ガス分解装置及び発電装置
【課題】筒状ＭＥＡ内を流れるガスの温度を高めて分解効率をより高めることができるとともに、外部配管やこれを接続する接続部材、及びこれらの間に設けられるシール構造が熱により損傷するのを防止し、さらに製造コストを低減させることを課題とする。
【解決手段】筒状の固体電解質層１と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層２と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層５とを有する筒状ＭＥＡ７を用いて構成されるガス分解装置１００であって、ガスを上記筒状ＭＥＡ内に出入りさせる接続部材３０と、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器５１とを備え、上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部４１を設け、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けて構成されている。
【解決手段】筒状の固体電解質層１と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層２と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層５とを有する筒状ＭＥＡ７を用いて構成されるガス分解装置１００であって、ガスを上記筒状ＭＥＡ内に出入りさせる接続部材３０と、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器５１とを備え、上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部４１を設け、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けて構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ガス分解装置及び発電装置に関する。詳しくは、所定のガスを効率良く分解することができるガス分解装置、このガス分解装置を備える発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、アンモニアは農業や工業に不可欠の化合物であるがヒトには有害であるため、水中や大気中のアンモニアを分解する種々の方法が知られている。高濃度のアンモニアを含む水からアンモニアを分解除去するために、アンモニア水を噴霧するとともに空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離し、次亜臭素酸溶液又は硫酸と接触させる方法が提案されている（特許文献１）。また、上記方法と同じプロセスで空気中にアンモニアを分離して触媒により燃焼させる方法（特許文献２）や、アンモニア含有排水を、触媒を用いて、窒素と水に分解する方法が提案されている（特許文献３）。さらに、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれることが多く、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ｐｐｍオーダーにまで除去する必要がある。この目的のために、半導体装置の廃ガス放出の際にスクラバーを通して、薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。一方、エネルギや薬品等の投入なしに安価なランニングコストで有害ガスを分解するために、リン酸燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置等における廃ガス処理の方法も提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１９６６号公報
【特許文献２】特開平７−１１６６５０号公報
【特許文献３】特開平１１−３４７５３５号公報
【特許文献４】特開２００３−４５４７２号公報
【特許文献５】特許第３２３８０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているような中和剤等の薬液を用いる方法、特許文献２に記載されているような燃焼させる方法、特許文献３に記載されているような触媒を用いた熱分解反応による方法により、アンモニアを分解することはできる。ところが、これらの方法では、薬品や外部エネルギ（燃料）を必要とし、さらには、触媒を定期的に交換する必要があり、ランニングコストが大きくなるという問題がある。
【０００５】
また、装置が大掛かりとなり、既存の設備に付加的に設ける場合には、スペースを確保するのが困難である。また、リン酸型燃料電池を、化合物半導体製造の排気中のアンモニアの除去に用いる装置についても、電解質が液体であるため、空気側とアンモニア側との仕切りをコンパクトにできず、装置の小型化が難しいという問題があった。
【０００６】
上記問題を解決するため、特許文献５に記載されているように、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を採用することができる。上記筒状ＭＥＡの内側空間を、分解されるガスを含む気体が、軸方向に流動させられる。
【０００７】
上記ガスを分解するには、ガスを含む気体の温度をできるだけ高めて、上記筒状ＭＥＡの第１の電極層（燃料極）に作用させるのが好ましい。このため、上記筒状ＭＥＡの全体を加熱するヒータが設けられている。
【０００８】
従来の筒状ＭＥＡでは、両端部に接続部材を接続して、ガスを筒状ＭＥＡの内部空間で一方向に流動させるように構成されている。ところが、上述したように、筒状ＭＥＡの全体が高温に保持されるため、上記筒状ＭＥＡの両端部と上記接続部材との間のシール性能が低下しやすく、接続の信頼性が低いという問題があった。
【０００９】
また、上記筒状ＭＥＡを含むガス分解素子の全体が、上記加熱ヒータを設けた加熱容器内に設けられることになるため、上記接続部材やこれに接続される接続配管にも高い耐熱性が要求されることになる。このため、これらの間のシール構造や接続配管を高価な耐熱性材料で形成する必要があり、装置の製造コストを増加させる。
【００１０】
本願発明は、筒状ＭＥＡ内を流れるガスの温度を高めて分解効率をより高めることができるとともに、外部配管やこれを接続する接続部材、及びこれらの間に設けられるシール構造が熱により損傷するのを防止し、さらに製造コストを低減させることのできるガス分解装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の請求項１に記載した発明は、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を用いて構成されるガス分解装置であって、ガスを上記筒状ＭＥＡ内に出入りさせる接続部材と、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器とを備え、上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部を設け、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けて構成したものである。
【００１２】
本願発明に係るガス分解装置においては、高いガス分解性能を得るために、筒状ＭＥＡを高温に、たとえば、８００℃以上に保持する必要がある。このため、上記加熱容器が設けられるとともに、筒状ＭＥＡが上記加熱容器内に収容される。
【００１３】
本願発明では、上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部を設け、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けている。すなわち、上記接続部材を、上記加熱容器の外側であって、上記加熱容器から離れた位置に設けている。この構成によって、上記加熱容器内の筒状ＭＥＡから上記接続部材に伝導される温度が低下させられる。したがって、筒状ＭＥＡと上記接続部材間のシール性能の低下を防止し、ガス漏れ等を防止することができる。また、上記接続部材やこれに接続される配管に高い耐熱性が要求されることがなくなり、接続の信頼性が高まるとともに、製造コストを低減させることができる。
【００１４】
上記突出部の構成は、特に限定されることはない。請求項２に記載した発明のように、上記突出部を、上記筒状ＭＥＡの一部を、上記加熱容器から突出させて構成することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載した発明のように、上記突出部の一部又は全部を、上記筒状ＭＥＡと別部材から形成することができる。たとえば、上記筒状ＭＥＡに連続する筒状のセラミック部材を、上記筒状ＭＥＡの端部に接続して、上記突出部を形成することができる。
【００１６】
上記突出部を構成する別部材は、材料自体が耐熱及び断熱性を備えるもので形成するのが好ましい。ただし、断熱性は必須ではない。すなわち、上記接続部材に作用する温度を低減させることができれば、種々の材料を採用することができる。たとえば、耐熱性及び断熱性の高いセラミック等を採用することができる。また、ニッケル等の金属材料で上記突出部を形成した場合、上記突出部において、上記筒状ＭＥＡから伝導される熱を逃がして、上記接続部材や配管部材に作用する温度を低減させるように構成することもできる。
【００１７】
請求項４に記載した発明のように、上記突出部を冷却する冷却手段を設けることができる。上記冷却手段の構成は特に限定されることはない。たとえは、上記突出部に放熱フィン等を設けることができる。また、上記突出部に冷却用空気や冷却水を採用させて、冷却することもできる。これにより、上記突出部先端の温度を容易に設定することが可能となる。
【００１８】
また、上記突出部を上記筒状ＭＥＡと別部材で形成する場合には、冷却手段を突出部に一体形成することもできる。
【００１９】
請求項５に記載した発明のように、上記突出部先端の温度を、２０５℃以下となるように設定するのが好ましい。２０５℃を越える温度では、シール構造の耐熱性を確保するのが困難になる。上記温度範囲に設定する手段は、特に限定されることはない。上記冷却手段を用いて設定できる他、たとえば、上記突出部の長さを調節することにより、上記温度を設定することができる。上記設定温度は、接続部材間のシール構造の耐熱性、接続部材や接続配管の耐熱性に応じて設定することができる。
【００２０】
上記構成を採用することにより、上記開口端部と上記接続部材間のシール構造や上記接続部材が熱によって損傷等するのを防止することができる。また、上記接続部材や配管部材に耐熱性の低い部材を採用することが可能となり、製造コストを低減させることができる。
【００２１】
上記突出部を設けることにより、上記接続部材に作用する温度を大幅に低下させることができる。これにより、請求項６に記載した発明のように、上記接続部材を、樹脂材料から形成することが可能となる。上記樹脂材料の種類は特に限定されることはない。たとえば、テフロン樹脂（デュポン社の登録商標）等のフッ素樹脂を採用することができる。また、樹脂材料から上記接続部材を形成することにより、加工等を容易に行うことも可能となり、製造コストを低減させることができる。
【００２２】
上記筒状ＭＥＡの形態は特に限定されることはない。両端に開口端部を備え、ガスを一方法に流動させるように構成された筒状ＭＥＡを採用することができる。
【００２３】
また、請求項７に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡを、一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを備えて構成し、上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第１の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成することができる。
【００２４】
上記構成を採用することにより、ガスを出入りさせる接続部材を片側のみに設けることが可能となり、筒状ＭＥＡと上記接続部材とのシール構造も１か所に設ければ良い。したがって、接続の信頼性が高まる。また、部品点数や加工工程を低減させることができる。
【００２５】
また、上記構成を採用することにより、筒状ＭＥＡを流れるガスは、筒状ＭＥＡの筒長さの２倍の距離を流動させられることになる。このため、上記ガス誘導パイプ内でガスの温度を上昇させた後に、上記筒状ＭＥＡに作用させることができる。したがって、ガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。
【００２６】
上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する構成は特に限定されることはない。たとえば、上記筒状ＭＥＡの一端部を、上記固体電解質層を一体延出させて形成された底部によって封止することができる。上記底部は、成形及び焼結工程において筒状ＭＥＡと一体形成されるため、ガスが漏れ出る恐れはなく、筒状ＭＥＡの一端部を確実に封止することができる。
【００２７】
また、上記筒状ＭＥＡの一端部を、封止部材を筒状ＭＥＡの端部に嵌合させて封止することもできる。この構成を採用することにより、本願発明を従来の両端が開口された従来の筒状ＭＥＡに適用することが可能となる。
【００２８】
上記筒状ＭＥＡにおけるガスの出入り口は、分解前のガスと分解後のガスが混合しないように、二重構造を備える接続部材が設けられる。上記接続部材は、上記ガス誘導パイプに連通するガス導入部を備えるとともに、上記ガス誘導パイプの外周部を囲み、側部にガス排出部を有する環状の排気空間を備えて構成することができる。上記接続部材を採用することにより、上記筒状ＭＥＡの一方の側から、分解されるガスを含む気体を導入するとともに、分解されたガスを含む気体を排出することができる。
【００２９】
また、上記ガス誘導パイプを第１の電極層の集電体として利用することができる。すなわち、上記ガス誘導パイプを導電性材料から形成するとともに、上記第１の電極層に導通させられて、上記第１の電極層の集電体を構成することができる。
【００３０】
上記ガス誘導パイプを第１の電極層の集電体として利用することにより、ガス分解効率を高めることができるばかりでなく、筒状ＭＥＡ内のスペースを有効活用することができる。しかも、上記突出部内において、上記ガス誘導パイプに導通する配線を設けることができる。
【００３１】
上記ガス誘導パイプを構成する材料は特に限定されることはないが、分解するガスによって腐食等が生じない材料で形成する必要がある。たとえば、ステンレス、ニッケル、インコネル（スペシャルメタル社の登録商標）等のニッケル合金等の材料を用いて形成することができる。
【００３２】
