JP2015014499A - 水素−酸素結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素および酸素を結合させるとともに、水素が発火する場合にも早急に消炎させることができる水素−酸素結合装置を提供すること。
【解決手段】水素−酸素結合装置１に、水素および酸素を含むガスが通過するパス部材２と、パス部材２内に配置され、ガスに接触されることにより水素および酸素を結合させる触媒６を備える触媒部材３と、パス部材２内に配置され、触媒部材３に対して、ガスの流れ方向上流側および下流側に設けられる２つの消炎部材４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素−酸素結合装置、詳しくは、水の分解により生じる水素および酸素を再結合させるための水素−酸素結合装置に関する。

原子力プラントとして、一般に、沸騰水型原子力プラントが用いられている。この沸騰水型原子力プラントでは、核燃料物質を含む燃料を、原子炉圧力容器内の炉心に装荷し、その核燃料物質の核分裂により生じる熱によって、冷却水を加熱して、蒸気を発生させている。このように発生した蒸気は、タービンに供給され、発電に供される。

一方、冷却水は、核分裂により生じる中性子やガンマ線などの放射線によって、水素（ガス）と酸素（ガス）とに分解される場合がある。

また、例えば、上記した通常運転の他、設備の故障等によっても水素および酸素が生じる場合があり、具体的には、例えば、炉心融解を伴う事故が生じると、多量の水が分解されることにより、多量の水素および酸素が生じる場合がある。

さらに、原子力プラントにおいて生じる放射性廃棄物（汚染水を含む。）は、通常、容器に密閉され、地中に埋設されるが、その容器内において、放射性廃棄物によって水が分解され、水素および酸素が生じる場合がある。

このような水素および酸素の混合ガスは可燃性であるため、安全性の観点から、水素および酸素を再結合させ、水に戻すことが要求されており、例えば、水素および酸素を再結合させる再結合触媒を用いることが提案されている。

具体的には、例えば、再結合装置内に、水素および酸素を再結合させる触媒を配置するとともに、原子炉において生じる水素および酸素を含むガスをその再結合装置に導入し、再結合装置内において、触媒と接触させ、水素および酸素を再結合させて、水を得ることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、例えば、粉末状触媒を放射性廃棄物とともに容器に封入し、放射性廃棄物が水を分解することにより生じる水素と酸素とを、触媒により再結合させて、水を生じさせることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１１−２３００６４号公報 特開２００８−２９８６４０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されるように、水素および酸素を結合させ、水を生じさせる場合には、反応熱が生じるため、触媒周辺の温度が上昇して、水素が発火する場合がある。このような場合には、早急に消炎させることが要求されている。

そこで、本発明の目的は、水素および酸素を結合させるとともに、水素が発火する場合にも早急に消炎させることができる水素−酸素結合装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の水素−酸素結合装置は、水素および酸素を含むガスが通過するパス部材と、前記パス部材内に配置され、前記ガスに接触されることにより水素および酸素を結合させる触媒を備える触媒部材と、前記パス部材内に配置され、前記触媒部材に対して、前記ガスの流れ方向上流側および下流側に設けられる少なくとも２つの消炎部材とを備えることを特徴としている。

また、本発明の水素−酸素結合装置では、前記消炎部材が、前記ガスを通過可能に開口する複数の開口セルを備える多孔部材であって、前記開口セルには、前記ガスの流れ方向に対して直交する方向における開口断面積が０．２ｍｍ^２以下である消炎領域が区画されていることが好適である。

本発明の水素−酸素結合装置では、水素および酸素を含むガスがパス部材に通過され、そのパス部材内に配置される触媒部材において、触媒に接触され、水素および酸素が結合される。また、そのパス部材内においては、触媒部材に対して、ガスの流れ方向上流側および下流側に、消炎部材が備えられている。

そのため、水素および酸素の結合時において温度上昇し、水素が発火する場合にも、消炎部材により早急に消炎させることができる。

図１は、本発明の水素−酸素再結合装置の一実施形態を示す概略構成図である。

図１において、水素−酸素結合装置１は、水素および酸素を含むガスが通過するパス部材２と、パス部材２内に配置される触媒部材３および複数（例えば、２つ）の消炎部材４とを備えている。

パス部材２は、例えば、長手方向に延びる円筒部材であって、内部に水素および酸素を含むガス（以下、単にガスと称する。）を通過させ、そのガスを触媒部材３に向けて案内（ガイド）するために設けられている。パス部材２のサイズ（内径、長手方向長さなど）は、目的および用途に応じて、適宜設定される。

