(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連続して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、
複数の空気貯留タンクと、
水素ガスタンクからの水素ガスの供給を受けると共に空気貯留タンクからの空気の供給を受けて電力を発する燃料電池と、から成り、
水素ガスタンクに備わる水素供給口と燃料電池に備わる水素取入口とを繋いで水素ガスタンク内の水素ガスを燃料電池へ送気する水素供給路と、
各空気貯留タンクに備わる空気供給口と燃料電池に備わる給気口とを繋いで空気貯留タンク内の圧縮空気を燃料電池へ送気する給気路と、
各空気貯留タンクに備わる窒素取入口と燃料電池に備わる排気口とを繋いで燃料電池からの排気を空気貯留タンクへ戻す排気路と、を備え、
給気路の所定中間箇所には開閉弁が配設されると共に、排気路の所定中間箇所には開閉弁及び昇圧機が配設され、
水素ガスタンクから水素供給路を介して水素ガスの供給を受けると共に一の空気貯留タンクから給気路を介して空気の供給を受けて電力を発する燃料電池より排気される空気が、排気路を介して当該一の空気貯留タンクへ戻されることで再び給気路を介して燃料電池へ送気され、これを繰り返す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し、当該一の空気貯留タンク内が高濃度の窒素ガスで充満された後、給気路並びに排気路における各開閉弁を切り換えて他の空気貯留タンクと燃料電池との間における空気循環に移行し、その間に当該一の空気貯留タンクから窒素ガスを取り出すと共に新たに圧縮空気を充填することで、順次使用する空気貯留タンクを移行しながら燃料電池による発電を一時停止することなく高濃度の窒素ガスを生成し且つ取り出すことが可能であ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】
前記給気路の所定中間箇所に、一乃至複数の減圧弁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】
前記空気貯留タンクに酸素濃度計を備えると共に、該酸素濃度計の計測値に基づき給気路並びに排気路における各開閉弁を自動制御する制御部が備えられて成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高濃度窒素ガス生成システム。
【請求項４】
前記給気路が、各空気貯留タンクに備わる空気供給口へ繋がる複数の従路と、該従路が合流して燃料電池に備わる給気口に繋がる一の主路と、から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高濃度窒素ガス生成システム。
【請求項５】
前記排気路が、燃料電池に備わる排気口に繋がる一の主路と、該主路が分岐して各空気貯留タンクに備わる窒素取入口へ繋がる複数の従路と、から成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高濃度窒素ガス生成システム。
【請求項６】
燃料電池の排気から高濃度の窒素ガスを連続して生成するための方法であって、
水素ガスタンクから水素供給路を介して水素ガスの供給を受けると共に一の空気貯留タンクから給気路を介して空気の供給を受けて電力を発する燃料電池より排気される空気が、排気路を介して当該一の空気貯留タンクへ戻されることで再び給気路を介して燃料電池へ送気され、これを繰り返す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し、当該一の空気貯留タンク内が高濃度の窒素ガスで充満された後、給気路並びに排気路における各開閉弁を切り換えて他の空気貯留タンクと燃料電池との間における空気循環に移行し、その間に当該一の空気貯留タンクから窒素ガスを取り出すと共に新たに圧縮空気を充填することで、順次使用する空気貯留タンクを移行しながら燃料電池による発電を一時停止することなく高濃度の窒素ガスを生成し且つ取り出すことを特徴とする高濃度窒素ガス生成方法。
【請求項７】
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ことを特徴とする請求項６に記載の高濃度窒素ガス生成方法。
【請求項８】
