(57)【要約】【課題】  燃料電池の排気から圧力を有した窒素ガスを、当該燃料電池の発電効率を妨げずに、効率的に生成する製造装置を提供する。【解決手段】  主要な構成として、燃料電池本体１０と、燃料電池本体１０の空気極１２より排出される窒素リッチガスを貯留し、第１圧力検出手段２３が配設される第１貯留タンク２０と、第１貯留タンク２０内のガスを昇圧する昇圧手段３０と、昇圧手段３０の吐出する窒素リッチガスを貯留し且つ第２圧力検出手段４３が配設される第２貯留タンク４０と、を備え、昇圧手段３０は第１圧力検出手段２３及び／もしくは第２圧力検出手段４３において検出される圧力によって昇圧動作が制御されている。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
第１圧力検出手段が配設されると共に前記燃料電池本体の空気極より排出される窒素リッチガスが貯留される第１貯留タンクと、
前記第１貯留タンク内の窒素リッチガスを昇圧する昇圧手段と、
第２圧力検出手段が配設されると共に前記昇圧手段の吐出する窒素ガスを貯留する第２貯留タンクと、
を備え、
前記昇圧手段は、前記第１圧力検出手段、及び／もしくは、第２圧力検出手段において検出される圧力によって昇圧動作が制御されていることを特徴とする窒素ガス製造装置。
【請求項２】
前記第１貯留タンクの容量が前記第２貯留タンクより大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項３】
記載の順に低い圧力である、第１所定圧力、第２所定圧力、第３所定圧力、第４所定圧力、並びに第５所定圧力を検出し、
前記第１圧力検出手段は、前記第１所定圧力、前記第２所定圧力、並びに前記第３所定圧力を、前記第２圧力検出手段は前記第４所定圧力及び前記第５所定圧力を、それぞれ検出し、
前記昇圧手段は、前記第２所定圧力が検出されると共に前記第４所定圧力が検出された場合に昇圧動作を行い、前記第１所定圧力が検出された場合、または前記第５所定圧力を検出された場合に昇圧動作を停止とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項４】
前記第１貯留タンクの流入口側に配設される第１制御弁を備え、
前記第１制御弁は、前記燃料電池本体の運転開始より所定時間経過後に前記第１貯留タンクに向けて開弁され、前記第３所定圧力が検出された場合に大気側へ向けて開弁されることを特徴とする請求項３に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項５】
前記第１貯留タンクの流出口側に配設される第２制御弁と、
前記第２貯留タンクの流入口側に配設される第３制御弁と、
を備え、
前記第２制御弁及び前記第３制御弁は、前記昇圧手段の昇圧動作中に開弁されているものであることを特徴とする請求項３に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項６】
前記第２貯留タンクの流出口側に配設される第４制御弁を備え、
前記第４制御弁の後段のいずれかの箇所に接続される窒素ガス需要機器の窒素ガス需要量に応じて前記燃料電池本体の発電出力を増減させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の窒素ガス製造装置。
【請求項７】
前記窒素ガス需要量は、前記第１圧力検出手段もしくは前記第２圧力検出手段において検出される単位時間当たりの圧力の増減から得られるものであることを特徴とする請求項６に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項８】
前記第４制御弁の後段に流量検出手段を備え、
前記窒素ガス需要量は、前記流量検出手段おいて検出される単位時間当たりの流量の増減から得られるものであることを特徴とする請求項６に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項９】
前記第１貯留タンク、前記昇圧手段、並びに前記第２貯留タンクのいずれかにドレントラップが備えられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の窒素ガス製造装置。
【請求項１０】
前記燃料電池本体によって発電される電力が、装置内部において電力を要する箇所へ給電されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の窒素ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素ガス製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒素（窒素ガス）は、その不活性な物性的特徴を活かして、保安・パージといった安全性向上や酸化防止などの品質保持用として、半導体製造プロセスから石油化学、食品・飲料の製造に至るまで、幅広い分野で利用されている。そして、当該窒素ガスについては、各用途に供される際に加圧されていることが利便である。