なお、詳しくは後述するが、パス部材２の内部には、図１において矢印で示すように、紙面下方から紙面上方に向かって、水素および酸素を含有するガスが供給される。

触媒部材３は、例えば、最外形状が円筒形状となるように形成されるとともに、図示しない固定部材によって、パス部材２と中心軸線を共有するように配置され、パス部材２内の任意の箇所に固定されている。触媒部材３は、ガスの流れ方向に貫通する多数の開口セルが形成される多孔部材からなる触媒担体５と、触媒担体５の開口セルの表面にコート層として形成される触媒６とを備えている。

触媒担体５は、例えば、コージェライトなどからなるハニカム状のモノリス担体から形成されている。触媒担体５のサイズは、パス部材２と同様、目的および用途に応じて、適宜設定される。例えば、触媒担体５の最外形状が円筒状である場合、その外径は、パス部材２の内径と略同径に形成される。なお、図示しないが、触媒担体５としては、上記のモノリス担体に限定されず、例えば、金属基材など、公知の触媒担体を用いることができる。

触媒６は、水素ガスと酸素ガスとを結合させ、水を生成させるための水素−酸素結合触媒であって、触媒担体５に担持されることにより、パス部材２内においてガスと接触可能に配置されている。

触媒６としては、例えば、貴金属を含有するペロブスカイト型複合酸化物と、アルミナおよび／またはセリア系複合酸化物とを含む水素−酸素結合触媒が挙げられる。

ペロブスカイト型複合酸化物は、例えば、下記一般式（１）で表される。

Ａ_ｘＢ_ｙＯ_３±δ （１）
（式中、Ａは、希土類元素およびアルカリ土類金属から選択される少なくとも１種の元素を示し、Ｂは、貴金属を除く遷移元素およびＡｌから選択される少なくとも１種の元素を示す。ｘは、０．８≦ｘ≦１．３の数値範囲の原子割合を示し、ｙは、１．０の原子割合を示し、δは、酸素過剰分または酸素不足分を示す。）
一般式（１）におけるペロブスカイト型複合酸化物は、ＡがＡサイトに配位され、ＢがＢサイトに配位される。

一般式（１）において、Ａで示される希土類元素としては、例えば、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｍ（プロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌｕ（ルテチウム）などが挙げられる。

また、Ａで示されるアルカリ土類金属としては、例えば、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｒａ（ラジウム）などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。

これらは、単独で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。

また、一般式（１）のＡサイトにおいて、ｘは、０．８≦ｘ≦１．３、好ましくは、０．９５≦ｘ≦１．３、より好ましくは、１．００≦ｘ≦１．３０の数値範囲のＡの原子割合を示す。

一般式（１）において、Ｂで示される貴金属を除く遷移元素としては、例えば、周期律表（ＩＵＰＡＣ、１９９０年）において、原子番号２１（Ｓｃ）〜原子番号３０（Ｚｎ）、原子番号３９（Ｙ）〜原子番号４８（Ｃｄ）、原子番号５７（Ｌａ）〜原子番号８０（Ｈｇ）、および、原子番号８９（Ａｃ）以上の各元素（ただし、貴金属（原子番号４４〜４７および７６〜７８）を除く）が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。

また、一般式（１）において、ｙで示されるＢの原子割合は、１．０である。

一般式（１）において、δは、酸素過剰分または酸素不足分を示し、０または正の数で表される。より具体的には、ペロブスカイト型複合酸化物の理論構成比、Ａ：Ｂ：Ｏ＝１：１：３に対して、Ａサイトに配位される元素を、過不足にしたことにより生じる、酸素原子の過剰原子割合または不足原子割合を示している。

このようなペロブスカイト型複合酸化物は、特に制限されることなく、例えば、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔００３９〕〜〔００５９〕の記載に準拠して、複合酸化物を調製するための適宜の方法、例えば、共沈法、クエン酸錯体法、アルコキシド法などの製造方法によって、製造することができる。

そして、触媒６において、ペロブスカイト型複合酸化物は、貴金属を含有している。そのようなペロブスカイト型複合酸化物として、具体的には、例えば、貴金属を担持するペロブスカイト型複合酸化物、貴金属を組成として含有するペロブスカイト型複合酸化物が挙げられる。

貴金属が担持されたペロブスカイト型複合酸化物は下記一般式（２）で示される。

Ｎ／Ａ_ｘＢ_ｙＯ_３±δ （２）
（式中、Ｎは、貴金属から選択される少なくとも１種の元素を示し、Ａは、希土類元素およびアルカリ土類金属から選択される少なくとも１種の元素を示し、Ｂは、貴金属を除く遷移元素およびＡｌから選択される少なくとも１種の元素を示す。ｘは、０．８≦ｘ≦１．３の数値範囲の原子割合を示し、ｙは、１．０の原子割合を示し、δは、酸素過剰分または酸素不足分を示す。）
一般式（２）において、Ｎで示される貴金属としては、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）などが挙げられる。好ましくは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。

