(57)【要約】      （修正有）【課題】安全に水素を燃焼処理するとともに、構造が簡単で小型で処理効率のすぐれた水素燃焼装置を提供する。【解決手段】二重管構造の外側を構成する外筒１と、二重管構造の内側を構成し、多孔金属板により形成された内筒２と、貴金属を球形のセラミック担体表面に担持させ、ペレット状に形成し内筒２内に充填した水素燃焼触媒４と、内筒２の中心に挿入し多孔金属板により形成されたインサート管３と、インサート管３と内筒２との間に設置し、水素燃焼触媒４を触媒反応温度以上の雰囲気に予熱するための予熱用ヒーター５と、インサート管３に接続した水素導入口８と、外筒１と内筒２との間の外筒１の下部に設けた空気導入口９とよりなり、水素燃焼用の空気を熱対流により水素燃焼触媒の充填層と外部との差圧によるドリフト効果により供給し、水素を燃焼処理する。【選択図】図１
2008139005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二重管構造の外側を構成する外筒１と、前記二重管構造の内側を構成し、多孔金属板により形成された内筒２と、貴金属を球形のセラミック担体表面に担持させ、ペレット状に形成し、前記内筒２内に充填した水素燃焼触媒４と、前記内筒２の中心に挿入し、多孔金属板により形成されたインサート管３と、前記インサート管３と前記内筒２との間に設置し、前記水素燃焼触媒４を触媒反応温度以上の雰囲気に予熱するための予熱用ヒーター５と、前記インサート管３に接続した水素導入口８と、前記外筒１と前記内筒２との間の前記外筒１の下部に設けた空気導入口９とよりなり、前記水素導入口８から前記インサート管３を介して前記内筒２内に供給された水素が、前記空気導入口９より前記外筒１と前記内筒２との空間を介して前記内筒２内に導入された空気と、前記予熱用ヒーター５により触媒反応温度以上の雰囲気に予熱された水素燃焼触媒４の触媒作用とにより燃焼され、安全な水蒸気として排出することを特徴とする水素燃焼装置。
【請求項２】
前記インサート管３の管頂部の位置を前記内筒２の底辺よりその５０〜９０％の高さに位置せしめたことを特徴とする請求項１に記載の水素燃焼装置。
【請求項３】
前記インサート管３の管頂部に無孔の金属板よりなる蓋１０を設け、管内上部に、前記内筒２内に充填した水素燃焼触媒４と同種の触媒１１を、インサート管３の管頂部からインサート管３の管長の１０〜５４％に相当する部分まで充填したことを特徴とする請求項１または２に記載の水素燃焼装置。
【請求項４】
前記内筒２の筒径を前記外筒１と前記内筒２との空隙が前記外筒１の筒径の５〜１７％となるようにしたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の水素燃焼装置。
【請求項５】
前記予熱用ヒーター５の高さを前記インサート管３の管頂部位置と同じ高さ若しくはそれ以上としたことを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の水素燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素燃焼触媒により水素を燃焼処理する水素燃焼装置に関するものである。燃焼する供給水素ガスの種類に制限はないが、例えば、燃料電池稼動時に発生する過剰水素や、半導体プロセスにおける成膜時の雰囲気水素、水電解装置による電気分解により副生する水素、及び化学反応等のプロセスから副生する水素等の余分な水素を安全に反応させ、水蒸気としてプロセスから排出するのに好適な水素燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種プロセスで副生される水素は高い爆発危険性及び漏洩性を持つことより、専用の排気配管を設けて大気放出すること、またはブロア等で燃焼範囲下限以下まで空気と混合することにより希釈させて共通排気ラインに放出することが一般的である。
