JP2004500577A - 水素監視及び除去システム - Google Patents

Abstract

システムは、空気中の水素及び可燃性気体の、触媒を使った制御及び除去を目的とする。システムは、受動的な水素再結合器と、制御検出器と、から成る装置を含み、この装置では、部品の登録され除去された気体混合物の自由な対流性の供給が使われる。部品は、同じ種類の構成を有し、検出器は、再結合器の内部に配置されることも外部に配置されることもできる。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、空気内での水素の蓄積を監視し、これと同じ媒体内における、体積で４％である、水素の最低燃焼限界値を上回る水素の蓄積を防止するシステムに関する。この処理は、水素再結合処理での最大パラメータを使い実行される、すなわち、より小さな全体の寸法及び可能な限り少ない触媒物質を使い、より大きな作業効率で実行される。水素再結合処理の安全性は、最大の水素酸化効率（事実上１００％）によって達成される。最大体積内の気体混合物の構成を特徴付ける目的で、外的な条件に依存しないようにし、濃度測定のために利用する直ちに測定した作業パラメータを最小限にするために、水素含有量の測定値を急速に低減させる必要がある。異なるメンテナンスパラメータを有する装置の全部品及び周辺の影響は、可燃性又は爆発性の気体混合物の点火又は爆発の源であってはならない。
【０００２】
水素監視及び除去システムは全体として、様々な位置における空気中の水素の集積を防止するために必要な複雑な装置として実現される。このシステムは、空気中の一位置における高濃度の水素によって引起こされる非常時において水素を急速に除去するため、そして、酸素を含有する気体媒体中の水素濃度を測定するための迅速で安全な方法の道具として提案されている。ここで詳細に説明する装置は、通常状態の水素プラントの標準的な冷却システムへの追加として、及び電源の中断に起因し、冷却システムを効果的に使用することが不可能な条件下における基本装置として提案される。装置は、２つの基本的な部品を含む。一方は受動的な触媒水素再結合器（ＲＣＰ）であり、他方は熱触媒水素検出器（ＤＴＣ）である。
【０００３】
ＤＴＣ装置及びＲＰＣ装置は、ＤＴＣの場合には、濃縮空気との水素の触媒燃焼という既知の原理に基づいており、濃度を判断するために、触媒反応の熱効果の測定値が使われる。
【０００４】
このシステムは、水冷反応炉を使う原子力発電所を含む、爆発性の濃度まで水素が集積する場合や燃えやすい気体が集積する場合など、工業生産のいくつかのブランチにおける、火による爆発を予防するための安全手段として適用可能である。このシステムはまた、電子化学産業や、ガソリンスタンドなどでも適用可能である。
【０００５】
（背景技術）
シーメンス（ＳＩＥＭＥＮＳ）社による、１９８９年の独国特許ＤＥ３７２７２０７Ａ１に基づく触媒検出器測定システムＷＳ−８５及び再結合器ＦＲ９０−１５００が知られている。
【０００６】
水素除去用に知られている触媒装置の大半は、固体触媒を内側基部（ベース：ｂａｓｅ）に配置した導管（ダクト：ｄｕｃｔ）として実現される（特に、ＦＲ９０−１５００の場合）。触媒における水素酸化の発熱性反応の進行を示すために、導管内の気体混合物は加熱される。加熱された気体は、導管を通じて膨張することにより、外部気体混合物がアルキメデスの原理にしたがって再結合器の基部に常に供給されることを可能にする。
【０００７】
既知の再結合器（１９８９年の特許ＤＥ３７２７０７Ａ１）は、平坦な金属モジュール及びセラミックのパネル素子を触媒として用いる。存在する可能性のある周辺から触媒への影響を防止するために、カバーの最も外側の表面には、事件（温度又は圧力の上昇）の瞬間のみに触媒を開く、追加のシステムが設けられている。熱排出システムが、触媒の過剰加熱によって引き起こされる、到来する気体混合物の、可能性のある大火災を防止するために使われる。再結合器のカバーは、周囲の水素が酸化する際の過剰加熱された触媒からの保護として使われる。
【０００８】
