JP2023057600A - 可燃性ガス回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設備の劣化を防止でき、かつ安全性に優れた可燃性ガス回収装置を提供すること。【解決手段】可燃性ガスの発生源から発生する可燃性ガスを回収する回収室と、回収室内の可燃性ガスを送出する可燃性ガス流路と、回収室に不活性ガスを供給する不活性ガス流路と、回収室に供給される不活性ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、を有し、圧力調整手段は、回収室内を大気圧に対して正圧に維持するように、不活性ガスの圧力を調整する、可燃性ガス回収装置。【選択図】図１

Description

本開示は、可燃性ガス回収装置に関する。

近年、環境保全及び省エネルギーの観点から、産業活動において発生する水素、メタンガス等の可燃性ガスを、燃料等の資源として有効活用しようとする試みが注目されている。例えば、アルミニウムのアルマイト加工時に、電極から発生する可燃性ガスである水素を回収して利用する試みが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－６５３９２号公報

特許文献１に開示された技術は、可燃性ガスである水素を回収する回収室（回収装置）を有するものであるが、回収室の内部が大気圧に対して負圧になる可能性がある。例えば、水素の発生量が減少し、水素を二次側（発生源よりも下流側）へ搬送するブロアの流量が水素の発生量に対して大きい場合、電解液の液面が電極の抜き差しによって下がる場合等が上記に該当する。回収室の内部が大気圧に対して負圧になる場合、回収室の二次側に電解液が流入する可能性がある。この場合、二次側の設備が電解液によって劣化する恐れがある。更に、回収室が密閉されていない場合、回収室の内部に空気が流入することで、水素と空気との混合気体が燃焼範囲に入る可能性もある。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、設備の劣化を防止でき、かつ安全性に優れた可燃性ガス回収装置を提供することを目的とする。

本開示は、可燃性ガスの発生源から発生する可燃性ガスを回収する回収室と、前記回収室内の可燃性ガスを送出する可燃性ガス流路と、前記回収室に不活性ガスを供給する不活性ガス流路と、前記回収室に供給される前記不活性ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、を有し、前記圧力調整手段は、前記回収室内を大気圧に対して正圧に維持するように、前記不活性ガスの圧力を調整する、可燃性ガス回収装置に関する。

本開示の第１実施形態に係る可燃性ガス回収装置を示すブロック図である。 本開示の電解槽及び可燃性ガス回収装置の構成を示す模式図である。 本開示の第２実施形態に係る可燃性ガス回収装置を示すブロック図である。

＜可燃性ガス回収装置＞
（第１実施形態）
本実施形態に係る、可燃性ガス回収装置としての水素回収装置１は、可燃性ガスの発生源としての電解槽２から発生する、可燃性ガスとしての水素ガスを回収する装置である。本明細書において、「可燃性ガス」とは、上記例示した水素ガスだけでなく、空気との混合気が爆発範囲（燃焼範囲）を有する全てのガスを意味する。以下、可燃性ガス回収装置を、可燃性ガスとしての水素を回収する水素回収装置１として説明する。一方で、可燃性ガスとしては水素以外の可燃性ガスであってもよい。

［水素回収装置］
水素回収装置１は、図１に示すように、電解槽２から発生する水素を回収する装置であり、回収室としての水素回収室１０と、水素回収室１０で回収した水素を、利用先である焼付炉６に向けて送出する可燃性ガス流路Ｌ２１及びＬ２２と、水素回収室１０に不活性ガスを供給する不活性ガス流路Ｌ１１及びＬ１２と、圧力調整手段としての弁Ｖ１ａ及びＶ１ｂと、を有する。水素回収室１０は、その内部を陰極が貫通し、電極端子を陰極両端部に設ける必要があるので、水素回収室１０の両端の陰極周囲は完全に密閉することが困難である。

図２は、水素回収室１０及び電解槽２を、短手方向から視た断面模式図である。水素回収室１０は、図２に示すように、電極を被覆するように配置される箱状体である。電解液Ｅに浸漬されたアルミ材Ａが陽極酸化処理されることで発生する水素は、水素回収室１０に流入する。

