ガス分解装置及び発電装置
【課題】有害成分を含む大量のガスを処理することができるとともに、上記ガスを充分に加熱してから電極に作用させて分解することができるガス分解装置を提供する。
【解決手段】筒状の固体電解質層１と、この固体電解質層の外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内周部に積層形成された第２の電極層５とを有する筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）７を用いて構成されるガス分解装置１００であって、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器５１を備え、上記加熱容器内に、分解に供せられる第１のガスを上記第１の電極層に作用させるように流動させるガス流路９０を設ける一方、上記筒状ＭＥＡ内に第２のガスを流動させるように構成されている。
【解決手段】筒状の固体電解質層１と、この固体電解質層の外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内周部に積層形成された第２の電極層５とを有する筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）７を用いて構成されるガス分解装置１００であって、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器５１を備え、上記加熱容器内に、分解に供せられる第１のガスを上記第１の電極層に作用させるように流動させるガス流路９０を設ける一方、上記筒状ＭＥＡ内に第２のガスを流動させるように構成されている。
【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。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、加熱容器内に上記筒状ＭＥＡを収容し、上記筒状ＭＥＡの全体を加熱するように構成されている。
【０００８】
従来の筒状ＭＥＡでは、筒状ＭＥＡの内側に形成した第１の電極層に分解に供せられるガスを接触させるため、長尺状の筒状ＭＥＡを構成し、この内側空間に上記ガスを流動させるように構成されている。また、上記筒状ＭＥＡ内を流動させるガスを効率よく上記第１の電極層に作用させるため、上記筒状ＭＥＡの内径が小さく設定されている。
【０００９】
ところが、上記ガスの流量を増加させると、上記筒状ＭＥＡ内で流動するガスの圧力損失が大きくなる。しかも、筒状ＭＥＡの内側電極の表面積が限られているため、大量のガスを処理するのが困難になり、ガス分解効率が低下するという問題が生じる。
【００１０】
また、流量を増加させると、ガスが上記筒状ＭＥＡ内で滞在する時間も減少する。このため、上記ガスを充分に加熱してから上記筒状ＭＥＡに作用させることができないという問題も生じる。
【００１１】
本願発明は、大量のガスを処理することができるとともに、上記ガスを充分に加熱してから電極に作用させて分解することが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】
【００１２】
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外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内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、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器を備え、上記加熱容器内に、分解に供せられる第１のガスを上記第１の電極層に作用させるように流動させるガス流路を設ける一方、上記筒状ＭＥＡ内に第２のガスを流動させるように構成したものである。
【００１３】
本願発明に係るガス分解装置においては、筒状ＭＥＡが収容される加熱容器内に、分解に供せられるガスを流動させるガス流路を設けて、上記筒状ＭＥＡの外周部に形成された第１の電極層に作用させて分解する。
【００１４】
上記加熱容器内の空間は、上記筒状ＭＥＡ内の内側空間に比べて大きいため、大量のガスを流動させても圧力損失が大きくなることはない。特に、分解に供せられる第１のガスの量が、他のガスより多い場合、効率を高めることができる。たとえば、アンモニアガスを第１のガスとして分解する場合、第２のガスとして採用される空気より流量が多い。このため、第２のガスの流量を第１のガスの流量に比べて少なく設定することができる。
【００１５】
しかも、上記加熱容器内の空間が大きいため、大量のガスを流動させても流速を小さく設定することが可能となり、加熱容器内での滞在時間を長く設定することが可能となる。このため、上記第１のガスを充分に加熱してから、上記第１の電極層に作用させて、ガス分解効率を高めることができる。
【００１６】
さらに、上記第１の電極層を筒状ＭＥＡの外周部に設けることにより、上記第１のガスと接触する電極の接触面積を大きく設定することが可能となり、ガス分解効率をより高めることができる。
【００１７】
上記筒状ＭＥＡの外周部に形成された第１の電極層に作用するように上記ガスを流動させることができれば、上記加熱容器内に設けられるガス流路の形態は特に限定されることはない。
【００１８】
たとえば、請求項２に記載した発明のように、第１のガスを蛇行させながら上記第１の電極層に作用させるように、上記ガス流路を構成することができる。上記加熱容器内に第１のガスを蛇行させるガス流路を設けることにより、加熱容器内での流動距離及び滞在時間も長くなり、第１のガスと上記第１の電極層との接触時間が長くなるばかりでなく、第１のガスを充分に加熱してから上記第１の電極に作用させることができる。また、蛇行するガス流路を設定することにより、流動するガスを上記第１の電極に対して均一に作用させることも可能となり、ガス分解効率を高めることができる。
【００１９】
上記ガス流路を構成する具体的構成は特に限定されることはない。たとえば、上記加熱容器内の対抗する壁面から交互に延出する板状部材を設けることにより、これら板状部材間に、上記第１のガスが蛇行して流動するガス流路を設けることができる。
【００２０】
請求項３に記載した発明は、上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、上記ガス流路を、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過するように形成したものである。
【００２１】
通常、一つの加熱容器内に、複数の筒状ＭＥＡを収容してガス分解装置が構成される。従来のガス分解装置では、上記各筒状ＭＥＡの内側に分解に供せられる第１のガスをそれぞれ導入してガスを分解していた。ところが、上記筒状ＭＥＡのガス分解能力が異なるため、各筒状ＭＥＡにおいてガスの可能処理量や処理程度が異なるという問題があった。また、上記複数の筒状ＭＥＡのうち一つでも故障すると、ガス分解装置全体を停止する必要があった。
【００２２】
本願発明では、加熱容器内に形成される上記ガス流路を、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過するように形成しているため、各筒状ＭＥＡの処理能力に差があっても、流動するガスを均一に処理することが可能となる。また、筒状ＭＥＡの一部が故障しても、装置全体を停止させる必要はなく、処理流量等を低下させる等の対応も可能となる。
【００２３】
上述したように、ガスの分解効率を高めるには、ガスの温度をできるだけ高めるのが好ましい。一方、従来のガス分解装置では、筒状ＭＥＡ内に分解に供せられるガスを流動させるため、筒状ＭＥＡを介してガスを加熱する必要があり、加熱効率が良いとはいえなかった。
【００２４】
本願発明では、上記第１のガスを加熱容器内で流動させるため、第１のガスの加熱効率を高めることが可能となる。さらに、請求項４に記載した発明のように、上記ガス流路に、上記第１のガスを加熱する加熱手段を設けることができる。上記加熱手段を設けることにより、加熱容器内を流動するガスを直接加熱することが可能となり、ガス分解効率をさらに高めることができる。
【００２５】
上記加熱手段の構成は特に限定されることはない。たとえば、ガス流路内に直接加熱ヒータを設けることができる。また、上記ガス流路を構成する部材に加熱ヒータを設けることもできる。さらに、上記ガス流路内に、加熱ヒータによって加熱される多孔質体を設け、この多孔質体内で上記第１のガスを流動させて加熱するように構成することもできる。
【００２６】
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、これら開口端部に突出部をそれぞれ設けて接続部材を接続し、ガスを一方向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。
【００２７】