なお、一般に、産業用途で窒素ガスが使用される場合、それらの圧力はおよそ０．７ＭＰａ乃至４ＭＰａ程度である。
【０００３】
ところで、大気の約９９％は酸素と窒素で構成されており、その比率はおよそ２（酸素）：８（窒素）であるため、窒素ガスは、通常、大気から約２割を占める酸素を分離・除去することで得ることができる。かかる窒素ガスを需要場所付近において生成する手法としては、主に膜分離方式とＰＳＡ（圧力変動吸着）方式とがあり、両者とも圧縮空気から窒素ガスを製造するため、そもそも窒素ガスとなる時点で加圧されているという利点がある。
【０００４】
膜分離方式とは、特殊な中空糸膜を使った手法で、該中空糸膜に圧縮空気を透過させることで、各成分の透過速度の違いにより、酸素を優先的に分離・除去することで、およそ９７％〜９９％程度の濃度の窒素ガスを抽出することが可能である。
【０００５】
ＰＳＡ（圧力変動吸着）方式とは、吸着材を利用したものであって、該吸着材に圧縮空気中の酸素を吸着させることで、その余としておよそ９９〜９９．９９％までの濃度の窒素ガスを抽出することが可能である。
【０００６】
他方、必ずしも窒素ガスの製造を意図して、酸素を分離・除去しなくとも、装置の運転上、必然的に大気中の酸素濃度を低減（分離・除去）させている装置も存在している。換言すれば、有用で窒素濃度が高いガスを副産物として生産している装置が存する。
【０００７】
大気中の酸素濃度を低減する装置の一例としては、燃料電池が考えられる。
すなわち、燃料電池は、水素を空気中の酸素と電気化学的に反応させて発電を行うもので、その際に排出されるのは水と酸素濃度が減少した空気である。かかる酸素濃度が減少した空気は、窒素濃度が大気と比して相対的に高くなるので、一般に「窒素リッチガス」と呼ばれている。
そして、前記窒素リッチガスの窒素濃度は、通常、９１乃至９７％と高く、また、燃料電池における反応効率を向上させれば、窒素リッチガスの窒素濃度も高くなるという相関性がある。
【０００８】
かかる燃料電池から排出される窒素リッチガスの利用方法については、特開平７−１８３０４１号公報（特許文献１）や特開平７−１８３０４２号公報（特許文献２）などの技術提案がなされている。
【０００９】
すなわち、上記特許文献１及び上記特許文献２にかかる技術提案は、燃料電池から排出される窒素リッチガスについて、同じ燃料電池のパージ用若しくはシール用のガスとして循環利用するための技術提案であって、燃料電池外部で使用するための窒素ガスの生成に関する技術提案ではなかった。
そのため、燃料電池は、該燃料電池の発電効率上、産業用途で最低限必要とされる加圧された状態で排気されていなかった。
そうであるので、前記技術提案は、燃料電池から排気される窒素リッチガスについて、それを需要する機器に向けて加圧供給するために圧縮機をいかに制御させるかという技術的思想についてはないものであった。
【００１０】
なお、通常の燃料電池から排気される窒素リッチガスの排出圧力は数ｋＰａ乃至数十Ｐａであり、産業用途で通常使用されている０．７ＭＰａ乃至４ＭＰａ程度の圧力には到底及ばないものである。
【００１１】
そして、燃料電池は、セル内部において電気化学的な反応をさせる際に、供給されている空気の圧力と発電効率とに密接な関係があるため、後段に圧縮機を接続させると、当該圧縮機の吸気による負圧によって発電効率が低下してしまう可能性をもつものでもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平７−１８３０４１号公報
【特許文献２】特開平７−１８３０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述した背景技術に鑑み、燃料電池の排気から圧力を有した窒素ガスを、当該燃料電池の発電効率を妨げずに、効率的に生成する製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池本体と、第１圧力検出手段が配設されると共に前記燃料電池本体の空気極より排出される窒素リッチガスが貯留される第１貯留タンクと、前記第１貯留タンク内の窒素リッチガスを昇圧する昇圧手段と、第２圧力検出手段が配設されると共に前記昇圧手段の吐出する窒素ガスを貯留する第２貯留タンクと、を備え、前記昇圧手段は、前記第１圧力検出手段、及び／もしくは、第２圧力検出手段において検出される圧力によって昇圧動作が制御されている構成を採用する。
【００１５】
したがって、本発明は、燃料電池本体における発電効率の低下を防止させること、燃料電池本体から排出される窒素リッチガスの量に応じて昇圧動作をさせること、をもって適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００１６】
好ましきは、前記第１貯留タンクの容量が前記第２貯留タンクより大きい構成を採用する。