しかしながら、これらの方法では別途水素排気用配管の敷設及びブロア等の機器の設置並びに安全性を確保する為の排気システムの導入等、別途設置スペース及び設備投資が必要となる。大規模なプラント設備では、該設備及びシステムの設置は止むを得ないが、小規模なプロセスでは水素を安全且つ簡便に処理することが求められていた。
【０００３】
これを解決するため、従来、各種の水素燃焼装置が提案されている。この従来装置としては、例えば、図７に示す如く、ブロワー１０で空気を送り、この空気中に水素を吹き込んで混合させ、この混合ガスをペレット状、粒状、ハニカム状等の触媒担持体の充填された処理層１１を通過させ、その間に水素を燃焼させるようにした装置が知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、従来の他の水素燃焼処理装置としては、図８に示すように、触媒を担持しほぼ均一に開口した微小多孔質の膜状体１２、その両面に形成された水素室１３及びダクト部１４を有し、水素室１３内には、水素分配ノズル１５を有しており、膜状体１２は、１０〜１００μｍ程度の細かいメッシュのステンレス製フィルターの表面に白金等の触媒を担持した構造のものが用いられている。この装置においては、ノズル１５には水素が導入され、一方、ダクト部１４には、ファン１６によって空気が強制的に流されている。水素は、ノズル１５で水素室１３に分散供給され、膜状体１２で微小同流量に分流され、通過時に触媒と接触すると共に、ダクト部１４を流れる空気と混合し、燃焼処理されている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】実開平３−３８５２３号公報
【特許文献２】特開２０００−２９１９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置では、水素と空気とを予め混合し、水素が希薄で水素に対して流量が大幅に増加した混合気体を処理層１１に供給するようにしているため、混合気体が触媒層を通過するときに大きな通過抵抗が生じ、高い圧力のターボ式ブロワーを使用しなければならならないと共に、触媒量も多くなり、装置が大型化してコスト高になるという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２の装置では、水素燃焼触媒として、ペレット状の触媒ではなく、１０〜１００μｍ程度の細かいメッシュのステンレス製フィルターの表面に白金等の触媒を担持した構造の膜状態の触媒を用いているが、水素燃焼装置内の空気の対流が悪く、水素燃焼装置内の温度が水素燃焼に必要な温度まで上がらない。このため、水素の燃焼反応を効率よく行うためには、水素燃焼装置のダクト部１４に、ファン１６用いて、水素燃焼用の空気を強制的に送り込む必要があり、大きな動力と設備を必要としていた。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記の従来方法の欠点を解消し、水素を水素燃焼装置に供給する際、導入する水素を燃焼範囲下限まで空気と希釈混合させるプレミキシングをすることなく、純水素の状態で装置に供給するとともに、反応に必要な空気は、熱対流により水素燃焼触媒の充填層と外部との差圧発生でドリフトにより供給されるので、反応空気を強制的に供給するブロア及びファンを不要とし、安全に水素を燃焼処理できるとともに、かつ、インサート管３の上部側面から内筒２内に吹出る水素の流出量を抑え、インサート管３の全面から比較的均一に水素が吹き出るようにし、併せて、内筒２に充填する触媒と外筒１と内筒２の空隙内に流れ込む空気のバランスの最適化を図ることにより、最大の水素処理能力を得ることができる、構造が簡単で小型で処理効率のすぐれた水素燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、二重管構造の外側を構成する外筒１と、前記二重管構造の内側を構成し、多孔金属板により形成された内筒２と、貴金属を球形のセラミック担体表面に担持させ、ペレット状に形成し、前記内筒２内に充填した水素燃焼触媒４と、前記内筒２の中心に挿入し、多孔金属板により形成されたインサート管３と、前記インサート管３と前記内筒２との間に設置し、前記水素燃