水素回収室１０は、水素回収室内の過圧を逃がすための過圧逃がし部を備えていてもよい。過圧逃がし部は、予め設定された許容圧力を超える過圧が水素回収室に生じた場合に、上記過圧を水素回収室１０の外部に逃がす機能を有する。上記許容圧力は、例えば、約１３０［ｋＰａ］に設定することができる。例えば、水素回収室１０の内部で仮に水素が燃焼した場合に、水素回収室の内部の気体が急膨張することで、上記過圧が発生する。過圧逃がし部により、上記過圧が発生した場合に発生する被害を最小限に抑えることができる。過圧逃がし部の具体的な構成としては、特に限定されないが、例えば、水素回収室１０の壁面の一部を、他の箇所よりも強度の低い脆弱部として構成したものにすることができる。過圧逃がし部は、以下に説明する火炎伝播防止板により区画された水素回収室１０の区画ごとに設けることができる。

水素回収室１０は、水素回収室１０内を複数の空間に区画する火炎伝播防止板を備えていてもよい。火炎伝播防止板は、火炎伝播を抑制する機能を有する。火炎伝播防止板は、気体が流通可能な１つ又は複数の孔部や流路を有していてもよい。これにより、水素回収室１０と可燃性ガス流路Ｌ２１、不活性ガス流路Ｌ１１及びＬ１２との接続部を１箇所にすることができる。上記接続部は、火炎伝播防止板により区画された水素回収室１０の区画ごとに設けてもよい。

水素回収室１０に対しては、不活性ガスを供給する不活性ガス流路Ｌ１１及びＬ１２が接続される。不活性ガス流路Ｌ１１は、電解槽２の使用時に、水素回収室１０内を大気圧に対して正圧に維持するために、不活性ガスを水素回収室１０に供給する流路である。不活性ガス流路Ｌ１２は、電解槽２の使用前に、水素回収室１０の内部に残存した空気を不活性ガスに置換するために、不活性ガスを水素回収室１０に供給する流路である。本明細書において、不活性ガスとは、化学的に安定であり、酸素と比較して著しく反応性に乏しい気体を意味する。不活性ガスの具体例としては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンが挙げられる。本実施形態において、不活性ガスとしては窒素が用いられる。不活性ガス流路Ｌ１１及びＬ１２の上流側には、不活性ガス発生源３が接続される。不活性ガス発生源としてはガスボンベであってもよいし、空気中の窒素を分離して使用してもよい。ガスボンベを使用する場合は、減圧弁Ｖ１ａ、均圧弁Ｖ１ｂはガスボンベに敷設された圧力弁とは別に流路に設けることが好ましい。

不活性ガス流路Ｌ１１には、圧力調整手段としての減圧弁Ｖ１ａと、均圧弁Ｖ１ｂが設けられる。本実施形態において、減圧弁Ｖ１ａが均圧弁Ｖ１ｂの上流側に配置され、Ｖ１ｂが減圧弁Ｖ１ａの下流側に配置される。減圧弁Ｖ１ａ及び均圧弁Ｖ１ｂにより、水素回収室１０内の圧力が大気圧に対して正圧に維持されるように、不活性ガス流路Ｌ１１を通じて水素回収室１０に供給される窒素の圧力が調整される。上記圧力調整手段によって水素回収室１０内の圧力が大気圧に対して正圧に維持されることで、電解槽２に貯留された電解液Ｅが可燃性ガス流路Ｌ２１に流入すること、及び水素回収室１０内に外部から空気が流入して水素と空気との混合気が燃焼範囲に入ることを防止できる。このため、水素回収装置１を、設備の劣化を防止でき、かつ安全性に優れたものにすることができる。

減圧弁Ｖ１ａは、不活性ガス発生源３から供給される窒素の圧力を、下流側に配置される均圧弁Ｖ１ｂの一次側の圧力として許容される所定の圧力（例えば、１０ｋＰａ程度）にまで低下させる弁である。均圧弁Ｖ１ｂは、二次側の圧力を大気圧以上の所定の圧力に維持する弁である。減圧弁Ｖ１ａ及び均圧弁Ｖ１ｂとしては、特に限定されず、公知の減圧弁及び均圧弁を用いることができる。圧力調整手段の構成は上記に限定されず、例えば、均圧弁Ｖ１ｂに代えて減圧弁を用いてもよい。

