JPH107403A - 水分発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、反応率が高く、高濃度の水分を効
率よく生成できる水分発生方法を提供する。 【解決手段】 本発明の水分発生方法は、水素と酸素を
反応させ水分を発生させる方法において、水素および酸
素を混合し第一の混合ガスを作製する混合ガス作製工程
ａ１と、水素と酸素とを反応せしめる触媒作用を有する
材料で構成された反応管内に該第一の混合ガスを導入す
るとともに、該反応管内にて水素と酸素とを反応させ水
分を発生させる水分発生工程ｂ１とからなることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水分発生方法に係
る。より詳細には、水素と酸素から水分を発生する反応
率が高く、かつ、該反応率の劣化が少ない、水分発生方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

（１）ディフュージョンチューブ（拡散）式水分発生方
法 水分子が透過する樹脂管の内部に水を導入しておき、任
意の温度において水分子がその樹脂膜を外部に向かって
透過してくる速度が一定であることを利用し、拡散して
くる水分をディフュージョンチューブの外側に流れてい
るイナートガスに混入させ、水分を発生させる方法であ
る。水分濃度のコントロールは、ディフュージョンチュ
ーブの温度とイナートガスの流量によって決定される。
図５に装置の概略図を示す。

【０００３】（２）水の蒸気圧を利用した水分発生方法 水の入った密閉容器（外気と遮断）を任意の温度に恒温
しておき、その容器の気相部あるいは水中にイナートガ
スを通ガスさせ、任意の温度での水の蒸気圧に相当する
水分の含んだイナートガスを得る方法である。水分濃度
のコントロールは密閉容器内の温度（蒸気圧）によって
決定される。図６に装置の概略図を示す。

【０００４】（３）ボンベに充填された標準ガスを希釈
する水分発生方法 ボンベに充填された水分の標準ガスをイナートガスで任
意の希釈率で希釈し、任意の濃度の水分を発生する方
法。図７に装置の概略図を示す。

【０００５】（４）石英炉の中で７００℃以上の温度で
水素と酸素ガスを燃焼させ水分を発生させる方法。図８
に装置の概略図を示す。

【０００６】しかし、上記従来技術には、次のような問
題点がある。 （ａ）上記（１）の技術は超高純度な水分の混合ガスが
得られない。ディフュージョンチューブから、炭化水素
系の不純物の混合が起こるため。

【０００７】（ｂ）上記（１）の技術はｐｐｂ、ｐｐｔ
レベルの低濃度の水分濃度がコントロールできない。デ
ィフュージョンチューブからの放出水分がｐｐｂレベル
で常に発生するため。

【０００８】（ｃ）上記（１）の技術は水分濃度の応答
性が悪い。 （ｄ）上記（１）の技術は水分濃度の信頼性が低い。デ
ィフュージョンチューブの経時変化が生じるため。

【０００９】（ｅ）上記（１）及び（２）の技術は保
守、取扱いが難しい。正確な温度コントロールが必要な
ため。

【００１０】（ｆ）上記（２）の技術は装置の立ち上げ
に長時間を要する。 （ｇ）上記（２）の技術は水分濃度の信頼性が低い。 （ｈ）上記（２）の技術は校正に長時間を要する。

【００１１】（ｉ）上記（３）の技術は水分濃度の信頼
性が低い。正確な水分濃度の標準ガスが無いため。 （ｊ）上記（３）の技術は高濃度および多量の水分の発
生が難しい。

【００１２】（ｋ）上記（４）の技術は水素と酸素を直
接燃焼させるため２０００℃近い高温となり、吹き出し
口の材料がカーボンやＳｉＣに限定され作りにくいだけ
でなく、ダストが発生する。

【００１３】（ｌ）上記（４）の技術は７００℃以上の
高温プロセスに対応できる設備が不可欠である。

【００１４】このような問題を解決する方法として、特
開平６−１１５９０３号公報に開示された技術、すなわ
ち、水素、酸素およびイナートガスを混合し第一の混合
ガスを作製する混合ガス作製工程と、水素および酸素を
ラジカル化し得る触媒作用を有する材料で構成された反
応管内に該第一の混合ガスを導入するとともに該反応炉
管内を加熱することにより該第一の混合ガスに含まれる
水素と酸素を反応させ水を発生させる水分発生工程とか
らなることを特徴とする水分発生方法が挙げられる。図
９に装置の概略図を示す。

