(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の排気から高濃度の窒素ガスを生成するためのシステムであって、
一以上の水素ガスタンクと、
該水素ガスタンクからの水素の供給を受け電力を発する燃料電池と、
該燃料電池に備わる給気口と排気口とを繋ぐ循環路と、
該循環路の所定中間箇所に配設される循環昇圧機と、
該燃料電池に備わる送入口を介してＯＨラジカルを供給するＯＨラジカル発生器と、
該循環路における循環昇圧機の後段且つ燃料電池の前段に配設される一乃至複数の減圧弁と、から成り、
燃料電池の排気口から循環路へ排気された空気を循環昇圧機により循環させて給気口から再び燃料電池へ送気し、これを繰り返すと共に所定条件下でＯＨラジカルを燃料電池に供給することで循環する空気の酸素濃度を減少させると共に窒素濃度を上昇させて、高濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする高濃度窒素ガス生成システム。
【請求項２】
前記循環路における中間所定箇所に、貯留タンクが配設されて成ることを特徴とする請求項１に記載の高濃度窒素ガス生成システム。
【請求項３】
燃料電池の排気から高濃度の窒素ガスを生成するための方法であって、
燃料電池の排気口から排気される空気を循環昇圧機により循環させて減圧弁により減圧された状態で給気口から再び燃料電池へ送気し、これを繰り返すと共に所定条件下でＯＨラジカルを燃料電池に供給することで循環する空気の酸素濃度を減少させると共に窒素濃度を上昇させて、高濃度の窒素ガスが生成されることを特徴とする高濃度窒素ガス生成方法。
【請求項４】
前記燃料電池へ送気する空気並びに燃料電池から排気される空気が、貯留タンクにて加圧された状態で一時的に貯留されることを特徴とする請求項３に記載の高濃度窒素ガス生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高濃度窒素ガス生成システム並びに該システムを実行するための方法に関し、詳しくは、燃料電池から排気される空気から高濃度の窒素ガスを生成するためのシステム並びに方法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、産業用途としての窒素ガスは、およそ９５％以上の窒素濃度が要求される。さらに、各用途に使用するに際しては加圧されていることが利便である。
【０００３】
ところで、空気の約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、該空気から約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、窒素ガスとなる時点で加圧されているという利点が存する。
【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】
前述を総合すると、膜分離方式とＰＳＡ方式とは、産業用途として最低限の濃度である窒素ガス濃度９５％以上を期待できるため、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種々の用途で使用可能である。
【０００７】
前述のとおり、空気中の酸素と窒素の比率はおよそ２：８であることから、該空気から窒素ガスを生成するためには、上記膜分離方式とＰＳＡ方式とを問わず、約２割の酸素を分離・除去する必要がある。この点、酸素と窒素の比率が１：９になるなど、酸素濃度の低減が図られるならば、分離・除去する酸素量が少なく済むことから、窒素ガスの生成効率が向上すると共に、生成される窒素ガスの純度も向上し、機械負担の軽減にも資することとなる。
【０００８】
酸素濃度が低減したものとして、燃料電池から排出される排気が考え得る。すなわち、燃料電池は、水素を空気中の酸素と化学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とである。かかる酸素濃度が減少した空気を、一般に窒素リッチガスと呼んでいる。
【０００９】
また、産業用としての燃料電池は、主として、工場、病院、官公署並びにコンピューターサーバールームなど停電を避けるべき場所のバックアップ電源装置として設置され得る。
【００１０】
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、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）、特開２０００−２７７１３８号公報（特許文献３）などの技術提案が為されている。