また、一般式（２）において、Ａで示される希土類元素およびアルカリ土類金属、Ｂで示される貴金属を除く遷移元素およびＡｌは、上記と同様のものが挙げられる。

また、一般式（２）において、ｘ、ｙおよびδは、上記ｘ、ｙおよびδと同意義を示す。

このような貴金属が担持されたペロブスカイト型複合酸化物は、例えば、上記の方法により製造された一般式（１）で示されるペロブスカイト型複合酸化物に、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔００６３〕の記載に準拠して、貴金属を担持することによって、製造することができる。

このようにして得られるペロブスカイト型複合酸化物の貴金属の担持量は、例えば、ペロブスカイト型複合酸化物１００質量部に対して、通常、２０質量部以下であり、好ましくは、０．２〜５質量部である。

一方、貴金属を組成として含有するペロブスカイト型複合酸化物は、下記一般式（３）で示される。

Ａ_ｘＢ_１−ｚＮ_ｚＯ_３±δ （３）
（式中、Ａは、希土類元素およびアルカリ土類金属から選択される少なくとも１種の元素を示し、Ｂは、貴金属を除く遷移元素およびＡｌから選択される少なくとも１種の元素を示し、Ｎは、貴金属から選択される少なくとも１種の元素を示す。ｘは、ｘは、０．８≦ｘ≦１．３の数値範囲の原子割合を示し、ｚは、０＜ｚ≦０．５の原子割合を示し、δは、酸素過剰分または酸素不足分を示す。）
一般式（３）におけるペロブスカイト型複合酸化物は、ＡがＡサイトに配位され、ＢおよびＮがＢサイトに配位される。

また、一般式（３）において、Ａで示される希土類元素およびアルカリ土類金属、Ｂで示される貴金属を除く遷移元素およびＡｌ、Ｎで示される貴金属は、上記と同様のものが挙げられる。

また、一般式（２）において、ｘおよびδは、上記ｘおよびδと同意義を示す。

また、一般式（３）において、ｚで示されるＮの原子割合は、例えば、０＜ｚ≦０．５の範囲であり、好ましくは、０＜ｚ≦０．２の範囲である。ｚが０．５を越えると、Ｎで示される貴金属が固溶しにくくなる場合があり、また、コストの上昇が不可避となる。

一般式（３）において、１−ｚで示されるＢの原子割合は、例えば、０．５≦１−ｚ＜１の範囲であり、好ましくは、０．８≦１−ｚ＜１の範囲である。

このような貴金属が組成として含有されたペロブスカイト型複合酸化物は、例えば、上記したように、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔００３９〕〜〔００５９〕の記載に準拠して、製造することができる。

このようにして得られるペロブスカイト型複合酸化物の貴金属の含有量は、例えば、ペロブスカイト型複合酸化物１００質量部に対して、通常、２０質量部以下であり、好ましくは、０．２〜５質量部である。

なお、この貴金属が組成として含有されたペロブスカイト型複合酸化物に、さらに、上記のように貴金属を担持させることもできる。

上記したペロブスカイト型複合酸化物のなかでは、貴金属を組成として含有しているペロブスカイト型複合酸化物が好ましく用いられる。

アルミナとしては、例えば、αアルミナ、θアルミナ、γアルミナなどが挙げられ、好ましくは、θアルミナが挙げられる。

αアルミナは、結晶相としてα相を有し、例えば、ＡＫＰ−５３（商品名、高純度アルミナ、住友化学社製）などが挙げられる。このようなαアルミナは、例えば、アルコキシド法、ゾルゲル法、共沈法などの方法によって得ることができる。

θアルミナは、結晶相としてθ相を有し、αアルミナに遷移するまでの中間（遷移）アルミナの一種であって、例えば、ＳＰＨＥＲＡＬＩＴＥ ５３１Ｐ（商品名、γアルミナ、プロキャタリゼ社製）などが挙げられる。このようなθアルミナは、例えば、市販の活性アルミナ（γアルミナ）を、大気中にて、９００〜１１００℃で、１〜１０時間熱処理することによって得ることができる。

γアルミナは、結晶相としてγ相を有し、特に限定されず、公知のものが挙げられる。

また、これらのアルミナにＬａおよび／またはＢａが含まれるアルミナを用いることもできる。Ｌａおよび／またはＢａを含むアルミナは、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔００７３〕の記載に準拠して、製造することができる。

また、これらのアルミナには、貴金属を担持することができる。貴金属が担持されたアルミナは、例えば、上記したアルミナに、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔０１２２〕、〔０１２６〕の記載に準拠して、貴金属を担持することによって、製造することができる。

このようにして得られたアルミナの貴金属の担持量（複数の貴金属が担持されている場合は、その合計量）は、例えば、アルミナ１００質量部に対して、通常、０．０１〜５質量部であり、好ましくは、０．０２〜２質量部である。