【００１５】この技術によれば、ｐｐｔ、ｐｐｂの低濃
度から％オーダーの高濃度まで広い範囲で、多量の正確
な濃度で、かつ、超高清浄度の水分の混合ガスが得ら
れ、さらに、応答性が早く、保守も簡単な水分発生方法
が提供できることが報告されている。

【００１６】しかしながら、該公報の技術では、水素お
よび酸素以外にイナートガスを混合しているため、水分
を発生するために導入した水素および酸素の利用効率、
すなわち、（導入した水素および酸素の量から生成可能
な水分の量）に対する（実際に生成した水分の量）の比
率（以後、反応率と呼称する）が低いため、例えば％オ
ーダーでも高い範囲の水分を得ることが困難であった。
さらに、１００％近い高濃度領域の水分を実現をするこ
とはできなった。

【００１７】また、水分の発生量を増すためには、大量
の混合ガスを導入しなければならない。したがって、水
分発生工程を構成する容器として、内容積の大きな容器
を用いる必要があった。その結果、製造プロセスの制御
が難しく、その安定性にも問題があった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、反応率が高
く、高濃度の水分を効率よく生成できる水分発生方法を
提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の水分発生方法
は、水素と酸素を反応させ水分を発生させる方法におい
て、水素および酸素を混合し第一の混合ガスを作製する
混合ガス作製工程ａ１と、水素と酸素とを反応せしめる
触媒作用を有する材料で構成された反応管内に該第一の
混合ガスを導入するとともに、該反応管内にて水素と酸
素とを反応させ水分を発生させる水分発生工程ｂ１とか
らなることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下では、本発明に係る各請求項
の作用に関して説明する。請求項１に係る発明では、水
素および酸素を混合し第一の混合ガスとし、水分発生工
程ｂ１では該第一の混合ガスから水分を発生させるた
め、従来のイナートガスを含む場合に比べて、高い反応
率で水分を発生することができる。

【００２１】請求項２に係る発明では、前記第一の混合
ガスとして酸素に対する水素の比率を２以上としたガス
を用いたため、高い反応率で水分を発生することができ
る。そのとき、前記水分発生工程ｂ１により発生した第
二の混合ガスは、主成分が発生した水分であり、残分は
未反応の水素から構成される。

【００２２】次に、このような第二の混合ガスに対し
て、第二の混合ガスに含まれる水素に対する酸素の比率
が０．５以上になる酸素を混合し第三の混合ガスを作製
し、この第三の混合ガスから水分を発生させる。その結
果、最終的に水分発生工程ｂ２を経て作製されたガス
は、第二の混合ガスに含まれていた未反応の水素を完全
に水分へ変化させることができるため、水分と酸素から
構成されるガスとなる。

【００２３】以下、図１及び図２を参照して本発明の実
施態様例を説明する。図１は、混合ガス作製工程ａ１と
水分発生工程ｂ１とからなる水分発生方法の一例を示す
概略図である。

【００２４】図１において、１０１は水素の導入量を制
御するマスフローコントローラー（ＭＦＣ）、１０２は
酸素の導入量を制御するマスフローコントローラー、１
０３は混合配管、１０４は反応炉、１１０は光学露点計
（水分濃度計）、１１１はガルバニ電池式酸素計であ
る。

【００２５】混合ガス作製工程ａ１は、１０１、１０２
及び１０３において行われる工程である。マスフローコ
ントローラー１０１及び１０２を介して適当量の水素と
酸素を混合配管１０３に供給し、所定の混合比を有する
第一の混合ガスを作製する。

【００２６】水分発生工程ｂ１は、反応炉１０４におい
て行われる。反応炉１０４は、不図示の加熱系により温
度制御が可能であり、この加熱によって反応炉１０４内
に導入した第一の混合ガスを適当な温度にすることがで
きる。

【００２７】反応炉１０４としては、例えば、ガスが接
する部分に電解研磨あるいは電解複合研磨を施したＳＵ
Ｓ３１６Ｌからなる配管や容器、ＳＵＳ３１６Ｌからな
る配管や容器においてガスが接する部分に触媒作用のあ
る金属又はその金属をコーティングした配管、フィルタ
ー、容器などが好適に用いられる。触媒作用のある金属
としては、ハステロイ、ニッケル、白金、金、銀等、又
はこれらの合金が挙げられる。コーティングは、単層膜
が簡便であるが、多層膜としても構わない。比較的安価
でかつ化学的にも安定なニッケルが多用されるが、反応
の低温化を図るためにはニッケルの上に白金をさらにコ
ーティングして用いる場合もある。