このように、ここで考慮する水素再結合器の構成を開発するために、出願人は、触媒の表面の直上で最適な水素酸化条件を達成することを目指した。このため、触媒表面への水素の輸送（触媒表面における水素の拡散や再結合器のカバー内部での対流など）に伴う全ての処理に関して妥協を許さなかった。
【０００９】
この結果、ここで考慮する水素再結合器の高度に管理された触媒の形状構成は、安定した境界層の形成を有する。境界層の存在により、境界層を通じた水素の転送が実質的に減少し、この結果、水素の燃焼速度及び不完全燃焼が減少する。水素の不完全燃焼は、出口において、水素と熱い空気との混合物の大火災を引き起こす場合があり、これは、ここで考慮される再結合器の能動モジュールの下端における水素−空気混合物の燃焼との関係で危険である可能性がある。安定した境界層のために、この位置における水素転送速度が十分な大きさに達し、実質的に伝熱を上回る。この要因によりまた、局地的な過剰加熱によって、触媒被覆の破壊が生じる場合もある。
【００１０】
一方、触媒壁上の安定した境界層の形成は、中心への水素−空気の流れの転移を生じ、システム全体としての気体動作抵抗を増加させる。自然対流システムにおける気体動作抵抗の大きさが、触媒を通じた水素−空気の流れの速度効力や再結合器の効率を決定する。
【００１１】
この結果、従来の水素再結合器は、特定の燃焼速度において最適ではない。
【００１２】
既知の熱触媒水素検出器は、触媒の熱抵抗又は測定装置に含まれ電流によって加熱される触媒物質のワイヤによって被覆され使用される。分析可能な、可燃性気体及び酸素の混合物が存在する場合、センサ表面上での触媒反応が存在し、この反応によりセンサ表面が加熱される。水素の存在を示す特徴的な印が、触媒温度の上昇及び測定装置のバランスの変化に起因するセンサの電気抵抗の変化である。酸素が過剰な場合、反応速度は、可燃性気体の濃度に一次従属する。しかしながら、加熱された露出フィラメントは、水素大火災比（ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｃｏｎｆｌａｇｒａｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ）においては、安全ではない。同様に、電気を伝える露出ワイヤの存在は、一般的には望ましくない。このため、通常は、水素検出器のセンサは分析可能媒体から断熱され、測定は特別に組織された分析可能気体の流れ（一定の速度での気体の供給）において実行される。この目的で、外部誘導物（送風機など）が使われ、又は拡散によるセンサへの分析気体の供給のために特別な多孔性物質のカバーが使われる。
【００１３】
分析可能な気体媒体へのこのような検出器の直接的な使用は、所定量の熱の発生に対する検出器の応答が媒体の熱特性によって決まるため、特別な困難を伴う。同様に、水素の出現に対する検出器の応答時間は、特に多孔性物質を通過する拡散に基づく拡散検出器などの場合において、非常に長い場合もある。水素の存在を示す特徴的な印は、触媒温度の上昇による、比較素子の電気抵抗との関係での、センサの電気抵抗の変化である。
【００１４】
上述の水素検出器は、いくつかの欠点を有する。
水素濃度は、分析可能媒体中で直接測定されず、特別に準備されたプローブ内で測定されること
応答時間が、水素の拡散速度又はプローブの準備速度に依存し、非常に長いこと
極端な条件下（白金フィラメント及び高電流を運ぶ熱抵抗）で作動するセンサの使用
高いコスト
【００１５】
（発明の開示）
本発明の請求項に記載のシステムは、上述の問題を解決するよう設計され、水素の燃焼速度及び安全性の向上を可能にするいくつかの手段に基づく。また、本発明によるシステムは、安全性及び信頼性を増大させつつ、そして、水素検出器の試験素子のタップ（ｔａｐ）を不在としつつ、対応する水素再結合器のコストを低減させるよう設計される。
【００１６】
水素再結合器の技術的な成果は、触媒素子として利用される能動高性能セル状材料（ＨＰＣＭ）によって達成される。これらの高性能セル状材料は、不規則的な空間構造を有し、これにより、小さなサイズであってもＨＰＣＭ触媒を使う場合に、物質及び熱の伝送を相当に増大させる動的な気体流のための安定した境界層の生成を基本的には許さない。触媒を選択することにより、水素燃焼速度において最適な再結合器の開発が可能にされる。
