JP5382288B2 - 水素含有ガスの処理方法 - Google Patents
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Description
この発明は、水素を爆発限界以上の濃度で含む被処理ガスを爆発限界以下にまで希釈する水素含有ガスの処理方法に関するものである。
水溶液の電解によって水素が発生する場合、電解セルにおける陽極と陰極との構成が無隔膜式であるか、隔膜式であるかによって排出されるガスが異なってくる。
電解セルが無隔膜式である場合には、Ｈ２／Ｏ２＝２：１（ｖｏｌ比以下同様）のガスが発生し、電解セルが隔膜式である場合には、陰極側に水素濃度＝１００％（ｖｏｌ％：以下同様）のガスが発生する。前者のガスは、爆発限界を超えており、後者のガスも空気と混合されることにより容易に爆発限界を超えるため、希釈して処理する必要がある。
上記希釈処理では、水素または水素を含むガスに窒素を混合し、水素濃度を爆発限界値以下である４％以下にまで希釈しており（例えば特許文献１参照）、工業的には流量変動などの過渡現象があったり、混合が不十分な領域が生じた場合にも安全が確保できるように、さらに０．５〜１％程度にまで希釈して排気ダクトに放出するのが一般的である。
電解セルが無隔膜式である場合には、Ｈ２／Ｏ２＝２：１（ｖｏｌ比以下同様）のガスが発生し、電解セルが隔膜式である場合には、陰極側に水素濃度＝１００％（ｖｏｌ％：以下同様）のガスが発生する。前者のガスは、爆発限界を超えており、後者のガスも空気と混合されることにより容易に爆発限界を超えるため、希釈して処理する必要がある。
上記希釈処理では、水素または水素を含むガスに窒素を混合し、水素濃度を爆発限界値以下である４％以下にまで希釈しており（例えば特許文献１参照）、工業的には流量変動などの過渡現象があったり、混合が不十分な領域が生じた場合にも安全が確保できるように、さらに０．５〜１％程度にまで希釈して排気ダクトに放出するのが一般的である。
図３（ａ）（ｂ）は、無隔膜式の電解セルで発生したガス（水素、酸素の混合ガス）に、空気または窒素を混合した際のガスの成分変化を示すものである。いずれのガスを混合する場合も、爆発限界以下に達するまでに、被処理ガスの量に対して多量のガスの混合を要することが分かる。また、窒素を混合する場合、空気に較べれば少ない量で爆発限界以下に達するものの、安全域（水素濃度０．５％以下）に達するまでに大量の窒素が必要になっている。
図４（ａ）（ｂ）は、隔膜式の電解セルの陰極側で発生したガス（水素のみ）に、空気または窒素を混合した際のガスの成分変化を示すものである。空気を混合する場合、爆発限界以下に達するまでに、多量の空気と混合することが必要であることが分かる。また希釈には爆発領域を横断しなければならず、これは極めて危険である。また、窒素を混合する場合、爆発限界以下で推移するものの、安全域（水素濃度０．５％以下）に達するまでに大量の窒素が必要になっている。
特開平４−１１８０９０号公報
図４（ａ）（ｂ）は、隔膜式の電解セルの陰極側で発生したガス（水素のみ）に、空気または窒素を混合した際のガスの成分変化を示すものである。空気を混合する場合、爆発限界以下に達するまでに、多量の空気と混合することが必要であることが分かる。また希釈には爆発領域を横断しなければならず、これは極めて危険である。また、窒素を混合する場合、爆発限界以下で推移するものの、安全域（水素濃度０．５％以下）に達するまでに大量の窒素が必要になっている。
しかし、上記希釈による処理方法では、高電流密度の濃硫酸電解など水素が多量に発生する電解を行った場合、窒素のみで希釈を行うと、必要となる窒素の量が多量になり、高価な窒素の供給量を多くしなければならない。一方、空気で希釈する方法の場合、爆発限界以下に達するまで多量な空気と混合しなければならず、希釈時間が長時間となり危険度が高くなってしまう。
本願発明は、上記事情を背景としてなされてものであり、水素を効率良く早く、かつ経済的に爆発限界以下まで希釈することができる水素含有ガスの処理方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の水素含有ガスの処理方法のうち、第１の本発明は、水溶液または硫酸溶液を電解処理した際に生じた電解ガスである被処理ガスに、水素に対して不活性であり、かつ酸素を含まないガス（以下「対水素不活性ガス」と呼ぶ）を混合することによって該被処理ガス中の水素濃度を希釈し、次いで希釈された前記被処理ガスに空気を混合することによってさらに水素濃度を希釈する水素含有ガスの処理方法であって、
