JP2010174333A - Ammonia-decomposing element and power generator - Google Patents

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Atsushi Fukunaga
篤史 福永
Masatoshi Mashima
正利 真嶋
Shinji Inasawa
信二 稲澤
Tomoyuki Awazu
知之 粟津
Daiki Mori
大樹 森
Toshiyuki Kuramoto
敏行 倉本
Shinko Yamakawa
真弘 山川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive ammonia-decomposing element which can be miniaturized and has high-temperature resistance and oxidation resistance, and to provide a power generator. <P>SOLUTION: The ammonia-decomposing element 10 includes a porous anode 2 into which ammonia is introduced, and a porous cathode 3 into which an oxidizing gas is introduced. An ion-conductive material 1 having ion conductivity exists between the anode and the cathode. The cathode 3 is a sintered compact of metal particles 31 and ion-conductive ceramics 32. The metal particle 31 includes Ni and/or Fe as main constituents, and at least the surface region is converted into a high heat-resistant alloy. The high heat-resistant alloying treatment includes chromizing and aluminizing. The outermost surface layer of the metal particle 31 is oxidized to form an oxide with a thickness of 0.5-100 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、アンモニアを分解するためのアンモニア分解素子および発電装置に係り、特に耐酸化性の向上対策に関する。   The present invention relates to an ammonia decomposing element and a power generation apparatus for decomposing ammonia, and more particularly to measures for improving oxidation resistance.

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。そこで、従来より、水中や大気中のアンモニアを分解する方法が、多く開示されてきた。
特許文献1には、中和剤などの薬液を用いる接触法の例が開示されている。この方法では、噴霧状のアンモニア水を空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離して、次亜臭素酸溶液または硫酸と接触させている。
特許文献2には、燃焼法の例が開示されている。この方法では、上記と同じプロセスで空気中にアンモニアを分離した後、アンモニアを触媒により燃焼させている。
特許文献3には、熱分解法の例が開示されている。この方法では、アンモニア含有排水を触媒を用いて分解して、窒素と水とに分解している。
Ammonia is an essential compound for agriculture and industry, but is harmful to humans. Thus, many methods for decomposing ammonia in water or air have been disclosed.
Patent Document 1 discloses an example of a contact method using a chemical solution such as a neutralizing agent. In this method, atomized aqueous ammonia is brought into contact with an air stream to separate ammonia in the air and brought into contact with a hypobromite solution or sulfuric acid.
Patent Document 2 discloses an example of a combustion method. In this method, ammonia is separated into air by the same process as described above, and then ammonia is burned by a catalyst.
Patent Document 3 discloses an example of a thermal decomposition method. In this method, ammonia-containing wastewater is decomposed using a catalyst to be decomposed into nitrogen and water.

一方、アンモニア分解反応の触媒については、以下のものが公表示されている。
特許文献3には、遷移金属成分を含む多孔質カーボン粒子、マンガン組成物、鉄−マンガン組成物が開示されている。
特許文献4には、クロム化合物、銅化合物、コバルト化合物が開示されている。
特許文献5には、アルミナ製3次元網状構造体に担持された白金が開示されている。
上記の触媒を用いた化学反応によってアンモニアを分解する方法では、窒素酸化物NOxの生成を抑えることができる。
特許文献6,7では、触媒に二酸化マンガンを用いることによって、100℃以下で、より効率的にアンモニアの熱分解を促進する方法が提案されている。
On the other hand, the following are publicly displayed as catalysts for ammonia decomposition reaction.
Patent Document 3 discloses porous carbon particles containing a transition metal component, a manganese composition, and an iron-manganese composition.
Patent Document 4 discloses a chromium compound, a copper compound, and a cobalt compound.
Patent Document 5 discloses platinum supported on an alumina three-dimensional network structure.
In the method of decomposing ammonia by a chemical reaction using the above catalyst, generation of nitrogen oxides NOx can be suppressed.
Patent Documents 6 and 7 propose a method of more efficiently promoting the thermal decomposition of ammonia at 100 ° C. or lower by using manganese dioxide as a catalyst.

特開平07−031966号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-031966 特開平07−116650号公報JP 07-116650 A 特開平11−347535号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-347535 特開昭53−011185号公報JP-A-53-011185 特開昭54−010269号公報Japanese Patent Laid-Open No. 54-010269 特開2006−231223号公報JP 2006-231223 A 特開2006−175376号公報JP 2006-175376 A

上記接触法、燃焼法、熱分解法などによれば、アンモニアの分解は可能である。しかし、上記の方法では、薬品や外部エネルギー(燃料)を必要とし、さらに触媒の定期的交換を要し、ランニングコストが高いという問題がある。また、装置が大掛かりとなり、たとえば既存の設備に付加的に設ける場合に配置が難しい場合も生じる。特に、白金を用いる場合には、資源の枯渇、高コストという大きな課題がある。さらに、二酸化炭素を排出するという不具合もある。
特に、燃焼法では、空気を必要とするために、1000℃以上の火炎中では、NOxを排出する問題も発生する。
According to the contact method, combustion method, thermal decomposition method, etc., ammonia can be decomposed. However, the above method has a problem in that it requires chemicals and external energy (fuel), and requires periodic replacement of the catalyst, resulting in high running costs. In addition, the apparatus becomes large and, for example, when it is additionally provided in existing equipment, the arrangement may be difficult. In particular, when platinum is used, there are major problems such as resource depletion and high cost. In addition, there is a problem of discharging carbon dioxide.
In particular, in the combustion method, since air is required, a problem of exhausting NOx also occurs in a flame of 1000 ° C. or higher.

本発明の目的は、小型化が可能で、高耐酸化性を有する低コストのアンモニア分解素子およびこれを用いた発電装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a low-cost ammonia decomposition element that can be miniaturized and has high oxidation resistance, and a power generator using the same.

本発明のアンモニア分解素子は、アンモニアが導入される多孔質のアノードと、アノードと対をなし、酸化性気体が導入される多孔質のカソードとを備えている。また、アノードとカソードとの間に、イオン導電性をもつイオン導電材を介在させている。ここで、カソードは、ニッケル(Ni)および/または鉄(Fe)を主成分として構成され、最表層が酸化された金属粒状体を含んでいる。
金属粒状体には、金属粒だけのもの、金属粒連鎖体だけのもの、両者が混在しているものがある。金属粒連鎖体とは、金属粒が連らなってできた数珠状の細長い金属体をいう。
The ammonia decomposition element of the present invention includes a porous anode into which ammonia is introduced, and a porous cathode that is paired with the anode and into which an oxidizing gas is introduced. Further, an ionic conductive material having ionic conductivity is interposed between the anode and the cathode. Here, the cathode is composed of nickel (Ni) and / or iron (Fe) as a main component, and includes metal particulates whose outermost layer is oxidized.
Some metal particles include only metal particles, only metal particle chains, and a mixture of both. The metal particle chain refers to a bead-like long and narrow metal body made of metal particles.

上記構成により、カソード側に、高温(たとえば800℃程度)の酸化性気体が導入され、アノード側にアンモニアと還元性ガス(たとえば水素)が導入されると、以下の作用効果が得られる。
アノードでは、イオン導電材を通ってカソードから送られる酸素イオンと、アンモニアと還元性ガスとが反応(アノード反応)して、アンモニアが水と窒素とに分解されるとともに、電子が発生する。アノード反応で生じた電子は、外部からカソードに送られる。カソードでは、アノードから送られる電子と酸化性気体の電気化学的反応(カソード反応)によって、酸化性気体(たとえば空気)中の酸素が陰イオン化される。この陰イオンは、イオン導電材を通ってアノードに送られ、電気化学的反応によって、アンモニアの分解を促進させる。
このとき、上記カソードにおいて、金属粒状体の酸化膜が触媒となって、電子と酸素との電気化学的反応が促進される。特に、アノードに、高温(たとえば、800℃程度)のアンモニアと水素とが導入されると、上記アノードおよびカソードにおける電気化学的反応が促進されることが知られている。よって、アンモニア分解素子を高温で使用する構成とすれば、小型の素子で、大きな処理能力を確保することができる。しかも、白金(Rt)などの高価な貴金属を使用する必要がないので、低コスト化も可能である。
With the above configuration, when an oxidizing gas having a high temperature (for example, about 800 ° C.) is introduced to the cathode side and ammonia and a reducing gas (for example, hydrogen) are introduced to the anode side, the following effects can be obtained.
At the anode, oxygen ions sent from the cathode through the ion conductive material react with ammonia and the reducing gas (anode reaction), whereby ammonia is decomposed into water and nitrogen, and electrons are generated. Electrons generated by the anodic reaction are sent from the outside to the cathode. At the cathode, oxygen in the oxidizing gas (for example, air) is anionized by an electrochemical reaction (cathode reaction) between electrons sent from the anode and the oxidizing gas. The anion is sent to the anode through the ionic conductive material, and promotes decomposition of ammonia by an electrochemical reaction.
At this time, in the cathode, the metal particulate oxide film serves as a catalyst, and the electrochemical reaction between electrons and oxygen is promoted. In particular, it is known that when ammonia and hydrogen at a high temperature (for example, about 800 ° C.) are introduced into the anode, the electrochemical reaction at the anode and the cathode is promoted. Therefore, if the ammonia decomposing element is used at a high temperature, a large processing capacity can be secured with a small element. In addition, since it is not necessary to use an expensive noble metal such as platinum (Rt), the cost can be reduced.