焼触媒４を触媒反応温度以上の雰囲気に予熱するための予熱用ヒーター５と、前記インサート管３に接続した水素導入口８と、前記外筒１と前記内筒２との間の前記外筒１の下部に設けた空気導入口９とよりなり、前記水素導入口８から前記インサート管３を介して前記内筒２内に供給された水素が、前記空気導入口９より前記外筒１と前記内筒２との空間を介して前記内筒２内に導入された空気と、前記予熱用ヒーター５により触媒反応温度以上の雰囲気に予熱された水素燃焼触媒４の触媒作用とにより燃焼され、安全な水蒸気として排出することを特徴とする水素燃焼装置を構成したことにある。
【００１０】
また、第２の課題解決手段は、前記インサート管３の管頂部の位置を前記内筒２の底辺よりその５０〜９０％の高さに位置せしめたことにある。
【００１１】
また、第３の課題解決手段は、前記インサート管３の管頂部に無孔の金属板よりなる蓋１０を設け、管内上部に、前記内筒２内に充填した水素燃焼触媒４と同種の触媒１１をインサート管３の管頂部からインサート管３の管長の１０〜５４％に相当する部分まで充填したことにある。
【００１２】
また、第４の課題解決手段は、上記水素燃焼装置において、前記内筒２の筒径を前記外筒１と前記内筒２との空隙が前記外筒１の筒径の５〜１７％としたことにある。
【００１３】
また、第５の課題解決手段は、上記水素燃焼装置において、前記予熱用ヒーター５の高さを前記インサート管３の管頂部位置と同じ高さ若しくはそれ以上としたことにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、水素燃焼触媒により水素を燃焼処理する水素燃焼装置に関するものであり、燃焼する供給水素ガスの種類に制限はないが、燃料電池稼動時に発生する過剰水素や、半導体プロセスにおける成膜時の雰囲気水素、水電解装置による電気分解により副生する水素、及び化学反応等のプロセス等で副生される不要な水素の燃焼に適用できる、特に、比較的副生水素流量の少ない電解オゾンガス及び電解オゾン水製造装置の水素の燃焼に好適である。
更に、本発明によれば、水素を水素燃焼装置に供給する際、導入する水素を燃焼範囲下限まで空気と希釈混合させるプレミキシングをすることなく、純水素の状態で装置に供給するとともに、反応に必要な空気を、熱対流により水素燃焼触媒の充填層と外部との差圧発生でドリフト効果により供給することにより、反応空気を強制的に供給するブロア及びファンを不要とし、かつ、インサート管３上部側面から内筒２内に吹出る水素の流出量を抑え、インサート管３の側面前面から比較的均一に水素が吹き出るようにし、併せて、内筒２に充填する触媒と外筒１と内筒２の空隙内に流れ込む空気のバランスの最適化を図ることにより、最大の水素処理能力を得ることができる、構造が簡単で小型で処理効率のすぐれた水素燃焼装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。
図１は、本発明による水素燃焼装置の全体図、図２は、その上部の構造の詳細図を示したものであり、１は、二重管構造の外側を構成する外筒、２は、前記二重管構造の内側を構成し、多孔金属板により形成された内筒、３は、前記内筒２の中心に挿入し、多孔金属板により形成されたインサート管、４は、白金、パラジウム等の貴金属の１種又は２種以上の合金、混合物等を球形のアルミナ等のセラミック担体表面に担持させ、ペレット状に形成し前記内筒２内に充填した水素燃焼触媒、５は、前記インサート管３と内筒２の内側に装着し、水素燃焼触媒４を触媒反応温度以上の雰囲気に予熱するための予熱用ヒーター、６は、温度調整用熱電対、７は、内筒２の上部に設けられた多孔金属板で形成された蓋、８は、インサート管３に接続した水素導入口、９は、外筒１と内筒２との間に水素燃焼用の空気を取り入れるため、外筒１の下部に設けた空気導入口である。
【００１６】