【００１１】
すなわち、上記特許文献１乃至３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を、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利用するための技術提案であって、他用途に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。その主因として、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窒素濃度９５％以上の窒素リッチガスを排出しないということにあった。
【００１２】
本出願人は、燃料電池から排出される窒素リッチガスに着目し、該窒素リッチガスの窒素濃度を向上させる方法はないものかとの着想のもと、該窒素リッチガスから高濃度窒素ガスを生成するためのシステム並びに方法を開発し、本発明における「高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法」の提案に至るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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
【特許文献３】特開２０００−２７７１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記技術背景に鑑み、燃料電池から排出される排気から高濃度窒素ガスを生成するためのシステム並びに方法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】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池の排気から高濃度の窒素ガスを生成するためのシステムであって、一以上の水素ガスタンクと、該水素ガスタンクからの水素の供給を受け電力を発する燃料電池と、該燃料電池に備わる給気口と排気口とを繋ぐ循環路と、該循環路の所定中間箇所に配設される循環昇圧機と、該燃料電池に備わる送入口を介してＯＨラジカルを供給するＯＨラジカル発生器と、から成り、燃料電池の排気口から循環路へ排気された空気を循環昇圧機により循環させて給気口から再び燃料電池へ送気し、これを繰り返すと共に所定条件下でＯＨラジカルを燃料電池に供給することで、循環する空気の酸素濃度を減少させると共に窒素濃度を上昇させて、高濃度の窒素ガスを生成する手段を採る。
【００１６】
また、本発明は、前記循環路における循環昇圧機の後段に、一乃至複数の減圧弁が配設されて成る手段を採る。
【００１７】
さらに、本発明は、前記循環路における中間所定箇所に、貯留タンクが配設されて成る手段を採る。
【００１８】
またさらに、本発明は、燃料電池の排気から高濃度の窒素ガスを生成するための方法であって、燃料電池の排気口から排気される空気を循環昇圧機により循環させて給気口から再び燃料電池へ送気し、これを繰り返すと共に所定条件下でＯＨラジカルを燃料電池に供給することで、循環する空気中の酸素濃度を減少させると共に窒素濃度を上昇させて、高濃度の窒素ガスが生成される手段を採る。
【００１９】
さらにまた、本発明は、前記燃料電池に送気される空気が、減圧弁により減圧された状態で送気される手段を採る。
【００２０】
そしてまた、本発明は、前記燃料電池へ送気する空気並びに燃料電池から排気される空気が、貯留タンクにて加圧された状態で一時的に貯留される手段を採る。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法によれば、燃料電池の排気口から循環路へ排気された空気を循環昇圧機により循環させて給気口から再び燃料電池へ繰り返し送気することで、燃料電池における発電によって送気された空気中の酸素濃度を順次減少させ、最終的に高濃度の窒素ガスを生成することが可能であって、燃料電池から排出される排気の有効利用に資する、といった優れた効果を奏するものである。
【００２２】