前記対水素不活性ガスの混合では、前記被処理ガスに含まれる水素の爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度であって、前記爆発限界値における最小の水素濃度よりも多い水素濃度まで前記希釈がされ、かつ、その後の空気の混合において前記爆発限界値における最小の水素濃度以上の水素濃度範囲では、前記爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度が維持される混合量で前記対水素不活性ガスの混合を行い、
前記空気の混合で、前記爆発限界値における最小の水素濃度より少ない水素濃度に希釈することを特徴とする。
前記対水素不活性ガスの混合では、前記被処理ガスに含まれる水素の爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度であって、前記爆発限界値における最小の水素濃度よりも多い水素濃度まで前記希釈がされ、かつ、その後の空気の混合において前記爆発限界値における最小の水素濃度以上の水素濃度範囲では、前記爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度が維持される混合量で前記対水素不活性ガスの混合を行い、
前記空気の混合で、前記爆発限界値における最小の水素濃度より少ない水素濃度に希釈することを特徴とする。
第２の本発明の水素含有ガスの処理方法は、前記第１の本発明において、前記対水素不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、希ガスから選ばれる少なくとも１種を主成分とするガスであることを特徴とする。
第３の本発明の水素含有ガスの処理方法は、前記第１または第２の本発明において、予め設定した前記所定値は、水素の爆発限界値であることを特徴とする。
第４の本発明の水素含有ガスの処理方法は、前記第３の本発明において、前記所定値は、その後の前記空気混合によって再度爆発限界値以上とならない数値であることを特徴とする。
第３の本発明の水素含有ガスの処理方法は、前記第１または第２の本発明において、前記対水素不活性ガスを前記被処理ガスに混合する流量を、前記電解処理の通電量に応じて調整することを特徴とする。
以上説明したように、本発明の水素含有ガスの処理方法によれば、水溶液または硫酸溶液を電解処理した際に生じた電解ガスである被処理ガスに、水素に対して不活性であり、かつ酸素を含まないガス（以下「対水素不活性ガス」と呼ぶ）を混合することによって該被処理ガス中の水素濃度を希釈し、次いで希釈された前記被処理ガスに空気を混合することによってさらに水素濃度を希釈する水素含有ガスの処理方法であって、
前記対水素不活性ガスの混合では、前記被処理ガスに含まれる水素の爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度であって、前記爆発限界値における最小の水素濃度よりも多い水素濃度まで前記希釈がされ、かつ、その後の空気の混合において前記爆発限界値における最小の水素濃度以上の水素濃度範囲では、前記爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度が維持される混合量で前記対水素不活性ガスの混合を行い、前記空気の混合で、前記爆発限界値における最小の水素濃度より少ない水素濃度にまで希釈するので、比較的高価な窒素などの対水素不活性ガスの使用量を少なくして迅速に爆発限界以下にまで希釈でき、その後は、安価な空気を用いてより低い濃度にまで安全に希釈することができる。
前記対水素不活性ガスの混合では、前記被処理ガスに含まれる水素の爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度であって、前記爆発限界値における最小の水素濃度よりも多い水素濃度まで前記希釈がされ、かつ、その後の空気の混合において前記爆発限界値における最小の水素濃度以上の水素濃度範囲では、前記爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度が維持される混合量で前記対水素不活性ガスの混合を行い、前記空気の混合で、前記爆発限界値における最小の水素濃度より少ない水素濃度にまで希釈するので、比較的高価な窒素などの対水素不活性ガスの使用量を少なくして迅速に爆発限界以下にまで希釈でき、その後は、安価な空気を用いてより低い濃度にまで安全に希釈することができる。
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