【００２８】また、特願平６−１１５９０３号公報に記
載されているように、ＳＵＳ３１６Ｌからなる配管や容
器において、ガスが接する部分を不動態化して、第一の
混合ガスを構成する水素や酸素をラジカル化し、水分を
発生させる反応を促進させても構わない。

【００２９】反応炉１０４の内部形状は、第一の混合ガ
スの導入に対する発生した水分の排出をスムーズに行
い、極めて速い応答速度をえるために、ガス滞留部を小
さくすることが好ましい。

【００３０】図２は、図１に示した混合ガス作製工程ａ
１と水分発生工程ｂ１の後工程として、水分発生工程ｂ
１を経て発生した第二の混合ガスに、酸素を混合して第
三の混合ガスを作る混合ガス作製工程ａ２と、第三の混
合ガスを導入する水分発生工程ｂ２とを設けた水分発生
方法の一例を示す概略図である。

【００３１】図２において、１０１は水素の導入量を制
御するマスフローコントローラー（ＭＦＣ）、１０２お
よび１０５は酸素の導入量を制御するマスフローコント
ローラー、１０３および１０７は混合配管、１０４およ
び１０７は反応炉、１１０は光学露点計（水分濃度
計）、１１１はガルバニ電池式酸素計である。１０１〜
１０４は図１と同じ構成物である。

【００３２】混合ガス作製工程ａ２は、１０５及び１０
６において行われる工程である。混合配管１０７は、水
分発生工程ｂ１により発生した第二の混合ガスと、第二
の混合ガスに含まれる水素量より多量の酸素とを混合す
るために用いられる。このとき供給される酸素は、マス
フローコントローラー１０５で制御する。

【００３３】第一の混合ガスとして酸素に対する水素の
比率を２以上としたガスを用いた場合、水分発生工程ｂ
１により発生した第二の混合ガスは、主成分が発生した
水分であり、残分は未反応の水素から構成される。この
未反応の水素を水分に変えるため、混合ガス作製工程ａ
２では、第二の混合ガスと第二の混合ガスに含まれる水
素に対する酸素の比率が０．５以上になる酸素とを混合
し、第三の混合ガスを作製する。

【００３４】次に、水分発生工程ｂ２に第三の混合ガス
を導入することにより、水分を発生させる。その結果、
最終的に水分発生工程ｂ２を経て作製されたガスは、第
二の混合ガスに含まれていた未反応の水素を完全に水分
へ変化させることができるため、水分と酸素から構成さ
れるガスが得られる。

【００３５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の水分発生方法
を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではない。

【００３６】（実施例１）本例では、図９に示した従来
の水分発生方法を用い、水素及び酸素をイナートガスで
希釈した場合の影響を調べた。その際、イナートガスと
してはＡｒを用い、酸素に対する水素の比率を２に固定
し、アルゴンガスの希釈率を変化させた。

【００３７】また、比較例として、従来実施されていた
条件（希釈率が２８、酸素に対する水素の比率が１０
０）の場合も調べた。

【００３８】以下では、水分発生方法の手順に従って説
明する。図９に示すように、酸素ガスの流量をマスフロ
ーコントローラー（ＭＦＣ）９０１、水素ガスの流量を
マスフローコントローラー９０２、アルゴンガスの流量
をマスフローコントローラー９０３でそれぞれ制御し、
３種類のガスを混合する混合配管９０４に通し、反応炉
９０５に導入した。反応炉９０５において水素と酸素を
反応させ、任意の水分を含んだ水素とアルゴンからなる
混合ガス（第一の混合ガス）を発生させた。

【００３９】反応炉９０５としては、径１／４インチ、
長さ２ｍのＮｉチューブ（Ｎｉ配管）を使用し、その触
媒作用を利用して反応の低温化を実現した。なお、Ｎｉ
チューブ（Ｎｉ配管）としては、内表面に電解研磨処理
を施したものを用いた。