また、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法によれば、所定条件下でＯＨラジカルが燃料電池に供給される態様を採用しているため、該燃料電池に送気される空気中の酸素濃度が減少した場合に想定される水素過多による燃料電池の発電効率の悪化や発熱といった動作不良の問題に対し、供給されたＯＨラジカルを余剰水素と反応させることで、空気中の酸素濃度を上昇させることなく問題解決を図ることが可能であって、確実な高濃度窒素ガスの生成に資する、といった優れた効果を奏するものである。
【００２３】
さらに、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法によれば、燃料電池で発生した電力をインバータを介して圧縮機、その他交流電力を要する機器などで利用し、もしくは、商用電源が停止した場合などでは、システム外部の非常用電源とすることで、高価な燃料電池を遊休とさせることなく常に有用に稼動状態とすることが可能であって、低コスト性の向上に資する、といった優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムの第一の実施形態を示すシステム構成概略図である。
【図２】本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムの第二の実施形態を示すシステム構成概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法は、燃料電池の排気口から循環路へ排気された空気を循環昇圧機により循環させて給気口から再び燃料電池へ送気し、これを繰り返すと共に所定条件下でＯＨラジカルを燃料電池に供給することで、循環する空気の酸素濃度を減少させると共に窒素濃度を上昇させて、高濃度の窒素ガスを生成することを最大の特徴とする。
以下、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法の実施形態、すなわち、システム構成と動作とを、図面に基づいて説明する。
【００２６】
なお、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法は、以下に述べる実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の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などに関して適宜変更することができる。
【実施例１】
【００２７】
図１は、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムの第一の実施形態を示すシステム構成概略図である。
本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、一以上の水素ガスタンク１０と、該水素ガスタンク１０からの水素の供給を受け電力を発する燃料電池２０と、該燃料電池２０に備わる給気口２１と排気口２２とを繋ぐ循環路Ｒと、該循環路Ｒの所定中間箇所に配設される循環昇圧機３０と、該燃料電池２０に備わる送入口２３を介してＯＨラジカルを供給するＯＨラジカル発生器３３と、から構成されている。
【００２８】
水素ガスタンク１０は、水素ガスを一時的に貯留し、水素供給管路１２を介して燃料電池２０へ該水素ガスを送気する目的で備えられるものであって、貯留された水素ガスを燃料電池２０へ流出可能に接続される。
【００２９】
燃料電池２０は、陽極側である水素極２０ａに水素ガスを、陰極側２０ｂである空気極に空気を夫々供給させ、それらを電気化学的に反応させることで発電して直流電力を出力するもので、その際に水と酸素濃度が減少した窒素リッチガスとを排出するものであれば、特に限定するものではない。すなわち、反応において供される元素は水素と酸素であり、前記反応により空気中から酸素が減少した分、燃料電池２０から排出される空気は、窒素濃度が相対的に高まっており、これが窒素リッチガスと呼ばれている。
【００３０】
燃料電池２０には、陰極側２０ｂへ空気を供給するための給気口２１と、反応により酸素濃度が減少した窒素リッチガスを排出するための排気口２２と、が備えられており、また、反応により発生した水を排出するためのドレン排出口２４を備えている。そして、給気口２１には循環路Ｒの一端が接続されると共に、排気口２２には循環路Ｒの他端が接続されており、これにより給気口２１と排気口２２とは循環路Ｒを介して繋がれている。また、循環路Ｒには、逆流を防いで一定方向への空気の流れを担保すべく、必要に応じて一乃至複数の逆止弁４２が配設されている。