先ず、電解セルで発生する水素を希釈する水素処理装置について図１に基づいて説明する。
電解セル１には、直流電源２が接続され、該直流電源２による電流値が電流計３で測定されている。電解セル１には、電解によって発生したガスを排出する排気管４が接続されており、該排気管４には、混合器５が介設されており、該混合器５に窒素供給管６が接続されている。窒素供給管６には、流量調整計７が介設されている。該流量調整計７は、制御部８による制御が可能になっており、制御部８は、前記電流計３による測定結果に基づいて、前記流量調整計７を制御して窒素供給管６における窒素流量を調整することができる。制御部８は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムとを主にして構成することができる。
なお、この実施形態では、対水素不活性ガスとして窒素を用いているが、その他に、二酸化炭素、希ガスから選ばれる少なくとも１種を用いるものであっても良い。対水素不活性ガスは、酸素を含有しないものであるが、これは実質的に酸素を含有しないものであれば良く、不純物として酸素を含むものを除外するものではない。ただし、できるだけ酸素不純物量が少ないものが望ましい。
先ず、電解セルで発生する水素を希釈する水素処理装置について図１に基づいて説明する。
電解セル１には、直流電源２が接続され、該直流電源２による電流値が電流計３で測定されている。電解セル１には、電解によって発生したガスを排出する排気管４が接続されており、該排気管４には、混合器５が介設されており、該混合器５に窒素供給管６が接続されている。窒素供給管６には、流量調整計７が介設されている。該流量調整計７は、制御部８による制御が可能になっており、制御部８は、前記電流計３による測定結果に基づいて、前記流量調整計７を制御して窒素供給管６における窒素流量を調整することができる。制御部８は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムとを主にして構成することができる。
なお、この実施形態では、対水素不活性ガスとして窒素を用いているが、その他に、二酸化炭素、希ガスから選ばれる少なくとも１種を用いるものであっても良い。対水素不活性ガスは、酸素を含有しないものであるが、これは実質的に酸素を含有しないものであれば良く、不純物として酸素を含むものを除外するものではない。ただし、できるだけ酸素不純物量が少ないものが望ましい。
上記排気管４には、上記混合器５の下流側で混合器９が介設されており、該混合器９には、空気供給管１０が接続されている。混合器９の排気側には混合ガスを排出する排気ダクト１１が接続されている。
上記水素処理装置における水素処理方法を以下に説明する。
電解セル１に直流電源２によって通電することで、電解セル１に通液される溶液が電解され、陰極で水素および陽極で酸素からなる電解ガスが生成される。
なお、電解セル１では、無隔膜式の場合、前記したようにＨ２／Ｏ２＝２：１（ｖｏｌ比）のガスが発生し、排気管４に排気される。隔膜式の場合、水素と酸素とがそれぞれ陰極側、陽極側に区分けされて発生し、水素のみが排気管４に導入され、酸素は、別途排気される。
電解セル１に直流電源２によって通電することで、電解セル１に通液される溶液が電解され、陰極で水素および陽極で酸素からなる電解ガスが生成される。
なお、電解セル１では、無隔膜式の場合、前記したようにＨ２／Ｏ２＝２：１（ｖｏｌ比）のガスが発生し、排気管４に排気される。隔膜式の場合、水素と酸素とがそれぞれ陰極側、陽極側に区分けされて発生し、水素のみが排気管４に導入され、酸素は、別途排気される。
なお、電解セル１では、無隔膜式でも隔膜式でも、目的物質、例えば硫酸の電解であれば過硫酸の生成効率を仮定すれば、電解セルへの通電量から発生ガス量を求めることができる。過硫酸の生成を目的とする電解セル１では過硫酸の生成効率は概ね１０％〜２０％程度である。つまり通電量の８０％〜９０％が水素発生に使われている。よって、水素発生効率を１００％と見込めば、余裕を持った水素発生量を推定できる。ただし水素発生効率が既知の場合には予めその値を設定しておいてもよい。制御部８では、直流電源２による通電量が電流計３で測定されており、上記のように水素発生量を推定できる。制御部８では、この水素発生量に基づいて混合する窒素量を決定し、前記流量調整計７を制御する。これにより混合する窒素流量が制御され、窒素の無駄な使用・放出を防ぐことができ、効率的となる。電解セル１から排気管４に排気された電解ガスと、流量調節され、窒素供給管６に流入した窒素とは混合器５において、水素濃度が所定値になるまで混合される。