【００１７】
再結合器の安全性は、固体多孔性触媒の材料としての金属の選択によって達成される。触媒材料の熱伝導率は高いため、水素の点火の源となりうる特定の点における過剰加熱が存在しにくくなる。
【００１８】
高い水素燃焼速度は、特に、２つの垂直な壁、内部壁と外部壁、から成る、再結合器の伝達性カバーを構成することにより達成される。これらの壁の間の空間は、熱遅延性物質によって充填される。水素燃焼速度は、水素−空気混合物が触媒を通る速さによって決定され、この結果、再結合器の気体動作抵抗のバランスが取られ、アルキメデスの力が増大する。後者の力は、伝達性カバー内の気体の温度によって決定される。再結合器の伝達性カバーからの熱損失が無視できない程度である場合、水素燃焼速度が小さくなる。再結合器は、再結合器の伝達性カバーにおける熱損失を避けるために、断熱されている。
【００１９】
固体触媒は、熱損失を最小限にするために再結合器の伝達性カバーに対して断熱されている釣り下げられたサポート内に配置され、水素が出現した直後に水素の触媒燃焼が開始することを助ける。
【００２０】
再結合器の伝達性カバー内部の空間は、通過部分の下での触媒燃焼の不均一性及び再結合器の効力の低下を防ぐために２つ又はそれ以上の垂直部分に分割される。
【００２１】
特許ＤＥ３７２７２０７Ａ１に最も近い構成であるシーメンス社のＦＲ−９０／１５００再結合器の水素燃焼効率は、水素濃度が体積で約３％であり伝達性カバーの通過部分が約３００ｃｍ^２の場合において、０．４ｎｌ／ｓを超えないことが知られている。同一の条件下において、本発明の再結合器の水素燃焼効率は、０．８ｎｌ／ｓに達する。
【００２２】
水素検出器の技術的な成果は、自然の対流的な流れを使い、分析可能空気を検出器のセンサ（固体多孔性触媒）に供給することにより達成される。カバー内部では、爆発試験電子加熱素子が配置され、検出器センサを通じた分析可能な空気の自然な対流的な流れを管理する。
【００２３】
特別に選択されたパラメータを有する高度に多孔性のセル状材料（ＨＰＣＭ）を使うことにより、必要な速度の対流性の流れを可能にする。
【００２４】
伝達性カバーは、内部壁と外部壁との２つの垂直な壁から成り、中間の空間が、熱損失を最小限にし、到来する気体流及び触媒の予備加熱に必要な電力を最小限にする目的で、熱遅延性物質によって充填される。
【００２５】
検出器の安全性は、多孔性触媒の材料としての金属を選択することにより達成される。触媒材料の高い熱伝導率により、水素大火災の源となりうる局地的に過剰加熱される点が存在しないことを可能にする。これと同じ目的で、触媒は、水素検出器カバーに対して断熱された、釣り下げられたサポート内に配置される。
【００２６】
空気中の水素濃度を判断するために、以前に加熱された空気流及び触媒と、触媒後の外に出る空気流と、の温度差が測定される。触媒を通じて行われる、対流的な空気流内での水素の完全燃焼においては、温度差と濃度との間に単純な一次従属関係が存在する。
【００２７】
【数１】

ここで、ＡＴは測定された温度差であり、Ｃ_Ｈ２は、水素の容積での濃度である。
【００２８】
水素検出器は、再結合器の伝達性カバー外部に配置しても内部に配置してもよく、後者の場合、検出器の熱い対流的な流れが、水素の存在下における再結合器処理の開始を加速させる。水素が存在し、再結合器が動作している場合、検出器の動作間隔が実質的に大きくなり、再結合器の対流的な流れがより強い場合、より大容積の空気が供給される。
【００２９】
切替ブロックは、熱電対信号増幅器と、検出器からの信号を取り扱い、保存し、表示するためにマイクロプロセッサと、を含み、システムの完全な水素検出器の測定値を読むために使われてもよい。
【００３０】
水素検出器の能動素子としては、高度に多孔性のセル状材料（ＨＰＣＭ）が使われる。
【００３１】
（発明を実施するための最良の形態）
