JP2010274213A - ガス除害装置 - Google Patents
ガス除害装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010274213A JP2010274213A JP2009130303A JP2009130303A JP2010274213A JP 2010274213 A JP2010274213 A JP 2010274213A JP 2009130303 A JP2009130303 A JP 2009130303A JP 2009130303 A JP2009130303 A JP 2009130303A JP 2010274213 A JP2010274213 A JP 2010274213A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mea
- cylindrical
- gas
- ammonia
- outer cylinder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
Landscapes
- Treating Waste Gases (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
【解決手段】 円筒形のMEA7と、MEAの両端において、該MEAの内側と外側とを隔離しながら固定するための第1シール部材31と、MEAを取り囲むように位置する外筒9と、外筒の両端において該外筒の内側と外側とを隔離しながら固定するための第2シール部材36と、外筒を囲む筒状のヒーター41とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
一方、エネルギーや薬品等の投入なしに、安価なランニングコストを得るために、水素酸素燃料電池型分解方式を用いた、半導体製造装置の排気ガス処理の提案もされている(特許文献1)。
一方、水素酸素燃料電池型分解方式については、ppmオーダーまで除害を徹底させると、燃料極において排気ガスの長い流路が必要となり、圧力損失の増大を招く。さらに、水素酸素燃料電池分解方式におけるMEA(Membrane Electrode Assembly)は、強度的に脆弱であり、組み立て時の取り扱いが非常に難しいという問題がある。とくに多層に組み立てる場合に困難性が高く、その結果、組み立て工数の増大や歩留まり低下を招きやすい。
MEA7の外面を通る円筒状の流路R2は、その内面側を、上記の流路R1を形成する(チューブ33/筒状接続体32/MEA7)によって形成され、外面側を、(チューブ38/筒状接続体37/外筒9)によって形成される。すなわち流路R2は、(チューブ33/筒状接続体32/MEA7)と、(チューブ38/筒状接続体37/外筒9)との間に形成される。外筒9は、筒状接続体37との間に、第2シール部材36a,36bを介在させて固定される。第2シール部材36は、外筒端シール部材36aと、外筒内側スペーサリング36bとで構成される。外筒9、チューブ33,38、筒状接続体32,37は、ステンレススティール製とするのがよい。
外筒9を取り囲むように、加熱装置のヒーター41が配置され、アンモニア分解の場合、650℃〜950℃の範囲の所定温度に加熱する。ヒーター41には、たとえばカーボンヒーターを用いるのがよい。
このあと説明するように、カソード5は、イオン導電性だけでなく導電性(電子伝導度)も高いため、集電体を配置する必要はない。しかし、カソード集電体を配置してもよい。カソード集電体を配置する場合には、アノード集電体と同様に、すべてめっきで形成され、連続した気孔を有する金属多孔体を用いるのがよい。
(1)円筒形MEA7と筒状接続体32との間に介在する第1シール部材31
(2)外筒9と筒状接続体37との間に介在する第2シール部材36(36a,36b)
円筒形MEAの端面が当接する第1シール部材31、および外筒9の端面が当接する第2シール部材36aは、ガラスシール材であり、プリフォームによりリング状に形成されている。また、外筒9の端の内面と、筒状接続体37の内面側の突出部との間に介在する第2シール部材36bは、ゴム系またはガラス系の絶縁性Oリングである。
ヒータ41により、MEA7の電気化学反応箇所は、650℃〜950℃に加熱されるので、上記の第1および第2シール部材31,36の位置の温度は高くなる。このため、空気を円筒形MEA7の内面側に多量に流すことがなければ、上記のシールは、ろう付けで接合する必要がある。ろう付けは、ろう材自体高価であるだけでなく、ろう付け工数を要し、製造コストを増大させる。本実施の形態では、次の構成によって、シール部の高温化を抑制する。
(1)空気を円筒形MEA7の内面側に多量に流し、かつ、アンモニア含有気体を外面側に流す。これによって、円筒形内面側にアンモニア含有気体を流すことによる、アンモニアの素通りを防止しながら、空気流による冷却効果を確保する。
(2)空気の流れと、アンモニア含有気体の流れとを、逆方向にする。電気化学反応前の、気体およびアンモニア含有気体は、室温か、または室温よりも少し高い温度である。逆方向から流すと、一方の端では一方の気体が冷却を行い、他方の端では他方の気体が冷却を行うことができる。この結果、両端に位置するシール部31,36を両端ともに温度上昇を抑制することができる。これに比して、両方の気体を同じ方法に流す場合は、入口側の端のシール部は十分に冷却されるが、出口側の端では、両方の気体ともに加熱されているので、シール部の温度は大きく上昇する。このため、出口側の端では、たとえばろう付けが避けられず、製造コスト上昇をもたらす可能性が高い。
しかし、空気とアンモニア含有気体とを常に逆方向に流す必要はなく、要求使用(分解対象ガス、加熱温度など)に応じて、同じ方向に流してもよい。アンモニア分解のように高温にしない場合、たとえばNOxの分解等では、加熱温度は350℃〜650℃程度なので、同方向に流してもよい場合が増える。
また、カソード5は、銀(Ag)51と、酸素イオン導電性のセラミックス52とを主成分とする焼結体とするのがよい。この場合の酸素イオン導電性のセラミックス52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)などを用いるのがよい。
固体電解質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。円筒形に焼結されたものを購入する。固体酸化物1としては、SSZ、YSZ、SDC、LSGM、GDCなどを用いるのがよい。