上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させる手法は特に限定されることはない。たとえば、導電性を有する多孔質金属体を、上記筒状ＭＥＡ内周面と上記ガス誘導パイプ外周面の間に形成される筒状流路内に挿入して、上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させることができる。また、上記多孔質金属体を設けることにより、上記第１の電極層の内周面と上記ガス誘導パイプの外周面との間の筒状流路を確保することができるとともに、上記ガス誘導パイプを筒状ＭＥＡ内で位置決め保持することができる。
【００３３】
請求項８に記載した発明は、上記加熱容器内を通過するとともに、上記ガス誘導パイプに導かれるガスを予め加熱する予備加熱配管を備えるものである。
【００３４】
上記予備加熱配管を設けることにより、上記筒状ＭＥＡ内に導入される前に、上記予備加熱配管内で予備加熱される。このため、予備加熱されたガスが上記筒状ＭＥＡ内に導入されて、ガス分解に必要な所定の温度まで効率よく加熱することができる。このため、ガスの分解効率を増加させることができる。また、筒状ＭＥＡの長さを短く設定することも可能となる。
【００３５】
上記予備加熱配管は、上記筒状ＭＥＡごとに設けることもできるし、複数の筒状ＭＥＡに導入するガスを一の予備加熱配管によって予備加熱するように構成することもできる。
【００３６】
上記第１の電極層及び上記第２の電極層を構成する材料も特に限定されることはない。たとえば、請求項９に記載した発明のように、上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層を、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックスとを含む焼成体とすることができる。金属粒子連鎖体は、金属粒子が連なってできた数珠状の細長い金属体をいう。Ｎｉ、Ｆｅ含有Ｎｉ、もしくはＮｉ，Ｆｅ含有Ｎｉに微量Ｔｉを含む金属とするのがよい。Ｎｉなどは表面酸化された状態では、その金属粒子連鎖体の表面が酸化されており、中身（表層の内側の部分）は酸化されずに金属の導電性を保持している。
【００３７】
このため、たとえば固体電解質層内を移動するイオンが陰イオンの場合（陽イオンの場合もある）、次のような作用効果が生じる。
（Ａ１）金属粒子連鎖体を第１の電極層（アノード）に含有させた場合、第１の電極層（アノード）において、固体電解質層から移動してくる陰イオンと、第１の電極層（アノード）の外部から第１の電極層（アノード）へと導かれる気体中のガス分子との化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、かつ陰イオンを参加させて第１の電極層（アノード）での化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、その化学反応の結果、生じる電子の導電性を、金属粒子連鎖体の金属部分で確保することができる。この結果、第１の電極層（アノード）における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。金属粒子連鎖体を第１の電極層（アノード）に含有させた場合、第１の電極層（アノード）において、陽イオンたとえばプロトンを発生させて固体電解質層中を第２の電極層（カソード）へと陽イオンを移動させ、上記の電荷による促進作用を、同様に得ることができる。
ただし、金属粒子連鎖体の酸化層については、使用前は焼成処理によって確実に形成されているが、使用中に還元反応によって酸化層がなくなることが多い。酸化層がなくなっても、上記の触媒作用は減ずることはあってもなくなることはない。とくにＦｅやＴｉを含有させたＮｉは、酸化層がなくても触媒作用は高い。
（Ａ２）金属粒子連鎖体を第２の電極層（カソード）に含有させた場合、第２の電極層（カソード）において、第２の電極層（カソード）の外部から第２の電極層（カソード）へと導かれる気体中のガス分子の化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、かつ外部回路からの電子の導電性を向上させるとともに、当該電子を参加させて第２の電極層（カソード）での化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、当該分子から効率よく陰イオンを生じて、固体電解質層へと送り出すことができる。（Ａ１）と同様に、（Ａ２）の場合、固体電解質層中を移動してきた陽イオンと、外部回路を流れてきた電子と、第２の気体との電気化学反応を促進することができる。このため、上記第１の電極層（アノード）に含ませる場合と同様に、第２の電極層（カソード）における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。どのような場合に、金属粒子連鎖体を第２の電極層（カソード）に含ませるかは、分解対象のガスによって変わる。
（Ａ３）金属粒子連鎖体を第１の電極層（アノード）及び第２の電極層（カソード）に含有させた場合は、上記（Ａ１）および（Ａ２）の効果を得ることができる。
【００３８】
上記の電気化学反応は、イオンの固体電解質層を移動する速度または移動時間で律速される場合が多い。イオンの移動速度を大きくするために、上記のガス分解装置は、上記筒状ＭＥＡの全体を収容できる加熱機器たとえばヒータを備え、高温、たとえば６００℃〜１０００℃にするのが普通である。高温にすることで、イオン移動速度だけでなく、電極層での電荷授受をともなう化学反応も促進される。
【００３９】
固体電解質層を移動するイオンが陰イオンの場合は、上述のように、第２の電極層（カソード）での化学反応によって発生し、供給される。第２の電極層（カソード）において導入された流体中の分子と電子とが反応して陰イオンが生成する。生成した陰イオンは、固体電解質層中を第１の電極層（アノード）へと移動する。第２の電極層（カソード）での反応に参加する電子は、第１の電極層（アノード）と第２の電極層（カソード）とを連絡する外部回路（蓄電器、電源、電力消費機器を含む）から入ってくる。固体電解質層を移動するイオンが陽イオンの場合は、第１の電極層（アノード）での電気化学反応によって発生して固体電解質層中を第２の電極層（カソード）へと移動する。電子は、第１の電極層（アノード）で発生して外部回路を第２の電極層（カソード）へと流れて第２の電極層（カソード）での電気化学反応に参加する。上記電気化学反応は、燃料電池としての発電反応であってもよいし、または電気分解反応であってもよい。
【００４０】
請求項１０に記載した発明のように、固体電解質層を、酸素イオン導電性またはプロトン導電性を有する構成とすることができる。酸素イオン導電性の固体電解質を用いた場合、たとえば第２の電極層（カソード）で電子と酸素分子とを反応させて酸素イオンを生じさせ、この酸素イオンを固体電解質層内で移動させて第１の電極層（アノード）にて所定の電気化学反応を起こさせることができる。この場合、酸素イオンの固体電解質層中の移動速度はプロトンと比べて大きくないので、実用レベルの分解容量を得るには、温度を十分高める、及び／又は固体電解質層の厚みを十分薄くする、などの対策が必要である。
【００４１】
一方、プロトン導電性の固体電解質は、バリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）などが知られている。プロトン導電性の固体電解質を用いると、たとえば第１の電極層（アノード）でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子および電子を生じさせて、このプロトンを、固体電解質層を経て第２の電極層（カソード）へと移動させ、第２の電極層（カソード）において酸素と反応して水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので固体電解質層中の移動速度は大きく、加熱温度を低くして実用レベルの分解容量を得ることができる。
【００４２】
また、たとえば筒状ＭＥＡを用いてアンモニア分解を行うとき、酸素イオン導電性の固体電解質層では、水を筒状ＭＥＡの第１の電極層（アノード）で生成する反応となる。水は、温度が低い出口付近では水滴を形成して圧力損失の原因となる。これに対して、プロトン導電性の固体電解質層を用いると、プロトンと酸素分子と電子とが、第２の電極層（カソード）（外側）で生成する。外側はほぼ開放されているので、水滴となって付着しても圧力損失を生じにくい。
【００４３】
請求項１１に記載した発明のように、分解対象のガスを燃料とし、ガス分解装置を備えて発電装置を構成することもできる。
【発明の効果】
【００４４】
ガス分解効率が高く、またランニングコストが低く、また、ガス分解効率の高いガス分解装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本願発明の第１の実施形態に係るガス分解装置の先端側（封止側）を示す縦断面である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１のガス分解装置の電気配線系統を示す図である。
【図４】図１に示すガス分解装置の突出部側（開口端側）の縦断面図である。
【図５】本願発明の第２の実施形態に係るガス分解装置の要部の拡大縦断面図である。
【図６】図５に示すガス分解素子を複数本用いて構成したガス分解装置の縦断面図である。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本願発明の実施形態を、図を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス分解装置１００の縦断面図である。また図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。なお本実施形態では、特に分解に供される第１のガスをアンモニア含有ガスとした場合のガス分解装置について説明する。また、本実施形態では、１本の筒状ＭＥＡ７からなる一のガス分解素子１０からガス分解装置１００を構成したが、各々筒状ＭＥＡを備えて構成される複数のガス分解素子を一の加熱容器に内に配置してガス分解装置を構成することができる。
【００４７】
ガス分解素子１０は、円筒状の固体電解質層１の内面を覆うように第１の電極層（アノード）２が設けられると共に、外面を覆うように第２の電極層（カソード）５が設けられた筒状ＭＥＡ７（１、２、５）を備えて構成されている。第１の電極層（アノード）２は燃料極、また、第２の電極層（カソード）５は空気極と呼ばれることがある。
本実施形態では上記したように、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側には第１のガスとしてアンモニア含有ガスが流される。また、筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側には、第２のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。そして、上記第１のガスが流れる筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側の流路を第１のガス流路とする。また、上記第２のガスが流れる筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側の流路を第２のガス流路とする。
本実施形態に係る上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）は、図１に示すように、直円筒状に形成されている。筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内径は、例えば２０ｍｍ程度であるが、適用する装置に応じて寸法等を設定できる。
【００４８】
本実施形態のガス分解素子１０では、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の一端部が封止されると共に、他端部側から上記したステンレス、銅、ニッケル、インコネル等のＮｉをベースとして、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等を含有させた合金、即ち６００〜１０００℃に対する耐熱性と、アンモニアガス耐蝕性とを備えた材料で構成されるガス誘導パイプ１１ｋが挿入されている。上記一端部は、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の固体電解質層１及び内側電極層２を延出させて、底部を設けることにより封止部４４が設けられている。
【００４９】
上記ガス誘導パイプ１１ｋは、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の他端部側から上記一端部である封止部４４側に向けて挿入されており、上記筒状ＭＥＡ７の第１の電極層２の内周面と上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周面との間に、筒状流路４３が形成されるように設定されている。この筒状流路４３には、多孔質金属体１１ｓが挿入されており、上記ガス誘導パイプ１１ｋを中央部に保持しつつ、上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周面と上記第１の電極層２の内周面との間に、筒状流路４３が形成される構成としている。
【００５０】
本実施形態に係るガス分解素子１０においては、上記ガス誘導パイプ１１ｋの内部空間４２内を上記封止部４４に向けて第１のガスを流し、上記封止部４４の近傍において上記ガス誘導パイプ１１ｋ内から第１のガスを流出させると共に反転させ、更に上記筒状流路４３を上記内部空間４２での流れとは反対方向に向けて第１のガスを流すように構成している。すなわち、上記内部空間４２と筒状流路４３とで上記第１のガス流路が構成される。
【００５１】
上記構成を採用することにより、上記ガスは、上記筒状ＭＥＡ７の内側の空間において、筒状ＭＥＡ７の筒長さの約２倍の距離を第１のガス流路とすることができる。このため、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内で充分に加熱され、温度が上昇された状態で、上記筒状ＭＥＡ７に作用されることになる。従って、第１のガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。
【００５２】
また、上記ガス誘導パイプ１１ｋは、ステンレス等の導電性の金属で形成されており、アノード側集電体１１の構成要素として機能するように構成されている。一方、第２の電極層（カソード）５の外面に巻き付くようにカソード側集電体１２が配置されている。
【００５３】