【００４０】水素ガスと酸素ガスの流量をマスフローコ
ントローラー９０１と９０２を用いて、それぞれ５０ｃ
ｃ／ｍｉｎと２５ｃｃ／ｍｉｎに固定しておき、アルゴ
ンガスの流量のみマスフローコントローラー９０３を用
いて０〜２０２５ｃｃ／ｍｉｎの範囲で変化させ、３種
類ガスからなる混合ガスを反応炉に導入した。

【００４１】反応炉から流出してくる水素とアルゴンか
らなる混合ガス中に含まれる水分濃度を、光学露天計
（水分濃度計）９０６で計測した。使用した水素、酸素
およびアルゴンガスは、いずれも不純物濃度が１ｐｐｂ
以下の高純度ガスを使用した。反応炉９０５の温度は全
長にわたり３００℃に保持した。

【００４２】図３は、計測した水分濃度から反応率を求
めた結果を示すグラフである。図３において横軸はアル
ゴンガスの希釈率、縦軸は反応率を示している。アルゴ
ンガスの希釈率が１０の場合は、水素流量が５０ｃｃ／
ｍｉｎ、酸素流量が２５ｃｃ／ｍｉｎ、アルゴン流量が
６７５ｃｃ／ｍｉｎの場合である。すなわち、アルゴン
ガスの希釈率は、（５０＋２５＋６２５）／（５０＋２
５）＝１０という式で求められる値である。したがっ
て、アルゴンガスの希釈率が１の場合は、アルゴンを流
さず、水素と酸素のみ導入した場合を示す。また、アル
ゴンガスの希釈率が２８の場合のみ、酸素に対する水素
の比率が１００の場合（従来条件：図３の▲印）を調べ
た。また、反応率とは、（導入した水素および酸素の量
から生成可能な水分の量）に対する（実際に生成した水
分の量）の比率を意味する。

【００４３】図３から以下の点が明らかとなった。 （１）従来のアルゴンガスの希釈率２８において、酸素
に対する水素の比率を１００（従来値）から２に変更し
た場合、反応率が低下する。 （２）酸素に対する水素の比率を２に固定した場合は、
アルゴンガスの希釈率を低くすることで（２８→１）反
応率が増加する。

【００４４】したがって、イナートガスであるアルゴン
ガスを混合せず、水素と酸素のみ用いて水分を発生した
場合に、反応率が最も高くなることが分かった。すなわ
ち、図１に示すような水分発生方法が、高い反応率で水
分を発生するために好ましいことが分かった。

【００４５】（実施例２）本例では、図１に示した水分
発生方法を用い、第一の混合ガスにおける酸素に対する
水素の比率を変化させ、反応率を調べた点が実施例１と
異なる。また、反応炉１０４の温度を、３００℃、４０
０℃及び５００℃に変えて実験を行った。他の点は、実
施例１と同様とした。

【００４６】図４は、計測した水分濃度から反応率を求
めた結果を示すグラフである。図４において横軸は酸素
に対する水素の比率、縦軸は反応率を示している。●印
は３００℃、■印は４００℃、▲印は５００℃の結果で
ある。

【００４７】図４から以下の点が明らかとなった。 （１）反応炉１０４の温度が３００℃（●印）の結果か
ら、酸素に対する水素の比率を２以上とした場合、５０
％以上の高い反応率が得られることが分かった。特に、
酸素に対する水素の比率が３の場合には、反応率をほぼ
１００％とすることができる。

【００４８】（２）反応炉１０４の温度が４００℃（■
印）および５００℃（▲印）の結果から、酸素に対する
水素の比率を２以上とした場合、１００％近い反応率が
安定して実現できる。

【００４９】これらの結果から、前記第一の混合ガスと
して酸素に対する水素の比率を２以上としたガスを用い
ることで、反応炉１０４の温度がかなり低温の場合で
も、５０％〜１００％という高い反応率で水分を発生で
きることが分かった。

【００５０】しかしながら、上記反応後にえられたガス
（第二の混合ガス）には、水分以外に未反応の水素が残
存していることが、ガスクロマトグラフィーを用いた測
定から分かった。

【００５１】第二の混合ガスに含まれる未反応の水素を
除去するためには、第二の混合ガスに含まれる水素に対
する酸素の比率が０．５以上になる酸素を混合し第三の
混合ガスを作製する混合ガス作製工程ａ２と、水素と酸
素とを反応させる触媒作用を有する材料で構成された反
応管内に該第三の混合ガスを導入するとともに、該反応
管内にて水素と酸素とを反応させ水分を発生させる水分
発生工程ｂ２とを設ければ良い。

