysis U125 has been described above, but the nitrogen gas generator (system) 1 uses the high-pressure water electrolysis U125 and the gas reforming U121 as high-pressure hydrogen generation means in order to secure various hydrogen supply sources. (and pressure booster U123) may also be provided. It is also possible to acquire the high pressure hydrogen gas itself from another system/apparatus instead of or together with these high pressure hydrogen generating means. Among these, the "natural energy power generation U127" that is preferably provided together with the "high-pressure water electrolysis U125" capable of easily generating high-pressure hydrogen will be described below.
同じく図5において、自然エネルギー発電U127は、太陽電池を備えていて太陽光を電力に変換する太陽電池発電ユニットであってもよく、風力によってブレード(羽)付きのロータを回転させて発電機を駆動させ電力を生成する風力発電ユニットとすることもでき、また、水流(水力)によってタービン(水車)を回転させて発電機を駆動させ電力を生成するマイクロ水力発電ユニットであってもよい。 Also referring to FIG. 5, the renewable energy generator U127 may be a solar power generation unit that includes solar cells and converts sunlight into electricity, where wind power rotates a rotor with blades to power a generator. It may be a wind power generation unit that drives and generates power, or a micro hydro power generation unit that drives a generator to generate power by rotating a turbine (water wheel) with water flow (hydropower).
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127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127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。
In addition, various other power generation units can be employed as the natural energy
さらに、本実施形態の自然エネルギー発電ユニット127は、例えばリチウム(Li)電池や、鉛(Pb)蓄電池等の二次電池である蓄電池127Bを備えており、自ら生成した電力を、(交流電力の場合はコンバータで直流電力に変換した上で)蓄電池127Bに保存する。
Furthermore, the natural energy
ここで本実施形態の自然エネルギー発電ユニット127は、自らの発電量を計測する発電量計や蓄電池127Bの蓄電量を計測する蓄電量計を備えていて、各時点での発電量や蓄電量を測定可能となっている。全体制御U131は本実施形態において、測定された発電量や蓄電量を確認した上で、蓄電池127Bから、電気分解のための電力が必要となった高圧水電気分解U125や、高圧空気生成のための電力が必要となった高圧ガス供給U101へ電力を供給するのである。ここで勿論、(不足分を補う形で)商用電力も合わせて供給されてもよい。
Here, the natural energy
いずれにしても、以上説明した自然エネルギー発電ユニット127と、高圧水電気分解U125と、燃料電池U103と、触媒燃焼U108との取り合わせは、高純度窒素ガスの生成に当たり、二酸化炭素(CO2)等の温室効果ガスを極力排出せずに、水素ガスを生成して活用するものとなっている。すなわち、カーボンニュートラルや、カーボンゼロ社会の実現に大きく資するものとなっているのである。
In any case, the combination of the natural energy
[高圧ガス供給U102:ガス圧モータ及びガス圧縮ポンプ]
図6は、本発明に係る高圧ガス供給手段における他の実施形態を示す模式図である。
[High Pressure Gas Supply U102: Gas Pressure Motor and Gas Compression Pump]
FIG. 6 is a schematic diagram showing another embodiment of the high-pressure gas supply means according to the present invention.
図6に示した本実施形態の高圧ガス供給U102は、高圧水電気分解U125を構成要素に含む図5に示した実施形態において、高圧ガス供給U101(図5)の代わりに採用された高圧空気生成手段である。 The high pressure gas supply U102 of the present embodiment shown in FIG. 6 comprises high pressure water electrolysis U125, the high pressure air employed in place of the high pressure gas supply U101 (FIG. 5) in the embodiment shown in FIG. It is a generating means.