前記空気貯留タンクに酸素濃度計が備えられ、該酸素濃度計の計測値に基づき給気路並びに排気路における各開閉弁が自動制御されることを特徴とする請求項６または請求項７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並びに燃料電池における発電を一時停止することなく連続して窒素ガスを生成し得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連続して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連続して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連続して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、複数の空気貯留タンクと、水素ガスタンクからの水素ガスの供給を受けると共に空気貯留タンクからの空気の供給を受けて電力を発する燃料電池と、から成り、水素ガスタンクに備わる水素供給口と燃料電池に備わる水素取入口とを繋いで水素ガスタンク内の水素ガスを燃料電池へ送気する水素供給路と、各空気貯留タンクに備わる空気供給口と燃料電池に備わる給気口とを繋いで空気貯留タンク内の圧縮空気を燃料電池へ送気する給気路と、各空気貯留タンクに備わる窒素取入口と燃料電池に備わる排気口とを繋いで燃料電池からの排気を空気貯留タンクへ戻す排気路と、を備え、給気路の所定中間箇所には開閉弁が配設されると共に、排気路の所定中間箇所には開閉弁及び昇圧機が配設される手段を採る。
【００１６】
上記手段を採ることで、水素ガスタンクから水素供給路を介して水素ガスの供給を受けると共に一の空気貯留タンクから給気路を介して空気の供給を受けて電力を発する燃料電池より排気される空気が、排気路を介して当該一の空気貯留タンクへ戻されることで再び給気路を介して燃料電池へ送気され、これを繰り返す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し、当該一の空気貯留タンク内が高濃度の窒素ガスで充満された後、給気路並びに排気路における各開閉弁を切り換えて他の空気貯留タンクと燃料電池との間における空気循環に移行し、その間に当該一の空気貯留タンクから窒素ガスを取り出すと共に新たに圧縮空気を充填することで、順次使用する空気貯留タンクを移行しながら燃料電池による発電を一時停止することなく高濃度の窒素ガスを生成し且つ取り出すことが可能である。
【００１７】
また、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、前記給気路の所定中間箇所に、一乃至複数の減圧弁が配設されて成る手段を採り得る。
【００１８】
さらに、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、前記空気貯留タンクに酸素濃度計を備えると共に、該酸素濃度計の計測値に基づき給気路並びに排気路における各開閉弁を自動制御する制御部が備えられて成る手段を採り得る。
【００１９】
またさらに、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、前記給気路が、各空気貯留タンクに備わる空気供給口へ繋がる複数の給気従路と、該給気従路が合流して燃料電池に備わる給気口に繋がる一の給気主路と、から成る手段を採り得る。
【００２０】
さらにまた、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、前記排気路が、燃料電池に備わる排気口に繋がる一の排気主路と、該排気主路が分岐して各空気貯留タンクに備わる窒素取入口へ繋がる複数の排気従路と、から成る手段を採り得る。
【００２１】
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連続して生成するための方法であって、水素ガスタンクから水素供給路を介して水素ガスの供給を受けると共に一の空気貯留タンクから給気路を介して空気の供給を受けて電力を発する燃料電池より排気される空気が、排気路を介して当該一の空気貯留タンクへ戻されることで再び給気路を介して燃料電池へ送気され、これを繰り返す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し、当該一の空気貯留タンク内が高濃度の窒素ガスで充満された後、給気路並びに排気路における各開閉弁を切り換えて他の空気貯留タンクと燃料電池との間における空気循環に移行し、その間に当該一の空気貯留タンクから窒素ガスを取り出すと共に新たに圧縮空気を充填することで、順次使用する空気貯留タンクを移行しながら燃料電池による発電を一時停止することなく高濃度の窒素ガスを生成し且つ取り出す手段を採る。
【００２２】
さらにまた、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成方法は、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り得る。
【００２３】
そしてまた、本発明にかかる高濃度窒素ガス生成方法は、前記空気貯留タンクに酸素濃度計が備えられ、該酸素濃度計の計測値に基づき給気路並びに排気路における各開閉弁が自動制御される手段を採り得る。
【発明の効果】
【００２４】