また、請求項５に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡを、下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、上端部に設けられた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第２のガスを、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２の電極層に作用させ、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。
【００２８】
上記構成を採用することにより、第２のガスを出入りさせる接続部材を上端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、配管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。
【００２９】
また、上記構成を採用することにより、筒状ＭＥＡ内を流れる第２のガスは、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第２の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、ガス分解装置の効率を高めることが可能となる。
【００３０】
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、第２のガスが漏れ出たり、第１のガスと混ざり合うことはなく、筒状ＭＥＡの一端部を確実に封止することができる。
【００３１】
また、上記筒状ＭＥＡの一端部を、封止部材を用い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、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。
【００３２】
上記筒状ＭＥＡにおける第２のガスの出入り口は、導入される第２のガスと排出される第２のガスと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、第２のガスを導入するとともに、排出することができる。
【００３３】
また、上記ガス誘導パイプを第２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２の電極層に導通させられて、上記第２の電極層の集電体を構成することができる。
【００３４】
上記ガス誘導パイプを第２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。
【００３５】
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、耐熱性を有するとともに、第２の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。
【００３６】
上記第２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２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。
【００３７】
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６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。
【００３８】
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。
【００３９】
（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。
【００４０】
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加熱ヒータを備え、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。
【００４１】
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。
【００４２】
請求項７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、これ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。
【００４３】
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が生じる。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。
【００４４】
請求項８に記載した発明のように、分解対象のガスを燃料とし、上述した本願発明に係る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。
【００４５】
請求項９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外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内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）を備えるガス分解装置によって行われるガス分解方法であって、加熱容器内に、上記筒状ＭＥＡを収容するとともに、分解に供せられるガスを、上記加熱容器内で蛇行させながら流動させて上記第１の電極層に作用させるものである。
【００４６】
請求項１０に記載した発明は、上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、上記ガスを、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過させるように流動させるガス分解方法に関するものである。
【発明の効果】
【００４７】
分解に供せられるガスを大量に流動させても圧力損失が大きくなることはなく、また、充分に加熱してから筒状ＭＥＡに作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本願発明に係るガス分解装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本願発明の第１の実施形態に係るガス分解装置の加熱容器内の要部の構造を示す縦断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部の断面図である。
【図４】図１のガス分解装置の電気配線系統を示す図である。
【図５】図１に示すガス分解装置の上端部の縦断面図である。
【図６】本願発明の第２の実施形態に係るガス分解装置の概略構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本願発明の実施形態を、図に基づいて具体的に説明する。
図１は、本願発明の第１の実施形態に係るガス分解装置１００の概略構成を示す縦断面図である。なお、本実施形態では、分解に供される第１のガスをアンモニア含有ガスとし、第２のガスとして空気を採用した場合のガス分解装置１００について説明する。
【００５０】
第１の実施形態では、筒状ＭＥＡ７を備えて構成される複数のガス分解素子１０を加熱容器５１内に収容してガス分解装置１００が構成されている。
【００５１】
上記筒状ＭＥＡ７には、下部を加熱容器５１内に収容するとともに、上部を上記加熱容器から上方へ突出させることにより突出部４１が設けられている。上記筒状ＭＥＡ７の上端の開口端部には、接続部材３０が設けられており、この接続部材３０を介して、上記筒状ＭＥＡの内側に形成される第２ガス流路９１へ第１のガス（空気）を導入するとともに排出できるように構成している。
【００５２】
上記加熱容器５１には、加熱ヒータ５２が設けられており、この加熱ヒータ５２を作動させることにより、上記筒状ＭＥＡ７及び、これに作用させられる第１及び第２のガスを加熱するように構成している。上記加熱ヒータ５２は、図示しない制御装置によって制御されるように構成されており、加熱容器５１内を所定の温度が、たとえば、８００〜１０００℃に保持される。
【００５３】
上記加熱容器の下部には、第１のガスを導入する導入口６１が設けられるとともに、上部に分解処理された第１のガスを排出する排出口６２が設けられており、第１のガスは、上記加熱容器５１内を、下方から上方に向けて流動するように構成されている。上記加熱容器５１の両側の側壁８１，８２の内面から対向する側壁の内面近傍まで、板状の仕切部材８３が、上下方向に所定間隔を開けて交互に延出させられている。上記仕切部材８３を設けることにより、第１のガスを蛇行させながら、上記加熱容器５１内を流動させることができる第１のガス流路９０が形成されている。
【００５４】
図２は、上記ガス分解装置１００における加熱容器５１内の構造を示す要部の拡大縦断面図である。また図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【００５５】
ガス分解素子１０は、円筒状の固体電解質層１の外面を覆うように第１の電極層（アノード）２が設けられると共に、内面を覆うように第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）の外側には第１のガスとしてアンモニア含有ガスが流される。一方、筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側には、第２のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。