具体的に本実施形態において、高圧ガス供給U102は、
(M1)高圧水電気分解U125で生成された高圧酸素ガスを用いて駆動力を発生させるガス圧駆動手段としてのガス圧モータ102M1と、
(P1)ガス圧モータ102M1から受け取った駆動力(本実施形態では回転力)によって、取り入れた空気(窒素及び酸素を含む気体)を、高圧空気(高圧の窒素及び酸素を含む気体)にするガス圧縮手段としての圧縮ポンプ102P1と、
(M2)高圧水電気分解U125で生成された高圧水素ガスを用いて駆動力を発生させるガス圧駆動手段としてのガス圧モータ102M2と、
(P2)ガス圧モータ102M2から受け取った駆動力(本実施形態では回転力)によって、取り入れた空気(窒素及び酸素を含む気体)を、高圧空気(高圧の窒素及び酸素を含む気体)にするガス圧縮手段としての圧縮ポンプ102P2と
を備えている。
Specifically, in this embodiment, the high pressure gas supply U102
(M1) a gas pressure motor 102M1 as gas pressure driving means for generating a driving force using the high pressure oxygen gas generated by the high pressure water electrolysis U125;
(P1) Gas that converts the taken air (gas containing nitrogen and oxygen) into high-pressure air (gas containing high-pressure nitrogen and oxygen) by the driving force (rotational force in this embodiment) received from the gas pressure motor 102M1 a compression pump 102P1 as compression means;
(M2) a gas pressure motor 102M2 as gas pressure driving means for generating a driving force using the high pressure hydrogen gas generated by the high pressure water electrolysis U125;
(P2) A gas that converts the taken air (gas containing nitrogen and oxygen) into high-pressure air (gas containing high-pressure nitrogen and oxygen) by driving force (rotational force in this embodiment) received from the gas pressure motor 102M2. and a compression pump 102P2 as compression means.
ちなみに、本実施形態の高圧水電気分解U125は、数十~数百気圧の高圧水素ガスを生成可能なものとなっており、また同時に、数十~数百気圧の高圧酸素ガスを生成することができる。この高圧酸素ガスは、一先ず酸素タンクTA1でバッファされ、タンク出口に備えられた圧力・フロー制御器で圧力・流量を調整された上でガス圧モータ102M1に導入されるのである。一方、高圧水素ガスは、一先ず水素タンクTA2でバッファされ、タンク出口に備えられた圧力・フロー制御器で圧力・流量を調整された上でガス圧モータ102M2に導入される。 Incidentally, the high-pressure water electrolysis U125 of this embodiment is capable of generating high-pressure hydrogen gas of several tens to hundreds of atmospheres, and at the same time, it can generate high-pressure oxygen gas of several tens to hundreds of atmospheres. can be done. This high-pressure oxygen gas is first buffered in the oxygen tank TA1, and after the pressure and flow rate are adjusted by the pressure/flow controller provided at the tank outlet, it is introduced into the gas pressure motor 102M1. On the other hand, the high-pressure hydrogen gas is first buffered in the hydrogen tank TA2, adjusted in pressure and flow rate by a pressure/flow controller provided at the tank outlet, and introduced into the gas pressure motor 102M2.
ここで、上記(M1)及び(P1)の構成と、上記(M2)及び(P2)の構成とは、その機構や作動態様が同様のものとなっているので、以下、上記(M1)及び(P1)の構成についてのみ説明を行う。なお、高圧ガス供給U102は、上記(M1)及び(P1)の構成だけ、又は上記(M2)及び(P2)の構成だけ、を有するものであってもよい。 Here, since the configurations of (M1) and (P1) and the configurations of (M2) and (P2) are similar in mechanism and operation mode, the above (M1) and (M1) and Only the configuration of (P1) will be described. The high-pressure gas supply U102 may have only the configurations (M1) and (P1) above, or only the configurations (M2) and (P2) above.
最初に、ガス圧モータ102M1は、本体外殻内に、複数のベーン(羽状のシャッタ)を有する偏心ロータを備えており、酸素タンクTA1から供給された高圧酸素ガスを、吸気口から、本体外殻と偏心ロータとの間の、隣接するベーンで仕切られた空間内へ流入させる。流入した高圧酸素ガスは膨張すべく、一方のベーンに対しより強い圧力を及ぼし、その結果、偏心ロータを高速回転させるのである。ここで偏心ロータが回転するにつれ、膨張した当該空間内の高圧空気はベーンに対する総圧力を弱めつつ、主排気口や残量排気口から排出されるので、偏心ロータの高速回転は、高圧酸素ガスの連続的な流入によって継続する。 First, the gas pressure motor 102M1 has an eccentric rotor with a plurality of vanes (wing-shaped shutters) inside the outer shell of the main body. It flows into the space bounded by adjacent vanes between the shell and the eccentric rotor. The inflowing high-pressure oxygen gas expands, exerting a stronger pressure on one of the vanes, and as a result, rotates the eccentric rotor at high speed. As the eccentric rotor rotates, the expanded high-pressure air in the space weakens the total pressure on the vanes and is discharged from the main exhaust port and residual exhaust port. continued by a continuous influx of
次いでこの偏心ロータの回転力は、偏心ロータのシャフトと途中の減速ギア機構を介して、圧縮ポンプ102P1に伝達され、この圧縮ポンプ102P1は、受け取った回転力を用いて、例えば外気から取り入れた空気を圧縮し、高圧空気を生成する。ここで生成された高圧空気は、圧力制御器PCg及びフロー制御器FCaによって所定の圧力(例えば3~10気圧)に調整されて、水交換除湿U105へ供給されるのである。 The rotational force of this eccentric rotor is then transmitted to the compression pump 102P1 via the shaft of the eccentric rotor and a reduction gear mechanism on the way, and the compression pump 102P1 uses the received rotational force to extract air, for example, from the outside air. to produce high pressure air. The high-pressure air generated here is adjusted to a predetermined pressure (eg, 3 to 10 atmospheres) by the pressure controller PCg and the flow controller FCa and supplied to the water exchange dehumidifier U105.
