JP6288667B2 - 水素濃集装置及び水素の濃集方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤に形成された掘削孔から試料ガスを採取し、試料ガスから水素ガスを濃集する水素濃集装置及び水素の濃集方法に関する。

地震や断層の活動により、地盤中の酸化珪素や水酸化珪素が水と反応して水素ガスが発生することが知られている。地盤に形成した掘削孔から試料ガスを収集し、試料ガス中の水素ガスの濃度を測定することで、地震や断層の活動状況を推定することが行われている。

水素ガスは、上述した断層等の活動により発生したものに限らない。例えば、地中の微生物の活動や、ボーリングなどの建築作業等で地盤に衝撃が与えられたことにより水素ガスが発生する場合など、様々な発生メカニズムがある。発生メカニズムが相違すれば水素ガスの同位体比も異なる。したがって、水素ガスの同位体比を測定することで、発生メカニズムごとの水素ガスを区別することが可能と考えられる。

しかしながら、試料ガスから得られる水素ガスの同位体である重水素ガスは濃度が非常に低いため、濃度を正確に測定することが難しい。したがって、このような同位体を含む水素ガスを濃縮して収集する（濃集する）ことが必要となる。特許文献１には、パラジウムを用いた水素吸着センサが開示されているが、水素ガスを濃集して濃度を正確に測定できるものではない。

特開２０１１−１０６９２８号公報

本発明は、地盤から採取した試料ガスから水素ガスを濃集することができる水素濃集装置及び水素の濃集方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様は、地盤に形成された掘削孔から水素ガスを含む試料ガスを取得し、試料ガスから水素ガスを濃集する水素濃集装置であって、前記掘削孔の内部に配置され、当該掘削孔の一部を密閉空間として区画する蓋部材と、水素吸蔵能を有する金属粉末が内部に設けられた管状部材である水素吸蔵器と、前記密閉空間内の試料ガスを前記水素吸蔵器に供給する流路を構成する供給路部材と、前記試料ガスのうち前記水素吸蔵器で水素ガスが吸蔵された後の排ガスを前記密閉空間に流入させる流路を構成する排出路部材と、前記排出路部材及び前記供給路部材から取り外された前記水素吸蔵器が接続される回収部を有する回収手段と、前記回収部を脱気する脱気手段と、前記水素吸蔵器を加熱する加熱手段と、を備え、前記回収手段は、前記脱気手段により前記回収部が真空とされ、前記水素吸蔵器に吸蔵されていた水素が前記加熱手段の加熱により開放された後、当該水素が前記回収部内に回収されるように構成されていることを特徴とする水素濃集装置にある。

かかる第１の態様は、掘削孔に蓋部材が配置されて密閉空間が形成され、この密閉空間と水素吸蔵器との間で循環的に試料ガスが流通することで水素吸蔵器に水素ガスが吸蔵される。これにより、掘削孔から水素ガスを効率よく水素吸蔵器に濃集することができる。 また、水素吸蔵器は、回収手段に接続され、加熱手段により加熱される。これにより、水素吸蔵器に濃集されていた水素ガスを回収手段に回収することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する水素濃集装置において、前記供給路部材及び前記排出路部材には、試料ガス及び排ガス中の水素の量を検出する水素センサが設けられていることを特徴とする水素濃集装置にある。

かかる第２の態様では、供給路部材及び排出路部材にそれぞれ設けられた水素センサが示す水素の量を比較することにより、水素吸蔵器に吸蔵された水素の量を計算することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する水素濃集装置において、前記回収手段は、前記回収部を有する容積可変型容器及び金属管であり、前記容積可変型容器は、前記回収部が前記脱気手段により真空にされ、前記水素吸蔵器に吸蔵されていた水素が前記加熱手段の加熱により開放された後、前記水素吸蔵器内から前記水素を吸引して前記回収部に回収し、前記回収部内の水素を前記金属管内部に圧送することが可能に構成され、前記金属管は、両端の開口を圧着して閉止することでその内部に前記水素を封止することが可能に構成されていることを特徴とする水素濃集装置にある。

かかる第３の態様では、銅管内に水素ガスを濃集することができる。この銅管ごと水素ガスを質量分析器で分析することにより、水素の同位体比を得ることができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する水素濃集装置を用いた水素の濃集方法であって、掘削孔に前記蓋部材を配置することで密閉空間を形成し、該密閉空間内の試料ガスを、前記供給路部材を介して前記水素吸蔵器に供給させて水素ガスを吸蔵させるとともに、前記水素吸蔵器から前記排出路部材を介して前記密閉空間内に排ガスを流入させ、前記水素吸蔵器に吸蔵された水素ガスが外部から遮断された状態で、前記供給路部材及び前記排出路部材を取り外し、予め前記脱気手段により脱気した前記回収部に前記水素吸蔵器を接続して前記回収部内に水素ガスを導入し、前記回収部に導入された水素ガスを水上置換により別容器に回収することを特徴とする水素の濃集方法にある。