【００５６】
上記加熱容器５１内の空間Ｓは、上記筒状ＭＥＡ７の内側空間に比べて大きいため、大量の第１のガスを上記第１のガス流路９０で流動させても圧力損失が大きくなることはない。一方、筒状ＭＥＡ７の内側空間に設けられた第２のガス流路９１を流動する第２のガス（空気）と上記筒状ＭＥＡ７の内周部に形成された第２の電極層５との反応性が高いため、第２のガスの流量を第１のガスの流量に比べて少なく設定することができる。
【００５７】
また、上記加熱容器５１内の空間Ｓに上記仕切部材８３を設けて、第１のガスを蛇行させながら流すように構成している。このため、第１のガスの加熱容器内での流動距離及び滞在時間が長くなり、第１のガスと上記第１の電極層２との接触時間が長くなるばかりでなく、第１のガスを充分に加熱してから上記第１の電極に作用させることができる。このため、ガス分解効率を高めることができる。
【００５８】
さらに、上記第１の電極層を筒状ＭＥＡの外周部に設けることにより、内周部に設けた場合と比べて、上記第１のガスと接触する電極の接触面積を大きく設定することが可能となり、ガス分解効率をより高めることができる。
【００５９】
しかも、上記ガス流路９０を、上記複数の筒状ＭＥＡ７の外周部を通過するように形成しているため、各筒状ＭＥＡ７の処理能力に差があっても、流動するガスを均一に処理することが可能となる。また、筒状ＭＥＡ７の一部が故障しても、装置全体を停止させる必要はなく、流量等を低下させる等の対応も可能となる。
【００６０】
本実施形態に係る上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）は、図２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。
【００６１】
図２及び図５に示すように、本実施形態のガス分解素子１０では、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の下端部が封止されると共に、上端部から第２のガスを誘導するガス誘導パイプ１１ｋが挿入されている。上記ガス誘導パイプ１１ｋは、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、空気耐蝕性とを備えた材料で構成される。上記下端部は、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の固体電解質層１及び内側に位置する第２の電極層５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。
【００６２】
上記ガス誘導パイプ１１ｋは、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の上端部から下端部である上記封止部４４側に向けて挿入されており、上記筒状ＭＥＡ７の第２の電極層５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２の電極層５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。
【００６３】
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２のガスを導入し、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２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２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２のガス流路９１が構成される。
【００６４】
上記構成を採用することにより、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２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に作用させることができる。従って、ガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの処理量を増加させることも可能となる。
【００６５】
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、カソード側集電体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１の電極層（アノード）２の外面に巻き付くようにアノード側集電体１２が配置されている。
【００６６】
上記カソード側集電体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２の電極層（カソード）５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。
【００６７】
多孔質金属体１１ｓは、第２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２の電極層（カソード）５とカソード側集電体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。
【００６８】
上記アノード側集電体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、図５に示す外部配線１２ｅへと導電している。
【００６９】
上記加熱容器５１の外周部には、上記加熱ヒータ５２が配置されている。本実施形態では、上記空間Ｓには予備加熱用配管５３が上記加熱容器５１を貫通して配置されている。
【００７０】
上記加熱ヒータ５２はガス分解素子１０及び流動する第１のガス及び第２のガスを加熱するためのものであり、この加熱ヒータ５２によって筒状ＭＥＡ７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２のガスを予熱するための配管である。第２のガスを上記筒状ＭＥＡ７内に導入する前に予備加熱用配管５３に通すことで、第２のガスを予熱し、温度の低い第２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。具体的には、予備加熱用配管５３の下方から、第２のガスとしての空気を吸入し、下流側は図５に示すガス導入管４５と接続される構成としている。
【００７１】
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３には、各ガス分解素子１０に対し１本ずつ設けているが、一つの予備加熱配管から複数のガス分解素子１０にガスを供給するように構成してもよい。上記筒状ＭＥＡ７を加熱する加熱ヒータ５２によって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２のガスが良好に予備加熱される。
【００７２】
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、加熱ヒータ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。
【００７３】
図４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、各ガス分解素子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、図示しない第１のガス源から上記加熱容器５１内に設けた第１のガス流路に導入される。上記筒状ＭＥＡ７は、加熱ヒータ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、上記加熱容器５１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、加熱によって２ＮＨ３→Ｎ２+３Ｈ２のように分解される。また、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が生じる。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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１１からアノード側集電体１２へと電流Ｉが流れる。カソード側集電体１１とアノード側集電体１２との間に負荷、例えばこのガス分解素子１０を加熱するための加熱ヒータ５２に接続しておけば、そのための電力の一部を供給することができる。
【００７７】
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。
【００７８】
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、窒素分子及び電子が生じる。このプロトンを、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。
【００７９】