【００１７】
したがって、上記発明は、燃料電池本体における発電効率の低下を防止させること、燃料電池本体から排出される窒素リッチガスを適切に冷却もしくは脈圧除去を可能とすること、昇圧手段における圧縮効率を向上させること、をもって適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００１８】
好ましきは、記載の順に低い圧力である、第１所定圧力、第２所定圧力、第３所定圧力、第４所定圧力、並びに第５所定圧力を検出し、前記第１圧力検出手段は、第１所定圧力、第２所定圧力、並びに第３所定圧力を、前記第２圧力検出手段は第４所定圧力及び第５所定圧力を、それぞれ検出し、前記昇圧手段は、前記第２所定圧力が検出されると共に第４所定圧力が検出された場合に昇圧動作を行い、前記第１所定圧力が検出された場合、または前記第５所定圧力を検出された場合に昇圧動作を停止とする構成を採用する。
【００１９】
したがって、上記発明は燃料電池本体の発電のための運転状況（ガス圧もしくはその流量）を乱さないことをもって、適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００２０】
好ましきは、前記第１貯留タンクの流入口側に配設される第１制御弁を備え、前記第１制御弁は、前記燃料電池本体の運転開始より所定時間経過後に前記第１貯留タンクに向けて開弁され、前記第３所定圧力が検出された場合に大気側へ向けて開弁される構成を採用する。
【００２１】
したがって、上記発明は、燃料電池運転開始時の窒素リッチガスの濃度不安定によって製造する窒素ガスの純度不良を防止可能なこと、窒素ガスの需要量が少ない場合の燃料電池本体の効率低下を防止可能なこと、をもって適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００２２】
好ましきは、前記第１貯留タンクの流出口側に配設される第２制御弁と、前記第２貯留タンクの流入口側に配設される第３制御弁と、を備え、前記第２制御弁及び前記第３制御弁は、前記昇圧手段の昇圧動作中に開弁している構成を採用する。
【００２３】
したがって、上記発明は、昇圧手段の長寿命化を可能とすることをもって、適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００２４】
好ましきは、前記第２貯留タンクの流出口側に配設される第４制御弁を備え、前記第４制御弁の後段のいずれかの箇所に接続される窒素ガス需要機器の窒素ガス需要量に応じて前記燃料電池の発電出力を増減させる構成を採用する。
【００２５】
したがって、上記発明は、窒素ガスの需要量に応じて燃料電池本体から排出される窒素リッチガスの量を増減可能とすることをもって、適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００２６】
好ましきは、前記窒素ガス需要量は、前記第１圧力検出手段もしくは前記第２圧力検出手段において検出される単位時間当たりの圧力の増減から得られるものである構成を採用する。
【００２７】
好ましきは、前記第４制御弁の後段に流量検出手段を備え、前記窒素ガス需要量は、該流量検出手段おいて検出される単位時間当たりの流量の増減から得られるものである構成を採用する。
【００２８】
したがって、前々記発明及び前記発明は、末端に接続される機器からその需要量を得なくとも、簡単に全体の窒素ガスの需要量を検出可能とすることをもって、適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００２９】
好ましきは、前記第１貯留タンク、前記昇圧手段、並びに前記第２貯留タンクのいずれかにドレントラップが備えられている構成を採用する。
【００３０】
したがって、前記発明は、適切に凝縮水を排出可能とすることができることをもって、適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【００３１】
好ましきは、前記燃料電池本体によって発電される電力が、装置内部において電力を要する箇所へ給電されている構成を採用する。
【００３２】
したがって、上記発明は、商用電源を得なくとも、窒素ガス発生装置を動作可能とすることができること、それによって保安用途など、バックアップ体制が重視される用途にも使途拡大可能とすること、をもって適切且つ効率的に窒素ガスを製造することができるものである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明にかかる窒素ガス製造装置は、燃料電池の排気から圧力を有した窒素ガスを上記もしくは下記の通り効率的に生成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明にかかる窒素ガス製造装置の実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、燃料電池本体と、第１圧力検出手段が配設されると共に前記燃料電池本体の空気極より排出される窒素リッチガスが貯留される第１貯留タンクと、前記第１貯留タンク内の窒素リッチガスを昇圧する昇圧手段と、第２圧力検出手段が配設されると共に前記昇圧手段の吐出する窒素ガスを貯留する第２貯留タンクと、を備え、前記昇圧手段は、前記第１圧力検出手段、及び／もしくは、第２圧力検出手段において検出される圧力によって昇圧動作が制御されている構成を最大の特徴とする。