かかる第４の態様では、掘削孔から水素ガスを効率よく濃集することができる。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載する水素の濃集方法において、前記水素吸蔵器から前記回収部に水素ガスを導入する際に、前記水素吸蔵器を加熱することを特徴とする水素の濃集方法にある。

かかる第５の態様では、より早く、水素吸蔵器から水素ガスを放出させることができる。

本発明によれば、地盤から採取した試料ガスから水素ガスを濃集することができる水素濃集装置及び水素の濃集方法が提供される。

掘削孔から水素ガスを吸蔵する際の水素濃集装置の概略構成図である。 水素吸蔵器の概略斜視図である。 水素吸蔵器から水素ガスを濃集する際の水素濃集装置の概略構成図である。 脱気を行う際の水素濃集装置の状態を示す概略図である。 サンプリングシリンジに水素ガスを濃集する際の水素濃集装置の状態を示す概略図である。 サンプリングシリンジから銅管に水素ガスを濃集する際の水素濃集装置の状態を示す概略図である。 銅管の断面図である。

〈実施形態１〉
図１は、掘削孔から水素ガスを吸蔵する際の水素濃集装置の概略構成図である。図示するように、地盤に形成された掘削孔１には、地中から洩出した微量の水素ガスや窒素ガスなどの各種ガスが存在している。本実施形態に係る水素濃集装置Ｉは、掘削孔１からこれらの各種ガスを試料ガスとして採取し、試料ガス中の水素ガスを濃集するものである。

具体的には、水素濃集装置Ｉは、蓋部材１０と、水素吸蔵器２０と、供給路部材３０と、排出路部材４０とを備えている。

蓋部材１０は、掘削孔１の内部に配置され、掘削孔１の一部を密閉空間２として区画するものである。具体的には、蓋部材１０は、円筒状に形成されたＳＵＳなどの金属材料から形成された部材である。掘削孔１は、断面が円形状に掘削されたものであり、直径は蓋部材１０の直径よりも若干大きくなっている。

蓋部材１０の外周面には、パッカー１１が取り付けられている。パッカー１１は、蓋部材１０の外周形状に沿って形成された円環状の部材であり、内部に水やガスなどの流体を保持することが可能となっている。パッカー１１は、内部に流体が注入されることにより膨張し、蓋部材１０の外周面と、掘削孔１の内面との隙間を埋める作用を有する。

このように、掘削孔１に蓋部材１０が配置され、パッカー１１によりその隙間が埋められることで、掘削孔１には、密閉空間２が形成される。

水素吸蔵器２０は、試料ガスから水素ガスを吸蔵するとともに、吸蔵し終えたあとの試料ガスを排ガスとして排出するものである。

図２に水素吸蔵器の具体的な構成を示す。図２は、水素吸蔵器の概略斜視図である。同図に示すように、水素吸蔵器２０は、金属製（銅）の管状部材２１内部にパラジウム（Ｐｄ）粉末２２を有している。パラジウム粉末２２は、水素吸蔵能を有する金属粉末である。

また水素吸蔵器２０のパラジウム粉末２２の両端側には、ガラスウール２３が設けられている。ガラスウール２３は、管状部材２１の両側の開口部を塞ぐように設けられており、パラジウム粉末２２が管状部材２１からこぼれ落ちることを防止している。ガラスウール２３は、ガスが流通する程度の隙間を有している。

このような水素吸蔵器２０には、管状部材２１の一方の開口から試料ガスが供給される。そして、試料ガスはガラスウール２３を流通し、パラジウム粉末２２に試料ガス中の水素ガスが吸蔵される。パラジウム粉末２２により水素ガスが吸蔵された後の試料ガスは、排ガスとして管状部材２１の他方の開口から排出される。

パラジウム粉末２２が水素ガスを吸蔵する量（体積）は、パラジウム粉末２２の体積の数百倍であり、試料ガスをパラジウム粉末２２に接触させることで、水素ガスを十分に吸蔵することができる。