セリア系複合酸化物は、例えば、下記一般式（４）で表される。

Ｃｅ_{１−（ａ＋ｂ）}Ｚｒ_ａＬ_ｂＯ_２−ｃ （４）
（式中、Ｌは、アルカリ土類金属および／または希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）を示し、ａは、Ｚｒの原子割合を示し、ｂは、Ｌの原子割合を示し、１−（ａ＋ｂ）は、Ｃｅの原子割合を示し、ｃは、酸素欠陥量を示す。）
一般式（４）において、Ｌで示されるアルカリ土類金属および／または希土類元素としては、上記したアルカリ土類金属および希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）と同様のものが挙げられる。アルカリ土類金属として、好ましくは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが挙げられ、また、希土類元素として、好ましくは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄが挙げられる。これらアルカリ土類金属および希土類元素は、単独で用いてもよく、また、２種以上併用してもよい。

また、ａで示されるＺｒの原子割合は、０．２〜０．７の範囲であり、好ましくは、０．２〜０．５の範囲である。

また、ｂで示されるＬの原子割合は０〜０．２の範囲である（すなわち、Ｌは必須成分ではなく任意的に含まれる任意成分であり、含まれる場合には、０．２以下の原子割合である）。０．２を超えると、相分離や他の複合酸化物相を生成する場合がある。

また、１−（ａ＋ｂ）で示されるＣｅの原子割合は、０．３〜０．８の範囲であり、好ましくは、０．３〜０．６の範囲である。

さらに、ｃは酸素欠陥量を示し、これは、Ｃｅ、ＺｒおよびＬの酸化物が通常形成するホタル石型の結晶格子において、その結晶格子にできる空孔の割合を意味する。

このようなセリア系複合酸化物は、特に制限されることなく、例えば、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔００９０〕〜〔０１０２〕および〔０１０９〕の記載に準拠して、複合酸化物を調製するための適宜の方法、例えば、共沈法、クエン酸錯体法、アルコキシド法などの製造方法によって、製造することができる。

このようなセリア系複合酸化物は、上記した貴金属を担持するか、または、組成として含有することができる。

貴金属が担持されたセリア系複合酸化物は、下記一般式（５）で示される。

Ｎ／Ｃｅ_{１−（ａ＋ｂ）}Ｚｒ_ａＬ_ｂＯ_２−ｃ （５）
（式中、Ｌは、アルカリ土類金属および／または希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）を示し、Ｎは、貴金属を示し、ａは、Ｚｒの原子割合を示し、ｂは、Ｌの原子割合を示し、１−（ａ＋ｂ）は、Ｃｅの原子割合を示し、ｂは、酸素欠陥量を示す。）
また、上記式（５）において、Ｎで示される貴金属としては、上記した貴金属が挙げられる。これら貴金属は、単独使用または２種類以上併用することができる。

このような、貴金属が担持されたセリア系複合酸化物は、例えば、上記の方法により製造された一般式（４）で示されるセリア系複合酸化物に、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔０１２２〕、〔０１２５〕の記載に準拠して、貴金属を担持することによって、製造することができる。

このようにして得られるセリア系複合酸化物の貴金属の担持量は、例えば、セリア系複合酸化物１００質量部に対して、通常、０．０１〜５質量部であり、好ましくは、０．０２〜２質量部である。

一方、貴金属が組成として含有されたセリア系複合酸化物は、下記一般式（６）で示される。

Ｃｅ_{１−（ｄ＋ｅ＋ｆ）}Ｚｒ_ｄＬ_ｅＮ_ｆＯ_２−ｇ （６）
（式中、Ｌは、アルカリ土類金属および／または希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）を示し、Ｎは、貴金属を示し、ｄは、Ｚｒの原子割合を示し、ｅは、Ｌの原子割合を示し、ｆは、Ｎの原子割合を示し、１−（ｄ＋ｅ＋ｆ）は、Ｃｅの原子割合を示し、ｇは、酸素欠陥量を示す。）
ｄで示されるＺｒの原子割合は、０．２〜０．７の範囲であり、好ましくは、０．２〜０．５の範囲である。

また、ｅで示されるＬの原子割合は０〜０．２の範囲である（すなわち、Ｌは必須成分ではなく任意的に含まれる任意成分であり、含まれる場合には、０．２以下の原子割合である）。０．２を超えると、相分離や他の複合酸化物相を生成する場合がある。

また、ｆで示されるＮの原子割合は、０．００１〜０．３の範囲であり、好ましくは、０．００１〜０．２の範囲である。

また、１−（ｄ＋ｅ＋ｆ）で示されるＣｅの原子割合は、０．３〜０．８の範囲であり、好ましくは、０．４〜０．６の範囲である。

さらに、ｇは酸素欠陥量を示し、これは、Ｃｅ、Ｚｒ、ＬおよびＮの酸化物が通常形成するホタル石型の結晶格子において、その結晶格子にできる空孔の割合を意味する。

このような貴金属が組成として含有されたセリア系複合酸化物は、例えば、例えば、上記したように、特開２００４−２４３３０５号の段落番号〔００９０〕〜〔０１０２〕および〔０１０９〕の記載に準拠して、製造することができる。