本発明によれば、電気分解又は化学反応等のプロセスにより副生される水素は、ブロア等で濃縮又は加圧されることなく、純水素状態で、水素導入口８から多孔金属板により形成されたインサート管３より多孔金属板により形成された内筒２内に供給され、水素の燃焼反応に必要な空気は、空気導入口９より、外筒１と内筒２との空間を介して内筒２内に導入される。また、水素燃焼触媒４は、予熱用ヒーター５により触媒反応温度以上の雰囲気に予熱され、内筒２内に導入された水素と空気は、触媒反応温度以上の雰囲気に予熱された水素燃焼触媒４の触媒作用とにより反応し、安全な水蒸気として排出される。この場合、水素は、希釈されていない純水素であるので、水素濃度を爆発下限以下に希釈させた状態での触媒燃焼処理方法とは異なり、内筒２に水素と反応させるのに十分な量の酸素を含んだ空気を導入することが必要である。
【００１７】
水素燃焼触媒を充填している内筒２は、多孔金属板で形成されており、内筒２内の水素の気流によって生じる負圧効果により、空気は、ドリフト効果により内筒２内に供給される。水素燃焼装置の外筒１と内筒２の間には、内筒２の側面から内筒２内に空気を導入する為の適度な空隙が設けられている。その空隙は、水素燃焼装置の小型化及び外筒への熱輻射等を勘案して、外筒１と内筒２との間隔は、外筒１の径の５〜１７％の大きさが好ましい。
【００１８】
また、空気が供給された状態であっても触媒反応温度以上の雰囲気でなければ触媒燃焼は起こらない為、内筒２に充填している触媒を該温度以上まで予熱する必要が生じる。その為、内筒２の底面に設けられた取付座を介して、棒状の予熱用ヒーター５及び温度調節用熱電対６が内筒２内に挿入されている。棒状の予熱用ヒーター５の本数、熱容量及びヒーター長により充填触媒を該温度まで昇温する時間が変動する為、妥当なヒーター本数、熱容量及びヒーター長を選定する。その場合、装置の電力消費量及びヒーター寿命等を考慮に入れられる。
【００１９】
充填する水素燃焼触媒４は、球形のセラミック担体表面に貴金属を担持させたペレット状触媒を使用する。これは多方向からの空気の拡散を促進させる為である。尚、一般的に粒径が小さい程、処理ガスと触媒との接触面積が大きくなるものであるが、該装置においては内筒内に空気を供給する為、適正な粒径を選択する必要があり市井品の粒径種類の関係上、平均粒径は６ミリメートルが好ましい。また、セラミックに担持させる貴金属の種類は、一般的な酸化触媒に使用されるもので十分であり、例えば白金及びパラジウム若しくは両方を混合したものが好ましい。
【００２０】
また、内筒２内への水素の供給は、水素を内筒２内に均一に拡散させる目的で内筒２と同様に多孔金属板で形成したインサート管３によって行われる。このインサート管３の管長、管径等によって水素処理量が変動するので、最適な形状を選定する必要がある。このインサート管３の管長については、管長が短く管頂部位置が低い場合、インサート管３の水素吹出表面積が小さくなり、インサート管３から内筒２内に吹出る水素の流速が速くなる為、水素が触媒と十分に接触できず、未反応のまま内筒２側面から漏洩してしまう現象が生じる。しかも、この場合、インサート管３の上部に位置する触媒も反応利用率が低い状況となってしまう。
【００２１】
逆に、インサート管３の管長が、必要以上に長く、管頂部位置が高い場合、水素のインサート管３の水素吹出表面積が大きくなり、インサート管３から内筒２内に吹出る水素の流速を小さく抑えることができ、且つ内筒２の高さ方向でも水素吹出の均一化が図れるが、インサート管３の水素吹出位置と内筒出口との距離が近くなり、水素が未反応のまま内筒２出口から漏洩してしまうおそれがある。
【００２２】
よって、最大限の水素処理能力を得る為には、インサート管３から内筒２内に吹出る水素の流速、インサート管３からの水素吹出位置、インサート管３管頂部と内筒２出口との距離等のバランスを考慮することが肝要であり、最大の水素処理能力を得るには、多くの実験の結果、図３に示すとおり、インサート管３の管頂部位置が、内筒２の底辺からの高さの５０〜９０％の位置にあることが判明した。この領域は、多くの実験結果から得られたものである。
【００２３】