上記アノード側集電体１１は、銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａと多孔質金属体１１ｓと上記ガス誘導パイプ１１ｋとを備えて構成されている。上記Ｎｉメッシュシート１１ａは、銀ペースト塗布層１１ｇを介して、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層（アノード）２に接触して、多孔質金属体１１ｓからガス誘導パイプ１１ｋへと導電するように構成されている。また、上記Ｎｉメッシュシート１１ａの先端部Ｗ１は、上記封止部４４の近傍において、上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周部にバンド状の接合部材Ｗ２を介して巻き付けるように導電接続されている。このため、Ｎｉメッシュシート１１ａは、並列的に、（１）Ｎｉメッシュシート１１ａ／多孔質金属体１１ｓ／ガス誘導パイプ１１ｋ、という導電路と、（２）Ｎｉメッシュシート１１ａ／ガス誘導パイプ１１ｋ、という導電路とを形成している。この結果、筒状ＭＥＡ７の内面に位置して、低い電気抵抗を維持しながら、圧力損失の増大を防止することが可能となる。
【００５４】
多孔質金属体１１ｓは、第１のガスの圧力損失を低減させるために、気孔率を高くできる金属メッキ体、例えばセルメット（登録商標：住友電気工業株式会社）を用いるのが好ましい。第１の電極層（アノード）２とアノード側集電体１１との間の電気抵抗を低減させるために、上記銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａとが配置されている。
【００５５】
上記カソード側集電体１２は、銀ペースト塗布配線１２ｇとＮｉメッシュシート１２ａとを備えて構成されている。本実施形態では、Ｎｉメッシュシート１２ａが、筒状ＭＥＡ７の外面に接触して、外部配線１２ｅへと導電している。銀ペースト塗布配線１２ｇは、第２の電極層（カソード）５において、第２のガスである酸素含有ガス（空気）内の酸素を酸素イオンに分解するのを促進する触媒として作用する銀を含み、且つカソード側集電体１２の電気抵抗を低くすることに寄与する。銀ペースト塗布配線１２ｇは、酸素分子を通しながら銀粒子が第２の電極層（カソード）５に接触して、第２の電極層（カソード）５内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、第２の電極層（カソード）５に含ませるより安価である。
【００５６】
上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側には、上記第２のガスを流すためのスペースＳを設けた加熱容器５１が設けられている。上記加熱容器５１の外周部には、ヒータ５２が配置されている。本実施形態では、上記スペースＳには予備加熱用配管５３が上記加熱容器５１を貫通して配されている。
【００５７】
上記ヒータ５２は素子全体を加熱するためのものである。このヒータ５２によってガス分解素子１０の全体が第１のガスの分解に適した温度に加熱される。上記予備加熱用配管５３は、上記第１のガスを予熱するための配管である。第１のガスが、上記筒状ＭＥＡ７内に導入される前に予備加熱用配管５３に通すことで、第１のガスを予熱し、温度の低い第１のガスがいきなり筒状ＭＥＡ７に導入されることにより反応不足となるのを解消する。これによってガス分解素子１０の分解性能の向上とコンパクト化を図ることが可能となる。予備加熱用配管５３は、第１のガス源からの配管との接続端５３ａを含み、下流側はガス導入管４５と接続される構成とされている。
予備加熱用配管５３としては、耐熱性の管、例えばＮｉ管、インコネル管、その他の金属製やセラミックス製の耐熱及び耐腐食性を有する管を用いることができる。
なお、筒状ＭＥＡ７及び予備加熱用配管５３は、図１には１本だけを図示しているが、それぞれ複数本を配管して、ガス分解装置を構成することができる。
上記加熱容器５１は耐熱材料で構成されることになるが、耐火物材料で厚肉に構成し、ヒータ５２を埋設したものとしてもよい。また、厚肉とした耐火物材料からなる加熱容器５１の肉厚内に予備加熱用配管５３を埋設、貫通させた構成とすることもできる。
本来的には上記筒状ＭＥＡ７を加熱するヒータ５２を利用することにより、上記予備加熱用配管５３が加熱され、この予備加熱用配管内を流動する上記第１のガスが良好に予備加熱される。
【００５８】
図３は、固体電解質層１が酸素イオン導電性である場合における、図１のガス分解素子１０の電気配線系統を示す図である。アンモニアを含む第１のガスは、上記予備加熱用配管５３を経た後、上記ガス誘導パイプ１１ｋを介して、気密性を厳格にした筒状ＭＥＡ７の内筒の最奥部、即ち上記封止部４４の近傍まで誘導される。上記筒状ＭＥＡ７は、ヒータ５２によってその全体が８００℃程度に加熱されており、上記第１のガスは、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内を流動する間に、昇温させられる。この間、上記第１のガス中のアンモニアが、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内における加熱によって２ＮＨ３→Ｎ２+３Ｈ２のように分解される。
【００５９】
筒状ＭＥＡ７を用いた場合、内面側に分解ガスを含む第１のガスを通すと共に、上記ガス誘導パイプ１１ｋを保持するため、多孔質金属体１１ｓが用いられる。圧力損失を低くする点から、上述のように、上記筒状流路４３内に配置される多孔質金属体１１ｓとして、多孔質金属めっき体、例えば上述したセルメット（登録商標）を用いることができる。アンモニアを含む第１のガスは、上記第１のガス流路を内部空間４２から筒状流路４３内へと流れ、多孔質金属体１１ｓ、Ｎｉメッシュシート１１ａ、及び多孔質の銀ペースト塗布層１１ｇの空隙を通りながら、第１の電極層（アノード）２と接触して、下記のアンモニア分解反応をする。
【００６０】
酸素イオンＯ２−は、第２の電極層（カソード）５での酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質層１を通って第１の電極層（アノード）２に到達したものである。即ち、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層１を移動する場合の電気化学反応である。
【００６１】
第１の電極層（アノード）２では、以下の反応が生じている。
（アノード反応）：２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−
より詳しくは、一部のアンモニアが、２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２の反応を生じ、この３Ｈ２が酸素イオン３Ｏ２−と反応して３Ｈ２Ｏを生成する。
第２の電極層（カソード）５には空気、特に酸素ガスが、スペースＳを通るように導入され、第２の電極層（カソード）５において酸素分子から分解した酸素イオンを第１の電極層（アノード）２に向かって固体電解質層１へと送り出す。
【００６２】
第２の電極層（カソード）５では、以下の反応が生じている。
（カソード反応）：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、第１の電極層（アノード）２と第２の電極層（カソード）５との間に電位差を生じ、カソード側集電体１２からアノード側集電体１１へと電流Ｉが流れる。カソード側集電体１２とアノード側集電体１１との間に負荷、例えばこのガス分解素子１０を加熱するためのヒータ５２を接続しておけば、そのための電力を供給することができる。ヒータ５２への上記電力の供給は、部分的であってもよい。多くの場合、自家発電の供給量はヒータ５２全体に要する電力の半分以下である。
【００６３】
上記ガス分解素子１０では、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層（アノード）２においては、アノード側集電体１１の電気抵抗を低くしながら、ここを通る第１のガスの圧力損失を低くすることが重要である。また、第２の電極層（カソード）５側においては、第２のガスである空気と第２の電極層（カソード）５との接触箇所を高密度化し、カソード側集電体１２の抵抗を低くするのが重要である。
【００６４】
上記は、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層１を移動する電気化学反応であるが、固体電解質層１に、例えばバリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）を用いてプロトンを第１の電極層（アノード）２で発生させて固体電解質層１中を第２の電極層（カソード）５へと移動させる反応も、本発明の望ましい一つの形態である。
【００６５】
プロトン導電性の固体電解質層１を用いると、例えば第１のガス中のアンモニアを分解する場合、第１の電極層（アノード）２でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子及び電子を生じさせて、プロトンを、固体電解質層１を経て第２の電極層（カソード）５へと移動させ、第２の電極層（カソード）５において酸素と反応させて水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので、固体電解質層１中の移動速度は大きい。このため、加熱温度を低くしながら実用レベルの分解容量を得ることができる。固体電解質層１の厚みも、強度を確保できる厚みにすることができる。
【００６６】
図４は、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅとの接続形態、及び筒状ＭＥＡ７とガス導入管４５及び排気管６５との接続形態を示す図である。
【００６７】
本実施形態では、上記加熱容器５１に、上記筒状ＭＥＡ７を収容するとともに、上記筒状ＭＥＡ７の一部を上記加熱容器５１の外部に突出させて突出部４１を設け、この突出部４１の先端部に、第１のガスを出入りさせる接続部材３０を設けている。
【００６８】
上記突出部４１を設けることにより、この突出部４１を利用して、加熱容器から伝導される熱を放熱させることができる。このため、上記突出部４１の先端側（接続部材３０側）の温度が低下させられて、上記接続部材３０に高い温度が作用することがなくなる。従って、筒状ＭＥＡ７と上記接続部材３０間のシール性能の低下を防止することができる。また、上記接続部材３０やこれに接続されるガス導入管４５等に高い耐熱性が要求されることがなくなり、接続の信頼性が高まるとともに、製造コストを低減させることができる。本実施形態では、フッ素樹脂から形成された接続部材３０を採用するとともに、上記突出部先端の温度を、フッ素樹樹脂の耐熱温度以下、たとえば、２０５℃以下となるように上記突出部４１の突出長さが設定されている。
【００６９】
なお、上記突出部４１を強制的に冷却する冷却手段７１を設けることもできる。たとえば、上記突出部４１に冷却空気を送るファン等を設けることができる。また、上記突出部４１の周囲に、冷却水を流す冷却管路を設けてもよい。上記冷却手段７１を設けることにより、突出部４１の冷却効率が高まり、上記突出部４１の突出長さを短縮することも可能となる。従って、ガス分解装置１００を小型化することもできる。
【００７０】
また、上記突出部４１を設けることにより、上記接続部材３０に伝導する熱を大幅に低減させることができる。これにより、上記接続部材３０を、樹脂材料から形成することが可能となる。上記樹脂材料の種類は特に限定されることはない。たとえば、耐熱性の高いフッソ樹脂等を採用するのが好ましい。樹脂材料から上記接続部材を形成することにより、加工等を容易に行うことも可能となり、製造コストを低減させることができる。
【００７１】
上記接続部材３０は、本体部３１から固体電解質層１へと延びる締結部３１ｂの内面側に収納されたＯリング３３が、焼成体であるセラミックスの固体電解質層１の外面に当接された状態で接続される。接続部材３０の締結部３１ｂは、外径がテーパ状に形成されており、そこにねじが切られ、そのねじに環状ねじ３２が螺合される。環状ねじ３２の外径が大きくなる方向へと螺合することで、締結部３１ｂは、外面から締め付けられ、Ｏリング３３による気密性を調節することができる。上記突出部４１を形成することにより、上記Ｏリング３３に作用する温度を低下させることが可能となり、上記Ｏリング３３の寿命を延ばすことができるとともに、シール構造の信頼性を高めることができる。
【００７２】
上記接続部材３０の内側には、上記ガス誘導パイプ１１ｋの基端部１１ｄが気密性をもって嵌合できる嵌合部３６が形成されている。これによって、ガス誘導パイプ１１ｋと接続部材３０とが連結され、第１のガスの通路が形成される。
【００７３】
接続部材３０には、上記第１のガスのガス導入管４５との接続を行うためのガス導入部３１ａが設けられている。ガス導入管４５の端部を、上記接続部材３０のガス導入部３１ａの外周に嵌め合わせ、締結具４７で締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。第１のガスはガス導入管４５からガス導入部３１ａを経てガス誘導パイプ１１ｋ内に流れ込む。ガス誘導パイプ１１ｋ内に流れ込んだ第１のガスは、内部空間４２を通って上記筒状ＭＥＡ７の封止部４４の近傍まで流動させられる。
【００７４】
また、接続部材３０には、排気管６５との接続を行うためのガス排出部３１ｃが設けられている。ガス排気管６５の端部を、上記接続部材３０のガス排出部３１ｃの外周に嵌め合わせ、締結具６７によって締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。筒状ＭＥＡ７を経た第１のガスは、接続部材３０内の排気空間３５、ガス排出部３１ｃを通って排気管６５に排出される。
【００７５】
上記接続部材３０を採用することにより、分解前の第１のガスと分解後の第１のガスとが混ざり合うことなく、且つ上記筒状ＭＥＡ７の同じ片側の位置から第１のガスを出入りさせることが可能となる。
【００７６】
上記接続部材３０の本体部３１には、気密性を保ってその本体部３１を貫通する導電貫通部３７ｃが設けられ、気密性を保つために封止樹脂３８等が塗られている。この導電貫通部３７ｃは、円柱棒で、外部配線１１ｅと確実な導電接続を行うためにナット３９を螺合させるねじを切っておくのがよい。導電貫通部３７ｃの管内先端には導電線３７ｂが接合されており、この導電線３７ｂの他端部３７ａが上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周部に、環状の締め付け具３４を介して接合されている。
【００７７】
上記構成を採用することにより、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅの接続抵抗を低減させることができる。
【００７８】
一方、カソード側集電体１２のＮｉメッシュシート１２ａの端部の外周に、外部配線１２ｅを周回させることで、外部への引き出しを行うことができる。第２の電極層（カソード）５は、筒状ＭＥＡ７の外面側に位置するので、アノード側集電体１１から外部への引き出しほど困難ではない。
【００７９】