ここで、上記金属粒状体の表面領域が、強磁性材料であるNiまたはFeを主成分として構成されている。これにより、強磁性金属イオンおよび還元性イオンを含む溶液からの析出過程において、金属粒状体の凝集作用が促進される。つまり、金属粒状体は、数珠状またはひも状に連なる連鎖体となる割合が高くなる。その結果、金属粒状体の導電性が高くなり、電気化学的反応であるカソード反応が促進されるとともに、イオン道電材への陰イオンの移動も促進される。
特に、少なくとも金属粒状体の表面領域が高耐熱合金化されていることにより、高温の酸化雰囲気中でも大きな耐酸化性を示す。したがって、カソードの劣化が抑制され、酸化に起因する堆積物の発生も抑制され、ひいては、メンテナンスがほとんど不要となる。よって、ランニングコストを削減することができる。
Here, the surface region of the metal granular body is composed mainly of Ni or Fe, which is a ferromagnetic material. Thereby, in the precipitation process from the solution containing a ferromagnetic metal ion and a reducing ion, the aggregation action of a metal granular material is accelerated | stimulated. In other words, the ratio of the metal granular body becomes a chain that is continuous in the form of a bead or string. As a result, the conductivity of the metal particles is increased, the cathode reaction, which is an electrochemical reaction, is promoted, and the movement of anions to the ionic roadway material is also promoted.
In particular, since at least the surface region of the metal granular material is made of a high heat-resistant alloy, it exhibits high oxidation resistance even in a high-temperature oxidizing atmosphere. Therefore, deterioration of the cathode is suppressed, generation of deposits due to oxidation is also suppressed, and as a result, maintenance is almost unnecessary. Therefore, the running cost can be reduced.

特に、金属粒状体の表面領域は、クロム(Cr)および/またはアルミニウム(Al)に富化されていることにより、高温においても高い耐酸化性を発揮することができる。このための処理としては、クロマイジング(Chromizing)、アルミナイジング(Aluminizing)などがある。   In particular, the surface region of the metal granular body can exhibit high oxidation resistance even at high temperatures by being enriched with chromium (Cr) and / or aluminum (Al). Examples of the processing for this purpose include chromizing and aluminizing.

金属粒状体の酸化された最表層の厚さが、0.5〜100nmであることにより、たとえば600℃〜950℃程度の高温の酸化雰囲気においても、耐酸化性が確実に得られる。   When the thickness of the oxidized outermost layer of the metal granular body is 0.5 to 100 nm, oxidation resistance can be reliably obtained even in a high-temperature oxidizing atmosphere of about 600 ° C. to 950 ° C., for example.

カソードは、金属粒状体と、イオン導電性セラミックスとを含む焼結体とすることが好ましい。これによって、カソードの全位置で、酸化性気体の流通性を確保して、酸化性気体中の酸素と陰イオンとの反応を、触媒作用と電子導電性とを確保しながら、進行させることができる。   The cathode is preferably a sintered body containing a metal granular body and an ion conductive ceramic. As a result, the flow of the oxidizing gas can be ensured at all positions of the cathode, and the reaction between oxygen and anions in the oxidizing gas can proceed while ensuring the catalytic action and the electronic conductivity. it can.

上記アノードおよび/またはカソードの、イオン導電材と反対側に、多孔質金属体の集電体を配置することができる。これによって、アンモニアの流通性を、集電体/電極(アノード、カソード)の部分で、確保することができる。さらに、集電体/電極(アノード、カソード)の部分で、高い電子伝導性を確保することができるため、電力発生(燃料電池)、または電力消費(電気分解装置)の、電力の授受を損失なく確実に行うことができる。   A current collector of a porous metal body can be disposed on the side of the anode and / or cathode opposite to the ion conductive material. Thereby, the flowability of ammonia can be ensured at the current collector / electrode (anode, cathode) portion. In addition, high electrical conductivity can be ensured in the current collector / electrode (anode, cathode) part, so power transmission (fuel cell) or power consumption (electrolysis device) is lost. Can be done reliably.

カソードとアノードから電力の取り出しができる構成とすることができる。これによって、アンモニアを燃料とし、アンモニア分解素子によって燃料電池を構成して発電を行うことができる。   It can be set as the structure which can take out electric power from a cathode and an anode. As a result, power can be generated by using ammonia as a fuel and configuring the fuel cell with the ammonia decomposing element.

また、イオン導電材、アノードおよびカソードを加熱するヒータをさらに配置して、上記電力をヒータに供給することができる。これによって、エネルギー効率の優れたアンモニア分解を行うことができる。   Further, a heater for heating the ion conductive material, the anode, and the cathode can be further arranged to supply the power to the heater. Thereby, ammonia decomposition with excellent energy efficiency can be performed.

本発明の発電装置は、上記の電力の取り出しができるアンモニア分解素子を備え、電力を他の電気装置に供給するための電力供給部品を備えることを特徴とする。これによって、アンモニア分解素子を発電装置として用いることができる。ここで、電力供給部品は、配電用の配線、端子などでもよい。   A power generation device of the present invention includes the above ammonia decomposing element capable of taking out electric power, and includes an electric power supply component for supplying electric power to another electric device. Thereby, the ammonia decomposing element can be used as a power generator. Here, the power supply component may be a distribution wiring, a terminal, or the like.

本発明のアンモニア分解素子によれば、小型化が可能で、低コストのアンモニア分解素子を実現することができる。また、高耐酸化性機能を持たせることも容易である。さらに、このアンモニア分解装置を、発電装置として用いることができる。   According to the ammonia decomposing element of the present invention, it is possible to reduce the size and realize a low-cost ammonia decomposing element. It is also easy to have a high oxidation resistance function. Furthermore, this ammonia decomposition apparatus can be used as a power generation apparatus.

本発明の実施の形態1に係るアンモニア分解素子の構成を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows roughly the structure of the ammonia decomposition element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1に係るアンモニア分解素子の内部構造を示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing the internal structure of the ammonia decomposing element according to Embodiment 1. FIG. カソード集電体およびカソードにおける分子、イオンおよび電子の流れの説明図である。It is explanatory drawing of the flow of the molecule | numerator, ion, and an electron in a cathode collector and a cathode. アノードにおける分子、イオンおよび電子の流れの説明図である。It is explanatory drawing of the flow of the molecule | numerator, ion, and electron in an anode. (a),(b)は、順に、アルミナイジング,クロマイジング工程の手順を化学反応式で示す図である。(A), (b) is a figure which shows the procedure of an aluminizing and a chromizing process by a chemical reaction formula in order. 本発明の実施の形態2に係るアンモニア分解素子の構成を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows roughly the structure of the ammonia decomposition element based on Embodiment 2 of this invention.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るアンモニア分解素子10の構成を概略的に示すブロック図である。図2は、実施の形態1に係るアンモニア分解素子10の内部構造を示す断面図である。
図1に示すように、アンモニア分解素子10は、固体電解質1を挟んで相対向するアノード2およびカソード3を備えている。また、アノード2の外側にはアノード集電体8が、また、カソード3の外側にはカソード集電体7が配置されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of an ammonia decomposition element 10 according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the internal structure of the ammonia decomposing element 10 according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the ammonia decomposing element 10 includes an anode 2 and a cathode 3 facing each other with the solid electrolyte 1 interposed therebetween. An anode current collector 8 is disposed outside the anode 2, and a cathode current collector 7 is disposed outside the cathode 3.

Figure 2010174333
上記表1は、アンモニアが分解素子10の使用態様を示すものである。
Figure 2010174333
In Table 1 above, the usage of the decomposition element 10 by ammonia is shown.

表1に示すように、アンモニア分解素子10は、燃料電池として発電させることもできるし、電気分解装置として電力投入して作動させることもできる。本実施の形態1では、図1に示すように、アンモニア分解素子10を燃料電池として用いる場合について説明する。これは、表1におけるR1〜R3の電気化学反応の場合に対応する。その中でもとくに、アノード2にアンモニアと水素とを、カソード3に酸素を含む空気を導入する場合、すなわち表1のR1の電気化学反応を行う場合について説明する。なお、燃料電池では、アノード2は燃料極、カソードは空気極と呼ばれることが多いが、本説明では、アノード2およびカソード3の用語を用いる。   As shown in Table 1, the ammonia decomposing element 10 can generate power as a fuel cell, or can be operated by supplying power as an electrolyzer. In the first embodiment, as shown in FIG. 1, a case where the ammonia decomposing element 10 is used as a fuel cell will be described. This corresponds to the electrochemical reaction of R1 to R3 in Table 1. In particular, a case where ammonia and hydrogen are introduced into the anode 2 and air containing oxygen is introduced into the cathode 3, that is, a case where an electrochemical reaction of R1 in Table 1 is performed will be described. In the fuel cell, the anode 2 is often called a fuel electrode, and the cathode is often called an air electrode. In this description, the terms anode 2 and cathode 3 are used.

