JP6191003B1

JP6191003B1 - 高純度窒素ガス生成システム

Info

Publication number: JP6191003B1
Application number: JP2017030521A
Authority: JP
Inventors: 福原　廣; 廣福原
Original assignee: 株式会社フクハラ
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: JP2018137115A

Abstract

【課題】簡単な構造で高純度窒素ガスを容易に生成することができる高純度窒素ガス生成システムを提供する。【解決手段】高純度窒素ガス生成システム１は、水素ガスが貯留されている水素ガス提供手段２と、水素ガス提供手段２からの水素ガスが導入される第１の導入口を有し、窒素及び酸素を含む空気を導入する空気取り入れ口１２と、水が排出される第１の排水口１４と、窒素リッチガスが排気される第１の排気口１５とを含む燃料電池３と、水素ガスが導入される第２の導入口１８を有し、窒素リッチガスが導入される排気取り入れ口１６と、水が排出される第２の排水口２０と、高純度窒素ガスが排気される第２の排気口２１とを含む加熱反応槽４と、加熱反応槽４の内部に充填されている触媒１９とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を利用して純度の高い窒素ガスを生成するための高純度窒素ガス生成システムに関するものである。

燃料電池は、電解質を介した燃料極及び空気極で形成されている。ここに燃料ガスを供給して発電が行われる。燃料電池の種類としては、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、そして固体酸化物形（ＳＯＦＣ）が知られている。これらの燃料電池において、電解質はそれぞれ異なっているが、いずれも燃料ガスとして水素を利用可能である。燃料極ではこの水素がイオン化し、イオン化した水素は電解質を通って空気極で酸素と反応して水を排出する。空気極に供給される酸素は、主として空気中の酸素が利用されている。

ここで、空気極に利用される空気には酸素の他に多量の窒素が含まれている。燃料電池では、反応により酸素が低減するため、排気ガス中には窒素が高濃度で含まれることになる。これは、窒素リッチガスと称されている。

このような窒素リッチガスは半導体製造やレーザー等で利用可能である。燃料電池の排気ガスでは、窒素濃度は約９２％〜９７％であるが、さらに窒素濃度を高めることにより、高効率で上記分野に適用することができる。このような窒素リッチガスよりもさらに窒素濃度を高めた高純度窒素ガスが産業界において求められている。

このような高純度窒素ガスを生成するため、本願出願人は鋭意研究を重ね、従来技術を開示するに至っている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６−１４９２８３号公報

しかしながら、特許文献１の構造では膜分離方式やＰＳＡ方式からなる窒素ガス発生装置が必要である。これらは装置が大型であり、設置に際して種々の制約があったり、スペース的にも効率が悪いものであった。

本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、簡単な構造で高純度窒素ガスを容易に生成することができる高純度窒素ガス生成システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、水素ガスが貯留されている水素ガス提供手段と、該水素ガス提供手段からの水素ガスが導入される第１の導入口を有する燃料電池であって、窒素及び酸素を含む空気を導入する空気取り入れ口と、前記水素ガス中の水素と前記酸素が反応して生成された水が排出される第１の排水口と、前記酸素が反応することにより窒素濃度が高まった窒素リッチガスが排気される第１の排気口とを含む燃料電池と、水素ガスが導入される第２の導入口を有する加熱反応槽であって、前記第１の排気口と接続管を介して接続されて前記窒素リッチガスが導入される排気取り入れ口と、前記水素ガス中の水素と前記窒素リッチガス中の残存酸素とが反応して生成された水が排出される第２の排水口と、前記残存酸素が反応することにより窒素濃度がさらに高まった高純度窒素ガスが排気される第２の排気口とを含む加熱反応槽と、前記加熱反応槽の内部に充填されていて前記水素と前記残存酸素との反応性を高める触媒とを備えたことを特徴とする高純度窒素ガス生成システムを提供する。

好ましくは、前記第２の導入口は、前記水素ガス提供手段と接続されている。

好ましくは、前記加熱反応槽の上側には、前記残存酸素と反応せずに残った余剰の水素を排出するための水素排出管が延びている。

好ましくは、前記第２の導入口は、前記加熱反応槽の下部に形成されている。

好ましくは、前記加熱反応槽は、前記燃料電池の排熱を利用して加熱されている。

好ましくは、前記加熱反応槽は、改質器である前記水素ガス提供手段の排熱を利用して加熱されている。

好ましくは、前記触媒は、前記燃料電池の発する電力が通電され加熱されている。

本発明によれば、窒素リッチガスに対してさらに水素を反応させる加熱反応槽を設けているので、窒素リッチガス中に残った低濃度の残存酸素がさらに水素と反応し、限りなく窒素リッチガス中の窒素濃度を高めることができ、高純度窒素ガスを生成することができる。窒素リッチガスは燃料電池の副産物として廃棄されていたものであるが、このような構成を適用することで窒素リッチガスを有効活用することができる。また燃料電池の副産物たる窒素リッチガスを用いることで、高純度窒素ガスの生成について低コストでこれを生成できるようになる。このような高純度窒素ガスの生成の際、二酸化炭素が全く排出されないので、環境にも好ましい。