なお、この貴金属が組成として含有されたセリア系複合酸化物に、さらに、上記のように貴金属を担持させることもできる。

このようにして得られるセリア系複合酸化物の貴金属の含有量（担持された貴金属と、組成として含有された貴金属との合計量）は、例えば、セリア系複合酸化物１００質量部に対して、通常、０．０１〜５質量部であり、好ましくは、０．０２〜２質量部である。

触媒６において、貴金属を含有するペロブスカイト型複合酸化物と、アルミナおよび／またはセリア系複合酸化物との配合割合は、貴金属を含有するペロブスカイト型複合酸化物１００質量部に対して、アルミナおよび／またはセリア系複合酸化物（併用される場合には、それらの総量）が、例えば、５０質量部以上、好ましくは、１００質量部以上であり、例えば、６０００質量部以下、好ましくは、３０００質量部以下である。

また、アルミナおよびセリア系複合酸化物が併用される場合には、それらの配合割合は、アルミナ１００質量部に対して、セリア系複合酸化物が、例えば、１０質量部以上、好ましくは、２０質量部以上であり、例えば、５００質量部以下、好ましくは、２００質量部以下である。

より具体的には、貴金属を含有するペロブスカイト型複合酸化物１００質量部に対して、アルミナが、例えば、５０質量部以上、好ましくは、１００質量部以上であり、例えば、６０００質量部以下、好ましくは、３０００質量部以下であり、セリア系複合酸化物が、例えば、１０質量部以上、好ましくは、２０質量部以上であり、例えば、５０００質量部以下、好ましくは、２０００質量部以下である。

また、触媒６は、さらに、その他の耐熱性酸化物、具体的には、例えば、貴金属を含有しないペロブスカイト型複合酸化物や、ジルコニア系複合酸化物などを含有することができる。

貴金属を含有しないペロブスカイト型複合酸化物としては、例えば、上記一般式（１）で示されるペロブスカイト型複合酸化物などが挙げられる。

ジルコニア系複合酸化物は、下記一般式（７）で示される。

Ｚｒ_{１−（ｈ＋ｉ）}Ｃｅ_ｈＲ_ｉＯ_２−ｊ （７）
（式中、Ｒは、アルカリ土類金属および／または希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）を示し、ｈは、Ｃｅの原子割合を示し、ｉは、Ｒの原子割合を示し、１−（ｈ＋ｉ）は、Ｚｒの原子割合を示し、ｊは、酸素欠陥量を示す。）
一般式（７）において、Ｒで示されるアルカリ土類金属および／または希土類元素としては、上記したアルカリ土類金属および希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）と同様のものが挙げられる。これら希土類元素およびアルカリ土類金属は、単独使用または２種以上併用することができる。

また、ｈで示されるＣｅの原子割合は、０．１〜０．６５の範囲であり、好ましくは、０．１〜０．５の範囲である。

また、ｉで示されるＲの原子割合は０〜０．５５の範囲である（すなわち、Ｒは必須成分ではなく任意的に含まれる任意成分であり、含まれる場合には、０．５５以下の原子割合である）。０．５５を超えると、相分離や他の複合酸化物相を生成する場合がある。

また、１−（ｈ＋ｉ）で示されるＺｒの原子割合は、０．３５〜０．９の範囲であり、好ましくは、０．５〜０．９の範囲である。

さらに、ｊは酸素欠陥量を示し、これは、Ｚｒ、ＣｅおよびＲの酸化物が通常形成するホタル石型の結晶格子において、その結晶格子にできる空孔の割合を意味する。

このようなジルコニア系複合酸化物は、特に制限されることなく、上記したセリア系複合酸化物の製造方法と同様の製造方法によって、製造することができる。

このようなジルコニア系複合酸化物は、貴金属を担持するか、または、組成として含有することができる。

貴金属が担持されたジルコニア系複合酸化物は、下記一般式（８）で示される。

Ｎ／Ｚｒ_{１−（ｈ＋ｉ）}Ｃｅ_ｈＲ_ｉＯ_２−ｊ （８）
（式中、Ｒは、アルカリ土類金属および／または希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）を示し、Ｎは、貴金属を示し、ｈは、Ｃｅの原子割合を示し、ｉは、Ｒの原子割合を示し、１−（ｈ＋ｉ）は、Ｚｒの原子割合を示し、ｊは、酸素欠陥量を示す。）
このような、貴金属が担持されたジルコニア系複合酸化物は、例えば、上記の方法により製造された一般式（７）で示されるジルコニア系複合酸化物に、上記したセリア系複合酸化物の担持方法と同様の方法によって貴金属を担持することによって、製造することができる。