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、燃料電池より排気される空気が、排気路を介して空気貯留タンクへ戻され、再び給気路を介して燃料電池へ繰り返し送気するという、空気の循環構造を採用していることで、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。
【００２５】
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、一の空気貯留タンク内が高濃度の窒素ガスで充満された後、給気路並びに排気路における各開閉弁を切り換えて他の空気貯留タンクと燃料電池との間における空気循環に移行し、その間に当該一の空気貯留タンクから窒素ガスを取り出すと共に新たに圧縮空気を充填するといった、順次使用する空気貯留タンクを移行させる態様を採用しているため、燃料電池による発電を一時停止することなく、高濃度の窒素ガスを連続して生成することが可能であると共に、溜まった高濃度の窒素ガスを確実に取り出すことが可能になる、といった優れた効果を奏するものである。
【００２６】
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や昇圧機、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】
【００２７】
【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】
【００２８】
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、複数の空気貯留タンクが配設され、一の空気貯留タンクから燃料電池へ空気を供給し、その際に燃料電池から排気された空気を一の空気貯留タンクに戻して再び給気路を介して燃料電池へ送気することで、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、そして、一の空気貯留タンク内が高濃度の窒素ガスで充満された後、他の空気貯留タンクと燃料電池との間における空気循環に移行し、その間に一の空気貯留タンクから窒素ガスを取り出すと共に新たに圧縮空気を充填すること、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。
【００２９】
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】
【００３０】
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、複数の空気貯留タンク２０と、水素ガスタンク１０からの水素ガスの供給を受けると共に空気貯留タンク２０からの空気の供給を受けて電力を発する燃料電池３０と、から構成されている。
【００３１】
水素ガスタンク１０は、水素ガスを一時的に貯留し、水素供給路１２を介して燃料電池３０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、該水素供給路１２の一端が、水素ガスタンク１０に備わる水素供給口１１に繋がることで、貯留された水素ガスを燃料電池３０へ流出可能に接続されている。
【００３２】
空気貯留タンク２０は、圧縮空気を貯留し、給気路２１を介して燃料電池３０へ空気を送出すると共に、燃料電池３０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べく、排気路２２を介して燃料電池３０から排気された空気を流入させる目的で備えられるもので、給気路２１の一端が空気貯留タンク２０に備わる空気供給口２３に繋がることで、貯留された圧縮空気を燃料電池３０へ送出可能に接続されると共に、排気路２２の一端が空気貯留タンク２０に備わる窒素取入口２４に繋がることで、燃料電池３０から排気路２２を介して排出された空気（窒素リッチガス）が流入可能に接続されている。
【００３３】
空気貯留タンク２０には、加圧された圧縮空気が貯留される。これは、給気路２１を介して燃料電池３０への空気の送出を促すために、貯留された空気に圧力を加えることで実現させることによる。該空気貯留タンク２０に貯留される空気の加圧量については、空気送出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。空気貯留タンク２０には、圧縮空気導入路２６を介して圧縮空気を導入するための圧縮空気導入口２５が備えられている。また、空気貯留タンク２０は、最終的に高濃度窒素ガスが貯留される箇所でもあり、貯留された高濃度窒素ガスを窒素取出路２８を介して取り出すための窒素取出口２７が備えられている。
【００３４】
尚、空気貯留タンク２０には、タンク内に貯留されている空気圧の適正を監視すべく、圧力計Ｂが装備されている態様が望ましい。また、空気貯留タンク２０には、燃料電池３０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箇所であることから、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。タンク内の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。