また、燃料電池を運転することで得られる排熱を利用して加熱反応槽が加熱される場合、エネルギー効率が高い。

さらに、燃料電池を運転することで得られる電力を利用して触媒が加熱される場合、外聞電力を要することなく自立して運転可能である。

そして、燃料電池と加熱反応槽とに使用する水素の供給源を同一の水素ガス提供手段とすることで、スペース的に効率がよくなり、構造が簡略化され適用範囲が拡大される。また、加熱反応槽に水素排出管を設けることで、水素と高純度窒素ガスとを分離することができる。

本発明に係る高純度窒素ガス生成システムの概略図である。

図１に示すように、本発明に係る高純度窒素ガス生成システム１は、水素ガス提供手段２と、燃料電池３と、加熱反応槽４とで構成されている。水素ガス提供手段２は、改質器もしくは水素ガスタンクであって、燃料電池３に水素ガスを供給する。この水素ガス提供手段２には三方弁５を介して燃料電池３の方向へ延びる第１の供給管６及び加熱反応槽４の方向へ延びる第２の供給管７と接続されている。燃料電池３には、第１の供給管６と接続される第１の導入口８が形成されている。燃料電池３は空気極９及び燃料極１０を有し、これらの間には電解質１１が配されている。水素ガス提供手段２から供給される水素ガスは、燃料極１０にてイオン化されて水素イオンとなる。水素イオンは電解質を通り、空気極９へと到達する。一方で、燃料電池３は空気極９側に窒素及び酸素を含む空気を導入する（矢印Ａ）ための空気取り入れ口１２を備えている。空気極９では、水素イオンと空気中の酸素、及び燃料極１０にてイオン化された際に水素から分離した電子とが反応して水が生成される。なお、燃料極１０にて発生した電子は電池１３等で電力として利用される。

空気極９で水素ガス中の水素と酸素が反応して生成された水は、燃料電池３に備わる第１の排水口１４から排出される（矢印Ｂ）。燃料電池３に取り入れられた空気は、空気極９にて酸素が反応するため酸素濃度が低くなっていき、相対的に窒素濃度が高まっていく。具体的には、燃料電池３にて酸素反応前の空気中の窒素濃度は約８０％、酸素濃度は約２０％であるが、酸素が水素と反応することで窒素濃度は９２％乃至９７％程度となる。このような高濃度のガスは窒素リッチガスと称され、燃料電池３に設けられた第１の排気口１５から排気される。

本システム１では、この窒素リッチガスをさらに利用するために加熱反応槽４を設けている。加熱反応槽４には窒素リッチガスを導入するための排気取り入れ口１６が備わっている。この排気取り入れ口１６は燃料電池３の第１の排気口１５と接続管１７により接続されている。したがって燃料電池３で生成された窒素リッチガスは、燃料電池３の第１の排気口１５から接続管１７を通って排気取り入れ口１６から加熱反応槽４内へと取り入れられる。加熱反応槽４はさらに第２の導入口１８を備えている。この第２の導入口１８は上述した水素ガス提供手段２と第２の供給管７を介して接続されている。したがって、水素ガス提供手段２内の水素ガスは第２の供給管７を通って第２の導入口１８から加熱反応槽４内へと導入される。また、加熱反応槽４内部は、第１の方法もしくは第２の方法で加熱されている（高エネルギー状態とされている）。

前記第１の方法として、加熱反応槽４は、燃料電池３もしくは水素ガス提供手段２（改質器である場合）の排熱を利用して加熱されている（高エネルギー状態とされている）。排熱の回収態様としては、燃料電池３から排気される窒素リッチガスが既に所定高温状態であればそのまま利用すればよく、そうでない場合は、燃料電池３に排熱回収機構を設けて排熱を回収した上でさらに昇温して加熱反応槽４を加熱すればよい。

前記第２の方法として、加熱反応槽４は、内部に充填されている触媒１９に燃料電池３が発する電力を通電することで加熱されている（高エネルギー状態とされている）。

このように、加熱されている加熱反応槽４内には窒素リッチガスと水素ガスとが充満することになる。そして、加熱反応槽４内は触媒１９が充填されている。加熱下（高エネルギー下）にあって、この触媒１９の作用により、残存酸素はそのほとんどが水素と反応し、水が生成される。この水は加熱反応槽４の下部に設けられた第２の排水口２０から排出される（矢印Ｃ）。

一方、残存酸素がほぼ反応された窒素リッチガスはさらに窒素濃度が高まり、高純度窒素ガスとなる。この高純度窒素ガスは加熱反応槽４に備わる第２の排気口２１から排出される（矢印Ｄ）。排出された高純度窒素ガスは、適宜回収されて半導体やレーザー分野等で有効的に利用される。