以下、本発明にかかる窒素ガス製造装置における実施形態、すなわち、構成及び動作を、図面に基づいて説明する。
【００３６】
なお、本発明にかかる窒素ガス製造装置は、以下に述べる実施形態に特に限定されるものではない。
また、本発明は、その構成や動作について、技術的思想の範囲内、すなわち同一の作用効果を発揮できる機器や該機器の素材もしくは形状、動作などに関して適宜変更することができる。
【００３７】
図１は、本発明にかかる窒素ガス製造装置の実施形態を示すブロック図である。
本発明にかかる窒素ガス製造装置は、主要な構成として、燃料電池本体１０と、燃料電池本体１０の空気極１２より排出される窒素リッチガスを貯留するための第１貯留タンク２０と、第１貯留タンク２０内のガスを昇圧する昇圧手段３０と、昇圧手段３０の吐出する窒素ガスＮ２を貯留する第２貯留タンク４０と、より成る。
【００３８】
燃料電池本体１０は、アノード側である燃料極１１より水素１１ｂを、カソード側である空気極１２より空気１２ｂを、それぞれ供給されて、それらを電気化学的に反応させることで、最終的に電力Ｅを出力する。
前記反応において供される元素は、水素１１ｂと酸素であり、当該酸素は、大気である空気１２ｂより得ている。空気１２ｂのおよそ８割を占めている窒素については、前記反応において供されるものではない。
したがって、前記反応において供された酸素が減少した分、燃料電池本体１０より排出される空気１２ｂは、ガス中の窒素濃度が相対的に高まっており、これは窒素リッチガスと呼ばれている。
【００３９】
燃料電池本体１０は、「セル」と呼ばれる構成単位において０．６Ｖ乃至１．２Ｖ程度のＤＣ電圧を発生させて、それを直列もしくは並列にスタックされることで、所望のＤＣ電力を出力する。
多くの電力需要はＡＣであるので、燃料電池本体１０において出力されたＤＣ電力は、インバーター１４によってＡＣ電源へと変換している。また、前記ＤＣ電力は、一度バッテリー１３に蓄電されることもある。
なお、燃料電池本体１０は、現在のところ、固体高分子形（ＰＥＦＣ）及びリン酸形（ＰＡＦＣ）が実用化されている。
【００４０】
燃料電池本体１０は、電気化学的な反応に供されるガスについて、圧力を有していた方が発電効率がよい。
そのため、燃料電池本体１０は、図示していないが、加圧タンク、ポンプ、ブロワ、または圧縮機などの加圧手段によって、水素１１ｂもしくは空気１２ｂが加圧供給されている。
なお、燃料電池内部のガス圧力は十数ｋＰａ乃至１ＭＰａ程度である。
【００４１】
燃料電池本体１０より排気された窒素リッチガスは、まず、第１貯留タンク２０に貯留される。
第１貯留タンク２０には、内部圧力（この場合、窒素リッチガスが貯留していくことで発生する内部圧）を検出する第１圧力検出手段２３が配設されている。
第１圧力検出手段２３において検出される圧力は、（製造される窒素ガスＮ２の需要量が少なく、昇圧手段３０が昇圧動作を停止ないし減少させるなどして、）窒素リッチガスが貯留していくと、最終的に前記加圧手段による供給圧力と同程度にバランスする。
また、（製造される窒素ガスＮ２の需要量が多く昇圧手段３０が昇圧動作を開始ないし増加させるなどして、）内部に貯留した窒素リッチガスの流出が多いと当該圧力は低下し、最悪の場合、昇圧手段３０による吸いこみ負圧と同程度にまで低下してしまう。
なお、第１圧力検出手段２３については、後述のように複数の圧力の検出を要されるので、複数であってもよい。
【００４２】
さらに、第１貯留タンク２０の流入口側には、大気側と該流入口側とを切替える方向制御弁である第１制御弁２１が、流出口側には第２制御弁２２がそれぞれ配設されている。
【００４３】
第１貯留タンク２０に貯留された窒素リッチガスは、次いで、昇圧手段３０において昇圧され、用途において適切とされる圧力をもった窒素ガスＮ２となる。
昇圧手段３０におけるその動作については、後述のように第１圧力検出手段２３並びに後述の第２圧力検出手段４３において検出される圧力によって制御されている。
なお、昇圧手段３０について特筆すると、燃料電池本体１０における窒素リッチガスの排気圧は、低いもので十数ｋＰａから高いもので１ＭＰａと幅がある。したがって、当該圧力をもっての吸気が可能なものがよく、ブースター型の圧縮機が適当である。
【００４４】
昇圧手段３０から吐出される窒素ガスＮ２は、第２貯留タンク４０に貯留される。
第２貯留タンク４０には、内部圧力（この場合、窒素ガスＮ２が貯留していくことで発生する内部圧）を検出する第２圧力検出手段４３が配設されている。