アノード2は、後述する構成を有する金属粒状体21と、酸素イオン導電性のセラミックス22とを主成分とする焼結体である。金属粒状体21には、金属粒と金属が連結されてなる金属粒連鎖体とがあるが、本実施の形態では、金属粒状体21が金属粒連鎖体である場合について、説明する。   The anode 2 is a sintered body mainly composed of a metal granular body 21 having a configuration to be described later and an oxygen ion conductive ceramic 22. The metal granular material 21 includes a metal particle and a metal particle chain formed by connecting metals. In the present embodiment, the case where the metal particle 21 is a metal particle chain will be described.

酸素イオン導電性のセラミックス22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。   As the oxygen ion conductive ceramic 22, SSZ (scandium stabilized zirconia), YSZ (yttrium stabilized zirconia), SDC (samarium stabilized ceria), LSGM (lanthanum gallate), GDC (gadria stabilized ceria) and the like are used. be able to.

また、カソード3は、空隙3hのある多孔体であり、最表面が酸化された金属粒状体31と、酸素イオン導電性のセラミックス32と、好ましくは銀粒子33とを主成分とする焼結体である。金属粒状体31は、ニッケル(Ni)または鉄(Fe)を主成分としており、さらに好ましくはTiを2〜10000ppm程度の微量含むものである。金属粒状体31の少なくとも表面領域は、高耐熱合金化されている。高耐熱合金化処理としては、クロマイジング、アルミナイジングなどがある。金属粒状体21には、金属粒と金属が連結されてなる金属粒連鎖体とがあるが、本実施の形態では、金属粒状体21が金属粒連鎖体である場合について説明する。   The cathode 3 is a porous body having voids 3h, and is a sintered body mainly composed of metal particulates 31 whose outermost surface is oxidized, oxygen ion conductive ceramics 32, and preferably silver particles 33. It is. The metal granular body 31 contains nickel (Ni) or iron (Fe) as a main component, and more preferably contains a trace amount of Ti of about 2 to 10000 ppm. At least the surface region of the metal granular body 31 is made into a high heat resistant alloy. Examples of the high heat-resistant alloying treatment include chromizing and aluminizing. The metal granular material 21 includes a metal particle and a metal particle chain formed by connecting metals. In the present embodiment, the case where the metal particle 21 is a metal particle chain will be described.

酸素イオン導電性のセラミックス32としては、SSC(サマリウムストロンチウムコバルタイト)、LSC(ランタンストロンチウムコバルタイト)、LSM(ランタンストロンチウムマンガナイト)などを用いることができる。
電解質1は、酸素イオン導電性がある、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。特に、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、SSZ、YSZ、SDC、LSGM、GDCなどを用いることができる。
As the oxygen ion conductive ceramic 32, SSC (samarium strontium cobaltite), LSC (lanthanum strontium cobaltite), LSM (lanthanum strontium manganite), or the like can be used.
As the electrolyte 1, a solid oxide, molten carbonate, phosphoric acid, solid polymer, or the like having oxygen ion conductivity can be used. In particular, a solid oxide is preferable because it can be miniaturized and easily handled. As the solid oxide, SSZ, YSZ, SDC, LSGM, GDC, or the like can be used.

カソード集電体7およびアノード集電体8は、連続気孔を持つ金属多孔体であり、ニッケル(Ni)およびまたは鉄(Fe)を主成分として構成されている。また、金属多孔体の少なくとも表面領域は、高耐熱合金化されている。高耐熱合金化処理としては、クロマイジング、アルミナイジングなどがある。   The cathode current collector 7 and the anode current collector 8 are porous metal bodies having continuous pores, and are composed mainly of nickel (Ni) and / or iron (Fe). Further, at least the surface region of the metal porous body is made into a high heat-resistant alloy. Examples of the high heat-resistant alloying treatment include chromizing and aluminizing.

図3は、カソード集電体7およびカソード3における分子、イオンおよび電子の流れの説明図である。図4は、アノード2における分子、イオンおよび電子の流れの説明図である。以下、図2,図3および図4を参照しながら、本実施の形態のアンモニア分解素子10における作用を説明する。
分解対象のガスはアンモニア(NH3)であり、酸素イオンを供給する気体は、空気すなわち酸素(O2)とする。アノード集電体8に通されたアンモニアは、アノード集電体の空隙を通って、アノード2まで拡散する。そして、アノード2において、下記反応式(1)
2NH3+3O2−→N2+3H2O+6e− (1)
に従った電気化学的反応(アノード反応)が生じ、アンモニアが分解される。この反応は、金属粒状体21の最表層(酸化膜)と、固体電解質1と、空気層とが接触する3層界面で生じる。反応後の流体であるN2+3H2Oはアノード2から放出される。
アノード反応における金属粒状体21の重要な機能は、電気化学的反応の触媒としての機能と、電気化学的反応で生じた電子eを伝える導電機能とである。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the flow of molecules, ions, and electrons in the cathode current collector 7 and the cathode 3. FIG. 4 is an explanatory diagram of the flow of molecules, ions and electrons in the anode 2. Hereinafter, the operation of the ammonia decomposing element 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2, 3 and 4.
The gas to be decomposed is ammonia (NH 3), and the gas that supplies oxygen ions is air, that is, oxygen (O 2). The ammonia passed through the anode current collector 8 diffuses to the anode 2 through the gap of the anode current collector. In the anode 2, the following reaction formula (1)
2NH3 + 3O2- → N2 + 3H2O + 6e- (1)
Electrochemical reaction (anodic reaction) occurs, and ammonia is decomposed. This reaction occurs at the three-layer interface where the outermost layer (oxide film) of the metal granular body 21, the solid electrolyte 1, and the air layer are in contact. N2 + 3H2O, which is the fluid after the reaction, is released from the anode 2.
The important functions of the metal particles 21 in the anode reaction are a function as a catalyst for an electrochemical reaction and a conductive function for transmitting electrons e generated by the electrochemical reaction.

また、カソード集電体7に酸化性気体(たとえば空気)が通されると、カソード3に導入された空気の中の酸素は、下記反応式(2)
O2+2e−→2O2− (2)
に従った電気化学的反応(カソード反応)をする。この反応は、金属粒状体31の最表層(酸化膜)と、固体電解質1と、空気層とが接触する3層界面で生じる。反応によって生じた酸素イオンO2−は、カソード3中のセラミックス32から固体電解質1を通って、アノード2に到達する。アノード2に到達した酸素イオンO2−は、アンモニアと反応式(2)に示すカソード反応をして、アンモニアは分解される。
カソード反応における金属粒状体31の重要な機能は、電気化学的反応の触媒としての機能と、電気化学的反応のための電子eを送り込む導電機能とである。
When an oxidizing gas (for example, air) is passed through the cathode current collector 7, oxygen in the air introduced into the cathode 3 is converted into the following reaction formula (2).
O2 + 2e− → 2O2− (2)
Electrochemical reaction (cathode reaction) according to This reaction occurs at the three-layer interface where the outermost layer (oxide film) of the metal granular body 31, the solid electrolyte 1, and the air layer are in contact. Oxygen ions O 2− produced by the reaction reach the anode 2 from the ceramic 32 in the cathode 3 through the solid electrolyte 1. The oxygen ions O 2− that have reached the anode 2 undergo a cathode reaction shown in the reaction formula (2) with ammonia, and the ammonia is decomposed.
The important functions of the metal particles 31 in the cathode reaction are a function as a catalyst for an electrochemical reaction and a conductive function for sending electrons e for the electrochemical reaction.

また、アノード2で生成された電子e−は、負荷5を経てカソード3に向かって流れる。反応式(1),(2)に示す反応の結果、アノード2とカソード3との間に電位差が生じ、カソード3は、アノード2よりも電位が高くなる。よって、カソード3からアノード2に、負荷5を経て電流Iが流れる。上記の反応では、カソード3の電位が、アノード2よりも高くないと、電気化学反応が進行しないが、外部から電位を印可しなくても、この電位条件は満たされ、このアンモニア分解素子10は燃料電池として発電をする。   Further, the electrons e− generated at the anode 2 flow toward the cathode 3 through the load 5. As a result of the reactions shown in the reaction formulas (1) and (2), a potential difference is generated between the anode 2 and the cathode 3, and the cathode 3 has a higher potential than the anode 2. Therefore, the current I flows from the cathode 3 to the anode 2 through the load 5. In the above reaction, if the potential of the cathode 3 is not higher than that of the anode 2, the electrochemical reaction does not proceed. It generates electricity as a fuel cell.

