JPH0223796B2 - - Google Patents

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JPH0223796B2
JPH0223796B2 JP62287186A JP28718687A JPH0223796B2 JP H0223796 B2 JPH0223796 B2 JP H0223796B2 JP 62287186 A JP62287186 A JP 62287186A JP 28718687 A JP28718687 A JP 28718687A JP H0223796 B2 JPH0223796 B2 JP H0223796B2
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nitrogen
oxygen
fuel cell
liquid
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JP62287186A
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Chaaruzu Toroshiora Jon
Roorensu Bandain Rezurii
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RTX Corp
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United Technologies Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は窒素製造に関する。
〔従来法〕
精製された窒素は、化学合成のための供給原料
として、或は、種々の方法の不活性雰囲気とし
て、そのような目的のために広く用いられてい
る。
窒素と酸素は、空気を液化し、その液体空気を
窒素生成物流と酸素生成物流に分留することによ
り、空気から製造されている。その方法はエネル
ギーを多量に消費する。
多量の窒素を必要とするが、液化法の酸素副生
成物は不必要な、二次油回収の如き用途もある。
そのような場合の一つのやり方は、空気液化によ
つて窒素と酸素を生成させ、そのようにして生じ
た窒素を利用し、酸素副生成物は単に捨てること
である。そのようなやり方は、酸素廃棄物を生じ
させるため資源を浪費するという意味で非効率的
である。
別の方法は、燃焼過程で炭化水素燃料を酸化す
るのに空気流を用い、酸素消費ガス流を生成させ
ることである。この燃焼法は、熱と、窒素、二酸
化炭素、水及び硫黄化合物の形の不純物の流れと
を生ずる。水は凝縮により除去し、二酸化炭素は
ガス洗滌器により除去して、主に窒素ガスからな
る流れを生成させることができる。この場合に
は、不必要な酸素を液化することに伴う費用をか
けなくてすむ。燃焼法は、燃焼反応で生じた熱が
雰囲気中に失われ、二酸化炭素を除去するために
資源が消費されるという意味で非効率的である。
この分野で必要なことは、窒素を多量に必要と
するが、空気液化法の酸素副生成物は不必要であ
るような用途で、窒素を製造する効率的な手段で
ある。
〔本発明についての記述〕
窒素を製造するためのエネルギー効率のよい方
法を開示する。空気は燃料電池に供給される。酸
素が枯渇し、窒素に富むガス流と、電力とが、そ
の燃料電池から生ずる。その窒素に富む酸素消費
ガス流を液化し、液体窒素と液体酸素との混合物
を分留して窒素と酸素の別々の流れを生じさせ
る。
本発明の別の態様には、燃料電池、液化装置及
び分留装置を含む一連の互に流通できるように接
続された機構からなる、窒素製造のためのエネル
ギー効率のよい装置が含まれる。
本発明の方法及び装置は、液化法ではエネルギ
ーを消費することになる不必要な酸素は、ガス流
の液化前に除去され、その除去過程は、燃料電池
電力プラントによつて、電気エネルギーを発生さ
せるのに用いられるという意味で、エネルギー効
率の高いものである。燃料電池によつて生じた電
気エネルギーは、燃焼法で発生する熱エネルギー
よりも一層容易に利用され、後の液化工程のエネ
ルギー要件を部分的に満足するように直接適用さ
れてもよい。燃焼法とは対照的に、本発明の方法
は、硫黄又は炭素の酸化物によつて汚染されてい
ない窒素流を生ずる。
本発明の前述及び他の特徴及び利点は、次の記
載及び付図から一層明確になるであろう。
〔本発明を実施するための最良の態様〕
第1図の工程図は、燃料電池と、液化装置及び