(1)ニッケル粒連鎖体のニッケル酸化層による分解反応の促進(高い触媒機能)
(2)酸素イオンによる分解促進(電気化学反応の中での分解促進)
(3)金属粒連鎖体のひも状良導体による電子の導通性確保(高い電子伝導性)
上記の(1)、(2)および(3)によって、アノード反応は非常に大きく促進される。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。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5からイオン導電性の固体電解質1を経て、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、上記の(1)、(2)および(3)により、分解反応速度は飛躍的に向上する。
1.アノード
(1)金属粒連鎖体21
金属粒連鎖体21は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒連鎖体21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。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を要する。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。アノード2に含まれる金属粒連鎖体21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。
(2)表面酸化
金属粒連鎖体または金属粒の表面酸化処理は、(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が、酸化膜厚の制御が難しい。(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、1nm〜100nmであり、より好ましくは10nm〜50nmの範囲とする。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。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。
(3)焼成条件
SSZ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連鎖体21と、SSZ22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1200℃〜1600℃の範囲に、30分〜180分間保持することで行う。
(1)銀
Ag粒子の平均径は、10nm〜100nmとするのがよい。
(2)焼成条件
SSZの平均径は0.5μm〜50μm程度のものを用いるのがよい。銀と、SSZとの配合比は、0.01〜10程度とするのがよい。焼成条件は、大気雰囲気で、1000℃〜1600℃に、30分〜180分間程度保持する。
上記の金属多孔体11の作用は、圧力損失をできるだけ増大させずに得ることが好ましい。この点、すべてめっきで形成された金属多孔体11は、気孔率を高く、0.6以上0.98以下にとることができる。したがって、すべてめっきで形成された金属多孔体11は、上記(1)〜(3)の作用に加えて、(4)圧力損失の増大を抑制することができる。
なお、ウレタンの代わりにメラミンを用いた場合には、孔径の最小極限値は0.05mmとなる。メラミンを用いて製作した骨格部については、孔径と比表面積との積の表式は示さないが、気孔率が0.6以上0.98以下の範囲に入れば、メラミンを用いて製作した金属多孔体も本発明の範囲に入る。
金属粉焼結体の場合、孔径は0.05mm〜0.3mmの範囲、より好ましくは0.10〜0.2mmの範囲にある。また、比表面積は、ウレタンの樹脂多孔体鋳型を用いて製作した図8に示す関係(x−0.3)y=400よりも、かなり小さい範囲にある。気孔率は、骨格の形状にも影響を受けるが、一般的に気孔率が高いものほど比表面積は大きい。したがって、図7に示す方法で作製したNi多孔体は、同じ導電性、同じ乱流生成作用を得ながら、金属粉焼結体よりも圧力損失を低下することができる。
本発明のガス除害装置は、表1に示すすべての除害反応R1〜R7に用いることができる。上記実施の形態1は、反応R1について説明した。本発明のガス除害装置は、表1以外のガス除害反応にも用いてもよい。
(実施例1−アンモニア含有気体を流したときの出口濃度に及ぼす流路R2の厚み(径方向厚み)の影響−)
条件は次のとおりである。
(1)除害装置には、図1に示す装置を用いた。ただし、空気流の方向と、アンモニア含有気体の方向とは、同じ方向とした。
(2)円筒形MEA7の長さ200mm、外筒9の外径35mm
(3)アンモニア含有気体:アンモニアと水素との混合気体で、混合比は1:1
混合気体の流量10SLM一定
(4)MEA7と外筒9との間には、金属多孔体11を配置
(5)アノードに到達したアンモニアは100%分解すると仮定
上記の前提条件の下で、表2および図10に示す結果を得た。
条件はつぎのとおりである。
(1)円筒形MEA:長さ600mm、直径(外径)30mm、厚み5mm
(2)ヒーター:長さ400mm
(3)温度:ヒーター設定温度850℃、MEA高温部温度780℃〜800℃
(4)排気ガス(アンモニア含有ガス):流量5L/min
(5)空気流量:10L/min〜250L/min
結果を表3および図11に示す。
(E1)空気流量の増大にともないMEA両端部の最高温度は、急激に低下する。これによって、空気による冷却効果を明確に知ることができる。
(E2)空気とアンモニア含有気体とを逆方向に流すことにより、最高温度を200℃程度下げることができる。この結果、空気流量100L/min以上流して、排気ガスと逆方向にすることで、400℃以下にすることが可能である。これによって、高価なろう付けによる接合を避けて、ゴム系またはガラス系のOリングによるシールが可能になり、経済性を向上させることができる。
Claims (6)
- ガス成分を電気化学反応によって除害する装置であって、
円筒形の固体電解質、該円筒形の内面に接して位置する円筒形の第1電極、および該円筒形の外面に接して位置する円筒形の第2電極、を主構成部とする円筒形のMEAと、
前記MEAの両端において、該MEAの内側と外側とを隔離しながら固定するための第1シール部と、