上で参照する図面においては、この装置において実施される水素の監視及び除去システムが、いかにして、再結合器Ａとして示されるものに対応する基本部分と、再結合器の検出器Ｄとして示されるものに対応するもう１つの基本部分との、２つの基本部分を含むことが理解できるであろう。
【００３２】
本発明によれば、再結合器Ａは、例えば、ステンレス鋼などの耐腐食性材料によって作られた２重の壁を有する垂直に取付けられた導管を表す。上記再結合器の内部壁は、伝達性カバー（１）である。必要な装置の効率を得る目的で、伝達性カバーの総合的な寸法が計算され、一位置における測定値が、例えば、通過部分が１８０２５０ｍｍ^２であり重さが１５００である。
【００３３】
固体触媒（２）は、到来する流れに垂直に配置されたモジュールであり、伝達性カバーの底部に配置されている。固体触媒は、伝達性カバーの壁への熱の伝達を防止するためにカートリッジ（３）内に挿入される。カートリッジ（３）は、各々が長いワイヤ（４）を有する、２つの対称な構成を備える。カートリッジの横方向の通路の断面は、固体触媒の幾何学的な面積よりも小さい。固体触媒は、カートリッジの上部構成と下部構成との間に挿入され、これらの上部構成及び下部構成は徐々に近づく。固体触媒（２）を含有するカートリッジ（３）は、伝達性カバーの通過部分を完全に行き過ぎ、直接的な気体流が触媒の外に通過することを防止する。
【００３４】
固体触媒（２）上及び上部伝達性カバーの分離体の上には、固く閉じられた金属の仕切り（５）が存在し、これらの仕切り（５）は、気体混合物の流れに平行な形で伝達性カバー（１）の軸に沿って配置される。仕切り（５）は、伝達性カバーの内部容積を、伝達性カバーの断面積に関連付けて２つ又はそれ以上の部分に分割する。例えば、図１に例示する再結合器の場合、伝達性カバーの通過部分は、３つの部分に分割される。
【００３５】
再結合器（１）の伝達性カバーは、再結合器の外部保護カバー（６）上に、１０ｍｍ−２０ｍｍの距離をあけて配置される。内部保護伝達性カバーと外部保護伝達性カバーとの間の空間は、例えば空気などの熱遅延性材料又は物質（７）によって充填される。再結合器の保護カバーの上部分離体及び下部分離体は、ワイヤメッシュ口（８）を有する。
【００３６】
再結合器「Ａ」には、その底部において、触媒固体を有するカートリッジ（２及び３）と、ワイヤメッシュ吹出し口（８）との間に、監視検出器「Ｂ」が配置される。
【００３７】
監視検出器「Ｂ」は、内部と外部との２つの動作バージョンを有し、これらのバージョンは、安全性スクリーンとワイヤメッシュ（外部）との存在において異なる。
【００３８】
監視検出器「Ｂ」は全体として、円盤状の固体触媒（１２）を、２重壁の垂直導管の底部に配置して備える。壁は、例えば、ステンレス鋼などの耐腐食性材料（伝達性カバー）から作られる。伝達性カバーは、検出器のセンサ素子を通じた、分析可能混合物の自然の対流的な流れを監理するよう設計される。例として、図２における検出器の全体的な寸法は、高さが１００ｍｍであり、直径が３０ｍｍである。
【００３９】
検出器の伝達性カバーは、ワイヤメッシュによって閉じられた端面の傍らの側面領域上に入口開口部と出口開口部（２２）とを備える。内部検出器（９）と外部検出器（１０）のカバーの壁の間には、空間が存在し、この空間は、熱遅延性物質又は空気（１１）によって充填される。
【００４０】
円盤状の固体触媒（１２）は、金属のカートリッジカバー（１３）に到来する流れと垂直に、壁から少し離れて設置される。電気加熱素子（１８）が、検出器のカバーの内部壁とカートリッジカバー（１３）との間に配置される。固体触媒の底部及び上端部には、ワイヤメッシュ−スクリーン−熱交換機（１４及び１７）がはめ込まれる。
【００４１】