図１に戻り、水素吸蔵器２０は、供給路部材３０及び排出路部材４０より、密閉空間２に接続されている。

供給路部材３０は、密閉空間２内の試料ガスを水素吸蔵器２０に供給する流路を構成する管状の部材である。蓋部材１０には、密閉空間２と外部とに連通した貫通孔である連通部１２が２つ形成されており、供給路部材３０の一端は蓋部材１０の連通部１２に接続されている。また、供給路部材３０の他端は水素吸蔵器２０の一方の開口（図２参照）に接続されている。

排出路部材４０は、水素吸蔵器２０から排出される排ガスを密閉空間に排出する流路を構成する管状の部材である。排出路部材４０の一端は蓋部材１０の連通部１２に接続されている。また、排出路部材４０の他端は水素吸蔵器２０の他方の開口（図２参照）に接続されている。

これらの供給路部材３０及び排出路部材４０は、水素吸蔵器２０に着脱可能になっている。

また、供給路部材３０及び排出路部材４０には、それぞれ水素センサ３１及び水素センサ４１が接続されている。水素センサ３１及び水素センサ４１は、試料ガス及び排ガス中の水素の量を検出するものである。

水素センサ３１と水素センサ４１のそれぞれが示す水素の量を比較することにより、水素吸蔵器２０に吸蔵された水素の量を計算することができる。

上述した構成の水素濃集装置Ｉでは、密閉空間２内の試料ガスは、供給路部材３０を介して水素吸蔵器２０に供給される。試料ガスが供給された水素吸蔵器２０では、試料ガス中の水素ガスがパラジウム粉末２２に吸蔵される。パラジウム粉末２２は水素吸着能に優れるため、試料ガス中の水素ガスを十分吸蔵し、保持することができる。

パラジウム粉末２２は、常温で水素を吸蔵することができる。このため、掘削孔１を形成した現場において特別な熱源を用意することなく、水素吸蔵を行うことができる。

一方、水素吸蔵器２０により試料ガスから水素ガスが吸蔵された排ガスは、排出路部材４０を介して密閉空間２に排出される。すなわち、試料ガス（排ガス）を密閉空間２、供給路部材３０、水素吸蔵器２０、排出路部材４０、密閉空間２という各部材に亘って循環させる。

このように試料ガスが循環するので、掘削孔１内に水素ガスを多量に残すことなく、水素吸蔵器２０に吸蔵することができる。

仮に、密閉空間２に排ガスを循環させずに大気に排出すると、密閉空間２内が負圧になり、水素ガス（試料ガス）が水素吸蔵器２０側に供給されにくくなる。この結果、掘削孔１内に回収しきれない水素ガスが残留することとなる。

掘削孔１を形成した現場において水素ガスを吸蔵した後は、特に図示しないが、水素吸蔵器２０の管状部材２１の両端をクランプなどで圧着した後、供給路部材３０及び排出路部材４０を水素吸蔵器２０から取り外す。そして、水素吸蔵器２０から別容器に水素ガスを濃集する。

図３は、水素吸蔵器から水素ガスを濃集する際の水素濃集装置の概略構成図である。同図に示すように、水素濃集装置Ｉは、水素吸蔵器２０と、脱気装置５０（真空ポンプ）と、回収手段としてのサンプリングシリンジ６０及び銅管７０（金属管）と、加熱手段の一例であるヒーター９０とを備えている。

水素吸蔵器２０とサンプリングシリンジ６０との間には、第１管路８１が接続されている。第１管路８１の分岐部Ｐ１から脱気装置５０の間には、第２管路８２が接続され、第２管路８２の分岐部Ｐ２から銅管７０の間には、第３管路８３が接続されている。さらに、第１管路８１の分岐部Ｐ３からサンプリングシリンジ６０（後端部側）の間には、第４管路８４が接続されている。

掘削孔１から水素ガスを吸蔵した水素吸蔵器２０は、一方の開口部を封止していたクランプが取り外され、その開口部に第１管路８１が接続される。水素吸蔵器２０の周囲には、ヒーター９０が設置され、ヒーター９０により水素吸蔵器２０全体が加熱されるにようになっている。

ヒーター９０により加熱された水素吸蔵器２０からは、パラジウム粉末（図２参照）により吸蔵されていた水素が開放され、その水素は、第１管路８１内に流入するようになっている。

脱気装置５０は、各管路内やサンプリングシリンジ６０の回収部６１や銅管７０の内部を真空にすることが可能な装置である。

容積可変型容器の一例であるサンプリングシリンジ６０は、内部に閉空間である回収部６１を有している。サンプリングシリンジ６０には、ピストン６２が設けられており、ピストン６２の移動により回収部６１の容積を可変とすることが可能となっている。