また、本発明においては、第４図に示すように、前記インサート管３の管内上部に、前記内筒２内に充填した水素燃焼触媒４と同種の水素燃焼触媒１１を充填することもできる。該水素燃焼触媒１１は、白金、パラジウム等の貴金属の１種又は２種以上の合金、混合物等を球形のアルミナ等のセラミック担体表面に担持させ、ペレット状に形成した水素燃焼触媒であって、前記インサート管３の管頂部から充填し、平織メッシュ１２によって、インサート管３内に保持してある。この触媒１１は、前記内筒２内に充填した水素燃焼触媒と同一又は類似の触媒である。
【００２４】
本発明によれば、インサート管３の上部には無孔の金属板よりなる蓋１０をし、インサート管３側面から水素が吹出すように構成されているので、水素処理能力向上に効果があるとともに、本発明によれば、更にインサート管３の管内上部に該内筒に充填している触媒と同様の触媒１１を該インサート管３内の上部に充填し、ＳＵＳ３０４製の平織メッシュ１２を用いて、充填した触媒１１が管内で移動や落下しないような形で触媒を固定している。平織メッシュ１２で触媒１１を固定するのは、触媒充填部にも水素が流入しなければならない為であり、平織メッシュに限定するものではない。
【００２５】
インサート管３内では、水素はガス比重と煙突効果から上昇直線移動性が高く、水素はインサート管３上部から流出する傾向がある。そこで、本発明によれば、インサート管３内に触媒１１を充填することによって、触媒充填部では未充填時と比較して管内の圧損が上昇し、その結果未充填時よりも、水素のインサート管３の側面から吹出る範囲が高さ方向で広範になり、内筒２内に吹出る水素の量がインサート管３側面で均一化することになる。
【００２６】
但し、インサート管３の管長に占める触媒充填範囲が小さい場合は、その効果を十分得ることができず、逆に大きい場合は管内圧損が過剰に上昇し、インサート管からの水素吹出位置が最適位置よりも低い位置に移行してしまうことにより、性能低下を引き起こす。
【００２７】
よって、最大限の水素処理能力を得る為には、多くの実験の結果、インサート管３内の上部からインサート管３の管長の１０〜５４％に当たる箇所まで触媒１１を充填すればよいことが判明した。この領域は、多くの実験結果ら得られたものであり、その結果は、後述する実施例に記載の通りであり、１０％以下及び５４％以上では、水素の燃焼効率が不十分であった。
【００２８】
一方、当然ながら触媒量を増量することで処理できる水素量も増加するが、該水素燃焼装置は外筒と内筒との空隙に流入する空気を内筒側面から内筒内に取込んでいる為、該空隙が過度に狭い場合、流入空気量が減少し水素と反応するに十分な空気量を確保できなくなってしまう。よって、流入空気量が欠乏しない範囲で内筒径を大きくし、内筒内に充填する触媒量を増量する方法は水素処理能力の向上に有効である。
【００２９】
また、装置に流入する水素量が多くなると、インサート管３から内筒２内に吹出す水素の流速が上昇し、吹出した水素が触媒と十分に接触できず、未反応のまま内筒側面から漏洩してしまう現象が生じる。該現象を防止する為には、内筒２の径を大きくし、インサート管３と内筒２側面までの距離を延長することは有効である。
【００３０】
本発明者による多くの実験による検討の結果、最大の水素処理量を得るには、後述する実施例に示すとおり、内筒２の筒径を外筒１と内筒２との空隙が該外筒１の筒径の５〜１７％になるようにすればよいことが判明した。
【００３１】
また、挿入した予熱用ヒーター５の高さはインサート管３の管頂部位置と同じ高さ若しくはそれ以上が好ましい。もし、挿入した予熱用ヒーター５の高さが低いと、水素処理開始直後の装置立上時には、水素吹出位置近傍の触媒温度が反応するに十分な温度でなければ、水素処理開始時に多量の水素漏洩が発生する。即ち、予熱用ヒーター５の高さがインサート管３の管頂部より低い場合、予熱用ヒーター５の高さより上部に充填している触媒は、予熱による昇温が見込まれない為、水素処理開始直後にインサート管３から内筒２内に吹出す水素ガスの内、予熱用ヒーター５の高さより上部の位置から吹出す水素は、該位置の触媒温度が低温であることから、未反応のまま漏洩を許すことになる。
【００３２】