作業熱電対（１６）の接続部が、到来する気体流の温度を測定し、この接続部は、熱交換機（１４）のスクリーンの下の構成の中央線上に設置される。熱電対（１６）は、固体触媒（１２）の温度又は外に出る気体流の温度を測定する。作業熱電対（１６）の接続部は、固体触媒とスクリーン−熱交換機（１７）との間に、軸上に熱電対（１５）と共に設置される。熱電対１５及び１６の低温結合接続部は、サーモスタット（１９）の密閉ゾーンに引き出される。熱電対からの出力及びヒータからの両方の出力は、密閉電力点を介して供給される。検出器の構成においては、熱電対（２０）が使用され、サーモスタットの密閉ゾーンの温度を測定する。熱電対（２０）は、ケーブルを収容する導電体の構成内に含まれる。再結合器触媒を有効に検査するため、及び体積で２％よりも大きい、高い値で水素の濃度を測定するために、熱電対（２１）を、検出器の構成内に含むこともできる。動作中の熱電対（２１）の接続部は、固体触媒（２）内に設置され、低温結合接続部は、ゾーン（１９）内に設置される。
【００４２】
図３は、本発明の構成要素を統合した構成を示すフロー図である。再結合器「Ａ」が図示する位置において設置され、この再結合器「Ａ」は、内部バージョンの監視検出器「Ｂ_Ａ」を備える。本発明による装置では、水素漏れが予想されるゾーンに配置された相当数の外部監視検出器「Ｂ_２−Ｂ_ｎ」の使用が可能である。検出器ヒータの電源は、測定チャネルと接続していないライン上に伝えられる。熱電対１５、熱電対１６、熱電対２０、及び熱電対２１（内部バージョンの「Ｂ_Ａ」）からの信号は、信号受信及び監視ブロックに運ばれ、この信号受信及び監視ブロックは、例えば、ＡＤＣ及びパーソナルコンピュータ又はビジネス構内ネットワークに基づくシステムであってもよい。「再結合器監視」カプリングは、熱電対２１を適切に使用することにより、追加のエネルギ源無しに、再結合器（２）の触媒の加熱のみによって、非常事態（水素濃度が体積で２％より大きい）において水素含有量を監視することを可能にする。「再結合器監視」カプリングはまた、再結合装置の有効な受動修正素子である。すなわち、検出器「０Ｂ_Ａ、Ｂ_１−Ｂ_ｎ」において、水素濃度の測定値が体積で１％を超えた場合には、熱電対２１が、再結合器の固体触媒（２）の温度の上昇を直すべきである。
【図面の簡単な説明】
説明を完全にし、本発明の実施の形態の好適な例によって本発明の特徴をよりよく理解することを助けるために、この説明の一部として、以下のようにいくつかの図面が添付される。これらの図面は、例示目的であり限定するものではない。
【図１】本発明の装置を示す垂直平面での断面図である。
【図２】断面で示され、本発明のシステムによって実施される監視検出器がどのように構成されるかを示す詳細図である。
【図３】検出器とデータ監視との接続を示す基本フロー図である。

Claims (19)

1. 空気中の水素の蓄積を監視し、前記蓄積が、水素の最低燃焼限界を超えることを防止し、空気中の前記水素及び可燃性気体を除去するための、水素の監視及び除去システムであって、
   受動的な触媒水素再結合器と、
   熱触媒水素検出器と、
   の、２つの基本的な部品を含み、
   前記再結合器が、実際の熱触媒検出器（１２）に含有される固体触媒によって、完全にその通過部分が覆われた伝達性カバー（１）を形成する垂直導管を備え、
   前記固体触媒が、高度に多孔性のセル状材料から成ることを特徴とする、水素監視及び除去システム。
2. 請求項１に記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、２ｍｍ以上のメッシュサイズと、１以下の物品（アーティクル：ａｒｔｉｃｌｅ）通過サイズと、３メッシュサイズ以上の部分幅と、に対応する特徴パラメータを有することを特徴とする水素監視及び除去システム。
3. 請求項１又は２に記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、スポンジ状の金属内に含有されていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、触媒成分及び活性化成分の層から成り、この層によって覆われていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記再結合器の伝達性カバーが、内部壁と外部壁との２つの垂直な壁から成り、前記２つの壁の間が、熱遅延性物質によって充填されていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、前記伝達性カバーに対して釣り下げられた断熱性サポート内に配置されていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記再結合器の前記伝達性カバー内の空間に、２つ又はそれ以上の部分に配置された一連の垂直の隔壁が設けられていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