上述した例では、水素ガス提供手段２を燃料電池３と加熱反応槽４とで共用する例を示したが、それぞれ別々に水素供給源となるものを設けてもよい。ただし水素ガス提供手段２として共用すれば、スペース的に効率がよくなり、構造が簡略化され適用範囲が拡大される。例えば狭小な工場や研究室でも適用可能となる。

なお、触媒１９について、それが銅である場合の加熱量は２００℃程度である。触媒1１９については他に白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、ジルコニウムなど、あるいはこれらの合金等の金属触媒を適用可能である。通電しない場合については、金属の微粒子として、それをさらにアルミナなどに担持させるなどの実施が考えられる。通電する場合については、導電性がよいものを網状にするなどが考えられる。どちらにしても、水素ガスや酸素が触れる表面積を多くすることが肝要である。

また、加熱反応槽４の上側に水素排出管２２を設けてもよい。この水素排出管２２残存酸素と反応せずに残った余剰の水素を排出するためのものである。これは、多くの場合、燃料電池３の運転終了後などに残存水素ガスを排出する目的で使用される。運転水素は軽いため、加熱反応槽４の上側に設けることでそれを容易に取り出すことができる。取り出された水素は再利用（再加工）して再び加熱反応槽４に導入してもよい。なお、水素排出管２２から水素を取り出す配管上に安全バルブ２３を取り付けてもよい。このような水素の性質を利用して、加熱反応槽４に設けられた第２の導入口１８は加熱反応槽４の下部に設けることが好ましい。水素ガスは加熱反応槽４内を上昇するので、万遍なく加熱反応槽４内に水素ガスを行き渡らせて残存酸素との反応性を高めることができる。

以上説明したように、本発明では、窒素リッチガスに対してさらに水素を反応させる加熱反応槽４を設けているので、窒素リッチガス中に残った低濃度の残存酸素をさらに水素と反応させることができる。このため、限りなく窒素リッチガス中の窒素濃度を高めることができ、高純度窒素ガスを生成することができる。窒素リッチガスは燃料電池の副産物として廃棄されていたものであるが、このような構成を適用することで窒素リッチガスを有効活用することができる。また燃料電池の副産物たる窒素リッチガスを用いることで、高純度窒素ガスの生成について低コストでこれを生成できるようになる。さらに、燃料電池３を運転することで得られるエネルギーを用いて加熱反応槽４を加熱（高エネルギー状態）するので効率が良い。そして、このような高純度窒素ガスの生成の際、二酸化炭素が全く排出されないので、環境にも好ましい。特に、燃料電池を発電機として用いている、あるいは導入予定の企業等にとっては、電気の他に高純度窒素ガスも生成することができるようになる。このことは自社で窒素ガスを使用している企業にとっては大変有用であり、自社で使用していない場合でも売却等することで資産として活用できることになる。

１：高純度窒素ガス生成システム、２：水素ガス提供手段、３：燃料電池、４：加熱反応槽、５：三方弁、６：第１の供給管、７：第２の供給管、８：第１の導入口、９：空気極、１０：燃料極、１１：電解質、１２：空気取り入れ口、１３：電池、１４：第１の排水口、１５：第１の排気口、１６：排気取り入れ口、１７：接続管、１８：第２の導入口、１９：触媒、２０：第２の排水口、２１：第２の排気口、２２：水素排出管、２３：安全バルブ

Claims

水素ガスが貯留されている水素ガス提供手段と、
該水素ガス提供手段からの水素ガスが導入される第１の導入口を有する燃料電池であって、
窒素及び酸素を含む空気を導入する空気取り入れ口と、
前記水素ガス中の水素と前記酸素が反応して生成された水が排出される第１の排水口と、
前記酸素が反応することにより窒素濃度が高まった窒素リッチガスが排気される第１の排気口と、
を含む燃料電池と、
水素ガスが導入される第２の導入口を有する加熱反応槽であって、
前記第１の排気口と接続管を介して接続されて前記窒素リッチガスが導入される排気取り入れ口と、
前記水素ガス中の水素と前記窒素リッチガス中の残存酸素とが反応して生成された水が排出される第２の排水口と、
前記残存酸素が反応することにより窒素濃度がさらに高まった高純度窒素ガスが排気される第２の排気口と、
を含む加熱反応槽と、
前記加熱反応槽の内部に充填されていて前記水素と前記残存酸素との反応性を高める触媒とを備え、
前記加熱反応槽の上側には、前記残存酸素と反応せずに残った余剰の水素を排出するための水素排出管が延びていることを特徴とする高純度窒素ガス生成システム。
前記第２の導入口は、前記水素ガス提供手段と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の高純度窒素ガス生成システム。
前記第２の導入口は、前記加熱反応槽の下部に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高純度窒素ガス生成システム。
前記加熱反応槽は、前記燃料電池の排熱を利用して加熱されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高純度窒素ガス生成システム。
前記加熱反応槽は、改質器である前記水素ガス提供手段の排熱を利用して加熱されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高純度窒素ガス生成システム。
前記触媒は、前記燃料電池の発する電力が通電され加熱されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高純度窒素ガス生成システム。