【００３５】
燃料電池３０は、陽極側である水素極３０ａに水素ガスを、陰極側である空気極３０ｂ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３０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。
【００３６】
燃料電池３０には、陽極側である水素極３０ａへ水素ガスを供給するための水素取入口３１が備えられている。該水素取入口３１には、水素供給路１２の一端が繋がれており、水素ガスタンク１０から水素供給路１２を介して送気される水素ガスを水素極３０ａへ取入可能に接続されている。
【００３７】
また、燃料電池３０には、陰極側である空気極３０ｂへ空気を供給するための給気口３２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３３と、が備えられている。該給気口３２には、給気路２１の一端が繋がれており、空気貯留タンク２０から給気路２１を介して送気される空気を空気極３０ｂへ給気可能に接続されている。そして、該排気口３３には、排気路２２の一端が繋がれており、燃料電池３０から排出される空気（窒素リッチガス）を排気路２２を介して空気貯留タンク２０へ送気可能に接続されている。これにより、空気貯留タンク２０→給気路２１→燃料電池３０→排気路２２→空気貯留タンク２０という空気の循環構造が形成されることとなる。
【００３８】
尚、燃料電池３０は、発電する際の反応により、水（ドレン）の発生が予測されることから、その発生した水（ドレン）を排出すべく、必要に応じてドレン排出口３４並びにドレンバルブやドレントラップが備えられている。
【００３９】
給気路２１及び排気路２２における所定中間箇所には、夫々開閉弁４１が配設されている。給気路２１の開閉弁４１は、空気貯留タンク２０から燃料電池３０への空気の供給・停止をコントロールする目的で、また、排気路２２の開閉弁４１は、燃料電池３０から空気貯留タンク２０への空気（窒素リッチガス）の流入・停止をコントロールする目的で配設される。この開閉弁４１を適宜操作することで、複数存する空気貯留タンク２０のうち使用するもの・使用を停止するものを選択・決定することが可能となる。かかる開閉弁４１の配設箇所については、給気路２１及び排気路２２における所定中間箇所であれば特に限定はないが、空気貯留タンク２０からの空気の送出及び空気貯留タンク２０への空気の流入をコントロールするという機能に鑑みると、空気貯留タンク２０に近い空気供給口２３並びに窒素取入口２４の近傍であることが好ましい。
【００４０】
給気路２１及び排気路２２に配設される開閉弁４１は、空気貯留タンク２０に備わる酸素濃度計Ｍと連動して、制御部４０により自動制御される態様が好適である。すなわち、一の空気貯留タンク２０に繋がる給気路２１及び排気路２２に配設された開閉弁４１（一方の開閉弁４１）が開状態である場合に、他の空気貯留タンク２０に繋がる給気路２１及び排気路２２に配設された開閉弁４１（他方の開閉弁４１）は閉状態であることを要し、酸素濃度計Ｍの計測値により一の空気貯留タンク２０に高濃度の窒素ガスが充満されたと制御部４０が判断した場合に、一の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間で行われていた空気循環を停止し、他の空気貯留タンク２０との空気循環に移行すべく、自動的に一方の開閉弁４１を閉状態にすると同時に、他方の開閉弁４１を開状態に切り換え、これを順次繰り返しながら開閉弁４１を自動制御する態様である。これにより、人為的な操作ミスを削減することができる。
【００４１】
尚、開閉弁４１は、給気路２１や排気路２２に配設される以外に、空気貯留タンク２０への圧縮空気の導入・停止をコントロールすべく、圧縮空気導入口２５または圧縮空気導入路２６にも配設される。同様に、空気貯留タンク２０から窒素ガスの取り出し・停止をコントロールするために、窒素取出口２７または窒素取出路２８にも配設される。このとき、給気路２１や排気路２２に配設された開閉弁４１と連動的若しくは個別的に、制御部４０により自動で開閉制御する態様が考え得る。
【００４２】
排気路２２における所定中間箇所には、昇圧機４４が配設されている。燃料電池３０から排出された空気（窒素リッチガス）は、減圧弁４６や圧力損失等により減圧された状態となっているため、そのままでは空気貯留タンク２０に流入することなく、かえって排気路２２を圧縮空気が逆流することも想定し得る。したがって、排気路２２において空気（窒素リッチガス）の加圧を行ってから空気貯留タンク２０へ流入させることが必要であり、その目的で昇圧機４４が配設される。故に、昇圧機４４は、燃料電池３０から排出された空気（窒素リッチガス）を空気貯留タンク２０に貯留されている圧縮空気と略同圧の概ね０．３〜１Ｍｐａ程度に加圧し、それにより空気貯留タンク２０への流入を促すと共に、空気貯留タンク２０内の空圧維持も図られる。かかる昇圧機４４の配設箇所については、排気路２２における所定中間箇所であれば特に限定はない。