図５は、上記ガス分解装置１００の上部の構造を示す縦断面図であり、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅとの接続形態、筒状ＭＥＡ７とガス導入管４５及び排気管６５との接続形態を示している。
【００８０】
本実施形態では、上記加熱容器５１に、軸を鉛直方向に配向した状態で上記筒状ＭＥＡ７の下部を収容するとともに、上記筒状ＭＥＡ７の上端部を上記加熱容器５１の上方に突出させて突出部４１を設け、この突出部４１の上端の開口端部に、第２のガスを出入りさせる接続部材３０を設けている。
【００８１】
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による気密性を確保することができる。
【００８２】
上記突出部４１を設けることにより、上記加熱容器５１から伝導される熱の一部を放熱させ、上記Ｏリング３３及び上記接続部材３０に伝導される熱を低減させることができる。このため、上記シール構造や上記接続部材３０に上記筒状ＭＥＡを介して高い温度が作用するのを防止することができる。
【００８３】
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。
【００８４】
接続部材３０には、上記第２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２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。
【００８５】
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２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。
【００８６】
上記接続部材３０を採用することにより、上記筒状ＭＥＡ７の同じ片側の位置から第２のガスを出入りさせることが可能となる。
【００８７】
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。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。一方、アノード側集電体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。
【００８８】
本実施形態では、上記第２の電極層（カソード）５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２の電極層５に接続されている。また、上記第１の電極層（アノード）２の外周部にも、銀ペースト塗布配線１２ｇが設けられている。
【００８９】
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。銀ペースト塗布配線１２ｇ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。上記銀ペースト塗布配線１２ｇ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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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に含まれる金属粒子連鎖体の平均直径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。
【００９５】
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。
【００９６】
図６に、本願発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態では、第１のガス流路２９０を構成する仕切部材２８３に、加熱ヒータ２５２ａを設け、上記第１のガス流路を流れる第１のガスを加熱するように構成したものである。なお、筒状ＭＥＡ２０７の構成及び加熱容器２５１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。
【００９７】
第１のガス流路２９０を構成する仕切部材２８０に上記加熱ヒータ２５２ａを設けることにより、蛇行して流れる上記第１のガスを上記第１のガス流路２９０内で効率よく加熱することが可能となる。また、第１のガスを最適な温度に加熱して上記第１の電極層に作用させて分解することができる。このため、ガス分解効率が大幅に高まる。
【００９８】
しかも、上記第１のガス流路２９０を構成する複数の仕切部材２８３の間には、金属多孔質体（上述したセルメット）２９３が充填されている。このため、上記仕切部材２８３で発生した熱を、上記金属多孔質体２９３を介して上記第１のガスに効率よく伝達して加熱することができる。さらに、上記各筒状ＭＥＡの近傍において、上記第１のガスを集中的に加熱することができるため、熱効率も高い。
【００９９】
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。
【０１００】
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】
【０１０１】
ガス分解能力を大幅に高めて、大量のガスを分解処理することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
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 カソード側集電体
１２ アノード側集電体
３０ 接続部材
４１ 突出部
４２ 内部空間
４３ 筒状流路
４４ 封止部
４５ ガス導入管
５１ 加熱容器
５２ 加熱ヒータ
５３ 予備加熱用配管
６５ 排気管
９０ 第１のガス流路
９１ 第２のガス流路
１００ ガス分解装置
Ｓ 加熱容器内の空間
【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。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、加熱容器内に上記筒状ＭＥＡを収容し、上記筒状ＭＥＡの全体を加熱するように構成されている。
【０００８】
従来の筒状ＭＥＡでは、筒状ＭＥＡの内側に形成した第１の電極層に分解に供せられるガスを接触させるため、長尺状の筒状ＭＥＡを構成し、この内側空間に上記ガスを流動させるように構成されている。また、上記筒状ＭＥＡ内を流動させるガスを効率よく上記第１の電極層に作用させるため、上記筒状ＭＥＡの内径が小さく設定されている。
【０００９】
ところが、上記ガスの流量を増加させると、上記筒状ＭＥＡ内で流動するガスの圧力損失が大きくなる。しかも、筒状ＭＥＡの内側電極の表面積が限られているため、大量のガスを処理するのが困難になり、ガス分解効率が低下するという問題が生じる。
【００１０】
また、流量を増加させると、ガスが上記筒状ＭＥＡ内で滞在する時間も減少する。このため、上記ガスを充分に加熱してから上記筒状ＭＥＡに作用させることができないという問題も生じる。
【００１１】
本願発明は、大量のガスを処理することができるとともに、上記ガスを充分に加熱してから電極に作用させて分解することが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】
【００１２】
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外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内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、上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器を備え、上記加熱容器内に、分解に供せられる第１のガスを上記第１の電極層に作用させるように流動させるガス流路を設ける一方、上記筒状ＭＥＡ内に第２のガスを流動させるように構成したものである。
【００１３】
本願発明に係るガス分解装置においては、筒状ＭＥＡが収容される加熱容器内に、分解に供せられるガスを流動させるガス流路を設けて、上記筒状ＭＥＡの外周部に形成された第１の電極層に作用させて分解する。
【００１４】
上記加熱容器内の空間は、上記筒状ＭＥＡ内の内側空間に比べて大きいため、大量のガスを流動させても圧力損失が大きくなることはない。特に、分解に供せられる第１のガスの量が、他のガスより多い場合、効率を高めることができる。たとえば、アンモニアガスを第１のガスとして分解する場合、第２のガスとして採用される空気より流量が多い。このため、第２のガスの流量を第１のガスの流量に比べて少なく設定することができる。
【００１５】
しかも、上記加熱容器内の空間が大きいため、大量のガスを流動させても流速を小さく設定することが可能となり、加熱容器内での滞在時間を長く設定することが可能となる。このため、上記第１のガスを充分に加熱してから、上記第１の電極層に作用させて、ガス分解効率を高めることができる。
【００１６】
さらに、上記第１の電極層を筒状ＭＥＡの外周部に設けることにより、上記第１のガスと接触する電極の接触面積を大きく設定することが可能となり、ガス分解効率をより高めることができる。