ちなみに圧縮ポンプ102P1は、回転力を用いる公知のコンプレッサとすることができる。また変更態様として、ガス圧モータ102M1の代わりにガス圧駆動手段としてのガス圧リニアアクチュエータを採用し、高圧酸素ガスによる往復運動に係る駆動力を圧縮ポンプ102P1に伝達することも可能である。この場合、圧縮ポンプ102P1は、この往復運動に係る駆動力を用いる公知のコンプレッサとすることができる。 Incidentally, the compression pump 102P1 can be a known compressor that uses rotational force. Alternatively, instead of the gas pressure motor 102M1, a gas pressure linear actuator may be employed as gas pressure driving means, and the driving force associated with the reciprocating motion of the high pressure oxygen gas may be transmitted to the compression pump 102P1. In this case, the compression pump 102P1 can be a known compressor that uses driving force associated with this reciprocating motion.
なお本実施形態において、圧縮ポンプ102P1(圧縮ポンプ102P2)で生成される圧縮空気の圧力は、当該圧力を圧力制御器PCg(圧力制御器PCh)でモニタしている全体制御U131(図5)が、酸素タンクTA1(水素タンクTA2)からガス圧モータ102M1(ガス圧モータ102M2)へ導入する高圧酸素ガス(高圧水素ガス)の圧力・流量を制御することにより、所望値に調整・設定される。 In this embodiment, the pressure of the compressed air generated by the compression pump 102P1 (compression pump 102P2) is controlled by the overall control U131 (FIG. 5), which monitors the pressure with the pressure controller PCg (pressure controller PCh). By controlling the pressure and flow rate of high-pressure oxygen gas (high-pressure hydrogen gas) introduced from the oxygen tank TA1 (hydrogen tank TA2) to the gas pressure motor 102M1 (gas pressure motor 102M2), it is adjusted and set to a desired value.
また、ガス圧モータ102M1の主排気口や残量排気口から排出された高圧酸素ガスは回収した上で、例えば酸素タンクに貯蔵して又は所定の配管を介して、外部に提供されることも好ましい。さらに上記(M2)及び(P2)の構成についてとはなるが、以上の説明と同様にしてガス圧モータ102M2の主排気口や残量排気口から排出された高圧水素ガスは、フロー制御器FCbで所定の流量・圧力(例えば3~10気圧)に調整されて、燃料電池U103へ燃料ガスとして供給されるのである。 In addition, the high-pressure oxygen gas discharged from the main exhaust port and the remaining amount exhaust port of the gas pressure motor 102M1 may be collected and then stored, for example, in an oxygen tank or supplied to the outside via a predetermined pipe. preferable. Furthermore, regarding the configurations of (M2) and (P2) above, the high-pressure hydrogen gas discharged from the main exhaust port and the remaining amount exhaust port of the gas pressure motor 102M2 in the same manner as described above is controlled by the flow controller FCb. is adjusted to a predetermined flow rate and pressure (for example, 3 to 10 atmospheres) and supplied to the fuel cell U103 as a fuel gas.