前記MEAを取り囲むように位置する外筒と、
前記外筒の両端において該外筒の内側と外側とを隔離しながら固定するための第2シール部と、
前記外筒を囲む筒状の加熱装置とを備えることを特徴とする、ガス除害装置。 - 前記MEAにおける、第1電極をカソードとし、第2電極をアノードとし、前記円筒形のMEAの内側に空気を流し、前記MEAの外側にアンモニアを流すことを特徴とする、請求項1に記載のガス除害装置。
- 前記空気を流す方向と、前記アンモニアを流す方向とを逆方向にすることを特徴とする、請求項2に記載のガス除害装置。
- 前記第1シール部および第2シール部が、脱着自在の部材で形成されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス除害装置。
- 前記MEAと前記外筒との間に位置するアノード集電体を備え、該アノード集電体が、連続する気孔を有する、すべてめっきで形成された金属多孔体で形成されることを特徴とする、請求項2〜4のいずれか1項に記載のガス除害装置。
- 前記カソードは、銀粒子と、イオン導電性セラミックスとを有し、集電体を兼ね、別体のカソード集電体を含まないことを特徴とする、請求項2〜5のいずれか1項に記載のガス除害装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009130303A JP2010274213A (ja) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | ガス除害装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009130303A JP2010274213A (ja) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | ガス除害装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010274213A true JP2010274213A (ja) | 2010-12-09 |
Family
ID=43421668
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009130303A Pending JP2010274213A (ja) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | ガス除害装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010274213A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012166112A (ja) * | 2011-02-10 | 2012-09-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ガス分解装置およびガス分解システム |
Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62163726A (ja) * | 1986-01-13 | 1987-07-20 | Tokai Kogyo Kk | 簡易脱臭器 |
JPH02203919A (ja) * | 1989-02-01 | 1990-08-13 | Mels Corp | オゾン分解器 |
JPH0657469A (ja) * | 1992-08-05 | 1994-03-01 | Kao Corp | 酸化反応方法及びその装置 |
JPH0866621A (ja) * | 1994-06-20 | 1996-03-12 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 窒素酸化物の除去方法 |
JPH0999213A (ja) * | 1995-10-04 | 1997-04-15 | Sekiyu Sangyo Kasseika Center | 排ガス浄化用素子および窒素酸化物の浄化方法 |
JP2006032130A (ja) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池用膜電極複合体の製造方法 |
JP2007130557A (ja) * | 2005-11-09 | 2007-05-31 | Mitsubishi Electric Corp | 汚染物分解装置 |
WO2007099871A1 (ja) * | 2006-03-01 | 2007-09-07 | Mitsubishi Electric Corporation | 有害ガス処理装置および水処理装置 |
JP2007301435A (ja) * | 2006-05-08 | 2007-11-22 | Toshiba Corp | 電気化学反応装置 |
JP2007335199A (ja) * | 2006-06-14 | 2007-12-27 | Toyota Motor Corp | チューブ状固体高分子型燃料電池、及びチューブ状固体高分子型燃料電池の製造方法 |
JP2008004390A (ja) * | 2006-06-22 | 2008-01-10 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池 |
JP2009076395A (ja) * | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池セル及び該チューブ型燃料電池セルを備えるチューブ型燃料電池 |
-
2009
- 2009-05-29 JP JP2009130303A patent/JP2010274213A/ja active Pending
Patent Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62163726A (ja) * | 1986-01-13 | 1987-07-20 | Tokai Kogyo Kk | 簡易脱臭器 |
JPH02203919A (ja) * | 1989-02-01 | 1990-08-13 | Mels Corp | オゾン分解器 |
JPH0657469A (ja) * | 1992-08-05 | 1994-03-01 | Kao Corp | 酸化反応方法及びその装置 |