分留装置との組み合せを概略的に示す。
燃料処理装置3は、炭化水素燃料1と水蒸気2
とを、水素に富むガス4に変える。
水素に富むガス4と空気5とは、燃料電池積層
体6へ供給される。燃料電池積層体6は、一群の
個々の燃料電池からなる。
個々の燃料電池の一例の断面図は、第2図に示
されている。個々の燃料電池は、二つの電極、多
孔質陰極17及び多孔質陽極19を有し、それら
は互いに電解質層18によつて分離されており、
分離板20及び22によつて隣接する電池から分
離されている。陰極17と陽極18は、外部回路
24を通して電気接触している。
水素に富む燃料は、分離板20中の溝21を通
つて陰極17へ導入される。陰極17では、燃料
は電気化学的に酸化されて電子を放出し、それら
電子は外部回路24を通つて陽極19へ伝導さ
れ、酸化剤と電気化学的に結合する。外部回路2
4を通る電子の流れは、一方の電極から他方の電
極へ、電解質層18を通つて行くイオンの同時に
生ずる流れと釣り合つている。含まれるイン物質
と流れの方向は、含まれる燃料電池の型に依存す
る。例えば、酸性電解質燃料電池では、水素ガス
は陰極17で触媒により分解し、反応H2→2H+
+2e-に従つて水素イオンと電子を与える。水素
イオンは陰極17から電解質18を通つて陽極1
9へ移動する。電子は陰極17から陽極19へ、
外部回路24を通つて流れる。陽極19では、酸
素は触媒により水素イオンと電子と結合して、反
応O2+4H++4e-→2H2Oに従い水を生ずる。水
は凝縮され、第1図中に示された副生成物流7を
生ずる。酸性電解質燃料電池に典型的な反応を一
例としてここでは用いたが、アルカリ性、溶融炭
酸塩又は固体酸化物電解質燃料電池の如き他の種
類のものも本発明と共に用いることができる。
燃料電池の操作は、酸素消費排出流を生ずる。
従つて排出流は窒素に富んでいる。例えば、空気
は約0.20モル分率の酸素と、約0.80モル分率の窒
素とを含んでいる。典型的には、燃料電池は、流
入空気流中の酸素の約80%を消費すると予想さて
いる。従つて、典型的な燃料電池からの流出ガス
流は、わずか約0.04モル分率の酸素と、0.96モル
分率の窒素を含むであろう。個々の電池の夫々か
ら流出する酸素消費ガス流を一緒にして、夫々第
1図中に示されている燃料電池積層体6からの流
出ガス流11を形成する。
陰極17から陽極19へ、外部回路24を通つ
て流れる電子流は、電池によつて生じた電気エネ
ルギーである。第2図の外部回路24は、第1図
の燃料電池積層体6から電力インバーター9への
直流電流8の通路に相当する。電力インバーター
9は、直流電流8を交流電流10へ転化する。交
流10は電気エネルギー源として利用できる。
燃料電池積層体6中の個々の燃料電池の数は、
液化装置12へ充分な量の窒素に富む酸素消費ガ
ス11を与えるように処理されなければならない
空気の体積によつて決定され、その液化装置は、
今度は窒素製造装置の希望の窒素生成量15によ
つて決定される。積層体の電力出力は、個々の燃
料電池の出力の合計である。窒素生成速度に基づ
く積層体中の燃料電池の数の決定は、燃料電池積
層体6の電力出力も決定する。
燃料電池積層体6からの窒素に富む酸素消費ガ
ス流11は、その液化装置12に導入する。
液化装置の一例の概略的構成が第3図に示され
ている。ガス流11は再循環ガス流38と一緒に
し、混合物26をコンプレツサー27に導入す
る。コンプレツサー27でガスを高圧、典型的に
は2000psigより大きな圧力へ圧搾する。圧搾は典
型的には数段階で達成され、各段階の間でガスは
冷却され、コンプレツサー27を出るガス流28
が高圧で、中程度の温度、典型的には100〓より
低い温度になるようにする。圧搾されたガス流2
8の温度は前冷却器29で低下させる。冷たい圧
搾ガスの流れを熱交換器31へ導入し、そこで更
に冷却を行う。冷たい圧搾ガス32の温度は、ス
ロツトルバルブ33で膨張させることにより、液
相への部分的凝縮が得られる点迄低下させる。ガ
スと液体の混合流34を、一段階分離器35で二
つの層へ分離する。冷たいガス流37は、熱交換
器31で冷却を与えるように再循環させる。熱交
換器を出る再循環ガス流38は、入つてくるガス
流11と混合する。液体酸素と液体窒素との混合
物からなる分離器35からの液体流は、第1図の
分留装置のための供給物13を形成する。
供給物13は、少なくとも一つの分留塔によ
り、窒素生成物流15と、酸素副生物流16を与
えるように分離される。高純度生成物流を得るた
めには、一連の塔が必要であろう。