【００１７】
上記筒状ＭＥＡの外周部に形成された第１の電極層に作用するように上記ガスを流動させることができれば、上記加熱容器内に設けられるガス流路の形態は特に限定されることはない。
【００１８】
たとえば、請求項２に記載した発明のように、第１のガスを蛇行させながら上記第１の電極層に作用させるように、上記ガス流路を構成することができる。上記加熱容器内に第１のガスを蛇行させるガス流路を設けることにより、加熱容器内での流動距離及び滞在時間も長くなり、第１のガスと上記第１の電極層との接触時間が長くなるばかりでなく、第１のガスを充分に加熱してから上記第１の電極に作用させることができる。また、蛇行するガス流路を設定することにより、流動するガスを上記第１の電極に対して均一に作用させることも可能となり、ガス分解効率を高めることができる。
【００１９】
上記ガス流路を構成する具体的構成は特に限定されることはない。たとえば、上記加熱容器内の対抗する壁面から交互に延出する板状部材を設けることにより、これら板状部材間に、上記第１のガスが蛇行して流動するガス流路を設けることができる。
【００２０】
請求項３に記載した発明は、上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、上記ガス流路を、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過するように形成したものである。
【００２１】
通常、一つの加熱容器内に、複数の筒状ＭＥＡを収容してガス分解装置が構成される。従来のガス分解装置では、上記各筒状ＭＥＡの内側に分解に供せられる第１のガスをそれぞれ導入してガスを分解していた。ところが、上記筒状ＭＥＡのガス分解能力が異なるため、各筒状ＭＥＡにおいてガスの可能処理量や処理程度が異なるという問題があった。また、上記複数の筒状ＭＥＡのうち一つでも故障すると、ガス分解装置全体を停止する必要があった。
【００２２】
本願発明では、加熱容器内に形成される上記ガス流路を、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過するように形成しているため、各筒状ＭＥＡの処理能力に差があっても、流動するガスを均一に処理することが可能となる。また、筒状ＭＥＡの一部が故障しても、装置全体を停止させる必要はなく、処理流量等を低下させる等の対応も可能となる。
【００２３】
上述したように、ガスの分解効率を高めるには、ガスの温度をできるだけ高めるのが好ましい。一方、従来のガス分解装置では、筒状ＭＥＡ内に分解に供せられるガスを流動させるため、筒状ＭＥＡを介してガスを加熱する必要があり、加熱効率が良いとはいえなかった。
【００２４】
本願発明では、上記第１のガスを加熱容器内で流動させるため、第１のガスの加熱効率を高めることが可能となる。さらに、請求項４に記載した発明のように、上記ガス流路に、上記第１のガスを加熱する加熱手段を設けることができる。上記加熱手段を設けることにより、加熱容器内を流動するガスを直接加熱することが可能となり、ガス分解効率をさらに高めることができる。
【００２５】
上記加熱手段の構成は特に限定されることはない。たとえば、ガス流路内に直接加熱ヒータを設けることができる。また、上記ガス流路を構成する部材に加熱ヒータを設けることもできる。さらに、上記ガス流路内に、加熱ヒータによって加熱される多孔質体を設け、この多孔質体内で上記第１のガスを流動させて加熱するように構成することもできる。
【００２６】
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、これら開口端部に突出部をそれぞれ設けて接続部材を接続し、ガスを一方向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。
【００２７】
また、請求項５に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡを、下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、上端部に設けられた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第２のガスを、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２の電極層に作用させ、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。
【００２８】
上記構成を採用することにより、第２のガスを出入りさせる接続部材を上端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、配管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。
【００２９】
また、上記構成を採用することにより、筒状ＭＥＡ内を流れる第２のガスは、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第２の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、ガス分解装置の効率を高めることが可能となる。
【００３０】
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、第２のガスが漏れ出たり、第１のガスと混ざり合うことはなく、筒状ＭＥＡの一端部を確実に封止することができる。
【００３１】
また、上記筒状ＭＥＡの一端部を、封止部材を用い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、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。
【００３２】
上記筒状ＭＥＡにおける第２のガスの出入り口は、導入される第２のガスと排出される第２のガスと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、第２のガスを導入するとともに、排出することができる。
【００３３】
また、上記ガス誘導パイプを第２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２の電極層に導通させられて、上記第２の電極層の集電体を構成することができる。
【００３４】
上記ガス誘導パイプを第２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。
【００３５】
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、耐熱性を有するとともに、第２の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。
【００３６】
上記第２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２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。
【００３７】
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６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。
【００３８】
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。
【００３９】
（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。
【００４０】
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加熱ヒータを備え、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。
【００４１】
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。
【００４２】
請求項７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、これ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。
【００４３】
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が生じる。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。
【００４４】
請求項８に記載した発明のように、分解対象のガスを燃料とし、上述した本願発明に係る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。
【００４５】