【００３１】
循環路Ｒには、その所定中間箇所に循環昇圧機３０が配設されている。該循環昇圧機３０は、燃料電池２０から排出された空気（窒素リッチガス）を加圧しつつ、再び燃料電池２０へ送り出すためのものであって、燃料電池２０から排出された窒素リッチガスが循環路Ｒを介して流入可能に接続されると共に、該窒素リッチガスを循環路Ｒを介して燃料電池２０へ流出可能に接続される。該循環昇圧機３０における窒素リッチガスの加圧量については、循環に最低限必要な加圧量であればよく、特に限定するものではないが、概ね０．３〜１Ｍｐａ程度とする。
【００３２】
循環昇圧機３０には、附属タンク３１が備えられ、該附属タンク３１には予め圧縮空気が充填されている。この充填された圧縮空気が、昇圧されて燃料電池２０へ送り出されると共に、燃料電池２０から排出された窒素リッチガスは、この附属タンク３１へ戻される。尚、該附属タンク３１に当初充填される圧縮空気の空気圧については、特に限定するものではないが、概ね０．１〜０．５Ｍｐａ程度である。
【００３３】
ところで、循環路Ｒには、燃料電池２０に送気される空気圧を減圧すべく、減圧弁４０を配設する態様を採用する。これは、反応効率を鑑みると共に、故障の原因ともされる燃料電池２０における陰極側２０ｂへの高圧負荷を避ける目的で配設されるもので、かかる目的を達成すべく、減圧弁４０は、循環路Ｒにおける循環昇圧機３０の後段且つ燃料電池２０の前段に配設される。かかる減圧弁４０は、一つに限らず、循環路Ｒ内の空気圧を段階的に減圧すべく、複数配設する態様も可能である。尚、最終的に燃料電池２０に送気される空気圧については、特に限定するものではないが、概ね０．０５Ｍｐａ程度まで減圧することが望ましい。
【００３４】
また、燃料電池２０には、ＯＨラジカルを供給するための送入口２３が備えられており、該送入口２３にはＯＨラジカル供給管路３４の一端が接続されている。そして、該ＯＨラジカル供給管路３４の他端には、ＯＨラジカル発生器３３が接続され、該ＯＨラジカル発生器３３にて発生したＯＨラジカルは、ＯＨラジカル供給管路３４を通過し、送入口２３を介して燃料電池２０へ供給される。
【００３５】
ＯＨラジカルとは、正式名称を「ヒドロキシルラジカル」とし、いわゆる活性酸素と呼ばれる分子種の一種であって、反応性が非常に高いことで知られている。該ＯＨラジカルは、例えば酸化チタンを用いた光触媒反応や、酸化チタンに超音波を照射する超音波反応、二価の鉄イオンと過酸化水素によるフェントン反応、電解酸化法、大気圧放電プラズマによる方法など、種々の方法により生成されるもので、本発明におけるＯＨラジカル発生器３３が如何なる生成方法によるものかについては、特に限定するものではないが、比較的簡易で安全な構造のものが好ましく、例えば空気中の水に高電圧を加える方法によりＯＨラジカルを発生させるものが望ましい。
【００３６】
ＯＨラジカル発生器３３は、所定条件下でＯＨラジカルを燃料電池２０に供給する。供給の条件とは、循環する空気中の酸素濃度の減少である。換言すれば、燃料電池２０内における水素過多状態となった場合に、ＯＨラジカルを燃料電池２０へ供給するものである。この酸素濃度については、後述する酸素濃度計Ｍを用いて計測されるもので、そこで計測された酸素濃度により、ＯＨラジカル発生器３３の稼働すなわちＯＨラジカルの供給が決定される。このとき、酸素濃度の減少具合によって、ＯＨラジカルの供給量も決定される。
【００３７】
ここで、ＯＨラジカルの供給による燃料電池２０における反応態様について説明する。
既述のとおり、燃料電池２０は、水素極２０ａに水素ガス、空気極２０ｂに空気を供給して発電されるもので、水素と空気中の酸素が電気化学的に反応して電力を出力すると共に水を発生させ、また、空気中から使用された分だけ酸素が減少した空気（窒素リッチガス）を排出する。すなわち、空気中に存する酸素の全てが水素との反応に使用されるものではなく、一部のみの使用に限られる。空気中には、約２０％の酸素が存しており、本発明にかかるシステムでは、空気極２０ｂに供給する空気を循環させて使用するため、燃料電池２０から排出されるたびに、空気中の酸素濃度は徐々に減少することとなる。
【００３８】
空気中の酸素濃度が約１５％を下回ってくると、供給される水素ガスの方が過多状態となって、発電効率が悪化して出力が低下したり、空気極２０ｂが異常発熱を生じるといった、燃料電池２０の動作不良現象が発生し、最終的には発電停止状態となってしまう。この問題を解決する一番の方法は、酸素濃度を２０％前後にまで引き上げることであるが、それでは高濃度窒素ガスの生成は達成し得ないこととなる。