第２圧力検出手段４３において検出される圧力は、（窒素ガスＮ２の需要量が少なく、昇圧手段３０が昇圧動作を停止ないし減少させるなどして、）窒素ガスＮ２が貯留していくと、最終的に昇圧手段３０の吐出圧力と同程度にバランスする。
また、（窒素ガスＮ２の需要量が多く、）内部に貯留した窒素ガスＮ２の流出が多いと圧力は低下し、最終的に大気圧程度まで低下してしまう。
なお、第２圧力検出手段４３については、後述のように複数の圧力の検出を要されるので、複数であってもよい。
【００４５】
さらに、第２貯留タンク４０の流入口側には第３制御弁４１が、流出口側には第４制御弁４２がそれぞれ配設されている。
また、第４制御弁４２の後段には窒素ガスＮ２の使用流量を得るための流量検出手段６０も配設されている。
【００４６】
なお、第１圧力検出手段２３及び第２圧力検出手段４３については、電気もしくは電子的に圧力に関する信号送出が可能であれば事足りる。したがって、それらについては圧力スイッチ、圧力センサーが主として考えられる。
流量検出手段６０についても同様に流量に関する信号送出が可能であれば事足りるものである。
また、第１制御弁２１、第２制御弁２２、第３制御弁４１、並びに第４制御弁４２については、電気もしくは電子的な信号を受けて動作するものが適当である。したがって、それは電磁弁が最も適当であると考えられるが、電磁弁においてもソレノイドを利用したものやダイヤフラムを利用するものなどいくつか考えられるため、流量などに応じて決定されればよい。
付言すると、第１制御弁２１については、後述の事情があるため、方向制御弁であることが要される。第２制御弁２２についても場合によっては方向制御弁であることが望ましい。第３制御弁４１及び第４制御弁４２については、通常多くみられる通電開型のストップバルブでよい。第４制御弁４２については、手動弁でも事が足りる場合もある。
【００４７】
制御手段５０は、第１圧力検出手段２３及び第２圧力検出手段４３において検出される圧力並びに流量検出手段６０において検出される流量の入力を受けて、少なくとも昇圧手段３０、第１制御弁２１、第２制御弁２２並びに第３制御弁４１を制御している。
したがって、制御手段５０が本発明の動作を決していると言える。
【００４８】
制御手段５０は、第１所定圧力、第２所定圧力、第３所定圧力、第４所定圧力、並びに第５所定圧力の検出を入力され、それらについて判断する。それぞれの圧力は、記載の順に低い。
【００４９】
第１所定圧力、第２所定圧力、並びに、第３所定圧力については、第１貯留タンク２０に配設されている第１圧力検出手段２３において検出される。
したがって、第１所定圧力、第２所定圧力、並びに、第３所定圧力は、第１貯留タンク２０において検出される燃料電池本体１０が排気する窒素リッチガスの貯留量を示すものである。
第１所定圧力は、第１貯留タンク２０における窒素リッチガスの量がごく僅かであることを示すものである。
第２所定圧力は、第１貯留タンク２０における窒素リッチガスの量がそれなりにあることを示すものである。
第３所定圧力は、第１貯留タンク２０における窒素リッチガスの量が多く、燃料電池本体１０に供給される空気１２ｂの供給圧近くまで圧力が上昇していることを示すものである。
当然ながら、昇圧手段３０が昇圧動作を開始して燃料電池本体１０から排気される窒素リッチガスを吸気し始めると、第１貯留タンク２０の圧力は、当該排気と比して、当該吸気の量が大であれば低下、当該吸気と一致すれば無変化、当該吸気が少であれば上昇するという関係になる。
また、燃料電池本体１０が運転していて、昇圧手段３０が昇圧動作を行っていない場合は、第１貯留タンク２０の圧力は上昇していき、最終的に燃料電池本体１０における空気１２ｂの供給圧程度まで上昇する。
なお、通常、第１所定圧力については０乃至数ｋＰａ程度、第２所定圧力及び第３所定圧力については１０ｋＰａ乃至０．１ＭＰａ程度の中で適宜決定されればよい。
【００５０】
第４所定圧力及び第５所定圧力は、第２貯留タンク４０に配設されている第２圧力検出手段４３において検出される。
したがって、第４所定圧力及び第５所定圧力は、第２貯留タンク４０において検出される昇圧手段３０が吐出する窒素ガスＮ２の貯留量を示すものである。
第４所定圧力は、第２貯留タンク４０における窒素ガスＮ２の量が少なくなってきていることを示すものである。
第５所定圧力は、第２貯留タンク４０における窒素ガスＮ２の量が多くあることを示すものである。
当然ながら、昇圧手段３０が昇圧動作をして窒素ガスＮ２を製造し始め、当該窒素ガスの用途先の機器における需要量が少で当該製造量が大の場合については、第１貯留タンク２０の圧力は上昇していく。
また、窒素ガスＮ２の用途先機器における需要量があり、昇圧手段３０が昇圧動作を行っていない場合は、第２貯留タンク４０の圧力は低下していき最終的に、大気圧程度まで低下する。