【００４３】
昇圧機４４は、空気貯留タンク２０に備わる圧力計Ｂと連動して、排気路２２を通過する空気（窒素リッチガス）の加圧量を自動で決定する態様が好適である。すなわち、空気貯留タンク２０に貯留されている圧縮空気と排気路２２を通過する空気（窒素リッチガス）とを略同圧とすべく、圧力計Ｂの計測値に基づき、自動的に昇圧機４４における加圧量が決定される態様である。これにより、圧縮空気の逆流を確実に阻止することができる。
【００４４】
ところで、給気路２１には、燃料電池３０に送気される空気圧を減圧すべく、減圧弁４６を配設する態様が望ましい。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３０における空気極３０ｂ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４６は、給気路２１における所定中間箇所に配設される。かかる減圧弁４６は、一つに限らず、給気路２１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３０に送気される空気圧について、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。
【００４５】
尚、給気路２１や排気路２２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が配設される態様が考え得る。かかる態様を採用することで、燃料電池３０からの排気が使用していない方の空気貯留タンク２０に接続された給気路２１へ逆流したり、あるいは、空気貯留タンク２０内の圧縮空気が排気路２２へ逆流したりすることを確実に防止することが可能である。
【００４６】
尚、燃料電池３０は、電気化学的反応により水を発生させることから、該燃料電池３０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排気路２２や昇圧機４４、空気貯留タンク２０等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、排気路２２の所定箇所に気液分離装置４８を配設することで、燃料電池３０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４８は、排気路２２における昇圧機４４の前段に配設される。気液分離装置４８で除去した水分（水蒸気）は、ドレントラップ４８ａにより適宜排出される。
【００４７】
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、一の空気貯留タンク２０から空気の供給を受けて電力を発する燃料電池３０より排気される空気が、当該一の空気貯留タンク２０へ戻された後、再び燃料電池３０へ送気され、これを繰り返す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、最終的におよそ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、空気貯留タンク２０に貯留された状態で、開閉弁４１を切り換えて他の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環に移行し、同様に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、高濃度の窒素ガスの生成が継続して行われる。その間に、一の空気貯留タンク２０に既に貯留された高濃度窒素ガスが取り出され、それと併せて当該一の空気貯留タンク２０へ新たに圧縮空気を充填する。取り出された高濃度窒素ガスは、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。このように、順次使用する空気貯留タンク２０を移行しながら、燃料電池３０による発電を一時停止することなく、連続して高濃度の窒素ガスの生成及び取り出しが可能である。
【００４８】
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。
尚、説明の便宜上、水素ガスタンク１０が一基、空気貯留タンク２０が二基の場合について説明する。
【００４９】
（ステップ１）
先ず、事前の準備として、二基の空気貯留タンク２０へ夫々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。このとき、一方の空気貯留タンク２０に接続されている給気路２１及び排気路２２に備えられた開閉弁４１（一方の開閉弁４１）、及び、他方の空気貯留タンク２０に接続されている給気路２１及び排気路２２に備えられた開閉弁４１（他方の開閉弁４１）は、全て閉状態となっている。