【００３９】
そこで、本発明では、酸素濃度が減少した分、酸素に代わってＯＨラジカルを供給するものである。ＯＨラジカルは、化学的に水素原子引き抜き反応を行うもので、その反応性が非常に高いことで知られている。燃料電池２０内に供給されたＯＨラジカルは、酸素と反応できずに余剰した水素原子（Ｈ）と結び付き、水へと変化することで、水素の供給過多状態が解消される。何故、ＯＨラジカルと水素原子が結びつくと水に変化するのかについては、供給されたＯＨラジカルが電子と結び付いてイオン化され、水素イオンと化学反応を起こし、最終的に水に変化するものと考えられる。このＯＨラジカルと水素原子から発生した水は、実際には水蒸気の状態にあり、排出される空気（窒素リッチガス）と共に燃料電池２０から排出されることとなる。
【００４０】
尚、燃料電池２０は、電気化学的反応により水を発生させると共に、ＯＨラジカルと水素原子との反応によっても水が発生することから、該燃料電池２０から排出される窒素リッチガスには、水分（水蒸気）が多く含まれることとなり、該窒素リッチガスが循環路Ｒや循環昇圧機３０を通過するにしたがって冷やされ、その水分（水蒸気）が水滴化して結露が発生してしまうことが想定される。そこで、循環路Ｒの所定箇所に気液分離装置４４を配設することで、燃料電池２０が排出する窒素リッチガスから水分（水蒸気）を除去する態様が好適である。かかる目的を達成すべく、気液分離装置４４は、循環路Ｒにおける燃料電池２０の後段且つ循環昇圧機３０の前段に配設される。気液分離装置４４で除去した水分（水蒸気）は、ドレントラップ４４ａにより適宜排出される。
【００４１】
また、高濃度窒素ガスの生成状態を計測すべく、酸素濃度計Ｍを適宜配設する態様が好適である。循環する空気中の酸素濃度を計測することで、相対的に当該空気中の窒素濃度を計測することが可能であり、酸素濃度計Ｍにより高濃度窒素ガスの生成状態を計測することができる。かかる酸素濃度計Ｍは、最終的に高濃度窒素ガスが貯留される附属タンク３１内の酸素濃度を計測し得る箇所に配設される態様が望ましい。
【００４２】
さらに、ＯＨラジカル発生器３３について、循環昇圧機３０や酸素濃度計Ｍと電気的にリンクさせて、ＯＨラジカル発生器３３の稼働の要否やＯＨラジカルの供給量について、必要に応じて自動的に制御し得る態様とすることが望ましい。
【００４３】
以上の通り構成される本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムによれば、およそ９５％以上の高濃度の窒素ガスが容易に生成可能となる。生成された高濃度窒素ガスは、一旦、循環昇圧機３０における附属タンク３１に貯留され、その後附属タンク３１から取り出し、他のタンクに移し替えるなどして、目的や用途に合わせて適宜使用される。
【００４４】
次に、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成方法について説明する。該方法は、主に上述した本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムによって実現されるものである。
【００４５】
（ステップ１）
先ず、事前の準備として、循環昇圧機３０の附属タンク３１へ圧縮空気を充填する。充填される圧縮空気の空気圧は、特に限定はないが、概ね０．１〜０．５Ｍｐａ程度とする。
【００４６】
（ステップ２）
循環昇圧機３０を作動させることで、附属タンク３１内の空気が循環路Ｒへ昇圧送気されると共に、循環路Ｒを介して燃料電池２０へ空気が送気される。昇圧による空気圧は、特に限定はないが、概ね０．３〜１Ｍｐａ程度とする。
尚、循環路Ｒ内の空気圧については、必要に応じて、燃料電池２０に送気される前段において、減圧弁により概ね０．０５Ｍｐａ程度まで減圧される。
【００４７】
（ステップ３）
この状態で、燃料電池２０を作動させることにより、陽極側である水素極２０ａに水素供給管路１２を介して水素ガスが供給されると共に、陰極側２０ｂである空気極に給気口２１を介して循環路Ｒから送気されてきた空気が供給され、電気化学的反応によって発電が開始される。この反応により、電力のほか、水と、空気中から酸素が減少し窒素濃度が相対的に高まった空気（窒素リッチガス）が発生する。
【００４８】
（ステップ４）