また、インサート管３を形成する多孔金属板の孔径は、インサート管３を形成する多孔金属板の孔が水素燃焼触媒４により閉塞されないよう、水素燃焼触媒４の触媒径よりも小さくしなければならない。水素燃焼触媒４としては、直径４ｍｍないし６ｍｍのものが好ましく、インサート管３を形成する多孔金属板の孔は、その穴径を当然水素燃焼触媒４より小さくすると共に、穴のピッチが充填触媒とずれるように非整数倍のピッチとしたり、アットランダムに空けたりすることが好ましい。尚、これらの条件を満足するのであれば、インサート管３を形成する多孔金属板は、パンチングメタル、平織板及び金属繊維焼結体等が利用でき、特に形状を限定するものではなく、楕円形、矩形、若しくは網型とすることができる。
【００３３】
更に、本発明による水素燃焼装置を構成する部品の材質は、装置内が燃焼反応によって高温雰囲気になること、水素雰囲気になること及び水蒸気の発生する雰囲気となることより、耐熱性、耐水素脆性及び耐腐食性に富んだものによって構成されている。これらの要求される耐久性に加え、コスト面及び加工性等を勘案すると、その材質は、ＳＵＳ３０４等が好ましい。
【００３４】
水素燃焼触媒４を充填した内筒２内に水素を流入することにより、触媒燃焼によって水素は外部から取込んだ空気中の酸素と反応し、水蒸気となり、発生した水蒸気は対流により、装置上部の出口より排気される。尚、排気水蒸気は処理する水素量及び運転時間によっては高温になる為、火傷及び熱損対策を講じる必要がある。また、水素処理反応による内筒の外筒への熱輻射で、外筒表面温度も高温になる為、断熱材による被覆も必要となる。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の実施例を説明する。但し、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＞
図１及び図２に示す本発明装置において、筒径１００ミリメートル、筒長４５０ミリメートルの内筒２内に、白金及びパラジウムを担持した平均球径６ミリメートルの球形状の水素燃焼触媒４を約３リットル充填した。インサート管３の管長及び管径は、それぞれ２６０ミリメートル、４５ミリメートルとした。この条件にて本発明装置を運転した結果、流入水素流量を４．２ＮＬ／分とした場合、装置出口の水素濃度は、０ｐｐｍとなり、水素は、完全に燃焼され、水蒸気として安全に排出された。
【００３７】
＜実施例２＞
図１及び図２に示す本発明装置において、パンチングメタルで形成した筒径１００ｍｍ、筒長４５０ｍｍの内筒２内に、白金及びパラジウムをセラミック担体表面に担持した平均球径６ｍｍの球形状水素燃焼触媒４を約３リットル充填した。この時、インサート管３は、内筒２と同様にパンチングメタルで形成した。このインサート管３の孔の形状は、丸型とし、その孔径は、３ｍｍとした。このインサート管３の管径を４５ｍｍとして、管長がそれぞれ８０ｍｍ、２２５ｍｍ、２６０ｍｍ、３００ｍｍ、３５０ｍｍ、４０５ｍｍ、４２０ｍｍの計７種類のインサート管３でそれぞれ内筒内触媒を予熱用ヒーター５で所定温度まで昇温し、昇温後に電解オゾン水製造装置より副生された水素をインサート管３より内筒内に流入した。また、予熱用ヒーター５の高さは、インサート管３の管頂部位置と同じ高さとした。
尚、水素燃焼装置に流入する水素の流量は、電解オゾン水製造装置の電解電流値を設定することで制御した。
インサート管３の管長と水素燃焼装置の水素処理能力との関係を、表１及び図３に示す。
【００３８】
【表１】
2008139005.tif 000003
【００３９】
ここで縦軸の装置の水素処理能力とは、装置出口直後での水素センサーによる測定にて水素の検出なく、完全に水素を水蒸気として処理できる最大の水素流量であるが、表１及び図３からインサート管３の管頂部位置が内筒２高さの５０％に当たる管長２２５ｍｍから同様に内筒２の高さの９０％に当たる管長４０５ｍｍの間で水素処理能力がピークとなることが確認できた。
【００４０】
＜実施例３＞
図４に示す本発明装置を用いて本発明を実施した。