【００５２】水分発生工程ｂ２を構成する反応炉から流
出してくるガス中に含まれる水分濃度、酸素濃度および
水素濃度を、光学露天計（水分濃度計）１１０、ガルバ
ニ電池式酸素計１１１およびガスクロマトグラフィー１
１２で計測した。その結果、水分発生工程ｂ２を経たガ
スは、水分と酸素からなる混合ガスであることが分かっ
た。また、第三の混合ガスに混合する酸素量を適宜調節
することにより、水分発生工程ｂ２を経たガスを水分の
みにすることも可能である。

【００５３】したがって、第一の混合ガスとして酸素に
対する水素の比率を２以上としたガスを用い、５０％〜
１００％という高い反応率で水分を発生するためには、
図２に示すような水分発生方法が好ましいことが分かっ
た。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反応率が高く、高濃度の水分を効率よく生成できる水分
発生方法が得られる。

【００５５】その結果、混合ガス作製工程および水分発
生工程を小さくできる。より具体的には、混合ガス作製
工程をなす混合配管の長さを短縮できる。また、水分発
生工程をなす反応炉の内容積を小さくできる。すなわ
ち、本発明に係る水分発生方法を用いることにより、従
来より小型で高性能の水分発生機構が得られる。

【００５６】また、本発明により得られた高濃度の水分
を任意のイナートガスで希釈することにより、イナート
ガスに含有する水分量を、極微量のｐｐｍ、ｐｐｔオー
ダーからほぼ１００％近傍まで広範囲に制御可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水分発生方法の一例を示す概略図
である。

【図２】本発明に係る水分発生方法の他の一例を示す概
略図である。

【図３】実施例１に係るアルゴンガスの希釈率と反応率
との関係を調べた結果を示すグラフである。

【図４】実施例２に係る酸素に対する水素の比率と反応
率との関係を調べた結果を示すグラフである。

【図５】従来の水分発生方法の一例を示す概略図であ
る。

【図６】従来の水分発生方法の他の一例を示す概略図で
ある。

【図７】従来の水分発生方法の他の一例を示す概略図で
ある。

【図８】従来の水分発生方法の他の一例を示す概略図で
ある。

【図９】従来の水分発生方法の他の一例を示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１０１ 水素の導入量を制御するマスフローコントロー
ラー（ＭＦＣ）、 １０２、１０５ 酸素の導入量を制御するマスフローコ
ントローラー、 １０３、１０７ 混合配管、 １０４ 反応炉、 １１０ 光学露点計（水分濃度計）、 １１１ ガルバニ電池式酸素計、 １１２ ガスクロマトグラフィー、 ９０１ 酸素ガスの流量をマスフローコントローラー
（ＭＦＣ）、 ９０２ 水素ガスの流量をマスフローコントローラー、 ９０３ アルゴンガスの流量をマスフローコントローラ
ー、 ９０４ 混合配管、 ９０５ 反応炉、 ９１０ 光学露天計（水分濃度計）、 ９１１ ガルバニ電池式酸素計、 ９１２ ガスクロマトグラフィー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素と酸素を反応させ水分を発生させる
   方法において、 水素および酸素を混合し第一の混合ガスを作製する混合
   ガス作製工程ａ１と、 水素と酸素とを反応せしめる触媒作用を有する材料で構
   成された反応管内に該第一の混合ガスを導入するととも
   に、該反応管内にて水素と酸素とを反応させ水分を発生
   させる水分発生工程ｂ１とからなることを特徴とする水
   分発生方法。
2. 【請求項２】 前記第一の混合ガスとして酸素に対する
   水素の比率を２以上としたガスを用い、前記水分発生工
   程ｂ１により発生した第二の混合ガスに、該第二の混合
   ガスに含まれる水素に対する酸素の比率が０．５以上に
   なる酸素を混合し第三の混合ガスを作製する混合ガス作
   製工程ａ２と、 水素と酸素とを反応させる触媒作用を有する材料で構成
   された反応管内に該第三の混合ガスを導入するととも
   に、該反応管内にて水素と酸素とを反応させ水分を発生
   させる水分発生工程ｂ２とからなることを特徴とする請
   求項１に記載の水分発生方法。