燃料電池２０での反応により発生した窒素リッチガスは、排気口２２から循環路Ｒへ排気され、循環昇圧機３０へ戻される。
【００４９】
（ステップ５）
上記ステップ２からステップ４を繰り返すこと、すなわち、循環路Ｒを介して燃料電池２０と循環昇圧機３０との間における空気循環が繰り返し為される過程で、その空気中の酸素濃度が徐々に減少すると共に、窒素濃度が相対的に上昇することとなる。そこで、循環する空気中の酸素濃度の減少具合に応じて、ＯＨラジカル発生器３３を稼働させ、必要量のＯＨラジカルを燃料電池２０へ供給する。
【００５０】
以上のステップにより、最終的に高濃度の窒素ガスが生成されることとなる。生成された高濃度窒素ガスは、一旦、循環昇圧機３０における附属タンク３１に貯留され、その後附属タンク３１から取り出し、他のタンクに移し替えるなどして、目的・用途に合わせて適宜使用される。
【００５１】
尚、上記ステップ３の過程で燃料電池２０内に発生する水は、ドレン排出口２４を介して適宜排出される。
また、上記ステップ３の過程で発電された電力は、必要に応じてインバータを介して交流電力へ変換するなどして、商用電源として外部へ送電したり、あるいは、循環昇圧機３０や本システムにおける電力を要するその他の機器の電源とて利用することができる。
【００５２】
以上の通り構成される本発明にかかる高濃度窒素ガス生成方法によれば、およそ９５％以上の高濃度の窒素ガスが容易に生成可能であり、生成された高濃度窒素ガスは、種々の用途に供されることとなる。
【実施例２】
【００５３】
他の実施例について説明する。実施例１と同様の部分は省略する。
実施例１では、循環昇圧機３０の附属タンク３１へ当初の圧縮空気が充填される態様、そして、生成された高濃度窒素ガスについて該附属タンク３１に一旦貯留された後に該附属タンク３１から取り出して適宜使用される態様について説明した。しかしながら、循環昇圧機３０に備えられる附属タンク３１の容量によっては、直ぐに高濃度窒素ガスの生成が完了して、該窒素ガスを附属タンク３１から取り出すべく、頻繁な作動停止を行う必要が生じる場合も想定し得る。
そこで、ある程度の容量の窒素ガスを貯留し得る技術が求められていた。
【００５４】
図２は、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムの第二の実施形態を示すシステム構成概略図である。
本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、前記循環路Ｒにおける中間所定箇所に、貯留タンク５０が配設された構成を採用する。
【００５５】
貯留タンク５０は、当初の圧縮空気を貯留すると共に、燃料電池２０により生成された窒素リッチガス及び高濃度窒素ガスを一時的に貯留するためのものであって、燃料電池２０から排出された窒素リッチガスが循環路Ｒを介して流入可能に接続されると共に、該窒素リッチガスを循環路Ｒを介して燃料電池２０へ流出可能に接続される。該貯留タンク５０は、最終的に高濃度窒素ガスが貯留される箇所でもあり、タンク内の高濃度窒素ガスの生成状態を計測すべく、酸素濃度計Ｍが装備されている態様が望ましい。
【００５６】
ところで、貯留タンク５０について、循環路Ｒの中間所定箇所に同様に配設される循環昇圧機３０との配設位置の関係は、本発明の機能及び作用効果上、特に限定するものではないが、貯留タンク５０内に貯留される気体（空気，窒素リッチガス，高濃度窒素ガス）の貯留容量や循環作用等に鑑みると、タンク内をより高圧状態で貯留させる態様が好ましく、図示の様に、循環路Ｒにおける循環昇圧機３０の後段且つ燃料電池２０の前段に配設される態様が望ましい。このとき、減圧弁４０の配設位置は、貯留タンク５０の後段であって燃料電池２０の前段となる。
【００５７】
以上の通り構成される本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムによれば、高濃度の窒素ガスの生成に資するのみならず、熱を有して流入する窒素リッチガスの冷却や、脈圧の平滑においても有効である。生成された高濃度窒素ガスは、一旦、貯留タンク５０並びに附属タンク３１に貯留され、その後貯留タンク５０や附属タンク３１から取り出し、他のタンクに移し替えるなどして、目的や用途に合わせて適宜使用される。
【００５８】
次に、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成方法について説明する。該方法は、主に上述した本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムによって実現されるものである。