先ず、電解セル１が無隔膜式で、電解によってＨ２／Ｏ２＝２：１（ｖｏｌ比）のガスが発生するものとして説明する。このガスは、図２（ａ）に太線で示す爆発限界のうち最も危険度の高いガスであり、最も小さな着火エネルギーで着火し、かつ爆発力が最も大きいので、早急に希釈することが必要である。
図２（ａ）の組成比に示すように、Ｈ２／Ｏ２＝２：１のポイントＡを出発点にして、窒素の混合によって水素および酸素含有量の比率が次第に低下する。なお、図中、酸素濃度５％以上、水素濃度４％以上の領域が可燃領域になっている。窒素の混合が進むと、ポイントＢにおいて酸素濃度５％の可燃領域を脱して酸素濃度５％未満の爆発限界以下の領域に達し、さらに水素および酸素含有量の比率が低下する。ガス切替点は、空気を混合することにより、ガス切替点と、酸素濃度２１％、窒素濃度７９％の位置を結ぶ線が、可燃領域を通らないように設定する。好適には、酸素濃度５％、水素濃度４％のポイントＤをかすめるように上記線が描かれるように切替点Ｃを定める。
図２（ａ）の組成比に示すように、Ｈ２／Ｏ２＝２：１のポイントＡを出発点にして、窒素の混合によって水素および酸素含有量の比率が次第に低下する。なお、図中、酸素濃度５％以上、水素濃度４％以上の領域が可燃領域になっている。窒素の混合が進むと、ポイントＢにおいて酸素濃度５％の可燃領域を脱して酸素濃度５％未満の爆発限界以下の領域に達し、さらに水素および酸素含有量の比率が低下する。ガス切替点は、空気を混合することにより、ガス切替点と、酸素濃度２１％、窒素濃度７９％の位置を結ぶ線が、可燃領域を通らないように設定する。好適には、酸素濃度５％、水素濃度４％のポイントＤをかすめるように上記線が描かれるように切替点Ｃを定める。
上記切替点Ｃに達すると、混合器５の混合ガスを排気管４を通して混合器９に移送し、空気供給管１０を通して混合器９内に導入する。混合器９内では、図２（ａ）の切替点Ｃから、組成は空気の組成、すなわち酸素濃度２１％、窒素濃度７９％の位置に達するように組成が変化し、水素濃度が４％以下になる。水素濃度が４％（可燃限界）以下であれば、酸素濃度が如何なる濃度であっても爆発または燃えることはない。組成は、可燃限界であるＤ点をかすめるように変化し、水素濃度が０．５％になる位置Ｅに達する。この水素濃度では十分な安全性が確保されているため、混合器９内の混合ガスは、排気ダクト１１を通して大気放出などがなされる。
上記方法では、ガス切替点Ｃまでは、早急に爆発限界以下にまで電解ガスを希釈でき、ガス切替点以降は、比較的高価な希釈ガスの使用を回避することができる。
上記方法では、ガス切替点Ｃまでは、早急に爆発限界以下にまで電解ガスを希釈でき、ガス切替点以降は、比較的高価な希釈ガスの使用を回避することができる。
次に、電解セル１が隔膜式で、電解によって陰極側に発生する水素のみが排気管４に導入されるものとして説明する。
図２（ｂ）の組成比に示すように、水素濃度が１００％のポイントＡを出発点にして、窒素の混合によって水素濃度が次第に低下する。この際には、酸素量は、０であるため、爆発限界以下で推移する。ガス切替点は、空気を混合することにより、ガス切替点と、酸素濃度２１％、窒素濃度７９％の位置を結ぶ線が、可燃領域を通らないように設定する。可燃領域は、前記無隔膜式の説明と同様である。好適には、酸素濃度５％、水素濃度４％のポイントＤをかすめるように上記線が描かれるように切替点Ｃを定める。
図２（ｂ）の組成比に示すように、水素濃度が１００％のポイントＡを出発点にして、窒素の混合によって水素濃度が次第に低下する。この際には、酸素量は、０であるため、爆発限界以下で推移する。ガス切替点は、空気を混合することにより、ガス切替点と、酸素濃度２１％、窒素濃度７９％の位置を結ぶ線が、可燃領域を通らないように設定する。可燃領域は、前記無隔膜式の説明と同様である。好適には、酸素濃度５％、水素濃度４％のポイントＤをかすめるように上記線が描かれるように切替点Ｃを定める。
上記切替点Ｃに達すると、混合器５の混合ガスを排気管４を通して混合器９に移送し、空気供給管１０を通して混合器９内に導入する。混合器９内では、図２（ｂ）の切替点Ｃから酸素濃度２１％、窒素濃度７９％の位置に達するように組成が変化し、水素濃度が４％以下になるとともに、水素濃度が０．５％になる位置Ｅに達する。この水素濃度では十分な安全性が確保されているため、混合器９内の混合ガスは、排気ダクト１１を通して大気放出などがなされる。
上記方法では、ガス切替点Ｃまでは、可燃領域の組成となることなく電解ガスを希釈でき、ガス切替点以降は、比較的高価な希釈ガスの使用を回避して安全な水素濃度にまで希釈することができる。