以上説明したように、高圧ガス供給U102は、高圧水電気分解U125から供給される高圧ガスの物理的エネルギーを利用して高圧空気を生成する。したがって、相当の電力を消費する一般的な(電動モータを用いた)コンプレッサとは異なり、高圧空気生成の際の消費電力を概ねゼロにすることができるのである。またその結果、燃料電池U103で生成された電力を、高圧空気生成に使用せず、より多く外部に提供することも可能となる。 As explained above, the high pressure gas supply U102 utilizes the physical energy of the high pressure gas supplied from the high pressure water electrolysis U125 to generate high pressure air. Therefore, unlike typical compressors (using electric motors) that consume considerable power, power consumption during high pressure air generation can be reduced to approximately zero. As a result, it is also possible to provide more of the electric power generated by the fuel cell U103 to the outside without using it for high-pressure air generation.
[燃料電池U103の他の実施形態]
図7は、本発明に係る燃料電池Uにおける他の実施形態を説明するための模式図である。
[Another embodiment of the fuel cell U103]
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining another embodiment of the fuel cell U according to the invention.
図7に示した本実施形態の燃料電池U103は、燃料電池104と、制御部103Ca、103Cb及び103Ccとを有している。このうち燃料電池104は、電解質層を間に挟んだ水素極及び空気極を含む構成単位であるセルを複数備えている。これらのセルは積層されていて、燃料供給上手のセルから下手のセルまで順次、水素(燃料気体)及び空気(窒素及び酸素を含む気体)がそれぞれ、セル内の水素極及び空気極を通るように設計されている。
The fuel cell U103 of this embodiment shown in FIG. 7 has a
またこれら複数のセルの全体は、複数の機能セル部、図7では発電優先セル部104a、中間セル部103b、及び酸素除去セル部103に分けられている。これらの機能セル部(104a,104b,104c)の各々は、1つの又は連続する複数の(図7では2つ又は3つの、実際には例えば数~数百個の)セルを含んでおり、また、他の機能セル部と電気的に直列に接続されてはおらず、各々個別に設けられた発電量の制御部(103Ca,103Cb,103Cc)に電気的に接続されている。
Further, the plurality of cells are divided into a plurality of functional cell portions, namely, a power generation
ここで図7に示したように、制御部103Ca、103Cb及び103Ccはそれぞれ、発電優先セル部104a、中間セル部104b、及び酸素除去セル部104cにおける水素極・空気極間に発生した起電力を受け、担当する機能セル部に合わせた電力を出力するのである。またこの際、担当する機能セル部の複素インピーダンスを計測し、当該機能セル部に合わせた制御・管理を行うことも好ましい。
Here, as shown in FIG. 7, the control units 103Ca, 103Cb, and 103Cc respectively control the electromotive force generated between the hydrogen electrode and the air electrode in the power generation
このような本実施形態の燃料電池104に対し、従来の、特にPEFC型の燃料電池は、1つのセルにおける起電力が通常1V(ボルト)未満であるので、実際の電力源として要求される電力を確保するため、一連の数百段のセルが電気的に直列に接続された構成となっている。ここで、酸素供給量が少ない後段下手のセルにおいては当然、可能となる発電量も小さくなるが、このようなセルを含めて直列に接続されたセル全体における(水素供給量に対する)発電効率は、各セルの発電量をある程度揃える必要があることから、相当に損なわれてしまうのである。
In contrast to the
これに対し、本実施形態の燃料電池104においては、
(a)酸素供給量の多い(供給された空気中の酸素がまだそれほど消費されていない)発電優先セル部104aと、
(b)酸素供給量に関し中間となる中間セル部104bと、
(c)酸素供給量の少ない(供給された空気中の酸素が相当に消費されている)酸素除去セル部104cと
が、その酸素供給量に適合した発電量制御を個別に受けることができる。
In contrast, in the
(a) the power generation
(b) an
(c) The oxygen-removing
また、このような発電量制御を実施することによって、燃料電池104における酸素低減効率及び(水素供給量に対する)発電効率をともに最大化若しくは向上させることも可能となる。さらに、各制御部(103Ca,103Cb,103Cc)における発電量の制御を合わせて実施することによって、最終的に排出される排ガスの酸素濃度(出口酸素濃度)を所望値に調整することも可能となるのである。
Moreover, by performing such power generation amount control, it is possible to maximize or improve both the oxygen reduction efficiency and the power generation efficiency (relative to the hydrogen supply amount) in the
このように、本実施形態の燃料電池104は、高純度の窒素ガス生成用として非常に好適な燃料電池となっている。ここで勿論、この燃料電池104は、発電効率を最適化可能にする好適な燃料電池として、他の一般的な目的に使用されてもよい。
Thus, the