【００５９】
（ステップ１）
先ず、事前の準備として、貯留タンク５０へ圧縮空気を充填する。充填される圧縮空気の空気圧は、特に限定はないが、概ね０．１〜０．５Ｍｐａ程度とする。
【００６０】
（ステップ２）
循環昇圧機３０を作動させることで、附属タンク３１内の空気が循環路Ｒへ昇圧送気されると共に、循環路Ｒを介して貯留タンク５０へ空気が送気される。昇圧による空気圧は、特に限定はないが、概ね０．３〜１Ｍｐａ程度とする。
【００６１】
（ステップ３）
貯留タンク５０へ送気された空気は、予め充填されている圧縮空気と一体となり、さらに後段の燃料電池２０へ循環路Ｒを介して送気される。
尚、循環路Ｒ内の空気圧については、必要に応じて、燃料電池２０に送気される前段において、減圧弁により概ね０．０５Ｍｐａ程度まで減圧される。
【００６２】
（ステップ４）
この状態で、燃料電池２０を作動させることにより、陽極側である水素極２０ａに水素供給管路１２を介して水素ガスが供給されると共に、陰極側２０ｂである空気極に給気口２１を介して循環路Ｒから送気されてきた空気が供給され、電気化学的反応によって発電が開始される。この反応により、電力のほか、水と、空気中から酸素が減少し窒素濃度が相対的に高まった空気（窒素リッチガス）が発生する。
【００６３】
（ステップ５）
燃料電池２０での反応により発生した窒素リッチガスは、排気口２２から循環路Ｒへ排気され、循環昇圧機３０へ戻される。
【００６４】
（ステップ６）
上記ステップ２からステップ５を繰り返すこと、すなわち、循環路Ｒを介して燃料電池２０と循環昇圧機３０、そして貯留タンク５０との間における空気循環が繰り返し為される過程で、その循環する空気中の酸素濃度が徐々に減少すると共に、窒素濃度が相対的に上昇することとなる。そこで、循環する空気中の酸素濃度の減少具合に応じて、ＯＨラジカル発生器３３を稼働させ、必要量のＯＨラジカルを燃料電池２０へ供給する。
【００６５】
以上のステップにより、最終的に高濃度の窒素ガスが生成されることとなる。生成された高濃度窒素ガスは、一旦、貯留タンク５０並びに附属タンク３１に貯留され、その後貯留タンク５０や附属タンク３１から取り出し、他のタンクに移し替えるなどして、目的・用途に合わせて適宜使用される。
【００６６】
尚、上記ステップ４の過程で燃料電池２０内に発生する水は、ドレン排出口２４を介して適宜排出される。
また、上記ステップ４の過程で発電された電力は、必要に応じてインバータを介して交流電力へ変換するなどして、商用電源として外部へ送電したり、あるいは、循環昇圧機３０や本システムにおける電力を要するその他の機器の電源とて利用することができる。
【００６７】
以上の通り構成される本発明にかかる高濃度窒素ガス生成方法によれば、高濃度の窒素ガスが容易に生成可能であると共に、熱を有して流入する窒素リッチガスの冷却や、脈圧の平滑においても有効に働き、生成された高濃度窒素ガスは、種々の用途に供されることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
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、半導体製造プロセスから石油化学、食品・飲料といった多岐にわたる幅広い分野で利用され得るものである。かかる窒素ガスの生成や利用の分野においては、その純度や生成の効率化などが要求されるところであるが、本発明は、上記「発明の効果」記載の通り、これらの要求を全て実現可能とするものである。したがって、本発明における「高濃度窒素ガス生成システム並びに高濃度窒素ガス生成方法」の産業上の利用可能性は大であると思料する。
【符号の説明】
【００６９】
１０    水素ガスタンク
１２    水素供給管路
２０    燃料電池
２０ａ  水素極
２０ｂ  空気極
２１    給気口
２２    排気口
２３    送入口
２４    ドレン排出口
３０    循環昇圧機
３１    附属タンク
３３    ＯＨラジカル発生器
３４    ＯＨラジカル供給管路
４０    減圧弁
４２    逆止弁
４４    気液分離装置
４４ａ  ドレントラップ
５０    貯留タンク
Ｍ    酸素濃度計
Ｒ    循環路
【図１】
0006932326.tif 000002
【図２】
0006932326.tif 000003