このようにして得られるジルコニア系複合酸化物の貴金属の担持量は、例えば、ジルコニア系複合酸化物１００質量部に対して、通常、０．０１〜５質量部であり、好ましくは、０．０２〜２質量部である。

一方、貴金属が組成として含有されたジルコニア系複合酸化物は、下記一般式（９）で示される。

Ｚｒ_{１−（ｋ＋ｌ＋ｍ）}Ｃｅ_ｋＲ_ｌＮ_ｍＯ_２−ｎ （９）
（式中、Ｒは、アルカリ土類金属および／または希土類元素（ただし、Ｃｅを除く。）を示し、Ｎは、貴金属を示し、ｋは、Ｃｅの原子割合を示し、ｌは、Ｒの原子割合を示し、ｍは、Ｎの原子割合を示し、１−（ｋ＋ｌ＋ｍ）は、Ｚｒの原子割合を示し、ｃは、酸素欠陥量を示す。）
ｋで示されるＣｅの原子割合は、０．１〜０．６５の範囲であり、好ましくは、０．１〜０．５の範囲である。

また、ｌで示されるＲの原子割合は０〜０．５５の範囲である（すなわち、Ｒは必須成分ではなく任意的に含まれる任意成分であり、含まれる場合には、０．５５以下の原子割合である）。０．５５を超えると、相分離や他の複合酸化物相を生成する場合がある。
また、ｍで示されるＮの原子割合は、０．００１〜０．３の範囲であり、好ましくは、０．００１〜０．２の範囲である。

また、１−（ｋ＋ｌ＋ｍ）で示されるＺｒの原子割合は、０．３５〜０．９の範囲であり、好ましくは、０．５〜０．９の範囲である。

さらに、ｎは酸素欠陥量を示し、これは、Ｚｒ、ＣｅおよびＲの酸化物が通常形成するホタル石型の結晶格子において、その結晶格子にできる空孔の割合を意味する。

このような貴金属が組成として含有されたジルコニア系複合酸化物は、例えば、上記した貴金属が組成として含有されたセリア系複合酸化物の製造方法と同様の製造方法によって、製造することができる。

なお、この貴金属が組成として含有されたジルコニア系複合酸化物に、さらに、上記のように貴金属を担持させることもできる。

このようにして得られるジルコニア系複合酸化物の貴金属の含有量（担持された貴金属と、組成として含有された貴金属との合計量）は、例えば、ジルコニア系複合酸化物１００質量部に対して、通常、０．０１〜５質量部であり、好ましくは、０．０２〜２質量部である。

また、本発明において、一般式（４）〜（６）で示されるセリア系複合酸化物のＣｅの原子割合が、一般式（７）〜（９）で示されるジルコニア系複合酸化物のＣｅの原子割合と重複する場合は、本発明においては、その重複するジルコニア系複合酸化物は、セリア系複合酸化物に属するものとする。

また、触媒６は、さらに、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｌａの硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩および／または酢酸塩を含有することができる。これら塩のなかでは、ＢａＳＯ_４が好ましく用いられる。

なお、これら貴金属を含有しないペロブスカイト型複合酸化物、ジルコニア系複合酸化物、上記の硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などの含有割合は、特に制限されず、必要および用途により、適宜設定される。

このような触媒６は、貴金属を含有するペロブスカイト型複合酸化物と、アルミナおよび／またはセリア系複合酸化物とを含むため、比較的低温状態から水素および酸素を結合反応させることができる。

具体的には、上記の触媒６の反応開始温度（Ｈ_２の転化率が１０％に達するときのサンプル片の温度）は、例えば、８０℃以上、好ましくは、９０℃以上であり、例えば、１４０℃以下、好ましくは、１３５℃以下である。

また、上記の触媒６は、好ましくは、還元処理される。

還元処理としては、例えば、上記の触媒６を還元焼成すればよく、具体的には、還元雰囲気（例えば、Ｈ_２−Ｎ_２混合ガス（Ｈ_２濃度１〜１０％）など）において、例えば、例えば、６００℃以上、好ましくは、８００℃以上、例えば、１０００℃以下、好ましくは、９００℃以下において、例えば、０．１時間以上、好ましくは、０．５時間以上、例えば、１０時間以下、好ましくは、５時間以下焼成する。

これにより、触媒６を還元処理することができ、反応性の向上を図ることができる。

具体的には、還元処理後の触媒６の反応開始温度（Ｈ_２の転化率が１０％に達するときのサンプル片の温度）は、例えば、１５℃以上、好ましくは、２０℃以上であり、例えば、９０℃以下、好ましくは、８５℃以下である。