なお、通常、第４所定圧力及び第５所定圧力については０．５ＭＰａ程度乃至４ＭＰａ程度の中で適宜決定されればよい。
【００５１】
制御手段５０は、第２所定圧力が検出されていると共に第４所定圧力が検出された場合に、昇圧手段３０へ昇圧動作を行うよう指令する。
これは、昇圧手段３０については、第１貯留タンク２０における窒素リッチガスの量がそれなりにある状態であると共に、第２貯留タンク４０における窒素ガスＮ２の量が少なくなってきている状態の場合に、昇圧動作を開始していることを意味する。
換言すると、昇圧手段３０は、燃料電池本体１０がそれなりの量の窒素リッチガスを排気していて、且つ窒素ガスＮ２の用途先においてその需要が多い（かった）場合に昇圧動作をしている。
そうであるので、昇圧手段３０は、第２所定圧力の検出というイネーブル信号のある状態で、第４所定圧力をさらに検出すると昇圧動作を開始するとも言える。
【００５２】
制御手段５０は、第１所定圧力が検出された場合、または第５所定圧力が検出された場合に昇圧動作を停止とする。
これは、昇圧手段３０については、第１貯留タンク２０における窒素リッチガスの量がごく僅かであるか、第２貯留タンク４０における窒素ガスＮ２の量が多くあるかのどちらかの状態の場合に、昇圧動作を停止していることを意味する。
換言すると、昇圧手段３０は、燃料電池本体１０が窒素リッチガスを排気していても昇圧手段３０の吸気量が過多となっている場合や、窒素ガスＮ２の用途先においてその需要が低い（かった）場合に、それぞれ昇圧動作を停止していると言える。
なお、燃料電池本体１０は、昇圧手段３０において窒素リッチガスの吸気量を過多として、第１貯留タンク２０の圧力が第１所定圧力以下の負圧になってしまうと、発電効率が著しく低下するもしくは動作不良となってしまう。
【００５３】
以上を鑑みると、昇圧手段３０は、その昇圧動作について、圧力的なヒステレシスを持っていると言える。
したがって、昇圧手段３０は、多少の圧力変動といった外乱に、受ける制御指令を容易には乱されないようになっている。
【００５４】
続いて、制御手段５０は、第１制御弁２１、第２制御弁２２、第３制御弁４１についても制御している。
【００５５】
制御手段５０は、第１制御弁２１について、燃料電池本体１０の運転開始より所定時間経過後に第１貯留タンク２０に向けて開弁し、第３所定圧力が検出された場合に大気側へ向けて開弁させる。
換言すると、第１制御弁２１は、燃料電池本体１０の運転開始より所定時間経過後から第３所定圧力が検出されるまでの間、第１貯留タンク２０に向けて窒素リッチガスを供給する。
すなわち、第１制御弁２１における初期状態としては、大気側に向けて開弁している。これは、燃料電池本体１０の運転開始直後は、排気される窒素リッチガスの濃度が安定しにくいためである。
また、第３所定圧力は、第１貯留タンク２０における窒素リッチガスの量が多く、燃料電池本体１０に供給される空気１２ｂの供給圧近くまで圧力が上昇していることを示すものである。したがって、第１貯留タンク２０において、第３所定圧力以上となっている状態は、燃料電池本体１０における空気１２ｂの流量が不足してしまい、その発電効率を低下させてしまうので、第１制御弁２１を大気側へと向けて放気している。ただし、再度、第１貯留タンク２０においてその圧力が下がり、第２所定圧力を検出すれば、第１制御弁２１は、第１貯留タンク２０へ向けて送気を再開する。
【００５６】
制御手段５０は、第２制御弁２２、第３制御弁４１について、昇圧手段３０が動作している間、それらを開弁させる。
換言すると、昇圧手段３０が、昇圧動作停止としている場合、第２制御弁２２、第３制御弁４１は閉弁されている。
これは、昇圧手段３０が昇圧動作を停止としている場合は、昇圧手段３０内部に圧力をかけない方が起動した瞬間に発動機に余分な負荷をかけないために寿命が延命されること、昇圧手段３０によるアンロード動作（発動機の運転状態を維持したままの昇圧動作停止）において窒素リッチガスを吸気されることを防止すること、とによる。
付言すると、昇圧手段３０は、アンロード動作をする際に、吸気はするものの、吐出側を方向制御弁などで吸気側へと向けている制御を受けている場合は、少なくとも第２制御弁２２については方向制御弁とすることが要され、昇圧手段３０が昇圧動作停止としている場合は、吐出側を大気に向けて開弁している状態とするものが望ましい。
【００５７】
なお、制御手段５０は、第４制御弁４２については必ずしも制御の対象としないが、窒素ガスＮ２の用途先の運転が停止されるなど需要が停止される場合に閉弁されるような制御としてもよい。したがって、制御の対象とする場合は電磁弁、それをしない場合は手動弁でも構わない。
【００５８】
さらに、制御手段５０は、窒素ガスＮ２の用途先の需要量に応じて、燃料電池本体１０の発電出力を増減させる制御としてもよい。当該用途先において需要が少ないにも拘らず、その発電出力を大として運転させるのは不効率であるし、発生する窒素リッチガスが第１制御弁２１において大気へ放気されてしまうことも多く、不効率だからである。