【００５０】
（ステップ２）
一方の開閉弁４１を開状態とし、併せて昇圧機４４を作動させることで、一方の空気貯留タンク２０内の空気が給気路２１を介して燃料電池３０へ送気される。
尚、給気路２１内の空気圧については、必要に応じて、燃料電池３０に送気される前段において、減圧弁４６により概ね０．０５Ｍｐａ程度まで減圧することが望ましい。
【００５１】
（ステップ３）
この状態で、燃料電池３０を作動させることにより、陽極側である水素極３０ａ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、陰極側である空気極３０ｂに給気口３２を介して給気路２１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。
【００５２】
（ステップ４）
燃料電池３０での反応により発生した窒素リッチガスは、排気口３３から排気路２２へ排気され、昇圧機４４を通過する。これにより、窒素リッチガスは昇圧され、後段の排気路２２へ送気される。昇圧された窒素リッチガスの空気圧は、空気貯留タンク２０内の圧縮空気と略同圧であって、概ね０．１〜０．５Ｍｐａ程度とする。
【００５３】
（ステップ５）
昇圧機４４から排気路２２へ送気された窒素リッチガスは、一方の空気貯留タンク２０へ戻される。
【００５４】
一方の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環が繰り返し為されること、すなわち、上記ステップ２からステップ５を繰り返す過程で、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、一方の空気貯留タンク２０に貯留される。
【００５５】
（ステップ６）
一方の開閉弁４１を閉状態にすると同時に、他方の開閉弁４１を開状態に切り換える。これにより、他方の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環に移行し、上記ステップ２からステップ５と同様のステップが繰り返される。
【００５６】
（ステップ７）
他方の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環が繰り返し為されている間に、一方の空気貯留タンク２０に既に貯留された高濃度窒素ガスが取り出され、それと併せて当該一方の空気貯留タンク２０へ新たに圧縮空気を充填する。
【００５７】
以上の各ステップを経て、順次使用する空気貯留タンク２０を移行しながら、燃料電池３０による発電を一時停止することなく、連続して高濃度の窒素ガスの生成及び取り出しが可能となる。
尚、取り出された高濃度窒素ガスは、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】
尚、上記ステップ３の過程で燃料電池３０内に発生する水は、ドレン排出口３４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、昇圧機４４をはじめ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。
【００５９】
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、空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環が繰り返されることで、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、また、順次使用する空気貯留タンク２０を移行しながら、燃料電池３０による発電を一時停止することなく、連続して高濃度の窒素ガスの生成及び取り出しが可能となる。
【実施例２】
【００６０】
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、複数存する空気貯留タンク２０を、一の燃料電池３０に対し給気路２１及び排気路２２にて夫々個別に繋げる態様について説明した。しかしながら、各空気貯留タンク２０から繋がる給気路２１及び排気路２２を個別に燃料電池３０へ接続する態様は、中間に配置する減圧弁４６や昇圧機４４、気液分離装置４８などの各種装備の配設過多など、構造的に煩雑となる場合も想定し得る。
そこで、燃料電池３０に備わる給気口３２及び排気口３３に対し、接続される給気路２１及び排気路２２が夫々一つとなる技術が求められる。
【００６１】
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。
本実施形態にかかる高濃度窒素ガス生成システムは、前記給気路２１について、各空気貯留タンク２０に備わる空気供給口２３へ繋がる複数の給気従路２１ａと、該給気従路２１ａが合流して燃料電池３０に備わる給気口３２に繋がる一の給気主路２１ｂと、から成る構成を採用する。