請求項９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外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内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）を備えるガス分解装置によって行われるガス分解方法であって、加熱容器内に、上記筒状ＭＥＡを収容するとともに、分解に供せられるガスを、上記加熱容器内で蛇行させながら流動させて上記第１の電極層に作用させるものである。
【００４６】
請求項１０に記載した発明は、上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、上記ガスを、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過させるように流動させるガス分解方法に関するものである。
【発明の効果】
【００４７】
分解に供せられるガスを大量に流動させても圧力損失が大きくなることはなく、また、充分に加熱してから筒状ＭＥＡに作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本願発明に係るガス分解装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本願発明の第１の実施形態に係るガス分解装置の加熱容器内の要部の構造を示す縦断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部の断面図である。
【図４】図１のガス分解装置の電気配線系統を示す図である。
【図５】図１に示すガス分解装置の上端部の縦断面図である。
【図６】本願発明の第２の実施形態に係るガス分解装置の概略構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本願発明の実施形態を、図に基づいて具体的に説明する。
図１は、本願発明の第１の実施形態に係るガス分解装置１００の概略構成を示す縦断面図である。なお、本実施形態では、分解に供される第１のガスをアンモニア含有ガスとし、第２のガスとして空気を採用した場合のガス分解装置１００について説明する。
【００５０】
第１の実施形態では、筒状ＭＥＡ７を備えて構成される複数のガス分解素子１０を加熱容器５１内に収容してガス分解装置１００が構成されている。
【００５１】
上記筒状ＭＥＡ７には、下部を加熱容器５１内に収容するとともに、上部を上記加熱容器から上方へ突出させることにより突出部４１が設けられている。上記筒状ＭＥＡ７の上端の開口端部には、接続部材３０が設けられており、この接続部材３０を介して、上記筒状ＭＥＡの内側に形成される第２ガス流路９１へ第１のガス（空気）を導入するとともに排出できるように構成している。
【００５２】
上記加熱容器５１には、加熱ヒータ５２が設けられており、この加熱ヒータ５２を作動させることにより、上記筒状ＭＥＡ７及び、これに作用させられる第１及び第２のガスを加熱するように構成している。上記加熱ヒータ５２は、図示しない制御装置によって制御されるように構成されており、加熱容器５１内を所定の温度が、たとえば、８００〜１０００℃に保持される。
【００５３】
上記加熱容器の下部には、第１のガスを導入する導入口６１が設けられるとともに、上部に分解処理された第１のガスを排出する排出口６２が設けられており、第１のガスは、上記加熱容器５１内を、下方から上方に向けて流動するように構成されている。上記加熱容器５１の両側の側壁８１，８２の内面から対向する側壁の内面近傍まで、板状の仕切部材８３が、上下方向に所定間隔を開けて交互に延出させられている。上記仕切部材８３を設けることにより、第１のガスを蛇行させながら、上記加熱容器５１内を流動させることができる第１のガス流路９０が形成されている。
【００５４】
図２は、上記ガス分解装置１００における加熱容器５１内の構造を示す要部の拡大縦断面図である。また図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【００５５】
ガス分解素子１０は、円筒状の固体電解質層１の外面を覆うように第１の電極層（アノード）２が設けられると共に、内面を覆うように第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）の外側には第１のガスとしてアンモニア含有ガスが流される。一方、筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側には、第２のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。
【００５６】
上記加熱容器５１内の空間Ｓは、上記筒状ＭＥＡ７の内側空間に比べて大きいため、大量の第１のガスを上記第１のガス流路９０で流動させても圧力損失が大きくなることはない。一方、筒状ＭＥＡ７の内側空間に設けられた第２のガス流路９１を流動する第２のガス（空気）と上記筒状ＭＥＡ７の内周部に形成された第２の電極層５との反応性が高いため、第２のガスの流量を第１のガスの流量に比べて少なく設定することができる。
【００５７】
また、上記加熱容器５１内の空間Ｓに上記仕切部材８３を設けて、第１のガスを蛇行させながら流すように構成している。このため、第１のガスの加熱容器内での流動距離及び滞在時間が長くなり、第１のガスと上記第１の電極層２との接触時間が長くなるばかりでなく、第１のガスを充分に加熱してから上記第１の電極に作用させることができる。このため、ガス分解効率を高めることができる。
【００５８】
さらに、上記第１の電極層を筒状ＭＥＡの外周部に設けることにより、内周部に設けた場合と比べて、上記第１のガスと接触する電極の接触面積を大きく設定することが可能となり、ガス分解効率をより高めることができる。
【００５９】
しかも、上記ガス流路９０を、上記複数の筒状ＭＥＡ７の外周部を通過するように形成しているため、各筒状ＭＥＡ７の処理能力に差があっても、流動するガスを均一に処理することが可能となる。また、筒状ＭＥＡ７の一部が故障しても、装置全体を停止させる必要はなく、流量等を低下させる等の対応も可能となる。
【００６０】
本実施形態に係る上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）は、図２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。
【００６１】
図２及び図５に示すように、本実施形態のガス分解素子１０では、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の下端部が封止されると共に、上端部から第２のガスを誘導するガス誘導パイプ１１ｋが挿入されている。上記ガス誘導パイプ１１ｋは、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、空気耐蝕性とを備えた材料で構成される。上記下端部は、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の固体電解質層１及び内側に位置する第２の電極層５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。
【００６２】
上記ガス誘導パイプ１１ｋは、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の上端部から下端部である上記封止部４４側に向けて挿入されており、上記筒状ＭＥＡ７の第２の電極層５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２の電極層５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。
【００６３】
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２のガスを導入し、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２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２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２のガス流路９１が構成される。
【００６４】
上記構成を採用することにより、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２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に作用させることができる。従って、ガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの処理量を増加させることも可能となる。
【００６５】
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、カソード側集電体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１の電極層（アノード）２の外面に巻き付くようにアノード側集電体１２が配置されている。
【００６６】
上記カソード側集電体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２の電極層（カソード）５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。