JPH0866621A (ja) * | 1994-06-20 | 1996-03-12 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 窒素酸化物の除去方法 |
JPH0999213A (ja) * | 1995-10-04 | 1997-04-15 | Sekiyu Sangyo Kasseika Center | 排ガス浄化用素子および窒素酸化物の浄化方法 |
JP2006032130A (ja) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池用膜電極複合体の製造方法 |
JP2007130557A (ja) * | 2005-11-09 | 2007-05-31 | Mitsubishi Electric Corp | 汚染物分解装置 |
WO2007099871A1 (ja) * | 2006-03-01 | 2007-09-07 | Mitsubishi Electric Corporation | 有害ガス処理装置および水処理装置 |
JP2007301435A (ja) * | 2006-05-08 | 2007-11-22 | Toshiba Corp | 電気化学反応装置 |
JP2007335199A (ja) * | 2006-06-14 | 2007-12-27 | Toyota Motor Corp | チューブ状固体高分子型燃料電池、及びチューブ状固体高分子型燃料電池の製造方法 |
JP2008004390A (ja) * | 2006-06-22 | 2008-01-10 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池 |
JP2009076395A (ja) * | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池セル及び該チューブ型燃料電池セルを備えるチューブ型燃料電池 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SEIテクニカルレビュー,第180号 P.93-96(2012), JPN6012058375, ISSN: 0002378387 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012166112A (ja) * | 2011-02-10 | 2012-09-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ガス分解装置およびガス分解システム |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5691144B2 (ja) | ガス分解素子、アンモニア分解素子、発電装置および電気化学反応装置 | |
WO2010035691A1 (ja) | 電気化学反応装置、その製造方法、ガス分解素子、アンモニア分解素子および発電装置 | |
JP5648344B2 (ja) | 触媒、電極、燃料電池、ガス除害装置、並びに触媒および電極の製造方法 | |
JP2010180789A (ja) | ガス分解素子 | |
WO2011155423A1 (ja) | ガス分解素子、アンモニア分解素子、発電装置および電気化学反応装置 | |
US9136552B2 (en) | Gas decomposition component, ammonia decomposition component, power generation apparatus, electrochemical reaction apparatus, and method for producing gas decomposition component | |
JP2010201387A (ja) | ガス分解素子および発電装置 | |
JP5359552B2 (ja) | ガス分解装置およびその配置構造 | |
KR101459403B1 (ko) | 막 전극 복합체, 연료 전지, 가스 제해 장치 및, 막 전극 복합체의 제조 방법 | |
JP5640502B2 (ja) | 電極接続構造および電極接続構造の製造方法 | |
JP5655502B2 (ja) | ガス分解素子、発電装置及びガス分解方法 | |
JP2010274213A (ja) | ガス除害装置 | |
JP2011014309A (ja) | 電気化学反応装置およびその製造方法 | |
JP5742075B2 (ja) | ガス分解素子、発電装置 | |
JP5787269B2 (ja) | ガス分解素子、発電装置及びガス分解方法 | |
JP5655508B2 (ja) | ガス分解素子、発電装置及びガス分解方法 | |
JP2012016693A (ja) | ガス分解素子、アンモニア分解素子、発電装置および電気化学反応装置 | |
JP2010174333A (ja) | アンモニア分解素子および発電装置 | |
JP2012192349A (ja) | ガス処理システム | |
JP5545227B2 (ja) | ガス分解装置及び発電装置 | |
JP2010214240A (ja) | ガス分解素子およびその製造方法 | |
JP5946027B2 (ja) | ガス分解装置及び発電装置 | |
JP2010247032A (ja) | ガス除害装置 | |
JP5621332B2 (ja) | ガス分解素子、アンモニア分解素子、発電装置および電気化学反応装置 | |
JP2010247033A (ja) | ガス除害装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120118 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120712 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120808 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120927 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121116 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20130409 |