パンチングメタルで形成した筒径１００ｍｍ、筒長４５０ｍｍの内筒２内に、白金及びパラジウムをセラミック担体表面に担持した平均球径６ｍｍの球形状水素燃焼触媒４を約３リットル充填した。この時、インサート管３は、内筒２と同様にパンチングメタルで形成した。このインサート管３の孔の形状は、丸型とし、その孔径は、３ｍｍとした。このインサート管３の管径を４５ｍｍとして、管長を４２０ｍｍとし、内筒内触媒を予熱用ヒーター５で所定温度まで昇温し、昇温後に電解オゾン水製造装置より副生された水素をインサート管３より内筒内に流入した。また、予熱用ヒーター５の高さは、インサート管３の管頂部位置と同じ高さとした。また、外筒１は、ＳＵＳ３０４金属板により形成し、その筒径を１５０ｍｍとした。
この時、インサート管３の管頂部に無孔の金属板よりなる蓋１０をし、インサート管３内に管頂部からそれぞれ、４２ｍｍ、７０ｍｍ、１２０ｍｍ、１５０ｍｍ、２２５ｍｍ、４２０ｍｍまで、白金及びパラジウムをセラミック担体表面に担持した平均球径６ｍｍの球形状水素燃焼触媒１１を充填した。これらの触媒１１および内筒２内の触媒４を予熱用ヒーター５で１２０℃まで昇温し、昇温後に電解オゾン水製造装置より副生された水素を該インサート管より内筒内に流入した。インサート管３の長さを４２０ｍｍとしたとき、インサート管３内に管頂部から４２ｍｍ、７０ｍｍ、１２０ｍｍ、１５０ｍｍ、２２５ｍｍ、４２０ｍｍの位置は、インサート管３の管頂部からインサート管３の管長のそれぞれ、１０％、１７％、２９％、３６％、５４％、１００％に相当する。尚、装置に流入する水素の流量は、電解オゾン水製造装置の電解電流値を設定することで制御した。
インサート３管内の触媒充填位置と本発明による装置の水素処理能力との関係を、表２及び図５に示す。ここで縦軸の装置の水素処理能力とは、装置出口直後での水素センサーによる測定にて水素の検出なく、完全に水素を水蒸気として処理できる最大の水素流量であるが、表２及び図５からインサート管３内に管頂部からインサート管３の管長のそれぞれ１０％に相当する４２ｍｍから５４％に相当する２２５ｍｍの間で水素処理能力が６．８ＮＬ／分以上となり、最も効率が良くなることが判明した。
【００４１】
【表２】
2008139005.tif 000004
【００４２】
＜実施例４＞
図４に示す本発明装置において、パンチングメタルで形成した筒径１００ｍｍ、筒長４５０ｍｍの内筒２内に、白金及びパラジウムをセラミック担体表面に担持した平均球径６ｍｍの球形状触媒１１を約３Ｌ充填し、同様にパンチングメタルで形成し、管頂部を金属板で蓋をしたインサート管３の管長及び管径をそれぞれ３５０ｍｍ、３８ｍｍとした。この時、インサート管３の管頂部に無孔の金属板よりなる蓋１０をし、インサート管３内に管頂部から４２ｍｍまで、白金及びパラジウムをセラミック担体表面に担持した平均球径６ｍｍの球形状水素燃焼触媒１１を充填した。そして、インサート管３内の触媒１１及び内筒２内触媒４を予熱用ヒーター５で１２０℃まで昇温し、昇温後に電解オゾン水製造装置より副生された水素を該インサート管より内筒内に流入した。外筒１はＳＵＳ３０４金属板で形成したものであり、その筒径を１５０ｍｍとした。この条件での外筒１と内筒２との空隙は、該外筒径の約１５％になっている。これは、以下の計算式で求められる。１５０ｍｍ−１００ｍｍ＝５０ｍｍ、５０ｍｍ÷２＝２５ｍｍ、２５ｍｍ÷１５０ｍｍ×１００＝１７％
また、同様にパンチングメタルで形成した筒径１３３ｍｍ、筒長４５０ｍｍの内筒２内に、白金及びパラジウムをセラミック担体表面に担持した平均球径６ｍｍの球形状触媒１１を約５．４Ｌ充填し、管頂部を金属板で蓋をしたインサート管３の管長及び管径をそれぞれ３５０ｍｍ、３８ｍｍとした。インサート管３には、インサート管３内に管頂部から４２ｍｍまで、白金及びパラジウムをセラミック担体表面に担持した平均球径６ｍｍの球形状水素燃焼触媒１１を充填した。そして、インサート管３内の触媒１１及び内筒２内の触媒４を予熱用ヒーター５で１２０℃まで昇温し、昇温後に電解オゾン水製造装置より副生された水素を該インサート管より内筒内に流入した。