また、本実施形態にかかる高濃度窒素ガス生成システムでは、前記排気路２２について、燃料電池３０に備わる排気口３３に繋がる一の排気主路２２ａと、該排気主路２２ａが分岐して各空気貯留タンク２０に備わる窒素取入口２４へ繋がる複数の排気従路２２ｂと、から成る構成も採用している。
【００６２】
すなわち、給気路２１は、合流点２１ｃを境に、各空気貯留タンク２０の空気供給口２３に繋がる複数の給気従路２１ａと、燃料電池３０の給気口３２に繋がる一の給気主路２１ｂとで構成されている。同様に、排気路２２は、分岐点２２ｃを境に、燃料電池３０の排気口33に繋がる一の排気主路２２ａと、各空気貯留タンク２０の窒素取入口２４に繋がる複数の排気従路２２ｂとで構成されている。
【００６３】
給気路２１に備わる開閉弁４１は、空気貯留タンク２０ごとに空気の供給・停止をコントロールする必要から、各給気従路２１ａに夫々備えられる。
また、給気路２１に備わる減圧弁４６は、各給気従路２１ａに夫々備える態様も考え得るが、燃料電池３０へ空気が流入する際の空気圧を減圧できれば足りることから、給気主路２１ｂに一の減圧弁４６を備える態様が好適である。
尚、必要に応じて給気路２１に備えられる逆止弁４２は、一の空気貯留タンク２０から送気される空気の他の空気貯留タンク２０への逆流防止という観点から、各給気従路２１ａに夫々備えられる。
【００６４】
排気路２２に備わる開閉弁４１は、空気貯留タンク２０ごとに窒素ガスの流入・停止をコントロールする必要から、各排気従路２２ｂに夫々備えられる。
また、排気路２１に備わる昇圧機４４は、各排気従路２２ｂに夫々備える態様も考え得るが、燃料電池３０から排気された空気（窒素リッチガス）を空気貯留タンク２０へ流入させる以前に加圧できれば足りることから、排気主路２２ａに一の昇圧機４４を備える態様が好適である。
尚、必要に応じて排気路２２に備えられる逆止弁４２は、各空気貯留タンク２０における排気路２２への空気の逆流防止という観点から、各排気従路２２ｂに夫々備えられる。
また、必要に応じて排気路２２に備えられる気液分離装置４８は、昇圧機４４の前段であることを条件に各排気従路２２ｂに夫々備える態様も考え得るが、昇圧機４４へ流入させる以前に燃料電池３０より排気された空気（窒素リッチガス）から水分（水蒸気）を除去できれば足りることから、排気主路２２ａに一の気液分離装置４８を備える態様が好適である。
【００６５】
以上の通り構成される本実施形態にかかる高濃度窒素ガス生成システムによれば、実施例１と同様の作用効果に加え、給気路２２及び排気路２１に配設される減圧弁４６や昇圧機４４、気液分離装置４８といった各種装備の省設備化に資することとなる。
【００６６】
次に、本実施形態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。
尚、説明の便宜上、水素ガスタンク１０が一基、空気貯留タンク２０が二基の場合について説明する。
【００６７】
（ステップ１）
先ず、事前の準備として、二基の空気貯留タンク２０へ夫々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。このとき、一方の空気貯留タンク２０に接続されている給気従路２１ａ及び排気従路２２ｂに備えられた開閉弁４１（一方の開閉弁４１）、及び、他方の空気貯留タンク２０に接続されている給気従路２１ａ及び排気従路２２ｂに備えられた開閉弁４１（他方の開閉弁４１）は、全て閉状態となっている。
【００６８】
（ステップ２）
一方の開閉弁４１を開状態とし、併せて昇圧機４４を作動させることで、一方の空気貯留タンク２０内の空気が給気従路２１ａから合流点２１ｃを経て給気主路２１ｂを通過して燃料電池３０へ送気される。このとき、他方の開閉弁４１は閉状態であることから、合流点２１ｃから他方の空気貯留タンク２０に繋がる給気従路２１ａへ空気が逆流することはなく、確実に給気主路２１ｂの方へ空気が送気される。
尚、給気従路２１ａ及び給気主路２１ｂ内の空気圧については、必要に応じて、燃料電池３０に送気される前段において、減圧弁４６により概ね０．０５Ｍｐａ程度まで減圧することが望ましい。
【００６９】
（ステップ３）
この状態で、燃料電池３０を作動させることにより、陽極側である水素極３０ａ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、陰極側である空気極３０ｂに給気口３２を介して給気主路２１ｂ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。
【００７０】
（ステップ４）
燃料電池３０での反応により発生した窒素リッチガスは、排気口３３から排気主路２２ａへ排気され、昇圧機４４を通過する。これにより、窒素リッチガスは昇圧され、後段の分岐点２２ｃを経て排気従路２２ｂへ送気される。昇圧された窒素リッチガスの空気圧は、空気貯留タンク２０内の圧縮空気と略同圧であって、概ね０．１〜０．５Ｍｐａ程度とする。