ちなみに、本実施形態の燃料電池104における機能セル部の数は当然、3つに限定されるものではなく、2つ又は4つ以上とすることもできる。例えば、数百段のセルのうち、下手の150段のセル群と、上手の残りのセル群とをそれぞれ、第1の機能セル部及び第2の機能セル部とすることも可能である。
Incidentally, the number of functional cell units in the
[全体制御部131]
ここで、図1、4及び5に示した全体制御ユニット131を説明する。なお以下、図5に示した全体制御部131の制御についての説明を行うが、このうち図1及び4に存在する構成要素(ユニット)に係る説明部分は、図1及び4に示した全体制御部131においても当てはまるものとなっている。
[Overall control unit 131]
The
図5に示した全体制御ユニット131は、
(a)高圧ガス供給U101における高圧空気生成処理、
(b)高圧水電気分解U125における高圧水素生成処理、
(c)燃料電池U103における高圧排ガス生成処理、
(d)水交換除湿U105における高圧排ガス除湿処理、
(e)ドライフィルタリングU107における高圧排ガス除湿処理、
(f)触媒燃焼U108における高圧排ガス低酸素化処理、及び
(g)窒素フィルタリングU109における高純度窒素ガス生成処理
の各々を制御して実施させる制御手段である。
The
(a) high pressure air generation process in high pressure gas supply U101;
(b) high-pressure hydrogen generation treatment in high-pressure water electrolysis U125;
(c) high-pressure exhaust gas generation process in the fuel cell U103;
(d) high-pressure exhaust gas dehumidification treatment in water exchange dehumidification U105;
(e) High-pressure exhaust gas dehumidification treatment in dry filtering U107,
(f) the high-pressure exhaust gas deoxygenation process in the catalytic combustion U108; and (g) the high-purity nitrogen gas generation process in the nitrogen filtering U109.
具体的に、本実施形態の全体制御ユニット131は、上記(a)~(g)の各ユニット、及び当該ユニット内に又はその前後に設けられた各種計器・デバイスと、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、当該各種計器・デバイスからの計測データに基づいて、上記(a)~(g)の各ユニットや当該各種計器・デバイスに対し制御・調整指示を送信し、上記(a)~(g)の各処理を制御して実施させるのである。
Specifically, the
また本実施形態において、全体制御ユニット131は、プロセッサ及びメモリを備えており、このメモリには、上記(a)~(g)の各処理を制御するための処理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この処理制御プログラムが実行されるものとなっている。また好適な実施形態として、この処理制御プログラムは、当該各種計器・デバイスからの計測データを説明変数とし、当該制御・調整指示情報を目的変数とした処理制御用の機械学習モデル、例えばDNN(Deep Neural Network)アルゴリズムで構築されたモデルを用いて、制御処理を実行するものであってもよい。
In this embodiment, the
また特に、本実施形態の全体制御ユニット131は、燃料電池104と、ドライフィルタリングU107と、触媒燃焼U108と、窒素フィルタリングU109とを、圧力(ガス圧)に関し高圧の一気通貫系として取り扱い、上記の処理制御プログラムを用いて、途中の排ガスの圧力が例えば一貫して例えば8~10気圧(約0.8~10MPa)となるように、圧力制御器PCa、圧力調整ユニットPCb、圧力制御器PCd、及びフロー制御器FCc等に対し圧力(流量)制御・調整指示を送信することも好ましい。
In particular, the
さらに本実施形態の全体制御ユニット131は、同じく上記の処理制御プログラムを用いて、途中の排ガスの温度が一貫して例えば60~80℃となるように、温度調整器TCa、温度調整器TCc、及び温度調整器TCb等に対し温度制御・調整指示を送信してもよいのである。
Furthermore, the
またさらに、全体制御ユニット131は、燃料電池U103、触媒燃焼U108、及び窒素フィルタリングU109から取り出される高圧排ガスの(出口)酸素濃度を(該当箇所に設置された酸素濃度計で)モニタし、最終的に供給される高純度窒素ガスの酸素濃度を、要求スペックから決まる所定上限値未満とするように制御することも好ましい。
Furthermore, the
この場合具体的に、全体制御ユニット131は例えば、同じく上記の処理制御プログラムを用いて、
(a)燃料電池U103(燃料電池104)が図7に示したものの場合ではあるが、各機能セル部(104a,104b,104c)に対応した各制御部(103Ca,103Cb,103Cc)に対し、発電量を所定値とする旨の発電量制御・調整指示を送信したり、
(b)触媒燃焼U108での触媒燃焼処理による酸素濃度低減分を制御すべく、触媒燃焼U108に対し、固体触媒108Cの加熱処理(加熱温度)を調整する旨の触媒温度制御・調整指示を送信したり、
(c)窒素フィルタリングU109での窒素フィルタリング処理による酸素濃度低減分を制御すべく、フロー制御器FCcに対し、窒素フィルタリングU109の出口流量や出口圧力を所定値とする旨の流量・圧力制御・調整指示を送信したり
して、各ユニットから取り出される排ガス中の酸素濃度を制御・調整することができるのである。
Specifically, in this case, the
(a) In the case where the fuel cell U103 (fuel cell 104) is the one shown in FIG. Sending a power generation amount control/adjustment instruction to the effect that the power generation amount is set to a predetermined value,
(b) In order to control the reduction in oxygen concentration due to the catalytic combustion process in the