アンモニア分解素子10の場合、電解質1の酸素イオンの通過時間を短縮し、かつ各電極での電気化学反応速度も確保することが好ましい。そこで、全体の電気化学反応を促進するために、ヒータ等によって、たとえば600℃〜950℃に加熱される。つまり、負荷5の一部をヒータとすれば、アンモニア分解効率を向上させることができる。ただし、アンモニア分解素子10を、必ずしも600℃〜950℃の範囲に保持する必要はない。   In the case of the ammonia decomposing element 10, it is preferable to shorten the passage time of oxygen ions in the electrolyte 1 and to secure the electrochemical reaction rate at each electrode. Therefore, in order to promote the entire electrochemical reaction, the heater is heated to, for example, 600 ° C. to 950 ° C. That is, if a part of the load 5 is a heater, ammonia decomposition efficiency can be improved. However, the ammonia decomposing element 10 is not necessarily maintained in the range of 600 ° C to 950 ° C.

−カソード側の構成上のポイント−
燃料電池では、アンモニアの分解は、600℃〜950℃で、酸素イオンを供給するための酸化性ガスが流れる雰囲気、つまり、高温の酸化雰囲気で行われる。ところが、Ni等からなる金属粒状体31については、高温酸化による触媒作用の劣化や電導性の劣化が生じる。
そこで、本実施の形態のカソード3中の金属粒状体31は、触媒機能および導電機能に加えて、高耐酸化性を有している。具体的には、金属粒状体31の少なくとも表面領域が高耐熱合金化されていること、最表層の酸化膜の厚さが、600℃〜950℃の範囲の高温の酸化雰囲気に適していること、がポイントである。
本実施の形態では、カソード3の金属粒状体31は、ニッケル(Ni)および/または鉄(Fe)を主成分としており、少なくとも表面領域が、高耐熱合金化されている。金属粒状体31の内部は、高耐熱合金化されている必要はない。むしろ、金属粒状体31の内部が、高耐熱合金化されていないことにより、電気抵抗値を低くして、導電性を高めることができる。さらに好ましくはTiを2〜10000ppm程度の微量含むことにより、触媒機能がより高められる。
特に、ニッケル(Ni)は、めっき体や微粒子の作製が容易なため、連続気孔の金属多孔体を製造する上で、非常に好適な金属である、一定の耐酸化性能を備えている、などの利点を有している。
-Points on the cathode side configuration-
In a fuel cell, ammonia is decomposed at 600 ° C. to 950 ° C. in an atmosphere in which an oxidizing gas for supplying oxygen ions flows, that is, a high-temperature oxidizing atmosphere. However, with respect to the metal granular body 31 made of Ni or the like, catalytic action deterioration and conductivity deterioration due to high-temperature oxidation occur.
Therefore, the metal granular body 31 in the cathode 3 of the present embodiment has high oxidation resistance in addition to the catalytic function and the conductive function. Specifically, at least the surface region of the metal granule 31 is made of a heat-resistant alloy, and the thickness of the outermost oxide film is suitable for a high-temperature oxidizing atmosphere in the range of 600 ° C to 950 ° C. , Is the point.
In the present embodiment, the metal particles 31 of the cathode 3 are mainly composed of nickel (Ni) and / or iron (Fe), and at least the surface region is made of a high heat-resistant alloy. The inside of the metal granular body 31 does not need to be made of a high heat resistant alloy. Rather, since the inside of the metal granular body 31 is not made of a high heat-resistant alloy, the electrical resistance value can be lowered and the conductivity can be increased. More preferably, the catalyst function is further enhanced by containing a trace amount of Ti of about 2 to 10000 ppm.
In particular, nickel (Ni) is a very suitable metal for producing a metal porous body having continuous pores because it is easy to produce a plated body and fine particles, and has a certain oxidation resistance performance. Has the advantage of

高耐熱合金化処理としては、クロマイジング、アルミナイジング等がある。これにより、金属粒状体31の表面領域は、Crおよび/またはAlの富化層となっている。NiやFe自体、酸素の分解を促進する触媒作用を有するが、クロマイジングやアルミナイジングによって形成されたCrおよび/またはAlの富化層の酸化物は、これら金属の促進作用をさらに大きく高めることができる。
また、金属粒状体31の最表層の酸化層31bの厚さは、0.5〜100nmの範囲にある。この厚さ範囲に形成することにより、電気化学的反応に必要なイオンの伝達量と、高温の酸化雰囲気に対する高耐酸化性とを確保することができる。また、酸下層31bの厚さが0.5nm未満では、触媒効果が発現せず、100nmを超えると電気抵抗値が大きくなり、電子伝導性が低下する。すなわち、酸下層31bの厚さが0.5〜100nmの範囲にあることで、触媒効果と電子伝導性とを両立させることができる。
Examples of the high heat-resistant alloying treatment include chromizing and aluminizing. Thereby, the surface area | region of the metal granular material 31 becomes the enriched layer of Cr and / or Al. Ni and Fe itself have a catalytic action to promote the decomposition of oxygen, but the oxide of the Cr and / or Al-enriched layer formed by chromizing or aluminizing further enhances the promoting action of these metals. Can do.
The thickness of the outermost oxide layer 31b of the metal granular body 31 is in the range of 0.5 to 100 nm. By forming in this thickness range, it is possible to ensure the amount of ion transmission necessary for the electrochemical reaction and high oxidation resistance against a high-temperature oxidizing atmosphere. Moreover, when the thickness of the acid lower layer 31b is less than 0.5 nm, the catalytic effect is not exhibited, and when it exceeds 100 nm, the electrical resistance value increases and the electron conductivity decreases. That is, when the thickness of the acid lower layer 31b is in the range of 0.5 to 100 nm, both the catalytic effect and the electronic conductivity can be achieved.

また、金属粒状体31を、金属粒連鎖体とすることにより、導電機能をさらに高めることができる。金属粒連鎖体(金属粒状体31)は、ひも状に細長く、酸化層31bで被覆された中身31aは良導体の金属(Ni)である。電子e−は、ひも状の金属粒連鎖体の長手方向に、その中身31aを通って、スムースに流れる。このため、電子e−のカソード3への導電性を高く維持することができる。   Moreover, a conductive function can be further improved by making the metal granule 31 into a metal grain chain. The metal particle chain (metal particle 31) is elongated in a string shape, and the content 31a covered with the oxide layer 31b is a good conductor metal (Ni). The electron e− flows smoothly through the contents 31a in the longitudinal direction of the string-like metal particle chain. For this reason, the conductivity of the electron e− to the cathode 3 can be kept high.

−アノード側の構成−
上記のカソード3中のNiを主成分とする金属粒状体31の作用は、気体を酸素からアンモニアに置き換えて、そのまま、アノード2中の金属粒状体21についても言えることである。
そこで、アノード2の金属粒状体21も、ニッケル(Ni)からなる金属粒連鎖体とするのがよい。Niに鉄(Fe)を少し含むものであってもよい。さらに好ましくはTiを2〜10000ppm程度の微量含むことにより、触媒機能がより高められる。
-Anode configuration-
The action of the metal particles 31 mainly composed of Ni in the cathode 3 is the same as that of the metal particles 21 in the anode 2 by replacing the gas from oxygen to ammonia.
Therefore, the metal granular material 21 of the anode 2 is also preferably a metal particle chain made of nickel (Ni). Ni may contain a little iron (Fe). More preferably, the catalyst function is further enhanced by containing a trace amount of Ti of about 2 to 10000 ppm.

−実施の形態1の効果−
上述のように、カソード3およびカソード集電体7には、酸素原子を含む酸化力の高い気体が導入される。600℃〜950℃の高温で酸化力の高い気体にさらされる金属は、特別な金属を除いて、当該気体によって酸化されてゆき、所定期間経過後に使用不能になる。カソード3が、使用不能になる形態は、酸化増量による目詰まり(通気性の低下、圧力損失の増大)、集電性能の低下、などである。なお、カソード集電体7においても、高温酸化による同様の、通気性の低下、導電性の低下などが生じる。
一方、アノード2やアノード集電体8などのアノード側は還元性の気体が流通するので、高温酸化の問題は生じにくい。
-Effect of Embodiment 1-
As described above, a gas having a high oxidizing power including oxygen atoms is introduced into the cathode 3 and the cathode current collector 7. Metals exposed to a gas having high oxidizing power at a high temperature of 600 ° C. to 950 ° C. are oxidized by the gas except for special metals, and become unusable after a predetermined period. The form in which the cathode 3 becomes unusable is clogging due to increased oxidation (decreased air permeability, increased pressure loss), reduced current collecting performance, and the like. Note that the cathode current collector 7 also has the same deterioration in air permeability and conductivity due to high-temperature oxidation.
On the other hand, since the reducing gas flows on the anode side such as the anode 2 and the anode current collector 8, the problem of high-temperature oxidation hardly occurs.

