特許ウォッチ

公開番号2024161313
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-18
出願番号2023076416
出願日2023-05-06
発明の名称燃料電池を用いた窒素ガス生成装置、システム及び方法、並びに窒素ガス生成コンテナ及び窒素ガス生成機能付燃料電池車
出願人マイクロコントロールシステムズ株式会社
代理人個人
主分類C01B 21/04 20060101AFI20241111BHJP(無機化学)
要約【課題】燃料電池を用いて、純度の高い窒素ガスを、より高い効率若しくは簡便性をもって生成し供給することが可能な装置を提供する。
【解決手段】本窒素ガス生成装置は、(a)空気、又は窒素・酸素含有気体と燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、(b)燃料電池から取り出された、空気又は上記気体と比べて窒素濃度の増大した窒素増大ガスと、燃料電池に取り込まれる空気又は上記気体との間で水交換を行い、窒素増大ガスの水分・水蒸気分を低減させる水交換除湿手段と、(c)水分・水蒸気分の低減した窒素増大ガスと燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、窒素増大ガスを、窒素濃度のより増大した高濃度の窒素増大ガスにする触媒燃焼手段とを有する。また、(d)この高濃度の窒素増大ガスを、窒素濃度のより高い、さらに水素濃度のより低い、より高濃度の窒素増大ガスにする窒素フィルタリング手段が設けられていることも好ましい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
前記燃料電池から排ガスとして取り出された、当該空気又は当該気体と比べて窒素濃度の増大した窒素増大ガスと、前記燃料電池に取り込まれる当該空気又は当該気体との間で水交換を行い、当該窒素増大ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる水交換除湿手段と、
水分又は水蒸気分の低減した当該窒素増大ガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、当該窒素増大ガスを、窒素濃度のより増大した高濃度の窒素増大ガスにする触媒燃焼手段と
を有することを特徴とする窒素ガス生成装置。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記水交換除湿手段は、前記燃料電池に取り込まれる当該空気又は当該気体の湿度を、該燃料電池において要求される所定の下限湿度以上とし、同時に、該燃料電池から取り出された当該窒素増大ガスの湿度を、前記触媒燃焼手段において要求される所定の上限湿度以下とすることを特徴とする請求項１に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項３】
窒素と酸素とについて及び窒素と水素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、当該高濃度の窒素増大ガスを、窒素濃度のより高いより高濃度の窒素増大ガスであって、当該高濃度の窒素増大ガスが水素を含有している場合に水素の除去された若しくは水素濃度のより低いより高濃度の窒素増大ガスにする窒素フィルタリング手段を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項４】
前記触媒燃焼手段において要求若しくは決定される下限圧力、及び前記窒素フィルタリング手段において要求若しくは決定される下限圧力に基づき設定される圧力閾値以上の圧力を有する高圧の当該空気又は当該気体を、前記燃料電池へ供給可能とする高圧ガス供給手段を更に有し、
前記水交換除湿手段は、当該圧力閾値以上の圧力を有する高圧の当該窒素増大ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させ、
前記触媒燃焼手段は、水分又は水蒸気分の低減した当該高圧の窒素増大ガスを、当該下限圧力以上の圧力の下、高圧の当該高濃度の窒素増大ガスにし、
前記窒素フィルタリング手段は、当該高圧の高濃度の窒素増大ガスを、当該下限圧力以上の圧力の下、高圧の当該より高濃度の窒素増大ガスにする
ことを特徴とする請求項３に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項５】
前記燃料電池から取り出された当該窒素増大ガスを、その圧力を高めることなく前記触媒燃焼手段に取り込ませ、該触媒燃焼手段から取り出された当該高濃度の窒素増大ガスを、その圧力を高めることなく前記フィルタリング手段に取り込ませることを特徴とする請求項４に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項６】
前記窒素フィルタリング手段と該窒素フィルタリング手段の後段に設けられた背圧弁とを結ぶ配管から分岐しており、当該高圧のより高濃度の窒素増大ガスを取り出すための分岐配管が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項７】
前記触媒燃焼手段において要求若しくは決定される下限圧力、及び前記窒素フィルタリング手段において要求若しくは決定される下限圧力に基づき設定される圧力閾値以上の圧力にまで、水分又は水蒸気分の低減した当該窒素増大ガスの圧力を高めて、高圧の当該窒素増大ガスを生成する増圧手段を更に有し、
前記触媒燃焼手段は、水分又は水蒸気分の低減した当該高圧の窒素増大ガスを、当該下限圧力以上の圧力の下、高圧の当該高濃度の窒素増大ガスにし、
前記窒素フィルタリング手段は、当該高圧の高濃度の窒素増大ガスを、当該下限圧力以上の圧力の下、高圧の当該より高濃度の窒素増大ガスにする
ことを特徴とする請求項３に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項８】
水分又は水蒸気分の低減した当該窒素増大ガスを、水分又は水蒸気分の更に低減した当該窒素増大ガスにするドライフィルタリング手段を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項９】