不活性ガス流路Ｌ１２には、開閉可能な弁Ｖ１２が設けられる。不活性ガス流路Ｌ１１及びＬ１２の上流側は不活性ガス流路Ｌ１と接続される。不活性ガス流路Ｌ１には、開閉可能な弁Ｖ１が設けられる。不活性ガス流路Ｌ１の上流側は不活性ガス発生源３と接続される。不活性ガス流路Ｌ１１及びＬ１２の構成は上記に限定されず、異なる不活性ガス発生源に個別に接続されるものであってもよい。

水素回収室１０で回収した水素は、可燃性ガス流路Ｌ２１及びＬ２２を通じて、水素の利用先である焼付炉６に送出される。可燃性ガス流路Ｌ２１は、図１に示すように、水素回収室１０と洗浄塔４とを接続する流路である。洗浄塔４は、電解液内で発生したガスの気泡が液面で破裂する際に飛散するミスト等を洗浄処理によって除去する装置である。洗浄塔４の構成としては、公知の洗浄塔の構成を採用できる。洗浄塔４の後段には可燃性ガス流路Ｌ２２が設けられる。可燃性ガス流路Ｌ２２には、ポンプ装置５が設けられる。水素回収室１０に流入した水素は、ポンプ装置５の流量によって、可燃性ガス流路Ｌ２１及びＬ２２を通じて吸引される。この際に、水素回収室１０に流入する水素の発生量に対してポンプ装置５の吸引力を完全に追従させることは困難である。水素の発生量よりもポンプ装置５の吸引力が大きい場合に、水素回収室１０内が大気圧に対して負圧になることを防止するため、上記圧力調整手段が用いられる。

可燃性ガス流路Ｌ２２を通じて回収されたガス中に酸素が混入していないか確認するためポンプ装置５の二次側は酸素濃度計〇が接続されてあってもよい。

焼付炉６は、陽極酸化処理を行った後のアルミ材Ａに対して電着塗装を行うことでアルミ材Ａの表面に形成された電着塗膜を熱処理することで硬化させる。焼付炉６で水素回収装置１によって回収した水素を利用することで、単一のアルミニウム処理施設内で発生した水素を有効活用できるため好ましい。一方で、焼付炉６は、水素回収装置１によって回収した水素の利用先の一例としては、周辺設備で燃料を使用する炉や、燃料電池など、水素の利用先としては焼付炉６に限定されない。例えば、可燃性ガス流路Ｌ２２の下流側を、水素を貯留するタンクと接続し、タンクに貯留した水素を種々の用途に用いてもよい。

［電解槽］
可燃性ガスの発生源としての電解槽２は、例えば、アルミニウム材等の金属材料を被処理対象とする陽極酸化処理に用いられる電解槽である。以下、可燃性ガスとしての水素を発生させる発生源を、上記陽極酸化処理に用いられる電解槽２として説明する。一方で、可燃性ガスの発生源としては、上記電解槽２に限定されず、水素以外の可燃性ガス、例えばメタンガスを発生させるメタン発酵槽等であってもよい。可燃性ガスとして水素を発生させる発生源としては、上記電解槽以外に、例えば、被処理対象の表面をエッチングして水素を発生させるエッチング槽であってもよい。

電解槽２は、図２に示すように、電解液Ｅが貯留された槽であり、一又は複数の陰極２１と、陽極、を有する。電解槽２に貯留された電解液Ｅに対して、被処理対象であり陽極となるアルミ材Ａ及びＡと対極になる陰極２１を浸漬させる。この状態で、通電することで、アルミ材Ａの表面に陽極酸化皮膜（アルマイト皮膜）が形成され、陰極２１からは水素が発生する。電解液Ｅとしては、例えば、硫酸を含む水溶液が設けられる。電解槽２の上部は開口しており、陰極２１を覆い、電解液に浸かるように水素回収室１０が配置される。陽極酸化処理によって発生する水素は、水素回収室１０に流入する。

陰極２１は、アルミニウム又は白金製の電極が好ましいが、これらに限定されない。本実施形態において、複数の陰極２１は、図２に示すように、被処理対象であるアルミ材Ａを挟んで列状（本実施形態では、４列）に配置され、電解槽２に貯留された電解液Ｅに浸漬される。陰極２１の総数及び１列あたりの数は特に限定されない。陰極２１は、陰極角管２１ａによって電解槽２内に保持される。陰極角管２１ａは、導電性素材からなる角筒形状の部材であり、電源（図示せず）から複数の陰極２１に対しての通電経路である。