ここで、本実施の形態では、金属粒状体31の少なくとも表面領域に、クロマイジング、アルミナイジング等の高耐熱合金化処理が施されている。したがって、高温の酸化雰囲気においても、大きな耐酸化性を示す。よって、高温の酸化雰囲気におけるカソード3の金属部分の劣化や、反応生成物の堆積を抑制することができる。
そのため、メインテナンスはほとんど必要なく、ランニングコストを大幅に低減することができる。
Here, in the present embodiment, at least the surface region of the metal granular body 31 is subjected to high heat-resistant alloying treatment such as chromizing and aluminizing. Therefore, it exhibits high oxidation resistance even in a high-temperature oxidizing atmosphere. Therefore, deterioration of the metal part of the cathode 3 in a high-temperature oxidizing atmosphere and deposition of reaction products can be suppressed.
Therefore, almost no maintenance is required, and the running cost can be greatly reduced.

しかも、上記のアノード2およびカソード3の構成によって、アノード反応およびカソード反応は、非常に高い反応速度で進行する。このため、小型の簡単な構造の素子によって、大量のアンモニアを能率よく分解することができる。
また、白金(Pt)のような高価な貴金属を用いることもないので、イニシャルコストも低くて済む。
さらに、上記のように発電が可能なので、たとえば本実施の形態のアンモニア分解素子10に内蔵されるヒータの電力を外部から供給しなくてもよいか、または外部からの供給量を減らすことができる。このため、エネルギー効率に優れている。
Moreover, the anode reaction and cathode reaction proceed at a very high reaction rate due to the configuration of the anode 2 and the cathode 3 described above. For this reason, a large amount of ammonia can be efficiently decomposed by a small element having a simple structure.
Moreover, since an expensive noble metal such as platinum (Pt) is not used, the initial cost can be reduced.
Furthermore, since power generation is possible as described above, for example, it is not necessary to supply the power of the heater built in the ammonia decomposition element 10 of the present embodiment from the outside, or the amount of supply from the outside can be reduced. . For this reason, it is excellent in energy efficiency.

なお、温度を上げて、触媒に分解対象ガスを接触させるだけで、その分解対象ガスの分解は進行する。それは先行文献に開示されており、上記したように周知である。
しかし、上記のように、燃料電池を構成する素子において、カソード3からイオン導電性の固体電解質1を経て、高温で酸素イオンを反応に関与させ、その結果、生じる電子を外に導通させることで、分解反応速度は飛躍的に向上する。上記カソード3の機能、およびその機能をもたらす構成をもつことが、本発明の大きな特徴の一つである。
Note that the decomposition of the decomposition target gas proceeds only by raising the temperature and bringing the decomposition target gas into contact with the catalyst. It is disclosed in prior literature and is well known as described above.
However, as described above, in the element constituting the fuel cell, oxygen ions are involved in the reaction at high temperature from the cathode 3 through the ion conductive solid electrolyte 1, and as a result, the generated electrons are conducted outside. The decomposition reaction rate is dramatically improved. One of the major features of the present invention is that it has the function of the cathode 3 and a configuration that provides the function.

Figure 2010174333
表2は、クロム処理による耐食性の向上効果を示すデータである。この試験は、SUS304(8〜10%Ni,18〜20%Cr),SUS310S(19〜22%Ni,24〜26Cr),45Cr30Ni合金の板材について、行なっている。試験温度は800℃,900℃で、0.1%SO,15%CO,2%O,残Nの成分のガスを、100hrの間流している。
表2に示されるように、クロマイジング処理を施したSUS等は、無処理材よりも、約5〜20倍の耐食性,耐腐食量があることがわかる。つまり、カソード3の金属粒状体31に、高耐熱合金化を行うことにより、高温の酸化雰囲気における耐酸化性が向上することがわかる。
Figure 2010174333
Table 2 is data showing the effect of improving the corrosion resistance by the chromium treatment. This test is conducted on plate materials of SUS304 (8-10% Ni, 18-20% Cr), SUS310S (19-22% Ni, 24-26Cr), 45Cr30Ni alloy. The test temperatures were 800 ° C. and 900 ° C., and 0.1% SO 2 , 15% CO 2 , 2% O 2 and the remaining N 2 component gas were allowed to flow for 100 hr.
As shown in Table 2, it can be seen that SUS or the like subjected to chromizing treatment has about 5 to 20 times the corrosion resistance and corrosion resistance than the untreated material. That is, it can be seen that the oxidation resistance in a high-temperature oxidizing atmosphere is improved by forming the metal granular body 31 of the cathode 3 into a high heat-resistant alloy.

−金属粒状体の製造方法−
次に、上記のアンモニア分解素子10の金属粒状体21,31の製造方法について説明する。
1.金属粒状体の形成
カソードおよびアノードの金属粒状体21,31は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒状体21,31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。ここで紹介されている還元析出法は、還元剤として3価チタン(Ti)イオンを用いる方法であり、析出する金属粒(Ni粒など)は微量のTiを含む。このため、Ti含有量を定量分析することで、3価チタンイオンによる還元析出法で製造されたものと特定することができる。3価チタンイオンとともに存在する金属イオンを変えることで、所望の金属の粒を得ることができる。さらに、金属粒連鎖体とするには、Niの場合はNiイオンを共存させる。Feイオンを微量加えると、微量Feを含むNi粒連鎖体が形成される。また、連鎖体を形成するには、金属が強磁性金属であり、かつ所定のサイズ以上であることがよい。NiもFeも強磁性金属なので、金属粒連鎖体を容易に形成することができる。サイズについての要件は、強磁性金属が磁区を形成して、相互に磁力で結合し、その結合状態のまま金属の析出→金属層の成長が生じて、金属体として全体が一体になる過程で、必要である。所定サイズ以上の金属粒が磁力で結合した後も、金属の析出は続き、たとえば結合した金属粒の境界のネックは、金属粒の他の部分とともに、太く成長する。
そこで、アノード2またはカソード3の金属粒状体21,31に含まれる金属粒の平均直径Dは5nm以上、500nm以下の範囲とするのがよい。また、金属粒連鎖体の平均長さ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。
-Manufacturing method of metal granules-
Next, the manufacturing method of the metal granular materials 21 and 31 of said ammonia decomposition element 10 is demonstrated.
1. Formation of metal particles The cathode and anode metal particles 21 and 31 are preferably produced by a reduction deposition method. The reduction precipitation method of the metal particulates 21 and 31 is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-332047. The reduction precipitation method introduced here is a method using trivalent titanium (Ti) ions as a reducing agent, and the precipitated metal particles (Ni particles and the like) contain a small amount of Ti. For this reason, it can identify with what was manufactured by the reduction | restoration precipitation method by trivalent titanium ion by quantitatively analyzing Ti content. By changing the metal ions present together with the trivalent titanium ions, desired metal grains can be obtained. Further, in order to form a metal particle chain, Ni ions are allowed to coexist in the case of Ni. When a small amount of Fe ions is added, a Ni grain chain containing a small amount of Fe is formed. In order to form a chain, the metal is preferably a ferromagnetic metal and has a predetermined size or more. Since both Ni and Fe are ferromagnetic metals, a metal particle chain can be easily formed. The size requirement is that the ferromagnetic metal forms a magnetic domain and bonds with each other by magnetic force, and in the combined state, the metal is deposited → the growth of the metal layer occurs, and the entire metal body is integrated. ,is necessary. Even after metal grains of a predetermined size or more are bonded by magnetic force, metal deposition continues, for example, the neck at the boundary of the bonded metal grains grows thicker together with other portions of the metal grains.
Therefore, the average diameter D of the metal particles contained in the metal particles 21 and 31 of the anode 2 or the cathode 3 is preferably in the range of 5 nm or more and 500 nm or less. The average length L of the metal particle chain is preferably in the range of 0.5 μm or more and 1000 μm or less.
The ratio between the average length L and the average diameter D is preferably 3 or more. However, it may have dimensions outside these ranges.

次に、上記のカソード3の金属粒連鎖体31に、図5(a),(b)に示すアルミナイジング,クロマイジングのような高耐熱合金化処理を施す。アルミナイジング,クロマイジングの双方を行なってもよい。
図5(a)はアルミナイジングの具体例を示している。この方法では、非処理物を、Fe−Al合金粉およびNH4Cl粉よりなる調合剤とともに鋼製ケース内に埋め込む。次いで、ケースを密封して、その密封したケースを炉内に装入し、900℃〜1050℃に加熱する。これによってAl拡散浸透層を得ることができ、耐高温酸化性、耐摩耗性等を向上することができる。
図5(b)はクロマイジングの具体例を示している。この方法では、Niめっき多孔体(Me)を、Cr粉、Al2O3粉およびNH4Cl粉よりなる調合剤とともに、ケース内に埋め込む。次いで、ケース内にH2ガスまたはArガスを通しながら、炉内にて900℃〜1100℃に加熱する。これによって、Cr拡散浸透層を得ることができ、耐高温酸化性能を高めることができる。
なお、図5(a),(b)では、アルミナイジングおよびクロマイジングともに、粉末法のみを示したが、気体法、溶融塩法など、既存の任意の方法を用いて、AlまたはCrを拡散浸透することができる。
Next, the metal particle chain 31 of the cathode 3 is subjected to a heat-resistant alloying treatment such as aluminizing and chromizing shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). Both aluminizing and chromizing may be performed.
FIG. 5A shows a specific example of aluminizing. In this method, a non-processed material is embedded in a steel case together with a preparation made of Fe—Al alloy powder and NH 4 Cl powder. Next, the case is sealed, and the sealed case is charged into a furnace and heated to 900 ° C. to 1050 ° C. Thereby, an Al diffusion / permeation layer can be obtained, and high-temperature oxidation resistance, wear resistance, and the like can be improved.
FIG. 5B shows a specific example of chromizing. In this method, a Ni-plated porous body (Me) is embedded in a case together with a preparation composed of Cr powder, Al2O3 powder and NH4Cl powder. Subsequently, it heats at 900 to 1100 degreeC in a furnace, passing H2 gas or Ar gas in a case. As a result, a Cr diffusion / permeation layer can be obtained, and the high-temperature oxidation resistance can be enhanced.
In FIGS. 5A and 5B, only the powder method is shown for both aluminizing and chromizing, but Al or Cr is diffused by using an existing arbitrary method such as a gas method or a molten salt method. Can penetrate.