なお、上記実施形態では、電解で発生した水素の希釈を行うものとして説明したが、本発明としては水素の発生原因は特に限定をされるものではなく、種々の分野で発生する、爆発限界以上で水素を含むガスの処理に適用することができる。
上記方法では、ガス切替点Ｃまでは、可燃領域の組成となることなく電解ガスを希釈でき、ガス切替点以降は、比較的高価な希釈ガスの使用を回避して安全な水素濃度にまで希釈することができる。
なお、上記実施形態では、電解で発生した水素の希釈を行うものとして説明したが、本発明としては水素の発生原因は特に限定をされるものではなく、種々の分野で発生する、爆発限界以上で水素を含むガスの処理に適用することができる。
次に、本発明の実施例を比較例と比較しつつ説明する。
上記実施形態で説明したように、無隔膜式と隔膜式の電解セルで発生した電解ガスに、窒素を混合した後、空気を混合して希釈した実施例ａ１、ｂ１と、電解ガスに空気のみを混合して希釈した比較例ａ１、ｂ１と、電解ガスに窒素のみを混合した比較例ａ２、ｂ２とを実施し、組成変化時の各ポイントでの組成およびガス容積を測定した。それらの結果を表１〜表６に示した。
表１〜表３が無隔膜式の場合であり、実施例ａ１、比較例ａ１、比較例ａ２に対応する。表４〜表６が隔膜式の場合であり、実施例ｂ１、比較例ｂ１、比較例ｂ２に対応する。
上記実施形態で説明したように、無隔膜式と隔膜式の電解セルで発生した電解ガスに、窒素を混合した後、空気を混合して希釈した実施例ａ１、ｂ１と、電解ガスに空気のみを混合して希釈した比較例ａ１、ｂ１と、電解ガスに窒素のみを混合した比較例ａ２、ｂ２とを実施し、組成変化時の各ポイントでの組成およびガス容積を測定した。それらの結果を表１〜表６に示した。
表１〜表３が無隔膜式の場合であり、実施例ａ１、比較例ａ１、比較例ａ２に対応する。表４〜表６が隔膜式の場合であり、実施例ｂ１、比較例ｂ１、比較例ｂ２に対応する。
無隔膜式の場合、本発明の実施例ａ１では、少ない窒素ガス容積で爆発限界を脱することができる。空気のみで希釈した比較例ａ１では、爆発限界を脱するまでに実施例ａ１の２．５倍（１６．７／６．７）のガス容積になった。また、窒素のみで希釈した比較例ａ２では、実施例ａ１の９．３倍（１３３．３／１４．３）の窒素消費量を要した。
また、隔膜式の場合、本発明の実施例ｂ１は、爆発限界に全く入ることなく希釈でき、窒素消費量も少なく抑えることができる。空気のみで希釈した比較例ｂ１では、ガス容積が発生ガスの２５倍になるまで爆発限界を脱することができない。比較例ｂ２は、実施例ｂ１の１０．５（２００／１９）倍の窒素消費量を要した。
１ 電解セル
２ 直流電源
３ 電流計
４ 排気管
５ 混合器
６ 窒素供給管
７ 流量調整計
８ 制御部
９ 混合器
１０ 空気供給管
１１ 排気ダクト
２ 直流電源
３ 電流計
４ 排気管
５ 混合器
６ 窒素供給管
７ 流量調整計
８ 制御部
９ 混合器
１０ 空気供給管
１１ 排気ダクト
Claims (3)
- 水溶液または硫酸溶液を電解処理した際に生じた電解ガスである被処理ガスに、水素に対して不活性であり、かつ酸素を含まないガス（以下「対水素不活性ガス」と呼ぶ）を混合することによって該被処理ガス中の水素濃度を希釈し、次いで希釈された前記被処理ガスに空気を混合することによってさらに水素濃度を希釈する水素含有ガスの処理方法であって、
前記対水素不活性ガスの混合では、前記被処理ガスに含まれる水素の爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度であって、前記爆発限界値における最小の水素濃度よりも多い水素濃度まで前記希釈がされ、かつ、その後の空気の混合において前記爆発限界値における最小の水素濃度以上の水素濃度範囲では、前記爆発限界値における最小の酸素濃度より少ない酸素濃度が維持される混合量で前記対水素不活性ガスの混合を行い、
前記空気の混合で、前記爆発限界値における最小の水素濃度より少ない水素濃度に希釈することを特徴とする水素含有ガスの処理方法。 - 前記対水素不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、希ガスから選ばれる少なくとも１種を主成分とするガスであることを特徴とする請求項１記載の水素含有ガスの処理方法。
- 前記対水素不活性ガスを前記被処理ガスに混合する流量を、前記電解処理の通電量に応じて調整することを特徴とする請求項１または２に記載の水素含有ガスの処理方法。
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