分留塔の一例の概略的構成が第4図に示されて
いる。液体供給物13は、分留塔39へ導入され
る。塔39には、有孔板40によつて分離された
多数の領域が含まれている。液体は塔を流化し、
リボイラー42に入る流れ43を形成する。リボ
イラー42中、熱を供給して残留液体の一部を蒸
発させる。蒸気流41はリボイラー42を出、分
留塔39へ再び入る。蒸気の流れは塔39を上昇
して凝縮器46へ入る流れ45を形成し、そこで
蒸気は冷却されて液相へ凝縮する。液体の流れ4
8は塔39へ戻される。このようにして液体と蒸
気の向流が確立され、液体は塔を流下し、蒸気は
その流下する液体と接触しながら塔を上昇する。
塔内の各領域内の液相と気相は、平衡組成に近づ
いていく。蒸気相は、塔の頂部に近づくにつれて
低沸点成分、ここでは窒素からなる成分に富むよ
うになる。液相は、塔の底に近づくにつれて、高
沸点成分、ここでは酸素からなる成分に富むよう
になる。窒素に富む液体の一部を、窒素生成物流
15として凝縮器46から取り出す。酸素に富む
液体の一部を酸素副生成物流16としてリボイラ
ー42から取り出す。
本発明の窒素製造装置は、燃料電池電力プラン
トと、ガス液化・分留装置とを結合したことを特
徴とする。この窒素製造方法は、空気からの窒素
の製造に関し、従来の液化装置のエネルギーを消
費する酸素が液化前に除去され、その除去過程
で、酸素が電気エネルギーを発生するのに用いら
れている点で、独特の利点を有するものである。
燃料電池によつて生ずる電気エネルギーは、後の
液化工程で必要なエネルギーを部分的に満足させ
るのに適用してもよい。
本発明を、その詳細な具体例に関して記述して
きたが、本発明の範囲から外れることなく、その
形及び細かな点に関し、種々の変更が行えること
は当業者には分るであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は、燃料電池電力プラントと液化装置と
の関係を示す、本発明の窒素製造装の概略的工程
図である。第2図は、燃料電池の一例の断面図で
ある。第3図は、液化装置の一例の概略的構成図
である。第4図は、分留装置の一例の概略的構成
図である。 17…陰極、19…陽極、18…電解質、2
0,22…分離板、21,23…溝、39…分留
塔、15…窒素、16…酸素。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 a 燃料電池の陽極に空気を供給し、その電
    池によつて電気的エネルギー、水、及び窒素に
    富む酸素消費ガス流を生じさせ、 b 前記窒素に富む酸素消費ガス流をガス液化装
    置へ送り、その液化装置によつて液体窒素と液
    体酸素との混合物を生成させ、 c 液体窒素と液体酸素との混合物を分留装置へ
    送り、その分留装置によつて前記混合物を分離
    して窒素生成物流と酸素副生成物流とを生成さ
    せる、 ことからなり、然も窒素製造に大きなエネルギー
    効率を与える、空気から窒素を製造する方法。 2 a 燃料電池と、 b 前記燃料電池と流体が流通できるようになつ
    ているガス液化装置と、 c 前記液化装置と流体が流通できるようになつ
    ている液体分留装置、 からなり、然も窒素製造に大きなエネルギー効率
    を与えるのに適合する、空気から窒素を製造する
    装置。
JP62287186A 1986-11-14 1987-11-13 窒素製造方法及びその装置 Granted JPS63217182A (ja)

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US06/930,827 US4767606A (en) 1986-11-14 1986-11-14 Process and apparatus for producing nitrogen
US930827 1986-11-14

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JPS63217182A JPS63217182A (ja) 1988-09-09
JPH0223796B2 true JPH0223796B2 (ja) 1990-05-25

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JPS63217182A (ja) 1988-09-09

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