図４に示すように、アノード側集電体１１と外部配線１１ｅとの接続と、接続部材３０とガス導入管４５及びガス排気管６５との接続を、小さなスペースで行うことができる。しかも、上記の接続は、上記突出部４１の先端側において行われている。すなわち、ヒータ５２からの熱流の主流部から外れた位置において行われている。このため、上記接続部材３０をフッ素樹脂等の耐熱性樹脂によって形成しても、長期間の繰り返し耐久性を確保することが可能となる。
【００８０】
本実施形態では、上記第１の電極層（アノード）２の内周部に多孔質導電層として、銀ペースト塗布層１１ｇが設けられると共に、Ｎｉメッシュシート１１ａが上記多孔質導電層である銀ペースト塗布層１１ｇを介して上記第１の電極層２に接続されている。
【００８１】
塗布して乾燥（焼成）させた後に多孔質になる銀ペーストは市販されており、例えば京都エレックス株式会社製のＤＤ−１２４０などを用いることができる。銀ペースト塗布層１１ｇを多孔質にすることにより、多くのアンモニア分子ＮＨ３ が、多孔質の気孔中に入って、上記第１の電極層（アノード）２中の触媒に触れてアノード反応が生じやすくなる。
【００８２】
ガス分解反応の効率を高めるため、上記銀ペースト塗布層１１ｇの気孔率を、２０〜８０％に設定するのが好ましい。気孔率が２０パーセント以下である場合、ガスを導電性ペースト塗布層内へ導くのが困難になり、効率を高めることができない。一方、気孔率が８０％以上になると、充分な導電性を確保するのが困難であると共に、塗布層の強度を確保できない。更に、気孔率を４０〜６０％に設定するのがより好ましい。
【００８３】
上記銀ペースト塗布層１１ｇの厚みは、５〜３００μｍに設定することができる。５μｍ以下では、Ｎｉメッシュシート１１ａの全域を、銀ペースト塗布層１１ｇに均一に接触させることができず、充分な導電性を確保するのが困難である。一方、３００μｍ以上では、充分な気孔率を有するペースト塗布層を形成するのが困難となる。導電性と気孔率を確保するために、５〜１００μｍの厚みの銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのがより好ましい。
【００８４】
上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成する手法は特に限定されることはない。筒状ＭＥＡ７を、銀ペーストを満たした浸漬層に漬けるディッピング法や、筒状ＭＥＡ７の内面に銀ペーストを噴射する塗布ノズルを挿入する手法等により、上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成することができる。
【００８５】
また、銀ペースト塗布層１１ｇを、多孔質に形成する手法も特に限定されることはない。上述した所要の気孔率を確保するために、所定温度で消失するバインダを所定量配合した銀ペーストを採用できる。また、バインダが消失する際の導電性ペースト塗布層の収縮を防止するために、昇華型のバインダを配合するのが好ましい。例えばナフタレン系のバインダを配合した銀ペーストを採用するのが好ましい。
【００８６】
上記銀ペースト塗布層１１ｇを設ける範囲も特に限定されることはないが、第１の電極層（アノード）２の全面に銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのが好ましい。銀ペースト塗布層１１ｇを第１の電極層（アノード）２の全面に形成することにより、Ｎｉメッシュシート１２ａの一部が上記銀ペースト塗布層１１ｇから離間した場合にも、第１の電極層（アノード）２における集電性能が低下することはなくなる。
【００８７】
上記固体電解質層１を構成する粉体材料として、固体酸化物、溶融炭酸塩、リン酸、固体高分子などを用いることができる。固体酸化物は小型化でき、取り扱いが容易なので好ましい。固体酸化物としては、酸素イオン導電性の、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いるのがよい。また、プロトン導電性のバリウムジルコネートを用いることもできる。上記各粉体材料は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより焼成することができる。
【００８８】
第１の電極層（アノード）２は、表面酸化されて酸化層を有する金属粒子連鎖体と、酸素イオン導電性のセラミックスとを主成分とする焼成体として形成できる。酸素イオン導電性のセラミックスとしては、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いることができる。
【００８９】
上記ＳＳＺを採用する場合、平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度のものを用いるのがよい。焼成工程は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより行うことができる。また、ＳＳＺの原料粉末の平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度とするのが好ましい。表面酸化された金属粒子連鎖体と、ＳＳＺとの配合比は、ｍｏｌ比で０．１〜１０の範囲とする。
【００９０】
上記金属粒子連鎖体の金属は、ニッケル（Ｎｉ）、または、Ｎｉに鉄（Ｆｅ）を含むものを採用するのが好ましい。更に好ましくは、チタン（Ｔｉ）を２〜１００００ｐｐｍ程度の微量含むものである。
【００９１】
金属粒子連鎖体は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒子連鎖体の還元析出法については、特開２００４−３３２０４７号公報などに詳述されている。第１の電極層（アノード）２に含まれる金属粒連鎖体の平均直径Ｄは５ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲とするのがよい。また、平均長さＬは０．５μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲とするのがよい。また、上記平均長さＬと平均径Ｄとの比は３以上とするのがよい。ただし、これら範囲外の寸法を持つものであってもよい。
【００９２】
第２の電極層（カソード）５は、酸素イオン導電性のセラミックスを主成分とする焼成体から形成される。この場合の酸素イオン導電性のセラミックスとして、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト）などを用いることができる。これら粉体材料も、上記と同様の条件で焼成することができる。
【００９３】
図５〜図７に、本願発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、第１の実施形態に係る突出部４１に相当する突出部材２４１を設けて構成したものである。なお、筒状ＭＥＡ２０７及び加熱容器２５１等の構成は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００９４】
図５に示すように、第２の実施形態では、上記筒状ＭＥＡ２０７が貫通して配置される上記加熱容器２５１の壁部に、上記筒状ＭＥＡ２０７を固定できるフランジ部２５１ａが設けられている。上記筒状ＭＥＡ２０７は、一部が上記加熱容器２５１の外側に延出した状態で上記フランジ部２５１ａに固定される。上記フランジ部２５１ａの内周部には、耐熱性を有するシール材が充填されており、上記筒状ＭＥＡ２０７の外周部と上記フランジ部２５１ａの内周部との間の気密性が確保される。
【００９５】
上記フランジ部２５１ａを設けた壁部の外面側には、筒状ＭＥＡ２０７の軸方向に延びる円筒状の突出部材２４１が設けられている。上記突出部材２４１は、筒状ＭＥＡ２０７の延出部２０７ｂを、気密性をもって収容するとともに、先端側にフッ素樹脂性の接続部材２３０が接続されている。
【００９６】
上記突出部材２４１における上記加熱容器側には、フランジ部２４１ａが形成されており、ネジ手段２６１によって上記加熱容器の壁部に固定されている。上記フランジ部２４１ａと上記加熱容器２５１の外面との間には、図示しない耐熱性ガスケットが介挿されており、上記突出部材２４１と上記加熱容器２５１との間の気密性が確保され、筒状ＭＥＡ内を流動するガスが漏れでないように構成されている。
【００９７】
一方、上記突出部材２４１の先端部２４１ｂは、上記接続部材２３０に設けた嵌合部２３６に気密性をもって嵌合されている。
【００９８】
上記突出部材２４１は、上記接続部材２３０に作用する温度を低減させることができれば、種々の材料を用いて形成することができる。たとえば、上記接続部材を、セラミック等の耐熱性及び断熱性のある材料から形成することができる。また、放熱性の高いニッケル等の金属材料から形成することにより、上記突出部材２４１において、上記筒状ＭＥＡ２０７から伝導される熱を放熱させて、上記接続部材２３０に作用する温度を低減させるように構成することもできる。
【００９９】
上記突出部材２４１には、第１の実施形態と同様に、気密性を保って貫通する図示しない導電貫通部が設けられ、第１の集電体を構成するガス誘導パイプ２１１ｋの外周部から延びる接続配線２１１ｅが、上記突出部材２４１の外側に延出されている。また、上記筒状ＭＥＡ２０７の外周部に設けられた第２の集電体から延びる接続配線２１２ｅも、上記と同様に上記突出部材２４１から延出されている。
【０１００】
上記構成を採用することにより、上記接続部材２４１や接続配線２１１ｅ，２１２ｅ等に作用する温度を大幅に低下させることができる。また、筒状ＭＥＡ２０７のほぼ全体を加熱容器２５１内に収容できるため、筒状ＭＥＡに均一な温度を作用させて、ガス分解効率を高めることもできる。
【０１０１】
さらに、上記突出部材２４１を採用することにより、冷却手段２７１を容易に設けることができる。たとえば、図５に示すように、上記突出部材２４１に放熱フィン２７１ａを一体形成することも可能となる。また、冷却空気や冷却水を採用させる配管を一体的に設けることもできる。従って、上記突出部材２４１を採用することにより、接続部材２３０に作用する温度を大幅に低下させることも可能となる。
【０１０２】
図６は、図５に示すガス分解素子２１０から構成されるガス分解装置２００の全体縦断面図である。また、図７は、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
【０１０３】
本実施形態では、加熱容器２５１の外周部にヒータ２５２を設けた構成としている。ガス分解装置２００は、複数のガス分解素子２１０を群として並列立体的に配置することにより構成される。上記各ガス分解素子２１０は、ヒータ２５２を備える加熱容器２５１内に配列配置されており、上記加熱容器２５１内で所定温度に保持される。
【０１０４】
上記加熱容器２５１の側壁には、上記各ガス分解素子２１０に対応した突出部材２４１が設けられており、その各先端部に接続部材２３０が接続されている。
【０１０５】
上記構成を採用することにより、すべてのガス分解素子を同じ温度に加熱することができる。また、第２のガスを上記加熱容器内で流動させることにより、複数のガス分解素子に作用させることができる。従って、ガス分解装置２００を小型化することができる。
【０１０６】
上述した実施形態は、本願発明を、ガス除害を目的としたガス分解装置に適用したが、ガス除害を主目的としないガス分解装置や、電気化学反応装置の筒状ＭＥＡに適用できる。例えば、燃料電池等の発電装置を構成する筒状ＭＥＡにも用いることができる。
【０１０７】
上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に、特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
ガス分解性能が高いのみならず、接続部材や外部配管等に高い温度が作用することがなく、信頼性の高いガス分解装置及び発電装置を提供できる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 固体電解質層
２ 第１の電極層（アノード）
５ 第２の電極層（カソード）
７ 筒状ＭＥＡ
１０ ガス分解素子
１１ アノード側集電体
１１ａ Ｎｉメッシュシート
１１ｄ 基端部
１１ｅ 外部配線
１１ｇ 銀ペースト塗布層
１１ｋ ガス誘導パイプ
１１ｓ 多孔質金属体
１２ カソード側集電体
１２ａ Ｎｉメッシュシート
１２ｇ 銀ペースト塗布配線
１２ｅ 外部配線
３０ 接続部材
３１ 本体部
３１ａ ガス導入部
３１ｂ 締結部
３１ｃ ガス排出部
３２ 環状ネジ
３３ Ｏリング
３４ 締め付け具
３５ 排気空間
３６ 嵌合部
３７ａ 他端部
３７ｂ 導電線
３７ｃ 導電貫通部
３８ 封止樹脂
３９ ナット
４１ 突出部
４２ 内部空間
４３ 筒状流路
４４ 封止部
４５ ガス導入管
４７ 締結具
５１ 加熱容器
５２ ヒータ
５３ 予備加熱用配管
６５ 排気管
１００ ガス分解装置
Ｓ スペース
Ｗ１ Ｎｉメッシュシートの先端部
Ｗ２ 接合部材
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ガス分解装置及び発電装置に関する。詳しくは、所定のガスを効率良く分解することができるガス分解装置、このガス分解装置を備える発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、アンモニアは農業や工業に不可欠の化合物であるがヒトには有害であるため、水中や大気中のアンモニアを分解する種々の方法が知られている。高濃度のアンモニアを含む水からアンモニアを分解除去するために、アンモニア水を噴霧するとともに空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離し、次亜臭素酸溶液又は硫酸と接触させる方法が提案されている（特許文献１）。また、上記方法と同じプロセスで空気中にアンモニアを分離して触媒により燃焼させる方法（特許文献２）や、アンモニア含有排水を、触媒を用いて、窒素と水に分解する方法が提案されている（特許文献３）。さらに、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれることが多く、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ｐｐｍオーダーにまで除去する必要がある。この目的のために、半導体装置の廃ガス放出の際にスクラバーを通して、薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。一方、エネルギや薬品等の投入なしに安価なランニングコストで有害ガスを分解するために、リン酸燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置等における廃ガス処理の方法も提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１９６６号公報
【特許文献２】特開平７−１１６６５０号公報
【特許文献３】特開平１１−３４７５３５号公報
【特許文献４】特開２００３−４５４７２号公報