(c) Flow rate/pressure control/adjustment for the flow controller FCc to set the outlet flow rate and outlet pressure of the nitrogen filtering U109 to predetermined values in order to control the oxygen concentration reduction due to the nitrogen filtering process in the nitrogen filtering U109 By sending instructions, it is possible to control and adjust the oxygen concentration in the exhaust gas taken out from each unit.
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池からの排ガスに対し水交換除湿処理及び窒素フィルタリング処理を施すことによって、純度の高い窒素ガスを確実に且つ安定的に生成することが可能となる。また1つの実施形態とはなるが、さらに触媒燃焼処理を用いることによって、より純度の高い窒素ガスをより確実に、より安定して且つ効率的に生成することも可能となる。 As described in detail above, according to the present invention, high-purity nitrogen gas can be reliably and stably generated by subjecting exhaust gas from a fuel cell to water exchange dehumidification treatment and nitrogen filtering treatment. It becomes possible. In addition, although it is one embodiment, it is also possible to more reliably, more stably, and efficiently generate nitrogen gas of higher purity by using catalytic combustion processing.
また将来、水素ガス社会・カーボンゼロ社会が到来した場合に、水素ガスを燃料気体として利用する燃料電池の活用は、至るところで大いに普及するものと考えられる。本発明は、このような時代において、効率的な窒素ガスの製造に大きく貢献するものとなる。勿論その場で併せて、電力や熱、さらに場合によっては純水を供給するニーズに応えることも可能となるのである。 In the future, when a hydrogen gas society or a zero carbon society arrives, it is thought that the use of fuel cells using hydrogen gas as fuel gas will spread widely everywhere. The present invention will greatly contribute to the efficient production of nitrogen gas in such times. Of course, it is also possible to meet the needs for supplying power, heat, and even pure water in some cases, on the spot.
すなわち、本発明は、将来の1つの理想形とされる地産地消型の且つカーボンゼロのエネルギー・生産物需給体制を構築することにも貢献するものと考えられる。さらに、喫緊の課題であるカーボンニュートラルの実現のために大いに役立つものと考えられるのである。 In other words, it is believed that the present invention will also contribute to building a local production for local consumption type carbon zero energy and product supply and demand system, which is regarded as one of the ideal forms of the future. Furthermore, it is thought that it will be of great help in achieving carbon neutrality, which is an urgent issue.
さらに、これも本発明のあくまで1つの実施形態とはなるが、高圧電気分解手段を用いることによって、燃料電池に対し水素ガスを燃料気体として供給することも可能となっている。このような構成も、上述した水素ガス社会・カーボンゼロ社会において大いに活用されるものと考えられる。 Furthermore, although this is also just one embodiment of the present invention, it is also possible to supply hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell by using high-pressure electrolysis means. Such a configuration is also considered to be widely used in the above-mentioned hydrogen gas society and carbon zero society.
なお、以上に述べた実施形態は全て、本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は、他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。 It should be noted that all of the above-described embodiments are illustrative of the present invention and not restrictive, and the present invention can be implemented in various other variations and modifications. Accordingly, the scope of the invention is to be defined only by the claims and their equivalents.