図２に示すように、電解槽２に貯留された電解液Ｅの液面は、電解液Ｅに対するアルミ材Ａの浸漬及び抜き出しにより、液面が上下に変動する。これによって、水素回収室１０内の圧力が変化する場合がある。図１に示すように、電解槽２において、陰極角管２１ａの端部には端子部２１ｂが設けられる。端子部２１ｂには、通電用の導線が接続される。従って、水素回収室１０を完全に密閉することは困難であり、水素回収室１０内の圧力が仮に大気圧に対して負圧になった場合、空気が外部から流入する可能性がある。上記の事態を防止するため、上記圧力調整手段が用いられる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る水素回収装置１ａの構成を、図３を用いて以下に説明する。第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

水素回収装置１ａは、圧力調整手段としての圧力制御弁Ｖ１ｃと、圧力センサＳと、制御部７と、を備える。圧力制御弁Ｖ１ｃは、不活性ガス流路Ｌ１１に設けられる弁であり、圧力センサＳは、水素回収室１０の内部の圧力を測定可能なセンサ装置である。制御部７は、圧力制御弁Ｖ１ｃ、及び圧力センサＳと通信可能に接続される。制御部７は、例えば、圧力センサＳによって測定された水素回収室１０の内部の圧力が、大気圧以上の所定の閾値を下回った場合には、不活性ガス発生源３から供給される窒素の圧力を増加するように、圧力制御弁Ｖ１ｃを制御する。これによって、水素回収室１０の内部の圧力を大気圧に対して正圧に維持することができる。第１実施形態と同様に、圧力制御弁Ｖ１ｃの上流側に減圧弁Ｖ１ａを設けてもよい。圧力制御弁Ｖ１ｃとしては、例えば、駆動源により動作し、流量調整が可能なコントロールバルブを用いることができる。

以上、本開示の各実施形態に係る可燃性ガス回収装置としての水素回収装置について説明した。しかし、本開示は上記の実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。

１、１ａ 水素回収装置（可燃性ガス回収装置）、１０ 水素回収室（回収室）、２ 電解槽（可燃性ガスの発生源）、Ｌ１１ 不活性ガス流路、Ｌ２１、Ｌ２２ 可燃性ガス流路、Ｖ１ａ 減圧弁（圧力調整手段）、Ｖ１ｂ 均圧弁（圧力調整手段）、Ｖ１ｃ 圧力制御弁（圧力調整手段）、Ｓ 圧力センサ（圧力調整手段）

Claims (7)

1. 可燃性ガスの発生源から発生する可燃性ガスを回収する回収室と、
   前記回収室内の可燃性ガスを送出する可燃性ガス流路と、
   前記回収室に不活性ガスを供給する不活性ガス流路と、
   前記回収室に供給される前記不活性ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、を有し、
   前記圧力調整手段は、前記回収室内を大気圧に対して正圧に維持するように、前記不活性ガスの圧力を調整する、可燃性ガス回収装置。
2. 前記可燃性ガスは、水素である、請求項１に記載の可燃性ガス回収装置。
3. 前記可燃性ガスの発生源は、陽極酸化処理に用いられる電解槽である、請求項１又は２に記載の可燃性ガス回収装置。
4. 前記圧力調整手段は、前記不活性ガス流路に設けられる減圧弁と、前記減圧弁の下流側に設けられる減圧弁又は均圧弁のうちいずれかと、を有する、請求項１～３のいずれかに記載の可燃性ガス回収装置。
5. 前記圧力調整手段は、前記不活性ガス流路に設けられる圧力制御弁と、前記回収室内の圧力を測定可能な圧力センサと、を有する、請求項１～４のいずれかに記載の可燃性ガス回収装置。
6. 前記回収室は、前記回収室内の過圧を逃がすための過圧逃がし部を備える、請求項１～５のいずれかに記載の可燃性ガス回収装置。
7. 前記回収室は、前記回収室内を複数の空間に区画することで火炎の伝播を防止する火炎伝播防止板を備える、請求項１～６のいずれかに記載の可燃性ガス回収装置。

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