【特許文献５】特許第３２３８０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているような中和剤等の薬液を用いる方法、特許文献２に記載されているような燃焼させる方法、特許文献３に記載されているような触媒を用いた熱分解反応による方法により、アンモニアを分解することはできる。ところが、これらの方法では、薬品や外部エネルギ（燃料）を必要とし、さらには、触媒を定期的に交換する必要があり、ランニングコストが大きくなるという問題がある。
【０００５】
また、装置が大掛かりとなり、既存の設備に付加的に設ける場合には、スペースを確保するのが困難である。また、リン酸型燃料電池を、化合物半導体製造の排気中のアンモニアの除去に用いる装置についても、電解質が液体であるため、空気側とアンモニア側との仕切りをコンパクトにできず、装置の小型化が難しいという問題があった。
【０００６】
上記問題を解決するため、特許文献５に記載されているように、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を採用することができる。上記筒状ＭＥＡの内側空間を、分解されるガスを含む気体が、軸方向に流動させられる。
【０００７】
上記ガスを分解するには、ガスを含む気体の温度をできるだけ高めて、上記筒状ＭＥＡの第１の電極層（燃料極）に作用させるのが好ましい。このため、上記筒状ＭＥＡの全体を加熱するヒータが設けられている。
【０００８】
従来の筒状ＭＥＡでは、両端部に接続部材を接続して、ガスを筒状ＭＥＡの内部空間で一方向に流動させるように構成されている。ところが、上述したように、筒状ＭＥＡの全体が高温に保持されるため、上記筒状ＭＥＡの両端部と上記接続部材との間のシール性能が低下しやすく、接続の信頼性が低いという問題があった。
【０００９】
また、上記筒状ＭＥＡを含むガス分解素子の全体が、上記加熱ヒータを設けた加熱容器内に設けられることになるため、上記接続部材やこれに接続される接続配管にも高い耐熱性が要求されることになる。このため、これらの間のシール構造や接続配管を高価な耐熱性材料で形成する必要があり、装置の製造コストを増加させる。
【００１０】
本願発明は、筒状ＭＥＡ内を流れるガスの温度を高めて分解効率をより高めることができるとともに、外部配管やこれを接続する接続部材、及びこれらの間に設けられるシール構造が熱により損傷するのを防止し、さらに製造コストを低減させることのできるガス分解装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の請求項１に記載した発明は、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を用いて構成されるガス分解装置であって、ガスを上記筒状ＭＥＡ内に出入りさせる接続部材と、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器とを備え、上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部を設け、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けて構成したものである。
【００１２】
本願発明に係るガス分解装置においては、高いガス分解性能を得るために、筒状ＭＥＡを高温に、たとえば、８００℃以上に保持する必要がある。このため、上記加熱容器が設けられるとともに、筒状ＭＥＡが上記加熱容器内に収容される。
【００１３】
本願発明では、上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部を設け、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けている。すなわち、上記接続部材を、上記加熱容器の外側であって、上記加熱容器から離れた位置に設けている。この構成によって、上記加熱容器内の筒状ＭＥＡから上記接続部材に伝導される温度が低下させられる。したがって、筒状ＭＥＡと上記接続部材間のシール性能の低下を防止し、ガス漏れ等を防止することができる。また、上記接続部材やこれに接続される配管に高い耐熱性が要求されることがなくなり、接続の信頼性が高まるとともに、製造コストを低減させることができる。
【００１４】
上記突出部の構成は、特に限定されることはない。請求項２に記載した発明のように、上記突出部を、上記筒状ＭＥＡの一部を、上記加熱容器から突出させて構成することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載した発明のように、上記突出部の一部又は全部を、上記筒状ＭＥＡと別部材から形成することができる。たとえば、上記筒状ＭＥＡに連続する筒状のセラミック部材を、上記筒状ＭＥＡの端部に接続して、上記突出部を形成することができる。
【００１６】
上記突出部を構成する別部材は、材料自体が耐熱及び断熱性を備えるもので形成するのが好ましい。ただし、断熱性は必須ではない。すなわち、上記接続部材に作用する温度を低減させることができれば、種々の材料を採用することができる。たとえば、耐熱性及び断熱性の高いセラミック等を採用することができる。また、ニッケル等の金属材料で上記突出部を形成した場合、上記突出部において、上記筒状ＭＥＡから伝導される熱を逃がして、上記接続部材や配管部材に作用する温度を低減させるように構成することもできる。
【００１７】
請求項４に記載した発明のように、上記突出部を冷却する冷却手段を設けることができる。上記冷却手段の構成は特に限定されることはない。たとえは、上記突出部に放熱フィン等を設けることができる。また、上記突出部に冷却用空気や冷却水を採用させて、冷却することもできる。これにより、上記突出部先端の温度を容易に設定することが可能となる。
【００１８】
また、上記突出部を上記筒状ＭＥＡと別部材で形成する場合には、冷却手段を突出部に一体形成することもできる。
【００１９】
請求項５に記載した発明のように、上記突出部先端の温度を、２０５℃以下となるように設定するのが好ましい。２０５℃を越える温度では、シール構造の耐熱性を確保するのが困難になる。上記温度範囲に設定する手段は、特に限定されることはない。上記冷却手段を用いて設定できる他、たとえば、上記突出部の長さを調節することにより、上記温度を設定することができる。上記設定温度は、接続部材間のシール構造の耐熱性、接続部材や接続配管の耐熱性に応じて設定することができる。
【００２０】
上記構成を採用することにより、上記開口端部と上記接続部材間のシール構造や上記接続部材が熱によって損傷等するのを防止することができる。また、上記接続部材や配管部材に耐熱性の低い部材を採用することが可能となり、製造コストを低減させることができる。
【００２１】
上記突出部を設けることにより、上記接続部材に作用する温度を大幅に低下させることができる。これにより、請求項６に記載した発明のように、上記接続部材を、樹脂材料から形成することが可能となる。上記樹脂材料の種類は特に限定されることはない。たとえば、テフロン樹脂（デュポン社の登録商標）等のフッ素樹脂を採用することができる。また、樹脂材料から上記接続部材を形成することにより、加工等を容易に行うことも可能となり、製造コストを低減させることができる。
【００２２】
上記筒状ＭＥＡの形態は特に限定されることはない。両端に開口端部を備え、ガスを一方法に流動させるように構成された筒状ＭＥＡを採用することができる。
【００２３】
また、請求項７に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡを、一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを備えて構成し、上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第１の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成することができる。
【００２４】
上記構成を採用することにより、ガスを出入りさせる接続部材を片側のみに設けることが可能となり、筒状ＭＥＡと上記接続部材とのシール構造も１か所に設ければ良い。したがって、接続の信頼性が高まる。また、部品点数や加工工程を低減させることができる。
【００２５】
また、上記構成を採用することにより、筒状ＭＥＡを流れるガスは、筒状ＭＥＡの筒長さの２倍の距離を流動させられることになる。このため、上記ガス誘導パイプ内でガスの温度を上昇させた後に、上記筒状ＭＥＡに作用させることができる。したがって、ガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。
【００２６】
上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する構成は特に限定されることはない。たとえば、上記筒状ＭＥＡの一端部を、上記固体電解質層を一体延出させて形成された底部によって封止することができる。上記底部は、成形及び焼結工程において筒状ＭＥＡと一体形成されるため、ガスが漏れ出る恐れはなく、筒状ＭＥＡの一端部を確実に封止することができる。
【００２７】
また、上記筒状ＭＥＡの一端部を、封止部材を筒状ＭＥＡの端部に嵌合させて封止することもできる。この構成を採用することにより、本願発明を従来の両端が開口された従来の筒状ＭＥＡに適用することが可能となる。
【００２８】
上記筒状ＭＥＡにおけるガスの出入り口は、分解前のガスと分解後のガスが混合しないように、二重構造を備える接続部材が設けられる。上記接続部材は、上記ガス誘導パイプに連通するガス導入部を備えるとともに、上記ガス誘導パイプの外周部を囲み、側部にガス排出部を有する環状の排気空間を備えて構成することができる。上記接続部材を採用することにより、上記筒状ＭＥＡの一方の側から、分解されるガスを含む気体を導入するとともに、分解されたガスを含む気体を排出することができる。
【００２９】
また、上記ガス誘導パイプを第１の電極層の集電体として利用することができる。すなわち、上記ガス誘導パイプを導電性材料から形成するとともに、上記第１の電極層に導通させられて、上記第１の電極層の集電体を構成することができる。
【００３０】
上記ガス誘導パイプを第１の電極層の集電体として利用することにより、ガス分解効率を高めることができるばかりでなく、筒状ＭＥＡ内のスペースを有効活用することができる。しかも、上記突出部内において、上記ガス誘導パイプに導通する配線を設けることができる。
【００３１】
上記ガス誘導パイプを構成する材料は特に限定されることはないが、分解するガスによって腐食等が生じない材料で形成する必要がある。たとえば、ステンレス、ニッケル、インコネル（スペシャルメタル社の登録商標）等のニッケル合金等の材料を用いて形成することができる。
【００３２】
上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させる手法は特に限定されることはない。たとえば、導電性を有する多孔質金属体を、上記筒状ＭＥＡ内周面と上記ガス誘導パイプ外周面の間に形成される筒状流路内に挿入して、上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させることができる。また、上記多孔質金属体を設けることにより、上記第１の電極層の内周面と上記ガス誘導パイプの外周面との間の筒状流路を確保することができるとともに、上記ガス誘導パイプを筒状ＭＥＡ内で位置決め保持することができる。
【００３３】
請求項８に記載した発明は、上記加熱容器内を通過するとともに、上記ガス誘導パイプに導かれるガスを予め加熱する予備加熱配管を備えるものである。
【００３４】
上記予備加熱配管を設けることにより、上記筒状ＭＥＡ内に導入される前に、上記予備加熱配管内で予備加熱される。このため、予備加熱されたガスが上記筒状ＭＥＡ内に導入されて、ガス分解に必要な所定の温度まで効率よく加熱することができる。このため、ガスの分解効率を増加させることができる。また、筒状ＭＥＡの長さを短く設定することも可能となる。
【００３５】
上記予備加熱配管は、上記筒状ＭＥＡごとに設けることもできるし、複数の筒状ＭＥＡに導入するガスを一の予備加熱配管によって予備加熱するように構成することもできる。
【００３６】
上記第１の電極層及び上記第２の電極層を構成する材料も特に限定されることはない。たとえば、請求項９に記載した発明のように、上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層を、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックスとを含む焼成体とすることができる。金属粒子連鎖体は、金属粒子が連なってできた数珠状の細長い金属体をいう。Ｎｉ、Ｆｅ含有Ｎｉ、もしくはＮｉ，Ｆｅ含有Ｎｉに微量Ｔｉを含む金属とするのがよい。Ｎｉなどは表面酸化された状態では、その金属粒子連鎖体の表面が酸化されており、中身（表層の内側の部分）は酸化されずに金属の導電性を保持している。
【００３７】
このため、たとえば固体電解質層内を移動するイオンが陰イオンの場合（陽イオンの場合もある）、次のような作用効果が生じる。
（Ａ１）金属粒子連鎖体を第１の電極層（アノード）に含有させた場合、第１の電極層（アノード）において、固体電解質層から移動してくる陰イオンと、第１の電極層（アノード）の外部から第１の電極層（アノード）へと導かれる気体中のガス分子との化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、かつ陰イオンを参加させて第１の電極層（アノード）での化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、その化学反応の結果、生じる電子の導電性を、金属粒子連鎖体の金属部分で確保することができる。この結果、第１の電極層（アノード）における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。金属粒子連鎖体を第１の電極層（アノード）に含有させた場合、第１の電極層（アノード）において、陽イオンたとえばプロトンを発生させて固体電解質層中を第２の電極層（カソード）へと陽イオンを移動させ、上記の電荷による促進作用を、同様に得ることができる。
ただし、金属粒子連鎖体の酸化層については、使用前は焼成処理によって確実に形成されているが、使用中に還元反応によって酸化層がなくなることが多い。酸化層がなくなっても、上記の触媒作用は減ずることはあってもなくなることはない。とくにＦｅやＴｉを含有させたＮｉは、酸化層がなくても触媒作用は高い。