その際、窒素ガスＮ２の用途先の需要量については、流量検出手段６０において検出される単位時間当たりの流量やその変化並びに第１圧力検出手段２３もしくは第２圧力検出手段４３において検出される単位時間当たりの圧力の変化から求められる。
例えば第２圧力検出手段４３における急激な圧力の低下は、窒素ガスＮ２の用途先の需要量の拡大を、その逆は当該需要量の縮小を、それぞれ意味する。
また、当然ながら、流量検出手段６０において検出される単位時間当たりの流量（の拡大）が大きければ、それはすなわち窒素ガスＮ２の需要量が大であることを意味する。
それらを実現させるものとしては、制御手段５０は、昇圧手段３０が昇圧動作をする場合には燃料電池本体１０における発電量の増加、昇圧停止の場合には発電量の縮小を指令するような制御が挙げられる。
【００５９】
制御手段５０については、以上のような制御とすると、燃料電池本体１０の発電のための運転状況（ガス圧もしくはその流量）を乱さずに需給に応じて適切に窒素ガスＮ２を製造可能とすることができる。
【００６０】
追記すると、第１貯留タンク２０については、第２貯留タンク４０よりその容積が大きいことが要される。これは、燃料電池本体１０の排気圧より昇圧手段３０の吐出圧の方が大きいためであり、同量のガスの容積比でいうと前者の方が５倍以上大きいためである。
逆に言えば、第２貯留タンク４０については、第１貯留タンク２０より小さなものでよい。
【００６１】
第１貯留タンク２０については、昇圧手段３０の吸気側バッファーでもあり、それが小さいと、最悪の場合、前述のように負圧になるなどして燃料電池本体１０の発電効率を著しく低下させ得る。
また、燃料電池本体１０の内部は、方式にもよるが、８０℃乃至６００℃と非常に高温となるため、排気される窒素リッチガスの温度も高温となりがちである。
高温のガスの吸気は、昇圧手段３０の圧縮効率を低下させ得る。
したがって、燃料電池本体１０の排気する窒素リッチガスは、第１貯留タンク２０によって冷却されることが要されるが、この意味でも第１貯留タンク２０の容量は大きい方がよい。
また、窒素リッチガスの脈圧も昇圧手段３０の圧縮効率を低下させ得る。タンク容量は大きいものの方が脈圧除去に優れるので、この意味でもまた第１貯留タンク２０の容量は大きい方がよい。
【００６２】
ただし、第１貯留タンク２０と第２貯留タンク４０との容量における倍数比については、第１貯留タンク２０の方が大きい方が上述のようにとにかく良いが、それを大きくし過ぎると蓄圧に時間を要するようにもなるので、上述のことを考慮しながら適宜決定されるべきである。
【００６３】
以上のように、第１貯留タンク２０については、第２貯留タンク４０よりその容積を大きくすると、燃料電池本体１０における発電効率の低下を防止させること、燃料電池本体１０から排出される窒素リッチガスを適切に冷却もしくは脈圧除去を可能とすること、昇圧手段３０における圧縮効率を向上させることができ、効果的である。
【００６４】
さらに、第１貯留タンク２０、昇圧手段３０、並びに第２貯留タンク４０については、ドレントラップ７０が接続されていることも望ましい。
ドレントラップ７０が接続されることで、回路中から適宜凝縮水を排水可能となるからである。
このようにすると、凝縮水は最終的に窒素ガスＮ２の用途先において放出されることが防止され、各種用途において有用性を阻害しない。
なお、ドレントラップ７０については電磁弁をタイマー制御するなどした電磁式と、凝縮水の水位とフロートの浮力との関係によって動作するフロート式とに大別されるが、どちらでも構わない。
【００６５】
また、前記燃料電池本体１０によって発電される電力Ｅが、装置内部において電力を要する箇所へ給電されているとよい。
すなわち、燃料電池１０、第１圧力検出手段２３、昇圧手段３０、第２圧力検出手段４３、第１制御弁２１、第２制御弁２２、第３制御弁４１、第４制御弁４２、制御手段５０、流量検出手段６０、並びにドレントラップ７０は、電力を要し得るものであるので、必要なものについては、燃料電池本体１０において発電される電力Ｅが供給されているとよい。
そのようにすることで、電力Ｅを回路において使用可能となるし、また構成にバッテリー１３なども接続されているので、装置全体が商用電源を得なくても動作可能となり、保安性を求められる用途にも使途拡大可能となる。
【００６６】
本発明にかかる窒素ガス製造装置は、以上の通りに構成され且つ動作することをもって、効率的に加圧された窒素ガスＮ２を製造可能としている。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、窒素ガスの生成に関する発明であって、当該窒素ガスの利用分野は、多岐にわたる幅広い分野で利用されるものである。
よって、本発明における「窒素ガス製造装置」の産業上の利用可能性は大であるものと思料する。
【符号の説明】
【００６８】
１０    燃料電池本体
１１    燃料極
１１ｂ  水素