高耐熱合金化処理は、後述する焼結の後でもよい。図5(a),(b)に示す処理の前に、後述する焼結を行う。そして、焼結体の多孔部にCrを含む微粉末、あるいは、Crを含む微粉末およびAlを含む微粉末をすり込んで、高温に保持する。あるいは、Cr,Alを含むガスを焼結体に流しつつ、高温保持することにより、クロマイジング、アルミナイジングを行う。
これにより、金属粒状体31,21の表面領域に、Cr,Al等を浸透させて、クロマイジング,アルミナイジング等を施す。また、コスト低減のために、Crに代えて、酸化クロム(CrO)を用いることができる。その後、次の表面酸化処理を行う。
この方法により、高耐熱合金化された表面領域を焼結温度まで昇温する必要がないので、触媒機能や耐高温酸化性機能を高く維持することができる。
また、焼結後に露出している金属粒状体21,31の表面領域だけを高耐熱合金化処理することができる。つまり、焼結前に、高耐熱合金化処理をすると、焼結前には分離していたが、焼結後に結合した金属粒または金属粒連鎖体の境界も高耐熱合金化されて、導電機能が悪化する。それに対して、この方法では、上記境界部分はNiやFeを主成分とする金属のままであるので、導電機能が高く維持される。
The high heat-resistant alloying treatment may be performed after sintering described later. Before the process shown in FIGS. 5A and 5B, sintering described later is performed. Then, the fine powder containing Cr, or the fine powder containing Cr and the fine powder containing Al are rubbed into the porous portion of the sintered body and kept at a high temperature. Alternatively, chromizing and aluminizing are performed by maintaining a high temperature while flowing a gas containing Cr and Al through the sintered body.
Thereby, Cr, Al, etc. are infiltrated into the surface area of the metal granular bodies 31, 21, and chromizing, aluminizing, etc. are performed. Further, chromium oxide (CrO 2 ) can be used in place of Cr for cost reduction. Thereafter, the next surface oxidation treatment is performed.
By this method, it is not necessary to raise the temperature region of the highly heat-resistant alloy to the sintering temperature, so that the catalytic function and the high-temperature oxidation resistance function can be kept high.
Moreover, only the surface area | region of the metal granule 21 and 31 exposed after sintering can be heat-resistant alloy-ized. In other words, when heat-resistant alloying treatment was performed before sintering, it was separated before sintering, but the boundaries of the metal particles or metal particle chain bonded after sintering were also made into a heat-resistant alloy, and the conductive function Gets worse. On the other hand, in this method, the boundary portion remains a metal mainly composed of Ni or Fe, so that the conductive function is maintained high.

2.焼結
アノード2またはカソード3に含まれるセラミックス22または32の原料粉末の平均径は0.5μm〜50μm程度とする。表面酸化された金属粒状体21,31と、SSZ22,LSZ32との配合比は、mol比で0.1〜10の範囲とする。
焼結方法は、たとえば大気雰囲気中で、温度1000℃〜1600℃の範囲に、30分〜180分間保持することで行う。
カソード3は、酸化層付き金属粒連鎖体31、LSM、Ag粒子33等の焼結体で構成される。Ag粒子の平均径は、10nm〜100nmとするのがよい。銀と、LSMとの配合比は、0.01〜10程度とするのがよい。
2. Sintering The average diameter of the raw material powder of the ceramics 22 or 32 contained in the anode 2 or the cathode 3 is about 0.5 μm to 50 μm. The compounding ratio between the surface-oxidized metal particles 21 and 31 and SSZ22 and LSZ32 is in the range of 0.1 to 10 in terms of mol ratio.
A sintering method is performed by hold | maintaining for 30 minutes-180 minutes, for example in air | atmosphere atmosphere at the temperature of 1000 to 1600 degreeC.
The cathode 3 is composed of a sintered body such as a metal particle chain 31 with an oxide layer, LSM, and Ag particles 33. The average diameter of the Ag particles is preferably 10 nm to 100 nm. The compounding ratio of silver and LSM is preferably about 0.01 to 10.

3.表面酸化
アノード2,カソード3内の各金属粒状体21,31は、電気化学反応を促進する触媒作用を高めるために、表面酸化される。
表面酸化処理は、(i)気相法による熱処理酸化、(ii)電解酸化、(iii)化学酸化の3種類が好適な手法である。(i)では大気中で500〜700℃にて1〜30分処理するのがよい。最も簡便な方法である。(ii)では標準水素電極基準で3V程度に電位を印加し、陽極酸化することにより表面酸化を行うが、表面積に応じ電気量により酸化膜厚を制御できる特徴がある。しかし、大面積化した場合、均一に酸化膜をつけることは難しい手法である。(iii)では硝酸などの酸化剤を溶解した溶液に1〜5分程度浸漬することで表面酸化する。酸化膜厚は時間と温度、酸化剤の種類でコントロールできるが薬品の洗浄が手間となる。いずれの手法も好適であるが、(i)または(iii)がより好ましい。
望ましい酸化層の厚みは、0.5〜100nmである。ただし、この範囲外であってもかまわない。酸化皮膜が薄すぎると触媒機能が不十分となる。また、わずかな還元雰囲気でもメタライズされてしまう恐れがある。さらに、イオンは酸化膜を通って運ばれるので、ある程度の厚みが必要である。逆に酸化皮膜が厚すぎると触媒性は充分保たれるが、反面、界面での電子伝導性が損なわれ、発電性能が低下する。
連鎖状金属粉末の表面酸化の時期は、上記の焼結体形成の前でもよいが、焼結体形成後が好ましい。
3. Surface oxidation The metal particles 21 and 31 in the anode 2 and the cathode 3 are subjected to surface oxidation in order to enhance the catalytic action for promoting the electrochemical reaction.
Three types of surface oxidation treatments are suitable: (i) heat treatment oxidation by a vapor phase method, (ii) electrolytic oxidation, and (iii) chemical oxidation. In (i), it is good to process at 500-700 degreeC for 1 to 30 minutes in air | atmosphere. This is the simplest method. In (ii), surface oxidation is performed by applying a potential to about 3 V with reference to a standard hydrogen electrode and performing anodization. However, the oxide film thickness can be controlled by the amount of electricity according to the surface area. However, when the area is increased, it is difficult to uniformly form an oxide film. In (iii), the surface is oxidized by being immersed in a solution in which an oxidizing agent such as nitric acid is dissolved for about 1 to 5 minutes. Although the oxide film thickness can be controlled by time, temperature, and type of oxidizer, cleaning of chemicals is troublesome. Either method is suitable, but (i) or (iii) is more preferred.
A desirable thickness of the oxide layer is 0.5 to 100 nm. However, it may be outside this range. If the oxide film is too thin, the catalyst function will be insufficient. In addition, even a slight reducing atmosphere may cause metallization. Furthermore, since the ions are carried through the oxide film, a certain thickness is required. On the other hand, if the oxide film is too thick, the catalytic property is sufficiently maintained, but on the other hand, the electronic conductivity at the interface is impaired and the power generation performance is lowered.
The time of surface oxidation of the chain metal powder may be before the above-mentioned sintered body formation, but is preferably after the sintered body formation.