（Ａ２）金属粒子連鎖体を第２の電極層（カソード）に含有させた場合、第２の電極層（カソード）において、第２の電極層（カソード）の外部から第２の電極層（カソード）へと導かれる気体中のガス分子の化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、かつ外部回路からの電子の導電性を向上させるとともに、当該電子を参加させて第２の電極層（カソード）での化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、当該分子から効率よく陰イオンを生じて、固体電解質層へと送り出すことができる。（Ａ１）と同様に、（Ａ２）の場合、固体電解質層中を移動してきた陽イオンと、外部回路を流れてきた電子と、第２の気体との電気化学反応を促進することができる。このため、上記第１の電極層（アノード）に含ませる場合と同様に、第２の電極層（カソード）における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。どのような場合に、金属粒子連鎖体を第２の電極層（カソード）に含ませるかは、分解対象のガスによって変わる。
（Ａ３）金属粒子連鎖体を第１の電極層（アノード）及び第２の電極層（カソード）に含有させた場合は、上記（Ａ１）および（Ａ２）の効果を得ることができる。
【００３８】
上記の電気化学反応は、イオンの固体電解質層を移動する速度または移動時間で律速される場合が多い。イオンの移動速度を大きくするために、上記のガス分解装置は、上記筒状ＭＥＡの全体を収容できる加熱機器たとえばヒータを備え、高温、たとえば６００℃〜１０００℃にするのが普通である。高温にすることで、イオン移動速度だけでなく、電極層での電荷授受をともなう化学反応も促進される。
【００３９】
固体電解質層を移動するイオンが陰イオンの場合は、上述のように、第２の電極層（カソード）での化学反応によって発生し、供給される。第２の電極層（カソード）において導入された流体中の分子と電子とが反応して陰イオンが生成する。生成した陰イオンは、固体電解質層中を第１の電極層（アノード）へと移動する。第２の電極層（カソード）での反応に参加する電子は、第１の電極層（アノード）と第２の電極層（カソード）とを連絡する外部回路（蓄電器、電源、電力消費機器を含む）から入ってくる。固体電解質層を移動するイオンが陽イオンの場合は、第１の電極層（アノード）での電気化学反応によって発生して固体電解質層中を第２の電極層（カソード）へと移動する。電子は、第１の電極層（アノード）で発生して外部回路を第２の電極層（カソード）へと流れて第２の電極層（カソード）での電気化学反応に参加する。上記電気化学反応は、燃料電池としての発電反応であってもよいし、または電気分解反応であってもよい。
【００４０】
請求項１０に記載した発明のように、固体電解質層を、酸素イオン導電性またはプロトン導電性を有する構成とすることができる。酸素イオン導電性の固体電解質を用いた場合、たとえば第２の電極層（カソード）で電子と酸素分子とを反応させて酸素イオンを生じさせ、この酸素イオンを固体電解質層内で移動させて第１の電極層（アノード）にて所定の電気化学反応を起こさせることができる。この場合、酸素イオンの固体電解質層中の移動速度はプロトンと比べて大きくないので、実用レベルの分解容量を得るには、温度を十分高める、及び／又は固体電解質層の厚みを十分薄くする、などの対策が必要である。
【００４１】
一方、プロトン導電性の固体電解質は、バリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）などが知られている。プロトン導電性の固体電解質を用いると、たとえば第１の電極層（アノード）でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子および電子を生じさせて、このプロトンを、固体電解質層を経て第２の電極層（カソード）へと移動させ、第２の電極層（カソード）において酸素と反応して水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので固体電解質層中の移動速度は大きく、加熱温度を低くして実用レベルの分解容量を得ることができる。
【００４２】
また、たとえば筒状ＭＥＡを用いてアンモニア分解を行うとき、酸素イオン導電性の固体電解質層では、水を筒状ＭＥＡの第１の電極層（アノード）で生成する反応となる。水は、温度が低い出口付近では水滴を形成して圧力損失の原因となる。これに対して、プロトン導電性の固体電解質層を用いると、プロトンと酸素分子と電子とが、第２の電極層（カソード）（外側）で生成する。外側はほぼ開放されているので、水滴となって付着しても圧力損失を生じにくい。
【００４３】
請求項１１に記載した発明のように、分解対象のガスを燃料とし、ガス分解装置を備えて発電装置を構成することもできる。
【発明の効果】
【００４４】
ガス分解効率が高く、またランニングコストが低く、また、ガス分解効率の高いガス分解装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本願発明の第１の実施形態に係るガス分解装置の先端側（封止側）を示す縦断面である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１のガス分解装置の電気配線系統を示す図である。
【図４】図１に示すガス分解装置の突出部側（開口端側）の縦断面図である。
【図５】本願発明の第２の実施形態に係るガス分解装置の要部の拡大縦断面図である。
【図６】図５に示すガス分解素子を複数本用いて構成したガス分解装置の縦断面図である。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本願発明の実施形態を、図を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス分解装置１００の縦断面図である。また図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。なお本実施形態では、特に分解に供される第１のガスをアンモニア含有ガスとした場合のガス分解装置について説明する。また、本実施形態では、１本の筒状ＭＥＡ７からなる一のガス分解素子１０からガス分解装置１００を構成したが、各々筒状ＭＥＡを備えて構成される複数のガス分解素子を一の加熱容器に内に配置してガス分解装置を構成することができる。
【００４７】
ガス分解素子１０は、円筒状の固体電解質層１の内面を覆うように第１の電極層（アノード）２が設けられると共に、外面を覆うように第２の電極層（カソード）５が設けられた筒状ＭＥＡ７（１、２、５）を備えて構成されている。第１の電極層（アノード）２は燃料極、また、第２の電極層（カソード）５は空気極と呼ばれることがある。
本実施形態では上記したように、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側には第１のガスとしてアンモニア含有ガスが流される。また、筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側には、第２のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。そして、上記第１のガスが流れる筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側の流路を第１のガス流路とする。また、上記第２のガスが流れる筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側の流路を第２のガス流路とする。
本実施形態に係る上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）は、図１に示すように、直円筒状に形成されている。筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内径は、例えば２０ｍｍ程度であるが、適用する装置に応じて寸法等を設定できる。
【００４８】
本実施形態のガス分解素子１０では、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の一端部が封止されると共に、他端部側から上記したステンレス、銅、ニッケル、インコネル等のＮｉをベースとして、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等を含有させた合金、即ち６００〜１０００℃に対する耐熱性と、アンモニアガス耐蝕性とを備えた材料で構成されるガス誘導パイプ１１ｋが挿入されている。上記一端部は、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の固体電解質層１及び内側電極層２を延出させて、底部を設けることにより封止部４４が設けられている。
【００４９】
上記ガス誘導パイプ１１ｋは、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の他端部側から上記一端部である封止部４４側に向けて挿入されており、上記筒状ＭＥＡ７の第１の電極層２の内周面と上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周面との間に、筒状流路４３が形成されるように設定されている。この筒状流路４３には、多孔質金属体１１ｓが挿入されており、上記ガス誘導パイプ１１ｋを中央部に保持しつつ、上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周面と上記第１の電極層２の内周面との間に、筒状流路４３が形成される構成としている。
【００５０】
本実施形態に係るガス分解素子１０においては、上記ガス誘導パイプ１１ｋの内部空間４２内を上記封止部４４に向けて第１のガスを流し、上記封止部４４の近傍において上記ガス誘導パイプ１１ｋ内から第１のガスを流出させると共に反転させ、更に上記筒状流路４３を上記内部空間４２での流れとは反対方向に向けて第１のガスを流すように構成している。すなわち、上記内部空間４２と筒状流路４３とで上記第１のガス流路が構成される。
【００５１】
上記構成を採用することにより、上記ガスは、上記筒状ＭＥＡ７の内側の空間において、筒状ＭＥＡ７の筒長さの約２倍の距離を第１のガス流路とすることができる。このため、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内で充分に加熱され、温度が上昇された状態で、上記筒状ＭＥＡ７に作用されることになる。従って、第１のガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。
【００５２】
また、上記ガス誘導パイプ１１ｋは、ステンレス等の導電性の金属で形成されており、アノード側集電体１１の構成要素として機能するように構成されている。一方、第２の電極層（カソード）５の外面に巻き付くようにカソード側集電体１２が配置されている。
【００５３】
上記アノード側集電体１１は、銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａと多孔質金属体１１ｓと上記ガス誘導パイプ１１ｋとを備えて構成されている。上記Ｎｉメッシュシート１１ａは、銀ペースト塗布層１１ｇを介して、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層（アノード）２に接触して、多孔質金属体１１ｓからガス誘導パイプ１１ｋへと導電するように構成されている。また、上記Ｎｉメッシュシート１１ａの先端部Ｗ１は、上記封止部４４の近傍において、上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周部にバンド状の接合部材Ｗ２を介して巻き付けるように導電接続されている。このため、Ｎｉメッシュシート１１ａは、並列的に、（１）Ｎｉメッシュシート１１ａ／多孔質金属体１１ｓ／ガス誘導パイプ１１ｋ、という導電路と、（２）Ｎｉメッシュシート１１ａ／ガス誘導パイプ１１ｋ、という導電路とを形成している。この結果、筒状ＭＥＡ７の内面に位置して、低い電気抵抗を維持しながら、圧力損失の増大を防止することが可能となる。
【００５４】
多孔質金属体１１ｓは、第１のガスの圧力損失を低減させるために、気孔率を高くできる金属メッキ体、例えばセルメット（登録商標：住友電気工業株式会社）を用いるのが好ましい。第１の電極層（アノード）２とアノード側集電体１１との間の電気抵抗を低減させるために、上記銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａとが配置されている。
【００５５】
上記カソード側集電体１２は、銀ペースト塗布配線１２ｇとＮｉメッシュシート１２ａとを備えて構成されている。本実施形態では、Ｎｉメッシュシート１２ａが、筒状ＭＥＡ７の外面に接触して、外部配線１２ｅへと導電している。銀ペースト塗布配線１２ｇは、第２の電極層（カソード）５において、第２のガスである酸素含有ガス（空気）内の酸素を酸素イオンに分解するのを促進する触媒として作用する銀を含み、且つカソード側集電体１２の電気抵抗を低くすることに寄与する。銀ペースト塗布配線１２ｇは、酸素分子を通しながら銀粒子が第２の電極層（カソード）５に接触して、第２の電極層（カソード）５内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、第２の電極層（カソード）５に含ませるより安価である。
【００５６】
上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側には、上記第２のガスを流すためのスペースＳを設けた加熱容器５１が設けられている。上記加熱容器５１の外周部には、ヒータ５２が配置されている。本実施形態では、上記スペースＳには予備加熱用配管５３が上記加熱容器５１を貫通して配されている。
【００５７】
上記ヒータ５２は素子全体を加熱するためのものである。このヒータ５２によってガス分解素子１０の全体が第１のガスの分解に適した温度に加熱される。上記予備加熱用配管５３は、上記第１のガスを予熱するための配管である。第１のガスが、上記筒状ＭＥＡ７内に導入される前に予備加熱用配管５３に通すことで、第１のガスを予熱し、温度の低い第１のガスがいきなり筒状ＭＥＡ７に導入されることにより反応不足となるのを解消する。これによってガス分解素子１０の分解性能の向上とコンパクト化を図ることが可能となる。予備加熱用配管５３は、第１のガス源からの配管との接続端５３ａを含み、下流側はガス導入管４５と接続される構成とされている。
予備加熱用配管５３としては、耐熱性の管、例えばＮｉ管、インコネル管、その他の金属製やセラミックス製の耐熱及び耐腐食性を有する管を用いることができる。
なお、筒状ＭＥＡ７及び予備加熱用配管５３は、図１には１本だけを図示しているが、それぞれ複数本を配管して、ガス分解装置を構成することができる。
上記加熱容器５１は耐熱材料で構成されることになるが、耐火物材料で厚肉に構成し、ヒータ５２を埋設したものとしてもよい。また、厚肉とした耐火物材料からなる加熱容器５１の肉厚内に予備加熱用配管５３を埋設、貫通させた構成とすることもできる。
本来的には上記筒状ＭＥＡ７を加熱するヒータ５２を利用することにより、上記予備加熱用配管５３が加熱され、この予備加熱用配管内を流動する上記第１のガスが良好に予備加熱される。
【００５８】