尚、外筒１は上記と同様であり、この条件での外筒１と内筒２との空隙は、該外筒径の約５％になっている。これは、以下の計算式で求められる。１５０ｍｍ−１３３ｍｍ＝１７ｍｍ、１７ｍｍ÷２＝８．５ｍｍ、８．５ｍｍ÷１５０ｍｍ×１００＝５％
尚、装置に流入する水素の流量は、電解オゾン水製造装置の電解電流値を設定することで制御している。
内筒２の筒径と本発明による装置の水素処理能力との関係を、表３及び図６に示す。ここで縦軸の装置の水素処理能力とは、装置出口直後での水素センサーによる測定にて水素の検出なく、完全に水素を水蒸気として処理できる最大の水素流量であるが、表３及び図６から内筒２の筒径を外筒１と内筒との空隙が該外筒１の筒径の１７％になる内筒径である１００ｍｍから、該空隙が該外筒径の５％になる内筒径である１３３ｍｍ間で、水素処理能力がピークとなることが判明した。
【００４３】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、水素燃焼触媒により水素を燃焼処理する水素燃焼装置に関するものであり、燃焼する供給水素ガスの種類に制限はないが、燃料電池稼動時に発生する過剰水素や、半導体プロセスにおける成膜時の雰囲気水素、水電解装置による電気分解により副生する水素、及び化学反応等のプロセス等で副生される不要な水素の燃焼に適用できるが、特に、比較的副生水素流量の少ない電解オゾンガス及び電解オゾン水製造装置の水素の燃焼に好適である。
本発明によれば、水素を水素燃焼装置に供給する際、導入する水素を燃焼範囲下限まで空気と希釈混合させるプレミキシングをすることなく、各プロセスで廃棄物となった水素をそのまま装置に供給する。水素との反応に必要な空気は、濃度拡散と熱対流により水素燃焼触媒の充填層と外部との差圧発生でドリフトにより供給されるので、反応空気を強制的に供給するブロア及びファンを不要とし、安全に水素を燃焼処理できるとともに、構造が簡単且つ小型で処理効率のすぐれた水素燃焼装置を提供することが出来る。
更に、本発明によれば、インサート管３内の上部からインサート管３の管長の１０〜５４％に当たる箇所まで触媒１１を充填することにより、最大限の水素処理能力を得ることが出来る。
更に、本発明によれば、インサート管３の管内上部に内筒２に充填している触媒と同様の触媒をインサート３管内の管頂部からインサート管３の管長の１０〜５４％に当たる箇所まで充填することにより、インサート管３上部側面から内筒内に吹出る水素の流出量を抑え、インサート管３側面全面から比較的均一に水素が吹出るようにすることができる。
更に、本発明によれば、内筒の筒径を外筒と内筒との空隙が該外筒径の５〜１７％とすることにより、内筒２に充填する触媒量と空隙に流れ込む空気量とのバランスを最適化することで水素処理能力を向上させることができ、構造が簡単で小型で処理効率のすぐれた水素燃焼装置を提供することが出来る。
更に、本発明によれば、挿入した予熱用ヒーター５の高さはインサート管３の管頂部位置と同じ高さ若しくはそれ以上とすることにより、水素を効率よく燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による水素燃焼装置の全体図。
【図２】本発明による水素燃焼装置の上部の構造を示す図。
【図３】インサート管３の管長と水素燃焼装置の水素処理能力との関係を示す図。
【図４】本発明による水素燃焼装置の他の例の全体図。
【図５】本発明による水素燃焼装置の水素処理能力とインサート管の触媒充填位置との関係を示す図。
【図６】本発明による水素燃焼装置の水素処理能力と内筒径との関係を示す図。
【図７】従来の水素燃焼装置を示す図。
【図８】他の従来装置の水素燃焼装置を示す図。
【符号の説明】
【００４６】
１：外筒
２：内筒
３：インサート管
４：水素燃焼触媒
５：予熱用ヒーター
６：温調用熱電対
７：内筒２の蓋
８：水素導入口
９：空気導入口
１０：無孔の金属板よりなる蓋
１１：水素燃焼触媒
１２：平織メッシュ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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