回収部６１は、第１管路８１で水素吸蔵器２０に接続され、第２管路８２で脱気装置５０に接続され、第３管路８３で銅管７０に接続されている。また、サンプリングシリンジ６０の後端側、すなわち、ピストン６２側の空間部６３は、第４管路８４に接続され、第２管路８２を介して脱気装置５０に接続されている。このような構成とすることで、回収部６１及び空間部６３が略等圧となるので、より少ない荷重でピストン６２を可動させることが可能となる。

銅管７０は、両端が開口した銅製の管状部材である。一端の開口から第３管路８３が差し込まれ、詳細は後述するが、サンプリングシリンジ６０から圧送された水素ガスがその内部に供給されるようになっている。また、両端部分は、圧着してその開口を閉じることが可能となっている。図には、銅管７０の一方の開口が閉じ、他方の開口が第３管路８３に差し込まれた状態を示している。

第１管路８１には、水素吸蔵器２０と分岐部Ｐ１との間にバルブＶ１が設けられている。第２管路８２には、分岐部Ｐ１と分岐部Ｐ２との間にバルブＶ２が設けられ、分岐部Ｐ２と脱気装置５０との間にバルブＶ３が設けられている。第４管路８４にはバルブＶ４が設けられている。

上述した構成の水素濃集装置Ｉを用いて、水素吸蔵器２０に吸蔵された水素ガスを濃集する動作を説明する。

図４は、脱気を行う際の水素濃集装置の状態を示す概略図である。同図に示すように、まず、水素濃集装置Ｉの系内を真空にする。具体的には、バルブＶ１を閉じ、バルブＶ２〜Ｖ４を開けた状態で脱気装置５０を動作させる。

この脱気により、第１管路８１〜第４管路８４、サンプリングシリンジ６０の回収部６１、空間部６３、銅管７０の内部が真空とされる。

図５は、サンプリングシリンジに水素ガスを濃集する際の水素濃集装置の状態を示す概略図である。ここでは、水素吸蔵器２０に吸蔵された水素ガスをサンプリングシリンジ６０の回収部６１に濃集する。

具体的には、バルブＶ１を開放し、バルブＶ２〜Ｖ４を閉じた状態で、ヒーター９０により水素吸蔵器２０を加熱する。この加熱により水素吸蔵器２０に吸蔵されていた水素ガスは開放され、第１管路８１に流入する。水素ガスが解放された水素吸蔵器２０は、再び、掘削孔から水素を吸蔵するために用いることができる。

一方、サンプリングシリンジ６０のピストン６２を引くことで回収部６１を拡張し、その内部に水素ガスを取り込む。なお、回収部６１及び空間部６３がほぼ真空に維持されることで両空間部に圧力差が生じていないので、ピストン６２を引く動作が可能となっている。また、回収部６１と空間部６３の圧力差によりピストン６２が回収部６１を押し潰してしまうこともない。

このようにしてサンプリングシリンジ６０を操作することで、水素吸蔵器２０から水素ガスが回収部６１内に濃集される。

図６は、サンプリングシリンジから銅管に水素ガスを濃集する際の水素濃集装置の状態を示す概略図であり、図７は、銅管の断面図である。ここでは、サンプリングシリンジ６０に回収された水素ガスを銅管７０に圧送する。

具体的には、バルブＶ１、Ｖ３、Ｖ４を閉じ、バルブＶ２を開けた状態で、サンプリングシリンジ６０のピストン６２を押圧する。これにより、回収部６１内の水素ガスは、第１管路８１及び第２管路８２及び第３管路８３を介して銅管７０に圧送される。

図７（ａ）に示すように、銅管７０は、管状に形成され、一方の開口７１が圧着されて閉止されている。銅管７０の他方の開口７２は、シール部材８７を介して第３管路８３が接続されている。

銅管７０の内部空間７３は、上述した脱気工程において真空状態にされ、その後のサンプリングシリンジ６０からの圧送により水素ガスが濃集された状態となる。すなわち、銅管７０の内部空間７３は、水素ガスのみで満たされている。

そして、図７（ｂ）に示すように、第３管路８３に取り付けたまま銅管７０の他方の開口７２を圧着して閉止することで、内部空間７３を密閉した空間とする。これにより、内部空間７３に、水素ガスを外気から遮断した状態で保持することができる。

以後、第３管路８３から銅管７０を取り外し、その銅管７０を水中に沈め、水上置換によりガラス容器などの別容器に水素ガスを回収する。回収した水素ガスを質量分析器にかけて水素ガスの濃度を測定する。なお、水上置換によらず、銅管７０を質量分析器に供し、水素ガスの濃度を測定してもよい。そして、当該濃度に基づいて水素ガスの同位体比を求めることができる。