すなわち、このような還元処理された触媒６によれば、より低温状態から水素および酸素を結合反応させることができ、例えば、外部から加熱せずとも、水素と酸素とを結合させ、水を生成することができる。

なお、触媒６としては、上記の触媒６に限定されず、例えば、特開２０１１−２３００６４号公報、特開２００８−２９８６４０号公報などに記載されるような、公知の水素−酸素結合触媒を用いることもできる。

そして、触媒６を触媒担体５の開口セルの表面にコート層として形成するには、例えば、まず、上記した各成分を混合し、水を加えてスラリーとした後、触媒担体５の開口セルの表面にコーティングし、５０〜２００℃で１〜４８時間乾燥し、さらに、３５０〜１０００℃で１〜１２時間焼成させる。また、上記した各成分に、水を加えてスラリーとした後、これらスラリーを混合して、触媒担体上にコーティングし、５０〜２００℃で１〜４８時間乾燥し、さらに、３５０〜１０００℃で１〜１２時間焼成することもできる。

これにより、触媒担体５の開口セルの表面に触媒６を担持させ、触媒部材３を得ることができる。

なお、図示しないが、触媒部材３としては、例えば、触媒担体５を用いることなく、触媒６の粉末をそのまま用いてもよく、例えば、公知の方法により、触媒６を任意の所定形状に成形して用いてもよい。このような場合、触媒部材３は、図示しないが、公知の固定部材によって、パス部材２内に配置および固定される。

消炎部材４は、パス部材２内に２つ設けられており、触媒部材３に対して、ガスの流れ方向（図１矢印参照）上流側および下流側に配置されている。より具体的には、２つの消炎部材４は、触媒部材３を挟むように１対として設けられ、触媒部材３から所定間隔を隔てて、ガスの流れ方向に沿って互いに対向配置されている。

このような消炎部材４は、例えば、ガスの流れ方向に貫通する多数の開口セル８が形成される多孔部材から形成されている。

なお、開口セル８は、ガスを通過可能に開口されていれば、その形状は特に制限されず、例えば、円形状、多角形状など、目的および用途に応じて、適宜設計される。

また、開口セル８の開口サイズ（開口断面積）は、ガスの通過方向において、均一であってもよく、また、少なくとも一部が異なる開口サイズ（開口断面積）であってもよい。

そして、消炎部材４の開口セル８には、消炎領域が区画されている。

消炎領域は、触媒部材３の周辺において水素が発火する場合に、消炎機能を発現するための領域であって、開口セル８中の所定の開口断面積（ガスの流れ方向に対して直交する方向における断面積）の部分として区画されている。

具体的には、例えば、開口セル８の開口サイズ（開口断面積）が、その全長（ガス流れ方向に沿う方向における全長）において、均一である場合、開口セル８のすべての部分が消炎領域とされる。また、開口セル８の開口サイズ（開口断面積）が均一でない場合、開口セル８内における所定の開口断面積の部分が、消炎領域とされる。

具体的には、消炎領域の開口断面積（ガスの流れ方向に対して直交する方向における断面積）は、例えば、０．２ｍｍ^２以下、好ましくは、０．１５ｍｍ^２以下であり、通常、０．１ｍｍ^２以上である。

消炎領域の開口断面積が上記範囲であれば、良好にガスを通過させるとともに、触媒部材３において、触媒６の反応熱により水素が発火する場合にも、早急に消炎することができる。

なお、消炎領域の形状は、特に制限されず、例えば、円形状、多角形状など、目的および用途に応じて、適宜設計される。

このような多孔部材としては、特に制限されないが、例えば、上記した触媒担体５と同様のコージェライトなどからなるハニカム状のモノリス担体や、金属メッシュ部材などが挙げられ、好ましくは、触媒担体５と同様のモノリス担体が挙げられる。

多孔部材として触媒担体５と同様のモノリス担体を用いれば、部材の種類数を低減できるため、低コスト化を図ることができる。

消炎部材４のサイズは、パス部材２と同様、目的および用途に応じて、適宜設定される。例えば、消炎部材４の最外形状が円筒状である場合、その外径は、パス部材２の内径と略同径に形成され、パス部材２と中心軸線を共有するように配置される。

また、多孔部材（消炎部材４）のそれぞれのガス流れ方向長さは、好ましくは、触媒部材３のガス流れ方向長さよりも短く、例えば、触媒部材３のガス流れ長さに対して、例えば、１％以上、好ましくは、３％以上、通常、５０％以下である。

なお、図示しないが、消炎部材４としては、上記に限定されず、公知の消炎部材を用いることができる。

このような水素−酸素結合装置１は、水素と酸素との結合効率の観点から、パス部材２の長手方向が鉛直方向に沿うように配置されるとともに、その鉛直方向下方から、水素および酸素を含有するガスが供給される。