【００７１】
（ステップ５）
昇圧機４４から分岐点２２ｃを経て排気従路２２ｂへ送気された窒素リッチガスは、一方の空気貯留タンク２０へ戻される。
【００７２】
一方の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環が繰り返し為されること、すなわち、上記ステップ２からステップ５を繰り返す過程で、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、一方の空気貯留タンク２０に貯留される。
【００７３】
（ステップ６）
一方の開閉弁４１を閉状態にすると同時に、他方の開閉弁４１を開状態に切り換える。これにより、他方の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環に移行し、上記ステップ２からステップ５と同様のステップが繰り返される。
【００７４】
（ステップ７）
他方の空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環が繰り返し為されている間に、一方の空気貯留タンク２０に既に貯留された高濃度窒素ガスが取り出され、それと併せて当該一方の空気貯留タンク２０へ新たに圧縮空気を充填する。
【００７５】
以上の各ステップを経て、順次使用する空気貯留タンク２０を移行しながら、燃料電池３０による発電を一時停止することなく、連続して高濃度の窒素ガスの生成及び取り出しが可能となる。
尚、取り出された高濃度窒素ガスは、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。
【００７６】
尚、上記ステップ３の過程で燃料電池３０内に発生する水は、ドレン排出口３４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、昇圧機４４をはじめ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。
【００７７】
以上の通り構成される本実施形態にかかる高濃度窒素ガス生成方法によれば、実施例１と同様、空気貯留タンク２０と燃料電池３０との間における空気循環が繰り返されることで、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、また、順次使用する空気貯留タンク２０を移行しながら、燃料電池３０による発電を一時停止することなく、連続して高濃度の窒素ガスの生成及び取り出しが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
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】
【００７９】
１０    水素ガスタンク
１１    水素供給口
１２    水素供給路
２０    空気貯留タンク
２１    給気路
２１ａ  給気従路
２１ｂ  給気主路
２１ｃ  合流点
２２    排気路
２２ａ  排気主路
２２ｂ  排気従路
２２ｃ  分岐点
２３    空気供給口
２４    窒素取入口
２５    圧縮空気導入口
２６    圧縮空気導入路
２７    窒素取出口
２８    窒素取出路
３０    燃料電池
３０ａ  水素極
３０ｂ  空気極
３１    水素取入口
３２    給気口
３３    排気口
３４    ドレン排出口
４０    制御部
４１    開閉弁
４２    逆止弁  
４４    昇圧機
４６    減圧弁
４８    気液分離装置
４８ａ  ドレントラップ
Ｂ    圧力計
Ｍ    酸素濃度計
【要約】
【課題】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。
【解決手段】一以上の水素ガスタンクと、複数の空気貯留タンクと、水素ガスタンクからの水素ガスの供給を受けると共に空気貯留タンクからの空気の供給を受けて電力を発する燃料電池と、から成り、水素ガスタンクに備わる水素供給口と燃料電池に備わる水素取入口とを繋いで水素ガスタンク内の水素ガスを燃料電池へ送気する水素供給路と、各空気貯留タンクに備わる空気供給口と燃料電池に備わる給気口とを繋いで空気貯留タンク内の圧縮空気を燃料電池へ送気する給気路と、各空気貯留タンクに備わる窒素取入口と燃料電池に備わる排気口とを繋いで燃料電池からの排気を空気貯留タンクへ戻す排気路と、を備え、給気路の所定中間箇所には開閉弁が配設されると共に、排気路の所定中間箇所には開閉弁及び昇圧機が配設される手段を採る。
【代表図】図１
【選択図】図1【図１】
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【図２】
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