次に、カソード集電体7の製造工程、特に、連続気孔の多孔体(以下、めっき多孔体と呼ぶ)について、概略的に説明する。
まず、ウレタン等の樹脂に発泡処理を施し発泡させたものを準備する。次いで、発泡した気孔を連続する気孔連続化処理を行う。気孔連続化処理は、ウレタン溶解性のある薬液により、孔の部分に残存する薄膜を溶解して除膜するか、あるいは、爆発処理で除膜する方法等がある。但し、これらの方法に限られるものではない。また、ブリヂストン等で気孔連続化処理したウレタンを入手することができ、この方法は好ましく用いられている。このあと、気孔内壁に、導電性炭素膜を付着させるか、または無電解めっき等により導電薄膜を形成する。次いで、電気めっきによって、金属めっき層を導電性炭素膜または導電薄膜上に形成する。この金属めっき層が気孔体の骨格となる。金属めっきはニッケルイオンを含むめっき液を用い、Niめっき層を形成するのがよい。Niは、上記の低温域で耐高温酸化性を有し、かつめっき層の形成が容易である。次いで、熱処理によって樹脂を消散させて、金属めっき層のみを残して、Niめっき多孔体とする。
より高温での耐酸化性能を得るためには、上述のように、Niめっき多孔体に対して合金化処理を施す。この合金化処理は、Cr、Al、その他の金属を外から表層に拡散導入することにより行われる。合金化を表層のみに止めて、合金化表層付きめっき多孔体とするのが普通であるが、中まで合金化する場合もある。
また、めっき液にニッケルイオンおよび他の金属イオンを溶解させて、めっき体をニッケル合金とすることができる。そのように、直接、合金めっき層を形成することで、ニッケル合金の骨格を形成してもよい。
Next, a manufacturing process of the cathode current collector 7, in particular, a continuous pore porous body (hereinafter referred to as a plated porous body) will be schematically described.
First, a foamed resin is prepared by foaming a resin such as urethane. Subsequently, the pore continuation process which continues the foamed pore is performed. The pore continuation treatment includes a method of removing a film by dissolving a thin film remaining in the pores with a chemical solution having urethane solubility, or removing the film by an explosion treatment. However, it is not restricted to these methods. Further, urethane obtained by continuous pore processing with Bridgestone or the like can be obtained, and this method is preferably used. Thereafter, a conductive carbon film is attached to the pore inner walls, or a conductive thin film is formed by electroless plating or the like. Next, a metal plating layer is formed on the conductive carbon film or the conductive thin film by electroplating. This metal plating layer becomes the skeleton of the pore body. For metal plating, a plating solution containing nickel ions is preferably used to form a Ni plating layer. Ni has high-temperature oxidation resistance in the above-mentioned low temperature range, and the formation of a plating layer is easy. Next, the resin is dissipated by heat treatment to leave only the metal plating layer, thereby forming a Ni-plated porous body.
In order to obtain oxidation resistance at higher temperatures, an alloying treatment is applied to the Ni-plated porous body as described above. This alloying treatment is performed by introducing Cr, Al, and other metals from the outside into the surface layer. Usually, alloying is stopped only on the surface layer to form a plated porous body with an alloyed surface layer.
Further, nickel ions and other metal ions can be dissolved in the plating solution to make the plated body a nickel alloy. As such, a nickel alloy skeleton may be formed by directly forming an alloy plating layer.

(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2に係るアンモニア分解素子の構成を概略的に示すブロック図である。本実施の形態における反応は、一般的には、表1の反応R4のように、電気分解反応である。すなわち、このアンモニア分解素子10は、電気分解素子であり、電力を投入してアンモニアを分解する。アノード2にはアンモニアを導入し、カソード3には二酸化炭素を導入する。
アノード反応は、実施の形態1と同じであるが、カソード反応は、CO2+2e−→CO+O2−である。
この場合、アノード集電体8と、カソード集電体7との間に、電源9を配置して、アノード側が高くなるように、外部から電位差(電圧)を印加する。外部の電源9は、アンモニア分解素子10に対して電力を消費する。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a block diagram schematically showing the configuration of the ammonia decomposing element according to Embodiment 2 of the present invention. The reaction in the present embodiment is generally an electrolysis reaction as shown by reaction R4 in Table 1. That is, the ammonia decomposing element 10 is an electrolysis element, and decomposes ammonia by supplying electric power. Ammonia is introduced into the anode 2 and carbon dioxide is introduced into the cathode 3.
The anodic reaction is the same as in Embodiment 1, but the cathodic reaction is CO2 + 2e− → CO + O2−.
In this case, a power source 9 is arranged between the anode current collector 8 and the cathode current collector 7, and a potential difference (voltage) is applied from the outside so that the anode side becomes higher. The external power source 9 consumes power for the ammonia decomposition element 10.

上記のように、実施の形態1との間に、電力の発生と消費という相違はあるが、アノード2/電解質1/カソード3および集電体7,8の構成は、実施の形態1と同様である。
つまり、アノード2およびカソード3も、実施の形態1と同様に、表面酸化された金属粒状体21,31とセラミックス22,32との焼結体によって構成されている。カソード3の金属粒状体31は、実施の形態1と同様に、少なくとも表面領域が高耐熱合金化されている。よって、高温の酸化性雰囲気において、高い耐酸化機能を発揮することができる。
その結果、本実施の形態のアンモニア分解素子10によっても、小型で簡単な素子によって大量のアンモニアガスを迅速に処理することができ、イニシャルコストおよびランニングコストが安価である。
As described above, although there is a difference in generation and consumption of electric power from the first embodiment, the configurations of the anode 2 / electrolyte 1 / cathode 3 and current collectors 7 and 8 are the same as those in the first embodiment. It is.
That is, the anode 2 and the cathode 3 are also composed of sintered bodies of the surface-oxidized metal particulates 21 and 31 and the ceramics 22 and 32 as in the first embodiment. As in the first embodiment, at least the surface region of the metal granular body 31 of the cathode 3 is made of a high heat resistant alloy. Therefore, a high oxidation resistance function can be exhibited in a high-temperature oxidizing atmosphere.
As a result, even with the ammonia decomposing element 10 of the present embodiment, a large amount of ammonia gas can be quickly processed with a small and simple element, and the initial cost and running cost are low.

実施の形態1においても説明したように、触媒のもとで分解対象ガスを分解させることは周知である。しかし、本実施の形態では、電気化学反応において二酸化炭素を酸素イオンの供給源として反応に関与させ、実用レベルの分解速度を得るために、600℃〜950℃に加熱しながら、維持管理を容易にすることができる。アンモニア分解速度の向上については、実施の形態1におけるものと同様に、カソードにおける触媒(銀粒子、酸化層付き金属粒連鎖体)の酸素イオン生成促進、およびアノードにおける銀粒子を除く同様の構成および作用効果を持たせたることで、反応速度を大幅に向上させることができる。   As described in the first embodiment, it is well known to decompose a gas to be decomposed under a catalyst. However, in this embodiment, carbon dioxide is used as an oxygen ion supply source in the electrochemical reaction, and it is easy to maintain and maintain while heating at 600 ° C. to 950 ° C. in order to obtain a practical decomposition rate. Can be. Regarding the improvement of the ammonia decomposition rate, as in the first embodiment, the oxygen ion generation promotion of the catalyst (silver particles, metal particle chain with oxide layer) at the cathode, and the same configuration excluding silver particles at the anode By providing the effect, the reaction speed can be greatly improved.

次に、試験体を用いて実際に検証した例について説明する。用いた試験体は、本発明の実施例1〜8および比較例1,2である。実施例1〜8および比較例1,2における各部の材料やサイズは、表3に示すとおりである。   Next, an example of actual verification using a specimen will be described. The used test bodies are Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention. The materials and sizes of the respective parts in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 are as shown in Table 3.

Figure 2010174333
Figure 2010174333

試験により、所定の温度で、20%のアンモニアを含む空気を分解する能力の時間推移を測定した。結果を表4に示す。ただし、表4における基本条件の処理能力とは、実施例2の試験体を用いて、温度800℃で、5h(5時間)経過時点のものである。この時点の処理能力は1.1mmol/cm・minであり、表4には、この値を100として、各試験体の処理能力が相対値で示されている。

Figure 2010174333
The time course of the ability to decompose air containing 20% ammonia at a predetermined temperature was measured by the test. The results are shown in Table 4. However, the processing capacity under the basic conditions in Table 4 is the one at the time when 5 h (5 hours) elapsed at the temperature of 800 ° C. using the specimen of Example 2. The processing capacity at this time is 1.1 mmol / cm 2 · min, and Table 4 shows the processing capacity of each specimen as a relative value with this value being 100.
Figure 2010174333