1 窒素ガス生成装置・システム
101、102 高圧ガス供給ユニット(U)
102M1、102M2 ガス圧モータ
102P1、102P2 圧縮ポンプ
103 燃料電池U
103Ca、103Cb、103Cc 制御部
104 燃料電池
104C 圧力容器
104E 電解質層
104G 熱交換部
104H 燃料ガス室
104P 容器内圧力調整器
104Pa 圧力計
104S セルスタック
104X 酸化ガス室
105 水交換除湿U
105D 除湿室
105H 加湿室
105V 水蒸気交換膜
107 ドライフィルタリングU
107F ドライフィルタ
108 触媒燃焼U
108C 固体触媒
109 窒素フィルタリングU
109F、109F1、109F2、109F3 窒素ガスフィルタ
109Fa 中空糸繊維部
109Fb フィルタ入口部
109Fc フィルタ出口部
109Fd フィルタパージ部
121 ガス改質U
123 増圧U
125 高圧水電気分解U
125E 高圧水電気分解器
125Ea 陰極
125Eb 陽極
125Ec イオン交換膜
127 自然エネルギー発電U
127B 蓄電池
129 水素回収U
131 全体制御U
1 Nitrogen gas generator/
102M1, 102M2 Gas pressure motor 102P1,
103Ca, 103Cb,
108C
109F, 109F1, 109F2, 109F3 Nitrogen gas filter 109Fa Hollow fiber fiber portion 109Fb Filter inlet portion 109Fc Filter outlet portion 109Fd
123 Boost U
125 High pressure water electrolysis U
125E High pressure water electrolyzer 125Ea Cathode 125Eb Anode 125Ec
131 overall control U
Claims (17)
前記燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと、前記燃料電池に取り入れられる当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体との間で水交換を行い、当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる水交換除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスにする窒素フィルタリング手段と
を有することを特徴とする窒素ガス生成装置。 a fuel cell that operates by taking in air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas;
Exchanging water between the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of the air taken out from the fuel cell and the air or the gas containing nitrogen and oxygen taken into the fuel cell, and water or water vapor in the exhaust gas a water exchange dehumidifying means for reducing the
A nitrogen gas generator, comprising filters having different degrees of permeation of nitrogen and oxygen, and nitrogen filtering means for converting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
前記水交換除湿手段は、当該圧力閾値以上の圧力を有する高圧の当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させ、
前記窒素フィルタリング手段は、水分又は水蒸気分の低減した、当該高圧の排ガスを窒素濃度の増大したガスにする
ことを特徴とする請求項1に記載の窒素ガス生成装置。 A high-pressure gas supply capable of supplying to the fuel cell high-pressure air or high-pressure gas containing nitrogen and oxygen having a pressure equal to or higher than a pressure threshold set based on at least the lower limit pressure requested or determined by the nitrogen filtering means. further comprising means;
The water exchange dehumidifying means reduces the moisture or water vapor content in the high-pressure exhaust gas having a pressure equal to or higher than the pressure threshold,
2. The nitrogen gas generator according to claim 1, wherein said nitrogen filtering means converts said high-pressure exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
当該圧力閾値は、前記ドライフィルタリング手段において要求若しくは決定される下限圧力にも基づいて設定される
ことを特徴とする請求項2に記載の窒素ガス生成装置。 further comprising a dry filtering means equipped with a dry filter for further reducing moisture or water vapor content in the high-pressure exhaust gas taken out from the water exchange dehumidifying means;
3. The nitrogen gas generator according to claim 2, wherein said pressure threshold value is also set based on the lower limit pressure requested or determined by said dry filtering means.
前記燃料電池は、当該高圧の水素ガスと、当該高圧の空気又は当該高圧の窒素及び酸素を含む気体とを取り入れて、当該高圧の排ガスを排出する
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の窒素ガス生成装置。 It further comprises high-pressure electrolysis means for electrolyzing a decomposition target that is water or steam or a decomposition target containing water or steam supplied in a limited space to generate high-pressure hydrogen gas having a pressure equal to or higher than the pressure threshold. death,
5. The fuel cell according to any one of claims 2 to 4, wherein the high-pressure hydrogen gas and the high-pressure air or the high-pressure gas containing nitrogen and oxygen are taken in, and the high-pressure exhaust gas is discharged. 1. The nitrogen gas generator according to claim 1.
前記ドライフィルタリング手段からの水、又は前記ドライフィルタリング手段及び前記燃料電池からの水を、当該分解対象として前記高圧電気分解手段に供給する水供給手段と
を更に有することを特徴とする請求項5又は6に記載の窒素ガス生成装置。 dry filtering means comprising a dry filter for further reducing the moisture or water vapor content in the high pressure exhaust gas removed from the water exchange dehumidification means;
6. A water supplying means for supplying water from said dry filtering means, or water from said dry filtering means and said fuel cell, to said high pressure electrolyzing means as said decomposition target. 7. The nitrogen gas generator according to 6.