図３は、固体電解質層１が酸素イオン導電性である場合における、図１のガス分解素子１０の電気配線系統を示す図である。アンモニアを含む第１のガスは、上記予備加熱用配管５３を経た後、上記ガス誘導パイプ１１ｋを介して、気密性を厳格にした筒状ＭＥＡ７の内筒の最奥部、即ち上記封止部４４の近傍まで誘導される。上記筒状ＭＥＡ７は、ヒータ５２によってその全体が８００℃程度に加熱されており、上記第１のガスは、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内を流動する間に、昇温させられる。この間、上記第１のガス中のアンモニアが、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内における加熱によって２ＮＨ３→Ｎ２+３Ｈ２のように分解される。
【００５９】
筒状ＭＥＡ７を用いた場合、内面側に分解ガスを含む第１のガスを通すと共に、上記ガス誘導パイプ１１ｋを保持するため、多孔質金属体１１ｓが用いられる。圧力損失を低くする点から、上述のように、上記筒状流路４３内に配置される多孔質金属体１１ｓとして、多孔質金属めっき体、例えば上述したセルメット（登録商標）を用いることができる。アンモニアを含む第１のガスは、上記第１のガス流路を内部空間４２から筒状流路４３内へと流れ、多孔質金属体１１ｓ、Ｎｉメッシュシート１１ａ、及び多孔質の銀ペースト塗布層１１ｇの空隙を通りながら、第１の電極層（アノード）２と接触して、下記のアンモニア分解反応をする。
【００６０】
酸素イオンＯ２−は、第２の電極層（カソード）５での酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質層１を通って第１の電極層（アノード）２に到達したものである。即ち、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層１を移動する場合の電気化学反応である。
【００６１】
第１の電極層（アノード）２では、以下の反応が生じている。
（アノード反応）：２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−
より詳しくは、一部のアンモニアが、２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２の反応を生じ、この３Ｈ２が酸素イオン３Ｏ２−と反応して３Ｈ２Ｏを生成する。
第２の電極層（カソード）５には空気、特に酸素ガスが、スペースＳを通るように導入され、第２の電極層（カソード）５において酸素分子から分解した酸素イオンを第１の電極層（アノード）２に向かって固体電解質層１へと送り出す。
【００６２】
第２の電極層（カソード）５では、以下の反応が生じている。
（カソード反応）：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、第１の電極層（アノード）２と第２の電極層（カソード）５との間に電位差を生じ、カソード側集電体１２からアノード側集電体１１へと電流Ｉが流れる。カソード側集電体１２とアノード側集電体１１との間に負荷、例えばこのガス分解素子１０を加熱するためのヒータ５２を接続しておけば、そのための電力を供給することができる。ヒータ５２への上記電力の供給は、部分的であってもよい。多くの場合、自家発電の供給量はヒータ５２全体に要する電力の半分以下である。
【００６３】
上記ガス分解素子１０では、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層（アノード）２においては、アノード側集電体１１の電気抵抗を低くしながら、ここを通る第１のガスの圧力損失を低くすることが重要である。また、第２の電極層（カソード）５側においては、第２のガスである空気と第２の電極層（カソード）５との接触箇所を高密度化し、カソード側集電体１２の抵抗を低くするのが重要である。
【００６４】
上記は、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層１を移動する電気化学反応であるが、固体電解質層１に、例えばバリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）を用いてプロトンを第１の電極層（アノード）２で発生させて固体電解質層１中を第２の電極層（カソード）５へと移動させる反応も、本発明の望ましい一つの形態である。
【００６５】
プロトン導電性の固体電解質層１を用いると、例えば第１のガス中のアンモニアを分解する場合、第１の電極層（アノード）２でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子及び電子を生じさせて、プロトンを、固体電解質層１を経て第２の電極層（カソード）５へと移動させ、第２の電極層（カソード）５において酸素と反応させて水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので、固体電解質層１中の移動速度は大きい。このため、加熱温度を低くしながら実用レベルの分解容量を得ることができる。固体電解質層１の厚みも、強度を確保できる厚みにすることができる。
【００６６】
図４は、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅとの接続形態、及び筒状ＭＥＡ７とガス導入管４５及び排気管６５との接続形態を示す図である。
【００６７】
本実施形態では、上記加熱容器５１に、上記筒状ＭＥＡ７を収容するとともに、上記筒状ＭＥＡ７の一部を上記加熱容器５１の外部に突出させて突出部４１を設け、この突出部４１の先端部に、第１のガスを出入りさせる接続部材３０を設けている。
【００６８】
上記突出部４１を設けることにより、この突出部４１を利用して、加熱容器から伝導される熱を放熱させることができる。このため、上記突出部４１の先端側（接続部材３０側）の温度が低下させられて、上記接続部材３０に高い温度が作用することがなくなる。従って、筒状ＭＥＡ７と上記接続部材３０間のシール性能の低下を防止することができる。また、上記接続部材３０やこれに接続されるガス導入管４５等に高い耐熱性が要求されることがなくなり、接続の信頼性が高まるとともに、製造コストを低減させることができる。本実施形態では、フッ素樹脂から形成された接続部材３０を採用するとともに、上記突出部先端の温度を、フッ素樹樹脂の耐熱温度以下、たとえば、２０５℃以下となるように上記突出部４１の突出長さが設定されている。
【００６９】
なお、上記突出部４１を強制的に冷却する冷却手段７１を設けることもできる。たとえば、上記突出部４１に冷却空気を送るファン等を設けることができる。また、上記突出部４１の周囲に、冷却水を流す冷却管路を設けてもよい。上記冷却手段７１を設けることにより、突出部４１の冷却効率が高まり、上記突出部４１の突出長さを短縮することも可能となる。従って、ガス分解装置１００を小型化することもできる。
【００７０】
また、上記突出部４１を設けることにより、上記接続部材３０に伝導する熱を大幅に低減させることができる。これにより、上記接続部材３０を、樹脂材料から形成することが可能となる。上記樹脂材料の種類は特に限定されることはない。たとえば、耐熱性の高いフッソ樹脂等を採用するのが好ましい。樹脂材料から上記接続部材を形成することにより、加工等を容易に行うことも可能となり、製造コストを低減させることができる。
【００７１】
上記接続部材３０は、本体部３１から固体電解質層１へと延びる締結部３１ｂの内面側に収納されたＯリング３３が、焼成体であるセラミックスの固体電解質層１の外面に当接された状態で接続される。接続部材３０の締結部３１ｂは、外径がテーパ状に形成されており、そこにねじが切られ、そのねじに環状ねじ３２が螺合される。環状ねじ３２の外径が大きくなる方向へと螺合することで、締結部３１ｂは、外面から締め付けられ、Ｏリング３３による気密性を調節することができる。上記突出部４１を形成することにより、上記Ｏリング３３に作用する温度を低下させることが可能となり、上記Ｏリング３３の寿命を延ばすことができるとともに、シール構造の信頼性を高めることができる。
【００７２】
上記接続部材３０の内側には、上記ガス誘導パイプ１１ｋの基端部１１ｄが気密性をもって嵌合できる嵌合部３６が形成されている。これによって、ガス誘導パイプ１１ｋと接続部材３０とが連結され、第１のガスの通路が形成される。
【００７３】
接続部材３０には、上記第１のガスのガス導入管４５との接続を行うためのガス導入部３１ａが設けられている。ガス導入管４５の端部を、上記接続部材３０のガス導入部３１ａの外周に嵌め合わせ、締結具４７で締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。第１のガスはガス導入管４５からガス導入部３１ａを経てガス誘導パイプ１１ｋ内に流れ込む。ガス誘導パイプ１１ｋ内に流れ込んだ第１のガスは、内部空間４２を通って上記筒状ＭＥＡ７の封止部４４の近傍まで流動させられる。
【００７４】
また、接続部材３０には、排気管６５との接続を行うためのガス排出部３１ｃが設けられている。ガス排気管６５の端部を、上記接続部材３０のガス排出部３１ｃの外周に嵌め合わせ、締結具６７によって締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。筒状ＭＥＡ７を経た第１のガスは、接続部材３０内の排気空間３５、ガス排出部３１ｃを通って排気管６５に排出される。
【００７５】
上記接続部材３０を採用することにより、分解前の第１のガスと分解後の第１のガスとが混ざり合うことなく、且つ上記筒状ＭＥＡ７の同じ片側の位置から第１のガスを出入りさせることが可能となる。
【００７６】
上記接続部材３０の本体部３１には、気密性を保ってその本体部３１を貫通する導電貫通部３７ｃが設けられ、気密性を保つために封止樹脂３８等が塗られている。この導電貫通部３７ｃは、円柱棒で、外部配線１１ｅと確実な導電接続を行うためにナット３９を螺合させるねじを切っておくのがよい。導電貫通部３７ｃの管内先端には導電線３７ｂが接合されており、この導電線３７ｂの他端部３７ａが上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周部に、環状の締め付け具３４を介して接合されている。
【００７７】
上記構成を採用することにより、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅの接続抵抗を低減させることができる。
【００７８】
一方、カソード側集電体１２のＮｉメッシュシート１２ａの端部の外周に、外部配線１２ｅを周回させることで、外部への引き出しを行うことができる。第２の電極層（カソード）５は、筒状ＭＥＡ７の外面側に位置するので、アノード側集電体１１から外部への引き出しほど困難ではない。
【００７９】
図４に示すように、アノード側集電体１１と外部配線１１ｅとの接続と、接続部材３０とガス導入管４５及びガス排気管６５との接続を、小さなスペースで行うことができる。しかも、上記の接続は、上記突出部４１の先端側において行われている。すなわち、ヒータ５２からの熱流の主流部から外れた位置において行われている。このため、上記接続部材３０をフッ素樹脂等の耐熱性樹脂によって形成しても、長期間の繰り返し耐久性を確保することが可能となる。
【００８０】
本実施形態では、上記第１の電極層（アノード）２の内周部に多孔質導電層として、銀ペースト塗布層１１ｇが設けられると共に、Ｎｉメッシュシート１１ａが上記多孔質導電層である銀ペースト塗布層１１ｇを介して上記第１の電極層２に接続されている。
【００８１】
塗布して乾燥（焼成）させた後に多孔質になる銀ペーストは市販されており、例えば京都エレックス株式会社製のＤＤ−１２４０などを用いることができる。銀ペースト塗布層１１ｇを多孔質にすることにより、多くのアンモニア分子ＮＨ３ が、多孔質の気孔中に入って、上記第１の電極層（アノード）２中の触媒に触れてアノード反応が生じやすくなる。
【００８２】
ガス分解反応の効率を高めるため、上記銀ペースト塗布層１１ｇの気孔率を、２０〜８０％に設定するのが好ましい。気孔率が２０パーセント以下である場合、ガスを導電性ペースト塗布層内へ導くのが困難になり、効率を高めることができない。一方、気孔率が８０％以上になると、充分な導電性を確保するのが困難であると共に、塗布層の強度を確保できない。更に、気孔率を４０〜６０％に設定するのがより好ましい。
【００８３】
上記銀ペースト塗布層１１ｇの厚みは、５〜３００μｍに設定することができる。５μｍ以下では、Ｎｉメッシュシート１１ａの全域を、銀ペースト塗布層１１ｇに均一に接触させることができず、充分な導電性を確保するのが困難である。一方、３００μｍ以上では、充分な気孔率を有するペースト塗布層を形成するのが困難となる。導電性と気孔率を確保するために、５〜１００μｍの厚みの銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのがより好ましい。
【００８４】
上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成する手法は特に限定されることはない。筒状ＭＥＡ７を、銀ペーストを満たした浸漬層に漬けるディッピング法や、筒状ＭＥＡ７の内面に銀ペーストを噴射する塗布ノズルを挿入する手法等により、上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成することができる。
【００８５】
また、銀ペースト塗布層１１ｇを、多孔質に形成する手法も特に限定されることはない。上述した所要の気孔率を確保するために、所定温度で消失するバインダを所定量配合した銀ペーストを採用できる。また、バインダが消失する際の導電性ペースト塗布層の収縮を防止するために、昇華型のバインダを配合するのが好ましい。例えばナフタレン系のバインダを配合した銀ペーストを採用するのが好ましい。
【００８６】
上記銀ペースト塗布層１１ｇを設ける範囲も特に限定されることはないが、第１の電極層（アノード）２の全面に銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのが好ましい。銀ペースト塗布層１１ｇを第１の電極層（アノード）２の全面に形成することにより、Ｎｉメッシュシート１２ａの一部が上記銀ペースト塗布層１１ｇから離間した場合にも、第１の電極層（アノード）２における集電性能が低下することはなくなる。
【００８７】
上記固体電解質層１を構成する粉体材料として、固体酸化物、溶融炭酸塩、リン酸、固体高分子などを用いることができる。固体酸化物は小型化でき、取り扱いが容易なので好ましい。固体酸化物としては、酸素イオン導電性の、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いるのがよい。また、プロトン導電性のバリウムジルコネートを用いることもできる。上記各粉体材料は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより焼成することができる。
【００８８】