表4から、以下のことがわかる。
カソードの金属粒状体がFe20%Niで構成された実施例1(試験番号t1〜t3)だけについてみると、分解温度が700℃、800℃、9000℃と、高くなるにつれて、初期(5h)の処理能力は高いが、長時間(5000h(5000時間))使用すると、処理能力が低下する。これは、金属粒状体の表面の劣化によると考えられる。
金属粒状体をNiで構成し、酸化層の厚みを、10nm,0.5nm,100nmに変化させた実施例2,3,4(試験番号t4〜t6)についてみると、酸化層が薄いほど、初期(5h)の処理能力は高いが、長時間(5000h)使用すると、処理能力が低下する傾向がある。これは、酸化層が薄いほど、金属粒状体の表面が劣化しやすいからと考えられる。
表3に示されるように、実施例5,6,7は、金属粒状体をNiで構成し、表面層を、それぞれCr富化,Al富化,CrAl富化して、高耐熱合金化したものである。5000h経過後における実施例5,6,7(試験番号t7〜t8)の処理能力は、いずれも基本条件(5h経過時)の50%以上を保持している。特に、金属粒状体の表面層をCrAl富化した実施例7の処理能力は、5000h経過しても、基本条件の70%を維持している。よって、金属粒状体の表面層をCr,Al,CrAl等によって合金化することにより、高温の高酸化条件においても、高い耐熱性が得られている。特に、金属粒状体の表面をクロマイジングおよびアルミナイジングすることによって、顕著な効果を発揮することができる。
金属粒状体をNiで構成し、Ag10%を添加した実施例8の場合(試験番号t10)、初期(5h経過時)の処理能力は高いものの、5000h経過後には、処理能力が基本条件の30%程度まで低下している。したがって、Ag添加だけでは、十分な耐酸化性が得られていないことがわかる。
金属粒状体をNiで構成し、表面層を合金化せずに、酸化層の厚みを、0.3nm,1000nmとした比較例1,2(試験番号t11,t12)では、いずれも長時間経過後における処理能力が低下している。特に、酸化層の厚みを0.3nmまで薄くすると、このような高温での長時間の使用によって、著しく処理能力が低下していることがわかる。つまり、金属粒状体の劣化により触媒機能が十分発現していない。よって、酸化層の厚みは、0.5nm以上であることが好ましい。
酸化層の厚みを1000nmとした比較例2と、0.5nmとした実施例3とを比較すると、5000h経過時には、1000nmの方が処理能力が高い。しかしながら、比較例2の場合、5h、500hでの処理能力はかなり低い。また、このような厚い酸化層が存在すると、電子伝導性が低下する。よって、酸化層の厚みは、100nm以下であることが好ましい。
Table 4 shows the following.
Looking only at Example 1 (test numbers t1 to t3) in which the metal particles of the cathode were composed of Fe20% Ni, as the decomposition temperature increased to 700 ° C, 800 ° C, and 9000 ° C, the initial (5h) Although the processing capacity is high, if it is used for a long time (5000 hours (5000 hours)), the processing capacity decreases. This is thought to be due to the deterioration of the surface of the metal particulates.
Looking at Examples 2, 3, and 4 (test numbers t4 to t6) in which the metal particles are made of Ni and the thickness of the oxide layer is changed to 10 nm, 0.5 nm, and 100 nm, the thinner the oxide layer, Although the initial processing capacity (5h) is high, the processing capacity tends to decrease when used for a long time (5000h). This is presumably because the thinner the oxide layer, the more easily the surface of the metal particulates deteriorates.
As shown in Table 3, in Examples 5, 6 and 7, the metal particles were made of Ni, and the surface layer was made into a high heat-resistant alloy by Cr enrichment, Al enrichment and CrAl enrichment, respectively. It is. The processing capacities of Examples 5, 6, and 7 (test numbers t7 to t8) after 5000 hours have kept 50% or more of the basic conditions (when 5 hours have passed). In particular, the processing capacity of Example 7 in which the surface layer of the metal granular body was enriched with CrAl maintains 70% of the basic conditions even after 5000 hours. Therefore, high heat resistance is obtained even under high-temperature and high-oxidation conditions by alloying the surface layer of the metal granular body with Cr, Al, CrAl or the like. In particular, a remarkable effect can be exhibited by chromizing and aluminizing the surface of the metal granule.
In the case of Example 8 in which the metal granular body is made of Ni and Ag 10% is added (test number t10), the initial processing capacity (at the time of 5 hours) is high, but after 5000 hours, the processing capacity is 30 of the basic condition. It has fallen to about%. Therefore, it can be seen that sufficient oxidation resistance is not obtained only by addition of Ag.
In Comparative Examples 1 and 2 (test numbers t11 and t12) in which the metal granular body is made of Ni, the surface layer is not alloyed, and the thickness of the oxide layer is 0.3 nm and 1000 nm, both of them elapse for a long time Later processing capacity has declined. In particular, it can be seen that when the thickness of the oxide layer is reduced to 0.3 nm, the processing capability is remarkably lowered by such long use at a high temperature. That is, the catalyst function is not sufficiently developed due to the deterioration of the metal particulates. Therefore, the thickness of the oxide layer is preferably 0.5 nm or more.
When Comparative Example 2 in which the thickness of the oxide layer is 1000 nm is compared with Example 3 in which the thickness of the oxide layer is 0.5 nm, the processing capability is higher at 1000 nm after 5000 hours. However, in the case of Comparative Example 2, the processing capacity at 5 h and 500 h is considerably low. In addition, when such a thick oxide layer is present, the electron conductivity is lowered. Therefore, the thickness of the oxide layer is preferably 100 nm or less.

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。   The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明のアンモニア分解素子は、環境保護のためのアンモニア分解装置や、発電装置として利用することができる。   The ammonia decomposing element of the present invention can be used as an ammonia decomposing apparatus for environmental protection or a power generation apparatus.

1 イオン導電性電解質(固体酸化物電解質)
2 アノード
3 カソード
3h 空隙
5 負荷
7 カソード集電体
7a 骨格部
7h 空隙
8 アノード集電体
9 電源
21 金属粒状体
22 セラミックス
31 金属粒状体
32 セラミックス
33 銀粒子
1 Ion conductive electrolyte (solid oxide electrolyte)
2 Anode 3 Cathode 3h Air gap 5 Load 7 Cathode current collector 7a Skeletal part 7h Air gap 8 Anode current collector 9 Power supply 21 Metal granular material 22 Ceramics 31 Metal granular material 32 Ceramics 33 Silver particles

Claims (9)

アンモニアを分解するために用いられる素子であって、
アンモニアが導入される多孔質のアノードと、
前記アノードと対をなし、酸化性気体が導入される多孔質のカソードと、
前記アノードとカソードとの間に介在し、イオン導電性をもつイオン導電材とを備え、
前記カソードは、ニッケル(Ni)および/または鉄(Fe)を主成分として構成され、最表層が酸化された金属粒状体を含んでいる、アンモニア分解素子。
An element used to decompose ammonia,
A porous anode into which ammonia is introduced;
A porous cathode that is paired with the anode and into which an oxidizing gas is introduced;
An ionic conductive material interposed between the anode and the cathode and having ionic conductivity;
The cathode is an ammonia decomposing element comprising nickel (Ni) and / or iron (Fe) as a main component and containing metal particles whose outermost layer is oxidized.
請求項1記載のアンモニア分解素子において、
前記カソードの金属粒状体の少なくとも表面領域が高耐熱合金化されており、その最表層が酸化されている、アンモニア分解素子。
The ammonia decomposing element according to claim 1,
An ammonia decomposing element in which at least a surface region of the metal particles of the cathode is made of a high heat-resistant alloy and an outermost layer thereof is oxidized.
請求項2記載のアンモニア分解素子において、
前記金属粒状体の表面領域は、クロム(Cr)および/またはアルミニウム(Al)に富化されている、アンモニア分解素子。
The ammonia decomposing element according to claim 2,
The ammonia decomposition element, wherein the surface region of the metal particulate is enriched with chromium (Cr) and / or aluminum (Al).
請求項1〜3のうちいずれか1つに記載のアンモニア分解素子において、
前記金属粒状体の酸化された最表層の厚さは、0.5〜100nmである、アンモニア分解素子。
In the ammonia decomposition element according to any one of claims 1 to 3,
The ammonia decomposition element, wherein the oxidized outermost layer of the metal granular body has a thickness of 0.5 to 100 nm.
請求項1〜4のうちいずれか1つに記載のアンモニア分解素子において、
前記カソードは、前記金属粒状体と、イオン導電性セラミックスとの焼結体である、アンモニア分解素子。
In the ammonia decomposition element according to any one of claims 1 to 4,
The said cathode is an ammonia decomposition element which is a sintered compact of the said metal granular material and an ion conductive ceramic.
請求項1〜5のうちいずれか1つに記載のアンモニア分解素子において、
前記アノードおよび/またはカソードの、前記イオン導電材と反対側に、多孔質金属体の集電体が配置されている、アンモニア分解素子。
In the ammonia decomposition element according to any one of claims 1 to 5,
An ammonia decomposing element, wherein a current collector of a porous metal body is arranged on the opposite side of the anode and / or cathode to the ion conductive material.
請求項1〜6のうちいずれか1つに記載のアンモニア分解素子において、
前記カソードと前記アノードから電力の取り出しが可能である、アンモニア分解素子。
In the ammonia decomposition element according to any one of claims 1 to 6,
An ammonia decomposition element capable of taking out electric power from the cathode and the anode.
請求項7記載のアンモニア分解素子において、
前記イオン導電材、アノードおよびカソードを、加熱するヒータをさらに備え、
前記カソードと前記アノードから取り出された電力が、前記ヒータに供給される、アンモニア分解素子。
The ammonia decomposition element according to claim 7,
A heater for heating the ion conductive material, the anode and the cathode;
An ammonia decomposing element, wherein electric power extracted from the cathode and the anode is supplied to the heater.
請求項8に記載のアンモニア分解素子と、
前記電力を他の電気装置に供給するための電力供給部品と、
を備えている発電装置。
The ammonia decomposing element according to claim 8,
A power supply component for supplying the power to another electrical device;
A power generator equipped with.
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