【００６７】
多孔質金属体１１ｓは、第２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２の電極層（カソード）５とカソード側集電体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。
【００６８】
上記アノード側集電体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、図５に示す外部配線１２ｅへと導電している。
【００６９】
上記加熱容器５１の外周部には、上記加熱ヒータ５２が配置されている。本実施形態では、上記空間Ｓには予備加熱用配管５３が上記加熱容器５１を貫通して配置されている。
【００７０】
上記加熱ヒータ５２はガス分解素子１０及び流動する第１のガス及び第２のガスを加熱するためのものであり、この加熱ヒータ５２によって筒状ＭＥＡ７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２のガスを予熱するための配管である。第２のガスを上記筒状ＭＥＡ７内に導入する前に予備加熱用配管５３に通すことで、第２のガスを予熱し、温度の低い第２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。具体的には、予備加熱用配管５３の下方から、第２のガスとしての空気を吸入し、下流側は図５に示すガス導入管４５と接続される構成としている。
【００７１】
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３には、各ガス分解素子１０に対し１本ずつ設けているが、一つの予備加熱配管から複数のガス分解素子１０にガスを供給するように構成してもよい。上記筒状ＭＥＡ７を加熱する加熱ヒータ５２によって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２のガスが良好に予備加熱される。
【００７２】
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、加熱ヒータ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。
【００７３】
図４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、各ガス分解素子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、図示しない第１のガス源から上記加熱容器５１内に設けた第１のガス流路に導入される。上記筒状ＭＥＡ７は、加熱ヒータ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、上記加熱容器５１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、加熱によって２ＮＨ３→Ｎ２+３Ｈ２のように分解される。また、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が生じる。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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１１からアノード側集電体１２へと電流Ｉが流れる。カソード側集電体１１とアノード側集電体１２との間に負荷、例えばこのガス分解素子１０を加熱するための加熱ヒータ５２に接続しておけば、そのための電力の一部を供給することができる。
【００７７】
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。
【００７８】
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、窒素分子及び電子が生じる。このプロトンを、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。
【００７９】
図５は、上記ガス分解装置１００の上部の構造を示す縦断面図であり、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅとの接続形態、筒状ＭＥＡ７とガス導入管４５及び排気管６５との接続形態を示している。
【００８０】
本実施形態では、上記加熱容器５１に、軸を鉛直方向に配向した状態で上記筒状ＭＥＡ７の下部を収容するとともに、上記筒状ＭＥＡ７の上端部を上記加熱容器５１の上方に突出させて突出部４１を設け、この突出部４１の上端の開口端部に、第２のガスを出入りさせる接続部材３０を設けている。
【００８１】
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による気密性を確保することができる。
【００８２】
上記突出部４１を設けることにより、上記加熱容器５１から伝導される熱の一部を放熱させ、上記Ｏリング３３及び上記接続部材３０に伝導される熱を低減させることができる。このため、上記シール構造や上記接続部材３０に上記筒状ＭＥＡを介して高い温度が作用するのを防止することができる。
【００８３】
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。
【００８４】
接続部材３０には、上記第２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２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。
【００８５】
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２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。
【００８６】
上記接続部材３０を採用することにより、上記筒状ＭＥＡ７の同じ片側の位置から第２のガスを出入りさせることが可能となる。
【００８７】
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。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。一方、アノード側集電体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。
【００８８】
本実施形態では、上記第２の電極層（カソード）５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２の電極層５に接続されている。また、上記第１の電極層（アノード）２の外周部にも、銀ペースト塗布配線１２ｇが設けられている。
【００８９】
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。銀ペースト塗布配線１２ｇ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。上記銀ペースト塗布配線１２ｇ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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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に含まれる金属粒子連鎖体の平均直径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。
【００９５】
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。
【００９６】
図６に、本願発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態では、第１のガス流路２９０を構成する仕切部材２８３に、加熱ヒータ２５２ａを設け、上記第１のガス流路を流れる第１のガスを加熱するように構成したものである。なお、筒状ＭＥＡ２０７の構成及び加熱容器２５１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。
【００９７】
第１のガス流路２９０を構成する仕切部材２８０に上記加熱ヒータ２５２ａを設けることにより、蛇行して流れる上記第１のガスを上記第１のガス流路２９０内で効率よく加熱することが可能となる。また、第１のガスを最適な温度に加熱して上記第１の電極層に作用させて分解することができる。このため、ガス分解効率が大幅に高まる。
【００９８】
しかも、上記第１のガス流路２９０を構成する複数の仕切部材２８３の間には、金属多孔質体（上述したセルメット）２９３が充填されている。このため、上記仕切部材２８３で発生した熱を、上記金属多孔質体２９３を介して上記第１のガスに効率よく伝達して加熱することができる。さらに、上記各筒状ＭＥＡの近傍において、上記第１のガスを集中的に加熱することができるため、熱効率も高い。
【００９９】
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。