前記触媒燃焼手段は、触媒燃焼に用いる当該燃料気体として、少なくとも生成された当該高圧の水素ガスを用いる
ことを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の窒素ガス生成装置。 The high-pressure exhaust gas having reduced moisture or water vapor content before being taken into the nitrogen filtering means is reacted with the fuel gas on a combustion catalyst, or the nitrogen concentration increased extracted from the nitrogen filtering means. further comprising catalytic combustion means for causing the gas and the fuel gas to react on a combustion catalyst to further reduce the oxygen concentration in the high-pressure exhaust gas or the nitrogen-enriched gas;
8. The nitrogen gas generator according to any one of claims 5 to 7, wherein the catalytic combustion means uses at least the generated high-pressure hydrogen gas as the fuel gas used for catalytic combustion.
生成された当該高圧の水素ガス、及び/又は、前記高圧電気分解手段によって生成された当該圧力閾値以上の圧力を有する高圧の酸素ガスを用いて駆動力を発生させるガス圧駆動手段と、
受け取った当該駆動力によって、当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体を、当該高圧の空気又は当該高圧の窒素及び酸素を含む気体にするガス圧縮手段と
を備えていることを特徴とする請求項5から8のいずれか1項に記載の窒素ガス生成装置。 The high pressure gas supply means is
gas pressure driving means for generating a driving force using the generated high-pressure hydrogen gas and/or the high-pressure oxygen gas having a pressure equal to or higher than the pressure threshold value generated by the high-pressure electrolysis means;
gas compression means for converting the air or the gas containing nitrogen and oxygen into the high-pressure air or the high-pressure gas containing nitrogen and oxygen by the received driving force. 9. The nitrogen gas generator according to any one of 5 to 8.
前記圧力調整手段から取り出された当該高圧の排ガスにおける水分又は水蒸気分を更に低減させる、ドライフィルタを備えたドライフィルタリング手段と
を更に有することを特徴とする請求項1又は4に記載の窒素ガス生成装置。 a pressure adjusting means for converting the exhaust gas taken out from the water exchange dehumidifying means into a high-pressure exhaust gas having a pressure equal to or higher than a pressure threshold set based on at least the lower limit pressure required or determined by the nitrogen filtering means;
5. The nitrogen gas generator according to claim 1 or 4, further comprising dry filtering means having a dry filter for further reducing moisture or water vapor content in the high-pressure exhaust gas taken out from the pressure adjusting means. Device.
前記燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと、前記燃料電池に取り入れられる当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体との間で水交換を行い、当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる水交換除湿手段と、
窒素と酸素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを窒素濃度の増大したガスにする窒素フィルタリング手段と
を有することを特徴とする窒素ガス生成システム。 a fuel cell that operates by taking in air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas;
Exchanging water between the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of the air taken out from the fuel cell and the air or the gas containing nitrogen and oxygen taken into the fuel cell, and water or water vapor in the exhaust gas a water exchange dehumidifying means for reducing the
A nitrogen gas generating system, comprising filters having different degrees of permeation of nitrogen and oxygen, and nitrogen filtering means for converting the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content into gas with increased nitrogen concentration.
前記燃料電池から取り出された、空気よりも低い酸素濃度を有する排ガスと、前記燃料電池に取り入れられる当該空気又は当該窒素及び酸素を含む気体との間で水交換を行い、当該排ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させるステップと、
水分又は水蒸気分の低減した当該排ガスを、窒素と酸素とについて透過する度合いの異なる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ステップと
を有することを特徴とする窒素ガス生成方法。
supplying air or a gas containing nitrogen and oxygen and a fuel gas to the fuel cell to operate the fuel cell;
Exchanging water between the exhaust gas having an oxygen concentration lower than that of the air taken out from the fuel cell and the air or the gas containing nitrogen and oxygen taken into the fuel cell, and water or water vapor in the exhaust gas reducing the minute;
and a step of causing the exhaust gas with reduced moisture or water vapor content to act on filters having different degrees of permeation for nitrogen and oxygen, and extracting the exhaust gas with increased nitrogen concentration from the filter. Gas generation method.
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