以上に説明した水素濃集装置Ｉによれば、掘削孔１に蓋部材１０が配置されて密閉空間２が形成され、この密閉空間２と水素吸蔵器２０との間で循環的に試料ガスが流通することで水素ガスが吸蔵される。これにより、掘削孔１から水素ガスを効率よく水素吸蔵器２０に吸蔵することができる。

そして、その水素吸蔵器２０は、第１管路８１等を介してサンプリングシリンジ６０等に取り付けられ、水素吸蔵器２０からサンプリングシリンジ６０に水素ガスが濃集され、水素ガスが銅管７０内に保持される。このようにして、他のガスが混ざることなく、銅管７０内に水素ガスを濃集することができる。

なお、回収手段としてサンプリングシリンジ６０及び銅管７０を例示したが、外気から遮断された状態で、水素吸蔵器２０から水素ガスを回収できる構成であれば、回収手段の具体的構成は特に限定されない。

本発明は、地中から水素ガスを回収して同位体比を測定する産業分野で利用することができる。

Ｉ 水素濃集装置
１ 掘削孔
２ 密閉空間
１０ 蓋部材
１１ パッカー
１２ 連通部
２０ 水素吸蔵器
２１ 筒体
２２ パラジウム粉末
２３ ガラスウール
３０ 供給路部材
３１ 水素センサ
４０ 排出路部材
４１ 水素センサ
５０ 脱気装置（脱気手段）
６０ サンプリングシリンジ（容積可変型容器）
６１ 回収部
６２ ピストン
６３ 空間部
７０ 銅管
９０ ヒーター（加熱手段）

Claims (5)

1. 地盤に形成された掘削孔から水素ガスを含む試料ガスを取得し、試料ガスから水素ガスを濃集する水素濃集装置であって、
   前記掘削孔の内部に配置され、当該掘削孔の一部を密閉空間として区画する蓋部材と、
   水素吸蔵能を有する金属粉末が内部に設けられた管状部材である水素吸蔵器と、
   前記密閉空間内の試料ガスを前記水素吸蔵器に供給する流路を構成する供給路部材と、
   前記試料ガスのうち前記水素吸蔵器で水素ガスが吸蔵された後の排ガスを前記密閉空間に流入させる流路を構成する排出路部材と、
   前記排出路部材及び前記供給路部材から取り外された前記水素吸蔵器が接続される回収部を有する回収手段と、
   前記回収部を脱気する脱気手段と、
   前記水素吸蔵器を加熱する加熱手段と、を備え、
   前記回収手段は、前記脱気手段により前記回収部が真空とされ、前記水素吸蔵器に吸蔵されていた水素が前記加熱手段の加熱により開放された後、当該水素が前記回収部内に回収されるように構成されている
   ことを特徴とする水素濃集装置。
2. 請求項１に記載する水素濃集装置において、
   前記供給路部材及び前記排出路部材には、試料ガス及び排ガス中の水素の量を検出する水素センサが設けられている
   ことを特徴とする水素濃集装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載する水素濃集装置において、
   前記回収手段は、前記回収部を有する容積可変型容器及び金属管であり、
   前記容積可変型容器は、前記回収部が前記脱気手段により真空にされ、前記水素吸蔵器に吸蔵されていた水素が前記加熱手段の加熱により開放された後、前記水素吸蔵器内から前記水素を吸引して前記回収部に回収し、前記回収部内の水素を前記金属管内部に圧送することが可能に構成され、
   前記金属管は、両端の開口を圧着して閉止することでその内部に前記水素を封止することが可能に構成されている
   ことを特徴とする水素濃集装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する水素濃集装置を用いた水素の濃集方法であって、
   掘削孔に前記蓋部材を配置することで密閉空間を形成し、
   該密閉空間内の試料ガスを、前記供給路部材を介して前記水素吸蔵器に供給させて水素ガスを吸蔵させるとともに、前記水素吸蔵器から前記排出路部材を介して前記密閉空間内に排ガスを流入させ、
   前記水素吸蔵器に吸蔵された水素ガスが外部から遮断された状態で、前記供給路部材及び前記排出路部材を取り外し、
   予め前記脱気手段により脱気した前記回収部に前記水素吸蔵器を接続して前記回収部内に水素ガスを導入し、
   前記回収部に導入された水素ガスを水上置換により別容器に回収する
   ことを特徴とする水素の濃集方法。
5. 請求項４に記載する水素の濃集方法において、
   前記水素吸蔵器から前記回収部に水素ガスを導入する際に、前記水素吸蔵器を加熱する
   ことを特徴とする水素の濃集方法。

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