すなわち、この水素−酸素結合装置１では、水素と酸素とを結合させるときに、上記した触媒部材３（触媒６）の反応開始温度まで加熱する場合がある。また、水素と酸素との結合反応時には反応熱が生じる。そのため、パス部材２内に上昇流が生じる。

その結果、パス部材２の長手方向が鉛直方向に沿うように配置し、その鉛直方向下方から、水素および酸素を含有するガスを供給することにより、効率よくガスを輸送することができ、水素と酸素との結合効率の向上を図ることができる。

そして、このような水素−酸素結合装置１において、水素および酸素を含むガスが供給されると、そのガスがパス部材２に通過され、パス部材２内に配置される触媒部材３において、触媒６と接触される。これにより、水素および酸素が結合され、水が生じる。

これにより、水素および酸素の混合ガス（可燃性ガス）による爆発事故などを防止することができる。

一方、この水素−酸素結合装置１によって、水素および酸素を結合させ、水を生じさせる場合には、反応熱が生じるため、触媒部材３の周辺の温度が上昇して、水素が発火する場合がある。このような場合には、早急に消炎させることが要求されている。

この点、上記の水素−酸素結合装置１では、パス部材２内には、触媒部材３に対して、ガスの流れ方向上流側および下流側に、消炎部材４が備えられている。すなわち、触媒部材３の周辺において生じる炎は、２つの消炎部材４によって挟まれている。

そのため、上記の水素−酸素結合装置１では、水素および酸素の結合時において温度上昇し、水素が発火する場合にも、消炎部材４により早急に消炎させることができる。

このような水素−酸素結合装置１は、特に制限されないが、水素および酸素を排出する各種工業プラント、好ましくは、原子力プラントにおいて、水素および酸素を結合させるために用いられる。

具体的には、例えば、沸騰水型原子力プラントの通常運転中には、冷却水が、核燃料物質の核分裂により生じる中性子やガンマ線などの放射線によって分解され、水素および酸素が生じる場合がある。また、例えば、上記した通常運転の他、設備の故障等によっても水素および酸素が生じる場合がある。さらに、原子力プラントにおいて生じる放射性廃棄物（汚染水を含む。）は、通常、容器に密閉され、地中に埋設されるが、その容器内において、放射性廃棄物によって水が分解され、水素および酸素が生じる場合がある。

このような水素および酸素の混合ガスは可燃性であるため、安全性の観点から、原子炉内や、放射性廃棄物の容器内に水素−酸素結合装置１を配置して、上記のように生じる水素および酸素を再結合させ、水を生成させる。

このように、水素および酸素を再結合させることにより、それら水素および酸素の混合ガス（可燃性ガス）による爆発事故などを防止することができる。

とりわけ、この水素−酸素結合装置１では、上記したように、水素および酸素の結合時において温度上昇し、水素が発火する場合にも、消炎部材４により早急に消炎させることができる。

また、上記した説明では、触媒部材３に対してガス流れ方向上流側および下流側にそれぞれ１つの消炎部材４を配置したが、例えば、ガス流れ方向上流側および／または下流側に２つ以上（合計３つ以上）の消炎部材４を配置することもできる。

また、上記した説明では、パス部材２を円筒状に形成し、略同径の触媒部材３および消炎部材４をパス２と中心軸線を共有するように配置したが、パス部材２は、ガスの流れ方向（長手方向）に延びる中空部材であればよく、触媒部材３および消炎部材４は、好ましくは、その中空部材の中空空間をガスの流れ方向に投影したときの開口形状と同じ形状であり、ガスの流れ方向に貫通する複数の開口セル８を有する多孔部材から形成される。

さらには、上記した説明では、触媒部材３と消炎部材４とを、それらが互いに間隔を隔てるように配置したが、例えば、触媒部材３と消炎部材４とを、それらが互いに間隔を隔てることなく、互いに接触するように配置することもできる。また、そのような場合には、触媒部材３および消炎部材４の周側壁が、パス部材２を兼ねる。

１ 酸素結合装置
２ パス部材
３ 触媒部材
４ 消炎部材
５ 触媒担体
６ 触媒
８ 開口セル

Claims (2)

1. 水素および酸素を含むガスが通過するパス部材と、
   前記パス部材内に配置され、前記ガスに接触されることにより水素および酸素を結合させる触媒を備える触媒部材と、
   前記パス部材内に配置され、前記触媒部材に対して、前記ガスの流れ方向上流側および下流側に設けられる少なくとも２つの消炎部材と
   を備えることを特徴とする、水素−酸素結合装置。
2. 前記消炎部材が、
   前記ガスを通過可能に開口する複数の開口セルを備える多孔部材であって、
   前記開口セルには、前記ガスの流れ方向に対して直交する方向における開口断面積が０．２ｍｍ^２以下である消炎領域が区画されていることを特徴とする、請求項１に記載の水素−酸素結合装置。

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