8. 請求項１に記載の水素監視及び除去システムであって、前記可燃性気体の監視及び除去のための触媒検出器が、前記伝達性カバーの通過部分を覆うモジュール形式の、加熱された固体触媒を含むことを特徴とする水素監視及び除去システム。
9. 請求項８に記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、高度に多孔性のセル状材料からなることを特徴とする水素監視及び除去システム。
10. 請求項８又は９に記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、金属ハニカムから成ることを特徴とする水素監視及び除去システム。
11. 請求項８又は１０に記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、触媒成分と活性化成分との層によって合金にされ覆われていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
12. 請求項８から１１のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、２ｍｍ以上のメッシュサイズと、１以下の通過物品サイズと、３メッシュサイズ以上のモジュール幅と、の特徴パラメータを含むことを特徴とする水素監視及び除去システム。
13. 請求項８から１２のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記伝達性カバーの内部に配置され、到来する気体流及び触媒薄膜の予備加熱を目的とする電気加熱素子が含まれていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
14. 請求項８から１３のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記伝達性カバーの前記垂直内部壁と垂直外部壁との間に形成される中間空間が、熱遅延性物質によって充填されていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
15. 請求項８から１４のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、前記カバーに対して釣り下げられた断熱性サポート内に配置されていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
16. 請求項８から１５のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記固体触媒が、前記伝達性カバーに対して釣り下げられた断熱性サポート内に配置されていることを特徴とする水素監視及び除去システム。
17. 請求項８から１６のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、監視部の主要信号として、到来する加熱された空気流及び触媒固体の温度に基づく、電圧熱電対が使われることを特徴とする水素監視及び除去システム。
18. 請求項８から１７のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、監視検出器の主要信号として、到来する加熱された空気流及び出て行く気体流の温度に基づく、電圧熱電対が使われることを特徴とする水素監視及び除去システム。
19. 請求項８から１８のいずれか１つに記載の水素監視及び除去システムであって、前記監視検出器において、低温結合熱電対サーモスタット接続部が使用されることを特徴とする水素監視及び除去システム。