第１の電極層（アノード）２は、表面酸化されて酸化層を有する金属粒子連鎖体と、酸素イオン導電性のセラミックスとを主成分とする焼成体として形成できる。酸素イオン導電性のセラミックスとしては、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いることができる。
【００８９】
上記ＳＳＺを採用する場合、平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度のものを用いるのがよい。焼成工程は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより行うことができる。また、ＳＳＺの原料粉末の平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度とするのが好ましい。表面酸化された金属粒子連鎖体と、ＳＳＺとの配合比は、ｍｏｌ比で０．１〜１０の範囲とする。
【００９０】
上記金属粒子連鎖体の金属は、ニッケル（Ｎｉ）、または、Ｎｉに鉄（Ｆｅ）を含むものを採用するのが好ましい。更に好ましくは、チタン（Ｔｉ）を２〜１００００ｐｐｍ程度の微量含むものである。
【００９１】
金属粒子連鎖体は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒子連鎖体の還元析出法については、特開２００４−３３２０４７号公報などに詳述されている。第１の電極層（アノード）２に含まれる金属粒連鎖体の平均直径Ｄは５ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲とするのがよい。また、平均長さＬは０．５μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲とするのがよい。また、上記平均長さＬと平均径Ｄとの比は３以上とするのがよい。ただし、これら範囲外の寸法を持つものであってもよい。
【００９２】
第２の電極層（カソード）５は、酸素イオン導電性のセラミックスを主成分とする焼成体から形成される。この場合の酸素イオン導電性のセラミックスとして、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト）などを用いることができる。これら粉体材料も、上記と同様の条件で焼成することができる。
【００９３】
図５〜図７に、本願発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、第１の実施形態に係る突出部４１に相当する突出部材２４１を設けて構成したものである。なお、筒状ＭＥＡ２０７及び加熱容器２５１等の構成は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００９４】
図５に示すように、第２の実施形態では、上記筒状ＭＥＡ２０７が貫通して配置される上記加熱容器２５１の壁部に、上記筒状ＭＥＡ２０７を固定できるフランジ部２５１ａが設けられている。上記筒状ＭＥＡ２０７は、一部が上記加熱容器２５１の外側に延出した状態で上記フランジ部２５１ａに固定される。上記フランジ部２５１ａの内周部には、耐熱性を有するシール材が充填されており、上記筒状ＭＥＡ２０７の外周部と上記フランジ部２５１ａの内周部との間の気密性が確保される。
【００９５】
上記フランジ部２５１ａを設けた壁部の外面側には、筒状ＭＥＡ２０７の軸方向に延びる円筒状の突出部材２４１が設けられている。上記突出部材２４１は、筒状ＭＥＡ２０７の延出部２０７ｂを、気密性をもって収容するとともに、先端側にフッ素樹脂性の接続部材２３０が接続されている。
【００９６】
上記突出部材２４１における上記加熱容器側には、フランジ部２４１ａが形成されており、ネジ手段２６１によって上記加熱容器の壁部に固定されている。上記フランジ部２４１ａと上記加熱容器２５１の外面との間には、図示しない耐熱性ガスケットが介挿されており、上記突出部材２４１と上記加熱容器２５１との間の気密性が確保され、筒状ＭＥＡ内を流動するガスが漏れでないように構成されている。
【００９７】
一方、上記突出部材２４１の先端部２４１ｂは、上記接続部材２３０に設けた嵌合部２３６に気密性をもって嵌合されている。
【００９８】
上記突出部材２４１は、上記接続部材２３０に作用する温度を低減させることができれば、種々の材料を用いて形成することができる。たとえば、上記接続部材を、セラミック等の耐熱性及び断熱性のある材料から形成することができる。また、放熱性の高いニッケル等の金属材料から形成することにより、上記突出部材２４１において、上記筒状ＭＥＡ２０７から伝導される熱を放熱させて、上記接続部材２３０に作用する温度を低減させるように構成することもできる。
【００９９】
上記突出部材２４１には、第１の実施形態と同様に、気密性を保って貫通する図示しない導電貫通部が設けられ、第１の集電体を構成するガス誘導パイプ２１１ｋの外周部から延びる接続配線２１１ｅが、上記突出部材２４１の外側に延出されている。また、上記筒状ＭＥＡ２０７の外周部に設けられた第２の集電体から延びる接続配線２１２ｅも、上記と同様に上記突出部材２４１から延出されている。
【０１００】
上記構成を採用することにより、上記接続部材２４１や接続配線２１１ｅ，２１２ｅ等に作用する温度を大幅に低下させることができる。また、筒状ＭＥＡ２０７のほぼ全体を加熱容器２５１内に収容できるため、筒状ＭＥＡに均一な温度を作用させて、ガス分解効率を高めることもできる。
【０１０１】
さらに、上記突出部材２４１を採用することにより、冷却手段２７１を容易に設けることができる。たとえば、図５に示すように、上記突出部材２４１に放熱フィン２７１ａを一体形成することも可能となる。また、冷却空気や冷却水を採用させる配管を一体的に設けることもできる。従って、上記突出部材２４１を採用することにより、接続部材２３０に作用する温度を大幅に低下させることも可能となる。
【０１０２】
図６は、図５に示すガス分解素子２１０から構成されるガス分解装置２００の全体縦断面図である。また、図７は、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
【０１０３】
本実施形態では、加熱容器２５１の外周部にヒータ２５２を設けた構成としている。ガス分解装置２００は、複数のガス分解素子２１０を群として並列立体的に配置することにより構成される。上記各ガス分解素子２１０は、ヒータ２５２を備える加熱容器２５１内に配列配置されており、上記加熱容器２５１内で所定温度に保持される。
【０１０４】
上記加熱容器２５１の側壁には、上記各ガス分解素子２１０に対応した突出部材２４１が設けられており、その各先端部に接続部材２３０が接続されている。
【０１０５】
上記構成を採用することにより、すべてのガス分解素子を同じ温度に加熱することができる。また、第２のガスを上記加熱容器内で流動させることにより、複数のガス分解素子に作用させることができる。従って、ガス分解装置２００を小型化することができる。
【０１０６】
上述した実施形態は、本願発明を、ガス除害を目的としたガス分解装置に適用したが、ガス除害を主目的としないガス分解装置や、電気化学反応装置の筒状ＭＥＡに適用できる。例えば、燃料電池等の発電装置を構成する筒状ＭＥＡにも用いることができる。
【０１０７】
上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に、特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
ガス分解性能が高いのみならず、接続部材や外部配管等に高い温度が作用することがなく、信頼性の高いガス分解装置及び発電装置を提供できる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 固体電解質層
２ 第１の電極層（アノード）
５ 第２の電極層（カソード）
７ 筒状ＭＥＡ
１０ ガス分解素子
１１ アノード側集電体
１１ａ Ｎｉメッシュシート
１１ｄ 基端部
１１ｅ 外部配線
１１ｇ 銀ペースト塗布層
１１ｋ ガス誘導パイプ
１１ｓ 多孔質金属体
１２ カソード側集電体
１２ａ Ｎｉメッシュシート
１２ｇ 銀ペースト塗布配線
１２ｅ 外部配線
３０ 接続部材
３１ 本体部
３１ａ ガス導入部
３１ｂ 締結部
３１ｃ ガス排出部
３２ 環状ネジ
３３ Ｏリング
３４ 締め付け具
３５ 排気空間
３６ 嵌合部
３７ａ 他端部
３７ｂ 導電線
３７ｃ 導電貫通部
３８ 封止樹脂
３９ ナット
４１ 突出部
４２ 内部空間
４３ 筒状流路
４４ 封止部
４５ ガス導入管
４７ 締結具
５１ 加熱容器
５２ ヒータ
５３ 予備加熱用配管
６５ 排気管
１００ ガス分解装置
Ｓ スペース
Ｗ１ Ｎｉメッシュシートの先端部
Ｗ２ 接合部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を用いて構成されるガス分解装置であって、
ガスを上記筒状ＭＥＡ内に出入りさせる接続部材と、
上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器とを備え、
上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部を設けるとともに、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けた、ガス分解装置。
【請求項２】
上記突出部は、上記筒状ＭＥＡの一部を、上記加熱容器から突出させて構成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
【請求項３】
上記突出部の一部又は全部が、上記筒状ＭＥＡと別部材から形成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
【請求項４】
上記突出部を冷却する冷却手段が設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項５】
上記突出部先端の温度を、２０５℃以下に設定した、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項６】
上記接続部材が、樹脂材料から形成されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項７】
上記筒状ＭＥＡは、
一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、
上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを備え、
上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第１の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成された、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項８】
上記加熱容器内を通過するとともに、上記ガス誘導パイプに導かれるガスを予め加熱する予備加熱配管を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項９】
上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層が、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項１０】
上記固体電解質層が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載したガス分解装置を備える、発電装置。
【請求項１】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を用いて構成されるガス分解装置であって、
ガスを上記筒状ＭＥＡ内に出入りさせる接続部材と、
上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器とを備え、
上記筒状ＭＥＡに、上記加熱容器の外部に突出する突出部を設けるとともに、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けた、ガス分解装置。
【請求項２】
上記突出部は、上記筒状ＭＥＡの一部を、上記加熱容器から突出させて構成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
【請求項３】
上記突出部の一部又は全部が、上記筒状ＭＥＡと別部材から形成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
【請求項４】
上記突出部を冷却する冷却手段が設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項５】
上記突出部先端の温度を、２０５℃以下に設定した、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項６】
上記接続部材が、樹脂材料から形成されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項７】
上記筒状ＭＥＡは、
一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、
上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを備え、
上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第１の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成された、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項８】
上記加熱容器内を通過するとともに、上記ガス誘導パイプに導かれるガスを予め加熱する予備加熱配管を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項９】
上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層が、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項１０】
上記固体電解質層が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載したガス分解装置を備える、発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４３６９２（Ｐ２０１２−１４３６９２Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８９３（Ｐ２０１１−２８９３）
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]