前記燃料電池は、取り入れた当該空気若しくは当該気体に含まれる酸素を全て水に変えることを可能にする流量以上の流量の当該燃料気体を取り入れ、該酸素を全て水に変えた場合に流れる量の電流が電極間に流れることを可能にして、当該窒素増大ガスを排出することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒素ガス生成装置。
【請求項１０】
空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
前記燃料電池から排ガスとして取り出された、当該空気又は当該気体と比べて窒素濃度の増大した窒素増大ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段と、
水分又は水蒸気分の低減した当該窒素増大ガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、当該窒素増大ガスを、窒素濃度のより増大した高濃度の窒素増大ガスにする触媒燃焼手段と、
窒素と酸素とについて及び窒素と水素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、当該高濃度の窒素増大ガスを、窒素濃度のより高いより高濃度の窒素増大ガスであって、当該高濃度の窒素増大ガスが水素を含有している場合に水素の除去された若しくは水素濃度のより低いより高濃度の窒素増大ガスにする窒素フィルタリング手段と
を有することを特徴とする窒素ガス生成装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、純度の高い窒素ガスを生成する技術に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンニュートラル、ひいてはカーボンゼロの実現に向けて、水素エネルギーが脚光を浴びている。この水素エネルギーを利用する燃料電池は、二酸化炭素を排出することなく高効率の電力生成を可能にするのであり、来る水素社会においてまさに要となる技術である。
【０００３】
本願発明者等は、このような燃料電池のポテンシャルに注目し、特許文献１～９に記載されているように、燃料電池を利用した種々様々な装置・システムを開発してきた。特に、特許文献６及び７に開示されたように、燃料電池から取り出した排ガスを窒素フィルタに作用させ、このフィルタから窒素濃度の増大したガスを取り出す窒素ガス生成装置を開発している。また特許文献８及び９に開示されたように、窒素ガスの生成において重要となる排ガスの除湿処理を、水封ポンプを用いて実施する構成を発明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１３－２３３５４９号公報
特開２０１６－１６４９８７号公報
特開２０１７－０８４７９６号公報
特開２０１８－１６３８９０号公報
特開２０１９－１２９１１０号公報
特開２０２０－１４９８３８号公報
特開２０２１－１３６０８４号公報
特開２０２２－１１４２５６号公報
国際公開第２０２１／１７２２６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
純度の高い窒素ガスは、支燃性も助燃性もなく非常に有用な不活性ガスであり、様々な分野において多くの需要が存在する。しかしながら現在、純度の高い窒素ガスは、空気を原料として、圧力変動吸着（ＰＳＡ）法、深冷空気分離法や、膜分離法等により生成されているのが現状である。
【０００６】
これに対し、空気をそのまま原料とするのではなく、燃料電池の排ガスを利用すれば、純度の高い窒素ガスをより効率的に生成することができる。また、燃料電池を利用して生成された純度の高い窒素ガスならば、より低コストで各種生産・サービス提供現場へ供給することも可能となる。
【０００７】
ここで、燃料電池の排ガスの酸素濃度を如何に効率的に低減させるかが１つの課題として挙げられる。また、燃料電池から取り出された、相対湿度が概ね100%である排ガスの除湿を如何に実施するかも重要な課題となっている。勿論、例えば特許文献６～９に開示された窒素ガス生成装置・システムはこれらの課題を解決する重要な解となっている。しかしながら、本願発明者等は、燃料電池を利用した窒素ガス生成の更なる好適な構成、具体的には効率若しくは簡便性のより高い構成、を模索してきたのである。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池を用いて純度の高い窒素ガスを、より高い効率若しくは簡便性をもって生成し提供することが可能な窒素ガス生成装置、システム及び方法、並びに窒素ガス生成コンテナ及び窒素ガス生成機能付燃料電池車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
燃料電池から排ガスとして取り出された、当該空気又は当該気体と比べて窒素濃度の増大した窒素増大ガスと、燃料電池に取り込まれる当該空気又は当該気体との間で水交換を行い、当該窒素増大ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる水交換除湿手段と、
水分又は水蒸気分の低減した当該窒素増大ガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、当該窒素増大ガスを、窒素濃度のより増大した高濃度の窒素増大ガスにする触媒燃焼手段と
を有する窒素ガス生成装置、又は窒素ガス生成システムが提供される。
【００１０】
本発明によれば、また、空気、又は窒素及び酸素を含む気体と、燃料気体とを取り入れて稼働する燃料電池と、
燃料電池から排ガスとして取り出された、当該空気又は当該気体と比べて窒素濃度の増大した窒素増大ガスにおける水分又は水蒸気分を低減させる除湿手段と、
水分又は水蒸気分の低減した当該窒素増大ガスと当該燃料気体とを燃焼触媒上で反応させて、当該窒素増大ガスを、窒素濃度のより増大した高濃度の窒素増大ガスにする触媒燃焼手段と、
窒素と酸素とについて及び窒素と水素とについて透過する度合いの異なるフィルタを備えており、当該高濃度の窒素増大ガスを、窒素濃度のより高いより高濃度の窒素増大ガスであって、当該高濃度の窒素増大ガスが水素を含有している場合に水素の除去された若しくは水素濃度のより低いより高濃度の窒素増大ガスにする窒素フィルタリング手段と
を有する窒素ガス生成装置が提供される。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許