１２    空気極
１２ｂ  空気
１３    バッテリー
１４    インバーター
２０    第１貯留タンク
２１    第１制御弁
２２    第２制御弁
２３    第１圧力検出手段
３０    昇圧手段
４０    第２貯留タンク
４１    第３制御弁
４２    第４制御弁
４３    第２圧力検出手段
５０    制御手段
６０    流量検出手段
７０    ドレントラップ
Ｎ２    窒素ガス
Ｅ      電力
【図１】
2019200865.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月26日(2018.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
第１圧力検出手段が配設されると共に前記燃料電池本体の空気極より排出される窒素リッチガスが貯留される第１貯留タンクと、
前記第１貯留タンク内の窒素リッチガスを昇圧する昇圧手段と、
第２圧力検出手段が配設されると共に前記昇圧手段の吐出する窒素ガスを貯留する第２貯留タンクと、
を備え、
前記昇圧手段は、前記第１圧力検出手段、及び／もしくは、第２圧力検出手段において検出される圧力によって昇圧動作が制御されている窒素ガス製造装置であって、
記載の順に低い圧力である、第１所定圧力、第２所定圧力、第３所定圧力、第４所定圧力、並びに第５所定圧力を検出し、
前記第１圧力検出手段は、前記第１所定圧力、前記第２所定圧力、並びに前記第３所定圧力を、前記第２圧力検出手段は前記第４所定圧力及び前記第５所定圧力を、それぞれ検出し、
前記昇圧手段は、前記第２所定圧力が検出されると共に前記第４所定圧力が検出された場合に昇圧動作を行い、前記第１所定圧力が検出された場合、または前記第５所定圧力が検出された場合に昇圧動作を停止とすることを特徴とする窒素ガス製造装置。
【請求項２】
前記第１貯留タンクの容量が前記第２貯留タンクより大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項３】
前記第１貯留タンクの流入口側に配設される第１制御弁を備え、
前記第１制御弁は、前記燃料電池本体の運転開始より所定時間経過後に前記第１貯留タンクに向けて開弁され、前記第３所定圧力が検出された場合に大気側へ向けて開弁されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項４】
前記第１貯留タンクの流出口側に配設される第２制御弁と、
前記第２貯留タンクの流入口側に配設される第３制御弁と、
を備え、
前記第２制御弁及び前記第３制御弁は、前記昇圧手段の昇圧動作中に開弁されているものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項５】
前記第２貯留タンクの流出口側に配設される第４制御弁を備え、
前記第４制御弁の後段のいずれかの箇所に接続される窒素ガス需要機器の窒素ガス需要量に応じて前記燃料電池本体の発電出力を増減させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒素ガス製造装置。
【請求項６】
前記窒素ガス需要量は、前記第１圧力検出手段もしくは前記第２圧力検出手段において検出される単位時間当たりの圧力の増減から得られるものであることを特徴とする請求項５に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項７】
前記第４制御弁の後段に流量検出手段を備え、
前記窒素ガス需要量は、前記流量検出手段おいて検出される単位時間当たりの流量の増減から得られるものであることを特徴とする請求項５に記載の窒素ガス製造装置。
【請求項８】
前記第１貯留タンク、前記昇圧手段、並びに前記第２貯留タンクのいずれかにドレントラップが備えられていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の窒素ガス製造装置。
【請求項９】
前記燃料電池本体によって発電される電力が、装置内部において電力を要する箇所へ給電されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の窒素ガス製造装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明における圧力検出並びに昇圧動作について、記載の順に低い圧力である、第１所定圧力、第２所定圧力、第３所定圧力、第４所定圧力、並びに第５所定圧力を検出し、前記第１圧力検出手段は、第１所定圧力、第２所定圧力、並びに第３所定圧力を、前記第２圧力検出手段は第４所定圧力及び第５所定圧力を、それぞれ検出し、前記昇圧手段は、前記第２所定圧力が検出されると共に第４所定圧力が検出された場合に昇圧動作を行い、前記第１所定圧力が検出された場合、または前記第５所定圧力を検出された場合に昇圧動作を停止とする構成を採用する。