【０１００】
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】
【０１０１】
ガス分解能力を大幅に高めて、大量のガスを分解処理することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
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 カソード側集電体
１２ アノード側集電体
３０ 接続部材
４１ 突出部
４２ 内部空間
４３ 筒状流路
４４ 封止部
４５ ガス導入管
５１ 加熱容器
５２ 加熱ヒータ
５３ 予備加熱用配管
６５ 排気管
９０ 第１のガス流路
９１ 第２のガス流路
１００ ガス分解装置
Ｓ 加熱容器内の空間
【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外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内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、
上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器を備え、
上記加熱容器内に、分解に供せられる第１のガスを上記第１の電極層に作用させるように流動させるガス流路を設ける一方、
上記筒状ＭＥＡ内に第２のガスを流動させるように構成した、ガス分解装置。
【請求項２】
上記ガス流路は、第１のガスを、蛇行させながら上記第１の電極層に作用させるように構成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
【請求項３】
上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、
上記ガス流路は、上記第１のガスが上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過するように形成されている、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のガス分解装置。
【請求項４】
上記ガス流路に、上記第１のガスを加熱する加熱手段を設けた、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】
上記筒状ＭＥＡは、
下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とを備え、
上端部に設けられた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第２のガスを、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２の電極層に作用させ、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４のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項６】
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５のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項７】
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６のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７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９】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の外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内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）を備えるガス分解装置によって行われるガス分解方法であって、
加熱容器内に、上記筒状ＭＥＡを収容するとともに、
分解に供せられるガスを、上記加熱容器内で蛇行させながら流動させて上記第１の電極層に作用させる、ガス分解方法。
【請求項１０】
上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、
上記ガスを、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過させるように流動させる、請求項９に記載のガス分解方法。
【請求項１】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の外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内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、
上記筒状ＭＥＡを収容して加熱する加熱容器を備え、
上記加熱容器内に、分解に供せられる第１のガスを上記第１の電極層に作用させるように流動させるガス流路を設ける一方、
上記筒状ＭＥＡ内に第２のガスを流動させるように構成した、ガス分解装置。
【請求項２】
上記ガス流路は、第１のガスを、蛇行させながら上記第１の電極層に作用させるように構成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
【請求項３】
上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、
上記ガス流路は、上記第１のガスが上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過するように形成されている、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のガス分解装置。
【請求項４】
上記ガス流路に、上記第１のガスを加熱する加熱手段を設けた、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】
上記筒状ＭＥＡは、
下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とを備え、
上端部に設けられた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第２のガスを、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２の電極層に作用させ、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４のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項６】
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５のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項７】
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６のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７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９】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の外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内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）を備えるガス分解装置によって行われるガス分解方法であって、
加熱容器内に、上記筒状ＭＥＡを収容するとともに、
分解に供せられるガスを、上記加熱容器内で蛇行させながら流動させて上記第１の電極層に作用させる、ガス分解方法。
【請求項１０】
上記加熱容器内に複数の筒状ＭＥＡを収容するとともに、
上記ガスを、上記複数の筒状ＭＥＡの外周部を通過させるように流動させる、請求項９に記載のガス分解方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５７８４７（Ｐ２０１２−１５７８４７Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１３７４（Ｐ２０１１−２１３７４）
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【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２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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